Повышение уровня провоспалительных цитокинов в раннем возрасте как фактор формирования когнитивных дисфункций Физиологические эффекты провоспалительных цитокинов (ИЛ-1, ИЛ-6, ФНО) у взрослых Гомеостатические реакции •Активация ГГНС •Пирогенез •Медленноволновой сон Sickness behavior •Подавление пищевой и половой мотивации •Снижение социальной активности •Уменьшение двигательной и исследовательской активности Влияние провоспалительных цитокинов на когнитивные функции мозга у взрослых 1. Высокая плотность рецепторов ИЛ-1 выявлена в гиппокампе. 2. Влияние на обучение в различных тестах. 3. Действие на долговременную потенциацию (LTP). 4. Влияние на активность нейромедиаторных систем, связанных с 5. Действие на продукцию белков, вовлеченных в регуляцию •Подавление LTP процессами•Нарушение памяти. обучения процессов нейропластичности. Bellinger et al., Brain Res. 1993 Nov 19;628(1-2):227-34 Katsuki et al., 1: Eur J Pharmacol. 1990 Jun 8;181(3):323-6 Murray et al., Neurobiol Aging. 1997 May-Jun;18(3):343-8. Griffin et al., J Neurochem. 2006 Nov;99(4):1263-72. Lai et al., Neuroimmunol. 2006 Jun;175(1-2):97-106 Matsumoto et al., Eur J Pharmacol. 2001 Nov 2;430(2-3):283-8. Zafra et al., Journal of Neuroscience, 1992, Vol 12, 4793-4799 Taishi et al., Brain Res. 2008;1226:89-98. Rage et al., Neurochem Int. 2006 ;49(5):433-41. Wilczynska et al., J Biol Chem. 2006;281(46):34955-64. Spulber et al., J Neuroimmunol. 2009 208(1-2):46-53. Вовлеченность провоспалительных цитокинов в патогенез нервных и психических нарушений у взрослых •Депрессия •Изменения поведения при стрессе •Болезнь Альцгеймера и др. нейродегенеративные заболевания (Swardfager, 2010; Martina, 2003; Daniele, 2005; Di Bona, 2008; Di Bona, 2009; Griffin, 1995 и мн. др) Предпосылки работы • 1. Когнитивные дисфункции у детей и подростков часто являются следствием родовых травм, перинатальных гипоксий, инфекционных заболеваний, перенесенных в раннем возрасте. Общим звеном этих патологических состояний является повышение уровня провоспалительных цитокинов в крови и мозге. Kuster, 1996; Saliba, 2001; MARTINANCEL A, 1997; Chiesa, 2003; Bartha, 2004; Aly с соавторами, 2006 Развитие нервной системы крыс (по Rice, Barone, 2000) рождение Дни эмбрионального развития 5-6 8-9 11 нейруляция 15 Дни после родов 35-45 20-21 15 пролиферация и миграция дифференцировка и синаптогенез апоптоз глиогенез миелинизация подростки Предпосылки работы • 2. Провоспалительные цитокины влияют на развитие и созревание в раннем онтогенезе клеток глии и нейронов Bilbo et al., 2009 Нормальные нейроны ИЛ-1β+ФНОα Предпосылки работы • 2. Провоспалительные цитокины влияют на развитие и созревание в раннем онтогенезе клеток глии и нейронов Gilmore et al. (2004) Предпосылки работы • 3. Введение в раннем постнатальном онтогенезе крысам бактериального ЛПС приводит к отдаленным нарушениям исследовательского поведения и памяти Rico J.L., 2010; Bilbo, 2005, 2011; Boisse, 2005; Kohman, 2008 Нерешенные вопросы ? ? ? ? ? 1. Дифференциальная роль отдельных провоспалительных цитокинов в индукции когнитивных дисфункций. 2. Критические периоды их действия. 3. Механизмы когнитивных нарушений, вызванных повышением уровня провоспалительных цитокинов в раннем возрасте. ИЛ-1β чел. рек., 1 мкг/кг, 100 нг/кг 1 раз в день в течение 7 дней 1-7 или 8-14 или Тесты на двигательную активность и исследовательское поведение 15-21 Дни жизни 45-60 тестирование введения Экспериментальная процедура Тесты на память 75-90 Введение ИЛ-1 в раннем возрасте приводит к увеличению активности в тесте «открытое поле» Достоверные отличия от контрольной и интактной групп, p<0.001 Достоверные отличия от интактной группы, p<0.05 Введение ИЛ-1 в раннем возрасте приводит к увеличению активности в тесте «открытое поле» с Достоверные отличия от контрольной и интактной групп, p<0.001 Достоверные отличия от интактной группы, p<0.05 При контакте с новыми объектами крысы, которым вводили ИЛ-1 в течение 3-ей, но не1-ой недель жизни совершают больше подходов к новым предметам Введение ИЛ-1 в течение 1 недели жизни, тест в возрасте 2-х месяцев F=8,2; p=0,0007 ** ** - достоверные отличия от контрольных групп по t- критерию Стьюдента Число подходов к новым предметам Число подходов к новым предметам Введение ИЛ-1 в течение 3 недели жизни, тест в возрасте 2-х месяцев Введение ИЛ-1 в течение 3-ей, но не 1-ой недели жизни нарушает выработку условного рефлекса активного избегания 10 8 6 попытки 11 - 20 4 1 - 10 2 0 Дни обучения Введение ИЛ-1 в течение 3-ей недели Количество правильных попыток Количество правильных попыток Введение ИЛ-1 в течение 1-ой недели 10 8 попытки 6 11 - 20 1 - 10 4 2 0 Дни обучения Достоверные отличия от контрольных групп по U- критерию Манна- Уитни У взрослых крыс, которым вводили ИЛ-1 в течение 3-ей недели жизни нарушается долговременная, но не краткосрочная память (при выработке условного рефлекса пассивного избегания) Суммарное время в темном отсеке с * - достоверные отличия от теста до обучения по Т- критерию Вилкоксона При помещении в «Открытое поле» в течение 3-х дней подряд, реакция угашения ориентировочного поведения слабее выражена у крыс, которым вводили ИЛ-1β в течение 3 недели жизни (тест в возрасте 45-50 дней) *# *- достоверные отличия от контроля #-достоверные отличия от интактных по t-критерию Стьюдента У взрослых крыс, которым вводили ИЛ-1 в течение 3 недели жизни, нарушена пространственная память (обучение в водном лабиринте Морриса) * *- достоверные отличия от интактных по U-критерию Манна – Уинтни, р<0.05 Введение в течение 3 недели ИЛ-1 не повышает тревожность взрослых крыс в приподнятом крестообразном лабиринте (время в закрытых рукавах лабиринта), тест в возрасте 2-х месяцев ** Достоверные отличия от контрольных групп по t- критерию Стьюдента, **- p<0.01 МЕХАНИЗМЫ КОГНИТИВНЫХ НАРУШЕНИЙ, НАБЛЮДАЕМЫХ У ВЗРОСЛЫХ ЖИВОТНЫХ, КОТОРЫМ ВВОДИЛИ ИЛ-1 В ТЕЧЕНИЕ 3 НЕДЕЛИ ЖИЗНИ Гипотезы Причинами долговременных нарушений когнитивных функций, вызванных повышением уровня ИЛ-1 в течение 3 недели жизни могут быть изменения: 1. активности фронтальной и гиппокампальной областей мезокортиколимбической дофаминергической системы мозга; 2. продукции белков, вовлеченных в регуляцию мозговых процессов нейропластичности, в гиппокампе и фронтальной коре; 3. субъединичного состава NMDA- глутаматных рецепторов гиппокампа. Предпосылки работы: Задача: Исследование влияния повышения уровня ИЛ-1 течение 3 недели жизни на активность дофаминергической системы взрослых крыс в условиях когнитивной нагрузки Внутримозговое введение крысятам ЛПС на 5 день после рождения приводит к уменьшению числа дофаминергических нейронов в SN и NA (Fan et al., 2011) Введение ИЛ-1 в течение первых дней жизни приводит к уменьшению содержания дофамина в гипоталамусе взрослых животных (Kabiersch et al., 1998) Изменение содержания дофамина, DOPAC (нг/мг ткани) и активности метаболизма дофамина во фронтальной коре у взрослых животных, которым вводили ИЛ-1β в течение 3 недели жизни Без обучения 0.01 физ. р-р 0.016 ИЛ-1β 0.012 интактн. 2 0.008 УРАИ физ р-р 0.008 ИЛ-1β 0.006 интактн. 0.004 0.004 0.002 0 0 DA DOPAC DA DOPAC 1.5 1.5 1 1 0.5 0.5 0 DOPAC/DA Достоверные отличия по U –критерию Манна- Уитни 0 DOPAC/DA Cодержание норадреналина (пг/мг ткани) в гиппокампе взрослых животных, которым вводили ИЛ-1β в течение 3 недели жизни (без когнитивной нагрузки) * *- достоверные отличия от интактных по U- критерию Манна- Уитни Уровень активности метаболизма серотонина и содержание серотонина (пг/мг ткани) в гиппокампе у взрослых животных, которым вводили ИЛ-1β в течение 3 недели жизни Без обучения УРАИ 5-HT Достоверные отличия по U –критерию Манна- Уитни 5-HT Введение ИЛ-1β в течение 3-й недели жизни приводит к увеличению экспрессии генов (уровня мРНК) D2S, D3 и D1 рецепторов дофамина в гиппокампе взрослых крыс в условиях когнитивной нагрузки (метод – real time PCR) Стрелками указаны достоверные различия по U- критерию МаннаУитни Введение ИЛ-1β в течение 3-й недели жизни приводит к увеличению уровня мРНК D4 рецепторов дофамина во фронтальной коре взрослых крыс в условиях когнитивной нагрузки (метод – real time PCR) Стрелками указаны достоверные различия по U- критерию МаннаУитни Задача Изучение особенностей экспрессии мРНК генов белков, вовлеченных в регуляцию мозговых процессов нейропластичности у взрослых животных, которым в раннем возрасте вводили ИЛ-1 Предпосылки работы: TIMP1 и FGF2 вовлечены в регуляцию процессов нейропластичности, обучения и памяти (Jourquin et al., 2005; Zechel et al, 2010) ИЛ-1 влияет на продукцию TIMP1 (Surydavara et al., 2003), FGF2 подавляет стимулированную продукцию ИЛ-1 (Bovolenta et al., 2010) в глиальных клетках 20.0 18.0 фронтальная кора Fgf2 16.0 14.0 12.0 Интактная группа 10.0 Контрольная группа 8.0 6.0 * Опытная группа 4.0 2.0 Относительный уровень мРНК ) Относительный уровень мРНК гиппокамп гиппокамп 0.5 0.2 0.1 0.0 Интактная группа * Контрольная группа Опытная группа Относиельный уровень мРНК Относительный уровень мРНК) 0.6 0.3 Fgf2 3 2.5 Интактная группа 2 Контрольная группа Опытная группа 1.5 1 0.5 1.8 Timp1 0.7 0.4 3.5 0 0.0 0.8 4 1.6 Timp1 1.4 1.2 1 Интактная группа Контрольная группа 0.8 Опытная группа 0.6 0.4 0.2 0 В условиях когнитивной нагрузки (при выработке УРАИ) пониженная продукция мРНК Fgf2 и Timp1 обнаружена в гиппокампе, но не фронтальной коре опытных крыс. Задача Исследование влияния введения ИЛ1 в течение 3 недели жизни на экспрессию генов отдельных субъединиц NМDAглутаматных рецепторов Предпосылки работы: Первые недели жизни крыс – критический период созревания NMDA рецепторов гиппокампа (Wenzel el al, 1997). Введение ЛПС в раннем постнатальном периоде приводит к долговременным изменениям продукции отдельных субъединиц NMDA рецепторов гиппокампа и фронтальной коры (Harre, 2008). Введение ИЛ-1 в течение 3 недели изменяет экспрессию в клетках гиппокампа мРНК генов отдельных субъединиц глутаматных рецепторов (забор материала через 2 часа после последнего введения ИЛ-1, определение методом real-time PCR) Относительный уровень мРНК ** * Введение ИЛ-1 в течение 3 недели усиливает экспрессию в клетках гиппокампа мРНК генов отдельных субъединиц глутаматных рецепторов (забор материала через 2 часа после последнего введения ИЛ-1, определение методом real-time PCR) Достоверные различия по U- критерию Манна- Уитни, * - р<0.05, **- p<0.01 СВЯЗЬ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ ПРОВОСПАЛИТЕЛЬНЫХ ЦИТОКИНОВ В РАННЕМ ПОСТНАТАЛЬНОМ ОНТОГЕНЕЗЕ С РАЗВИТИЕМ ПСИХИЧЕСКОЙ ПАТОЛОГИИ СДВГ Причинами возникновения СДВГ часто являются различные виды перинатальной патологии, сопровождающиеся высокой продукцией провоспалительных цитокинов (Millichap, 2008 и др.). Нарушения поведения, возникающие после неонатальных введений крысам ИЛ-1β выявляет их большую схожесть с проявлениями СДВГ (Зубарева и др., 2008). Обнаружена связь риска развития СДВГ с генетическим полиморфизмом гена рецепторного антагониста ИЛ-1 – ИЛ-1 р.а. (Segman с соавторами (2002), ИЛ-6 и ФНОα (Drtilkova, 2008) . Шизофрения Есть клинические наблюдения о связи пренатальных инфекционных заболеваний с риском развития шизофрении (Brown, 2000, и др.) Нарушение реакции преимпульсного ингибирования (Tohmi, 2007 и др.) Neurodevelopmental Hypothesis of Schizophrenia) (Miyamoto, 2003, Fatemi, 2009, и мн. другие) и гипотеза «двойного удара» («Тwo-hit» Hypothesis) (Bayer, 1999 и др.) Гипотетическая модель участия провоспалительных цитокинов в патогенезе шизофрении (по U. Meyer, 2011) Процессы воспаления в ЦНС в эмбриональный и перинатальный период + ИЛ-1, ИЛ-6, ФНО Нарушения функций глии Вутриутробные инфекции Гипоксия, ишемия Нарушение развития ЦНС стрессы ИЛ-1, ИЛ-6, ФНО Процессы воспаления в ЦНС в постнатальном периоде Психопатология Долговременные изменения в ЦНС – основа предрасположенности к психопатологии Инфекционные заболевания в постнатальном периоде Пренатальный период Постнатальный период Е. Вениаминова А.Н. Трофимов А.П. Шварц БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ