Изучение церебрального паралича в экспериментах на животных
Сегодня 6 октября, World Cerebral Palsy Day, а значит, я вновь пишу про церебральный паралич. С тех пор, как я подробно рассказал свою историю жизни с ДЦП, я чувствую некоторую ответственность за более широкое освещение этого вопроса. Церебральный паралич является самым распространенным детским неврологическим нарушением, им страдают 17 миллионов человек в мире. За последние годы частота ДЦП снизилась с 4 до 1,5 случаев на 1000 новорожденных, а диагноз в большинстве случаев ставится до возраста 3 месяцев, что увеличивает эффективность лечения. Год назад я пересказал мета-анализ методов терапии церебрального паралича Ионны Новак и ее коллег.
К сожалению, до сих пор в интернете практически не найти качественных материалов, посвященных механизмам развития ДЦП и его лечения. Заметки на сайтах медицинских центров и родительских форумах очень поверхностно описывают заболевание, а СМИ и сайты НКО больше внимания уделяют социальному аспекту проблемы. Фонд "Обнаженные сердца" кроме общих фактов о ДЦП сделал подробный перевод обзора Ионы Новак, а Медуза в рамках проекта MeduzaCare выпускала ряд статей о людях с ДЦП: Важные вопросы о церебральном параличе, Как помочь ребенку с ДПЦ, Как в России живут семьи детей с ДЦП, Дети с ДЦП могут учиться в обычных школах, Взрослые люди с церебральным параличом о любви, учебе, работе и принятии себя.
Когда-нибудь (возможно к очередному 6 октября) я напишу подробную статью про нейробиологию церебрального паралича. Сегодня я сосредоточусь на более узком вопросе, ближе к моей профессиональной области трансляционной нейробиологии - моделировании церебрального паралича в экспериментах на животных.
Главная задача моделирования любого заболевания на животных - воспроизведение основных симптомов, составляющих клиническую картину. Главный и обязательный симптом церебрального паралича - нарушение моторных функций, по которым его классифицируют на три формы (видео с объяснением). Спастическая форма (около 80% случаев церебрального паралича) связана с избыточной активностью нейронов моторной коры и сопровождается повышенным тонусом мышц (спастичностью). Дискинетическая форма связана с повреждениями подкорковых ядер (базальных ганглиев) и черной субстранции среднего мозга и сопровождается непроизвольными движениями (гиперкинезами). Атаксическая форма встречается у 5% пациентов и сопровождается нарушением координации, вызванной нарушениями мозжечка, и, наоборот, сниженным тонусом мышц. С другой стороны, модели должны учитывать основные факторы, приводящие к развитию патологии - недоношенность, гипоксия плода, внутриутробные инфекции и родовые травмы. Все эти воздействия могут использоваться для воспроизведения симптомов церебрального паралича у экспериментальных животных.
Наиболее часто в экспериментах используются модели гипоксии-ишемии, то есть нарушения поступления крови в мозг, приводящее к недостаточному снабжению кислородом. Большинство из них связано с окклюзией (перевязыванием) артерий, но некоторые используют общую гипоксию путем помещения в барокамеру. Хотя мозг человека и грызунов сильно различается, сравнительные эмбриологические исследования установили, что последнему триместру эмьрионального развития человеческого плода соответствуют первая неделя жизни мышат и крысят. Поэтому гипоксию-ишемию чаще проводят не на плодах грызунов, а на новорожденных детенышах. Воздействие на плод чаще связано с окклюзией маточной артерии или помещением беременной самки в гипоксическую камеру, впрочем на более крупных животных (например овцах) можно проделать и окклюзию артерий плода.
Другим фактором риска развития церебрального паралича являются внутриутробные инфекции, поэтому группа воспалительных моделей связана с запуском воспаления в организме матери и плода. В самых разнообразных исследованиях системного или мозгового воспаления чаще всего используется введение липополисахарида - элемента клеточной оболочки грам-отрицательных бактерий. Метод материнской иммунной активации обычно используется в экспериментальных моделях шизофрении, поэтому неудивительно, что сравнительные иследования на приматах показали, что он хуже воспроизводит двигательные нарушения, чем неонатальная гипоксия. В то же время, совместное воздействие гипоксии-ишемии и воспаления приводит к развитию симптоматики, более похожей на клиническую картину ДЦП.
Другие модели включают хирургические и химические повреждения мозга, ингаляцию угарного газа, мутацию гена рецептора глицина (хотя в клинической практике никакой связи с ней не обнаружено). Наиболее же точно клиническую картину ДЦП воспроизводила методика сенсомоторного ограничения - обезддвиживание задних конечностей на 16 часов в сутки в первые дни жизни крысят. Впрочем эта модель далека от ДЦП по этиологии, что делает ее не слишком полезной для изучения механизмов развития и терапии заболевания.
В силу значительных различий строения мозга человека и модельных животных (в первую очередь, грызунов), аналогичные повреждения мозговых структур часто не сопровождаются значительными двигательными нарушениями. Это значительно усложняет как понимание механизмов таких нарушений при ДЦП, так и разработку новых методов их коррекции. При этом, модели на кроликах гораздо точнее воспроизводят клиническую картину - спастичность мышц, гиперкинезы и моторные нарушения. Вкупе с простотой содержания и невысокой ценой (по сравнению с приматами) это делает кроликов идеальным модельным объектом для изучения ДЦП. Другое модельное животное, более удобное чем грызуны, это свиньи - неонатальная гипоксия-ишемия приводит у них к более выраженным неврологическим нарушениям.
Наряду с неврологическими симптомами многие модели воспроизводят нарушение роста мышц. Более того, некоторые модели гипоксии-ишемии сопровождаются гибелью мотонейронов, но не дистрофией мышц, что может указывать на вторичность мышечных нарушений. Эксперименты на кроликах показывают, что укорочение мышц и изменение их молекулярной структуры (удлинение саркомеров) может лежать в основе спастичности и ригидности позы. В свою очередь, жесткость спастичных мышц нарушает проприорецепцию (мышечную чувствительность, позволяющую нам чувствовать тело в пространстве), необходимую для нормальной обратной связи при движениях.
Эксперименты на животных добавили ясности в представления о роли нарушений спинного мозга в клинической картине церебрального паралича. Как известно, кора головного мозга посылает всем нижележащим структурам, включая спинной мозг, постоянные тормозные сигналы (в руссой литературе это известно как сеченовское торможение). Таким образом, нарушения функционирования коры приводят к снижению торможения активности мотонейронов спинного мозга и усилению мышечных сокращений - спастичности (тонических (длительных) сокращений), судорог (частых фазных (коротких) сокращений) и гиперкинезов (разовых фазных сокращений).
Моделирование любых человеческих патологий ставит два вопроса - методы индукции схожих симптомов у животного и методы их объективной оценки. В трансляционной психиатрии используется широкий спектр поведенческих тестов (об этом есть моя статья на Биомолекуле, еще можно послушать мой рассказ в подкасте КритМыш). В трансляционной неврологии используются аналогичные тесты, в частности при моделировании церебрального паралича - на новорожденных мышатах и крысятах.
Тесты включают рефлекс переворачивания, хватательный рефлекс, ползания в открытом поле и переход от ползанья к ходьбе. Силу мышц можно оценить, подвешивания крысят за передние или задние лапы.
Угол между задними лапами позволяет оценить перераспределение мышечного тонуса и нарушение походки, аналогичное наблюдаемому у людей с церебральным параличом.
Нарушения когнитивных функций (они встречаются у 40-50% пациентов с церебральным параличом) оцениваются в модельных исследованиях гораздо реже, чем моторные. Однако в опубликованных работах есть данные о нарушении инструментального обучения в камере Скиннера и пространственной памяти в водном лабиринте Морриса и 8-лучевом лабиринте [1, 2] после неонатальной гипоксии-ишемии.
Модели церебрального паралича активно используются для разработки новых методов терапии и коррекции моторных нарушений. Активно изучаются перспективы использования стволовых клеток [3] и механизмы терапевтического эффекта гипотермии - общего охлаждения тела сразу после рождения [4].
1. Cavarsan et al., 2019. Animal models of developmental motor disorders: parallels to human motor dysfunction in cerebral palsy.
2. Feather-Schussler & Ferguson, 2016. A Battery of Motor Tests in a Neonatal Mouse Model of Cerebral Palsy.