Российские ученые оптимизируют модели для изучения повреждений спинного мозга
Специалисты Научно-технологического университета «Сириус» в сотрудничестве с другими исследовательскими центрами изучили существующие методики моделирования повреждений спинного мозга. Их анализ позволил выявить наиболее перспективные подходы для разработки терапевтических методов. Оказалось, что правильный выбор животной модели – будь то грызун или примат – критически важен для успешного переноса результатов на лечение человека.
Данное исследование обещает значительно улучшить процесс доклинических испытаний, сократив количество необходимых экспериментов на животных и тем самым ускорив разработку эффективных реабилитационных программ для людей с травмами спинного мозга. Детальные выводы работы были опубликованы в престижном научном издании Biomedicines.
Спинной мозг играет ключевую роль в нервной системе, и его повреждение часто приводит к тяжелым последствиям, вплоть до полного паралича. Разработка методов лечения таких состояний представляет собой непростую задачу, что требует проведения экспериментов на животных. Однако эффективность этих моделей сильно варьируется: некоторые точнее воспроизводят человеческие травмы, другие легче реализуются, третьи лучше подходят для оценки процессов восстановления. Подбор наиболее подходящей модели является основополагающим этапом в поиске действенных терапевтических стратегий. Чем адекватнее модель отражает реальное человеческое повреждение, тем выше вероятность успеха при применении разработанных методов на пациентах.
В медицине фактор времени играет решающую роль. Для оптимизации выбора лечебной тактики, ученые из «Сириуса», СПбГУ и центра LIFT провели глубокий анализ различных подходов к моделированию травм спинного мозга, чтобы выявить наиболее перспективные из них. Разработка новых терапий невозможна без предварительных испытаний на животных, поскольку прямое тестирование на людях сопряжено с высоким риском. Тем не менее, и здесь возникают трудности: анатомия спинного мозга грызунов значительно отличается от человеческой, а использование приматов, хотя и обеспечивает большую анатомическую схожесть, сопряжено с высокой стоимостью и сложностью исследований.
Исследовательская группа из «Сириуса» и других российских научных организаций детально изучила сотни публикаций, выделив три ключевых метода моделирования повреждений спинного мозга. Первый, контузия, имитирует ударное воздействие на спинной мозг, характерное для травм, полученных, например, в ДТП. Второй, компрессия, воспроизводит сдавление позвоночника, схожее с переломами. Третий метод – частичное или полное рассечение спинного мозга, используемое для изучения механизмов регенерации нервных тканей. Каждый из этих подходов обладает уникальными преимуществами и недостатками: контузия реалистична, но трудна в управлении, тогда как рассечение дает ясные результаты, однако не всегда соответствует клиническим ситуациям.
Результаты анализа научной литературы подтвердили, что крысы и мыши остаются наиболее распространенными модельными организмами благодаря простоте их содержания. Тем не менее, восстановление спинного мозга у грызунов существенно отличается от такового у человека, что обусловлено значительными анатомическими и физиологическими различиями. Более крупные виды, такие как свиньи, представляют собой более подходящие модели из-за большей анатомической схожести с человеком, но эксперименты с ними требуют значительных ресурсов. Особый интерес представляют рыбки данио и лягушки, чей спинной мозг обладает уникальной способностью к полной регенерации, предоставляя бесценные возможности для изучения этих процессов. Приматы, хоть и обеспечивают максимальную точность данных, используются крайне ограниченно из-за этических и финансовых ограничений.
Изучив все разнообразие существующих моделей, исследователи из «Сириуса» пришли к выводу, что выбор оптимальной модели должен зависеть от конкретных исследовательских целей. Например, для проверки новых лекарственных препаратов целесообразно использовать грызунов, в то время как для изучения длительных процессов восстановления предпочтительны более крупные и анатомически схожие организмы, такие как свиньи.
Представленная работа значительно облегчит выбор оптимальных исследовательских подходов, тем самым ускорив разработку новых терапий и сократив число экспериментов на животных за счет использования более адекватных моделей. Ученые выражают надежду на скорое появление технологий, которые минимизируют зависимость науки от лабораторных животных. Например, нейрофизиологи активно разрабатывают и тестируют компьютерные модели, способные симулировать и анализировать различные типы повреждений спинного мозга с использованием искусственного интеллекта. Однако на данном этапе обойтись без животных моделей невозможно, поэтому их применение должно быть максимально осознанным и продуктивным.
«Наша команда провела масштабный анализ наиболее подходящих экспериментальных моделей для изучения травм спинного мозга на лабораторных животных. Результатом нашей работы стал эффективный алгоритм, который поможет исследователям рационально выбирать и использовать эти модели, учитывая цели, специфику, преимущества и недостатки каждой из них. Ранее не публиковалось столь детального и глубокого исследования, посвященного экспериментальному моделированию повреждений спинного мозга у различных видов животных. Я искренне признателен всем коллегам и рад быть частью этого значимого проекта», — прокомментировал первый автор публикации, ведущий научный сотрудник, доктор биологических наук Владислав Соболев.
Данное исследование стало возможным благодаря гранту федеральной территории, в рамках которого Научно-технологический университет «Сириус» в текущем году запустил новую магистерскую программу «Нейротехнологии с основами биоматериаловедения». Обучение по программе является бесплатным, а подача документов и вступительные испытания проводятся в онлайн-формате.
Интервью с Павлом Мусиенко
Павел Мусиенко, научный руководитель направления «Нейробиология» научного центра генетики и наук о жизни научно-технологического университета «Сириус», профессор, руководитель лаборатории нейропротезов Института трансляционной биомедицины СПбГУ, доктор медицинских наук, ответил на вопросы об исследовании:
Повреждения спинного мозга представляют собой широкий спектр патологий, включающих не только травмы, но и онкологические (доброкачественные и злокачественные новообразования), сосудистые (спинальные инсульты), воспалительные (например, туберкулез позвоночника) и другие заболевания. Эти состояния могут приводить к двигательным и сенсорным нарушениям, дисфункции тазовых органов, сердечно-сосудистым осложнениям, а также психическим расстройствам. Следовательно, крайне важен точный выбор экспериментальной модели, соответствующей конкретной патологической картине, будь то контузия шейного отдела, синдром Броун-Секара, полный разрыв, опухоли позвоночного канала, осложненные тетраплегией или гемипарезом, нарушения мочеиспускания или эректильная дисфункция. Это позволяет не только глубже понять специфические механизмы развития патологического процесса, но и разработать по-настоящему эффективные терапевтические подходы.
Мыши и крысы действительно широко используются в исследованиях, но их спинной мозг значительно отличается от человеческого как по анатомическим и функциональным характеристикам, так и по способности к нейропластичности. Более крупные животные, такие как свиньи, представляются более подходящими моделями благодаря анатомическому сходству, хотя работа с ними требует больших затрат и усилий. Рыбки данио представляют особый интерес, поскольку их спинной мозг способен к полной регенерации, что дает уникальную возможность изучать эти процессы. Приматы, обеспечивая наиболее точные результаты, используются редко из-за этических и финансовых ограничений.
Мы ожидаем, что эта публикация позволит исследователям, занимающимся изучением спинного мозга, более оперативно подбирать наиболее подходящие методы, тем самым ускоряя разработку терапевтических подходов и сокращая потребность в большом количестве животных за счет использования более релевантных моделей. Мы также возлагаем надежды на появление технологий, которые со временем уменьшат зависимость науки от экспериментальных животных. Например, нейрофизиологи активно разрабатывают и тестируют компьютерные модели, способные симулировать и анализировать различные типы повреждений спинного мозга с использованием искусственного интеллекта. Однако на данный момент без животных моделей обойтись невозможно, поэтому их применение должно быть максимально осознанным и продуктивным.
Один из ключевых аспектов — это разработка нейроинтерфейсов и имплантов нового поколения. Многие проекты нашей команды сосредоточены именно на исследовании и создании инновационных функциональных материалов для нейроимплантов, обладающих расширенными возможностями и высокой биосовместимостью.
Наши текущие разработки в области нейромодуляции ориентированы на терапию пациентов с повреждениями спинного мозга, болезнью Паркинсона, последствиями инсультов, мигренью, гиперактивностью мочевого пузыря и другими висцеральными дисфункциями.
Это непрерывный цикл, включающий разработку новых нейротехнологий, их тестирование на моделях заболеваний и последующее внедрение в клиническую практику. В настоящее время наша команда одновременно работает над десятками биомедицинских проектов, находящихся на различных этапах трансляции в клинику.
Часть разработанных технологий уже успешно применяется. Так, в нашей клинике нейростимуляционных технологий при Центре мозга и нейротехнологий ФМБА РФ внедряются передовые методики мультисистемной нейрореабилитации для помощи пациентам после инсультов и травм спинного мозга.
Это исследование было выполнено в рамках гранта федеральной территории Сириус, направленного на разработку терапевтических подходов для пациентов со спинальными травмами. В рамках этого же гранта в этом году запускается новая междисциплинарная магистерская программа. Студенты, поступившие на эту программу, будут не только обучаться, но и активно участвовать в исследовательских проектах, включая те, что касаются спинальных патологий и разработки нейроинтерфейсов нового поколения.
