Детская деменция связана с дисбалансом возбуждения и торможения в нейронах

Деменция — приобретенное прогрессирующее нарушение когнитивных функций — чаще всего ассоциируется с возрастными изменениями. Однако существует и детская деменция. Одна из ее форм — синдром Санфилиппо, редкое наследственное заболевание, которое обычно манифестирует в возрасте от года до четырех и приводит к необратимой нейродегенерации. Дети с этим синдромом быстро утрачивают когнитивные навыки и доживают, как правило, только до юности или раннего взрослого возраста. 

Синдром Санфилиппо, или мукополисахаридоз III типа, относится к лизосомальным болезням накопления, но механизм повреждения нейронов при этом заболевании ранее не был описан. Группа под руководством ученых из Австралии смоделировала патологию in vitro и выявила гиперактивность возбуждающих синапсов, которая нарушала баланс между возбуждением и торможением. 

Авторы работы получили культуры кортикальных нейронов из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) пациентов с мукополисаридозом типа IIIA — самой распространенной формой детской деменции. ИПСК получали путем перепрограммирования фибробластов кожи от пяти пациентов и пяти здоровых детей того же возраста. Ученые стимулировали нейрональную дифференцировку клеток, которые затем созревали до 120 дней и становились функциональными нейронами коры и астроцитами. 

Отдельно ученые создали «детскую площадку» для нейронов (playground culture) — в честь детей, чьи клетки использовались для исследования. В такой культуре сосуществовали нейроны всех пациентов и здоровых контролей, а для ее получения авторы смешивали все клетки-предшественники нейронов после 14-го дня созревания. 

Сперва исследователи убедились, что любые различия в зрелых нейронах не связаны с низким качеством ИПСК. Они подтвердили, что ИПСК пациентов и здоровых контролей не отличались друг от друга. 

Чтобы охарактеризовать состояние синапсов при синдроме Санфилиппо, ученые окрасили культуры нейронов на MAP2 — маркер дендритов, синапсин-1 — маркер пресинаптических терминалей, и на маркеры глутаматергических и ГАМКергических, то есть возбуждающих и тормозных постсинапсов. Маркером возбуждающих синапсов служит структурный белок PSD95, а тормозных — гефирин, закрепляющий рецепторы глицина и ГАМК на постсинаптической мембране. Начиная с 30-го дня созревания в культурах нейронов, полученных от пациентов, была повышена плотность возбуждающих синапсов. Напротив, плотность ингибиторных синапсов была ниже, чем в контроле, и со временем эта разница возрастала, что указывает на прогрессирующий дисбаланс возбуждения и торможения.

Интересно, что в нормальных условиях культивирования увеличение плотности возбуждающих синапсов при мукополисахаридозе IIIA было сравнительно небольшим — до 15%. Однако умеренный стресс, вызванный недостатком трофических факторов, усиливал эту разницу более чем на 40%, тогда как на здоровые нейроны он не оказывал значимого влияния. 

Затем ученые подробнее охарактеризовали, как меняется баланс возбуждения и торможения при синдроме Санфилиппо. Для этого они регистрировали активность отдельных нейронов методом пэтч-кламп. В созревающих культурах спонтанная активность была сопоставимой — возбуждающие сигналы одинаково часто возникали в нейронах, полученных от пациентов, и в контрольных. А после 90 дней культивации частота спонтанных синаптических событий была вдвое повышена в культурах, полученных из клеток пациентов. 

Полученные данные подтвердились и на уровне нейронных цепей. Авторы регистрировали их активность с помощью многоэлектродных матриц, которые, в отличие от метода пэтч-кламп, позволяют проводить измерения на многих клетках одновременно. Частота активации отдельных нейронов была схожей при мукополисахаридозе IIIA и в контроле. Однако нейронные цепи оказались гиперактивны по сравнению с нормой — в культуре было больше одновременно активных нейронов, а события синхронизации происходили в два раза чаще.

Чтобы изучить молекулярные механизмы, которые могут лежать в основе такого дисбаланса, авторы провели секвенирование РНК отдельных ядер (snRNA) на 120-й день культивирования. Они выявили 1 251 дифференциально экспрессируемый ген в возбуждающих нейронах при мукополисахаридозе IIIA и 880 — в тормозных. Анализ генной онтологии показал, что гены с наиболее измененной экспрессией участвуют в сигналинге, клеточном метаболизме, ионном обмене и транспорте, а также в дифференцировке клеток. При этом ключевые изменения затрагивали только глутаматергические синапсы.

Таким образом, при синдроме Санфилиппо дисбаланс возбуждения и торможения связан с нарушенной регуляцией экспрессии генов в возбуждающих синапсах. Полученные сведения о механизме патогенеза важны для разработки направленной терапии, возможность которой в настоящее время ограничена. 

Гены, связанные с риском развития аутизма, оказались общими у европейцев и латиноамериканцев

Сочетание расстройств настроения и тревожного расстройства значительно повышает риск деменции