Ингаляции ксенона снижают амилоидоз и таупатию в мышиных моделях болезни Альцгеймера

Еще с XX века ксенон используют в качестве анестетика, а новые исследования указывают на его нейропротекторные свойства при лечении травм мозга. Хотя точный механизм действия ксенона в этом случае остается неизвестным, считается, что он проникает через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) и воздействует на NMDA-рецепторы глутамата. Ученые из США оценили, как ингаляции ксенона влияют на мышиные модели нейродегенераци и болезни Альцгеймера.

Для исследования ученые разработали специальную камеру, в которую помещали мышей (до 12 особей одновременно) и подавали ксенон и кислород. Смесь газов рециркулировалась и пропускалась через натровую известь, поглощающую CO₂, а уровни CO₂ и O₂ постоянно отслеживались. Если уровень O₂ падал ниже 18%, его подавали дополнительно. Долю Xe в смеси с кислородом определял специально разработанный сенсор.

Первоначально ученые использовали острую модель нейродегенерации: в кортекс и гиппокамп наивных мышей вводили апоптотические нейроны. На них реагировала микроглия, активируясь и переходя в состояние, ассоциированное с нейродегенерацией (MGnD-микроглия). При ингаляции ксеноном в концентрации 30–35% микроглия наиболее активно поглощала апоптотические нейроны. По результатам транскриптомного анализа, в этом случае у микроглии на треть повышалась экспрессия генов, связанных с интерфероном, лизосомной активностью и фагоцитозом, и в то же время снижалась экспрессия генов провоспалительного ответа, опосредуемого транскрипционным фактором NF-κB, генов, связанных со старением клеток и нейровоспалением (сигнальные пути TLR, IL-8, CXCR4).

Далее исследователи оценили краткосрочное влияние ингаляции Xe на мышиную модель амилоидоза (линия APP/PS1). Животные в возрасте 3 месяцев вдыхали 30% Xe в течение 40 мин, а через 3, 7 или 14 дней из их мозга выделяли микроглию. Через неделю после лечения микроглиальный ответ достигал пика — микроглия наиболее активно поглощала бета-амилоид.

После этого ученые проверили, окажет ли положительный эффект на мышей линии APP/PS1 курс ксеноновых ингаляций раз в неделю по 40 мин в течение восьми недель. Контрольная группа мышей вместо ксенона дышала атмосферным воздухом. У микроглии мышей экспериментальной группы снижались проявления MGnD-фенотипа (уменьшалась экспрессия типичных для него генов Clec7a и Apoe). Также снижалась экспрессия генов, связанных с воспалением и окислительным стрессом, но повышалась экспрессия нейропротекторных генов. Вместе с тем благодаря действию микроглии становилось меньше амилоидных бляшек и дистрофичных невритов.

Однако если после полного курса лечения экспрессия гена Clec7a, связанного с MGnD-фенотипом, снижалась, то в ранний период лечения (через неделю после ингаляции Xe) она, напротив, повышалась. Чтобы детальнее исследовать этот эффект, ученые использовали мышиную модель Clec7a-Cre^ERT2, у которой Clec7a «выключался» посредством Cre/lox-рекомбинации только в микроглии MGnD-фенотипа. Этих животных скрестили с мышами линии APP/PS1, а их потомков — с мышами линии ROSA26-DTR^Flox. Получились животные с амилоидозом, у которых в Clec7a+ микроглии MGnD-фенотипа экспрессировался рецептор дифтерийного токсина (DTR). Когда таким животным вводили тамоксифен и дифтерийный токсин, запускалась Cre-lox рекомбинация, в результате DTR+ Clec7a+ микроглия погибала. Это привело к увеличению числа дистрофичных невритов и амилоидных бляшек. Следовательно, Clec7a+ микроглия занимается их фагоцитозом.

Ученые заключили, что ксенон улучшает симптомы амилоидоза за счет воздействия на микроглию. Они выделили микроглию из мозга животных линии APP/PS1, входивших в экспериментальную и контрольную группы, и провели секвенирование РНК отдельных клеток (scRNAseq). Оказалось, что ингаляции ксеноном привели к повышению экспрессии интерферона, белков теплового шока, рибосомных генов и генов, связанных с антигенпрезентацией, в то время как экспрессия провоспалительных генов и регуляторов сигнального пути NF-κB снизилась. Исследователи также восстановили последовательность событий, которые происходили с микроглией после ингаляций: сначала она была в пре-MGnD-фенотипе, для которого характерна повышенная экспрессия белков теплового шока, затем в этом фенотипе повышалась экспрессия интерферона, а уже после микроглия переходила в MGnD-фенотип.

Эффект ингаляций Xe оценили также на гуманизированной мышиной модели амилоидоза 5xFAD. Этим мышам пересаживали микроглию, полученную из индуцированных плюрипотентных клеток (иПСК) человека. После курса ингаляций Xe в мозге этих животных также снизилось число амилоидных бляшек и дистрофичных невритов. По окончании курса лечения в человеческой микроглии снижалась экспрессия генов, связанных с MGnD-фенотипом (CLEC7A, ITGAM), но повышалась экспрессия генов, связанных с миграцией (CXCL10, ICAM1) и интерфероновым сигналинком. В мозге животных также снизилось количество реактивных астроцитов: в них уменьшилась экспрессия генов, связанных с болезнью Альцгеймера и воспалением, хотя при этом повышалась экспрессия генов интерферонового сигналинга.

Если микроглию в модели 5xFAD блокировали ингибитором CSF1R PLX-5622 (Plexicon), то эффективность ингаляций пропадала. В отсутствие микроглии из мозга животных не удалялись амилоидные бляшки, чем до этого занималась именно микроглия.

Ранее отмечалось, что ксенон может воздействовать на клетки мозга через рецепторы глутамата, но в данном исследовании этот механизм не подтвердился. Напротив, активность микроглии регулировалась через сигнальный путь интерферона. Ученые доказали это, введя здоровым мышам антитело, блокирующее IFN-γ. В результате после ингаляций ксеноном повышалась экспрессия провоспалительных генов, но ухудшилась экспрессия генов, связанных с дифференцировкой глии, подвижностью клеток, фагоцитозом и т. д. Механизм действия ксенона, опосредованный интерфероном, также подтвердили с помощью Cre/lox-рекомбинации, удалив Ifngr1 из микроглии. В этом случае после ингаляции не наблюдалось больше 70% изменений в экспрессии генов, которые возникали без этой модификации эксперимента. Следовательно, интерфероновый сигналинг наобходим для того, чтобы микроглия после воздействия ксенона выполняла фагоцитоз амилоидных бляшек при острой нейродегенерации.

Исследователи также показали, что в мозге мышей с амилоидозом присутствуют инфильтрующие CD8+ Т-клетки — основные источники интерферона. Хотя ингаляции не увеличивали их число, они способствовали повышению выработки интерферона этими клетками.

Аналогичные результаты ингаляций ксеноном ученые продемонстрировали в мышиной модели таупатии (линия P301S/E4 (TE4). У этих мышей курс ингаляций снизил атрофию мозга и астроглиоза, способствовал сохранению толщины зубчатой извилины гиппокампа (в ней возможен нейрогенез у взрослых особей). В мозге мышей тоже присутствовали инфильтрующие CD8+ Т-клетки, однако их число после ингаляций снижалось. Лечение ксеноном также изменяло экспрессию 4390 генов: в частности, повышалась экспрессия генов, связанных с синаптогенезом, но снижалась экспрессия провоспалительных генов.

Таким образом, ингаляции ксеноном имеют потенциал для лечения болезни Альцгеймера. Исследователи планируют начать клинические испытания таких ингаляций с участием здоровых добровольцев в начале 2025 года.

Болезнь Альцгеймера развивается в две фазы