Окислительный стресс – молекулярный износ, который активные формы кислорода могут оказывать на молекулы и клетки – был связан с рядом заболеваний человека, включая сердечную недостаточность и болезнь Альцгеймера. Но результаты многих клинических испытаний, в которых изучалась эффективность борьбы с окислительным стрессом с помощью простых средств, таких как витаминные добавки или черника, нарисовали более сложную картину. В течение многих лет исследователи пытались выявить нюансы связи между окислительным стрессом и болезнями. Но заболевания, связанные с окислительным стрессом, обычно затрагивают несколько путей в организме, и было сложно определить конкретные роли окислительного стресса в прогрессировании заболевания на молекулярном уровне. Исследователи из Бригама и женской больницы разработали новый надежный метод исследования окислительного стресса в сердцах грызунов in vivo, чтобы лучше понять развитие и лечение сердечной недостаточности. Результаты их новой методологии с применением передового подхода, известного как "хемогенетика," публикуются на этой неделе в Nature Communications.
"Это новая модель сердечной недостаточности, которая позволяет нам специально изучить важнейшего игрока в сердечных заболеваниях: окислительный стресс. Это первый раз, когда мы смогли окончательно доказать, что оксидативный стресс является причиной сердечной недостаточности," сказал Томас Мишель, MD, Ph.D., старший врач отделения сердечно-сосудистой медицины Brigham and Women’s Hospital (BWH) и профессор медицины Гарвардской медицинской школы.
Хемогенетика – это подход, который позволяет исследователям активировать или инактивировать рекомбинантный белок в клетках или тканях, просто предоставляя или удаляя определенные молекулы, которые связываются с белком. Исследователи BWH разработали метод in vivo, используя этот подход, который позволил им генерировать и измерять активные формы кислорода – перекись водорода – особенно в сердце, а затем отслеживать начало сердечной дисфункции. Команда Мишеля использует этот подход для создания более управляемой доклинической модели сердечной недостаточности, чтобы помочь увеличить скорость и масштабы разработки и тестирования лекарств.
"Многие модели сердечной недостаточности, которые использовались для разработки лекарств, продвигались по одному животному за раз," сказал Мишель. "Но с хемогенетикой открывается путь для высокопроизводительного скрининга новых лекарств от сердечной недостаточности."
Чтобы изучить окислительный стресс в сердце, группа исследователей использовала оксидазу D-аминокислоты (DAAO) – фермент, который был клонирован из дрожжей. Известно, что DAAO генерирует перекись водорода (H2O2) только в присутствии D-аминокислот, что приводит к окислительному стрессу. Но в клетках млекопитающих используются L-аминокислоты, а не D-аминокислоты: тонкое, но важное отличие, которое позволяет введенному дрожжевому ферменту оставаться в покое, пока он не получит субстрат D-аминокислоты. Команда использовала вирус для доставки DAAO в сердца крыс, а затем животным была предоставлена питьевая вода, содержащая D-аминокислоту, чтобы активировать DAAO. Через 4-5 недель команда исследовала сердца с помощью эхокардиографии, чтобы измерить сердечную функцию и размер сердца. Кроме того, исследователи измерили маркеры воспалительного и адаптивного стресса.
По сравнению с животными, получившими контрольный вирус, у крыс, экспрессирующих DAAO, наблюдались признаки выраженной сердечной недостаточности, включая увеличение размера сердца и снижение сократительной функции, которые были конкретно вызваны окислительным стрессом в сердце.
"Мы ожидаем, что хемогенетические подходы позволят в будущем проводить исследования не только сердца, но и многих других систем органов, где связь между окислительно-восстановительными событиями и заболеванием остается неясной," сказал со-ведущий автор Бен Штайнхорн, доктор медицинских наук из Гарварда.D. студент, который защитил докторскую.D. в лаборатории Мишеля.
"Сердечная недостаточность теперь может быть исследована быстро, надежно и обратимо," сказал со-ведущий автор Андреа Соррентино, научный сотрудник BWH,. "Вместо того, чтобы проводить операции по одному животному за раз, мы можем доставить вирус сразу нескольким животным, а затем активировать фермент DAAO, просто предоставив его субстрат в их питьевой воде, чтобы вызвать специфический окислительный стресс в сердце."
При финансовой поддержке премии Бригама и женской больницы за инновации в области здравоохранения и технологий лаборатория Мишеля также разрабатывает трансгенную мышь – модель животного, геном которой был изменен для кодирования DAAO, что позволяет исследователям пропустить вирусный вектор и легче изучать окислительный стресс.