Болезнь Паркинсона (PD) - это прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, первоначально описанное James Parkinson. Диагноз обычно ставится на основании таких клинических признаков, как брадикинезия, тремор покоя, ригидность и, на более поздних стадиях, постуральная неустойчивость. Эпидемиологически распространенность PD колеблется от 5 до более чем 35 случаев на 100 000 населения, причем в большинстве случаев страдают люди в возрасте 50 лет и старше. Риск увеличивается с возрастом, особенно у мужчин. Развитию заболевания способствуют различные факторы, включая генетику, образ жизни, специфическое влияние окружающей среды и геометрию.¹ Основной причиной PD является потеря нигростриатной дофаминергической иннервации вследствие нейродегенерации, затрагивающей нейроны в substantia nigra pars compacta (SNc). В основе патологических механизмов лежат агрегация α-synuclein, митохондриальная дисфункция, окислительный стресс и нейровоспаление.¹ Независимо от конкретного механизма, проявление двигательной дисфункции или когнитивных нарушений при PD происходит, когда нейронные сети базальных ганглиев (BG) не могут нормально функционировать из-за истощения дофамина.

Дофамин является важнейшим нейромодулятором, в первую очередь регулирующим активность шиповидных проекционных нейронов (SPNs), расположенных в стриатуме - главной входной структуре BG Существуют два различных подтипа SPNs: нейроны прямого пути, экспрессирующие D1-рецептор (D1-SPNs), которые проецируют аксоны к выходным областям BG включая внутренний сегмент globus pallidus (GPi) и substantia nigra pars reticulata (SNr), и нейроны непрямого пути, экспрессирующие D2-рецептор (D2-SPNs), которые регулируют выход из BG через мультисинаптический путь. Эмпирические данные свидетельствуют о том, что в нормальных физиологических условиях присутствие дофамина подавляет активность D2-SPNs, в то время как D1-SPNs способствуют возбуждению. Дисбаланс в активности D1- и D2-SPNs возникает после истощения дофамина, что приводит к усилению таламического торможения. Считается, что этот дисбаланс является основным фактором, способствующим возникновению двигательных симптомов, наблюдаемых при PD.¹

Преобладающим терапевтическим вмешательством при PD в клинических условиях является добавление levodopa, которая имеет решающее значение для синтеза дофамина. Тем не менее, этот подход основан на наличии остаточных дофаминергических нейронов и связан с побочными эффектами, включая вне-целевые эффекты, моторные колебания и дискинезии. В некоторых случаях медицинские работники назначают агонисты дофаминовых рецепторов. Для людей на поздних стадиях, когда обычная медикаментозная терапия оказывается неэффективной, после тщательного обследования рассматривается возможность глубокой стимуляции мозга (DBS).¹ Хотя DBS демонстрирует заметное улучшение двигательных показателей (от 50 до 60 %), она требует инвазивных хирургических процедур и длительной имплантации электродов в мозг пациента, что создает проблемы, связанные с инфекцией и качеством электродов.¹ Новая парадигма лечения направлена на функциональное восстановление дофаминергической сети путем имплантации стволовых клеток в дофаминергическую систему.¹ Однако эффективность и безопасность этого подхода все еще требуют дальнейшего подтверждения.

Новое направление исследований изучает circuit-based подход к восстановлению функциональности BG при PD. В недавно опубликованном в журнале Cell исследовании² Chen, Hong и их коллеги впервые применили инновационную генетическую стратегию, направленную на маркировку и манипулирование стриатумными D1-SPNs как у мышей, так и у не-человекообразных приматов. Этот инновационный подход открывает перспективы для будущего клинического применения при PD.

В основе этого инновационного подхода лежит гипотеза о том, что повышение возбудимости прямого пути при PD может помочь облегчить двигательный дефицит. В предыдущем исследовании с участием мышей оптогенетическая активация D1-SPNs в дорсальной части стриатума увеличила локомоцию у нормальных мышей и значительно облегчила двигательный дефицит в модели PD, вызванной 6-OHDA.³ Хотя трансгенные линии широко используются в исследованиях на мышах, их применимость в исследованиях на нечеловеческих приматах, не говоря уже об их клиническом применении для пациентов, остается ограниченным. Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа использовала специфичность проекции D1-SPNs на SNr (рис. 1), применяя систему доставки генов на основе ретроградно распространяющегося вируса.²



Figure 1 The development of a new circuit-based gene therapy for Parkinson’s disease

Основная проблема заключалась в ограниченной эффективности вирусной инфекции. Для решения этой проблемы исследователи разработали новый адено-ассоциированный вирус (AAV) AAV8R12, полученный из AAV8 и специально сконструированный для усиления ретроградной инфекционности (рис. 1А). Примечательно, что этот инновационный вирус продемонстрировал более высокую эффективность в маркировке D1-SPNs при введении в SNr. Кроме того, команда исследователей определила и адаптировала промотор G88P2, происходящий от гена GPR88 (рис. 1B), который продемонстрировал более высокий уровень экспрессии в SPNs по сравнению с обычно используемыми промоторами, такими как hSyn, EF1a и CAG. Они также оптимизировали промотор, чтобы повысить эффективность инструмента. В результате была успешно помечена примерно пятая часть D1-SPNs в стриатуме или caudate putamen (CPu) не-человекообразных приматов.

Используя эту мощную систему доставки генов (рис. 1С), исследователи успешно экспрессировали хемогенетический эффектор DREADD в D1-SPN как у мышей, так и у нечеловекообразных приматов. Их тщательная стратегия, включающая совместную экспрессию Cre и rM3Ds в D1-SPNs, в сочетании с инъекцией Cre-зависимого вируса ChR2 в CPu, способствовала оптическому мечению D1-SPNs in vivo. Таким образом, они подтвердили, что введение лиганда rM3Ds - clozapine N-оксида (CNO) - специфически способствовало возбуждению D1-SPNs. Последующие поведенческие тесты продемонстрировали быстрый и продолжительный эффект при системном введении лигандов, CNO или deschloroclozapine. Такое лечение вызывало заметное увеличение локальных движений у здоровых животных и, что очень важно, обратное развитие основных фенотипов заболевания в животных моделях PD (рис. 1D). Примечательно, что химиогенетическая манипуляция продемонстрировала удивительную долговечность, сохраняя свою эффективность даже спустя месяцы после первоначальной инъекции вируса. В совокупности эти признаки свидетельствуют о многообещающем прогрессе в потенциальном лечении PD.

Данная работа имеет большое значение по нескольким причинам. Во-первых, исследователи представили трансгенный инструмент и провели всестороннюю оценку на нечеловеческих приматах. AAV, широко используемый и считающийся безопасным в генотерапии, сталкивался с проблемами в исследованиях на приматах и в клинических условиях, часто демонстрируя различную эффективность по сравнению с мышиными моделями. Всесторонняя оценка, проведенная в данном исследовании как на мышах, так и на нечеловеческих приматах, представляет собой значительный шаг на пути к клинической трансляции, учитывая большее биологическое сходство между нечеловеческими приматами и людьми, чем с мышами.

Во-вторых, хотя оптогенетическая активация D1-SPNs в дорсальном стриатуме мышей показала перспективность в улучшении двигательного дефицита, манипуляции с D1-SPNs, меченными по всему CPu у приматов, представляют логистические трудности с доставкой света через небольшой наконечник. Кроме того, оптогенетические манипуляции требуют имплантации оптоволокна, что чревато иммунологическим отторжением. В связи с этим химиогенетическая манипуляция с использованием лигандов DREADD позволяет активировать все меченые нейроны без необходимости имплантации, что позволяет эффективно преодолеть эти трудности.

В-третьих, этот метод направлен в первую очередь на прямой путь, который является высоко-селективным в нейронных цепях. По сравнению с levodopa этот метод продемонстрировал снижение побочных эффектов и пролонгированный эффект, продолжающийся 24 ч после введения лиганда, что превосходит ограниченный 6-часовой период действия levodopa. Кроме того, данная методика предполагает однократную, простую хирургическую процедуру доставки вирусного вектора с регулярным введением лиганда, что исключает необходимость имплантации электродов, как это требуется при DBS. Эта особенность повышает безопасность ее применения.

Несмотря на эти достижения, перед клиническим применением остаются серьезные проблемы. Предыдущие попытки генотерапии, вводившие в стриатум нейротрофический фактор, полученный из линии глиальных клеток (GDNF), или ферменты для синтеза дофамина, были направлены на реконструкцию дофаминовых окончаний или на локальное высвобождение дофамина.¹ Эффективность GDNF зависит от количества остаточных дофаминергических окончаний, что ограничивает его эффективность ранними стадиями заболевания. Локальный синтез дофамина, осуществимый в исследованиях на животных, вызывает опасения по поводу побочных эффектов, сходных с приемом levodopa. Нынешний подход требует точной инъекции вируса в SNr - относительно небольшое ядро, расположенное глубоко в мозге, - без каких-либо непреднамеренных утечек. В противном случае, учитывая мощную способность вируса к ретроградному мечению, химиогенетические манипуляции могут случайно активировать нежелательные области мозга, что приведет к неизвестным последствиям. Несмотря на значительный прогресс, поиски идеального средства для лечения PD остаются сложной и постоянной задачей.

Растущее количество доказательств указывает на то, что прямые и непрямые пути в BG функционируют взаимодополняющим образом, наряду с их ролью в уравновешивании.⁴ Кроме того, крайне важно признать, что при PD дисрегуляция дофамина, помимо стриатума, оказывает систематическое влияние на весь BG и не только. Исследования показали, что применение дофамина активирует нейроны в globus pallidus externus (GPe) и субталамическом ядре (STN) - неотъемлемых компонентах нисходящего непрямого пути. Возбуждающие проекции STN-GPe и тормозные GPe-STN образуют взаимно связанную петлю, способствующую возникновению осцилляторной активности. У животных с паркинсонизмом активность нейронов GPe и STN становится синхронной и скоррелированной.⁵ Примечательно, что STN является одной из основных мишеней для DBS при лечении PD. Однако сложные механизмы нейронных цепей, регулирующих функцию BG особенно в отношении этих путей, все еще не до конца понятны. Эта сложность создает дополнительные трудности в поисках комплексного лечения.

Пациенты с PD обычно имеют общий диагноз - дефицит дофаминергической системы и различную степень двигательного дефицита, однако их симптоматика часто имеет уникальные характеристики. Хотя систематическое восстановление активности прямых путей является полезным, оно может принести лишь частичное облегчение этих симптомов. Кроме того, оценка, проведенная авторами, опиралась преимущественно на общие наблюдения за движениями и субъективную оценку PD, что является многообещающим началом. Тем не менее, было бы очень ценно изучить возможности более комплексных поведенческих тестов. Такие тесты позволили бы глубже понять влияние вмешательства как на двигательные, так и на не-двигательные функции, тем самым повышая нашу способность разрабатывать эффективные методы лечения PD. Таким образом, постоянное стремление к совершенствованию и тщательная оценка этих вмешательств остаются важными в постоянном поиске более эффективных методов лечения PD.