Нейроны мышей, обработанные новой технологией маркировки CaST, разработанной в Калифорнийском университете в Дэвисе. CaST позволяет быстро маркировать клетки мозга, реагирующие на психоделические препараты, такие как псилоцибин или ЛСД. Автор: Ран Чжан, Калифорнийский университет в Дэвисе
Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе разработали быстрый и неинвазивный инструмент для отслеживания нейронов и биомолекул, активируемых в мозге психоделическими препаратами. Инструмент на основе белка, который называется Ca2+-активируемый Split-TurboID или CaST, описан в исследовании, опубликованном в журнале Nature Methods.
Растет интерес к ценности психоделических соединений в качестве методов лечения расстройств мозга, включая депрессию, посттравматическое стрессовое расстройство и расстройство, вызванное употреблением наркотиков. Психоделические соединения, такие как ЛСД, ДМТ и псилоцибин, способствуют росту и укреплению нейронов и их связей в префронтальной коре мозга. Новый инструмент может помочь ученым раскрыть преимущества психоделического лечения для пациентов с расстройствами мозга.
«Важно думать о клеточных механизмах, на которые воздействуют эти психоделики», — сказала Кристина Ким, доцент кафедры неврологии в Центре нейронауки и медицинской школе Калифорнийского университета в Дэвисе, а также филиал Института психоделиков и нейротерапии Калифорнийского университета в Дэвисе. «Что это? Как только мы это узнаем, мы сможем разрабатывать различные варианты, нацеленные на тот же механизм, но с меньшим количеством побочных эффектов».
Это исследование предоставляет ученым новую методику, которую можно использовать для пошагового отслеживания молекулярных сигнальных процессов, которые отвечают за полезные нейропластические эффекты этих соединений. Более того, CaST выполняет задачу клеточной маркировки в кратчайшие сроки, занимая от 10 до 30 минут вместо часов, типичных для других методов маркировки.
«Мы разработали эти белки в лаборатории, которые можно упаковать в ДНК, а затем поместить в безвредные аденоассоциированные вирусы», — сказал Ким. «Как только мы доставим инструмент CaST и эти белки в нейроны, они инкубируются внутри клеток и начинают экспрессироваться».
Исследование проводилось в сотрудничестве с Дэвидом Олсоном, директором-основателем Института психоделиков и нейротерапии и профессором кафедр химии, биохимии и молекулярной медицины.
Снимок мозга
Инструмент CaST использует изменения внутриклеточной концентрации кальция — почти универсального маркера для отслеживания активности нейрона. Когда нейроны проявляют высокую активность, они демонстрируют высокий уровень кальция. CaST использует этот сигнал, чтобы пометить клетку небольшой биомолекулой, называемой биотином.
В ходе исследования Ким и ее коллеги вводили мышам психоделический псилоцибин. Затем они использовали CaST в тандеме с биотином для выявления нейронов с повышенным содержанием кальция в префронтальной коре. Префронтальная кора — это область, на которую влияют многие мозговые расстройства, а также область, где психоделики способствуют росту и укреплению нейронов.
Исследователи также отслеживали реакцию подергивания головы у мышей. Реакция подергивания головы является основным поведенческим коррелятом галлюцинаций, вызванных психоделиками.
«Что хорошо в CaST, так это то, что его можно использовать на свободно ведущих себя животных», — сказал Ким, отметив, что другие технологии клеточной маркировки требуют стабилизации головы мыши для получения изображений. «Биотин также является отличным субстратом для маркировки, поскольку существует множество уже существующих коммерческих инструментов, которые могут сообщать о наличии биотина или его отсутствии, просто с помощью простого метода окрашивания и визуализации».
Эксперимент по проверке концепции дал то, что Ким назвал «снимком камеры» областей префронтальной коры, активированных псилоцибином.
Следующие шаги
Ким и ее коллеги сейчас работают над методами, которые позволят проводить маркировку клеток по всему мозгу с помощью инструмента CaST. Кроме того, они изучают способы обогащения сигнатуры отдельных белков, вырабатываемых нейронами, на которые воздействовали психоделики.
«Мы можем отправить эти образцы в Центр протеомики Калифорнийского университета в Дэвисе, и они дадут нам объективную картину всех идентифицированных нами белков», — сказал Ким. «Мы хотим изучить все их содержимое с точки зрения того, какие белки они экспрессируют, какие гены они экспрессируют, и попытаться увидеть, что отличается у животных, обработанных псилоцибином, по сравнению с контрольными животными или животными-моделями заболеваний».
Цель состоит в том, чтобы определить, как психоделики приносят пользу клеточным профилям людей с расстройствами мозга, выясняя пошаговый клеточный процесс их терапевтического воздействия.
Ким выразил заинтересованность в проведении будущих экспериментов в сотрудничестве с лабораторией Олсона, которые используют инструмент CaST для сравнения нейронной активности, вызванной психоделиками, с активностью, вызванной негаллюциногенными нейротерапевтическими средствами.
«CaST станет важным инструментом для изучения механизмов действия этих нейротерапевтических препаратов», — сказал Ким.
В число других авторов из Калифорнийского университета в Дэвисе, участвующих в исследовании, входят ведущие авторы Ран Чжан и Марибель Ангиано, а также Исак К. Ааррестад, София Линь, Джошуа Чандра и Срути S. Vadde.
Дополнительная информация: Run Zhang et al, Rapid, biochemical tagging of cell activity history in vivo, Nature Methods (2024). DOI: 10.1038/s41592-024-02375-7
Информация о журнале: Nature Methods Предоставлено UC Davis
