Достижения

Начиная с 60-х годов 20-го века, на кафедре нормальной физиологии проводятся масштабные исследования, посвященных изучению фундаментальных свойств синаптической передачи. У истоков этого перспективного направления физиологии стоял профессор Герман Иванович Полетаев, в течение нескольких десятилетий оно развивалось под руководством академика РАН Андрея Львовича Зефирова. В настоящее время данные разработки активно ведутся под руководством заведующего кафедрой нормальной физиологии, профессора Марата Александровича Мухамедьярова.

За почти полувековую историю синаптологии в КГМУ было проведено большое количество крупных исследований и сделан ряд важных фундаментальных открытий, касающихся процесса выделения нейромедиатора, кругоборота синаптических везикул в периферических синапсах, механизмов синаптической пластичности и регуляции функции синапсов под действием биологически активных веществ. Казанская школа физиологов широко известна за рубежом и пользуется большим уважением среди ведущих ученых мира.

В последнее время было установлено, что именно синаптическая передача является «слабым местом» при развитии патологии нервной системы, и ее нарушения лежат в основе патогенеза целого ряда неврологических и психиатрических заболеваний. В первую очередь к ним относятся нейродегенеративные заболевания (болезни Альцгеймера и Паркинсона, боковой амиотрофический склероз), а также  шизофрения, эпилепсия и др. В настоящее время сотрудники кафедры нормальной физиологии при помощи современных высокоинформативных подходов исследуют не только фундаментальные основы синаптической передачи, но и клеточно-молекулярные механизмы нарушений работы синаптических контактов при различных патологических состояниях: нейродегенеративных заболеваниях, нарушениях липидного обмена, окислительном стрессе и др. В 2009 году проект, который представил Марат Александрович Мухамедьяров «Разработка нового способа лечения нейродегенеративных заболеваний», был признан победителем Всероссийского инновационного конвента и удостоен высшей награды России в области инноваций - Национальной премии им. Владимира Зворыкина.

 

Кафедра нормальной физиологии КГМУ является одним из мировых лидеров в области изучения механизмов функционирования возбудимых структур в норме и при патологии. Проводятся комплексные исследования, посвященные выяснению клеточно-молекулярных механизмов функционирования периферических и центральных синапсов, скелетной и сердечной мышцы. Ведутся перспективные исследования по разработке инновационных подходов к лечению заболеваний нервной системы и способов их диагностики.

 

Основные научные результаты коллектива:

 1. Впервые в мире с помощью внеклеточного отведения пресинаптических сигналов и математического моделирования были проанализированы особенности ионных токов двигательного нервного окончания холоднокровных и теплокровных животных, зарегистрирован кальциевый и кальцийактивируемые калиевый токи нервного окончания (Нейрофизиология, 1987, Успехи физиологических наук,2002).

2. Показано, что ацетилхолин, освобождаемый из нервного окончания, может модулировать кинетику ионных токов, менять длительность потенциала действия и величину кальциевого тока, регулируя секрецию медиатора (Eur. J. Pharmacology, 1994).

3. На основе электрофизиологических, морфологических, электронно-микроскопических данных сформулирована новая гипотеза формирования и взросления синапса. В рамках этой гипотезы увеличение эффективности синапса в процессе взросления животного обеспечивается ростом терминалей и миелинизацией участков терминалей (Нейрофизиология, 1993).

4. Для изучения морфо-функциональных особенностей активных зон нервного окончания был разработан оригинальный трехмикроэлетродный метод внеклеточной регистрации синаптических сигналов, признанный мировой научной общественностью (Nature, 1995). С использование этого метода вскрыты основные закономерности функционирования активных зон нервного окончания и их субъединиц – секретосом. (Нейрофизиология, 1997).

5. Показано, что ионы Са обеспечивают пространственную колокализацию пре- и постсинаптических элементов в области активных зон (Успехи физиологических наук, 2000, Российский физиологический журнал им.И.М.Сеченова, 2002).

6. Проанализирован временной ход секреции медиатора в синапсе и определен вклад асинхронности секреции в временной ход постсинаптического тока и потенциала (Росс. Физиол. журнал, 1997, Нейрофизиология 1995).

7. С использованием электрофизиологических и флуоресцентных методов исследованы процессы экзо- и эндоцитоза синаптических везикул (Цитология, 2003). Показано, что в двигательном нервном окончании лягушки квантовая секреция медиатора может осуществляться как полным экзоцитозом синаптических везикул, так и посредством механизма « kiss – and – run» (Бюл. эксп. биол. и мед., 2004).

8. Вскрыты основополагающие механизмы процессов экзо- и эндоцитоза синаптических везикул в пресинаптических нервных окончаниях холоднокровных и теплокровных животных. В частности, показана решающая роль вне- и внутриклеточных ионов кальция в механизмах слияния и образования новых везикул (Neuroscience, 2006, Цитология 2006).

9. Проанализированы особенности везикулярного цикла в двигательных нервных окончаниях холоднокровных и теплокровных животных. Созданы модели везикулярных циклов в двигательных нервных окончаниях лягушки и мыши, позволяющие с высокой точностью описать динамику секреции медиатора и захват красителя нервными окончаниями при высокочастотной активности. (Журн. эвол. биохимии и физиологии, 2008, Росс. физиол. журнал им.И.М.Сеченова, 2008, Neurosci Behav Physiol. 2009).

10. Показано, что повышение внутриклеточной концентрации цАМФ способствует поддержанию секреции нейромедиатора за счет везикул резервного пула и протеканию рециклирования по медленному пути, а ингибирование цАМФ системы угнетает экзоцитоз синаптических везикул, принадлежащих к обоим синаптическим пулам (Нейрохимия, 2008). Аналоги цГМФ ускоряют кругооборот везикул рециклирующего пула через увеличение скорости везикулярного транспорта из рециклирующего пула в пул, готовый к освобождению, и ускорение быстрого эндоцитоза. Ингибирование цГМФ-зависимого пути замедляет скорость рециклизации и эндоцитоз везикул. (J. Neurosci., 2008).

11. Исследовано значение мембранного холестерина для протекания экзо - эндоцитозного цикла синаптических везикул в двигательном нервном окончании лягушки Показано, что экстракция холестерина из поверхностных плазматических мембран приводит к выраженным изменениям в кругообороте везикул. Наблюдается ослабление как экзоцитоза синаптических везикул, так и угнетение процессов, приводящих к восстановлению популяции везикул немедленно готовых к освобождению медиатора. (Рос. Физиол. журнал им. И.М. Сеченова, 2009).

12. Исследована чувствительность Са-связывающих сайтов к ионам Sr, Ba и Mg. Обнаружено, что кальций- связывающий сайт асинхронного экзоцитоза чувствителен к ионам Sr, Ba и Mg, тогда как сайт синхронного – лишь к ионам Sr. (Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, 2008, Российский физиологический журнал имени И.М. Сеченова, 2009).

13. Показано, что в основе кратковременных форм синаптической пластичности - облегчения и депрессии – лежат пресинаптические механизмы, связанные с повышением концентрации “локального” и накоплением “остаточного” кальция, изменениями величины входящего кальциевого тока, удлинением временного хода секреции (Росс. Физиол. журнал, 2004, Бюл. эксп. биол. и мед., 2004, Нейрофизиология 2005).

14. Показано, что существование нескольких специфических высокоаффинных Са-связывающих сайтов лежит в основе облегчения в ответ на парные стимулы (Neurochem Res, 2006). Кальмодулин обеспечивает развитие раннего компонента облегчения благодаря взаимодействию с одним или несколькими белками экзоцитоза. Второй компонент облегчения, очевидно, в значительной степени связан с восполнением запаса доступных к освобождению везикул, обеспечиваемым Са/кальмодулин-зависимой протеинкиназой II типа. Кроме того, было установлено, что ингибитор Са/кальмодулин-зависимой киназы усиливает депрессию секреции медиатора в условиях высокой внеклеточной Са концентрации, особенно значительно при высоких частотах стимуляции синапса (Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова, 2008, Pflugers Arch - Eur J Physiol 2009) Показано также, что кальций-зависимая инактивация Са-тока в нервном окончании оказывает вклад в депрессию освобождения медиатора, вызванного парной стимуляцией (Brain Res. Bull., 2006 )

15. Исследована роль нового класса газообразных посредников в регуляции синаптической передачи. Показано, что в нервно-мышечном соединении холоднокровных газообразные посредники - оксид азота и монооксид углерода являются эндогенными модуляторами синаптической передачи (Росс. Физиол. журнал 2001, Доклады Академии Наук, 2002, 2003, Нейрохимия, 2005). Выявлены механизмы действия СО в двигательном нервном окончании (Curr Drug Metab 2007). Кроме того, показано, что сероводород может синтезироваться в области нервно-мышечного синапса и являться эндогенным модулятором освобождения ацетилхолина, влияя на молекулярные механизмы экзоцитоза синаптических везикул (Нейрохимия, 2008).

16. Показано, что сероводород оказывает доза-зависимое увеличение вероятности открытия ВК-каналов, при этом эффект газа не зависел от концентрации кальция и потенциала мембраны. Показано, что одним из механизмов действия сероводорода является восстановление дисульфидных связей в канальном белке (Pflugers Arch - Eur J Physiol 2009).

17. Показано что сфингозин облегчает сборку SNARE комплекса и облегчает процесс экзоцитоза (Neuron, 2009).

18. Показано, что активные формы кислорода (АФК), в частности перекись водорода играет роль эндогенного модулятора секреции медиатора из двигательного нервного окончания холоднокровны и теплокровных животных, образовываясь как в самом нервном окончании, так и в мышечной ткани и Шванновских клетках, ретроградно активируя систему вторичных посредников нервного окончания (J.Physiol., 2003, J.Physiol., 2005). Показано, что  мишенью действия активных форм кислорода является пресинаптическая машина экзоцитоза, в частности белок SNAP25 один из четырех ключевых белков SNARE комплекса.

18. Показано участие мембраносвязанной НАДФН оксидазы неровного окончания и эндогенных АФК (пероксид водорода) в пуринергическом каскаде регуляции квантового высвобождения медиатора в неврно-мышечном синапсе лягушки (J Physiol 2005). А так же идентифицирован конкрентный подтип P2Y рецепторов отвечающей за контроль уровня секреции медиатора. Им оказался P2Y12 подтип пуриноцепторов. Определена критическая роль липидного микроукружения P2Y12 рецепторов пресинаптичесой мембраны в определении функциональнйо активности рецептора (Neuroscience 2015).

19. Проведено исследование возраст ассоцированных изменений эффектов пероксида водорода на квантовое высвобождение медиаторав нервных окончания крысы (Neurobiology of Aging, 2016).

20. Изучен механизм действия неквантового ацетилхолина на постсинаптическую мембрану мышечного волокна теплокровных животных. Показано, что гиперполяризующий эффект мускарина на денервированную мышечную мембрану опосредуется через мышечные мускариновые холинорецепторы М1-подтипа, вызывающие вход Са в саркоплазму с последующим синтезом NO (II) (Neurosci Res, 2000, Росс. Физиол. журнал, 2002).

21. На пресинаптическом нервном окончании открыт собственный рецептора для АТФ, относящийся к Р2-подтипу пуриноцепторов, отличный от Р1 пуриноцептора, активируемого аденозином (Br. J.Pharm., 1998). Предположено существование на окончаниях двигательного нерва лягушки P2Y2-подобных рецепторов, соединенных с каскадом фосфолипаза С – протеинкиназа С – фосфолипаза А2 – циклооксигеназа (Eur. J. Neurosci., 2003). Выявлена температурная зависимость активности рецепторов пуринов (Eur J Pharmacol, 2005). Показано влияние АТФ и аденозина на сократительные свойства изолированной полоски диафрагмы мыши, вызванной карбахолином (Бюлл.эксперим.биол. и мед., 2006). Проведено сравнительное исследование действия АТФ на контрактильные свойства диафрагмальной и скелетной мышц мышей (Neurochemistry International, 2006).

22. Выявлена роль насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в регуляции секреции медиатора и ионных токов нервного окончания. Арахидоновая кислота и ее метаболиты снижают спонтанную и вызванную секрецию медиатора в нервно-мышечном синапсе и модулируют калиевые и кальциевые токи двигательного нервного окончания. (Росс. Физиол., 2005).

23. Было проведено систематическое изучение эффектов бета-амилоидного пептида – ключевого фактора в патогенезе болезни Альцгеймера, на параметры функционирования возбудимых структур. Было установлено, что бета-амилоидный пептид оказывает выраженное нарушение функции центральных глутаматергических синапсов миндалевидного тела, усиливая базовую нейропередачу и блокируя развитие долговременной потенциации. Бета-амилоидный пептид также значительно нарушает работу периферических холинергических синапсов, усиливая кратковременную депрессию секреции нейромедиатора в условиях высокочастотной ритмической активности. Кроме того, мы установили, что бета-амилоид вызывает деполяризацию мембран волокон скелетных мышц и нарушает их сократимость. (Cellular Physiology and Biochemistry – 2009).

24. На основе анализа клинического материала и лабораторных показателей прослежена реакция серотонинэргической системы на патологию сердечно-сосудистой системы, начиная с формирования адаптационных процессов и до появления признаков декомпенсации. Впервые выявлена связь между гемодинамической нагрузкой на правое предсердие и его инотропной реакцией на агонист 5-НТ4Р у детей с ВПС. Положительный инотропный эффект агониста 5-НТ4Р свидетельствует о значимости серотонина в регуляции инотропной функции миокарда и о возможности применения блокаторов и агонистов 5-НТ4Р в клинике. Исследована роль серотонинергической и адренергической систем в формировании сердечной недостаточности. Полученные данные позволяют глубже понять важную роль серотонинэргической системы при формировании сердечной недостаточности, легочной гипертензии, предсердных аритмий (Росс. Физиол. Журн. Им. Сеченова, 2007, Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, 2007, Eur.J.Cardiology, 2009 Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, 2009 Клиническая медицина, 2009 Казанский медицинский журнал. 2009)

25. Исследована роль оксида азота в развитии экспериментальной гипоксии миокарда. Показано, что эндогенное образование NO при инфаркте миокарда оказывает негативное влияние на его протекание. L-аргинин обладает выраженным кардиопротектрным эффектом, который не связан с уровнем NO в ткани. (Бюллетень экспериментальной биологии и медицины,2005, патент 2005). Впервые показана серотонинергическая регуляция миокарда в онтогенезе у человека в норме и при патологиях (Казанский медицинский журнал. 2005). Показано наличие взаимосвязи между адренергической и серотониновой регуляции сердца, изменяющейся в процессе постнатального развития (Архив клинической и экспериментальной медицины,2004).

26. Выявленная в ходе исследования взаимосвязь между концентрацией в плазме крови гидроксииндолуксусной кислоты- основного метаболита серотонина и степенью легочной гипертензии у детей с врожденными пороками сердца, а также инотропной реакцией миокарда этих же детей на агонисты серотониновых рецепторов, позволяет предложить применение определения концентрации гидроксииндолуксусной кислоты для оценки тяжести течения и прогноза легочной артериальной гипертензии у данной категории детей. Казанский медицинский журнал. 2008, Eur.J.Cardiology, 2009)

27. Проведены исследования в области разработки нового способа лечения болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний при помощи препарата из ряда фосфорилацетогидразидов – КАПАХ (Премия в сфере инноваций им. Зворыкина, Всероссийский инновационный конвент, 2009). Было установлено, что препарат КАПАХ оказывает ряд положительных эффектов на поведение трансгенных мышей с генетической моделью болезни Альцгеймера, такие как улучшение памяти, снижение тревожности и депрессивности, а также увеличение продолжительности их жизни. В экспериментах in vitro КАПАХ предотвращал развитие токсических эффектов бета-амилоидного пептида.

28. Была исследована возможность использования коротких интерферирующих РНК в лечении бокового амиотрофического склероза на модели трансгенных мышей, экспрессирующих мутантную форму человеческой Cu2+/Zn2+ супероксид-дисмутазы (SOD1). Аппликация SOD1-специфичной киРНК на седалищный нерв приводила к выраженному снижению уровня матричной РНК SOD1. Таким образом, было показано, что короткие интерферирующие РНК имеют высокий терапевтический потенциал в лечении нейродегенеративных заболеваний (Experimental Brain Research, 2009).

29. Разработана модель нейродегенеративного заболевания пищевода – ахалазии и впервые детально исследованы морфофизиологические аспекты участия пуринергической регуляции в патогенезе данного заболевания. В экспериментах in vivo и in vitro было установлено, что препарат Ксимедон, обладающий нейропротекторными свойствами, значительно улучшает течение экспериментальной ахалазии у животных (заявка на патент РФ № 2009135954 «Способ лечения ахалазии пищевода»)

30. Сделано заключение, что сероводород (H2S) может синтезироваться в области нервно-мышечного синапса в диафрагмальной мышце мыши и модулировать передачу сигнала в системе мотонейрон-скелетная мышца. На основании полученных данных можно предположить, что H2S усиливает как процессы экзоцитоза во время одиночной стимуляции, так и процессы быстрого эндоцитоза синаптических везикул во время высокочастотной стимуляции за счет ускорения везикулярного цикла. Мишенями действия H2S являются ионные каналы, транспортеры, ферменты. (Нейрохимия, 2011)

31. Исследовали влияние сероводорода и роль калиевых каналов в эффектах газа на сократительную активность миокарда холоднокровных животных. Полученные нами данные указывают, что экзогенный, а возможно и эндогенно синтезирующийся H2S играет важную роль в регуляции функции сердца, и мишенями газа являются АТФ-зависимые, Са-активируемые и потенциал-зависимые К-каналы. По всей видимости, активация К-проводимости под действием H2S приводит к укорочению ПД, снижению входящего Са-тока, что, в свою очередь, ведет к уменьшению силы сокращения миокарда.

32. Установлено, что монооксид углерода оказывает ингибиторное воздействие на рабочий миокард предсердий, но стимулирует автоматическую активность синоатриального узла. Использование блокатора гемоксигеназы – фермента синтеза монооксида углерода – ZnPPII приводил в пролонгации потенциалов действия, снижению синусного ритма, а кроме того увеличивал контрактильную активность рабочего миокарда. (J Biomed Sci, 2011)

33. Показано, что холестерин плазматической мембраны служит эндогенным фактором, облегчающим протекание вызванного экзоцитоза синаптических везикул, но ограничивающим спонтанную и неквантовую секрецию медиатора. Полученные данные, свидетельствующие об участии эндогенных активных форм кислорода в реализации многокомпонентного эффекта на процесс вызванной секреции медиатора, связанного с уменьшением количества мембранного холестерола. Выявлена необходимость холестерина мембран синаптических везикул для протекания эндоцитоза, в ходе которого с поверхности нервного окончания удаляются молекулы везикулярного транспортера ацетилхолина, участвующие в неквантовом освобождении медиатора.( Neuroscience, 2011, Нейрохимия 2011)

34. Для исследования значения холестерина в функционировании бета-2-адренорецепторов (АР) были проведены предварительные работы, направленные на вскрытие механизмов влияниях бета2-АР на сократительную функцию предсердий. Показано, что чем выше концентрация фенотерола (в диапазоне 1–50 мкМ, селективный агонист бета2-АР), тем значительнее положительный инотропный эффект и тем быстрее он развивается. Предполагается, что динамика и выраженность положительного инотропного эффекта при фармакологической стимуляции бета2-АР определяются скоростью увеличения амплитуды Са-сигналов и изменением продукции оксида азота (Acta Naturae, 2011)

35. В электрофизиологических экспериментах на диафрагмальной мышце мыши мы впервые установили, что БАП (фрагмент 25-35, 10-6 М) вызывает нарушение процессов генерации мембранного потенциала покоя в мышечных волокнах, приводящее к выраженной деполяризации волокон за счет двух механизмов: 1) ингибирование Na+/K+-АТФазы, что приводит к исчезновению вклада данного насоса в формирование мембранного потенциала покоя; 2) увеличение катионной проницаемости мембраны в результате формирования в ней «амилоидных» каналов, блокируемых ионами Zn2+. (Росс. Физиол. Журн., 2011, Muscle and Nerve 2011)

36. Ведутся исследования по разработке генно-клеточных подходов для лечения нейродегенеративных заболеваний. С помощью трансдукции факторами транскрипции Oct4, Sox2, cMyc и Klf4 были получены индуцированные плюрипотентные стволовые клетки человека, а из них путем направленной дифференциации получены микроглия-подобные клетки, которые трансплантировали G93A мышам и APP+PSEN1 мышам. Иммуногистохимический анализ показал, что трансплантированные клетки активно мигрируют в очаги нейродегенерации и сохраняют фенотип микроглия-подобных клеток. Помимо этого, проведена трансплантация генетически модифицированных мононуклеарных клеток пуповинной крови человека, несущих двухкассетные плазмидные векторы pBud-VEGF-L1CAM, pBud-VEGF-EGFP и pBud-EGFP-L1САМ, G93A мышам. Через две недели после трансплантации данные клетки были обнаружены в спинном мозге мышей G93A; трансплантированные клетки экспрессировали маркёр эндотелиальных клеток — молекулу CD34, но не экспрессировали маркёры клеток макро- и микроглии ЦНС. (Exp Biol Med, 2011, Клеточная трансплантология и тканевая инженерия, 2011)