Исследовательская группа под руководством ученых Института Уайтхеда определила 30 различных химических соединений, 20 из которых являются лекарствами, проходящими клинические испытания или уже одобренными FDA, которые повышают активность продуцирования белка критически важным геном в головном мозге и улучшают симптомы Ретта. синдром, редкое заболевание нервной системы, которое часто вызывает у пациентов аутизмоподобное поведение. Новое исследование, проведенное на человеческих клетках и мышах, помогает пролить свет на биологию важного гена, называемого KCC2, который участвует в различных заболеваниях мозга, включая аутизм, эпилепсию, шизофрению и депрессию. Выводы исследователей, опубликованные 31 июля в онлайн-выпуске журнала Science Translational Medicine, могут помочь стимулировать разработку новых методов лечения множества разрушительных заболеваний головного мозга.
"Появляется все больше свидетельств того, что KCC2 играет важную роль в нескольких различных заболеваниях головного мозга, предполагая, что он может действовать как общий драйвер неврологической дисфункции," говорит старший автор Рудольф Яениш, член-основатель Института Уайтхеда и профессор биологии Массачусетского технологического института. "Эти препараты, которые мы определили, могут помочь ускорить разработку столь необходимых методов лечения."
KCC2 работает исключительно в головном и спинном мозге, перенося ионы в специализированные клетки, известные как нейроны, и из них. Это перемещение электрически заряженных молекул помогает поддерживать электрохимический состав клеток, позволяя нейронам срабатывать, когда им нужно, и оставаться в бездействии, когда они этого не делают. Если это хрупкое равновесие нарушается, работа и развитие мозга нарушаются.
Нарушения функции KCC2 были связаны с несколькими расстройствами головного мозга человека, включая синдром Ретта (СРТ), прогрессирующее и часто изнурительное расстройство, которое обычно возникает у девочек в раннем возрасте и может включать нарушения движений, судороги и трудности в общении. В настоящее время не существует эффективного лечения RTT.
Яениш и его коллеги во главе с первым автором Синь Таном разработали высокопроизводительный скрининговый анализ для выявления лекарств, повышающих активность гена KCC2. Используя редактирование генома CRISPR / Cas9 и технологии стволовых клеток, они сконструировали нейроны человека, чтобы обеспечить быстрое считывание количества продуцируемого белка KCC2. Исследователи создали эти так называемые репортерные клетки как из здоровых нейронов человека, так и из нейронов RTT, несущих вызывающие заболевание мутации в гене MECP2. Эти репортерные нейроны затем подавались в конвейер скрининга лекарств, чтобы найти химические соединения, которые могут усиливать активность гена KCC2.
Тан и его коллеги проверили более 900 химических соединений, сосредоточив внимание на тех, которые были одобрены FDA для использования при других состояниях, таких как рак, или прошли хотя бы некоторый уровень клинических испытаний. "Прелесть этого подхода в том, что многие из этих препаратов были изучены в контексте заболеваний, не связанных с головным мозгом, поэтому механизмы действия известны," говорит Тан. "Такое молекулярное понимание позволяет нам узнать, как ген KCC2 регулируется в нейронах, а также идентифицировать соединения с потенциальной терапевтической ценностью."
Команда Института Уайтхеда идентифицировала в общей сложности 30 препаратов с активностью, повышающей KCC2. Эти соединения, называемые KEEC (сокращенно от KCC2-усиливающих экспрессию соединений), работают по-разному. Некоторые блокируют молекулярный путь, называемый FLT3, который, как обнаружено, является сверхактивным при некоторых формах лейкемии. Другие ингибируют путь GSK3b, который участвует в нескольких заболеваниях головного мозга. Другой KEEC действует на SIRT1, который играет ключевую роль во множестве биологических процессов, включая старение.
В последующих экспериментах исследователи подвергли нейроны RTT и модели мышей обработке KEEC и обнаружили, что некоторые соединения могут обратить вспять определенные дефекты, связанные с заболеванием, включая нарушения нейрональной передачи сигналов, дыхания и движения. Эти усилия стали возможными благодаря сотрудничеству с группой Мриганки Сур в Институте обучения и памяти Пикауэра, в которой Кеджи Ли и его коллеги провели поведенческие эксперименты на мышах, которые были необходимы для выявления эффективности лекарств.
"Наши результаты демонстрируют силу непредвзятого подхода к поиску лекарств, которые могут значительно улучшить лечение неврологических заболеваний," говорит Яениш. "А поскольку мы начинаем с известных лекарств, путь к клиническому переводу, вероятно, будет намного короче."
Помимо ускорения разработки лекарств от синдрома Ретта, уникальная стратегия исследователей по скринингу лекарств, которая использует сконструированный ген-специфический репортер для поиска перспективных лекарств, также может быть применена к другим важным генам, связанным с заболеванием в головном мозге. "Многие, казалось бы, разные заболевания головного мозга имеют общие коренные причины аномальной экспрессии генов или нарушения сигнальных путей," говорит Тан. "Мы считаем, что наш метод имеет широкое применение и может помочь ускорить терапевтические открытия для широкого спектра неврологических состояний."