Мишенью инъекции против диабета стали глиальные клетки гипоталамуса

Ученые выяснили, что инъекция фактора роста фибробластов 1, или FGF1, в гипоталамус инсулинорезистентных грызунов может быстро и надолго нормализовать уровень глюкозы в крови, а также подробно описали механизм его работы. Для этого ученые провели два исследования воздействия белка на мозг: в первом сравнили уровень экспрессии разных клеток гипоталамуса больных мышей, части из которых ввели FGF1, а во втором рассмотрели, как белок влияет на количество перинейрональных сетей в мозге крыс. Биологи обнаружили, что FGF1 воздействует на глиальные клетки мозга, усиливая сигнальную систему меланокортина: она играет важную роль в поддержании уровня сахара в крови. Статьи (12) опубликованы в журналах Nature Metabolism и Nature Communications.

При диабете второго типа клетки недостаточно насыщаются глюкозой, из-за чего поджелудочная железа постоянно получает сигнал о нехватке гормона, в ответ на который она начинает интенсивно восполнять его запасы. В результате β-клетки, ответственные за секрецию инсулина, со временем истощаются и перестают производить достаточное его количество. Поэтому больным необходимо ежедневно принимать противодиабетические препараты, но, несмотря на их эффективность, они не обеспечивают надлежащего гликемического контроля для большинства пациентов.В настоящее время лучшие методы лечения диабета второго типа заключаются в контроле уровня сахара в крови, но недавние исследования показывают, что мозг может стать альтернативной мишенью для терапии. Например, всего одной инъекции фактора роста фибробластов 1 (FGF1) в мозг мышей, страдающих диабетом второго типа, достаточно, чтобы восстановить нормальный уровень глюкозы в крови на несколько недель или даже месяцев. Но как именно FGF1 воздействует на мозг, было до недавнего времени было неизвестно.

Разобраться в этом вопросе решила команда ученых во главе с Майклом В. Шварцем (Michael W. Schwartz) из Вашингтонского университета в Сиэтле. Исследователи провели два эксперимента: в первом они изучили, как инъекция FGF1 влияет на экспрессию генов в различных типах клеток мозга, а во втором рассмотрели, какие структуры гипоталамуса помогают поддерживать ремиссию диабета. Именно гипоталамус — область мозга, отвечающая за регуляцию чувства голода, потребления энергии и, что важно, концентрацию сахара в крови — служил главным объектом изучения в обоих исследованиях.

Чтобы узнать, как клетки гипоталамуса реагируют на FGF1, команда хирургическим путем ввела белок в мозг мышей с диабетом второго типа, а затем наблюдала изменения в экспрессии генов разных клеток, сравнивая экспериментальную и контрольную группы мышей. Ученые проверяли утренний уровень глюкозы в крови у животных в течение пяти дней и показали, что у инъецированных FGF1 особей к пятому дню действительно нормализовался уровень сахара.

Изменения концентрации глюкозы в крови мышей на протяжении пяти днейMichael W. Schwartz / Nature Metabolism, 2020

На 1, 5 и 42 день после инъекции исследователи проводили эвтаназию и собирали клетки гипоталамуса. Чтобы оценить чувствительность различных клеток к инъекции FGF1, они проводили РНК-секвенирование трех типов: матричное РНК-секвенирование, моноядерное РНК-секвенирование и РНК-секвенирование единичных клеток. Результаты корректировали с учетом различий в потреблении пищи контрольных и экспериментальных животных: ученые сравнивали между собой тех мышей, которые получали одинаковое количество еды.

При анализе данных секвенирования, полученных в первый и пятый день, биологи заметили, что, глиальные клетки мозга мышей реагировали на FGF1 гораздо сильнее, чем нейроны. При этом танициты и эпендимальные клетки были наиболее чувствительны к FGF1 в первый день, тогда как астроциты и олигодендроциты стали более чувствительными на пятый.

Межклеточные взаимодействия Agrp-нейронов и астроцитов у контрольной и экспериментальной группMichael W. Schwartz / Nature Metabolism, 2020

Чтобы оценить влияние фактора роста фибробластов 1 на популяции нейронов через день после его инъекции, исследователи оценили количество генов, значительно различающихся по экспрессии у контрольной и экспериментальной групп. Оказалось, что нейроны, которые экспрессируют агути-подобный белок, или Agrp, наиболее подвержены влиянию FGF1 и что под его воздействием увеличивается количество межклеточных взаимодействий между ними и астроцитами. Одна из функций этих нейронов – эндогенное ингибирование передачи сигналов меланокортина – процесс, как было показано ранее, связанный с патогенезом диабета у грызунов и людей.

Сигнальная система меланокортина контролирует питание, массу тела и уровень сахара в крови грызунов и людей. Ученые обнаружили, что воздействие FGF1 на глиальные клетки обеспечивает беспрепятственную передачу сигналов в этой системе, что способствует противодиабетическому эффекту.

Чтобы узнать, какие структуры гипоталамуса связаны с корректной работой меланокортиновой системы, ученые исследовали перинейрональные сети, которые окружают нейроны и поддерживают их связи. Они представляют собой отдельный подтип внеклеточного матрикса и проникают во множество типов нейронов, включая нейроны, экспрессирующие агути-подобный белок.

Чтобы определить, различается ли количество и состав гипоталамических перинейрональных сетей у крыс с диабетом и контрольных животных с нормогликемией, ученые окрасили перинейрональные сети и сравнили его флуоресценцию в разных участках мозга подопытных грызунов. Команда обнаружила, что у крыс с диабетом в гипоталамусе меньше (p = 0,00036) перинейрональных сетей, чем у здоровых животных, причем этот эффект наблюдался только в областях, связанных с гомеостазом глюкозы.

Разница во флуоресценции PNN больных (a, b) и здоровых (d, e) мышейMichael W. Schwartz / Nature Metabolism, 2020

Инъекция FGF1 в мозг подопытных крыс быстро восполнила дефицит перинейрональных сетей, и в гипоталамусе обработанных крыс возникли новые сети. Чтобы оценить влияние перинейрональных сетей на активность белка, исследователи удалили сети из мозга животных и обнаружили, что FGF1 сложнее справиться с диабетом.

Получается, что инъекция фактора роста фибробластов 1 в мозг грызунов воздействует на области гипоталамуса, задействованные в регуляции гомеостаза глюкозы и помогает восстановить ее уровень в крови у животных. Ученые выяснили, что белок воздействует на сигнальную систему меланокортина двумя способами. Во-первых он увеличивает степень покрытия мозга перинейрональными сетями, способствуя усилению активности нейронов, контролирующих активность меланокортиновой системы. А во-вторых предотвращает ингибирование этой системы Agrp нейронами с помощью регуляции экспрессии генов глиальных клеток мозга.Чтобы окончательно понять механизм воздействия FGF1 на мозг, предстоит провести еще много исследований. Однако, такая терапия может в перспективе позволить достичь стойкой ремиссии диабета, а не просто ежедневного снижения уровня сахара в крови, как это делают современные методы лечения.

Поиск стратегий лечения сахарного диабета уже давно является одной из первостепенных задач здравоохранения. Недавно мы рассказывали о применении для этой цели стволовых клеток, а также обсуждали как можно бороться с почечной недостаточностью — частым осложнением пациентов, страдающих сахарным диабетом второго типа. 

Автор: Василиса Ралдугина
Источник: https://nplus1.ru/news/2020/09/11/diabetes-injection