Исследование ТБИ на животных моделях
В США ежегодно 2,8 миллиона раз обращаются в отделение неотложной помощи по поводу травматических повреждений головного мозга (ТПГ) и около 1,2 миллиона человек живут с нарушениями функций мозга, вызванными ТПГ. Несмотря на то, что в результате экспериментальных и клинических исследований было получено много информации о том, как происходят травмы, в настоящее время не существует эффективных методов лечения ТБИ. Чтобы понять влияние ТБИ на головной и спинной мозг, ученые используют животные модели как экономически эффективный метод исследования. Крупные животные-модели, такие как свиньи или овцы, ближе по своим телесным функциям к человеку. Однако предпочтительнее использовать модели грызунов, поскольку с ними легко работать в лаборатории. Важно отметить, что это также соответствует национальным рекомендациям по использованию самых низких видов млекопитающих, которые могут дать ответ на научный вопрос. Используя грызунов, ученые могут контролировать конкретные детали, такие как тип травмы мозга и ее тяжесть. Существуют этические проблемы, связанные с нанесением травм животным в научных экспериментах, но ученые прилагают значительные усилия, чтобы обеспечить максимально гуманное обращение с ними. Недавно на животных моделях были обнаружены определенные белки, называемые биомаркерами, которые присутствуют в мозге людей с ТБИ и могут привести к разработке новых методов лечения для предотвращения или уменьшения инвалидности, которая может наступить в результате ТБИ.
Почему мы должны понимать, что такое ТБИ?
Травматические повреждения головного мозга (ТПГМ) - одна из основных причин травматизма и смертности среди людей всех возрастов во всем мире. Число смертей от ТБИ исчисляется сотнями тысяч, а число травм - миллионами. ТБИ случаются с детьми и взрослыми в результате автомобильных аварий, падений, столкновений автомобилей с пешеходами, взрывных травм в армии и спортивных травм. ТБИ могут на всю жизнь повлиять на качество жизни человека. Контактные виды спорта, такие как футбол, соккер, бокс и хоккей, могут привести к ТБИ. Повторяющиеся травмы головы могут привести к развитию хронической травматической энцефалопатии (ХТЭ) - разрушению мозга, вызванному повторяющимися травмами головы, что приводит к потере памяти и других мозговых навыков. ХТЭ связана с накоплением в мозге вещества, называемого белком тау. ХТЭ начинается с проблем с настроением и контролем импульсов и постепенно перерастает в разрушительную потерю функций мозга, схожую с той, что наблюдается при таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера и лобно-височная деменция. Учитывая, что миллионы людей, включая детей, занимаются контактными видами спорта, понимание ТБИ и ХТЭ является важнейшей проблемой национального здравоохранения.
Чтобы узнать о ТБИ, ученые в идеале хотели бы изучить ткани мозга пациентов с ТБИ. Однако образцы тканей мозга пациентов доступны редко. Образцы мозга из посмертных (после смерти) случаев фатальных ТБИ могут быть изучены учеными, но этого недостаточно для понимания процессов заболевания. Важнейшим методом изучения ТБИ являются животные модели. Модели на животных помогают ученым изучать и находить способы лечения заболеваний и расстройств, которые трудно или неэтично изучать на людях [ 3, 4 ].
Что такое модель животного?
Животные модели - это нечеловеческие виды, которые изучаются и сравниваются для понимания общих биологических процессов. Животные модели играют важную роль в исследованиях ТБИ у человека. Существует множество видов животных, используемых в испытаниях. Хотя крупные животные более схожи с человеком по своим телесным процессам, грызуны чаще всего используются в качестве животных-моделей из-за их небольшого размера, низкой стоимости и того факта, что в одном эксперименте легко изучить несколько мелких животных. Среди животных, используемых в исследованиях ТБИ, - мыши, коричневые крысы, хорьки и домашние свиньи. Мозг некоторых из этих животных похож на человеческий и может быть использован для изучения механизмов и потенциальных методов лечения ТБИ у человека (рис. 1) [4].
Чтобы сделать животные модели TBI более похожими на людей, ученые сначала вводят животным человеческий ген тау. Обратите внимание, что все исследования TBI проводятся на наркотизированных животных, чтобы они не испытывали боли. Затем ученые используют различные механизмы, чтобы вызвать TBI у животных. В отличие от людей, где тяжесть ТБИ не контролируется, при использовании животных моделей ученые полностью контролируют тип травмы и могут тщательно измерить специфические биологические и поведенческие реакции животного на ТБИ. Ученые используют несколько методов для получения травм мозга, которые имитируют те, что происходят с человеком. Различные модели ТБИ включают в себя локальное повреждение мозга, более обширное повреждение, как это бывает при сотрясении мозга, и метод, вызывающий взрывную травму, которая часто встречается у солдат. Как уже отмечалось, животные не чувствуют боли, поскольку находятся под наркозом, а ученые защищены от возможных травм во время проведения экспериментов. После того как животным наносятся травмы, ученые собирают данные о реакции животных за определенный промежуток времени и сравнивают их с данными пациентов-людей [1, 4, 5].
Что мы видим в мозге животных?
Чтобы изучить ТБИ, ученые часто смотрят на специфические белки мозга, называемые биомаркерами. Биомаркеры - это показатель процесса заболевания, обычно измеряемый после очаговой травмы. Типичным биомаркером может быть уровень глюкозы в крови, как способ мониторинга диабета. В случае ТБИ нас интересуют такие биомаркеры, как белки тау, глиальный фибриллярный кислый белок, убиквитин-карбокситерминальная гидролаза L1, нейрон-специфическая энолаза. Все эти белки являются частью молекулярных структур, из которых состоят клетки мозга как у людей, так и у животных, подобно древесине, из которой строится дом. Когда человек переживает травму или повреждение, эти белки мозга разрушаются, что приводит к разрушению клеток мозга и разрушению его каркаса. Давайте остановимся на примере белка тау. В клетках мозга, называемых нейронами, белки тау помогают создать структуру длинных тонких рукавов клеток, называемых аксонами, которые связываются с другими нейронами. Отложение тау нарушает связь между клетками мозга, что приводит к беспорядочным мыслям и поведению. Накопление тау приводит к потере памяти, замедлению движений, потере интеллекта и другим разрушительным изменениям в поведении. Подобно тау, все остальные перечисленные белки также накапливаются в мозге подобным образом и оказывают аналогичное разрушительное воздействие. Ученые пытаются определить, что приводит к увеличению образования этих белковых отложений и как их ограничить (рис. 2) [3, 4].
Каковы преимущества использования моделей животных?
Использование животных моделей позволяет исследователям изучать заболевания таким образом, который был бы невозможен на человеческих пациентах из-за этических соображений. У людей и животных схожи основные клеточные процессы, поэтому данные, собранные на животных, позволяют достоверно предсказать аналогичные результаты у людей. Исследования на животных также позволяют ученым собирать данные от множества разных животных, что повышает надежность результатов исследования. Некоторые подопытные животные, например мыши, размножаются в очень больших количествах, поэтому для исследований можно использовать большое количество мышей.
Существует много дискуссий о том, правильно или неправильно использовать животных для исследований. Некоторые люди утверждают, что нет достаточно убедительных доказательств для сравнения животных моделей с человеческими. Но другие утверждают, что использование животных в исследованиях - единственный способ узнать о некоторых человеческих болезнях и найти решения для их лечения. Исследования ТБИ, такие как новое исследование биомаркеров тау, помогающее обнаружить потенциально лучшую диагностику сотрясений мозга, не обеспечили бы прорыва в понимании ТБИ без использования животных моделей. Использование только посмертных человеческих образцов не дает достаточно данных для проверки научных теорий о роли биомаркеров в ТБИ. Модели животных помогают нам быстрее и эффективнее изучать человеческую систему.
Многие люди борются за этические права животных, считая, что они должны жить, не испытывая дискомфорта от того, что являются подопытными. Для соблюдения этических норм ученые создали регулирующие органы, которые следят за соблюдением строгих правил, касающихся исследований на животных. Есть вещи, которые ученые могут и не могут делать, а также правила о том, для каких исследований можно и нельзя использовать модели животных. Эти правила поддерживают три "Р": заменить, сократить и усовершенствовать. Ученые должны организовывать свои эксперименты таким образом, чтобы как можно чаще заменять животных другими альтернативами, не связанными с животными. Кроме того, ученые должны планировать свои эксперименты таким образом, чтобы сократить количество используемых животных до минимально возможного, которое даст им адекватные доказательства для их исследовательского вопроса. Наконец, ученые должны усовершенствовать процедуры, проводимые с животными, чтобы не причинять им чрезмерного вреда или страдания. Эти правила и нормы позволяют ученым получать хорошие результаты с наименьшими последствиями для животных. В понимании человеческих болезней с помощью животных моделей произошли значительные прорывы, но мы надеемся, что с развитием технологий ученые постепенно смогут использовать все меньше и меньше животных для своих исследований [1, 5].
Заключение
Модели животных - важный инструмент для многих видов научных исследований. Таким ученым, как мы, изучающим мозг, животные помогают исследовать один из самых сложных органов в организме. Модели животных помогают нам изучать ключевые особенности заболеваний, которые трудно исследовать на людях. Эти модели помогли нам понять процесс, в результате которого накопление определенных белков, таких как тау, в мозге разрушает его структуру и функции. Благодаря этой информации ученые пытаются найти методы ограничения накопления тау, что, в свою очередь, может уменьшить последствия таких серьезных заболеваний, как ХТЭ, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и другие инвалидизирующие расстройства мозга.
