Роль мозгового нейротрофического фактора BDNF и его рецептора TrkB в устойчивости нейронов гиппокампа к ишемии-реперфузии (экспериментальное исследование)

Мозговой нейротрофический фактор (BDNF) и его рецептор TrkB играют важную роль в восстановлении функции мозга при различных патологических воздействиях, включая ишемию.

Цель исследования: оценка содержания BDNF и его рецептора TrkB в популяциях пирамидных нейронов гиппокампа в постреанимационном периоде и выявление роли этих факторов в устойчивости нейронов к ишемии.

Материал и методы. У белых половозрелых крыс-самцов, перенесших 10-минутную остановку сердца, на разных сроках постреанимационного периода (1-е, 4-е, 7-е, 14-е сутки) исследовали состояние популяций пирамидных нейронов полей СА1 и СА4 гиппокампа. Контролем служили ложнооперированные животные. С помощью иммуноцитохимических методов выявляли иммунореактивность к белкам BDNF и TrkB. На основании визуальной оценки и анализа оптической плотности выделяли типы нейронов с разной интенсивностью окраски: слабой (BDNF–, TrkB–), умеренной (BDNF⁺, TrkB⁺) и сильной (BDNF⁺⁺, TrkB⁺⁺). Определяли общую плотность нейронов и число клеток с разной иммунореактивностью к исследуемыхм белкам на 1 мм длины. В работе использовали микроскоп Olympus BX-41, программы Image Scope М, ImageJ 1,48v, MS Excel. Статистическую обработку данных проводили в программе Statistica 7.0.

Результаты. У реанимированных животных в сравнении с контролем в обоих исследованных полях гиппокампа наблюдали снижение общей плотности популяции пирамидных нейронов: в поле СА1 — на 4-е сутки после остановки сердца (на 26%), в поле СА4 — на 7-е сутки (на 38,5%). Выявили, что в поле СА4 на 4-е сутки в 2 раза возрастало число BDNF+-нейронов, а число BDNF⁺⁺-нейронов снижалось. На 7-е сутки резко снижалось число BDNF–-клеток, число BDNF+-клеток уменьшалось до контрольного уровня, а число BDNF⁺⁺-нейронов оставалось сниженным относительно контроля. В поле СА1 на 4-е сутки наблюдали снижение числа BDNF^-- и BDNF+-клеток при сохранении числа BDNF⁺⁺-нейронов. На 14-е сутки выявленные изменения сохранялись.
При анализе иммунореактивности к белку TrkB в поле СА4 на 7-е сутки постреанимационного периода выявили уменьшение числа TrkB–-клеток по сравнению с контролем. К 14-м суткам было снижено число не только TrkB–-нейронов, но и TrkB⁺-клеток при сохранении числа TrkB⁺⁺-нейронов на уровне контроля. В поле СА1 на 4-е сутки после реанимации наблюдали уменьшение числа TrkB⁺-нейронов, на 7-е сутки — уменьшение числа как TrkB⁺, так и TrkB–-нейронов. К 14-м суткам число TrkB–-нейронов оставалось сниженным. Число TrkB⁺⁺-нейронов при этом сохранялось на контрольном уровне за все время наблюдения.

Заключение. Полученные результаты указывают на то, что устойчивость нейронов к ишемии-реперфузии ассоциирована с содержанием в них белков BDNF и TrkB. Снижение общей плотности нейронов в постреанимационном периоде происходило как в поле СА1, так и в поле СА4 гиппокампа, при этом гибели подвергались только клетки с минимальным и умеренным содержанием исследуемых белков. Нейроны с наибольшим содержанием белков BDNF и TrkB выживали.

1. Larpthaveesarp A., Ferriero D.M., Gonzalez F.F. Growth factors for the treatment of ischemic brain injury (growth factor treatment). Brain Sci. 2015; 5 (2): 165–177. DOI: 10.3390/brainsci5020165. PMID: 25942688

2. Zhao H., Alam A., San C.Y., Eguchi S., Chen Q., Lian Q., Ma D. Molecular mechanisms of brain-derived neurotrophic factor in neuro-protection: recent developments. Brain Res. 2017; 1665: 1–21. DOI: 10.1016/j.brainres.2017.03.029. PMID: 28396009

3. Chen A., Xiong L.J., Tong Y., Mao M. The neuroprotective roles of BDNF in hypoxic ischemic brain injury. Biomed. Rep. 2013; 1 (2): 167–176. DOI: 10.3892/br.2012.48. PMID: 24648914

4. Berretta A., Tzeng Y.C., Clarkson A.N. Post-stroke recovery: the role of activity-dependent release of brain-derived neurotrophic factor. Expert. Rev. Neurother. 2014; 14 (11): 1335–1344. DOI: 10.1586/14737175.2014.969242. PMID: 25319267

5. Дмитриева В.Г., Ставчанский В.В., Поварова О.В., Скворцова В.И., Лимборская С.А., Дергунова Л.В. Влияние ишемии на экспрессию генов нейротрофинов и их рецепторов в структурах мозга крыс вне очага повреждения, включая противоположное полушарие. Молекулярная биология. 2016; 50 (5): 775–784. DOI: 10.7868/S0026898416 03006X. PMID: 27830679

6. Kimura A., Namekata K., Guo X., Harada C., Harada T. Neuroprotection, growth factors and BDNF-TrkB signaling in retinal degeneration. Int. J. Mol. Sci. 2016; 17 (9): pii: E1584. PMID:27657046. DOI: 10.3390/ ijms17091584. PMID: 27657046

7. Wu C.H., Hung T.H., Chen C.C., Ke C.H., Lee C.Y., Wang P.Y., Chen S.F. Post-injury treatment with 7,8-dihydroxyflavone, a TrkB receptor agonist, protects against experimental traumatic brain injury via PI3K/Akt signaling. PLoS One. 2014; 9 (11): e113397. DOI: 10.1371/journal.pone. 0113397. PMID: 25415296

8. Vilar M., Mira H. Regulation of neurogenesis by neurotrophins during adulthood: expected and unexpected roles. Front Neurosci. 2016; 10: 26. DOI: 10.3389/fnins.2016.00026. PMID: 26903794

9. Mokhtari T., Akbari M., Malek F., Kashani I.R., Rastegar T., Noorbakhsh F., Ghazi-Khansari M., Attari F., Hassanzadeh G. Improvement of memory and learning by intracerebroventricular microinjection of T3 in rat model of ischemic brain stroke mediated by upregulation of BDNF and GDNF in CA1 hippocampal region. Daru. 2017; 25 (1): 4. DOI: 10.1186/s40199-017-0169-x. PMID: 28202057

10. Корпачев В.Г., Лысенков С.П., Тель Л.З. Моделирование клинической смерти и постреанимационной болезни у крыс. Патол. физиол. и эксперим. терапия. 1982; 26 (3): 78–80. PMID: 7122145

11. Tecuatl C., Herrrera-López G., Martín-Ávila A., Yin B., Weber S., Barrionuevo G., Galván E.J. TrkB-mediated activation of the phosphatidylinositol-3-kinase/Akt cascade reduces the damage inflicted by oxygen-glucose deprivation in area CA3 of the rat hippocampus. Eur. J. Neurosci. 2018; 47 (9): 1096–1109. DOI: 10.1111/ejn.13880. PMID: 29480936

12. Lee T.H., Yang J.T., Ko Y.S., Kato H., Itoyama Y., Kogure K. Influence of ischemic preconditioning on levels of nerve growth factor, brain-derived neurotrophic factor and their high-affinity receptors in hippocampus following forebrain ischemia. Brain Res. 2008; 1187: 1–11. DOI: 10.1016/j.brainres.2007.09.078. PMID: 18036511

13. Shu X., Zhang Y., Xu H., Kang K., Cai D. Brain-derived neurotrophic factor inhibits glucose intolerance after cerebral ischemia. Neural. Regen. Res. 2013; 8 (25): 2370–2378. DOI: 10.3969/j.issn.1673-5374.2013.25.008. PMID: 25206547

14. Huang W., Meng F., Cao J., Liu X., Zhang J., Li M. Neuroprotective role of exogenous brain-derived neurotrophic factor in hypoxia-hypoglycemia-induced hippocampal neuron injury via regulating Trkb/MiR134 signaling. J. Mol. Neurosci. 2017; 62 (1): 35–42. DOI: 10.1007/s12031017-0907-z. PMID: 28343294

15. de la Tremblaye P.B., Benoit S.M., Schock S., Plamondon H. CRHR1 exacerbates the glial inflammatory response and alters BDNF/TrkB/pCREB signaling in a rat model of global cerebral ischemia: implications for neuroprotection and cognitive recovery. Prog. Neuropsychopharmacol. Biol. Psychiatry. 2017; 79 (Pt B): 234–248. DOI: 10.1016/j.pnpbp.2017.06.021. PMID: 28647536

16. Ferrer I., López E., Pozas E., Ballabriga J., Martí E. Multiple neurotrophic signals converge in surviving CA1 neurons of the gerbil hippocampus following transient forebrain ischemia. J. Comp. Neurol. 1998; 394 (4): 416–430. DOI: 10.1002/(SICI)1096-9861(19980518)394:4<416::AID-CNE2>3.0.CO;2-4. PMID: 9590552

17. Liu C., Chan C.B., Ye K. 7,8-dihydroxyflavone, a small molecular TrkB agonist, is useful for treating various BDNF-implicated human disorders. Transl. Neurodegener. 2016; 5: 2. DOI: 10.1186/s40035-015-0048-7. PMID: 26740873

18. Povarnina P., Gudasheva T.A., Seredenin S.B. Dimeric dipeptide mimetics of NGF and BDNF are promising agents for post-stroke therapy. JBiSE. 2018; 11 (5): 100–107. DOI: 10.4236/jbise.2018.115009

19. Sangiovanni E., Brivio P., Dell’Agli M., Calabrese F. Botanicals as modulators of neuroplasticity: focus on BDNF. Neural. Plast. 2017; 2017: 5965371. DOI: 10.1155/2017/5965371. PMID: 29464125

20. Fahimi A., Baktir M.A., Moghadam S., Mojabi F.S., Sumanth K., McNerney M.W., Ponnusamy R., Salehi A. Physical exercise induces structural alterations in the hippo1campal astrocytes: exploring the role of BDNF-TrkB signaling. Brain Struct. Funct. 2017; 222 (4): 1797–1808. DOI: 10.1007/s00429-016-1308-8. PMID: 27686571

21. Luo J., Zheng H., Zhang L., Zhang Q., Li L., Pei Zh., Hu X. High-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) improves functional recovery by enhancing neurogenesis and activating BDNF/TrkB signaling in ischemic rats. Int. J. Mol. Sci. 2017; 18 (2): pii: E455. DOI: 10.3390/ijms18020455. PMID: 28230741