Дізнатися про те, як вода потрапляє в нейрони, забезпечує нові цілі лікування смертельного набряку мозку

Вчені виявили, що високоефективні транспортери, які працюють як човникова система, щоб постійно переміщати іони в нейрони та виходити з них, рухаються в зворотному напрямку після інсульту чи іншої травми і починають доставляти занадто багато води.

Це називається поширенням деполяризації, хвилі смерті, яка може спричинити інсульт або черепно-мозкову травму, оскільки нейрони та їх розширення, звані дендритами, стають здутими, дисфункціональними та вразливими, сказав д-р Сергій Кіров, нейролог з нейрохірургії та директор лабораторія людського мозку в Медичному коледжі штату Джорджія при Університеті Джорджії Реджентс.

Хоча набряки явно є наслідком травми головного мозку, те, як вода потрапляє в нейрони, в основному було загадкою.

У дослідженні, опублікованому в The Journal of Neuroscience, Кіров та його колеги повідомляють, що жменька цих транспортерів іонів, які, як відомо, містять певну комбінацію натрію, калію та хлориду, виявляється недостатньою ланкою в тому, як надлишок води потрапляє всередину.

"Вони діють як молекулярні водяні насоси. Це новий спосіб мислення", - сказав Кіров. Він та доктор Нанна Маколей, доцент кафедри клітинної та молекулярної медицини Університету Копенгагена, є співавторами дослідження, про що йдеться у журналі. Ці транспортери також надають нові мішені для ліків для лікування смертельних набряків.

Деяка кількість води зазвичай потрібна нейронам для виконання основних метаболічних функцій, але, незважаючи на те, що говорять деякі підручники з медицини, нейрони не є вільно проникними для води, сказав Кіров. "Вам потрібен якийсь молекулярний механізм для надходження або виходу води", - сказав він. Транспортери, які, як відомо, витягують воду та іони поза нейрону, виявилися правдоподібним варіантом для Кірова.

У спокої нейрони мають багато калію всередині і багато натрію зовні. Цей диференціальний розподіл іонів поляризує нейрон, створюючи всередині негативний електричний заряд. Нерівна кількість натрію та калію всередині та зовні активно підтримується завдяки роботі натрієво-калієвих насосів.

Диференціальний розподіл натрію та калію також важливий для нейронів для генерації електричних сигналів, які називаються потенціалом дії, та зв’язку з іншими нейронами або клітинами, щоб люди та тварини могли мислити, рухатися або діяти інакше.

Коли генерується потенціал дії, нейрон проходить процес, який називається деполяризацією, який змінює його електричний заряд, завдяки чому він стає позитивним всередині. Натрієві канали відкриваються, і невелика кількість натрію рухається всередину, а канали швидко закриваються. Все це відбувається мега-стрімко.

Під час подальшої реполяризації трапляється навпаки: калієві канали відкриваються, і невелика кількість калію виходить з нейрона, а ці канали закриваються. Ще раз натрієво-калієві насоси штовхають іони назад у їх правильне розташування. Це безперервний, ефективний процес у здоровому мозку.

Але черепно-мозкова травма, інсульт, кровотеча з мозку або навіть мігрень можуть призвести до невгамовної, патологічної поширеної деполяризації, при якій велика кількість натрію рухається всередину, а велика кількість калію виходить з нейронів. Натрієво-калієві насоси швидко перевантажуються, намагаючись виправити ситуацію, і нейрони та їх розширення, звані дендритами, швидко опиняються в біді.

Хоча набряк щиколотки може бути незручним, набряк мозку може швидко стати смертельним у закритих межах черепа. "Нормальний баланс калію і натрію під час розповсюдження деполяризації майже повністю відключається, тому нормальна функція клітини відключається, і вона має підвищений ризик смерті", - сказав Кіров.

Команда Кірова використовувала потужну двофотонну лазерну скануючу мікроскопію для вивчення функції транспортерів у зрізах мозку миші та у мишей. Вони спостерігали за розповсюдженням деполяризації та наслідком набряків і задокументували, як набряк різко зменшується за допомогою препаратів, що блокують дію транспортерів.

Він зазначає, що наркотики, які він вживав у лабораторії, не можна застосовувати людям, але, як і транспортери, вони надають вказівки. "Нам потрібно розробити кращі засоби, які будуть безпечними для пацієнтів, які ми можемо давати протягом короткого періоду часу та зменшувати набряки", - сказав Кіров щодо наступних кроків у дослідженні. Сьогодні, у важких випадках набряку мозку, нейрохірурги видаляють шматок черепа, щоб дати мозку більше місця і в ідеалі зменшити постійні пошкодження.

Кіров зазначає, що астроцити, інший тип клітин мозку, що підтримують нейрони, мають природні водні канали, які називаються аквапоринами, так що вода, як правило, може легше рухатися всередину і назовні, але нейрони не мають цих чітко визначених каналів. "Це була загадка", - сказав Кіров.