Телефонний довідник

Ukrainian English French German Italian Latvian Lithuanian Polish Spanish

ВІДДІЛ НЕЙРОХІМІЇ

Завідувач – д.б.н., проф. Борисова Тетяна Олександрівна

Teл.:+ (044) 234-32-54, E-mail:Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

З часу заснування Українського біохемічного Інституту Наркомпросу УРСР (1925 р.), а згодом – Інституту біохімії НАН України, одним з головних наукових напрямів роботи було дослідження біохімічних основ діяльності нервової системи. Засновником і незмінним керівником цих досліджень був директор Інституту і одночасно завідувач відділу біохімії нервової системи, академік АН СССР та АН УРСР Олександр Володимирович Палладін (1925 - 1972 р.р.). У подальшому дослідженнями в галузі нейрохімії керували: д.б.н. Яків Васильович Бєлік (1973 - 1982р.р.), акад. АН УРСР Валерій Казимирович Лішко (1983 - 1991 р.р.), к.б.н. Ніна Германівна Гіммельрейх (з 1991- 2013 р.р.), д.б.н., проф. Борисова Тетяна Олександрівна (з 2013 р.)

На поточний час у відділі нейрохімії працює 12 наукових співробітників, серед яких 2 д.б.н. і 6 к.б.н.

Останніми роками наукові дослідження відділу спрямовані на дослідження ключових етапів процесу нейротрансмісії та вивчення основ синаптичної пластичності. За цей період досягнуто значних успіхів у вивченні механізмів трансмембранного транспорту нейромедіаторів, процесу екзоцитозу, механізмів регуляції та шляхів модуляції нейрональної активності.

З 2014 року наукові дослідження відділу проводяться у рамках теми: «Екзоцитоз та активний транспорт нейромедіаторів у пресинапсі в нормі та за умов розвитку нейропатологій: регуляція, рецептор-опосередкована модуляція та пошук шляхів нейропротекції».

Найвагоміші результати за 2010-2015 рр.
Пластичність синаптичних процесів досягається завдяки системам тонкої модуляції ключових етапів процесу нейротрансмісії – вивільнення нейромедіаторів у синаптичну щілину та активного поглинання нейромедіаторів із синаптичної щілини. До тепер розуміння біохімічних основ модуляції цих процесів є вкрай недостатнім, тому основна увага досліджень, що проводилися, була спрямована на вивчення шляхів і механізмів, які лежать в основі модуляторних процесів і забезпечують підтримку балансу між процесами збудження та гальмування.

Застосування сучасних методів аналізу (радіоізотопного аналізу, флуоресцентної спектрометрії, лазерної  кореляційної спектроскопії, конфокальної мікроскопії, проточної цитометрії, методу реєстрації іонної провідності бішарової ліпідної мембрани), безклітинної системи для вивчення процесу екзоцитозу та таких експериментальних моделей як гіпергравітаційне навантаження; гіпоксія раннього віку, що супроводжується судомами; дефіцит холестеролу, який притаманний цілому ряду хвороб, що супроводжуються розвитком нейропатологій, дозволило з’ясувати, які пресинаптичні процеси грають ключову роль в розвитку нейропатологій.

Гіпоксія раннього віку є одним з вагомих факторів розвитку розумової недостатності, а в важких випадках стійкої до медикаментозного лікування епілепсії. Встановлено, що гіпоксія та судоми в перинатальний період спричинюють зміни в перебігу енергетичних процесів, віддаленим наслідком яких є підвищення рівня АТФ в середньому на 10% в усіх досліджуваних структурах головного мозку щурів – корі, гіпокампі та таламусі. Стійким та довготривалим наслідком перинатальної гіпоксії є підвищення рівня позаклітинної ГАМК. Нормалізація рівню позаклітинної ГАМК можлива при підвищенні рівню АТФ в терміналях, що відбувається за умов споживання терміналями нейронів кори та гіпокампу пірувату в якості єдиного енергетичного субстрату. Значне підсилення в гіпокампі і таламусі процесу аутоінгібування секреції ГАМК за умов активації пресинаптичних ГАМКБ рецепторів у щурів, які були піддані гіпоксії у ранньому віці, вказує на спричинені гіпоксією зміни у процесі  постнатального розвитку головного мозку.

Доведено, що холестерол є потужним ендогенним модулятором активного транспорту глутамату в нервових терміналях головного мозку та запропоновано новий механізм нейропротекціі, в основі якого лежить пригнічення транспортер-залежного вивільнення глутамату за рахунок зниження вмісту мембранного холестеролу в нервових терміналях головного мозку. Метил-β-циклодекстрин (МЦД) - індуковане вилучення холестеролу з плазматичної мембрани нервових терміналей суттєво впливає на початкову швидкість акумуляції глутамату в нервових терміналях та зменшує стимульоване деполяризацією вивільнення глутамату за рахунок екзоцитозу. Введення надлишкового холестеролу в мембрану синаптичних везикул під дією комплексу MЦД /холестерол має інгібіторний вплив на процес кальцій-залежного злиття синаптичних везикул. З’ясовано, що в основі модулюючої дії MЦД на транспорт глутамату лежать різні механізми, які залежать від особливостей методичних підходів застосування акцептору холестеролу. Дисипація протонного градієнта синаптичних везикул в холестерол-дефіцитних нервових терміналях у присутності MЦД в середовищі інкубації є додатковим чинником, який пригнічує активність глутаматних транспортерів плазматичної мембрани, збільшує тонічне, Са2+-незалежне вивільнення глутамату та підвищує його позаклітинний рівень, а також повністю інгібує Са2+-залежне вивільнення нейромедіатору. За умов експериментального Д3 гіпоавітамінозу, однією з ознак якого є високий вміст холестеролу в плазмі крові, відбувається уповільнення швидкості кальцій-стимульованого злиття синаптичних везикул з плазмалемою, що може бути однією з причин неврологічних розладів

Активація рецепторів, розташованих на пресинаптичних терміналях, один з основних шляхів тонкої регуляції процесу нейротрансмісії. Пресинаптичні іонотропні рецептори,що активуються глутаматом, медіатором процесу збудження, залучені до регуляції гальмівних процесів в пресинапсі за рахунок індукції синхронного і асинхронного екзоцитозу, тригером яких є опосередкований іонними каналами рецепторів вхід Na+ та Ca2+ в нервову терміналь. Ключовою ланкою сигнального шляху між активацією рецепторів і екзоцитозом є стимуляція продукції активних форм кисню (АФК). Показана провідна роль АМПА/ каінатних рецепторів в процесі стимуляції утворення АФК і роль НАДФ оксидази в сигнальному шляху НМДА рецепторів.

Дослідження в безклітинній системі дії антиепілептичного препарату леветірацетаму, специфічного ліганду трансмембраного протеїну синаптичних везикул SV2,  вказують на залучення  протеїну  SV2 як до процесів гомо- та гетеротипного злиття, так і до кластеризації синаптичних везикул. З використанням леветірацетаму показано, що SV2А функціонує як регулятор процесу кластеризації синаптичних везикул та кальцій-регульованого злиття везикул із плазматичними мембранами синаптосом. Леветірацетам активує процес кальцій-регульованого вивільнення ГАМК із нервових терміналей кори, гіпокампу та таламусу головного мозку щурів. Ефективність дії леветірацетаму значно вища у тварин, які зазнали впливу перинатальної гіпоксії.

Відомо, що тромбоцити крові здатні до активного накопичення глутамату та містять високоафiннi Na+-залежні глутаматнi транспортери, а також глутаматні рецептори. Здатність тромбоцитів до акумуляції глутамату дає змогу вважати, що вони можуть також брати участь у підтримці гомеостазу позаклітинного глутамату в центральній нервовій системі. Показано, що на відміну від нервових закінчень головного мозку транспортер-залежне та нестимульоване вивільнення глутамату не притаманне тромбоцитам. Вивільнення глутамату з тромбоцитів відбувається виключно шляхом екзоцитозу при їх активації.

Показано, що амфотерицин В, а також рекомбінантна субодиниця В дифтерійного токсоїду у разі додавання  лише з одного боку «чорної  холестеринвмісної фосфоліпідної бішарової мембрани (товщина ~51 Å), спроможні утворювати довгоіснуючі у відкритому стані іонні канали, при формуванні яких критична роль належить довжині ацильних хвостів жирнокислотних залишків молекул фосфоліпіду. У бішаровій фосфоліпідній мембрані властивості каналів, що сформовані каліксареном С-99, дозволяють розглядати його як потенціал-залежний переносник аніонів.

Продовжуються дослідження у напрямку космічної біології. З’ясовано, що за умов гравітаційного навантаження тварин відбуваються суттєві зміни в процесах вивільнення медіатору збудження глутамату з пресинаптичних нервових терміналей (синаптосом): Са2+-залежне вивільнення глутамату з синаптосом зменшується внаслідок зниження вмісту нейромедіатора в синаптичних везикулах, а цитозольний рівень глутамату зростає, що свідчить про перерозподіл нейромедіатора між везикулярним та цитозольним пулом внаслідок дії гіпергравітації. Загальна швидкість злиття синаптичних везикул з плазматичними мембранами у безклітинній модельній системі не змінюється після гіпергравітіції. Однак зареєстровано зниження здатності мембранних компонентів до злиття та зростання фузогенної активності синаптосомальних цитозольних протеїнів за цих умов.

Показано унікальний ефект симулянту місячного пилу  у порівнянні з симулянтом марсіанського пилу та синтезованими наночастинками магнетиту, а саме зростання зв’язування глутамату з нервовими терміналями. Викликаючи зміни позаклітинного рівня глутамату, який є  вкрай важливим для правильної синаптичної передачі, місячний пил  може мати шкідливий вплив на гомеостаз цього нейромедіатору в центральної нервової системі.

У відділі проводяться дослідження у галузі нанотехнології. Отримано функціонально активні нервові терміналі головного мозку, мічені γ-Fe2O3 наночастинками, покритими D-манозою, і Fe3O4 наночастинками, покритими 3-амінопропіл(діетоксі)метилсіланом, та розроблено методичний підхід маніпуляції популяцією нервових терміналей під дією зовнішнього магнітного поля, проведено оцінку нейротоксичності цих наночастинок. Міцне зв’язування наночастинок з нервовими терміналями та відсутність впливу на ключові характеристики глутаматергічної передачі створює підґрунтя для їх широкого використання в нанонейротехнології.

Відкрито молекулярні механізми дії магнітних наночастинок природного походження, покритих білковою оболонкою, феритину, та специфічні ефекти білкової і неорганічної складових цієї природної наночастинки, що дозволяє використовувати феритин для модуляції транспорту нейромедіаторів в нервових терміналях головного мозку.
З використанням синтезованого нанокомплексу циклодекстрин/магнітна наночастинка розроблено новий стратегічний підхід і методологію екстракції з подальшим видаленням назовні холестеролу з нервових терміналей головного мозку. Доведено, що за умов нейропатологій, а саме при ішемічних/гіпоксичних ураженнях головного мозку, що супроводжуються збільшенням транспортерзалежного вивільнення глутамату з нервових терміналей, наночастинки агрегатів циклодекстринів мають нейропротекторний ефект.

Відкриті нейромодулюючі властивості карбонових точок, синтезованих з бета-аланіну, а саме суттєве інгібування активного накопичення ГАМК нервовими терміналями головного мозку щурів. Нейроактивність карбонових точок робить їх здатними модулювати процес синаптичної передачі одночасно з візуалізацією досліджуваних процесів

Результати, одержані в процесі виконання роботи, є науковим підґрунтям для створення концепції щодо молекулярних механізмів регуляції активного транспорту та рецепції нейромедіаторів у пресинапсі.

Найважливіші публікації співробітників відділу за 2010-2015 р.р.

Публікації

2010
1.    Borisova T., Krisanova N., Sivko R., Borysov A. Cholesterol depletion attenuates tonic release but increases the ambient level of glutamate in rat brain synaptosomes. // Neurochemistry Int. - 2010. - Vol. 56. № 3. - Р. 466-478.
2.    Kasatkina L., Borisova T. Impaired Na+- dependent glutamate uptake in platelets during depolarization of their plasma membrane. // Neurochemistry Int. - 2010. - Vol. 56, № 5. - Р. 711-719.
3.    Tarasenko A.S., Sivko R.V.,.Krisanova N.V, Himmelreich N.H., Borisova T.A. Cholesterol depletion from the plasma membrane impairs proton and glutamate storage in synaptic vesicles of nerve terminals/ // Journal of Molecular Neuroscience. - 2010. - Vol. 41, № 3. - Р. 358-367.
4.    Borisova T., Sivko R., Borysov A., Krisanova N. Diverse presynaptic mechanisms underlying methyl-beta-cyclodextrin – mediated changes in glutamate transport. // Cellular and Molecular Neurobiology.- 2010.- Vol.30, № 7.- Р. 1013-1023.
5.    Крупко О. А., Тарасенко А.С., Гиммельрейх Н.Г. Механизмы модуляторного влияния экзогенного глутамата на процессы секреции в гиппокампальных пресинаптических терминалях. // Нейрофизиология, -  2010. - Т. 42, № 2. - С.101-111.
6.    Trikash I., Gumenyuk V., Lishko V. The fusion of synaptic vesicle membranes studied by lipid mixing: the R18 fluorescence assay validity. // Chemistry and Physics of Lipids, – 2010. – Vol. 163, №8. - Р. 778–786.
2011
7.    Borisova T., Kasatkina L., Ostapchenko L.  The proton gradient of secretory granules and glutamate transport in blood platelets during cholesterol depletion of the plasma membrane by methyl-beta-cyclodextrin. // Neurochemistry Int.- 2011. - Vol. 59, № 6. - Р. 965-975.
8.    Borisova T., Krisanova N., Sivko R., Kasatkina L., Borysov A., Griffin S., Wireman M. Presynaptic malfunction: The neurotoxic effects of cadmium and lead on the proton gradient of synaptic vesicles and glutamate transport.// Neurochemistry Int. - 2011 .- Vol. 59, № 2.- Р. 272-279.
9.     Борисова Т., Дудченко Н., Брик О., Касаткина Л., Сивко Р., Чунихин А., Крысанова Н. Взаимодействие наночастиц магнетита, покрытых полимерами, с нервными терминалами головного мозга и тромбоцитами крови. // Биотехнология, -2011. - Т.4, № 5, - С. 45-56.
10.    Pozdnyakova N., Yatsenko L., Parkhomenko N. Himmelreich N. Perinatal hypoxia induces long-lasting increase in unstimulated GABA release in rat brain cortex and hippocampus. The protective effect of pyruvate. //  Neurochem.Int. – 2011. - Vol. 58, № 1. - Р. 14-21.
11.    Tarasenko A., Krupko O., Himmelreich N. Presynaptic kainate and NMDA receptors are implicated in the modulation of GABA release from cortical and hippocampal nerve terminals. // Neurochemistry Int. – 2011. - Vol. 59, № 1. - P. 81-89.
12.    Dunne M., Sadhukhan A., Rehders M., Brix K., Vogt P. M., Jokuszies A.,  Mirastschijski U.,  Borisova T., Slenzka K.,  Vogt J., Rettberg P., Rabbow E. Effects of different space relevant environmental stressors including Lunar Dust on microorganisms and human cells of  different tissues. // 40th International Conference on Environmental Systems, Published by the American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., AIAA 2010-6076. – 2010. – P.1-21.
2012
13.    Krisanova N., Sivko R., Kasatkina L., Borisova T. Neuroprotection by lowering cholesterol: A decrease in membrane cholesterol content reduces transporter-mediated glutamate release from brain nerve terminals. // Biochim. Biophys. Acta, - 2012. - Vol.1822, № 10. - Р. 1553–1561.
14.    Yatsenko L., Pozdnyakova N., Dudarenko M., Himmelreich N. The dynamics of changes in hippocampal GABAergic system in rats exposed to early-life hypoxia-induced seizures // Neurosci. Lett. - 2012.- Vol. 524, № 2. - P.69-73
15.    A. Tarasenko, O. Krupko, N. Himmelreich Reactive oxygen species induced by presynaptic glutamate receptor activation are involved in [3H]GABA release from rat brain cortical nerve terminals. // Neurochemistry Int. – 2012. - Vol. 61, № 7. - P. 1044-1051.
2013
16.    Gumenyuk V.P., Chunikhin A.Ju., Himmelreich N.H., Trikash I.O. The phenomenon of synaptic vesicle clustering as the prefusion state in the model system of exocytosis. // General Physiology and Biophysics, – 2013. – Vol. 4, № 32. - Р. 545-558.
17.    Kasatkina L, Borisova T. Glutamate release from platelets: Exocytosis versus glutamate transporter reversal. // Int.J. Biochem.Cell Biol. – 2013. – Vol. 45, № 11. - P. 2585-2595.
18.    Krisanova N., Kasatkina L, Sivko R, Borysov A, Nazarova A, Slenzka K, Borisova T. Neurotoxic potential of lunar and martian dust: influence on em, proton gradient, active transport, and binding ofglutamate in rat brain nerve terminals. // Astrobiology, - 2013. – Vol.13, № 8. - P. 679-692.
19.    Borisova T. Cholesterol and presynaptic glutamate transport in the brain. Springer, Book Series «Springer  Briefs in Neuroscience», (2013) 76 p. (ISBN 978-1-4614-7758-7) (DOI 10.1007/978-1-4614-7759-4).
2014
20.    Krisanova N., Sivko R., Kasatkina L., Borуsov A., Borisova T. Excitotoxic potential of exogenous ferritin and apoferritin: Changes in ambient level of glutamate and synaptic vesicle acidification in brain nerve terminals. // Cell.Mol. Neuroscience. – 2014. – 58.– P.95-104.
21.    O.Ya. Shatursky, L.A. Kasatkina, R.V. Rodik, S.O. Cherenok, A.A. Shkrabak, T.O. Veklich, T.A. Borisova, S.O. Kosterin and Vitaly I. Kalchenko. Anion carrier formation by calix[4]arene-bis-hydroxymethylphosphonic acid in bilayer membranes // Organic & Biomolecular Chemistry. 2014 – 12-P. 9811-9821.
22.    Tarasenko A, Krupko O, Himmelreich N. New insights into molecular mechanism(s) underlying the presynaptic action of nitric oxide on GABA release.// Biochim Biophys Acta. – 2014. – 1840(6) – P.1923-1932.
23.    Borisova T., Krisanova N., Borуsov A., Sivko R., Ostapchenko L., Babic M., Horak D. Manipulation of brain nerve terminals by an external magnetic field using D-mannose-coated γ-Fe2O3 nano-sized particles and their effects on glutamate transport. // Beilstein J. Nanotechnol. – 2014. – 5.– P.778-788.
24.    O.Ya. Shatursky, O.V. Romanenko, N.G. Himmelreich. Long open amphotericin channels revealed in cholesterol-containing phospholipid membranes are blocked by thiazole derivative // J. Membrane Biol. 2014. – 247:211-229.
25.    N. Pozdnyakova, M. Dudarenko, L. Yatsenko, N. Himmelreich, O. Krupko, T. Borisova Perinatal hypoxia: different effects of the inhibitors of GABA transporters GAT1 and GAT3 on the initial velocity of [3H]GABA uptake by cortical, hippocampal, and thalamic nerve terminals.// Croat Med J. 2014;55:250-8
26.    A. Borysov, N. Krisanova, O. Chunihin, L. Ostapchenko, N. Pozdnyakova, Т. Borisova A comparative study of neurotoxic potential of synthesized polysaccharidecoated and native ferritinbased magnetic nanoparticles.// Croat Med J. 2014;55:195-205.
27.    V. P. Gumenyuk, I. O. Trikash Effects of Levetiracetam on Aggregation and Fusion of Membranes of Synaptic Vesicles in a Cell-Free Exocytosis Model //Neurophysiology, – 2014, – 46, 2, P. 115-119.
2015
28.    O. Soldatkin, A. Nazarova, N. Krisanova, A. Borуsov, D. Kucherenko, I. Kucherenko, N. Pozdnyakova, A. Soldatkin, T. Borisova Monitoring of the velocity of high-affinity glutamate uptake by isolated brain nerve terminals using amperometric glutamate biosensor //Talanta -2015-V 135.-P. 67–74.
29.    Borisova T, Nazarova A, Dekaliuk M, Krisanova N, Pozdnyakova N, Borysov A, Sivko R, Demchenko AP. Neuromodulatory properties of fluorescent carbon dots: Effect on exocytotic release, uptake and ambient level of glutamate and GABA in brain nerve terminals.// Int J Biochem Cell Biol. -2015.-V.59-P.203-15.

Одержано 4 патенти на корисну модель.

Підготовка кадрів:

За останні п’ять років співробітниками відділу захищено 2 докторські (Шатурський О.Я. і Борисова Т.О.) і 4 кандидатські (Крисанова Н.В., Касаткіна Л.О., Сівко Р.В., Гуменюк В.П.) дисертації