Modeling depression in zebrafish

Full Text

Депрессия (depression) — широко распространенное серьезное психическое расстройство, для которого характерны плохое настроение, ангедония, утомляемость, снижение внимания, суицидальность и психомоторная заторможенность, сопровождающиеся нейроэндокринными нарушениями [1, 2].

Большое депрессивное расстройство (БДР, major depressive disorder) представляет собой сложное заболевание, которое имеет в своей основе как генетические причины, так и индуцируется факторами окружающей среды [3, 4]. У пациентов с БДР нарушено содержание катехоламинов (серотонин, дофамин и норадреналин), глутамата и гамма-аминомасляной кислоты. В клинической практике против БДР наиболее эффективны антидепрессанты-селективные ингибиторы обратного захвата серотонина, трициклические антидепрессанты и ингибиторы моноаминоксидазы. Полиморфизм в генах переносчиков дофамина (DAT) [5] и серотонина (SERT) [6] связан с высоким риском развития БДР.

Для БДР характерны депрессивное настроение, ангедония, колебания веса, бессонница, ажитация, усталость, недостаток концентрации внимания и суицидальные мысли. Это расстройство имеет высокую коморбидность с другими психическими заболеваниями. У людей БДР обычно манифестирует в подростковом возрасте, причем у женщин это заболевание проявляется раньше, чем у мужчин. Дети родителей, страдающих депрессией, также чаще болеют БДР (генетический фактор), и почти у 90 % людей с БДР случаются повторные эпизоды [6]. Другие факторы БДР — ожирение, низкая физическая активность, опыт психологической травмы в прошлом. БДР часто сочетается с другими психическими расстройствами, такими как расстройства тревожного спектра, расстройства личности, наркотическая зависимость. Нарушения в гипоталамус-гипофиз-надпочниковой оси также связаны с депрессией, а ее симптомы часто снимаются терапией селективных ингибиторов обратного захвата серотонина. Кроме того, у пациентов с БДР наблюдается высокий уровень гормонов, связанных со стрессом (в том числе кортизола) и провоспалительных цитокинов, и пониженный уровень противовоспалительных цитокинов.

Биполярно-аффективое расстройство (БАР, bipolar affective disorder) связано с чередованием депрессивных и маниакальных/гипоманиакальных состояний. Биполярное расстройство I типа (БАР I) характеризуется одним или несколькими маниакальными эпизодами или смешанными эпизодами. Биполярное расстройство II типа (БАР II), в свою очередь, включает один гипоманиакальный эпизод с одним или несколькими депрессивными эпизодами [7]. Факторами риска БАР принято считать ожирение, курение, злоупотребление наркотиками и неправильное питание. Как и БДР, БАР имеет в своей основе генетические и экологические факторы. БАР — полигенное заболевание, и хотя ни один ген не определяет его манифестацию, полиморфизмы в определенных генах (например, гене диацилглицеринкиназы) тесно связаны с развитием данного расстройства [8]. Нарушения в работе иммунной системы и аномальные уровни нейротрофина также являются плохим прогностическим фактором. Фармакологическая терапия БАР включает стабилизаторы настроения (нормотимики), например литий, противоэпилептические средства (например, габапентин) и нейролептики (например, рисперидон). Нейрохимические механизмы БАР, которые труднее концептуализировать (по сравнению с БДР) из-за различий в период депрессивных и маниакальных/гипоманиакальных эпизодов, включают нарушения моноаминов и гамма-аминомасляной кислоты [9, 10].

Поведенческие модели

Поведенческие симптомы депрессивно-подобных состояний, моделируемых на зебраданио, демонстрируют поразительное сходство как с клинической картиной (табл. 1), так и с фенотипами грызунов. Например, депрессивно-подобное поведение можно оценить с помощью ряда тестов на зебраданио, включая тест нового аквариума, чувствительный к хроническому введению антидепрессантов (например, флуоксетина), которые также паралельно снижают тревожность. Примечательно, что зебраданио стабильно демонстрируют социальное поведение и четкую групповую иерархию, основанную на явных отношениях подчинения/доминирования. Иерархические социальные взаимодействия (например, когда самцы зебраданио постоянно проявляют агрессивное поведение), по-видимому, модулируются моноаминами, при этом у подчиненных рыб-«проигравших» наблюдается более высокое соотношение 5-гидроксииндолуксусная кислота (основной метаболит серотонина) / серотонин. Уровни дофамина и серотонина повышены у доминирующих «победителей», что, возможно, может быть связано с фенотипами БДР.

 

Таблица 1. Клинические симптомы депрессии и их отношение к моделям зебраданио [11]
Клинические симптомы	Проявления у зебраданио
Отчаяние	Низкая активность в тесте иммобилизации хвоста [11]
Ангедония (снижение удовольствия)	Снижение поощрительного поведения (например, обусловленное предпочтение места), гипофагия [12]
Вялость, усталость, потеря энергии	Гиполокомоция (уменьшение расстояния и скорости плавания) без смещения предпочтения верха/низа [1]
Понижение либидо	Понижение сексуальной активности, отсутствие нереста
Нарушение внимания и координации	Нарушение внимания и когнитивный дефицит
Социальная изоляция	Увеличенное среднее расстояние между рыбами [1]
Раздражительность, гнев, беспокойство	Гиперактивность и агрессивность
Моноамины	Снижение уровня серотонина, дофамина, норадреналина, связано с депрессией
Нейротрофический фактор мозга (BDNF)	Модулирует многие моноаминергические (например, дофаминергические, серотонинергические) пути, более низкие уровни отмечаются в клинических случаях депрессии
Гормоны стресса	Повышенный уровень кортизола, кортикотропин-рилизинг-гормон и адренокортикотропный гормон [13]

 

Кроме того, в то время как социальная изоляция является признаком депрессии как у людей, так и у грызунов, фенотипы социальной изоляции у зебраданио дополнительно показывают их удобство для использования в качестве социальной модели определенных аспектов клинической депрессии. Депрессивно-подобное поведение у рыб можно оценить с помощью ряда более специфических тестов на зебраданио. Например, тест нового аквариума, традиционно используемый для оценки тревожности и двигательной активности зебраданио, может оценивать скорость и продолжительность плавания, беспорядочные движения, неподвижность (фризинг), а также время, проведенное в верхней и нижней половинах аквариума.

Примечательно, что трехмерный тест в водной среде (по сравнению с традиционными двумя измерениями в тестах на грызунах) предлагает значительное увеличение количества измеряемых показателей, многие из которых чувствительны к конкретным поведенческим профилям, и поэтому могут быть полезны для изучения депрессивно-подобных фенотипов. Более того, в новой среде зебраданио демонстрирует заметную поведенческую чувствительность к широкому спектру фармакологических манипуляций, включая обычные клинические антидепрессанты (например, флуоксетин).

К поведенческим моделям депрессии можно отнести парадигму хронического стресса и моделирование отчаяния. Хронический (непредсказуемый) стресс — это часто используемая парадигма, основанная на ежедневном воздействии различных стрессоров (феромон тревоги, присутствие хищника, изменение температурного режима, воздействие электрического тока, социальная изоляция и др.), которая может вызывать у зебраданио депрессивное поведение [14]. Отчаяние же, как признак клинической депрессии, можно смоделировать в различных экспериментальных парадигмах «выученной беспомощности», подвергая животных воздействию неизбежных стрессоров [11]. На основе данной парадигмы был разработан поведенческий тест для выявления депрессивного состояния отчаяния [11] — тест иммобилизации хвоста (ТИХ, zebrafish tail immobilization ZTI test), рассмотренный далее.

Фармакологические модели

Резерпин как один из первых антипсихотиков имеет долгую историю фармакологических исследований. Несмотря на очевидную эффективность в уменьшении симптомов БАР, резерпин снижает уровень дофамина, необратимо блокируя везикулярный переносчик моноаминов, при этом вызывая БДР. Хотя в клинической практике резерпин больше не применяют из-за серьезных побочных эффектов, этот препарат по-прежнему активно используют в доклинических исследованиях. У зебраданио воздействие резерпина вызывает долгосрочные депрессивные эффекты, включая замедление моторики, социальную изоляцию и повышенный уровень кортизола во всем теле. Интересно, что снижение моторики не наблюдается в течение нескольких дней после воздействия однократной дозы. Хроническое применение низких доз резерпина у зебраданио вызывает аналогичный гиполокомоторный и депрессивно-подобный фенотип, не влияя на их тревожность. В настоящее время резерпин — единственный препарат, вызывающий депрессивные фенотипы у зебраданио.

В дополнение к моделированию БДР различные пропсихотические и психостимулирующие препараты могут быть использованы для вызова БАР-подобных фенотипов у зебраданио. Например, фенциклидин, дизоцилпин (MK-801) и кетамин являются антагонистами рецепторов NMDA, и их воздействие на зебраданио вызывает снижение тревожности и провоцирует круговое плавание. Плавание по кругу, в частности, может указывать на психозоподобное состояние, поскольку галлюциногенные препараты, не являющиеся антагонистами NMDA (например, серотонинергические галлюциногены), по-видимому, не вызывают кружение у зебраданио. Интересно, что кетамин, обычно используемый в качестве общего анестетика, вызывает психотические и острые антидепрессивные эффекты у людей, одновременно снижая интенсивность проявлений тревожных фенотипов и понижая уровень кортизола во всем теле у зебраданио. В целом, фармакологические модели зебраданио позволяют удовлетворить запрос на новые направления исследований депрессии (табл. 2).

 

Таблица 2. Эффекты про- и антидепреcсантных препаратов на зебраданио
Препараты	Эффекты	Описание фенотипа
Резерпин	Продепрессивный	Длительные моторные и социальные нарушения, повышение уровня кортизола [18]
Транс-2-фенилцикло-пропиламин	Продепрессивный	Апоптоз нейронов и гипомоторный фенотип [19]
Флуоксетин	Антидепрессивный	Анксиолитический фенотип, повышенный уровень серотонина, снижение уровня кортизола [20]
Пароксетин	Антидепрессивный	Повышение уровня серотонина и снижение спонтанной плавательной активности [20]
Пароксетин	Антидепрессивный	Повышение уровня серотонина и снижение спонтанной плавательной активности [20]
Амитриптилин	Антидепрессивный	Повышенный уровень серотонина [21]
Дезипрамин	Антидепрессивный	Анксиолитический фенотип [22]
Доксепин	Антидепрессивный	Сниженная частота сердечных сокращений [23]

 

Генетические модели

Эпидемиологические исследования показывают, что примерно 40–50 % предрасположенности к депрессии обусловлено генетическими факторами [15]. Поэтому, генетические модели депрессии зебраданио могут иметь отношение к реальной клинической картине (табл. 3). Например, однонуклеотидный полиморфизм (single nucleotide polymorphism — SNP) гена P2RX₇ у зебраданио, вероятно, опосредует предрасположенность к депрессии у людей [16] и может вызывать нарушение функции рецептора P2X₇ in vitro [17]. Зебраданио с нокаутом в гене глюкокортикоидного рецептора gr (s357) демонстрируют повышенное стрессорное, тревожное и депрессивное поведение. Мутанты gr (s357) представляют модель с дисфункциональной эндокринной (у рыб — гипоталамо-гипофизарно-интерреналовой) осью — распространенным фактором патологии БДР человека.

 

Таблица 3. Примеры генетических манипуляций при моделировании депрессии у зебраданио
Манипуляции	Описание
Нокаут глюкокортикоидного рецептора gr	Повышенный стресс, тревожно- и депрессивно-подобное поведение [24]
SNP в гене P2RX7	Изменение сигналинга глутаматергической системы in vitro [17]
Нокаут гена петаксина	Фризинг и тревожно-подобное поведение [25]

 

Сходным образом ген DISC1 является эволюционно консервативным у крыс, мышей и зебраданио и представляет собой ключевой ген (один из многих), прочно связанный как с шизофренией, так и с БАР. В частности, нокдаун disc1 у зебраданио приводит к аномальной миграции клеток и снижению нейральной популяции в нервном гребне.

В целом, поскольку депрессия — это сложное нейроповеденческое расстройство, только изучение патологических механизмов на разных видах позволит соединить воедино эволюционную мозаику консервативных аспектов данной болезни. Значительную роль в этом процессе играют фармакологические, поведенческие и генетические модели депрессивных расстройств, описанные выше для зебраданио, раскрывая сложную триаду поведенческих, эмоциональных и когнитивных аспектов депрессии.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией. Вклад каждого автора: Д.С. Галстян, Т.О. Колесникова, Ю.М. Косицын, К.Н. Забегалов, М.А. Губайдуллина, Г.О. Маслов, С.Л. Хацко — анализ данных и написание статьи; К.А. Демин, А.В. Калуев — разработка общей концепции и рецензирование статьи.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Соглашение № 075-15-2022-301 от 20.04.2022).

ADDITIONAL INFORMATION

Author contribution. Thereby, all authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. Contribution of each author: D.S. Galstyan, T.O. Kolesnikova, Yu.M. Kositsyn, K.N. Zabegalov, M.A. Gubaidullina, G.O. Maslov, S.L. Khatsko — manuscript drafting, pilot data analyses and writing; K.A. Demin, A.V. Kalueff — general concept discussion and paper reconceptualization.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This work was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Agreement No. 075-15-2022-301).

About the authors

David S. Galstyan

Saint Petersburg State University; A.M. Granov Russian Research Center for Radiology and Surgical Technologies; Almazov National Medical Research Centre

Email: david_sam@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6213-5117

Research Associate

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg; Saint Petersburg

Tatyana O. Kolesnikova

Sirius University of Science and Technology

Email: philimontani@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5561-8583
SPIN-code: 8558-7887

Research Associate

Russian Federation, Sochi

Yurii M. Kositsyn

Saint Petersburg State University

Email: ikosicin53@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-4266-808X

Research Associate

Russian Federation, Saint Petersburg

Konstantin N. Zabegalov

Sirius University of Science and Technology

Email: hatokiri@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9748-0324
SPIN-code: 5993-6315

Research Associate

Russian Federation, Sochi

Mariya A. Gubaidullina

Sirius University of Science and Technology

Email: mariangub@gmail.com

Research Associate

Russian Federation, Sochi

Gleb O. Maslov

Sirius University of Science and Technology; Ural Federal University

Email: maslovog6@gmail.com

Research Associate

Russian Federation, Sochi; Yekaterinburg

Konstantin A. Demin

Saint Petersburg State University; Sirius University of Science and Technology; Almazov National Medical Research Centre

Email: deminkasci@gmail.com
SPIN-code: 3830-1853

Cand. Sci. (Biol.), Senior Research Associate

Russian Federation, Saint Petersburg; Sochi; Saint Petersburg

Sergey L. Khatsko

Ural Federal University

Email: hardscore@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5921-6680
SPIN-code: 4973-7083

Research Associate

Russian Federation, Yekaterinburg

Allan V. Kalueff

Saint Petersburg State University; A.M. Granov Russian Research Center for Radiology and Surgical Technologies; Sirius University of Science and Technology; Almazov National Medical Research Centre; Ural Federal University; Novosibirsk State University; Research Institute of Neuroscience and Medicine; Moscow Institute of Physics and Technology

Author for correspondence.
Email: avkalueff@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7525-1950
SPIN-code: 4134-0515

Dr. Sci. (Biol.), Professor

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg; Sochi; Saint Petersburg; Yekaterinburg; Novosibirsk; Novosibirsk; Moscow

References