danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2020-64-5-590-598dan-918Research ArticleМЕДИЦИНАMEDICINEРоль гликозаминогликанов в межнейронных коммуникациях нейронных сетей гиппокампаGlycosaminoglycans role in hippocampal neural networks interneuronal communicationsПашкевичС. Г.PashkevichS. G.

Пашкевич Светлана Георгиевна - кандидат биологических наук, заведующий лабораторией.ул. Академическая, 28, 220072, Минск.

Pashkevich Svetlana G. - Ph. D. (Biology), Head of the Laboratory, Institute of Physiology of the National Academy of Sciences of Belarus.28, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk.

skypasht@mail.ruСердюченкоН. С.SerdyuchenkoN. S.

Сердюченко Николай Сергеевич - член-корреспондент, доктор медицинских наук, профессор, академик-секретарь.пр. Независимости, 66, 220072, Минск.

Serdyuchenko Nikolay S. - Corresponding Member, D. Sc. (Medicine), Professor, Academician-Secretary, National Academy of Sciences of Belarus.66, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk.

lora323@mail.ruИнститут физиологии Национальной академии наук БеларусиInstitute of Physiology of the National Academy of Sciences of BelarusНациональная академия наук БеларусиNational Academy of Sciences of Belarus202004112020645590598Copyright © Пашкевич С.Г., Сердюченко Н.С., 20202020Пашкевич С.Г., Сердюченко Н.С.Pashkevich S.G., Serdyuchenko N.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/918

В развитии нейротехнологий актуальным является поиск приложений для устройств инвазивной нейроэлектроники. Одним из перспективных направлений может стать разработка способов влияния на межклеточные коммуникации, т. е. не за счет действия на пре-, пост- и внесинаптические рецепторы, а на внеклеточный матрикс, окружающий нейроны и глию. Для развития биоэлектронной фармацевтики важен поиск параметров стимуляции, при которых возможно контролируемое изменение структурно-функциональных параметров нервной ткани. Рассмотрели один из актуальных механизмов молекулярного патогенеза инфекции SARS-CoV-2 - индукцию метаболизма гликозаминогликанов. Предполагают, что, попадая в обонятельный эпителий и обонятельные луковицы мозга, вирус способен достичь структур центральной нервной системы. При моделировании изменения ферментативной активности гиалуронидазы (0,1; 1,0; 10,0 Ед/мл) в течение 5 мин в одной из ключевых структур лимбической системы - гиппокампе (3-4-недельных крысят, n = 64) выявлены условия трансформации межклеточных контактов и вызванной электрической активности популяций СА1 области. Зарегистрированное развитие процессов синаптической пластичности имеет адаптивный потенциал при концентрациях гиалуронидазы, не превышающих 1,0 Ед/мл.Предлагаемый в данной работе метод in vitro и обоснованная мишень для воздействия - элементы внеклеточного матрикса, позволяют смоделировать один из возможных механизмов развития вирусной инфекции, оптимизировать процесс предварительного скрининга новых лекарственных субстанций, а также обосновать условия безопасного и/или терапевтического воздействия электрическими импульсами на элементы нервной ткани.

In the development of neurotechnologies, the search for applications for invasive neuroelectronic devices is relevant. One of the promising areas can be the development of ways of influencing intercellular communication, that is, not by acting on pre-, post- and extrasynaptic receptors, but on the extracellular matrix surrounding neurons and glia. For the development of bioelectronic pharmaceuticals, it is important to search for stimulation parameters at which a controlled change in the structural and functional parameters of the nervous tissue is possible. We considered one of the actual mechanisms of the molecular pathogenesis of SARS-CoV-2 infection - the induction of glycosaminoglycan metabolism. It is assumed that, getting into the olfactory epithelium and the olfactory bulbs of the brain, the virus is able to reach the structures of the central nervous system. When modeling changes in the enzymatic activity of hyaluronidase (0.1; 1.0; 10.0 U/ml) for 5 minutes in one of the key structures of the limbic system - the hippocampus (3-4-week-old ratpups, n = 64), the conditions for the transformation of intercellular contacts were revealed and evoked electrical activity of populations of CA1 region. The recorded development of synaptic plasticity processes has an adaptive potential at hyaluronidase concentrations not exceeding 1.0 U/ml.The in vitro method proposed in this work and a reasonable target for exposure - elements of the extracellular matrix, make it possible to simulate one of the mechanisms of the development of viral infection, optimize the process of preliminary screening of new medicinal substances that can minimize the risk of developing neuroinflammatory processes, and also substantiate the conditions for safe and/or therapeutic effects and electrical impulses on the elements of the nervous tissue.

гиппокампвызванные потенциалывнеклеточный матриксгиалуронидазаэлектронная микроскопияhippocampusevoked potentialsextracellular matrixhyaluronidaseelectron microscopyReferencesThe Hippocampus Book / P. Andersen [et al.]. - Oxford, 2006. - 832 p. https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780195100273.001.0001Andersen P., Morris R., Amaral D., Bliss T., O'Keefe J. The Hippocampus Book. Oxford, 2006. 832 p. https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780195100273.001.0001Altman, J. Autoradiographic and Histological Studies of Postnatal Neurogenesis. IV. Cell proliferation and migration in the anterior forebraini with special reference to persisting neurogenesis in the olfactory bulb / J. Altman // Journal of Comparative Neurology. - 1969. - Vol. 137, N 4. - P. 433-457. https://doi.org/10.1002/cne.901370404Altman J. Autoradiographic and Histological Studies of Postnatal Neurogenesis. IV. Cell proliferation and migration in the anterior forebrain, with special reference to persisting neurogenesis in the olfactory bulb. Journal of Comparative Neurology, 1969, vol. 137, no. 4, pp. 433-457. https://doi.org/10.1002/cne.901370404Мандельброт, Б. Фрактальная геометрия природы / Б. Мандельброт. - М., 2002. - 656 с.Mandelbrot B. The Fractal Geometry of Nature. San Francisco, 1982. 460 p.Cailliet, R. Soft Tissue pain and Disabiliti / R. Cailliet. - Philadelphia, 1977. - 120 p.Cailliet R. Soft Tissue pain and Disabiliti. Philadelphia, 1977. 120 p.Особенности действия гиалуронидаз различного происхождения на соединительную ткань / Р. У. Хабриев [и др.] // Биомедицинская химия. - 2016. - T. 62, № 1. - C. 82-88. https://doi.org/10.18097/pbmc20166201082Habriyev R. U., Kamayev N. O., Danilova T. I., Kakhoyan E. G. Peculiarities of the action of hyaluronidase of different origin to the connective tissue. Biomeditsinskaya Khimiya = Biomedchemistry, 2016, vol. 62, no. 1, pp. 82-88 (in Russian). https://doi.org/10.18097/pbmc20166201082Extracellular Matrix: Functions in the Nervous System / C. S. Barros [et al.] // Cold Spring Harb Perspect Biol. - 2011. -Vol. 3, N 1. - Art. a005108. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a005108Barros C. S., Franco S. J., Muller U. Extracellular Matrix: Functions in the Nervous System. Cold Spring Harb Perspectives in Biology, 2011, vol. 3, no. 1, art. a005108. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a005108Зюзьков, Г. Н. Новое направление таргетной терапии в регенеративной медицине - «стратегия фармакологической регуляции внутриклеточной сигнальной трансдукции в регенераторно-компетентных клетках» / Г. Н. Зюзьков // Инноватика и экспертиза. - 2018. - Вып. 1(22). - С. 143-152.Zyuzkov G. N. The new direction of targeted therapy in regenerative medicine is “the strategy of pharmacological regulation of intracellular signal transduction in regenerative-competent cells”. Innovatika i ekspertiza = Innovatics and Expert Examination, 2018, no. 1(22), pp. 143-152 (in Russian).Molecular Alterations Prompted by SARS-CoV-2 Infection: Induction of Hyaluronan, Glycosaminoglycan and Mucopolysaccharide Metabolism / S. Andonegui-Elguera [et al.] // Archives of Medical Research. - 2020. - 9 p. https://doi.org/10.1016/j.arcmed.2020.06.011Andonegui-Elguera S., Taniguchi-Ponciano K., Gonzalez-Bonilla C. R., Torres J., Mayani H., Herrera L. A., Pena-Martmez E., Silva-Roman G., Vela-Patino S., Ferreira-Hermosillo A., Ramirez-Renteria C., Carvente-Garcia R., Mata-Lozano C., Marrero-Rodriguez D., Mercado M. Molecular Alterations Prompted by SARS-CoV-2 Infection: Induction of Hyaluronan, Glycosaminoglycan and Mucopolysaccharide Metabolism. Archives of Medical Research, 2020. 9 р. https://doi.org/10.1016/j.arcmed.2020.06.011Современные представления о фиброзе и методах его коррекции / С. Н. Мехтиев [и др.] // Фарматека. - 2014. -№ 6(279). - С. 80-87.Mekhtiev S. N., Stepanenko V. V., Zinovieva E. N., Mekhtieva O. A. Modern concepts of liver fibrosis and methods of its correction. Farmateka, 2014, no. 6(279), pp. 80-87 (in Russian).Olfactory transmucosal SARS-CoV-2 invasion as port of Central Nervous System entry in COVID-19 patients / J. Meinhardt [et al.] // bioRxiv. - 2020. https://doi.org/10.1101/2020.06.04.135012Meinhardt J., Radke J., Dittmayer C., Mothes R., Franz J., Laue M., Schneider J., Brunink S., Hassan O., Stenzel W., Windgassen M., RoBler L., Goebel H.-H., Martin H., Nitsche A., Schulz-Schaeffer W. J., Hakroush S., Winkler M. S., Tampe B., Elezkurtaj S., Horst D., Oesterhelweg L., Tsokos M., Heppner B. I., Stadelmann Ch., Drosten Ch., Corman V. M., Radbruch H., Heppner F. L. Olfactory transmucosal SARS-CoV-2 invasion as port of Central Nervous System entry in COVID-19 patients. bioRxiv, 2020. https://doi.org/10.1101/2020.06.04.135012Autoimmune encephalitis concomitant with SARS-CoV-2 infection: insight from 18 F-FDG PET imaging and neuronal autoantibodies / S. Grimaldi [et al.] // J. Nucl. Med. - 2020. https://doi.org/10.2967/jnumed.120.249292Grimaldi S., Lagarde S., Harle J.-R., Boucraut J., Guedj E. Autoimmune encephalitis concomitant with SARS-CoV-2 infection: insight from 18 F-FDG PET imaging and neuronal autoantibodies. Journal of Nuclear Medicine, 2020. https://doi.org/10.2967/jnumed.120.249292Особенности формирования возбуждающих постсинаптических потенциалов в гипнокампе при изменении функционального состояния гликозаминогликанов / Ю. С. Гаркун [и др.] // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 2008. - Т. 145, № 4. - С. 372-374.Garkun Yu. S., Yakubovich N. V., Denisov A. A., Molchanov P. G., Emel'janova A. A., Pashkevich S. G., Kulchitsky V. A. generation of excitatory postsynaptic potentials in the hippocampus after functional modification of glycosaminoglycans. Bulletin of Experimental Biology and Medicine, 2008, vol. 145, no. 4, pp. 395-397. https://doi.org/10.1007/s10517-008-0100-zChanges in Neuropil Ultrastructure in Hippocampal Field CA1 in Rat Pups after Application of Hyaluronidase /S.V. Kul'chitskii [et al.] // Neuroscience and Behavioral Physiology. - 2009. - Vol. 39, N 6. - P. 517-521. https://doi.org/10.1007/s11055-009-9162-2Kul'chitskii S. V., Yakubovich N. V., Emel'yanova A. A., Garkun Yu. S., Pashkevich S. G., Kul'chitskii V. A. Changes in Neuropil Ultrastructure in Hippocampal Field CA1 in Rat Pups after Application of Hyaluronidase. Neuroscience and Behavioral Physiology, 2009, vol. 39, no. 6, pp. 517-521. https://doi.org/10.1007/s11055-009-9162-2Neuropilin-1 facilitates SARS-CoV-2 cell entry and provides a possible pathway into the central nervous system / L. Cantuti-Castelvetri [et al.] // bioRxiv. - 2020. https://doi.org/10.1101/2020.06.07.137802Cantuti-Castelvetri L., Ojha R., Pedro L. D., Djannatian M., Franz J., Kuivanen S., Kallio K., Kaya T., Anastasina M., Smura T., Levanov L., Szirovicza L., Tobi A., Kallio-Kokko H., Osterlund P., Joensuu M., Meunier F. A., Butcher S., Winkler M. S., Mollenhauer B., Helenius A., Gokce O., Teesalu T., Hepojoki J., Vapalahti O., Stadelmann C., Balistreri G., Simons M. Neuro-pilin-1 facilitates SARS-CoV-2 cell entry and provides a possible pathway into the central nervous system. bioRxiv, 2020. https://doi.org/10.1101/2020.06.07.137802SARS-CoV-2 Spike protein co-opts VEGF-A/Neuropilin-1 receptor signaling to induce analgesia / A. Moutal [et al.] // bioRxiv. - 2020. https://doi.org/10.1101/2020.07.17.209288Moutal A., Martin L. F., Boinon L., Gomez K., Ran D., Zhou Y., Stratton H. J., Cai S., Luo S., Gonzalez K. B., Perez-Miller S., Patwardhan A., Ibrahim M. M., Khanna R. SARS-CoV-2 Spike protein co-opts VEGF-A/Neuropilin-1 receptor signaling to induce analgesia. bioRxiv, 2020. https://doi.org/10.1101/2020.07.17.209288

The authors declare that there are no conflicts of interest present.