Проекты

Влияние гипоксии на морфологию нервных клеток

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Теоретические и фундаментальные исследования» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Фундаментальная медицина
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1315
Предметы: Биология
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» 2020 года

Актуальность

Гипоксия – недостаток кислорода – является частым следствием ишемии (снижение или даже прекращение кровоснабжения органа, например, вследствие инсультов или при ишемической болезни сердца). Следует отметить, что от недостатка кислорода страдают жители крупных мегаполисов с масштабной застройкой и относительно небольшим количеством растительности. При этом известно, что от нехватки кислорода в организме человека страдает, в первую очередь, центральная нервная система – клетки головного мозга. Таким образом, изучение процессов, происходящих с нервными клетками в условиях нехватки кислорода, является актуальной и социально значимой проблемой, требующей детального изучения.

Цель

Оценка морфологии нервных клеток при действии гипоксии. «Тренировка» нервных клеток в условиях слабого кислородного голодания.
Задачи:

  1. Изучить литературу по выбранной теме исследования.
  2. Провести моделирование экспериментальной гипоксии с использованием фармакологического имитатора кислородного голодания – дефероксамина.
  3. Оценить размер и количество нервных отростков – нейритов клеток нейробластомы под действием разных временных промежутков кислородного голодания;
  4. Провести «тренировку» клеток в условиях слабой гипоксии и оценить морфологию этих клеток при сильной нехватке кислорода.
  5. Сделать выводы по полученным результатам.

Гипотеза

Гипоксия приводит к изменениям морфологии нервных клеток, следствием которой является изменение количества нервных отростков – нейритов. Кратковременная гипоксия может привести к появлению устойчивости клеток к последующему кислородному голоданию.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Культуры клеток нейроластомы человека
  • Конфокальный микроскоп Leica SP8
  • Программное обеспечение для анализа морфологии клеток ImageJ

Описание работы

Клетки линии нейробластомы окрашивали антителами, меченными флюорофором AlexaFluor 488 (длина возбуждения – 488 нм, длина испускания – 525 нм), детектирующими белок цитоскелета – тубулин.

Анализ морфологии клеток и количества нервных отростков проводили с помощью специализированной программы ImageJ при двадцатикратном увеличении путём измерения длины нейритов от тела клетки. В каждой экспериментальной группе анализировали 20 клеток.

 Математическая и статистическая интерпретация результатов исследования

Эксперименты проводили в 3 биологических повторностях. Статистическую обработку полученных результатов осуществляли в рамках стандартного пакета методов статистического анализа Statistiсa 6.0 для Windows (StatSoft, США), GraphPad Prism 5.0. (GraphPad Software, США).

В ходе выполнения проекта были предложены две модели ДФО-индуцированной гипоксии.

Первая модель предполагала одномоментную гипоксию, длящуюся 48 часов. Согласно полученным данным, в условиях 48-часовой гипоксии в клетках нервной системы наблюдается их округление, что является признаком потери специализации.

 

Вторая модель гипоксии представляла собой «тренировку» клеток:

  • клетки находились в условиях ДФО-индуцированной гипоксии 6 часов
  • клетки возвращали в нормальные условия и инкубировали 24 часа
  • моделировали гипоксию в течение 24 часов.

В ходе анализа состояния клеток при данной модели гипоксии была обнаружена приспособительная реакция клеток к нехватке кислорода. Так, если клетки переживают кратковременную гипоксию, затем находятся в нормальных условиях и помещаются снова в условия гипоксии, то наблюдается изменение морфологии клеток и числа нейритов, однако не столь значительное, как в первой модели экспериментов.

Именно такая «тренировка» нервных клеток в условиях гипоксии происходит при занятиях спортом у профессиональных спортсменов, а у жителей высокогорий присутствует постоянно.

Таким образом, с помощью двух моделей фармакологической гипоксии нами показано, что клетки нервной системы отвечают на нехватку кислорода не только изменением морфологии, но и изменением количества нервных отростков Кроме того, нами обнаружен эффект «тренировки» клеток, сопровождающейся лишь незначительным изменением морфологии клеток при кратковременной гипоксии с последующим восстановлением нормального содержания кислорода.

Результаты работы/выводы

В ходе выполнения проекта было изучено влияние фармакологически индуцированной гипоксии на состояние клеток нервной системы – клеточную линию нейробластомы человека SH-SY5Y. Было предложено два вида модели гипоксии, с помощью которых удалось достаточно полно (в рамках данного проекта) описать внутриклеточные процессы, происходящие в условиях нехватки кислорода. Таким образом, при выполнении работы было обнаружено следующее:

  1. Гипоксия, вызванная дефероксамином, приводит к изменению морфологии клеток.
  2. Гипоксия сопровождается изменением количества нейритов, которое, возможно, может иметь долговременные последствия после возвращения клеток в нормальные условия.
  3. Кратковременная незначительная гипоксия приводит к усилению устойчивости клеток к возможной последующей серьёзной гипоксии.

Перспективы использования результатов работы

По итогами работы были сформулированы практические рекомендации, которые могут быть использованы в ходе обеспечения учебного процесса в школе.

  1. При занятиях спортом (особенно в первое время с начала активных занятий) особое внимание уделять дыханию, заниматься только по подобранной тренером программе.
  2. В условиях постоянной нехватки кислорода в мегаполисах стараться чаще выезжать за город, на природу.
  3. В период активной умственной деятельности – занятия в школе, выполнение домашней работы – по возможности проветривать помещение в течение 5–10 минут.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

ФГБНУ «НИИ фармакологии имени В. В. Закусова»

Особое мнение  

«Выполненная работа представляет, на мой взгляд, огромный интерес как с практической, так и теоретической точки зрения. Невероятно интересным было увидеть реакцию клеток даже на незначительную гипоксию. После этого становится понятно, насколько хрупко наше здоровье, и как важно за ним следить»