Лаборатория сравнительной термофизиологии

Заведующий лабораторией — к.б.н. доцент Ирина Васильевна Екимова

Лаборатория создана в 1993 г. на базе группы сравнительной физиологии терморегуляции, организованной в 1989 г. Основателем лаборатории является академик РАЕН (секция биомедицины) Юрий Федотович Пастухов, который руководил лабораторией в течение 20 лет с 1993 г. по 2013 г. С конца 2013 г. лабораторией заведует к.б.н., доцент Ирина Васильевна Екимова. В настоящее время в штат лаборатории входят два доктора и пять кандидатов биологических наук, а также два ведущих инженера и один младший научный сотрудник. Лаборатория традиционно активно взаимодействует с кафедрой физиологии биолого-почвенного факультета СПбГУ, оказывая научно-методическую помощь СПбГУ. Студенты кафедры на базе лаборатории проходят преддипломную практику, выполняют бакалаврские и магистерские диссертации.

Основные направления научной деятельности

Исследования лаборатории посвящены изучению физиологических и молекулярных механизмов защиты мозга и организма при природной адаптации к экстремальным условиям, включая природный гипометаболизм, в моделях стресса, нарушения сна и поведения, эндотоксемии, эпилепсии, болезни Паркинсона (БП). Исследования лаборатории можно объединить в следующие основные направления.

1. Сравнительная термофизиология адаптивных состояний гомеотермии;
2. Молекулярные шапероны в защите функций мозга теплокровных животных;
3. Интеграция молекулярных систем мозга в модуляции физиологических функций;
4. Болезнь Паркинсона: разработка технологии ранней диагностики и шаперонной терапии.

Основные научные достижения

1. Сравнительная термофизиология адаптивных состояний гомеотермии. Объектами анализа служили представители трех больших по численности групп теплокровных животных, обитающих в различных климато-географических регионах: эутермные и зимоспящие млекопитающие, птицы, а также лабораторные животные и рыбы. В результате многолетних исследований сформулировано обобщение: эволюционная адаптация к экстремальным зимним условиям у различных групп млекопитающих, отличающихся по происхождению, массе тела и экологической специализации, имеет единую стратегию выживания – минимизацию расходов энергии. Выявлено усиление роли медленного сна в экономии расходов энергии и восстановлении нервной системы (при фено- и генотипической адаптации млекопитающих к экстремальным условиям, голодании у птиц, после различных видов стресса) и парадоксального сна в механизмах вхождения в торпор и зимнюю спячку. На основании изучения ультрадианных, околочасовых, суточных и сезонных биоритмов физиологических функций, метаболизма, сна и поведения рассчитан годовой бюджет энерготрат у зимоспящих млекопитающих из разных климатических зон, открыт природный феномен синхронизации и «раскачки» эндогенных биоритмов и обоснована методология экологически наиболее адекватных режимов закаливания организма.

2. Молекулярные шапероны в защите мозга теплокровных животных. Иccледована стресс-лимитирующая функция молекулярных шаперонов семейства Heat Shock Protein 70 kDa (HSP70). Впервые установлено, что увеличение содержания главного шаперона индуцибельного Hsp70 в мозге крыс и голубей приводит к увеличению естественного медленного сна, снижению температуры мозга и тонуса мышц. Ключевым механизмом сомногенного действия Hsp70 является его способность взаимодействовать с ГАМКергической и аденозиновой системами в «центре» медленного сна в преоптической области гипоталамуса. Применение Hsp70 после различных видов стресса у крыс и голубей приводит к увеличению медленного сна и его стресс-лимитирующей функции, более раннему восстановлению сомато-висцеральных показателей и уменьшению тревожности, концентрации в крови кортикостерона и пост-стрессового синдрома. В модели эндотоксемии у крыс и голубей показано, что Hsp70 ослабляет воспалительный процесс и ускоряет восстановление цикла сон-бодрствование. Увеличение содержания в мозге эндогенного или экзогенного Hsp70 вызывает противосудорожные эффекты в моделях генерализованной эпилепсии у крыс Вистар и у крыс с наследственной формой эпилепсии. Полученные данные могут служить основанием для апробации в клинике ряда известных ранее и новых лекарственных средств, увеличивающих содержание в мозге шаперонов семейства HSP70 с целью ускорения процессов реабилитации после стресса, политерапии эндотоксемии, эндотоксического шока, разных форм эпилепсии.

3. Интеграция молекулярных систем мозга в модуляции физиологических функций. При исследовании молекулярных механизмов модуляции сна и тревожно-подобного поведения впервые установлено, что снижение экспрессии генов ко-шаперона Hdj1 в интегративном «центре» регуляции сна, вегетативных функций и поведения в преоптической области гипоталамуса крыс с помощью трансфекции лентивектора shRNA-Hdj сопровождается значительным увеличением количества медленного сна и снижением уровня тревожности. Это может быть обусловлено компенсаторным усилением активности системы Hsp70 при нарушении интеграции между молекулярными системами. Снижение экспрессии генов Hsp70 в преоптической области гипоталамуса с помощью лентивектора shRNA-Hsp70 приводит к уменьшению количества медленного сна и повышению уровня тревожности. При этом отмечается компенсаторное повышение в нейронах уровня другого шаперона из того же класса – GRP78. Несмотря на недостаток уровня Hsp70 в нейронах и снижение медленного сна, феномен отдачи сна после депривации оказывается более мощным, чем в контроле. Полученные данные указывают на важное значение тесной интеграции молекулярных систем шаперонов HSP70 и HSP40 и их компенсаторных взаимоотношений в ослаблении нарушений сна, повышенной тревожности и последствий стресса, особенно в пожилом возрасте.

4. Болезнь Паркинсона: разработка технологии ранней диагностики и шаперонной терапии. Поздняя постановка диагноза болезни Паркинсона (БП) требует разработки комплекса ранних немоторных маркеров БП. Для поиска немоторных диагностических маркеров БП и разработки новой технологии терапии БП в лаборатории впервые созданы модели доклинической и клинической стадий БП у крыс на основе ослабления активности убиквитин-протеасомной системы путем использования ее специфического ингибитора лактацистина. В моделях доклинических стадий БП установлены следующие ранние маркеры, отражающие нарушение интегративных функций мозга и состояние компенсаторных и нейропротективных резервов нигростриатной системы: возрастание тревожности, преобладание релаксированного бодрствования, увеличение быстрого сна и переходных состояний, фрагментация медленного сна и уменьшение глубокого сна. Определение этих показателей у пациентов из группы риска по развитию БП в дневных стационарах является финансово не затратной для клиник процедурой и вместе с другими маркерами может найти применение для ранней постановки диагноза БП.

Исследование в лаборатории взаимоотношений системы молекулярных шаперонов HSP70 и УПС позволило выявить, что при умеренном ослаблении функции УПС, имитирующем доклиническую стадию БП, выживают те нейроны черной субстанции, в которых увеличивается содержание шаперона Hsp70. Снижение уровня Hsp70 в нейронах черной субстанции с помощью лентивирусной конструкции shRNA-Hsp70 приводило к усилению процесса нейродегенерации и ускоряло переход нейродегенеративного процесса от доклинической стадии БП к клинической стадии БП. Эти данные явились основанием для разработки в лаборатории новой молекулярной стратегии терапии БП на основе шаперона Hsp70. Впервые установлено, что интраназальное введение препарата рекомбинантного Hsp70 уменьшает в 2 раза потерю дофамин (ДА) -ергических нейронов черной субстанции и устраняет симптомы моторной дисфункции в модели клинической стадии БП, созданной на основе локальных микроинъекций лактацистина в черную субстанцию. Полученные нами данные могут служить основанием для дальнейшей разработки методологии повышения устойчивости ДА-ергических нейронов и терапевтической стратегии замедления или остановки процесса нейродегенерации не только в отдельной области мозга, но и при более широком ее распространении в мозге, типичном для БП.

Гранты:National Science Foundation (NSF USA IBN- 9421921), 1995-1997; РФФИ, по коду «а» 1998-2000; 2001-2003; 2003-2005; 2005-2006; 2008-2010; 2011-2013; 2014-2015; 2014-2016, 2016-2018. Программы Президиума РАН «Фундаментальные науки – медицине» 2003, 2008-2014 и «Механизмы интеграции молекулярных систем при реализации физиологических функций», 2012-2014; Программа ОБН РАН, 2005 и 2006 (исп.); Программа СПб НЦ РАН, 2005, 2006,

Грант РНФ № 16-15-00278

Кандидатские диссертации, выполненные в лаборатории под руководством сотрудников лаборатории: Комарова Т.Г. «Холинергические и NMDA рецепторы преоптической области гипоталамуса в контроле состояний бодрствования-сна и терморегуляции у голубей» (рук. д.б.н. Пастухов Ю.Ф.), 2009; Худик К.А. «Сомногенные, терморегуляторные и противосудорожные эффекты белков теплового шока 70 кДа» (рук. д.б.н. Пастухов Ю.Ф.), 2009; Ницинская Л.Е. «Изучение противосудорожного действия белка теплового шока 70 кДа в моделях генерализованной эпилепсии у крыс», (рук. к.б.н. Екимова И.В.) 2011; Лапшина К.В. «Защитные эффекты белка теплового шока 70 кДа при депривации сна и эндотоксемии» (рук. к.б.н. Екимова И.В.), 2011.

Список сотрудников:

Екимова Ирина Васильевна, зав. лаб., канд.биол.наук, доцент

Пастухов Юрий Федотович, гл. науч. сотр., д-р. биол. наук, акад РАЕН

Чернышев Михаил Вячеславович, науч. сотр, канд.биол.наук

Лапшина Ксения Валерьевна, науч. сотр, канд.биол.наук

Чеснокова Анастасия Юрьевна, науч. сотр, канд.биол.наук

Сапач Олег Алексеевич, вед. инж

Белан Дарья Владимировна, мл. науч. сотр.

Курмазов Никита Сергеевич, ст. лаб.-исслед.

Пази Мария Борисовна, ст. лаб.-исслед.

Избранные публикации

Монографии и книги

Ковальзон В.М., Пастухов Ю.Ф., Мухаметов Л.М. Механизмы сна / Физиология человека и животных. - М.: ВИНИТИ. 1986. Т.31. С. 59-177.

Пастухов Ю.Ф., Максимов А.Л., Хаскин В.В. Адаптация к холоду и условиям Субарктики: проблемы термофизиологии. – Магадан: СВНЦ ДВО РАН. 2003. Т. 1. 373 с.

Пастухов Ю.Ф., Чернышев М.В., Екимова И.В., Худик К.А. Молекулярные шапероны – новые модуляторы тревожности и гомеостаза сна // Сон и тревожность / Под ред. Е.В. Вербицкого – Ростов-на-Дону: Южный научный центр РАН. 2008. С.235-268.

Гусев Е.И., Гехт А.Б., Попов Г.Р., Волкова Н.А., Пастухов Ю.Ф., Пронина Т.С., Чеснокова А.Ю., Екимова И.В. Болезнь Паркинсона. Клиника, диагностика и лечение // Нейродегенеративные заболевания: фундаментальные и прикладные аспекты / Под ред. М.В. Угрюмова - М.: «Наука». 2010. С. 52-86.

Пастухов Ю.Ф., Чеснокова А.Ю. Альфа-синуклеин в патогенезе болезни Паркинсона и других нейродегенеративных заболеваний // Нейродегенеративные заболевания: фундаментальные и прикладные аспекты / Под ред. М.В. Угрюмова - М.: «Наука». 2010. С. 189-200.

Пастухов, Ю.Ф., Екимова И.В., Чеснокова А.В. Молекулярные механизмы патогенеза болезни Паркинсона и перспективы превентивной терапии // «Нейродегенеративные заболевания: от генома до целостного организма» / Под ред. М.В. Угрюмова – М.: «Научный мир», 2014, т. 1, С. 291-330.

Статьи

Козловский С.В., Пастухов Ю.Ф. Влияние пептида гипобиоза рыб и бомбезина-14 на терморегуляционное поведение серебряного карася Carassius auratus gibelio // Ж. эволюц. биохим. физиол. 1995. Т. 31. С. 292-298

Седунова Е.В. Температурный гомеостаз и его регуляция в классе птиц // Ж. эволюц. биохим. физиол. 1996. Т.32. № 2. С.129-142. Pastukhov Yu.F. REM sleep as a criterion of temperature comfort and temperature homeostasis «well-being» in euthermic and hibernating mammals // Ann. N.-Y. Acad. Sci. 1997. V. 813. P. 71-73.

Rashotte M.E., Pastukhov Iu.F., Poliakov E.L., Henderson R.P. Vigilance states and body temperature during the circadian cycle in fed and fasted pigeons ( Columba Livia ) // Am. J. Physiol. 1998. V.275. (Regulatory Integrative Comp. Physiol. 44 ) P. R1690-R1702.

Пастухов Ю.Ф. Парадоксальный сон и температура мозга: взаимоотношения в сезонах эутермии и гипометаболизма у гибернирующих больших сусликов Citellus major // Ж. эволюц. биохим. физиол. 1999. Т. 35. С. 237-243.

Sedunova E.V. Heat thermosensitivity ot the brain and spinal cord in Greenfinches // J. Ornis Fennica. 1999. V. 76. P. 221-229.

Rashotte M.E., Sedunova E.V., Johnson F,. Pastukhov Iu. F. Influence of food and water availability on undirected singing and energetic status in adult male zebra finches (Taeniopygia guttata) // Physiol. Behav. 2001. V. 74. P. 533-541.

Екимова И.В., Пастухов Ю.Ф. Участие ГАМКергических механизмов вентролатеральной преоптической области гипоталамуса в регуляции состояний сна-бодрствования и температурного гомеостаза у голубей // Ж. эволюц. биохим. физиол. 2005. Т.41. С. 356-363.

Екимова И.В., Пастухов Ю.Ф., Комарова Т.Г., Ницинская Л.Е., Гужова И.В. Эффекты экзогенного белка теплового шока 70 кДа и кверцетина на NMDA- индуцированные судороги // Докл. Акад. наук. 2008. Т. 418. С. 705-708.

Пастухов Ю.Ф., Екимова И.В., Худик К.А., Гужова И.В. Белок 70кДа в контроле сна и терморегуляции // Ж. эвол. биохим. и физиол. 2008.T. 44. С. 65-71.

Лапшина К.В., Екимова И.В. Исследование защитных эффектов белка теплового шока 70 kDa в модели депривации сна у голубей Columba Livia // Ж. эвол. биохим. и физиол. 2010. Т. 46. С. 386-94.

Lapshina K.V., Ekimova I.V. Effects of sleep deprivation on measures of the febrile reaction and the recovery of somatovisceral functions and sleep in endotoxemia // Neuroscience and Behavioral Physiology. 2010. Vol. 40. № 4. P. 381-388.

Ekimova I.V., Nitsinskaya L.E., Romanova I.V., Pastukhov Y.F., Margulis B.A., Guzhova I.V. Exogenous protein Hsp70/Hsc70 can penetrate into brain structures and attenuate the severity of chemically-induced seizures // J. Neurochem. 2010. V 115. P. 1035-1044.

Пастухов Ю.Ф., Худик К.А., Екимова И.В. Шапероны в регуляции и восстановлении физиологических функций // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2010. Т. 96. С. 708-772.

Pastukhov Iu.F., Chesnokova A.Yu., Yakimchuk A.A., Ekimova I.V., Romanova I.V., Khudik K.A. Changes in sleep during degeneration of neurons in the substantia nigra induced by the proteasome inhibitor lactacystin // Neuroscience and Behavioral Physiology. 2012. Vol. 42. № 4. P. 392-400.

Pastukhov Iu.F., Ekimova I.V. The thermophysiology of paradoxical sleep // Neuroscience and Behavioral Physiology. 2012. Vol. 42. № 9. P. 933-947.

Пастухов Ю.Ф., Екимова И.В., Мешалкина Д.А., Гузеев М.А., Чернышев М.В., Лапшина К.В., Лукина Е.А., Лазарев В.Ф., Худик К.А., Гужова И.В. Изучение участия ко-шаперона Hdj1 в модуляции сна и поведения с использованием технологий микроРНК in vivo // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2012. Т. 98. № 12. С. 1530-1543.

Pastukhov Iu.F., Ekimova I.V., Guzhova I.V., Romanova I.V., Artyukhina Z.E. Chaperone Hsp70 content in dopaminergic neurons of the substantia nigra increases in proteasome dysfunction // Neuroscience and Behavioral Physiology. 2013. Vol. 43, № 3. P. 380-387.

Khudik K.A., Pastukhov Yu.F., Guzhova I.V. Effects of thermal preconditioning on convulsive activity in rats with an inherited form of epilepsy // Neuroscience and Behavioral Physiology. 2013. Vol. 43. № 6. Р. 736-742.

Пастухов Ю.Ф. Изменения характеристик парадоксального сна – ранний признак Болезни Паркинсона // Журн. Высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. 2013. Т. 63. № 1. С. 75-85.

Екимова И.В. Сомногенный эффект экзогенного белка теплового шока 70 кДа реализуется через ГАМК(А) рецепторы в преоптической области гипоталамуса. // Докл. Акад. Наук. 2013. Т. 449. № 6. С. 725-728.

Simonova V.V., Guzeev M.A., Ekimova I.V., Pastukhov Yu.F. The participation of chaperone Hsp70 in sleep modulation in rats // J. Sleep Res. 2014. Vol. 23. Suppl. 1. P. 250.

Екимова И.В., Пастухов Ю.Ф. Роль аденозиновых A2A рецепторов преоптической области в реализации сомногенного эффекта белка 70 кДа у голубей // Журн. Эвол. биохим. и физиол. 2014. Т. 50. № 8. С. 428-434.

Пастухов Ю.Ф., Плаксина Д.В., Лапшина К.В., Гужова И.В., Екимова И.В. Экзогенный белок Hsp70 останавливает процесс нейродегенерации в модели клинической стадии болезни Паркинсона у крыс // Докл. Акад. наук. 2014. Т. 457. № 1. С. 225-227.

Пастухов Ю.Ф., Симонова В.В., Гузеев М.А., Мешалкина Д.А., Гужова И.В., Екимова И.В. Шаперон Hsp70 вовлечён в молекулярные механизмы регуляции медленного сна // Докл. акад. наук. 2015. Т. 461. № 2. С. 228–231.

Екимова И.В., Плаксина Д.В., Гужова И.В., Мешалкина Д.А. Роль индуцибельного белка Hsp70 в развитии нейродегенеративной патологии нигростриатной системы, характерной для болезни Паркинсона // Журн. эвол. биохим. физиол. 2016. Т. 52. № 1. С. 73-75.

Екимова И.В., Плаксина Д.В. Влияние кверцетина на нейродегенеративные и компенсаторные процессы в нигростриатной системе в модели преклинической стадии болезни Паркинсона у крыс // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2016. Т. 102. № 6. С. 647-658.

Екимова И.В., Симонова В.В., Гузеев М.А., Лапшина К.В., Чернышев М.В., Пастухов Ю.Ф. Изменения характеристик сна в модели доклинической стадии болезни Паркинсона у крыс, созданной на основе ослабления активности убиквитин-протеасомной системы головного мозга // Журн. эвол. биохим. физиол. 2016. T. 52. № 6. С. 413-422.

Пастухов Ю.Ф. Медленноволновый сон и молекулярные шапероны // Журн. эвол. биохим. физиол. 2016. Т. 52. № 1. С. 79-90.

Лапшина К.В., Гузеев М.А., Екимова И.В. Влияние глюкозо-регулируемого белка Grp78 на характеристики сна и терморегуляции у крыс // Журн. эвол. биохим. и физиол. 2016. Т. 52. N 2. С. 161-167.

Ekimova I.V., Plaksina D.V., Guzhova I.V., Meshalkina D.A. Role of the inducible Hsp70 in modulation of neurodegenerative pathology of nigrostriatal system typical for the Parkinson’s disease // J. Evol. Biochem. and Physiol. 2016. Vol. 52. № 1. P 73-75.

Ekimova I.V., Simonova V.V., Guzeev M.A., Lapshina K.V., Chernyshev M.V., Pastukhov Y.F. Changes in sleep characteristics of rat preclinical model of Parkinson’s disease based on attenuation of the ubiquitin-proteasome system activity in the brain // J. Evol. Biochem. and Physiol. 2016. Vol. 52. № 6. P. 463-474.

Пастухов Ю.Ф., Симонова В.В., Гузеев М.А., Екимова И.В. Молекулярные механизмы нарушений сна на начальном этапе нейродегенерации, вызванной протеасомной дисфункцией // Acta Naturae. 2016. Спецвыпуск. T. 1. C. 52.

Екимова И.В., Плаксина Д.В., Лапшина К.В., Газизова А.Р., Пастухов Ю.Ф. Патологические и компенсаторные процессы в новой модели доклинической стадии болезни Паркинсона у крыс // Acta Naturae. 2016. Спецвыпуск. T. 1. C. 50.

Плаксина Д.В., Екимова И.В., Карпенко М.Н., Пастухов Ю.Ф. Оценка функционального состояния нигростриатной системы мозга в экспериментальной модели доклинической стадии болезни Паркинсона у крыс // Ж. эвол. биохим. и физиол. 2017. Т. 53. № 5. С. 386-388.

Plaksina D.V., Chernyshev M.V., Karpenko M.N., Gazizova A.R., Pazi M.B., Ekimova I.V. Experimental modeling of a preclinical Parkinson`s disease stage in rats by intranasal lactacystin administration // Neurodegener. Dis. 2017. Vol. 17 (suppl. 1). Р. 1655.

Пастухов Ю.Ф., Симонова В.В., Чернышев М.В., Гузеев М.А., Шемякова Т.С., Екимова И.В. Признаки нарушений сна и поведения, сигнализирующие о начальном этапе нейродегенерации в модели болезни Паркинсона // Ж. эвол. биохим. и физиол. 2017. Т. 53. № 5. С. 383-386.

Simonova VV, Guzeev MA, Shemyakova TS, Pastukhov YF. Sleep changes in the model of preclinical-stage Parkinson's disease in adult and aged rats // Sleep Medicine. Vol. 40 (suppl. 1). P. 308.

Симонова В.В., Чернышев М.В., Гузеев М.А., Пастухов Ю.Ф. Медленноволновый сон и уровень тревожности у крыс при хроническом недостатке шаперона Hsp70i в преоптической области гипоталамуса // Рос. физиол. журн. 2017.Т. 103. № 8. С. 884-889.

Карпенко М.Н., Муружева З.М., Пестерева Н.С., Екимова И.В. Инфекционная гипотеза болезни Паркинсона // Рос. физиол. журн. 2017. Т. 103. № 8. С. 841-853.

Abdurasulova I.N., Ekimova I.V., Matsulevich A.V., Gazizova A.R., Klimenko V.M., Pastukhov Y.F. Impairment of non-associative learning in a rat experimental model of preclinical stage of Parkinson's disease // Dokl. Biol. Sci. 2017. Vol. 476. № 1. P188-190.

Ekimova I.V., Plaksina D.V. Effects of quercetin on neurodegenerative and compensatory processes in the nigrostriatal system in a model of the preclinical stage of Parkinson’s disease in rats // Neuroscience and Behav. Physiol. 2017. Vol. 47. № 9. P. 1029-1036.