Высокопроизводительный скрининг низкомолекулярных препаратов на возрастные нарушения сна с использованием Drosophila melanogaster

Сон, одно из основных форм поведения, необходимых для выживания человека, характеризуется двумя основными состояниями: сон с быстрыми движениями глаз (БДГ)^{и сон с} небыстрыми движениями глаз (NREM). Фазы быстрого сна включают в себя три стадии: N1 (переход между бодрствованием и сном), N2 (легкий сон) и N3 (глубокий сон, медленный сон), представляющие собой прогрессию от бодрствования к глубокому сну¹. Сон играет важнейшую роль как в физическом, так и в психическом здоровье². Тем не менее, старение снижает общую продолжительность сна, эффективность сна, процент медленного сна и процент быстрого сна у взрослых³. Пожилые люди, как правило, проводят больше времени в легком сне по сравнению с медленным сном, что делает их более чувствительными к ночным пробуждениям. По мере увеличения числа пробуждений среднее время сна уменьшается, что приводит к фрагментированному режиму сна у пожилых людей, что может быть связано с чрезмерным возбуждением нейронов Hcrt у мышей⁴. Кроме того, возрастное снижение циркадных механизмов способствует более раннему сдвигу продолжительности сна ^5,6. В сочетании с физическими заболеваниями, психологическим стрессом, факторами окружающей среды и приемом лекарств эти факторы делают пожилых людей более восприимчивыми к нарушениям сна, таким как бессонница, расстройство поведения во время быстрого сна, нарколепсия, периодические движения ног, синдром беспокойных ног и нарушение дыхания во сне ^7,8.

Эпидемиологические исследования показали, что нарушения сна тесно связаны с хроническими^{заболеваниями у пожилых} людей9, включая депрессию 10, сердечно-сосудистые заболевания¹¹ и деменцию¹². Борьба с нарушениями сна играет решающую роль в улучшении и лечении хронических заболеваний и повышении качества жизни пожилых людей. В настоящее время пациенты в основном полагаются на такие препараты, как бензодиазепины, небензодиазепины и агонисты рецепторов мелатонина для улучшения качества сна¹³. Тем не менее, бензодиазепины могут приводить к подавлению регуляции рецепторов и зависимости после длительного использования, вызывая тяжелые симптомы отмены при прекращении приема^14,15. Небензодиазепиновые препараты также несут риски, включая деменцию¹⁶, переломы¹⁷ и рак¹⁸. Широко используемый агонист рецепторов мелатонина, рамелтеон, уменьшает латентность сна, но не увеличивает продолжительность сна и вызывает проблемы, связанные с функцией печени, из-за обширной элиминации при первом прохождении¹⁹. Агомелатин, агонист рецепторов мелатонина и антагонист серотониновых рецепторов, улучшает бессонницу, связанную с депрессией, но также представляет риск повреждения печени²⁰. Следовательно, существует острая потребность в более безопасных препаратах для лечения или облегчения нарушений сна. Однако современные стратегии скрининга лекарственных средств, основанные на молекулярных и клеточных экспериментах в сочетании с автоматизированными системами и компьютерным анализом, являются дорогостоящими и трудоемкими. Структурно-ориентированные стратегии разработки лекарственных средств, основанные на структуре и свойствах рецепторов, требуют четкого понимания трехмерной структуры рецептора и не имеют прогностических возможностей для эффектов лекарств²².

В 2000 году, основываясь на критериях сна, предложенных Кэмпбеллом и Тоблером в 1984 году, исследователи создали простые животные модели для^{изучения сна}, включая Drosophila melanogaster, которая демонстрировала состояния, похожие на сон^25,26. Несмотря на анатомические различия между дрозофилой и человеком, многие нейрохимические компоненты и сигнальные пути, регулирующие сон у дрозофилы, сохраняются во сне млекопитающих, что облегчает изучение неврологических заболеваний человека ^27,28. Дрозофила также широко используется в исследованиях циркадных ритмов, несмотря на различия в основных осцилляторах у мух и млекопитающих 29,30,31. Таким образом, дрозофила служит ценным модельным организмом для изучения поведения во сне и проведения скрининга лекарств, связанных со сном.

В этом исследовании предлагается экономически эффективный и простой фенотипический подход к скринингу низкомолекулярных препаратов для лечения нарушений сна с использованием старых мух. Регуляция сна у дрозофилы является^{высококонсервативной}, и снижение сна, наблюдаемое с возрастом, может быть обратимым при приеме лекарств. Таким образом, этот метод скрининга, основанный на фенотипе сна, может интуитивно отражать эффективность препарата. Мы кормим мух смесью исследуемого препарата и корма, отслеживаем и записываем поведение во сне с помощью монитора активности дрозофилы (DAM)³² и анализируем полученные данные с помощью пакета данных SCAMP2020 с открытым исходным кодом в MATLAB (рис. 1). Статистический анализ выполняется с помощью программ для статистики и построения графиков (см. Таблицу материалов). В качестве примера мы демонстрируем эффективность этого протокола, представляя экспериментальные данные по резерпину, низкомолекулярному ингибитору везикулярного переносчика моноаминов, который, как сообщается, увеличивает сон³³. Этот протокол обеспечивает ценный подход к определению препаратов для лечения возрастных проблем со сном.