Болезнь Паркинсона (БП) - это прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, вызванное потерей дофаминергических нейронов среднего мозга. Механизм нейродегенерации связан с накоплением патологических белковых агрегатов, окислительным стрессом и митохондриальной дисфункцией, включая нарушение митофагии. Предполагается, что активация митофагии позволяет избежать гибели клеток и вернуть их к нормальному функционировании. Ранее мы продемонстрировали, что лактат и пируват способны восстанавливать функцию митохондрий, путем индуцирования митофагии через снижение внутриклеточного рН. Концентрация лактата в организме может резко увеличиваться во время физической активности, при этом мозг поглощает лактат пропорционально концентрации в артериальной крови. Исходя из этого, мы предположили, что физические упражнения могут косвенно индуцировать митофагию в нейронах среднего мозга. Помимо этого, увеличение концентрации углекислого газа (5-20%) во вдыхаемом воздухе, вызывает обратимое закисление клеток мозга. Следовательно, это может способствовать митофагии. Таким образом, мы предположили, что принудительное вдыхание газовоздушной смеси с высоким содержанием CO2 может активировать митофагию и способствовать выживанию нейронов.

В данной работе мы стремились проверить два экспериментальных терапевтических подхода: принудительную умеренную физическую активность и ингаляцию высокого содержания CO2 для лечения БП на модели грызунов, получавших модельный токсикант ротенон.

В экспериментах использовались 12-месяxные мыши линии CD-1. Ротенон, растворенный в оливковом масле, вводили внутрибрюшинно 5 раз в неделю в течение 6 недель в дозе 2 мг/кг массы тела. Лечение проводилось начиная с третьей недели токсического моделирования. Умеренная физическая активность заключалась в принудительном беге на беговой дорожке; для принудительной ингаляции животных помещали в закрытый стеклянный цилиндр, заполненный 20% атмосферой CO2 на 2 минуты. Симптомы развития БП оценивались в поведенческих тестах на нарушение локомоции и координации: «сужающаяся дорожка» и «цилиндр». Парафинизированные срезы мозга окрашивали по Нисслю.

Через 2 недели ротенон вызывал достоверные снижение двигательной активности и нарушение координации.

В наших экспериментах лечение умеренной физической нагрузкой не привело к значительным восстановительным изменениям в исследуемых нейроповеденческих параметрах.

Напротив, наша вторая терапевтическая процедура, состоящая в принудительной ингаляции высокого CO2, продемонстрировала многообещающие результаты. Мыши, подвергавшиеся воздействию 20% CO2 три раза в неделю, не проявляли признаков нарушения координации в тесте «сужающаяся дорожка» на протяжении 4 недель экспериментальной терапии с достоверным отличием от уровня до лечения на 2-й неделе. Кроме того, в тесте «цилиндр» мы наблюдали восстановление и даже повышение на 1-й неделе общей локомоторной активности, сниженной после введения ротенона. В совокупности эти тесты демонстрируют эффективность воздействие CO2 на сенсомоторную функцию. Также, на гистологических срезах мозга мышей не наблюдалось поражений нейронов черной субстанции, в отличие от контрольной группы, получавшей ротенон. Однако, анализ выживаемости не выявил отличий этой терапии в сравнении с группой без лечения.

Таким образом, мы провели первичную экспериментальную проверку предложенного нами, ранее не применявшегося терапевтического подхода. На токсической модели БП мы впервые продемонстрировали, что вдыхание высокого CO2, предположительно через транзиторное закисление мозга и, таким образом, инициирование митофагии, может устранять симптомы БП.

Работа поддержана грантом РНФ 22-24-01043.

Parkinson's disease (PD) is a progressive neurodegenerative disorder caused by the loss of midbrain dopaminergic neurons. The mechanism of neurodegeneration is associated with the accumulation of pathological protein aggregates, oxidative stress, and mitochondrial dysfunction, including impaired mitophagy. It is assumed that the activation of mitophagy avoids cell death and returns them to normal functioning. We have previously demonstrated that lactate and pyruvate are able to restore mitochondrial function by inducing mitophagy through a decrease in intracellular pH. The concentration of lactate in the body can increase dramatically during physical activity, while the brain absorbs lactate in proportion to the concentration in the arterial blood. Based on this, we hypothesized that physical exercise could induce mitophagy in midbrain neurons. In addition, an increase in the concentration of carbon dioxide (5-20%) in the inhaled air causes a reversible acidification of brain cells. Therefore, it may promote mitophagy. Thus, we hypothesized that forced inhalation of a CO2-rich gas-air mixture could activate mitophagy and promote neuronal survival.

In this study, we aimed to test two experimental therapeutic approaches: forced moderate physical activity and high CO2 inhalation for the treatment of PD in a rodent model treated with the model toxicant rotenone.

12-month-old CD-1 mice were used in the experiments. Rotenone dissolved in olive oil was administered intraperitoneally 5 times a week for 6 weeks at a dose of 2 mg/kg of body weight. Treatment was carried out starting from the third week of toxic modeling. Moderate physical activity consisted of forced running on a treadmill; for forced inhalation, the animals were placed in a closed glass cylinder filled with 20% CO2 for 2 minutes. PD-like symptoms were assessed in behavioral tests for impaired locomotion and coordination: "beam travel" and "cylinder" tests. Paraffinized brain sections were stained according to Nissl.

After 2 weeks, rotenone caused a significant decrease in motor activity and impaired coordination.

In our experiments, treatment with moderate exercise did not lead to significant restorative changes in the studied neurobehavioral parameters.

On the contrary, our second therapeutic procedure, consisting of high CO2 forced inhalation, has shown promising results. Mice exposed to 20% CO2 three times a week showed no signs of impaired coordination in the beam travel test during 4 weeks of experimental therapy, with a significant difference from pre-treatment levels at week 2. In addition, in the cylinde" test, we observed a recovery and even an increase in the 1st week of the total locomotor activity, which was reduced after the administration of rotenone. Taken together, these tests demonstrate the efficacy of CO2 on sensorimotor function. Also, on histological preparations of the mice brain, lesions of the substantia nigra neurons were not observed, in contrast to the control group that received rotenone. However, a survival analysis did not reveal any difference between this therapy and the no-treatment group.

Thus, we conducted a primary experimental verification of our proposed, previously unused therapeutic approach. In a toxic model of PD, we have demonstrated for the first time that inhalation of high CO2, presumably through transient acidification of the brain and thus initiation of mitophagy, can eliminate the symptoms of PD.

The work was supported by the Russian Science Foundation grant 22-24-01043.