Статьи Неврология и нейрохирургия
|
|
|
|
Эксайтотоксичность в патогенезе заболеваний нервной системы
К эндогенным биологическим процессам, обусловливающим защиту ткани мозга, относят:•нейротрофику (способность поддерживать экспрессию ДНК, а именно протеинов всех типов)
•нейропротекцию (предупреждение повреждения нервных клеток)
•нейропластичность (восстановление функций после естественных повреждений и других нарушений, вызванных любыми агентами)
•нейрогенез (образование новых клеток, их миграция и дифференциация)
Все эти процессы взаимосвязаны и постоянно противостоят таким механизмам повреждения, как:
•эксайтотоксичность (наиболее выражена при церебральной ишемии)
•образование свободных радикалов
•метаболическая дисфункция
•воспаление
•апоптоз
•образование аномальных протеинов
•некоторые генетические заболевания
Помимо этого, на сегодня описано не менее 6 (шести) форм клеточной гибели под влиянием условий внешней и внутренней среды:
•некроз
•апоптоз
•аутохизис
•аноикис
•параптоз
•аутофагоцитоз
(апоптоз и некроз – наиболее изученные процессы, аноикис – апоптозоподобный процесс, индуцированный неадекватным взаимодействием клетки с внеклеточным матриксом).
Эксайтотоксичность (от англ. excitotoxicity – токсичность, развивающаяся при возбуждении) – пусковой механизм некротической и апоптотической нейрональной смерти при многих неврологических нарушениях, таких как инсульт, травма, глаукома, рассеянный склероз или нейродегенеративные заболевания.
Предполагается, что феномен эксайтотоксичности участвует в патогенезе острых и хронических нейродегенеративных расстройств.
Установлены, в частности, последовательные стадии развития как острой («классической»), так и «медленной» эксайтотоксичности. В частности, процесс «острой» эксайтотоксической нейродегенерации имеет место при церебральной ишемии, инсульте, острой черепно-мозговой травме. По механизму, так называемой, медленной («метаболической») эксайтотоксичности происходит развитие нейрогенративных заболеваний.
Центральную роль в процессах эксайтотоксичности занимают NMDA-рецепторы,
которые представляют собой тетрамерный комплекс, формируемый комбинацией двух субъединиц: NR1 и NR2.
Каждая из субъединиц NMDA-рецептора представлена рядом изоформ, возникающих в результате альтеранивного сплайсинга. Различные их комбинации формируют рецепторы, различающиеся по фармакологическому профилю, чувствительности к Mg2+ и свойствам каналов.
Ионный канал, образованный субъединицами, высоко проницаем для K+, Na+, Ca2+ и заблокирован ионом Mg2+ потенциалзависимым способом. Деполяризация постсинаптической мембраны (от -50 до -30 мВ), вызванная активацией других глутаматных ионотропных рецепторов, устраняет «магниевый блок» и приводит к открытию канала. Ионофор NMDA-рецепторов является участком связывания так называемых «канальных» блокаторов (фенциклидина, кетамина, мемантина, МК-801).
Наибольшую плотность NMDA-рецепторов отмечается в конечном мозге, прежде всего в гиппокампе, коре больших полушарий, миндалине и стриатуме. Следует отметить, что именно эти структуры прежде всего ответственны за память и обучение в традиционном понимании этих слов и ассоциированы с сенсорной функцией, осуществление которой требует повышенного ресурса синаптической пластичности. Представляет также интерес то, что указанные структуры обладают низким порогом эпилептизации и высокой степенью возбудимости.
NMDA-рецепторы опосредуют возбуждающее действие глутамата, однако, оно не распространяется на все виды активации нейрона. Они не участвуют в возникновении быстрого и кратковременного возбуждения, с которым связаны физиологические реакции (например, защитный рефлекс одергивания и др.). Быстрые возбуждающие постсинаптические потенциалы, характерные для подобных реакций, формируются при участии ионотропных не-NMDA-рецепторов. Роль же NMDA-рецепторов велика в патологии нейронов, их гиперактивации и эпилептизации, так как обеспечивают усиленную и длительную активацию нейронов.
В физиологических условиях NMDA-рецепторы активируются миллимолярными концентрациями глутамата, который присутствует в синаптической щели в течение нескольких миллисекунд. При патологической импульсации рецепторы активируются микромолярными концентрациями, но в течение значительно большего времени. В результате этого происходит увеличение концентрации Са2+ в клетках и накопление ионов К+ во внеклеточном пространстве. "Кальциевая перегрузка" нейронов и активация Са2+-зависимых процессов (повышение активности протеаз, киназ, эндонуклеаз, липооксигеназ, фосфолипазы А2 и др. ферментов) ведет к значительным изменениям в метаболизме и генетическом аппарате клетки, неконтролируемому действию свободных радикалов и может привести к необратимой клеточной гибели.
В настоящее время считается, что поступление ионов Са2+ внутрь клетки через каналы NMDA-рецепторов является ключевым событием в реализации токсических эффектов глутамата. Так, установлено, что эквивалентный подъем внутриклеточной концентрации Са2+, поступающего через потенциал-зависимые кальциевые каналы, приводит к меньшим нейрональным повреждениям. Насыщение нейронов ионами кальция служит триггером для мобилизации ионов из внутриклеточного депо, что также имеет значение в токсических эффектах глутамата. Повышение концентрации внеклеточного К+ рассматривается многими авторами как один из важнейших механизмов вовлечения нейронов в эпилептический процесс. Орошение срезов мозга средой, обогащенной ионами К+, как известно, является моделью эпилептогенеза in vitro. Так, в поле СА1 гиппокампа повышение К+ индуцирует спонтанные электрофизиологические судороги с тонической и клонической фазами, характерными для фокальной эпилепсии.
Дополнительным результатом активации NMDA-рецепторов является внутриклеточная продукция активных форм кислорода, прежде всего супероксид-аниона и гидроксид-радикала. При дефиците аргинина, субстрата нитроксидсинтазы, также может образовываться супероксид-анион. В условиях избыточного образования различных радикалов возможно взаимодействие вторичного мессенджера – оксида азота и супероксида с образованием пероксинитрита, обладающего исключительно высоким окислительным потенциалом.
В отличие от повреждающего эффекта избыточной и длительной активации экстрасинаптических NMDA-рецепторов их физиологическая стимуляция в синапсах способствует выживанию нейронов, активируя нейротрофические и нейропластические процессы (глутамат играет важную роль в процессах дифференцировки, миграции и жизнеспособности нейронов, в основном, через усиление входящего тока Ca++) , в то время как значительное снижение активности NMDA-рецепторов in vivo:
•приводит к распространенному апоптозу среди развивающихся клеток
•усугубляет текущие нейродегенеративные процессы
•блокирует ишемическое прекондиционирование, то есть снижает возможность выживания клеток в условиях ишемии
Существует несколько фундаментальных механизмов, участвующих в NMDA-зависимой клеточной смерти, например нарушение функции мембранного Na+/Ca2+-насоса, Ca2+-зависимой протеазы кальпаина, что приводит к развитию некроза. Кроме того, чрезмерное поступление Ca2+ в клетку вызывает дисфункцию митохондрий и апоптоз.
Патофизиологические механизмы, запускаемые глутаматом при воздействии на NMDA-рецепторы, во многом определяются интенсивностью, продолжительностью воздействия и расположением рецепторов, на которые действует глутамат.
Рассмотрим подробнее «острую» и «медленную» эксайтотоксичность на примере острой церебральной ишемии и нейродегенерации.
ОСТРАЯ ЦЕРЕБРАЛЬНАЯ ИШЕМИЯ
При остро возникшей недостаточности кровообращения какой-то определённой зоны мозга последний способен временно компенсировать локальную ишемию путём механизмов ауторегуляции и усиления коллатерального кровотока. Однако дальнейшее снижение мозгового кровотока ведёт к срыву ауторегуляции и развитию гипоксии и метаболических нарушений.
Нарастающая гипоксия ведёт к преобладанию анаэробного гликолиза более невыгодного энергетически. Из-за дефицита энергии в митохондриях угнетается окислительное фосфорилирование, происходит накопление молочной кислоты в клетке. Одновременно в мозговой ткани повышается содержание углекислоты и происходит смещение PH в кислую сторону. Возникает лактатацидоз. В итоге в очаге ишемии происходит снижение мозгового кровотока, тогда как в окружении его отмечается усиление кровотока в ущерб ишемической зоне – феномен «роскошной перфузии» (по Лассену).
Нарастающий в этих условиях дефицит энергии приводит к дальнейшему нарушению энергозависимых процессов. Переход на анаэробный гликолиз ведёт к увеличению неиспользованной в цикле Кребса альфа-кетоглутаровой кислоты в аминокислоту глутамат, обладающую также свойствами возбуждающего медиатора. Кроме того, нарастающий лактатацидоз блокирует обратный захват глутамата.
Таким образом, происходит накопление возбуждающего нейромедиатора в межклеточном пространстве, что ведёт к развитию «глутаматной эксайтотоксичности», т.е. возбуждению клеток глутаматом. Лактатацидоз в сочетании с нарастающей гипоксией вызывает расстройство электролитного баланса нервных и глиальных клеток: выход ионов К+ из клетки во внеклеточное пространство и перемещение ионов Na+ и Ca++ в клетку, что подавляет возбудимость нейронов и снижает их способность к проведению нервных импульсов.
Возбуждающие аминокислоты (глутамат, аспартат) воздействуют на нейронные рецепторы к N-метил – D-аспартату (NMDA – рецепторы), контролирующие кальциевые каналы. Перевозбуждение их приводит к «шоковому» раскрытию ионных кальциевых каналов и дополнительному избыточному притоку ионов Ca++ из межклеточного пространства в нейроны и накоплению его в них. Возбуждающие аминокислоты (глутамат, аспартат) воздействуют на нейронные рецепторы к N-метил – D-аспартату (NMDA – рецепторы), контролирующие кальциевые каналы. Перевозбуждение их приводит к «шоковому» раскрытию ионных кальциевых каналов и дополнительному избыточному притоку ионов Ca++ из межклеточного пространства в нейроны и накоплению его в них.
Норадреналин, выделение которого при гипоксии вначале резко возрастает, активирует аденилатцкилазную систему, стимулирующую образование АМФ, что вызывает увеличение энергетического дефицита и ведёт к увеличению ионов Ca++ в нервные клетки.
Избыточное внутриклеточное накопление ионов Ca++ ведёт к активации внутриклеточных ферментов: липазы, протеазы, эндонуклеазы, фосфолипазы и превалированию катаболических процессов в нервной клетке. Под влиянием фосфолипаз происходит распад фосфолипидных комплексов в мембранах митохондрий (фосфолипаза А2), внутриклеточных органелл (лизосом) и в наружной мембране. Распад их усиливает перекисное окисление липидов (ПОЛ). Конечными продуктами ПОЛ являются: малоновый диальдегид, ненасыщенные жирные кислоты (особенно арахидоновая) и свободные радикалы О2. Конечные продукты распада арахидоновой кислоты: тромбоксан А2 и др., гидроперекиси, лейкотриены. Тромбоксан А2 и др. вызывают спазм церебральных сосудов, усиливают агрегацию тромбоцитов и коагуляционные сдвиги гемостаза. Лейкотриены обладают вазоактивными свойствами.
Микроваскулярные нарушения приводят к нарастанию ишемии в ишемизированном участке. Свободный радикал О2 – это молекула или атом, имеющий неспаренный электрон на внешней орбите, что обусловливает его агрессивность превращать молекулы клеточной мембраны в свободные радикалы, т.е. обеспечивать самоподдерживающуюся лавинообразную реакцию.
Активации процессов ПОЛ способствует также быстрое истощение антиокислительной системы, ферменты которой ингибируют образование перекисей и свободных радикалов и обеспечивают их разрушение. Кроме того, в ишемическом очаге снижается содержание веществ: альфа-токоферола, аскорбиновой кислоты, восстановленного глутамата, которые связывают конечные продукты ПОЛ. Накопление гидроперикисей ведёт к образованию оксикислот и развитию оксидантного стресса.
Активированные нарастающей гипоксией клетки микроглии синтезируют потенциально нейротоксические факторы: провопалительные цитокины (интерлейкины 1,6,8), факторы некроза опухоли, лиганды для глутаматного NMDA-рецепторного комплекса, протеазы, супероксидный анион и др. Возбуждение NMDA-рецепторов приводит к активации фермента NO-синтетазы, участвующей в образовании окиси азота из аргинина. Комплекс окиси азота с супераксидным анионом способствует снижению выработки нейтрофинов. Нейтрофины – это регуляторные белки нервной ткани, синтезирующиеся в её клетках (нейронах и глии), действующие локально – в месте высвобождения и индуцирующие ветвление дентритов и рост аксонов. К ним относят: фактор роста нервов, церебральный фактор роста, нейтрофин-3 и др. Противовоспалительные факторы (интерлейкины 4,10) и нейтрофины препятствуют повреждающему действию на ультраструктуры нервных и глиальных клеток нейротоксических факторов – конечных продуктов ПОЛ. Разрушение фосфолипидного комплекса нервных клеток ведёт к выработке антител к ним. Выброс противовоспалительных и вазоактивных веществ из ишемизированной ткани мозга приводит к проникновению нейроспецифических белков в кровь, что влечёт к развитию аутоиммунной реакции и выработке антител к нервной ткани.
В условиях нарастающего энергодефицита происходит дальнейшее угнетение синтеза РНК, протеинов, фосфолипидов, а также нейротрансмиттеров. Угнетение синтеза нейротрансмиттеров нарушает связи между нейронами и углубляет метаболические нарушения в них. Снижение синтеза протеинов в ишемическом очаге приводит к экспрессии генов клеточной смерти и запускает генетически запрограммированный механизм гибели клеток – апоптоз, при котором клетка распадается на части в виде апоптозных тел, отделяющихся в мембранных пузырьках поглощаемых соседними клетками и/или макрофагами. В патологический процесс быстрее и в большей степени вовлекаются глиальные клетки, медленнее и менее значительно – нейроны головного мозга.
НЕЙРОДЕГЕНЕРАЦИЯ
В последнее десятилетие были получены убедительные доказательства вовлечения глутаматергической системы в нейродегенеративный патологический процесс, лежащий в основе деменции альцгеймеровского типа.
Была успешно разработана концепция глутаматопосредованной эксайтотоксичности и получены экспериментальные и нейропатологические данные, подтверждающие участие этого механизма в развитии нейродегенеративных заболеваний.
Нейродегенерация, происходящая по механизму так называемой медленной («метаболической») эксайтотоксичности, развивается при нормальном содержании кальция, но в условиях снижения энергетического состояния клетки, а роль пускового фактора в этом случае играет нарушение АТФ производящей функции митохондрий.
Следствием этого процесса является снижение активности АТФ-зависимых ферментов, и в частности, Na+/K+-АТФаз, которые выполняют функцию поддерживания мембранного потенциала клетки. Нарушение этой функции даже при нормальной концентрации и активности возбуждающих аминокислот влечёт за собой медленную деполяризацию клетки, что приводит к снятию магниевого блока у NMDA-рецепторов. Вслед за этим ионы кальция массированно проникают в нейроны, чем запускается каскад внутриклеточных нейродегенеративных реакций. Предположительно именно по такому механизму происходит гибель нейронов при болезни Альцгеймера и других медленно развивающихся нейродегенеративных процессах.
В последние годы получены дополнительные доказательства участия эксайтотоксичности в процессе нейронального повреждения. Хорошо известна гипотеза о ключевой роли в патогенезе такого нейродегенеративного заболевания как болезнь Альцгеймера нарушения амилоидогенеза, приводящего к продукции патологической формы амилоидного белка и его отложению в виде агрегированных скоплений амилоида β42.
Нейротоксические свойства агрегатов амилоида β42 реализуются через различные механизмы и, в частности, через:
•усиление эксайтотоксических свойств возбуждающих аминокислот – глутамата и аспартата
•нарушение гомеостаза ионов кальция
•усиление процессов перекисного окисления липидов
•индукцию апоптоза и энергетическое истощение клеток
Все эти процессы взаимосвязаны, но, по крайней мере, в первых двух (эксайтотоксичность и нарушение гомеостаза кальций) непосредственное участие принимает глутаматергическая система, а два других реализуются с участием последней.
Доказательствами вовлечения глутаматергической системы в этиопатогенез болезни Альцгеймера служат следующие факты: именно глутамат является наиболее широко распространенным быстрым нейротрансмиттером в церебральных структурах, обеспечивающих механизмы памяти и обучения в коре больших полушарий мозга и гиппокампе. Вместе с тем, при определенных условиях (о которых уже упоминалось) глутамат может проявлять эксайтотоксические свойства и непосредственно участвовать в остром или медленном (хроническом) процессе нейродегенерации.
Полученные в экспериментальных условиях данные подтверждают участие глутаматопосредованной эксайтотоксичности в нейрональной дегенерации альцгеймеровского типа: экспериментальное введение эксайтотоксинов (NMDA или хинолиновой кислоты) приводит к нейрохимическим изменениям и некоторым клиническим симптомам, характерным для болезни Альцгеймера.
Кроме того, доказано существенное снижение при болезни Альцгеймера численности глутаматных рецепторов в области гиппокампа – ключевой зоне развития нейродегенерации альцгеймеровского типа, причём уровень такого снижения достоверно коррелирует с тяжестью деменции.
Представленные выше данные позволяют считать глутамат, и в особенности NMDA-рецепторы, важными факторами, участвующими в патогенезе нейродегенеративных заболеваний и болезни Альцгеймера в частности.