Окислительный стресс и другие биохимические факторы, вызывающие патологию нервной системы

Видео: ВОДА - тайны исцеления!

Достижением фундаментальных нейробиологических наук является открытие единых механизмов повреждения нейрона при различных патологических состояниях – это эксайтотоксичность (от англ. excite – возбуждать) и окислительный стресс. В рамках теории эксайтотоксичности развиваются и аргументируются представления о том, что избыточное высвобождение возбуждающих нейротрансмиттеров (глутамата и аспартата) является ключевым звеном патогенеза многих заболеваний ЦНС, в том числе и перинатальных энцефалопатий и детского церебрального паралича, и обусловливает запуск биохимических реакций, ведущих к деструкции мембраны нервных клеток (Е.И.Гусев, 1992- D.W.Choi, 1988).

Особая опасность развития оксидантного стресса центральной нервной системе определяется значительной интенсивностью окислительного метаболизма в мозге. Мозг человека, составляющий 2% от общей массы тела, утилизирует 95% всего потребляемого О2. Интенсивность потребления О2 нейронами в десятки раз превышает таковую других клеток тканей (350-450 мкл О2 на 1 г ткани мозга в 1 мин при 70-90, 1,6-2,4 и 9-24 мкл О2 на 1 г ткани в 1 мин, соответственно, для сердца, скелетной мускулатуры и фагоцитирующих лейкоцитов).

При изучении повреждающих воздействий на ЦНС большое внимание уделяется липидному обмену. Это связано, прежде всего, с тем, что в нервной ткани, по сравнению с другими тканями, самое высокое содержание липидов, особенно фосфолипидов. Мозг содержит огромное количество липидов (50% сухого вещества), ненасыщенные связи которых являются субстратом для перекисного окисления липидов. Фосфолипиды составляют более половины всех липидов нервной ткани (Н.П.Таранова, 1988). Жирнокислотный состав фосфолипидов в значительной степени влияет на особенности строения и функционирования мембран: короткоцепочные насыщенные кислоты и полиненасыщенные жирные кислоты способствуют их лучшей проницаемости, а длинноцепочные насыщенные жирные кислоты обеспечивают плотность упаковки липидного бислоя. Альфалипопротеиды плазмы являются основной транспортной формой доставки полиненасыщенных жирных кислот в мозг. Основную часть фосфолипидов мозга составляют длинноцепочные полиненасыщенные жирные кислоты двух эссенциальных классов – омега-6 и омега-3 (W.E.Connor et al., 1990). Эти кислоты являются незаменимыми для млекопитающих, так как у последних в тканях отсутствуют дельта-12 и дельта-15-десатуразы, необходимые для синтеза линолевой и линоленовой кислот (W.K.Yamanaka et al., 1981). Они играют особую роль в фосфолипидах мембран, обусловливая многие свойства последних: являются структурными элементами мембран и определяют вариации мембранных свойств и функций, включая текучесть, проницаемость, поведение мембранно-связанных ферментов и рецепторов (M.A.Crawford, T.Frankel, 1975). Кроме того, кислоты этих классов играют важную роль в ряде биологических функций, так как они являются предшественниками многих биологически активных соединений, включая не только не только простагландины, но и гидрокситетраеновые кислоты, лейкотриены и липоксины.

Мозг наиболее богат полиненасыщенными жирными кислотами С22:6 и омега-3 (M.L.Gard et al., 1990- J.M.Naughton, 1981- D.A.Van Dorp, 1975). Установлено, что С22:6 и омега-3 являются важными компонентами синаптических мембран и фоторецепторов сетчатки (W.E.Connor et al., 1990). Показано, что эндотелиальные клетки ГЭБ могут захватывать эссенциальные кислоты из циркуляции, превращать их в формы, которые наиболее эффективно утилизируются нервной тканью (W.E.Connor et al., 1990). Липидные компоненты непосредственно включаются в структуры мозга, и их избыток или недостаток может приводить к нарушению его функционирования.

Кроме этого, ряд свободнорадикальных соединений участвует в процессах нейрорегуляции, в частности, NO. Дополнительным фактором риска развития окислительного стресса является большое количество аскорбата (в ткани мозга в 100 раз больше, чем в крови, в ликворе в 10 раз больше, чем в плазме), который при определенных концентрациях из антиоксиданта превращается в прооксидант и активирует неферментативные процессы перекисного окисления липидов.

Активность антиоксидантных систем в мозге – каталазы, глутатионпероксидазы – значительно ниже, чем в других тканях, что еще больше повышает риск развития окислительного стресса в центральной нервной системе. Нарушение в любом из комплексов митохондриальной дыхательной цепи может приводить к усиленной генерации радикалов О2 и развитию окислительного стресса в нервной ткани (И.А.Завалишин, М.Н.Захарова, 1996). Митохондриальные нарушения могут развиваться в результате мутаций митохондриальной ДНК токсического генеза (A.H.Shapira, J.M.Cooper, 1992- N.B.Hattori et al., 1991). Помимо дыхательной митохондриальной цепи, в норме образование свободнорадикальных интермедиатов О2 происходит в ЦНС при различных ферментативных реакциях, аутоокислении моноаминов, синтезе простагландинов, лейкотриенов. Большинство этих ферментативных реакций являются Са2+-зависимыми, поэтому любое увеличение содержания внутриклеточного Са2+ может приводить к усилению образования интермедиатов О2. В ЦНС основным пусковым механизмом оксидантного стресса является возбуждение Glu-рецепторов, при этом ионотропные рецепторы регистрируют поступление внеклеточного Са в клетку, а метаботропные стимулируют высвобождение внутриклеточного Са из клеточного депо. К известным Са-зависимым процессам относятся образование арахидоновой кислоты под действием фосфолипазы А, окисление ксантина с участием ксантиноксидазы, синтез NO при активации NO-синтазы.

Состояние оксидантного стресса в ЦНС может быть вызвано не только активацией окислительных процессов, но и угнетением или дефектностью антиоксидантной системы защиты. При этом могут быть заинтересованы как ферментные, так и неферментные антиоксиданты. Кроме самих интермедиатов О2, усиливать эксайтотоксический эффект могут другие метаболиты: например, биоактивный липид-медиатор, участвующий в сигнальной трансдукции нервных клеток (N.G.Bazan, 1993), – фактор активации тромбоцитов (ФАТ) стимулирует высвобождение Glu из пресинаптических окончаний, арахидоновая кислота тормозит обратный захват Glu астроглией (И.А.Завалишин, М.Н.Захарова, 1996), а также ионный дисбаланс в нервной ткани (C.W.Olanow, 1993). Получены данные, свидетельствующие о связи эксайтотоксического повреждения нейронов со свободными радикалами и ФАТ. В патологии нервной системы процессам ПОЛ (перекисного окисления липидов) отводится определенная роль, особенно при таких заболеваниях, как ишемический инсульт, рассеянный склероз, боковой амиотрофический склероз, гипоксическая энцефалопатия и др. (И.А.Завалишин, М.Н.Захарова, 1996- Л.Л.Прилипко, 1982- Л.И.Рейхерт, 1990- Н.П.Таранова, Н.С.Неелова, 1986- S.C.Vasdev et al., 1989). Имеются данные о влиянии уровня ПОЛ на тяжесть эпилептических приступов у детей (А.М.Коровин и др., 1991), роль ПОЛ отмечена в патогенезе синдрома Туретта и деформирующей мышечной дистонии (Е.С.Бондаренко и др., 1993).

Р.Х.Шариповым (1994) изучено состояние липидной пероксидации в эритроцитах у 66 недоношенных детей с перинатальными повреждениями ЦНС. Их них 12 детей были условно здоровыми, а остальные 54 – с перинатальными повреждениями ЦНС. Состояние липидной пероксидации в эритроцитах оценивали по следующим показателям: степени гемолиза эритроцитов до (механический гемолиз) и после инкубации в физиологических условиях in vitro (перекисный гемолиз), содержанию малонового альдегида (МА), коэффициенту МА/перекисный гемолиз, интенсивности деградации МА, соотношению деградации МА/содержание МА, антиокислительной активности. У одной части недоношенных с перинатальными повреждениями ЦНС, по сравнению с данными условно здоровых недоношенных, были снижены обменные процессы в мембранах: перекисный гемолиз, процент прироста гемолиза, соотношение деградации МА/содержание МА и повышены концентрация МА и соотношение МА/перекисный гемолиз. У другой части детей были повышены механический гемолиз и концентрация МА, снижены процент прироста гемолиза и соотношение деградации МА/содержание МА, что свидетельствует о разбалансировке показателей ПОЛ.

Изучение транспорта серосодержащих аминокислот, необходимых для синтеза глутатиона – одного из основных компонентов антиоксидантной системы, показало, что сам глутатион и его аналоги способны связывать транспортные белки и нарушать поступление цистеина в клетку. Ингибирование синтеза глутатиона является одной из причин оксидантного стресса с последующим апоптозом клеток. Этот механизм повреждения является следствием эксайтотоксического действия Glu и имеет значение при острой и хронической патологии ЦНС (И.А.Завалишин, М.Н.Захарова, 1996).

В настоящее время накоплено большое количество данных, свидетельствующих о токсическом влиянии на нервную ткань избытка нейротрансмиттеров, в том числе катехоламинов, высвобождающихся из нейронов в эктрацеллюлярное пространство при различных патологических состояниях. Принимая во внимание нейрохимические, электрофизиологические и другими путями полученные данные, свидетельствующие о том, что норадренергические системы оказывают дезингибирующее (растормаживающее) влияние на ткань ЦНС путем торможения тормозных ГАМК-интернейронов в различных церебральных структурах (А.С.Батуев, О.П.Таиров, 1978- E.Roberts, 1974), облегчающее влияние на спинальные мотонейроны, а также на связь норадреналина с возбуждающими аминокислотами на рецепторном уровне, есть основания предполагать участие катехоламинов, в частности, норадреналина, в эксайтотоксических механизмах гибели двигательных нейронов (В.П.Бархатова и др., 1996). Возбуждающие нейротрансмиттеры могут приводить к гибели нервной ткани путем избыточной активации возбуждающих рецепторов на дендросомальной поверхности нейронов (J.W.Olney, 1988).

По одной из гипотез патогенеза БАС, дефицит L-аргинина является ведущим звеном в цепи метаболических расстройств, приводящих к гибели мотонейрона (И.А.Завалишин, 1996). При этом особая роль отводится свободнорадикальному соединению окиси азота – NO, синтез которой из L-аргинина происходит под действием NO-синтазы. Последняя активируется Са2+-зависимым кальмодулином при возбуждении NMDA-рецепторов Glu. NO является представителем нового класса нейромодуляторов, и значение ее неоднозначно. Будучи сигнальной молекулой, NO участвует в процессах памяти, мышления. Защитная роль NO проявляется при формировании нитрозониума иона NO+, который связывает регуляторный NMDA-рецептор, тем самым, уменьшая его возбудимость и эксайтотоксические явления, – на этом основано лечебное действие нитропрепаратов (J.M.Langrehz et al., 1993). С другой стороны, NO, будучи свободнорадикальным соединением, цитотоксична и инициирует ряд радикальных цепных реакций. Более того, комплекс NO с супероксид-анионом О-2 – пероксинитрит ONOO- – способен блокировать тирозинкиназу, входящую в активный центр нейротрофических факторов (W.M.Kavanaugh, L.T.Williams, 1994). Этот механизм повреждения может иметь значение при нейродегенеративных заболеваниях, таких как БАС, болезнь Альцгеймера (И.А.Завалишин, М.Н.Захарова, 1996). Нельзя исключить его и при детском церебральном параличе – нозологии, частично развивающейся по законам нейродегенераций.

В настоящее время большинство исследователей высказывают мнение о включении феномена эксайтотоксичности в патогенез поражения мозга при ишемии, церебральных дегенерациях, а также, возможно, в патогенез вирусных и прионовых энцефалитов (Z.H.Qin, Y.Wang, T.N. Chase, 1996). При вирусных энцефалитах возможна и прямая индукция апоптоза вирусными протеинами (K.Miller, 1992). Молекулярные механизмы при этих заболеваниях пока недостаточно изучены. Предполагается, что нейроны под воздействием вирусных белков вырабатывают факторы, активирующие NMDA-рецепторы (G.Savio, 1993- H.Ushijima, 1993)- таким образом, эксайтотоксичность в этом случае реализуется опосредованно.

Одним из начальных звеньев в цепи биохимических нарушений является дестабилизация клеточных мембран и встроенных в них рецепторов. На моделях экспериментальной церебральной ишемии показана важная роль глутаматных NMDA-рецепторов во включении нейрохимических механизмов острого нарушения мозгового кровообращения (H.B.Verheul, 1994).

Показано, что эксайтоаминокислоты глутамат и аспартат (Glu и Asp), основные возбуждающие аминокислоты пирамидного тракта и интернейронов, в определенных условиях могут становиться эксайтотоксинами. В зависимости от уровня Glu и Asp в синаптической щели, эксайтотоксичность может вызывать острую гибель нейрона по типу некроза (ишемия, гипогликемия, травма) или медленно прогрессирующую дегенерацию постсинаптического нейрона (болезни Альцгеймера и Паркинсона, хорея Гентингтона, возможно, БАС, ДЦП) по типу апоптоза. Если при острой патологии ЦНС ведущим фактором в развитии “глутаматного каскада” является выход избыточного количества Glu из поврежденных нейронов, то при нейродегенеративных заболеваниях отмечается блок активного захвата нейротрансмиттера, нарушение его утилизации в астроглии или синтез эндогенных эксайтотоксинов – агонистов глутамата, способных вызывать перевозбуждение Glu-рецепторов постсинаптических мембран (M.P.Mattson, R.E.Rudev, 1993- D.Sauer, G.E.Fagg, 1992- M.P.Heyes, A.Lackner, 1991).

Glu осуществляет свое возбуждающее действие, по крайней мере, через три типа рецепторов, описываемых как каинатные, квисквалатные и NMDA по типу миметического действия возбуждающих рецепторы агонистов (J.C.Watkins, H.J.Olverman, 1987). К настоящему времени NMDA-рецептор хорошо исследован (M.L.Mayer, G.L.Westbrook, 1987). NMDA-рецепторы вовлекаются в механизмы формирования следов памяти, по-видимому, участвуя в процессах длительной постсинаптической потенциации синапсов (E.W.Harris et al., 1984). Длительная потенциация приводит к таким нейрохимическим и функциональным изменениям нервных клеток, что после краткой интенсивной стимуляции проводящих путей увеличенные синаптические потенциалы могут сохраняться длительное время (недели, месяцы) без поддерживающей активации синаптической передачи (G.Lynch, M.Baudry, 1984). MNDA-рецепторы участвуют в процессе созревания и развития нервных клеток (I.A.Pearce et al., 1987). Эксайтотоксическое повреждение может развиваться и при отсутствии повышения содержания Glu и Asp в синаптической щели в случае нарушения метаболизма нейрона, изменения функционального состояния Glu-рецепторов, энергетического дефицита. Существование множественных изоформ NMDA-рецепторов в различных областях ЦНС, а также наличие нескольких активных и модулярных мест связывания рецепторного комплекса могут объяснять избирательность поражения популяций нейронов при нейродегенеративных заболеваниях и медленных инфекциях, хотя механизм повреждения единый – эксайтотоксичность.

Получены данные о диагностической и прогностической значимости высоких титров аутоантител к глутаматным рецепторам при эпилепсии (S.A.Dambinova et al., 1994). В исследованиях Е.И.Гусева и соавт. (1996) установлена связь между существенным повышением титров аутоантител к NMDA-рецепторам в сыворотке крови и тяжестью состояния больного в первые часы развития острой ишемии. Снижение его на протяжении первых суток было сопоставимо с благоприятным прогнозом течения острой ишемической болезни в ближайшие 2-3 нед. В случаях летального исхода отмечено опережение резкого снижения титров аутоантител к NMDA-рецепторам. А.А.Скоромец и соавт. (1997) выявили закономерные различия значений титров аутоантител к NMDA-рецепторам у больных в остром периоде острого нарушения мозгового кровообращения по типу геморрагии и по типу ишемии. Возможно прогностическое значение этого параметра и при перинатальных церебральных ишемиях, в том числе и при последующем формировании детского церебрального паралича.

По данным P.Ascher, L.Nowak (1986), NMDA-рецептор связан с кальциевым каналом, и его возбуждение повышает проницаемость клеточной мембраны для ионов кальция. Основой эксайтотоксичности является нарушение проницаемости ионотрофных рецепторов, регулирующих содержание Ka, Na, Cl и Ca во вне- и внутриклеточном пространстве, в результате воздействия возбуждающих нейротрансмиттеров – аминокислот Glu и Asp. Результатом активации ионотрофных рецепторов (наиболее часто – рецепторов к N-метил-D-аспартату, NMDA-рецепторов) приводит к усилению поступления внеклеточного Ca2+ в клетку и его высвобождение из внутриклеточных депо, что активирует все Ca2+-зависимые ферментные системы в клетке (протеиназу C, калпаин 1, ксантиноксидазу, фосфолипазу, NO-синтазу, эндонуклеазы). Низкий уровень Ca2+-депонирующих белков в нейронах способствует нарастанию концентрации внутриклеточного Ca2+ и развитию патологических реакций, приводящих к гибели клетки (Y.Hatanaka et al., 1996- N.V.Jonston, 1994- J.W.Olney, 1994- D.D.Schoepp, A.I.Sacaan, 1994).

Активность Ca2+-зависимых ферментных систем приводит к усилению образования АМК (активных метаболитов кислорода) и развитию окислительного стресса (N.Sanfeliu, 1990- A.Tapia, 1992- C.M.Waters, 1996). Помимо эксайтотоксической активации, усиленному образованию АМК способствуют нарушение митохондриального окисления, ионный дисбаланс в нервной ткани, нарушения антиоксидантной системы. Возможная кумуляция со временем АМК и постепенное развитие их повреждающего развитие имеют особое значение для нейродегенеративных заболеваний (И.А.Завалишин, М.Н.Захарова, 1998).

Важной особенностью функционирования глутаматокальциевого каскада является формирование множественных кольцевых связей. Так, развитие оксидантного стресса, продукция метаболитов кислорода и вторичных продуктов перекисного окисления липидов поддерживают и усиливают эксайтотоксичность. Глутаматная эксайтотоксичность поддерживается и активируется микроглией, которая в условиях острой ишемии начинает усиленно синтезировать лиганды для глутаматных рецепторов, прямые цитокины (протеазы, лизоцимы, супероксидный анион), цитокины, окись азота, тем самым, принимая участие в механизмах клеточной смерти (Е.И.Гусев и др., 1996). Поэтому эксайтотоксичность и окислительный стресс являются взаимосвязанными процессами.

Свободнорадикальные соединения способствуют блоку обратного захвата Glu, инактивации Glu-переносчиков. Астроглиальный белок – переносчик CLT-1 наиболее чувствителен к действию пероксида водорода (H2O2), гидроксильного радикала (OH+) и пероксинитрита (ONOO), образующегося в результате взаимодействия супероксидного радикала аниона (O2*) и окиси азота (NO*). Пероксинитриту отводится основная роль в блоке тирозинкиназы, входящей в активный центр рецепторов к нейротрофическим факторам, что было показано in vitro и на животных (И.А.Завалишин, М.Н.Захарова, 1998).

Основным результатом эксайтотоксичности и окислительного стресса являются нарушение фосфорилирования белков и блок SH-групп с последующей их инактивацией, гидроксилирование оснований ДНК, ее фрагментация, а также развитие перекисного окисления липидов и дестабилизация клеточных мембран. С изменением фосфорилирования цитоскелетных белков связывают нарушения аксонального транспорта, особенно медленного антеградного и быстрого ретроградного (И.А.Завалишин, М.Н.Захарова, 1998).

По гипотезе M.Beal с соавт. (1993), в основе медленной эксайтотоксическай гибели нейронов при дегенеративных заболеваниях нервной системы лежит дефект энергетического метаболизма в митохондриях. Отсроченное начало и медленное прогрессирование нейродегенеративных заболеваний авторы объясняют тем, что генетически обусловленный дефект энергетического метаболизма начинает проявлять свое повреждающее действие только после присоединения эффектов нормального старения, заключающихся в прогрессирующем снижении с возрастом активности ферментов, участвующих в митохондриальном транспорте электронов, а также в нарастании процессов окислительного повреждения митохондриальной ДНК. Селективное повреждение определенных нейронных популяций, в свою очередь, может быть связано с рядом факторов – тканевой специфичностью изоэнзимных форм комплексов дыхательной цепи, различной метаболической активностью нейрональных систем, степенью притока возбуждающих нейротрансмиттеров, количеством и типом их рецепторов, гомеостазом кальция и уровнем антигипоксантов.

Знание механизмов повреждения ЦНС, в частности, путей формирования окислительного стресса, позволяет разрабатывать новые фармакотерапевтические подходы к лечению неврологических заболеваний. К таким препаратам относятся (G.Bensimon et al., 1994- A.A.Boldyrev et al., 1994- D.W.Choi, 1995- R.D.Issels et al., 1988- S.A.Lipton, P.A.Rosenberg, 1994):

1) антиоксиданты и их предшественники (супероксиддисмутаза, карнозин, ацилцистеин, эмоксипин, альфа-токоферол)-

2) ингибиторы ферментов (аллопуринол – ингибитор ксантиноксидазы, депренил – ингибитор МАО-В, нитро-L-аргинин – блокатор NO-синтазы)-

3) хелатные соединения для связывания ионов металлов (купренил)-

4) антагонисты Glu и различных участков Glu-рецепторов (рилузол)-

5) антагонисты ионов Са и блокатора Са-каналов (нимопидин)-

6) ростковые факторы (трансформирующий ростковый фактор – transforming growth factor, фактор роста нервов (ФРН) – nervev growth factor (NGF), цилиарный трофический фактор – ciliary nerve trophic factor (CNTF).

Однако все перечисленные препараты имеют ограниченный спектр действия, в связи с чем поиск эффективных антиоксидантов, проникающих через ГЭБ, является актуальной проблемой лечения оксидантного стресса при патологии ЦНС (И.А.Завалишин, М.Н.Захарова, 1996).

Установлено (B.P.Yu, 1995), что физиологически значимым антиоксидантом является мелатонин. Полагают (B.P.Yu, 1995), что модуляторами его функций являются свободные радикалы, т.е. речь идет о полезной биологической роли свободных радикалов, которая в течение многих лет практически исключалась. Влияние свободных радикалов на гормональные процессы расширяет их физиологические значение. Это подтверждается тем, что некоторые перекисные соединения азота являются вторичными мессенджерами, участвующими в различных клеточных функциях.<< ПредыдушаяСледующая >>
Внимание, только СЕГОДНЯ!