Нажмите "Enter", чтобы перейти к контенту

Получение NO Болезнь Альцгеймера: нейропротекция против нейротоксичности, опосредованной оксидом азота

Getting to NO Alzheimer's Disease: Neuroprotection versus Neurotoxicity Mediated by Nitric Oxide
Источник: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4677236/

Академический редактор: Хавьер Эгея

Болезнь Альцгеймера (AD) является нейродегенеративным расстройством, связанным с потерей нейронов в мозге, что приводит к прогрессирующей потере памяти и поведенческим изменениям. На сегодняшний день существуют только ограниченные лекарственные средства для лечения АД и отсутствие известного лечения. Оксид азота (NO) уже давно считается частью нейротоксического оскорбления, вызванного нейровоспалением в мозге Альцгеймера. Однако, сосредоточение внимания на ранних событиях, до появления когнитивных симптомов, меняет это восприятие. Это выявило компенсаторную, нейропротективную роль NO, которая защищает синапсы за счет увеличения возбудимости нейронов. Потенциальным механизмом усиления возбудимости NO является модуляция активности калиевого канала с напряжением (Kv7 и Kv2). Идентификация ионных механизмов и сигнальных путей, которые опосредуют эту защиту, является важным следующим шагом в этой области. Использование защитной роли НЕТ и связанных сигнальных путей могло бы обеспечить терапевтический путь, который предотвращает потерю синапса в начале болезни.

Деменция — это форма нейродегенеративного расстройства, обычно характеризующаяся специфической по болезни потерей синапсов и нейронов, что приводит к ухудшению памяти, снижению познавательной способности и, в конечном счете, к смерти [1]. Болезнь Альцгеймера (AD) является наиболее распространенной формой деменции, которая, по оценкам, затронет 36 миллионов человек во всем мире, причем это число прогнозируется в три раза к 2050 году [2]. Как ведущая причина инвалидности и необходимость ухода за пожилыми людьми, глобальные экономические издержки, связанные с АД, в 2010 году оценивались в 604 млрд. Долл. США [3]. В настоящее время не существует известного лекарственного средства для лечения АД, при этом доступные препараты эффективны только в умеренных и умеренных случаях и ограничиваются лечением симптомов, а не основной причиной заболевания [4]. По мере того, как население мира стареет, AD скоро достигнет масштабов эпидемии; таким образом, возрастает потребность в жизнеспособных вариантах лечения или лечении.

Для большинства случаев AD, известных как спорадический или поздний AD, точная этиология в настоящее время неизвестна; однако комбинация преклонного возраста и наследование ε4 аллеля гена аполипопротеина E могут выступать в качестве значимых факторов риска [5]. В редкой и унаследованной форме AD, известной как семейный или ранний AD, было идентифицировано несколько генетических мутаций. Наиболее распространенные семейные мутации AD происходят либо в генах пресенилин-1, либо в пресенилин-2 (PSEN1, PSEN2), причем дублирование и мутации в белке предшественника амилоида (кодируется APP) также связаны с заболеванием [6, 7]. Средний возраст начала спорадических пациентов с АД составляет от 65 до 80 лет, в то время как у семейных пациентов наблюдается резко сокращенный возраст начала, иногда уже в середине 20-х годов.

Основными невропатологическими признаками AD являются накопление и агрегация двух белков: β-амилоид (Aβ), в виде внеклеточных бляшек и гиперфосфорилированный тау, как внутриклеточные нейрофибриллярные клубочки [1, 8]. Патогенный сдвиг в обработке APP двумя ферментными комплексами, β-секретазой и γ-секретазой (из которых пресенилины являются каталитическими субъединицами) приводит к получению Aβ-пептидов [7]. Они могут образовывать агрегаты, которые нарушают клеточную сигнализацию, вызывают воспалительные иммунные реакции и вызывают окислительный стресс [9]. Когда tau, связанный с микротрубочками белок, становится гиперфосфорилированным, он теряет способность стабилизировать нейрональные микротрубочки и аномально накапливается в аксонах, дендритах и ​​клеточных телах [10]. Это нарушает жизненно важные транспортные системы в нейроне и может инициировать активацию сигнальных путей, приводящих к гибели нейронов [11]. Основная проблема в этой области заключается в том, что модели, используемые для изучения AD, обеспечивают лишь ограниченное представление об этом сложном заболевании. Различия между моделями грызунов AD и состоянием человека в сочетании с отсутствием четкого понимания прогрессирования болезни способствовали ограничению лекарств в клинике AD.

AD является сложным и многофакторным расстройством, которое затрудняет изучение патогенеза болезни. Изучение снимков AD через окно посмертной ткани привело к сложной и порой неинтерпретируемой массе данных. Ключом к пониманию болезни должно быть участие в продольных исследованиях. Центральным в этом направлении была разработка агентов, которые могли бы точно изобразить прогрессирование заболевания, посредством анализа биомаркеров. Новые данные из долгосрочных исследований показывают, что патогенез болезни начинается за десятилетия до когнитивного спада [12, 13]. Окислительный и нитрозативный стресс, результат повышенного уровня реактивного кислорода и азота, соответственно, были зарегистрированы в мозге AD до накопления Aβ и фосфорилированного тау [14, 15]. Производство реакционноспособных видов кислорода и азота усугубляется и может индуцировать образование Aβ и фосфорилированного тау [9]. Кроме того, сообщалось, что нарушения сигнальной функции нейронального кальция, митохондриальной дисфункции и воспаления, вызванные активацией микроглии, способствуют развитию патогенеза AD [16, 17]. В совокупности эти патогенные механизмы приводят к синаптическим потерям и гибели нейронов, особенно для холинергических нейронов, обнаруженных в областях мозга, ответственных за память и язык [18]. В конечном счете, болезнь распространяется по всему мозгу, что способствует снижению познавательной способности и в конечном итоге приводит к смерти.

Комплексный патогенез AD в сочетании с недоступной природой человеческой мозговой ткани препятствует идентификации и развитию перспективных фармацевтических препаратов. В течение периода с 1998 по 2011 год, по оценкам, более 100 потенциальных соединений, нацеленных на лечение AD, потерпели неудачу в клинике, оставив лишь несколько одобренных терапевтических средств, направленных на когнитивные симптомы, но не само заболевание [19]. Основными фармацевтическими препаратами, которые в настоящее время доступны пациентам с АД, являются ингибиторы холинэстеразы (Донепезил, Ривастигмин и Галантамин) и антагонисты NMDA-рецепторов (Memantine). Было показано, что эти препараты уменьшают потерю памяти и медленное прогрессирование заболевания у некоторых пациентов на 6-12 месяцев [20]. С развитием средств визуализации, которые могут измерять осаждение амилоида, наряду с улучшением знаний о генетических факторах риска, возможности для выявления ранних событий в патогенезе болезни становятся реальностью. В настоящее время крайне важно, чтобы в исследованиях продольных исследований были проведены исследования генетических вкладов в процессы болезни у пациентов. Рассматривая развитие эффективных лекарств для AD, нам необходимо определить ранние события, которые могут обеспечить защиту нейронов и синапсов. Недавние результаты показывают, что одной сигнальной молекулой, которая требует дальнейшего исследования, является оксид азота.

В качестве газотрансформатора, который свободно диффундирует через мембраны, оксид азота (NO) создает мощную сигнальную молекулу с далеко идущими клеточными последствиями, которые могут быть как защитными, так и неадаптивными. Множественные физиологические эффекты NO как сосудорасширяющего средства, воспалительного медиатора и нейромодулятора позволяют скоординированно воздействовать на функцию мозга. NO синтезируется тремя различными генами: NOS1, NOS2 и NOS3, которые кодируют нейронные, индуцируемые и эндотелиальные NO-синтазы (nNOS, iNOS и eNOS), соответственно. Как nNOS, так и eNOS конститутивно экспрессируются, их активация зависит от Ca2 + / кальмодулина, в то время как экспрессия iNOS индуцируется в воспалительных клетках и не зависит от Ca2 + / кальмодулина. Каждый из этих типов клеток (нейроны, эндотелиальные клетки и воспалительные клетки) изменяется в мозге Альцгеймера. В цереброваскулатуре имеются дефициты, характеризующиеся расщеплением гематоэнцефалического барьера, а также повышенная воспалительная сигнализация и изменения в нейронной сигнализации, все ключевые компоненты AD [21]. Предполагается, что каждая из трех изоформ NOS играет роль в развитии или профилактике AD, что приводит к, казалось бы, противоречивому сообщению о роли NO в AD и является ли NO нейропротекторным или нейротоксичным.

Сигнальные пути NO сходятся на трех основных клеточных эффектах, все из которых были идентифицированы, чтобы играть роль в AD: сигнализация через растворимую гуанилатциклазу и циклический путь гуанозинмонофосфата (cGMP) [22]; прямой S-нитрозилирование остатков белкового цистеина (добавление нитрозилиона NO- для получения нитрозотиола, RS-N = O) (рассмотрено в [23]); и нитрование тирозина белков (добавление диоксида азота NO2 для получения 3-нитротирозина) [24]. Отклонение сигнализации NO по отношению к одному из этих путей над другим зависит от локального клеточного микроокружения, включая уровни комплексов переходных металлов и окислительно-восстановительного статуса [25]. Кроме того, при высоких концентрациях NO реагирует с супероксидным анионом, который образуется как побочный продукт дыхания, для получения пероксинитрита (ONOO-), высокореактивного окислителя и цитотоксических видов [26]. Таким образом, производство пероксинитрита связывает высокие уровни высвобождения NO с окислительным стрессом. Многочисленные эффекты NO в многоклеточной среде мозга осложнили анализ NO в этиологии AD. Предыдущие исследования в моделях послематочной ткани и животных дали комплексное представление об изменениях экспрессии NOS и сигнализации NO в AD (таблица 1).

Синтез этих данных для оценки значимой роли активности NO и NOS в AD является невыполнимой задачей из-за изучения различных областей мозга и болезненных состояний в дополнение к использованию различных методов и маркеров для количественного определения NO. В контексте многоклеточной среды, такой как мозг, источник NO (то есть, из которого выведен NOS-фермент, сигнальная молекула), имеет важное значение при рассмотрении нормальных физиологических ролей и патологических эффектов. Например, iNOS высвобождает более высокие уровни NO (вплоть до микромолярного диапазона) по сравнению с наномолярными уровнями посредством eNOS или nNOS [27]. Из-за короткого периода полураспада существует ограниченная способность NO рассеиваться в трехмерном пространстве [28]. Таким образом, источник NO непосредственно влияет на его локальную концентрацию. Даже в случае одного нейрона события в теле клетки не обязательно переводят на сигнализацию в синапсе. Необходимо провести новые исследования, которые могут быть направлены на точную временную и пространственную сигнализацию NO в синапсе и на экстрасинаптических сайтах. Эта точная локализация NO, скорее всего, лежит в основе дифференциальных нейропротекторных и нейротоксических эффектов.

Областью полемики в отношении участия NO в патогенезе AD является степень, в которой молекула является нейропротекторной или нейротоксичной [29-31]. В нескольких исследованиях показано, что NO обладает нейропротекторными свойствами за счет индукции пути cGMP [32-34]. Это вызывает вазодилатацию и последовательное увеличение церебрального кровоснабжения нейронов, уменьшая потенциал окислительного стресса, в дополнение к минимизации избыточного притока Ca2 + за счет ингибирования NMDA-рецепторов при глутаматергических синапсах [32-34].

В мозгу примерно 15% потребляемого кислорода уменьшается при одноэлектронном переносе в супероксид, основной нижестоящий компонент окислительного стресса. Способность NO легко пересекать локальные мембраны, таким образом, позволяет ему реагировать со свободным супероксидом из клеточного дыхания [35]. Показано, что полученный пероксинитрит из пути NO / супероксида индуцирует перекисное окисление липидов, что может приводить к дисфункции Са2 +, а также к функциональным изменениям белков посредством S-нитрозилирования остатков цистеина и нитрованию тирозиновых остатков, как молекулярных маркеров AD [ 36-38]. Дальнейшие данные свидетельствуют о том, что усиление конститутивного NOS приводит к расцеплению фермента, с образованием в результате пероксинитрита, перекрывающего нейропротективный путь cGMP [34, 39]. Расхождения могут быть частично обусловлены задачами измерения концентрации NO и пероксинитрита in situ (период полувыведения <3 с и период полувыведения <1 с), что предотвращает четкое различие в формировании нейротоксического пероксинитрита за счет защитного NO [26]. Развитие более точных измерений на основе нанотехнологий для NO и пероксинитрита помогло продемонстрировать, что гипотетические цитотоксические эффекты NO в AD наблюдаются только после того, как NO был превращен в пероксинитрит [26, 40, 41]. Дальнейшие разработки в области точности методов измерения NO и пероксинитрита необходимы для полного понимания роли этих сигнальных молекул в AD.

Первичным активатором нитрозативного стресса в AD является высвобождение избытка Са2 + в цитозоль из чрезмерной стимуляции NMDA-рецепторов, концепция, известная как экситотоксичность [29, 42]. Считается, что в физиологических условиях повторяющаяся стимуляция NMDA-рецепторов усиливает долгосрочное потенцирование (LTP), усиливая синаптическую пластичность в нейронах и кодирование памяти и обучения [43]. Тем не менее, длительная активация экстрасинаптических NMDA-рецепторов с высокой интенсивностью инициирует пути гибели клеток [44]. Было продемонстрировано, что nNOS колокализуется NMDA-рецепторами в постсинаптической плотности и что после поступления Ca2 + в постсинаптические нейроны NO действует как ретроградный мессенджер, обеспечивающий механизм положительной обратной связи для поддержания высвобождения глутамата через NMDA-рецепторы, усиливая LTP [35, 45] , Однако было обнаружено, что NO также ингибирует NMDA-рецепторы посредством индукции cGMP [33]. Наблюдалось также значительное снижение рецепторов NMDA в гиппокампе и коре головного мозга AD [46, 47]. Снижение NMDA-рецепторов постулируется, чтобы лежать в основе когнитивного снижения AD, при этом повышающая регуляция NO компенсирующего и потенциально нейротоксического механизма для увеличения высвобождения глутамата в попытках поддерживать LTP [48, 49]. Тесные ассоциации рецепторов nNOS и NMDA играют центральную роль в этой компенсирующей роли NO. Понимание сигнальных путей синаптических и экстрасинаптических рецепторов является следующей задачей для этой области.

Редкий консенсус в литературе относительно NOS и NO в AD заключается в том, что экспрессия iNOS увеличивается в микроглии и астроцитах во время Aβ вызванных воспалительных и иммунных реакций [30, 50, 51]. Эта повышенная экспрессия iNOS в микроглии и астроцитах создает повышенные уровни NO и пероксинитрита через NO / супероксидный путь, в дополнение к ROS и другим нейротоксическим молекулам, которые могут приводить к гибели нейронов [50, 51]. Было показано, что удаление iNOS у трансгенных мышей AD или использование ингибиторов iNOS для блокирования образования NO защищает от нейротоксичности, индуцированной Aβ, что указывает на то, что нитрозативный стресс может быть одним из ключевых факторов, опосредующих патогенез Aβ в AD [50, 52]. Участие NO в облегчении нейропатогенеза Aβ указывает на потенциально значимую роль NO в прогрессировании болезни.

Повышенный синтез NO из-за переактивации нейронных NMDA-рецепторов и активации микроглиаза в сочетании со свойствами, которые позволяют ретроградную мессенджерную активность, влечет за собой как внутриклеточные, так и внеклеточные источники патогенного NO к нейронам [31]. В стареющих нейронах гиппокампа крысы нитротирозинизация пресенилина-1 заставляло его увеличивать продукцию Aβ1-42 аналогичным образом, наблюдаемым мутациями PSEN1, связанными с семейным AD [37]. Это открытие указывает на конкретный механизм того, как нитрозативный стресс может потенциально вызвать один из признаков AD [37]. Кроме того, хотя присутствие S-нитрозилированных белков и тау было продемонстрировано в AD, длительное воздействие NO может индуцировать образование цитоплазматических тау-олигомеров в клетках SH-SY5Y, что свидетельствует о потенциальном механизме, лежащем в основе тау-нейропатогенеза в AD [53]. Эксперименты в клеточных линиях с использованием избыточной экспрессии маркеров AD предоставили ключи к механизму, но это исследование имеет ограниченную способность эффективно моделировать AD. Рекапитуляция результатов в клинически значимых образцах в настоящее время имеет важное значение. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, полученные от спорадических пациентов с болезнью Альцгеймера, предоставляют такую ​​возможность.

Одной из основных проблем при исследовании постмортной ткани является то, что те самые клетки, которые необходимы для исследования (например, уязвимые нейроны), были потеряны в этой болезни, что может привести к трудностям в оценке изменений, выявленных между случаями и контролем. Важным уровнем исследования в исследовании AD является выявление ранних изменений в нейронах, которые могут привести к дегенерации или выживанию. Затем манипуляция этими путями может обеспечить потенциальные цели для вмешательств.

Недавние исследования с использованием моделей мыши AD были использованы для выявления ранних изменений в нейронах, которые могли быть нацелены. Модель мыши 3x Tg-AD имеет мутации в трех генах, участвующих в семейной AD: APP; PSEN1; и MAPT, кодирующий белок-предшественник амилоида; пресенилин-1 (часть комплекса γ-секретазы); и тау. Следовательно, у этих мышей наблюдается прогрессирующая невропатология, включая бляшки и путаницы, в дополнение к синаптической дисфункции гиппокампа. Ранней характеристикой мозга Альцгеймера является потеря синапсов, и это происходит до потери памяти. Поэтому плотность синапсов лучше коррелирует с когнитивными дефицитами, чем классические признаки бляшек или клубок [54, 55]. Изучение предсимптоматических мышей AD (то есть до развития когнитивных поведенческих изменений) показало, что NO функционирует для поддержания как LTP, так и долговременной депрессии, одновременно увеличивая вероятность высвобождения нейротрансмиттера [56]. Таким образом, NO-сигнальные пути изменяются как средство стимулирования синаптической пластичности. Вместе эти данные показывают, что NO увеличивает возбудимость пресинаптических нейронов для стимулирования высвобождения нейротрансмиттера в патологически увлажненной системе. Неясно, как НЕТ опосредует повышенную возбудимость пресинаптических нейронов. Однако наиболее вероятным механизмом является модуляция активности пресинаптического ионного канала. М-каналы (каналы Kv7), как критические регуляторы возбудимости нейронов, обеспечивают возможный кандидат для этой роли. М-каналы представляют собой наружные калиевые каналы, которые остаются открытыми при потенциале покоя мембран нейронов. Таким образом, увеличение M-тока уменьшает возбудимость нейронов, в то время как ингибирование M-током увеличивает вероятность срабатывания потенциала действия. В сенсорных нейронах NO является мощным нейромодулятором с возможностью увеличения возбудимости путем ингибирования M-тока [57, 58]. NO-опосредованные изменения возбудимости были идентифицированы в гиппокампе мыши, модулируя внешние калиевые токи [31]. Эти эффекты включали потенцирование токов Kv2 и подавление токов Kv3, которые вместе способствовали обстрелу потенциального потенциала действия [31]. Действительно, модуляторы M-канала рекламируются как терапевтические возможности для AD, среди других нарушений возбудимости нейронов [59]. Модификаторы активности калиевого канала и возбудимости нейронов могут поэтому давать эффективные мишени для лекарств.

Другие недавние исследования также оспаривали мнение о том, что NO и провоспалительные факторы приводят к прогрессированию болезни в AD. Манипулирование эффектом индуцибельного NO у мышей до уровней, эквивалентных уровням у людей, привело к некоторым интересным результатам. Эти данные свидетельствуют о том, что локальное подавление иммунитета, а не иммунная активация, приводит к дегенерации определенных областей мозга [60]. Повышенные цереброваскулярные уровни NO повышают передачу сигналов NFκB / p65 в эпителиальных клетках, предотвращая трафик лейкоцитов [61]. Модель мыши AD, называемая 5xFAD, сверхэкспрессирует мутантный человеческий APP со шведскими (K670N, M671L), Florida (I716V) и London (V717I) мутациями вместе с человеческим PSEN1, несущим две мутации (M146L и L286V). Следовательно, у мышей 5xFAD очистка NO повышает способность к действию эпителиальных клеток и улучшает рекрутирование моноцитов / макрофагов в мозг с периферии [61]. В соответствии с этим системное введение поглотителя NO, рутина, уменьшает амилоидные бляшки в различных моделях мыши AD [62, 63], потенциально посредством увеличения набора макрофагов в ЦНС и более быстрой очистки Aβ. Оценивая причины, по которым многочисленные лекарства AD оказались в клинике, сначала мы должны рассмотреть обширную временную разницу в прогрессировании заболевания у людей по сравнению с моделями мыши, в которых тестировались препараты. Необходимо дополнительно рассмотреть вопрос о разработке клинически репрезентативных моделей и сроков вмешательств. В качестве поля нам необходимо установить универсальность в выборе выборки и продольных исследованиях, которые представляют собой временные интервалы, соответствующие болезненным процессам (например, 20 лет). В основе этого лежит приверженность долгосрочному финансированию таких проектов.

Трудно определить специфический вклад NO и степень, в которой NO-синтазы влияют на развитие AD. Человеческая посмертная мозговая ткань предоставила моментальный снимок последних этапов заболевания, но не представила ранних изменений в мозге AD. Между тем, модели на животных обеспечили более динамичное понимание патогенеза болезни, но не представляют сложностей спорадического заболевания человека. В будущих исследованиях необходимо использовать модели нейронных клеток, разработанные пациентом, для выяснения вклада NO в нейропротекцию и нейротоксичность в AD [64]. Разработка ингибиторов специфических изоформ NOS для использования в моделях AD поможет выявить нейропротекторные и нейротоксичные источники NO. Акцент на выявлении ионных механизмов, которые вызывают изменения NO-опосредованной возбудимости в AD, может привести к разработке новых мишеней для лекарств.

Новые данные свидетельствуют о том, что изменения функции сигнализации NO в качестве компенсаторного механизма для координации нейропротекторных ответов при неудачном синапсе и что потеря локальных иммунных реакций и клиренса амилоида скорее всего более важны для патогенеза болезни, чем увеличение провоспалительной нейротоксической передачи сигналов. Таким образом, идентификация подходящих NO-регуляторов или калиевых каналов, регулирующих напряжение, может обеспечить профилактическое действие против синаптической потери и патологии AD.

Авторы заявляют, что не существует конфликта интересов в отношении публикации этого документа.

Изменения в экспрессии и активности ферментов синтазы оксида азота (NOS) в тканях и животных моделях болезни Альцгеймера (AD).

Комментариев нет.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *