В современной литературе большое внимание уделяется изучению изменений клеточных структур головного мозга при старении и ассоциированных с ним нейродегенеративных заболеваниях [1], так как за последние 25 лет в России, как и в других европейских странах, значительно увеличилось число лиц старше 80 лет [2]. К наиболее распространенным нейродегенеративным заболеваниям, ассоциированным с пожилым возрастом, относят болезнь Паркинсона (БП) и болезнь Альцгеймера (БА) [3]. Эти заболевания, как и физиологическое старение, характеризуются изменением в нервной ткани содержания железа [4] — важнейшего микроэлемента, который обеспечивает транспорт и катализацию кислорода (гемовая форма) и является структурной составляющей многих ферментов (негемовая форма), участвующих в биохимических процессах, протекающих в нервной ткани. Вместе с тем данные об изменении количества соединений негемового железа в структурах головного мозга при БП разрознены, а при БА противоречивы. Одни авторы считают, что концентрация соединений железа в клеточных структурах головного мозга при БА существенно увеличивается [5], а другие сообщают о том, что она практически не меняется [6]. В связи с этим в представляемой статье мы обобщили имеющиеся в доступной литературе сведения об изменении содержания соединений негемового железа в структурах головного мозга при старении и возраст-зависимых нейродегенеративных заболеваниях (БП и БА).
Изменение содержания негемового железа в головном мозге при старении
Соединения железа по мере физиологического старения накапливаются в структурах головного мозга [7]. Основным белковым комплексом, депонирующим внутриклеточное железо в головном мозге, является ферритин, который обнаруживается практически во всех клеточных элементах, образуя легкодоступный резерв для синтеза железосодержащих соединений, где он находится в растворимой, неионной и нетоксичной форме. Ферритины млекопитающих содержат переменное количество двух типов полипептидных цепей, тяжелой (H) и легкой (L). Последняя связана непосредственно с накоплением железа, тогда как H-цепь, содержащая специальный ферроксидазный центр, катализирует быстрое окисление железа из двухвалентной (II) в трехвалентную (III) форму.
По данным литературы, в пожилом возрасте (67—88 лет) по сравнению со зрелым (27—66 лет) содержание H-ферритина было выше в лобной области коры, хвостатом ядре, скорлупе, черном веществе и бледном шаре [8]. Концентрация L-ферритина с возрастом увеличивалась только в черном веществе и бледном шаре. При этом обнаружено, что уровень H- и L-ферритина в черном веществе значительно превосходил аналогичный показатель в области голубого пятна и с возрастом увеличивался, тогда как в самом голубом пятне он существенно не менялся [9]. Однако в указанных структурах головного мозга содержание L-ферритина было значительно ниже, чем H-ферритина. Накопление H- и L-ферритина в черном веществе определяли в основном в непигментированных нейронах и клетках нейроглии, по большей части в олигодендроцитах. Одновременно с увеличением содержания H- и L-ферритина с возрастом линейно увеличивалась концентрация железа и нейромеланина в черном веществе, тогда как в голубом пятне уровень железа оставался неизменным, а уровень нейромеланина возрастал. Учитывая накопление соединений железа с возрастом в структурах черного вещества и отсутствие подобных изменений в голубом пятне, а также увеличение концентрации нейромеланина в упомянутых образованиях головного мозга, авторы предположили, что по сравнению с нейронами черного вещества нейроны голубого пятна менее уязвимы при окислительном стрессе и это обусловлено способностью нейромеланина хелатировать железо. Аналогичную функцию для ионов железа в олигодендроцитах выполняют ферритины [9].
Предполагают, что увеличение концентрации H-ферритина при старении — это компенсаторный ответ на накопление железа, который препятствует увеличению содержания его свободной формы в черном веществе головного мозга [9]. Вместе с тем возрастная дисфункция ферритина может способствовать тому, что реактивная форма железа (II) будет терять способность к окислению и образованию ионов железа (III), характеризующихся стабильностью и возможностью депонирования в клеточных структурах черного вещества головного мозга [10]. Избыточное накопление реактивной формы железа (II) в этих структурах при старении в свою очередь может обусловливать увеличение прооксидантных взаимодействий между железом и дофамином [11].
Другие исследования, посвященные изучению накоп-ления железа в структурах среднего мозга при физиологических условиях, подтверждают его локализацию в нейронах, глиальных клетках (олигодендроцитах и астроцитах) и нейропиле [12]. Вместе с тем в этих работах показано, что у части нейронов, содержащих нейромеланин, железо локализуется не только в цитоплазме, но и в ядре и ядрышке.
Сравнительный анализ концентрации железа в нервных клетках и различных типах нейроглии, проведенный методом сканирующей рентгенологической эмиссионной спектрометрии в головном мозге крыс Wistar, показал, что средний уровень железа по сравнению с нейронами в олигодендроцитах был выше в 5 раз, в микроглии — в 3 раза, а в астроглии — в 2 раза [13]. В нейронах различных образований головного мозга концентрация железа варьировала от 0,53 мкг (в неокортексе) и до 0,68 мкг (в нейронах подушки таламуса). Среди внутриклеточных структур нейрона наиболее высокую концентрацию железа определяли в ядрышке, а наименьшую — в цитоплазме. Вместе с тем при расчете относительного уровня железа на площадь клеточной структуры оказалось, что в цитоплазме железа содержится больше всего — 73%, в ядре — 21%, а в ядрышке — 6%. Такое распределение железа, по-видимому, связано с тем, что в цитоплазматических органеллах нейронов в большом количестве сосредоточены ферменты, содержащие железо, тогда как в ядрах нейронов сосредоточена ДНК. При этом, как отмечено в литературе [14], важнейшей задачей является определение относительного вклада в накопление железа при старении не столько нейронов, сколько микроглии и астроцитов, так как в этих глиальных клетках в целом хранится значительно больше железа, чем в нейронах [15].
Необходимо учитывать, что выявляемые изменения уровня железа в структурах головного мозга могут быть обусловлены не только характером и особенностями старения (физиологический процесс) или нейродегенерации (патологический процесс), но и методическими проблемами, возникающими у исследователей при обработке аутопсийного материала [16]. Так, при отборе аутопсийных проб возможен перенос железа с рук исследователя на образец, что впоследствии может существенно искажать результаты работы. Использование рассекающих инструментов из нержавеющей стали, хранение образцов в полипропиленовых емкостях, которые содержат ионы железа, выщелачивание ткани при фиксации — все перечисленные манипуляции при подготовке материала для исследования могут существенно изменять общий уровень железа в образцах и искажать результаты работы. Кроме того, длительное хранение аутопсийных образцов в формалине снижает в них содержание железа на 40% [17].
Согласно данным литературы [18], концентрация железа в головном мозге мужчин и женщин не имеет достоверных различий. Однако лишь у мужчин удалось установить прямую корреляционную зависимость между уровнем железа в головном мозге и возрастом. Кроме того, при оценке накопления соединений железа в структурах головного мозга необходимо учитывать межполушарную асимметрию [19]. Особенно важно учитывать асимметрию при исследовании таких образований мозга, как таламус, скорлупа, бледный шар и черное вещество. Содержание железа в этих структурах имеет тенденцию к существенной латерализации: в левом полушарии его накапливается больше, чем в правом, но в публикуемых работах этому обстоятельству, как правило, не придают значения [20]. Наряду с этим в литературе показано, что связь между повышением концентрации железа в структурах головного мозга и увеличением возраста демонстрируют не все образования головного мозга. Так, при исследовании 14 образований головного мозга прямую корреляционную взаимосвязь концентрации соединений железа и старения установили в таких структурах, как скорлупа, бледный шар и хвостатое ядро. В других структурах головного мозга (фронтальная и височная области коры больших полушарий, в нижней теменной дольке, затылочной доле, гиппокампе, мозжечке, продолговатом мозге и др.) подобную связь между уровнем железа и возрастом выявить не удалось [18].
Следовательно, при изучении методами иммуноморфологии локализации соединений железа в головном мозге человека в процессе физиологического старения необходимо учитывать ряд методических моментов, которые касаются взятия аутопсийного материала, способы его фиксации и хранения в фиксирующих растворах, а при анализе полученных результатов необходимо учитывать возрастные, гендерные отличия и особенности межполушарной асимметрии, так как недооценка перечисленных факторов может существенно искажать результаты исследования и приводить к серьезным ошибкам при их интерпретации.
Накопление железа в головном мозге при нейродегенеративных заболеваниях
Изменение метаболизма негемового железа и его накопление в структурах головного мозга происходят не только при физиологическом старении, но и при нейродегенеративных заболеваниях, среди которых наиболее распространенными являются БП и БА [21].
При БП происходит гибель дофаминовых нейронов в нигростриатных образованиях головного мозга и в них изменяется содержание железа [22], что проявляется в накоплении железа в структурах компактной части черного вещества [23]. Уровень железа в этих структурах при БП по сравнению с таковым при нормальном физиологическом старении, как продемонстрировано в исследованиях на аутопсийном материале, возрастает вдвое [24]. Концентрация железа в компактной части черного вещества начинает увеличиваться на ранних стадиях БП [25], и степень его накопления в клеточных структурах черного вещества коррелирует со степенью тяжести двигательных нарушений у пациентов [4, 26]. Повышение содержания железа на ранних стадиях БП подтверждается не только при исследовании аутопсийного материала головного мозга, но и методами прижизненной диагностики. Так, у больных БП на 1—3-й стадии заболевания по шкале Хен-Яра все исследуемые биохимические показатели метаболизма негемового железа (концентрация растворимого рецептора трансферрина, ферритина, гаптоглобина плазмы и малондиальдегида), за исключением концентрации трансферрина, существенно превосходили аналогичные показатели у лиц, не имевших в анамнезе сведений о нейродегенеративных заболеваниях [27], а выявляемая при транскраниальной ультрасонографии повышенная эхогенность в области черного вещества площадью не менее 20 мм2 рассматривалась в качестве ультразвукового маркера, указывающего на предрасположенность к развитию БП [28].
При исследовании методом рентгенологической абсорбционной спектроскопии аутопсийных образцов среднего мозга больных с БП и мозга лиц контрольной группы, не имевших в анамнезе сведений о нейродегенеративных заболеваниях, обнаружили, что при БП, как и при физиологическом старении, в нейронах черного вещества, содержащих нейромеланин, большая часть ионов железа находилась в трехвалентной форме и их концентрация по сравнению с контрольной группой существенно не отличалась [29]. В другом исследовании этим же методом мозга больных с БП и мозга людей контрольной группы с невыявленными нейродегенеративными заболеваниями показано [30], что у пациентов с БП содержание железа было выше как в компактной части черного вещества, так и во всей структуре черного вещества в целом. Существенное увеличение уровня железа в головном мозге, вероятно, способствующее риску развития БП, может быть связано с чрезмерным употреблением в раннем детском возрасте злаковых пищевых добавок и сухих молочных смесей, обогащенных железом [31].
В первую очередь при БП нейродегенерации подвергаются нейроны черного вещества, содержащие нейромеланин, так как последний обладает сильной способностью связываться с железом [32]. Количество железа (III), выявляемое в пигментированных нейронах компактной части черного вещества у здоровых людей, составляет 20% от общего его содержания в структурах черного вещества [33], но насыщаемость нейромеланина железом достигает 50% [21]. Значение нейромеланина пигментированных нейронов, как показано в литературе [34], заключается в том, что он может выполнять защитную функцию, препятствуя свободнорадикальному повреждению, либо путем секвестрации железа, либо, как указывалось выше, путем хелатирования ионов металла в цитозоле нейронов. Предполагают [33], что при БП повышенная концентрация реактивного железа в черном веществе может перенасыщать железом сайты хелатирования нейромеланина, а это будет ослаблять способность нейромеланина хелатировать железо. В результате реактивная форма железа может высвобождаться и участвовать в реакции, аналогичной реакции Фентона, что может влиять на увеличение образования окислительных свободных радикалов. Результаты исследований показывают, что окислительно-восстановительная активность агрегатов нейромеланина у пациентов с БП значительно возрастает (на 69%) и наибольших значений она достигает у пациентов с тяжелыми нейрональными нарушениями. Такая перегрузка нейромеланина реактивной формой железа может способствовать развитию оксидативного стресса и повреждению клеточных структур нейронов черного вещества пациентов с БП [35]. Последующая гибель нейронов активирует клетки микроглии [36], которые фагоцитируют гибнущие нейроны, что подтверждается выявлением нейромеланина в их цитоплазме [37]. Кроме того, активация клеток микроглии содействует высвобождению нейротоксических агентов, таких как альфа-фактор некроза опухоли, интерлейкин-6 и окись азота. Микроглиальные агенты в свою очередь также способствуют гибели нейронов и возрастанию нейронофагии, что может приводить к последующему усилению нейродегенерации [38].
Наряду с этим железо на уровне трансляции регулирует экспрессию эндогенного α-синуклеина — пресинаптического нейронального протеина, участвующего в процессе везикулярного транспорта [39]. Увеличенная концентрация этого протеина в соединении с липидами пигментов в условиях окислительного стресса может запустить каскад реакций, способствующих его аномальной внутриклеточной агрегации [40]. Агрегированная форма α-синуклеина подвергается фосфорилированию по остатку серина-129 [41]. Эта модификация α-синуклеина накапливается в цитоплазме в форме телец Леви, что нарушает трансферринопосредованный рецепторный импорт железа в нейроны [42]. В свою очередь это активирует альтернативные механизмы поступления железа в клетки, такие как увеличение экспрессии транспортера двухвалентных металлов (DMT1), который способствует проникновению ионов двухвалентного железа в цитоплазму и их последующему окислению [43]. Повышение экспрессии DMT1 в черном веществе головного мозга при БП показано и в более ранних работах [44].
БА характеризуется накоплением в структурах головного мозга аномальных форм протеинов: бета-амилоида и тау-белка. Белок-предшественник бета-амилоида (APP), обладающий в естественных условиях антиоксидантными свойствами, при БА подвергается протеолизу, разделяясь на пептиды, из которых формируются амилоидные нити, образующие плотные нерастворимые отложения — сенильные бляшки [45]. Эти бляшки локализуются как в пределах нервных клеток, так и вне их границ [46] и выявляются во всех областях коры головного мозга, они отличаются тем, что при БА накапливают реактивные формы железа [47]. В присутствии реактивных форм железа и других металлов антиоксидантные системы функционируют с перегрузкой, что приводит к повреждению нейронов.
Следовательно, избыточное накопление железа при БА может оказывать вредное влияние на нейронные структуры головного мозга [21].
Другой протеин — тау-белок в условиях нормального старения стабилизирует микротрубочки, формирующие цитоскелет. При БА этот белок подвергается избыточному фосфорилированию, в связи с этим его нити начинают связываться друг с другом, слипаться в нейрофибриллярные клубки и разрушать транспортную систему нейрона. Патологическим изменениям подвержены в первую очередь нейроны височных и теменных долей [48], а также фронтальной коры [49]. Наряду с перечисленными выше структурами головного мозга накопление соединений железа при БА обнаруживают также в скорлупе [50], хвостатом ядре и бледном шаре [51].
Значительное накопление соединений железа в структурах головного мозга при БА характерно в основном для ранних стадий заболевания, что показано в работах авторов, исследовавших их концентрацию в нервной ткани, как при моделировании БА на лабораторных животных [52], так и на аутопсийном материале мозга, полученном от лиц с БА [53]. Это позволяет предположить, что железо является одним из ключевых факторов, способствующих инициации и развитию БА.
Таким образом, при физиологическом старении содержание железа в нигростриатных образованиях головного мозга человека повышается, что проявляется в виде увеличения концентрации негемового железа и накопления во всех клеточных элементах ферритина, служащего резервом для синтеза железосодержащих соединений. Наряду с возрастанием уровня железосодержащих соединений при старении в нейронах черного вещества увеличивается накопление связывающего реактивные формы железа нейромеланина, которое в совокупности с накоплением ферритина можно рассматривать в качестве морфохимического признака нейропротекторного эффекта физиологического регресса нервной ткани.
При таких нейродегенеративных заболеваниях, как БП и БА, содержание железа в структурах головного мозга по сравнению с таковым при физиологическом старении продолжает увеличиваться, а способность хелатирующих агентов к связыванию железа уменьшается (ферритина в клетках нейроглии и нейромеланина в нейронах), что активирует механизмы клеточной деструкции. В результате активации деструктивных процессов при БП нарушается агрегация α-синуклеина, что приводит к образованию телец Леви, а при БА [54] подвергается протеолизу APP и формируются амилоидные бляшки, что служит триггером последующих нейродегенеративных изменений, включающих гибель нейронов.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.