Сосудистые заболевания головного мозга - одна из ведущих причин заболеваемости, смертности и инвалидизации в Российской Федерации [1]. Доля острых нарушений мозгового кровообращения в структуре общей смертности в нашей стране составляет 21,4%, а инвалидизация после перенесенного инсульта достигает 3,2 на 10 000 населения, занимая 1-е место среди всех причин первичной инвалидности. В Российской Федерации инсульт ежегодно развивается более чем у 450 000 человек, из которых примерно 35% умирают в остром периоде заболевания [2]. Сосудистые поражения мозга занимают в экономически развитых странах 2-3-е место среди причин смерти [3].

Летальный исход при ишемическом инсульте (ИИ) в первые 30 дней наступает у 15-25% пациентов. Атеротромботический и кардиоэмболический инсульты наиболее опасны и характеризуются наивысшей смертностью [4, 5]. В настоящее время большое внимание уделяется изучению патогенетических механизмов развития ИИ, его этиологических факторов, оказанию лечебной помощи и проведению реабилитационных мероприятий. Существенными факторами риска ИИ являются уровни макро- и микроэлементов (МаЭ и МЭ соответственно) в различных тканях организма, в том числе в ЦНС. В организме человека обнаружен 81 химический элемент, при этом 15 из них (железо - Fe, йод - I, медь - Cu, цинк - Zn, кобальт - Co, хром - Cr, молибден - Mo, никель - Ni, ванадий - V, селен - Se, марганец - Mn, мышьяк - As, фтор - F, кремний - Si, литий - Li) являются эссенциальными, т.е. жизненно необходимыми [6, 7].

Участие МаЭ и МЭ в физиологических процессах многообразно. Так, МЭ участвуют в формировании каталитических центров и стабилизации регуляторных сайтов в составе многих ферментов. Показана ключевая роль МаЭ и МЭ в сложных биохимических процессах, составляющих основу деятельности ЦНС. Доказана регуляторная функция нервной системы в поддержании гомеостаза МаЭ и МЭ всего организма человека [8].

Магний (Mg) является регулятором активности глутаматных рецепторов, он необходим для поддержания энергетического метаболизма нейронов и обезвреживания избытка катехоламинов [9]. МЭ-зависимые антиоксидантные ферменты, такие как Cu,Zn-зависимая и Mg-зависимая супероксиддисмутазы (СОД), каталаза, Se-зависимая глутатионпероксидаза являются неотъемлемой частью внутриклеточных механизмов устранения последствий окислительного стресса, уровни их экспрессии существенно повышаются при ИИ [10].

Исследования уровней эссенциальных, токсических и условно-токсических элементов в различных биосубстратах (волосы, ногти, плазма крови, моча, материалы биопсий и др.) проведены у пациентов, получающих гемодиализ [11, 12]), курильщиков и алкоголиков, пациентов с артериальной гипертензией (АГ) [13], ревматоидным артритом [14], сахарным диабетом [15], аутизмом [16]. Однако к настоящему времени исследования изучения содержания микроэлементов при ИИ были лишь единичными.

Сравнительный анализ содержания Zn, Cu, Mg методом атомно-абсорбционной спектрометрии в волосах 45 пациентов с ИИ и 20 человек без ИИ (контрольная группа) показал, что уровни этих элементов в волосах пациентов (79±25, 8±1 и 24±10 мкг/кг соответственно) были значительно ниже, чем в контрольной группе (168±29, 18±2 и 93±47 мкг/кг, р<0,01) [17]. Анализ клинико-демографических параметров и МЭ-состава волос был проведен у 30 пациентов с ИИ с АГ и 30 пациентов с ИИ без АГ. Результаты анализа выявили ряд статистически значимых различий в содержании МЭ в исследуемых группах больных: дефицит Zn, Cu, Mg, Co и статистически значимое увеличение уровня натрия (Na) и токсичных/условно-токсичных МЭ - кадмия (Cd), висмута (Bi), бария (Ba) [18].

Апоптоз - запрограммированный процесс клеточной смерти, который требует активного участия эндогенных клеточных ферментов для демонтажа клетки. Морфологически он характеризуется потерей объема клетки, упаковкой плазматической мембраны и уплотнением хроматина [19]. МЭ способны модулировать процессы апоптоза посредством ряда механизмов. Даже умеренный дефицит или избыток МЭ может оказывать долгосрочные эффекты на процессы репопуляции клеток и апоптоза [20-22].

Сроки появления нейронов, перешедших в состояние апоптоза в результате ишемии, представляют практический интерес. Известно, что число клеток с фрагментацией ДНК возрастает уже через 30 мин после кратковременной ишемии, а пиковый рост числа ДНК-фрагментации приходится на период 24-48 ч и сохраняется до 4 нед от начала реперфузии. Клетки, содержащие фрагментированную ДНК, располагаются, прежде всего, по внутренней границе инфаркта. Степень поражения ДНК пропорциональна продолжительности ишемии. Отмечены появления разрывов в цепи ДНК, сморщивание ядер, дегенерация и увеличение их размеров на 3-4-е сутки после кратковременной ишемии [20].

Для инициации апоптоза необходимо нарушение сбалансированности в нескольких регуляторных системах. Примером такого нарушения может служить изменение внутриклеточного баланса ионов Са²⁺ в погибающих клетках [20, 21]. Следствием этого может являться инициация гетерохроматинизации, фрагментации хроматина и одновременная активация Са²⁺-зависимых нуклеаз, т.е. стимуляция двух основных функциональных компонентов дегенерации хроматина, приводящей к гибели клетки [21].

Нарушение обмена Са²⁺ значительно влияет на глубину и распространенность ишемии. Его высокая внутриклеточная концентрация приводит к избыточному высвобождению нейротрансмиттеров и нежелательной гиперактивности нейронов в зоне ишемии [22]. В регуляции функции клетки градиент концентрации Са²⁺ занимает центральную позицию. Ионы (Ca) оказывают регуляторное влияние, действуя синергично с цАМФ. Повышение внутриклеточной концентрации Са²⁺ влияет на образование АТФ посредством активации внутриклеточных ферментов, повышая концентрацию субстрата для дыхательного пути, что и приводит к большей концентрации АТФ [1]. Этот механизм, возможно, связан с энергозависимым выходом Са²⁺ из клетки.

Применение Mg способно уменьшать объем ИИ [23]. Mg стимулирует выживание мотонейронов после повреждений седалищного нерва [24], уменьшает отек мозга при черепно-мозговой травме [25]. Даже однократное введение сульфата Mg через 8 ч после травмы спинного мозга улучшало состояние животных к 4-й неделе [26]. Mg не только нормализует состояния системы гемостаза, но и воздействует на несколько молекулярных каскадов, участвующих в регенерации и защите нервной ткани [27]. Повышение концентрации Mg²⁺ после экспериментальной ишемии значительно усиливает нейротрофический потенциал нейронов через увеличение уровней митоген-активированных киназ (MEK1/2), ERK1/2-киназ и транскрипционного фактора CREB [28].

Введение сульфата Mg высокоэффективно снижает риск смерти или церебрального паралича новорожденного (ОШ 0,85; 95% ДИ от 0,74 до 0,98) и тяжелой моторной дисфункции, такой как неспособность ходить без посторонней помощи (ОШ 0,60; 95% ДИ от 0,43 до 0,83) [29]. Метаанализ 7 лонгитудинальных исследований связи потребления Mg и риска ИИ включил 241 378 участников (6477 случаев ИИ). По его результатам, увеличение потребления Mg на каждые 100 мг в сутки (в расчете на элементарный Mg) было связано с 8% снижением риска ИИ [30] (см. рисунок).

Zn - эссенциальный микроэлемент, имеющий отчетливое иммуно- и нейромодулирующее воздействие, необходимый для различных физиологических процессов, прежде всего метаболизма белков и углеводов, минерального обмена, роста и деления нейронов, созревания и дифференцировки Т-лим­фо­цитов и В-лимфоцитов, антиоксидантной защиты нейронов. О значении Zn в активности ЦНС можно судить хотя бы исходя из факта существования так называемых цинкергических нейронов. Выделение его в синапс играет важную роль в передаче сигнала посредством модуляции возбуждающих и тормозных клеточных рецепторов и внутриклеточных сигнальных белков. Цинкергические нейроны были обнаружены во всех областях коры головного мозга [31].

Большая часть Zn в крови содержится в эритроцитах в составе цинковых металлоферментов - карбоновых ангидраз, участвующих в обмене угольной кислоты и углекислого газа: H2CO3⇐⇒CO2⇑+H2O. Анализ генома человека показал, что существует более 20 белков, которые могут выполнять свою биологическую функцию только при адекватных уровнях и Zn, и Fe [27]. Особый интерес представляет синергизм между Zn и Fe, обеспечивающий реакцию клеток на гипоксию.

Эглнин-1 (пролилгидроксилаза 2 фактора гипоксии) является сенсором кислорода (O2) в клетке. При связывании одной молекулы O2 эглнин включает гидроксилирование пролиновых остатков фактора гипоксии (HIF-1), помечая этот белок для убиквитин-зависимой деградации, модулируя тем самым реакцию на гипоксию [32]. Реакция гидроксилирования пролинов в белке HIF-1 происходит в соответствии с уравнением L-пролин+2-оксо­глута­рат+O2=гидрокси-L-пролин+янтарная кис­лота+ CO2.

Ферменты NO-синтетазы необходимы для синтеза важной сигнальной молекулы - оксида азота (NO) - нейромедиатора и вазодилататора. Окись азота синтезируется NO-синтетазами из аргинина по реакции L-аргинин+НАДФ+H⁺+O2=цитруллин+окись азота+НАДФ⁺. Ион Fe является частью каталитического центра в составе гема, а ион Zn необходим для стабилизации пространственной структуры фермента [33]. При локальной и глобальной ишемии наблюдается избыточное накопление внеклеточного Zn²⁺. Сам по себе Zn²⁺ ингибирует активность глутаматных рецепторов [34], а проникновение Zn²⁺ внутрь клетки может способствовать усилению процессов апоптоза [35].

Эффект ионов Zn²⁺ на нейроны в значительной степени зависит от концентрации. В физиологических концентрациях они ингибируют вызываемый избытком глутамата приток Ca внутрь клетки, вызывающий апоптоз нейронов, и тогда высвобождение Zn²⁺ из синаптических пузырьков обеспечивает защитное действие. Zn²⁺ ускоряет восстановление потенциала мембраны нейрона и ингибирует высвобождение глутамата путем активации пресинаптических АТФ-зависимых K-каналов, тем самым уменьшая ишемические повреждения в гиппокампе крыс [36]. Более высокие концентрации Zn²⁺ (>150 мкмоль/л) снижают жизнеспособность нейронов [37]. У пациентов, перенесших ИИ, уровень Zn²⁺ в плазме был значительно ниже, чем в контроле (р=0,001) [38]. При добавлении Zn²⁺ в суточный рацион больных с ИИ на 30-й день наблюдался значительно более полный регресс неврологического дефицита [39].

Mn - кофактор более 200 белков. В клетках значительная часть его запасов сосредоточена в митохондриях, им наиболее богаты мозг, печень, почки, плацента, поджелудочная железа, кишечник. Адекватный уровень потребления Mn составляет 2 мг в сутки. Дефицит Mn наблюдается при различных формах анемии, детском церебральном параличе, сахарном диабете, задержках развития [20].

Ионы Mn необходимы для поддержания различных физиологических процессов: кроветворения, иммунитета (стимулируют рост Т- и В-клеток, фагоцитоз), метаболизма катехоламинов, антиоксидантной защиты нейронов, энергетического метаболизма (расщепление углеводов и жиров), метаболизма соединительной ткани. Среди Mn-зависимых ферментов отметим гуанилат-циклазы, вовлеченные в передачу сигнала от NO азота и малатдегидрогеназу (энергетический метаболизм). Гуанилатциклазы модулируют передачу сигнала от NO, который диффундирует внутрь клеток гладкой мускулатуры и активирует гуанилатциклазу, участвующую в синтезе циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ) из гуанозинтрифосфата (ГТФ). Молекулы цГМФ активируют протеинкиназу G (PKG), фосфорилирующую белки, которые регулируют уровни Ca, чувствительность нейронов и клеток гладкой мускулатуры сосудов к Ca, гиперполяризацию клетки через K-каналы, актин, миозин, что и приводит в конечном итоге к вазодилатации [40]. Для каталитической активности гуанилатциклаз необходим гем как кофактор; ионы Mn активируют фермент [41].

Малатдегидрогеназа - один из ферментов, вовлеченных в аэробное клеточное дыхание. Расположен в матриксе митохондрии и связывает две ветви метаболизма сахаров: гликолиз и цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Малатдегидрогеназа имеет НАДФ (никотинамид динуклеотид, производное витамина РР) и ионы Mn в качестве кофакторов и катализирует превращение малата в пируват - основой субстрат цикла трикарбоновых кислот.

Повышенная концентрация супероксид-радикалов причастна к усилению повреждений головного мозга при ишемии. Посредством Mn-зависимой СОД, одного из самых важных антиоксидантных ферментов ЦНС, нейроны противодействуют вызываемым АФК повреждениям после ишемии головного мозга. Активность фермента значительно увеличивает жизнеспособность нейронов, понижая внутриклеточный уровень супероксид-радикала [42].

Cu - эссенциальный МЭ, имеющий прямое отношение к процессам клеточного дыхания нейронов, один из ключевых ферментов «дыхательной цепи». Дефицит Cu приводит к развитию анемии [43]. Cu принимает участие в обмене N, входя в состав нитратредуктазного комплекса, участвует в процессах, которые обеспечивают ткани O2. Cu входит в состав десятков ферментов, задействованных в окислительно-восстановительных реакциях, поддержке состояния соединительной ткани, синтезе нейротрансмиттеров, активации пептидных гормонов, каскаде свертывания крови, всасывании Fe и др. К наиболее известным Cu-зависимым ферментам относятся цитохром-С-оксидаза (перенос электронов в дыхательной цепи митохондрий) и Cu/Zn-СОД.

Цитохром-С-оксидаза - компонент дыхательной цепи, катализирующей восстановление молекулярного O2 до H2O. В ходе этого процесса перенос электронов и протонов способствует синтезу АТФ. Электроны переносятся через гем и атом Cu, являющиеся кофакторами цитохром-С-оксидазы. Падение ее активности (вследствие генетических дефектов или дефицита Cu) приводит к наследственной нейропатии Лебера, идиопатической сидеробластической анемии [44] и миоглобинурии.

Cu, Zn-СОД - ферменты антиоксидантной защиты. К факторам, стимулирующим процесс клеточной гибели, относится O2–, который контактирует с эндотелием и, ингибируя свободный радикал NO, вызывает стойкий вазоспазм. Одним из источников O2– является оксигемоглобин. Высвобождение O2– также происходит в результате фагоцитоза, который сопровождает апоптоз. Разрушая пероксидный и надпероксидный анионы, СОД наряду с каталазой, обеспечивают защиту от высокореактивных форм кислорода. Удаляя свободные радикалы, СОД способствуют нормализации процессов воспаления.

Cu, Zn-зависимая СОД 1 способствует повышению антиоксидантной защиты нейронов ЦНС при ИИ. Снижение ее активности ведет к повышению концентрации O2–, повреждению ДНК и активации апоптоза. Имплантация клеток нейронов-предшественников с повышенной экспрессией Cu, Zn-СОД в область ишемического повреждения уменьшала размер зоны инфаркта и способствовала улучшению неврологических показателей [45].

Se предохраняет митохондрии от оксидативных повреждений и поддерживает биогенез митохондрий. Прием селенита натрия (по 0,2 мг/кг в сутки в течение 7 дней) способствует снижению объема инфаркта и окисления молекул ДНК. Дотации Se стимулируют увеличение уровней экспрессии двух белков биогенеза митохондрий: коактиватора рецептора активаторов пролиферации пероксисом (PGC-1a) и дыхательного фактора ядра 1 (NRF1) [46]. Дефицит Se увеличивает восприимчивость к глутамат-эксайтотоксичности. Добавление Se в пределах физиологической нормы к культуре нейронов защищает их от эксайтотоксического повреждения. Нейропротекторное действие Se напрямую не опосредовано антиоксидантными эффектами самого селенита и требует синтеза антиоксидантных Se-содержа­щих белков (прежде всего глутатионпероксидазы), способствующих ингибированию активируемого глутаматом NF-kappaB - сигнального белка провоспалительных реакций [47].

Достаточный уровень активности ферментов-антиоксидантов принципиально важен для предотвращения нейрональных повреждений при ИИ. Исследование активности антиоксидантных ферментов в первые часы и дни у пациентов с острым ИИ по сравнению с перенесшими ИИ в течение последних 12 мес показало важную роль Se-зависимой глутатионпероксидазы в антиоксидантной защите ЦНС. У пациентов с острым ИИ отмечены значительные изменения в активности глутатионовой антиоксидантной системы в первые часы и дни заболевания - уровень глутатиона был значительно повышен в первые часы (р<0,01), а уровни Se-зависимой глутатионпероксидазы - в 1-е сутки ИИ (р<0,05). Более высокая активность фермента соответствовала более полному восстановлению неврологических функций в 1-е сутки (r= –0,84, р<0,001) и через 7 дней (r= –0,63, р<0,05) [10].

Исследование NHANES [48] показало связь между повышенным уровнем Cd и риском развития ишемической болезни сердца (ИБС), причем связь между курением и риском ИБС была частично опосредована через повышение уровней Cd. С повышенным риском развития ИБС были также связаны повышенные уровни сурьмы (Sb), Co, вольфрама (W) в моче. Увеличение уровня Cd в плазме крови на 50% приводило к 35% увеличению риска развития ИИ (ОШ 1,35; 95% ДИ 1,12-1,65) [49]. Cодержание свинца (Pb) в плазме крови более 0,48 мкмоль/л (10 мкг/дл) связано с повышенным риском смертности от сердечно-сосудистых заболеваний и ИИ [50].

Изменения в распределении МЭ между тканями организма и их количественные изменения при развитии того или иного патологического состояния ЦНС можно рассматривать как проявление компенсаторно-защитных механизмов или как следствие нарушения регуляторных механизмов, поддерживающих необходимое для нормального течения обменных процессов соотношение между МЭ в тканях организма [51]. Несмотря на то, что имеются данные о распределении МЭ в различных отделах мозга, большинство этих исследований связаны с уточнением роли накопления токсических МЭ при таких нейродегенеративных заболеваниях, как болезни Альцгеймера, Геттингтона, Паркинсона и др. В то же время исследований МЭ-состава непосредственно в очагах ИИ до сих пор не проведено.

Содержание МЭ в отдельных структурах головного мозга неравномерно. Так, левое полушарие головного мозга содержит больше Fe, Cu, Mn, чем правое [52]. Прежде всего, это касается цитоархитектонических полей, входящих в состав слухового, зрительного и кожного анализаторов. Биохимическая асимметрия мозга, в том числе - асимметричное распределение МЭ предположительно связана с функциональной асимметрией больших полушарий. Пока не установлены межполушарные различия в содержании Со, рубидия (Rb), Se, Cr, серебра (Ag) и цезия (Cs); известно лишь, что наибольшее количество металлов локализуется в митохондриях (до 30%), в ядрах (до 10%) и микросомах (до 6%) нейронов. Тяжелые металлы преимущественно накапливаются в ядрах нейронов [52]. У новорожденных концентрация МЭ наиболее высока в продолговатом мозге и таламусе. По мере развития мозга происходит относительное перемещение МЭ в кору [53].

Возрастная динамика концентрации МЭ в ЦНС связана с особенностями обменных процессов, свойственных определенному периоду жизни, и в первую очередь, изменениями интенсивности окислительных процессов. К моменту рождения в белом и сером веществе головного мозга повышается содержание Cu, Zn, Si, Mn, алюминия (Al) [54]. У новорожденных наибольшее количество Cu, титана (Ti), Al, Si содержится в таламусе и продолговатом мозге. В зрелом возрасте Cu и Ti концентрируются в коре полушарий большого мозга. В старческом возрасте отмечены обратные соотношения [55, 56].

Cодержание МЭ выше в участках мозга с наиболее интенсивной деятельностью [57]. Кора больших полушарий лидирует по содержанию большинства МЭ [8]. Раздельное изучение серого и белого вещества головного мозга позволило выявить, что в коре и подкорковых ядрах в связанном с лигандами состоянии избирательно накапливаются Mg, Cu, Сr, Ті, Мn, Мо, V, Zn. Сравнительно мало в коре головного мозга Si и Al [52]. В хвостатом теле и скорлупе отмечается высокое содержание Сr, и Сu, в красном ядре - Bi, в черной субстанции - Ni, Fe, Se; в зрительном бугре много Ті, V и Мn. В мозжечке высокая концентрация Сu и Аl. Неравномерная концентрация Cu в отдельных структурах мозга, очевидно, отражает особенности распределения Cu-содержащих ферментов - тирозиназы и дофамин-бета-гидроксилазы, уровень которых наиболее высок в экстрапирамидной системе.

Из эссенциальных МЭ особенно неравномерно распределяется в мозге Fe. Так называемые более древние структуры мозга, особенно бледный шар и черная субстанция, характеризуются максимальной концентрацией Fe [58]. Высокое содержание Fe обнаружено в красном и хвостатом ядрах, скорлупе, таламусе и гипоталамусе. Ниже концентрация Fe в коре, мозжечке, мамиллярных телах и сером веществе. Минимальное содержание Fe - в спинальных и симпатических ганглиях, продолговатом мозге [54].

Концентрация Zn в веществе головного мозга превышает концентрации других двухвалентных металлов, составляя 10 мкг на 1 г сырой ткани мозга. Максимальная концентрация Zn в гиппокампе и передней доле гипофиза [59].

Концентрация Cu в мозге у плода и новорожденного выше, чем у взрослых, что обусловлено важной ролью Сu в синтезе фосфолипидов. Количество Fe увеличивается с возрастом во всех отделах мозга (кроме продолговатого мозга) [60]. Особенно интенсивно накапливается Fe до 20 лет. Установлено, что содержание Сu, Mn, Al, Si, и Zn в сером и белом веществе мозга повышается к моменту рождения. Недостаточность Zn в критические периоды развития мозга (на 8-12-й неделях и в последнем триместре беременности) приводит к уменьшению объема мозга, общего числа нервных клеток, в которых изменяется ядерно-цитоплазматическое соотношение Zn [52].

При болезни Альцгеймера нейротоксичные МЭ - Al, Fe, олово (Sn) накапливаются в коре, а при болезни Паркинсона - в подкорковых ядрах и мозжечке [61]. При шизофрении и болезни Альцгеймера повышено содержание Al, Mn, скандия (Sc), Si и снижено - Se и Zn в корковых и подкорковых областях. Дисбаланс геностабилизирующих (Zn, Se) и генотоксичных (Al, Sc, Cr) МЭ обнаруживался в гиппокампе пациентов с болезнью Альцгеймера [62, 64].

Участие МЭ в различных нейрофизиологических процессах чрезвычайно многообразно и заслуживает пристального рассмотрения в связи с возможными фармакотерапевтическими подходами к модуляции разных биологических и патобиологических процессов, протекающих в нервной системе. Изучение профиля МЭ в различных регионах мозга при ИИ представляет собой перспективное направление исследований. В доступной литературе мы не обнаружили работ, посвященных исследованию всего спектра МЭ в ткани мозга в разные сроки ИИ. Не изучены и возрастные особенности концентраций МЭ у больных с ИИ, нет данных о связи содержания МЭ в плазме крови и исходов ИИ.

Изменение содержания МЭ в различных отделах головного мозга связано с изменением их концентрации в плазме крови, изменениями циркуляции, нарушениями метаболизма рассматриваемых отделов мозга. Для дифференцирования этих эффектов и установления роли перераспределения МЭ при ИИ необходимо изучение МЭ-профиля в контексте клинического обследования пациентов.

Анализ имеющихся данных о компартментализации МЭ в различных отделах мозга показал, что эти данные весьма разрознены и получены при весьма различных условиях. Компартментализация микронутриентов в головном мозге и особенно в очаге ИИ до сих пор не изучена в рамках комплексного клинического обследования пациентов.