Болезнь двигательного нейрона (БДН) - группа тяжелых неврологических заболеваний, в клинике которых на первый план выступает синдром поражения мотонейронов. В 90% случаев БДН носит спорадический, а в 10% - семейный характер как с аутосомно-доминантным типом наследования и вариабельной пенетрантностью, так и аутосомно-рецессивным типом. Около 20% семейной БДН связано с мутациями в гене медь-цинкзависимой супероксиддисмутазы (СОД) [49].

Боковым амиотрофическим склерозом (БАС) называют форму БДН с относительно равномерным поражением и центрального, и периферического мотонейрона (в отличие от прогрессирующей первичной амиотрофии и первичного бокового склероза), однако, как правило, в медицинской литературе БАС фактически является синонимом БДН. На данный момент существует множество теорий патогенеза БАС.

Эксайтотоксичность. Этим термином называют повреждение нейронов чрезмерной глутаматвызванной стимуляцией постсинаптических глутаматных рецепторов, приводящее к массивному проникновению кальция в нейроны и соответственно увеличению концентрации оксида азота и гибели клетки. Такое повышение концентрации глутамата в нейронах было найдено у пациентов с БАС [51, 52].

Оксидантный стресс. Известно, что активные формы кислорода - свободные радикалы - вызывают клеточную гибель. Исследователи обнаружили у пациентов с БАС биохимические изменения, отражающие повреждение нейронов свободными радикалами [43]. Обнаружение мутаций в гене антиоксидантного фермента СОД1 (ген SOD1) также может свидетельствовать, что по крайней мере одним из механизмов повреждения мотонейронов при БАС является оксидантный стресс.

Митохондриальная дисфункция при БАС в настоящее время активно изучается. Показано [37], что митохондрии, играющие важную роль в процессах эксайтотоксичности, апоптоза и выживаемости клетки, являются наиболее ранней мишенью в патогенезе БАС, и их дисфункция влияет на прогрессирование заболевания. Морфологические и функциональные дефекты наличествовали в митохондриях как у пациентов с БАС, так и у трансгенных мышей с мутантным геном, кодирующим фермент СОД1. Была обнаружена зависимость между наличием мутации в гене SOD1 и митохондриальной дисфункцией [53].

Нарушенный аксональный транспорт. Аксоны мотонейронов могут достигать 1 м в длину; их функционирование зависит от активности внутриклеточных транспортных систем (антеро- и ретроградный транспорт). При исследовании аксонального транспорта у трансгенных по мутантному гену SOD1 мышей было обнаружено, что у них замедлен как антеро-, так и ретроградный аксональный транспорт [23].

По данным видеомикроскопии, при БДН происходит первичное нарушение быстрого аксонального транспорта, связанного с микротрубочками и стабилизирующими их белками, и последующее нарушение медленного аксонального транспорта, связанного с нейрофиламентами. Нарушение фосфорилирования цитоскелетных белков и блок SH-групп в результате окислительного стресса, накопление свободных радикалов приводят к нарушению аксонального транспорта. При БАС также отмечается нестабильность микротрубочек, осуществляющих быстрый аксональный транспорт. На ведущую роль нарушения механизма сборки микротрубочек и как следствие аксонального транспорта у трансгенных мышей и у пациентов с мутацией в гене динактина (p150-субъединицы) указывают исследования, проведенные S. Jablonka и соавт. [27].

У некоторых пациентов с БАС были обнаружены массивные скопления кинезина (отвечает за антеградный аксональный транспорт) вблизи обильно фосфорилированных нейрофиламентов; также у них отмечалось недостаточное количество цитоплазматического динеина (отвечает за ретроградный аксональный транспорт) или его отсутствие. Выявлена селективная аккумуляция кинезина в сфероидах аксонов мотонейронов, вызывающая нарушение антеградного быстрого аксонального транспорта при БАС [45, 56].

Агрегация нейрофиламентов. Гисто- и иммунохимические методы исследования позволили установить, что при БДН имеют место аномальные скопления нейрофиламентов в проксимальных участках аксонов и телах мотонейронов [36]. В исследованиях на трансгенных мышах с точковыми мутациями в гене нейрофиламента, приводящими к повышенной экспрессии белка, и на мышах, трансгенных по мутантному гену SOD1, было выявлено развитие патологии мотонейронов с аккумуляцией в нейронах нейрофиламентов [57]. Было также показано, что повышенная экспрессия человеческих нейрофиламентов у трансгенных мышей приводит к прогрессирующей нейронопатии и проявлениям, характерным для БДН [13]. Эти данные позволили предположить, что нарушения структуры нейрофиламентов и их аккумуляция, с одной стороны, могут непосредственно вести к развитию нейродегенеративных процессов, а с другой - носить вторичный характер и вызываться различными изменениями метаболизма нейрона, что позволяет рассматривать гены нейрофиламентов как возможные гены-кандидаты развития БДН.

Воспалительные реакции и участие других клеток. В патогенезе БАС принимают участие не только мотонейроны, но и глиальные, дендритные и антигенпредставляющие клетки. Иммуногистохимически подтверждено наличие незрелых, а также активированных дендритных CD1a(+) и CD83(+) клеток в передних рогах спинного мозга и кортикоспинальном тракте пациентов с БАС [26]. Транскрипты моноцитов, макрофагов и микроглии в спинном мозге больных были также увеличены, а активированные клетки CD68+ обнаружены в непосредственной близости от мотонейронов спинного мозга. Микро-РНК экспрессия хемокинов МСР-1 была также увеличена у пациентов с БАС. Эти данные подтверждают вовлечение в патологический процесс при БДН факторов воспаления.

Дефицит нейротрофических факторов, механизмы апоптоза. Механизмы гибели нервной клетки при нейродегенеративных заболеваниях осуществляются главным образом по механизму апоптоза. Биохимические маркеры апоптоза были обнаружены на терминальных стадиях БАС [24]. Понижение активности нейротрофических факторов, угнетающих экспрессию «суицидальных» генов, играет важную роль в инициации первой фазы апоптоза. Существует концепция, связывающая возникновение нейродегенеративных заболеваний с дефицитом специфического ростового фактора, который может иметь место как в онтогенезе, так и в зрелой нервной ткани [7]. Дефицит нейротрофических факторов может быть обусловлен генетически или развиваться в результате экзогенных влияний. Представители различных семейств ростовых факторов оказывают трофическое влияние именно на мотонейроны. При исследовании таких нейротрофических факторов, как CTNF, BDNF, GDNF и IGF-1, было обнаружено снижение их уровня у пациентов с БАС [6]. Также показано, что делеция в гене сосудисто-эндотелиального фактора роста (VEGF) вызывает заболевание мотонейронов в моделях на мышах [42].

Однако описанные выше патогенетические механизмы не являются специфическими именно для БАС [32], поэтому наряду с ними рассматриваются генетические факторы и патологическое влияние белковых агрегатов на мотонейроны.

Гены СОД (цитоплазматическая медь-цинкзависимая, митохондриальная марганецсодержащая и внеклеточная) и нейрофиламентов могут быть связаны с развитием БДН. В 20% случаев семейного аутосомно-доминатного БАС и 2% случаев спорадического БАС были обнаружены мутации в гене SOD1 [3, 4, 49, 58]. Патологический процесс развивается за счет приобретения мутантным белком новых цитотоксических свойств. Цитотоксическое действие мутантного СОД1 может быть обусловлено патологической олигомеризацией белков в высокомолекулярные структуры, повышенной пероксидазной активностью фермента, а также продукцией пероксинитрита [11, 29].

Известно 116 мутаций гена SOD1 у больных с БАС, которые в основном затрагивают экзоны и редко - некодирующие области гена [22]. Мутации широко разбросаны на протяжении всего гена, но преобладают в 4-м и 5-м экзонах. Неясна причина малочисленности мутаций в 3-м экзоне, кодирующем сайт связывания цинка. Из 113 известных мутаций 100 являются миссенс-мутациями, 13 - нонсенс-делеционными или инсерционными.

Несмотря на большое количество обнаруженных мутаций гена SOD1, клинические особенности, связанные с теми или иными мутациями, отмечаются довольно редко. При СОД-ассоциированной БДН выявляются широкие внутри- и межсемейные фенотипические различия, а также семьи с низкой пенетрантностью [35].

Выявлены мутации кодирующего тяжелую цепь нейрофиламентов гена NEFH, расположенного на 22-й хромосоме [4]. Идентифицированы мутации гена, кодирующего эндосомальный фактор обмена гуанина (GEF), располагающегося на хромосоме 2q33.2. Считается, что мутации этого гена (ALS2) вызывают медленно прогрессирующую с ранним началом форму семейного БАС (ювенильная форма аутосомно-рецессивного БАС). Однако последние работы [5, 61] опровергают гипотезу о возможности развития заболевания при наличии мутаций в этом гене.

I. Puls и соавт. [45] показали связь заболевания мотонейронов с геном в регионе 4Mb на хромосоме 2p13. Анализ мутаций гена в этом интервале, кодирующий большую субъединицу белка аксонального транспорта - динактина (эта часть комплекса белков функционирует как транспортная система, присущая только мотонейронам), продемонстрировал единичную замену пар оснований и как результат возникновение изменений аминокислотной последовательности, ведущей к искажению вторичной сборки микротрубочкосвязывающего домена. Это приводит к снижению связывания мутантного белка и микротрубочек, подтверждая связь дисфункции динактинопосредованного аксонального транспорта и развития заболевания мотонейронов.

Ранее считалось, что только мутации в двух генах, кодирующих СОД1 и р150-субъединицу динактина (DCTN1), связаны с развитием дегенерации мотонейронов у людей [25, 50]. Однако недавно были сформулированы принципиально новые взгляды на патогенез БДН.

Известно, что при гистопатологическом исследовании ткани спинного и головного мозга пациентов, умерших от БАС, в мотонейронах обнаруживаются три типа патологических включений: тельца Буниной, убиквитиновые включения и гиалиновые конгломераты (нейрофиламенты).

В 1962 г. Т.Л. Бунина описала наличие небольших эозинофильных включений в клетках передних рогов спинного мозга и при семейном, и при спорадическом БАС. Тельца Буниной позднее были описаны также при болезни Пика. При БАС они выявляются в цитоплазме, и природа этих включений до настоящего времени неизвестна. Обнаружены два белка, составляющие тельца Буниной, - цистеин С и трансферрин [31]. В недавнем исследовании [44] тельца Буниной в малых -мотонейронах были обнаружены в 88 (86%) из 102 аутопсий умерших от БАС.

Наряду с тельцами Буниной в цитоплазме и ядре нейронов при БАС и фронтотемпоральной деменции были обнаружены убиквитиновые включения. В 2006 г. M. Neumann и соавт. [41] выявили, что белок TDP-43 является основным в убиквитинпозитивных и т-негативных включениях, обнаруживаемых при этих двух заболеваниях. Этот гиперфосфорилированный убиквитинированный белок был обнаружен в гиппокампе, неокортексе и спинном мозге. В дальнейших исследованиях был найден ген, кодирующий TDP-43 на хромосоме 1 - TARDBP (ТАR ДНК-связывающий белок). В 2008 г. исследователями было доказано, что наличие мутации в гене TARDBP может являться причиной развития БАС [20, 28, 54].

Белок TDP-43 имеет молекулярную массу 43 кД и представляет два РНК-связанных домена и глицин-насыщенную конечную цепь. В настоящее время 29 различных мутаций гена TARDBP были обнаружены у 51 больного со спорадическим и семейным БАС. Все обнаруженные мутации оказались в 6-м локусе, который кодирует глицин-насыщенный домен. Среди большой популяции пациентов с БАС из Северной Англии (42 СОД1-неассоциированных случая семейного БАС, 474 - спорадического БАС, 45 - прогрессирующей мышечной атрофии и 5 - БАС-плюс синдрома) были обнаружены 4 мутации в гене TARDBP (2 - при семейном и 2 - при спорадическом БАС), 2 из которых были ранее неизвестны. Таким образом, частота TARDBP-мутаций при БАС примерно составляет 5% при семейной форме и 0,4% - при спорадической [30].

В обзоре 2008 г. [9] описано множество мутаций в гене, кодирующем белок TDP-43, выявленных у больных с БАС в разных популяциях. Например, в итальянской популяции пациентов (125 случаев семейного и 541 - спорадического БАС) были обнаружены 12 новых мутаций в 6-м экзоне [17].

В 2009 г. была выделена еще одна мутация в гене, кодирующем ДНК/РНК-связывающий белок, названная FUS (fused in sarcoma), или TLS (translocation in liposarcoma) [33, 59]. С. Vance и соавт. [59] у британской семьи с семейной формой БАС обнаружили доминантную мутацию (R521C) в гене FUS/TLS. Эта же мутация была обнаружена учеными еще в четырех семьях с семейной формой БАС. Независимо от этого исследования T. Kwiatkowski и соавт. [33] в 2009 г. также обнаружили мутацию в гене FUS/TLS при семейной форме БАС с аутосомно-рецессивным типом наследования; при этом у 293 пациентов со спорадической формой БАС данная мутация не была обнаружена.

FUS/TLS-агрегаты локализуются преимущественно в ядре, но также выявляются и в цитоплазме нейронов и глиальных клеток [33, 59]. Интересно, что при появлении агрегатов TDP-43 в цитоплазме как глиальных клеток, так и нейронов частично уменьшается количество патологических агрегатов в ядре этих клеток.

Учеными из Филадельфии [20] в 2008 г. при иммуногистохимическом исследовании ткани спинного и головного мозга 31 пациента с БАС было доказано мультисистемное поражение ЦНС патологическим белком TDP-43. Выявлено, что, помимо вовлечения в патологический процесс больших и малых -мотонейронов, патологический TDP-43 обнаружился и в других отделах ЦНС, включая нигростриарную систему, неокортекс и мозжечок. В группе контроля включений TDP-43 обнаружено не было. Таким образом, можно считать, что при TDP-43 протеинопатии имеет место мультисистемный нейродегенеративный процесс.

Важным представляется вопрос, присутствуют ли патологические агрегаты TDP-43 в семейных случаях БАС в зависимости от наличия и отсутствия мутации SOD1. В связи с этим ученые из Японии исследовали головной и спинной мозг в 4 случаях семейного БАС (2 - с уже известной мутацией гена SOD1 и 2 - без данной мутации), используя поли- и моноклональные антитела к TDP-43 [55]. Нейропатологически СОД1-ассоциированные случаи семейного БАС характеризовались похожими на тельца Леви гиалиновыми включениями в малых -мотонейронах, а при СОД1-неассоциированных случаях в больших и малых -мотонейронах были обнаружены тельца Буниной, а также убиквитинированные агрегаты в малых -мотонейронах, неотличимые от таковых при спорадическом БАС. По отношению к аномальному белку TDP-43 СОД1-ассоциированные случаи БАС оказались иммунонегативными, в то время как убиквитинированные агрегаты, обнаруженные при спорадическом БАС и в 2 случаях семейного СОД1-неассоциированного БАС оказались положительными на TDP-43. Интересно, что в данных случаях в глиальных клетках также был обнаружен белок TDP-43. Таким образом, можно предположить, что патогенетические механизмы развития заболевания СОД1-ассоциированных форм отличны от таковых при наличии мутаций в гене, кодирующем TDP-43.

При исследовании патологического влияния TDP-43 на геном и внутриклеточные процессы было показано его участие в сплайсинге РНК, как нормальном, так и патологическом. Предполагается, что в дополнение к роли в регуляции транскрипции и сплайсинга, TDP-43 может участвовать в других клеточных процессах: микро-РНК биогенез, апоптоз и деление клетки [12].

Считается, что нейродегенеративные заболевания - следствие нарушенного белкового метаболизма с дисфункцией в убиквитин-протеосомной системе, что приводит к появлению нейротоксичных белковых олигомеров и агрегации внутриклеточных белковых депозитов. Аномальные амилоидные белки, -синуклеины и гиперфосфорилированные -белки являются причиной более чем 90% дегенеративных заболеваний. Патология -синуклеина и амилоидного белка соотносится с болезнями Альцгеймера и Паркинсона; гиперфосфорилированный -белок обнаружен при лобно-височной дегенерации и болезни Пика; прионные белки - при болезни Крейтцфельдта-Якоба; белок атрофин - при болезни Гентингтона; белок атаксин - при спиноцеребеллярной атрофии; и СОД - при семейном БАС [18]. C. Weissmann и R. Brandt [60], исследуя влияние патологической белковой агрегации при нейродегенеративных заболеваниях на клеточных моделях БАС и таупатий, показали, что патологические белковые агрегаты не статичны, как ранее считалось, а молекулярно-изменчивы, динамичны, и это динамическое состояние нейронального цитоскелета, по-видимому, играет решающую роль в нейрональной дегенерации.

Выявление ДНК/РНК-связывающего белка TDP-43 и определение его как ключевого в патологических белковых агрегатах при фронтотемпоральной деменции и БАС позволило два этих заболевания объединить в группу TDP-43 протеинопатий [8, 40].

L.McCluskey и соавт. [38], исследовав срезы спинного и головного мозга пациента с БАС-плюс синдромом, обнаружили в цитоплазме мотонейронов тельца Буниной и РНК/ДНК-связывающий протеин TDP-43. TDP-43 повсеместно присутствовал в цитоплазме нейронов и глиальных клеток моторной коры, а также гиппокампе, среднем мозге, бледном шаре, ядре подъязычного нерва, черной субстанции и скорлупе. В кортико-спинальном тракте также были обнаружены редкие изолированные нейрофибриллярные конгломераты и -синуклеинпозитивные аксональные «сфероиды». Следовательно, БАС-плюс синдром можно также отнести к TDP-43 протеинопатиям.

Таким образом, при БАС часто обнаруживается патологическая белковая агрегация. Выявление ДНК/РНК-связанного белка TDP-43 в патологических белковых агрегатах при фронтотемпоральной деменции и некоторых формах БАС позволяет объединить эти два заболевания в единую группу TDP-43-протеинопатий. При этом патогенез БАС СОД1-ассоциированных форм БАС, по-видимому, отличен от такового при наличии мутации в гене, кодирующем белок TDP-43: в последнем случае не только поражаются мотонейроны, а имеет место мультисистемный нейродегенеративный процесс.

Обнаружение белка TDP-43 позволяет по-новому взглянуть на патогенетические механизмы, лежащие в основе фронтотемпоральной деменции и БАС, и улучшить диагностику данных заболеваний. Ожидается, что недавно созданные специфически-фосфорилированные антитела к TDP-43, позволяющие высокочувствительно обнаружить патологически измененный ТDP-43, станут «золотым стандартом» в нейропатологической диагностике нейродегенеративных заболеваний [40].

На основе современных данных о патогенезе нейродегенеративных заболеваний можно по-новому взглянуть на их лечение, в том числе и БАС.

На замедление прогрессирования БАС достоверно доказано лишь влияние рилузола за счет действия на глутаматную систему, что подтверждено в многоцентровых исследованиях [39]; остальные вещества пока не показали своей эффективности.

Проводилось исследование влияния L-аргинина на прогрессирование БДН in vitro и на трансгенных по SOD1 мышах. Установлено, что L-аргинин защищает мотонейроны от эксайтотоксического повреждения, а на трансгенной по SOD1 модели мышей было показано значительное замедление прогрессирования заболевания и увеличение продолжительности жизни животных [34].

При БАС изучалось влияние кортикальной магнитной стимуляции, однако лечение было неэффективным [19].

В последние годы перспективным методом патогенетической терапии БАС считается использование нейротрофических факторов [1,16]. Описаны возможности использования ряда нейротрофических факторов: фактора роста нервов (NGF), мозгового нейротрофического фактора (BDNF), инсулиноподобного фактора роста 1-го и 2-го типа (IGF-1, IGF-2), семейства нейротрофинов (NT-3, NT-6, NT4/5), глиального (GNTF) и цилиарного нейротрофического фактора (CNTF), нейропоэтических цитокинов и т.д.

Активно изучается генно-клеточная терапия БАС. Исследуют трансплантацию стволовых, прогениторных и дифференцированных клеток как способ доставки в поврежденную ткань нейротрофических факторов и молекул адгезии, которые поддерживают в ткани выживание нейронов, обеспечивают регенерацию утраченных клеток и восстановление межклеточных контактов [2, 15]. Для нейротрансплантации применяют эмбриональные стволовые клетки, мезенхимальные клетки костного мозга, стволовые клетки пуповинной крови.

Указания на выявление при нейродегенеративных заболеваниях мутаций в конкретных генах могут свидетельствовать о потенциальной эффективности вмешательств на генетическом уровне. Генная терапия позволяет как подавить, так и усилить экспрессию гена-мишени. В настоящее время к генной терапии существуют разнообразные подходы: использование антисмысловых нуклеотидов, экспрессионных векторов, РНК-интерференции и др. Внутримышечная или внутриспинальная инъекция интерферирующей РНК, комплементарной мРНК мутированного гена SOD1, у трансгенных мышей приостанавливала начало заболевания и увеличивала время жизни животных [2, 47, 48]. Клинические испытания при нейродегенеративных заболеваниях (БАС, болезни Альцгеймера, Паркинсона, Гентингтона) проходит использование вирусных и невирусных экспрессионных векторов [2, 46]. С целью доставки в область нейродегенерации факторов, поддерживающих выживание нейронов, проводятся экспериментальные работы по трансплантанции генетически модифицированных стволовых клеток пуповинной крови. Стволовые клетки, экспрессирующие терапевтические гены, значительно усиливают лечебный эффект трансплантации и регенераторный потенциал органа-мишени [2, 10, 14]. Трансплантация пуповинных клеток крови трансгенным мышам G93A продлевала их жизнь, а терапевтический эффект зависел от количества трансплантированных клеток [15].

Таким образом, дальнейшее накопление данных о мутациях в конкретных генах при БАС в различных популяциях и совершенствование методов генно-клеточной и нейротрофической терапии, возможно, позволят более эффективно лечить это тяжелое заболевание, соответственно улучшая выживаемость и качество жизни больных.