В настоящее время активно изучаются вопросы возникновения болезни Паркинсона (БП), роль возможных пусковых факторов в развитии ранних немоторных и основных моторных нарушений, а также причины тех или иных клинических вариантов течения заболевания. Общепризнано, что ключевым механизмом развития БП является дегенерация дофаминергических нейронов черной субстанции. Однако в последнее время исследователи все больше внимания уделяют вовлечению других нейромедиаторных систем в процессы патогенеза и формирования различных клинических проявлений БП [1, 2].

Существует несколько гипотез, касающихся причин гибели дофаминпродуцирующих нейронов черной субстанции при БП, в их числе генетическая предрасположенность, окислительный стресс, нарушение митохондриального дыхания, действие нейротоксина глутамата, приводящее к повышенной активации постсинаптических глутаматных рецепторов, и к изменениям проницаемости ионных каналов, излишнее поступление ионов Ca²⁺ внутрь клеток, способствующее увеличению активности внутриклеточных протеаз [3]. По современным представлениям, в патогенезе нейродегенерации при БП могут участвовать все вышеуказанные механизмы одновременно или последовательно потенцируя друг друга. В связи с этим можно рассматривать БП как мультифакторное заболевание, которое проявляется в результате взаимодействия генетических и средовых факторов [4]. Это взаимодействие в конечном счете приводит к активации апоптоза, однако пусковой механизм, а также сама последовательность патогенетических факторов нейродегенерации до сих пор остаются неясными [5].

В последние годы наряду с нарушением дофаминергической нейротрансмиссии обнаруживается все больше доказательств важной роли эксайтотоксичности в развитии БП [6, 7]. Эксайтотоксичность ведет к повреждению и гибели нервных клеток за счет воздействия нейромедиаторов, активирующих специфические постсинаптические NMDA (N-метил-D-аспарагиновая кислота) — и AMPA (альфа-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовая кислота)-рецепторы, и индукции процессов апоптоза. Важную роль в этом процессе играют возбуждающие нейротрансмиттеры и в первую очередь глутамат [8].

Глутамат является одним из наиболее распространенных возбуждающих нейротрансмиттеров в нервной системе позвоночных [9]. Сама глутаминовая кислота была открыта и описана немецким химиком К.Х. Риттхаузеном в 1866 г. при обработке пшеничной клейковины (глютена) серной кислотой [10]. Позже в 1908 г. японским исследователем Токийского императорского университета K. Ikeda были обнаружены коричневые кристаллы, оставшиеся после испарения большого количества бульона, образованного при варке съедобной ламинариевой водоросли, которые и оказались глутаминовой кислотой. В дальнейшем этот метод массового производства кристаллической соли глутаминовой кислоты (глутамата натрия) был им же и запатентован [11].

Впервые идею о значении глутамата, а точнее его негативном воздействии на нервную систему, высказал японский исследователь C. Hayashi в 1954 г. В его работах введение глутаминовой кислоты в желудочки головного мозга собак и обезьян вызывало судороги у животных. К концу 50-х годов были проведены эксперименты, в которых глутамат деполяризовал и возбуждал нейроны спинного мозга у кошек. D. Lucas и J. Newhouse в 1957 г. [12] выявили гибель нейронов сетчатки при инъекции мышам глутамата натрия. В 1969 г. J. Olney [13] обнаружил, что это явление не ограничивается сетчаткой, а оказывает влияние на все структуры ЦНС, и предложил термин «глутаматная эксайтотоксичность». Ученый выявил корреляцию между возбуждающими свойствами и нейротоксичностью глутамата, а также установил способность антагонистов глутамата блокировать нейротоксичность. В последующем эти результаты были воспроизведены на модели приматов с использованием более высоких доз глутамата [14]. В этих исследованиях было показано, что гипоталамус и перивентрикулярные области мозга особенно чувствительны к глутамату. Аналогичная нейроанатомическая картина дегенерации наблюдалась после гипоксии мозга [15], что позволило предположить возможную роль эксайтотоксичности глутамата в процессе ишемической гибели нейронов. Доказательства, подтверждающие данную теорию, были предоставлены S. Rothman [16], который продемонстрировал сниженную чувствительность к гипоксии в культурах клеток гиппокампа с использованием γ-D-глутамилглицина (инотропный антагонист глутамата), неспецифического ингибитора постсинаптической возбуждающей аминокислоты. Последующие исследования M. Mattson и соавт. [17] показали роль эксайтотоксичности глутамата при болезни Альцгеймера, БП и других нейродегенеративных заболеваниях, которые связаны с окислительным стрессом и дефицитом клеточной энергии. В своих ранних исследованиях они обнаружили, что нейротрансмиттер глутамат, который ранее считался функционирующим только в синапсах, играет ключевую роль в регуляции развития дендритов и синаптогенезе [18].

В нейронах глутамат изначально синтезируется из углерода окисляющейся глюкозы через стадию образования кетоглутарата в реакции цикла трикарбоновых кислот [19]. Механизм, посредством которого глутамат выходит из синаптической щели, окончательно не изучен. Известно, что выброс глутамата из синаптической везикулы происходит посредством экзоцитоза [20] из цитозоля через активированные анионные каналы с участием белков посредников [21]. Глутамат выбрасывается в синаптическую щель, затем поступает в астроциты [22], где аминируется глутаминсинтазой до глутамина. Последний поступает в пресинаптические окончания глутаматергических нейронов, превращаясь в глутамат при помощи активируемой фосфатом формы фермента глутаминазы. Специфичный для мозга транспортер локализован избирательно на терминалях глутаматергических нейронов и таким образом может регулировать пополнение пула глутамата в пресинаптических окончаниях [19]. Было показано, что любые нарушения способности астроцитов поддерживать оптимальный внеклеточный уровень глутамата функционирующими транспортными системами тесно связаны с нейродегенерацией вследствие эксайтотоксичности [23—25].

Важную роль в качестве главного регулятора переноса глутамата и его внеклеточной концентрации играют специальные переносчики — транспортеры глутамата (англ.: excitatory amino acid transporter — EAAT). На сегодняшний день идентифицировано пять Na⁺-зависимых глутаматных переносчиков, которые располагаются на различных клетках мозга [26]. Известно, что EAAT1, 2, и 3 обнаружены в эндотелиальных клетках и астроцитах, а EAAT3 — в нейронах. Это свидетельствует, что глутамат постоянно курсирует между эндотелиальными клетками, астроцитами и нейронами. Основной функцией ЕААТ1 и EAAT2 принято считать удаление глутамата из синаптической щели с целью последующего преобразования его в глутамин. При этом оказалось, что их работа зависит от концентрации внеклеточного глутамата [27]. Становится очевидным, что сам глутамат и его транспортеры вовлечены как в нормальное функционирование мозга, так и в развитие нейродегенеративного процесса. Таким образом, одну из ключевых ролей в развитии эксайтотоксичности при БП может играть как раз нарушение функционирования глутаматных переносчиков [28].

Известно, что глутамат является одним из основных возбуждающих медиаторов ЦНС, однако избыточная активация его рецепторов может повлечь за собой процессы, приводящие к гибели нейронов [29]. Выделяют два подтипа глутаматных рецепторов, исходя из их роли в работе нервных клеток. К первому относятся ионотропные, которые структурно связаны с ионными каналами и открываются только после их активации специальными лигандами таким образом, что потоками ионов вызывается электрическая активность нейрона. Ко второму относятся метаботропные рецепторы, не связанные с ионными каналами, которые при помощи специальных сигнальных молекул регулируют метаболические процессы в клетках и контролируют активность ионотропных рецепторов [30]. Для метаботропных рецепторов характерна как пост-, так и пресинаптическая локализация и экспрессия не только в нейрональных, но также и в глиальных клетках. Эти рецепторы принимают участие в реализации механизмов памяти, восприятия боли, тревожных состояний, а также в процессах нейродегенерации [31, 32]. На сегодняшний день принято выделять 3 основных подтипа ионотропных рецепторов глутамата на основании чувствительности к наиболее селективному агонисту: чувствительные к NMDA, к AMPA и предпочтительно реагирующие на каиновую кислоту — каинатные рецепторы.

Большое внимание уделяется NMDA-рецепторам, поскольку именно с их функцией связаны усиление синаптической передачи между двумя нейронами, сохраняющееся на протяжении длительного периода времени после воздействия на синапс возбуждение (долговременная потенциация) в гиппокампе, способность воспринимать повреждающие действия через ноцицепторы (ноцицепция), формирование электрической активности головного мозга в виде острых волн или пиков, отличающихся от фоновой активности (эпилептиформная активность), а также эксайтотоксические эффекты глутамата [33]. Рецептор представляет собой гетеромерный комплекс, который взаимодействует с несколькими внутриклеточными белками тремя различными субъединицами: NMDAR 1 (NR1), NMDAR 2 (NR2) и NMDAR 3 (NR3) [34]. Субъединица NR1 имеет 8 различных вариантов, генерируемых процессом синтеза множественных изоформ субъединиц рецептора, так называемый альтернативный сплайсинг, и кодируемых одним геном — GRIN1 (англ.: glutamate ionotropic receptor NMDA type subunit 1). Установлено, что NR2 существует в 4 разновидностях (A, В, С и D), каждая из которых кодируется отдельным геном, соответственно GRIN2A, GRIN2B, GRIN2C, GRIN2D. Установлено участие субъединицы NR2B в процессах обучения и памяти, а также в формировании хронического болевого синдрома [35]. В конце XX века были обнаружены NR3A и NR3B [36], которые на сегодняшний день изучаются.

Важное отличие NMDA-рецепторов глутамата от других ионотропных рецепторов в том, что их канал пропускает не только ионы Na⁺ и K⁺, но и Ca²⁺ и является вторичным посредником и способен модулировать ответ клетки в зависимости от внешнего сигнала [37]. Самая большая плотность NMDA-рецепторов обнаружена в гиппокампе, коре больших полушарий, миндалине и стриатуме [38]. Вероятно, именно поэтому в нормальных условиях активация NMDA-рецепторов связана с пластичностью структур ЦНС, процессами обучения и памяти [39]. В настоящее время установлен значительный вклад гиперактивации ионотропных NMDA-рецепторов в процесс гибели дофаминергических нейронов черной субстанции. Показан механизм защиты нейронов черной субстанции от токсического воздействия метамфетамина за счет блокады NMDA-рецепторов [40, 41]. К настоящему времени существуют подтверждения способности глутамата в миллимолярных концентрациях, находящегося в синаптической щели несколько миллисекунд, активировать NMDA-рецепторы в физиологических условиях [42, 43]. Однако при патологии эти же рецепторы могут активироваться меньшими, микромолярными концентрациями глутамата, но в течение значительно длительного времени [44, 45]. Гиперактивация ионотропных рецепторов глутамата приводит к резкому возрастанию трансмембранного кальциевого тока внутрь клетки с последующим высвобождением Ca²⁺ из внутриклеточных депо, деполяризацией митохондриальной мембраны и, как следствие, длительным повышением количества Ca²⁺ в цитоплазме. Высокое содержание Ca²⁺ в нейронах запускает нейротоксические процессы с активацией протеолитических ферментов и разрушением клеточных структур, что в конечном итоге приводит к усилению синтеза оксида азота, активации перекисного окисления липидов и, как следствие, к окислительному стрессу, нарушению синтеза нейротрофических факторов, а также к апоптозу [46, 47]. Из этого следует, что глутаматная эксайтотоксичность способна не только запустить, но и усугубить нейродегенеративный процесс при БП.

Прямая роль эндогенного глутамата в гибели нейронов черной субстанции также показана при ишемическом поражении головного мозга, при котором происходит значительное увеличение концентрации внеклеточного глутамата [48, 49]. Однако, помимо процесса острой («классической») эксайтотоксичности, принято выделять и механизм так называемой медленной («метаболической») эксайтотоксичности, которая как раз и развивается при нейродегенеративных заболеваниях [50].

Формирование таких нейродегенеративных заболеваний, как БП, возможно при изменении функционального состояния рецепторов, нарушении метаболизма и энергетическом дефиците нейрона [51, 52]. В норме защитные системы мозга способны устранять нейротоксическое действие глутамата, так как NMDA-рецепторы заблокированы внеклеточными ионами Mg²⁺, однако эта блокада является потенциалзависимым процессом и при деполяризации нейронов данный механизм выключается. Функция поддержания поляризованности мембраны в основном обеспечивается ионными насосами, в частности Na⁺/K⁺-аденозинтрифосфатазой (Na⁺/K⁺-АТФаза) [53], а транспорт ионов внутрь клеток и наружу является энергозависимым процессом. В основе отсроченного начала и медленного прогрессирования нейродегенеративных заболеваний лежит генетически обусловленный дефект энергетического метаболизма, который реализует свое повреждающее действие только после активации процессов нормального старения [54]. Уменьшение концентрации АТФ в нейронах, наблюдаемое при старении, приводит к снижению активности АТФазы, что влечет за собой деполяризацию мембраны. Из этого следует, что даже естественная концентрация внеклеточного глутамата может быть токсичной [55]. В исследованиях in vitro на нейронных культурах ингибирование окислительного фосфорилирования цианидами или инактивация Na⁺/K⁺-АТФазы уабаином (строфантин G- наиболее мощный представитель группы сердечных гликозидов) приводили к тому, что незначительные концентрации глутамата становились смертельными, в обоих случаях блокада NMDA-рецепторов предотвращала клеточную гибель [56].

На сегодняшний день полученные в экспериментальных условиях данные свидетельствуют о вероятном участии глутаматной эксайтотоксичности в нейрональной дегенерации альцгеймеровского типа [57]. В качестве подтверждения может выступать тот факт, что глутамат в роли быстрого нейротрансмиттера в структурах головного мозга активно участвует в работе гиппокампа и коры больших полушарий за счет регуляции механизмов обучения и памяти [50, 58]. Однако при определенных условиях он также может стать эксайтотоксином, принимая непосредственное участие в нейродегенеративном процессе [29].

Известно, что глутамат рассматривают в качестве преобладающего возбуждающего нейротрансмиттера в базальных ганглиях, которые и отвечают за моторную функцию, а при их патологии происходит двигательный дефицит, патогномоничный для БП [59]. Ранее в исследованиях у экспериментальных животных моделях БП была установлена дисрегуляция глутаматергических систем [60—62]. Также было показано, что дефицит дофамина в стриатуме, индуцированный поражением нигростриального тракта с использованием 6-OHDA (6-гидроксидопамин—токсин для селективного уничтожения дофаминергических нейронов в головном мозге), приводит к увеличению высвобождения глутамата [63].

В настоящее время понимание роли глутамата как нейротрансмиттера и нейротоксина в патогенезе БП и развитии ее клинических проявлений остается недостаточно выясненным. В связи с этим важным является углубленное изучение глутаматной эксайтотоксичности с целью определения ранних диагностических биомаркеров патологического процесса при БП, а также поиска новых терапевтических подходов в лечении данного заболевания, когда процессы нейродегенерации затронули лишь ограниченное число клеток.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

*e-mail: mir.yuli@mail.ru