Боковой амиотрофический склероз (БАС) — неизлечимое нейродегенеративное заболевание, характеризующееся селективной дегенерацией верхних и нижних двигательных нейронов. Клинические признаки болезни выражаются в развитии мышечных атрофий, нарушений артикуляции и глотания, фасцикуляций, изменении рефлексов и спастичности. Основная причина смерти больных, которая наступает в среднем через 3—5 лет с момента появления первых симптомов заболевания, — паралич дыхательной мускулатуры. Около 90% всех зарегистрированных случаев БАС имеют неизвестную этиологию и классифицируются как спорадические. Остальные 10% — это наследственные формы БАС, характеризующиеся мутациями в ряде генов, в основном аутосомно-доминантного характера [1].

Мутации, связанные с БАС, приводят к конформационной нестабильности и агрегации белков (SOD1 [2], VCP [3], OPTIN [4], UBQLN2 [5]), нарушениям процессинга и транспорта РНК (C9ORF72 [6], TDP-43 [7], FUS [8, 9]), изменению динамики цитоскелета (SQSTM1 [10], DCTN1 [11], TUBA4A [12, 13]). Исключительная генетическая изменчивость БАС объясняет сложность заболевания, при котором гетерогенные механизмы приводят к общему патогенезу. Ключевыми чертами течения данного заболевания являются эксайтотоксичность [14], окислительный стресс, дисфункции митохондрий [15], нейровоспалительные и иммунные реакции [16]. В последние годы предпринимается изучение роли липидов в патогенезе данного заболевания.

Хотя болезнь известна со второй трети XIX века, радикальных средств лечения БАС до сих пор не найдено. В настоящее время в мире существует всего два лекарственных препарата для лечения БАС — рилузол (понижает эксайтотоксичность глутамата) и эдаравон (проявляет антиоксидантные свойства), которые демонстрируют незначительное увеличение выживаемости больных БАС [17, 18].

Модели БАС, используемые для изучения механизма заболевания

Для изучения механизма любого заболевания, в частности БАС, необходимо наличие его моделей как на клеточном уровне, так и на животных. Первым прорывом в разработке моделей для изучения БАС с использованием грызунов было обнаружение в начале 1990-х годов мутаций в гене, кодирующем супероксиддисмутазу 1 (SOD1), которые были связаны с этим заболеванием [2]. Подавляющее большинство случаев семейной формы БАС обусловлено генетическими мутациями в гене SOD1 (15%) и повторением экспансии нуклеотидов в на участке C9ORF72 (около 40—50% семейной и ~10% спорадической форм БАС). К настоящему времени выявлено более 160 мутаций в гене SOD1, связанных с патогенезом БАС, при этом, согласно статистическим данным, мутации SOD1 обнаруживаются в 20—25% случаев БАС [19]. На основе мутаций гена SOD1 были созданы модели трансгенных животных, которые в настоящее время являются инструментом для изучения молекулярных механизмов патогенеза БАС [1, 2, 19, 20].

Основной функцией белка SOD1 является катализ реакции дисмутации супероксида в кислород, т.е. защита организма от высокотоксичных кислородных радикалов. Дисфункция этого фермента в результате мутаций приводит к нарушению гомеостаза антиоксидантных ферментных систем организма. Наличие повышенного содержания активных форм кислорода и азота приводит к разрушению клеточных структур, липидов, белков, а также ДНК и РНК. Кроме того, влияние активных форм на митохондрии и их метаболические процессы в конечном итоге вызывает повышение уровня активных форм кислорода/активных форм азота, что приводит к окислению митохондриальных белков, липидов и ДНК. Открытие мутаций гена SOD1 при БАС повлекло за собой исследования роли свободных радикалов и процессов окисления, белков, ДНК, липидов, в том числе мембранных фосфолипидов в развитии этого заболевания [2, 20, 21]. Однако в дальнейшем было показано, что мутации гена SOD1 не являются единственной причиной активации окислительных процессов в организме при БАС, так как в случаях мутаций других генов также наблюдается развитие окислительного стресса [22]. Тем не менее, поскольку повышенное содержание продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ), протекающего в центральной нервной системе, обнаруживается в цереброспинальной жидкости, плазме и моче при БАС, предлагается проведение поиска биомаркеров этого заболевания среди продуктов окислительного стресса [23, 24].

Модели БАС с экспрессией мутантных изоформ SOD1

Были созданы модели БАС на различных видах грызунов, включая мышей и крыс, у которых происходила экспрессия мутантных изоформ SOD1. Наиболее популярными стали мышиные модели, сверхэкспрессирующие мутантные формы SOD1 человека. Также были разработаны мышиные модели, экспрессирующие множественные копии мутанта мышиного SOD1 с ранним смертельным заболеванием моторных нейронов [25]. У животных с экспрессией измененного SOD1 развивается болезнь двигательного нейрона, напоминающая болезнь человека, с разными сроками манифестации и скоростью прогрессирования. Центральными признаками болезни у этих животных являются ранний астро- и микроглиоз, глутаматобусловленная эксайтотоксичность, дефицит транспорта аксонов, вакуолизация митохондрий, нарушение структуры нейрофиламентов и снижение метаболической поддержки двигательных нейронов окружающими их глиальными клетками [25—27]. В итоге происходит избирательная потеря спинальных двигательных нейронов, вызывающая обширное истощение и атрофию мышц как задних, так и передних конечностей, что приводит к параличу и смерти. Важным отличием этих мышиных моделей от особенностей заболеваний человека состоит в том, что значительная кортикальная нейрональная дегенерация, фундаментальная особенность болезни человека (и требуемая для диагностики БАС), не наблюдается в большинстве этих моделей [27]. Это критическое отличие от фенотипа болезни может отражать основные патогенные недостатки мышиной модели SOD1 в качестве инструмента для изучения болезни моторных нейронов [28].

Тем не менее в течение последних 20 лет мышиные модели БАС с экспрессией SOD1, в основном модель SOD1^G93A, а затем модели SOD1^G37R, SOD1^G85R и SOD1^G86R, использовались для характеристики патологии БАС, а также для изучения конкретных преимуществ потенциальных методов лечения [28, 29]. Популярность таких моделей определялась наличием демиелинизированных аксонов, а также тем, что уровни экспрессии переносчиков МСТ1 у мышей были снижены так же, как и в коре человека при БАС [30].

Кроме мышиных моделей, были созданы линии трансгенных крыс со сверхэкспрессией SOD1, оказавшиеся особенно полезными для оценки терапевтических исследований в связи с преимуществами в размере животных, особенно при введении терапевтических препаратов, например непрерывной интраспинальной доставки терапевтических соединений через осмотические мини-насосы [29].

Многие доклинические испытания потенциальных терапевтических средств были выполнены на мутантных моделях SOD1 мышей и крыс (в основном на мутантной линии SOD1^G93A, а не на мутантной линии SOD1^G37R). Один из самых многообещающих результатов — миноциклин, который ингибирует нейровоспаление и апоптотическую гибель клеток, что значительно влияет на заболевание у мышей SOD1^G93A [31, 32]. Для оценки вклада отдельных клеточных популяций в патогенез БАС были созданы модельные животные, которые избирательно экспрессируют мутантный SOD1 в специфических глиальных и нейронных субпопуляциях [26, 33].

Изменение метаболизма РНК при БАС и создание моделей с мутациями в белках, обеспечивающих метаболизм РНК

Исследования показали, что у большинства больных БАС патология была вызвана нарушениями в метаболизме РНК, что является основным отличием от животных моделей с мутациями в гене SOD1. Было установлено что в нервной ткани пациентов с БАС и фронтотемпоральной деменцией не было обнаружено мутаций в гене SOD1, однако при этом присутствовали TDP-43-положительные цитоплазматические включения в моторных нейронах [34, 35]. Это наблюдение привело к тому, что основное внимание было уделено роли измененного метаболизма РНК в патогенезе БАС. Выявленные белковые агрегаты были убиквитинированы, фосфорилированы и содержали расщепленные C-концевые фрагменты TDP-43 — от английского «Transactive response DNA binding protein 43 kDa». Гипотеза о том, что БАС является РНК протеинопатией, была также подтверждена обнаружением мутаций в гене TDP-43, встречающихся у 3% пациентов с семейной формой БАС [36, 37]. Учитывая роль TDP-43 в процессинге, транспортировке и сплайсинге РНК, это предполагает, что измененный метаболизм РНК участвует в патогенезе болезни у большинства пациентов с БАС [38, 39]. Кроме патологии, связанной с дисфункцией белка TDP-43, при БАС были обнаружены также мутации в гене другого ДНК/РНК-связывающего белка — FUS (Fused in sarcoma). FUS и TDP-43 имеют сходную доменную структуру и выполняют в клетке аналогичные функции — участвуют в регуляции процессинга и транспорта мРНК [39—42]. Помимо связи с нуклеиновой кислотой, FUS ассоциируется как с общими, так и с более специализированными белковыми факторами, которые влияют на инициирование транскрипции. FUS взаимодействует с несколькими ядерными рецепторами и ген-специфическими факторами транскрипции Spi-1/PU.1 и NF-κB. Он также может влиять на инициирование транскрипции и селекцию промотора путем взаимодействия с РНК-полимеразой II и комплексом TFIID [43—45]. Кроме того, в отличие от TDP-43 агрегаты FUS обнаруживаются только у пациентов, несущих мутации FUS, и не являются основным патологическим признаком других пациентов с семейной или спорадической формами БАС, указывая на то, что в отличие от TDP-43 вклад FUS в БАС может быть ограничен небольшим подмножеством пациентов с БАС. Тем не менее предложены модели БАС на животных с мутациями в генах этого белка, так называемые FUS протеинопатии [46, 47].

В Институте физиологически активных веществ РАН совместно с Институтом биологии гена РАН была создана и охарактеризована линия трансгенных мышей FUS, воспроизводящая внутриклеточные FUS-положительные накопления в нервных тканях, характерные для пациентов с БАС. Агрегаты FUS белка имеют плотную структуру, а сам белок лишен участка ядерной локализации. Данный вид FUS протеинопатии приводит к повреждению мотонейронов, а также нейровоспалительной реакции и снижению численности тел мотонейронов. Такая клиническая картина характеризуется относительно ранней манифестацией заболевания (2,5—4,5 мес) и быстрым летальным исходом (в течение нескольких дней с момента манифестации) [46].

Для моделирования болезни человека необходимо создавать трансгенные животные модели, отражающие конкретные фенотипы болезни БАС. На данный момент существует менее десяти моделей, воспроизводящих фенотипические признаки патологии БАС у людей. Однако, учитывая тот факт, что мутантный SOD1, по-видимому, имеет важное значение, для развития заболевания менее чем у 2% всех случаев БАС, а большинство случаев семейной формы БАС, по-видимому, определяется изменениями в метаболизме РНК [46], в последнее время большее внимание стало уделяться созданию новых моделей. Например, получило развитие создание моделей трансгенных грызунов с мутациями участка C9orf72, связанного с БАС [47, 48].

Разработка новых моделей грызунов с вновь открытыми генами

За последние 10 лет наблюдался всплеск идентификации генов, связанных с БАС. Мутации в большинстве генов, таких как UBQLN2, p62, VCP, Profilin1, Matrin 3 и т.д., редко наблюдаются при наследственной форме БАС. Некоторые из этих генов, такие как UBQLN2 и p62, могут быть вовлечены в патогенез спорадической формы БАС, поскольку часто присутствуют в тканях ЦНС у таких пациентов [49]. Мутации в VCP участвуют в патогенезе БАС, лобно-височной деменции, а также болезни Педжета [50]. Создаются новые модели животных с использованием вновь открытых генов. К настоящему времени получены модели грызунов, экспрессирующие мутантный VCP [51, 52], которые проявляют признаки болезни Педжета, сопровождающейся прогрессирующей мышечной слабостью и значительным накоплением цитоплазматического TDP-43 в нейронах головного мозга и моторных нейронах спинного мозга. Комбинирование в исследованиях как новых моделей БАС с использованием грызунов, так и iPS-клеток, с признаками, специфичными для пациентов, позволит прийти к лучшему пониманию патогенеза БАС и направить поиск препаратов для лечения этого нейродегенеративного заболевания.

Метаболизм липидов при развитии БАС

Липиды играют исключительно важную роль в ЦНС. Они выполняют структурную функцию, являясь основными компонентами клеточных мембран, служат источником энергии, участвуют в межклеточной коммуникации и передаче клеточных сигналов. Значимость липидов в биологических системах подчеркивается тем, что 5% генов человека отвечает за синтез липидов [19]. В мозге широко представлены все классы липидов [20], и за исключением жировой ткани мозг является органом с самым высоким содержанием липидов у человека и животных [21]. Нарушение липидного баланса оказывает негативное влияние на структурные и физиологические свойства мозга, функции нейронов и нейроглии, включая мембранный транспорт и контроль над активностью ферментов. Разрушение клеточной мембраны является характерной чертой нейродегенерации, возникающей при хронических заболеваниях ЦНС.

Различные нарушения липидного метаболизма характерны как для спорадической, так и для наследственной формы БАС. Наиболее часто наблюдаемые из них — дис- или гиперлипидемия, окислительный стресс [16, 53, 54]. Одним из характерных признаков БАС, наблюдаемым приблизительно у ²/₃ пациентов с БАС, является снижение веса вследствие гиперметаболизма, который приводит к увеличению потребляемой организмом энергии и, поскольку одним из основных энергетических источников являются липиды, непосредственно связан с липидным метаболизмом. Регуляторная роль липидов как вторичных мессенджеров выявляется при исследовании воспалительных процессов при БАС, которые сопровождаются активацией микроглии, потерей нейромышечных соединений и последующей дегенерацией мотонейронов. При этом наблюдается повышенное содержание нейротоксичных молекул, таких как цитокины, оказывающих негативное влияние на процессы синтеза белков и липидов, в которых активное участие принимают вторичные мессенджеры липидной природы. Таким образом, исследование липидов при БАС может предложить новые подходы в изучении механизмов, отвечающих за процессы нейродегенерации, воспаления, окислительного стресса, проведение клеточного сигнала, изменения структуры мембран, а также повлиять на развитие новых методов диагностики и таргетной терапии БАС.

Гиперлипидемия при БАС

Нарушения липидного баланса в крови пациентов с БАС проявляются в форме как дислипидемии, так и гиперлипидемии [53]. Причем, как показано во многих исследованиях, гиперлипидемия, развивающаяся у больных БАС, коррелирует с увеличением продолжительности их жизни. Например, в работе L. Dupuis и соавт. [54] двукратное повышение содержания общих липидов в крови пациентов БАС коррелировало с увеличением продолжительности жизни на 12 мес. Также в исследованиях пациентов с БАС показано, что повышенное содержание триглицеридов сыворотки крови коррелирует с более длительной продолжительностью жизни [55].

В настоящее время проводятся многочисленные исследования по поиску липидных биомаркеров БАС. В качестве потенциального показателя состояния организма и/или прогнозирования течения заболевания и продолжительности жизни больных БАС рассматривается комплекс липидного профиля в плазме крови пациентов с БАС (концентрация триглицеридов, холестерина, липопротеидов низкой плотности (ЛПНП), липопротеидов высокой плотности (ЛПВП)) [54—57]. Однако ряд исследователей указывают на то, что большинство этих показателей не имеет существенных различий у больных по сравнению со здоровыми и не является достоверными признаками для прогноза БАС. Достаточно убедительны исследования (число исследуемых пациентов около 500—600), где не обнаружено достоверных отличий в липидном профиле сыворотки крови по уровню холестерина, триглицеридов, ЛПНП и ЛПВП [57]. Кроме того, не обнаружено связи между липидным профилем и продолжительностью жизни больных БАС [55].

Роль полиненасыщенных жирных кислот в развивающихся протеинопатиях

Жирные кислоты, свободные или входящие в состав триглицеридов и фосфолипидов, играют важную роль в организме. Они являются источником энергии и субстратом ПОЛ, разрушаясь с образованием гидрофобных радикалов при взаимодействии с активными формами кислорода. Наиболее пристальное внимание уделяется изучению полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), которые, являясь структурными компонентами фосфолипидов, оказывают влияние на проницаемость и текучесть мембран, активность мембраносвязанных ферментов и транспортных белков. Кроме того, ПНЖК являются субстратом для синтеза провоспалительных медиаторов, в том числе при патогенезе БАС, эйкозаноидов (простагландинов, простациклинов, тромбоксанов и лейкотриенов). Некоторые исследователи предполагают, что состав жирных кислот общих липидов в крови пациентов может отражать патологическое состояние при БАС. Было показано, что содержание пальмитолеата (16:1) и олеата (18:1) значительно повышено относительно контроля, причем соотношение 16:1/16:0 коррелирует с показателями функциональной шкалы при БАС (ALSFRS-R), исходя из этого соотношение 16:1/16:0 предлагают использовать в качестве независимого прогностического фактора [58].

Особую роль в клетках мозга играют длинноцепочечные ПНЖК. При их непосредственном участии осуществляются регуляция взаимодействия нервных и глиальных клеток, стимуляция синаптогенеза, взаимодействие с нейротрансмиттерами и др. [59]. Биологическая роль ПНЖК в мозге зависит как от длины углеродной цепи, так и от расположения двойных связей [60].

Линолевая и альфа-линоленовая кислоты относятся к незаменимым, поступая в организм с пищей. Проникая через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ), альфа-линоленовая кислота может понижать скорость ПОЛ посредством соединения с транскрипционным фактором NF-κB, препятствуя связанному с глутаматом эксайтотоксическому разрушению и окислительному стрессу, предотвращая таким образом гибель нейронов. Нейропротекторные свойства альфа-линоленовой кислоты также проявляются в пролонгировании выживаемости нейронов через понижение иммунореактивности проапоптических протеинов. Кроме того, альфа-линоленовая кислота служит метаболическим предшественником эйкозопентаноевой и дексагексагеновой кислот. При БАС было показано, что альфа-линоленовая кислота также оказывает положительный эффект, снижая риск заболевания [60].

Докозагексаеновая кислота (омега-3 ПНЖК) является одним из ключевых липидов в гомеостазе нервной системы. Было показано, что при спорадической форме БАС специфически меняется синтез докозагексаеновой кислоты, а эксайтотоксичность совместно с окислительным стрессом приводит к повышению уровня докозагексаеновой кислоты и повышенной экспрессии ферментов ее синтеза. Также показана связь метаболизма докозагексаеновой кислоты с агрегацией белка TDP-43, одного из основных патогенетических факторов при БАС [61]. Кроме того, докозагексаеновая кислота служит предшественником нейропротектора резолвина D1, который предлагают использовать при лечении БАС. Механизм действия резолвина Д1 основан на его роли медиатора при ингибировании синтеза провоспалительных цитокинов IL-6 и TNF-α [62].

При заболевании БАС большую роль играет еще один медиатор липидной природы — арахидоновая кислота, которая может быть метаболизирована либо ферментом простагландин-эндоперокси-N-синтазой, либо липооксигеназой, в зависимости от чего становится предшественником про- или противовоспалительных компонентов иммунной системы, таких как простагландины, лейкотриены, и др. Активация ферментов арахидонового цикла отмечена при различных нейродегенеративных заболеваниях, в том числе при БАС (в спинном мозге модельных животных, и в спинномозговой жидкости пациентов с БАС), что соответствует повышенному содержанию простагландинов [63, 64].

Эйкозопентаеновая кислота, метаболизм которой связан с арахидоновой кислотой, служит источником эйкозаноидов. В числе омега-3 жирных кислот эйкозопентаеновая кислота оказывает нейропротективное действие. При БАС была показана важная роль эйкозопентаеновой кислоты на пресимптоматической стадии развития SOD1-трансгенных мышей — значительное снижение активации микроглии и астроцитов [65].

Кроме этих достаточно хорошо известных полиненасыщенных жирных кислот и их функций, недавно обнаружены новые производные ПНЖК: соединения полиненасыщенных жирных кислот с оксидом азота (нитроалкены, NO₂-жирные кислоты), обладающие свойствами нейропротекторов. NO₂-жирные кислоты обнаружены в плазме крови, клеточных мембранах и тканях. Они способны влиять на воспалительный процесс, снижая уровень провоспалительных медиаторов посредством ингибирования ферментов, оказывая защитный эффект и предотвращая гибель мотонейронов при БАС.

NO₂-жирные кислоты, являясь вторичными мессенджерами внутриклеточной сигнализации, запускают сигнальный каскад посредством ковалентных обратимых посттранскрипционных модификаций нуклеофильных аминокислот, воздействуя таким образом на регуляцию процессов транскрипции белков и ферментов. Механизм проведения внутриклеточного сигнала NO₂-жирных кислот зависит от их распределения и расположения в гидрофильном и гидрофобном окружении, этерификации и других свойств. NO₂-арахидоновая и NO₂-олеиновая кислоты включены в сигналинг активации транскрипционного фактора Nrf2 — от англ. «Nuclear factor-erythroid 2-related factor 2», действие которого понижает токсичность активированных астроцитов по отношению к мотонейронам [66]. Один из наиболее изучаемых в настоящее время нитроалкенов — нитроолеиновая кислота. Показано, что ее противовоспалительные свойства основаны на способности проникать через ГЭБ и включают снижение уровня простагландинов и гидроксиэйкозатриеновой кислоты в головном мозге, а также уменьшение астроглиоза в спинном мозге животных при моделировании БАС (SOD1-мыши) [67, 68].

ПНЖК, диета и питание. Большинство ПНЖК может синтезироваться в клетках животных и человека, однако подавляющее их количество поступает в организм с пищей. Дефицит ПНЖК в питании приводит к различного рода нарушениям, начиная от изменения жирнокислотного состава мембран нервных клеток и заканчивая неврологическими и когнитивными нарушениями. С другой стороны, показано, что ПНЖК, поступающие в организм с пищей, могут проникать через ГЭБ, встраиваться в мембраны клеток головного мозга и модулировать окислительный стресс, воспалительные процессы, в том числе выброс цитокинов, т.е. именно те механизмы, которые характерны для БАС. Проводились исследования, в которых изучалось влияние повышенного содержания ПНЖК в диете пациентов с БАС и на животных моделях. Групповые длительные повторные обследования (1 002 082 человек) показали, что включение ПНЖК, а именно альфа-линоленовой кислоты, в рацион существенно снижает риск БАС [60, 69].

Результаты исследования влияния различных рационов на течение БАС показали позитивный эффект при назначении диеты, насыщенной кетонами (D-β-3 гидроксибутират). D-β-3 гидроксибутират, проникая через ГЭБ, метаболизируется в митохондриях клеток мозга в ацетоацетат и далее в ацетил-КоА, служа, таким образом, энергетическим субстратом для метаболизма нервных клеток. Кетоновая диета, уже известная нейропротекторными свойствами при некоторых нейродегенеративных заболеваниях (болезнь Паркинсона), а также при эпилепсии, улучшает моторные функции и выживаемость трансгенных SOD-мышей. Одна из модификаций кетоновой диеты, диета, содержащая среднецепочечные (от 6 до 12 углеродов) триглицериды, способствовала значительному снижению прогрессирования слабости и увеличению продолжительности жизни БАС-модельных животных [70].

Триглицериды

Одним из факторов, способствующих выживанию нейронов при БАС, называют повышенное содержание триглицеридов в плазме крови. Результаты исследования (413 больных БАС и 400 человек контрольной группы) демонстрируют, что пациенты с повышенным содержанием триглицеридов имели большую продолжительность жизни [55]. В некоторых исследованиях обнаруживают гендерные различия при БАС: уровень триглицеридов в специфической липопротеиновой фракции ЛПВП коррелировал с высокой выживаемостью у женщин, но не у мужчин [71]. Безусловно, как и отмечают многие исследователи, содержание триглицеридов в значительной степени отражает уровень питания пациента, который в свою очередь может оказывать влияние на продолжительность жизни при БАС [72]. Кроме того, в цереброспинальной жидкости (ЦСЖ) пациентов с БАС обнаружено пониженное содержание длинноцепочечных триглицеридов (16:1/18:1/18:2) [72].

Фосфолипиды

Фосфолипиды составляют около 50% от общего количества липидов, входящих в мембраны, и около 45% от общей сухой массы мозга. Фосфолипиды играют важнейшую роль в метаболизме клеточных систем нервных клеток, они являются основными структурными компонентами внешних и внутренних мембран клеток, влияя на текучесть мембран и активность мембраносвязанных белков, кроме того, фосфолипиды участвуют в передаче клеточного сигнала, являясь источником вторичных мессенджеров. Развитие липидомики в последние десятилетия в первую очередь связано с исследованиями роли фосфолипидов в нормальной деятельности мозга и при различных заболеваниях, в том числе нейродегенеративных. Показано, что фосфолипиды задействованы в ключевых процессах при болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона, рассеянном склерозе [73, 74]. Однако исследований функции фосфолипидов в патологии БАС на данный момент исключительно мало, на данный момент существует всего лишь несколько работ в этом направлении. Исследования фосфолипидного профиля ЦСЖ при БАС у пациентов и модельных животных показали, что при БАС специфически отличались от контроля уровни определенных форм фосфолипидов с длинноцепочечными остатками жирных кислот: фосфатидилхолин (20:4) и сфингомиелин (22:0) [73]. Подобные результаты наблюдались и в мозге трансгенных мышей: фосфатидилхолин (36:2), фосфатидилхолин (36:4), фосфатидилхолин (40:6) были значительно выше, чем у контрольных. Разница в содержании фосфатидилхолинов между пациентами БАС и контролем, так же, как и между трансгенной БАС-моделью и контролем, демонстрирует значительное вовлечение фосфатидилхолинов, особенно фосфатидилхолина (36:4), в патологию БАС.

Исследователи предполагают, что повышенная концентрация фосфатидилхолинов, особенно фосфатидилхолина (16:0/20:4), может индуцировать повышенную активность фосфолипазы А2, вследствие чего усиливается высвобождение липидных медиаторов, таких как эйкозаноиды, что ведет к стимуляции воспалительных процессов при БАС. Точно так же высвобождение арахидоновой кислоты приводит к последующему синтезу простагландинов и перекисному окислению липидов, что характерно для нейродегенеративных процессов. Идентификация жирнокислотной цепи 22:6 в доминирующих при БАС фосфолипидах может соотноситься с докозагексаеновой кислотой, включенной в процессы стабилизации нейрональных мембран, передачи сигналов, дифференциации нейронов, нейрогенеза и др. Тогда как некоторые исследователи находят взаимосвязь между потерей мотонейронов в спинном мозге при БАС модельных мышей и снижением фосфатидилхолина (диацил-16:0/22:6), другие наблюдают повышенное содержание докозагексаеновой кислоты во фронтальной коре головного мозга пациентов с БАС [73, 75].

Другой группой исследователей проводилось изучение содержания фосфолипидов на модели БАС. Объектом исследования были выбраны различные отделы спинного мозга трансгенных SOD-мышей на разных сроках развития патологии: на пресимптоматической, симптоматической и постмортальной стадиях. Эти исследования показали значительное снижение уровня фосфатидилхолинов, содержащих докозагексаеновую кислоту: фосфатидилхолин (диацил-16:0/22:6), фосфатидилхолин (диацил-18:0/22:6) и фосфатидилхолин (18:1/22:6) на терминальной стадии жизни животных, которая происходила на фоне потери нейронов. Содержание другого молекулярного вида фосфатидилхолина (диацил-16:0/16:0) фактически не менялось в модели и в контроле. Исследователи делают вывод, что на терминальной стадии патологии снижение докозагексаеновая кислота-содержащих фосфатидилхолинов, но не других фосфатидилхолинов, может отражать потерю нейронов передних рогов спинного мозга [75].

Холестерин

Известно, что холестерин играет важную роль в структуре мембраны, в том числе в клетках мозга, где сосредоточено до 25% всего холестерина. Большей (до 70% от общего содержания в мозге) частью холестерин сосредоточен в миелиновой оболочке, где его основная функция заключается в стабилизации мембраны и увеличении ее жесткости, что способствует проведению электрического импульса. Значительно меньше холестерина содержится в плазматических мембранах нейронов (до 10%) и глии (до 20%) [76]. Для нейронов характерна высокая концентрация холестерина в синаптических мембранах, что способствует осуществлению нейропередачи, стабилизации клеточного контакта. Важно отметить, что синтез холестерина в мозге взрослого организма осуществляется большей частью не в нейронах, а в глиальных клетках. Холестерин синтезируется в астроцитах, образует липопротеиновую частицу с АроЕ, которая посредством эндосом секретируется во внешнюю среду. Комплекс холестерина с АроЕ захватывается с помощью рецепторов нейрональной мембраны и включается в метаболизм нервной клетки [77].

Кроме холестерина, в организме большую роль играют его метаболиты — оксистеролы. Один их них, 24-гидроксихолестерин, служит для выведения холестерина из мозга, но при этом является еще и вторичным мессенджером: активирует ядерные рецепторы в астроцитах и нейронах, что ведет к повышению экспрессии белков холестеринового метаболизма [77, 78]. Другой оксистерол, 27-гидроксихолестерин, интенсивно образуется при различных патологиях, в том числе при окислительном стрессе. При этом 27-гидроксихолестерин может проникать в мозг через ГЭБ и накапливаться в мозге, увеличивая риск нейродегенерации [79]. 25-гидроксихолестерин участвует в иммунном ответе, его концентрация может повышаться при нейродегенеративных заболеваниях.

Достаточно широко исследуется значение холестерина и его метаболитов при различных патологиях ЦНС. Однако роль холестерина при БАС пока не может считаться раскрытой, скорее в исследованиях наблюдается неоднородная картина. Ряд исследователей [80] обнаружили положительную корреляцию между повышенным содержанием холестерина в плазме крови и выживаемостью при БАС. У 73% пациентов с БАС (в группе из 512 добровольцев) наблюдалась гиперхолестеринемия (повышенное содержание холестерина), которая статистически достоверно положительно влияла на выживаемость пациентов с БАС [56]. Также высокое содержание в плазме крови холестерина на фоне повышенного содержания триглицеридов оказывало значительный эффект на выживаемость пациентов [72]. Однако при дислипидемии не было обнаружено какой-либо корреляции между развитием БАС и содержанием триглицеридов и холестерина, ассоциированного с ЛПВП. Показано, что содержание общего холестерина и холестерина, входящего в ЛПВП, четко коррелировало с риском БАС [53]. Возможно, отличия зависят от характера протекания заболевания: при гиперлипидемии повышенное содержание триглицеридов и холестерина может служить положительным фактором, при дислипидемии — фактором риска.

Метаболиты холестерина при БАС

Интересно, что ген, кодирующий один из ферментов холестеринового обмена, стерол-27-гидролазу (CYP27A1), идентифицирован в качестве возможного кандидата гена, ассоциированного с БАС [81]. Опубликовано несколько работ, связанных с выявлением роли мембранного холестерина в механизмах БАС. Исследования на SOD1-трансгенных мышах показали влияние 24-гидроксихолестерина на синаптическую передачу, а именно то, что 24-гидроксихолестерин способен подавлять экзоцитотоз при высвобождении нейротрансмиттеров посредством сигнального пути, опосредованного NO-липидными рафтами в нейромышечных синапсах у SOD1-трансгенных мышей [78]. Однако, как признают и сами авторы, необходимы дальнейшие исследования в этой области [81, 82].

Заключение

В обзоре представлены наиболее популярные модели, используемые для изучения механизмов БАС. Среди них акцент сделан на моделях БАС с использованием различных видов грызунов, включая мышей и крыс с экспрессией мутантных изоформ SOD1. Наиболее популярными стали мышиные модели, сверхэкспрессирующие человеческие мутанты SOD1. Также были разработаны мышиные модели, экспрессирующие множественные копии мутанта мышиного SOD1 с ранним смертельным заболеванием моторных нейронов. Кроме мышиных моделей, были созданы линии трансгенных крыс со сверхэкспрессией SOD1, оказавшиеся особенно полезными для оценки терапевтических исследований в связи с преимуществами в размере животных, особенно при введении терапевтических препаратов, например непрерывной интраспинальной доставке терапевтических средств.

В связи с тем, что у большинства пациентов с БАС патология была вызвана нарушениями в метаболизме РНК, были созданы модели с мутациями в белках, обеспечивающих метаболизм РНК, например TDP-43 и FUS. Белки FUS и TDP-43 имеют сходную доменную структуру и выполняют в клетке аналогичные функции — участвуют в регуляции процессинга и транспорта мРНК [39—42]. В Институте физиологически активных веществ РАН совместно с Институтом биологии гена РАН была создана и охарактеризована линия трансгенных мышей FUS, воспроизводящая внутриклеточные FUS-положительные накопления в нервных тканях, характерные для пациентов с БАС.

Представленные в настоящем обзоре многочисленные исследования как на различных моделях БАС, так и в клинике демонстрируют резко выраженную дисрегуляцию метаболизма различных классов липидов. Значительные нарушения в содержании и синтезе липидов обнаружены на разных стадиях развития БАС. Некоторыми исследователями определено, что состав жирных кислот общих липидов в крови пациентов может отражать патологическое состояние при БАС. На основании изменений содержания некоторых жирных кислот в процессе развития БАС, а именно пальмитолеата (16:1) и олеата (18:1), которые коррелируют с показателями функциональной шкалы при БАС (ALSFRS-R), предлагается использование изменения соотношения этих кислот в качестве независимого прогностического фактора. Кроме изменений в составе жирных кислот, обнаружено различие в содержании фосфолипидов между пациентами с БАС и контролем, так же как и между трансгенной БАС-моделью и контролем. Таким образом, детальное изучение изменений в метаболизме липидов при БАС позволит более четко понять патологические аспекты БАС и создать новые лекарственные средства для лечения данной нейродегенеративной патологии.

Работа выполнена в рамках проекта №19-13-00378 Российского научного фонда, Государственного задания ИФАВ РАН (ГЗ «Поиск и исследование механизмов действия нейропротекторов и стимуляторов когнитивнвых функций» №0090-2019-0005) и Государственного задания ИБХФ РАН «Исследования свойств липидов в нейропатологиях (тема №44.4, Гос. Регистрации 01201253310).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.