Благодаря современным технологиям в мире наблюдается устойчивый рост продолжительности жизни. Поскольку возраст является фактором риска для развития многих нейродегенеративных заболеваний (НДЗ), в ближайшие годы число пациентов с болезнями Альцгеймера (БА) и Паркинсона (БП) будет только увеличиваться, так как современные методы лечения этих заболеваний малоэффективны. Требуются новые подходы, одним из которых является использование технологии многоцелевых лигандов. Ее суть состоит в поиске гибридных молекулярных структур, обладающих способностью воздействовать сразу на множество терапевтических мишеней [1]. Антоцианы (АЦ), их обобщенная молекулярная структура — один из таких кандидатов. Эта группа соединений представляет собой водорастворимые пигменты, придающие фруктам и овощам характерный цвет от красного до синего. АЦ относятся к флавоноидам и являются естественным компонентом рациона человека. Например, АЦ очень много в чернике, смородине, черноплодной рябине и других ягодах. Интерес к АЦ обусловлен широтой их биологической активности [2], в том числе способностью к предупреждению заболеваний, связанных со старением (рак, диабет, сердечно-сосудистые, глазные и др.), а также способностью напрямую влиять на мозговые функции. Так, АЦ могут пересекать гематоэнцефалический барьер (ГЭБ), накапливаться в мозговой ткани [3, 4] и оказывать стимулирующее влияние на память, обучение и внимание [5]. В обзоре представлены лабораторные и клинические обоснования применимости АЦ в качестве вспомогательного средства для профилактики и лечения некоторых нейродегенеративных заболеваний. Также обсуждаются проблемы, связанные с практическим применением АЦ.

Строение антоцианов и их фармакокинетика

АЦ — обобщенное название группы соединений, в основе которых лежит структура, показанная на рисунке. Эта структура описывает строение антоцианидинов. Антоцианидины встречаются в природе в виде гликозилированных производных, которые и являются АЦ. В роли углеводного остатка могут выступать как моносахариды (галактоза, глюкоза, рамноза), так ди- и трисахариды. Углеводная часть связана с агликоном (т.е. антоцианидином) обычно в положении 3, иногда в положениях 3 и 5. Антоцианидины обычно делят на шесть различных классов: цианидин, мальвидин, дельфинидин, петунидин, пеларгонидин и пеонидин [2]. Как показано на рисунке, в основе такой классификации лежит количество и положение гидроксильных (-OH) и метоксильных (-OCH₃) групп. Структурное разнообразие АЦ зависит от типа агликона; количества и положения углеводов, прикрепленных к агликону; количества и природы алифатических или ароматических кислот, которые ацилируют АЦ. На данный момент обнаружено около 700 разновидностей АЦ [6]. АЦ — чрезвычайно лабильные соединения. Их стабильность существенно зависит от pH раствора и от характера заместителей в B-кольце. В целом АЦ относительно устойчивы в кислой среде и быстро разлагаются в щелочной среде до темно-коричневых окисленных соединений. Наличие ионов металлов, температуры, света и кислорода также способствует разрушению АЦ [2]. Структура АЦ, их абсорбция и метаболизм тесно переплетены. Метаболизм АЦ начинается уже в ротовой полости и связан с расщеплением гликозидных связей. Этот процесс опосредован локальной микрофлорой и приводит к образованию свободных антоцианидинов [7]. Структура антоцианидинов существенно влияет на процесс всасывания. Так, АЦ на основе пеларгонидина абсорбируются легче, чем АЦ с большим количеством заместителей в B-кольце [8]. Некоторая часть АЦ быстро всасывается в желудке [9]. Считают, что в этом процессе задействованы переносчики билирубина (билитранслоказа), глюкозы и органических анионов [10]. Однако большая часть АЦ всасывается в кишечнике, причем в процесс вовлечены механизмы с участием как пассивной диффузии, так и активного транспорта. АЦ, попавшие в кровоток, быстро достигают печени через воротную вену. Гепатоциты трансформируют АЦ в гидроксилированные, глюкуронидированные, сульфатированные и метилированные производные [7], часть из которых смешивается с желчью и секретируется в кишечный просвет. Далее происходит реабсорбция АЦ и их метаболитов. Этот процесс называется энтерогепатической циркуляцией. Часть АЦ достигает толстой кишки, где содержится подавляющее большинство кишечных бактерий. Дальнейший метаболизм АЦ опосредован бактериальной микрофлорой и идет с образованием альдегидов и фенольных кислот, таких как протокатехиновая, ванилиновая и галловая [11]. В целом количество метаболитов АЦ на всем протяжении желудочно-кишечного тракта непрерывно увеличивается. Отчасти этому способствует энтерогепатическая рециркуляция, которая также отвечает за увеличение времени пребывания АЦ в организме [7]. АЦ и их метаболиты обнаружены в разных частях тела (печень, почки, легкие, глаза), в том числе в центральной нервной системе [3, 12]. Так, было показано, что АЦ накапливаются в ткани головного мозга грызунов на уровнях до 0,21 нмоль/г ткани [13, 14]. Накопление АЦ и их метаболитов наблюдалось также в эндотелиальных клетках сосудов головного мозга, его паренхиматозной ткани, в полосатом теле, гиппокампе, мозжечке и коре [5]. Эти данные представляют особый интерес, поскольку некоторые из этих регионов содержат уязвимые популяции нейронов, потеря которых связана с некоторыми нейродегенеративными заболеваниями [5]. В одной из работ цианидин-3-O-глюкозид вводился внутривенно. Было обнаружено, что захват этого АЦ в головной мозг происходит очень быстро, в течение нескольких секунд. Его производные появляются в мозге через несколько минут [3]. Полагают, что механизм проникновения АЦ в мозг может быть связан с транспортером билирубина. Так, было показано, что АЦ взаимодействуют с этим транспортером [15], а сам транспортер присутствует в эндотелиальных клетках ГЭБ [16]. Другой путь преодоления ГЭБ может быть связан с транспортерами P-гликопротеина [4]. Некоторые АЦ могут трансформироваться из одного вида в другой непосредственно в тканях мозга или в крови, подвергаясь быстрому метилированию и гидроксилированию. Так, цианидин-3-O-глюкозид может превращаться в петунидин-3-O-глюкозид посредством метилирования [3]. В целом АЦ обладают низкой биодоступностью, порядка 1—2% [7, 17].

Структура наиболее распространенных в природе антоцианидинов.

Антоцианы как многоцелевые нейропротекторы

Общей чертой хронических нейродегенеративных заболеваний, как, например, БА, БП и боковой амиотрофический склероз (БАК), является прогрессирующая гибель нейронов в головном или спинном мозге. Хотя этиология и патогенез этих заболеваний до конца не ясны, считают, что причиной дегенерации и гибели нейронов является сочетанное воздействие трех факторов — окислительного/нитрозативного стресса, нейровоспаления и эксайтотоксичности [18]. Окислительный/нитрозативный стресс обусловлен нарушением способности нейрональных клеток удалять избыток активных форм кислорода (АФК) и азота (АФА), что в свою очередь вызывает неспецифическое окислительное повреждение белков, липидов и ДНК/РНК. Митохондриальная дисфункция как следствие этих событий способствует еще большей генерации АФК и является триггером, запускающим апоптоз нейронов. Окислительный/нитрозативный стресс тесно связан с явлением эксайтотоксичности. Это явление обусловлено нарушением гомеостаза ионов кальция и состоит в чрезмерном увеличении их внутриклеточной концентрации, например из-за излишней стимуляции NMDA-рецепторов. Избыток кальция активирует внутриклеточные сигнальные каскады, приводящие к деполяризации митохондрий, генерации избытка АФК и активации факторов апоптоза. Также избыток кальция способен напрямую активировать про-апоптические факторы, такие как кальпаины. Для нейродегенеративных заболеваний также характерно нарушение белкового гомеостаза. Этот термин подразумевает нарушение кругооборота белков, приводящего к образованию аномальных белковых образований, таких как β-амилоид (Aβ) при БА, α-синуклеин в БП и ДНК-связывающий белок-43 при боковом амиотрофическом склерозе (TDP-43). Аберрантные отложения таких белковых агрегатов способствуют развитию хронического нейровоспаления, при котором наблюдается чрезмерное высвобождение провоспалительных цитокинов, АФК и глутамата, которые запускают нейродегенеративные механизмы и апоптоз [18]. АЦ воздействуют на все вышеперечисленные звенья патогенеза. Рассмотрим их подробнее.

Антиоксидантное действие. АЦ способны напрямую взаимодействовать со всеми свободнорадикальными формами O₂ и N₂. Однако способность АЦ нейтрализовать эти формы существенно зависит от типа агликона, паттернов гликозилирования, природы сахаров и характера самого радикала. Так, АЦ, гликозилированные в положении C3, имеют большую антирадикальную активность, чем дигликозилированные по C3 и C5 [19]. Антиоксидантное действие АЦ не ограничивается нейтрализацией свободных радикалов. В условиях оксидативного/нитрозативного стресса избыток супероксид-анионов может взаимодействовать с NO, генерируя сильный окислитель, пероксинитрит-анион. Это соединение не является радикалом, но способно нитровать тирозин, входящий в состав белков, и нарушать их правильную укладку. Показано, что способность АЦ противодействовать нитрованию/димеризации тирозина при формировании Aβ падает в ряду цианидин-3-рутинозид>мальвидин-3-глюкозид~дельфинидин-3-глюкозид>петунидин-3-глюкозид [19]. Другой стороной антиоксидантной активности АЦ служит их способность усиливать естественную ферментативную защиту клеток от свободных радикалов. Так, под действием АЦ происходит активация генов, ответственных за синтез каталазы, супероксиддисмутазы, глутатионпероксидазы (GP) и глутатионредуктазы (GR) [20, 21]. Также увеличивается экспрессия γ-глутамилцистеинлигазы, которая в свою очередь повышает синтез глутатиона (GSH). Сочетанная работа GSH, GP и GR способствует не только эффективному перехвату свободных радикалов, но также устраняет окислительное повреждение липидов. Некоторые АЦ способны напрямую активировать GP. Наконец, АЦ влияют на путь, связанный с ферментативной генерацией свободных радикалов. Например, АЦ способны напрямую и косвенно ингибировать прорадикальную активность циклооксигеназы-2 (COX-2) [20—22].

Противовоспалительное действие. Как известно, воспалительные реакции в мозге опосредуются микроглией. Взаимодействие этих клеток со специфическими индукторами, например с белковыми отложениями (Aβ1-42) или бактериальным липополисахаридом (ЛПС), активирует сигнальные пути, отвечающие за синтез провоспалительных факторов, таких как индуцибельная синтаза оксида азота, COX-2, НАДФ-оксидаза-2 и фактор некроза опухоли. Показано, что АЦ способны понижать уровень этих провоспалительных молекул путем торможения переноса транскрипционного фактора NF-kB в ядро [23—26]. В основе этого явления лежит ингибирующее влияние АЦ на сигнальный путь, запускаемый активацией толл-подобного рецептора TLR4 и далее с участием c-Jun-N-концевой киназы (JNK), протеинкиназы, активируемой митогеном p38 (p38-MAPK), внеклеточной сигнально-регулируемой киназы 1/2 (ERK1/2) и Akt [24, 27]. Все эти результаты были получены при изучении микроглиальных клеткок линии BV-2. Аналогичные данные продемонстировало изучение первичных астроцитов. Хотя астроциты не являются резидентными клетками иммунной системы, однако в ответ на обработку ЛПС также способны секретировать провоспалительные факторы, подобно микроглии. Показано, что цианидин и АЦ брусники значительно ослабляют эту реакцию [28].

Антитоксическое действие. Под этим термином будем понимать способность АЦ смягчать негативные последствия нарушения гомеостаза кальция, белков и углеводов. Хотя механизм, с помощью которого АЦ поддерживают гомеостаз кальция, не совсем понятен, некоторые данные указывают на то, что эти соединения влияют на его транспорт. Во всяком случае, твердо установлено, что многие АЦ, включая цианидин-3-O-глюкозид и цианидин-3-O-галактозид, предотвращают критическое повышение концентрации свободного внутриклеточного кальция в ответ на стимуляцию нейронов каиновой кислотой или избытком глутамата [29, 30]. В этих же работах показано, что в условиях эксайтотоксичности АЦ повышают выживаемость нейронов. Другой стороной антитоксического действия АЦ может служить их влияние на белковый гомеостаз, нарушенный при НДЗ. Действительно, для БА характерно наличие токсичных β-амилоидных бляшек и гиперфосфорилированных тау-белков, свернутых в нейрофибриллярные клубки, для БП — тельца Леви, состоящие из α-синуклеина. Считают, что эти аномальные белковые агрегаты играют существенную роль в гибели нейронов. Было показано, что многие АЦ и антоцианидины, включая цианидин-3-O-глюкопиранозид и мальвидин, напрямую ингибируют олигомеризацию β-амилоида в токсичные фибриллы [31—33]. Одним из звеньев белкового гомеостаза является механизм аутофагии, который жизненно важен для удаления из внутриклеточного пространства токсичных агрегатов и неправильно свернутых белков. Было показано, что АЦ из ягод асаи способны стимулировать аутофагию [34]. Кроме того, обнаружено, что АЦ значительно увеличивают оборот аутофагосом и усиливают активацию mTOR, который является одним из регуляторов аутофагии [35]. Еще одной стороной антитоксического действия АЦ может служить их способность обезвреживать высокореакционные побочные продукты углеводного обмена, например метилглиоксаль (МГ). Это соединение весьма токсично и образуется главным образом как побочный продукт гликолиза. МГ и некоторые моносахариды способны повреждать белки, взаимодействуя с их свободными тио- и аминогруппами, формируя так называемые конечные продукты гликирования (advanced glycation end-products, ACEs). С возрастом уровень этих соединений в организме медленно возрастает, но при БА скорость накопления ACEs сильно ускоряется. Показано, что АЦ способны нейтрализовать МГ и снижать уровень ACEs в экспериментальных моделях ускоренного старения [22, 32, 36, 37].

Антиапоптотическое действие. АЦ модулируют несколько сигнальных путей, которые отвечают за гибель и выживание клеток. Митохондриальный сигнальный путь является доминирующим и реализуется в результате выхода цитохрома C и фактора AIF (apoptosis inducing factor) из митохондрий в цитоплазму клетки. Высвобождение этих инициаторов апоптоза контролирует в том числе белок Bax, относящийся к семейству проапоптотических белков семейства Bcl-2 (B-cell lymphoma-2). АЦ способны подавлять их активацию. Так, цианидин и производные петунидина стабилизировали митохондриальную мембрану и повышали выживаемость клеток, снижая соотношение Bax/Bcl-2, индуцированное D-галактозой [37] или 1-метил-4-фенилпиридинием [38]. Известно, что попадание цитохрома C в цитоплазму клетки в сочетании с каспазой-9 инициирует образование активной каспазы-3. Этот белок и AIF запускают апоптоз независимо друг от друга. АЦ способны ингибировать как каспазозависимый, так и независимый пути. Так, показано, что цанидин-3-O-глюкозид тормозит высвобождение из митохондрий проапоптотического фактора AIF [39]. С другой стороны, обнаружено, что АЦ черноплодной рябины подавляют Aβ(1-42)-индуцированную транскрипцию генов, отвечающих за экспрессию цитохрома C, каспазы-9, каспазы-3 и Bax [40]. Также известно, что активация белков семейства Bcl-2 инициируется JNK и p53. В нескольких работах показано, что АЦ непосредственно ингибируют активность этих двух белков [41, 42]. Показано, что АЦ ослабляют p53 и JNK-зависимый апоптоз и снижают активность каспазы-3 в условиях гипоксии, вызванной окклюзией церебральной артерии [43]. Известно также, что в противовес апоптотическому сигнальному пути существует антиапоптотический путь, связанный с киназой PI3K (phosphoinisitide-3-kinase). Активация этого пути подавляет работу проапоптотических белков Bcl-2 и увеличивает выживаемость клетки. Показано, что АЦ черных бобов снижают нейротоксичность олигомеров Aβ через сигнальный путь PI3k/Akt/Nrf2 в культуре клеток HT22 [44].

Влияние антоцианов на когнитивные функции и риск развития деменции

Исследования влияния АЦ на поведенческие функции грызунов в лабораторных моделях НДЗ обнаружили защитное действие этих соединений на память, исследовательскую активность и обучаемость [33, 37, 41, 44]. Эти результаты послужили предпосылкой для проведения клинических испытаний АЦ.

Интервенционные исследования. Изменение электрической активности мозга и улучшение когнитивных способностей после приема АЦ в составе пищевых добавок отмечались во многих работах. Так, J. Bowtell и соавт. [45] изучали влияние 12-недельного потребления концентрата черники (387 мг антоцианидинов) на когнитивные функции здоровых пациентов (5 женщин, 7 мужчин; возраст 67,5±3,0 года). До и после приема пищи участники выполняли различные функциональные тесты (числовой тест Струпа и др.), их мозг сканировали с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ, 1,5 Тл), также определяли степень его перфузии. Было обнаружено, что АЦ черники вызывают значительное увеличение активности в зонах Бродмана 4/6/10/21/40/44/45, предклинье, передней поясной извилине и островке/таламусе (p<0,001), а также значительное улучшение перфузии серого вещества в теменной (5,0±1,8% против –2,9±2,4%, p=0,013) и затылочной (8,0±2,6% против –0,7±3,2%, p=0,031) долях. После приема черники также отмечалось улучшение рабочей памяти (двойной тест, p=0,05). Авторы заключают, что концентрат черники улучшает перфузию головного мозга и приводит к активации тех его областей, которые связаны с когнитивными функциями у здоровых пожилых людей [45]. В другой работе [46] влияние АЦ черники на активность мозга изучали у пожилых людей с умеренными когнитивными нарушениями. Пациенты проходили тест на проверку рабочей памяти, во время которого определяли активность мозга (МРТ). В результате было обнаружено, что ежедневный прием черники в течение 16 нед вызывал повышенную активацию мозга в левой предцентральной извилине, левой средней лобной извилине и левой нижней теменной доле во время тестирования (p<0,01). Положительное влияние АЦ на когнитивные функции отмечалось также в других работах. Так, прием вишневого сока (200 мл/сут) на протяжении 12 нед вызывал у пожилых людей с деменцией легкой и средней степени улучшение беглости речи (p=0,014), кратковременной (p=0,014) и долговременной памяти (p≤0,001), а также значительное снижение систолического (p=0,038) артериального давления, однако маркеры воспаления (CRP и IL-6) не изменились [47].

Обсервационные исследования. В этой группе работ изучали влияние уровня потребления АЦ на риск развития деменции Альцгеймера (ДА). Так, в одном из недавних исследований [48] изучали влияние АЦ клубники на ДА. В проекте приняли участие 925 человек в возрасте от 58 до 98 лет. Исходно участники проекта не страдали деменцией. Они заполняли анкету по частоте приема пищи и проходили не менее двух неврологических обследований в год. На основании этих обследований и стандартизированных критериев лабораторной диагностики устанавливали диагноз ДА. В целом за 6,7±3,6 года наблюдения диагноз ДА был поставлен 245 участникам программы. Связь употребления клубники с ДА была проанализирована с использованием регрессионной модели Кокса. Эта модель позволяет рассчитывать риск развития заболевания (т.е. оценивали hazard ratio, HR), а для ее построения учитывают данные возраста, пола, образования, участия в познавательной деятельности, физической активности, генотипа APOE-ɛ4, диетического потребления других фруктов и общего количества калорий. Обнаружили, что пониженный риск развития ДА ассоциировался с высоким потреблением цельной клубники (HR=0,76, 95% ДИ 0,60—0,96). Для выявления роли отдельных компонентов клубники были использованы скорректированные модели Кокса, причем оказалось, что потребление общих и индивидуальных (пеларгонидин) АЦ также ассоциировано с пониженным риском ДА [48]. В другой еще более масштабной работе [49] использовали Фрамингемскую базу данных (США). В работе изучали предполагаемую связь между потреблением флавоноидов (в том числе АЦ) с риском развития ДА и других типов деменции. Исходно у всех участников проекта (всего 2801 участник, средний исходный возраст 59,1 года; 52% женщин) отсутствовали признаки деменции. Данные по потреблению флавоноидов были разбиты на 5 интервалов в соответствии с их процентильными значениями (≤15, с 15 по 30, с 30 по 60, >60). Для оценки риска развития деменции также использовали модель Кокса. За 20 лет наблюдения за участниками проекта у 6,8% развилась деменция, из которых 81,8% приходилась на ДА. После учета множества факторов было выявлено, что у лиц, имевших наивысший уровень потребления АЦ, флавонолов и флавоноидных полимеров (>60 процентилей), был более низкий риск развития деменции по сравнению с теми, кто потреблял меньше АЦ (≤15 процентилей). Значения рисков (HR) развития деменции любого генеза для АЦ составляли 0,24 (p<0,001), 0,54 (p=0,003) для флавонолов и 0,58 (p=0,03) для флавоноидных полимеров. Данные этой работы свидетельствуют о том, что регулярное и длительное потребление АЦ снижает риск возникновения деменции и эта связь носит дозозависимый характер [49].

Проблемы и перспективы применения антоцианов

Поскольку химический синтез АЦ для пищевого потребления нерентабелен, их продолжают выделять из природных источников. Однако для достижения терапевтического эффекта требуются относительно большие дозы АЦ, в среднем 300—400 мг/сут. Отчасти это обусловлено их низкой стабильностью и биодоступностью. Для решения этих проблем были предложены разнообразные носители АЦ, включая липосомы, микросферы или наночастицы. В кислой среде АЦ относительно устойчивы и существуют в форме катиона (см. рисунок). Эта уникальная особенность отличает их от других флавоноидов и лежит в основе одного из подходов для стабилизации структуры АЦ. Этот подход связан с созданием комплексов АЦ с катионообменными полимерами полисахаридной природы. В качестве таких полимеров использовали фукоидан [50], хондроитин-сульфат [51], карбоксиметилхитозан [52], сульфированную гиалуроновую кислоту [53], декстран-сульфат [54] и цитрусовый пектин [55]. Полученные комплексы имели размеры наночастиц, а АЦ в их составе были стабилизированы водородными и ионными связями и, как следствие, проявляли замедленную деградацию [51, 52, 55] и повышенную проницаемость в клетки [50]. Биоразлагаемый сополимер лактида и гликолида (PLGA) лишен свойств катионообменника, однако широко используется в современной медицине для создания лекарственных средств пролонгированного действия. На основе этого полимера были приготовлены сферические наночастицы (120—165 нм), стабилизированные полиэтиленгликолем и содержащие АЦ. На клетках линии SH-SY5Y была изучена их биологическая активность и нейропротекторные свойства. Было обнаружено, что инкапсулированные АЦ проявляли больший нейропротективный эффект, чем свободные [26]. В двух других работах АЦ были включены в состав наночастиц на основе золота и полиэтиленгликоля. Нейропротективные свойства этих наночастиц изучались в моделях БА на мышах и in vitro. Результаты свидетельствуют, что инкапсулирование АЦ увеличивает их биодоступность и нейропротективные свойства [25, 56]. АЦ, включенные в наночастицы хитозана, сформированные методом ионного гелеобразования, также оказались более стабильными и устойчивыми к деградации, чем свободные [57]. Однако не все носители оказались эффективными. Так, отмечено, что в некоторых случаях белки молочной сыворотки не оказывают стабилизирующего влияния на АЦ в кишечнике и увеличивают его разложение [55]. Многообещающие предварительные результаты показывает использование наноэмульсий и нанолипосом для улучшения стабильности и биодоступности АЦ [58]. Фактически на текущий момент инкапсуляция признана ценной стратегией, позволяющей добиться контроля над высвобождением АЦ в желудочно-кишечном тракте и способной защитить их от неблагоприятного воздействия окружающей среды [57].

Совокупные данные из разных источников свидетельствуют, что АЦ обладают многогранным оздоровительным действием на весь организм даже в условиях низкой биодоступности. В связи с этим критический анализ результатов по нейропротекторному действию АЦ поднимает следующие вопросы: во-первых, какой вклад в защиту нейронов вносит системное действие АЦ и, во-вторых, какова роль их многочисленных метаболитов. Выяснение этих вопросов, возможно, позволит сформулировать новую стратегию лечения НДЗ. В заключение следует отметить, что АЦ обладают несомненным терапевтическим потенциалом, однако требуются дополнительные исследования в этой области.

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.