Бакозиды: изучение нейробиологической активности и перспективы применения

Бакозиды — главные биологически активные компоненты растения бакопа Монье (Bacopa monnieri (L.) Wettst.), которое в традиционной индийской медицине многие столетия используется как ноотропное средство [1]. Длительное время использовался экстракт этого растения, и после детального изучения его активных компонентов было установлено, что именно бакозиды являются основными ингредиентами, влияющими на когнитивные и психические функции [2]. Бакозиды — это тритерпеноидные сапонины, относящиеся к производным даммарана [3]. Выделяют бакозид A, бакозид B, который, возможно, является оптическим изомером бакозида A, и бакозид C [4]. В последние десятилетия наблюдается повышенный интерес к изучению этих соединений. В связи с ограниченными ресурсами бакозидов в природе разрабатываются технологии их синтеза в лабораторных условиях [5]. В эксперименте на крысах разработан метод транспортировки бакозида A в мозг при помощи наночастиц PLGA, который повышает его концентрацию в тканях мозга в 10 раз [6]. Но особенно много экспериментальных работ посвящено выявлению у бакозидов различных нейробиологических эффектов.

В серии экспериментов на животных с использованием различных повреждающих факторов получены доказательства нейропротективного действия бакозидов. Механизмы реализации данного эффекта различны, но во многих случаях связаны с ингибированием окислительного стресса, который играет ключевую роль в патогенезе многих заболеваний. Эти результаты представляют особый интерес для неврологической практики [7].

Патологии, связанные с прогрессирующей дегенерацией нейронов, особенно такие как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона, представляют серьезное бремя не только для отдельных людей, но и для общества в целом. Признано, что нейродегенеративные заболевания являются одной из основных причин инвалидности и смертности [8]. Препараты, используемые для лечения ряда из этих заболеваний, имеют ограниченную эффективность, что ставит задачу поиска новых лекарственных средств [9]. Исследования показали, что бакозиды имеют потенциал для использования в лечении болезней Паркинсона и Альцгеймера. У крыс с моделью болезни Паркинсона, созданной воздействием 6-гидроксидопамина, введение бакозида A противодействовало подавлению активности каталазы и глутатионпероксидазы и, напротив, вызывало дозозависимое подавление активности ацетилхолинэстеразы и индуцируемой NO-синтазы. Лечение крыс бакозидом A значительно снизило уровни провоспалительных цитокинов — интерлейкинов (IL)-1β и -6. Наблюдалось также эффективное снижение уровней фактора некроза опухоли (TNF)-α, ядерного фактора NF-κB (p65), циклооксигеназы (COX-2), белков p53 и Bax, цитохрома C, каспаз -3 и -9 [10]. Бакозиды показали также нейропротективное действие на крысах с моделью болезни Альцгеймера. Оно проявилось в снижении негативных изменений в системе нейротрансмиссии и поведенческих парадигмах, защите нейронов от гибели и снижении маркеров окислительного стресса [11].

Бакозид A защищал также нейроны мозга крыс от повреждения в результате окислительного стресса, индуцированного воздействием гидрохлорида морфина. Вводимый перорально в дозе 10 мг/кг/сут за 2 ч до инъекции гидрохлорида морфина бакозид A восстановил активность антиоксидантных ферментов (глутатионпероксидазы, каталазы, супероксиддисмутазы и глутатиона) и мембраносвязанных ферментов (Na⁺/K⁺-АТФазы, Ca²⁺-АТФазы и Mg²⁺-АТФазы) до уровня, близкого к нормальному. Интересно, что у группы крыс, не получавших инъекцию гидрохлорида морфина, бакозид A не оказал никакого воздействия на активность данных ферментов. Кроме того, бакозид A снизил уровень окисления липидов и содержания карбонилированных белков [12].

Положительные результаты были получены при лечении бакозидом A нарушений в работе нервной системы, связанных с неонатальной гипогликемией. Неонатальная гипогликемия запускает серию событий, ведущих к гибели нейронов, нарушениям в работе дофаминергической системы коры головного мозга, когнитивным расстройствам. У новорожденных крыс с гипогликемией бакозид A устранял нарушения так же эффективно, как и введение глюкозы. В частности, было восстановлено количество рецепторов дофамина D1, D2 и циклического аденозинмонофосфата, связанного с работой нейромедиаторов, а также уровень супероксиддисмутазы. Также были значительно снижены гибель нейронов и экспрессия белка Bax [13].

Особый интерес представляют данные о механизмах защитного действия бакозида A в отношении нейронов, подвергшихся воздействию сигаретного дыма. Курение сигарет является важным фактором риска, участвующим в патогенетических путях развития целого ряда заболеваний нервной системы и некоторых психических расстройств. Сигаретный дым вызывает структурные изменения в головном мозге. В частности, происходит снижение целостности микроструктуры белого вещества [14] и объемов серого вещества [15]. Эти процессы сопровождаются когнитивными нарушениями [16]. В эксперименте крысы в течение 12 нед подвергались воздействию сигаретного дыма. Это привело к появлению в головном мозге крыс модельной группы гистологических изменений воспалительного характера и повышению уровня апоптоза нейронов. Они сопровождались повышенной активностью изофермента CK-MB в сыворотке крови, который является ранним маркером патологических изменений головного мозга, увеличением высвобождения ацетилхолина, повышением уровня эпинефрина, норэпинефрина и котинина в мозге. Была нарушена работа митохондрий и связанных с ними аэробных путей. В экспериментальной группе, которая в течение 12 нед вместе с воздействием дыма ежедневно перорально получала бакозид A в дозе 10 мг/кг, патологические изменения оказались значительно менее выраженными. Было отмечено уменьшение воспалительных изменений в головном мозге. Бакозид A предотвращал апоптоз нейронов путем повышения экспрессии антиапоптотических (Bcl2) и снижения проапоптотических (Bax и каспаза-3) факторов. Отмечалось снижение активности изофермента CK-MB, уровней ацетилхолина (за счет повышения активности ацетилхолинэстеразы), эпинефрина, норэпинефрина и котинина. Защита митохондрий основывалась на предотвращении и в них перекисных изменений [17]. В серии исследований было установлено также, что бакозид A защищает мозг от других повреждений, связанных с воздействием сигаретного дыма: уменьшает окислительное повреждение благодаря своему антиоксидантному потенциалу [18, 19], снижает уровень экспрессии белка теплового шока hsp70 [20], защищает мембраны нейронов и нормализует активность мембраносвязанных ферментов [21], оказывает протективное воздействие на мембраны митохондрий [22].

Несмотря на то что многолетние исследования болезни Альцгеймера не привели к глобальному пониманию ее патогенеза, установлено, что морфологически данный патологический процесс связан с образованием сенильных бляшек (внеклеточного отложения амилоидного белка) и внутриклеточных нейрофибриллярных сплетений из гиперфосфорилированного тау-белка [23]. Бакозид A показал свойство предотвращать β-амилоид-опосредованное подавление жизнеспособности клеток. В исследовании клетки глиобластомы U87MG обрабатывали β-амилоидом через 24 ч после предварительной обработки бакозидом A3. Предварительная обработка предотвращала β-амилоид-опосредованное подавление пролиферации клеток по сравнению с клетками, не получавшими обработки. При этом дозозависимо подавлялись генерация ROS, iNOS, выделение простагландина E₂, сверхэкспрессия COX-2 и транскрипционного фактора NF-κB [24]. Один из механизмов защитного действия бакозида A от отложений β-амилоида, вероятно, связан с блокированием взаимодействия олигомеров амилоидных белков с мембраной нейронов. Становится все более очевидным, что наиболее токсичными для нейронов в процессе агрегации амилоидных белков являются небольшие предфибриллярные олигомеры, которые взаимодействуют с мембранами и, вероятно, разрушают их [25]. При этом вопрос о влиянии бакозида A на процессы фибрилляции амилоидных белков остается не до конца изученным. В одних публикациях отмечается, что бакозид A блокирует мембранные взаимодействия олигомеров β-амилоида и одновременно явно подавляет образование фибрилл Aβ42 за счет ингибирования сборки их олигомеров как в буферном растворе, так и в присутствии бислоев мембранных липидных везикул, которые, предположительно, способствуют процессу фибрилляции [26]. В других работах, напротив, указывается, что бакозид A значительно снижает взаимодействие амилоидогенных детерминант прионного белка с мембранными билипидными слоями именно за счет ускоренной фибрилляции мембранно-активных предфибриллярных фрагментов [27].

Воспалительные процессы в ЦНС являются причиной возникновения целого ряда заболеваний, в отношении которых в настоящее время отсутствует эффективная и безопасная терапия. К таким заболеваниям, в частности, относится рассеянный склероз, патогенез которого связан с сочетанием воспаления и нейродегенерации [28]. Хроническое воспаление миелиновой оболочки является решающим событием в прогрессировании этой болезни. В качестве одной из доклинических моделей рассеянного склероза используется экспериментальный аутоиммунный энцефаломиелит, при котором также наблюдается обширная демиелинизация. Пероральное введение бакозида A в дозе 10 мг/кг мышам с этой моделью привело к значительному снижению маркеров заболевания по сравнению с контролем. В частности, снизились уровни воспалительных цитокинов (IL-6, IL-17a и TNF-α) и воспалительного хемокина CCL-5. Гистологический анализ показал, что у мышей, получавших бакозид A, наблюдалось значительное уменьшение клеточных инфильтратов, повреждения нейронов и демиелинизации в ткани головного мозга [29]. Активация микроглии играет роль в возникновении ряда заболеваний, в частности болезни Альцгеймера. В исследовании на активированных микроглиальных клетках линии N9 было установлено, что бакозид A в концентрациях 0,25—1 мг/мл значительно (p<0,05) подавлял высвобождение TNF-α и IL-6 [30].

Рецепторы гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) являются основными медиаторами синаптического торможения и играют важную роль в предотвращении развития судорог. Дисбаланс между возбуждающей и тормозной синаптической передачей в ключевых областях мозга напрямую вовлечен в патофизиологию височной эпилепсии, при которой происходит снижение ГАМК-опосредованного торможения [31]. В серии экспериментов на крысах было показано, что лечение бакозидом A приводит к увеличению ГАМК-опосредованного торможения в различных отделах головного мозга. В экспериментах эпилепсию у крыс вызывали путем внутривенного введения пилокарпина. Экспериментальная группа также перорально получала бакозид A в дозе 150 мг/кг массы тела/день в течение 15 дней. Группа положительного контроля в той же дозе получала карбамазепин — стандартный препарат, используемый для лечения эпилепсии. Введение пилокарпина привело к снижению количества ГАМК-рецепторов в коре головного мозга у крыс. Лечение бакозидом A нивелировало эти изменения и вернуло их к значениям, сравнимым с показателями у контрольной группы. Увеличение количества рецепторов было более значительным, чем в группе, получавшей лечение карбамазепином. Бакозид A увеличил также активность фермента глутаматдекарбоксилазы, который используется в качестве маркера ГАМКергической активности. На поведенческом уровне лечение бакозидом A улучшило показатели пространственной памяти. В частности, показатели прохождения крысами радиального и Y-лабиринтов вернулись к уровню контрольных значений [31]. Эти данные особенно важны, так как у больных эпилепсией наблюдаются значительное ухудшение памяти и снижение интеллекта, нарушения внимания, исполнительных функций, временно-пространственной ориентации [32]. Сходные результаты были получены в экспериментах, где исследовались ГАМК-рецепторы в нейронах стриатума [33] и мозжечка [34].

Формирование памяти — сложный процесс, требующий участия множества пре- и постсинаптических событий. Установлено, что различные нейротрансмиттеры в ЦНС играют ключевую роль в процессах обучения и запоминания [35]. Серия экспериментов показала, что бакозиды проявляют положительный эффект при лечении нарушений когнитивных функций, вызванных различными нейротоксинами и другими факторами, в первую очередь за счет влияния на уровни различных медиаторов. В исследовании экспериментальная амнезия у мышей была индуцирована скополамином, нитритом натрия, а также антагонистом фактора активации тромбоцитов — BN 52021, а когнитивные функции изучались при помощи теста водного лабиринта Морриса. Было установлено, что бакозиды (30 мг/кг) значительно ослабляют антероградную амнезию, вызванную скополамином и нитритом натрия, возможно, за счет повышения уровня ацетилхолина. Кроме того, бакозиды также купировали ретроградную амнезию, вызванную BN 52021, вероятно, из-за увеличения синтеза фактора активации тромбоцитов путем повышения уровня глутамата в головном мозге [36].

Когнитивные нарушения являются одним из симптомов у больных шизофренией, приводящих к функциональной инвалидности. Антипсихотические препараты ухудшают когнитивные функции. В исследовании у крыс была создана модель шизофрении при помощи субхронического введения фенциклидина. Это привело к снижению когнитивных функций (тест на распознавание новых объектов) и уменьшению уровня везикулярного транспортера глутамата (VGluT2), который связан с развитием когнитивного дифицита при шизофрении [37], в поясной извилине. В группе, которая перед приемом фенциклидина получала бакозиды A и B, наблюдалось значительное (близкое к показателям контрольной группы) улучшение показателей когнитивных функций и увеличение уровня VGluT2 по сравнению с контрольной группой [38]. В другом сходном по методике эксперименте было показано, что бакозиды A и B снижают у крыс с моделью шизофрении эксайтотоксичность глутамата и восстанавливают когнитивные функции путем нормализации уровня VGluT3 в областях CA1-3 гиппокампа [39].

Бакозиды A и B показали положительное влияние на процесс запоминания и у здоровых животных в тестах как с отрицательным, так и с положительным подкреплением. В тесте активного избегания света, подкрепленного шоком, бакозиды в дозе 10 мг/кг, введенные перорально за 90 мин до обучения, значительно сокращали время реакции. Аналогичный эффект наблюдался и в тесте выработки условного предпочтения и отвращения к вкусу с использованием хлорида лития и зависел от дозы в диапазоне 2,5—7,5 мг/кг/сут [40].

Многочисленные исследования показали [41, 42], что наркотическая зависимость тесно связана с модуляцией как дофаминергической, так и серотонинергической систем стриатума. Активация дофаминовой нейротрансмиссии вовлечена в усиление побудительной мотивации к стимулам, связанным с наркотиками, что приводит к наркомании. Серотонин может модулировать дофаминовую нейротрансмиссию для уменьшения вознаграждающего эффекта наркотиков. В эксперименте на мышах бакозид A, введенный перорально за 60 мин до введения морфина, значительно снижал вызванные морфином выбросы дофамина в стриатуме и повышенную локомоторную активность. Кроме того, было отмечено снижение в стриатуме концентрации метаболитов дофамина — дигидроксифенилуксусной и гомованилиновой кислот, а также метаболита серотонина — 5-гидроксииндолуксусной кислоты. Авторы исследования [43] сделали вывод, что бакозид A обладает эффектами, которые могут быть использованы в лечении морфиновой зависимости.

Проведенный анализ показывает, что бакозиды обладают разнородным спектром нейрохимического действия. В частности, под их влиянием происходит защита нейронов от окислительного повреждения и зависимой от бета-амилоида нейротоксичности, они снижают уровни проапоптотических факторов и провоспалительных цитокинов, оказывают протективное действие в отношении митохондрий и миелиновой оболочки нейронов. В связи с этим одной из сфер клинического применения бакозидов могут стать такие заболевания, как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера, рассеянный склероз и др. Способность бакозидов регулировать концентрацию внеклеточного глутамата также представляет интерес для терапии нейродегенеративных заболеваний и расстройств когнитивных функций у больных шизофренией. Особую ценность может представлять сочетание у данных соединений ноотропной активности с нейропротективной. Противосудорожное действие бакозидов может послужить основой для их применения при эпилепсии и других судорожных расстройствах. Эффекты, связанные с влиянием на дофаминергическую и серотонинергическую системы стриатума, могут найти применение в терапии морфиновой зависимости.

Однако в отличие значительного количества доклинических экспериментов клинические испытания этих соединений к настоящему времени отсутствуют. Практически все проведенные эксперименты касались исследования свойств совокупности бакозидов или бакозида A; фармакологическая активность бакозидов B и C остается неизученной. Поскольку бакозиды вводятся перорально, биодоступность этих высокомолекулярных соединений, а также степень преодоления ими гематоэнцефалического барьера также требуют дальнейших исследований. Во многих проведенных исследованиях отсутствуют препараты сравнения, что не всегда позволяет определить степень эффективности бакозидов. Таким образом, необходимы более обширные доклинические испытания и особенно клинические исследования данных соединений для подтверждения выявленной в экспериментах нейробиологической активности бакозидов, а также исследования по установлению терапевтических доз для человека. В целом бакозиды, по-видимому, могут найти применение в будущем в качестве многоцелевого средства комплексной терапии в неврологической и психиатрической практике.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.