Гинкголид B: механизмы нейробиологических эффектов, перспективы применения в терапии болезни Альцгеймера

Болезнь Альцгеймера (БА) — это прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, которое ведет к социальной, профессиональной и бытовой дезадаптации больных [1]. Данный синдром приводит к глубокой инвалидизации пациентов и является одним из наиболее тяжелых по своим медико-социальным последствиям [2]. По прогнозам экспертов Международной альцгеймеровской ассоциации, ожидается почти трехкратный рост численности мировой популяции больных БА — от 55 млн в 2021 г. до 139 млн к 2050 г. [3].

При БА происходит внутриклеточное и внеклеточное накопление фибриллярных белков: бета-амилоида (Аβ) и гиперфосфорилированного тау-белка. Избыточное накопление этих агрегатов приводит к синаптической дисфункции и последующей гибели нейронов [4]. Несмотря на прогресс в понимании молекулярных механизмов развития БА, эффективное лечение данного заболевания отсутствует. За последнее десятилетие более 50 препаратов, перспективных для лечения БА, успешно прошли фазу II клинических испытаний [5]. Но лишь несколько из них прошли фазу III. К настоящему времени сформировалось устойчивое представление о том, что патогенез БА сложен и многофакторен [6]. В связи с этим предпринимаются большие усилия по поиску новых многофункциональных химических соединений, способных замедлить течение этого синдрома.

Гинкголиды — это дитерпеновые трилактоны, выделенные из листьев реликтового древесного растения гинкго двулопастного (Ginkgo biloba L.), которое в течение тысячелетий используется в традиционной китайской медицине [7]. До сих пор это единственные известные природные продукты, содержащие трет-бутильную группу [8]. Выделяют гинкголиды A, B, C, J, K, M [9]. Все гинкголиды представляют 20-углеродные каркасные структуры, включающие шесть колец по пять углеродов в каждом. Среди них тетрагидрофурановая группа, три лактонных кольца и трет-бутильная группа. Структурно гинкголиды отличаются только количеством и положением гидроксильных групп [10]. Гинкголид B обладает наиболее сильной активностью и высокой специфичностью среди всех дитерпеновых трилактонов гинкго [11]. При пероральном приеме во время голодания биодоступность данного соединения высока и составляет 0,88±0,21 [12]. Гинкголид B характеризуется хорошим проникновением через гематоэнцефалический барьер [13].

Цель обзора — обобщение и анализ экспериментальных данных о механизмах нейробиологических эффектов этого соединения, которые могут найти потенциальное применение в терапии БА.

БА — это нейродегенеративное заболевание с потерей синапсов и нейронов. В основном дегенерации и гибели подвергаются пирамидальные, холинергические, норадренергические и серотонинергические нейроны [14]. Патология распространяется из аллокортекса (в частности, из энторинальной коры) в неокортекс (при этом аномалии обычно сначала обнаруживаются в лобной и височных долях, а затем постепенно распространяются на другие области неокортекса) [15]. В связи с этим ингибирование апоптоза нейронов может рассматриваться в качестве одной из возможных мишеней в терапевтической стратегии БА.

Исследования in vitro на разных линиях клеток с использованием различных нейротоксических факторов позволили выявить несколько механизмов нейропротективного действия гинкголида B. Апоптоз клеток линии SH-SY5Y, вызванный бупивакаином, ингибировался посредством уменьшения уровня реактивных форм кислорода, снижения деполяризации митохондрий, поддержания активности митохондриальных дыхательных комплексов I и III, а также уменьшения стресса эндоплазматического ретикулума [16]. Выживаемость клеток линии PC12, обработанных этанолом и 6-гидроксидофамином, повышалась за счет регуляции экспрессии и активности NADPH-оксидаз [17] и повышения экспрессии мРНК белка кальбиндина D28K, а также снижения концентрации внутриклеточного кальция [18]. Регуляция гомеостаза Ca²⁺ выступала также в качестве механизма протекции по отношению к первичным нейронам гиппокампа крыс, подвергнутых химической гипоксии при помощи хлорида кобальта (II) [19]. Таким образом, в ряде случаев нейропротекция достигалась ингибированием оксидативного стресса, который является важным патогенетическим механизмом прогрессирования БА [20]. Это особенно актуально в связи с тем, что в неврологической практике пока очень мало антиоксидантных препаратов с клинически доказанным нейропротективным эффектом [21].

В настоящее время амилоидная гипотеза продолжает оставаться одной из доминирующих в объяснении патогенеза БА [22]. Избыточная генерация и агрегация Aβ приводят к ряду патологических и физиологических изменений, включая стресс эндоплазматического ретикулума, окислительный стресс, воспалительный ответ, нарушение энергетического обмена, дегенерацию синапсов, дисфункцию клеток и их апоптоз [23]. Полученные экспериментальные данные убедительно свидетельствуют о том, что гинкголид B в концентрациях, не влияющих на скорость роста и выживаемость клеток, эффективно защищает нервные клетки от гибели в результате воздействия Аβ. Исследования, проведенные на клетках нейробластомы человека SH-SY5Y, показали, что данный эффект совпал со снижением выработки клетками простагландина E2 [24], защитой митохондрий и реализовывался через воздействие на сигнальные пути JNK, ERK1/2 и Akt [25]. Сходные результаты были получены и на культивируемых нейронах гиппокампа [26].

Ранние стадии БА характеризуются изменением синаптической функции и снижением уровня синаптофизина — белка пресинаптической мембраны, необходимого для высвобождения нейромедиаторов и рециркуляции синаптических везикул в головном мозге [27]. Потеря синапсов и снижение уровня синаптофизина тесно коррелируют со снижением когнитивных функций [28]. Экспериментально доказано, что воздействие Аβ на нейроны коры и гиппокампа, полученные из головного мозга мышей, снижает количество связанного с клетками синаптофизина. Причем влияние Аβ на синапсы проявляется при концентрациях, примерно в 100 раз меньших, чем требуется для гибели самих нейронов. Предварительная обработка культур нейронов коры и гиппокампа гинкголидом B в наномолярных концентрациях (1 μM) значительно ингибирует снижение содержания синаптофизина в нейронах. В частности, при обработке гинкголидом B для достижения эффекта снижения содержания синаптофизина требовалось увеличение концентрации Аβ на 50% [29].

Как отмечалось выше, воздействие Аβ на нейроны проявляется также в увеличении содержания реактивных форм кислорода и азота (ROS/RNS) и появлении окислительного стресса. Исследование на клетках нейробластомы человека IMR-32 и SH-SY5Y показало, что предварительная обработка гинкголидом B снижает выработку реактивных форм кислорода и азота, индуцированную Аβ [30]. Публикации последних лет показывают, что индуцированная Аβ нейротоксичность реализуется в том числе через активацию сигнального пути NF-κB [31, 32]. В опыте на клетках APP/PS1-HEK293 гинкголид B в концентрации 100 мкг/мл снижал уровень экспрессии мРНК NF-κB p65 и Bax, а также повышал — мРНК IκBa и мРНК Bcl-2 [33].

Ряд исследований показывает, что астроциты могут играть регуляторную роль в возникновении БА. Активированные астроциты обнаруживаются вокруг отложений Аβ, при этом они индуцируют деградацию и клиренс Аβ [34]. Однако при патологиях, связанных с избыточной генерацией Аβ, происходят чрезмерная активация астроцитов, их дисфункция и, наконец, апоптоз [35]. Защита астроцитов от избытка Аβ может являться одной из стратегий терапии БА. В эксперименте на астроцитах, выделенных из коры головного мозга крыс, гинкголид B продемонстрировал хороший протективный эффект. Обработка астроцитов Аβ в концентрации 10 µM явно (p<0,01) увеличивала скорость апоптоза астроцитов по сравнению с контрольной группой. Количество апоптотических астроцитов было значительно ниже (p<0,05, p<0,01) в группах с параллельной обработкой гинкголидом B в концентрациях 20 и 40 µM. При этом гинкголид B устранял в астроцитах окислительное повреждение и нарушения энергетического метаболизма, включая снижение уровней супероксиддисмутазы, GSH-Px и АТФ и повышение уровней малонового диальдегида и реактивных форм кислорода. Наблюдалось также снижение уровня экспрессии белков стресса эндоплазматического ретикулума, апоптотического белка CHOP, β-секретазы 1 и увеличение экспрессии мРНК и компонентов белков, связанных с энергетическим обменом, через активацию сигнального пути AMPK [23].

В последнее время появилось предположение, что нейротрофический фактор мозга (BDNF) играет важную роль в развитии БА. Уровень BDNF снижается в мозге больных БА уже на ранней стадии заболевания [36]. Снижение уровня BDNF через рецептор TrkB приводит к ухудшению пространственной памяти [37], в то время как сверхэкспрессия TrkB улучшает память [38]. Кроме того, BDNF через TrkB усиливает долгосрочное потенцирование гиппокампальных синапсов [37]. Сам BDNF не обладает фармакокинетикой, пригодной для системного применения из-за короткого периода полураспада в плазме и плохого проникновения через гематоэнцефалический барьер [36]. В связи с этим стратегия лечения может быть направлена на стимулирование синтеза эндогенного BDNF. В эксперименте на мышах с помощью вестерн-блота и qRT-PCR-метода было показано, что гинкголид B в концентрации 4 мг/кг значительно (p<0,05) повышал экспрессию BDNF. Однако механизмы этого эффекта на данный момент остаются неизученными [39].

Один из возможных подходов к лечению БА предполагает использование эндогенных клеток-предшественников нейронов, появляющихся из нейрональных стволовых клеток, для замещения утраченных или поврежденных клеток. Клетки-предшественники могут мигрировать в поврежденные участки области CA1 гиппокампа, интегрироваться и участвовать в процессах восстановления мозга [40]. Несколько исследований было посвящено изучению влияния гинкголида B на процессы дифференцировки нейронов. В эксперименте на линии стволовых клеток гинкголид B в концентрациях 40 и 60 мг/л значительно (p<0,05) усилил их дифференцировку. Это проявилось в ускоренном появлении веретенообразной формы и нарастании отростков; по сравнению с контролем увеличилась доля NSE-, GFAP- и SOCS2-позитивных клеток [41]. В концентрации 1 мг/мл гинкголид B значительно (p<0,05) увеличил дифференцировку нервных стволовых клеток, выделенных из субвентрикулярной зоны бокового желудочка 7-дневных мышей. Механизм активации дифференцировки осуществлялся через Wnt/β-катениновый путь. Кроме того, были проведены исследования на клеточной линии карциномы мыши P19, которая в зависимости от условий может быть индуцирована для дифференцировки в нейрональные клетки или миоциты и служит хорошей моделью для скрининга потенциальных нейрогенных соединений. Гинкголид B и в этом случае значительно (p<0,05) дозозависимо увеличил дифференцировку, которую исследовали методом иммунофлюоресценции с помощью Tuj1 — антитела, распознающего нейрональный βIII-тубулин-26 [42].

Установлено также, что гинкголид B, вводимый мышам внутрибрюшинно в течение 14 дней в концентрации 20 мг/кг, несколько увеличивал выработку нейротрофических факторов BDNF и GDNF в астроцитах коры головного мозга [43].

Считается, что воспалительные процессы микроглии также могут играть значительную роль в патогенензе болезни Альцгеймера [44] либо выступать в качестве маркера иммунной реакции [45]. Активация микроглии вызывает нарастающее повреждение нейронов. Эффекторами повреждения и воспаления являются патологически активированные клетки микроглии, вызывающие локальный окислительный стресс за счет секреции провоспалительных цитокинов и других медиаторов воспаления [46]. Активированная микроглия продуцирует несколько провоспалительных медиаторов, включая фактор некроза опухоли α (TNF-α), интерлейкин-6 (IL-6) и оксид азота (NO), которые обладают нейротоксичностью [47]. Исследования показывают, что активация микроглии происходит задолго до появления клинических симптомов когнитивного снижения [48]. В эксперименте на мышах, которым внутрибрюшинно в течение 14 дней вводили гинкголид B в концентрации 20 мг/кг, данное соединение снизило уровни воспалительных цитокинов IL-1β и TNF-α в микроглии головного мозга. При этом подавлялась экспрессия транскрипционного фактора NF-κB и белка TLR4 [43]. Сходные данные были получены на клетках микроглии в коре головного мозга новорожденных крыс. Гинкголид B в дозах 5 и 10 мг/кг значительно снижал активацию микроглии и продукцию воспалительных цитокинов IL-1β и IL-18 [49].

Все больше данных свидетельствует о том, что инфламмасома NLRP3 тесно связана с патогенезом БА. При посмертном исследовании мозга пациентов с БА была обнаружена сверхэкспрессия инфламмасомы NLRP3. Активация инфламмасомы NLRP3 вызывает повышение уровня воспалительных цитокинов IL-1β и IL-18 [50]. Кроме того, получены результаты свидетельствующие, что активация инфламмасомы связана распространением патологического Аβ внутри областей мозга у пациентов с БА [51]. В эксперименте in vitro на клетках BV2 гинкголид B индуцировал инактивацию инфламмасомы NLRP3 через механизм аутофагической деградации. Это подтверждалось повышением в клетках уровня экспрессии белков, связанных с аутофагией (Atg5, Atg7 и LC3II) [52].

Уже несколько десятилетий назад было высказано предположение, что изменение Ca²⁺-зависимого выделения нейромедиаторов и связанное с этим нарушение кратковременной синаптической пластичности могут играть важную роль в патогенезе БА. В экспериментах на лабораторных животных показано, что при старении Ca²⁺-зависимое высвобождение нейромедиаторных аминокислот из синаптосом значительно снижается [53]. В исследовании на синаптосомах гиппокампа крыс гинкголид B дозозависимо увеличил Ca²⁺-зависимое высвобождение глутамата. Механизм этого эффекта был связан не с повышением возбудимости синаптосом, а с усилением пресинаптического потенциал-зависимого притока Ca²⁺. Гинкголид B вызывал повышение активации протеинкиназы A, которая впоследствии усиливала вход Ca²⁺ через высокопороговые потенциал-зависимые Ca²⁺-каналы N- и P/Q-типа. Также гинкголид B увеличивал выделение глутамата при воздействии иономицина кальция [54].

Серия экспериментов показала, что гинкголид B дает положительный эффект при лечении нарушений когнитивно-мнестических функций, вызванных различными факторами. Установлено, что данное соединение (50 и 100 мг/кг, вводимые через желудок в течение 3 нед) значительно (p<0,01) уменьшает дефицит когнитивных функций у мышей линии ускоренного старения SAMP8. В частности, в тесте с водным лабиринтом Морриса (MWM) было отмечено улучшение показателей пространственной памяти и процесса обучения. В ходе теста распознавания нового объекта мыши SAMP8, получившие лечение, проявляли большее предпочтение к новому объекту, дефицит кратковременного привыкания у них был устранен [52]. Предполагается, что данный эффект связан с ингибированием окислительного стресса, нейровоспаления и ферроптоза [55]. В тесте на распознавание объектов и тесте с открытым полем на мышах с моделью БА, которая была индуцирована воздействием d-галактозы и хлорида алюминия, внутрижелудочное введение гинкголида B также привело значительному снижению когнитивной дисфункции [56].

Микробиота кишечника у взрослого человека насчитывает более 100 трлн бактерий, что почти в 10 раз больше, чем клеток в организме, и содержит более 1000 различных видов бактерий [57]. При развитии различных неврологических расстройств, включая БА, наблюдается дисбаланс видов бактерий в кишечнике, известный как дисбиоз [58]. Предполагается, что дисбиоз через ось «кишечник—мозг» может играть важную роль в процессах нейровоспаления, цереброваскулярной дегенерации и накоплении Аβ у пациентов с БА [59]. В целом имеются убедительные доказательства того, что модуляция перекрестного взаимодействия между кишечником и ЦНС посредством контроля кишечной комменсальной микробиоты может стать потенциальным методом лечения БА [60]. Это особенно актуально в связи с тем, что терапия БА, основанная на классических теориях патогенеза данного заболевания, не дает существенных результатов. Данные, полученные на мышах с моделью БА, которая была индуцирована воздействием d-галактозы и хлорида алюминия, показали, что внутрижелудочное введение гинкголида B привело к снижению численности Lactobacillus и увеличению — Bacteroidales, Muribaculaceae и Alloprevotella, и восстановлению микробиоты кишечника [56].

В настоящее время сформировалось представление о том, что патогенез БА сложен, а этиология многофакторна. Возможно, БА является сочетанной патологией, для терапии которой следует использовать комплекс лечебных мер. В связи с этим особенно актуальным становится поиск новых многофункциональных химических соединений, способных воздействовать сразу на несколько терапевтических мишеней. Проведенные исследования показали, что гинкголид B обладает разнообразным спектром нейробиологической активности, который может быть использован в терапии БА. Он защищает нейроны от деградации и апоптоза при воздействии различных нейротоксинов, активирует процессы пролиферации и дифференцировки нервных клеток, проявляет антиамилоидную активность, ингибирует воспалительные реакции в микроглии, усиливает выделение нейромедиаторов, улучшает когнитивные функции. Данные нейробиологические эффекты реализуются через различные механизмы с активацией или ингибированием широкого спектра сигнальный путей.

Однако вопрос о перспективности применения данного соединения в терапии БА решен еще не окончательно. Большая часть экспериментов проведена на изолированных культурах клеток; экспериментов in vivo мало, а клинические исследования полностью отсутствуют. В ряде проведенных исследований отсутствуют препараты сравнения, что не всегда позволяет определить степень эффективности гинкголида B. Таким образом, необходимо провести более обширные доклинические испытания и особенно клинические исследования гинкголида B для подтверждения выявленной в экспериментах нейробиологической активности, а также исследования по установлению терапевтических доз для лечения БА. В целом данное соединение, по-видимому, может найти применение в будущем в качестве средства комплексной терапии БА.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.