Нейробиологический потенциал астрагалозида IV и перспективы его применения в терапии болезни Альцгеймера

Болезнь Альцгеймера (БА) — возрастное нейродегенеративное заболевание, которое проявляется прогрессирующей потерей памяти, нарушенем когнитивных функций и речи. Данное заболевание является одним из наиболее тяжелых по своим медико-социальным последствиям [1]. Этиология и патогенез БА остаются недостаточно изученными [2]. Препараты, используемые для лечения БА, имеют ограниченную эффективность, что ставит задачу поиска новых лекарственных средств [3]. В последние десятилетия значительно возрос интерес к использованию лекарственных средств растительного происхождения [4]. Астрагалозид IV — циклоартановый тритерпеновый сапонин, который содержится в корнях астрагала перепончатого (Astragalus membranaceus (Fisch. ex Link) Bunge). Формула C₄₁H₆₈O₁₄. Молекулярная масса 784,97 г/моль [5]. Исследования показали, что данный сапонин характеризуется очень широким спектром фармакологической активности. Он обладает иммунорегуляторным [6], кардиопротективным [7], противоопухолевым [8], антиоксидантным [9], противовоспалительным [10], противоастматическим [11], антидиабетическим [12], противовирусным [13], антивозрастным [14] и другими эффектами. В экспериментальных и клинических исследованиях было установлено разнообразное нейробиологическое действие астрагалозида IV. Он характеризуется умеренным проникновением через гематоэнцефалический барьер: концентрация препарата в мозге, деленная на концентрацию в крови (logBB), составляет 0,49 [15]. Астрагалозид IV одобрен в качестве нового препарата для клинического исследования фазы I Государственным управлением по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами Китая [16].

Цель обзора — анализ результатов исследований по нейробиологическим эффектам астрагалозида IV, которые могут быть использованы в терапии БА.

В последнее время наблюдается изменение взглядов на роль нейровоспаления в патогенезе БА. Если ранее предполагалось, что нейровоспаление является всего лишь ответом на патофизиологические события, то современные данные доклинических и клинических исследований установили, что действия, опосредованные иммунной системой, на самом деле способствуют патогенезу БА и, возможно, управляют им [17]. Если на ранних стадиях заболевания измененная микроглия может оказывать благоприятное воздействие, то на поздних — патологически активированная микроглия вызывает нарастающее повреждение нейронов [18]. Повреждение связано с локальным окислительным стрессом из-за секреции провоспалительных цитокинов и других провоспалительных белков [19]. В связи с этим подходы, связанные с модуляцией микроглии, являются сложным, но многообещающим направлением в терапии БА [18].

Серия исследований in vitro на линии иммортализованных микроглиальных клеток BV-2, обработанных липополисахаридами, проведенная разными авторами, позволила выявить механизмы модуляции активированной микроглии астрагалозидом IV, реализующиеся через различные сигнальные пути. Данный сапонин снизил экспрессию мРНК IL-1β, COX-2, iNOS и TNF-α путем ингибирования фосфорилирования сигнального пути NF-κB (подавления фосфорилирования IκB и p65, а также ингибирования проникновения фосфорилированного p65 в ядро) [20]. Было установлено, что астрагалозид IV, несмотря на относительно низкое сродство, может связываться с глюкокортикоидным ядерным рецептором (NR3C1), тем самым усиливая его ядерную транслокацию и активируя нисходящий сигнальный каскад как в цитоплазме, так и в ядре, включая дефосфорилирование PI3K, Akt, I κB и NF κB [21]. Эти данные представляют интерес в связи с тем, что подавление активации микроглии непосредственно глюкокортикоидами связано с большими побочными эффектами. Другими авторами [22] было показано, что исследуемый сапонин значительно снижает выработку провоспалительных медиаторов посредством активации пути NRF2/HO-1 через сигнальный путь ERK. Установлено также, что астрагалозид IV уменьшает высвобождение провоспалительных медиаторов и повышает выработку противовоспалительного цитокина IL-10 путем преобразования микроглии из воспалительного фенотипа M1 в противовоспалительный фенотип M2 посредством снижения экспрессии Toll-подобных рецепторов 4 (TLR4) и миелоидного фактора дифференциации 88 (MyD88) [23].

В экспериментах на мышах с моделью БА данный сапонин ингибировал повышение уровней провоспалительных факторов, снижал активацию микроглии и повреждение нейронов в тканях гиппокампа [24], ингибировал гиперплазию микроглии и уменьшал образование амилоидных бляшек [20]. Это сопровождалось снижением экспрессии субъединиц p47phox, p22phox и p67phox НАДФН-оксидазы [24].

В последнее время сформировалось представление о том, что инфламмасома NLRP3, вероятно, играет определенную роль в патогенезе БА. Активация данной инфламмасомы с последующей активацией каспазы-1 способствует возникновению воспаления в ЦНС. Избыточная экспрессия инфламмасомы NLRP3 обнаруживается при посмертном исследовании мозга пациентов с БА [25]. В эксперименте in vivo астрагалозид IV, вводимый внутримышечно, снижал экспрессию инфламмасомы NLRP3 и каспазы-1 p20 в гиппокампе мышей. Предполагается, что данный эффект определялся повышением экспрессии PPARγ [26].

Глутамат является основным возбуждающим нейромедиатором, который функционирует в различных возбуждающих синапсах ЦНС. Было показано, что на ранних стадиях БА бета-амилоид либо гиперфосфорилированный тау-белок способствуют перевозбуждению нейронов и повышению уровня глутамата, что приводит к глутаматергической эксайтотоксичности [27, 28]. Предполагается, что это может выступать в качестве основной причины развития когнитивной дисфункции на ранних стадиях БА [29]. В связи с этим защита нейронов от глутамат-индуцированной нейротоксичности является потенциальной терапевтической мишенью в лечении БА.

Клетки линии PC12 обрабатывали глутаматом в концентрации 5 mM в течение 24 ч. В результате этого выживаемость клеток снизилась до 43% по сравнению с контролем. В высокодифференцированных клетках PC12, лишенных ионотропных глутаматных рецепторов, высокая концентрация глутамата ингибировала захват цистина и истощала запасы внутриклеточного глутатиона, что приводило к накоплению активных форм кислорода и в конечном итоге вызывало гибель клеток. При предварительной обработке астрагалозидом IV в концентрации 100 μM выживаемость клеток снижалась лишь до 80%. Протеомный подход показал, что под действием данного сапонина существенно изменилась экспрессия 13 белков. В итоге было предположено, что выявленный нейропротективный эффект осуществляется через механизм резкого ингибирования астрагалозидом IV уровней фосфорилирования белков сигнального пути Raf-MEK-ERK MAPK [30].

За последние годы были предприняты значительные усилия по изучению влияния на патогенез болезни БА различных форм митохондриальной дисфункции, таких как избыточное производство активных форм кислорода (АФК), митохондриальный дисгомеостаз Ca²⁺, уменьшение производства АТФ и др. [31]. Мозг особенно восприимчив к окислительному повреждению из-за высокой скорости потребления кислорода, повышенного уровня полиненасыщенных жирных кислот; кроме того, для мозга характерен очень низкий уровень содержания антиоксидантов [32]. Наиболее частым дефектом митохондриальной функции при БА, приводящим к увеличению продукции АФК, является дефицит цитохром-c-оксидазы [33]. АФК способствуют ингибированию фосфатазы PP2A и повышенной активации киназы GSK3β [34], которая вызывает гиперфосфорилирование тау-белка и нейрофибриллярные повреждения, характерные для БА [35]. Недавние исследования показывают, что восстановление функции митохондрий с помощью различных терапевтических подходов может замедлить прогрессирование БА [31]. В эксперименте на клетках PC12, окислительное повреждение митохондрий в которых было вызвано при помощи MPP+, астрагалозид IV восстановил уровень белка MsrA (MsrA1 присутствует в цитозоле и ядре, а MsrA2 — в митохондриях), который функционирует как антиокислительный фермент. Увеличение экспрессии данного белка осуществлялось через сигнальный путь Sirt1-FOXO3a [36]. В другом исследовании при помощи данного соединения удалось восстановить до контрольных значений активность комплексов I, II, III и IV и мембранный потенциал митохондрий в нервных клетках, подвергшихся окислительному стрессу [37].

Существенные доказательства указывают на то, что открытие митохондриальной Ca²⁺-зависимой поры (mPTP) участвует в патогенезе БА [38]. Открытие mPTP, по-видимому, вызывают такие факторы, как высокая концентрация Ca²⁺ и АФК, а также воздействие бета-амилоида [39]. Открытие mPTP приводит к деполяризации митохондрий и рассеиванию мембранного потенциала (ΔΨm), за которым следуют прогрессирующее набухание митохондрий и потеря растворимых компонентов дыхательной цепи, что в конечном итоге приводит к разрыву внешней митохондриальной мембраны и утечке белков в цитозоль. Предварительная обработка астрагалозидом IV клеток SK-N-SH, которые затем были помещены в среду, богатую бета-амилоидом, ингибировала открытие mPTP. При этом наблюдались восстановление мембранного потенциала (ΔΨm), усиление генерации АТФ, повышение активности цитохром-c-оксидазы и блокировка высвобождения цитохрома с из митохондрий. Значительно увеличилась жизнеспособность клеток [38].

Среди гипотез, объясняющих патогенез БА, в настоящее время одной из наиболее вероятных считается гипотеза стресса эндоплазматического ретикулума (СЭР). СЭР возникает на самых ранних стадиях БА. Экспериментальные данные демонстрируют, что СЭР является одним из важных молекулярных механизмов, участвующих в реализации цитотоксичности бета-амилоида [40]. Для проверки эффективности ингибирования астрагалозидом IV СЭР были использованы клетки PC12, обработанные бета-амилоидом в течение 24 ч. Бета-амилоид вызвал СЭР, снижение активности SOD, увеличение содержания MDA и уровни АФК, а также частичный апоптоз клеток PC12. При этом наблюдалось также повышение уровня экспрессии белков BIP/GRP78 и GADD153/CHOP, тесно связанных с СЭР, и терминального индикатора апоптоза каспазы-3. Часть клеток в дальнейшем была обработана в течение 24 ч астрагалозидом IV в концентрациях 50, 100 и 200 мкМ. Обработка значительно (p<0,01) дозозависимым образом повысила активность SOD и снизила содержание MDA и уровни АФК. Механизм эффекта реализовывался через ингибирование сигнального пути p38 MAPK [41].

Характерным признаком БА являются деградация и потеря синапсов [42]. Основную роль при этом, предположительно, играют отложения бета-амилоида, которые, локализуясь снаружи или внутри синапсов, приводят к их дисфункции. При этом уровень синаптических белков, которые играют критическую роль в регуляции силы синаптической активности, напрямую зависит от содержания бета-амилоида [43]. В исследовании на мышах при помощи введения астрагалозида IV (20 мг/кг) удалось ингибировать снижение экспрессии синаптических белков PSD95, SYN и GAP43 в клетках гиппокампа (p<0,05), которое было вызвано воздействием бета-амилоида. При этом сохранилась плотность дендритных шипиков, способных образовывать синаптическое соединение. Электронная микроскопия показала также, что введение астрагалозида IV значительно ингибировало уменьшение количества синапсов гиппокампа от воздействия бета-амилоида [44].

«Холинергическая гипотеза» БА, которая была разработана еще в 70-х годах прошлого века, подразумевает нарушение или изменение холинергических механизмов. Базальное ядро Мейнерта, идентифицированное как холинергический центр головного мозга, поражается при БА [45]. Ключевую роль в гидролитическом разрушении нейромедиатора ацетилхолина играет повышенная активность фермента ацетилхолинэстеразы. При этом прекращается передача импульса в холинергических синапсах холинергических путей ЦНС и возникает когнитивный дефицит [46, 47]. По этой причине ингибиторы ацетилхолинэстеразы играют важную роль в лечении БА. Ингибирующее действие астрагалозида IV в отношении ацетилхолинэстеразы было выявлено при помощи метода тонкослойной хроматографии [15]. В дальнейших исследованиях было установлено значение IC₅₀, которое составило 4,0 мкМ [48].

Ряд эпидемиологических исследований установил связь между БА и сахарным диабетом. В настоящее время существует понимание того, что нарушенная сигнализация инсулина напрямую изменяет память при БА. Это связано с тем, что сигнальный путь инсулина в мозге играет важную роль в модуляции нейроэндокринных и нейротрофических функций, включая синаптическую пластичность [49]. Таким образом, БА может рассматриваться в качестве метаболического заболевания, вызванного резистентностью к инсулину и инсулиноподобному фактору роста клеток головного мозга [50]. PPARγ — ядерный рецептор, активируемый пероксисомным пролифератором гамма (глитазоновый рецептор обратной инсулинорезистентности); он регулирует запасы жирных кислот, метаболизм глюкозы и повышает чувствительность к инсулину. В связи с этим агонисты этого рецептора представляют собой перспективную терапевтическую мишень при БА. Клинические испытания агонистов PPARγ показали значительное улучшение когнитивных функций у пациентов с БА [51].

Исследования астрагалозида IV в качестве агониста PPARγ проводились in vitro и in vivo. Культивируемые клетки SH-SY5Y, трансфицированные pEGFP-N1-BACE1, обрабатывали астрагалозидом IV в течение 24 ч. Это привело к увеличению активности PPARγ и снижению уровня бета-амилоида. Иммуногистохимические исследования мозга мышей APP/PS1, которые получали внутрижелудочно изучаемый сапонин каждые 48 ч в течение 3 мес, показали снижение образования нейритных бляшек и уровня генерации бета-амилоида. Это также сопровождалось повышением активности PPARγ. Механизм эффекта реализовывался через ингибирование протеазы BACE1, играющей важную роль в образовании бета-амилоида [52]. В экспериментах на культивируемых нейронах гиппокампа и in vivo было также показано, что повышение активности PPARγ при помощи астрагалозида IV ингибирует вызванное бета-амилоидом снижение уровня транскрипции нейротрофического фактора мозга (BDNF), который защищает нейроны от нейротоксичности и апоптоза [53].

В некоторых исследованиях показано [54], что снижение нейрогенеза в субгранулярной и субвентрикулярной зонах мозга тесно связано с когнитивными нарушениями и нейродегенеративными расстройствами при БА. Это подтверждается фактом увеличения количества незрелых нейронов в гиппокампе при посмертном исследовании мозга пациентов с БА [55]. В связи с этим трансплантация НСК рассматривается как потенциальный терапевтический подход для противодействия развитию БА. Препятствием для реализации данного подхода является низкая способность трансплантированных клеток участвовать в восстановлении ЦНС при дегенеративных заболеваниях.

В исследовании in vitro на НСК крыс были получены следующие результаты. Установлено, что при дозах 10⁻⁷ M и 10⁻⁶ M астрагалозид IV увеличивал скорость пролиферации НСК, а при дозе 10⁻⁵ M — индуцировал дифференцировку НСК в клетки нестин+ и GFAP+ без увеличения скорости пролиферации. Далее обработанные астрагалозидом IV НСК имплантировали в мозг крысам с моделью БА, которым дополнительно внутрибрюшинно вводили данный сапонин в течение 4 нед. Серия тестов на когнитивные функции выявила лучшие результаты в этой группе, чем в группе с трансплантированными НСК без воздействия астрагалозида IV. Гистологические исследования показали, что астрагалозид IV увеличивал дифференцировку приживленных НСК в незрелые нейроны (β-тубулин III+/BrdU+). Механизм данного эффекта реализовывался через активацию сигнального пути Notch. При этом высокая концентрация сапонина ингибировала данный сигнальный путь, тогда как низкая концентрация, напротив, активировала его [56].

Как отмечалось выше, нарушение памяти является главным проявлением БА. К настоящему времени исследования влияния астрагалозида IV на когнитивные функции проведены только на лабораторных животных, у которых модель БА была создана введением бета-амилоида. Тесты с Y-лабиринтом, водным лабиринтом Морриса [57], распознавания новых объектов [24], показали, что астрагалозид IV во всех экспериментах в зависимости от дозы значительно уменьшал нарушения памяти. В нейронах гиппокампа крыс при этом наблюдалась повышенная экспрессия антиапоптотических белков Bcl-2 и Bcl-xl [57]. Данный сапонин оказал также протективное влияние на когнитивные функции мышей, которые подвергались нейротоксическому воздействию свинца. Причем эффект достигался, по мнению авторов исследования [58], через Nrf2-зависимые антиоксидантные механизмы.

В связи с тем, что патогенез БА сложен, а этиология является многофакторной, в настоящее время особенно актуальным становится поиск новых многофункциональных химических соединений, способных воздействовать сразу на несколько терапевтических мишеней. Анализ современной литературы показывает, что астрагалозид IV способен потенциально воздействовать на пациентов с БА посредством многоцелевого синергического эффекта, который включает защиту нейронов от глутамат-индуцированной нейротоксичности, модуляция активности микроглии, защиту митохондрий от окислительного стресса, ингибирование стресса эндоплазматического ретикулума, защиту синапсов, ингибирования ацетилхолинэстеразы, активации рецептора PPARγ, поддержки когнитивных функций и др. Действие астрагалозида IV осуществляется через серию молекулярных механизмов с активацией или ингибированием широкого спектра сигнальный путей.

Но для окончательного решения вопроса о перспективности применения астрагалозида IV в терапии БА данных пока недостаточно. К настоящему времени большая часть экспериментов проведена на изолированных культурах клеток; экспериментов in vivo относительно мало, а клинические исследования полностью отсутствуют. В связи с этим необходимо провести более обширные эксперименты in vivo и особенно клинические исследования данного соединения для подтверждения выявленной в экспериментах нейробиологической активности. Необходимы также исследования по установлению терапевтических доз для лечения БА. В целом астрагалозид IV, вероятно, может найти применение в будущем в качестве многоцелевого средства комплексной терапии БА.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.