Алесенко А.В.

ФГБУН «Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля» РАН

Гутнер У.А.

ФГБУН «Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля» РАН

Небогатиков В.О.

ФГБУН «Институт физиологически активных веществ» РАН

Шупик М.А.

ФГБУН «Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля» РАН

Устюгов А.А.

ФГБУН «Институт физиологически активных веществ» РАН

Роль липидов в патогенезе бокового амиотрофического склероза

Журнал: Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2020;120(10): 108-117

Просмотров : 531

Загрузок : 7

Как цитировать

Алесенко А.В., Гутнер У.А., Небогатиков В.О., Шупик М.А., Устюгов А.А. Роль липидов в патогенезе бокового амиотрофического склероза. Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2020;120(10):108-117.
Alessenko AV, Gutner UA, Nebogatikov VO, Shupik MA, Ustyugov AA. The role of lipids in the pathogenesis of lateral amyotrophic sclerosis. Zhurnal Nevrologii i Psikhiatrii imeni S.S. Korsakova. 2020;120(10):108-117.
https://doi.org/10.17116/jnevro2020120101108

Авторы:

Алесенко А.В.

ФГБУН «Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля» РАН

Все авторы (5)

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 SOD1G93A, а затем модели SOD1G37R, SOD1G85R и SOD1G86R, 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 SOD1G93A, а не на мутантной линии SOD1G37R). Один из самых многообещающих результатов — миноциклин, который ингибирует нейровоспаление и апоптотическую гибель клеток, что значительно влияет на заболевание у мышей SOD1G93A [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.

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail