Нейропротекторное действие эндоканнабиноидов - Антигипоксическое и нейропротекторное действие N-арахидоноилдофамина при моделировании острой гипоксии in vivo и in vintro

Острые и хронические повреждения нервной системы, в том числе, травмы, ишемические или воспалительные заболевания, остаются серьезной проблемой современной медицины, приводя к нарушениям моторной, сенсорной и когнитивной функции у пациентов. Поэтому поиск способов защиты нервной ткани при различных повреждениях является актуальной и социально значимой проблемой неврологии и нейробиологии в целом (Thurman et al., 1999; Kaur et al., 2013). Перспективным подходом для решения данной задачи представляется применение природных и синтетических нейроактивных липидов.

Накопленные на сегодняшний день данные указывают на то, что каннабиноиды могут выступать в качестве нейропротекторных факторов при различных механизмах повреждения мозга. Выяснению терапевтического потенциала различных ЭК посвящено большое количество работ. На различных моделях черепно-мозговой травмы, ишемического поражения мозга, экспериментального аутоиммунного энцефаломиелита и эксайтотоксичности было продемонстрировано, что ЭК, такие как анандамид и 2-АГ, так же, как и синтетические лиганды CBR-1 и CBR-2, как, например, WIN55121-2, оказывают нейропротекторное действие (Nagayama et al., 1999; Sinor et al., 2000; Panikashvili et al., 2001; Moesgaard et al., 2003; Eljaschwitsch et al., 2006; Maresz et al., 2007; Mechoulam and Shohami, 2007; Koch et al., 2010; Kaur et al., 2013; Lai et al., 2013; Chiarlone et al., 2014). Часть этих работ свидетельствует о том, что защитное действие осуществляется преимущественно посредством активации нейрональных CBR-1 (Nagayama et al., 1999; Mechoulam and Shohami, 2007; Chiarlone et al., 2014). Кроме того, активация CBR-2 также может вносить свой вклад в нейропротекторное действие каннабиноидов (Benito et al., 2008; Howlett et al., 2002; Maresz et al., 2005; Murikinati et al., 2010; Pazos et al., 2013; Dhopeshwarkar, Mackie, 2014).

Первоначально исследования были направлены на активацию CBR-1 для защиты нейронов при эксайтотоксическом, ишемическом повреждении и аутоиммунных заболеваниях (Nagayama et al., 1999; van der Stelt, 2001; Muthian et al., 2004; Shouman et al., 2006).

Существует три основных механизма, запускающих гибель нейронов в ЦНС при различных физиологических и патологических состояниях. Это избыточная активация ионотропных глутаматных рецепторов, приводящая к накоплению в клетках ионов натрия и кальция и, как следствие, гибели клеток в течение нескольких часов, окислительный стресс, вызывающий гибель нейронов в результате накопления активных форм кислорода и азота, и деструкция нейронов в результате апоптоза (Mehta et al., 2013). Глутамат является основным возбуждающим нейромедиатором центральной нервной системы, воздействуя на синаптическую передачу посредством активации различных, прежде всего ионотропных, рецепторов, чувствительных к N - метил-D-аспартату (NMDA-рецепторы), б-амино-3-гидрокси-5-метил-4- изокса-золпропионовой кислоте (AMPA-рецепторы) и каинату (каинатные рецепторы). Активация постсинаптических рецепторов глутамата имеет решающее значение для нормальной реализации различных неврологических функций, в том числе, таких как обучение и память (Won et al., 2002). Многочисленными исследованиями было доказано, что глутамат также играет ключевую роль в развитии процессов, приводящих к гибели нейронов при нарушении кровоснабжения мозга при ишемии. Нарушение нормального поступления кислорода и глюкозы в нервные клетки вызывает энергетический дефицит, который приводит к деполяризации мембраны нейрона и усилению высвобождения глутамата из пресинаптического окончания, анормальному накоплению его в синаптической щели в результате нарушения захвата глутамата астроцитами, и, как следствие, чрезмерной активации глутаматных рецепторов, что приводит к быстрой гибели нейронов (Lai et al., 2013). Такое явление носит название глутаматной нейротоксичности, или эксайтотоксичности. Эксайтотоксичность играет ключевую роль при травмах головного и спинного мозга, инсультах, при развитии различных нейродегенеративных заболеваний, таких как эпилепсия, рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера, амиотрофический боковой склероз, болезнь Паркинсона, болезнь Хангтингтона и др. (Mehta et al., 2013). Различают быструю и медленную эксайтотоксичность. Быстая эксайтотоксичности развивается преимущественно при активации NMDA - рецепторов. NMDA-рецептор является лиганд-управляемым ионным каналом, хорошо проницаемым для ионов кальция, а также натрия и калия. Это пентамер, основными субъединицами которого являются NR1 и NR2A, 2В, 2С и 2D субъединицы. Деполяризация постсинаптической мембраны устраняет ингибирующий "магниевый блок" и приводит к открытию канала для ионов Ca2+. Даже сравнительно краткой (> 3 мин) активации NMDA-рецепторов достаточно, чтобы вызвать гибель нейронов в результате чрезмерного поступления в клетку ионов Ca2+ (Lai et al., 2013). Также в реализации быстрой эксайтотоксичности принимают участие АМРА - рецепторы глутамата, обладающие высокой проницаемастью для ионов Na+ и К+. AMPA-рецептор состоит из различных комбинаций 4 субъединиц (GluR - 1, 2, 3, 4). В отличие от NMDA-рецептора, необходима длительная (более 60 мин) активация АМРА-рецепторов, чтобы вызвать гибель нейронов за счет повышения концентрации Na+ внутри клетки (Koh et al.,1990). Большинство нейронов экспрессирует GluR2 субъединицу AMPA-рецептора, которая делает такие рецепторы мало проницаемыми для Са2+. Экспрессия и функция GluR2-субъединицы снижается в нейронах, подвергающихся гипоксическому воздействию. Ишемия переднего мозга приводит к замедленной гибели нейронов в гиппокампе в поле СА1, чему предшествует снижение экспрессии GluR2 мРНК (Gorter et al., 1997). Изменение соотношения экспрессии GluR2-и GluR2-субъединиц AMPA-рецепторов обуславливает Ca2+-зависимую быструю АМРА-нейротоксичность, которая может лежать в основе потенциальных механизмов селективной гибели нейронов при гипоксическом/ишемическом повреждении мозга (Kim et al., 2001).

Каинатные рецепторы нейронов быстро активируются и десенситизируются, проводят ионы Na+/K+ и проницаемы для Ca2+. Как и в случае АМРА-опосредованной медленной эксайтотоксичности, необходимо длительное (более 1 ч) воздействие каината, чтобы вызвать гибель нейронов (Won et al., 2002).

Чрезмерное повышение [Ca2+]i приводит к активации нескольких ферментативных систем, в том числе NO-синтазы, протеаз, фосфолипазы А2 (ФлА2) и эндонуклеаз, что приводит к окончательной гибели клеток (Kostandy, 2012). Концентрация свободного Ca2+ в цитоплазме нейрона крайне низка (приблизительно 100 нМ), тогда как его внеклеточная концентрация достигает 1-2 мМ. Уровень [Ca2+]i в нейронах поддерживается следующими механизмами: (1) поступление Ca2+ в клетку из внеклеточной среды через лиганд-зависимые рецепторы или потенциал-управляемые Ca2+ каналы; (2) высвобождение Ca2+ из эндоплазматического ретикулума посредством стимуляции IP3-рецепторов или из митохондрий через Na+/Ca2+ обменник; (3) выход Ca2+ из клетки через Ca2+-АТФазу или Na+/Ca2+ обменник в плазматической мембране; (4) связывание Ca2+ кальций - связывающими белками цитоплазмы; (5) депонирование Ca2+ в эндоплазматическом ретикулуме при участии Са2+-АТФазы или в митохондриях по градиенту электрического потенциала. Гипоксически-ишемическое воздействие вызывает накопление внутриклеточного свободного Ca2+ за счет усиления его поступления в клетку, прежде всего, через NMDA-рецепторы, и нарушения АТФ-зависимого удаления Ca2+ из клетки и его депонирования (Won et al., 2012). Длительное повышение [Ca2+]i приводит к запуску метаболических реакций и необратимой смерти нервныхклеток с участием множества механизмов, которые включают в себя активацию Са2+-зависимых эффекторных белков. Одним из таких белков является внутриклеточная протеаза кальпаин I. Активированный кальпаин расщепляет жизненно важные белки, такие как спектрин, фодрин, Ca2+- АТФазу и протеинкиназу С, транскрипционный фактор NF кВ. Это влечет за собой редукцию дендритов, разрушение плазмалеммы, модуляцию экспрессии генов и нейродегенерацию (Wang, 2000). Активация кальций - зависимого кальпаина-I приводит к превращению ксантиндегидрогеназы в ксантиноксидазу. При реперфузии, после поступлении О2 в ишемизированную ткань, происходят окисление ксантина и накопление большого количества супероксидного аниона. Активация фермента Сa2+/кальмодулин-зависимой NO-синтазы обусловливает избыточную продукцию радикала NO-. В результате создаются условия для образования пероксинитрита, что стимулирует генерацию гидроксильных радикалов и способствует нитрированию тирозиновых радикалов белков. Свободные радикалы индуцируют реакции белков с другими компонентами клетки, вызывая фрагментацию белковых молекул и нарушение их функций (Won et el., 2002).

В процесс эксайтотоксичности вовлекаются и другие протеазы, такие как катепсин D, а также эндонуклеазы и фосфолипазы. Чрезмерное накопление Ca2+ в нейронах приводит к транслокации фосфолипазы А2 в мембране. Активация ФлA2 может способствовать гибели нейронов при эксайтотоксичности и гипоксии/ишемии за счет продукции свободных жирных кислот (например, арахидоновой кислоты) из глицерофосфолипидов. Арахидоновая кислота далее используется для производства простагландинов и лейкотриенов и сопутствующей продукции супероксида. Также увеличение концентрации свободной арахидоновой кислоты дополнительно ингибирует митохондриальное дыхание и оказывает непосредственное цитотоксическое действие (Sapirstein и Bonventre, 2000).

Прерывание метаболических каскадов, приводящих к индуцированной глутаматом гибели клеток при ишемии, может предотвратить или уменьшить ишемическое повреждение мозга. Однако, несмотря на тот факт, что многочисленные исследования In vivo И In vitro Показали нейропротекторное действие антагонистов различных глутаматных рецепторов при ишемии, последние клинические испытания не смогли доказать эффективность данных соединений. Кроме того, терапевтический потенциал блокаторов NMDA-рецепторов ограничивается побочными поведенческими эффектами, такими как психоз и гиперлокомоция (Won et al., 2002; Xiong, 2009; Chao, Sheng-Tian, 2013). Таким образом, представляется необходимым поиск новых, более результативных препаратов для предотвращения глутаматной токсичности при ишемическом повреждении, одним из которых являются соединения класса эндоканнабиноидов, которые за счет специфического механизма - ретроградной регуляции синаптической передачи - препятствуют избыточному выбросу нейромедиаторов (в том числе, глутамата) в синаптическую щель, защищая таким образом клетку от эксайтотоксичности (рис. 5) (Mechoulam R. et al., 2002; Генрихс с соавт., 2010).

Одной из первых работ, показавших нейропротекторный эффект эндоканнабиноидов, было исследование, обнаружившее, что синтетические агонисты CBR, WIN55,212-2 и CGS19755, уменьшают гибель клеток, вызванную низким содержанием магния в среде, причем нейропротекторный эффект блокировался римонабанотом (Shen, Thayer, 1998). При закрытой травмой головы у крыс 2-АГ уменьшал отек мозга и объем инфаркта, причем эффект блокировался SR141716А (Panikashvili et al., 2001). У CBR-1- нокаутных мышей 2-АГ не оказывал защитного эффекта, а восстановление животных после травмы шло медленнее, чем у контрольной группы (Panikashvili et al., 2005).

механизмы нейропротекторного эффекта эндоканнабиноидов (mechoulam r. et al., 2002). пояснения в тексте

Рисунок 5 Механизмы нейропротекторного эффекта эндоканнабиноидов (Mechoulam R. et al., 2002). Пояснения в тексте

Молекулярные механизмы, лежащие в основе защитного действия каннабиноидов, изучены недостаточно. Показано, что активация CBR-1, вызванная эксайтотоксичностью, приводит к увеличению продукции нейротрофических факторов, таких как основной фактор роста фибробластов (bFGF) и нейротрофический фактор головного мозга (BDNF) (Marsiano et al., 2003; Khaspekov et al, 2004; Aguado et al., 2007), а также регулирует продукцию оксида азота (Kim et al., 2006) и провоспалительных цитокинов, прежде всего, фактора некроза опухолей ФНОб (Mechoulam et al., 2002; Panikashvili et al., 2006) и ингибирует экспрессию транскрипционного фактора NFkB (Panikashvili et al., 2005).

Показано, что защитное действие каннабидиола от бета-амилоид (Aв)- индуцированной токсичности в культуре клеток PC12 обусловлено его антиоксидантными и антиапоптотическими свойствами, независимыми от СВR (Harvey et al., 2012). Другие исследователи обнаружили, что Д9-ТГК через активацию CBR-1 защищает нейроны спинного мозга крыс от токсичности, вызванной каиновой кислотой (Van der Stelt et al., 2001;

Shouman et al., 2006). Cинтетический каннабиноид WIN55212-2, как и Д9- ТГК, с участием CBR-1 защищал культивируемые нейроны гиппокампа от эксайтотоксичности (Gilbert et al., 2007). Вероятно, защитный эффект каннабиноидов может быть связан с регулированием деятельности NMDA - рецепторов. Так, например, дексанабинол выступает в качестве стереоселективного ингибитора NMDA - рецепторов и препятствует NMDA - индуцированной нейротоксичности (Darlington, 2003), при которой степень нейропротекторного эффекта синтетических каннабиноидов WIN55212-2 и CP-55940 в культуре клеток гиппокампа прямо коррелирует с концентрацией каннабиноидов в среде и блокируется антагонистом CBR-1. Механизм защитного эффекта связан со снижением концетрации ионов Са2+ в клетке вследствие торможения активности ПКА с последующим ингибированием кальциевых каналов эндоплазматического ретикулума (ЭПР), сопряженных с рианодиновыми рецепторами (Хаспеков, Бобров, 2006; Zhang et al., 2007).

Большое число исследований подтверждает, что изменение уровня экспрессии CBR-1 ассоциировано с развитием различных нейродегенеративных заболеваний. Одним из факторов патогенеза болезни Хангтингтона является резкое снижение количества CBR-1, предшествующее развитию двигательных нарушений (Glass et al., 2000; Dowie et al., 2009). Плотность CBR-1 у пациентов с болезнью Альцгеймера может снижаться (Westlake et al., 1994). Также имеются данные об изменении экспрессии CBR-1 у трансгенных мышей с различными моделями болезни Альцгеймера (Fowler et al., 2010). Эксайтотоксичность, индуцированная каиновой кислотой, повышала уровень мРНК CBR-1 в гиппокампе крыс (Aguado et al., 2007).

Целый ряд работ демонстрирует нейропротекторный эффект эндоканнабиноидов, не связанный с активацией CBR-1. Marsiano с соавт. исследовали нейропротективное действие ряда эндогенных и синтетических каннабиноидов при оксидативном стрессе, вызванном воздействием пероксида водорода. На культурах клеток мозжечка мышей дикого типа и мышей, нокаутных по гену CBR-1, показано, что реализация нейропротекторного эффекта каннабиноидов не зависит от экспрессии клетками CBR-1. Д9-ТГК и синтетический каннабиноид СР55,940 повышали выживаемость клеток мозжечка при оксидативном стрессе, а WIN 55,212-2 и метанандамид не оказывали нейропротекторного эффекта как в культурах клеток дикого типа, так и нокаутных животных. Этот эффект авторы связывают с наличием в структуре молекулы Д9-ТГК и СР55940 фенольной группы, которая отсутствует у WIN 55,212-2 и метанандамида (Marsicano et al., 2002).

Появление сведений об иммунорегуляторной роли активации CBR-2 привело к увеличению интереса к этим рецепторам как терапевтическим мишеням, способным уменьшить воспалительные явления при травмах ЦНС и нейродегенеративных заболеваниях, так как и острые, и хронические поражения головного мозга всегда имеют в своем патогенезе воспалительную компоненту. Основным патогенетическим фактором воспаления является повышение уровней воспалительных цитокинов в головном мозге, активация микроглии и появление лейкоцитов в результате повреждения гематоэнцефалического барьера. Активированная микроглия и астроциты выделяют большое количество провоспалительных и нейротоксических соединений (Dirnagl еt al., 1999; Centonze et al., 2007; Kadhim et al.,2009). Наличие CBR-2 на активированных клетках микроглии и иммунной системы позволяют предположить, что агенты, модулирующие их функции, могут иметь потенциально полезные свойства в терапии нейродегенеративных расстройств, причем, поскольку психотропное действие каннабиноидов, как правило, связано с активацией CBR-1 на нейронах, CBR-2-опосредованное нейропротективное действие каннабиноидов представляется особенно интересным в связи с отсутствием их центральных побочных эффектов (Ashton, Glass, 2007).

Первые доказательства того, что селективная активация CBR-2 оказывает защитный эффект при экспериментальном аутоиммунном энцефаломиелите (EAE), были получены при исследовании действия каннабиноида WIN55212-2 на прогрессирование ЕАЕ у мышей. Применение этого синтетического каннабиноида, который является агонистом как CBR-1, так и CBR-2, ослабляло прогрессирование EAE. Присутствие антагониста CBR-1, SR141716А, не влияло на защитный эффект, а антагониста CBR-2, SR144528, блокировало его. Был сделан вывод, что нейропротекторное действие WIN55212-2 опосредовано активацией CBR-2. Однако возможно, что активация CBR-1 играет нейропротекторную роль на более поздних стадиях заболевания (Baker et al., 2000; Maresz et al., 2007). В другом исследовании было показано, что трансгенные мыши с гиперэкспрессией CBR-2 более устойчивы к поведенческим и нейродегенеративным изменениям, вызванным интрацеребральным введением 6- гидроксидофамина. У трансгеных мышей были менее выражены реактивный астроглиоз, активация микроглии, изменения активности тирозингидроксилазы в черной субстанции и хвостатом ядре, моторные и эмоциональные изменения в поведении (Ternianov et al., 2012).

Таким образом, накоплен большой объем данных, свидетельствующих об эффективной защитной роли ЭКС при различных патологических состояниях нервной системы, однако многие эндоканнабиноиды, входящие в ее состав, пока остаются мало исследованными (Pertwee et al., 2010).

Одним из перспективных нейропротекторных соединений является N - арахидоноилдофамин (N-ADA). Ранее было показано, что N-ADA обладает антиоксидантными свойствами и оказывает защитное действие на культивируемые нейроны мозжечка крысы в моделях окислительного стресса, апопотоза и глутаматной токсичности (Bobrov et al., 2008). При моделировании NMDA-зависимой эксайтотоксичности In vitro N-ADA оказывал защитный эффект на клетки зубчатой извилины, причем его нейропротекторные свойства в низких (1 нмоль), но не высоких (10 ммоль) концентрациях блокировались антагонистом CBR-1, АМ251, и не проявлялись у CBR-1-нокаутных мышей. Антагонисты CBR-2 и TRPV1 не влияли на защитный эффект (Grabiec et al., 2012). Однако данные о механизмах нейропротекторного действия N-ADA на сегодняшний день остаются противоречивыми и являются предметом дальнейших исследований.

Похожие статьи




Нейропротекторное действие эндоканнабиноидов - Антигипоксическое и нейропротекторное действие N-арахидоноилдофамина при моделировании острой гипоксии in vivo и in vintro

Предыдущая | Следующая