Болезнь Альцгеймера: факторы риска, клеточно-молекулярные основы патогенеза, анализ патогенетических механизмов в сравнении с боковым амиотрофическим склерозом

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Болезнь Альцгеймера (БА) — нейродегенеративное заболевание, наиболее распространённый тип деменции, на которую приходится от 60 до 80% всех случаев [1]. По статистике по всему миру насчитывают более 50 млн человек с данной патологией [1]. Согласно статистическим данным в России около 1,5–2 млн больных с деменцией [2].

БА классифицируют по времени начала и происхождению. Данное заболевание может иметь как спорадическую, так и семейную этиологию [3]. Приблизительно в 95% случаев позднее начало патологии (после 65 лет) ассоциировано со спорадической формой [3, 4]. Количество случаев с ранним началом составляет около 1–6%, а возраст заболевших колеблется от 30 до 60–65 лет.

Примерно в 60% случаев БА с ранним началом имеет семейную этиологию [4]. Предполагают, что спорадическая форма вызвана совокупностью сложных генетических и экологических факторов [5]. И значительная доля наследуемого риска БА может быть обусловлена аллелем Σ4 гена аполипопротеина Е [5]. Для семейной формы характерны мутации в генах, кодирующих белок-предшественник амилоида (APP — от англ. Amyloid precursor protein), и в генах PSEN1 и PSEN2 [6].

Существует разница между механизмами развития спорадической и семейной форм. В случае семейной этиологии, а именно при аутосомно-доминантном типе наследования, например из-за дупликации APP, патология будет начинаться с генерации β-амилоидного пептида (Аβ), которая впоследствии увеличивает фосфорилирование тау-белка. Тогда как при спорадической болезни Альцгеймера всё начинается с изменений в передаче сигнала в клетке, которые нарушают регуляцию кальция и приводят к фосфорилированию тау-белка, что впоследствии усиливает продукцию Аβ [7].

Симптомы БА зависят от стадии заболевания. Одна из существующих классификаций выделяет доклиническую, или предсимптоматическую, лёгкую стадию и стадию деменции на основании степени когнитивных нарушений [8].

Эти стадии отличаются от классификации, представленной Американской психиатрической ассоциацией в Диагностическом и статистическом руководстве по психическим расстройствам 5-го издания (DSM-5 — от англ. Diagnostic and Statistical Manual of mental disorders). Начальным и наиболее распространённым симптомом бывает эпизодическая кратковременная потеря памяти с относительной сохранностью долговременной памяти, которая может проявляться у большинства пациентов [8]. У людей, страдающих БА, развиваются множественные когнитивные дефициты (ухудшение памяти, афазия, апраксия, агнозия, нарушение исполнительных функций и др.) [9]. Нейропсихиатрические симптомы, такие как апатия, социальная отстранённость, расторможённость, возбуждение, психоз, также распространены при средних и поздних стадиях [8].

ФАКТОРЫ РИСКА

Как уже было упомянуто ранее, мутации в трёх генах (APP, PSEN1, PSEN2) — основные генетические факторы риска развития семейной формы БА. Мутации гена APP включают чаще всего мутации в сайте расщепления фермента, расщепляющего β-APP-сайт (BACE — от англ. β-site APP cleaving enzyme); в сайте расщепления γ-секретазы и в области среднего домена Aβ. Мутации в этом гене приводят к увеличению образования нейротоксичного Аβ [10].

Гены пресенилина — часть семейства γ-секретазы. Существует 179 мутаций гена PSEN1 и 14 мутаций гена PSEN2, которые участвуют в раннем начале аутосомно-доминантной формы заболевания. Эти мутации, так же как и мутации APP, способствуют выработке более токсичных форм Aβ [11].

Также мутации в PSEN1 могут нарушать функционирование аутофагии. В исследовании с использованием фибробластов, полученных от пациентов с БА, было показано, что мутации данного гена приводят к нарушению закисления/протеолиза лизосом, служащего важным звеном исправного процесса аутофагии [5]. Также аутофагия нарушена в моделях мышей со сверхэкспрессией мутантного APP. Это происходит, вероятно, из-за токсического воздействия С-концевого домена APP, расщеплённого β-секретазой, на лизосомы [5, 12].

Аллель Σ4 гена аполипопротеина Е — это гликопротеин, регулирующий клиренс липопротеинов из плазмы, выступая в качестве лиганда, связывающегося с различными рецепторами клеточной поверхности. В одном исследовании было выяснено, что риск развития БА возрастает с 20 до 90% с увеличением количества аллелей Σ4 гена аполипопротеина Е в 42 семьях (в случаях с поздним началом заболевания) [13]. В дополнение ко всему изложенному, полногеномное ассоциативное исследование выявило 11 генов, ассоциированных с БА [10].

К одному из самых важных факторов риска развития БА следует отнести возраст [14]. Происходят изменения, затрагивающие клеточный состав, реактивность организма и сосуды, например эндотелиальная дисфункция или повышение жёсткости артериальных стенок. Эти перемены учитывают при исследовании патогенеза БА, несмотря на то, что вклад кардиоваскулярных болезней в развитие данной патологии до сих пор остаётся открытым вопросом для обсуждений [14].

Исследования показали, что как повышенное, так и пониженное артериальное давление может быть ассоциировано с развитием БА [10]. Также когнитивные функции снижаются быстрее у пациентов с высоким уровнем холестерина [10].

К числу факторов риска БА относится анемия. После доказательства её взаимосвязи с заболеванием возникло предположение, что у пациентов с БА может быть нарушена выработка гемоглобина [15].

МЕХАНИЗМЫ ПАТОГЕНЕЗА

β-Амилоид

Одна из основных патогистологических характеристик БА — внеклеточное накопление агрегатов бляшек Аβ. Первоначально бляшки Аβ развиваются в базальных, височных и орбитальных, фронтальных областях неокортекса головного мозга, а на более поздних стадиях прогрессируют по всему неокортексу, гиппокампу, миндалевидному телу, промежуточному мозгу и базальным ганглиям [11].

Процесс образования амилоида начинается с аномального процессинга белка-предшественника амилоида, интегрального белка на плазматической мембране, β-секретазами и γ-секретазами с образованием фибрилл Аβ, а именно мономеров Аβ (1–40) и Аβ (1–42). Первое протеолитическое расщепление производится мембраносвязанной аспартилпротеазой, ферментом β-секретазой, расщепляющей β-сайт APP. Эта протеаза выделяет секретируемое производное APP и мембраносвязанный белковый фрагмент из 99 аминокислот, так называемый расщеплённый β-секретазой C-концевой домен [10]. Затем высвобожденные белковые фрагменты олигомеризуются, диффундируют в синаптические щели, полимеризуются в нерастворимые амилоидные фибриллы, что нарушает синаптическую передачу сигналов. При БА, кроме агрегации бляшек, происходит формирование нейрофибриллярных клубков. Сопровождаются данные два процесса активацией микроглии, которая начинает окружать бляшки. Это способствует развитию местной воспалительной реакции и нейротоксичности [11].

Несмотря на многочисленные доказательства токсичности Аβ для нервной ткани, доказано наличие слабой корреляции между проявлением БА клинически и отложением бляшек при спорадической форме заболевания [16]. Это заставило критиков предположить, что Аβ не является главным фактором в развитии патологии. Однако в случае семейной формы патогенез заболевания более чётко определяется наличием отложений Аβ. Это означает, что Аβ может привести к потере нейронов без колокализации бляшек и нейродегенерации [10].

Плохая корреляция между фибриллярным Аβ и потерей нейронов при спорадической форме может быть обусловлена различными агрегационными состояниями Аβ [10]. Было установлено, что количество растворимых форм Аβ коррелирует с тяжестью заболевания. В отличие от этого, уровень нерастворимого Аβ не демонстрирует такой корреляции [17].

Существует два основных типа полимеров Аβ, которые напрямую участвуют в образовании бляшек и индуцируют нейротоксичность: Аβ из 40 и 42 аминокислотных остатков — Аβ (1–40) и Аβ (1–42) соответственно.

Аβ (1-40) является распространённым и менее нейротоксичным, чем Аβ (1–42), который менее распространён, полностью нерастворим, сильно нейротоксичен и более склонен к агрегации, а также действует как токсичная строительная фракция сборки Аβ [11]. Аβ (1–42) может образовывать олигомеры Аβ, которые встраиваются в клеточную мембрану и образуют каналы, крайне проницаемые для Ca²⁺. Это приводит к нарушению гомеостаза кальция, что вызывает синаптическую дегенерацию [18]. Также было высказано предположение, что Аβ (1–42) вызывает апоптоз нейронов путём активации каспазы 3, тем самым способствуя расщеплению митохондрий и увеличению концентрации активных форм кислорода [10].

APP — интегральный трансмембранный белок с внеклеточными доменами. Может быть локализован в аппарате Гольджи, эндоплазматическом ретикулуме, на эндосомальной, лизосомальной и митохондриальной мембранах [10]. При БА APP генерирует амилоидогенные фрагменты путём дифференциального расщепления его ферментами. APP кодирует трансмембранный гликопротеин 1-го типа, который расщепляется либо по неамилоидогенному пути (нормальное состояние), либо по амилоидогенному пути (патологическое состояние) [19].

При отсутствии патологии α-секретаза расщепляет и секретирует в среду большой растворимый эктодомен APPsα, а C-концевой домен (C83) сохраняется в мембране, а далее расщепляется γ-секретазой по остатку 711, высвобождая растворимый пептид P3. Альтернативно при наличии патологического процесса аномальное расщепление осуществляется с помощью β-секретазы, высвобождающей усечённые секретируемые эктодомены APPsβ и C-концевой домен (C99), который также сохраняется в мембране и далее расщепляется γ-секретазой. В отличие от нормального расщепления результатом данного процесса становится высвобождение нерастворимых пептидов Аβ. Расщепление C83 или C99 γ-секретазой высвобождает внутриклеточный домен APP в цитоплазму, которая является растворимой и перемещается в ядро для выполнения дальнейшей функции — экспрессии генов [11].

Данные исследования Loan Vaillant-Beuchot и соавт. (2020) указывают на то обстоятельство, что белковые С-концевые домены белка-предшественника амилоида могут быть частью пускового механизма патогенеза БА. Возможно, этот механизм реализуется независимо от Аβ [20].

BACE1 — β-секретаза, необходимая для генерирования всех мономерных форм Аβ [21]. BACE1 расщепляет APP в двух местах: β-расщепление по аспартату и β-расщепление по глутамату в домене Аβ [22]. При БА в головном мозге концентрация и уровень активности данного фермента повышены, что поддерживает теорию о важной роли BACE1 в патофизиологии БА. На внутриклеточном уровне β-секретаза локализуется на плазматической мембране и эндосомах, а также присутствует на здоровых синаптических терминалях. Связь мутаций в гене BACE1 и патогенеза БА ещё не установлена [21].

Метилирование дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) регулирует экспрессию BACE1. Гипометилирование ДНК может быть ещё одним фактором в развитии БА. Подобное гипометилирование ДНК в области промотора APP усиливает экспрессию генов, связанных с БА, включая APP и PSEN1, что приводит к увеличению продукции Аβ [21, 23].

BACE1 гомологичен другой связанной с мембраной секретазе — BACE2 [21]. Оба фермента экспрессируются на одинаковых типах клеток в головном мозге, только BACE2 намного менее активен. Посмертные исследования на людях показали высокие уровни экспрессии BACE2 и сильную корреляцию с экспрессией BACE1 в нейронах и астроцитах пациентов с БА [21].

Данный фермент не является истинной β-секретазой. Он функционирует как альтернативная α-секретаза и как антагонист BACE1. Однако в одном из исследований утверждают, что BACE2 может функционировать как условная β-секретаза [22]. Ассоциированные с БА мутации способны запустить β-секретазную активность BACE2 посредством повреждения юкстамембранной спирали белка APP, ингибирующей BACE2 в норме. Также кластерин, являющийся маркёром старения клетки и активированный при БА, стимулирует BACE2-опосредованное β-расщепление APP дикого типа через привязку к юкстамембранной спирали. Несмотря на то обстоятельство, что основное аномальное β-расщепление APP обеспечивается BACE1, аномально индуцированные β-секретазы могут лучше коррелировать с БА [22].

В другом исследовании, опубликованном в 2021 г., также говорится о том, что BACE2 кодирует интегральный мембранный гликопротеин, который расщепляет белок APP на Аβ, что становится критической ступенью в развитии БА [24]. Предполагают, что BACE2-опосредованное β-расщепление может относиться к определённому подтипу БА или характеризовать прогрессирование заболевания на определённых стадиях. Так, данная секретаза проявляет более высокую активность на доклинической стадии БА [22].

γ-Секретаза представляет собой встроенный в мембрану протеазный комплекс, каталитическим компонентом которого служит пресенилин, содержащий два трансмембранных аспартата в активном сайте. Её также называют мембранной протеасомой, осуществляющей гидролиз субстратов в гидрофобной среде липидного бислоя. γ-Секретаза участвует в расщеплении трансмембранного домена белка-предшественника амилоида для получения Аβ [25]. При семейной форме БА мутации в гене пресенилина меняют процесс образования Аβ на уровне γ-секретазы [25].

Процессинг APP хорошо изучен. Первоначальное эндопротеолитическое расщепление приводит к образованию 48- или 49-остаточного Аβ и соответствующих фрагментов внутриклеточного домена APP. Оба данных типа Аβ могут обрабатываться γ-секретазой, так как она обладает необходимой карбоксипептидазной активностью, обрезая, как правило, каждые три аминокислоты. Таким образом, производство Аβ происходит по двум путям [25]:

1) обработка 49-остаточного Аβ γ-секретазой с последовательным образованием 46-остаточного, 43-остаточного, 40-остаточного Аβ;

2) обработка 48-остаточного Аβ γ-секретазой с последовательным образованием 45-остаточного, 42-остаточного, 38-остаточного Аβ.

Тау-белок

Тау-белок — фосфопротеин, участвующий в поддержании стабильности микротрубочек и организации цитоскелета в зрелых нейронах. При БА изначальное сродство белка к тубулину снижается, и белок начинает накапливаться в цитозоле соматодендритных компартментов, где строятся нерастворимые структуры, так называемые нейрофибриллярные клубки [26]. Они локализуются в голубом пятне, а также в трансэнторинальной и энторинальной областях мозга. На критической стадии тау-белок распространяется на гиппокамп и неокортекс [11], оставляя первичные сенсорные и моторные поля нетронутыми до поздней стадии заболевания. Таупатия, а именно накопление нейрофибриллярных клубков в тканях мозга, хорошо коррелирует с прогрессирующей потерей серого вещества и когнитивными нарушениями [10].

Образование нейрофибриллярных клубков происходит посредством внутриклеточной полимеризации тау-белка. Гиперфосфорилированные тау-фибриллы превращаются в парные спиральные филаменты, которые образуют нейрофибриллярные клубки, в конечном итоге разрушая нейрон. В классическом представлении гиперфосфорилирование тау-белка запускается активацией киназ, происходящей при полимеризации мономеров Аβ в нерастворимые амилоидные фибриллы [11].

Гиперфосфорилированный тау-белок также может управлять расщеплением Аβ, улавливая в дендритах эндосомы, содержащие APP, и вызывая образование «эндосомных пробок». Принцип «эндосомных пробок» заключается в том, что APP больше времени проводит в эндосомах, где он расщепляется до Аβ, вследствие чего увеличивается синтез последнего. Фосфорилированный тау-белок также может усилить образование Аβ в аксонах за счёт разрушения микротрубочек, что увеличивает накопление APP и BACE [7].

Тау-белок фосфорилируется многими киназами, включая киназу гликогенсинтазы 3β, циклинзависимую киназу 5, активируемую внеклеточным Аβ, протеинкиназу C, протеинкиназу A, внеклеточную сигнальную киназу 2, серин/треониновую киназу, каспазу 3, каспазу 9 и др. [7, 11]. Среди различных киназ и фосфатаз протеинкиназа A, протеинфосфатаза 1 и 2А входят в число наиболее вовлечённых в аномальное гиперфосфорилирование тау-белка [27].

Один из ключевых процессов — фосфорилирование протеинкиназой А по серину 214. Тау-белок начинает отсоединять микротрубочки от дендритов и дальше агрегируется на них, а также на гладком эндоплазматическом ретикулуме в дендритах, особенно под глутаматными синапсами. Появление фосфорилированного протеинкиназой А по серину 214 тау-белка служит доказательством нарушения регуляции кальция со стороны эндоплазматического ретикулума в том же месте. Затем тау-белок становится гиперфосфорилированным [7].

Эти данные предполагают, что кортикальные глутаматные синапсы, количество которых увеличивается в процессе эволюции мозга, играют роль «двигателя патологии», который в течение долгого времени может создавать дегенеративный паттерн, характерный для БА. [28]. Транспортировка патологического тау-белка происходит только вблизи возбуждающих, но не тормозных синапсов. Это согласуется с тем, что тау поражает глутаматергические, но не ГАМК-эргические¹ нейроны. Перенесённый патологический тау-белок может только «инфицировать» нейроны с оптимальной для данного процесса внутриклеточной средой, например с высоким содержанием кальция в цитозоле [7].

Кроме протеинкиназы А и протеинфосфатаз, важную роль в развитии БА играют киназа гликогенсинтазы 3β и циклинзависимая киназа 5. Первая регулирует расщепление С-концевых доменов APP. Литий и кенпауллон (два ингибитора данного фермента) предотвращают экспрессию киназы гликогенсинтазы 3β и вносят вклад в ингибирование образования Аβ. Следовательно, киназа гликогенсинтазы 3β может косвенно влиять на образование как бляшек Аβ, так и нейрофибриллярных клубков при БА. Также было отмечено, что активность киназы гликогенсинтазы 3β в митохондриях была связана с повышенным окислительным стрессом.

Таким образом, данный вид киназы играет важную роль в патогенезе БА, внося вклад в синтез Аβ и опосредованную им гибель нейронов за счёт увеличения гиперфосфорилирования тау-белка. Кроме того, сообщают, что на это фосфорилирование влияет взаимодействие Аβ с циклинзависимой киназой 5. Такое взаимодействие приводит к расщеплению соседних белков с высвобождением расщеплённых пептидов с более низкой растворимостью и более длительным периодом полураспада, которые также могут фосфорилировать удалённые белки [11].

Большинство тау-белков, высвобождаемых во внеклеточную жидкость, разрезаны в средней области тау и лишены хвостовых концов, что вызывает агрегацию тау-белка. Полноразмерный тау-белок, находясь в экзосомах, способен распространяться посредством эндоцитоза или аксональной передачи [27]. Экзосомы могут опосредовать транссинаптическую передачу тау-белка, но при этом для данного процесса, необходимо сохранение целостности экзосом [29].

Исследование 2015 г. продемонстрировало присутствие тау-белка в экзосомах, выделенных из крови пациентов с БА или фронтотемпоральной деменцией, а также значительное повышение экзосомальных уровней общего и фосфорилированного тау-белка, по сравнению с контрольной группой [30].

Кроме того, исследование тау-белка показало, что концентрация аномального патологического тау-белка в экзосомах, выделенных из спинномозговой жидкости пациентов с БА на лёгкой/тяжёлой стадии (стадии Браака 3–6), была значительно выше, чем у пациентов на ранней стадии (стадии Браака 0–2). Этот феномен указывает на то обстоятельство, что опосредованная экзосомами секреция патологического тау-белка может играть важную роль в аномальном увеличении его содержания в спинномозговой жидкости при ранней стадии БА [27].

Следует отметить, что активация системы комплемента и микроглии, по-видимому, усугубляет таупатию в моделях мышей с БА, хотя механизмы данного процесса ещё неизвестны [31]. Исследования на мышиной модели таупатии показали, что микроглия участвует в межклеточном распространении тау-белка по всему мозгу, возможно, опосредованном поглощением микроглии и экзосомальным высвобождением тау [31].

Было выдвинуто предположение, что нейрофибриллярные клубки способны повреждать нейроны и глиальные клетки, отодвигая цитоплазматические органеллы на периферию, ингибируя активность протеасом или нарушая сборку микротрубочек [10].

Протеасомная система играет ключевую роль в очистке неправильно свёрнутых белков и таким образом поддерживает внутриклеточный гомеостаз белков. Снижение протеасомной активности может привести к аномальному накоплению белков и инициировать каскад событий, заканчивающихся гибелью нейронов. По сравнению с контрольной группой активность протеасом снижена в группе исследуемых с БА, что коррелирует с повышенным уровнем нейрофибриллярных клубков [32].

Белок тау — субстрат протеасомы как in vitro, так и in vivo. Дисфункция протеасом, возможно, вносит вклад в формирование нейрофибриллярных клубков. В результате исследования был сделан вывод, что умеренное фосфорилирование тау-белка активирует протеасомы, но дальнейшее фосфорилирование/накопление тау ингибирует активность фермента. Из этого следует, что дисфункция протеасом может быть следствием гиперфосфорилирования тау-белка при развитии БА [32].

Кроме того, олигомеризованный тау-белок вызывает окислительный стресс и стимулирует энергетическую недостаточность, снижая уровень активности митохондриального дыхательного комплекса I, что, в свою очередь, приводит к нейродегенерации [10]. Однако существуют предположения, что сам митохондриальный окислительный стресс — фактор, вызывающий гиперфосфорилирование тау-белка [33].

Митохондриальная дисфункция

Митохондрии служат «энергетической станцией» клетки, поскольку в них синтезируется бóльшая часть необходимого клетке аденозинтрифосфата (АТФ). Нарушение работы митохондрий крайне характерно для нейродегенеративных заболеваний, особенно для БА [5]. Один из ключевых вопросов в изучении данной дисфункции — время её возникновения: является она следствием накопления Аβ и патологического тау-белка, или же она сама выступает в качестве стимулирующего фактора для агрегации сенильных бляшек и нейрофибриллярных клубков, а следовательно, является одной из первых ступеней в патогенезе БА [5]. Некоторые из последних исследований всё же настаивают на том, что митохондриальные дисфункции появляются на самых ранних стадиях развития БА [5, 34].

Со временем Аβ накапливается в митохондриях и приводит к нарушению их функционирования, что было подтверждено при окрашивании посмертных срезов головного мозга иммунным золотом. Согласно данному исследованию, внутримитохондриальное накопление Аβ начинается раньше внеклеточного его отложения. Предположительно внутримитохондриальное накопление Аβ может быть провоцирующим/ранним фактором опосредованной Аβ нейрональной дисфункции [35].

Под митохондриальной дисфункцией подразумевают низкий уровень вырабатываемого АТФ, нарушение активности окислительного фосфорилирования, нарушение мембранного потенциала митохондрий и высокий уровень активных форм кислорода [36]. Митохондриальная дисфункция может играть определённую роль в повышенной восприимчивости головного мозга к развитию БА. Стареющий мозг характеризуется снижением энергопотребления, в том числе уменьшением потребления глюкозы и активности клеточного дыхания.

Кислород-зависимый синтез АТФ опосредуется ферментативными комплексами, которые составляют дыхательную цепь переноса электронов в процессе, называемом окислительным фосфорилированием. Протеомика продемонстрировала недостаточную экспрессию белков пути окислительного фосфорилирования, а также выделила данный процесс как один из наиболее затронутых БА среди других, происходящих в коре головного мозга пациентов [37].

Нарушение функции митохондрий связано с потерей или дисфункцией специфических ферментов дыхательной цепи переноса электронов: цитохром C-оксидазы, пируватдегидрогеназного комплекса и кетоглутаратдегидрогеназного комплекса цикла Кребса. Экспрессия данных ферментов, кодируемых митохондриальной ДНК, может быть скомпрометирована повреждениями её самой. Повреждения могут возникать двумя путями: наследоваться по материнской линии или приобретаться в процессе мутагенеза. В поддержку обеих теорий существует ряд исследований, поэтому на данный момент вопрос остаётся неразрешённым [37].

Говоря о биоэнергетической дисфункции, следует отметить, что при БА развивается гипометаболизм глюкозы, главного энергетического субстрата для мозга [10]. Этот гипометаболизм в лобной, височной и теменной коре головного мозга у пациентов с БА тесно коррелирует со снижением уровня тиаминдифосфата в крови, критического кофермента пируватдегидрогеназы и α-кетоглутаратдегидрогеназы в цикле Кребса и транскетолазы в пентозофосфатном пути [38]. В коре головного мозга пациентов с БА снижены уровни глюкозных транспортёров типа 1 и 3, что потенциально может привести к замедлению транспорта глюкозы и её гипометаболизму. Уменьшение содержания глюкозы становится одним из факторов, приводящих к снижению уровня АТФ в митохондриях [10].

Роль Aβ в развитии митохондриальной дисфункции велика. Олигомеры Аβ способствуют внутриклеточному дисбалансу кальция, увеличивая свой вклад в развитие митохондриальной дисфункции. Одной из мишеней для БА становится митохондриальная Ca²⁺-зависимая пора, изменяющая проницаемость мембраны митохондрий.

Кроме воздействия Aβ, следует учитывать тот факт, что уровень циклофиллина D значительно повышен в нейронах, поражённых при БА. Циклофиллин D также связан с нарушением работы поры. Было продемонстрировано, что нейроны с дефицитом циклофиллина D устойчивы к нарушенной Аβ функции митохондриальных нейронов. Повышенный синтез активных форм кислорода с сопутствующей нарушенной функцией митохондрий приводит к повреждению нейронов и дисрегуляции митохондриальной Ca²⁺-зависимой поры, изменяющей проницаемость мембраны митохондрий [39].

Олигомеры Aβ также опосредуют активацию связанного с динамином белка 1, фундаментального компонента механизма деления митохондрий, что приводит к усилению фрагментированности митохондрий и последующей гибели клеток при БА [5].

Активные формы кислорода — неизбежные побочные продукты транспорта электронов при аэробном дыхании в митохондриях. По некоторым оценкам, митохондрии вносят приблизительно 90% клеточных активных форм кислорода. Хотя они выполняют важные сигнальные функции, при избытке они приводят к окислительному стрессу с обширными повреждениями. Митохондрии восприимчивы к окислительному стрессу, несмотря на наличие антиоксидантной системы. Повреждённые митохондрии становятся менее эффективными продуцентами АТФ и более эффективными продуцентами активных форм кислорода. Следовательно, повышенный окислительный стресс может быть как причиной, так и следствием митохондриальной дисфункции [38].

Образование митохондриальных супероксидных радикалов происходит в основном в двух точках сопряжения: в комплексах I и III дыхательной цепи. При БА оба комплекса являются главными сайтами продукции активных форм кислорода, тогда как при нормальных метаболических условиях эту функцию выполняет только комплекс III [40].

Высокореактивный гидроксильный радикал может повреждать макромолекулы в митохондриях, включая липиды, белки и ДНК. Повреждённая митохондриальная ДНК может усиливать окислительный стресс за счёт снижения экспрессии критических белков, важных для транспорта электронов, что приводит к порочному циклу дисрегуляции активных форм кислорода и органелл, что в конечном итоге запускает апоптоз [40].

Окислительный стресс влияет на проницаемость митохондриальной мембраны. Перекисное окисление фосфолипидов митохондрий способно повышать протонную проницаемость внутренней мембраны митохондрий, изменять свойства мембран митохондрий и ухудшать биохимические функции различных транспортёров и дыхательных ферментов во внутренней и внешней мембранах [10]. Активные формы кислорода могут способствовать нарушению нормального функционирования поры, изменяющей проницаемость мембраны митохондрии, как и само повреждение поры вызывает их повышенную продукцию [40]. Резюмируя, можно утверждать, что повышенный уровень окислительного стресса способен быть одновременно как следствием, так и причиной митохондриальной дисфункции [38].

В нескольких исследованиях образцов мозга пациентов с БА подтверждено накопление повреждённых митохондрий в нейронах поражённых областей мозга [41, 42]. Данный факт объясним нарушением клиренса повреждённых митохондрий (например, посредством митофагии) при БА. Есть данные о том, что тау-белок блокирует процесс митофагии. Можно предположить наличие порочного круга между дисфункцией митохондрий и классическими патологическими изменениями при БА [5].

Аутофагия и нейродегенерация

Термин «аутофагия» происходит от греческого «поедать себя», что говорит о главной функции данного процесса — разрушении внутренних компонентов клетки [5]. Существует три определённых типа аутофагии: макроаутофагия, микроаутофагия и аутофагия, опосредованная шапероном, которые приводят к протеолитической деградации цитозольных компонентов в лизосоме. При изучении патогенеза БА важно знать механизм макроаутофагии (здесь просто «аутофагия»).

Говоря подробнее, процесс начинается с изолирующей мембраны, также известной как фагофора. Она расширяется, чтобы поглотить внутриклеточный компонент, такой как белковые агрегаты, органеллы и рибосомы, тем самым изолируя свой груз двойной мембраной в так называемой аутофагосоме. Загруженная аутофагосома сливается с лизосомой, способствуя деградации аутофагосомального содержимого лизосомальными протеазами.

Аутофагия нужна для контроля повреждений путём удаления нефункциональных клеточных компонентов и для дополнительной продукции АТФ. Она обладает различными функциями: селективное или неселективное удаление специфических повреждённых органелл (митохондрий, пероксисом, эндоплазматического ретикулума), рибосом и белковых агрегатов, способствование старению клеток и презентации антигена на поверхности клеток, защита от нестабильности генома и предотвращение некроза [43]. Однако к функциям аутофагии в нейронах добавляются аксональное наведение, синаптическая передача, поддержание связи между нейронами и развитие нервных стволовых клеток. В целом существуют предположения, что нарушение аутофагии — основной фактор, способствующий дисфункции мозга при нейродегенерации [5].

Точка зрения об этой взаимосвязи исходит из понимания особенностей структуры и функционирования нейронов. Жизнедеятельность нейронов сильно зависит от питательных веществ, поступающих извне, и, следовательно, от активного мембранного транспорта, соединяющего удалённое клеточное тело с дендритами и аксонами. Чувствительность нейронов к внутриклеточному дисбалансу приводит к отсутствию толерантности к накоплению агрегированных или повреждённых цитозольных соединений либо мембран, происходящему вследствие нарушения механизмов аутофагии. Аутофагия служит важным гомеостатическим механизмом в здоровых нейрональных клетках и цитопротективным ответом на хронические нейродегенеративные расстройства [3].

Также аутофагия связана с уменьшением количества митохондрий, поэтому при БА определённо наблюдается взаимосвязь аутофагии и митохондриальной дисфункции [3, 5]. БА приводит к нарушению митофагии (избирательной формы аутофагии) и последующему накоплению повреждённых митохондрий внутри нейронов [5]. Транслокация неправильно свёрнутых белков в мембрану митохондрий приводит к нарушению окислительного фосфорилирования и последующей активации аутофагии. При отсутствии патологии лизосомальная деградация повреждённых митохондрий служит важным фактором в контроле качества митохондрий. Неисправный механизм митофагии снижает эффективность этого контроля и приводит к олигомеризации Аβ и α-синуклеина в мембране митохондрий, повышению её проницаемости и высвобождению цитохрома C. Это может запустить каскад каспаз, который приведёт к массовой гибели клеток и нейродегенерации [3].

На данный момент исследования в вопросе митофагии направлены на выявление генетических причин неисправности механизма деградации повреждённых митохондрий [5]. Было выявлено необычное накопление мутаций митохондриальной ДНК в головном мозге пациентов с БА. При данном заболевании подавляются пути репарации ДНК (эксцизионная репарация оснований и репарация двухцепочечных разрывов). Однако точная взаимосвязь между нарушениями репарации ДНК и митофагии/аутофагии ещё неясна.

SIRT1 и SIRT3, два гена с нейропротективными характеристиками, имеют сниженную активность при нейродегенеративных состояниях, включая БА. SIRT1 выполняет свою нейрозащитную функцию за счёт индукции аутофагии/митофагии, а SIRT3 — активатор FOXO3, необходимого белка для аутофагии в нейронах. Следовательно, нарушение функции SIRT1 и SIRT3 приводит к подавлению митофагии и последующему накоплению повреждённых митохондрий в нейронах.

Также к возможным причинам повреждения механизма митофагии при БА относят дефицит нейронального НАД+². В ряде исследований была обнаружена связь между аутофагией и нейровоспалением. Во-первых, высвобождаемые при БА провоспалительные цитокины активируют аутофагию. Во-вторых, было высказано предположение, что длительное воздействие Аβ нарушает аутофагию микроглии при БА. Таким образом, нарушение механизмов аутофагии усугубляет нейровоспаление и способствует прогрессированию БА [5, 44, 45].

Нейровоспаление

«Нейровоспаление» — термин, означающий воспалительную реакцию в центральной нервной системе, сопровождающуюся накоплением микроглии и астроцитов [46]. Медиаторы воспаления усугубляют нейродегенерацию и способствуют развитию патологии. В структуре патогенеза БА нейровоспаление занимает важную часть, так как начинается оно на самых ранних стадиях заболевания [5].

На посмертных срезах головного мозга у пациентов со средней и поздней стадиями БА были обнаружены микроглиальные клетки в большом количестве [10]. Микроглия — это совокупность резидентных фагоцитов в центральной нервной системе [5]. Клетки микроглии, как истинные фагоциты, выполняют все функции, свойственные им. При отсутствии нейродегенеративной патологии микроглия призвана останавливать нейровоспаление, так как обладает выраженными противовоспалительными свойствами [48].

Существует важное для понимания патогенеза БА понятие — «активированная микроглия». Это состояние потери гомеостаза, поддерживаемого ранее микроглией, и запуска поляризации микроглии по провоспалительному фенотипу М1 [31, 48].

Изначально микроглия играет протективную роль. Однако при БА постоянное накопление амилоида приводит к развитию индуцированного микроглией хронического воспаления. С одной стороны, она фагоцитирует амилоид и защищает нейроны от его токсичности, а с другой стороны, микроглия высвобождает провоспалительные медиаторы, которые вызывают повреждение нейронов [49]. При этом Аβ может связываться с различными рецепторами, экспрессируемыми в микроглии, тем самым стимулируя выработку цитокинов (например, фактора некроза опухоли α) и активных форм кислорода [10].

Ключевую роль в данном процессе играют инфламмасомы. Это мультибелковые комплексы, запускающие воспаление внутри клеток, стимулируя расщепление каспазы-1 и высвобождение воспалительных цитокинов, таких как интерлейкины-1β и -18. Было показано, что фагоцитоз Аβ микроглией вызывает лизосомное повреждение и утечку катепсина В в цитозоль, что приводит к активации инфламмасом. Хемокины и цитокины сильно повреждают ткань головного мозга. Чрезмерной активации микроглии способствуют многие факторы. Один из них — активация рецепторов комплемента, которая усугубляет процесс нейровоспаления. Эта активация в микроглии при БА связана с возбуждением сигнального пути ядерного фактора κB [5].

Дисбиоз кишечника

Микробиота кишечника — совокупность микроорганизмов, живущих в желудочно-кишечном тракте [50]. На моделях животных было установлено существование двустороннего пути коммуникации между кишечником и головным мозгом. Данное взаимодействие представляется в виде оси «микробиота — кишечник — мозг» [51]. Эта ось относится к сложной сети взаимодействий, обеспечивающей как клеточные, так и гуморальные способы коммуникации [52]. К кишечным метаболитам, влияющим на работу мозга, относятся короткоцепочечные жирные кислоты, серотонин, ацетилхолин, ГАМК, триптофан, дофамин, норэпинефрин, эндотоксины, гистамин [53].

Общие аспекты современного образа жизни могут изменять состояние микробиоты кишечника и стимулировать развитие дисбиоза [50]. Изменения микробиоты кишечника могут повышать проницаемость стенки кишечника и гематоэнцефалического барьера, что способствует накоплению в мозге метаболитов кишечной микробиоты с последующим изменением гомеостатического состояния в сторону провоспалительного. Таким образом, дисбиоз кишечника влияет на развитие нейровоспаления в головном мозге посредством активации резидентных макрофагов центральной нервной системы, микроглии.

Изменения микробиоты также увеличивают уровень циркулирующих гуморальных (например, провоспалительных цитокинов) или клеточных (например, моноцитов) эффекторов периферического иммунитета. Способность микробиоты модулировать как периферический, так и центральный иммунный ответ получает всё большее признание [52]. Предположительно дисбиоз микробиоты в течение жизни может приводить к системной воспалительной реакции, тем самым влияя на иммунный ответ микроглии [50].

Существует теория наличия потенциального механизма, с помощью которого Аβ получает доступ к кишечной нервной системе, посредством которого он может в дальнейшем перемещаться в центральной нервной системе через аксоны блуждающих нервов. Транслокация олигомеров Аβ из кишечника в мозг может внести значительный вклад в возникновение БА и нейровоспаления [53]. Кроме того, индуцированный микробиотой синтез цитокинов играет роль в регуляции работы блуждающего нерва [52].

Другой механизм, влияющий на усиление иммунного ответа, связан со способностью некоторых бактерий, таких как Streptococcus, Staphylococcus, Salmonella, Mycobacteria, Klebsiella, Citrobacter и Bacillus, продуцировать функциональные внеклеточные амилоидные белки. Появление данного амилоида в кишечнике может запустить иммунный ответ, следовательно, и нейровоспаление с эндогенным образованием амилоида в головном мозге [54].

Таким образом, можно утверждать, что ось «микробиота — кишечник — мозг» играет важную роль в функционировании нервной системы. Появляется всё больше данных, подтверждающих, что дисбиоз кишечника может усугублять агрегацию Аβ и нейровоспаление при развитии БА [51, 55].

ОБЩНОСТЬ ПАТОГЕНЕТИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ НЕЙРОДЕГЕНЕРАТИВНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ

Нейродегенерация — феномен, характеризующийся прогрессирующей гибелью нервных клеток. Данный процесс объединяет ряд видов патологии нервной системы в группу нейродегенеративных заболеваний, к которым относятся БА, боковой амиотрофический склероз (БАС), болезнь Паркинсона и др. [56]. Многие патогенетические процессы нейродегенеративных заболеваний бывают типовыми, в связи с чем мы имеем возможность проследить общность механизмов развития подобных недугов. В данном обзоре эту связь мы исследовали на примере сходства патогенетических факторов БА и БАС.

БАС относится к клиническому и патологическому спектру заболеваний двигательных нейронов. Он характеризуется умеренной и прогрессирующей дисфункцией и потерей двигательных нейронов [56]. Наиболее распространённая в настоящее время гипотеза состоит в том, что накопление олигомеров ключевых белков становится основной причиной ряда нейродегенеративных заболеваний, таких как БА и БАС [57]. Так, для БА характерно внеклеточное накопление агрегатов бляшек Аβ, тогда как патогенез БАС часто связан с агрегатами патологической супероксиддисмутазы 1, FUS или TAR ДНК-связывающий белок 43 в двигательных нейронах и олигодендроцитах [56].

Несмотря на различие основных факторов патогенеза БА и БАС, существуют данные за наличие схожих механизмов развития нейровоспаления [56]. Процессы активации микроглии, астроцитов и инфламмасом, окислительного стресса, продукции нейротоксических медиаторов, митохондриальной дисфункции и дефектов аутофагии также могут быть типовыми для феномена нейровоспаления у пациентов как с БА, так и с БАС.

В первую очередь нейровоспаление при БАС провоцируется активацией и пролиферацией микроглии и инфильтрацией центральной нервной системы лимфоцитами и макрофагами, присутствием реактивных астроцитов в тех же анатомических участках, где происходит повреждение двигательных нейронов [56, 58]. Есть данные о том, что активация микроглии при БАС происходит под влиянием высвобождения повреждёнными мотонейронами и астроцитами неправильно свёрнутых белков. Они активируют микроглию через CD14, Тоll-подобные рецепторы 2, 4 и пути, зависимые от рецептора-скавенджера [59].

Кроме активированной микроглии, к факторам, способствующим развитию нейровоспаления при БАС и БА, следует отнести нерегулируемую и чрезмерную активацию инфламмасом [58]. К компонентам инфламмасом при БАС относятся интерлейкин-18, криопирин, апоптоз-ассоциированный Speck-подобный белок и каспаза-1. В сравнение следует отметить, что при БА в составе инфламмасом выделяют интерлейкины-18 и -1β, NLRP1, апоптоз-ассоциированный Speck-подобный белок и криопирин [58]. Продукцию нейротоксических медиаторов, таких как цитокины и интерлейкины, рассматривают как важный фактор гибели нейронов.

Нейровоспаление тесно связано с окислительным стрессом, так как клетки микроглии — основной источник активных форм кислорода. Окислительный стресс при БАС связан не только с активацией микроглии [60], но и с потерей функции супероксиддисмутазы 1, которая играет важную роль в клиренсе активных форм кислорода. Однако другие белки, связанные с БАС, такие как мутантный TAR ДНК-связывающий белок 43 и другие до сих пор неизвестные факторы спорадического БАС, тоже могут способствовать окислительному стрессу в мотонейронах [59].

Говоря о нейродегенеративных заболеваниях, нельзя не упомянуть нарушение механизмов аутофагии и митофагии. Данные факторы патогенеза можно рассматривать как отдельное звено в развитии заболевания, как процессы, способствующие развитию нейровоспаления. При БАС развивается лизосомная дисфункция, вызванная генетическими мутациями или токсическим воздействием [61].

Дефицит лизосом приводит к аномальному накоплению аутофагических вакуолей, поглощающих повреждённые митохондрии в аксонах двигательных нейронов мышей с мутациями супероксиддисмутазы 1. Следовательно, дефектная митофагия и митохондриальная патология при БАС связаны с дефектами лизосомного протеолиза [62].

Нарушение аутофагии и митофагии в мотонейронах может привести к накоплению неправильно свёрнутых белков и повреждённых митохондрий соответственно, что приводит к гибели клеток [59, 63]. Митохондрии, полученные от пациентов с БАС, демонстрируют нарушение гомеостаза Са²⁺ и повышенный уровень активных форм кислорода. Кроме того, при БАС нарушается аксональный транспорт митохондрий по микротрубочкам, что приводит к метаболическим изменениям в нейронах [59]. БА также вызывает нарушение аутофагии и митофагии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, патогенез БА является многокомпонентным. В развитии заболевания участвуют генетические мутации, возрастные изменения физиологических процессов, внешние и внутренние факторы риска. Изучение взаимодействия патологического накопления Аβ и гиперфосфорилирования тау-белка выявляет новые механизмы, влияющие на патогенез заболевания.

На первое место выходят нарушения внутриклеточных механизмов, которые при отсутствии БА обеспечивают гомеостаз в нейронах. Митохондриальная дисфункция и нарушение механизмов аутофагии, сложные взаимосвязанные процессы, которые приводят к нейровоспалению и синаптической потере, являются важными ступенями в патогенезе БА. Нейровоспаление также может быть следствием дисбактериоза кишечника. Взаимосвязь микробиома кишечника и головного мозга становится наиболее перспективным направлением в изучении патогенеза БА.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Л.А.А. — создание черновика, исследование, ресурсы; К.К.Н. — исследование; А.Л.З. — редактирование рукописи; М.А.М. — концептуализация, проверка, редактирование рукописи, общее руководство, администрирование проекта, финансирование.
Источник финансирования. Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда №23-15-00438, https://rscf.ru/project/23-15-00438/.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов по представленной статье.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contributions. L.A.A. — writing — original draft, investigation, resources; K.K.N. — investigation; A.L.Z. — writing — review and editing; M.A.M. — conceptualization, validation, writing — review and editing, supervision, project administration, funding acquisition.
Funding source. The research was supported by the Russian Science Foundation grant No. 23-15-00438, https://rscf.ru/project/23-15-00438/.
Competing interests. The authors declare that there is no conflict of interest in the presented article.

 

---

¹ ГАМК — γ-аминомасляная кислота.

² НАД — никотинамидадениндинуклеотид.

Об авторах

Ляйсан Айдаровна Ахмадиева

Казанский государственный медицинский университет

Email: lyaisan.akhmadieva@kazangmu.ru
ORCID iD: 0009-0000-4926-3192
SPIN-код: 1497-7867
ResearcherId: IXN-6934-2023

мл. науч. сотрудник, Институт нейронаук

Россия, г. Казань

Керим Казбекович Нагиев

Казанский государственный медицинский университет

Email: drkerim@mail.ru
ORCID iD: 0009-0000-1577-9780
SPIN-код: 1012-0178

асс., каф. нормальной физиологии

Россия, г. Казань

Андрей Львович Зефиров

Казанский государственный медицинский университет

Email: zefiroval@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-7436-7815
SPIN-код: 6239-1965

д-р. мед. наук, акад. РАН, проф., каф. нормальной физиологии

Россия, г. Казань

Марат Александрович Мухамедьяров

Казанский государственный медицинский университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: marat.muhamedyarov@kazangmu.ru
ORCID iD: 0000-0002-0397-9002
SPIN-код: 6625-7526

д-р. мед. наук, проф., зав. каф., каф. нормальной физиологии

Россия, г. Казань

Список литературы

Дополнительные файлы