6 курс / Медицинская реабилитация, ЛФК, Спортивная медицина / МЕХАНИЗМЫ_ВЛИЯНИЯ_ИНДУЦИРУЕМОЙ_АЦЕТИЛХОЛИНЭСТЕРАЗОЙ_ОЛИГОМЕРИЗАЦИИ

21

В 1991 году была выдвинута β-амилоидная гипотеза болезни. Было показано, что в основе патогенеза БА лежат нарушение метаболизма, избыточный синтез β-амилоида, накопление и последующее образование нерастворимых фибрилл, которые в последствии формируют внеклеточные амилоидные бляшки.

Формирование амилоидных бляшек, в свою очередь, запускает образование нейрофибриллярных переплетений, что приводит к гибели нейронов и потере синаптических связей (Hardy et al., 1991). При этом мономеры Aβ1-40 встречаются в среднем в 10 раз чаще, чем более подверженные агрегации и более токсичные

Aβ1-42 (Iwatsubo et al.,1994).

Уточненная, так называемая «внутриклеточная β-амилоидная гипотеза» предполагает, что нейрональная дисфункция и дегенерация могут быть вызваны интраневральным постепенным накоплением β-амилоида, а не внеклеточным процессом. В подтверждение этой гипотезы показано формирование и накопление

β-амилоида и внутри нейронов (Fernandez-Vizarra et al., 2004).

B-амилоидная теория болезни Альцгеймера на данный момент подтверждается тремя основными группами фактов: 1) мутации во всех генах для которых показана связь с развитием болезни приводят к увеличению концентрации фибриллярного β-амилоида; 2) синтетические β-амилоидные пептиды являются токсичными in vitro и in vivo для нейрональных структур; 3)

трансгенные мыши, эксперссирующие мутантный человеческий ген БПА обладают теми же нейропатологическими и поведенческими нарушениями, что и люди с БА (Tanzi et al., 2005; Hsiao et al.,1996).

К накоплению β-амилоида приводит дисбаланс между его производством,

очисткой и агрегацией, что может стать инициирующим фактором болезни Альцгеймера (Busciglio et al., 2002; Selkoe et al., 2001; Tanzi et al., 2005). β-

амилоид образуется во внеклеточном пространстве после расщепления БПА двумя аспарагиновыми протеазами: β-секретазой и γ-секретазой. При этом обнаружено, что у людей с БА активность β-секретазы увеличена в два раза, что подтверждает участие этого фермента в развитии болезни (Vassar et al., 2009).

t.me/medicina_free

22

БПА представляет собой трансмембранный белок, состоящий из большого

N-концевого внеклеточного домена, трансмембранного домена и внутриклеточного С-концевого домена. В амилоидогенную часть БПА входят 28

аминокислотных остатков N-концевого домена и 11-15 аминокислотных остатков трансмембранного домена. БПА подвергается протеолизу с помощью α-, β- и γ-

секретаз – ферментов из класса металлопротеаз. Расщепление БПА может идти по двум путям в зависимости от того какой из ферментов (α-, или β-секретаза)

инициирует его пострансляционную модификацию. α -секретаза и ß-секретаза отщепляют от БПА большой внеклеточный фрагмент белка, представляющий собой секретируемые формы БПА – сБПА-α, или сБПА-β. При этом α-секретаза разделяет БПА внутри β -амилоидного домена и расщепление белка идет по неамилоидогенному пути, а β-секретаза расщепляет ближе к внеклеточному домену на 7 аминокислотных остатков и протеолиз идет по нейротоксическому

(амилоидогенному) пути. Протеолиз завершается расщеплением связанного с мембраной остатка БПА при помощи γ-секретазы с образованием “p3”-пептида в случае неамилоидогенного пути и βАП в случае амилоидогенного (Crouch et al., 2008; Querfurth and LaFerla, 2010; Thinakaran et al., 2008). При этом С-концевой домен является фактором стимуляции апоптоза при активации каспазы 3. Кроме того, эти два пути протеолиза протекают в различных мембранных микроокружениях: амилоидный каскад осуществляется в пределах так называемых «липидных плотиков» – микродоменов клеточной мембраны,

богатых сфинголипидами и холистерином, в то время как неамилоидогенный путь протекает вне липидных плотиков (Рисунок 1) (Menting et al., 2014).

t.me/medicina_free

23

Рисунок 1 – схема процессинга белка-предшественника амилоида. БПА

(Nicolas and Hassan, 2014).

β- и γ-секретазы являются перспективными мишениями для терапии БА, так как угнетая их активность, можно предотвратить протеолиз БПА по амилоидогенному пути.

В конце 1990 годов была обнаружена молекулярная связь между пресенилинами и продукцией β-амилоида. В норме пресенилин составляет часть комплекса γ-секретазы вместе с другими белками: APH-1 и PEN-2 и

никастерином. Пресенилин 1, или пресенилин 2 комплекса γ-секретазы выполняют каталитическую функцию, никастерин доставляет БПА к каталитическому сайту, а белки APH-1 и PEN-2 играют роль стабилизирующего комплекса. Комплекс γ-секретазы напрямую расщепляет трансмембранный протеин Notch, БПА и другие субстраты, а также участвует в формировании β-

амилоида (Wolfe et al., 1999).

B-амилоид способен спонтанно самоолигомеризовываться. Растворимые формы олигомеризованного β-амилоида состоят из олигомеров (от 2 до 6

пептидов), которые объединяются в промежуточные агрегаты. B-амилоид может так же образовывать фибриллы, которые выстраиваются в β-складчатые листы

t.me/medicina_free

24

для формирования нерастворимых волокон амилоидных бляшек (Kayed et al., 2003).

Растворимые олигомеры обладают наибольшей нейротоксичностью по сравнению с нерастворимыми формами (Walsh et al., 2007). Так, на срезах препаратов головного мозга было показано, что бимеры и тримеры являются токсичными для синапсов, вызывая нарушение систем транспорта ионов (Klyubin et al., 2008; Kourie, 2001; Walsh et al., 2007; Querfurth and LaFerla, 2010). Кроме того, повышение уровня Aβ вызывает и другие нейротоксические эффекты:

митохондриальную дисфункцию (Lustbader et al., 2004), запуск апоптоза нейронов

(Caricasole et al., 2003), активацию перикисного окисления липидов (Buterfield et al., 2002). При этом тяжесть когнитивных нарушений при БА коррелирует с количеством олигомеров в головном мозге, а не с общим количеством β-амилоида

(Lue et al., 1999).

Физиологический уровень β-амилолида регулируют неприлизин и инсулин-

деградирующий фермент. Неприлизин – цинк-зависимая нейтральная эндопептидаза, которая разрушает мономеры и олигомеры β-амилоида (Kanemitsu et al., 2003). Инсулин-деградирующий фермент – тиол металлоэндопептидаза – разрушает небольшие пептиды, в том числе и мономеры β-амилоида (Qiu et al.,

1998). Так, у мышей удаление инсулин-деградирующего фермента снижает разрушение β-амилоида более чем на 50% (Farris et al., 2003). Кроме того,

избыточная экспрессия неприлизина и инсулин-деградирующего фермента предотвращает формирование амилоидных бляшек (Leissring et al.,2003).

1.1.3 Тау-гипотеза

Количество нейрофибриллярных переплетений в головном мозге так же является маркером тяжести БА. Основным компонентом переплетений является аномально гиперфосфорилированная и агрегированная форма тау-белка. В

здоровых нейронах белок тау связывает и стабилизирует микротрубочки, которые составляют цитоскелет клетки, посредством обратимых ферментативно

t.me/medicina_free

25

опосредованных процессов фосфорилирования и дефосфорилирования. Если фосфорилированный тау не дефосфорилировать, он становится неспособным связывать другие микротрубочки. Это приводит к полимеризации фосфорилированного тау в прямые нити, которые затем сшиваются гликозилированием с образованием спаренных спиральных волокон белка (Brion et. al., 2001).

Как и олигомеры β-амилоида, промежуточные агрегаты аномальных молекул тау белка обладают цитотоксичностью и ухудшают когнитивные функции (Khlistunova et. al., 2006). Однако, количество потерянных нейронов не коррелирует с количеством нейрофибриллярных переплетений (Gomez-Isl et. al.,

1997). Было показано, что накопление β-амилоида предшествует агрегации тау-

белка. В то же время, присутствие эндогенного белка тау необходимо для запуска индуцированной β-амилоидом дегенерации нейронов в культуре клеток, а так же для формирования когнитивных нарушений у трансгенных мышей с моделями болезни Альцгеймера (Rapoport et. al., 2002).

Ускорению накопления белка тау способствуют все процессы, связанные со старением: увеличение окислительного стресса, нарушение функции складывания белка эндоплазматическим ретикулом, дефицит протеосом-опосредованной и аутофаг-опосредованной очистки поврежденных белков (Lopez Salon et. al., 2000; Hoozemans et. al., 2005).

1.1.4 Другие нарушения, связанные с болезнью Альцгеймера

Синаптическая дисфункция Болезнь Альцгеймера связана и с синаптической дисфункцией, поскольку

разрушаются нейроны и синапсы, а их потеря коррелирует со снижением когнитивных функций больных. При этом синаптическая недостаточность развивается у пациентов с БА еще до начала массовой утраты нейронов (Selkoe et al., 2002; Neary et al., 1986; Coleman et al., 2003). Количество синапсов в гиппокампе начинает снижаться у пациентов с умеренными когнитивными

t.me/medicina_free

26

нарушениями (Scheff et al., 2007). При этом потеря синапсов хорошо коррелирует с развитием деменции (DeKosky et al., 1990; Terry et al., 1991).

Уменьшение количества нейронов наблюдается наряду со снижением уровней пресинаптического белка синаптофизина и постсинаптического белка

PSD-95, которые являются маркерами разрушения синапсов. Снижение уровней этих белков происходит в основном в областях гиппокампа, височной и лобной областях коры головного мозга. Так, на ранней стадии болезни наблюдается потеря 20% синаптофизин-иммунореактивных пресинаптических окончаний в наружном молекулярном слое зубчатой извилины гиппокампа, что сопровождается повышением уровня БПА (Masliah et al., 1994). При этом,

количество белка PSD-95 начинает уменьшаться уже после снижения уровня синаптофизина (Yuki et al., 2014).

Одной из причин потери синапсов на ранней стадии болезни является образование олигомеров из токсичного растворимого β-амилоида. Олигомеры накапливаются в головном мозге и спинномозговой жидкости пациентов и нарушают механизмы синаптической пластичности (Hsieh et al., 2006; Tomiyama et al., 2010). Известно, что дегенерация синапсов начинается на уровне дендритных шипиков, которые являются локусами инициирующих память механизмов. При этом показано, что физиологические концентрации димеров и тримеров β-амилоидного пептида заметно снижают плотность дендритных шипиков, наряду с количеством электрофизиологически активных синапсов пирамидальных нейронов на срезах гиппокампа головного мозга крыс после воздействия пикомолярных уровней растворимых олигомеров (Harris et al., 1994; Morris et al., 1994; Segal et al., 2005).

Как у животных с моделями амилоидогенеза, так и у пациентов с БА наиболее выраженная утрата синапсов происходит в области амилоидных отложений в головном мозге, что указывает на связь между синаптотоксичностью и амилоидными отложениями in vivo. Кроме того, на мышиных моделях БА уменьшение плотности дендритных шипов и синаптофизин-положительных

t.me/medicina_free

27

синапсов наблюдается в области амилоидных бляшек (Tsai et al., 2004; Spires et al., 2005).

Потеря нейронов и разрушение синапсов происходит вблизи отложений β-

амилоида, поскольку показано, что β-амилоидные бляшки окружены «облаком» из токсичых β-амилоидных олигомеров. У животных с моделью БА в области амилоидных бляшек значительно снижается синаптическая плотность, а в ореоле из β-амилоидных олигомеров, окружающих «ядро» амилоидных бляшек,

наблюдается потеря порядка 60% синапсов (Koffie et al., 2009). Кроме того,

известно, что в непосредственной близости от амилоидных бляшек уменьшается и спайковая активность нейронов (Meyer-Luehmann et al., 2009).

Митохондриальная дисдисфункция Известно, что митохондриальные аномалии являются важным фактором

патогенеза БА (Hauptmann et al., 2006). В клетках мозга пациентов с БА снижается количество митохондрий, изменяется их форма, а так же происходит нарушение митохондриального окислительного фосфорилирования (Blass, 2003). Эти наблюдения указывают на возможность прямой связи между митохондриальной дисфункцией и БА. При этом актуальность ранних митохондриальных изменений,

происходящих задолго до образования бляшек, была подтверждена модифицированной «гипотезой амилоидного каскада» (Selkoe, 2002).

Известно, что β-амилоид является мощным ядом для митохондрий, в

особенности для митохондрий синапсов (Mungarro-Mencha et al., 2002). При болезни Альцгеймера воздействие β-амилоида способно ингибировать ключевые митохондриальные ферменты (α-кетоглутаратдегидрогеназу и пируватдегидрогеназу) в головном мозге (Hauptmann et al., 2006), нарушая перенос электронов, производство АТФ, потребление кислорода и разрушая митохондриальные мембраны.

Митохондрии способны вмешиваться в механизм, с помощью которого внутриклеточный β-амилоид запускает нейронную дисфункцию и дегенерацию.

Это подтверждается in vivo как появлением структурных аномалий митохондрий,

t.me/medicina_free

28

так и демонстрацией накопления β-амилоида в митохондриях головного мозга пациентов с БА (Fernandez-Vizarra et al., 2004).

Было предложено несколько механизмов in vitro индуцированной β-

амилоидом митохондриальной токсичности, и выявлено, что основным механизмом токсичности при низких концентрациях β-амилоида может быть способность β-амилоида дестабилизировать мембраны. Кроме того, последующее воздействие β-амилоида на митохондриальную функцию заключалось в прямом ингибировании комплексов дыхательной цепи и, впоследствии, потенциальном влиянием β-амилоида на продукцию митохондриальной перекиси водорода

(Aleardi et al., 2005).

Необходимо отметить, что поврежденные митохондрии выделяют свободные радикалы как при болезни Альцгеймера, так и при старении организма в целом. Таким образом, у пожилых людей воздействие β-амилоида всегда протекает на фоне окислительного стресса (Good et al., 1996; Smith et al., 1996).

Окислительный стресс Метаболические признаки окислительного стресса в неокортексе при БА

включают повышение активности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Martins et.all.,

1986) и уровня гемоксигеназы-1(Smith et.all., 1994). Кроме того происходит увеличение белковых карбонилов, аддуктов перикисного окисления липидов

(Palmer et al., 1994) и аддуктов окисления митохондрий и ядерных ДНК (Mecocci et al., 1994).

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что маркеры окислительного стресса предшествуют патологическим изменениям (Nunomura et al., 2001) при БА, при этом β-амилоид является мощным генератором активных форм кислорода (Hensley et al., 1994) и реакционных форм азота (Combs et al., 2001).

B-амилоид способен вызывать окислительный стресс двумя способами:

влияя на митохондриальную дисфункцию, либо напрямую – с помощью механизма, который включает восстановление ионов Cu: молекулярный кислород захватывается β-амилоидом и восстанавливается до перекиси водорода в ходе

t.me/medicina_free

29

взаимодействия β-амилоида с Cu(II) при восстановлении Cu(I). Дальнейшее взаимодействие перекиси водорода с Cu(I) и β-амилоидным пептидом приводит к образованию гидроксид-ионов – еще одной форме активного кислорода.

Вызванный при этом β-амилоидом окислительный стресс усиливает токсичность

β-амилоида, а гидроксид-ионы способствуют его агрегации (Huang et al., 1999).

Активация микроглии и реакционноспособных астроцитов Нейродегенеративные изменения при болезни Альцгеймера

сопровождаются воспалительной реакцией центральной нервной системы. Так, в

головном мозге пациентов с БА повышены биохимические показатели активированной микроглии и реакционноспособных астроцитов (Wyss-Coray et al., 2002). Как и микроглия, астроциты кластеризуются в местах осаждения β-

амилоида и присутствуют практически во всех амилоидных бляшках (Selkoe,

2001).

Выявлена двойная роль микроглии в патогенезе болезни Альцгеймера. С

одной стороны, микроглия играет роль в создании антител против β-амилоида и стимулирует клиренс растворимого β-амилоида от амилоидных бляшек. С другой стороны, хронически активированная микроглия участвует в патогенезе болезни,

высвобождая воспалительные медиаторы: хемокины и каскад повреждающих цитокинов: интерлейкин 1, интерлейкин 2 и фактор некроза опухоли α, которые способствуют образованию β-амилоида (Akiyama et al., 2000). Совместно с сосудистыми клетками, микроглия экспрессирует рецепторы для глубокого гликирования конечных продуктов, которые связывают β-амилоид, тем самым усиливая генерацию цитокинов, глутамата и азотной кислоты (Yan et al., 1996; Li et al., 2003). Выпуск цитокинов может, в свою очередь, объяснить реактивный астроцитоз, окружающий амилоидные бляшки. Такие астроциты так же являются еще одним вероятным источником медиаторов воспаления, включая дополнительные цитокины и белки острой фазы воспаления, такие как α1-

антихимотрипсин (Selkoe, 2001).

t.me/medicina_free

30

Другие нарушения

При БА в головном мозге нарушена инсулиновая сигнализация (Craft et al.,

1998). Так, невосприимчивость к действию инсулина приводит нейроны к энергетическому дефициту и делает их уязвимыми для окисления и других метаболических повреждений, а так же ухудшает синаптическую пластичность

(Querfurth and LaFerla, 2010). Кроме того показано, что группы пациентов с БА натощак имеют высокий уровень инсулина в крови, а факторами риска развития деменции являются нарушение толерантности к глюкозе и сахарный диабет второго типа (Arvanitakis et al., 2004).

Известно, что пресенилины модулируют баланс кальция, а их мутации в семейных формах болезни Альцгеймера приводят к нарушению кальциевого гомеостаза в эндоплазматический сети (LaFerla et al., 2002). При болезни Альцгеймера повышена концентрация цитозольного кальция, что, как было показано, стимулирует агрегацию β-амилоида и амилоидогенез в целом (Isaacs et al., 2006; Pierrot et al., 2004).

Другим фактором риска развития БА являются заболевания сосудов и сердца. Так, болезнь Альцгеймера в трети случаев сочетается с сосудистой деменцией, а ишемическая болезнь поражает от 60 до 90% людей с диагнозом БА

(Querfurth and LaFerla, 2010).

Повышенные уровни свободных ионов двухвалентных переходных металлов (железа, меди, цинка) и алюминия опосредовано влияют на повреждения активными формами кислорода. Ионы этих металлов так же способствуют агрегации и фосфорилированию тау-белка (Yamamoto et al., 1992).

Интересно, что цинк, как правило, считающийся токсичным при болезни Альцгеймера, при малых концентрациях может даже защитить клетки, блокируя

β-амилоидые каналы (Arispe, 1996), или же конкурируя с медью за связывание β-

амилоида (Cuajungco et al., 2003).

t.me/medicina_free