Динамика прижизненной концентрации метаболитов аминокислот в головном мозге человека в посттравматическом периоде

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Впервые одновременно определены внутриклеточные концентрации N‑ацетиласпартата (NAA), аспартата (Asp) и глутамата (Glu) в головном мозге человека in vivo и исследовано влияние тяжёлой черепно-мозговой травмы на процессы синтеза NAA в остром и отдалённом посттравматическом периоде. В неповреждённых по данным диагностической магнитно-резонансной томографии лобных долях через сутки после травмы выявлено падение содержания Asp и Glu соответственно на 45 и 35% при снижении NAA лишь на 16%. Обнаружена отрицательная корреляция между концентрацией NAA и отношением концентраций Asp/Glu. В отдалённом периоде уровень Glu нормализовался, уровень Asp оставался ниже нормы на 60%, содержание NAA было снижено на 65% относительно нормы, показатель Asp/Glu достоверно снизился. Полученные результаты выявили ведущую роль нейронального аспартат-малатного челнока в нарушении синтеза NAA.

Полный текст

Производное аспарагиновой кислоты N‑ацетиласпартат (NAA) играет особую роль в прижизненных исследованиях метаболизма головного мозга. При высоких концентрациях (~10 мМ/кг) это соединение присутствует исключительно в нейронах [1]. В спектрах протонного магнитного резонанса (1Н МРС) головного мозга in vivo хорошо детектируется интенсивный синглетный сигнал N‑ацетильной группы NAA. Показано [2], что интенсивность этого сигнала изменяется в соответствии с изменением содержания нормально функционирующих нейронов в зоне интереса. Поэтому для прижизненной неинвазивной оценки уровня таких нейронов в разных отделах мозга в норме и патологии используется сигнал NAA как нейрональный маркер: чем выше интенсивность сигнала, соответствующая концентрации NAA, тем выше содержание нормально функционирующих нейронов в данном отделе головного мозга. И наоборот, чем меньше, согласно спектральным данным, концентрация NAA, тем ниже уровень функционально полноценных нейронов.

Большинство известных в настоящее время заболеваний центральной нервной системы (ЦНС), таких как черепно-мозговая травма (ЧМТ), разные виды ишемии и гипоксии и нейродегенеративные заболевания сопровождаются уменьшением локальных концентраций NAA, измеренных 1Н МРС [2].

Многочисленные исследования нарушений метаболизма головного мозга вследствие такого социально значимого заболевания как ЧМТ, в том числе и данные 1Н МРС, свидетельствуют о понижении уровня NAA в разных отделах мозга [3, 4].

Причиной уменьшения стационарного уровня NAA может быть инактивация его синтеза и активация гидролиза NAA. Гидролизуется NAA под действием аспартатацилазы с образованием ацетата и аспартата (Asp). Этот фермент обнаружен в олигодендроцитах [2] и аксонах некоторых проводящих путей [5]. Фермент ингибируется физиологическими концентрациями субстрата ([NAA]~10–3 мМ/мл) [6]. Основное количество NAA синтезируется в митохондриях нейронов из Asp и ацетил-КоA под действием L‑аспартат-N‑ацетилтрансферазы [2]. Немногочисленные данные о влиянии ЧМТ на содержание участников синтеза NAA получены при исследовании головного мозга экспериментальных животных. Например, показано [7], что под действием повторной лёгкой ЧМТ в экстрактах мозга крыс снижается уровень ацетил-КоA. Тяжёлая ЧМТ (тЧМТ) вызывает снижение Asp в мозге крыс, обнаруженное методом 1Н МРС высокого разрешения [8].

В головном мозге человека прижизненные измерения Asp не проводились из-за отсутствия методики. Высокопольные МР‑томографы для исследований человека не применяются, а в полях, разрешённых в медицине (максимум 3Т), сигналы Asp в спектрах перекрываются интенсивными сигналами других метаболитов. Стандартные методики МРТ позволяют детектировать не более пяти соединений. Обычно с хорошим разрешением регистрируют сигналы N‑ацетильной группы N‑ацетиласпартата (NАА, δ = 2,0 ppm), протонов группы –N+(CH3)3, N‑метильных протонов холинсодержащих соединений (tCho, δ = 3,18 ppm), фосфокреатинина и креатинина (tCr, δ = 3,01 ppm), CH2-групп Glu и Gln (Glx, δ = 2,2 и 3,74 ppm), сигнал протонов кольца инозитола (mI, δ = = 3,56 ppm) [3]. Сигналы CH‑групп Asp (δ = 3,89 ppm, 2,65 ppm и 2,80 ppm) перекрыты сигналами tCr, NAA (δ = 2,67 ppm) и N‑ацетил-аспартилглутамата (δ = 2,72 ppm) [9].

Разделение перекрывающихся сигналов может быть достигнуто методами спектрального редактирования. Один из них реализуется с помощью импульсной последовательности MEGA-PRESS [10]. Для определения интенсивностей сигналов Asp и Glu мы первыми создали специальную методику AspMEGA-PRESS, подробно описанную в [11]. Будучи основным возбуждающим нейромедиатором Glu участвует в различных метаболических процессах, в том числе и в образовании Asp, являясь в головном мозге его главным источником.

Снижение уровня NAA в разных зонах головного мозга, вызванное ЧМТ и зафиксированное в клинике и эксперименте, может быть следствием недостатка его предшественников Glu и Asp.

Цель настоящего исследования — проверка этого предположения путём измерения концентрации NAA, Asp и Glu в неповреждённой по данным МРТ лобной доле головного мозга человека после тЧМТ в остром периоде и хронической стадии посттравматической болезни.

В исследовании принимали участие три группы пациентов в возрасте от 14 до 17 лет. Группа 1 состояла из 8 больных с острой тЧМТ (оценка их состояния по шкале комы Глазго составила 4,3 ± ± 2,5 баллов, время после травмы 23 ± 4 ч). Группа 2 включала 7 пациентов в хронической стадии травматической болезни после тЧМТ (время после травмы 82 ± 25 дня). Группа 3 (контроль) – 12 здоровых лиц.

 

Рис. 1. Типичный спектр 1H МР, полученный в неповреждённой по данным диагностической МРТ лобной доле мозга – (а). Расположение VOI в области лобной доли мозга – (б). Типичный спектр AspMEGA-PRESS, полученный в области лобной доли мозга – (в).

 

Исследование проводили в соответствии с методикой, описанной в [11]. Объем интереса (VOI) располагали в неповреждённой по данным диагностической МРТ лобной доле мозга (рис. 1). Значения [tNAA], [tCr], [tCho], [mI] и [Glx], [Asp] и [Glu] получали, учитывая вклад серого вещества, белого вещества и цереброспинальной жидкости в VOI [11].

Данные межгруппового сравнительного анализа [Asp], [Glu] и [NAA] представлены на рис. 2. Можно видеть, что при переходе от нормы к острому и затем к отдалённому периодам ЧМТ монотонно снижается [NAA], [Asp] падает в остром периоде и остаётся ниже нормы в дальнейшем, [Glu] снижена лишь в острой фазе после ЧМТ. Уменьшается и значение Asp/Glu: в остром периоде наблюдается тенденция к снижению этого параметра (р = 0,1), в отдалённом периоде величина Asp/Glu достоверно ниже нормы (p ≤ 0,05).

По данным корреляционного анализа в острой фазе посттравматического периода выявлена прямая корреляция между [Glu] и [Asp] со значением коэффициента линейной корреляции R = 0,95 и обратная корреляция между Asp/Glu и NAA (R = –0,73).

До настоящего времени не существовало данных о влиянии травмы на концентрации NAA, Asp и Glu в головном мозге человека in vivo. Однако полученные нами результаты хорошо согласуются с результатами модельного эксперимента на крысах [8]. В обоих случаях через 1 сут после травмы в неповреждённом по данным МРТ веществе мозга максимальный эффект наблюдается для [Asp], а минимальный — для [NAA]. По нашим данным, острый период ЧМТ характеризовался падением [Asp] на 45%, [NAA] — на 16%. У крыс [Asp] снижался на 30%, [NAA] — на 12% [9].

Причиной снижения [NAA] не может быть активация его гидролиза, которая должна была привести к накоплению Asp. Мы наблюдали его падение. Поэтому можно полагать, что уменьшение [NAA] обусловлено нарушением его синтеза, которое в острой фазе тЧМТ вызвано, по-видимому, недостатком [Glu], основного источника Asp.

Одной из важнейших характеристик острой фазы посттравматического периода при тЧМТ является эксайтотоксичность — процесс неконтролируемого высвобождения возбуждающих нейромедиаторов из везикул, приводящий к гибели нейронов. Потеря везикулярного Glu означает снижение его внутриклеточной концентрации. Недостаток Glu создаёт, в свою очередь, недостаток предшественника NAA, Asp, что угнетает синтез NAA.

Обращают на себя внимание следующие факты, характеризующие острую посттравматическую фазу: [Asp] снижается значительно сильнее, чем [Glu]; между концентрациями Asp и Glu существует высокая прямая корреляция; [NAA] уменьшается всего на 16% на фоне 45%-го падения Asp и Glu на 45 и 35%, соответственно. Из этих фактов следует, что в острой фазе образующийся из Glu Asp расходуется на поддержание уровня NAA. Действительно, мы обнаружили достоверную обратную корреляцию между Asp/Glu и NAA в остром периоде после тЧМТ.

В отдалённом периоде после тЧМТ [NAA] падает уже на 65%, а [Asp] — на 61% относительно нормы, достоверно снижен параметр Asp/Glu при нормальных значениях [Glu].

 

Рис. 2. Концентрация NAA, Asp, Glu (M ± SD) и величина отношения Asp/Glu (M ± SD) в неповреждённых по данным диагностической МРТ лобных долях головного мозга человека в норме (n = 12), при тЧМТ в остром периоде (n = 8) и в отдалённом периодах (n = 7).

 

Одинаковое падение [NAA] и его предшественника Asp позволяет предполагать, что в отдалённом посттравматическом периоде нарушение синтеза NAA вызвано недостатком его непосредственного исходного — Asp.

Параметр Asp/Glu, сниженный в обоих периодах, характеризует эффективность митохондриального транспортёра Aralar1, через который Glu поступает из цитозоля в митохондрию. Переносчик Aralar1 является частью малат-аспартатной челночной системы (МАЧС) [12]. Эта система переносит восстановительные эквиваленты от НАДH цитозоля к НАД+ в митохондрии. Самой медленной и необратимой стадией работы МАЧС является транспорт Glu в митохондрию [13]. Транспортёр Aralar1 присутствует в основном в митохондриях нейронов [14]. Этот транспортёр [14] играет важнейшую роль в синтезе NAA. В головном мозге и нейронах мышей с гомозиготной делецией гена Aralar1 (Aralar1–/–) падал уровень NAA и Asp. В митохондриях этих мышей было резко снижено потребление Glu и малата и прекращался синтез Asp [14].

Уменьшение значения отношения [Asp]/[Glu] позволяет предположить, что тЧМТ приводит к нарушению транспорта Glu. Из работы [14] следует, что обмен Glu на Asp является обязательной стадией в синтезе NAA, поэтому обнаруженное нами уменьшение значения [Asp]/[Glu] вызывает снижение уровня NAA при тЧМТ. Полученные в настоящей работе результаты указывают на участие Aralar1 в регуляции синтеза NAA.

Следует ожидать, что при сниженных значениях [Asp]/[Glu] снижается концентрация цитозольного оксалоацетата и возникает избыток НАДH в цитозоле. Это приводит к недостатку восстановительных эквивалентов в дыхательной цепи и нарушению синтеза АТФ. При анализе экстрактов головного мозга крыс обнаружено [15] совпадение динамики [АТР] и [NAA] после фокальной и диффузной ЧМТ, которое может быть обусловлено тем, что синтез обоих соединений регулируется активностью МАЧС: образование NAA тормозится недостатком Asp, синтез АТФ — нарушением транспорта восстановительных эквивалентов в электрон-транспортной цепи. Это объясняет, почему интенсивность сигнала NAA в спектрах in vivo служит индикатором уровня нормально функционирующих нейронов: уровень NAA зависит от активности Aralar1 и связан с энергетикой нейрональных митохондрий через МАЧС.

Таким образом, полученные нами данные позволяют заключить, что падение [NAA] в отдалённом периоде тЧМТ вызвано недостатком [Asp], предшественника синтеза [NAA]. Падение [Asp] при нормальном уровне Glu отражает, вероятно, дисфункцию одной из важнейших систем регуляции метаболизма — МАЧС.

Сопоставление результатов, полученных при анализе [Asp], [Glu] и [NAA] в остром и отдалённом периодах после тЧМТ дают основания предполагать, что уже в течение первых суток после травмы возникают нарушения транспорта Glu в митохондрию через Aralar1, а в отдалённом периоде развивается дисфункция МАЧС.

Работа поддержана грантами РНФ 18–13–00030 и РФФИ 17–04–01149 А.

×

Об авторах

Н. А. Семенова

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской Академии наук; Институт химической физики им. Н.Н Семенова Российской Академии наук; Научно-исследовательский институт неотложной детской хирургии и травматологии Департамента здравоохранения города Москвы

Email: andrey.man.93@gmail.com
Россия, 117997, г. Москва, ул. Косыгина, 4; 119180, г. Москва, ул. Б. Полянка, д. 22

П. Е. Меньщиков

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской Академии наук; Институт химической физики им. Н.Н Семенова Российской Академии наук; Научно-исследовательский институт неотложной детской хирургии и травматологии Департамента здравоохранения города Москвы

Email: andrey.man.93@gmail.com
Россия, 117997, г. Москва, ул. Косыгина, 4; 119180, г. Москва, ул. Б. Полянка, д. 22

А. В. Манжурцев

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской Академии наук; Институт химической физики им. Н.Н Семенова Российской Академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: andrey.man.93@gmail.com
Россия, 119991, г. Москва, ул. Косыгина, 4

М. В. Ублинский

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской Академии наук; Научно-исследовательский институт неотложной детской хирургии и травматологии Департамента здравоохранения города Москвы

Email: andrey.man.93@gmail.com
Россия, 117997, г. Москва, ул. Косыгина, 4; 119180, г. Москва, ул. Б. Полянка, д. 22

Т. А. Ахадов

Научно-исследовательский институт неотложной детской хирургии и травматологии Департамента здравоохранения города Москвы

Email: andrey.man.93@gmail.com
Россия, 119180, г. Москва, ул. Б. Полянка, д. 22

С. Д. Варфоломеев

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской Академии наук; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: andrey.man.93@gmail.com

член-корреспондент РАН

Россия, 117997, г. Москва, ул. Косыгина, 4; 119991, г. Москва, ул. Ленинские горы, д.1

Список литературы

  1. Tallan H.H. // J. Boil. Chem. 1957. V. 224. P. 41–45.
  2. Moffett J., Ross B., Arun P., Madhavarao C., Nam-boodiri M. // Prog. Neurobiol. 2007. V. 81. № 2. P. 89–131.
  3. Moffett J., Arun P., Ariyannur P., Namboodiri A. // Front Neuroenergetics. 2013. V. 5. P. 1–19.
  4. Семенова Н.А., Луковенков А.В., Ахадов Т.А., Сидорин С.С., Варфоломеев С.Д. // Биохимия. 2012. Т. 77. № 4. С. 495–502.
  5. Moffet J., Arun P., Ariyannur P. Garbern J., Jacobo-witz D., Namboodiri A. // Glia. 2011. V. 59. № 10. P. 1414–1419.
  6. Kots E.D., Lushchekina S.V., Varfolomeev S.D., Nemukhin A.V. // J. Chem. Inf. Model. 2017. V. 57. № 8. P. 1999–2008.
  7. Vagnozzi R., Tavazzi B., Signoretti S., Amorini A.M., Belli A., Cimatti M., Delfini R., Di Pietro V., Fi-noc-chiaro A., Lazzarino G. // Neurosurgery. 2007. V. 61. № 2. P. 379–388.
  8. Harris J., Ye H., Choi I., Lee P., Berman N., Swerd-low R., Craciunas S., Brooks W. // J. Cereb. Blood Flow Metab. 2012. V. 32. P. 2122–2134.
  9. Kinoshita Y., A. Yokota A. // NMR Biomed. 1997. V. 10. № 1. P. 2–12.
  10. Mescher M., Merkle H., Kirsch J., Garwood M., Gruetter R. // NMR Biomed. 1998. V. 11. P. 266–272.
  11. Меньщиков П.Е., Семенова Н.А., Манжурцев А.В., Ахадов Т.А., Варфоломеев С.Д. // Изв. РАН. Сер. хим. 2018. № 4. С. 1–8.
  12. McKenna M., Waagepetersen H., Schousboe A., Sonnewald U. // Biochem. Pharmacol. 2006. V. 71. P. 399–407.
  13. La Noue K., Tischler M. // J. Biol. Chem. 1974. V. 249. P. 7522–7528.
  14. Jalil М., Begum L., Contreras L. // J. Biol. Chem. 2007. V. 280. P. 31333–31339.
  15. Di Pietro V., Amorini A., Tavazzi B., Vagnozzi R., Logan A., Lazzarino G., Signorett S., Lazzarino G., Belli A. // Mol. Med. 2014. V. 20. P. 147–157.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Типичный спектр 1H МР, полученный в неповреждённой по данным диагностической МРТ лобной доле мозга – (а). Расположение VOI в области лобной доли мозга – (б). Типичный спектр AspMEGA-PRESS, полученный в области лобной доли мозга – (в).

Скачать (2MB)
Метаданные
3. Рис. 2. Концентрация NAA, Asp, Glu (M ± SD) и величина отношения Asp/Glu (M ± SD) в неповреждённых по данным диагностической МРТ лобных долях головного мозга человека в норме (n = 12), при тЧМТ в остром периоде (n = 8) и в отдалённом периодах (n = 7).

Скачать (372KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2019