Astroglia and its role in epileptogenesis

Abstract

Modern ideas about the functional significance of astroglia in the formation of convulsive activity of the brain are outlined. Modern data on astrocyte metabolism, its role in the metabolism of neurotransmitters, peptides, neurotrophic factors in various receptions are presented. Particular attention is paid to the role of astroglia in the metabolism of the excitatory amino acid glutamate. Modern concepts of astroglial mechanisms of epileptogenesis are considered.

Full Text

фото

Изложены современные представления о функциональной значимости астроглии в формировании судорожной активности мозга. Представлены современные данные о метаболизме астроцита, его роли в обмене нейротрансмиттеров, пептидов, нейротрофических факторов в различной рецепции. Особое внимание уделено роли астроглии в обмене возбуждающей аминокислоты глютамата. Рассмотрены современные концепции астроглиальных механизмов эпилептогенеза.

До настоящего времени многие проблемы, связанные с функциональной значимостью астроглии в центральной нервной системе, остаются невыясненными, несмотря на многолетнее изучение этих клеточных структур. До начала 70-х годов твердо установленными функциями астроглии считались такие, как участие в фагоцитозе, формирование гемато-энцефалического барьера и глиального рубца. В последнее десятилетие знания о функциональной значимости астроглии существенно расширились. В настоящее время доказано, что астроциты принимают участие в поддержании внеклеточного ионного гомеостаза, регуляции энергетического обмена в нейроне и процессов перекисного окисления липидов, в дезинтоксикации аммиака и регуляции обмена нейротрансмиттеров, а также в дифференцировке нейронов и стимуляции аксонального роста [3]. Бесспорным является участие астроцитов в формировании иммунного ответа совместно с микроглией ЦНС [12].

Изучение собственного метаболизма астроглии позволило ввести понятие «глионейрональный метаболический комплекс», что предполагает наличие взаимосвязанных систем ионных каналов, активного транспорта и рецепторного аппарата. При этом отмечается специализация астроглии аналогично нейрональной в различных отделах ЦНС. Гетерогенность астроглии характеризуется экспрессией различных рецепторов, меняющейся активностью глиальных ферментов, различным содержанием маркеров в разных отделах ЦНС [6]. Эта гетерогенность определяется специализацией рецепторного аппарата нейронов данной области и образованием специфичных нейрональных сигнальных белков, транспортирующихся в астроглию.

Многочисленные исследования в культуре астроцитов выявили возможность экспрессии астроглией различного типа рецепторов к пептидам, гормонам, нейротрансмиттерам, лекарственным веществам. Действие одного класса рецепторов опосредуется через такие вторичные мессенджеры, как 3',5'-АМФ и 3',5'-ГМФ. Это α₂-, β- и β- адренергические рецепторы, дофамин-, гистамин и серотонинергические рецепторы, рецепторы АКТГ и соматостатина и др. Изучение действия нейрональных биогенных аминов на астроглию показало, что серотонин является основным стимулятором гликогенолиза в астроците и регулирует поступление глюкозы в нейрон, обеспечивая энергетику последнего [8].

Действие другого класса рецепторов опосредуется через вторичные мессенджеры: диацилглицерол, инозитолтрифосфат и ионы кальция. К этим рецепторам относятся глютамат-ГАМКер- гические и бензодиазепиновые рецепторы.

Для астроглии характерны гетерогенность и вариабельность рецепторов. Во-первых, нейрональные и астроглиальные рецепторы к одному и тому же медиатору обладают рядом общих и отличительных свойств, различаются по строению активных центров и блокируется разными антагонистами. Во-вторых, фиброзные и протоплазматические астроциты экспрессируют различные типы рецепторов. В-третьих, в различных отделах ЦНС один и тот же астроцитарный рецептор имеет множественные молекулярные формы.

Изучение системы активного транспорта глютамата [11] и открытие малого глиального пула глютамата [2] позволили оценить роль астроцита в обмене нейротрансмиттерных аминокислот и дезинтоксикации аммиака. В 1979г. Л.Норенберг идентифицировал астроглиальный маркерный фермент глютаминсинтетазу, которая катализирует следующую реакцию:

  $Глютамат + NH3 + АТФ\frac{Глютаминсинтетаза}{M{g}^{2+}}>Глютамин + АДФ + {Ф}_{н}$

Было показано, что весь нейротрансмиттерный глютамат для нейрона синтезируется из астроглиального глютамина под действием нейрональной глютаминазы. Часть этого глютамата идет на синтез ГАМК. Нарушение метаболизма глютамата в астроглии приводит к соответствующим сопряженным нарушениям в нейроне, а именно к нейротрансмиттерной функции глютаматергических нейронов, снижению синтеза ГАМК, реализации токсического действия глютамата как возбуждающего нейротоксина.

Нарушение утилизации аммиака в астроците в малом глютаматном пуле, например при блоке глютаминсинтетазы, обусловливает его токсическое действие. Предполагается, что избыток аммиака в астроците вызывает энергетический и трансмиттерный блок, нарушение проведения электрического импульса, деструкцию белков, расстройство осморегуляции и проницаемости мембран.

Глютаминсинтетаза — маркерный фермент астроглии - регулирует количество аммиака; при этом следует отметить, что активность фермента возрастает при снижении уровня глютамина в астроците и под влиянием глюкокортикоидов.

Глютаматные рецепторы составляют неотъемлемую часть системы регуляции глютамата в астроглии, и нарушение их функции рассматривается как один из ведущих механизмов при ряде неврологических заболеваний. В ЦНС выделяют 4 класса глютаматных рецепторов: N-метил-D-аспартатные (NMDA-R), каинатные, квисквалатные и L-гомоцистеинатные рецепторы.

В настоящее время доказано, что астроглия секретируют ряд нейротрофических факторов пептидной природы. Они играют важную роль в дифференцировке нейронов, аксональном росте, поддержании нейронального метаболизма. Выделены три класса этих веществ: нейронотрофические факторы - NTF (neuron trophic factors), нейритстимулирующие факторы - NPF (neunte promoting factors) и глиамодулирующие факторы - GMF (gliomodulating factors) [15].

Любое повреждающее воздействие на астроцит сопровождается как обычным набуханием клетки, так и специфической реакцией — астроглиолизом. Набухание астроцита происходит в результате блокады Na⁺, К⁺-АТФаз и блокады Са²⁺-зависимых К⁺ каналов, что приводит к нарушению буферной системы астроцита и накоплению калия в межклеточном пространстве, уменьшению внеклеточных Na⁺ и С1^-, увеличению количества воды в клетке. Факторы, вызывающие набухание астроцитов многочисленны: ацидоз, накопление аммиака, повышение содержания ненасыщенных жирных кислот, избыток глютамата во внеклеточном пространстве, активация перекисного окисления липидов. Набухание астроглии является самым ранним этапом цитотоксического отека клеток ЦНС, который развивается при ишемии мозга, гипогликемии, травме и т.д.

Астроглиоз встречается при демиелинизирующих (рассеянный склероз) и дегенеративных заболеваниях ЦНС (болезнь Альцгеймера, Крейтцфельда-Якоба, хорея Гентингтона), при опухолях, ишемии мозга и эпилепсии. Астроглиоз характеризуется усиленным синтезом маркерного белка - кислого фибриллярного астроцитарного белка GFAP, а также гипертрофией астроцитарных отростков.

В последние годы изучены механизмы участия астроглии в патогенезе некоторых неврологических заболеваний, однако в большинстве случаев эти предполагаемые механизмы остаются гипотетическими. К таким заболеваниям относятся печеночная энцефалопатия, эпилепсия, хорея Гентингтона, боковой амиотрофический склероз.

Наиболее изучены астроглиальные механизмы эпилептогенеза. К сожалению, в отечественной литературе по нейрохимии эпилепсии почти не упоминается о роли астроглии.

В настоящее время рассматривается вероятность участия 3 факторов в механизме эпилептогенеза: во-первых, это дефицит глиального контроля над внеклеточным калием, во-вторых - дефицит глиального контроля над внеклеточным Н⁺/НСО₃^- - гомеостазом, в-третьих, нарушение нейротрансмиттерного метаболизма в астроците (активного транспорта, синтеза и рецепции) [5].

Многочисленные исследования показали роль астроглии в поддержании внеклеточной концентрации ионов K⁺, которая реализуется двумя путями: пассивной диффузией избытка ионов K⁺ в астроцит или его активным транспортом при участии Na⁺, K⁺-зависимых АТФаз.

В 1970г. впервые было высказано предположение о том, что нарушение этих механизмов приводит к накоплению ионов К⁺ во внеклеточном пространстве и соответственно вызывает, снижение порога возбудимости нервного волокна, появление спонтанной активности и формирование эпилептогенного очага [4, 14]. Дальнейшие исследования выявили снижение активности Na⁺- K⁺- зависимых АТФаз в отношении ионов K⁺ в астроцитах при эпилепсии [5]. Рядом авторов предполагается генетический дефицит АТФаз [7].

В настоящее время бесспорно, что дисбаланс HCO₃“/H⁺ и HCO₃^-/Cl^- во внеклеточном пространстве приводит к формированию судорожной активности мозга. Основным ферментом, регулирующим данный ионный гомеостаз, является карбоангидраза. Этот энзим имеет исключительно глиальное происхождение и идентифицирован в олигодендроците и астроглии. Карбоангидраза катализирует реакцию гидрирования нейронального С0₂ с образованием ионов Н⁺ и НСО₃^-, тем самым регулирует и энергетику нейрона.

При эпилепсии зарегистрирована резкая активация карбоангидразы в астроцитах [16]. С одной стороны, повышение активности фермента рассматривается как компенсаторная реакция глии на накопление СО₂ в нейронах эпилептогенного очага. С другой - длительная активация фермента приводит к изменению соотношений H⁺/ HCO₃^- Cl^-/ HCO₃^-, Na⁺/H⁺ во внеклеточном и внутриклеточном пространствах и поддерживает состояние судорожной активности в очаге [5]. Этим обусловлено применение противосудорожных препаратов - ингибиторов карбоангидразы (диакарб, сультиам).

Изучение возбуждающих аминокислот, и в частности, глютамата, при эпилепсии позволило ряду исследователей предположить «экзайтотоксический» механизм повреждения нейронов в эпилептическом очаге [10]. Регистрация резко повышенной концентрации глютамата в спинномозговой жидкости больных во время судорожных припадков подтверждает «экзайтотоксическую» гипотезу. Согласно последней, накопление глютамата в синаптической щели вызывает перевозбуждение NMDA-рецепторов постсинаптических нейронов и развитие спонтанной активности клеток. Накопление же глютамата в синаптической щели может быть связано с нарушением активного захвата глютамата астроглией или с расстройством утилизации глютамата в самом астроците за счет блока глютаминсинтетазы. Об участии «экзайтотоксического» механизма в эпилептогенезе косвенно свидетельствует регистрация повышенной активности протеинкиназы C и Cα²⁺-зависимой кальмодулинкиназы. Обязательным условием активации этих протеинкиназ является повышение содержания ионов Ca²⁺ и образование вторичных мессенджеров: диацилглицерола и инозитолтрифосфата в результате возбуждения NMDA- рецепторов глютамата [9].

В настоящее время доказано, что ряд противосудорожных препаратов (вальпроат натрия, диазепам) ингибирует протеинкиназы и способствует дефосфорилированию протеинов, тем самым разрывая патологическую цепь так называемого «глютаматного каскада» [9].

Особый интерес в изучении механизмов эпилептогенеза представляют бензодиазепиновые рецепторы астроглии. Рядом исследователей показано, что бензодиазепиновые рецепторы астроглии и нейронов отличаются своими структурными и фармакологическими свойствами. Они обладают различной лиган- дсвязывающей способностью к диазепинам, а ГАМК оказывает на них неоднозначное воздействие: потенциирует влияние на нейрональные бензодиазепиновые рецепторы, тогда как на астроглиальные или не влияет или слабо ингибирует их. В настоящее время доказано, что бензодиазепиновые рецепторы астроцитов связаны с кальциевыми каналами и блокируются известными антагонистами ионов Ca²⁺ - нимодипином, коринфаром, верапамилом.

Новым этапом в изучении бензодиазепиновых рецепторов астроглии явилось открытие их эндогенных лигандов — «пептидов тревоги» [1]. Эти полипептиды — диазепамсвязующий ингибитор (DBI - diasepam binding ingibitor), эндозапин и оксадеканеуро- пептид (ODN) — в малых дозах способны вызывать чувство тревоги, агрессии, гиперактивность и судорожные припадки, тогда как в больших дозах обладают седативным и миорелаксирующим эффектом. Доказано, что действие этих пептидов, нейрональных по происхождению, реализуется исключительно через астроглиальные бензодиазепиновые рецепторы [7].

Другим пептидом, способным связываться с бензодиазепиновыми рецепторами астроглии, является атриальный натрийуретический пептид (ANP - atrial natriuretic peptide), обладающий выраженным вазодилататорным и натрийуретическим эффектом, антагонист ионов Ca²⁺. Кроме того, идентифицирована способность этого пептида блокировать Na⁺, K⁺-ATФазы, что может иметь значение в эпилептогенезе [13].

Таким образом, анализ литературы, посвященной функциональному состоянию астроглии, показал несомненную роль астроглии в эпилептогенезе. Уточнение этих механизмов поможет разработать новые методы противоэпилептической терапии.