Полный текст
Введение
Болезнь Паркинсона - это нейродегенеративное заболевание, клиническими проявлениями которого являются тремор в состоянии покоя, ригидность мышц, когнитивные и двигательные нарушения [1, 2, 3]. Поскольку БП это заболевание с высокой частотой возникновения и сопровождаемое инвалидностью, с годами оно становится всё более распространённым. Обычно БП развивается у пожилых людей и чаще встречается у мужчин [4]. Стоимость лечения пациентов с болезнью Паркинсона высока, что ложится тяжёлым бременем на семьи и общество [4, 5]. Генетика, окружающая среда, диета, возраст и другие факторы играют свою определëнную роль в развитии болезни Паркинсона [6, 7]. Патология мозга характеризуется дегенеративной гибелью дофаминовых нейронов в чёрной субстанции среднего мозга и снижением содержания дофамина в области полосатого тела [8]. Сложная этиология и патогенез болезни Паркинсона объясняют нехватку эффективных методов лечения, а также отсутствие ранних симптомов [9, 10]. Современные методы лечения направлены на раннюю диагностику заболевания для улучшения качества жизни пациентов [11]. В поисках методов лечения болезни Паркинсона на ранних стадиях в настоящее время основное внимание уделяется патофизиологическим особенностям выявляемых до начала заболевания, а также молекулярным и маркерным изменениям, которые могут предсказать ранние повреждения. Тельца Леви - это нуклеопротеиновые полимеры α-синуклеина в нервных клетках при болезни Паркинсона. Ранней патологической особенностью болезни Паркинсона является образование телец Леви в клетках чёрной субстанции среднего мозга, сопровождающееся прогрессирующей дегенерацией, некрозом и потерей дофаминергических нейронов, всë это приводит к истощению запасов дофамина в полосатом теле. Снижение уровня дофамина в мозге ухудшает нейротрансмиссию в чёрной субстанции и полосатом теле, вызывая развитие болезни Паркинсона [12]. Таким образом, глубокое изучение механизма гибели нейронов является важной частью исследования патофизиологического механизма болезни Паркинсона. Патогенез болезни Паркинсона включает в себя разнообразие видов гибели нейронных клеток, в том числе апоптоз, аутофагию, некроз, пироптоз, купроптоз [13, 14, 15]. Купроптоз - это недавно выявленный способ регулируемой гибели клеток [16]. Он отличается морфологически, биохимически и генетически от апоптоза и других известных видов регулируемой гибели клеток. Купроптоз возникает, когда медь напрямую связывается с липоилированными белками в цикле Кребса, что приводит к острому протеотоксическому стрессу, нарушению метаболизма в митохондриях и, в конечном итоге, к гибели нейронных клеток.
Медь - незаменимый микроэлемент, участвующий в различных биологических процессах и играющий важную роль в поддержании активности клеточных ферментов [17, 18].
Изменения содержания меди в клетках могут привести к окислительному стрессу и цитотоксичности, что, в свою очередь, приводит к возникновению и прогрессированию нейродегенеративных заболеваний [19, 20]. Уровень меди в тканях мозга распределяется аномально и это связано с определенными нейродегенеративными заболеваниями [21]. Длительное воздействие меди увеличивает накопление АФК, разрушает двухцепочечную структуру ДНК, снижает потенциал митохондриальной мембраны и приводит к повреждению аксонов нервных клеток [22]. Медь повышает активность глутатиона и усиливает окислительный стресс, способствуя дофаминергической дегенерации [23]. Было показано, что целый ряд генов, сопряжëнных с купроптозом, связаны с болезнью Паркинсона [24]. Очевидно, что купроптоз оcобым образом связан с патологическими изменениями, наблюдаемыми при болезни Паркинсона. Поэтому анализ купроптоза и его связи с патогенезом БП особенно важен для лечения или облегчения симптомов болезни Паркинсона при целенаправленном лечении пациентов.
Медь и купроптоз
Уже давно выявлено, что ионы двухвалентных металлов необходимы человеческому организму, а их недостаточное или избыточное содержание может приводить к нарушению клеточного метаболизма и даже к гибели клеток [24-27]. Медь - один из ключевых микроэлементов для человеческого организма. Это важный кофактор ферментов человека с высокой способностью связываться с белками и сильными окислительно-восстановительными свойствами, поддерживающий гомеостаз во внутренней среде человеческого организма [18, 28, 29].
Также показано, что повышенный риск развития болезни Паркинсона связан с повышенным содержанием меди в окружающей среде [30, 31]. Выявлено, что у пациентов с болезнью Паркинсона уровень меди в клетках области чёрной субстанции головного мозга значительно снижен [32].
Хотя большинство исследований связывают повышенный уровень меди с повышенным риском развития БП, эта корреляция все еще противоречива и далека от окончательного выяснения. Фактически, выполненные недавно исследования подтверждают гипотезу о том, что снижение уровня меди коррелирует с повышенным риском развития заболевания. Более конкретно, у пациентов с БП концентрация меди, церулоплазмина и его оксидазная активность в крови, а также количество атомов меди в молекуле церулоплазмина были ниже по сравнению с аналогичными показателями у здоровых людей соответствующего возраста [33, 34]. Более того, продемонстрировано, что концентрация ионов меди была ниже в наиболее пораженных областях мозга пациентов с БП по сравнению со здоровыми людьми соответствующего возраста, при этом содержание меди в черном веществе и голубом пятне было снижено на 35-50% [35-39]. Чтобы подтвердить, что снижение уровня меди не было результатом выраженной дегенерации богатых медью популяций нейронов в этих областях мозга, исследователи Davies et al. проанализировали cодержание ионов меди на клеточном уровне с помощью рентгенофлуоресцентной микроскопии и рентгеноэмиссионной микроскопии и показали снижение уровня меди на 55-65% как в черной субстанции, так и в голубом пятне головного мозга пациентов с БП [39].
Выявлено, что связываясь с церулоплазмином, медь стимулирует активность ферроксидазы и таким образом участвует в гомеостазе железа, так что некоторая косвенная токсичность, опосредованная изменением концентрации железа, может быть следствием низкого уровня ионов меди. Соответственно, ацерулоплазминемия, аутосомно-рецессивный дефицит церулоплазмина, вызванный мутациями в гене церулоплазмина, связана с накоплением железа в печени, поджелудочной железе, сетчатке и базальных ганглиях [40-43]. Более того, было описано, что отложение железа в головном мозге связано с потерей нейронов в тех же регионах, и эффекты, по–видимому, связаны со способностью ионов железа усиливать окислительные процессы посредством реакций Фентона и Габера-Вейса [40, 41]. Интересно, что среди неврологических симптомов ацерулоплазминемии потеря координации движений и другие двигательные нарушения накладываются на некоторые клинические проявления, связанные с БП.
Медь является третьим по распространенности незаменимым микроэлементом в организме человека, причëм самые высокие концентрации обнаружены в печени и головном мозге [44, 45]. Медь участвует в ряде важных физиологических процессах, среди прочих, пигментации кожи, сохранении целостности кровеносных сосудов, миелинизации, гомеостазе железа, антиоксидантной защите и синтезе нейротрансмиттеров [46-48]. Важность меди в различных биологических процессах обусловлена ее ролью кофактора или структурного компонента во многих купропротеинах. При этом, ее окислительное состояние может меняться от Cu+ до Cu2+, и потенциал этого процесса может быть точно настроен белковым каркасом, который связывает ион металла. Кроме того, медь часто обнаруживается в качестве кофактора в активных центрах ферментов, имеющих оксиредуктазную активность (Рис.1).
Рис. 1. Физиологические процессы, включающие окислительно-восстановительную активность меди. AO - аминоксидаза; COX - цитохром с-оксидаза; ЦП - церулоплазмин; СОД - супероксиддисмутаза.
Fig. 1. The physiological processes including oxidation-reduction activity of copper. AO - aminoxidase; COX - cytochrome c-oksidaza; ЦП - cerruloplasmin; СОД - superоxiddismutаsа.
Кроме того, Cu/Zn-супероксиддисмутазы катализируют расщепление супероксидных радикалов до кислорода и перекиси водорода, медьсодержащие аминоксидазы катализируют окислительное дезаминирование первичных аминов до альдегидов с выделением перекиси водорода и аммиака, а тирозиназа окисляет биологические фенолы, такие как тирозин и дофамин, участвуя таким образом в образовании пигментов меланина [47;48].
Митохондриальная цитохром с-оксидаза, также известная как комплекс IV ЭТЦ, является другим чрезвычайно важным медьсодержащим ферментативным комплексом, который получает электроны от молекул цитохрома С и использует их для преобразования молекулярного кислорода в воду [47, 48]. Благодаря взаимодействию с церулоплазмином медь также участвует в гомеостазе железа. Фактически, церулоплазмин проявляет медьзависимую оксидазную активность, которая превращает Fe2+ в Fe3+, способствуя таким образом трансферрин-опосредованному транспорту железа в плазме [49]. Было продемонстрировано, что медь не только является кофактором многочисленных окислительно-восстановительных ферментов, но и взаимодействует с синаптическими белками и рецепторами нейротрансмиттеров, играя ключевую роль в физиологии синапсов [50]. Последовательно, модулируя синаптическую активность, эксайтотоксическую гибель клеток и сигнальные каскады, индуцируемые нейротрофическими факторами, медь участвует в важных функциях нервных клеток [50].
В настоящее время вырисовывается общая картина, при которой либо избыточный уровень меди, либо ее дефицит кажутся пагубными для БП, что подчеркивает важность точного гомеостатического контроля ионов меди. Интересно, что клеточные пути, связанные как с высоким, так и с низким уровнем меди, приводят к усилению условий окислительного стресса, из чего следует, что конвергенция внутриклеточных стрессовых состояний может опосредовать повреждение клеток в обоих сценариях.
2. Метаболизм меди
Медь, усваивается человеком с пищей, а затем доставляется в органы, ткани, клетки и белки, которые нуждаются в ее присутствии для выполнения своих физиологических функций.
Рис.2. Схема метаболизма меди в организме человека. ГЭБ – гемато-энцефалический барьер; КЛБ – кровь-ликворный барьер (B-CFF); CTR1 – транспортëр меди в клетках сосудов печени; ЦП – церулоплазмин; hCTR1 – транспортëр ионов меди в желудочно-кишечном тракте.(с изменениями по М.Bisaglia и соавт. [68]).
Fig.2. Scheme of the main steps of copper metabolism. copper transport in cells of vessels of a liver
(CTR1); cerruloplasmin (ЦП); copper transport in a gastroenteric tract (hCTR1); Blood-cerebrospinal fluid barrier – (B-CFF).(adapted from Bisaglia et аl. [68]).
Церулоплазмин - основной белок, участвующий в транспорте меди в тканях и системах организма, ЦП способен связывать шесть ионов меди в своей молекулярной структуре [48]. Другие белки плазмы, такие как альбумин, также участвуют в транспорте меди [48]. Как показано на рисунке 2, импорт меди внутрь клеток в основном зависит от транспортëра меди CTR1 [46, 51-53].
В физиологических условиях, когда медь в основном состоит из ионов меди Cu+, согласованное действие металлотионеинов и других низкомолекулярных лигандов, включая глутатион, способствует поддержанию концентрации свободной меди на очень низком уровне (10-18 М) [51, 54]. Затем цитоплазматическая медь может быть доставлена к месту назначения под действием ряда специфичных шаперонов. Они включают шесть белков: это белки Cox17, Cox 19, Cox 23, а также белки внутренней мембраны митохондрий Sco1, Sco2, Cox11 были классифицированы как шапероны меди для комплекса митохондриальной цитохром с-оксидазы и необходимы как для транспортировки меди из цитоплазмы в митохондрии, так и для включения ионов меди в две разные субъединицы комплекса IV ЭТЦ [46, 51, 52]. Шаперон меди (CCS) для супероксиддисмутазы 1 (СOД1) при этом отвечает за созревание СOД1, что в конечном итоге приводит к активации СOД1, в то время как транспортëр меди Atox1 доставляет ионы меди к АТФазам 7A и 7B, транспортирующим ионы меди в другие компартменты [46, 51, 52]. Эти белки обычно расположены в транс-сети аппарата Гольджи, где они отвечают за поступление меди в купроферменты, включая дофамин-β-гидроксилазу, лизилоксидазу, тирозиназу и церулоплазмин [51].
Рис. 3. Внутриклеточные процессы, сопряженные с окислительно-восстановительной деятельностью меди. ЭПР – эндоплазматический ретикулум; GSH - глутатион; CTR1 - транспортëр меди; ATP7A,ATP7B – АТФазы 7A и 7В; Atox1 - транспортëр ионов меди; CCS – шаперон меди; COX - цитохром с-оксидаза; ЦП - церулоплазмин; МВ - микровезикула; МТ - металлотионеин; СОД - супероксиддисмутаза. ([с изменениями по М. Bisaglia и соавт. [68]).
Fig. 3. The intracellular processes interfaced to oxidation-reduction activity of copper.copper tramsport protein (Atox1); metallothioneins (MT); 6 copper chaperones (Cox11,Cox17,Cox19. And Sco1,Sco2); copper chaperone for SOD1 (CCS). (adapted from Bisaglia et al. [68]).
ATФаза7A и ATФаза7B также участвуют в секреции меди из клеток [46, 50, 51]. Например, когда уровень меди повышается, ATФаза7A перемещается в плазматическую мембрану, облегчая экспорт меди. ATФаза7A также отвечает за транспорт меди в кровоток через базолатеральную мембрану эпителиальных клеток кишечника [46]. ATФаза7A, по-видимому, также играет решающую роль в высвобождении меди в синапсах [50]. Напротив, доставляя медь из печени в желчь, ATФаза7B способствует выведению избыточных количеств меди из организма [46].
Из обобщений публикаций последних лет вырисовывается общая картина, при которой либо избыточный уровень меди, либо ее дефицит являются пагубными нейродегенеративных заболеваний включая болезнь Паркинсона, еще раз подчеркивая важность точного контроля гомеостаза меди [52]. Интересно, что клеточные пути, связанные как с высоким, так и с низким уровнем меди, приводят к усилению условий окислительного стресса, таким образом конвергенция внутриклеточных стрессовых состояний может в обоих случаях опосредовать повреждение и купроптоз клеток.
3. Механизмы токсичности меди и окислительный стресс в патогенезе болезни Паркинсона
Молекулярные механизмы, посредством которых дисгомеостаз меди может способствовать возникновению БП, до конца не изучены, и были предложены противоречивые гипотезы, описанные ниже. Предположили, что механизм основан на способности свободной меди связываться с остатками цистеина в белках, вследствие чего такое взаимодействие может привести к инактивации их ферментативной активности [53]. Например, в статье Scheuhammer et al.(1985) описано, что предварительная обработка гомогенатов полосатого тела крыс катионами металлов (Cd2+,Cu2+,Hg2+), обладающими значительной реакционной способностью по отношению к тиолам (-SH), а также алкилирующим агентам N-этилмалеимидом (N-ЭММ), снижает специфические сайты связывания в рецепторах дофамина D2, измеренные с помощью стандартного [3Н-пиперона] - анализ связывания с [3H]-пипероном. Так введение меди в концентрации 3 мМ приводило к снижению связывания дофаминовых рецепторов D2 с [3H]-пипероном на 40-60% [55], подтверждая тем самым, что модификации тиолов, индуцируемые медью, могут иметь функциональные последствия.
Помимо прямого взаимодействия с сульфгидрильными группами белков, токсичность меди в основном зависит от ее окислительно-восстановительной активности, обычного действия, которое используется многочисленными ферментами и которое делает ионы меди биологически необходимыми. Соответственно, общепризнанным механизмом, посредством которого ионы меди могут участвовать в патогенезе БП, является их способность усиливать окислительный стресс, катализируя вредные окислительно-восстановительные реакции с участием производных радикалов кислорода. Установлено, что медь, подобно железу, может участвовать в превращении супероксиданиона и перекиси водорода в гидроксильный радикал посредством реакций Фентона и Габера-Вейса. Реакция Габера-Вейса имеет очень короткий период протекания (в диапазоне 10-9 с) и считается наиболее реакционноспособной формой радикалов кислорода и поэтому предотвращение его синтеза представляет собой основную защитную систему [56].
- Окисление меди и дофамина
Ранее уже упоминалось, что БП характеризуется преимущественной дегенерацией дофаминергических нейронов, и все больше доказательств указывает на возможную роль самого дофамина в стимулировании гибели клеток. В отличие от нейронов, содержащих другие нейромедиаторы, дофамин может сделать дофаминергические нейроны особенно восприимчивыми к окислительному повреждению. После синтеза дофамин почти полностью изолируется внутри синаптических пузырьков, где его концентрация может достигать 1 мкМ [56, 57] и где он стабилизируется благодаря низкому значению рН в просвете пузырьков. Однако цитозольная фракция дофамина может подвергаться процессу спонтанного аутоокисления, который приводит к образованию как активных форм кислорода, так и дофаминхинонов (ДФХ)]57]. Этот последний путь подтверждается присутствием нейромеланина, темного полимера, который образуется в результате полимеризации ДФХ и ДФХ-модифицированных белков и который также включает как липиды, так и ионы металлов ]59]. Считается, что нейромеланин обеспечивает защитный механизм, предотвращающий нейротоксичность, благодаря своей способности связывать как реактивные дофаминхиноны, так и окислительно-активные ионы металлов [58]. Было продемонстрировано, что медь усиливает процесс окисления дофамина, приводящий к образованию множества потенциально токсичных соединений, таких как дофаминхиноны, H2O2 и гидроксильный радикал •O2- [58, 59, 60]. Интересно, что голубое пятно и черная субстанция, где в основном обнаруживается нейромеланин, являются областями мозга с самым высоким уровнем меди [60-62]. Присутствие меди внутри нейромеланина предполагает его активное участие в окислительной полимеризации дофамина ]59], хотя, в качестве альтернативной гипотезы, присутствие такого уникального металлосвязывающего пигмента в черной субстанции человека и голубом пятне может объяснять высокие уровни меди в этих областях мозга [9]46]. Наличие лабильных пулов ионов меди в головном мозге, как продемонстрировали Dodani S.C. et al.(2011) [65], вероятно, является основным источником окисления дофамина. В дополнение к прямой реакционной способности меди по отношению к дофамину, окисление также может быть опосредовано ионами меди, связанными с координирующими лигандами или пептидами и белками, участвующими в нейродегенеративных процессах, как было рассмотрено в статье Monzani E.et al.(2019) [59]. В механизме БП важную роль в стимулировании индуцированного медью окисления дофамина может играть белок α-синуклеин. Продукция активных форм кислорода, опосредуемая олигомерами α-синуклеина, которая может ингибироваться присутствием хелатообразующих агентов меди [66], подтверждает такую возможность, хотя прямых доказательств in vivo все еще нет.
5. Агрегацию α-синуклеина под влиянием ионов меди
Белок α-синуклеин является центральным звеном в патогенезе БП. Уже давно установлено, что фибриллярная форма этого белка представляет собой основной компонент телец Леви, являющиеся патоанатомическим признаком БП [65]. Более того, аутосомно-доминантные мутации в гене, кодирующем белок, а также дупликация и трипликация гена были связаны с семейными формами БП [66]. α-синуклеин - это изначально развернутый белок, способный взаимодействовать с мембранами, принимающими α-спиральную конформацию [67]. При патологических состояниях белок агрегируется в олигомеры и фибриллы, образуя токсичные амилоидогенные конформации, особенно богатые структурами из β-слоев ]67].
Одной из основных причин нейродегенерации у пациентов с болезнью Паркинсона (БП) является внутриклеточное накопление α-синуклеина в нейронах. Wu KM. et al. исследовали механизмы, опосредующие поглощение α-синуклеина нейронами, с помощью моделей in vitro и in vivo. Они определили ген FAM171A2 как ген, повышающий риск развития БП, который влияет на агрегацию α-syn. Повышенная экспрессия FAM171A2 способствует эндоцитозу фибрилл α-syn и усугубляет распространение и нейротоксичность патологии, связанной с α-syn. Нейроспецифическое подавление экспрессии FAM171A2 оказывает защитное действие. Механистически внеклеточный домен 1 FAM171A2 взаимодействует с C-концом α-syn посредством электростатических сил, будучи более чем в 1000 раз более селективным по отношению к фибриллам. Кроме того, авторы определили, что бементиниб является эффективным блокатором взаимодействия FAM171A2 с фибриллами α-syn с помощью анализа связывания in vitro, на клеточных моделях и на мышах. Эти результаты подтвердили, что FAM171A2 является потенциальным рецептором для поглощения α-синуклеиновых фибрилл нейронами и, следовательно, могут служить терапевтической мишенью для лечения болезни Паркинсона [69].
Более ранние исследования in vitro показали, что присутствие милимолярных концентраций различных ионов металлов, среди которых и ионы меди, способствует образованию частично свернутых конформаций амилоидов, которые более склонны к агрегации [67, 68]. Следует однако упомянуть, что милимолярные концентрации металлов не обязательно дают точную картину ситуации in vivo, патофизиологическая значимость вышеупомянутых открытий проистекает из того факта, что и α-синуклеин, и металлы обнаружены в синапсах, где они участвуют в синаптических функциях [50, 70]. Более того, вклад отдельных металлов может приводить к синергетическим эффектам на агрегацию α-синуклеина [70]. Было предложено взаимодействие между α-синуклеином и ионами металлов для стабилизации частично свернутой конформации белка путем уменьшения электростатического отталкивания между отрицательными зарядами в этом белке, которые в основном присутствуют в его С-концевой области, между остатками 116-127 [71, 72].
Рис. 4. Взаимодействие с ионами меди в событиях купроптоза в патогенезе болезни Паркинсона.ɑ-syn – альфа-синуклеин. (с изменениями по Y. Wang и соавт. [29]).
Fig. 4. Interaction with copper ions in events cuproptosis in a pathogenesis of Parkinson's Disease. Alpha-synuclein (ɑ-syn).(adapted from Wang et al. [29]).
В дополнение к сайту связывания с С-концом, другой сайт связывания меди с наномолярным сродством был описан в N-концевой области белка [73-78]. Образование комплекса с медью на N-конце, по-видимому, включает аминоконцевую группу Met1, основной амид азота и карбоксилат Asp2 и имидазольную группу His50, хотя общего консенсуса не существует [78]. Интересно, что уже опубликованы данные, что медь ускоряет образование фибрилл α-синуклеина даже при физиологически значимых концентрациях без изменения морфологии фибрилл [70, 79]. Хотя большинство исследований, проведенных для оценки воздействия меди на α-синуклеин, проводились в присутствии ионов Cu2+, но по одновалентным ионам меди было получено меньше информации. Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что даже в случае Cu+ α-syn обладает двумя сайтами связывания, расположенными на N- и C-концах, с сопоставимым сродством к меди в микромолярном диапазоне. Первый сайт связывания включает атомы серы тиоэфирных групп Met1 и Met5, тогда как в другом сайте тиоэфирные группы Met116 и Met127 способны связывать ион меди [76, 77].
Хотя общая картина, полученная в результате вышеупомянутых исследований, подтверждает прямую роль меди в стимулировании агрегации α-синуклеина, следует соблюдать некоторую осторожность при рассмотрении патологической значимости взаимодействия меди и α-синуклеина. Фактически, недавние данные показали, что тельца Леви, извлеченные из тканей мозга, содержат α-синуклеин, ацетилированный по N-концевой группе, кроме того N-ацетилированная форма белка обычно обнаруживается in vivo [80]. Ацетилированная форма белка обладает повышенной склонностью к спиральному сворачиванию, сродством к мембраносвязыванию и устойчивостью к агрегации [81-84]. Несмотря на то, что белок все еще сохраняет свою способность связывать Cu+ [85], основным следствием N-ацетилирования является то, что способность α-синуклеина связывать Cu2+ сильно нарушается [86, 87]. Физиопатологические последствия взаимодействия между α-синуклеином и медью подробно описаны в других работах [51, 88, 89].
- Циркадные ритмы и немоторные симптомы болезни Паркисона
Известно, что болезнь Паркинсона - это заболевание, характерной особенностью которого является постепенная потеря дофаминергических нейронов в компактной части чёрной субстанции, связанная с аномальным накоплением α-синуклеина (α-syn) и активацией микроглии, эти процессы сопровождаются нейровоспалением. Поэтому нарушения циркадных ритмов играют важную роль в развитии БП, причем большинство немоторных симптомов на ранних стадиях болезни Паркинсона связаны именно с нарушениями циркадных ритмов [90].
Рис. 5. Схема влияния циркадных ритмов на немоторные симптомы болезни Паркисона.(с изменениями по Y. Shen и соaвт. [90]).
Fig. 5. The scheme of influence of circadian rhythms on not motor symptoms of Parkison's Disease.(adapted from Shen et al. [90]).
Эти нарушения могут наблюдаться за несколько лет до появления двигательных симптомов и характеризуются возникновением недвигательных симптомов, прежде всего это расстройство поведения и нарушения фазы быстрого сна, синдрома беспокойных ног, чрезмерная дневная сонливость, депрессия и тревожность, изменения артериального давления, желудочно-кишечные расстройства и проблемы с мочеиспусканием. Таким образом нарушение циркадных ритмов предшествует появлению двигательных симптомов и способствует развитию болезни Паркинсона.
Супрахиазматические ядра, как центры регуляции биологических часов, не только регулируют собственные тканевые ритмы, но и улавливают сигналы света и температуры, влияя на периферические биологические часы посредством эндокринных сигнальных путей и вегетативной нервной системы [91]. Эти периферические биологические часы находятся в различных органах, таких как печень, кожа, сердце, почки и др. и каждый из них демонстрирует собственную ритмичность, подчиняющуюся центральной регуляции [92].
В ряде статей описывается роль нарушения циркадных ритмов в развитии болезни Паркинсона на клеточном и молекулярном уровнях и связи этих процессов с условиями применения медикаментозной терапии [93].
7. Транспорт ионов меди: купроптоз в астроцитах
Астроциты обладают уникальными анатомическими, морфологическими и метаболическими особенностями, позволяющими им поглощать субстраты из крови и метаболизировать их для локальной доставки к активным синапсам для поддержания функций нейронов [95]. Установлено, что ATФаза7A опосредует высвобождение меди из астроцитов для снабжения нейронов этим важным микроэлементом [96]. Таким образом, нарушение поступления меди из астроцитов, вызванное мутацией в гене АТФазы, может способствовать дефициту меди в нейронах при болезни Менкеса [69]. С другой стороны, избыток меди в тканях мозга, который наблюдается при старении а также при различных заболеваниях ЦНС, включая болезнь Вильсона и болезнь Паркинсона, в определенной мере нейтрализуется астроцитами, при их пролиферации, ускоренным потреблением глюкозы и высвобождением лактата, а также сопровождается повышением уровня металлотионеина и выработкой глутатиона, которые необходимы для увеличения способности астроцитов к накоплению меди [97]. Таким образом, для поддержания нормального гомеостаза меди, астроциты необходимы для защиты нейронов от окислительного стресса, вызванного чрезмерным накоплением ионов меди, за счет выделения глутатиона, который может во-первых, уменьшить опосредованное медью истощение запасов глутатиона в нейронах, или во-вторых, путём выделения пирувата, который, как известно, предотвращает аутоокисление цистеина, вызванное ионами меди.
В экспериментальных исследованиях Chen Z. et al. установили, что введение наночастиц Y2O3 NP животным вызывало купроптоз астроцитов при блокировании оттока избытка ионов Cu+ из клеток, опосредованный сигнальным путём TRIM24/DTNBP1/ATP7A. Результаты этих исследований впервые продемонстрировали важную роль астроцитов в нейротоксичности, вызываемой наночастицами Y2O3 NP, и доказали, что купроптоз является основным медьзависимым механизмом гибели астроцитов [98].
Рис. 6. Предполагаемая схема событий купроптоза в астроцитах в присутствии оксида итрия. Y2O3 NP – наночастицы оксида итрия; TRIM24, DTNBR1 – ингибиторы переноса меди.(с изменениями по Z. Chen с соaвт. [95]).
Fig. 6. The prospective scheme of events cuproptosis in astrocytes in the presence of Y2O3 NP.transport copper inhibitors (TRIM24,DTNBR1).(adapted from Chen et al. [95]).
8. Новая роль СOД1 в патологенезе болезни Паркинсона
Недавняя работа связала образование аморфных агрегатов СОД1 с прогрессированием БП, что еще больше связывает дефицит меди с заболеванием [99]. Фактически, исследователи обнаружили иммунореактивность СОД1 в телах Леви и невритах Леви как в черной субстанции, так и в голубом пятне головного мозга при БП, подтверждая предыдущие сообщения о совместном отложении α-синуклеина и СОД1 при патологии Леви, связанной с БП ]100]. Однако в дополнение к этим амилоидным агрегатам в тех же областях мозга также наблюдались морфологически различные агрегаты, содержащие SOD1. Было описано, что эти новые агрегаты, содержащие СОД1, которые представляли собой аморфные и сферические структуры, практически лишены α-синуклеина, но содержат убиквитин, что предполагает нарушение пути их протеасомной деградации [99]. Что еще более интересно, не только плотность аморфных агрегатов СОД1 была значительно выше в голубом пятне и черной субстанции головного мозга с БП по сравнению с контрольной группой соответствующего возраста, но она также была значительно более высокой, чем во всех недегенерирующих областях головного мозга пациента с БП, что предполагает связь между агрегацией СОД1 и дегенерацией нейронов [99]. Связь с медью возникла в результате наблюдения положительного сдвига изоэлектрической точки растворимого SOD1, выделенного из головного мозга пациентов с БП, по сравнению с контрольной группой, причем ранее было продемонстрировано, что это поведение зависит от уменьшения включения металлического иона меди в белок [101]. Используя специфические антитела, направленные на металлодефицитный неправильно свернутый СОД1, исследователи подтвердили их присутствие в уязвимых областях мозга с БП, в то время как в тех же областях контрольного мозга они отсутствовали [99]. Поскольку специфическая активность СОД1 была сильно нарушена в черной субстанции с дефицитом меди по сравнению с другими недегенерирующими областями мозга, исследователи предложили модель, в которой дефицит меди в черной субстанции и голубом локусе связан со снижением содержания насыщенного медью СОД1, вследствие чего менее стабильный aпo-белок накапливается в аморфных агрегатах и теряет свою способность защищать нейроны от окислительного повреждения [99].
8. Изменение гомеостаза меди и патологические последствия дисбаланса
Рис. 7. Дисрегуляция гомеостаза меди в патогенезе болезни Паркинсона.ɑSyn – альфа-синуклеин.
Fig. 7. Copper dysregulation at illness of Parkinson's.alpha-synuclein (ɑSyn).
В свете существенной роли меди для жизни организма изменения в гомеостазе меди, которые могут приводить как к повышению, так и к снижению уровня, могут иметь пагубные последствия. Острая токсичность организма, вызванная приемом меди, является довольно редким явлением, поскольку количество меди, необходимое для возникновения побочных эффектов, довольно высокое, порядка граммов. Основными мишенями острой токсичности, связанной с медью, являются желудочно-кишечная, печеночная, почечная, гематологическая и сердечно-сосудистая системы, а клинические симптомы включают боль в животе, тошноту, рвоту, гипотензию, тахикардию, внутрисосудистый гемолиз, печеночную и почечную недостаточность [102]. В отличие от острой интоксикации, вызванной высоким уровнем меди, хронический дисгомеостаз меди часто является результатом генетически детерминированных нарушений, которые присущи болезни Менкеса и болезни Вильсона [46]. Болезнь Менкеса - это Х-сцепленное рецессивное заболевание, вызываемое мутациями в гене ATP7A, кодирующем транспортирующую медь АТФазу ATФ7A. Это смертельное метаболическое заболевание, характеризующееся прогрессирующей неврологической дегенерацией, аномалиями соединительной ткани, мышечной гипотонией, гипотермией и аномалиями кожи и волос [103, 104]. Из-за потребности транспортëра ATФ7A для транспорта меди через базолатеральную мембрану эпителиальных клеток кишечника при болезни Менкеса наблюдается дефицит меди циркулирующей в крови, почках, печени и головном мозге, в то время как отложения меди присутствуют в энтероцитах кишечника [103, 104]. Болезнь Вильсона - аутосомно-рецессивное заболевание, вызываемое мутациями в гене ATP7B, расположенном на 13-й хромосоме, кодирующем медь транспортирующую АТФазу ATФ7B [46, 105]. Нарушение активности ATФ7B приводит к накоплению меди во многих органах, главным образом в печени, но также и в головном мозге, где содержание меди, как было показано, примерно в восемь раз выше, чем в контроле [106]. Исследователи отмечают, что у пациентов с болезнью Вильсона проявляются паркинсоноподобные симптомы, такие как тремор, брадикинезия и нестабильность осанки. Роль меди при болезнях Менкеса и Вильсона подробно рассматривалась и в других источниках [46]. В дополнение к вышеупомянутым генетически детерминированным нарушениям, и как полагают, зависящие от возраста пациентов изменения уровня меди, по-видимому, способствуют возникновению нейродегенеративных расстройств, включая болезнь Паркинсона, Альцгеймера, Гентингтона, AМС [46, 51].
9.Терапия БП связана с регуляторным механизмом купроптоза
Показано, что терапия БП хелатором меди ATH434 снижает уровень меди, облегчая двигательные и обонятельные нарушения у пациентов с болезнью Паркинсона [106].
В настоящее время общепризнано, что купроптоз играет существенную роль в патогенезе болезни Паркинсона [107]. Ожидается, что новые препараты на основе хелаторов меди будут воздействовать на механизмы регуляции, связанные с купроптозом и подавлять его. Исследователями показано, что хелатирующий агент связывает ионы металлов, снижает внутриклеточное содержание металлов и регулирует гомеостаз ионов металлов [108]. Например, хелатор меди (наноматериал) связывает медь, образуя стабильный циклический комплекс с ионами меди, тем самым поддерживая стабильность гомеостаза меди в организме [109].
Рис. 8. Обобщенная схема механизма регуляции меди и купроптоза в патогенезe болезни Паркинсона.TNF-ɑ - ФНО-ɑ; ЭТЦ - электрон-транспортная цепь митохондрий; NO – оксид азота; 1L-6,1L-1β – интерлейкины;
Fig. 8. The generalised scheme the mechanism of regulation of copper and cuproptosis in a pathogenesis of Parkinson's disease.alpha-synuclein (ɑ-syn); tumor necrosis factor-ɑ (TNF-ɑ); interlejkins (1L-6,1L-1β); nitrogen oxid (NO).
Таким образом складывается картина, согласно которой окислительно-восстановительная активность меди обязательна и необходимая для жизни человека, однако может быть вредной в присутствии избыточных уровней этого микроэлемента. С другой стороны дефицит меди также приводит к пагубным последствиям из-за потери ее биологических функций. Следует подчеркнуть, что большинство молекулярных процессов, которые связывают избыточный уровень меди с нейротоксичностью, сводятся к усилению внутриклеточных окислительных условий. Аналогичным образом, вмешиваясь в процесс созревания СОД1, дефицит меди также связан с усилением окислительного повреждения, что позволяет предположить, что аналогичные молекулярные механизмы токсичности могут опосредовать повреждение клеток в этих ситуациях дисгомеостаза меди.
Используемые в настоящее время препараты, воздействующие на путь L-кинуренина, промежуточного звена основного пути метаболизма триптофана, могут оказывать нейропротекторное действие и облегчать вызванную леводопой дискинезию, так как леводопа является распространённым методом лечения болезни Паркинсона [110].
Анализ исследований последних лет подтверждает, что аномальный транспорт синаптических пузырьков нейронов является существенным аспектом патогенеза болезни Паркинсона. Более того, двигательные нарушения при болезни Паркинсона тесно связаны с дегенерацией нигростриарных дофаминергических нейронов и их проекций в полосатом теле [111].
В последнее время возросло количество исследований по механизмам, связанных с купроптозом при болезни Паркинсона [112]. Отметим перспективную работу, в которой были отобраны три ключевых купроптозсвязанные гена: SLC18A2, SLC6A3, SV2C.SLC18A2 - регуляторы моноаминергической системы, которые постоянно экспрессируется в ЦНС, нарушение их экспрессии связано с патофизиологией различных заболеваний головного мозга [113]. Оказалось, что повышенный уровень или изменение функции белков SV2C.SLC18A2 играют нейропротекторную роль при болезни Паркинсона, кроме того установлено, что однонуклеотидные полиморфизмы в его предшественнике связаны с риском развития болезни Паркинсона у представителей европеоидной расы, причем нарушение экспрессии SV2C.SLC18A2 в базальных ганглиях считается одной из патофизиологических особенностей болезни Паркинсона. С помощью этих трёх генов была создана диагностическая и прогностическая модель для лечения пациентов с болезнью Паркинсона [24].
Заключение.
Купроптоз представляет собой новый и многообещающий подход к пониманию роли нарушения регуляции меди в развитии нейродегенеративных заболеваний. Изучив детали механизмов, с помощью которых происходит медьзависимая гибель клеток, можно разработать новые терапевтические стратегии, особенно для состояний, характеризующихся дисбалансом меди, прежде всего это болезнь Вильсона и болезнь Паркинсона. Терапевтический потенциал воздействия на купроптоз с помощью стратегий хелатирования меди уже подтвержден на различных экспериментальных моделях, демонстрирующих значительное улучшение когнитивных показателей и симптомов заболевания. Внедрение концепции купроптоза в клиническую практику может повысить точность диагностики и эффективность лечения за счёт персонализации медицинских подходов, раннего вмешательства и точной регуляции уровня меди. Следует продолжить изучение сложных молекулярных механизмов купроптоза, разработать специфические биомаркеры для раннего выявления нейродегенеративных патологий и оптимизировать терапевтические протоколы для обеспечения безопасности и эффективности лечения. Решение этих проблем будет иметь решающее значение для внедрения новых научных открытий в клиническую практику, что в конечном итоге улучшит уход за пациентами и повысит качество их жизни.
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Доступ платный или только для подписчиков
