The disorder of the iron metabolism as a possible mechanism for the development of neurodegeneration after new coronavirus infection of SARS-CoV-2

Full Text

Введение

Во время пандемии стало ясно, что SARS-CoV-2 вызывает не только респираторные заболевания, но также может поражать множество органов и тканей. Отдельно следует отметить вовлечение нервной системы в патологический процесс, возникающий при инфицировании COVID-19. Об острых и подострых неврологических осложнениях различной степени выраженности сообщается у 85 % пациентов с SARS-CoV-2. До 65 % людей с COVID-19 страдают гипосмией, которая также является распространенным премоторным симптомом болезни Паркинсона (БП). Этот симптом, дополненный сообщениями о дебюте или прогрессировании синдрома паркинсонизма у пациентов, перенесших COVID-19, привлек внимание медицинского сообщества к возможной связи между инфекцией SARS-CoV-2 и БП [1]. Выдвигалось множество гипотез, описывающих потенциальные механизмы такой связи.

Основная часть

COVID-19 может рассматриваться как системная воспалительная реакция, которая характеризуется угрожающим жизни гипервоспалением и цитокиновым штормом, который в конечном итоге приводит к полиорганной недостаточности. Цитокиновый шторм тесно ассоциирован с гиперферритинемией, при этом окончательного патофизиологического обоснования данной взаимосвязи не представлено. А.А. Зайцев и соавт. предполагают, что перегрузка железом у больных COVID-19 может быть исходной либо следствием «аутоканнибализма» (за счет гемового и миоглобинового железа), а также результатом секвестрации железа в макрофагах в результате системного воспаления [2]. Ю.П. Орлов и соавт. указывают, что в генезе гиперферритинемии при СOVID-19 ключевую роль следует отводить цитокиновому шторму, а не нарушениям обмена железа и не гемотоксическому действию вируса [3]. При этом проведенные ретроспективные сравнительные анализы показали, что гиперферритинемия специфична именно для COVID-19 и не возникает при других воспалительных процессах [4]. В любом случае, возросший интерес к взаимосвязи SARS-CoV-2 и паркинсонизма заставляет рассматривать нарушение обмена железа как основу развития и прогрессирования развития нейродегенеративных заболеваний.

Железо участвует во многих жизненно важных процессах, таких как транспорт кислорода, митохондриальное дыхание, синтез ДНК, миелина, нейротрансмиттеров. Поддержание гомеостаза железа — ключевой момент функционирования головного мозга, в то время как его дизрегуляция способна привести к запуску нейротоксичности. Механизм поддержания гомеостаза заключается в поддержании равновесия концентрации железа. В случае, когда уровень железа в клетке начинает превосходить ее аккумулирующую способность, развивается оксидативный стресс и наступает ее гибель.

При физиологическом старении происходит избирательное накопление железа в определенных областях мозга и типах клеток, причем железо в этом случае представлено ферритином и нейромеланином. В случае же нейродегенеративного процесса происходит избыточное отложение железа в данных областях, и зачастую выраженность этого процесса коррелирует с выраженностью окислительного стресса. Является ли избыточное накопление железа, определяемое при нейродегенеративных заболеваниях, первичным или вторичным процессом, окончательно не выяснено.

В организм человека железо поступает с пищей и далее всасывается в тонком кишечнике. Поступление железа в кишечник осуществляется за счет таких белков, как ферропортин, дивалентный металлотранспортер (транспортер двухвалентных металлов (DМТ-1)), дуоденальный цитохром В (DcytВ), гефестин (внутриклеточный аналог плазменного церулоплазмина), фактор высокого Fe (HFЕ), железо-регуляторный элемент (IRE) и железо-регуляторный белок (IRP), гепсидин [5, 6]. Все перечисленные белки синтезируются энтероцитами в соответствии с запросами организма. Каждое новое поколение энтероцитов запрограммировано на текущую потребность организма в железе.

Железо пищи представлено окисленной формой Fe3+, при участии DcytB на поверхности энтероцита оно преобразуется в Fe2+, а затем с помощью DMT-1 начинает свое перемещение к базолатеральной поверхности клетки, где соединяется с ферропортином и гефестином и переносится через мембрану в плазму. Регуляция работы DMT-1 и ферропортина зависит от уровня пула железа, на который реагирует взаимосвязанная протеиновая пара — IRE и IRP (при низких запасах IRP связывается с IRE и стимулирует экспрессию трансферринового рецептора (TrfR), и наоборот). Универсальным регулятором метаболизма железа является гепсидин, влияющий не только на абсорбцию пищевого железа, но и на высвобождение его из макрофагов. Гепсидин является отрицательным регулятором метаболизма железа, он оказывает блокирую щее воздействие на любой транспорт железа из различных клеток и тканей, включая энтероциты, макрофаги, плаценту и др.

Большая часть железа поступает обратно в русло из фагосом макрофагов после фагоцитоза стареющих эритроцитов. Излишки железа депонируются в виде молекул ферритина и гемосидерина.

После выхода из энтероцита или макрофага железо связывается с трансферрином и с его помощью транспортируется к органам и тканям. Синтез трансферрина находится в обратной зависимости от уровня железа в организме. Передача железа из трансферрина в клетку осуществляется с помощью TrfR через комплекс TrfR–трансферрин, который погружается внутрь клетки в виде эндосомы. Железо постоянно перемещается между нейронами, микроглией и астроцитами, однако окончательный механизм данного движения неясен. Трансферрин в головном мозге синтезируется в олигодентроцитах и сосудистом сплетении, однако секретируется только последним [7]. Как отмечалось выше, железо играет важную роль в миелинизации. Олигодендроциты способны получать железо как из капилляров, так и из интерстициального пространства (интерстициальный ферритин).

О метаболизме железа в микроглии имеется недостаточно сведений, однако известно, что активация микроглии приводит к увеличению поглощения железа [8]. Нейровоспаление, в свою очередь, приводит к активации глиальных клеток, нарушая гомеостаз железа. Исследования in vitro показывают, что кратковременная стимуляция (с использованием фактора некроза опухоли-α, интерлейкина 6 или липополисахарида) в течение до 18 ч увеличивает накопление железа в нейронах и микроглии (оценка с помощью метода атомно-абсорбционной спектрометрии), но не в астроцитах. Кроме того, было продемонстрировано мгновенное увеличение гепсидина в астроцитах и микроглии [9]. Данное накопление железа обусловлено изменениями активности DMT-1 и ферропортина. Так, стимулированные нейроны гиппокампа показали значительное увеличение DMT-1 и снижение концентрации ферропортина, а при стимуляции микроглии отмечено повышение концентрации DMT-1 без изменений со стороны ферропортина. Результаты указанных исследований показывают, что изменения ферропортина не оказывают значительного влияния на гомеостаз железа.

Повышенные концентрации железа в центральной нервной системе в процессе физиологического старения могут быть вызваны несколькими факторами: повышение проницаемости сосудов головного мозга, воспаление, перераспределение железа, изменение гомеостаза железа [10]. Старение замедляет работу вышеописанной системы поддержания гомеостаза железа, что приводит к его накоплению в результате неэффективного хелатирования [11]. Накопление железа в нейронах может вызвать усиление апоптоза. Повышение уровня железа в глии может быть индуцировано воспалением в связи с увеличением высвобождения провоспалительных цитокинов, что приводит к нейродегенерации [12].

Концентрация железа с возрастом увеличивается в черной субстанции, скорлупе, бледном шаре, хвостатом ядре, коре [13]. Причина постепенного нарастания уровня железа именно в этих отделах головного мозга окончательно не ясна. Региональное распределение общего железа в здоровом головном мозге взрослого человека гетерогенно, самые высокие концентрации отмечены в базальных ганглиях, низкие — в сером и белом веществе коры головного мозга, среднем мозге и мозжечке, а самые низкие — в мосту, области голубоватого пятна и продолговатом мозге [14]. Региональная гетерогенность распределения железа в головном мозге, а также его изменение с возрастом подтверждено in vivo с помощью магнитно-резонансной томографии [15].

Наиболее подробные исследования по оценке влияния физиологического старения на накопление железа, нейромеланина и ферритина были проведены при прицельном изучении черной субстанции и голубоватого пятна. У здоровых людей общая концентрация железа в голубоватом пятне остается стабильной на протяжении всей жизни и в целом ниже, чем в черной субстанции, в которой наблюдается линейное увеличение общей концентрации железа с возрастом [8]. В связи с этим можно предположить, что железо может способствовать нейродегенерации в черной субстанции. Нейромеланин присутствует в нейронах в виде комплекса нейромеланин-железо, уровень железа в котором зависит от конкретной области мозга [8]. Концентрация комплекса нейромеланин-железо, являющегося основной формой железа в катехоламинергических нейронах, увеличивается с возрастом в черной субстанции и голубоватом пятне. С помощью гистохимических методов (окраска по Перлсу) у «здоровой» пожилой популяции выявлено наличие большого количества активного железа в глиальных клетках и нейромеланин-свободных нейронах. В то же время в нейромеланинсодержащих нейронах данный метод окраски не показал наличия трехвалентного железа, поскольку в этих нейронах железо переходит в стабильный комплекс нейромеланин-железо, что подтверждается при помощи электронного парамагнитного резонанса и Мёссбауэровской спектроскопии [8]. Количество комп лекса нейромеланин-железо увеличивается с возрастом в нейронах премоторной коры, скорлупы и мозжечка [16].

В головном мозге при физиологическом старении наблюдаются активизация провоспалительного процесса, увеличение количества глиальных клеток, нарастание иммунореактивности астроцитарных и микроглиальных маркеров. В то же время увеличивается проницаемость гематоэнцефалического барьера. Все эти изменения приводят к увеличению отложения железа в определенных участках [17].

В микроглии и астроцитах коры головного мозга, мозжечка, гиппокампа, базальных ганглиев и миндалевидных телах гистохимически обнаружены отложения ферритина, число которых обычно увеличивается с возрастом. Олигодендроциты также содержат ферритин и трансферрин, однако их концентрация остается постоянной по мере старения [18]. У пожилых людей могут выявляться субпопуляции ферритин-положительных клеток микроглии, большинство из которых являются абберантными и имеют дистрофические изменения. Железо, фагоцитированное данным видом клеток, вероятно, и приводит к интоксикации и вызывает клеточную дегенерацию. Функционально измененная ферритин-положительная микроглия может участвовать в патогенезе нейродегенеративных заболеваний.

Аккумуляция железа в клетках головного мозга требует жесткого контроля с целью недопущения интоксикации. Избыток железа может вызвать окислительный стресс путем образования активных форм кислорода (reactive oxygen species, ROS), в частности гидроксильного радикала [19]. ROS может повредить матричную ДНК, привести к ее эпигенетическим изменениям и окислению белков клетки [20, 21]. Перекисное окисление мембранных липидов в результате влияния ROS может привести к образованию токсичных альдегидов, таких как 4-гидроксиноненал, который необратимо модифицирует белки путем карбонилирования [22]. ROS может индуцировать выделение железа из митохондриальных железосерных кластеров и других белков хранения железа, что приводит к запуску реакции Фентона. Нарушение гомеостаза железа может влиять на митохондриальные функции, приводя в результате к ускорению механизмов нейродегенерации [23]. Увеличение железа может индуцировать нейродегенеративные процессы также через механизмы, отличные от реакции Фентона. Катеколамины, в том числе дофамин, могут быть окислены до токсичных хинонов за счет восстановления железа [24]. Paris I. et al. показали, что железо участвует в превращении 1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридин (МФТП), который сам по себе не токсичен, в катионы 1-метил-4-фенилпиридиния, приводящего к гибели нейронов компактной части черной субстанции [25].

Более того, in vitro было показано, что агрегация белков, вовлеченных в патогенез нейродегенеративных заболеваний (α-синуклеин, гиперфосфорилированный тау-протеин), вызвана повышением уровня железа [26].

Таким образом, нейродегенерация, развивающаяся как результат токсического влияния железа, может привести к апоптозу и ферроптозу — программируемой окислительной некротической гибели клетки с железо-зависимым перекисным окислением липидов [27, 28]. На рис. 1 схематично представлены основные молекулярные механизмы, участвующие в ферроптозе.

Болезнь Паркинсона

Исследованиями [31] было показано увеличение общей концентрации железа в черной субстанции при БП в сравнении с группой контроля, а также его накопление по мере прогрессирования заболевания. В то же время МРТ и транскраниальная сонография не смогли подтвердить связь концентрации железа в черной субстанции и тяжести заболевания в связи с отсутствием наличия точной количественной оценки [32]. Окончательная причина избыточного накопления железа в черной субстанции при БП до конца не выяснена. Предложено несколько объяснений: повышенная проницаемость гематоэнцефалического барьера [33], усиление провоспалительного статуса [34, 35], увеличение экспрессии лактоферриновых рецепторов в нейронах и сосудах [36], увеличение экспрессии DMT1 в дофаминергических нейронах [37], изменение работы комплекса трансферрин-TrfR 2-го типа, мутации генов, ответственных за транспорт железа [39].

 

Рис. 1. Основные молекулярные механизмы, участвующие в ферроптозе (адаптировано из [29]). CP — церулоплазмин; Tf — трансферрин; TfR — трансферриновый рецептор; DМТ-1 — транспортер двухвалентных металлов; ROS — актив- ные формы кислорода

 

Fe3+ in vitro может служить катализатором перехода структуры α-синуклеина из α в β, которая, в свою очередь, входит в состав телец Леви [40]. Показано, что в черной субстанции при БП отмечается увеличение железа с одновременным снижением ферритина, причем в тельцах Леви железо представлено редокс-ионами [40, 41]. Именно уровень ферритина контролирует количество редокс-ионов, а его снижение может быть объяснено стойким повышением активности IRP, выявленным при данном заболевании [42]. Уровень редокс-ионов железа коррелирует с выраженностью гибели нейронов [43].

Концентрация железа в черной субстанции при БП превосходит буферную способность нейромеланина и ферритина, что приводит к развитию нейротоксичности [43]. Высвобождаемый разрушенными нейронами (экстранейрональный) нейромеланин приводит к формированию микроглиоза и дальнейшей индукции гибели дофаминергических нейронов [44, 45].

Кроме черной субстанции сообщается об увеличении содержания железа, выявленного с помощью МРТ, в красных ядрах у пациентов с БП с дискинезией, в то же время в височной коре и бледном шаре отмечается снижение его концентрации [46, 47].

Вторым фактором увеличения концентрации железа при БП может служить как повышение активности DMT1, так и снижение ферроксидазной активности церулоплазмина, что показано как на животной модели БП, так и у пациентов [36, 48]. Снижение ферроксидазной активности церулоплазмина с одновременным повышением меди было отмечено в ликворе у пациентов с БП [49]. Более того, у некоторых пациентов можно выявить миссенс-мутацию гена, кодирующего церулоплазмин [50]. Увеличение уровня железа в головном мозге определялось как при 6-гидроксидофамин-, так и при МФТП-модели БП, что объясняется повышенной экспрессией DMT1 [51].

Несмотря на вышеописанное увеличение содержания железа в структурах мозга при БП, повышенная концентрация сывороточного железа является фактором антириска развития БП, и наоборот [52, 53]. Повышение риска развития БП у людей с низким содержанием сывороточного железа, вероятно, объясняется необходимостью его адекватных поставок для нормального синтеза дофамина, поскольку железо является кофактором тирозингидроксилазы — ключевого фермента синтеза дофамина [40].

Кроме того, показатели изменения обмена железа все чаще привлекают исследователей как новые биомаркеры прогрессирования БП. Так, в работе F. Maass et al. (2004) показано, что оценка общего содержания железа и ферритина в спинномозговой жидкости может быть использована для отражения прогрессирующего дисгомеостаза железа в головном мозге и прогрессирования заболевания у пациентов с БП [54]. Была проведена оценка данных показателей в ликворе двадцати пациентов со второй стадией БП спустя год после первого забора. Продемонстрировано достоверное увеличение общего содержания железа (p = 0,002) и снижение ферритина (p = 0,04). Выдвинута гипотеза, что именно соотношение железо/ферритин в ликворе может рассматриваться как важный биомаркер прогрессирования заболевания (по результатам работы p = 0,006). В данной работе с целью исключения влияния на оцениваемые показатели противопаркинсонических препаратов был проведен корреляционный анализ, который не выявил связи между изменениями эквивалентной дозы леводопы и уровнями железа и ферритина с течением времени (p > 0,05).

Болезнь Альцгеймера

Нарушение гомеостаза редокс-активных металлов, в первую очередь железа и меди, вероятно, является составляющей частью патогенеза болезни Альцгеймера. В настоящее время показано, что в амилоидных бляшках и нейрофибриллярных клубочках присутствуют высокие концентрации цинка, меди и железа. Данное перераспределение (фокальное накопление) металлов может приводить к обкрадыванию условно здоровой ткани мозга [55]. Показано также, что нарушение гомеостаза данных металлов вовлечено в процесс синтеза β-амилоида, гиперфосфорилированного тау-белка и окислительного стресса нейронов [56]. Накопление тау-белка в нейрофибриллярных клубочках приводит к индукции гем-оксигеназы (HO-1), способной катализировать разрушение гема, приводя к дополнительному высвобождению железа, которое, в свою очередь, может запустить реакцию Фентона [57].

Большая часть предшественника β-амилоида в норме расщепляется неамилоидогенным путем с помощью α-секретазы и далее γ-секретазы с образованием нетоксичного пептида p3. При амилоидогенном пути предшественник β-амилоида сначала расщепляется β-секретазой и далее γ-секретазой с образованием β-амилоида [58]. Следовательно, стимуляция α-секретазы приводит к снижению образования β-амилоида. За активацию α-секретазы и перевод пути расщепления предшественника β-амилоида в сторону пептида p3 отвечает фурин [59]. Повышение количества железа приводит к снижению активности фурина, активации β-секретазы и переводу на амилоидогенный путь расщепления предшественника β-амилоида, в то время как снижение уровня железа запускает неамилоидный путь [58].

В 2002 г. было показано наличие функционального железо-регуляторного элемента (IRE-Type II) в 5'-нетранслируемой области мРНК, кодирующей предшественник β-амилоида [60]. Данная область находится непосредственно перед областью ИЛ-1. На основе данного открытия была разработана гипотеза, согласно которой увеличение уровня ИЛ-1 приводит к усилению IRP-связывания с 5'-нетранслируемой областью и снижению синтеза предшественника β-амилоида.

Существуют данные об индукции внутриклеточного накопления железа в ответ на дефицит тау-протеина и развитии на этом фоне дегенерации дофаминергических нейронов и паркинсонизма с деменцией у мышей [61]. Недостаток тау-протеина приводит к снижению выведения железа ферропортином, задерживая предшественник β-амилоида в эндоплазматическом ретикулуме.

Заключение

Таким образом, анализ проведенных исследований позволяет полагать, что нарушение обмена железа в головном мозге может лежать в основе развития и прогрессирования нейродегенеративных заболеваний, в том числе после перенесенной новой коронавирусной инфекции SARS-CoV-2.

Дополнительная информация

Источник финансирования. Финансирование данной работы не проводилось.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Этическая экспертиза. Проведение исследования одобрено локальным этическим комитетом ФГБВОУ ВО «Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова».

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

About the authors

Igor V. Litvinenko

S.M. Kirov Military Medical Academy

Email: litvinenkoiv@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-8988-3011
SPIN-code: 6112-2792
Scopus Author ID: 57202361039
ResearcherId: F-9120-2013

D.Sc. (Medicine), Professor

Russian Federation, Saint Petersburg

Igor V. Krasakov

Nikiforov Russian Center of Emergency and Radiation Medicine

Author for correspondence.
Email: ikrasakov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6092-0659
SPIN-code: 9891-8300
Scopus Author ID: 26642102200
ResearcherId: I-8865-2016

Ph.D. (Medicine)

Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files