Эксайтотоксичность: Механизмы повреждения нервных клеток.

Введение

Процесс, приводящий к гибели нервных клеток

При экзитотоксичности нервные клетки повреждаются или погибают, когда уровни нейротрансмиттеров, таких как глутамат, которые в обычных условиях необходимы и безопасны, становятся патологически высокими, вызывая чрезмерную стимуляцию рецепторов. Например, при столкновении глутаматных рецепторов, таких как NMDA или AMPA рецепторы, с избыточными уровнями возбуждающего нейротрансмиттера глутамата, может возникнуть значительное повреждение нейронов. Избыток глутамата позволяет высоким концентрациям ионов кальция (Ca2+) проникать в клетку. Поток Ca2+ в клетки активирует ряд ферментов, включая фосфолипазы, эндонуклеазы и протеазы, такие как кальпаин. Эти ферменты повреждают клеточные структуры, такие как компоненты цитоскелета, мембраны и ДНК. В развитых, сложных адаптивных системах, таких как живые организмы, необходимо понимать, что механизмы редко бывают простыми и прямыми. Например, NMDA в субтоксичных дозах стимулирует выживание нейронов, подвергшихся воздействию токсичных уровней глутамата. Экзитотоксичность может быть вовлечена в развитие рака, травм спинного мозга, инсульта, черепно-мозговых травм, потери слуха (из-за чрезмерного шумового воздействия или ототоксичности), а также нейродегенеративных заболеваний центральной нервной системы, таких как рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера, боковой амиотрофический склероз (БАС), болезнь Паркинсона, алкоголизм, абстинентный синдром при алкоголизме или гипераммониемия, и особенно при резкой отмене бензодиазепинов, а также болезнь Гентингтона. Другими распространенными состояниями, вызывающими избыточную концентрацию глутамата вокруг нейронов, является гипогликемия. Уровень сахара в крови является основным механизмом удаления глутамата из межсинаптических щелей в области NMDA и AMPA рецепторов. Людям, находящимся в состоянии экзитотоксического шока, нельзя допускать развития гипогликемии. Пациентам следует вводить 5% раствор глюкозы (декстрозы) внутривенно во время экзитотоксического шока, чтобы избежать опасного накопления глутамата вокруг нейронов NMDA и AMPA. Если 5% раствор глюкозы (декстрозы) недоступен, перорально назначают высокие дозы фруктозы. Лечение проводится на острых стадиях экзитотоксического шока в сочетании с антагонистами глутамата. Следует избегать обезвоживания, поскольку оно также способствует повышению концентрации глутамата в межсинаптической щели, а "эпилептический статус также может быть спровоцирован накоплением глутамата вокруг межсинаптических нейронов".

In excitotoxicity, nerve cells suffer damage or death when the levels of otherwise necessary and safe neurotransmitters such as glutamate become pathologically high, resulting in excessive stimulation of receptors. For example, when glutamate receptors such as the NMDA receptor or AMPA receptor encounter excessive levels of the excitatory neurotransmitter, glutamate, significant neuronal damage might ensue. Excess glutamate allows high levels of calcium ions (Ca2+) to enter the cell. Ca2+ influx into cells activates a number of enzymes, including phospholipases, endonucleases, and proteases such as calpain. These enzymes go on to damage cell structures such as components of the cytoskeleton, membrane, and DNA. In evolved, complex adaptive systems such as biological life it must be understood that mechanisms are rarely, if ever, simplistically direct. For example, NMDA in subtoxic amounts induces neuronal survival of otherwise toxic levels of glutamate. Excitotoxicity may be involved in cancers, spinal cord injury, stroke, traumatic brain injury, hearing loss (through noise overexposure or ototoxicity), and in neurodegenerative diseases of the central nervous system such as multiple sclerosis, Alzheimer's disease, amyotrophic lateral sclerosis (ALS), Parkinson's disease, alcoholism, alcohol withdrawal or hyperammonemia and especially over rapid benzodiazepine withdrawal, and also Huntington's disease. Other common conditions that cause excessive glutamate concentrations around neurons are hypoglycemia. Blood sugars are the primary glutamate removal method from inter synaptic spaces at the NMDA and AMPA receptor site. Persons in excitotoxic shock must never fall into hypoglycemia. Patients should be given 5% glucose (dextrose) IV drip during excitotoxic shock to avoid a dangerous build up of glutamate around NMDA and AMPA neurons. When 5% glucose (dextrose) IV drip is not available high levels of fructose are given orally. Treatment is administered during the acute stages of excitotoxic shock along with glutamate antagonists. Dehydration should be avoided as this also contributes to the concentrations of glutamate in the inter synaptic cleft and "status epilepticus can also be triggered by a build up of glutamate around inter synaptic neurons."

История

Вредное воздействие глутамата на центральную нервную систему впервые было отмечено в 1954 году Т. Хаяши, японским ученым, который сообщил, что прямое введение глутамата вызывает судорожную активность, однако этот отчет оставался без внимания в течение нескольких лет. Д. Р. Лукас и Дж. П. Ньюхаус, отметив, что "разовые дозы [20–30 граммов глутамата натрия человеку] вводились внутривенно без стойких неблагоприятных последствий", в 1957 году обнаружили, что подкожная доза, описанная как "чуть менее смертельная", разрушала нейроны во внутренних слоях сетчатки новорожденных мышей. В 1969 году Джон Олни установил, что это явление не ограничивается сетчаткой, а распространяется на весь мозг, и ввел термин "возбуждающая нейротоксичность" (экситотоксичность). Он также предположил, что гибель клеток ограничивается постсинаптическими нейронами, что агонисты глутамата столь же нейротоксичны, как и их способность активировать глутаматные рецепторы, и что антагонисты глутамата способны остановить нейротоксичность. В 2002 году Хильмар Бадинг и его коллеги выяснили, что возбуждающая нейротоксичность вызывается активацией NMDA-рецепторов, расположенных вне синаптических контактов. Молекулярный механизм токсичного экстрасинаптического сигнализирования NMDA-рецепторов был раскрыт в 2020 году, когда Хильмар Бадинг и его коллеги описали комплекс передачи сигнала о гибели клеток, состоящий из экстрасинаптического NMDA-рецептора и TRPM4. Нарушение работы этого комплекса с помощью ингибиторов интерфейса NMDAR/TRPM4 (также известных как "интерфейсные ингибиторы") делает экстрасинаптический NMDA-рецептор нетоксичным.

Патофизиология

Экситотоксичность может возникать из-за веществ, вырабатываемых в организме (эндогенные экситотоксины). Глютамат является ярким примером экситотоксина в мозге и одновременно основным возбуждающим нейромедиатором в центральной нервной системе млекопитающих. В нормальных условиях концентрация глутамата может возрастать до 1 мМ в синаптической щели, но быстро снижается в течение миллисекунд. Если концентрация глутамата вокруг синаптической щели не снижается или достигает более высоких уровней, нейрон погибает посредством процесса, называемого апоптозом. Это патологическое явление также может возникать после травмы головного мозга и спинного мозга. В течение нескольких минут после травмы спинного мозга поврежденные нервные клетки в области поражения высвобождают глутамат во внеклеточное пространство, где он может стимулировать пресинаптические глутаматные рецепторы, усиливая высвобождение дополнительного глутамата. Черепно-мозговая травма или инсульт могут вызвать ишемию, при которой кровоток снижается до недостаточного уровня. За ишемией следует накопление глутамата и аспаратата во внеклеточной жидкости, вызывающее гибель клеток, что усугубляется недостатком кислорода и глюкозы. Биохимическая каскада, возникающая в результате ишемии и включающая экситотоксичность, называется ишемическим каскадом. Вследствие событий, происходящих при ишемии и активации глутаматных рецепторов, у пациентов с повреждением мозга может быть индуцирована глубокая химическая кома для снижения метаболической активности мозга (потребности в кислороде и глюкозе) и сохранения энергии, необходимой для активного удаления глутамата. (Основная цель индуцированной комы – снижение внутричерепного давления, а не метаболизма мозга). Повышенные внеклеточные уровни глутамата приводят к активации Ca2+ -проницаемых NMDA-рецепторов на миелиновых оболочках и олигодендроцитах, делая олигодендроциты уязвимыми к притоку Ca2+ и последующей экситотоксичности. Одним из повреждающих последствий избытка кальция в цитозоле является инициирование апоптоза через процессинг расщепленных каспаз, который, предположительно, связан с депрессией. Недостаточная продукция АТФ в результате травмы головного мозга может нарушить электрохимические градиенты определенных ионов. Транспортеры глутамата нуждаются в поддержании этих ионных градиентов для удаления глутамата из внеклеточного пространства. Потеря ионных градиентов приводит не только к прекращению поглощения глутамата, но и к инверсии работы транспортеров. Na+ -глутаматные транспортеры в нейронах и астроцитах могут изменить направление своего транспорта и начать секретировать глутамат в концентрации, способной вызывать экситотоксичность. Это приводит к накоплению глутамата и дальнейшей повреждающей активации глутаматных рецепторов. На молекулярном уровне приток кальция – не единственный фактор, ответственный за апоптоз, индуцированный экситотоксичностью. Недавно было установлено, что активация экстрасинаптических NMDA-рецепторов, вызванная как воздействием глутамата, так и гипоксическими/ишемическими состояниями, активирует подавление белка CREB (cAMP response element binding), что, в свою очередь, приводит к потере потенциала митохондриальной мембраны и апоптозу. С другой стороны, активация синаптических NMDA-рецепторов активирует только путь CREB, который активирует BDNF (нейротрофический фактор мозга), не вызывая апоптоз.

Excitotoxicity can occur from substances produced within the body (endogenous excitotoxins). Glutamate is a prime example of an excitotoxin in the brain, and it is also the major excitatory neurotransmitter in the central nervous system of mammals. During normal conditions, glutamate concentration can be increased up to 1mM in the synaptic cleft, which is rapidly decreased in the lapse of milliseconds. When the glutamate concentration around the synaptic cleft cannot be decreased or reaches higher levels, the neuron kills itself by a process called apoptosis. This pathologic phenomenon can also occur after brain injury and spinal cord injury. Within minutes after spinal cord injury, damaged neural cells within the lesion site spill glutamate into the extracellular space where glutamate can stimulate presynaptic glutamate receptors to enhance the release of additional glutamate. Brain trauma or stroke can cause ischemia, in which blood flow is reduced to inadequate levels. Ischemia is followed by accumulation of glutamate and aspartate in the extracellular fluid, causing cell death, which is aggravated by lack of oxygen and glucose. The biochemical cascade resulting from ischemia and involving excitotoxicity is called the ischemic cascade. Because of the events resulting from ischemia and glutamate receptor activation, a deep chemical coma may be induced in patients with brain injury to reduce the metabolic rate of the brain (its need for oxygen and glucose) and save energy to be used to remove glutamate actively. (The main aim in induced comas is to reduce the intracranial pressure, not brain metabolism). Increased extracellular glutamate levels leads to the activation of Ca2+ permeable NMDA receptors on myelin sheaths and oligodendrocytes, leaving oligodendrocytes susceptible to Ca2+ influxes and subsequent excitotoxicity. One of the damaging results of excess calcium in the cytosol is initiating apoptosis through cleaved caspase processing. which is suggested to be involved in depression. Inadequate ATP production resulting from brain trauma can eliminate electrochemical gradients of certain ions. Glutamate transporters require the maintenance of these ion gradients to remove glutamate from the extracellular space. The loss of ion gradients results in not only the halting of glutamate uptake, but also in the reversal of the transporters. The Na+ glutamate transporters on neurons and astrocytes can reverse their glutamate transport and start secreting glutamate at a concentration capable of inducing excitotoxicity. This results in a buildup of glutamate and further damaging activation of glutamate receptors. On the molecular level, calcium influx is not the only factor responsible for apoptosis induced by excitoxicity. Recently, it has been noted that extrasynaptic NMDA receptor activation, triggered by both glutamate exposure or hypoxic/ischemic conditions, activate a CREB (cAMP response element binding) protein shut off, which in turn caused loss of mitochondrial membrane potential and apoptosis. On the other hand, activation of synaptic NMDA receptors activated only the CREB pathway, which activates BDNF (brain derived neurotrophic factor), not activating apoptosis.

Экзогенные экзитотоксины

Экзогенные экзитотоксины – это нейротоксины, которые также воздействуют на постсинаптические клетки, но не синтезируются в организме естественным образом. Эти токсины могут проникать в организм из окружающей среды через раны, с пищей, воздушно-капельным путем и т.п. К распространенным экзитотоксинам относятся аналоги глутамата, имитирующие действие глутамата на глутаматные рецепторы, включая AMPA- и NMDA-рецепторы.

BMAA

Дериват L-аланина β-метиламино L-аланин (BMAA) давно идентифицирован как нейротоксин, впервые ассоциированный с комплексом амиотрофического латерального склероза/паркинсонизма и деменции (болезнь Lytico-bodig) у народа чаморро на Гуаме. Широкое распространение BMAA объясняется цианобактериями, которые производят BMAA в результате сложных реакций при азотном стрессе. Последующие исследования показали, что возбуждающая токсичность, вероятно, является основным механизмом действия BMAA, который выступает в роли агониста глутамата, активируя AMPA и NMDA рецепторы и вызывая повреждение клеток даже при относительно низких концентрациях 10 мкМ. Последующий неконтролируемый приток Ca2+ приводит к описанной выше патофизиологии. Дальнейшие доказательства роли BMAA как экситотоксина основаны на способности антагонистов NMDA, таких как MK801, блокировать его действие. Значительная часть исследований токсичности BMAA проводилась на грызунах. Исследование, опубликованное в 2016 году, с использованием верветов (Chlorocebus sabaeus) в Сент-Китсе, гомозиготных по аллелю apoE4 (APOE ε4) – состоянию, являющемуся фактором риска болезни Альцгеймера у людей, – показало, что верветы, получавшие BMAA перорально, развили характерные гистопатологические признаки болезни Альцгеймера, включая бета-амилоидные бляшки и накопление нейрофибриллярных клубков. У верветов, получавших меньшие дозы BMAA, наблюдалось корреляционное снижение этих патологических признаков. Это исследование демонстрирует, что BMAA, токсин окружающей среды, может провоцировать нейродегенеративные заболевания в результате взаимодействия гена и окружающей среды. Хотя BMAA был обнаружен в ткани мозга умерших пациентов с БАС/ПДК, для установления связи нейродегенеративной патологии у людей с BMAA требуются дальнейшие исследования.