Введение

Биологическая система нейромедиаторов

Эндоканнабиноидная система (ЭКС) – это биологическая система, состоящая из эндоканнабиноидов, являющихся эндогенными липидными ретроградными нейромедиаторами, связывающимися с каннабиноидными рецепторами, и белков каннабиноидных рецепторов, экспрессируемых во всей центральной нервной системе позвоночных (включая мозг) и периферической нервной системе. Эндоканнабиноидная система остается объектом предварительных исследований, но может быть вовлечена в регуляцию физиологических и когнитивных процессов, включая фертильность, беременность, пре- и постнатальное развитие, различные аспекты активности иммунной системы, аппетит, восприятие боли, настроение и память, а также в опосредование фармакологических эффектов каннабиса. ЭКС играет важную роль во множестве аспектов нейронных функций, включая контроль движения и моторную координацию, обучение и память, эмоции и мотивацию, поведение, подобное зависимости, и модуляцию боли, среди прочего. Были идентифицированы два основных каннабиноидных рецептора: CB1, впервые клонированный (или выделенный) в 1990 году, и CB2, клонированный в 1993 году. CB1-рецепторы преимущественно обнаруживаются в мозге и нервной системе, а также в периферических органах и тканях, и являются основной молекулярной мишенью эндогенного частичного агониста анандамида, а также экзогенного тетрагидроканнабинола, наиболее известного активного компонента каннабиса. Эндоканнабиноид 2-арахидоноилглицерол (2-AG), содержание которого в мозге млекопитающих установлено в два-три раза выше, чем анандамида, действует как полный агонист на обоих CB-рецепторах. Эндоканнабиноидную систему иногда называют эндоканнабиномом или расширенной эндоканнабиноидной системой.

Экспрессия рецепторов

В центральной и периферической нервной системе существуют места связывания каннабиноидов. Два наиболее значимых рецептора для каннабиноидов – это CB1 и CB2, которые преимущественно экспрессируются в мозге и иммунной системе соответственно. Плотность экспрессии варьируется в зависимости от вида и коррелирует с эффективностью, с которой каннабиноиды модулируют конкретные аспекты поведения, связанные с местом их экспрессии. Например, у грызунов наибольшая концентрация мест связывания каннабиноидов находится в базальных ганглиях и мозжечке – областях мозга, участвующих в инициации и координации движений. У людей концентрация каннабиноидных рецепторов в этих областях значительно ниже, что объясняет, почему каннабиноиды эффективнее изменяют двигательную активность грызунов, чем у людей. Недавний анализ связывания каннабиноидов у мышей с нокаутом по генам CB1 и CB2 выявил сохраняющуюся чувствительность к каннабиноидам даже при отсутствии экспрессии этих рецепторов, что указывает на возможное наличие дополнительного рецептора связывания в мозге. Помимо CB1 и CB2, известно, что эндоканнабиноиды связываются и с некоторыми «сиротскими» рецепторами, такими как GPR18, GPR55 (регулятор нейроиммунной функции) и GPR119. Также установлено, что CB1 образует функциональный гетеродимер с OX1 в орексиновых нейронах, формируя рецептор CB1–OX1, который опосредует пищевое поведение и определенные физиологические процессы, например, прессорные реакции, индуцированные каннабиноидами, которые происходят посредством сигнализации в ростральной вентролатеральной продолговатой мозговой оболочке.

Синтез, высвобождение и деградация эндоканнабиноидов

Во время нейротрансмиссии пресинаптический нейрон высвобождает нейротрансмиттеры в синаптическую щель, где они связываются с соответствующими рецепторами, экспрессируемыми на постсинаптическом нейроне. В зависимости от взаимодействия между нейротрансмиттером и рецептором, нейротрансмиттеры могут вызывать различные эффекты в постсинаптической клетке, такие как возбуждение, ингибирование или активация каскадов вторичных посредников. В зависимости от типа клетки, эти эффекты могут приводить к синтезу эндогенных каннабиноидов – анандамида или 2-AG – посредством процесса, который до конца не выяснен, но является результатом повышения концентрации внутриклеточного кальция. Этот процесс опосредован желчными кислотами. У мышей с нокаутом по гену NAPE-фосфолипазы D (NAPEPLD) расщепление NAPE снижается при низких концентрациях кальция, но не прекращается полностью, что указывает на участие нескольких различных путей в синтезе анандамида. Синтез 2-AG изучен в меньшей степени и требует дальнейших исследований. После высвобождения во внеклеточное пространство предполагаемым эндоканнабиноидным транспортером, эти посредники становятся уязвимыми для инактивации глиальными клетками. Эндоканнабиноиды захватываются транспортером на глиальных клетках и разрушаются амидгидролазой жирных кислот (FAAH), которая расщепляет анандамид на арахидоновую кислоту и этаноламин, или моноацилглицерол-липазой (MAGL), а 2-AG – на арахидоновую кислоту и глицерол. Хотя арахидоновая кислота является субстратом для синтеза лейкотриенов и простагландинов, неясно, обладает ли этот продукт деградации какими-либо уникальными функциями в центральной нервной системе. Появляющиеся данные свидетельствуют о том, что FAAH экспрессируется в постсинаптических нейронах, что дополняет экспрессию каннабиноидных рецепторов в пресинаптических нейронах, подтверждая, что FAAH играет важную роль в клиренсе и инактивации анандамида и 2-AG после их повторного захвата.

Связывание и внутриклеточные эффекты

Каннабиноидные рецепторы – это G-белок-связанные рецепторы, расположенные на пресинаптической мембране. Хотя в некоторых исследованиях была установлена связь между одновременной стимуляцией дофаминовых и CB1-рецепторов и острым повышением продукции циклического аденозинмонофосфата (cAMP), общепринято считать, что активация CB1-рецепторов каннабиноидами вызывает снижение концентрации cAMP за счет ингибирования аденилатциклазы и повышение концентрации митоген-активированной протеинкиназы (MAP-киназы). Результаты анализа данных геномных чипов гиппокампа крыс после однократного введения тетрагидроканнабинола (ТГК) показали увеличение экспрессии транскриптов, кодирующих миелиновый основной белок, эндоплазматические белки, цитохромную оксидазу и две молекулы клеточной адгезии: NCAM и SC1; снижение экспрессии наблюдалось как для кальмодулина, так и для рибосомальных РНК. Кроме того, было показано, что активация CB1 повышает активность транскрипционных факторов, таких как cFos и Krox24. Помимо влияния на кальциевые каналы, активация Gi/o и Gs – двух наиболее часто связанных с каннабиноидными рецепторами G-белков – способна модулировать активность калиевых каналов. Недавние исследования показали, что активация CB1-рецепторов специфически облегчает поток ионов калия через GIRK-каналы, семейство калиевых каналов. В центральной нервной системе CB1-рецепторы влияют на возбудимость нейронов, уменьшая входящий синаптический сигнал. Этот механизм, известный как пресинаптическое торможение, происходит, когда постсинаптический нейрон высвобождает эндоканнабиноиды в ходе ретроградной передачи, которые затем связываются с каннабиноидными рецепторами на пресинаптическом терминале. CB1-рецепторы затем уменьшают количество высвобождаемого нейротрансмиттера, в результате чего последующая активация пресинаптического нейрона приводит к ослаблению эффекта на постсинаптический нейрон. Вероятно, пресинаптическое торможение использует многие из вышеперечисленных ионно-канальных механизмов, хотя недавние данные свидетельствуют о том, что CB1-рецепторы также могут регулировать высвобождение нейротрансмиттеров посредством неионно-канального механизма, то есть посредством Gi/o-опосредованного ингибирования аденилатциклазы и протеинкиназы А. Сообщалось о прямом влиянии CB1-рецепторов на возбудимость мембраны, которое оказывает существенное влияние на возбуждение корковых нейронов. Серия поведенческих экспериментов показала, что NMDAR, ионотропный глутаматный рецептор, и метаботропные глутаматные рецепторы (mGluR) работают совместно с CB1 для индукции анальгезии у мышей, хотя механизм, лежащий в основе этого эффекта, остается неясным.

Память

У мышей, которым вводили тетрагидроканнабинол (ТГК), наблюдается подавление долговременной потенциации в гиппокампе – процесса, необходимого для формирования и хранения долговременной памяти. Эти результаты могут соответствовать имеющимся наблюдениям о том, что употребление каннабиса ухудшает кратковременную память. В соответствии с этим, мыши без рецептора CB1 демонстрируют улучшение памяти и долговременной потенциации, что указывает на то, что эндоканнабиноидная система может играть важную роль в стирании старых воспоминаний. Одно исследование показало, что длительное введение крысам высоких доз синтетического каннабиноида HU 210 в течение нескольких недель приводило к стимуляции нейрогенеза в области гиппокампа – части лимбической системы, участвующей в формировании декларативной и пространственной памяти, – однако влияние на кратковременную или долговременную память не изучалось. В целом, эти данные позволяют предположить, что эффекты эндоканнабиноидов на различные нейронные сети, вовлеченные в обучение и память, могут быть различными.

Роль в нейрогенезе гиппокампа

В мозге взрослого человека эндоканнабиноидная система способствует нейрогенезу гранулярных клеток гиппокампа. В субгранулярной зоне зубчатой извилины мультипотентные нейронные прородители (МНП) дают начало дочерним клеткам, которые в течение нескольких недель созревают в гранулярные клетки, аксоны которых проецируются и образуют синапсы на дендриты в области CA3. Показано, что МНП в гиппокампе обладают амид-гидролазой жирных кислот (FAAH) и экспрессируют CB1, а также используют 2-AG. Эта система, как известно, функционирует в нескольких других структурах мозга, таких как прилежащее ядро, миндалевидное тело, гиппокамп, кора головного мозга, мозжечок, вентральная тегментальная область (ВТА), ствол мозга и верхний бугорок. Как правило, эти ретроградные нейромедиаторы высвобождаются постсинаптическим нейроном и индуцируют синаптическую депрессию путем активации пресинаптических CB1-рецепторов. Считается, что нейроны гипоталамуса тонически продуцируют эндоканнабиноиды, которые строго регулируют чувство голода. Количество производимых эндоканнабиноидов обратно пропорционально уровню лептина в крови. Например, мыши без лептина не только сильно ожиревают, но и вырабатывают аномально высокие уровни эндоканнабиноидов в гипоталамусе в качестве компенсаторного механизма. Аналогично, при лечении этих мышей инверсными агонистами эндоканнабиноидов, такими как римонабант, потребление пищи снижалось. В смежном исследовании было обнаружено, что эндоканнабиноиды влияют на восприятие вкуса в вкусовых клетках. В вкусовых клетках эндоканнабиноиды избирательно усиливают силу нейронной сигнализации для сладкого вкуса, в то время как лептин снижает силу этого же ответа. Хотя необходимы дальнейшие исследования, эти результаты позволяют предположить, что активность каннабиноидов в гипоталамусе и прилежащем ядре связана с аппетитом и поиском пищи.

Реакция на стресс

В то время как секреция глюкокортикоидов в ответ на стрессовые стимулы является адаптивной реакцией, необходимой организму для адекватного реагирования на стрессор, продолжительная секреция может быть вредной. Эндоканнабиноидная система вовлечена в привыкание гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси (ГГН-оси) к повторному воздействию стресса, вызванного ограничением подвижности. Исследования продемонстрировали дифференциальный синтез анандамида и 2-AG во время хронического стресса. Снижение уровня анандамида было обнаружено вдоль оси и способствовало базальной гиперсекреции кортикостерона; в то же время, увеличение уровня 2-AG наблюдалось в миндалевидном теле после повторного стресса, что отрицательно коррелировало с величиной кортикостероновой реакции. Все эффекты были устранены антагонистом CB1 AM251, что подтверждает, что эти эффекты зависят от каннабиноидных рецепторов. Эти данные показывают, что анандамид и 2-AG по-разному регулируют реакцию ГГН-оси на стресс: привыкание ГГН-оси, вызванной стрессом, посредством 2-AG предотвращает избыточную секрецию глюкокортикоидов в ответ на не угрожающие стимулы, а увеличение базальной секреции кортикостерона, вызванное снижением анандамида, обеспечивает более быстрый ответ ГГН-оси на новые стимулы.

Исследование, социальное поведение и тревога

Эти контрастные эффекты демонстрируют важность эндоканнабиноидной системы в регуляции поведения, связанного с тревожностью. Результаты указывают на то, что глутаматергические каннабиноидные рецепторы не только отвечают за опосредование агрессии, но и проявляют анксиолитический эффект, ингибируя чрезмерное возбуждение: избыточное возбуждение вызывает тревогу, которая ограничивала исследовательское поведение мышей по отношению как к живым, так и к неодушевленным объектам. В противоположность этому, GABAергические нейроны, по-видимому, контролируют анксиогенный эффект, ограничивая высвобождение тормозных нейромедиаторов. В совокупности, эти два типа нейронов, по-видимому, помогают регулировать общий уровень возбуждения организма в новых ситуациях.

Иммунная система

В лабораторных экспериментах активация каннабиноидных рецепторов влияла на активацию GTPаз в макрофагах, нейтрофилах и клетках костного мозга. Также было показано, что эти рецепторы участвуют в миграции B-клеток в маргинальную зону и регуляции уровней IgM.

Репродукция самки

Развивающийся эмбрион экспрессирует каннабиноидные рецепторы на ранних стадиях развития, которые реагируют на анандамид, секретируемый в матке. Эта передача сигналов важна для регуляции сроков имплантации эмбриона и рецептивности матки. На мышах было показано, что анандамид модулирует вероятность прикрепления к стенке матки. Например, у людей вероятность выкидыша возрастает при слишком высоком или слишком низком уровне анандамида в матке. Эти результаты позволяют предположить, что употребление экзогенных каннабиноидов (например, каннабиса) может снизить вероятность наступления беременности у женщин с высоким уровнем анандамида, а у женщин с пониженным уровнем анандамида, наоборот, может повысить эту вероятность.

Автономная нервная система

Периферическая экспрессия каннабиноидных рецепторов побудила исследователей изучить роль каннабиноидов в автономной нервной системе. Исследования показали, что рецептор CB1 экспрессируется пресинаптически моторными нейронами, иннервирующими висцеральные органы. Каннабиноид-опосредованное ингибирование электрических потенциалов приводит к снижению высвобождения норадреналина из нервов симпатической нервной системы. Другие исследования выявили схожие эффекты в эндоканнабиноидной регуляции моторики кишечника, включая иннервацию гладких мышц, связанных с пищеварительной, мочевой и репродуктивной системами. Также было установлено, что это безопасно и эффективно. Модуляция эндоканнабиноидной системы посредством метаболизма до N-арахидоноил-феноламина (AM404), эндогенного каннабиноидного нейротрансмиттера, была обнаружена как один из механизмов обезболивающего действия ацетаминофена (парацетамола). Эндоканнабиноиды участвуют в аналгезии, индуцированной плацебо.

Терморегуляция

Было показано, что анандамид и N-арахидоноилдопамин (NADA) воздействуют на температурно-чувствительные TRPV1-каналы, участвующие в терморегуляции. TRPV1 активируется экзогенным лигандом капсаицином, активным компонентом перца чили, структурно схожим с эндоканнабиноидами. NADA активирует TRPV1-канал с высокой эффективностью, что делает его вероятным эндогенным агонистом TRPV1. Также было обнаружено, что анандамид активирует TRPV1 на терминалях сенсорных нейронов, что впоследствии вызывает вазодилатацию. Введение анандамида в базальные отделы переднего мозга крыс также показало увеличение уровня аденозина, который играет роль в поддержании сна и подавлении возбуждения. Лишение крыс REM-фазы сна приводит к увеличению экспрессии CB1-рецепторов в центральной нервной системе. Более того, уровень анандамида у крыс подчиняется циркадному ритму, достигая пика в светлой фазе дня, когда крысы обычно спят или менее активны, поскольку они ведут ночной образ жизни.

Физические упражнения

Эндоканнабиноидная система также участвует в опосредовании некоторых физиологических и когнитивных эффектов добровольных физических упражнений у людей и других животных, таких как вклад в вызванную физическими упражнениями эйфорию, а также модуляция двигательной активности и мотивационной значимости вознаграждений. Поскольку эндоканнабиноиды могут эффективно проникать через гематоэнцефалический барьер, было предложено, что анандамид, наряду с другими эйфорирующими нейрохимическими веществами, способствует развитию эйфории, вызванной физическими упражнениями у людей, состояние, в разговорной речи известное как "кайф бегуна". Обнаружение арахидоновой кислоты (АА) указывает на химиотаксономические связи между монофилетическими группами с общим предком, датируемым примерно 500 миллионами лет назад (кембрийский период). Филогенетическое распространение этих липидов может быть следствием взаимодействий/адаптаций к окружающим условиям, таким как взаимодействие растений с химическими опылителями, механизмы коммуникации и защиты. Две новые EC-подобные молекулы, полученные из эйкозатетраеновой кислоты, ионипероновой кислоты – структурного изомера АА, относящегося к омега-3, а именно ионипероилэтаноламид и 2-ионипероилглицерол (1/2 AG) – обнаружены в голосеменных, ликофитах и некоторых монолифофитах, что указывает на то, что АА является эволюционно консервативной сигнальной молекулой, действующей в растениях в ответ на стресс, аналогично тому, как это происходит в системах животных. Эндоканнабиноид докозатетраенойлетаноламид был обнаружен в Tropaeolum tuberosum (Mashua) и Leonotis leonurus (Львиный хвост). Мака содержит несколько N-бензиламидов, называемых "макамидами", структурно связанных с эндоканнабиноидами, таких как N-бензиловый аналог олеамида. Эхинацея содержит алкиламиды, структурно связанные с эндоканнабиноидами.

Каннабиноиды в цианобактериях

Сериноламид А — каннабиноид, структурно родственный эндоканнабиноидам, обнаруженным в цианобактериях, таких как Lyngbya majuscula и других видах семейства Oscillatoria.