| 1 |
Книга профессора ОА Гомазкова, известного специалиста в области биохимии и физиологии информацию о клеточных и молекулярных механизмах старения. Рассматривается роль окислительного стресса, апоптоза и аутофагии как исходных причин формирования возрастных изменений и нейродеструктивных заболеваний. Эти проблемы анализируются в связи с уникальной ролью нейротрофинов, которые обеспечивают регуляторную и защитную функции мозга в условиях нормы, приспособительных процессов и при патологии, Подчеркивается связь нейрогенеза (трансформации нейральных стволовых клеток) и нейротрофинов и в организации пластичности мозга и его защите. Впервые представлена информация о «минипептидах», структурных аналогах нейротрофинов, как новой формы терапии возрастных и нейродеструктивных заболеваний. Современная концепция предупреждения старения с использованием «минипептидов» предусматривает использование веществ, модулирующих активность эндогенных нейротрофинов. Книга полезна для широкого круга специалистов – медиков и биологов, научных работников и практических врачей, студентов, аспирантов, ординаторов различного профиля. нейропептидов и ростовых нейротрофических факторов, суммирует 1 Биологические и социальные аспекты старения. Морфофизиологические компоненты старения мозга. Базовые молекулярные компоненты функции возрастного мозга.
Нейрогенез. Трансформация нейральных стволовых клеток в возрастном мозге, 2 Молекулярные и клеточные механизмы старения, Окислительный стресс, нарушение функции митохондрий–исходный патохимический инцидент, Возрастная динамика накопления митохондриальных дисфункций – предтеча возрастных заболеваний, Окислительный стресс запускает программируемую смерть клеток, Каскадная система апоптоза и деструкция ДНК – начало возрастной патологии мозга. Избирательная уязвимость нейронов при окислительном стрессе, Селективность «химизма» нейрона, Повреждение и репарация ДНК в нейронах, Региональная вариабельность деструкции ДНК в возрастном мозге, Концепция «меньше нейронов было бы лучше...», Возрастные изменения делают клетки мозга уязвимыми к патологии, 3, Патология возрастного мозга, Молекулярные и клеточные механизмы, Ишемическая патология, Инсульт в молодом и старом мозге,Нейродегенеративная патология, Болезнь Альцгеймера, Болезнь Паркинсона, Общие принципы начала заболевания и селективное поражение регионов мозга,Аутофагия – биологический феномен «двуликого Януса», Функция «мусорщика» или провокатора нарушений клеточного гомеостаза,Промежуточные итоги:молекулярные системыпрограммы старения и нейродегенерации: промотирующие и защитные звенья. |
| 2 |
Нейротрофины История открытия Химическая структура и основные функции Нейротрофины Спектр функций организующих работу мозга Нейротрофины Участие в ишемических и нейродегенеративных заболеваниях мозга Возрастной аспект Нейротрофины как регуляторный компонент программы старения 5 Нейропептиды Нейропептиды Исходные представления Нейропептиды и ишемическая патология мозга Калликреин-кининовая система Ангиотензин 2 как детерминанта старения (Отголоски митохондриальной теории) Нейропептиды и нейродегенеративная патология мозга Нейропептиды и нейротрофины: общее и различное в регуляции протективных механизмов Нейротрофины Факторы плейотропной регуляции функций 6 Минипептиды и концепция нейротрофической терапии ЗАКЛЮЧЕНИЕ 3 1 Биологические и социальные аспекты старения Морфо-физиологические компоненты старения мозга Базовые молекулярные компоненты функции возрастного мозга НейрогенезТрансформация нейральных стволовых клеток в возрастном мозге Биологическое старение представляет одно из фундаментальных явлений жизни которые объединяют здоровье болезнь социально-экономический статус наконец смерть индивидуума Одна их наиболее распространенных точек зрения предполагает что скорость биологического старения определяется накоплением в организме клеточных и органных повреждений и эти процессы зависят как от генетических факторов так и от факторов окружающей среды Немецкий ученый Август Вейсман (1834-1914) который одним из первых пытался внести научное определение проблемы утверждал: «Я полагаю что жизнь имеет фиксированную продолжительность не потому что по своей природе не может быть неограниченной а потому что неограниченное существование индивидуумов было бы роскошью без какой-либо проистекающей из нее выгоды Изношенные индивидуумы не только бесполезны для вида но даже вредны поскольку они занимают место тех кто здоров» Пытаясь научно обосновать эту точку зрения А Вейсман рассматривал старение как побочный продукт реализации программы индивидуального развития Эта социально-философская концепция долгое время рассматривалась как противоречащая основам теории Дарвина как концепция антигуманистическая и её автор подвергался обструкции во многих странах мира Последовательно выдвигавшиеся в 50-70-х годах прошлого столетия биологические теории отражали достижения биохимии и молекулярной биологии того периода. |
| 3 |
В качестве исходных причин рассматривались: окислительный стресс и образование свободных радикалов в организме; нейрогуморальная дизрегуляция и нарушения метаболизма клеточных белков; теломеразная концепция, которая во главу ставила процессинговый дефект молекулы ДНК; реализация генетической программы самоуничтожения, постепенно разрушающей организм. |
| 4 |
Как показывает анализ данных в базе пабмэд, число публикаций за последние 10 лет по запросу aging patient превысило 18 тысяч; из них около 10 тыс, посвящены вопросам терапии возрастных больных и около 600 рассматривают теоретические аспекты пожилого пациента, Современное понятие генома постулирует персональную доминанту присутствия в генотипе единиц, предопределяющих возможность развития того или иного заболевания, и генов, обусловливающих реакцию на лечение Одна из последних теорий – геномная концепция - определяет старение как «медленное угасание транскрипционной активности генома», связанное с отдельными генами, набор которых в разных тканях может сильно варьировать, Идентифицируются условно обозначаемые «гены долгожительства» и «гены- регуляторы старения»: они определяют «мозаичность» возрастных изменений тканей организма, и потому ослабление транскрипционной активности генома ведет к постепенной 4 «порче» всего генома человека В рамках этой концепции следует детализировать два обстоятельства: (1) Функционально значимые белки, представляемые как «гены долгожительства» - bcl-2, APO-E, интерферон-, ингибитор активатора плазминогена, интерлейкин-10, фактор некроза опухоли-a и другие, действительно, являются важными регуляторными элементами многих функций организма, однако «порча» их есть на поверку следствие реализации процесса старения, запущенного другими молекулярными причинами, (2) Концепция тканевой (органной) «мозаичности» предполагает неодинаковую уязвимость клеточных систем, определяющих устойчивость организма к предъявляемым обстоятельствам Следует полагать, что основой такой мозаичности служат причины генного порядка, которые влияют в конгечном счете на функциональный дисбаланс, инверсии клеточных циклов или трансформацию прогениторных (стволовых) клеток и тп, о чем речь пойдет в последующих разделах, Старение представляет собой неизбежный процесс аккумуляции негативных изменений в клетках, которые снижают способность выживания, Возрастные изменения являются результатом суммации генетических факторов, влияния окружающей среды и заболеваний, переносимых в течение жизни Старение характеризуется накоплением материала «изношенных» клеточных и субклеточных структур (органелл), которые снижают эффективность биологических процессов, необходимых для поддержания гомеостаза и адаптивного выживания в предлагаемых обстоятельствах, Нарушение биологических процессов в клетках и организме в целом обусловлено снижением активности репаративных механизмов, которые ликвидируют возникающие клеточные повреждения при старении, Точные механизмы старения остаются не понятыми в полной мере, хотя многие элементы повреждения выявлены достаточно доказательно. |
| 5 |
Очевидно, что такие долгоживущие клеточные системы, как кардиомиоциты и нейроны, не могли бы эффективно работать в течение срока жизни, если бы в них не существовали мощные биохимические и морфологические системы ликвидации поврежденных клеточных структур Старение клеток характеризуется прогрессирующим накоплением нефункциональных клеточных компонентов, Накопление «дефектных» субклеточных частиц (митохондрий, фрагментов ядра, мембран, «испорченных» белков и др,) играет существенную роль в развитии старения, Удаление этого материала лизосомальными ферментами за счет аутофагии оказывается формой защиты (сдерживания) от старения. Таким образом, исходно принято считать, что существуют две точки зрения на старение, Первая: старение – результат накопления случайных поломок в сложной системе, каковой является живой организм Вторая: старение – заключительный этап индивидуального развития организма, запрограммированный в геноме ВП Скулачев делает принципиальное дополнение к этой позиции: в противовес распространенному мнению о старении как процессе накапливающихся повреждений, постулируется существование единой причины, запрограммированной в геноме: «Мы исходим из того, что старение – это запрограммированный (ПРИРОДОЙ – ОА) предопределенный процесс, катализатором которого является кислород» Исследованиями последних десятилетий было установлено, что в любой клетке существует специальная геномная программа биохимического самоубийства, когда включается каскад процессов, приводящих к смерти клетки В 2002 году Сидней Бреннер, Роберт Хорвиц, Джон Э Салстон получили Нобелевскую премию за открытие генов, отвечающих за апоптоз Объектом исследования служил маленький червячок Caenorhabditis elegans, в геноме которого были выявлены особые гены самоубийства определенных клеток, Так было установлено, что апоптоз (специализированный биохимический механизм уничтожения клеток) – есть целенаправленная генетическая программа, а не просто результат «распоясавшегося» кислородного метаболизма митохондрий ВП Скулачев считает, что согласно такой позиции эволюционное упрочение вида состоит не только в устранении биологически «нецелесообразных» особей, но и в прогрессивном отборе признаков, нужных для устойчивого существования популяции в данных условиях среды, По-видимому, для современного человеческого сообщества, мучительно приспосабливающегося к условиям создаваемой им среды обитания, и в условиях цивилизационного насыщения средствами как сохранения, так и разрушения здоровья, такая концепция представляется интересной и требующей разновариантных подходов к воздействию на качество и продолжительность жизни человека. |
| 6 |
1 1 Морфо-физиологические компоненты старения мозга Основы современной неврологии были заложены многими выдающимися учеными 19-20 веков, Среди них особо стоит имя Саньтяго Рамон-и-Кахаля (1852-1934), гистолога, педанта, романтика, Изучая структуры нервных клеток, он открыл многие вадные закономерности, предсказал феномен апоптоза и предложил «нейротрофическую гипотезу» роста и ветвления нейронов. Структура мозга меняется в течение всей жизни, Онтогенетические исследования, проведенные с помощью магниторезонансной томографии, показывают, что объем мозга и его вентрикулярная система постепенно редуцируются, Потеря веса мозга в диапазоне от 60 до 90 лет выражается 35%-ной редукцией гиппокампа, 15%-ной – коры мозга и 25%- ной - белого вещества, Однако отдельные паттерны этих изменений достаточно гетерогенны даже в здоровом мозге и затрагивают, в первую очередь, переднюю и теменную кору. Толщина кортикального слоя и субкортикальный объем могут меняться в течение одного года на 0,5-1,0%, Эти изменения сопровождаются редукцией синаптических узлов и уменьшением нейрональных контактов, До 50% уменьшается протяженность миелинизированных аксонов. В «возрастном мозге» выявляются существенные изменения васкулярной системы, На макроскопическом уровне отмечается редукция плотности сети микрососудов, ведущая к снижению микроциркуляторного кровотока и кислородного обеспечения ткани, На клеточном уровне изменения в сосудистой стенке (её утоньшение) сопровождаются сниженной экспрессией рецепторов нейротрофических и ростовых факторов, регуляторов роста и выживания клеточных систем Потеря части миоцитов и уменьшение диаметра сосудов и связанное с тем снижение способности поддерживать напряжение внутрисосудистого давления влечет ухудшение кислородной оксигенации Возрастные изменения церебральной кровеносной системы обусловливают пониженную активность 6 циркулирующих ростовых факторов, что ведет к сужению функционирующих сосудов. Все эти изменения не могут не отразиться на рабочем потенциале мозга и сопряжены с его повышенной уязвимостью к ишемическим и нейродегенеративным влияниям С другой стороны, глиальные клетки в возрастном мозге, вероятно, проявляют тенденцию к увеличению, которая ассоциируется с более выраженной иммунореактивностью астроцитов и микроглиальных маркеров Эти изменения могут интерпретироваться как возрастные проявления нейронального воспаления; по крайней мере, как корреляция очевидной активации микроглии и нейродегенерации Таким образом, микроглия в возрастном мозге сама по себе оказывается субъектом клеточного старения. |
| 7 |
Такие изменения определяют функциональный статус возрастного мозга, что выражается в ухудшенном контроле скорости протекания реакций, реализации исполнительных процессов, уровней когнитивных функций, общего адаптивного потенциала. Возрастные изменения характеризуются прогрессирующим расстройством взаимосвязанных функций, включающих ощущение, память, распознавание, моторный контроль, эмоциональность, Одним из самых значительных признаков старения является снижение пластичности мозга, как интегративной функции, связующей соматическую, ментальную и социальную сферы жизнедеятельности, Современная нейрофизиология рассматривает в качестве основных признаков нарушения пластичности, связанных со старением, ограничение программы активности мозга, неадекватные проявления функции, ослабленный 7 нейромодулирующий контроль и нереализуемость функции обратной связи, Комплекс возрастных изменений включает нарушение восприятия, памяти, познавательных (когнитивных) навыков, моторного контроля, эмоциональной реактивности, В качестве базового компонента, влияющего на качество жизни, принимаются расстройства когнитивной функции, Всемирная Психотерапевтическая Лига предложила специальную диагностическую позицию для градации легких, по преимуществу «здоровых» возрастных нарушений ментальных функции у пожилых людей, Большинствл таких пациентов с заметной дисфункцией соответствует границам возрастной нормы, однако под влиянием стрессорных или аффективных нарушений когнитивный дефект углубляется, достигая уровня «умеренно когнитивных расстройств», M Penner и соавторы (2010) представили «эпигенетическую гипотезу» изменений когнитивных процессов стареющего мозга, Современная интерпретация этого принципа предполагает ковалентные модификации ДНК и посттрансляционные изменения ядерных белков, которые ведут к необратимым переменам в структуре хроматина, Ассоциируемое с возрастом ухудшение памяти относится к дезинтеграции функций, анатомически связанных с гиппокампом связанного с возрастом дефицита памяти включает аберрантные (т,е, «сбившиеся с правильного пути») изменения в транскрипции генов, которые непреложно влияют на изменение пластичности стареющего мозга. Согласно Mahncke и соавт, (2006) возрастные изменения мозга характеризуют четыре ключевые фактора: (а) ограничение признаков физиологической активности; б помехи в выполнении функции ("noisy processing"); в ослабленный нейромодуляторный контроль; г затрудненное обучение. Все они складываются в спонтанную спираль деградации функций. В итоге эти позиции определяют расстройство адаптивной пластичности мозга, обусловленные изменениями образа жизни, поведения, статуса индивидуума иили инверсией «биохимической механики» мозга. |
| 8 |
Развиваемая в последние годы теория «подпорки» (scaffolding theory) когнитивной функции возрастного мозга предполагает, что наблюдаемые изменения отражают как снижение нейрональных функций, так и компенсаторную их перестройку, В самом деле, как демонстрируют морфологические исследования, «возрастной» мозг обнаруживает уменьшение кортикального слоя, интегративного белого вещества, снижение дофаминергической активности и функциональный дисбаланс в сенсомоторном регионе, гиппокампе и затылочной зонах, В то же время, отмечается компенсаторное увеличение активности структур переднего мозга, которые коррелируют с поведенческим статусом возрастного индивидуума. Как показывают специальные исследования, в условиях «обогащенной окружающей среды» (говоря бытовым языком, «лучших условий жизнеобитания» - пищи, пространства, отсутствия агрессивных факторов, стимуляции позитивных эмоций и т,п,) происходит сохранение и улучшение синаптического взаимодействия в регионах мозга, Эти явления сопровождаются активацией синтеза медиаторов и сбалансированного соотношения глутамата и ГАМК в гиппокампе, а также дофамина и ацетилхолина в префронтальной коре в условиях «мягкого» стресса и префронтальной корой мозга Базовые молекулярные компоненты функции возрастного мозга Функция нейрональной пластичности обеспечивается системой сигнальных биохимических конструкций, где одну из центральных ролей играют протеинкиназы, Им принадлежит «стратегическая» функция превращения клеточного сигнала в физиологический ответ, Современные воззрения представляют, что формирование возрастной дисфункции мозга связано с изменениями активности и порядка включения сопряженных звеньев внутриклеточной сигнализации, Удивляющее разнообразие регуляторных возможностей, связанных с активностью нейротрофинов и нейропептидов, гормонов и других компонентов экстра- и внутриклеточной регуляции, находит свое частичное объяснение в понимании сложной картины сигнальной трансдукторной системы, Рассмотрение её включает по меньшей мере три основных «этажа» биохимических процессов: (а) соединение лиганда (нейротрофина, пептида, гормона и др,) с соответствующим рецептором; (б) активация многосложной, разветвленной системы функциональных белков – в соответствии со специфичностью «лигандного сигнала»; (в) внутриклеточная - на уровне мембран и органелл клетки, экспрессия роста, дифференцировки, апоптоза, нейрогенеза, синтеза новых белков и других продуктов и множества биохимических процессов, составляющих динамичную мозаику жизнедеятельности клетки, Функции мозга в условиях нормы, патологии, старения определяются содержанием этих процессов. |
| 9 |
Конкретное представление определенных звеньев сигнальной трансдукторной системы и возможности корригирующего воздействия представляют новое направление современной медицины – «сигнальной трансдукторной терапии» Полное представление перечня нейробиологических субстратов, связанных с проявлениями возрастного дефицита памяти, едва ли возможно, но, по меньшей мере, следует отметить, что процессы памяти и синаптической пластичности в «когнитивно здоровом» мозге возрастных индивидуумов сопряжены с транскрипцией генов раннего ответа, которые включают Arc (activity-regulated cytoskeletal gene), zif268 известный как фактор роста нервов, NGF & bdnf (нейротрофический фактор мозга) В экспериментальных исследованиях было установлено, что блокада экспрессии этих генов у взрослых животных предотвращает процесс консолидации памяти, Сниженная экспрессия ранних генов отмечается в некоторых моделях искусственного нарушения памяти или в процессе нормального старения Особая роль принадлежит процессам, связанным с активностью нейронального Ca2+ Изменения уровня внутриклеточного Ca++ вызывают каскад событий, влияющих на локальные и генерализованные процессы в нейрональной сети Величина и длительность диффузии внутриклеточного кальция оказывается регулятором синаптической пластичности - модуляции нейротрансмиттерной передачи, долговременной потенциации электрического сигнала в нейроне, роста и ветвления дендритов, Дизрегуляция механизма активности нейрона и нарушение гомеостаза «кальциевого насоса» связывается с ослаблением функций возрастного мозга Идея о том, что возрастные нарушения когнитивных процессов ассоциируются с расстройством кальциевого гомеостаза, подкрепляется многими фактами, Большинство таких исследований сфокусированы на гиппокампе, структуре, первично связываемой с изменениями памяти Известно, что Ca++- зависимые процессы, такие, как реакция на медиаторную гиперстимуляцию, индукция синаптической пластичности, депрессия интранейронального электрического сигнала, существенно меняются с возрастом, Образно говоря, физиологическое старение оказывается следствием «расползающейся» ассоциации клеток, которая связывается с дисфункцией кальциевого гомеостаза Изменения уровня нейронального Ca++ могут служить маркером, который отражает начало окислительного стресса Таким образом, понижение жизненного статуса или повреждение мозга сопрягается с дизрегуляцией нейронального Ca++ и непреложно приводит к развитию нейродегенеративной патологии В целом, изменения нейрональной активности, характеризующие клеточную возбудимость и синаптическую пластичность, ассоциируются с расстройством когнитивной функции и снижением памяти индивидуума. |
| 10 |
1.3 Нейрогенез, возрастном мозге, Нейрогенез, те образование новых клеточных структур (нейронов, олигодендроцитов, астроцитов) в результате трансформации эндогенных стволовых клеток происходит в течение всей жизни, Этот процесс служит основой обеспечения пластической функции мозга и регулируется многими факторами, Экспрессивное образование новых нейрональных структур происходит в процессе онтогенеза, увеличенной физической активности, гипоксии, стрессе, обучении, пребывании в благоприятной «обогащенной среде», Экспрессия нейрогенеза наблюдается также при ишемии мозга, травме, начальных стадиях нейродегенеративной патологии, Трансформация нейральных стволовых клеток в Нейрогенез во взрослом мозге проходит основные фазы: 1 асимметричное деление нейральных стволовых клеток с различной функцией дочерних клеток 2 пролиферация (размножение) образующихся новых клеток 3 выживание определенной пропорции клеток из «избыточной» массы г дифференцировка клеток в определенный фенотип 10 нейрон, астроцит, олигодендроцит д) миграция зрелых клеток преимущественно в зубчатое ядро гиппокампа и субвентрикулярную зону, Большинство исследований, связанных с нейрогенезом, базируется на использовании клеточных маркеров тимидиновых аналогов или выявлении экспрессии маркеров пролиферации и зрелых клеток: даблкортин и бета-тубулин, белки, ассоциированные с микротрубочками, возникающие в дифференцирующихся пронейронах; винментин, который синтезируется в несформировавшейся глии; кислый глиальный белок GRAF; Neu-N - определяемый в ядрах зрелых клеток и др, Гисто-физиологическими исследованиями было установлено, что новообразующиеся нейроны могут быть вовлечены в функцию гиппокампа, в первую очередь, в зубчатой извилине, Эти явления ассоциируются с активностью гиппокампа в организации процессов обучения, памяти и эмоционального поведения, Была продемонстрирована связь между скоростью нейрогенеза и эмоциональным статусом Выявляется взаимосвязь нейрогенеза во взрослом гиппокампе с процессами обучения и памяти, Внутривенная инъекция культуры нейрональных прогениторов приводила к улучшению памяти и когнитивных признаков у крыс, подвергнутых ишемии мозга, Нейральные стволовые клетки обнаруживались в ипсилатеральном полушарии; выявлена экспрессия нейротрофического фактора BDNF на 28-е сутки эксперимента. Неинвазивными исследованиями был осуществлен мониторинг нейрогенеза у человека, В сочетании с опросным психофизиологическим тестированием эта технология позволяет непосредственно судить о роли нейрогенеза в конструкции когнитивных процессов, их нарушений при патологии и возможности терапевтической коррекции. |
| |
… |
Комментарии