УДК. 576.367: 577.352.38:58 К ВОПРОСУ О ПРЕДУПРЕЖДЕНИИ РАЗВИТИЯ АПОПТОЗА НЕЙРОНОВ ФЛАВОНОИДАМИ — ФЕНОЛСОДЕРЖАЩИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПРОДУКТОВН.В. Великая, кандидат мед. наук, В.Н. Залесский, кандидат мед. наук
Национальный медицинский университет им. А.А. Богомольца, г. Киев, Украина
РЕЗЮМЕ. В огляді узагальнено сучасні поняття про молекулярні ланцюги апоптозу нейронів, індукованого окислювальним стресом in vivo та in vitro.
SUMMARY. Present conceptions on molecular links of apoptosis in neurons induced by oxidative stress in vivo and in vitro are presented in this review. Флавоноиды — фенолсодержащие пигменты растений, которые являются природными нутриентами суточных рационов оздоровительного и лечебного питания, имеют различные клинико-фармацевтические свойства, а также применяются для профилактики и лечения наиболее распространенных (болезни сердечно-сосудистой системы, рак, нарушения мозгового кровообращения, нейродегенеративные процессы и другие) заболеваний человека [1, 2, 3]. В растениях обнаружено свыше 4000 флавоноидов (Ф) с идентифицированной химической структурой [3]. Они подразделяются, в соответствии с положением заместителей в молекулах, на флаванолы, антоцианидины, флавоны, флаваноны и халконы. До настоящего времени актуальной остается проблема усиления профилактического потенциала питания в значительной степени за счет целебных свойств растительных продуктов [4]. Теперь уже не вызывает сомнения, что именно с соединениями фенольной природы связана фитохимическая (целебная) активность многих пищевых продуктов растительного происхождения [5, 6]. Ф являются экзогенными низкомолекулярными антиоксидантами, обладающими свойствами предупреждать возникновение и нейтрализовать действие активных молекул кислорода (АМК) [7, 8]. Известно, что токсическое действие активных молекул кислорода проявляется при состояниях окислительного стресса, который сопровождается резкой интенсификацией свободнорадикальных процессов в тканях мозга [9, 10]. Многие продукты радикалзависимых окислительных реакций могут индуцировать апоптоз нейронов [11, 12]. Уточняются особенности антиоксидантного действия растительных фенолов, обладающих способностью образовывать хелатные комплексы с металлами, а также — выступать в качестве скавенджеров свободных радикалов [13,14]. Легкость окисления определяет высокую реакционную (биологическую) активность Ф, которые защищают от окисления другие соединения или способствуют их восстановлению [1, 7, 14]. В этом состоят целебные свойства Ф, которые наряду с антиоксидантным действием, обладают антиинфекционными, противоаллергическими, антицитотоксическими, мембраностабилизирующими и другими свойствами; нормализуют и поддерживают тканевой гомеостаз и, соответственно, реактивность клеток ЦНС [14]. Нейропротекторная функция флавоноидов — нутриентов растительных продуктов питания
В исследованиях последних лет накопились подтверждения нейроцитопротекторных свойств Ф на основании использования моделей окислительного стресса и ишемической/реперфузионной травмы у экспериментальных животных. На клетках
К. Ishige и соавт. [19] на клетках В последующих работах внимание обращали на связи таких Ф как апигенин, нарингенин, кемферол, кверцетин-3-О-гликозид и других соединений с бензодиазепиновыми [14], GABA-А-рецепторами [20, 21], рецепторами аденозина [22], а также — с их седативной активностью [14]; как возможными механизмами их действия в ЦНС.
Характерные для Ф различия физико-химических свойств, распределения и локализации их в тканях мозга вызывали дополнительные трудности при анализе механизмов их биологической активности in vivo. В контексте данного обзора имеющиеся данные литературы в этой области крайне скудны. В группу известных фенолсодержащих соединений, способных накапливаться в структурах мозга входят: эпигаллокатехин галлат [23]; отдельные полифенолы зеленых сортов чая, красных вин; Ф цитрусовых — гесперидин [24], а также нарингенин вместе с коньюгированным глюкуронидином [25]. Идентифицирован полусинтетический Ф Остается малоизученной степень преобладания воспроизводимых флавоноидами нейропротекторных эффектов по отношению к окислительному стрессу или — другим механизмам, не связанным с антиоксидантной активностью Ф. Механизмы влияния Ф in vivo обусловлены структурой их молекул (коньюгаты или метаболиты) при поглощении этих соединений стенкой тонкого кишечника [28, 29, 30], а также печенью [31], (см. рис.). Ф и их гликозидные производные претерпевают метаболические превращения в тонком кишечнике и печени при участии следующих ферментов: бета-гликозидаз, глюкуронозил-трансферазы и катехол-0-метил-трансферазы [28, 29, 32]. Действительно, во многих публикациях авторы отмечают наличие метильных, сульфатных и глюкуронидных комплексов Ф в плазме крови и подверженных элиминации с мочой, после применения флавоноид-обогащенных диет [33—36]. Также, отмечена лимитированная биодоступность природных Ф и преобладание 0-метильных и глюкуроидных коньюгатов Ф в циркуляторном русле с выраженной тропностью к мозговым клеткам [1, 8]. Апоптоз и активация апоптозассоциированных белков в процессе гибели нервных клеток Апоптоз (от греч. "apoptosis" — опадание лепестков цветка или листьев деревьев) представляет собой энерго(АТФ)-зависимый процесс гибели отдельных клеток, протекающий в нормальных и патологически измененных тканях под действием внутриклеточных и внеклеточных стимулов, посредством которого в организме происходит удаление (элиминация) отдельных клонов дифференцирующихся клеток или "излишков" биологического материала [37]. Основными морфологическими признаками апоптоза являются — вакуолизация и конденсация цитоплазмы и хроматина с последующим образованием особых клеточных фрагментов, содержащих остатки ДНК и клеточные органеллы [38]. На биохимическом уровне апоптоз сопровождается: угнетением процесса включения в клетки глюкозы и нуклеозидов; снижением синтеза липидов, белков и АТФ; фрагментацией ДНК в результате активации эндонуклеаз [39]. На молекулярном уровне процесс апоптической гибели представляет собой сложный каскад реакций, связанных с экспрессией генов и белков, ассоциированных с апоптозом, участием протеиназ, протеинкиназ и эндонуклеаз [40]; конечным результатом которого является дезинтеграция клетки с образованием апоптических телец.
Все апоптоз-зависимые факторы условно разделены на две группы:
К ним относятся: В отдельных обзорах [41—45, 76, 99, 100] подробно изложены механизмы действия многих супрессоров и индукторов апоптоза, к числу которых относятся и флавоноиды.
Очевидность возникновения апоптоза в ЦНС была обоснована демонстрацией T. Beck и соавт. [46] фрагментации ДНК в гиппокампальном
С помощью цитоморфологических методов выявлена апоптическая гибель культивируемых in vitro нейроцитов в результате гипоксических влияний [48], глютамат-индуцированной ишемии [49], действия окислительного стресса [50] или донора NO [51]. Показано, что экспрессия р53, Мус и Bax повышается в результате развития транзиторной ишемической атаки у грызунов [52, 53]. Главной мишенью проапоптического действия р53 в нейронах после их острого ишемического повреждения служит ген Apaf 1 [54]. Белок р53 непосредственно активирует его транскрипцию, и в нейронах, лишенных гена Apaf 1, отмечена повышенная выживаемость после воздействия индукторов апоптоза [54]. Индукция экспрессии мРНК Fas и FasL в нейронах поля
В нейронах коры головного мозга в ответ на церебральную ишемию активируются и другие известные механизмы, приводящие к апоптозу. Так, в культуре нейроцитов после инициации ишемического стресса зарегистрированы процессы, связанные с циклоспорин-зависимой деполяризацией митохондриальной мембраны, снижением уровня АТФ и повышением концентрации внутриклеточных ионов Са2+ [56]. Показано [57], что высокий уровень Са2+/кальмодулин-зависимой протеинфосфатазы (кальцинеурин) способствует каспазо-зависимому апоптозу нейронов. Помимо Fas-опосредуемой активацией
Следует отметить, что митохондриальный механизм апоптоза может также активироваться при действии "лигандов смерти", что связывают с функционированием еще одного проапоптического белка семейства
Наиболее изученным представителем эффекторных каспаз в клетках головного и спинного мозга является Таким образом, протеолиз эффекторными каспазами ингибиторов эндонуклеаз приводит к активации последних, с последующей фрагментацией ДНК нейрона.
Оказалось, что на ранних стадиях развития церебральной ишемии, различные механизмы апоптоза клетки, в том числе чрезмерное повышение уровня внутриклеточного кальция, включают неспецифическую реакцию генома нейрона, вызывающую экспрессию генов раннего реагирования [70]. В тоже время прогрессирование повреждения в области "пенумбры" при фокальной ишемии мозга происходит наряду с увеличением концентрации провоспалительных цитокинов, вследствие недостатка нейротрофических (фактор роста нервов; фактор роста, полученный из головного мозга — BDNF, Иными словами, в организме существует баланс между генетическими программами выживания и смерти клетки, регуляция которого осуществляется, прежде всего, системой трофического обеспечения мозга [75]. Раскрытие механизмов апоптоза предполагает широкие возможности нейропротекторной терапии (в том числе соединениями растительных пищевых продуктов), смысл которой — в управлении процессами выживания и регуляции клеточной гибели [76]. Нейропротекция апоптоза флавоноидами Особое значение при изучении апоптоза придается возможностям использования в целях терапии (нарушения мозгового кровообращения, нейродегенеративные процессы, заболевания сердечно-сосудистой системы, рак и др.) — торможения или активации этого вида клеточной гибели [44, 76, 77]. Так, общим для всех нейродегенеративных заболеваний является снижение устойчивости нервных клеток к стимуляторам апоптоза — эксайтоаминокислотам, вирусным белкам или ионам кальция. Однако, механизмы индукции апоптоза при различных заболеваниях ЦНС имеют существенные различия [8, 44, 77]. Например, в патогенезе болезни Паркинсона важную роль играет нарушение дыхательной функции митохондрий за счет блокирования митохондриального комплекса. В результате этого в клетках нервной системы происходит снижение содержания АТФ и последующее уменьшение образования глютатиона, который является универсальным антиоксидантом. Следующий этап заболевания характеризуется развитием окислительного стресса, что приводит к активации NMDA-рецепторов, повышенному поступлению ионов кальция в клетку, снижению выживаемости и апоптозу нейронов. Применение агонистов дофаминовых рецепторов и блокаторов бета-моноаминоксидазы повышает жизнеспособность культуры симпатических нейронов, что связывают с активацией экспрессии нейротрофических факторов, ингибирующих апоптоз [78].
В тоже время, в патогенезе бокового амиотрофического склероза принимает участие, по-видимому, несколько факторов. В первую очередь необходимо отметить частую мутацию гена В последнее время, с учетом роли свободных радикалов в развитии апоптоза нейронов, ведется активный поиск новых веществ среди растительных фенолов, способных препятствовать их токсическому воздействию на клетки. Ранее были описаны цитопротекторные эффекты флавоноидов в реакциях воспаления [3], при заболеваниях сердечно-сосудистой системы [80, 81] и раке [82]. Их влияния обуславливались модуляцией редокс-зависимых функций и кальциевым гомеостазом [83], активностью различных ферментных систем [3], а также пролиферацией, дифференциацией и другими клеточными ответами на действие ряда стимулов [3]. Такое многообразие эффектов обеспечивало выживаемость нейронов в механизмах защиты мозга при развитии апоптоза на фоне повторных ишемических атак [77]. Однако, некоторые эффекты флавоноидов часто оказывались антагонистическими и даже парадоксальными. Например, Ф в качестве антиоксидантов с одной стороны обладали выраженным цитопротекторным действием в развитии окислительным стрессом индуцированных ишемических инсультов и апоптоза нейронов зоны "пенумбры" [18, 19]; с другой — проявляют прооксидантные и проапоптические свойства [84, 85]. Это позволило предположить способность Ф к осуществлению бимодальных реакций [76], проявляющихся в условиях как in vitro, так и in vivo.
Сравнительно недавно было показано, что природный эпикатехин и его метаболит (
Ф обладают способностью избирательно взаимодействовать с митоген-активированным протеинкиназным (МАРК) сигнальным каскадом, передающим внутри- и внеклеточные сигналы для осуществления реакций межклеточного взаимодействия [89]. Эти реакции включают процессы фосфорилирования ядерных и цитозольных белков, а также активацию факторов транскрипции, модулирующих экспрессию генов. МАРК-каскад, состоящий из цепочки белков, последовательно активирующих процесс фосфорилирования (ингибитор МАРК-киназы, МАРК-киназа и регуляторные МАРК-белки). У животных экспрессированы 3 группы рецепторных МАРК-пептидов, существующих в различных изоформах (экстраклеточные сигналзависимые киназы —
Предложена гипотеза, согласно которой Ф могут осуществлять роль протекторных молекул в большей степени внутри-, чем внеклеточно [92]. Потенциальные механизмы в рамках данной гипотезы изучали на модели апоптоза нейронов, индуцированного oxLDL. Показано, что эпикатехин и 3-0-метилэпикатехин предупреждали развитие oxLDL-индуцированной гибели нейронов striatum мозга, включая ослабление oxLDL-индуцированной активации JNK-каскада и Отдельные авторы оценивали нейропротекторные свойства Ф из листьев чая на модели ишемии/реперфузии мозговой ткани, позволяющей воспроизводить у животных различные патофизиологические особенности дисфункции мозга. J. Hong и соавт. [93, 94] обнаружили, что водно-спиртовый (2%) экстракт из листьев зеленого чая стабилизировал процесс выживания нейронов в пределах обеих полушарий мозга и сокращал количество повторных ишемических атак после нанесения ишемической травмы. Как оказалось, экстракт зеленого чая снижал количество апоптических нейронов в зоне "пенумбры" коры и striatum мозга, а также способствовал улучшению локомоторной активности.
Подтверждения роли потребления Ф зеленого чая в контроле неврологических нарушений при нейродегенеративных заболеваниях были представлены W. Hellenbrand и соавт. [95]. Хотя возможные механизмы при этом далеки от разрешения, однако показано, что Ф зеленого чая обладают протекцией медь-индуцированного дефицита нейронов striatum мозга, а также — окислительным стрессом индуцированного повреждения и апоптоза клеток substantia nigra [96], которые характерны для этиопатогенеза болезни Паркинсона. Несмотря на то, что многие компоненты чайного экстракта позволяют осуществлять протекторные функции, наиболее активные из них (катехин и эпикатехин-галлат) способны самостоятельно (а не в смеси) предупреждать развитие индуцированных ишемией/реперфузией апоптических изменений ядер Заключение В многочисленных исследованиях подчеркивалась потенциальная роль фруктовых и овощных диет, а также целого ряда продуктов растительного происхождения в укреплении здоровья, предупреждении возникновения и развития многих заболеваний человека. Оказалось, что наряду с каротиноидами, витаминами и другими природными антиоксидантами, благотворные эффекты пищевых продуктов обусловлены присутствием в них нутриентов-флавоноидов, обладающих выраженной антиоксидантной активностью. Флавоноиды предупреждают возникновение и нейтрализуют действие АМК и АМА путем предотвращения пероксидации липидов и образования хелатных комплексов с металлами. Благодаря фенольной структуре молекулы флавоноиды выступают в качестве скавенджеров свободных радикалов, а также обуславливают механизмы их детоксикации. Особое место в работе отведено цитопротекторным эффектам флавоноидов. Представлены экспериментальные подтверждения важной роли флавоноидов в предупреждении развития признаков апоптоза нейронов и увеличении васкуляризации ткани мозга после церебральной ишемии в области пенумбры. Показано, что возможным механизмом нейропротекции альтеративных изменений клеток мозга мышей служит ослабление флавоноидами процессов активации проапоптической сигнализации в клетке. |