From Mitochondrial Function to Neuroprotection – An Emerging Role for Methylene Blue
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5826781/(июнь 2018)
От митохондриальной функции к нейропротекции — новая роль метиленового синегоАбстрактМетиленовый синий (МС) является хорошо зарекомендовавшим себя препаратом с долгой историей использования благодаря широкому спектру применения и минимальному профилю побочных эффектов. MС классически использовался для лечения малярии, метгемоглобинемии и отравления угарным газом, а также в качестве гистологического красителя.
Однако в последние годы его роль в митохондриях вызвала новый интерес. МС может перенаправлять электроны в митохондриальной цепи переноса электронов непосредственно с НАДН на цитохром с, повышая активность комплекса IV и эффективно стимулируя активность митохондрий при одновременном смягчении окислительного стресса. В дополнение к его благотворному влиянию на митохондриальную защиту, также известно, что MС оказывает сильное влияние на смягчение нейровоспаления. Митохондриальная дисфункция была идентифицирована как объединяющее патологическое явление для широкого спектра нейродегенеративных расстройств, что, таким образом, делает метиленовый синий перспективным терапевтическим средством.
В исследованиях как in vitro, так и in vivo MС продемонстрировал впечатляющую эффективность в смягчении нейродегенерации и сопутствующих поведенческих фенотипов на животных моделях при таких состояниях, как инсульт, глобальная церебральная ишемия, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и черепно-мозговая травма.
В этом обзоре обобщается недавняя работа, устанавливающая, что MС является многообещающим кандидатом для нейропротекции, с особым акцентом на вклад митохондриальной функции в здоровье нервной системы.
Кроме того, в этом обзоре будет кратко рассмотрена связь между MС, нейрогенезом и улучшением когнитивных функций в отношении возрастного снижения когнитивных функций.
1. ВведениеВ современной фармакологии большое внимание уделяется перепрофилированию лекарств, использованию ранее одобренных лекарств в новых условиях. Перепрофилирование уже существующих лекарств экономит время и деньги и может привести к клиническому применению гораздо быстрее, чем новое терапевтическое средство, благодаря установленному опыту обширных испытаний на безопасность. Эта стратегия обязательна в областях исследований с высоким риском, таких как нейродегенеративные заболевания, где фармацевтические компании могут неохотно инвестировать большие суммы денег из-за разочаровывающего опыта клинических испытаний высокого уровня. Такие состояния, как инсульт, болезнь Альцгеймера (БА) и болезнь Паркинсона (БП), являются разрушительными и сопровождаются пожизненными последствиями, в результате чего у пациентов и их семей снижается продолжительность и качество жизни. Это влияние усугубляется отсутствием медицинских возможностей, которые могут замедлить или обратить вспять прогрессирование заболевания. Эти состояния остро нуждаются в новых методах лечения и потенциально могут значительно выиграть от финансовой и клинической привлекательности нового применения проверенного временем лекарства.
Метиленовый синий (МС) является одним из таких примеров многообещающего препарата с потенциалом для повторного использования. Впервые синтезированный в 1876 году в качестве красителя для текстиля, MС исследовали на предмет его медицинского применения еще в 1891 году [1]. МБ классически использовался в клинике в качестве сильнодействующего противомалярийного средства, средства для лечения метгемоглобинемии и в качестве медицинского окрашивающего средства [2]. Доказательства также показали, что MС эффективен в качестве профилактической терапии вазоплегического синдрома, возникающего после операции аортокоронарного шунтирования и септического шока в результате вазомодулирующего действия MС, которое основано на его ингибировании гуанилатциклазы (GC) и синтазы оксида азота. [3].
Хотя этиология и прогрессирование основных нейродегенеративных заболеваний сильно различаются, общим для всех является митохондриальная дисфункция. При нейродегенеративных состояниях, таких как инсульт, БА, БП или черепно-мозговая травма (ЧМТ), митохондриальная дисфункция и окислительный стресс являются ключом к прогрессирующему изнурительному характеру состояния [4]. Нарушение митохондриальной цепи переноса электронов из-за прямого повреждения или недостаточного оборота приводит к дефициту энергии и высвобождению активных форм кислорода, которые могут вызывать прямое и последующее повреждение и вредные эффекты [5]. Таким образом, нацеливание и улучшение здоровья митохондрий является главной целью новых методов лечения. Митохондриальный механизм MС, а также его установленные показатели безопасности делают его кандидатом на лечение этих разрушительных состояний.
В этом обзоре будут обсуждаться основные механизмы митохондриальной дисфункции при каждом из основных нейродегенеративных заболеваний, а также будут оцениваться недавние исследования, изучающие влияние MС на каждое из них. Будут выделены исследования, в которых основное внимание уделяется растущей роли MС как рециркулирующего антиоксиданта и альтернативного переносчика электронов в митохондриальной цепи переноса электронов в контексте нейродегенерации [5]. Когда это возможно, комбинированная терапия будет сравниваться с монотерапией. Мы также кратко рассмотрим доказательства, свидетельствующие о ноотропной роли MС.
2. История, механизмы и текущие показания метиленового синегоМС был первоначально синтезирован Хайнрихом Каро в качестве красителя для текстиля, но вскоре было обнаружено, что он находит широкое применение в области медицины [1]. Ранние новаторские исследования включали его использование в качестве медицинского красителя, за которым вскоре последовало его применение Эрлихом и Гуттманом для лечения малярии [6]. Этот эффект сделал его важным наркотиком во многих военных кампаниях, хотя побочный эффект синей мочи не был особенно хорошо воспринят. Хотя выделение мочи синего цвета было нежелательно для солдат, оно было очень полезно в психиатрии; включенный в состав лекарственного средства, MС обеспечивал видимый индикатор соблюдения режима лечения [1,7]. Такой показатель был неоценим при исторически жестком лечении психических больных на ранних препаратах, чреватых нежелательными побочными эффектами. Благодаря этому применению в психиатрии в конечном итоге было обнаружено, что сам по себе MС оказывает антипсихотическое действие, что привело к развитию трициклических препаратов. MС использовался в качестве пилотной молекулы, открывая новую эру психофармакологии [1,8]. Известно, что некоторые из этих эффектов связаны с его функцией мощного ингибитора моноаминоксидазы (ИМАО), но недавняя работа выявила роль митохондриальных механизмов и метаболических манипуляций как источника, по крайней мере, некоторых полезных психиатрических эффектов препарата [9 ,10]. В последние годы эта работа расширила психиатрическое применение MС для лечения резидуальной биполярной депрессии [11].
Эти результаты предполагают, что MС обладает биодоступностью для головного мозга, что подтверждается фармакокинеическими исследованиями. МБ лучше всего вводить внутривенно, в/в. введение обеспечивает более высокие концентрации в крови и AUC, чем пероральное введение, и имеет период полувыведения примерно 6,6 часов. Независимо от пути введения, MС накапливается в значительных концентрациях в различных тканях, при этом концентрация MС в тканях головного мозга в десять раз превышает уровень в сыворотке уже через 1 час после внутривенного введения. администрации. Поглощение тканями происходит быстро, значительное накопление в органах отмечается через 3 минуты в легких, печени, почках и сердце. Биодоступность также модулируется статусом окисления, поскольку стабилизированная версия восстановленной формы MС демонстрирует заметно повышенное поглощение мозгом, что было учтено в недавнем клиническом испытании, которое будет обсуждаться в следующем разделе.
В настоящее время основными медицинскими применениями MС являются метгемоглобинемия, вазоплегический синдром, хирургическое окрашивание и нейротоксичность ифосфамида. Метгемоглобинемия вызвана преобладанием метгемоглобина (met-Hb), формы гемоглобина (Hb), в которой железосодержащий центр гемовой группы окисляется до трехвалентного состояния. Это может быть унаследовано или вызвано воздействием токсинов окружающей среды или некоторыми наркотиками, такими как амилнитрит. Метгемоглобинемия проявляется усталостью, головными болями, головокружением и синеватой кожей и может привести к судорогам и смерти при отсутствии лечения. Как только MС восстанавливается до лейкометиленового синего (leucoMB) в эритроцитах, leucoMB может восстанавливать met-Hb до Hb, повторно окисляясь до MС. Наиболее ярко это проиллюстрировано в случае Блю Фугейтс, семьи из сельского Кентукки, известной синей кожей в результате наследственной метгемоглобинемии. Лечение быстро уменьшило синий оттенок их кожи, к их большому облегчению.
Хотя метгемоглобинемия является одним из наиболее распространенных применений MС, другие его применения неоценимы. В качестве клинического окрашивания MС дает поразительные результаты при обнаружении нервов и свищей и обычно используется в нескольких процедурах, а также при гистологическом окрашивании. MС также можно использовать в качестве дополнительной терапии для химиотерапии ифосамидом, распространенным химиотерапевтическим агентом с вредными неврологическими побочными эффектами из-за нарушения митохондриальной цепи переноса электронов (ETC). В качестве альтернативного переносчика электронов MС может способствовать функционированию митохондрий, ограничивая нейротоксические эффекты препарата [20]. Наконец, вазоплегический синдром представляет собой опасное для жизни состояние, возникающее после искусственного кровообращения и проявляющееся в виде значительного снижения артериального давления, особенно распространенного у пациентов с историей приема ингибиторов ангиотензинпревращающего фермента. Введение MС может помочь в этом состоянии путем ингибирования гуанилатциклазы и синтазы оксида азота, повышая артериальное давление. Благодаря этим важным и необходимым медицинским применениям MС признан Всемирной организацией здравоохранения одним из необходимых лекарств, необходимых в базовой системе здравоохранения.
В митохондриях MС играет замечательную роль благодаря своей способности каталитического окислительно-восстановительного цикла. MС получает электроны от NADH через комплекс I, превращая его в бесцветный восстановленный аналог лейкометиленового синего (leucoMB) (рис. 1). LeucoMB напрямую переносит эти электроны на цитохром с, повторно окисляясь в процессе до MС, готового начать цикл заново. Даже при ингибировании комплекса I с помощью ротенона MB может обходить блокировку ЭТЦ в комплексах I и III, способствуя дыханию (рис. 2). Окислительное повреждение, являющееся причиной и следствием митохондриальной дисфункции, повреждает в первую очередь комплекс IV, а также комплекс I. Эту блокировку также обходит MС, так как он может значительно повышать активность комплекса IV. Экспрессия субъединиц комплекса IV впоследствии повышается, возможно, за счет индукции ядерного респираторного фактора 1 (Nrf1), который, как было обнаружено, повышен у старых мышей, получавших MB. Это увеличение может быть связано с инактивацией PTEN за счет умеренного увеличения продукции H2O2 или ингибирования GSK-3, увеличивая экспрессию NRF1 ниже пути NRF2/ARE.
![Изображение](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5826781/bin/nihms901937f1.jpg)
Рисунок 1
Химическая структура метиленового синего и лейкометиленового синего
![Изображение](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5826781/bin/nihms901937f2.jpg)
Рисунок 2
Схема MB как альтернативного митохондриального переносчика электронов
Электроны в митохондриальной цепи переноса электронов передаются от комплекса I к комплексу IV, обеспечивая трансмембранный потенциал для производства АТФ комплексом V. Утечка электронов из комплекса I и комплекса III действует как основной клеточный источник продукции АФК. MB был продемонстрирован как альтернативный митохондриальный переносчик электронов для перенаправления электронов непосредственно от комплекса I к комплексу III, избегая утечки электронов и последующего образования АФК. Это значительно облегчает активность комплекса IV, усиливая митохондриальное дыхание.
Этот окислительно-восстановительный цикл может напрямую защищать от окислительного стресса при патологических состояниях, сопровождаясь усилением передачи сигналов ядерного фактора (эритроидного происхождения 2), подобного элементу 2/антиоксидантного ответа (Nrf2/ARE). В физиологических условиях MB также активирует Nrf2/ARE с соизмеримым увеличением антиоксидантной защиты в результате умеренного, полезного увеличения производства H2O2 [30]. Механизмы МБ в контексте конкретных условий будут подробно обсуждаться в следующих разделах.
3. Метиленовый синий, митохондриальная дисфункция и нейродегенерацияМозг в значительной степени зависит от окислительного метаболизма как источника энергии, потребляя 20% глюкозы в организме и 20% кислорода в состоянии покоя [31]. Поддержание мембранного потенциала покоя, генерация потенциалов действия и постсинаптическое действие глутамата составляют основную часть этой потребности в энергии, которая тесно связана с активностью нейронов [32,33]. Учитывая поразительное отсутствие альтернативных источников энергии в мозге, правильное функционирование митохондрий необходимо для здоровья мозга. Дисфункциональные митохондрии, наоборот, вовлечены в несколько нейродегенеративных состояний, играя либо причинную, либо способствующую роль [4].
Основная функция митохондриальной ЭТЦ заключается в поэтапном переносе электронов высокой энергии от энергетических субстратов, полученных из пищи, таких как НАДН, к О2. Каждый шаг высвобождает энергию, которая используется для транспорта протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану, создавая трансмембранный потенциал, который приводит в действие АТФ-синтазу, молекулярный ротор, который превращает АДФ в АТФ [23,34]. Правильная работа митохондрий зависит от последовательного прохождения электронов через каждую ступень ЭТЦ. Когда ETC становится максимально занятым, переносчики электронов начинают отдавать электроны O2, производя вредные АФК [34].
Радикалы супероксида, образующиеся в результате утечки электронов, сами по себе повреждают, но они могут реагировать с оксидом азота (NO), генерируемым синтазой оксида азота, с образованием высокореакционноспособного пероксинитрита (ONOO-). ONOO- может вызвать обширное повреждение клеточных липидных компонентов, что особенно влияет на чувствительные олигодендроциты и их предшественники [35,4]. Анионы супероксида могут быть преобразованы в H2O2 с помощью супероксиддисмутазы, но это также может быть преобразовано в более опасный продукт – гидроксильные радикалы [34]. После образования эти молекулы вызывают в значительной степени вредные модификации множества клеточных компонентов.
Белки часто становятся мишенью атаки свободных радикалов. Модификации белков с помощью ROS/RNS включают, но не ограничиваются: окислением, нитрозилированием, ацетилированием и фосфорилированием [36]. Поскольку митохондрии являются источником АФК и содержат несколько металлопротеинов, которые могут катализировать образование АФК, таких как гидроксильные радикалы, они сильно страдают от окислительного повреждения [34]. Митохондриальные компоненты ETC являются мишенями окислительного повреждения, что приводит к прогрессирующей метаболической деградации, способствующей нейродегенерации [37] (рис. 3).
![Изображение](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5826781/bin/nihms901937f3.jpg)
Рисунок 3
МС в нейродегенерации
MС может защищать от апоптоза нейронов, подавляя митохондриальную дисфункцию и последующее окислительное повреждение и снижение уровня АТФ. MС поддерживает нейрогенез, уменьшая нейровоспаление и стимулируя рост нейритов и синаптогенез. Таким образом, MС может предотвратить повреждение нейронов и может способствовать восстановлению нейронов.
Функция митохондрий также зависит от динамики деления/слияния и митофагии, основные компоненты которой могут быть повреждены нитроксидативным повреждением [38]. Динамика деления/слияния регулируется ГТФазами семейства динаминов и служит для поддержания митохондриальной функции путем обмена митохондриальными компонентами и деградации поврежденных митохондрий посредством митофагии [4]. Окислительное повреждение родственного слиянию белка OPA1 приводит к перемещению в цитозоль с последующей фрагментацией митохондрий [39]. Фрагментация митохондрий распространена при некоторых нейродегенеративных заболеваниях, что будет более подробно обсуждаться в последующих разделах этого обзора [40]. Митохондриальный транспорт неразрывно связан с динамикой деления/слияния, и показано, что он нарушается при нейродегенеративных заболеваниях [4,41].
Все эти пагубные эффекты усугубляются повреждением мДНК, что приводит к повреждающим мутациям, гетерогенно распределенным среди митохондрий в одной клетке. Это повреждение препятствует надлежащему восстановлению митохондрий за счет упреждающего отключения белков до их трансляции. Это гарантирует, что повреждение митохондрий будет длительным и может даже распространяться во время событий деления/синтеза [42]. Эти мутации дополнительно усугубляются нарушением динамики деления/слияния и неправильной регуляцией митофагии [34]. Важно отметить, что все эти повреждения могут увековечивать друг друга по принципу прямой связи, приводя к прогрессирующей митохондриальной дисфункции, которая способствует неумолимому прогрессу нейродегенерации [38].
3.1 Метиленовый синий и ишемическое поражение головного мозгаКак отмечалось ранее, мозг чрезвычайно чувствителен к недостатку кислорода и глюкозы в результате его высоких энергетических потребностей [31]. Ишемия, или прекращение притока крови к мозгу, может быть очаговой или глобальной. Глобальная церебральная ишемия (GCI) представляет собой полную потерю мозгового кровотока (CBF) и возникает во время травмы, такой как остановка сердца, асфиксия, кардиохирургия и гипотензивный шок. Остановка сердца требует быстрого вмешательства; даже при реанимации это обычно смертельно, с летальностью более 90%. Тех, кто выживет, ждет множество возможных инвалидностей. Выжившие должны бороться с сенсомоторным дефицитом, нарушением регуляции настроения, потерей памяти и снижением когнитивных функций, которые являются результатом отсроченной гибели нейронов по всему мозгу, особенно в гиппокампе [74,75].
Единственным показанным в настоящее время вмешательством для предотвращения гибели клеток, вызванной GCI, является терапевтическая гипотермия (TH), которая замедляет окислительный метаболизм и потенциально смягчает вызванный реперфузией окислительный стресс и митохондриальный сбой [76,77] [78]. Ранняя индукция TH является обязательной, поскольку TH дает убывающую отдачу с увеличением продолжительности после GCI. Кроме того, для индукции ТГ требуется существенное специализированное оборудование и подготовка персонала для предотвращения значительных побочных эффектов [79]. Это ограничивает развертывание, требуя исследования альтернативных методов лечения, которые могут быть развернуты с большей легкостью и доступностью.
Очаговая церебральная ишемия, или инсульт, происходит почти каждые 40 секунд в Соединенных Штатах и убивает или значительно ухудшает состояние 60% пациентов. Инсульт влечет за собой тяжелые эмоциональные, медицинские и экономические потери, которые ежегодно обходятся в США почти в 33 миллиарда долларов [80]. Существует две основные категории инсульта: ишемический и геморрагический [80]. Большинство инсультов являются ишемическими, возникающими в результате закупорки церебральной артерии, обычно вследствие атеротромбоза [80]. Центральное ядро ишемизированной области быстро подвергается преимущественно некротической гибели клеток, в то время как окружающая область полутени подвергается прогрессирующей энергетической недостаточности, воспалению и отсроченной апоптотической гибели клеток [81].
В настоящее время существует только одно показанное вмешательство в терапии инсульта — тромболизис с использованием тканевого активатора плазминогена (tPA) [82–84]. Это обусловливает необходимость правильной диагностики с помощью методов визуализации головного мозга, которые поглощают 4-часовое временное окно, в течение которого можно спасти очаг инфаркта [83]. Поскольку инсульт часто не идентифицируется с этим временным окном, крайне необходимы фармакологические стратегии, которые могут свести к минимуму или предотвратить дегенерацию нейронов, особенно те, которые можно легко и дешево применить.
Церебральная ишемия, очаговая или глобальная, протекает с двумя фазами повреждения: ишемией и реперфузией. Во время начального начала ишемии энергетическая недостаточность сначала нарушает поддержание потенциала мембраны нейронов. Последующая деполяризация вызывает чрезмерное высвобождение глутаматергической кислоты, что вызывает быстрый приток Са2+. Резкое повышение уровня внутриклеточного Са2+ активирует фосфолипазы, кальпаины и катепсины, повышает активность ЦОГ-2 и NOS и вызывает прекращение синтеза белка [85,86]. Между тем, когда митохондриальное дыхание останавливается, утечка электронов генерирует АФК, которые повреждают митохондриальные и клеточные компоненты как нейронов, так и соседних клеток. Сосудистый эндотелий реагирует на это окислительное повреждение и локальное высвобождение воспалительных факторов путем проницаемости и нарушения целостности гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) [87].
При реперфузии кислород и энергетические субстраты возвращаются в уже не функционирующие митохондрии. Дыхание возобновляется в дефектных митохондриях, высвобождая постоянно увеличивающиеся уровни АФК, что еще больше усугубляет окислительное повреждение. Пермеабилизация ГЭБ позволяет циркулирующим макрофагам инфильтрировать и поддерживать локальное воспаление [4]. Все это время микроглия и астроциты реагируют посредством глиальной активации, высвобождая во внеклеточную среду свои собственные воспалительные факторы [88]. Со временем этот самовоспроизводящийся цикл в конечном итоге проявляется в виде апоптотической гибели клеток в полутени при фокальной ишемии или в особенно чувствительных областях, таких как гиппокамп, при GCI [89]. Очевидно, что здоровье митохондрий является важным фактором дегенерации нейронов. Таким образом, митохондриальная дисфункция стала привлекательной мишенью для нейропротекции против ишемического инсульта.
Было показано, что MС оказывает нейропротекторное действие в нескольких моделях ишемического повреждения, отчасти благодаря его антиоксидантной способности и способности способствовать альтернативному переносу митохондрий. Тем не менее, большая часть работы в этой области была сосредоточена на ингибировании МС активности NOS. Большая часть этой работы была проделана на моделях остановки сердца у поросят в лаборатории Виклунда. В 2007 году они продемонстрировали, что введение MС в модели остановки сердца у поросят может значительно увеличить выживаемость в течение 5 часов, если их доставить через 1 минуту после реанимации. Интересно, что они отметили, что MС преодолевает гематоэнцефалический барьер, а позже обнаружили, что он может сохранять целостность ГЭБ [90,45]. Позже эта группа обнаружила, что лечение MС увеличивает системное кровообращение за счет ингибирования NOS и снижает показатели перекисного окисления липидов и воспаления. Эти защитные эффекты наблюдались как в мозговой, так и в сердечной ткани на модели свиньи [45]. Нейропротекторные эффекты MС значительно усиливались в сочетании с гипотермией как у свиней, так и у грызунов [46,47], возможно, из-за поддержания правильной функции митохондрий при замедлении метаболизма и индукции гипотермических клеточных ответов [91]. Возможно, что эффективность ТГ может быть повышена при добавлении промотора митохондриальной функции, особенно того, который может смягчить окислительное повреждение. Однако необходимы дополнительные доказательства, чтобы сделать убедительный вывод о перспективах комбинированной терапии МС+ТГ.
Исследования клеточных культур из других лабораторий показали, что некоторые нейропротекторные эффекты MС связаны со стабилизацией Hif-1α и фосфорилированием пути Akt [44]. Некоторые эффекты могут быть связаны с ингибированием каспаз. MС также может окислять функциональный остаток цистеина как на каспазе-3, так и на каспазе-6, предотвращая их протеолитическое действие [48]. Этот феномен также может лежать в основе нейропротекции МС и требует дальнейшего изучения.
Те же самые митохондриальные нейрозащитные механизмы MС, продемонстрированные в GCI, также продемонстрировали эффективность на нескольких животных моделях инсульта. MС может увеличить церебральный кровоток в гипоперфузированной ткани в постоянной модели MCAO у крыс, блокируя сосудорасширяющее действие NO посредством ингибирования GC и NO-синтазы, предотвращая эскалацию развития полутени [52,49]. Лежащий в основе митохондриальный механизм MС был подтвержден на моделях инсульта с повышенным поглощением O2, комплексной активностью IV и содержанием АТФ [54,50,51]. Другая работа неоднократно показывала, что размер инфаркта можно контролировать или уменьшить с помощью MС, и что эта защита соизмерима с улучшенными поведенческими результатами в моделях грызунов [44,53]. Механизмы, с помощью которых это достигается, разнообразны.
В вышеупомянутом исследовании было показано, что MС удалось восстановить митохондриальную структуру и потенциал митохондриальной мембраны при сохранении митофагии [51]. Подобные исследования связывают индукцию аутофагии MС с активацией mTOR и фосфорилированием AKT [44,92]. Примечательно, что недавняя работа по применению MС при субарахноидальном кровоизлиянии, форме геморрагического инсульта, заметно недостаточно представленной в исследованиях MС, показала аналогичное увеличение фосфорилирования AKT и GSK-3β, которое сопровождалось улучшением неврологической функции и уменьшением нейровоспаления [55]. Повсеместно было обнаружено, что MС ингибирует проапоптотические пути и обеспечивает нейрозащиту от гибели клеток в области полутени, в некоторых случаях сохраняя критические клеточные структуры, такие как концевые ножки астроцитов [93,50].
Как упоминалось ранее, работа в нашей лаборатории показала, что MС может способствовать нейропротекции за счет снижения активации каспазы и защиты потенциала митохондриальной мембраны. Результаты также коррелировали с улучшенными поведенческими характеристиками в лабиринте Барнса, классическом тесте пространственной памяти, зависящей от гиппокампа [43]. В нашей дальнейшей работе лечение МБ применялось к модели фототромботического инсульта у крыс. Мы продемонстрировали нейрозащиту от гибели нейронов, а также стимулирование нейрогенеза, вызванного инсультом. Эти результаты были параллельны уменьшению воспаления в микросреде [54]. Мы предполагаем, что это результат роли митохондрий в нейрогенезе, которая будет обсуждаться более подробно в следующем разделе.
Комбинированная терапия изучается с большим интересом, несмотря на присущую ей сложность дизайна исследования. Новый пример комбинированного лечения нормобарической гипероксии с MС. Комбинированная терапия уменьшила объем инфаркта и привела к поведенческим улучшениям в модели инсульта по сравнению с любым лечением по отдельности [56]. Наша работа показала, что добавление MС к терапевтической гипотермии помогло спасти гибель нейронов и поведенческие результаты после расширенного GCI. Более того, комбинированная терапия значительно снижала активацию глии, воспаление и пути апоптоза каспазы-3. Это было связано с улучшением митохондриальной дисфункции. Все эти эффекты заметно усиливались при комбинированной терапии по сравнению с любой монотерапией [46]. Поэтому вполне вероятно, что комбинированная терапия является ключом к максимизации полезных эффектов MС, особенно с учетом широкого диапазона и разнообразия ишемического повреждения головного мозга, в частности инсульта. Если MС действительно окажется успешным в лечении ишемического повреждения головного мозга, локального или глобального, он может открыть эффективное лечение в различных медицинских учреждениях из-за его повсеместного распространения во всем мире.
3.2 Метиленовый синий и болезнь АльцгеймераБА представляет собой прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, поражающее 1 из 9 человек старше 65 лет и приводящее к потере памяти, снижению когнитивных функций, тяжелой инвалидности и смерти [70]. В настоящее время не существует эффективного лечения БА, которое могло бы остановить или значительно замедлить неумолимое ухудшение состояния пациента. В этом отношении это делает БА уникальным среди основных убийц в США, поскольку это одна из немногих основных причин смерти с небольшими профилактическими или терапевтическими мерами [70]. Учитывая рост сообщества пожилых людей в результате более качественного и доступного здравоохранения, важность терапевтических возможностей для лечения болезни Альцгеймера со временем будет только возрастать. Крайне важно разработать лекарства, которые могут воздействовать на ключевые механизмы или несколько механизмов в случае MС.
АтД классически характеризуется гистологически накоплением сенильных бляшек, олигомеров β-амилоида (Aβ) и нейрофибриллярных клубков (NFT), состоящих из гиперфосфорилированного тау-белка [70]. Aβ является продуктом протеолитического расщепления мембраносвязанного белка-предшественника амилоида (APP) последовательно γ-секретазой и β-секретазой. Процессинг АРР Aβ может происходить по одному из двух путей: амилоидогенному и неамилоидогенному пути [94]. Неамилоидогенный путь начинается с расщепления АРР α-секретазой, что дает растворимый N-концевой фрагмент, sAPP-α, и связанный с мембраной С-концевой фрагмент (CTF-α). CTF-α далее процессируется γ-секретазой с образованием другого N-концевого растворимого фрагмента, p3. Растворимые фрагменты, генерируемые этой последовательностью, не образуют агрегатов и не являются нейротоксичными. Однако амилоидогенный путь начинается с расщепления АРР β-секретазой с образованием sAPP-β. Расщепление γ-секретазой оставшегося фрагмента CTF-β генерирует Aβ, который постепенно агрегирует из олигомеров в бляшки, которые накапливаются внеклеточно, нарушая клеточную функцию и активируя воспалительные пути [94]. Олигомерный Аβ также накапливается внутриклеточно, локализуясь в митохондриях, способствуя митохондриальной дисфункции и энергетической недостаточности, характерным для патологии БА [95].
Классически основной подход к терапевтическим исследованиям при БА был нацелен на Aβ. МС совсем недавно, в 2007 году, начали изучать в этом качестве. Ранние работы показали, что MС может способствовать фибрилляции Aβ, тем самым подавляя образование нейротоксического олигомерного Aβ, хотя более поздние исследования in vitro были противоречивыми [96,67]. Работа, проведенная на трансгенных мышах (3xTg-AD), показала, что MС поддерживает протеолитический клиренс Aβ за счет повышения активности химотрипсина и трипсиноподобной протеасомы в головном мозге [64]. Уменьшенное отложение Aβ в гиппокампе и соседней коре головного мозга наблюдалось в другой модели трансгенных мышей (APP/PS1), и эти наблюдения были подтверждены соразмерной защитой от снижения когнитивных функций в поведенческих задачах, измеряющих социальное взаимодействие, обучение и память, а также исследовательскую активность [61]. Аналогичные результаты были получены на трансгенных мышах PSAPP, у которых было установлено, что антиамилоидогенный механизм связан с ослаблением активности и экспрессии β-секретазы [60].
Митохондриальная дисфункция на ранних стадиях патологии БА проявляется до значительного отложения бляшек и снижения когнитивных функций [97–99]. Активность дыхательной цепи затруднена, особенно в комплексах III и IV, что приводит к снижению энергетического метаболизма в пораженных участках [98, 100, 101]. Известно, что растворимый Aβ колокализуется в митохондриях и импортируется митохондриальным комплексом импорта, TIM/TOM [102,103]. Оказавшись в митохондриях, Aβ действует на несколько молекулярных мишеней, включая Aβ-связывающую алкогольдегидрогеназу (ABAD) и комплекс IV, вызывая повреждение ETC и последующую выработку АФК, что приводит к нарушению потенциала митохондриальной мембраны [104, 63, 105, 103].
Помимо повреждения клеточных компонентов, Аβ-индуцированная генерация АФК также служит для индукции митохондриальной фрагментации в результате s-нитрозилирования Drp1 [106]. Это изменение в митохондриальной динамике сопровождается снижением аксонального митохондриального транспорта [104]. Aβ также приводит к повышению уровня митохондриального Ca2+, что может индуцировать открытие mPTP, высвобождение цитохрома с и фактора, индуцирующего апоптоз (AIF), которые запускают индукцию путей гибели клеток [97] . Эти особенности указывают на поразительное клиническое значение митохондриальной недостаточности при БА, а также на потенциальную мишень для терапевтических средств, таких как MС.
Хорошо известно, что MB способствует активности комплекса IV и митохондриальной активности, и этот эффект распространяется на мозг AD [107,26]. Одним из основных механизмов MС является стимулирование активности комплекса IV посредством циклирования электронов, но способствующим фактором является активация синтеза гема [63,107]. В крысиной модели AD со стрептозотоцином (STZ) увеличение продукции комплекса IV и АТФ отражалось в улучшении когнитивного дефицита, вызванного повреждением гиппокампа [57]. Было показано, что MС снижает маркеры окислительного стресса в нескольких моделях AD с помощью методов электронного циклирования и ингибирования нижестоящих механизмов и взаимодействий [57, 108, 109].
Одним из таких методов является ингибирование связывания Aβ-ABAD, предотвращающее связанный с этим выход АФК, отказ MMP и последующую гибель клеток [109–111,103]. Стимулирование митохондриальной функции может предотвратить цитозольное высвобождение факторов, вызывающих смерть, но MС может сделать эту защитную меру еще на один шаг, дезактивируя каспазы посредством окисления функционального цистеина. MС также нацелен на другие признаки расстройства, NFT и Aβ-бляшки. Принимая во внимание прогрессивную обратную связь почти каждого аспекта механизмов БА, эти более широкие механизмы смягчают дальнейшие митохондриальные нарушения.
Другой важной особенностью БА является наличие NFT, агрегатов гиперфосфорилированного тау-белка (р-тау). Тау представляет собой белок, ассоциированный с микротрубочками, который широко распространен в ЦНС, стабилизируя микротрубочки нейронов. Тау является мишенью фосфорилирования для киназ, таких как киназа гликогенсинтазы 3β (GSK3β), киназа c-Jun (JNK) и циклинзависимая киназа 5 (cdk5) [112–114]. В то время как фосфорилирование тау является физиологическим процессом, чрезмерное фосфорилирование тау является патологическим и способствует деградации нейронов при БА.
При чрезмерном фосфорилировании тау диссоциирует от микротрубочек, вызывая их дестабилизацию и последующее растворение. При этом сам p-tau агрегирует в клубки [115]. При нарушении сетей микротрубочек нарушается клеточная функция и аксональный транспорт, например, вышеупомянутый дефицит митохондриального транспорта [116]. Клиренс через протеасомы также затруднен. Хотя p-tau сильно убиквитинилирован, p-tau продолжает накапливаться в избытке, который может очистить протеасома [117,116]. Горячо обсуждается вопрос о том, предшествует ли таупатия патологии Aβ или является ее следствием, как и ее точный вклад в патологию. Несмотря на это, ясно, что агрегация тау играет жизненно важную роль при БА, и устранение ее дисфункции является важной темой изучения.
Пионерская работа по применению MС при БА была проведена Клодом Вишиком, в ходе которого его лаборатория обнаружила, что MС обращает вспять агрегацию тау, блокируя связывание тау-тау, хотя и в дозах, превышающих клинически значимые уровни [66]. MС и его производные уменьшали накопление тау-филаментов в анализе in vitro, что, как позже выяснилось, было связано с ингибированием образования филаментов на первом и четвертом повторяющихся пептидах в домене, связывающем тау-микротрубочки [68,118]. В отличие от других родственных красителей, MС не связывается и не ассоциируется с протофибриллами тау [119]. Он предотвращает фибрилляцию, окисляя остатки цистеина в тау, заставляя их образовывать более стабильную мономерную форму, устойчивую к агрегации [69].
Кроме того, также было замечено, что MС способствует удалению тау-филаментов, индуцируя аутофагию [65]. Многочисленные исследования показали, что MС помог снизить нагрузку тау в различных моделях трансгенных мышей с таупатией при краткосрочном и долгосрочном лечении, и что этот клиренс был связан с улучшением когнитивного дефицита [58,62]. При превентивной доставке MС может предотвратить снижение когнитивных функций и накопление тау у трансгенных мышей, экспрессирующих проагрегантный человеческий тау [120].
Исследования с применением МС на различных моделях животных дали интересные, хотя и несколько противоречивые результаты. MС не удалось снизить нагрузку тау в модели рыбок данио, хотя он показал многообещающие результаты в снижении агрегации гентингтина [121]. В модели трансгенной тауопатии C. elegans MB удаляли тау и способствовали правильному митохондриальному транспорту, который сопровождался повышенной подвижностью [122].
MС применялся в клинических испытаниях на людях, начиная с фазы 2 клинических испытаний MС под названием «Rember». Исследование показало улучшение как когнитивных функций, так и мозгового кровотока у пациентов с БА легкой и средней степени тяжести [59]. Был разработан вариант молекулы лейкометилтиониния бис (гидрометансульфонат), или LMTM, более стабильный в восстановленной форме [15]. К сожалению, последующее 15-месячное исследование фазы 3 LMTM дало отрицательные результаты [14]. Ожидается еще одно исследование LMTM в легких случаях БА. Эти и другие исследования могут дополнительно пролить свет на защитные механизмы МС против БА и могут однажды привести к клиническому воплощению.
3.3 Метиленовый синий и болезнь ПаркинсонаБолезнь Паркинсона (БП) представляет собой прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, возникающее в результате гибели дофаминергических нейронов в черной субстанции (ЧС), клинически проявляющееся тремором, ригидностью, нарушением движений, плоским лицом и депрессией [4]. Заболевание обычно возникает после 50 лет, поражая 100–300 человек из каждых 100 000, проявляя двигательные симптомы у большинства пациентов [123]. БП снижает ожидаемую продолжительность жизни пациентов, при этом возраст начала значительно влияет на прогноз; у пациентов с ранним началом ожидаемая продолжительность жизни снижается на 10 лет, а у пациентов с поздним началом — около 5 лет ожидаемой продолжительности жизни [124]. Смертность при БП обычно является результатом падений или респираторных инфекций и отеков, часто возникающих в результате случайной аспирации пищи из-за затрудненного глотания [125–127].
Лечение болезни Паркинсона обычно заключается во введении предшественника дофамина леводопы, которая уменьшает ригидность и тремор. К сожалению, терапия леводопой сопровождается неврологическими и поведенческими побочными эффектами, и в ходе лечения обычно требуются постоянно увеличивающиеся дозы и вторичные препараты [128]. Левадопа, хотя и жизненно необходима пациентам, является паллиативным средством и не замедляет прогрессирование заболевания. Таким образом, крайне важно разработать методы лечения, которые могут воздействовать на ключевые механизмы повреждения нейронов, чтобы остановить или обратить вспять течение болезни.
Гистологическим признаком болезни Паркинсона является наличие телец Леви и нейритов Леви, внутриклеточных агрегатов белка α-синуклеина (α-син) [4]. Эти агрегаты в значительной степени связаны с изменениями экспрессии убиквитинлигазы E3, Parkin, которая вызывает дефицит контроля качества митохондрий, препятствуя переносу микротрубочек [129]. A-syn при перемещении в митохондрии может нарушать функцию как комплекса I, так и комплекса IV ETC, что приводит к прогрессирующей митохондриальной дисфункции, которая усиливается недостаточностью митофагии [130,131]. Эта дисфункция ETC является основой, на которой генерируются две из наиболее широко используемых моделей симптомов БП: MPTP и ротенон, оба из которых ингибируют комплекс I [5, 132]. Эти токсины вызывают характерное повреждение дофаминергических нейронов ЧС и проявляют паркинсонический тремор [132]. Как и при всех нейродегенеративных заболеваниях с митохондриальным механизмом, терапевтические стратегии, нацеленные на такую дисфункцию, предлагают заманчивое направление исследований.
Основополагающая работа, которая определила альтернативную способность переноса электронов MС, была обнаружена с использованием ротеноновой модели PD. Наряду с упомянутым выше сохранением функции ЭТЦ лечение МС сопровождалось поведенческими улучшениями в треморе, локомоции, осанке и двигательных навыках [5]. Помимо этого исследования, доказательства эффективности при БП являются косвенными, но все же многообещающими. Как митофагия, так и общая аутофагия индуцируются введением MС, что может смягчить дефицит контроля качества митохондрий, который приводит к прогрессированию заболевания [51,65]. Более того, установленные антиоксидантные и стимулирующие ETC функции MС в митохондриях нацелены на те самые комплексы, на которые больше всего нацелена PD [27,5,133].
С его низким профилем побочных эффектов существует вероятность того, что MС, вводимый профилактически или на ранних стадиях болезни Паркинсона, может предотвратить прогрессирование расстройства из-за полезных эффектов низких уровней H2O2, генерируемых MС в физиологических условиях, опосредованных Путь Nrf2/ARE, который предположительно связан с болезнью Паркинсона [134, 135, 30]. Наконец, свойства MС, связанные с ИМАО, могут обеспечить дополнительные преимущества при постоянном приеме леводопы, хотя профиль безопасности этой комбинации требует тщательного изучения [136, 128]. Тесная связь профиля митохондриальных эффектов MС и митопатии, присутствующей при БП, кажется многообещающей, подчеркивая необходимость применения MС к различным химическим и генетическим моделям животных при БП.
3.4 Метиленовый синий при черепно-мозговой травмеВ последние годы TBI вновь привлек внимание общественности из-за того, что спортивные травмы и солдаты, возвращающиеся из зон активных боевых действий по всему миру, стали заметными. Черепно-мозговая травма является серьезной причиной смерти и инвалидности, ежегодно регистрируя около 2 миллионов случаев в Соединенных Штатах [137]. ЧМТ является результатом сильной травмы головы, хотя это простое объяснение противоречит неоднородному характеру состояния. Травма ЧМТ состоит из двух фаз: первичной и вторичной. Первичным повреждением является само механическое повреждение, которое вызывает смещение аксональных путей, разрыв микроциркуляторного русла и сдавление мозговой ткани. Со временем развивается вторичное повреждение, включающее повышение внутричерепного давления, отек головного мозга, эксайтотоксичность, прогрессирующее воспаление, активацию глии, метаболическую недостаточность, судороги и ишемическое повреждение [138,139]. Нарушения, вызванные ЧМТ, различаются в зависимости от силы удара; тяжелые случаи могут сопровождаться потерей сознания, долговременной потерей памяти и судорогами, в то время как «легкая» ЧМТ может проявляться спутанностью сознания, дефицитом внимания или когнитивных функций, а также нарушением сохранения памяти, хотя определение легкой ЧМТ несколько размыто [138, 140].
Большая часть клеточной патологии при ЧМТ имеет поразительное сходство с ишемическим повреждением головного мозга, и на то есть веские причины. Повышенное внутричерепное давление, нарушение регуляции мозгового кровообращения и нарушение микроциркуляторного русла служат для ограничения кровотока и последующей доставки кислорода в мозг, что приводит к энергетической недостаточности, эксайтотоксичности и митохондриальной дисфункции [141, 142]. Перепроизводство АФК приводит к прогрессирующему упадку митохондрий и хронической глиальной активации, способствуя возникновению известного паттерна митохондриальной нейродегенерации [143,144]. Механическое разрушение путей белого вещества усугубляет повреждение, нарушая аксональный митохондриальный транспорт. Дисфункциональные митохондрии после аксотомии выделяют избыточное количество АФК рядом с чувствительными, богатыми липидами олигодендроцитами, вызывая значительное перекисное окисление липидов и дальнейшее прогрессирование глиоза [145]. АФК и региональное воспаление вызывают пермеабилизацию ГЭБ за счет активации металлопротеиназ матрикса и снижения экспрессии белков плотных контактов. Это обеспечивает обратную связь и способствует воспалению и инфильтрации периферических макрофагов, снова усиливая экспрессию и высвобождение воспалительных факторов и воспалительных сигналов [146].
Эти процессы приводят к активации конкурирующих путей клеточной гибели, генерирующих фенотипы гибели в континууме от апоптоза до некроза [147]. Ориентация на эти пути оказалась сложной задачей. Терапевтическая гипотермия применялась так же, как и при GCI. В случае ЧМТ он эффективен для снижения внутричерепного давления, но применяются те же ограничения в технике и доступности [148]. Гипербарическая оксигенотерапия также изучалась с ограниченной эффективностью [149]. Значительное исследование было посвящено антиоксидантной терапии при ЧМТ, что дало многообещающие доклинические результаты. Эти результаты, к сожалению, не нашли подтверждения в клинических испытаниях [150]. Возможно, что многие неудачи лечения ЧМТ, а также других нейродегенеративных состояний связаны с дизайном доклинических исследований или различиями между видами. Особенно при инсульте и ЧМТ основным фактором может быть неоднородность травмы. Несмотря на это, окно для эффективных методов лечения широко открыто, и пациенты отчаянно нуждаются в нем.
В нескольких доклинических исследованиях изучалась терапия MС после легкой ЧМТ, но настоящие исследования обнадеживают. Первоначальные исследования показали, что MС, вводимый дважды вскоре после ЧМТ, может уменьшить объем инфаркта в течение нескольких временных точек, вплоть до 14 дней после ЧМТ. МС уменьшал соматосенсорный дефицит в поведенческих тестах и уменьшал гибель клеток в пораженной коре [72]. Это было подтверждено работой, показывающей, что лечение MС, проводимое в течение 15–30 минут после ЧМТ, может уменьшить отек головного мозга и воспаление в долгосрочной перспективе после ЧМТ. Неврологическая оценка улучшилась при MС, но никаких различий не было замечено в конкретных тестах на координацию движений [73]. Эти результаты обнадеживают, но стратегия дозирования нереалистична; крайне маловероятно, что у пациента с ЧМТ будет возможность провести почти немедленную инфузию MС.
К счастью, другие исследования показали, что лечение даже через 24 часа после ЧМТ может воспроизвести аналогичные улучшения размера инфаркта и неврологической функции [71]. Эти результаты были отражены и расширены в последующем исследовании с парадигмой множественного лечения, в которой лечение МС уменьшало отек, долгосрочный глиоз, гибель нейронов и размер инфаркта, защищая при этом от поведенческих нарушений. Более того, эти преимущества были связаны с усилением индукции аутофагии [70].
Эти и другие исследования, касающиеся ишемического повреждения, воодушевляют, поскольку пациенты с ЧМТ остро нуждаются в эффективных методах лечения, особенно таких недорогих и доступных, как MС. Однако из-за разнообразной природы черепно-мозговых травм маловероятно, что один агент обеспечит наиболее оптимальную защиту от совокупности патологий после ЧМТ. Таким образом, MС, вероятно, окажется наиболее эффективным в форме комбинированной терапии, как описано ранее в контексте GCI и инсульта. В настоящее время таких исследований не проводилось, но растущая литература по комбинированной терапии МС при других повреждениях головного мозга может стать прочной основой для разработки исследований, применимых к ЧМТ. Хотя эти исследования по своей сути будут сложными, перспектива эффективного лечения повреждения нейронов, вызванного ЧМТ, слишком важна, чтобы ее игнорировать.
4. Метиленовый синий в улучшении когнитивных функций, возрастном снижении когнитивных функций и нейрогенезе.Когнитивное улучшение с помощью фармацевтических препаратов — это идея, которая давно привлекает внимание и воображение общественности. Эта концепция широко распространена в общественном сознании, и целые интернет-сообщества сосредоточены на концепции и исследовании потенциальных усилителей когнитивных функций, или ноотропов. Предлагаемые усилители когнитивных функций варьируются от добавок аминокислот до традиционно используемых травяных добавок [151, 152]. С этой целью часто злоупотребляют клинически назначенными стимуляторами, особенно в кампусах колледжей, что усиливает общественную стигматизацию законных пациентов и достоверность диагнозов синдрома дефицита внимания и гиперактивности в целом [153]. Очевидно, что расширение познания представляет значительный интерес как для общественности, так и для исследователей. Улучшение познания может оказаться в пользу общественного блага с точки зрения производительности и качества жизни, особенно в отношении пожилого населения. В свете этого дешевые доступные соединения, которые могли бы безопасно поддерживать или улучшать когнитивные функции, являются идеальными кандидатами. Поэтому MС в этом отношении является многообещающим соперником.
В последние годы все чаще исследуется концепция улучшения когнитивных функций посредством митохондриальной модуляции. Общая концепция заключается в том, что за счет улучшения митохондриальной функции и окислительной защиты нейроны могут функционировать с повышенной эффективностью и поддерживать надлежащее здоровье, улучшая базальную функцию и препятствуя снижению когнитивных функций, связанному с возрастом и нейродегенерацией [154]. Ранняя работа Gonzalez-Lima показала, что MС улучшает сохранение пространственной памяти наряду с длительной митохондриальной дыхательной функцией, опосредованной через комплекс IV [26]. Длительная активация CCO может быть связана с увеличением продукции H2O2 без образования супероксида через MС в физиологических условиях, что приводит к активизации Nrf2/ARE [135]. В исследовании на людях введение MС увеличивало цереброваскулярную реактивность в задаче на психомоторную бдительность и в тесте на кратковременную память. Это сопровождалось умеренными улучшениями в тесте кратковременной памяти [155]. Эти преимущества, коррелирующие с функцией митохондрий, подтверждаются экспериментами, показывающими аналогичное улучшение когнитивных функций при фотобиомодуляции, стимуляции комплекса IV транскраниальным лазерным излучением ближнего инфракрасного диапазона [156].
Метаболические расстройства хорошо зарекомендовали себя в головном мозге пожилых людей, особенно в областях, классически связанных с высшими функциями мозга [157–159]. Митохондриальные повреждения со временем накапливаются и постепенно способствуют угасанию нейронов с возрастом, как и при нейродегенеративных состояниях [158]. Эти митохондриальные нарушения включают в себя нарушение цепи переноса электронов, недостаточность митофагии и сдвиг в сторону чрезмерного деления, мутации мтДНК и чрезмерное производство АФК [158]. Эти особенности связаны с когнитивным дефицитом у пожилых людей, так же как и у людей с БА, НКИ, большим депрессивным расстройством и другими состояниями. Таким образом, защита здоровья митохондрий может обеспечить некоторую степень защиты от слабоумия или других форм возрастного когнитивного дефицита. MС, как подробно описано ранее, может блокировать или предотвращать многие из этих митохондриальных повреждений и, таким образом, может иметь потенциал для защиты когнитивных функций от разрушительного метаболизма с возрастом. Эта возможность до сих пор формально не исследовалась и остается открытым вопросом и областью научных исследований.
Хорошо известно, что нейрогенез происходит во взрослом возрасте как физиологический процесс и как ответ на травму [160]. После развития нейрогенез ограничивается тремя областями мозга: обонятельной луковицей, кортикальной субвентрикулярной зоной (СВЗ) и субгранулярной зоной (СГЗ) зубчатой извилины гиппокампа (ЗГ). Нарушение этого процесса связано с нарушением консолидации памяти и регуляции настроения и вовлечено в нейродегенерацию и возрастное снижение когнитивных функций, поскольку нейрогенез и связанные с ним процессы резко снижаются в пожилом возрасте [161]. Таким образом, стимуляция и поддержание нейрогенеза является заманчивой целью для возрастной деменции, учитывая существенные общие черты с другими патологическими формами нейродегенерации.
Нейрогенез также одновременно стимулируется и тормозится в условиях, протекающих после повреждения головного мозга [162]. В животных моделях инсульта нейрогенез стимулируется как в SVZ, так и в SGZ наряду с высвобождением эритропоэтина и как сосудистых, так и эпидермальных эпителиальных факторов роста, которые индуцируют пролиферацию клеток-предшественников нейронов (NPC) [162–164]. Новообразованные нейроны мигрируют в поврежденную область и пытаются функционально встроиться в существующую нейронную сеть, чтобы облегчить восстановление [165]. Восстановление нервной системы путем стимуляции нейрогенеза привлекательно, но ограничено реакцией микросреды на травму. Хроническое нейровоспаление и активация глии, обе особенности, связанные с преклонным возрастом [166], являются общими для большинства нейродегенеративных состояний, и оба эти фактора тормозят нейрогенез [166] [160, 167–171]. Этот дефицит нейрогенеза можно смягчить противовоспалительным лечением [172]. АФК, генерируемые реактивной глией, также повреждают и истощают пулы NPC [173]. Добавление антиоксиданта, как и противовоспалительная блокада, предотвращало истощение новообразованных нейронов [174]. Кроме того, целостность митохондрий имеет решающее значение для нейрогенеза и, таким образом, активируется во время пролиферации и дифференцировки [175]. Дефицит митохондрий, в основном проявляющийся в экспериментах с цибридами, демонстрирует заметные нарушения как пролиферации, так и дифференцировки [176-178].
Несколько исследований применяли MС к нейрогенезу, но те, которые применялись, а также общие действия MС предполагают потенциал для полезных эффектов. Ранее упомянутое исследование GCI с применением MС к модели поросят показало, что MС активировал гены, связанные с нейрогенезом, включая синаптогенез, рост нейритов и факторы выживания [91]. MС подавлял пролиферацию крысиных NPC, подавляя экспрессию циклина и активность mTOR. Это кажется противоречивым, но чрезмерная пролиферация истощает пул NPC, уменьшая будущую способность к нейрогенезу. МС также не влиял на дифференцировку нейронов. Эти результаты, однако, наблюдались у крыс первого дня жизни после рождения, поэтому неясно, применим ли этот защитный механизм к поврежденному мозгу взрослых особей [179]. Работа в нашей лаборатории показала, что MС, доставляемый после фототромботического инсульта, способствует нейрогенезу. Кроме того, он подавлял воспаление, глиоз и улучшал функцию митохондрий — все это способствует нейрогенному дефициту. Это наводит нас на мысль, что MС, возможно, могут способствовать или поддерживать нейрогенез после травмы, делая местное микроокружение более податливым для новообразованных нейронов, поддерживая при этом их митохондриальную эффективность [54]. В то время как поддержание выживания вновь образованных нейронов равносильно, поддержка их миграции также необходима для поддержания восстановления нейронов. Опять же, доказательства ограничены, но недавние данные указывают на то, что MС может модулировать миграцию взрослых нервных стволовых клеток мыши в анализе миграции клеток [180]. Необходимо гораздо больше доказательств, чтобы сделать убедительный вывод о влиянии и роли MB в стимуляции нейрогенеза у взрослых и митохондриального здоровья в пожилом возрасте. В случае подтверждения МБ может служить многогранным инструментом для сохранения когнитивных функций и качества жизни пожилого населения, что является жизненно важным демографическим фактором в стареющем обществе.
6. Побочные эффекты и противопоказания метиленового синегоМС явно перспективен в качестве терапевтического средства для лечения многих состояний, но, как и любое лекарство, он имеет ряд ограничений. Вазомодулирующие свойства MС полезны в терапевтических дозах, но сопряжены с риском при более высоких концентрациях. Эти риски варьируются от повышения артериального давления и сосудистого сопротивления до нарушений сердечной функции и ритма [2]. Точно так же MС может влиять на измерения пульсоксиметрии, препятствуя правильной диагностике.
Другим токсическим эффектом является индукция анемии у лиц с дефицитом глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. Новорожденные также подвержены анемии и многим другим побочным эффектам в ответ на MС [2]. У новорожденных МС может вызывать гипербилирубинемию, проявляющуюся желтухой [181]. Это довольно прискорбно, так как общепринятым методом лечения гипербилирубинемии является фототерапия, которая активирует фотодинамическую активность МС. Это генерирует возбужденные формы кислорода, которые вызывают значительное повреждение эпидермиса [182]. Таким образом, при любом применении MС следует относиться с осторожностью к любому другому фотосенсибилизатору. У новорожденных лечение MС также может, как это ни парадоксально, привести к метгемоглобинемии [183].
Последний и наиболее клинически значимый побочный эффект у взрослых пациентов связан с использованием обычных психиатрических препаратов, селективных ингибиторов обратного захвата серотонина (СИОЗС). MС является сильнодействующим ИМАО, который в сочетании с СИОЗС может потенцировать серотониновый синдром, опасный для жизни неотложной медицинской помощи [184–186]. Учитывая повсеместное распространение пациентов, принимающих СИОЗС, целесообразно проводить скрининг пациентов на наличие этих препаратов перед введением MС. Несмотря на это, риски МС относительно низки и достаточно предсказуемы, что является хорошим предзнаменованием для адаптации в клинике.
7. ВыводыНейродегенеративные расстройства представляют собой серьезную проблему в медицине, требующую больших потерь, как человеческих, так и финансовых. Относительная нехватка терапевтических вариантов по своей сути обескураживает, но именно эта вакансия должна стимулировать инновации. Борьба этих пациентов мотивирует преданных своему делу исследователей, а неиспользованный характер этого рынка должен побуждать инвесторов поддерживать эти усилия. Хотя эти амбиции могут быть омрачены менее чем звездным послужным списком, есть надежда на предприятия с меньшим риском в виде перепрофилированных фармацевтических препаратов, таких как MС. Отличные показатели безопасности MС хорошо зарекомендовали себя за столетие медицинского использования. Его недавно изученная роль в качестве митохондриального энхансера и рециркуляционного антиоксиданта является ключом к его потенциалу в качестве терапевтического агента. С обнадеживающими результатами доклинических испытаний некоторых из наиболее инвалидизирующих нейродегенеративных состояний, МС следует исследовать с новым энтузиазмом в ближайшие годы. Если эти результаты будут подтверждены в будущих исследованиях на людях, MС может оказаться универсальным средством, способным улучшить здоровье пациентов, страдающих от бремени нейродегенеративных заболеваний и травм головного мозга, давая им и их близким облегчение и лучшее качество жизни.