Ciliary neurotrophic factor as a potential biomarker of cerebral pathologies

Texto integral

ВВЕДЕНИЕ

Открытие нейротрофинов и их мощных эффектов на выживание и трофику нейронов стимулировало обсуждение их потенциального терапевтического применения для поддержки погибающих нейронов при нейродегенеративных заболеваниях. Три десятилетия исследований выявили выраженную трофическую и регуляторную активность цилиарного нейротрофического фактора (CNTF) в нейронах, астроцитах, олигодендроцитах, мышечных клетках, костных клетках, адипоцитах и клетках сетчатки. CNTF участвует в широком спектре жизненно важных процессов, от поддержки выживания нейронов до энергетического метаболизма организма [1]. С одной стороны, эти результаты привели к клиническим испытаниям для проверки терапевтического потенциала CNTF и производных CNTF для лечения нейродегенеративных и метаболических заболеваний. Многообещающие результаты стимулировали продолжение исследований по лечению дегенеративных заболеваний сетчатки, в основном основанных на местной доставке CNTF с использованием инкапсулированных имплантатов, секретирующих цитокины. Дальнейшие разработки могут оказаться прорывом в терапевтическом применении системно вводимого CNTF при таких патологиях, как заболевания двигательного нейрона (боковой амиотрофический склероз), рассеянный склероз или болезнь Альцгеймера [2, 3]. С другой стороны, участие CNTF в патогенезе различных заболеваний головного мозга стимулировало исследования этого нейротрофического фактора в биологическом материале как многообещающего биомаркера, полезного для диагностических и прогностических целей.

ЦИЛИАРНЫЙ НЕЙРОТРОФИЧЕСКИЙ ФАКТОР (CNTF)

CNTF – это плюрипотентный нейротрофический фактор, первоначально выделенный из цилиарных нейронов куриного эмбриона. Волокна, включающие иммунореактивность рецептора CNTF (CNTFR), были идентифицированы в латеральных пучках переднего мозга, мезенцефальном и лобном отделах, а также в вестибулярном нерве цыпленка [4]. CNTF относится к цитокиновому семейству интерлейкина (IL)-6. Это семейство представляет собой группу цитокинов, включающую IL-6, IL-11, цилиарный нейротрофический фактор (CNTF), фактор ингибирования лейкемии (LIF), онкостатин М (OSM), кардиотрофин 1 (CT-1), кардиотрофиноподобный цитокин (CLC) и IL-27. Они объединены в одно семейство, поскольку рецепторный комплекс каждого цитокина содержит две (IL-6 и IL-11) или одну молекулу (все остальные цитокины) субъединицы сигнального рецептора gp130 [5, 6]. CNTF является наиболее широко изученным представителем этого семейства цитокинов, которые передают сигнал через внутриклеточные цепи рецептора gp130/LIFRβ. Подобно другим нейротрофинам (например, NGF, GDNF) семейство IL-6, включая CNTF, имеет набор рецепторов, специфичных для отдельных членов семейства, и общий рецептор не специфичный для членов семейства, который в некоторых семействах опосредует клеточный сигнал и ретроградный транспорт [7].

CNTF – белок с молекулярной массой 22.8 кДа, структурно похожий на LIF, IL-6 и IL-11 и OSM. Это димер из 200 аминокислот с непараллельным расположением субъединиц. У людей, крыс, кроликов и мышей CNTF гомологичны на 81–83%. Действие CNTF реализуется при связывании с рецепторным комплексом, включающим α-субъединицу, фиксирующую лиганд рецептора CNTF (CNTFRa), и две β-субъединицы, передающие сигнал (LIF Rgp 130). Рецепторный комплекс соединен с поверхностью клетки гликозилфосфатидилинозитоловой связью, благодаря которой рецептор может функционировать в растворимой форме [8].

CNTF поддерживает клетки центральной и периферической нервной системы, включая нейроны гиппокампа и срединной перегородки, симпатические ганглии, двигательные нейроны, сенсорные нейроны, влияет на состояние стволовых эмбриональных клеток, предотвращает дегенерацию двигательных аксонов после их перерезки и способствует дифференцировке астроцитов и созреванию олигодендроцитов [9]. В аксонах передача сигналов CNTF играет важную роль в динамике микротрубочек [10].

УЧАСТИЕ CNTF В НЕЙРОПРОТЕКЦИИ И НЕЙРОДЕГЕНЕРАЦИИ

CNTF участвует в развитии и поддержании зрительной нервной системы и используется при многих заболеваниях, связанных с патологиями зрения. CNTF связан с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера, а также психическими заболеваниями [1]. Доставка CNTF в специфические компартменты предлагается в качестве терапии болезни Хантингтона и пигментного ретинита [11]. CNTF обладает нейропротекторной активностью в отношении клеток кохлеарных волосков и ганглия улитки внутреннего уха, когда они повреждаются при интенсивном звуковом воздействии [12]. Нейропротекторные эффекты CNTF были продемонстрированы на ряде клеточных моделей in vitro, а также in vivo на мутантных мышах, у которых наблюдается дегенерация двигательных нейронов. Было показано, что в дополнение к его нейрональному действию CNTF и аналоги воздействуют на ненейронные клетки, такие как глия, гепатоциты, скелетные мышцы и стромальные клетки костного мозга [13]. Нейропротекторные эффекты CNTF включают его воздействие на ряд систем. Например, экспрессия гена опиоидного пептида ноцицептин/орфанин (N/OFP) зависит от CNTF, он повышает уровень мРНК орфанина/ноцицептина в нейронах полосатого тела и коры головного мозга в 5–9 раз [14]. CNTF активирует тирозиновую протеинкиназу и сигнальные молекулы, которые индуцируют транскрипцию N/OFP [15].

Инъекции 200 нг рекомбинантного CNTF в неокортекс крысы приводили к увеличению объема ядра и сомы протоплазматических и фиброзных астроцитов в течение 48 ч. Добавление CNTF к культуре глиальных клеток вызывает увеличение размера астроцитов. Таким образом активация астроцитов и стимулирование гипертрофии глиальных клеток CNTF опосредует вызываемые этим фактором изменения в клетках головного мозга при неврологических заболеваниях [16].

CNTF рассматривается как предполагаемое связующее звено между рецепторами допамина D2 и нейрогенезом [17]. Как и другие нейротрофические факторы, CNTF, по-видимому, играет положительную роль в индуцированном психостимуляторами поведении и нейрональной пластичности [18]. CNTF оказывает воздействие на скелетные мышцы, одну из его основных тканей-мишеней за пределами центральной нервной системы [19]. У мышей введение CNTF способствовует регенерации миофибрилл поврежденных скелетных мышц [20].

CNTF И КОГНИТИВНЫЕ НАРУШЕНИЯ

CNTF проявляет мощную нейротрофическую активность в периферических и центральных нейронах как in vitro, так и in vivo. Чтобы оценить, предотвращает ли CNTF потерю нейронов вследствие очаговой ишемии головного мозга, в исследовании in vivo CNTF непрерывно вводили в боковой желудочек в течение 4-х недель, после перманентной окклюзии левой средней мозговой артерии у крыс со спонтанной гипертензией, подверженных инсульту. Введение CNTF дозозависимым образом предотвращало индуцированные ишемией нарушения обучения у крыс в водном лабиринте Морриса. У крыс с ишемией при гистологическом исследовании инфаркт коры головного мозга и ретроградная дегенерация ипсилатеральных таламических нейронов были значительно менее выражены после инфузии CNTF [21].

Гибель нейронов гиппокампа является одним из ключевых факторов, способствующих когнитивным нарушениям при хронической гипоперфузии головного мозга. В группах крыс с хронической церебральной 4- и 8-недельной гипоперфузией (модель двухсторонней окклюзии сонной артерии) наблюдались ухудшение памяти и усиленный апоптоз нейронов гиппокампа, а также ингибирование передачи сигналов CNTF/CNTFRa/JAK2/STAT3 по сравнению с ложно оперированными крысами [22]. Подавление экспрессии CNTF/CNTFRa и активация пути JAK2/STAT3 в результате введения DL-3-n-бутилфталида in vivo или при кислородно-глюкозной депривации /реперфузии in vitro защищало от когнитивных нарушений у крыс и предотвращало апоптоз нейронов гиппокампа соответственно. Эти данные свидетельствуют о том, что нейропротекторный эффект был достигнут за счет модуляции сигнальных путей CNTF/CNTFRa/JAK2/STAT3.

В мышиной модели болезни Альцгеймера локальная доставка CNTF предотвращала индуцированное олигомером амилоид-β (Aβ) синаптическое повреждение и связанные с ним когнитивные нарушения [23]. Рекомбинантные клетки, секретирующие CNTF, инкапсулированные в полимеры, использовались для длительного введения CNTF в мозг. Имплантация таких биореакторов в мозг мышей, которым вводили олигомер Aβ, приводила к непрерывной секреции рекомбинантного CNTF. Введение CNTF вызывало полное восстановление когнитивных функций, связанных со стабилизацией синаптического белка в мышиной модели Tg2576-AD. CNTF in vitro и in vivo активировал Янус-киназу/преобразователь сигналов и активатор опосредованной транскрипции пути выживания, что предотвращало синаптическую и нервную дегенерацию. В другом экспериментальном исследовании на трансгенной модели болезни Альцгеймера у мышей 3xTg-AD с выраженным дефицитом нейрогенеза и нейропластичности и когнитивными нарушениями еще до образования нейрофибриллярных клубков или Aβ-бляшек было показано, что периферическое введение пептида 6.11-mer, который формирует активную область CNTF (аминокислотные остатки 146–156), восстанавливал когнитивные способности за счет усиления нейрогенеза и пластичности нейронов [24]. Введение этого пептида усиливало нейрогенез в зубчатой извилине, повышало пластичность нейронов в гиппокампе и коре головного мозга, не оказывая при этом никакого влияния на патологические изменения экспрессии Aβ и белка тау у 9-месячных мышей.

CNTF, СТРЕСС И ДЕПРЕССИВНЫЕ РАССТРОЙСТВА

Цилиарный нейротрофический фактор (CNTF) вырабатывается астроцитами, которые участвуют в регуляции реакций на стресс. Участие CNTF в регуляции развития нейронов, нейропротекции и его влияние на когнитивные процессы предполагают его вовлеченность в развитие депрессии и тревоги [25]. Экспериментальная модель депрессии у грызунов была использована для изучения предполагаемой роли CNTF в депрессивноподобном и тревожноподобном поведении. Аффективное поведение изучалось в течение 10–20 недель у молодых мышей с дефицитом CNTF (CNTF–/–). У мышей CNTF–/– повышенное тревожноподобное поведение проявлялось в сокращении на 30% времени, проведенного в светлом отсеке темно-светлой камеры. Животные также продемонстрировали значительное усиление реакции на электрошок и выученную беспомощность, что говорит о том, что они были склонны к депрессивному поведению. В гиппокампе 20-недельных, но не 10-недельных мышей CNTF–/– эти изменения коррелировали с потерей иммунореактивных ГАМКергических парвальбумин-позитивных интернейронов, снижением уровня серотонина, а также экспрессии рецептора 5-HT1A [25]. Модуляция уровней моноаминергических нейромедиаторов при хроническом применении амитриптилина и циталопрама не оказывала положительного эффекта, что может свидетельствовать о ключевой роли эндогенного CNTF в структурном поддержании функций гиппокампа и его важном влиянии на аффективное поведение в моделях тревоги и депрессии у грызунов.

Другое исследование было направлено на оценку того, влияет ли CNTF на депрессивное и тревожноподобное поведение взрослых мышей, используя тесты принудительного плавания, предпочтения сахарозы и приподнятого T-лабиринта [26]. Самки мышей дикого типа CNTF+/+ были более предрасположены (чем самцы одного помета CNTF+/+) к развитию поведения отчаяния: увеличивалось временя иммобильности и снижался латентный период до неподвижности в тесте принудительного плавания. У мышей CNTF–/– дефицит CNTF оказывал противоположный эффект на депрессивноподобное поведение. У самок этих мышей было снижено время неподвижности и повышено предпочтение сахарозы по сравнению с самцами, у которых время иммобильности было увеличено. Самки дикого типа экспрессировали больше CNTF в миндалине, чем самцы. Овариэктомия увеличивала экспрессию CNTF и время неподвижности. У мышей CNTF–/– этот показатель был значительно снижен, что позволяет предположить, что CNTF ассоциирован с временем неподвижности, вызванным овариэктомией, возможно, оказывая эффект на уровне миндалины. Лечение прогестероном снижало экспрессию CNTF в миндалине и время неподвижности у самок CNTF+/+, но не у мышей CNTF–/–. Кастрация не изменила ни экспрессию CNTF у самцов, ни их поведение. Не было обнаружено влияния CNTF на поведение в приподнятом T-лабиринте и поведенческом тесте на тревожность. Это позволяет предположить, что в основе тревожноподобного поведения лежит другой механизм [26]. В целом это исследование раскрывает новый, опосредованный CNTF, механизм вызванного стрессом депрессивноподобного поведения и указывает на возможности лечения депрессии с учетом пола, например, с использованием препаратов, стимулирующих CNTF, у мужчин.

Обнаружено, что у самок (но не самцов) мышей CNTF в медиальной миндалине способствует поведению отчаяния или пассивному совладанию в тесте вынужденного плавания. Нейтрализующее CNTF антитело, введенное в миндалину самок дикого типа, снижало активацию STAT3(Y705) [2]. Это антитело снижало неподвижность в тесте плавания у самок и только после инъекции в медиальную область, но не центральную или базолатеральную миндалину. У самцов эти эффекты не наблюдались. Эти данные раскрывают уникальную роль CNTF в медиальной миндалине самок в развитии поведения отчаяния или пассивного совладающего поведения. Хронический непредсказуемый стресс усиливал неподвижность в тесте вынужденного плавания и снижал предпочтение сахарозы у мышей дикого типа CNTF +/+, но не у нокаутных самок мышей CNTF–/–. Короткий острый иммобилизационный стресс после хронического повышал уровень кортикостерона в плазме крови только у самок CNTF+/+. У самцов обоих генотипов эффекты хронического стресса присутствовали. Кроме того, хронический стресс увеличивал экспрессию CNTF в медиальной миндалине самок, но не самцов мышей [2].

Фармакологическое ингибирование киназы фокальной адгезии (FAK) усиливает экспрессию CNTF [1]. Индуцируемый нокаут FAK в астроцитах или системное введение ингибитора FAK увеличивали пассивное совладающее поведение, т. е. неподвижность в стресс-тесте на вынужденное плавание у самок, но не самцов мышей. Хронический непредсказуемый стресс не привел к дальнейшему усилению пассивного совладания у самок мышей с нокаутом FAK в астроцитах, тогда как у самок мышей дикого типа и самцов мышей обоих генотипов оно усугубилось. Эти данные свидетельствуют о том, что FAK астроцитов необходима для пассивного преодоления хронического стресса у самок. Хронический стресс снижал уровень фосфорилированной FAK и повышал содержание CNTF в медиальной миндалине самок. Введение прогестерона после овариэктомии активировало FAK миндалевидного тела и облегчало пассивное совладание, вызванное овариэктомией, у самок дикого типа, но не у самок с нокаутом астроцитарного FAK. Это позволяет предположить, что опосредованная прогестероном активация FAK в астроцитах снижает реакцию самок на стресс [1]. Нокаут астроцитарного FAK или введение ингибиторов FAK увеличивало экспрессию CNTF в медиальной миндалине у мышей обоего пола. Поскольку CNTF в этой области мозга вовлечен в стрессовые реакции только у самок, это объясняет специфическую для самок роль ингибирования астроцитарной FAK. Это исследование раскрывает новый, специфичный для самок прогестерон-астроцитарный путь FAK, который противодействует опосредованным CNTF реакциям на стресс и указывает на возможности разработки новых методов лечения связанных со стрессом расстройств у женщин [1].

Вызванная стрессом активность коры поддерживается повышенной возбудимостью норадренергических нейронов, иннервирующих, в частности, префронтальную кору. Показано, что нейроны, высвобождающие кортикотропин-рилизинг-гормон гипоталамуса, иннервируют эпендимальные клетки 3-го желудочка, индуцируя высвобождение CNTF для транспортировки через Сильвиеву водопроводную систему головного мозга [6]. Связывание CNTF с его рецептором на норадренергических нейронах в голубом пятне затем инициируют последовательное фосфорилирование внеклеточной сигнал-регулируемой киназы 1 и тирозингидроксилазы с помощью секретагогина Са2+-сенсора, обеспечивающего зависимость активности как в мозге грызунов, так и в мозге человека. Как CNTF, так и удаление секретагогина блокируют вызванный стрессом синтез кортикального норадреналина, приводящий к возбуждению нейронов и стереотипному поведению. Таким образом, выявлен мультимодальный путь, скорость которого ограничена объемом передачи CNTF и который способен осуществлять прямое преобразование активации гипоталамуса в длительную возбудимость коры головного мозга после острого стресса [6].

Дефицит когнитивной гибкости, т. е. способности изменять поведение в ответ на изменения в окружающей среде / стресс, отмечено при ряде психических расстройств и часто не поддается лечению. Хронический стресс у крыс вызывает избирательный дефицит в реверсивном обучении, форме когнитивной гибкости, зависящей от функции орбитофронтальной коры. В этой области хронический стресс снижает уровни фосфорилированной киназы JAK2 и CNTF, промотора выживания нейронов и активатора передачи сигналов JAK2 [3]. Нейтрализация эндогенного CNTF с помощью микроинъекции специфического антитела достаточна для возникновения дефицита обратного обучения, аналогично действию стресса. Системное введение рекомбинантного CNTF крысам, подвергнутым стрессу, устраняет дефицит обратного обучения, а блокада Akt предотвращает положительные эффекты CNTF. Показано, что CNTF может оказывать свое благотворное воздействие путем ингибирования киназы гликогенсинтазы GSK3β, субстрата Akt и регулятора деградации белка [3]. Выявлен также новый механизм действия CNTF посредством модуляции передачи сигналов p38/Mnk1/eIF4E. Этот каскад контролирует трансляцию отдельных мРНК, включая те, которые кодируют несколько белков, связанных с пластичностью. Таким образом, управляемая CNTF передача сигналов JAK2 корректирует вызванный стрессом дефицит обратного обучения путем модуляции стационарных уровней белков орбитофронтальной коры, связанных с пластичностью.

Mizushige et al. (2019) показали, что низкомолекулярная фракция гидролизата коллагена, расщепленного имбирем, проявляет анксиолитическую активность и, возможно, влияет на функции мозга [31]. Пероральный прием гидролизата коллагена, разрушенного имбирем, значительно снижал депрессивное поведение в тесте принудительного плавания, что подтверждает антидепрессивную активность имбиря у мышей. Эта антидепрессивная активность исчезала в результате предварительной обработки антагонистом дофаминовых рецепторов, но не антагонистом серотониновых рецепторов. Имбирь значительно увеличивал экспрессию генов глиального нейротрофического фактора (GDNF) и CNTF в гиппокампе, при этом не было обнаружено изменений в экспрессии генов BDNF, фактора роста нервов и нейротрофина-3. Имбирь также проявлял антидепрессивную активность в модели стресса у мышей, которым вводили кортикостерон, и увеличивал экспрессию GDNF и CNTF при стрессе.

Как нейротрофический фактор головного мозга (BDNF), так и CNTF могут действовать сообща, модулируя развитие и функционирование синапсов. Однако ни нулевая мутация CNTF, ни полиморфизм BDNF C270T не были биомаркерами депрессии при исследовании, проведенном на пожилых жителях географического региона Вены [32]. Дружкова и соавт. [33] изучали реакции гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы, иммунной системы и метаболических путей при адаптации к стрессу и их изменения при депрессии. Участникам исследования было предложено выполнить когнитивное задание с ограничением времени до и через 60 мин после выполнения задания; измеряли содержание кортизола, АКТГ, IL-6, IL-1β, TNF-α, BDNF, CNTF, глюкозы, холестерина, триглицеридов. В группе с тяжелой депрессией была выявлена повышенная активность гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы, а также высокие базовые уровни IL-6 и CNTF. Таким образом, данные, полученные как в экспериментальных, так и в клинических исследованиях, предполагают роль CNTF в развитии стресса и депрессии, однако необходимы дополнительные исследования, чтобы раскрыть конкретные задействованные механизмы.

CNTF КАК ПОТЕНЦИАЛЬНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ ТЕРАПИИ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЙ

Установлено, что канонические нейротрофические факторы, такие как BDNF и CNTF, играют важную роль в центральной регуляции энергетического гомеостаза. CNTF регулирует баланс энергетического обмена и участвует в подавлении воспаления, что важно как для всего организма в целом, так и для нервной системы. CNTF проявляет разнонаправленную физиологическую активность, регулируя транскрипцию различных генов посредством модуляции различных сигнальных путей (включая JAK/STAT, MAPK и PI3K/AKT) [1]. Недавно была признана потенциальная роль CNTF в борьбе с ожирением [34]. Наряду с лептином, на уровне среднего аркуатного ядра гипоталамуса CNTF участвует в регуляции пищевого поведения (анорексии) [9, 35], что также подтверждается исследованиями ассоциации полиморфизма гена CNTFR и массы тела человека [36]. Действуя как центрально, так и на периферии, CNTF имитирует биологические эффекты лептина, преодолевая резистентность к лептину, при этом эффект сохраняется даже после прекращения терапии при центральном введении CNTF. По-видимому, CNTF уменьшает воспалительные сигнальные каскады, связанные с накоплением липидов в печени и скелетных мышцах [37]. CNTF доказал свою эффективность в преодолении инсулинорезистентности на моделях ожирения и резистентности к лептину [38]. В целом CNTF показал многообещающие результаты в качестве потенциальной терапии против ожирения.

CNTF В КРОВИ И СЛЕЗАХ КАК ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БИОМАРКЕР БОЛЕЗНЕЙ МОЗГА

Простота сбора и оценки слезной жидкости (СЖ) потенциально может стать удобным неинвазивным диагностическим инструментом, который легко вписывается в персонализированный подход к медицине, основанный на оценке рисков. Хотя на сегодняшний день большинство биомаркеров слезы еще не готовы к рутинному использованию из-за проблем с их клинической валидацией, учитывая огромное клиническое преимущество СЖ и появляющиеся передовые технологические подходы, разработанные для протеомного, липидомного и метаболомного анализа слез, исследования СЖ, несомненно, станут рутинным тестом для мониторинга здоровья в будущем [39]. Ряд ассоциаций между уровнями различных веществ в СЖ и головном мозге делает СЖ бесценным источником биомаркеров заболеваний головного мозга, полезных для ранней диагностики и персонализированного лечения. СЖ является перспективным биологическим материалом, жизненно важным источником для прогнозирующих, диагностических, прогностических и механистических биомаркеров.

Выявлено снижение концентрации CNTF в СЖ пациентов с первичной открытоугольной глаукомой. Показана статистически значимая взаимосвязь между уровнем CNTF и стадиями глаукомы [40]. Эта группа также оценивала уровень CNTF в сыворотке крови и СЖ у людей с фокальной эпилепсией с помощью ИФА-анализа, усовершенствованного авторами [41]. По сравнению с контрольной группой уровень CNTF был повышен как в сыворотке крови, так и в СЖ, хотя не было обнаружено существенной корреляции между уровнем CNTF в сыворотке и СЖ ни в одной из групп. Не было обнаружено влияния сопутствующей депрессии или каких-либо демографических или клинических изученных параметров на уровни CNTF. Высокие уровни CNTF в СЖ можно рассматривать как перспективный неинвазивный биомаркер фокальной эпилепсии.

Данные немногочисленных исследований уровней CNTF в инвазивном (кровь) и неинвазивном (слезы) биоматериале человека предполагают его потенциальное использование в качестве биомаркера заболеваний головного мозга, хотя для подтверждения этого необходимо провести дополнительные исследования.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Выполнено при поддержке АНО “Московский центр инновационных технологий в здравоохранении”, грант № 0702-1/23.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ НОРМ

Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Sobre autores

A. Gudkova

Autor responsável pela correspondência
Email: gudkov_ann@mail.ru
Rússia, Moscow

Bibliografia

Arquivos suplementares