Митофагия при церебрална исхемия и исхемично/реперфузионно уврежданеⅡ

ПАТОФИЗИОЛОГИЯ НА ИШЕМИЧНО-РЕПЕРФУЗИОННО УВРЕЖДАНЕ (ФИГУРА 2)

Клинична класификация на исхемичния инсулт

Исхемичният инсулт, известен също като церебрална исхемия, е важен тип от всички случаи на инсулт. Това заболяване възниква, когато кръвни съсиреци или плаки блокират или стесняват мозъчните артерии. В зависимост от патологичното състояние исхемичният инсулт може да бъде разделен на няколко подвида: интракраниална артериална стеноза, остра артериална оклузия и хронична артериална оклузия. Интракраниалната артериална стеноза се отнася до стесняване на артериите, причинено от образуването на мастни отлагания, наречени атеросклеротични плаки и едновременно с това удебеляване на съдовите стени.

Щракнете за cistanche tubulosa Австралия за исхемичен инсулт

В интракраниалните артерии, включително средните церебрални артерии, базиларната артерия, каротидните артерии и интракраниалните вертебрални артерии, стеснените кръвоносни съдове могат значително да намалят кръвния поток, което води до исхемично събитие (Chimowitz et al., 2005; Banerjee and Chimowitz, 2017). Систематичен анализ, фокусиран върху ролята на вътречерепната атеросклероза при исхемичен инсулт, показва, че индуциращата атеросклероза стеноза, степенувана над 30 процента, може да бъде причина за фатален мозъчен инфаркт (Mazighi et al., 2008). Атеросклеротичната плака е тромбогенна. След като капачката му бъде разкъсана, може да се образува нестабилен съсирек, който да стесни или напълно да запуши артериите. Кръвният съсирек, който блокира засегнатото място, може да се образува локално или да произхожда от друго място, като например в сърцето, и да се емболизира през кръвоносната система.

Разкъсването на плаки и емболии на съсиреци обикновено е свързано с остра артериална оклузия, проявяваща симптоми на инсулт в рамките на часове (Malhotra et al., 2017). Запушването може също да бъде хронично (с продължителност повече от 4 седмици), ако мозъкът променя церебралната хемодинамика и компенсира кръвния поток чрез изграждане на колатерална циркулация в отговор на намаленото артериално кръвоснабдяване (Sundaram et al., 2017). В този случай, с достатъчна съпътстваща компенсация, заболяването може да бъде асимптоматично и доброкачествено (Powers et al., 2000); Хроничната оклузия без достатъчна компенсация от колатералното кръвообращение все още може да доведе до хронична церебрална хипоперфузия, водеща до исхемичен инфаркт. В някои случаи пациентите с хронична оклузия могат спонтанно да реканализират за дълго време (повече от 3 месеца) (Delgado et al., 2015).

Лечение на исхемичен инсулт

Тромболитичните агенти и процедурите за реканализиране са разработени като реперфузионни стратегии за възстановяване на кръвния поток в засегнатите артерии. Обикновено се прилагат различни терапевтични подходи към тези три подтипа инсулт в клиничната обстановка. Поради технически ограничения, тежката стеноза и острата оклузия на артериите са трудни за точно разграничаване (Clevert et al., 2006). Все пак правилната диагноза може да бъде от полза за оптимално лечение и по-добра прогноза. Интравенозната тромболиза е единствената одобрена терапия за пациенти с AIS и може да се приложи в рамките на 3 часа от началото на симптомите. Въпреки това, клиничните резултати само от тромболитичното медицинско лечение при пациенти с тежка стеноза и оклузия показват по-лоша от очакваната прогноза и по-малка ефикасност (Mokin et al., 2012).

Клиничните изпитвания, фокусирани върху лизиране на съсиреци, предполагат, че само интравенозната тромболитична терапия има ниска степен на реканализация от само 30-40 процента сред пациентите (Chen et al., 2012). Друг анализ на клиничните резултати от интравенозна тромболиза за оклузия на вътрешната каротидна артерия предполага, че процентът на благоприятните резултати е 25 процента (Mokin et al., 2012). Реваскуларизиращото лечение, включително стентиране или ендартеректомия, се препоръчва при пациенти с умерена или тежка стеноза. В сравнение с интравенозната тромболиза, реципиентите на тромбектомия имат значително намалена честота на ипсилатерален инсулт, което означава по-добра прогноза. Артериалните терапии също така постигат по-добър резултат при пациенти с остра оклузия (Mokin et al., 2012). Въпреки това, в клиничната обстановка ендартеректомията не се счита за опция от мнозина при лечение на пълна оклузия на ICA, тъй като тази операция все още е технически предизвикателство за извършване за предотвратяване на следоперативно генериране на тромби и поддържане на добра прогноза (Kao et al., 2007; Chen et al. ., 2012; Faggioli и др., 2013).

Досега продължава търсенето на ефективни лечения за хронична оклузия. Медицински лечения като лекарства против тромбоцитната агресия или интравенозни тъканни плазминогенни активатори могат да се дават на пациентите, за да се намали рискът от инсулт. Хирургични подходи като ендартеректомия и стентиране също могат да се използват при лечение на хронична оклузия, въпреки че все още показват някои привидни недостатъци. Подобно на острата оклузия, ендартеректомията може да се провали в случаи със сложна организация на съсирека, а степента на успех на реканализацията достига само 40 процента при пациенти с хронична оклузия (Thompson et al., 1986; Xu et al., 2018). Хипоперфузия все още се среща при пациенти, които не са успели да възстановят кръвния поток при терапии за реканализация, което се предполага, че води до повторна поява на исхемични събития (Grubb et al., 1998). Също така, в процеса на стентиране, съсирекът може да се отдели, когато стентът се освободи, блокирайки вътречерепната артерия и следователно може да причини следоперативни усложнения (Xu et al., 2018).

Исхемично-реперфузионно увреждане

При пациенти, получаващи терапии за реканализиране, внезапното възстановяване на кръвния поток понякога може да бъде вредно, което води до така нареченото „реперфузионно увреждане“. I/R нараняване се отнася до увреждане на тъканната реоксигенация, причинено от внезапно връщане на кръвоснабдяването към предишни исхемични или аноксични тъкани. По време на фазата на исхемия, кръвоснабдяването под стандартните функционални изисквания ще причини недостиг на кислород и хранителни вещества, което води до метаболитни нарушения (Irie et al., 2014) и възпалителен отговор (Jin et al., 2013) в засегнатите области. Следователно възстановяването на кръвния поток се счита за основно лечение за запазване на тъканната функция. Множество изследвания и клинични изпитвания върху реперфузионни лечения показват, че реперфузионните терапии, включително интравенозни тромболитични средства и ендоваскуларни интервенции като механична тромбектомия, са относително безопасни и могат да помогнат за възстановяването на пациенти с остър исхемичен инсулт (AIS), когато се прилагат в тесен времеви прозорец (Kwiatkowski et al., 1999; Lees et al., 2010; Berkhemer et al., 2014; Jovin et al., 2015).

Въпреки това, реперфузията може също да причини вторично увреждане в предишните исхемични тъкани, тъй като повторното снабдяване с хранителни вещества и кислород може да предизвика значително производство и натрупване на ROS и междувременно променя калциевата хомеостаза, което води до прекомерен оксидативен стрес и локално възпаление. Такива клетъчни промени причиняват увреждане на клетките и могат да активират пътя на клетъчната смърт в предишните исхемични тъкани.

Pпроцес и механизми на I/R нараняване (Фигура 2)

Прекомерният оксидативен стрес играе критична роля при I/R нараняване

Оксидативният стрес е нарушение на баланса между свободните радикали и антиоксидантната способност и често се случва, когато производството на ROS надвишава антиоксидантната защита. В исхемичния стадий възпрепятстваният кръвен поток с по-малко снабдяване с кислород и хранителни вещества предизвиква промяна в митохондриалния метаболизъм от аеробен към анаеробен, което води до по-ниска концентрация на АТФ и антиоксидантни агенти в клетките. По-късното връщане на кръвния поток към исхемичната тъкан може да причини повторно активиране на митохондриалното аеробно дишане и по този начин да увеличи производството на ROS. Поради намаленото ниво на антиоксидантни агенти, окисляването надвишава антиоксидантното по време на периода на реперфузия, като по този начин причинява повишен оксидативен стрес.

Ензимните системи, включително системата ксантин оксидаза, системата NADPH оксидаза, системата на азотен оксид (NO) синтаза и митохондриалната електронтранспортна верига, участват главно в появата на оксидативен стрес. В нормалните клетки метаболизмът на пурин започва от превръщането на АТФ в инозин с участието на деаминази и нуклеотидази, последвано от по-нататъшното му превръщане в хипоксантин. По-късно настъпва окисление на хипоксантин до ксантин и ксантин до пикочна киселина, а ксантин дехидрогеназата (XDH) и ксантин оксидазата (XOD) функционират отделно в тези два процеса на окисление. XDH използва NAD плюс като акцептор на електрони, за да произведе NADH и състоянието на исхемия може да индуцира неговото преминаване към XOD, който използва O2 като акцептор (Kinuta et al., 1989). Възстановяването на притока на кръв и кислород може да стимулира процеса на окисление в метаболизма на пурина. Тъй като нивото на XOD е предварително повишено, образуването на пикочна киселина във фазата на реперфузия е придружено от производството на силно реактивен супероксиден анион (O2−). Супероксидът може по-късно да се премести във водороден пероксид (H2O2) и хидроксилния радикал (OH•), което допълнително стимулира оксидативния стрес и причинява увреждане. NADPH оксидазите са основният източник на ROS. Те окисляват NADPH до NADP плюс и доставят електрони на O2, като по този начин генерират супероксид или H2O2.

Съобщава се, че семейството Nox/Duox на NADPH оксидазите участва в производството на ROS по време на I/R увреждане чрез тяхната улеснена активност (Wang et al., 2006; Simone et al., 2014). Nox2 е фокус при I/R наранявания, които възникват при инсулт. Мишки с дефицит на субединица Nox и мишки с предварителна обработка с апоцинин (инхибитор на Nox2) показват забележително намален обем на инфаркта и подобрен клиничен изход от инсулт (Chen et al., 2009; Jackman et al., 2009), което предполага, че индуцираната от Nox ROS играе роля значителна роля при I/R нараняване. Освен незабавното производство на ROS, NADPH оксидазите също така регулират производството на ROS чрез стимулиране на NO синтазната система. NO, известен също като релаксиращ фактор, произхождащ от ендотелиума, се произвежда от L-аргинин чрез синтаза на азотен оксид (NOS) от три източника: Neuron NOS (nNOS), индуцируем NOS (iNOS) и ендотелен NOS (eNOS). Ролята на NO е променлива: той обикновено работи като антиоксидантно средство, но взаимодействието му със супероксидния анион може да доведе до образуването на пероксинитрит (ONOO−) (Marla et al., 1997). ROS, създадени от NADPH оксидази, могат да окислят тетрахидробиоптерин (BH4), основен кофактор, който медиира активността на eNOS. BH4 окислението по-късно индуцира отделянето на eNOS, което води до намалено производство на NO и повишено производство на ONOO− от eNOS (Landmesser et al., 2003).

Митохондриите са основното място за генериране, действие и увреждане на оксидативния стрес. ROS може да се генерира от ETC. При исхемия клетъчният стрес може да индуцира пост-транслационни модификации на окислителни фосфорилиращи протеини в ETC, което ги прави по-чувствителни към реоксигенация (Prabu et al., 2006). Разрушените ETC комплекси могат да доведат до по-високи потенциали на митохондриалната мембрана, положително свързани с повече генериране на ROS (Prabu et al., 2006). Повишеният оксидативен стрес може да се насочи към митохондриите и допълнително да увреди ETC, причинявайки впоследствие повече генериране на ROS (Indo et al., 2007). ROS от екзогенен произход и генерирането на ROS в митохондриите може да доведе до увреждане на митохондриалната ДНК (Indo et al., 2007). В допълнение, твърде много оксидативен стрес може да причини клетъчно увреждане или смърт (Фигура 2).

Претоварване с калций: Друго смущение при исхемично-реперфузионно увреждане

В допълнение към оксидативния стрес, причинен от различни източници, претоварването с калций и необичайно повишеното вътреклетъчно ниво на Са2 плюс е друга основна патология, която играе важна роля в реперфузионното увреждане. Анаеробното дишане при исхемия намалява вътреклетъчното pH; по този начин обменникът Na plus /H plus (NHE) позволява притока на Na plus за поддържане на pH. NHE обикновено се инактивира по време на исхемия, но неговата активност може да се увеличи по време на реперфузия, което води до голям приток на Na плюс (Allen and Xiao, 2003). По-ниското ниво на АТФ при исхемия също отслабва активността на енергозависимите Na plus помпи, което води до по-високо ниво на вътреклетъчен Na plus.

Проучване през 1987 г. предполага, че предишният натриев дисбаланс е причина за претоварване с калций, използвайки наситен с енергия Na плюс модел на натоварване (Grinwald и Brosnahan, 1987). Ако не успеете да се върнете към нормален баланс на Na плюс при възстановяване на кислорода, това може да насърчи функцията на Na плюс /Ca2 плюс обменника (NCX), който е чувствителен към вътреклетъчното ниво на Na плюс, като по този начин води до по-висок приток на Ca2 плюс. Претоварването с калций също се предизвиква от повишено освобождаване на Ca2 плюс и ограничено поемане на Ca2 плюс от вътрешен източник, включително ендоплазмения ретикулум (ER) или апарата на Голджи (Chami et al., 2008). Насърчаваното поглъщане на Ca2 plus от митохондриите по-късно възниква след претоварване с цитозолен калций (Brookes et al., 2004). Претоварването с цитозолен и митохондриален калций може да причини клетъчно увреждане по различни начини, включително нарушаване на митохондриалната функция (Wang M. et al., 2015), насърчаване на производството на ROS (Zhu et al., 2018) и предизвикване на клетъчна смърт (Boehning et al., 2004; Zhu et al., 2018) (Фигура 2).

Mitochondria-зависима клетъчна смърт при I/R нараняване

Клетъчните промени, включително повишен оксидативен стрес и претоварване с калций, могат да доведат до апоптоза с участието на митохондриите. Този процес се инициира от промени в пропускливостта на митохондриалната мембрана, контролирана от преходната пора на митохондриалната пропускливост (mPTP). Активността на mPTP е вероятно да бъде медиирана от митохондриалния матрикс Ca2 плюс ниво и митохондриалното калциево претоварване в резултат на цитозолно калциево претоварване може да улесни отварянето на mPTP (Qian et al., 1999). Производството на ROS по време на I/R нараняване, особено хидроксилни радикали и водороден пероксид, също се оказа незаменимо при отварянето на mPTP (Assaly et al., 2012). Пермеабилизираната мембрана позволява активирането и вмъкването на проапоптотични Bcl-2 членове на семейството BAX и BAK в митохондриалната мембрана (Wei et al., 2000; Kirkland et al., 2002).

Това помага за прехвърлянето на митохондриални протеини, включително цитохром с, от митохондриите към цитозола, последвано от взаимодействието между цитохром с и два кофактора, апоптотичен протеазен активиращ фактор 1 (APAF-1) и про-каспаза-9, за да образуват апоптозома, която в крайна сметка активира каспаза–9-каспаза-3 сигнализиращ път на клетъчна смърт с протеолитични събития и фрагментация на ДНК (Broughton et al., 2009). Този път се нарича каспаза-зависим апоптотичен път. Друг път на клетъчна смърт, каспаза-независима апоптоза, може да се активира, когато клетъчната енергия се изчерпва (Daugas et al., 2000). Поли (ADP-рибоза) полимераза-1 (PARP-1) е ядрен ензим, който се намира нагоре по веригата на пътя (Yu et al., 2002).

Индуцираното от ROS увреждане на ДНК може да предизвика свръхактивиране на PARP-1, при което се използва NAD plus, като по този начин се изчерпва съхранението на енергия. Ю и др. (2002) също установява, че активирането на PARP-1 може да доведе до освобождаване на неговия низходящ целеви фактор, индуциращ апоптоза (AIF, митохондриален флавопротеин) от митохондриалната интермембрана към ядрото, причинявайки кондензация на хроматин и широкомащабна фрагментация на ДНК . Проучванията показват, че AIF няма директен ефект на фрагментиране на ДНК (Susin et al., 1999; Wang et al., 2002). По този начин вероятно се нуждае от ефектор надолу по веригата по време на този процес. Проучванията предполагат, че ендонуклеаза G може да взаимодейства с AIF и да причини фрагментация на ДНК (Wang et al., 2002; Lee et al., 2005), въпреки че тяхното взаимодействие все още не е ясно. PARP-1-индуцираната клетъчна смърт е уникален път на клетъчна смърт. Като цяло проявява характеристики на апоптоза и също така се счита за некротичен от някои изследователи, тъй като класическата апоптоза зависи от енергията (Ha and Snyder, 1999).

TМозъкът е податлив на I/R нараняване

I/R нараняване може да възникне в много органи и тъкани, включително мозъка, сърцето, скелетните мускули и бъбреците. Някои общи характеристики се споделят от I/R нараняване в тези области, включително повишено производство на ROS, претоварване с калций, възпаление и отваряне на mPTP. И все пак специфичните за органа характеристики могат да повлияят на тежестта на I/R нараняване в различни органи. Мозъкът, органът, където настъпва необратимо увреждане в рамките на 20 минути след исхемия и може да се даде тесен времеви прозорец (обикновено 3–4,5 часа) за реперфузионна терапия, се счита за много податлив на I/R увреждане (Ordy et al., 1993) .

ROS в мозъка се генерира предимно от митохондриите, а не от други ензимни източници на ROS като метаболитно активна област. Мозъкът отговаря за повече от 20 процента от общата телесна консумация на кислород, но с относително ниско ниво на антиоксиданти в сравнение с други органи, което го прави уязвим на оксидативен стрес (Markesbery and Lovell, 2007; Damle et al., 2009; Kalogeris et al. , 2012). Освен това, натрупаното лабилно желязо в мозъка може да реагира с H2O2, за да произведе силно реактивен •OH. Тази реакция стимулира окислението и пероксидацията на масивно натрупаната полиненаситена мастна киселина в мозъка, причинявайки още повече оксидативен стрес (Ferretti et al., 2008). Поради чувствителността на мозъка към I/R увреждане, намирането на цели за предотвратяване на реперфузионно увреждане на мозъка е важно при лечението на инсулт.

Удължаване на терапевтичния времеви прозорец при исхемичен инсулт: забавена реканализация

Успешната реканализация на запушения съд възможно най-рано е широко приета като жизненоважен принцип на лечението на AIS. За съжаление, в продължение на много години повечето пациенти с AIS бяха възпрепятствани да получат ефективна реканализираща терапия поради тесния терапевтичен прозорец. През последните години серия от клинични изпитвания показаха, че забавената реканализация все още може да има ползи при исхемични мозъци по време на разширен терапевтичен прозорец, до повече от 24 часа, няколко дни и дори повече от 1 месец след появата на симптомите [Прегледано от Kang и др. (2020)]. Клинично, напредъкът в техниките за изобразяване позволи по-добро характеризиране на мозъчната тъкан и състоянието на съдовете в AIS. Маркерите за мозъчна исхемия се инструктират чрез несъответствие с перфузионно-претеглено изобразяване/дифузионно-претеглено изобразяване (PWI/DWI) и несъответствие на DWI/възстановяване с атенюирана инверсия (DWI/FLAIR) при магнитен резонанс (MRI).

MRI сканиране с PWI или перфузионно сканиране с компютърна томография (CT) показва различни нива на хипоперфузия. Предвид тези развития, заедно с напредъка в интраваскуларните интервенционни устройства, разширяването на времевия прозорец за реканализация при определени пациенти е възможно. Нарастващите рандомизирани проучвания показват, че забавената реканализация има благоприятен ефект върху 90-дневните резултати. Две висококачествени, рандомизирани контролирани клинични проучвания (DAWN и DEFUSE 3) на ендоваскуларна механична тромбектомия съобщават, че селективната забавена реканализация въз основа на несъответствието на изображенията подобрява 90-дневните резултати на пациентите, дори когато се извършва 16–24 часа след началото на симптомите (Ragoschke-Schumm и Walter, 2018). В обобщение, въпреки риска от I/R нараняване, който може да се увеличи със забавената времева точка за реканализация, забавената реканализация все още е от полза за определен подтип пациенти.

Невропротективен ефект на Cistanche

Cistanche е растителен екстракт, известен със своите невропротективни свойства и се смята, че неговият механизъм на действие включва антиоксидантни, противовъзпалителни и антиапоптотични ефекти. Има няколко подходящи теста и случаи на приложение, свързани с невропротективните ефекти на Cistanche, които включват:

1. In vitro проучвания: In vitro проучвания показват, че екстрактът от Cistanche предпазва невроните от предизвикано от стреса увреждане чрез намаляване на оксидативния стрес и възпалението.

2. Изследвания върху животни: Проучванията върху животни показват, че Cistanche може да предпази от увреждане на невроните, причинено от церебрална исхемия, травматично мозъчно увреждане и експозиция на невротоксин.

3. Изследвания при хора: Има ограничени клинични доказателства за невропротективните ефекти на Cistanche при хора, но някои проучвания предполагат, че може да подобри когнитивната функция и да намали свързания с възрастта спад в паметта.

Luoan Shen1†, Qinyi Gan1†, Youcheng Yang1, Cesar Reis2, Zheng Zhang1, Shanshan Xu3, Tongyu Zhang4 * и Chengmei Sun1,3 *

1 Zhejiang University-University of Edinburgh Institute, School of Medicine, Zhejiang University, Haining, Китай,

2 VA Loma Linda Healthcare System, Университет Лома Линда, Лома Линда, Калифорния, Съединени щати,

3 Institute for Advanced Study, Shenzhen University, Shenzhen, China, 4 Department of Neurosurgery, Xuanwu Hospital, Capital Medical University, Beijing, China