Какво представляват ендогенните механизми на невропротекция?

Контакт:joanna.jia@wecistanche.com/ WhatsApp: 008618081934791

ползите от cistanche могат да помогнат за невропротекция

Sara Marmolejo-Martinez-Artesero 1 , Caty Casas 1,† и David Romeo-Guitart1,2,*

1 Катедра по клетъчна биология, физиология и имунология, Institut de Neurosciences (INc),

Universitat Autonoma de Barcelona (UAB), Bellaterra, 08193 Барселона, Испания; Sara.Marmolejo@uab.cat

2 Лаборатория „Хормонална регулация на развитието и функциите на мозъка“—Екип 8, Institut Necker Enfants-Malades (INEM), INSERM U1151, Université Paris Descartes, Sorbonne Paris Cité,

75015 Париж, Франция

* Кореспонденция: david.romeo-guitart@inserm.fr; Тел.: плюс 33-01-40-61-53-57 † Починал на 29 юни 2020 г.

Резюме: Постмитотичните клетки, подобно на невроните, трябва да живеят цял ​​живот. Поради тази причина организмите/клетките са еволюирали с механизми за самовъзстановяване, които им позволяват дълъг живот. Работният процес на откриване на невропротектори през последните години се фокусира върху блокирането на патофизиологичните механизми, които водят до загуба на неврони при невродегенерация. За съжаление, само няколко стратегии от тези проучвания успяха да забавят или предотвратят невродегенерацията. Има убедителни доказателства, демонстриращи, че одобряването на механизмите за самолечение, които организмите/клетките имат ендогенно, обикновено наричани клетъчна устойчивост, може да въоръжи невроните и да насърчи тяхното самолечение. Въпреки че подобряването на тези механизми все още не е получило достатъчно внимание, тези пътища отварят нови терапевтични пътища за предотвратяване на невронна смърт и подобряване на невродегенерацията. Тук подчертаваме основните ендогенни механизми на защита и описваме тяхната роля в насърчаването на оцеляването на невроните по време на невродегенерация.

Ключови думи: автофагия; клетъчна устойчивост; ендогенни механизми; невропротекция; оцеляване на невроните; разгънат протеинов отговор

1. Невродегенеративни процеси

С увеличаването на продължителността на живота в развитите страни, честотата на невродегенеративните заболявания като болестта на Алцхаймер (AD), болестта на Паркинсон (PD) или болестта на Хънтингтън (HD), или свързаният с възрастта спад на работата на нашата нервна система, вероятно ще се увеличи. Въпреки че има няколко линии на доказателства, показващи, че тези патологии имат невронни, астроглиални и микроглиални компоненти, спадът в ежедневните функции е причинен от прогресивна загуба на неврони. Поради ниската си оборотност, невроните са постмитотични клетки, които трябва да живеят цял ​​живот. Поради тази причина те се нуждаят от мощна присъща защитна машина, за да се справят с външни и вътрешни обиди, които ще причинят тяхната смърт. Тези външни/вътрешни опасности са травматични наранявания или ексцитотоксични съединения, реактивни кислородни видове (ROS), протеинови агрегати и други токсични молекули. За щастие, клетките имат вътрешен механизъм, който блокира смъртта чрез активиране на механизми за устойчивост или насърчаване на пътища за регенерация. Докато младите неврони имат правилното функциониране на тези самовъзстановяващи се защитни механизми, стареенето ги нарушава, оставяйки невроните незащитени. В същата посока дисфункционалността на тези механизми за самолечение също е описана при невродегенеративни заболявания.

През последните десетилетия бяха положени огромни усилия за получаване на нови и ефективни невропротективни терапии. Те обаче са насочени към патофизиологични механизми, което в крайна сметка се превръща в ускоряване на невронната смърт. Следователно, защо да не засилим механизмите, които невроните имат естествено, за да се получи ефективен неврозащитен подход?

Тази защитна мрежа се задвижва от пресичането на различни клетъчни процеси (т.е. разгънат протеинов отговор (UPR), автофагия и т.н.), но те се сливат в един и същ процес: позволявайки на клетката да се адаптира към стреса и да оцелее [1–3] . Наскоро обмислихме нова обосновка за откриване на невропротектори: дешифрираме какви молекулярни механизми невроните се ангажират след две различни нервни увреждания с противоположни фенотипове, оцеляване или смърт, които споделят прилики със здравето и невродегенерацията/стареенето. За да направим това, ние използвахме два in vivo базирани модела на увреждане на периферните нерви, които имитират функционалността или дисфункционалността на ендогенните механизми на защита. Те провокират или смърт на мотоневрон (MN) (авулсия на корена (RA)), или оцеляване (дистална аксотомия (DA)), в зависимост от разстоянията сома-нараняване [2]. С помощта на тези модели и използвайки подход, базиран на системна биология, ние потвърдихме, че смъртта на MNs след RA споделя прилики със загубата на неврони, наблюдавана при невродегенеративни заболявания, и също така описахме кои механизми се използват от MNs, за да оцелеят след увреждане на нервите [2]. Дегенеративните процеси са апоптоза, некроза, аноикис, стрес на ендоплазмения ретикулум (ER), нуклеоларен стрес, цитоскелетни пренареждания и митохондриална дисфункция, докато двигателите на оцеляването са: правилен UPR, реакция на топлинен шок, автофагичен път, убиквитин- протеазомна система, шаперонови системи, ER-свързани машини за разграждане и антиоксидантна защита (Таблица 1). Интересното е, че всички тези механизми са описани отделно преди години и са посочени като наранявания преди кондициониране (вижте по-долу).

Таблица 1. Обобщение на протеините, включени за всеки ендогенен механизъм наневропротекция, включително молекулярния механизъм, чрез който се медиират техните ефекти.

Ние показахме, че стимулирането на тези ендогенни механизми наневропротекциячрез фармакологично лечение позволява на MN да оцелее в различни про-смъртни сценарии, вариращи от различни видове до различни етапи на развитие [23,54,55].

2. Първо доказателство за ендогенни механизми: предварително кондициониране

Фенотипните ефекти на ендогенните механизми на защита са описани преди 40 години. През 1986 г. Murry et al. описват, че сублеталният физиологичен стрес, известен също като предварително кондициониране, подобрява възстановяването на тъканите в сърцето [56]. Оттук тези лечебни механизми са наблюдавани и в мозъка и гръбначния мозък (SC) [57]. Например, тези клетъчни реакции се наблюдават след нараняване на нерв или по време на сърдечна регенерация, където производството на ROS или извънклетъчни везикули съответно води до функционално възстановяване [58–60]. Изненадващо, предварителното кондициониране на конкретен орган упражнява защита на другите от нараняване [61]. Няколко специфични ефектора са отговорни за тези ефекти. След предварително кондициониране на нараняване, производството на различни медиатори (азотен оксид или ROS) ще активира сигналните пътища фосфатидилинозитол 3-киназа (PI3K)/протеин киназа B (AKT), протеин киназа C (PKC) и други сигнални пътища, които ще модулира транскрипционни фактори като индуцируем от хипоксия фактор 1-алфа (Hif1-) или NF-kB. Те ще доведат до производството на азотен оксид синтази (iNOS), протеини на топлинен шок (HSPs) и циклооксигеназа-2 (COX-2), които се описват като "крайни ефектори", и ще насърчават защитния ефект в тъканта срещу бъдещи инсулти [61]. Заедно тези проучвания предполагат, че организмите/клетките имат ендогенни защитни механизми и тяхното засилване може да бъде ефективна терапевтична стратегия.

3. Ендогенни механизми на невропротекция

3.1. Автофагия с фина настройка

Невроните изискват непрекъснато рециклиране на вътреклетъчни материали, за да поддържат хомеостазата. Макроавтофагията, наричана по-долу автофагия, е силно координирана молекулярна мрежа в еукариотни клетки, която се стреми да рециклира цитоплазменото съдържание чрез лизозомно разграждане. Въпреки че първоначално този механизъм на разграждане се наблюдава само при гладуване, последните проучвания показват, че клетките имат базално ниво на аутофагия за регулиране на протеиновата хомеостаза. Тези базални нива са от съществено значение за поддържането на аксоните и оцеляването на невроните при нормални условия [62,63]. Функционалният автофагичен поток е процес, силно координиран от различни свързани с автофагията (ATG) гени, кинази и други регулаторни протеини. Всички те работят заедно, за да организират правилното започване, нуклеация, удължаване, затваряне и сливане на автофагозоми с лизозоми, за да разградят цитозолното натоварване [64]. Намален поток на автофагия се наблюдава в хипокампуса по време на стареенето, докато възстановяването на неговите нива улеснява формирането на нови спомени [65]. Нарушената или дисфункционална аутофагия в невроните е свързана с невродегенерация, докато активирането на аутофагията води доневропротекция[5,54]. Промени в протеините, свързани с началната фаза и фазата на удължаване, са наблюдавани при амиотрофична латерална склероза (ALS) [66,67] и индуктори на автофагия, като рапамицин, упражняватневропротекцияслед церебрална исхемия, травматично мозъчно увреждане (TBI) и AD [68–70]. Неврон-специфичният нокаут (KO) на ATG5 или ATG7 причинява невродегенерация, натрупване на цитоплазмени включващи телца и смърт на неврони [62,71], докато тяхната свръхекспресия е от полза в модел на PD [4]. И накрая, p62, който управлява заряда в автофагозомата и играе ключова роля в късните етапи на образуване на автофагозома, е невропротективен в модели на мухи, характеризиращи се с протеинови агрегати, което е отличителен белег на невродегенеративни заболявания [6].

Няколко проучвания показват натрупването на автофагозоми и автолизозоми по време на невродегенерация, което предполага, че аутофагията е свръхактивирана и може да предизвика невронална смърт. Анормалното натрупване на автофагични процеси в цитоплазмата може да бъде причинено от лизозомна дисфункция, а не от свръхактивирана аутофагия [72]. Автофагията се инициира правилно след TBI, но автофагозомите не се елиминират поради лизозомна дисфункция, което води до неразрешена аутофагия, която насърчава невронната смърт [73]. Тези нефункционални лизозомни пътища се наблюдават и след увреждане на гръбначния мозък (SCI), възпрепятствайки функционалното възстановяване [74]. Подобно блокиране на клирънса на автофагозомите е описано и при невродегенеративни заболявания (т.е. човешки мозъци при AD) [75]. Интегрирането на всички тези доказателства предполага, че подобряването на разделителната способност на автофагията може да доведе до защита. Platt наскоро подчерта терапевтичния път за подобряване на функцията на лизозомните протеини за предотвратяване на невродегенерация [76]. Свръхекспресията на транскрипционен фактор EB (TFEB), който модулира транскрипционна мрежа, която е от съществено значение за биогенезата и функцията на лизозомата, насърчава невропротективни ефекти в модел на PD на плъх [7] и модел на AD мишки [8].

Индукцията на автофагия не е толкова добра, колкото бихме искали. Въпреки че е каноничен защитен механизъм, неговата машина или свръхактивиране може да улесни клетъчната смърт [77,78]. Инхибирането на аутофагията след излагане на човешки приони намалява увреждането на невроните, което показва, че индукцията на аутофагия също води до смърт [79], а намаленото започване на аутофагия насърчава функционалното възстановяване след SC хемисекция, предотвратява апоптозата и намалява пирамидната смърт след исхемия при новородени и възрастни мишки [80–82]. Ако се фокусираме върху аксотомирани неврони, блокирането на аутофагията е невропротективно за руброспиналните [80], докато повишаването на нивото на ATG5 защитава спиналните MNs [5]. Добавяйки противоречия, раковите клетки, лекувани с химиотерапия, активират аутофагията, за да преодолеят индуцираната от лечението апоптотична смърт, докато MN-зависимата аутофагия инхибира апоптозата [54]. Освен това, ATG също предизвикват невронална смърт. ATG5 губи проавтофагичните си способности, когато се разцепи, премествайки своята активност към индуциране на клетъчна смърт [83–85]. Beclin1 има антиапоптотични ефекти при нормални условия, но неговото разцепване в С-края сенсибилизира клетките към апоптотични сигнали [9]. Следователно има кръстосано взаимодействие между двата клетъчни процеса и клетките могат да ги пренасочат, за да увеличат шансовете си за оцеляване, за да се справят с обидата [83].

И така, какво е важно заневропротекция? Усилване или блокиране на автофагията? Фината настройка е отговорът [86]. Индукцията на фино настроена аутофагия дава благоприятни ефекти чрез (i) премахване на нефункционални протеини/органели, (ii) позволяване на клетката да се адаптира отново към новата ситуация и (iii) унищожаване на вредни ефекти като възпаление или апоптотични индуктори [87, 88], които медиират смъртта на невроните. Въпреки това, тази автофагия трябва да се активира в много специфичен прозорец от време, като се избягва прекомерното разграждане, което провокира клетъчна смърт.

И накрая, аутофагията също има неканонични/деградиращи функции, като модулиране на възпалителния отговор, формиране на нови спомени [65], поддържане на синаптичната хомеостаза [89] и транспортиране на товара в клетката [90] . Така че пълното му блокиране ще доведе до необратимо увреждане на нервната система и/или невроните.

ползи от cistanche deserticola: може да помогне за невропротекция

3.2. Справяне със секси част от разгънатия протеинов отговор

Невроните са изключително чувствителни към неправилно нагънати протеини и агрегати. ER е отговорен за клетъчната протеостаза, която представлява синтеза, сгъването и сортирането на протеини. Всяка промяна в неговата годност ще доведе до натрупване на неправилно нагънати протеини, предизвиквайки ER стрес и активирайки ER-реакцията на претоварване (ERO), пътищата на ER-свързаното разграждане (ERAD) или UPR, което е силно запазен клетъчен отговор. Промени в разпределението и морфологията на ER и UPR са наблюдавани при невродегенеративни заболявания [91–93] и когато невронът е изолиран след увреждане на нерв [16,94]. Свързващият имуноглобулинов протеин (BIP), известен също като GRP78, е ER-резидентен шаперон, който е основният сензор на UPR. В неактивно състояние BIP остава свързан с трите ма-

още UPR ефектори: РНК-активираната протеин киназа-подобна ER киназа (PERK), която индуцира C/EBP хомоложен протеин (CHOP), изискващият инозитол протеин-1 алфа (IRE1), който снажда свързващия протеин на X-box 1 (Xbp1) иРНК и активиращия транскрипционен фактор-6 алфа (ATF6) [95,96]. Когато BIP открие неправилно нагънати протеини, тези трансдюсери се активират и предизвикват промени в генната експресия на специфични протеини (т.е. шаперони, транскрипционни фактори) с цел увеличаване на способността на клетката да нагъва правилно протеини чрез модулиране на генната експресия, повишавайки клирънса на неправилно нагънатите протеини клирънс на протеини или инхибиране на протеиновия синтез, което позволява на клетката да се адаптира към стреса и да оцелее [97]. Като доказателство за концепцията, свръхекспресията на BIP в допаминовите неврони увеличава тяхното оцеляване, докато нейното регулиране надолу предизвиква смъртта на черните допаминови неврони [10]. Освен това, BIP плюс / - мишки показват ускорено разпространение на прионна патогенеза [98]. Като цяло UPR модулацията може да упражнява защитни ефекти върху невродегенерацията [94], както беше прегледано наскоро от нашата група [99]. Активирането на UPR е ранно събитие при невродегенеративни заболявания и неговата прецизна модулация има благоприятен ефект върху прогресията на патологията [100,101]. Въпреки че UPR може да действа като ендогенен механизъм за клетъчна защита, неговото (свръх)активиране насърчава апоптоза [102] (т.е. PERK оста има про- или анти-апоптотични способности [91]). Освен това, скорошни доказателства сочат, че различни смущения на ER ще активират по различен начин 3-те клона на UPR, което показва, че координираното им съвместно активиране не винаги е налице.

Следователно клетката има специфична програма, за да отговори на конкретна обида. Например блокирането на CHOP или свръхекспресията на Xbp1 увеличава оцеляването на невроните след нараняване на нервите, което показва, че всеки клон има различни роли в смъртта на невроните [16].

cistanche в hindi herba може да помогне с невропротекция

Ранното активиране на PERK след мозъчно увреждане упражняваневропротекция, докато продължителното сигнализиране през този път изостря загубата на клетки [11]. Свръхекспресията или фармакологичното PERK активиране намалява Тау патологията [12], докато предотвратяването на неговото продължително активиране намалява невронната смърт [13] и подобрява свързания с възрастта спад на паметта [14]. Инхибирането на PERK в астроцитите забавя загубата на неврони в in vivo модел на прионна болест. Интересно е, че активирането на PERK в астроцитите нарушава секретома, променяйки неговата синаптогенна функция и причинявайки синаптична загуба [15]. Същите автори описват, че основните механизми надолу по веригата, включени в този вреден ефект на PERK, са адхезионните пътища на екстрацелуларната матрица-клетка, които омрежват UPR с аноиките (вижте по-долу, раздел 3.4). Нивата на активиращия транскрипционен фактор 5 (ATF5) са пряко зависими от активирането на PERK/еукариотен фактор за иницииране на транслация 2а (eIF2a). ATF5 е пряко свързан с онези неврони, които са по-устойчиви на смърт при човешка епилепсия [26]. Последващите последици от тези ефекти обаче не са толкова ясни. ATF5 индуцира експресията на два антиапоптотични ефектора (вижте по-долу), В-клетъчен лимфом 2 (Bcl-2) и протеин на индуцирана миелоидна левкемия клетъчна диференциация (Mcl-1) [103], който ще инхибира апоптоза. ATF5 също модулира механистичната цел на рапамицин (mTOR) в не-невронни тъкани, който е основният модулатор на аутофагията, свързвайки UPR и аутофагията.

Активирането на IRE1 подобрява чернодробната недостатъчност [17], а неговият низходящ ефектор Xpb1 насърчава сърдечната защита [18],невропротекцияпри AD, при PD и след инсулт [19–21]. Поразително е, че едно проучване при диабетна и предизвикана от исхемия ретинопатия показа, че защитните ефекти на UPR се медиират от Xbp1 [22]. Независимо от това, хроничното активиране на клона на IRE1 ще доведе до фосфорилиране на фактор 2 (TRAF2), свързан с рецептора на тумор некрозисфактор-a (TNF-), предизвиквайки апоптотична клетъчна смърт по различни начини [104–106]. Ектопичната свръхекспресия на Ire1 ще доведе до зависима от аутофагията невронална смърт в модел на PD Drosophila [107]. Следователно, коригирана модулация на IRE1 -Xbp1 по време на конкретен прозорец може да упражни защита [108].

Наскоро описахме, че фармакологичното лечение с NeuroHeal или свръхекспресията на сиртуин1 (SIRT1) индуцира оцеляването на MN след увреждане на нерва и увеличава присъствието на разцепен ATF6, като същевременно намалява фосфорилирането на IRE1 [23]. Фармакологичното активиране на ATF6 индуцира защита при различни модели на исхемия чрез активиране на протеостаза [24] и блокирането на този транскрипционен фактор има вредни ефекти. По-подробно, ATF6 модулира експресията на протеини, свързани с антиоксидантния отговор, модулирайки ROS хормезиса [109]. Принудителната експресия на ATF6 подобрява функционалния резултат след инсулт и авторите предполагат, че този ефект може да бъде медииран от индуцирането на аутофагия [25].

И така, какво е терапевтично интересно, активиращо или отслабващо UPR? Активирането на специфични клонове на UPR е ключовият момент. Прецизното активиране на UPR може да стимулира защитни ефекти, като помага на клетката да възстанови протеостазата. Независимо от това, тази концепция трябва да се приема с повишено внимание, защото ако стресът продължава и протеостазата не се възстанови, UPR задейства невронална апоптоза, която се медиира от PERK или IRE1 клон [110]. Освен това UPR е свързан и с автофагията и обратно. BIP медиира автофагичния отговор, насърчавайки оцеляването на невроните [111]. И накрая, 3-те клона на UPR модулират транскрипцията на ATG [112], което предполага сложна връзка между двата клетъчни процеса.

3.3. „Не днес“ апоптоза

Апоптозата е каспаза-зависима програмирана клетъчна смърт (PCD), която поддържа целостта на клетъчната плазмена мембрана и органелите [113]. Неговата дисрегулация е причина за много видове рак, невродегенеративни или възпалителни патологии. Индуцираната от каспаза смърт е силно контролиран процес, който се нуждае от координирано задействане на няколко играчи, за да причини окончателна клетъчна смърт [114]. Подобни на апоптоза отличителни белези на смърт се откриват в модели на мишки с амиотрофична латерална склероза (ALS), AD или PD, въпреки че не е ясно дали това е крайният изпълнител на невронна смърт [115]. По време на еволюцията клетките са разработили няколко механизма за предотвратяване на тяхната смърт, когато това е ненужно, или за избягване на преждевременна PCD. Клетките предизвикват ефективна апоптотична смърт само когато балансът между про- или анти-апоптозната машина ги тласка към смърт. Въз основа на нашите in vivo модели, ние наблюдавахме, че RA индуцира апоптотични пътища, но също и антиапоптотични, и техният баланс води до алтернативна и неизвестна смърт, която не е класическата апоптоза [2]. Последните публикации в областта предполагат, че каспазите също действат чрез ремоделиране на нервната система, без да насърчават клетъчната смърт [116], и тяхната активност зависи от нейната субклетъчна позиция. Следователно, активните форми на каспази, които се намират в невродегенеративните тъкани, могат да имат несвързана със смъртта роля и крайната невронна смърт е чрез други фатални механизми.

Апоптозата може да бъде възпрепятствана от антиапоптозните пътища, които се управляват от три семейства протеини: FLICE-инхибиторни протеини, Bcl-2 и инхибитори на апоптозни протеини (IAP). IAP упражняватневропротекцияв модел на исхемия [27] или избягване на смъртта на MNs след увреждане на нерв по време на неонаталните стадии [28]. Предполага се, че IAP са отговорни за блокирането на невронната смърт след аксотомия по време на зряла възраст [29]. В същата посока, пост-транслационна модификация на X-свързания IAP (XIAP), която блокира неговата анти-каспаза 3 функция, е описана като допринасяща за патогенезата на PD [117].

Исхемичното предварително кондициониране, което частично намалява вредните ефекти на исхемията, действа чрез IAP и позволява на клетките да оцелеят след каскадно активиране на каспаза [30]. IAPs също медиират ефекта за оцеляване на невротрофичен фактор, получен от глиални клетки (GDNF) върху MNs след неонатална аксотомия [28]. Други молекулярни пътища, които избягват клетъчната смърт чрез модулиране на проапоптозни протеини, са извънклетъчни сигнално-регулирани кинази (ERK) и AKT. В този смисъл пътят на AKT е описан като про-оцелителен играч чрез блокиране на апоптозата [31]. AKT инхибира индуктора на апоптозата p53 чрез насърчаване на неговото разграждане и следователно блокира неговите проапоптотични способности [32–34]. В противен случай каспазите са в състояние да инхибират AKT чрез неговото разцепване, което показва фино настроена модулация на клетъчното оцеляване и смърт [118]. От друга страна, активността на AKT фосфорилира транскрипционните фактори на Forkhead box protein O (FOXO). Те са свързани с апоптозата [119] и тяхната модификация води до повишена клетъчна преживяемост [35]. AKT-зависимото фосфорилиране на FOXO избягва навлизането му в ядрото, предотвратявайки индукцията на проапоптотични гени като Bcl-2- взаимодействащ медиатор на клетъчна смърт (BIM) или Bcl-2 деветнадесет килодалтона-взаимодействащ протеин 3 (Bnip3) [119–121]. От друга страна, пост-трансдукционните модификации на FOXO фино настройват своята транскрипционна мрежа в клетката, придвижвайки я към индукция на аутофагия вместо апоптоза [54,121–123]. Следователно, специфичната модулация на фамилията FOXO е нов път за насърчаване на оцеляването на невроните чрез инхибиране на апоптозата [54,124].

И накрая, невронната активност също е промотор на антиапоптозата чрез регулиране на NMDA-зависими антиапоптотични гени [125,126]. Някои от тези регулирани гени позволяват на митохондриите да станат по-устойчиви на стрес [126], като помагат на клетката да оцелее след инсулта.

3.4. Повторно закрепване от Anti-Anoikis

Взаимодействието между клетката и извънклетъчния матрикс (ECM) е от съществено значение за правилното му функционално интегриране в тъканта. Когато това пресичане бъде предотвратено, клетката умира чрез PCD, наречен аноикис, който споделя пътища с апоптоза. Интересното е, че разграждането на присъщите програми за аноикис придава злокачественост на туморните клетки, като им дава достатъчно клетъчна устойчивост, за да избягат и да се прикрепят отново към други тъкани, без да умрат [127,128]. Основните ефекти на тези взаимодействия са интегриновите протеини, които се образуват от комбинацията от и субединици. Тази комбинация ще определи специфичността на лиганда и вътреклетъчното сигнализиране. ECM сигналите се предават на невроните чрез интегрини, които са от съществено значение за клетъчната форма, оцеляване, подвижност, пролиферация, развитие, невронна свързаност и синаптична пластичност [129]. Интегрините също са важни за вътреклетъчното сигнализиране на растежните фактори [130], които са добре известни модулатори на оцеляването на невроните чрез блокиране на механизмите за смърт. 1 интегринова субединица е от съществено значение за взаимодействието клетка-ECM и нейното блокиране е достатъчно, за да задейства аноикис [36] и невронална апоптоза [131]. Освен това вътреклетъчното сигнализиране на тази субединица е свързано с оцеляването на ганглиозните клетки на ретината [132] и техните дефекти присъстват при невродегенеративни разстройства [133].

Независимо от това клетките са разработили анти-аноикис подпрограми за противодействие на смъртта, която се инициира от тирозин кинази, малки GTPases [128], NF-kB [134], PI3K/AKT, протоонкогенна тирозин-протеин киназа (Src) или ERK оси и чрез автофагия [135,136]. NF-kB модулира анти-anoikis чрез задействане на анти-апоптотични протеини като Bcl-2 и IAP- 1 [135], докато ролята на PI3K/AKT в оцеляването на клетките е широко документирана и допринася за оцеляването на диференцирани клетки [36,37]. Отделянето на ECM също предизвиква аутофагия, която е самозащитен механизъм, водещ до байпас апоптоза [135]. Тези доказателства отново предполагат сложна мрежа между механизмите за самозащита.

Аноикис присъства и при невронална смърт след TBI поради увеличаването на матриксната металопротеиназа (MMP), която разрушава ECM протеините [137]. Експресията и нивата на ММР се модифицират след невротравма и имат различни роли в аксоналната дегенерация, образуването на глиален белег и синаптичното ремоделиране. По отношение на оцеляването на невроните, инхибирането на MMP9 упражнява защитни ефекти при церебрална исхемия чрез намаляване на разграждането на ламинин [38]. MMP също са замесени в невродегенерацията [138]. Скорошни проучвания описват, че инхибирането на ММР9 има защитни ефекти в двигателната единица от ALS мишки модел [39,40] и при AD модели [41]. Следователно, леченията за инхибиране на специфични MMP индиректно ще поддържат анти-аноикисната програма в невроните, улеснявайки нейното оцеляване.

3.5. Цитоскелет и моторни транспортери

Невронният цитоскелет се състои от три различни структурни комплекса: микротубули (MTs), междинни филаменти (IF) и актинови микрофиламенти. Те имат различни клетъчни функции: МТ регулира динамиката на невритите и дендритите [139], актинът отговаря за клетъчната морфология [140], а IF задвижва механичната стабилност на структурата на цитоскелета [141]. Дефекти в структурните комплекси се наблюдават при невродегенеративни заболявания, при периферни невропатии, при синаптична дисфункция и водят до зряла загуба на гръбначния стълб [141–146].

Динамиката на МТ е силно контролиран процес и неговият дисбаланс може да доведе до опустошителни последици за оцеляването на невроните или работата на аксона [142], докато неговата стабилизация блокира смъртта на невроните [147] и ускорява растежа на аксоните в централната нервна система [148]. По-подробно, цитоскелетните структури са железопътните линии, докато моторните протеини кинезин и динеин са влаковете, които пренасят товара съответно чрез антерограден или ретрограден транспорт. Следователно двигателните комплекси също са от съществено значение за оцеляването на невроните. Семейството кинезин се формира от членовете кинезин-1 (исторически наречен KIF5c) и кинезин-3 (KIF1A, KIF1B и KIF1B) [149]. KIF5c е обогатен с MNs [150] и неговата генетична аблация е свързана с MN заболявания и парализа [149,151]. Наскоро беше загатнат за патогенезата на ALS [152]. Нарушаването на взаимодействието му с МТ води до аксонална дегенерация и последваща невронална смърт [153]. Разрушаването на KIF5c води до нарушения на митохондриалната динамика, което води до оцеляване или смърт на невроните в зависимост от стимулите. Освен това, KIF5c фино настройва функцията на митохондриите, превръщайки се в клетъчно здраве (вижте по-долу, раздел 3.6.) [42] и неговата модулация може да насърчиневропротекция. Протеиновите агрегати, като амилоид-, имат вредно въздействие върху стабилността на KIF5a, което води до нарушено движение на митохондриите и функциониране на кладенеца [154].

Ретроградните протеини също упражняватневропротекция. Те са динеините и са мултипротеинови комплекси, образувани от различни протеини, като p150glue (dynactin1/DCNT1) е най-разпространената субединица. Дисфункционална динактинова субединица 1 (DCTN1) е използвана като модел на ALS мишки и нейната мутация причинява дефектен аксонален транспорт, който води до ALS-подобен фенотип при мишки [155,156]. KO мишките показват зависима от възрастта MN смърт, която е придружена от блокиране на автофагията [157]. DCTN1 има ясна роля в транспорта на автофагични вакуоли в невроналното тяло и неговото смущение причинява натрупване на амфизоми в дисталните аксони, което води до AD-подобен фенотип [158]. Динеиновият адаптер Rab-взаимодействащ лизозомален протеин (RILP) играе решаваща роля в автофагозомната биогенеза, транспорт и неговото инхибиране причинява натрупване на автофагични процеси [44]. Като цяло се наблюдава, че дисфункцията на МТ, заедно с аберантната локализация на кинезин и динеин, води до лизозомна дисфункция, която провокира натрупване на автофагозоми и пресинаптична дистрофия при AD [159]. Свръхекспресията на DCTN1 в остеокластите предотвратява апоптотичната смърт, което предполага, че моторните протеини също играят роля в избягването на клетъчна смърт в други видове клетки и тъкани [43].

В обобщение, намаляването на аксоналния транспорт е налице при много невродегенеративни заболявания и след увреждане на нервната система. Този дефект ще доведе до промени в структурата на МТ и/или молекулярните двигатели, необходими за аксонален транспорт [5]. Правилният аксонален транспорт е от решаващо значение за нормалното функциониране на невроните и уврежданията в този процес допринасят за смъртта на невроните. Повишаването на транспортната машина на клетката, или чрез стабилизиране на цитоскелета, или чрез повишаване на нивата/активността на моторния протеин, е доказано, че е невропротективно чрез възстановяване на правилния автофагиен поток в неврона [5].

3.6. Добро функциониране на митохондриите

Функцията на невроните зависи от енергийния и калциевия (Ca2 плюс) баланс, така че работата на митохондриите е от решаващо значение за тях. Митохондриите не са статични органели. Те променят формата, размера, броя или локализацията си вътре в клетката и имат способността да се сливат или делят чрез делене, за да се адаптират към клетъчното търсене. Те произвеждат енергия чрез цикъла на трикарбоксилната киселина (TCA) и окислителното фосфорилиране (OXPHOS) чрез веригата за пренос на електрони (ETC). Активирането на OXPHOS ще доведе до ROS, който има широк спектър от функции (диференциация, автофагия, имунен отговор) на физиологични нива [160] и регенерация на аксони [60]. Независимо от това, на свръхфизиологични нива ROS са вредни, защото причиняват увреждане на липидите, ДНК и протеините. Тези промени са свързани с невродегенеративни заболявания, SCI и TBI. Митохондриите също действат като основен регулатор на оцеляването на невроните чрез тяхното участие в пътища, които модулират смъртта на невроните.

Митохондриите се транспортират около клетката от цитоскелета, моторните протеини и съответните адаптори. В невроните те се транспортират главно върху МТ от адаптерните протеини Miro и Milton/трафик на кинезин-свързващ протеин 1 (TRAK) [161]. Тези движения на митохондриите в невроните са от съществено значение за поддържане на оптимална годност в рамките на синапсите, производство на енергия, буфериране на Ca2 плюс и т.н. [162]. Митохондриите често се локализират близо до ER, образувайки свързани с митохондриите ER мембрани или свързани с митохондриите мембрани (MAM). Тези мембранни микродомени са обратими връзки, които съвместно регулират и влияят на различни клетъчни процеси, т.е. синтез/транспорт на липиди, Ca2 плюс динамика/сигнализиране, аутофагия, митохондриална форма и размер, апоптоза и енергиен метаболизъм [163]. MAM се променят при неврологични заболявания като AD, PD и ALS [164]. Митохондриите действат като център на ATGs, доставяйки мембрани за образуването на автофагозоми и модулирайки автофагичния поток [165]. Митохондриите също страдат от UPR(mt) и в зависимост от активирания път, той е свързан с удължен живот при червеи и мишки [166], но свръхактивирането му причинява невродегенерация [167].

Митохондриалната дисфункция възниква от недостатъчен брой митохондрии, невъзможност да им се осигурят необходимите субстрати или дисфункция в техния електронен транспорт и машини за синтез на АТФ. Високите нива на ROS и свързаните с тях реактивни видове (RNS) могат да бъдат неутрализирани от дисмутазни ензими и антиоксиданти [168]. Промени в тези ензими и някои митохондриални респираторни комплекси са наблюдавани при невродегенеративни заболявания като ALS и PD [169]. Смущенията в броя и функцията на митохондриите сериозно нарушават клетъчната хомеостаза и предизвикват появата на заболяване. Следователно клетките се стремят да поддържат динамичен баланс между противоположните процеси на митохондриална биогенеза и клирънс. Натрупването на дисфункционални митохондрии и/или загубата на тяхната биогенеза води до клетъчна смърт. Последните терапевтични пътища за предотвратяване на невродегенерация имат за цел да стимулират митохондриалната биогенеза чрез модулиране на NAD плюс [170], епигенетични белези [171] или модулиране на серотониновата ос в мозъка [172]. Дисфункционалното изчистване на митохондриите чрез митофагия също дава резултатиневропротекция. Свръхекспресията на PTEN-индуцирана киназа 1 (PINK1), която е от съществено значение за инициирането на процеса на митофагия, увеличава оцеляването на невроните в модел на HD на муха [45]. В допълнение, добавянето на NAD плюс намалява невротоксичността в PINK1-мутантен модел на PD [173].

Функцията на митохондриите е омрежена с ROS и клетъчния антиоксидантен отговор. По този начин транскрипционният фактор Ядрен фактор, произхождащ от еритроиден фактор 2-свързан фактор 2 (Nrf2) регулира експресията на цитопротективни и детоксикиращи гени за борба с оксидативния стрес и невровъзпалението, с цел намаляване на невралните увреждания. Следователно, това може да бъде ефективна манипулация за забавяне на прогресията на заболяването при невродегенеративни заболявания [174–176]. При стимулиране на ROS, Nrf2 се дисоциира от Kelch-подобен ECH-асоцииран протеин (Keap1), като по този начин регулира експресията на антиоксидантни ензими [177]. Описано е, че Keap1 медиира убиквитинирането на p62 [178]. Когато Keap1 се регулира надолу, p62 се натрупва в клетките и причинява цитотоксичност, докато неговата свръхекспресия насърчава разграждането на p62 чрез пътя на автофагията. От друга страна, p62 активира Nrf2 през пътя на автофагията, за да образува пътя на p62-Keap1-Nrf2-антиоксидантно реагиращия елемент (ARE) и противодейства на оксидативното увреждане, причинено от ROS [179] ]. Освен това, Nrf2 образува регулаторни бримки, участващи в регулирането на митохондриалната биогенеза. Nrf2 увеличава експресията на активиран от пероксизомен пролифератор рецептор-гама коактиватор 1-алфа (PGC-1) и ядрен респираторен фактор (NRF1), които са пряко включени в регулирането на транскрипцията на mtDNA. И накрая, Nrf2 регулира експресията на PINK1, която играе ключова роля в индукцията на митофагия [180], което предполага, че антиоксидантният капацитет на клетката също влияе върху състоянието на митохондриите.

Невродегенеративните заболявания са свързани както с инхибирането на пътя на Nrf2, така и с дисфункцията на аутофагията, което води до натрупване на ROS, стареещи органели и неправилно нагънати протеини [181,182]. Невродегенеративните заболявания са свързани с много протеинови агрегати и ROS, индуциращи p62-Keap1-Nrf2 оста на положителната обратна връзка, която е защитен механизъм в невроните [183,184]. Експресията на Nrf2 е ниска в животински модели на AD и мозъци на пациенти с AD [185]. Свързването на Nrf2 с ARE възниква скоро по време на прогресията на заболяването, което съответства на увеличаване на производството на ROS [186]. Nrf2 невропротектори чрез намаляване на генерирането на ROS и A-медиирана ROS-индуцирана токсичност [187,188]. При HD има дисфункция на митохондриалния комплекс II, което води до повишаване на ROS [48]. В началната фаза на HD, лечението с Nrf2 агонист води до увеличаване на жизненоважни цитопротективни гени чрез Keap1–Nrf2–ARE в астроцити и микроглия [189]. Активирането на пътя Keap1–Nrf2–ARE от малки молекули в астроцитите ускорява устойчивостта на невроните към неекситотоксичната глутаматна токсичност [46–48]. Променената функция на митохондриите, биогенезата и митофагията са важни патологични характеристики при PD, а Nrf2 е важен транскрипционен фактор, който регулира контрола на качеството на митохондриите и хомеостазата [190]. При PD има активиране на системата Nrf2–ARE [191,192] и нейното фармакологично активиране предотвратява прогресирането на PD [49,50]. Активирането на Nrf2 играе защитна роля срещу ROS и клетъчна смърт, причинена от мутантния протеин на супероксид дисмутаза 1 (SOD1). В допълнение, свръхекспресията на астроцит Nrf2 увеличава преживяемостта на SC MNs и удължава продължителността на живота при SOD1 трансгенни мишки [51,52]. Освен това, пресичането между p62 и Keap1–Nrf2 пътя в контекста на аутофагията може да играе важна роля в отстраняването на ROS, предотвратяване на оксидативно увреждане и модулиране на ER стрес по време на церебрална исхемия-реперфузионно увреждане [53].

И накрая, митохондриите стимулират оцеляването на невроните, тъй като усещат вътрешни и външни инициатори на смърт, задействайки сигнални каскади, които се събират в митохондриите и след това се отклоняват отново в един или повече пътища на клетъчна смърт, които водят до различен тип клетъчна смърт (като присъща апоптоза ) [193].

растение цистанче в AD

4. Насочване към системна модулация

4.1. Ограничаване на калориите

Ограничаването на калориите (CR) удължава продължителността на живота в различни организми и има защитни ефекти върху няколко органа. CR въздейства върху целия организъм: от системната среда до различни субклетъчни популации. През 2010 г. Kromer и сътрудници предполагат, че ползите от CR зависят от SIRT1-зависимата автофагия [194]. От друга страна, беше посочено, че CR е невропротективен при заболяване на PD чрез оста Ghrelin-AMPK, като AMPK е ключов индуктор на аутофагия [195]. Като се има предвид очевидната невъзможност да се поддържа дългосрочен CR, терапевтичният интерес беше повишен за откриване на нови CR "миметици" (CRM), които имитират физиологичните ефекти на CR в организма [196]. Както CR, така и CR-миметиците са изследвали ефикасността при модели на плъхове с AD чрез подобряване на когнитивната функция чрез индукция на автофагия [197], така че те са нови терапевтични пътища за лечение на невродегенерация.

4.2. Упражнение

Физическите упражнения придобиват все по-голям интерес поради способността им да намаляват патофизиологичните състояния като невропатична болка или да подобряват функционалните резултати при модели на инсулт [198]. Той също така забавя прогресията на PD чрез инхибиране на възпалителната реакция и подобряване на антиоксидантния баланс [199]. Описано е, че упражненията действат чрез повишаване на ендогенните нива на невротрофични фактори [200,201]. Освен това той модулира секрецията на мускулни хормони, насърчавайки защитни ефекти в мозъка, неврогенезата и подобрявайки стареенето на мозъка [202]. Всъщност наскоро беше описано, че същият хормон, иризин, играе роля в образуването на кости [203], което показва, че упражненията въздействат върху цялото тяло.

5. Намиране на ефективен невропротектор: какво има и къде отиваме

Общите отличителни белези на невродегенеративните заболявания са неправилно активиране на UPR, натрупване на автофагични процеси, недостатъчност на митохондриалната добра функция, наред с други. Като цяло те ще затрупат невроните, провокирайки гибелта им. Един ефективен невропротектор трябва да коригира тези механизми, като стимулира клетката с пълна устойчивост на стареене/увреждания. Трябва напълно да модифицираме молекулярната мрежа в клетката, тласкайки я към пълно възстановяване на функциите. Одобрени лекарства като Riluzole за ALS [204] или текущи клинични изпитвания, като Rapamycin за ALS [204], Spermidine и DH за AD [205,206], са насочени само към един от тези дегенеративни процеси и невронът е претоварен от другите. Въпреки че могат да доведат до благоприятни ефекти, ние предлагаме да се намери генетичен или фармакологичен подход за одобряване на различни молекулярни пътища - многоцелева терапия - вместо само една цел.

Специфична свръхекспресия на определени протеини като SIRT1, BIP и/или ATG5 улеснява оцеляването на невроните след увреждане на нервите иневропротекцияпри невродегенеративни заболявания. Те основно фино настройват UPR или автофагични мрежи. Активирането на SIRT1 чрез използването на трансгенни мишки или вирусни вектори демонстрира защита при различни невродегенеративни заболявания като ALS, AD и HD [207–209], а също и след увреждане на нерв [55]. Деацетилазната активност на SIRT1 подкрепя различни ендогенни механизми на защита: автофагия, модулира UPR чрез отслабване на PERK и увеличава разцепването на ATF6 [23,210], има антиапоптотични ефекти и модулира AKT активността, за да инхибира аноикис [211,212]. Следователно прецизната му модулация може да подобри клетъчната устойчивост. От нашето скорошно проучване заключаваме, че модулирането на активността на SIRT1 деацетилаза е основен възел за молекулярната мрежа за постигане на клетъчна устойчивост [54,55]. И накрая, свръхекспресията на BIP предпазва от агрегати и индуцира аутофагия и митофагия [99], така че нейната модулация също е ефективен подход за групиране на различни невропротективни пътища.

6. Заключителни бележки

Засилване на ендогенните механизми наневропротекцияоткрива вълнуващи терапевтични пътища за лечение на невродегенеративни заболявания или поддържане на тъканна хомеостаза след невротравма. Въпреки че това е неизследвана област в днешно време, тя може да насърчи по-ефективни биомедицински резултати от блокирането на конкретен патофизиологичен белег. Следователно, тяхното одобрение чрез генетични, фармакологични или системно-модулационни терапии може да забави прогресията на патологията и да подобри функционалното възстановяване. Оптималната терапевтична стратегия трябва да включва конкретна модулация на ендогенните механизми на защита, за да се премоделира цялата мрежа и да се постигне защита.

Авторски принос: DR-G. и С.М.-М.-А. написа ръкописа и CC направи критичен преглед. Всички автори са прочели и са съгласни с публикуваната версия на ръкописа.

Финансиране: Това изследване не получи външно финансиране.

Изявление за наличност на данни: В това проучване не са създадени или анализирани нови данни. Споделянето на данни не е приложимо за тази статия.

Конфликт на интереси: Авторите декларират липса на конфликт на интереси.