Нейротрофины: общая характеристика
Нейротрофины - семейство регуляторных белков нервной ткани, которые синтезируются нейронами, также клетками микроглии и глии, и способствуют пролиферации, дифференцировке и поддержанию жизнеспособности и функционирования периферических и центральных нейронов [ Levi ea 1987 ]. При этом используется аутокринный и паракринный механизмы регуляции [ Levi ea 1987 , Yuen ea 1996 ]. Во время эмбрионального развития нейротрофины способствуют выживанию нейронов до и во время иннервации мишеней [ Davies ea 1986 , Oppenheim ea 1992 ]. Они функционируют также как физиологические сигналы выживания для центральных нейронов. При развитии нервной системы с помощью нейротрофинов регулируется выживаемость нейронов, то есть в зрелой нервной системе присутствуют те нейроны, которые в процессе развития нервной системы получили нейротрофины в надлежащем количестве от соответствующих клеток-мишеней [ Hyman ea 1991 , Johnson ea 1986 , Yan ea 1993 ]. "Лишние" же нейроны удаляются по механизму программируемой клеточной гибели . Нейротрофины регулируют нейрональную дифференцировку, индуцируют ветвление дендритов (арборизацию) и рост аксонов (спрутинг) в направлении клеток-мишеней. В зрелой нервной системе нейротрофины регулируют как краткосрочную синаптическую передачу, так и долговременное потенцирование ( LTP ), участвуя, таким образом, в обеспечении пластичности нервной системы, необходимой для ее нормального функционирования [ Bibel ea 2000 , Davies ea 1993 , Mamounas ea 1995 , Ventimiglia ea 1995 , Segal ea 1992 ]. Нейротрофины действуют локально в месте высвобождения и особенно интенсивно индуцируют ветвление дендритов ( арборизацию ) и рост аксонов ( спрутинг ) в направлении клеток-мишеней. Синаптический спрутинг, обеспечивающий "реусиление" существующих нейрональных токов [ Kang H., Schuman E. 1995 ] и образование новых полисинаптических связей [ Chen S.-C., Holly D. 1996 , Johansson B.B. 1995 ], обусловливает пластичность нейрональной ткани и формирует механизмы, участвующие в восстановлении нарушенных неврологических функций.
В результате направленного поиска нейротрофных факторов был выделен и очищен до гомогенного состояния первый представитель этого класса белковых молекул - фактор роста нервов (nerve growth factor, NGF )
Наиболее изучены нейротрофины, близких друг к другу по структуре: фактор роста нервов (NGF) , фактор роста, выделенный из головного мозга (BDNF) , и нейротрофин-3 (NT-3), а также NT-6 и NT4/5 (у разных видов просто NT4 или NT5 ) [ Lewin ea 1996 , Davies ea 1994 ], [ Chen S.-C., Holly D. 1996 ]. В развивающемся организме они синтезируются клеткой-мишенью (например, мышечным веретеном), диффундируют по направлению к нейрону, связываются с молекулами рецепторов на его поверхности, что приводит к активному росту аксона. В результате аксон достигает клетки-мишени, устанавливая с ней синаптический контакт. Факторы роста поддерживают жизнь нейронов , которые в их отсутствие не могут существовать.
Становится все более очевидным, что наряду с нейротрофинами почти все известные классические и вновь открываемые факторы роста в определенных условиях могут оказывать трофическую поддержку определенных групп нейронов [ Grothe ea 1996 , Lapchak ea 1996 , Ip ea 1996 , Shelton ea 1996 , Kuzis ea 1996 , Horton ea 1996 , Valenzuela ea 1997 ] ( таблица ). По всей вероятности, это связано с тем, что в нервной системе присутствуют рецепторы большинства трофических факторов, а внутриклеточные системы передачи сигналов в ядро, используемые различными рецепторами, взаимно перекрываются,[ Marte ea 1997 , Segal ea 1996 , Kazlauskas ea 1994 ].
Однако роль других нейротрофных факторов в развитии и функционировании нервной системы несоизмерима с масштабами влияния нейротрофинов. Хотя число последних невелико, их биологическая активность, направленная на установление четкой комплексной сети связей в нервной системе, необычайно сложна и многогранна. К настоящему времени стало очевидно, что функциональное разнообразие осуществляется не с помощью огромного набора разнообразных нейротрофинов, как казалось вначале, а путем сложного взаимодействия небольшого их числа.
Основным методическим подходом, позволившим углубить наши знания о функциях нейротрофинов, стало изучение способности нейронов выживать в первичных диссоциированных культурах в присутствии рекомбинантных нейротрофинов [ Davies ea 1988 , Davies ea 1993 , Davies ea 1994 , Davies ea 1994 ].
Большая часть выводов, сделанных на основании экспериментов с первичными культурами нейронов, получила подтверждение при анализе нейронных популяций у животных с направленно инактивированными генами нейротрофинов и их рецепторов [ Davies ea 1997 ]. Было установлено, что те нейротрофины, которые необходимы для определенных групп нейронов in vivо, способны поддерживать выживаемость первичных культур этих же самых нейронов in vitro. Эксперименты с культурами нейронов показали, что разные типы нейронов требуют разных нейротрофинов и что некоторые клетки на определенном этапе индивидуального развития чувствительны сразу к нескольким факторам, а другие ни к одному из известных.
Развитие нервной системы сопровождается сложным последовательным переключением чувствительности к нейротрофинам в определенных популяциях нейронов [ Davies ea 1994 , Davies ea 1997 , Segal ea 1992 , Buchman ea 1993 ]. Очевидно, что такая сложная система требует регуляции не только, и даже не столько на уровне индукции сигнала (т.е. продукции нейротрофинов), но и на уровне восприятия нейронами этого сигнала (т.е. продукции рецепторов нейротрофинов).
Огромное значение в развитии процессов ишемического повреждения ткани мозга имеет недостаточность трофического обеспечения, уровень которого определяет альтернативный выбор между генетическими программами апоптоза и антиапоптозной защиты, влияет на механизмы некротических и репаративных процессов [ Крыжановский Г.Н., Луценко В.К. 1995 , Gwag B.J., Canzoniero L.M. 1999 , Waters C. 1997 ]. Естественной защитной реакцией мозга в первые минуты ишемии является синтез трофических факторов и рецепторов к ним. При быстрой и активной экспрессии генов, кодирующих нейротрофины (факторы роста), ишемия мозга может длительно не приводить к инфарктным изменениям [ Takeda A., Onodera H. 1992 ]. В случае же формирования ишемического повреждения высокий уровень трофических факторов обеспечивает регресс неврологического дефицита даже при сохранении морфологического дефекта, вызвавшего его [ Twichell Т.Е. 1951 ].
Таким образом, важным направлением вторичной нейропротекции является разработка и внедрение в клиническую практику препаратов с выраженными нейротрофическими и ростовыми свойствами.
Факторы роста , представляющие собой эндогенные полипептиды, являются идеальными претендентами для лечения инсульта, так как обладают нейропротективными, репаративными и пролиферативными свойствами. В 70-х годах в экспериментальных исследованиях установлено защитное влияние фактора роста нервов (NGF) на выживаемость нейронов, состояние их энергетического метаболизма и белкового синтеза в условиях ишемии [ Karasek F. 1975 ]. Однако значительные размеры полипептидной молекулы нейротрофина не позволяют ему проникать через гематоэнцефалический барьер , что ограничивает возможности его терапевтического применения.
Были выявлены также нейропротективные эффекты основного фактора роста фибробластов (bFGF) , при введении которого в гиппокампальные структуры за несколько минут до введения глутамата многократно уменьшалось количество погибших нейронов и происходило ослабление потока ионов Са2+ в клетку, по сравнению с таковыми в аналогичных экспериментах без трофической защиты [ Loddick S.A. et al. 1998 ].
На моделях острой фокальной ишемии мозга у животных доказаны нейропротективные свойства bFGF [ Fisher M. 1995 , Fisher M., Meadows M.E. 1995 ], BDNF [ Schabitz W.R., Schwab S. 1997 ], противовоспалительного цитокина TGF-бета1 [ Gross C.E., Bednar M.M. 1993 ], инсулин-зависимого фактора роста (IGF) [ Loddick S.A. et al. 1998 ], остеогенного белка-1 (OP-1) [ Lin S.Z., Hoffer B.J. 1999 ]. Все они при введении после индукции ишемии сокращают размер инфарктной зоны на 35-50%.
Наряду с нейропротективным влиянием bFGF и ОР-1 проявляют выраженные регенеративные и пролиферативные свойства [ Kawamoto Т., Dietrich D.W. 1997 , Kawamoto Т., Ren J. 1998 ]: при назначении спустя 24 ч с момента развития ишемии достоверно улучшают функциональный исход экспериментального инсульта при стабильных размерах инфаркта мозга. В клинических испытаниях bFGF не только подтверждены нейропротективные и репаративные эффекты препарата, но также показаны его безопасность и хорошая переносимость [ FlBLAST Safety Study Group. 1998 ].
Семейство нейротрофинов к настоящему времени состоит из следующих представителей:
NGF - фактор роста нервов, nerve growth factor, (впервые описан в 1953 г.) [ Levi ea 1987 ];
BDNF - нейротрофический фактор, выделенный из мозга, brain derived neurotrophic factor, [ Leibrock ea 1989 ];
NT-3 - нейротрофин 3, neurotrophin-3, [ Ernfors ea 1990 , Hohn ea 1990 , Maisonpierre ea 1990 , Rosenthal ea 1990 ];
NT-4/5 - нейротрофин 4/5, neurotrophin-4/5, [ Hallbook ea 1991 ];
NT-6 - нейротрофин 6, neurotrophin-6, [ Gotz ea 1994 ];
NT-7 - нейротрофин 7, neurotrophin-7, [ Nilsson ea 1998 ].
Гены, кодирующие нейротрофины, были охарактеризованы у рыб, амфибий, рептилий и млекопитающих [ Gotz ea 1994 , Hallbook ea 1998 , Isackson ea 1991 ]. Нейротрофины и, в особенности BDNF , являются важнейшими факторами выживаемости нейронов и в то же время мощными регуляторами функций ЦНС. При этом уровень экспрессии белка BDNF достаточно лабилен - регулируется и эндогенными факторами, и внешними условиями, в которых находится организм. Следует отметить также, что пептидная регуляция экспрессии BDNF изучена недостаточно, и к настоящему времени имеется лишь три пептида, для которых показана способность усиливать экспрессию BDNF в клетках мозга - AVP (4-8), VIP и PACAP , причем только на уровне транскрипции.
