Neuroinflammation as secondary damage in head injury

Full Text

Введение

Черепно-мозговая травма (ЧМТ) является одной из основных причин инвалидизации трудоспособного населения. Ежегодно в мире от ЧМТ погибает 1,5 млн человек, а 2,4 млн становятся инвалидами. В России в год около 600 тыс. человек получают ЧМТ. В основном пациенты с ЧМТ — в возрасте до 44 лет, в связи с чем остро встаёт вопрос об их реабилитации [1].

ЧМТ классифицируется в зависимости от кинетической энергии и характера травмы. Выделяют следующие формы ЧМТ: сотрясение головного мозга, ушиб головного мозга (лёгкой, средней, тяжёлой степени), диффузное аксональное повреждение, сдавление мозга, сдавление головы [2–4]. Механический аспект повреждения при ЧМТ сопровождается двумя факторами: повреждением костными осколками мозгового субстрата и механизмом удара-противоудара [2].

Помимо механической травмы в головном мозге происходит каскад вторичных повреждений из-за изменений нейрохимических процессов, активации микроглии, повреждения гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) и запуска нейровоспалительных процессов [5–7].

Нейровоспаление при ЧМТ является комплексным процессом взаимодействия иммунной и нервной системы, который возникает в ответ на повреждение и может продолжаться в течение длительного периода после травматического события. Механический удар приводит к гибели нейронов, в ответ на которую запускается процесс нейровоспаления как нейропротекторный механизм, который обеспечивает защиту неповреждённой ткани: происходит активация глии, инфильтрация гранулоцитами и лимфоцитами ткани головного мозга, секреция иммунокомпетентными и глиальными клетками про- и противовоспалительных цитокинов, активных форм кислорода, хемокинов [5, 6].

В дальнейшем чрезмерная экспрессия цитокинов, белков астроглии (например, глиального фибриллярного кислого белка (glial fibrillary acid protein — GFAP)) может негативно сказаться на здоровой ткани, вызывая повреждения митохондриальных белков, нарушая ионный баланс, запуская процессы запрограммированной гибели нейронов, астроглиоз. Сильный провоспалительный ответ увеличивает риск летального исхода у пациентов, а в долгосрочной перспективе приводит к гибели нейронов, что влияет на когнитивные функции и неврологический статус пациента, ухудшает его социальную адаптацию после ЧМТ [5, 6].

В настоящем обзоре будет обсуждаться роль нейровоспалительных процессов как факторов вторичного повреждения головного мозга после ЧМТ.

Нейровоспаление

Повреждение нейронов при ЧМТ

Повреждение мембран нейронов вследствие механического воздействия на ткани головного мозга приводит к нарушению ионного баланса внутри клеток и во внеклеточном матриксе. По градиенту концентрации из межклеточного матрикса в нейроны происходит приток ионов Na⁺, Ca²⁺, которые до этого поступили в межклеточное пространство из погибших нейронов. Данный процесс вызывает ускоренное высвобождение глутамата из клеток и приводит к гиперстимуляции NMDA- и AMPA-глутаматных рецепторов. Связывание глутамата с NMDA-рецепторами приводит к дальнейшему притоку ионов Ca²⁺ в клетку и её деполяризации. В ответ на повышенное содержание ионов Ca²⁺ в нейроне активизируются мембранные насосы Ca²⁺-АТФазы, работа которых направлена на восстановление ионного баланса. Это приводит к истощению запасов глюкозы и переходу на анаэробный путь гликолиза, вследствие чего происходит накопление лактата, что может вызвать ацидоз и отёк [5, 8–10].

Глутамат-опосредованный приток Ca²⁺ приводит к высвобождению арахидоновой кислоты из глицерофосфолипидов мембраны нейронов. Данный процесс обеспечивается фосфолипазами A2 и C, диацилглицероллипазой. Далее арахидоновая кислота окисляется циклооксигеназами и липоксигеназами, что приводит к образованию простагландинов, лейкотриенов, тромбоксанов, активных форм кислорода. Повышенная продукция эйкозаноидов вызывает вазоконстрикцию сосудов головного мозга и тромбообразование, что несёт повышенный риск развития ишемии тканей мозга [5].

Помимо истощения энергетических запасов клетки, приток ионов Ca²⁺ активирует кальпаин — Ca²⁺-зависимую кальпаиновую систему внутриклеточных протеаз — вследствие чего запускается процесс деградации цитоскелетных и мембранных белков, происходит нарушение аксонального транспорта белков типа β-амилоида, фосфорилированного тау. В результате данные белки накапливаются в тканях головного мозга, что способствует развитию дегенеративных заболеваний (болезни Альцгеймера). Нарушение целостности нервных клеток приводит к их гибели [5, 9, 11].

Из-за изменений во внутреннем составе среды клетки каспаз — протеолитических ферментов, играющих важную роль в запрограммированной гибели клеток, — переходят в активное состояние и запускают процесс гибели нейронов по пути апоптоза [12].

Повышенное накопление ионов Ca²⁺ в митохондриях приводит к запуску механизмов апоптоза из-за активации проапоптотических белков семейства Bcl-2 (Bax и BH3-only), которые локализованы на внешней митохондриальной мембране [5, 13].

Ещё одним механизмом повреждения нейронов является повышение активности синтаз оксида азота (NOS). Выделяют несколько видов NOS: нейрональный (nNOS), индуцируемый (iNOS) и эндотелиальный (eNOS). Из-за повышенной активности NOS происходит избыточное накопление NO. NO в свою очередь вступает в реакцию с O2 и образует пероксинитрит ONOO⁻, который является высокотоксичным для нейрональных белков, липидов и нуклеиновых кислот [5, 14–16].

Таким образом, первичное повреждение тканей головного мозга вызывает механическое повреждение клеток, их гибель, что приводит к нарушению ионного баланса, неконтролируемому потоку ионов из межклеточного матрикса в клетки. Нарушение ионного баланса и неконтролируемый выброс нейротрансмиттеров вызывает эксайтотоксичность и запускает процессы запрограммированной гибели нейронов.

На рис. 1 и 2 представлены основные процессы после ЧМТ и их примерное распределение во времени.

 

Рис. 1. Вызванные ЧМТ повреждения и изменения процессов в головном мозге.

Fig. 1. Brain damage and physiological changes associated with head injury.

 

Рис. 2. Во время механического повреждения головного мозга происходят острая гибель нейронов, повреждение тканей головного мозга, разрыв ГЭБ. После этого нейтрофилы мигрируют в ткани головного мозга. Микроглия, астроглия и лейкоциты начинают продуцировать цитокины и хемокины. Микроглия дифференцируется в два подкласса, провоспалительный ответ М1 более длительный, чем противовоспалительный, и сохраняется довольно долгое время после травмы. Астроциты приводят к образованию глиальных рубцов. Повышенный уровень цитокинов, накопление продуктов распада нейронов, нарушения нейрохимических процессов запускают каскад проапоптотических реакций.

Рисунок выполнен на основе данных литературы [5, 16, 22].

Fig. 2. Mechanical brain injury causes acute neuronal death, brain tissue damage, and blood-brain barrier (BBB) disruption followed by neutrophil migration to the brain tissues. Then microglia, astroglia, and leukocytes start producing cytokines and chemokines. Microglia differentiates into two subtypes, M1 and M2, and an M1 pro-inflammatory response lasts longer than an anti-inflammatory one. Astrocytes induce glial scarification. Elevated cytokine levels, accumulation of neural collapse products, and neurochemical abnormalities launch pro-apoptotic cascade.

The figure is literature-based [5, 16, 22].

 

Роль глии в нейровоспалении

Микроглия — клетки-макрофаги центральной нервной системы (ЦНС) — участвует в различных гомеостатических функциях ЦНС и первой реагирует на любое повреждение в паренхиме головного мозга. Обычно микроглия находится в спокойном состоянии, которое характеризуется наличием мелких клеточных тел и сильно разветвлённых отростков. Функции микроглии в нормальном состоянии головного мозга заключаются в устранении накопленных продуктов метаболизма путём фагоцитоза. Согласно данным литературы, микроглия играет большую роль в синаптической пластичности и процессах обучения посредством регуляции процесса гибели клеток, перестройки синаптических связей и нейрогенеза. Активность микроглии в нормальном физиологическом состоянии головного мозга регулируется «иммуносупрессивным потенциалом» ЦНС. В здоровом мозге нейроны экспрессируют ряд иммуносупрессивных белков (например, фракталкин), которые действуют как «off»-сигналы и при взаимодействии со специфическими рецепторами микроглии поддерживают её в «неактивированном» состоянии. Помимо этого нейроны, астроциты и сама микроглия экспрессируют противовоспалительные цитокины, простагландины, которые поддерживают нормальное состояние микроглии [7].

Активация микроглии опосредована большим количеством цитоплазматических рецепторов (например, к интерферону (ИФН)-γ или ядерным белкам), которые позволяют реагировать на широкий спектр экзогенных факторов повреждения или изменения состояния в головном мозге. При ЧМТ микроглия из неактивного состояния превращается в амёбоидную, практически неотличимую от циркулирующих макрофагов. В активном состоянии микроглия начинает секретировать провоспалительные цитокины и свободные радикалы, которые являются цитотоксическими для нейронов и приводят к их повреждению [6]. После ЧМТ активированная микроглия быстро мигрирует в зону повреждения, создаёт барьер между повреждённой и здоровой тканями и фагоцитирует повреждённые ткани. Экспрессия генов микроглии, связанных с нейропротекцией, повышается с возрастом.

Выделяют по меньшей мере два фенотипа активированной микроглии: провоспалительный М1 и противовоспалительный M2. Активация по типу М1 происходит в ответ на бактериальные липополисахариды (в экспериментальных условиях), Th1-цитокины или ИФН-γ и сопровождается секрецией микроглиальными клетками фактора некроза опухоли-α (ФНО-α), интерлейкинов (ИЛ)-12, -6, -1β, NO, хемокинов CCL2, CXCL9, CXCL10. Вначале микроглия фенотипа М1 защищает оставшиеся нейроны от дальнейшего разрушения, однако чрезмерная активация нарушает такие процессы, как олигодендрогенез, созревание олигодендроцитов и их выживаемость за счёт секреции ФНО-α, увеличивает нейротоксичность из-за секретируемых провоспалительных факторов, что в дальнейшем запускает процессы нейродегенерации, опосредованные микроглией.

M2-микроглия секретирует противовоспалительные цитокины ИЛ-4, ИЛ-13, которые, как предполагают, уменьшают воспаление и улучшают восстановление тканей [10, 11, 17–20]. Однако активация микроглии по типу M2, в отличие от М1, носит кратковременный характер. Так, в экспериментах на крысах было показано, что после контролируемого кортикального воздействия отмечается M2-подобная активация, достигающая максимума через 5 дней после воздействия и впоследствии сменяющаяся сдвигом в сторону М1, что может указывать на негативную провоспалительную роль микроглии в отдалённые периоды после травмы [5, 6, 21, 22].

При изучении образцов аутопсии у пациентов, переживших ЧМТ, в период больше 1 года после травмы (в некоторых случаях спустя 18 лет) выявлено значительное увеличение объёма амебоидной микроглии в подкорковых участках белого вещества по сравнению с контрольной группой (без травмы) [22], что свидетельствовало о повышенной провоспалительной активности микроглии в тканях головного мозга, т.к. ответ противовоспалительного типа микроглии длится более короткий период. Активированная микроглия наблюдалась в 28% случаев аутопсии и была связана с истончением мозолистого тела. Одно из возможных объяснений, согласно С. Smith и соавт., может заключаться в том, что после ЧМТ повреждение аксонов может продолжаться в течение многих месяцев после первичного повреждения из-за метаболических нарушений [21, 23]. Эти результаты подтверждаются исследованиями позитронно-эмиссионной томографии при помощи лигандов 1-го [¹¹C]R-PK11195 и 2-го [¹¹C]DPA-713 поколений транслокаторного белка (translocator protein — TSPO), которые, как считается, связываются с активированной микроглией. В условиях экспериментальной ЧМТ у животных отмечалось повышение экспрессии TSPO, что связывали с активацией микроглии при нейровоспалении и глиозе [22, 24]. В клинических исследованиях показано, что диффузное связывание лиганда TSPO [¹¹C]R-PK11195 было обнаружено у взрослых с травмой средней и тяжёлой степени спустя 17 лет после травмы в областях, удалённых от травмы, включая таламус, скорлупу и затылочную кору [20]. В норме экспрессия TSPO в тканях здорового головного мозга низкая, и связывания лиганда не происходит [22, 24].

Астроциты в головном мозге представлены несколькими популяциями: фибриллярные и протоплазматические. Первые расположены преимущественно в белом веществе головного мозга, вторые — в сером.

Основные функции астроглии в норме:

• обеспечение энергией нейронов, в частности лактатом с помощью процесса анаэробного гликолиза;
• синаптогенез;
• транспорт нейротрансмиттеров и передача сигнала;
• поддержание ионного баланса;
• образование ГЭБ.

При повреждении астроциты реагируют на гибель нейронов путём активации экспрессии генов, обеспечивающих повышение выживаемости оставшихся нейронов, а также их регенерацию — в частности, белков теплового шока и цитокинов. Они начинают в большом количестве синтезировать аполипопротеин Е, необходимый для регенерации аксонов и синапсов. Ген APOE имеет три аллеля (APOE ε2, APOE ε3 и APOE ε4). APOE ε3 является наиболее распространённым среди населения, аллель APOE ε4 связывают с повышенной восприимчивостью к болезни Альцгеймера [9]. Астроциты также начинают секретировать провоспалительные цитокины (например, ФНО-α), которые запускают каскад гибели нейронов [22].

Функцию защиты нейронов в нормальном и патологическом состоянии головного мозга выполняют нейротрофический фактор головного мозга и цилиарный нейротрофический фактор, также секретируемые астроцитами [5, 9, 23]. Помимо синтеза белка и нейротрофических факторов астроглия играет центральную роль в активации глиоза и формировании глиальных рубцов, которые могут играть как позитивную, так и негативную роль в развитии патологического процесса при ЧМТ. С одной стороны, рубец изолирует повреждённую ткань от здоровой, с другой, препятствует росту аксонов и регенерации синаптических связей [25].

Таким образом, микроглия и астроглия играют положительную и отрицательную роли при ЧМТ. В начале они отграничивают повреждённую ткань от здоровой, повышают выживаемость нейронов и способствуют нейрогенезу и синаптогенезу, однако в дальнейшем чрезмерная активность микроглии и астроглии приводит к формированию глиальных рубцов, повышенной экспрессии цитокинов и хемокинов, которые, связываясь с рецепторами нейронов, запускают процесс запрограммированной гибели клеток.

Повреждение гематоэнцефалического барьера

В физиологических условиях ГЭБ представляет собой жёсткий барьер между сосудами и тканью головного мозга, который опосредует транспортировку компонентов крови и молекул в мозг. При нарушении ГЭБ происходит инфильтрация мозговой ткани нейтрофилами, которые мигрируют в ответ на секретируемые глией хемокины — ИЛ-8/CXCL8 и CCL2 (моноцитарный хемоаттрактантный белок-1). Миграция нейтрофилов в зону повреждения способствует дальнейшему повреждению ГЭБ за счёт продукции ими металлопротеиназы, протеаз и ФНО-α [6, 26]. Лимфоциты, особенно Т-, а не B-лимфоциты, также принимают участие в нейровоспалении, продуцируя активные формы кислорода и провоспалительные цитокины (например, ИЛ-12, ИФН-γ) [6]. Помимо усиления нейровоспалительного процесса, проникновение крови в ликвор способствует возникновению гидроцефалии. Эритроциты, проходя через слои арахноидальной оболочки, разрывают десмосомы между клетками, нарушают целостность коллагено-волокнистого слоя и в некоторых случаях скапливаются в промежутках между клетками внутреннего аранхноэндотелиального и наружного слоёв, что приводит к нарушению оттока ликвора в субдуральное пространство и дальнейшему развитию травматической гидроцефалии [27–34].

Распад тромбоцитов и высвобождение из них нейромедиатора серотонина вызывает спазм целого ряда артериальных разветвлений в головном мозге [28]. Продукты распада элементов крови в субарахноидальном пространстве приводят к развитию хронического асептического лептоменингита и спаечного процесса. Белок пероксиредоксин, который в большом количестве содержится в эритроцитах, запускает дальнейший каскад воспалительных реакций и апоптоз нейронов при помощи NF-κB, что способствует дальнейшему развитию воспаления и гидроцефалии [17, 32–37].

Из-за нарушения целостности ГЭБ в кровяное русло попадают продукты метаболизма головного мозга, в связи с чем отмечается повышение аутоантител к рецепторам глутамата, развивается аутоиммунный процесс [14, 15, 38].

Таким образом, первичное повреждение ГЭБ вследствие ЧМТ усиливается комплексом реакций воспаления и развитием осложений: миграцией нейтрофилов в зону поражения, секрецией ими протеаз, распадом элементов крови в субарахноидальном пространстве с высвобождением серотонина, пероксиредоксина и других веществ, что приводит к нарушению оттока ликвора в субарахноидальное пространство и способствует развитию отёка головного мозга.

Роль цитокинов и хемокинов в нейровоспалении

Цитокины — это сигнальные молекулы, модулирующие активность клеточного и гуморального иммунитета. Они синтезируются большим количеством клеток, но в ЦНС их секретируют астроциты и микроглия. Цитокины оказывают как провоспалительное, так и противовоспалительное действия [39, 40].

Рассмотрим основные провоспалительные цитокины.

ИЛ-1 секретируется преимущественно макрофагами/микроглией, но в его секреции также принимают участие астроциты. ИЛ-1 оказывает сильное провоспалительное действие путём связывания с рецептором ИЛ-1 типа I (ИЛ-1R) и является эндогенным пирогеном [39, 41].

ИЛ-1β играет особую роль в запуске воспалительного каскада, индуцированного ЧМТ. Этот цитокин оказывает нейротоксический эффект, увеличивая выработку и высвобождение NOS, свободных радикалов кислорода и возбуждающих аминокислот [42]. При этом высвобождение ИЛ-1β и ИЛ-18 опосредуется инфламмасомами, многобелковым комплексом, отвечающим за активацию воспалительного ответа (NLRP3). NLRP3 принимает активное участие в продукции ИЛ-1β и ИЛ-18, и было показано, что ингибирование NLRP3 приводит к общему снижению повреждения тканей и интенсивности воспаления [12, 43, 44].

ИЛ-6 вырабатывается макрофагами/микроглией, астроцитами и нейронами и оказывает провоспалительное действие. Повышенная экспрессия ИЛ-6 приводит к миграции Т-лимфоцитов и моноцитов в зону повреждения. Уровень ИЛ-6 после ЧМТ резко повышается и в зависимости от концентрации может оказывать как нейротоксический, так и нейропротективный эффекты [12, 39, 45–47]. Повышенные уровни ИЛ-6 в сыворотке крови часто регистрировались у пациентов с неблагоприятным исходом [41, 48–50].

ИЛ-12 синтезируется микроглией и макрофагами и оказывает провоспалительное действие, включая повышенную выработку других провоспалительных цитокинов и пролиферацию цитотоксических лимфоцитов. ИЛ-12 играет ключевую роль в дифференцировке Т-клеток от Th0 к подмножеству Th1, которые секретируют провоспалительные цитокины ИФН-γ и ИЛ-2. ИЛ-12 также усиливает выработку ИФН-γ Th1-клетками, что может привести к неконтролируемому воспалению, «цитокиновому шторму» [39, 51].

ФНО — мощный провоспалительный цитокин, синтезируемый микроглией и астроцитами, который влияет на гибель нейронов, запуская процесс апоптоза. При этом было показано, что у мышей после очаговой ЧМТ с нокаутом рецепторов ФНО-α увеличивается смертность и ухудшается восстановление, что говорит о его двойственной роли в нейровоспалении. После ЧМТ отмечается увеличение уровня ФНО в ликворе и сыворотке крови пациентов, выявляется связь между повышенным уровнем ФНО-α и неблагоприятными нейропсихиатрическими исходами у пациентов [41].

Основным противовоспалительным цитокином является ИЛ-10. Он вырабатывается макрофагами и микроглией и относится в первую очередь к противовоспалительным цитокинам, оказывающим мощное ингибирующее действие на пролиферацию Т-клеток и продукцию глией нескольких провоспалительных медиаторов: ИЛ-1, ФНО-α, колониестимулирующего фактора гранулоцитов-макрофагов, ИЛ-6, -8, -12 и -18 [41, 52, 53]. ИЛ-10 влияет на множество сигнальных путей, например JAK-STAT, митоген-активируемую протеинкиназу (MAPK) или NF-κB. ИЛ-10 запускает путь JAK-STAT, который повышает выживаемость клеток, а также стимулирует их деление и блокирует MAPK и NF-κB, играющие важную роль в процессах запрограммированной гибели клеток, и тем самым снижает секрецию ИФН-γ и -α [54].

При этом ИЛ-10 может оказывать и провоспалительный эффект, повышая выработку ИФН-γ Т- или NK-клетками в очагах воспаления [55]. Уровень ИЛ-10 при длительном воспалении в спинномозговой жидкости постепенно снижается [46, 56].

Хемокины представляют собой группу белков, «привлекающих» иммунные клетки в зону воспаления. Они подразделяются на четыре класса в зависимости от положения ключевых остатков цистеина: C, CC, CXC и CX3C. Хемокины включают CCL2/MCP-1, CXCL12/SDF-1α, CX3CL1/фракталкин, CXCL10/IP10, CCL3/MIP-1α и CCL5/RANTES. Они оказывают своё действие как через специфические, так и через общие рецепторы, связанные с G-белком, экспрессируемые на клетках микроглии, астроцитах и нейронах [5, 57].

ИЛ-8/CXCL8/CCL2 (моноцитарный хемоаттрактантный белок) секретируется глиальными клетками, макрофагами и эндотелиальными клетками и оказывает провоспалительное действие. ИЛ-8 высвобождается из астроцитов в ответ на другие цитокины, включая ИЛ-1β и ФНО, и резко повышается в ликворе и сыворотке крови пациентов при ЧМТ [39, 41, 58, 59].

CCL5/(Regulated on Activation, Normal T cell Expressed and Secreted — RANTES), цитокинрегулируемый при активации, экспрессируемый и секретируемый нормальными T-лимфоцитами, представляет собой C-C β-хемокин, является селективным хемоаттрактантом, вызывающим миграцию лейкоцитов в зону воспаления (лимфоцитов, эозинофилов, Т-клеток, NK-клеток, базофилов), а также тучных клеток, в очаги воспаления при ЧМТ [13]. RANTES стимулирует Т-клетки, приводя к высвобождению ими провоспалительных цитокинов ИЛ-2 и ИФН-γ и апоптозу [60].

Диагностика ЧМТ и нейровоспаления при помощи биомаркеров

Диагностика ЧМТ возможна при помощи методов нейровизуализации: компьютерной и магнитно-резонансной томографии головного мозга. Для оценки гликолиза, отложения бета-амилоида и тау-белка у пациентов с ЧМТ также используется позитронно-эмиссионная томография. Помимо методов нейровизуализации возможно использование косвенных методов оценки тяжести травмы, а именно биомаркеров, которые позволят отслеживать динамику состояния пациента и прогнозировать исход. При диагностике ЧМТ используются следующие показатели, регистрируемые в крови пациентов [11]: белок S-100, GFAP; нейрон-специфическая енолаза (neuron-specific enolase — NSE); белок C-tau, α-II-спектрин, уровень каспазы-3; эндотелин-1, фактор роста эндотелия (VEGF) [13, 15, 38, 46, 61–67].

Маркеры глиального происхождения

Белок S-100, особенно изоформа S100B, в ЦНС содержится в астроцитах и шванновских клетках. В составе белков содержится большое количество дикарбоновых аминокислот (аспарагиновой и глутаминовой), они принадлежат к семейству Ca²⁺-связывающих белков. S-100β играет важную роль в регуляции процессов возникновения и передачи нервного импульса, фосфорилировании белков, роста клеток, а также процессов апоптоза [15, 38, 46, 62–65]. При повреждении глиальных клеток при травме ЦНС S-100β попадает в сыворотку крови, что является надёжным маркером генерализованного повреждения нервной ткани, а не изолированного повреждения глии. В ходе клинических исследований с применением компьютерной томографии выявлена положительная связь между объёмом патологических изменений на снимке и уровнем S100β в сыворотке крови у пациентов [65].

GFAP — это мономерный белок, главная составляющая цитоскелета клеток астроглии. GFAP высвобождается во внеклеточное пространство при нарушении целостности глиальных клеток и высокоспецифичен для ЦНС. GFAP и убиквитин-С-концевая гидролаза часто используются в паре при определении повреждения головного мозга и позволяют с высокой точностью отличить пациентов с внутричерепными поражениями на КТ от пациентов без таковых [15, 62, 65].

Маркеры нейронального происхождения

NSE является гликолитическим ферментом цитоплазмы нейронов головного мозга, нейроэндокринных клеток и периферической нервной ткани. NSE существует в виде димеров, в состав которых могут входить субъединицы α, β и γ. Для головного мозга специфичной изоформой являются α-γ, γ-γ. Определение уровня NSE в сыворотке крови пациентов позволяет оценить степень выраженности повреждений нейронов и нарушения проницаемости ГЭБ при ЧМТ [61, 65, 66].

Белок С-tau (C — cleaved: расщеплённый) представляет собой фрагмент расщепленного с помощью ферментов белка MAP-tau (microtubule-associated protein tau). MAP-tau является структурным компонентом цитоскелета аксонов и принимает участие в формировании пучков микротрубочек. У пациентов с ЧМТ и диффузным аксональным повреждением уровень белка С-tau в сыворотке крови и ЦСЖ возрастает в 40 000 раз, что свидетельствует о повреждении нейронов [38, 65].

Альфа II-спектрин — белок цитоскелета, расположенный в аксонах и пресинаптических терминалях. Продукты распада спектрина накапливаются в тканях, сыворотке крови, ЦСЖ у пациентов с ЧМТ или с другими поражениями ЦНС [64, 65].

Ещё одним маркером повреждения нейронов может служить повышение уровней проапоптотических медиаторов каспазы-3 и каспазы-9 в сыворотке крови или в ЦСЖ пациентов с ЧМТ [13].

Маркеры мезенхимального происхождения

Эндотелин-1, биологически активный полипептид, является наиболее мощным вазоконстриктором и главным медиатором повреждения, связанного с инициированием или прогрессированием инсульта и травмы мозга. Эндотелин-1 синтезируется цереброваскулярным эндотелием. При ЧМТ происходят изменения в функционировании эндотелия сосудов и уровень эндотелина-1 в сыворотке крови пациентов повышается [63].

Маркеры смешанного происхождения

VEGF является важным регулятором ангиогенеза, образование которого запускается гипоксией, цитокинами и активацией рецептора аденозина 2B. VEGF экспрессируется астроцитами, нейронами и эндотелием. Увеличение концентрации VEGF после ЧМТ связывают с разрушением ГЭБ и астроглиозом, а также с последующим ангиогенезом. В экспериментах на культуре клеток показано, что VEGF стимулирует рост аксонов в культурах периферических нервов, индуцирует дозозависимое увеличение плотности нейронов и астроцитов в эмбриональных мезэнцефалических эксплантах головного мозга крысы, а также участвует в процессах ангиогенеза после травмы [67].

Все вышеперечисленные биомаркеры можно отнести к аларминам — молекулярным структурам, связанным с повреждением. Алармины являются клеточными компонентами, которые высвобождаются клетками во внеклеточную среду в ответ на стресс или повреждения. К аларминам относят дефензины, кателицидин, амфотерин, белок S100, белки теплового шока, цитокины, хемокины, нуклеиновые кислоты, гистоны, нуклеосомы и микрокристаллы урата натрия. Алармины действуют по принципу «найди меня», активируя иммунную систему и способствуя развитию воспалительной реакции [68].

Таким образом, представленный спектр биомаркеров позволяет косвенно оценить степень повреждения ткани головного мозга после ЧМТ. Наиболее информативными являются S-100β, NSE, GFAP, которые позволяют оценить степень повреждения нервной ткани, дать прогноз и оценить эффективность проводимого лечения. Однако данные биомаркеры не позволяют напрямую оценить степень развития нейровоспалительного процесса, поэтому, помимо методов нейровизуализации, необходимо измерять уровень цитокинов и хемокинов, благодаря чему станет возможным отслеживать интенсивность нейровоспаления, прогнозировать летальный или неврологический исходы, а также оценивать эффективность противовоспалительной терапии [11, 19, 41].

Возможные способы модуляции нейровоспаления при ЧМТ

Нейровоспаление является нормальным компонентом реакции организма на травму мозга, однако длительная активация микроглии с преобладанием провоспалительного фенотипа М1, чрезмерная продукция провоспалительных и снижение противовоспалительных цитокинов, а также эксайтотоксичность приводят к гибели нейронов в отсроченные после травмы периоды. Всё это негативно сказывается на состоянии пациентов и снижает их реабилитационный потенциал. Поэтому важно понять, в какой степени возможно подавление процесса нейровоспаления для предотвращения развития дальнейших патологических процессов и нарастания неврологической симптоматики [16].

В таблице указаны препараты, способные оказывать противовоспалительный эффект. В настоящем обзоре будут рассмотрены несколько препаратов, направленных на нейровоспаление и лечение посттравматических последствий ЧМТ.

 

Препараты с противовоспалительным действием

Anti-inflammatory agents

Препарат Agent	Мишень Target	Эффект Effect	Механизм Mechanism
Нейропротективные препараты Neuroprotectors
Прогестерон Progesterone	Нейроны Neurons	Нейропротекция Neuroprotection	Уменьшает начальный цитотоксический всплеск воспалительных факторов, ослабляет эксайтотоксичность глутамата, перекисное окисление липидов мембран [13, 69] Inhibition of initial cytotoxic outburst of inflammatory factors and reduction of lipid membrane peroxidation, glutamate excitotoxicity [13, 69]
Некростатин-1 (NEC-1)* Necrostatin-1 (NEC-1)*	Нейроны (митохондрии) Neurons (mitochondria)	Нейропротекция Neuroprotection	Ингибирование Bcl-2, активации каспазы-3, процесса некроптоза [70] Bcl-2 inhibition, caspase-3 and necroptosis activation [70]
Ингибитор эндоканнабиноидной деградации JZL184* Endocannabinoid degradation inhibitor JZL184*	Нейроны Neurons	Нейропротекция Neuroprotection	Ингибирование эндоканнабиноидной деградации. Эндоканнабиодная система уменьшает нейровоспаление и гибель нейронов, снижает токсичность глутамата [71] Endocannabinoid degradation inhibition. The endocannabinoid system mitigates neuroinflammation and neuronal death and decreases glutamate toxicity [71]
Антагонист рецептора к брадикинину-1 R-715* Bradykinin 1 receptor antagonist (R-715)*	Нейроны Neurons	Нейропротекция Neuroprotection	Снижает уровень воспаления [72] Mitigation of inflammation [72]
Циклоспорин Cyclosporine	Нейроны (митохондрии) Neurons (mitochondria)	Нейропротекция Neuroprotection	Снижает уровень воспаления, препятствует процессу апоптоза [13] Mitigation of inflammation and inhibition of apoptosis [13]
МикроРНК miR-711* MicroRNA 711 (miR 711)*	Нейроны Neurons	Нейропротекция Neuroprotection	Подавление апоптоза за счёт усиления экспрессии Akt [16] Apoptosis inhibition due to elevated Akt expression [16]
МикроРНК miR-21* MicroRNA 21 (miR 21)*	Нейроны Neurons	Нейропротекция Neuroprotection	Подавление процесса апоптоза за счёт усиления экспрессии Bcl-2 и ингибирования BAX и каспазы-3, стимуляция ангиогенеза [16] Apoptosis mitigation due to elevated Bcl 2 expression, as well as BAX and caspase 3 inhibition, angiogenesis stimulation [16]
Препараты смешанного действия Agents with combined effects
Нилвадипин* Nilvadipine*	Нейроны Neurons	Нейропротекция, снижение нейродеградации Neuroprotection and inhibition of neurodegradation	Блокатор кальциевых каналов L-типа. Снижение уровня нейровоспаления, гиперфосфорилирования тау и продукции амилоида [73] L-type calcium channel blocker decrease in neuroinflammation, tau hyperphosphorylation, and amyloid production [73]
Ингибитор клеточного цикла ((2-(R)-(1-этил-2-гидроксиэтиламино)-6-(4-(2- тригидрохлорид пиридил)бензил)-9-изопропил-пурина)* Cell cycle inhibitor ((2-(R)-(1-ethyl-2-hydroxyethylamino)-6-(4-(2-trihydrochloride pyridil)benzyle)-9-isopropyl-purine)*	Нейроны, астроглия, микроглия Neurons, astroglia, and microglia	Нейропротекция, снижение активации глии Neuroprotection and decreased glial activation	Увеличивает выживаемость нейронов, уменьшает микроглиальную и астроглиальную активацию [74] Neuronal survival increase, microglial and astroglial activation inhibition [74]
Препараты, направленные на снижение активации глии и продукции провоспалительных цитокинов и хемокинов Agents that inhibit glial activation and decrease anti-inflammatory cytokine and chemokine production
Этанерцепт Etanercept	Глия Glia	Снижение активации глии Decreased glial activation	Биологический антагонист ФНО, снижает степень активации микроглии [75] TNF biological inhibitor. Decreased glial activation [75]
Ингибитор гистондеацетилазы, 4-диметиламино- N-[5-(2-меркаптоацетиламино)пентил]бензамид* Histone deacetylase inhibitor, 4-dimethylamino- N-[5-(2-mercaptoacetylamino)pentyl]benzamide*	Микроглия Microglia	Снижение активации глии Decreased glial activation	Уменьшение активации микроглии за счёт ацетилирования негистоновых белков [76] Decreased glial activation due to acetylation of non-histone proteins [76]
Анакинра Anakinra	Микроглия Microglia	Подавление выработки воспалительных цитокинов и хемокинов Inhibition of inflammatory cytokine and chemokine production	Антагонист ИЛ-1 — ИЛ-1Ra. Снижение уровня ИЛ-1 и C-реактивного белка, снижение уровня нейровоспаления [77, 78] IL-1 receptor antagonist protein (IL-1Ra) decreased IL-1 and C-reactive protein levels, inhibited neuroinflammation [77, 78]
Миноциклин Minocycline	Микроглия Microglia	Подавление активности микроглии Inhibition of microglial activity	Ингибирование активации микроглии, эксайтотоксичности и каспазозависимых и каспазонезависимых путей гибели клетки [16] Inhibition of microglial activation, excitotoxicity, and caspase-dependent and caspase-independent apoptosis [16]
Глюкокортикостероиды (дексаметазон) Glucocorticoids (dexamethasone)	Астроглия и микроглия Astroglia and microglia	Подавление секреции воспалительных хемокинов Inhibition of inflammatory chemokine production	Снижение выработки хемокинов MIP-2/CXCL2 и MCP-1/CCL2 и тем самым нейровоспаления [57] Inhibition of MIP-2/CXCL2 and MCP-1/CCL2 production and thus neuroinflammation [57]

Примечание. *Применялись на грызунах.

Note: *Used in rodents.

 

Самым часто применяемыми препаратами в лечении пациентов с ЧМТ являются глюкокортикостероиды [13]. Помимо них исследовалась возможность и эффективность использования циклоспорина А и прогестерона в лечении посттравматических последствий ЧМТ.

Прогестерон связывается с несколькими клеточными рецепторами и изменяет их активность. Например, действуя как антагонист рецептора sigma-1, прогестерон косвенно модулирует активность рецептора NMDA и тем самым снижает эксайтотоксичность. Прогестерон обладает антиоксидантными свойствами, способен ингибировать транскрипцию С3-компонента комплемента и NF-κB, тем самым оказывая противовоспалительный эффект. При применении прогестерона в двух рандомизированных контролируемых клинических исследованиях II фазы отмечено улучшение клинического исхода у пациентов с ЧМТ средней и тяжёлой степени [13]. Однако, несмотря на хорошие доклинические и ранние клинические данные, рандомизированное многонациональное двойное слепое плацебо-контролируемое исследование клинической эффективности прогестерона после ЧМТ не выявило [13, 69].

Другим потенциальным противовоспалительным препаратом при ЧМТ может быть циклоспорин А. Циклоспорин оказывает свое иммуносупрессивное действие, связываясь с внутриклеточным белком циклофилином. Комплекс циклоспорин–циклофилин ингибирует активность кальциневрина, протеинфосфатазы, необходимой для передачи сигналов через рецепторы Т-клеток. Данный комплекс также препятствует открытию поры перехода проницаемости митохондрий путём отделения циклофилина митохондриального матрикса от поры. Ингибируя открытие этой поры, циклоспорин препятствует набуханию митохондрий и сохраняет тем самым их функции [79].

Проспективное рандомизированное контролируемое двойное слепое исследование действия циклоспорина А у пациентов с тяжёлой ЧМТ показало снижение отношения лактата к пирувату, оценка которого проводилась при помощи церебрального микродиализа, что свидетельствовало о снижении анаэробного метаболизма. Однако циклоспорин А имеет ряд недостатков, включая двухфазный лекарственный ответ, обладает низкой способностью проникать сквозь ГЭБ, а его длительное применение в клинических испытаниях I фазы приводило к хронической иммуносупрессии. В связи с этим требуются дальнейшие клинические испытания циклоспорина А и оценка его эффективности в лече-нии посттравматических последствий ЧМТ [13].

Этанерцепт оказывает противовоспалительное действие и подавляет активность микроглии. Он применяется в лечении болезни Альцгеймера и является селективным ингибитором провоспалительного цитокина ФНО-α. Этанерцепт ингибирует связывание ФНО-α и ФНО-β с рецепторами ФНО на поверхности клеток и тем самым инактивирует сам ФНО. В экспериментальных условиях этанерцепт снижал выраженность когнитивных нарушений, активацию микроглии, уменьшал объём ишемии, клеточные повреждения у крыс после ЧМТ [75, 80–82]. Изначально препарат применялся при лечении пациентов с артритом (ревматоидным, ювенильным, псориатическим, анкилозирующим), а также с бляшечным псориазом и вводился подкожно [83–86].

E. Tobinick и соавт. пациентам после инсульта или ЧМТ вводили водный раствор этанерцепта (25 мг действующего вещества) однократно периспинально (без прокалывания твердой мозговой оболочки) в область шейного отдела позвоночника на уровне C7–Th1 с целью обеспечения проникновения через ГЭБ, после чего пациент пребывал в положении Тренделенбурга в течение 5 мин [80–82]. В 2012 г. исследователи опубликовали статью, где анализировали неврологические и когнитивные улучшения у 629 пациентов, из них 617 человек после инсульта и 12 человек с ЧМТ после периспинального введения этанерцепта. Когнитивные и неврологические улучшения подтверждены результатами тестов (Монреальская когнитивная шкала, тест на вербальную беглость, данные визуально-аналоговой шкалы для оценки боли, оценка времени, необходимого для прохождения 20 м, данные динамометра), а также наблюдениями медицинского персонала [80, 82].

Точно оценить влияние этанерцепта на пациентов после ЧМТ не предоставляется возможным ввиду маленькой выборки пациентов, однако полученные E. Tobinick и соавт. результаты позволяют предположить, что данный препарат может стать противовоспалительным средством в лечении посттравматических последствий.

Заключение

Нейровоспаление — комплексный процесс, отражающий взаимодействие иммунной и нервной системы, который запускается как вторичный каскад реакций в ответ на механическое повреждение после ЧМТ. Вторичное повреждение выражается в острой воспалительной реакции, сопровождающейся нарушением ионного баланса, повреждением ГЭБ, развитием отёка, инфильтрацией тканей головного мозга клетками крови и активацией микро- и астроглии. Нервные клетки в месте повреждения, глия и иммунокомпетентые клетки крови начинают выделять хемокины, цитокины и другие межклеточные сигнальные молекулы. Эти молекулы играют важную роль в регуляции сложных клеточных реакций, повышении выживаемости нейронов или в процессах запуска запрограммированной гибели нейронов. Вторичные повреждения могут послужить причиной развития посттравматической эпилепсии [87–90]. Ключевую роль в развитии посттравматической эпилепсии отводят ИЛ-1β, уровень которого быстро повышается после травмы и остаётся достаточно повышенным по прошествии нескольких месяцев после ЧМТ [36].

Современные исследования все ярче демонстрируют важность изучения нейровоспаления после ЧМТ и его роли в процессе восстановления пациента [13, 16, 17, 22].

Несмотря на большое количество биомаркеров до сих пор не существует единого стандарта оценки нейровоспаления. Некоторые исследователи измеряют уровень только одного цитокина, другие — нескольких. Т. Woodcock и соавт. подчеркивают, что цитокины не являются специфичными для нейровоспаления, и поэтому необходимо использовать два или более маркера для преодоления данной проблемы. Важно также учитывать избыточность воспалительной реакции и вариабельность цитокинового профиля в силу генетического полиморфизма. Т. Woodcock и соавт. указывают на необходимость получения более полного представления о временнóм профиле экспрессии каждого цитокина при конкретных типах и степени тяжести повреждения для прогнозирования возможного исхода [41].

Отличается и биологическая среда (сыворотка или ликвор), в которой регистрируются цитокины. С одной стороны, изучение биомаркеров в ликворе сможет дать непосредственную оценку процессов, происходящих в головном мозге, с другой стороны, получение ликвора не всегда возможно и безопасно для пациента, поэтому опосредованное исследование нейровоспаления у пациентов при помощи определения уровня показателей в сыворотке крови может быть более доступным методом исследования. Проведение исследований в сыворотке крови обусловлено фактом нарушения ГЭБ, из-за чего продукты метаболизма, а также гибели глии и нейронов, цитокины, хемокины попадают в кровяное русло.

Оптимальной стратегией оценки интенсивности процесса нейровоспаления является измерение провоспалительных (например, ФНО-α, ИЛ-6) и противовоспалительных (например, ИЛ-10) цитокинов и определение их соотношения, как было сделано в исследовании R.G. Kumar и соавт. [49]. Это позволит отслеживать динамику воспалительного процесса без применения позитронно-эмиссионной томографии.

Достаточно важным аспектом лечения последствий ЧМТ остаётся проблема модуляции нейровоспаления. Существуют разные препараты с разными мишенями воздействия (часть из них представлена в таблице), которые способны влиять на нейровоспаление, однако для грамотной терапии важно определить перечень наиболее значимых информативных показателей, характеризующих нейровоспаление, при помощи которых будет проводиться мониторинг нейровоспалительного процесса и успешности его модуляции.

Проведение клинико-инструментальных и лабораторных исследований, в ходе которых пациенты будут длительно (от нескольких месяцев до нескольких лет) наблюдаться у специалистов из мультидисциплинарной команды (нейрохирургов, нейропсихологов, неврологов, психиатров, физиотерапевтов, иммунологов и др.), позволит дать комплексную оценку эффективности противовоспалительной терапии, улучшений когнитивных функций и неврологического статуса пациентов с ЧМТ разной степени тяжести.

Вклад авторов. Карчевская А.Е. — создание концепции обзора, поиск литературы, обзор публикаций по теме статьи, создание иллюстраций, написание текста рукописи, редактирование; Паюшина О.В. — написание текста рукописи, редактирование, критический пересмотр содержания статьи; Шарова Е.В. — поиск литературы, обзор публикаций; Окнина Л.Б. — написание текста рукописи, редактирование; Титов О.Ю. — редактирование, критический пересмотр содержания статьи.

Author contribution. Karchevskaya A.E. — creation of the concept of the review, literature search, review of publications on the topic of the article, creation of illustrations, writing the text of the manuscript, editing; Payushina O.V. — writing the text of the manuscript, editing, critical review of the content of the article; Sharova E.V. — literature search, review of publications; Oknina L.B. — writing the text of the manuscript, editing; Titov O.Yu. — editing, critical review of the content of the article.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешних источников финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Source of funding. This study was not supported by any external sources of funding.

Conflict of interest. The authors declare no apparent or potential conflicts of interest related to the publication of this article.

About the authors

Anna E. Karchevskaya

Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences; I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University); N.N. Burdenko National Medical Research Center of Neurosurgery

Author for correspondence.
Email: ankar1998@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6647-0572

Junior Researcher, Laboratory of General and Clinical Neurophysiology, Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences; Student, I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University); Clinical Psychologist, N.N. Burdenko National Medical Research Center of Neurosurgery

Russian Federation, Moscow; Moscow; Moscow

Olga V. Payushina

I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Email: payushina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8467-0623

D. Sci. (Biol.), Associate Professor, Department of Histology, Cytology and Embryology, I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Russian Federation, Moscow

Elena V. Sharova

Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences

Email: ESharova@nsi.ru
ORCID iD: 0000-0003-4994-4187
SPIN-code: 5233-9615
Scopus Author ID: 7003870497

D. Sci. (Biol.), Head, Laboratory of General and Clinical Neurophysiology, Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology

Russian Federation, Moscow

Lyubov B. Oknina

Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences

Email: lyubov.oknina@ihna.ru
ORCID iD: 0000-0002-7398-1183
SPIN-code: 2614-8209
Scopus Author ID: 6602961277

D. Sci. (Biol.), Senior Researcher, Laboratory of General and Clinical Neurophysiology, Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences

Russian Federation, Moscow

Oleg Yu. Titov

N.N. Burdenko National Medical Research Center of Neurosurgery

Email: neurolegtitov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6570-7777

Postgraduate Student, N.N. Burdenko National Medical Research Center of Neurosurgery

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files