Психиатрия Психиатрия и психофармакотерапия им. П.Б. Ганнушкина
№01 2014
Мозговой нейротрофический фактор: патогенетическая связь с расстройствами аутистического спектра №01 2014
Цель данного обзора – обобщение сведений об изменениях обмена мозгового нейротрофического фактора (BDNF) при расстройствах аутистического спектра (РАС) и определение его возможной роли в формировании аутистических проявлений.
Резюме. Мозговой нейротрофический фактор (BDNF), нейротрофин, имеет основополагающее значение для развития и функционирования мозга. Исследования последних лет сообщают о возможной патогенетической роли BDNF при расстройствах аутистического спектра. Тем не менее до сих пор остается неясным, являются ли наблюдающиеся изменения в системе нейротрофических факторов отражением первичных патогенетических механизмов либо носят вторичный характер по отношению к нарушению корковых функций при аутистических расстройствах.
Ключевые слова: расстройства аутистического спектра, нейротрофины, мозговой нейротрофический фактор.
Brain-derived neurotrophic factor: pathogenetic link with autism spectrum disorders
N.V.Filippova, Y.B.Barylnik
Saratov State Medical University
Summary. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), neurotrophin, is essential for brain development and function. Recent studies have reported a possible pathogenetic role of BDNF in autism spectrum disorders. However, so far it remains unclear whether the observed changes in neurotrophic factors reflection of primary pathogenetic mechanisms or are secondary in relation to a breach of cortical functions in autism spectrum disorders.
Key words: autism spectrum disorders, neurotrophins, brain-derived neurotrophic factor.
Цель данного обзора – обобщение сведений об изменениях обмена мозгового нейротрофического фактора (BDNF) при расстройствах аутистического спектра (РАС) и определение его возможной роли в формировании аутистических проявлений.
BDNF относится к семейству нейротрофических факторов – растворимых высокомолекулярных полипептидов от 27 до 43 кДа, крайне необходимых для развития нервной системы. BDNF имеет около 50% общих аминокислотных последовательностей с другими нейротрофинами и формирует гомодимеры в физиологических условиях [2–4]. В центральной нервной системе (ЦНС) обнаружены как зрелые формы BDNF, так и его предшественники – proBDNF [15]. BDNF экспрессируется на фибробластах, астроцитах, нейронах различного фенотипа и локализации, мегакариоцитах, тромбоцитах, шванновских клетках (в районах повреждения) и, возможно, на клетках гладкой мускулатуры [4, 35].
По некоторым данным, выявлен «жизненный» биоритм данного нейротрофина у животных [7], а также у человека [36], согласно которому наиболее низкие уровни BDNF, регистрируемые в заднелобной зоне коры, определяются в младенческом и подростковом возрасте. Пик BDNF приходится на молодые годы, а относительно постоянные уровни определяются в зрелом и старческом возрасте [38]. Интересен тот факт, что возрастание уровня BDNF совпадает с периодом, когда лобная кора созревает структурно и функционально [36].
Как и другие нейротрофины, BDNF может передавать сигналы через два типа клеточных поверхностных рецепторов: нейротрофиновый рецептор р75 и рецептор тирозинкиназы (Trk). Путем взаимодействия с р75NTR-рецептором нейротрофины могут индуцировать апоптоз, все остальные функции осуществляются через тирозинкиназные рецепторы (Trk). BDNF обладает низким сродством к р75-рецептору нейротрофинов и высоким сродством к рецептору тирозинкиназы В (TrkВ) [1, 2, 5, 6, 23]. Эти рецепторы определяют специфичность действия BDNF.
В последние годы получены данные о взаимосвязи экспрессии BDNF с активностью глутаматных рецепторов АМРА-подтипа, широко представленных в ЦНС животных и человека. Селективным агонистом этих рецепторов является a-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовая кислота (АМРА). Принято считать [5, 20, 22, 37], что посредством АМРА-рецепторов, принимающих участие в опосредуемой глутаматом передаче возбуждающих сигналов, BDNF контролирует баланс глутаматергической и ГАМКергической систем.
Исследованиями ряда авторов [5, 8, 20, 26, 28] установлено, что увеличение экспрессии BDNF в мозге происходит путем активации АМРА-рецепторов. Предполагается, что наблюдаемое при этом увеличение экспрессии BDNF может быть опосредовано двумя различными путями передачи сигнала. Первый путь включает повышение уровня внутриклеточных ионов Са2+ при участии потенциалзависимых ионных каналов L-типа, что является следствием вызванной АМРА-рецепторами деполяризации нейрональной мембраны. Повышение уровня внутриклеточного Са2+ ведет к увеличению экспрессии гена BDNF (при этом происходит активация кальций-чувствительных элементов промотора гена BDNF) [5, 26]. Другой путь передачи сигнала зависит от активации тирозинкиназы Lyn, которая относится к Src-семейству протеинкиназ, ассоциированных с АМРА-рецептором. Тирозинкиназа Lyn в свою очередь стимулирует митогенактивированную протеинкиназу и ведет к увеличению экспрессии BDNF [20].
Обнаружено [8], что нормальное функционирование AMPA-рецепторов способствует поддержанию уровня жизнеспособности нейронов в культуре срезов гиппокампа. Блокада этих рецепторов приводит к повышению чувствительности нейронов к повреждающим факторам. Обнаружено, что субхроническое введение AMPA-рецепторных модуляторов повышает уровень экспрессии мРНК и белка BDNF [8, 26], а также его рецептора Trk В [26] в гиппокампе крыс. В исследованиях Q.Cheng и соавт. [10] обнаружено, что снижение BDNF в культуре мышей приводит к снижению уровня g-аминомасляной кислоты (ГAMK) в мозжечковых клетках Пуркинье через связывание с рецептором тирозинкиназы В. Предполагается, что BDNF обеспечивает активность ГAMKергических рецепторов в клетках Пуркинье.
Наиболее значимые эффекты BDNF осуществляются посредством активации рецептора Trk В, запускающего аутофосфорилирование тирозинкиназы В в каскаде вторичных посредников и различных биологических реакциях [24, 25, 27]. Рецептор Trk В – каталитический рецептор, трансмембранный белок, наружная часть которого содержит связывающий BDNF участок, а цитоплазматическая часть функционирует как протеинкиназа (тирозинкиназа В – фермент, фосфорилирующий остаток тирозина). Рецепторные тирозинкиназы активируют белок RasG. Далее сигнал через активированную ГТФазу передается на Ras-каскад. Ras-каскад – последовательность внутриклеточных реакций преобразования сигнала, существенная часть которых происходит при фосфорилировании компонентов каскада; внешний сигнал – BDNF, результат – транскрибирование генов, обеспечивающих пролиферацию и/или дифференцировку нервных клеток [6].
Анализ полученных данных позволил авторам прийти к выводу, что BDNF влияет на выживание нейронов, способствует регенераторному росту нейрональных отростков и улучшает синаптическую передачу [10]. M.Fahnestock и соавт. [16] установили, что BDNF обеспечивает также холинергическую функцию нейрона. Французские ученые [22] предположили, что BDNF выступает в роли медиатора дофаминовых реакций мозга, поскольку при его дефиците нарушается экспрессия D3-рецепторов. BDNF увеличивает чувствительность к дофамину, а BDNF-индуцированная гиперэкспрессия D3 в полосатом теле – чувствительность к леводопе.
Полученные данные представляют интерес в плане новых подходов к терапии целого ряда заболеваний ЦНС и периферической нервной системы. Перспективным направлением, связанным с возможным использованием повышенной экспрессии нейротрофических факторов, является проблема поиска способов защиты нейронов от нейротоксического повреждения, что имеет место при дегенеративных заболеваниях ЦНС (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и др.). Известно, что нейротрофические факторы могут проявлять защитное действие при моделировании повреждений мозга, вызванных специфическими нейротоксинами. Наблюдаемые нейропротекторные эффекты модуляторов AMPA-рецепторов имеют трофическую природу и проявляются в активации роста нейритов («спраутинг») нейронов черной субстанции, что может свидетельствовать о замедлении гибели нейронов и активации репаративных процессов [5, 26].
В течение последнего десятилетия исследователи все чаще высказывают мнение о том, что нейротрофические факторы (NTFS) и их рецепторы представляют одну из групп кандидатов при РАС, поскольку они играют решающую роль в процессе развития нервной системы, регулируя многие функциональные и структурные аспекты ЦНС, в том числе дифференциацию, выживание нейронов, синаптогенез, синаптическую пластичность, аксональный и дендритный рост [34]. Некоторые исследования показывают, что патология нейротрофических факторов может лежать в основе патофизиологических нарушений при таких психоневрологических расстройствах, как шизофрения и депрессия [14, 19, 33]. Исследователи обратили внимание на потенциальный вклад нейротрофических факторов в этиопатогенез аутистических расстройств. Интересен тот факт, что исследования, демонстрирующие повышение уровня BDNF, NTF4, NTF5 и низкий уровень NT3 в сыворотке крови у больных аутизмом, указывают, что соответствующие гены могут вносить вклад в развитие аутистических проявлений [12, 29, 31].
Проводимые в последнее время генетические исследования также демонстрируют свидетельства участия нейротрофических факторов в этиопатогенезе аутистических расстройств: об аномальных уровнях BDNF сообщается в двух независимых исследованиях; кроме того, довольно распространенный вариант мутации гена рецептора 1-го типа нейротрофической тирозинкиназы (NTRK1) также взаимосвязан с аутистическими чертами [9, 11, 32]. Эти данные подтверждают гипотезу о том, что выживаемость, дифференцировка и рост нейронов могут лежать в основе этиопатогенеза РАС.
По данным большинства исследований последних лет, в мозге людей, страдающих аутистическими расстройствами, обнаруживается более высокий по сравнению с нормой уровень предшественника мозгового нейротрофического фактора – proBDNF [16], что свидетельствует о механизме измененного развития мозга при аутизме.
BDNF играет определенную роль в росте и миграции нейронов в головном мозге, регулируя процессы, лежащие в основе обучения и памяти. У мышей, на которых проводилось моделирование синдрома Ретта, одного из РАС, был обнаружен более низкий, чем в норме, уровень мозгового нейротрофического фактора. Генетические исследования свидетельствуют о том, что содержание мРНК, кодирующей белок BDNF, у страдающих аутизмом людей существенно не отличалось от аналогичных показателей в контрольной группе. Однако у лиц с РАС было обнаружено большее количество антител к белку BDNF, чем у психически здоровых людей [30].
H.Koshimizu и соавт. [30] на основе двух редких единичных нуклеотидных полиморфизмов (SNP) гена мозгового нейротрофического фактора генерировали R125M-, R127L- и R125M/R127L-BDNF, которые имеют аминокислотные замены вблизи сайта расщепления между зонами proBDNF и зрелого BDNF. Вестерн-блоттинг анализ показал, что эти варианты BDNF слабо разделены, и в результате преобладает секреция proBDNF. Используя эти устойчивые к расщеплению варианты proBDNF (CR-proBDNF), авторы исследовали молекулярные и клеточные роли предшественника мозгового нейротрофического фактора в нейронах ЦНС. Было обнаружено, что CR-proBDNF демонстрировали нормальное внутриклеточное распределение и секрецию в культуре нейронов гиппокампа, что позволило предположить, что ингибирование расщепления proBDNF не влияет на внутриклеточный транспорт и секрецию зрелой формы BDNF. Кроме того, исследователи выделили очищенный рекомбинантный CR-proBDNF и изучили его биологические эффекты с помощью
культивируемых нейронов ЦНС. Лечение с помощью
CR-proBDNF вызвало апоптоз культивированных гранулярных нейронов мозжечка (CGNs), в то время как лечение зрелыми формами BDNF (matBDNF) способствовало выживанию клеток. Также авторы исследовали влияние CR-proBDNF на нейронную морфологию с использованием более чем 2-недельной культуры холинергических нейронов базального слоя переднего мозга (BFCNs) и нейронов гиппокампа.
Интересен тот факт, что в данной работе авторы подтвердили антагонистические эффекты предшественника BDNF и его зрелой формы, которая способствует увеличению количества холинергических волокон и дендритных шипиков гиппокампа, в то время как при введении CR-proBDNF резко сокращается численность гиппокампальных холинергических волокон и дендритных шипиков, хотя влияния на выживание этих нейронов в этом исследовании обнаружено не было. Результаты данной работы подтверждают, что proBDNF и его зрелая форма имеют различные функции в разных популяциях нейронов ЦНС и могут быть ответственны за конкретные физиологические клеточные процессы в мозге.
Предшественник BDNF также способствует процессу, называемому долгосрочной депрессией, которая представляет собой период после возбуждения нейронов, прежде чем они готовы принять сигнал снова. В отличие от зрелого BDNF его предшественник способствует так называемому долгосрочному потенцированию, которое укрепляет нейронные связи в ответ на опыт и играет важную роль в обучении и памяти. Таким образом, изменения в балансе предшественников и зрелых форм BDNF может лежать в основе некоторых биологических изменений в мозге людей с аутистическими расстройствами.
В исследовании C.Correia и соавт. [13] было проведено сравнение уровня BDNF в обогащенной тромбоцитами плазме у детей с аутизмом и психически здоровых детей контрольной группы. Авторы рассматривали BDNF и NTRK2 в качестве генетических факторов, вносящих вклад в этиологию аутизма. Исследователи обнаружили, что уровень BDNF у детей с аутизмом (n=146) был значительно выше (t=6,82; р<0,0001), чем в контрольной группе (n=50), и положительно коррелировал с уровнем тромбоцитарного серотонина (t=0,22; р=0,004). Наследуемость уровня BDNF была обнаружена у 30% обследованных, и, следовательно, в этих образцах были изучены распределения генов-кандидатов BDNF и NTRK2 в ассоциации с уровнем BDNF в 469 тройках семей. Генетический анализ ассоциаций не представил никаких доказательств для BDNF или NTRK2 как основных детерминант аномально высокого уровня BDNF у страдающих аутизмом детей. Статистически значимая связь с аутизмом была обнаружена для шести одиночных нуклеотидных полиморфизмов [0,004 (Z ((1ДФ))=2,85)<P<0,039 (Z ((1ДФ))=2,06)] и нескольких гаплотипов [5¥10 (-4) (c ((3df))=17,77)<P<0,042 (c ((9DF)) =17,450)] гена NTRK2.
Эти результаты не выдерживают коррекции для множественных сравнений, однако отражают тенденцию к ассоциации, которая подтверждает роль NTRK2 как фактора предрасположения в отношении аутистических расстройств. По результатам данного исследования генетическое изменение в гене BDNF не оказало существенного влияния на риск развития аутизма, хотя некоторые проведенные ранее исследования выявляли увеличение уровня BDNF у большинства детей с РАС, что свидетельствует о генетической связи между NTRK2 и аутизмом. Это исследование объединяет данные нескольких уровней в пользу гипотезы о том, что изменения в системе BDNF/тирозинкиназа B (TrkB) способствует повышению уязвимости к аутистическим расстройствам.
Необычно высокие уровни экспрессии белка BDNF в образцах крови страдающих РАС детей были обнаружены и в ряде других исследований. M.Greenberg и соавт. [17] предполагают, что выраженное повышение уровня BDNF в мозге этих детей вызывает неврологические дефекты, приводящие к дезорганизации поведения. Во время развития мозга BDNF регулирует рождение и дифференцировку нейронов. Некоторые из клеток-мишеней BDNF, такие как корковые интернейроны, передающие информацию между различными слоями коры головного мозга, оказались, по мнению авторов, вовлеченными в патологический процесс при аутизме. BDNF также является регулятором процессов роста мозга, а по данным морфологических исследований, дети с РАС, как правило, имеют аномально большой мозг на ранних стадиях развития. Более того, MeCP2 – ген, мутации в котором, как известно, вызывают развитие одного из РАС – синдрома Ретта, непосредственно регулирует экспрессию BDNF [38].
На основании проведенных исследований ученые выдвинули предположение о том, что гиперпродукция мозгового нейротрофического фактора в нейронах и тромбоцитах имеет аналогичный механизм и повышение продукции BDNF в одной ткани, вероятно, приводит к его высокому уровню в другой. Однако остается неясным вопрос о роли повышенного уровня BDNF в дезорганизации развития нервной системы и формировании аутистических симптомов.
B.Hempstead [18] и соавт. считают необходимым проведение анализа уровня BDNF и его рецепторов в тромбоцитах человека и сыворотке у пациентов с РАС и ближайших членов их семей. Исследователи предполагают, что если высокий уровень BDNF действительно окажется причиной возникновения данной категории расстройств, то препараты, блокирующие его продукцию или экспрессию, могут быть эффективным средством для лечения аутизма.
Таким образом, развитие аксональных и дендритных связей является фундаментальным процессом для создания синаптических схем ЦНС и является результатом сложного взаимодействия между внутренними молекулярными процессами и факторами внешней среды. Среди молекулярных факторов, ответственных за развитие нейронов, BDNF играет ключевую роль не только в нормальном развитии ЦНС, но и при многочисленных патологических состояниях, связанных с нарушением развития ЦНС, к которым относятся РАС. Действительно, дисрегуляция на любом этапе синтеза и высвобождения BDNF (т.е. транскрипции, трансляции, везикулярной упаковки, переработки, регуляции Са2+ зависимого внутриклеточного транспорта и передачи сигнала при активации тирозинкиназы Lyn) может привести к абнормальному развитию аксонов, дендритов и синапсов, а также нарушениям функционирования синаптических связей в процессе развития мозга.
Кроме того, изменения синаптической пластичности в корковом и лимбическом регионах (в частности, в области гиппокампа и миндалины мозжечка) также могут лежать в основе дефицита когнитивной и поведенческой адаптации, наблюдающегося при расстройствах, связанных с аутистическими проявлениями. Поскольку специфические неврологические симптомы возникают вследствие нарушения функционирования нейрональных сетей в определенных областях мозга (вероятно, вызванного дефектами дифференциации нейронов, синаптогенеза, синаптической пластичности, аксонального и дендритного роста в период постнатального развития), перед современной наукой стоит задача разработки рациональных терапевтических подходов для реверсирования таких тяжелых и социально значимых заболеваний, как РАС.
Сведения об авторах
Ю.Б.Барыльник – д-р мед. наук, зав. каф. психиатрии, наркологии, психотерапии и клинической психологии ГБОУ ВПО
Саратовский ГМУ им. В.И.Разумовского Минздрава России
Филиппова Наталья Валерьевна – канд. мед. наук, ассистент каф. психиатрии, наркологии, психотерапии и клинической психологии ГБОУ ВПО Саратовский ГМУ им. В.И.Разумовского Минздрава России. E-mail natdoc@mail.ru
Ключевые слова: расстройства аутистического спектра, нейротрофины, мозговой нейротрофический фактор.
Brain-derived neurotrophic factor: pathogenetic link with autism spectrum disorders
N.V.Filippova, Y.B.Barylnik
Saratov State Medical University
Summary. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), neurotrophin, is essential for brain development and function. Recent studies have reported a possible pathogenetic role of BDNF in autism spectrum disorders. However, so far it remains unclear whether the observed changes in neurotrophic factors reflection of primary pathogenetic mechanisms or are secondary in relation to a breach of cortical functions in autism spectrum disorders.
Key words: autism spectrum disorders, neurotrophins, brain-derived neurotrophic factor.
Цель данного обзора – обобщение сведений об изменениях обмена мозгового нейротрофического фактора (BDNF) при расстройствах аутистического спектра (РАС) и определение его возможной роли в формировании аутистических проявлений.
BDNF относится к семейству нейротрофических факторов – растворимых высокомолекулярных полипептидов от 27 до 43 кДа, крайне необходимых для развития нервной системы. BDNF имеет около 50% общих аминокислотных последовательностей с другими нейротрофинами и формирует гомодимеры в физиологических условиях [2–4]. В центральной нервной системе (ЦНС) обнаружены как зрелые формы BDNF, так и его предшественники – proBDNF [15]. BDNF экспрессируется на фибробластах, астроцитах, нейронах различного фенотипа и локализации, мегакариоцитах, тромбоцитах, шванновских клетках (в районах повреждения) и, возможно, на клетках гладкой мускулатуры [4, 35].
По некоторым данным, выявлен «жизненный» биоритм данного нейротрофина у животных [7], а также у человека [36], согласно которому наиболее низкие уровни BDNF, регистрируемые в заднелобной зоне коры, определяются в младенческом и подростковом возрасте. Пик BDNF приходится на молодые годы, а относительно постоянные уровни определяются в зрелом и старческом возрасте [38]. Интересен тот факт, что возрастание уровня BDNF совпадает с периодом, когда лобная кора созревает структурно и функционально [36].
Как и другие нейротрофины, BDNF может передавать сигналы через два типа клеточных поверхностных рецепторов: нейротрофиновый рецептор р75 и рецептор тирозинкиназы (Trk). Путем взаимодействия с р75NTR-рецептором нейротрофины могут индуцировать апоптоз, все остальные функции осуществляются через тирозинкиназные рецепторы (Trk). BDNF обладает низким сродством к р75-рецептору нейротрофинов и высоким сродством к рецептору тирозинкиназы В (TrkВ) [1, 2, 5, 6, 23]. Эти рецепторы определяют специфичность действия BDNF.
В последние годы получены данные о взаимосвязи экспрессии BDNF с активностью глутаматных рецепторов АМРА-подтипа, широко представленных в ЦНС животных и человека. Селективным агонистом этих рецепторов является a-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовая кислота (АМРА). Принято считать [5, 20, 22, 37], что посредством АМРА-рецепторов, принимающих участие в опосредуемой глутаматом передаче возбуждающих сигналов, BDNF контролирует баланс глутаматергической и ГАМКергической систем.
Исследованиями ряда авторов [5, 8, 20, 26, 28] установлено, что увеличение экспрессии BDNF в мозге происходит путем активации АМРА-рецепторов. Предполагается, что наблюдаемое при этом увеличение экспрессии BDNF может быть опосредовано двумя различными путями передачи сигнала. Первый путь включает повышение уровня внутриклеточных ионов Са2+ при участии потенциалзависимых ионных каналов L-типа, что является следствием вызванной АМРА-рецепторами деполяризации нейрональной мембраны. Повышение уровня внутриклеточного Са2+ ведет к увеличению экспрессии гена BDNF (при этом происходит активация кальций-чувствительных элементов промотора гена BDNF) [5, 26]. Другой путь передачи сигнала зависит от активации тирозинкиназы Lyn, которая относится к Src-семейству протеинкиназ, ассоциированных с АМРА-рецептором. Тирозинкиназа Lyn в свою очередь стимулирует митогенактивированную протеинкиназу и ведет к увеличению экспрессии BDNF [20].
Обнаружено [8], что нормальное функционирование AMPA-рецепторов способствует поддержанию уровня жизнеспособности нейронов в культуре срезов гиппокампа. Блокада этих рецепторов приводит к повышению чувствительности нейронов к повреждающим факторам. Обнаружено, что субхроническое введение AMPA-рецепторных модуляторов повышает уровень экспрессии мРНК и белка BDNF [8, 26], а также его рецептора Trk В [26] в гиппокампе крыс. В исследованиях Q.Cheng и соавт. [10] обнаружено, что снижение BDNF в культуре мышей приводит к снижению уровня g-аминомасляной кислоты (ГAMK) в мозжечковых клетках Пуркинье через связывание с рецептором тирозинкиназы В. Предполагается, что BDNF обеспечивает активность ГAMKергических рецепторов в клетках Пуркинье.
Наиболее значимые эффекты BDNF осуществляются посредством активации рецептора Trk В, запускающего аутофосфорилирование тирозинкиназы В в каскаде вторичных посредников и различных биологических реакциях [24, 25, 27]. Рецептор Trk В – каталитический рецептор, трансмембранный белок, наружная часть которого содержит связывающий BDNF участок, а цитоплазматическая часть функционирует как протеинкиназа (тирозинкиназа В – фермент, фосфорилирующий остаток тирозина). Рецепторные тирозинкиназы активируют белок RasG. Далее сигнал через активированную ГТФазу передается на Ras-каскад. Ras-каскад – последовательность внутриклеточных реакций преобразования сигнала, существенная часть которых происходит при фосфорилировании компонентов каскада; внешний сигнал – BDNF, результат – транскрибирование генов, обеспечивающих пролиферацию и/или дифференцировку нервных клеток [6].
Анализ полученных данных позволил авторам прийти к выводу, что BDNF влияет на выживание нейронов, способствует регенераторному росту нейрональных отростков и улучшает синаптическую передачу [10]. M.Fahnestock и соавт. [16] установили, что BDNF обеспечивает также холинергическую функцию нейрона. Французские ученые [22] предположили, что BDNF выступает в роли медиатора дофаминовых реакций мозга, поскольку при его дефиците нарушается экспрессия D3-рецепторов. BDNF увеличивает чувствительность к дофамину, а BDNF-индуцированная гиперэкспрессия D3 в полосатом теле – чувствительность к леводопе.
Полученные данные представляют интерес в плане новых подходов к терапии целого ряда заболеваний ЦНС и периферической нервной системы. Перспективным направлением, связанным с возможным использованием повышенной экспрессии нейротрофических факторов, является проблема поиска способов защиты нейронов от нейротоксического повреждения, что имеет место при дегенеративных заболеваниях ЦНС (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и др.). Известно, что нейротрофические факторы могут проявлять защитное действие при моделировании повреждений мозга, вызванных специфическими нейротоксинами. Наблюдаемые нейропротекторные эффекты модуляторов AMPA-рецепторов имеют трофическую природу и проявляются в активации роста нейритов («спраутинг») нейронов черной субстанции, что может свидетельствовать о замедлении гибели нейронов и активации репаративных процессов [5, 26].
В течение последнего десятилетия исследователи все чаще высказывают мнение о том, что нейротрофические факторы (NTFS) и их рецепторы представляют одну из групп кандидатов при РАС, поскольку они играют решающую роль в процессе развития нервной системы, регулируя многие функциональные и структурные аспекты ЦНС, в том числе дифференциацию, выживание нейронов, синаптогенез, синаптическую пластичность, аксональный и дендритный рост [34]. Некоторые исследования показывают, что патология нейротрофических факторов может лежать в основе патофизиологических нарушений при таких психоневрологических расстройствах, как шизофрения и депрессия [14, 19, 33]. Исследователи обратили внимание на потенциальный вклад нейротрофических факторов в этиопатогенез аутистических расстройств. Интересен тот факт, что исследования, демонстрирующие повышение уровня BDNF, NTF4, NTF5 и низкий уровень NT3 в сыворотке крови у больных аутизмом, указывают, что соответствующие гены могут вносить вклад в развитие аутистических проявлений [12, 29, 31].
Проводимые в последнее время генетические исследования также демонстрируют свидетельства участия нейротрофических факторов в этиопатогенезе аутистических расстройств: об аномальных уровнях BDNF сообщается в двух независимых исследованиях; кроме того, довольно распространенный вариант мутации гена рецептора 1-го типа нейротрофической тирозинкиназы (NTRK1) также взаимосвязан с аутистическими чертами [9, 11, 32]. Эти данные подтверждают гипотезу о том, что выживаемость, дифференцировка и рост нейронов могут лежать в основе этиопатогенеза РАС.
По данным большинства исследований последних лет, в мозге людей, страдающих аутистическими расстройствами, обнаруживается более высокий по сравнению с нормой уровень предшественника мозгового нейротрофического фактора – proBDNF [16], что свидетельствует о механизме измененного развития мозга при аутизме.
BDNF играет определенную роль в росте и миграции нейронов в головном мозге, регулируя процессы, лежащие в основе обучения и памяти. У мышей, на которых проводилось моделирование синдрома Ретта, одного из РАС, был обнаружен более низкий, чем в норме, уровень мозгового нейротрофического фактора. Генетические исследования свидетельствуют о том, что содержание мРНК, кодирующей белок BDNF, у страдающих аутизмом людей существенно не отличалось от аналогичных показателей в контрольной группе. Однако у лиц с РАС было обнаружено большее количество антител к белку BDNF, чем у психически здоровых людей [30].
H.Koshimizu и соавт. [30] на основе двух редких единичных нуклеотидных полиморфизмов (SNP) гена мозгового нейротрофического фактора генерировали R125M-, R127L- и R125M/R127L-BDNF, которые имеют аминокислотные замены вблизи сайта расщепления между зонами proBDNF и зрелого BDNF. Вестерн-блоттинг анализ показал, что эти варианты BDNF слабо разделены, и в результате преобладает секреция proBDNF. Используя эти устойчивые к расщеплению варианты proBDNF (CR-proBDNF), авторы исследовали молекулярные и клеточные роли предшественника мозгового нейротрофического фактора в нейронах ЦНС. Было обнаружено, что CR-proBDNF демонстрировали нормальное внутриклеточное распределение и секрецию в культуре нейронов гиппокампа, что позволило предположить, что ингибирование расщепления proBDNF не влияет на внутриклеточный транспорт и секрецию зрелой формы BDNF. Кроме того, исследователи выделили очищенный рекомбинантный CR-proBDNF и изучили его биологические эффекты с помощью
культивируемых нейронов ЦНС. Лечение с помощью
CR-proBDNF вызвало апоптоз культивированных гранулярных нейронов мозжечка (CGNs), в то время как лечение зрелыми формами BDNF (matBDNF) способствовало выживанию клеток. Также авторы исследовали влияние CR-proBDNF на нейронную морфологию с использованием более чем 2-недельной культуры холинергических нейронов базального слоя переднего мозга (BFCNs) и нейронов гиппокампа.
Интересен тот факт, что в данной работе авторы подтвердили антагонистические эффекты предшественника BDNF и его зрелой формы, которая способствует увеличению количества холинергических волокон и дендритных шипиков гиппокампа, в то время как при введении CR-proBDNF резко сокращается численность гиппокампальных холинергических волокон и дендритных шипиков, хотя влияния на выживание этих нейронов в этом исследовании обнаружено не было. Результаты данной работы подтверждают, что proBDNF и его зрелая форма имеют различные функции в разных популяциях нейронов ЦНС и могут быть ответственны за конкретные физиологические клеточные процессы в мозге.
Предшественник BDNF также способствует процессу, называемому долгосрочной депрессией, которая представляет собой период после возбуждения нейронов, прежде чем они готовы принять сигнал снова. В отличие от зрелого BDNF его предшественник способствует так называемому долгосрочному потенцированию, которое укрепляет нейронные связи в ответ на опыт и играет важную роль в обучении и памяти. Таким образом, изменения в балансе предшественников и зрелых форм BDNF может лежать в основе некоторых биологических изменений в мозге людей с аутистическими расстройствами.
В исследовании C.Correia и соавт. [13] было проведено сравнение уровня BDNF в обогащенной тромбоцитами плазме у детей с аутизмом и психически здоровых детей контрольной группы. Авторы рассматривали BDNF и NTRK2 в качестве генетических факторов, вносящих вклад в этиологию аутизма. Исследователи обнаружили, что уровень BDNF у детей с аутизмом (n=146) был значительно выше (t=6,82; р<0,0001), чем в контрольной группе (n=50), и положительно коррелировал с уровнем тромбоцитарного серотонина (t=0,22; р=0,004). Наследуемость уровня BDNF была обнаружена у 30% обследованных, и, следовательно, в этих образцах были изучены распределения генов-кандидатов BDNF и NTRK2 в ассоциации с уровнем BDNF в 469 тройках семей. Генетический анализ ассоциаций не представил никаких доказательств для BDNF или NTRK2 как основных детерминант аномально высокого уровня BDNF у страдающих аутизмом детей. Статистически значимая связь с аутизмом была обнаружена для шести одиночных нуклеотидных полиморфизмов [0,004 (Z ((1ДФ))=2,85)<P<0,039 (Z ((1ДФ))=2,06)] и нескольких гаплотипов [5¥10 (-4) (c ((3df))=17,77)<P<0,042 (c ((9DF)) =17,450)] гена NTRK2.
Эти результаты не выдерживают коррекции для множественных сравнений, однако отражают тенденцию к ассоциации, которая подтверждает роль NTRK2 как фактора предрасположения в отношении аутистических расстройств. По результатам данного исследования генетическое изменение в гене BDNF не оказало существенного влияния на риск развития аутизма, хотя некоторые проведенные ранее исследования выявляли увеличение уровня BDNF у большинства детей с РАС, что свидетельствует о генетической связи между NTRK2 и аутизмом. Это исследование объединяет данные нескольких уровней в пользу гипотезы о том, что изменения в системе BDNF/тирозинкиназа B (TrkB) способствует повышению уязвимости к аутистическим расстройствам.
Необычно высокие уровни экспрессии белка BDNF в образцах крови страдающих РАС детей были обнаружены и в ряде других исследований. M.Greenberg и соавт. [17] предполагают, что выраженное повышение уровня BDNF в мозге этих детей вызывает неврологические дефекты, приводящие к дезорганизации поведения. Во время развития мозга BDNF регулирует рождение и дифференцировку нейронов. Некоторые из клеток-мишеней BDNF, такие как корковые интернейроны, передающие информацию между различными слоями коры головного мозга, оказались, по мнению авторов, вовлеченными в патологический процесс при аутизме. BDNF также является регулятором процессов роста мозга, а по данным морфологических исследований, дети с РАС, как правило, имеют аномально большой мозг на ранних стадиях развития. Более того, MeCP2 – ген, мутации в котором, как известно, вызывают развитие одного из РАС – синдрома Ретта, непосредственно регулирует экспрессию BDNF [38].
На основании проведенных исследований ученые выдвинули предположение о том, что гиперпродукция мозгового нейротрофического фактора в нейронах и тромбоцитах имеет аналогичный механизм и повышение продукции BDNF в одной ткани, вероятно, приводит к его высокому уровню в другой. Однако остается неясным вопрос о роли повышенного уровня BDNF в дезорганизации развития нервной системы и формировании аутистических симптомов.
B.Hempstead [18] и соавт. считают необходимым проведение анализа уровня BDNF и его рецепторов в тромбоцитах человека и сыворотке у пациентов с РАС и ближайших членов их семей. Исследователи предполагают, что если высокий уровень BDNF действительно окажется причиной возникновения данной категории расстройств, то препараты, блокирующие его продукцию или экспрессию, могут быть эффективным средством для лечения аутизма.
Таким образом, развитие аксональных и дендритных связей является фундаментальным процессом для создания синаптических схем ЦНС и является результатом сложного взаимодействия между внутренними молекулярными процессами и факторами внешней среды. Среди молекулярных факторов, ответственных за развитие нейронов, BDNF играет ключевую роль не только в нормальном развитии ЦНС, но и при многочисленных патологических состояниях, связанных с нарушением развития ЦНС, к которым относятся РАС. Действительно, дисрегуляция на любом этапе синтеза и высвобождения BDNF (т.е. транскрипции, трансляции, везикулярной упаковки, переработки, регуляции Са2+ зависимого внутриклеточного транспорта и передачи сигнала при активации тирозинкиназы Lyn) может привести к абнормальному развитию аксонов, дендритов и синапсов, а также нарушениям функционирования синаптических связей в процессе развития мозга.
Кроме того, изменения синаптической пластичности в корковом и лимбическом регионах (в частности, в области гиппокампа и миндалины мозжечка) также могут лежать в основе дефицита когнитивной и поведенческой адаптации, наблюдающегося при расстройствах, связанных с аутистическими проявлениями. Поскольку специфические неврологические симптомы возникают вследствие нарушения функционирования нейрональных сетей в определенных областях мозга (вероятно, вызванного дефектами дифференциации нейронов, синаптогенеза, синаптической пластичности, аксонального и дендритного роста в период постнатального развития), перед современной наукой стоит задача разработки рациональных терапевтических подходов для реверсирования таких тяжелых и социально значимых заболеваний, как РАС.
Сведения об авторах
Ю.Б.Барыльник – д-р мед. наук, зав. каф. психиатрии, наркологии, психотерапии и клинической психологии ГБОУ ВПО
Саратовский ГМУ им. В.И.Разумовского Минздрава России
Филиппова Наталья Валерьевна – канд. мед. наук, ассистент каф. психиатрии, наркологии, психотерапии и клинической психологии ГБОУ ВПО Саратовский ГМУ им. В.И.Разумовского Минздрава России. E-mail natdoc@mail.ru
Список исп. литературыСкрыть список1. Балаболкин М.И., Креминская В.М. Диабетическая невропатия. Журн. неврол. и психиатр. им. С.С.Корсакова. 2000; 10: 57–64.
2. Гомазков O.A. Системы нейрохимической регуляции при патологии мозга. Биомедицинская химия. 2004; 50 (4): 321–43.
3. Котов C.B., Калинин A.П., Рудакова И.Г. Диабетическая нейропатия. М.: Медицина, 2000; с. 45–6.
4. Петрухин A.C., Tерентьев A.A., Голосная Г.С. и др. Использование специфических белков нервной ткани в диагностике внутрижелудочковых кровоизлияний и перивентрикулярной лейкомаляции у новорожденных. Нейрохимия. 2004; 21: 293–301.
5. Раевский К.С., Еремин К.О. Allosteric modulators of AMPA type glutamate receptors a novel gubclass of physiologically active substances. Биомедицинская химия. 2004; 50 (6): 523–38.
6. Улумбеков Э.Г., Челышев Ю.A. Гистология. Введение в патологию. М.: ГЭОТАР, 1997; с. 28–34.
7. Adlard PA, Perreau VM, Engesser-Cesar C, Cotman CW. The timecourse of induction of brain-derived neurotrophic factor mRNA and protein in the rat hippocampus following voluntary exercise. Neuroscience Letters 2004; 363: 43–8.
8. Bahr BA, Bendiske J, Brown BQ et al. Association of a functional BDNF polymorphism and anxiety-related personality traits. Exper Neurol 2002; 174: 34–47.
9. Chakrabarti B, Dudbridge F, Kent L et al. Genes related to sex steroids, neural growth, and social-emotional behavior are associated with autistic traits, empathy, and Asperger syndrome. Autism Res 2009; 2: 157–77.
10. Cheng Q, Yeh HH. PLCgamma signaling underlies BDNF potentiation of Purkinje cell responses to GAB A. Neuroreport 2005; 8; 16 (2): 175–8.
11. Cheng L, Ge Q, Xiao P et al. Association study between BDNF gene polymorphisms and autism by three-dimensional gel-based microarray. Int J Mol Sci 2009; 10: 2487–500.
12. Connolly AM, Chez M, Streif EM et al. Brain-derived neurotrophic factor and autoantibodies to neural antigens in sera of children with autistic spectrum disorders, Landau-Kleffner syndrome, and epilepsy. Biol Psychiat 2006; 59: 354–63.
13. Correia CT, Coutinho AM, Sequeira AF et al. Increased BDNF levels and NTRK2 gene association suggest a disruption of BDNF/TrkB signaling in autism. Gen Brain Behav 2010; 9 (7): 841–8.
14. Durany N, Thome J. Neurotrophic factors and the pathophysiology of schizophrenic psychoses. Eur Psychiat 2004; 19: 326–37.
15. Fahnestock M, Garzon D, Holsinger RM, Michalski B. Neurotrophic factors and Alzheimer's disease: are we focusing on the wrong molecule? J Neural Transm Suppl 2002; 62: 241–52.
16. Garcia KL, Yu G, Nicolini C et al. Altered balance of proteolytic isoforms of pro-brain-derived neurotrophic factor in autism. J Neuropathol Exp Neurol 2012; 71 (4): 289–97.
17. Greenberg ME, Xu B, Lu B, Hempstead BL. New insights in the biology of BDNF synthesis and release: implications in CNS function.
J Neurosci 2009; 29 (41): 12 764–7.
18. Hempstead BL. Commentary Regulating proNGF action multiple targets for therapeutic intervention. Neurotox Res 2009; 16 (3): 255–60.
19. Hashimoto T, Bergen SE, Nguyen QL et al. Relationship of brain-derived neurotrophic factor and its receptor TrkB to altered inhibitory prefrontal circuitry in schizophrenia. J Neurosci 2005; 25: 372–83.
20. Hayashi T, Umemori H, Mishina M, Yamamoto T. The AMPA receptor interacts and signals through the protein tyrosine kinase Lyn. Nature 1990; 397 (6714): 72–6.
21. Koshimizu H, Kiyosue K, Hara T et al. Multiple functions of precursor BDNF to CNS neurons: negative regulation of neurite growth, spine formation and cell survival. Mol Brain 2009; 13 (2): 27.
22. Lauteborn JC, Lynch G, Vanderklish P et al. Differential transport and local translation of cytoskeletal, in-jury-response, and neurodegeneration protein mRNAs in axons. J Neurosci 2000; 20 (1): 8–21.
23. Leinninger GM, Vincent AM. Three exercise paradigms differentially improve sensory recovery after spinal cord contusion in rats. J Peripheral Nervous System 2004; 9 (1): 26.
24. Lewin GR, Mendell LM. Regulation of cutaneous C-fiber heat nociceptors by nerve growth factor in the developing rat. J Neurophysiol 1994; 71: 941–9.
25. Liebl DJ, Klesse LJ, Tessarollo L et al. NT-4/5 specifies BDNF-dependent neural crest derived sensory neurons. Proc Natl Acad Sci USA 2000; 97: 2297–302.
26. Machowiak M, O’Neili MJ, Hicks CA et al. AMPA-receptor potentiator modulates the expression of BDNF: an in vivo study. Neuropharmacol 2002; 43 (1): 1–10.
27. Molliver DC, Wright DE, Leitner ML et al. IB4-binding DRG neurons switch from NGF to GDNF dependence in early postnatal life. Neuron 1997; 19: 849–61.
28. Munirathinam S, Rodgers G, Bahr BA. Positive modulation of a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid-type glutamate receptors elicits neuroprotection after trimethyltin exposure in hippocampus. Toxicol Appl Pharmacol 2002; 185: 111–8.
29. Miyazaki K, Narita N, Sakuta R et al. Serum neurotrophin concentrations in autism and mental retardation: a pilot study. Brain Dev 2004; 26: 295.
30. Nelson KB, Grether JK, Croen LA et al. Neuropeptides and neurotrophins in neonatal blood of children with autism or mental retardation. Ann Neurol 2001; 49 (5): 597–606.
31. Nelson PG, Kuddo T, Song EY et al. Selected neurotrophins, neuropeptides, and cytokines: developmental trajectory and concentrations in neonatal blood of children with autism or Down syndrome. Int J Dev Neurosci 2006; 24 (73): 80.
32. Nishimura K, Nakamura K, Anitha A et al. Genetic analyses of the brain-derived neurotrophic factor (BDNF) gene in autism. Biochem Biophys Res Comm 2007; 356: 206.
33. Otsuki K, Uchida S, Watanuki T et al. Altered expression of neurotrophic factors in patients with major depression. J Psychiat Res 2008; 42: 1145–53.
34. Reichardt LF. Neurotrophin-regulated signalling pathways. Phil Trans Soc Lond Biol Sci 2006; 361: 1545–64.
35. Stuart C. Apfel. Nerve regeneration in diabetic neuropathy. Diabetes Obesiti Metabolism 1999; 1: 3–11.
36. Webster MJ, Weickert CS, Herman MM, Kleinman JE. BDNF mRNA expression during postnatal development, maturation and aging of the human prefrontal cortex. Brain Res Dev Brain Res 2002; 15 (2): 139–50.
37. Zafra F, Hengerer B, Leibrock J et al. Interplay between glutamate and g-aminobutyric acid transmitter systems in the physiological regulation of brain-derived neurotrophic factor and nerve growth factor synthesis in hippocampal neurons. EMBO J 1990; 9: 3545–50.
38. Yang J, Siao CJ, Nagappan G et al. Neuronal release of proBDNF. Nat Neurosci 2009; 12 (2): 113–5.
11 апреля 2014
Количество просмотров: 3555