МЕХАНИЗМЫ НЕЙРОГЕНЕЗА И АНГИОГЕНЕЗА ПРИ ИШЕМИЧЕСКОМ ИНСУЛЬТЕ: ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Королева Е.С.; Алифирова В.М.

Механизмы нейрогенеза и ангиогенеза при ишемическом инсульте: обзор литературы

Е.С. Королева, В.М. Алифирова

ФГБОУ ВО «Сибирский государственный медицинский университет», Томск, Россия

Научные достижения последних десятилетий свидетельствуют о том, что нейрогенез и ангиогенез являются взаимосвязанными процессами в борьбе за функциональное восстановление после ишемического инсульта головного мозга. В обзоре литературы приведены современные данные о нейрососудистых взаимодействиях при ишемическом инсульте, описана роль сигнальных молекул и факторов роста в регуляции нейрогенеза и ангиогенеза, имеющих решающее значение в нейронном выживании и нейропластичности. Авторами проведён поиск литературы об атипичной миграции нейробластов в зону ишемиче-ской полутени и роли сигнальных молекул, о молекулярных мишенях ангиогенеза, роли эндогенных факторов роста и нейрохимических маркёрах регуляции постинсультной сосудистой активности при острой ишемии головного мозга с использованием соответствующих ключевых слов в поисковых системах PubMed и Google Scholar, по базам данных Scopus, Web of Science, MedLine, The Cochrane Library, EMBASE, Global Health, CyberLeninka, eLibrary и др. Несмотря на многообещающие результаты, полученные на животных моделях, и данные клинических исследований, глубинные взаимосвязи молекуляр-но-клеточных взаимодействий нейрогенеза и ангиогенеза до конца не ясны. Дальнейшее изучение и понимание сложных взаимодействий нейрогенеза и ангиогенеза целесообразно с точки зрения поиска мишеней для экзогенного введения факторов роста и изменения экспрессии эндогенно продуцируемых молекул для лечения ишемического повреждения головного мозга.

Ключевые слова: ишемический инсульт; нейрогенез; ангиогенез; эндогенные факторы роста; нейропластичность; функциональное восстановление

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.

Адрес для корреспонденции: 634055, Томск, Московский тракт, д. 2. ФГБОУ ВО СибГМУ. E-mail: kattorina@list.ru. Королева Е.С.

Для цитирования: Королева В.М., Алифирова В.М. Механизмы нейрогенеза и ангиогенеза при ишемическом инсульте: обзор литературы. Анналы клинической и экспериментальной неврологии 2021; 15(3): 62-71.

DOI: https://doi.Org/10.54101/ACEN.2021.3.7

Поступила 17.11.2020 / Принята в печать 11.05.2021

Mechanisms of neurogenesis and angiogenesis in ischaemic stroke: literature review

Ekaterina S. Koroleva, Valentina M. Alifirova

Siberian State Medical University, Tomsk, Russia

Scientific achievements of recent decades indicate that neurogenesis and angiogenesis are interrelated processes in the struggle for functional recovery after ischaemic stroke. This literature review presents current data on the neurovascular interactions in ischaemic stroke, and describes the role of signalling molecules and growth factors in the regulation of neurogenesis and angiogenesis, which are crucial for neuronal survival and neuroplasticity. The authors conducted a literature search for abnormal neuroblast migration into the ischaemic penumbra and the role of signalling molecules, molecular targets of angiogenesis, and role of endogenous growth factors and neurochemical markers in post-stroke vascular regulation in acute cerebral ischaemia. Relevant keywords were entered into the PubMed and Google Scholar search engines, as well as Scopus, Web of Science, MedLine, The Cochrane Library, EMBASE, Global Health, CyberLeninka, eLibrary, and other databases. Despite promising results obtained in animal models, and the data from clinical studies, deeper interrelationships between molecular and cellular interactions of neurogenesis and angiogenesis are still not entirely clear. Further study and understanding of complex interactions between neurogenesis and angiogenesis is needed to find targets for exogenous growth factor administration and changes in endogenous molecule expression for treatment of ischaemic brain injury.

Keywords: ischaemic stroke; neurogenesis; angiogenesis; endogenous growth factors; neuroplasticity; functional recovery

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. For correspondence: 634055, Tomsk, Moskovsky trakt, 2. Siberian State Medical University. E-mail: kattorina@list.ru. Koroleva E.S.

For citation: Koroleva E.S., Alifirova V.M. [Mechanisms of neurogenesis and angiogenesis in ischaemic stroke: literature review]. Annals of clinical and experimental neurology. 2021; 15(3): 62-71. (In Russ.)

DOI: https://doi.org/10.54101/ACEN.2021.3.7

Received 17.11.2020 / Accepted 11.05.2021

_научный обзор

Механизмы нейрогенеза и ангиогенеза при ишемическом инсульте

Введение

Сосудистые заболевания головного мозга — это огромная медико-социальная проблема современного общества. Церебральный инсульт является ведущей причиной смертности и тяжёлой инвалидизации пациентов во всём мире. Ежегодно в России регистрируется более 450 тыс. случаев инсульта. Постинсультная инвалидизация занимает 1-е место среди всех причин инвалидности и составляет 3,2 на 10 тыс. населения. В России смертность от церебро-васкулярной патологии за 7 мес 2018 г. составила 182,6 на 100 тыс. человек. В связи с этим активно изучаются вопросы патогенеза, диагностики, лечения и профилактики острых нарушений мозгового кровообращения (ОНМК)

[1-3].

На протяжении многих лет в нейробиологии существовала догма, не допускающая самой возможности нейрогенеза в центральной нервной системе (ЦНС) взрослого человека и утверждающая о неизменности морфологической структуры сформировавшегося мозга. В настоящее время доказано, что нейрогенез продолжается на протяжении всей жизни человека в двух различных областях интактного мозга: субвентрикулярной зоне боковых желудочков (СВЗ) и субгранулярной зоне в зубчатой извилине гиппокампа. Некоторые исследователи также рассматривают эти области как единую нейрогенную зону [4-6]. Исторически первые исследования, установившие образование новых нейронов в мозге млекопитающих, были проведены с использованием авторадиографического исследования 3Н-тимидин-меченных делящихся клеток новорождённых нейронов. Однако нейрогенез в мозге взрослого млекопитающего долгое время не признавался научным сообществом. Существование нейрогенеза было признано только после методологического усовершенствования и замены радиоактивного аналога тимидина на бромдезоксиуридин, который мог быть обнаружен с помощью иммуногистохимии, что способствовало дальнейшим исследованиям [5].

Нейрогенез — это многоступенчатый регулируемый процесс получения новых нейронов, астроцитов, олигодендро-цитов в ЦНС из нейрональных стволовых клеток (НСК), включающий пролиферацию эндогенных НСК, их миграцию и дифференцировку в зрелые функциональные нейроны. Этот процесс лежит в основе адаптивной функции мозга и обеспечивает нейропластичность, выражающуюся в структурной и функциональной реорганизации нейронных сетей. Ишемическое повреждение стимулирует нейрогенез в головном мозге [6]. Доказательства превращения исходных прогениторных структур в специализированные нервные клетки в условиях ишемического повреждения ткани мозга получены на экспериментальных животных моделях и у пациентов [7, 8].

Однако нейрогенез не является самостоятельным фактором в борьбе за функциональное восстановление после инсульта. Не менее важная роль принадлежит ангиогенезу — процессу образования новых микрососудов, включающему пролиферацию и прорастание эндотелиальных клеток (ЭК), формирование трубчатых сосудистых структур, разветвлений и анастомозов [9]. Ангиогенез обнаружен в зоне ишемической полутени у крыс с фокальной ишемией головного мозга в бассейне средней мозговой артерии (СМА). Молекулярные биомаркёры, свидетельствующие об активации процессов ангиогенеза в нервной ткани,

выявлены у пациентов с острым ишемическим инсультом [10]. Таким образом, нейрогенез и ангиогенез являются взаимосвязанными процессами при ишемическом повреждении головного мозга и протекают параллельно.

Целью данного научного обзора является описание молекулярных механизмов эндогенной регуляции нейрогенеза и ангиогенеза при остром ишемическом инсульте.

Нейрогенез при острой ишемии головного мозга_

Нейрогенез представляет собой этапно развивающийся процесс: стволовая нервная клетка ^ транзиторная про-гениторная клетка ^ нейробласт ^ мигрирующий про-нейрон ^ недифференцированный нейрон ^ зрелый нейрон ^ интегрированный нейрон [11]. Иммуногистохи-мическое исследование ткани головного мозга крыс с фокальной ишемией СМА показало увеличение бромдезок-сиуридин-реактивных клеток в СВЗ, доказывая тем самым факт активации нейрогенеза при нарушении церебрального кровотока. Индуцированная инсультом эндогенная пролиферация НСК и увеличение пула стволовых предшественников происходит за счёт сокращения продолжительности клеточного цикла и перехода с асимметричного на симметричный тип деления, в результате чего образуются две идентичные дочерние клетки вместо одной. Доля активно делящихся НСК в СВЗ мозга взрослых крыс составляет около 15-21%. Экспериментальные работы, выполненные на традиционных моделях фокальной ишемии СМА у крыс, продемонстрировали увеличение доли про-лиферирующих клеток СВЗ до 24% через 2 дня после ишемии и до 31% через 7 дней. Продолжительность клеточного цикла НСК в СВЗ составляет 18-21 ч в интактном мозге крыс на протяжении всей жизни. Однако ишемическое повреждение сокращает продолжительность клеточного цикла до 11 ч уже через 2 дня [12-14].

Ядро инфаркта / Ischaemic core

Пенумбра/ Penumbra

Ангиогенез/ Angiogenesis

FGF-2 eNOS/CSE VEGF/ VEGFR2 Ang-1/Tie2

\

Нейрогенез / Neurogenesis

Пролиферация/ Proliferation

FGF-2 IGF-1 BDNF VEGF

Миграция / Migration

SDF-1 MCP-1 MMPs

Ключевые сигнальные пути нейрогенеза и ангиогенеза при ишемическом инсульте.

Key signalling pathways of neurogenesis and angiogenesis in ischaemic stroke.

Для реализации механизмов нейропластичности необходимы последовательная трансформация НСК через стадии «экспансии» и селекции», миграция, дифференцировка в клетки нервной ткани определённого фенотипа и интеграция в нейрональную сеть. Свидетельства трансформации НСК остаются на сегодняшний день весьма опосредованными и до конца не изученными [11]. Однако в настоящее время идентифицировано и подробно изучено несколько внеклеточных сигнальных молекул, эндогенных факторов роста, которые участвуют в регуляции этапов нейрогенеза при остром ишемическом инсульте (рисунок).

Роль сигнальных молекул в механизмах клеточной миграции

Инсульт инициирует миграцию НСК в зону поражения из уже существующей в физиологических условиях нейро-генной ниши — СВЗ вблизи боковых желудочков, с одной стороны. С другой стороны, недавние исследования убедительно продемонстрировали локальную генерацию новых нейронов вблизи очага поражения в различных отделах мозга. Стриатум, кора и область СА1 гиппокампа являлись местами расположения таких новых нейрогенных зон при тотальной ишемии головного мозга у взрослых крыс-самцов Вистар. В то же время у мышей в физиологических условиях активность процессов нейрогенеза в коре головного мозга и стриатуме крайне низкая [5]. Несмотря на то что ишемическое повреждение головного мозга провоцирует генерацию новых кортикальных нейронов, выживание и функциональность этих нейронов обычно ставятся под сомнение [15].

Механизмы миграции нейробластов во взрослом натив-ном мозге и в условиях церебральной ишемии остаются до конца не изученными. Доказано, что у взрослых грызунов НСК из СВЗ мигрируют в другие области мозга, где они дифференцируются в нейроны и могут интегрироваться в локальные нейронные сети [16]. На фиксированных и культивируемых срезах головного мозга мозга мыши показано, что в первые недели жизни нейробласты перемещаются по 4 различным путям — ростральному, вентральному, внешнему и дорсальному — от боковых желудочков [5]. Некоторые авторы сообщают о миграции нейробластов из СВЗ через мозолистое тело в нижние слои коры больших полушарий [17]. В мозге взрослого человека СВЗ остаётся основной зоной нейрогенеза. Однако его интенсивность уменьшается вскоре после рождения, и большинство путей миграции становятся в значительной степени неактивными. Исключение составляет миграция НСК из СВЗ в обонятельную луковицу, которая остается активной во взрослом возрасте, по крайней мере у грызунов [18, 19].

Некоторые исследователи обнаружили, что ишемическое повреждение коры головного мозга может привести к миграции нейробластов из СВЗ в кору не только ипсилате-рального полушария, но и из СВЗ здорового полушария в повреждённое. В фиксированных срезах головного мозга 60 взрослых крыс-самцов Вистар распределение клеток, мигрирующих из СВЗ, наблюдалось по контралатеральной средней линии, далее ипсилатерально к мозолистому телу и, наконец, к повреждённой коре [20]. В других экспериментальных исследованиях методом предварительного введения флюоресцентных микросфер показана миграция НСК из ипсилатеральной СВЗ не только в область поражения в коре, но и в неповреждённое полушарие. Предпо-

лагают, что подобная миграция НСК в контралатеральное полушарие может функционально компенсировать повреждение ипсилатеральной коры и взять на себя функции повреждённой области [5].

Несмотря на то, что механизмы перенаправленной миграции нейробластов в пограничную зону инфаркта до конца не ясны, на животных моделях инсульта научно доказано, что НСК успешно мигрируют, интегрируются в нейронную сеть и генерируют спонтанные потенциалы действия в повреждённой коре головного мозга. Вопреки оптимистичным результатам, большинство исследований показали два важных ограничения в восстановлении нейронных цепей путём добавления новых нейронов: низкий уровень клеточной выживаемости и слабый объём дифференциро-вочного потенциала. Также не следует забывать о соответствии функциональных особенностей интегрированных новых нейронов ранее существовавшей функциональности сети [5]. Ниша стволовых клеток СВЗ имеет мозаичную организацию. НСК из субрегионов СВЗ различаются по потенциалу дифференцировки. НСК из определённого СВЗ-субрегиона могут давать начало только определённому типу нейронов, даже при культивировании in vitro. В связи с этим кажется маловероятным, что эти строго определённые клетки могут производить другие типы нейронов, необходимые для восстановления различных областей мозга.

На сегодняшний день идентифицировано несколько сигнальных молекул, участвующих в индуцированной ишеми-ческим повреждением эндогенной миграции НСК [8, 10, 21].

Хемокин-стромальный клеточный фактор-1 (SDF-1) в физиологических условиях секретируется эпендимальными клетками и способствует сохранению нормальной пролиферации НСК. Роль фактора изучалась при иммуногисто-химическом исследовании ткани мозга взрослых мышей дикого типа с трансплантированными в СВЗ донорскими НСК, полученными от взрослых мышей-самцов линии Swiss Webster. В условиях ишемии SDF-1 высвобождается из реактивных астроцитов и ЭК и активирует продукцию НСК. Рецептор хемокина типа 4 (CXCR 4) экспрессирует-ся на НСК и мигрирующих нейробластах после инсульта и обеспечивает их направленную миграцию в зону пенумбры по механизму SDF-1/CXCR 4 через нейроваскулярную взаимосвязь [22, 23].

Моноцитарный хемоаттрактантный протеин-1 (MCP-1) играет решающую роль в руководстве миграцией нейробластов после ишемического инсульта. MCP-1 взаимодействует со своим рецептором CCR2, который широко экспрессируется на НСК для увеличения миграции ней-робластов in vitro. Фокальная ишемия головного мозга в бассейне СМА у крыс вызывала увеличение экспрессии мРНК MCP-1 в активированных астроцитах и микроглии в течение 3 дней после реперфузии [24]. Приведённые данные подтверждают, что мигрирующие нейробласты экс-прессируют свой соответствующий рецептор CCR2 в мозге взрослого грызуна. Кроме того, после фокальной ишемии у нокаутированных мышей, лишённых MCP-1 или CCR2, наблюдалось значительное снижение количества мигрирующих нейробластов из ипсилатеральной СВЗ в повреждённый стриатум. Механизм MCP-1/CCR2-зависимой миграции нейробластов в настоящее время до конца не выяснен [10].

Матриксные металлопротеиназы (MMPs) играют ключевую роль в деградации внеклеточного матрикса и миграции нейробластов, ассоциированной с экспрессией MMP-3 и MMP-9 в НСК экспериментальных животных. В клеточных культурах, состоящих из НСК СВЗ и ЭК головного мозга взрослой мыши, в условиях имитации микроокружения периинфарктной области показано, что секреция MMP-2 и MMP-9 способствует миграции нейробластов [4, 10, 25]. Более точное понимание роли MMPs в механизмах миграции нейробластов требует дальнейших исследований.

Обобщая результаты экспериментальных исследований, можно сказать, что у животных, подвергнутых церебральной ишемии, имеют место активация пролиферации НСК в СВЗ и коре поражённого полушария, направленная миграция нейробластов в зону ишемической полутени, где функционально «молчащие» нейроны являются потенциальным резервом постинсультного восстановления. Исследования аутопсийного материала пациентов с ишеми-ческим инсультом подтвердили повышение пролиферации прогениторных клеток в СВЗ и атипичную миграцию клеток в зону пенумбры [11].

Роль эндогенных факторов роста в регуляции нейрогенеза при инсульте

Все этапы нейрогенеза находятся под контролем сигнальных молекул. Механизмы эндогенного ответа после воздействия ишемии включают стабилизацию нейрональных транскрипционных факторов и усиление экспрессии ряда цитокинов и факторов роста. Эти факторы роста являются внеклеточными сигнальными молекулами, которые опосредуют изменения в апоптозе, воспалении, ангиогенезе, диф-ференцировке и пролиферации клеток.

В 2005 г. группа учёных из США показала, что при фокальной ишемии головного мозга в бассейне СМА у взрослых крыс в течение 1-го часа достоверно увеличивалась пролиферация клеток-предшественников. При этом 45% НСК, пролиферировавших в течение 1-й недели, доживали до 3-й недели, и 21% из них созрели в нейроны. Наряду с этим была зарегистрирована высокая церебральная экспрессия мРНК факторов роста: фактора роста фибро-бластов-2 (FGF-2) и инсулиноподобного фактора роста-1 (IGF-1) [26].

FGF-2 — это гепаринсвязывающий фактор роста, который участвует в ангиогенезе, нейрогенезе и нейропластично-сти. В экспериментах in vitro экзогенно вводимый FGF-2 оказывает митогенное и дифференцирующее действие на эмбриональные нейроны гиппокампа в культуре клеток, стимулирует пролиферацию кортикальных клеток-предшественников и регулирует генерацию нейронов и астро-цитов из НСК [27, 28]. Многочисленные исследования демонстрировали снижение пролиферации НСК в условиях ишемии у мышей с генетическим дефицитом эндогенного FGF-2 по сравнению с мышами дикого типа, а внутриже-лудочковая инъекция вирусом простого герпеса 1-го типа, несущего ген FGF-2, увеличивала количество пролифери-рующих НСК у постинсультных мышей. Трансплантация гена FGF-2 крысам усиливала функциональное восстановление после ишемии мозга, что подтверждает роль этого фактора в механизмах нейропластичности и репаративных процессах [29].

Согласно данным аутопсии, очаговая церебральная ишемия индуцирует экспрессию FGF-2 ЭК в мозге взрослого человека [20]. Белок ткани мозга был взят в течение 12 ч после смерти у 10 пациентов, которые выжили в течение 24-43 дней после ишемического инсульта, вызванного тромбозом или эмболией. Вестерн-блот-анализ показал повышенную экспрессию FGF-2 как в сером, так и в белом веществе в зоне ядра инфаркта и в зоне ишемической полутени по сравнению с нормальным контралатеральным полушарием на всех 10 препаратах. Методом иммуноперок-сидазного окрашивания парафиновых срезов обнаружили присутствие FGF-2 в нейронах, астроцитах, макрофагах и ЭК. Кроме того, уровень сывороточного FGF-2 был значительно повышен у пациентов между 1-м и 14-м днями инсульта по сравнению с лицами контрольной группы [15]. Имеющиеся данные позволяют предположить ангиогенное и нейропротекторное действие FGF-2 на нервную систему человека.

IGF-1 — плейотропный пептид, состоящий из 70 аминокислот, широко представленный в нейронах и клетках глии всех отделов головного мозга, отвечающий за разнообразные механизмы сигнальных путей нейронного выживания и нейропластичности на протяжении всей жизни человека [30, 31]. Результаты экспериментальных работ убедительно доказали, что IGF-1 способствует нейрогенезу и пролиферации НСК после инсульта, а также ангиогенезу и миели-низации в ЦНС. В экспериментах in vivo показано увеличение эндогенной экспрессии IGF-1 у крыс с окклюзией церебральных артерий и усиление пролиферации нейро-нальных и олигодендроцитарных клеток-предшественников в СВЗ [32]. Сообщалось также, что IGF-1 прямо влияет на пролиферацию взрослых гиппокампальных НСК in vitro. Постинсультные системные инъекции IGF-1 оказывали нейропротекторное действие и уменьшали размер очага некроза в ткани мозга на 34 и 38% у пожилых и взрослых крыс соответственно, способствуя улучшению сенсомоторных функций после инсульта [33].

IGF-1 является ключевым регулятором клеточной пролиферации и ингибитором клеточного апоптоза и некроза. В когорте пациентов с острым ишемическим инсультом сывороточные уровни IGF-1 оказались значительно ниже, чем у лиц без ОНМК. В связи с этим низкие уровни IGF-1 в сыворотке крови ассоциируют с риском возникновения инсульта [34]. Эндогенная экспрессия IGF-1 и его рецептора повышается у взрослых людей после церебральной ишемии. Низкие концентрации сывороточного IGF-1 у пациентов связаны с плохим прогнозом и высоким риском летального исхода инсульта. В настоящее время изучается регуляция IGF-1 посредством физических упражнений на моделях ишемии у животных, а также у пациентов без ОНМК [35-38].

Результаты экспериментальных работ, направленных на изучение нейротрофических и ангиогенных свойств IGF-1, оказались двоякими. С одной стороны, на фоне стерео-таксической инъекции аденоассоциированного вирусного вектора, содержащего ген IGF-1, мышам с фокальной ишемией головного мозга имело место увеличение плотности сосудистой сети в периинфарктной области на 8-й неделе инсульта, с другой — активация нейрогенеза на 7-й день инсульта. Поэтому вопрос о возможности усиления нейро-генеза в результате улучшения локальной сосудистой перфузии остаётся открытым [10, 39].

Мозговой нейротрофический фактор (BDNF) — протеин, имеющий самую высокую экспрессию в головном мозге из всех белков семейства нейротрофинов, секретируемый постсинаптической мембраной в ответ на возбуждение нейронов, свободно проникающий через гематоэнцефа-лический барьер и играющий решающую роль в нейроге-незе, нейропластичности и нейронном выживании. BDNF синтезируется в эндоплазматическом ретикулуме в качестве предшественника (proBDNF) и преобразуется в зрелую форму посредством протеолитических процессов с участием пропротеиновой конвертазы РС7. Связываясь с рецепторами тропомиозин-зависимой киназы В на клеточной поверхности, BDNF способствует выживанию и дифференцировке нейронов, участвует в регуляции феномена долговременной потенциации и синаптической пластичности [40]. При связывании с рецептором нейро-трофина р75 BDNF активирует каскад внутриклеточных сигнальных путей, ингибирующих аксональную регенерацию и приводящих к инициации апоптоза. BDNF может секретироваться нейронами как из аксонов, так и из ден-дритов в ответ на нейрональную активность [29, 41-45]. BDNF способствует пролиферации и дифференцировке клеток-предшественников олигодендроцитов и миелини-зации, биосинтезу простациклина в артериях мозга [46, 47].

Эндогенный BDNF является ключевым медиатором выживания и восстановления клеток в ЦНС после ишемического инсульта. Через 2 ч после ишемии-реперфузии у взрослых крыс уровни BDNF повышаются на 133—213% в поясной и лобной коре, а через 24 ч снижаются на 40% в стриатуме, что связано с нейрональным антероградным транспортом BDNF в ткань мозга. Показано, что астроциты, экспрес-сирующие тропомиозин-зависимую киназу В, связывают и секвестрируют BDNF, поступающий из сосудистого русла, чтобы стимулировать миграцию НСК из СВЗ в зону ишемии [29]. Ишемический инсульт индуцирует синтез BDNF и экспрессию его рецепторов. Эндотелиальная син-таза оксида азота (eNOS) снижает экспрессию BDNF после инсульта у экспериментальных мышей. Однако механизм регуляции экспрессии BDNF, опосредованной ЭК и нейронами, в большей степени не ясен.

Белок BDNF кодируется геном BDNF, расположенным на 11 хромосоме (11р13). Сигнализация BDNF зависит от экспрессии генов. Поэтому генетическая изменчивость может повлиять на восстановление после инсульта. Среди одно-нуклеотидных полиморфизмов гена BDNF клинически значимым считается п6265 SNP. Именно он влияет на пластичность мозга, связанную с движением, и представляет интерес для клинических исследований. В последние годы активно изучается связь между уровнем BDNF и риском развития инсульта, функциональным исходом и смертностью больных с ОНМК [48].

Факторы роста сосудов (VEGFs) — группа ангиогенных белков, участвующих в процессах артериогенеза, нейропро-текции, нейрогенезе, ангиогенезе, постишемической репарации мозга и сосудов. Увеличение экспрессии VEGF-A зарегистрировано в нейронах, астроцитах и макрофагах в течение нескольких дней/недель после окклюзии СМА у взрослых крыс. Сравнение транзиторной и постоянной церебральной окклюзии у крыс показало повышение уровня VEGF-A (в нейронах и ЭК), VEGFR-1 (в нейронах, ЭК и астроцитах) и VEGFR-2 (в ЭК и астроцитах) на 1—3-и сутки в ипсилатеральном полушарии мозга. Уровень VEGF-A

и его экспрессия в нейронах также повышались в течение первых 24 ч после окклюзии СМА в неонатальной модели перинатального гипоксически-ишемического повреждения у крыс [49]. Показана также повышенная экспрессия VEGF-A, VEGFR-1 и VEGFR-2 в нейронах гиппокампа и коры головного мозга в течение нескольких часов и дней после транзиторной глобальной церебральной ишемии у крыс [50]. VEGF-A способствовал выживанию нейронов при глюкозо-кислородной депривации, которая моделирует гипоксию/ишемию на клеточных культурах в экспериментах in vitro. Местное применение VEGF-A на кортикальной поверхности уменьшало объём инфаркта у крыс. Показано, что VEGF-A и VEGF-B усиливают нейрогенез не только в нормальной, но и в ишемизированной ткани мозга [49, 51-53].

В то же время эффекты VEGFs в ЦНС противоположны. С одной стороны, активация VEGFR-2 индуцирует внутриклеточные пути, связанные с нейропротекцией. Сигнальный путь VEGFR-2-PI3K-Akt был связан с выживаемостью нейронов и уменьшением размера ядра инфаркта у мышей, подвергнутых 90-минутной окклюзии СМА. С другой стороны, VEGFR-2-опосредованная сигнализация PI3K-Akt индуцирует проницаемость гематоэнцефалического барьера, а VEGFR-1 участвует в модуляции воспалительных реакций [54, 55].

Таким образом, ишемический инсульт потенцирует экспрессию факторов роста, которые способствуют регуляции всех этапов нейрогенеза, обеспечивая индукцию сопряжённых процессов.

Молекулярные мишени ангиогенеза при инфаркте головного мозга_

Коллатеральные сосуды представляют собой первую линию защиты от ишемии тканей, обеспечивая альтернативные пути доставки артериальной крови в зону инфаркта. Рост капилляров и кровеносных сосудов в пограничных с ишемией зонах наблюдался на животных моделях через 12-24 ч после инсульта и продолжался не менее 3 нед. Аутопсия тканей мозга человека обнаружила ангиогенез на границе ишемического очага. Установлено, что у пациентов ангиогенная активность возникает через 3-4 дня после инсульта, но как долго она сохраняется, полностью не изучено [10, 14, 49, 56, 57].

В процессе развития нейронные и сосудистые сети формируют сходные механизмы роста и созревания. В зрелом мозге отношения между нервными и сосудистыми клетками обеспечивают функциональное соответствие, поэтому изменения в нейронной активности связаны с изменениями мозгового кровотока — нейроваскулярная связь, подразумевающая сбалансированную секрецию сосудосуживающих и сосудорасширяющих молекул, в том числе оксида азота (NO) и простагландина Е2 [55].

Ангиогенез и вазодилатация регулируются посредством взаимодействия двух газов: NO, через активацию eNOS, и сероводорода через фермент, необходимый для его синтеза, — цистатионин^-лиазу [8]. Дизрегуляция активности eNOS приводит к патологическим состояниям, сосудистому старению, сосудистой деменции [58, 59]. eNOS конститутивно экспрессируется ЭК, кратковременно активируется увеличением внутриклеточного Ca2+ и лежит

в основе индуцированной агонистом (например, ацетил-холином) эндотелийзависимой вазодилатации. NO, высвобождаемый ЭК, вызывает релаксацию гладкомышечных клеток кровеносных сосудов, а частичная модуляция eNOS достаточна для индуцирования изменений церебрального кровотока. Ишемический инсульт, приводящий к острой потере регионарного кровотока в ткани головного мозга, быстро инициирует ремоделирование сосудов с помощью eNOS. У мышей с окклюзией СМА ингибиторы eNOS уменьшают церебральный кровоток и увеличивают объём инфаркта, тогда как внутриартериальное введение доноров NO приводит к противоположным эффектам [55]. Таким образом, очевидна нейропротекторная функция eNOS.

Коллатеральное сосудистое ремоделирование — процесс, который инициируется напряжением сдвига жидкости, а не гипоксией. Повышенное напряжение тока крови при механической артериальной окклюзии по коллатеральным сосудам запускает экспрессию белка ионного канала, который у человека кодируется геном TRPV4. Этот механочув-ствительный Са2+-канал в значительной мере индуцирует длину и диаметр коллатерального роста у крыс, подвергнутых двусторонней окклюзии общей сонной артерии [60, 61]. Динамика молекулярных факторов и коллатерального кровообращения пока не ясна. Недавнее исследование показало, что коллатеральные сосуды имеют различные фенотипы ЭК и гладкомышечных клеток кровеносных сосудов, что также потенцирует интерес учёных к изучению вопросов ангио- и артериогенеза [62].

Rho-ассоциированная протеинкиназа (ROCK) является еще одним ключевым регулятором функции эндотелия, участвует в клеточной адгезии, миграции и пролиферации, регулирует сократительную способность гладкомышечных клеток кровеносных сосудов. Изоформы ROCK1 и ROCK2 экспрессируются ЭК. ROCK2 в изобилии встречается в головном мозге и играет ключевую роль в эндотелиальном гомеостазе. Неселективное ингибирование ROCKs после церебральной окклюзии у мышей оказывает нейроваску-лярную защиту, значительно уменьшая ядро инфаркта и улучшая церебральный кровоток эндотелийзависимым образом. Интересно, что экспрессия и активность eNOS конститутивно усиливаются в ЭК мозга гетерозиготных мышей с нокаутом ROCK2, которые демонстрируют уменьшение объёма ишемии после окклюзии СМА. Таким образом, ROCK непосредственно ингибирует экспрессию eNOS, снижая стабильность мРНК eNOS [63]. Накопленные данные in vitro также демонстрируют, что повышенная экспрессия и активность ROCKs в ЭК обусловливают вызванную ишемией дисфункцию гематоэнцефалического барьера [55].

В зоне, граничащей с ядром ишемии, VEGFs индуцируют ангиогенез, необходимый для выживания резидентных и вновь генерируемых нейронов. VEGF и его рецепторы (VEGFR-1 и VEGFR-2) играют центральную роль в инициации ангиогенеза в ЦНС, стимулируя выживание, пролиферацию и миграцию ЭК. Повышенная экспрессия VEGF была обнаружена в течение первых 24 ч после окклюзии в периинфарктных тканях головного мозга крыс с ишемией СМА и сохранялась в течение нескольких дней. Через 48 и 72 ч ишемии было отмечено резкое увеличение пролиферирующих ЭК в пери-инфарктной зоне и на пиальной поверхности. Доказано, что экспрессия VEGF и мРНК его рецептора VEGFR2 возрастают после инсульта и обладают проангиогенным эффектом.

Повышение экспрессии VEGF-A — ключевого медиатора артериогенеза — в зоне пенумбры приводит к увеличению плотности микрососудов в этой области и предопределяет клинический исход инсульта. У пациентов с ишемическим инсультом пик концентрации сывороточного VEGF зарегистрирован на 7-й день ОНМК и сохранялся до 14 дней [49, 51, 52, 55]. Таким образом, церебральная ишемия является движущей силой ангиогенеза в остром периоде инсульта и опосредуется VEGF и его рецепторами. В настоящее время продолжаются клинические исследования, включающие измерение уровней VEGFs после инсульта. Сообщалось о стойком повышении VEGFs в плазме крови пациентов в течение 3 мес при всех подтипах инсульта. Выявлена корреляция между уровнем VEGFs в плазме крови, неврологическим и функциональным исходами в зависимости от подтипа ишемии [64]. Неблагоприятные эффекты эндогенной экспрессии VEGF-A в острый период инсульта связаны с активацией астроцитарной глии, нарушением эндотелиаль-ного барьера, развитием отёка мозга и риском геморрагии [34, 49, 55, 56, 65].

Взаимосвязь нейрогенеза и ангиогенеза

при ишемическом инсульте_

Основной структурой нейроваскулярного взаимодействия является нейроваскулярная единица (NVU), объединяющая ЭК, нейроны, перициты, астроциты и микроглию в регуляции функций головного мозга и контроле гомеостаза. Ремоделирование NVU быстро активируется после инсульта и происходит на молекулярном и клеточном уровнях. В течение нескольких минут после ишемического инсульта повышается экспрессия проангиогенных генов и секрети-руются факторы роста, способствующие как ангиогенезу, так и выживанию глиальных и нейрональных клеток в пе-риинфарктных тканях [55].

Связь между ангиогенезом и нейрогенезом заключается в том, что регуляция последнего зависит непосредственно от сосудистой системы головного мозга. Перициты и астро-цитарные концевые ножки неплотно огибают капилляры СВЗ, создавая тем самым неполный гематоэнцефаличе-ский барьер и позволяя диффундировать молекулам VEGFs и FGF-2, секретируемым ЭК. Взрослые НСК при этом экс-прессируют а-субъединицу a6ß1 интегринов рецепторов ламинина (VLA6), которая регулирует их связывание с ЭК [66]. Кроме того, нейрогенез и ангиогенез причинно связаны в постинсультной нейроваскулярной нише. Нейро-бласты мигрируют из СВЗ в зону ишемической полутени, где инициирован постинсультный ангиогенез. При этом мигрирующие нейробласты локализуются в кровеносных сосудах в зонах активного сосудистого прорастания и ремо-делирования на границе инфаркта. Таким образом, ангиогенез и сосудистая сеть важны для миграции нейробластов в периинфарктные ткани.

ЭК в зоне ишемической полутени выделяют молекулярные факторы, регулирующие биологическую активность НСК и миграцию нейробластов. Наряду с хемокинами, VEGF-A не только участвует в мобилизации циркулирующих проге-ниторных ЭК в ответ на ишемию, но и стимулирует нейрогенез. Поэтому справедливо считать взаимосвязь ангиогенеза и нейрогенеза VEGF-опосредованной. Известно, что НСК в экспериментальных моделях инсульта секретируют высокий уровень VEGF, который усиливает образование капиллярных трубок, но с введением антагониста VEGFR2

ангиогенез полностью прекращается. Наряду с этим нельзя исключать определённую роль других ангиогенных и ней-рогенных факторов [14].

Особый интерес в исследовании нейрорецепторных взаимодействий при церебральной ишемии представляют про-гениторные ЭК. Они участвуют в репарации повреждённых кровеносных сосудов и ангиогенезе как непосредственно (мобилизация прогениторных ЭК из костного мозга, взаимодействие с ЭК, экстравазация и миграция в зону ишемии, встраивание в сосудистую стенку), так и косвенно — через паракринную сигнализацию. Прогениторные ЭК высвобождают SDF-1, VEGF, IGF-1 и другие паракрин-ные проангиогенные факторы, которые способствуют не только пролиферации ЭК и снижают апоптоз, но и участвуют в регуляции рекрутирования НСК, процессах ре-моделирования и обладают нейропротекторными свойствами [56, 67].

Таким образом, данные последних исследований сложных структурных и молекулярных нейрососудистых взаимодействий подтверждают идею о том, что усиление постинсультного ангиогенеза может представлять собой ценную стратегию содействия функциональному восстановлению [68].

Выводы

Обобщая результаты, важно подчеркнуть сложность постинсультных изменений в головном мозге. Ангио- и нейро-

генез высококоординированы и взаимосвязаны для усиления восстановления после ишемического инсульта. Правильная межклеточная коммуникация в сосудистых нишах нейрогенеза имеет решающее значение для регенеративных механизмов во взрослом мозге. Тесные молекулярные взаимодействия между ЭК и НСК регулируют нейрогенез в развивающемся и взрослом мозге. ЭК секретируют факторы, модулирующие нейрогенез, а нейрональная активность контролирует ангиогенез и барьерные функции мозга. Регуляция этих процессов при церебральной ишемии связана с рядом сигнальных молекул и факторов роста, обеспечивающих пролиферацию НСК, их миграцию в периинфарктные ткани, дифферен-цировку и интеграцию, а также выживание в условиях окислительного стресса и нейровоспаления. Регуляция ангиогенеза в нейрогенной нише предопределяет поведение резидентных НСК. VEGF-A играет ключевую роль в стимулировании васкулогенеза в зоне инфаркта. BDNF является ключевым регулятором стволовых и прогени-торных клеток в СВЗ [69].

Глубинные взаимосвязи молекулярно-клеточных взаимодействий и их регуляций в настоящее время до конца не ясны. Новые молекулярные подходы в трансляционных исследованиях, включая использование моделей грызунов, которые более репрезентативны для человеческих инсультов, направлены на изучение сосудистой системы головного мозга в контексте поиска терапевтических мишеней [70, 71].

Список источников

1. Пирадов М.А., Максимова М.Ю., Танашян М.М. Инсульт: пошаговая инструкция. М.: ГЭОТАР-Медиа; 2019.

2. Wittchen H.U., Jacobi F., Rehm J. et al. The size and burden of mental disorders and other disorders of the brain in Europe 2010. Eur Neuropsychopharmacol. 2011;21(9):655-679. DOI: 10.1016/j.euroneuro.2011.07.018. PMID: 21896369.

3. Go A.S., Mozaffarian D., Roger V.L. et al. Heart disease and stroke statistics — 2013 Update: a report from the American Heart Association. Circulation. 2013;127(1):143-152. DOI: 10.1161/CIR.0b013e31828124ad. PMID: 23239837.

4. Wang B., Jin K. Current perspectives on the link between neuroinflammation and neurogenesis. Metab Brain Dis. 2015;30(2):355-365. DOI: 10.1007/s11011-014-9523-6. PMID: 24623361.

5. Nemirovich-Danchenko N.M., Khodanovich M.Yu. New neurons in the post-ischemic and injured brain: migrating or resident? Front Neurosci. 2019;13:588. DOI: 10.3389/fnins.2019.005887. PMID: 31275097.

6. Mizrak D., Levitin H.M., Delgado A.C. et al. Single-cell analysis of regional differences in adult СВЗ neural stem cell lineages. Cell Rep. 2019;26(2):394-406. e5. DOI: 10.1016/j.celrep.2018.12.044. PMID: 30625322.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

7. Jin K., Wang X., Xie L. et al. Evidence for stroke-induced neurogenesis in the human brain. Proc Natl Acad Sci USA. 2006;103(35):13198-13202. DOI: 10.1073/pnas.0603512103. PMID: 16924107.

8. Thored P., Arvidsson A., Cacci E. et al. Persistent production of neurons from adult brain stem cells during recovery after stroke. Stem Cells. 2006;24(3):739-747. DOI: 10.1634/stemcells.2005-0281. PMID: 16210404.

9. Carmeliet P., Jain R.K. Molecular mechanisms and clinical applications of angiogenesis. Nature. 2011;473(7347):298-307. DOI: 10.1038/nature10144. PMID: 21593862.

10. Ruan L., Wang B., ZhuGe Q., Jin K. Coupling of neurogenesis and angiogenesis after ischemic stroke. Brain Res. 2015;1623:166-173. DOI: 10.1016/j. brainres.2015.02.042. PMID: 25736182.

11. Гомазков О.А. Нейрогенез как адаптивная функция мозга. M.: Икар; 2013.

12. Tang H., Wang Y., Xie L. et al. Effect of neural precursor proliferation level on neurogenesis in rat brain during aging and after focal ischemia. Neurobiol Aging. 2009;30(2):299-308. DOI: 10.1016/j.neurobiolaging.2007.06.004. PMID: 17644223.

13. Zhang R.L., Zhang Z.G., Lu M. et al. Reduction of the cell cycle length by decreasing G1 phase and cell cycle reentry expand neuronal progenitor cells in the subventricular zone of adult rat after stroke. J Cereb Blood Flow Metab. 2006;26(6):857-863. DOI: 10.1038/sj.jcbfm.9600237. PMID: 16251885.

References

1. Piradov M.A., Maksimova M.Yu., Tanashyan M.M. Stroke: step by step instructions. Moscow: GEOTAR-Media; 2019. (In Russ.)