CC BY
54БИОЛОГИЯ
УДК 577.151
Механизмы повреждения головного мозга при ишемии (обзор) 3. Ф. Кадималиева, М. ТМохаммед, Н.К Кличханов
Отмеченный в последние годы рост распространенности сосудистых заболеваний обусловил увеличение частоты развития церебрального инсульта. К этой группе патологии отнесены ишемические инсульты (инфаркты мозга, примерно 80 %), первичное внутричерепное кровоизлияние (примерно 15 %) и субарахноидальные кровоизлияния (примерно 5 %) [1]. Ишемический инсульт (инфаркт мозга) - одна из наиболее тяжелых форм сосудистых поражений мозга, занимающая в России второе место в структуре общей смертности, и первое место - как причина стойкой утраты трудоспособности [2]. Ежегодно в России переносят инсульт более 450 -500 тыс. чел. [3]. Высокая заболеваемость, частые неблагоприятные исходы, в том числе летальные, высокий процент инвалидизации трудоспособного населения - все это позволяет считать инсульт проблемой медицинской и социальной значимости, и поэтому изучение биологических и медицинских аспектов проблемы ишемии мозга постоянно остается в центре внимания исследователей.
Экспериментальные модели ишемии головного мозга. Изучение различных форм ишемического повреждения головного мозга основывается на применении экспериментальных моделей на животных, наиболее близко воспроизводящих клинические аналоги этой формы патологии [4, 5].
Различают две категории моделей церебральной ишемии: модели глобальной и локальной ишемии [5]. В эксперименте глобальную ишемию моделируют путем окклюзии сонных артерий, снабжающих передний мозг, чаще в сочетании с гипотензией (от 5 до 30 мин.) и последующей рециркуляцией [6]. Тремя наиболее часто используемыми моделями глобальной ишемии являются 4-сосудистая окклюзия и 2-сосудистая окклюзия в комбинации с гипотонией у крыс, и 2-сосудистая окклюзия у песчанок и у трансгенных мышей [7, 8].
Этот тип ишемии вызывает гибель нейронов преимущественно «избирательно уязвимых» регионов мозга.
Моделирование фокальной ишемии сводится к прекращению кровотока в определенном сосуде мозга, т. е. его окклюзии. Независимо от способа создания острая артериальная окклюзия приводит к резкому снижению объема мозгового кровотока, причем, если мозговой кровоток ниже 10 мл/100 г ткани в минуту, развивается церебральный инфаркт с гибелью всех элементов ткани мозга [9].
В настоящее время предпочтение при выборе экспериментального метода отдается моделям фокальной ишемии, воспроизводящим очаги локального повреждения [10]. Основное требование, предъявляемое к моделям фокальной ишемии, состоит в создании воспроизводимого из опыта в опыт постоянного по локализации и объему ишемического очага, что необходимо для количественной оценки степени повреждения мозга и эффективности использования фармакологических препаратов. Этому требованию отвечает неинвазивный, позволяющий выбрать нужную локализацию, метод фотостимулируемого тромбоза сосудов коры головного мозга [11], наиболее адекватно воспроизводящий картину клинического ишемического инсульта.
Два важных признака отличают очаговую ишемию от глобальной: первый - при очаговой ишемии кровоток всегда выше, второй - имеется значительная разница в состоянии вещества мозга в центре ишемии и в самом отдаленном от нее участке, что сопровождается различным метаболизмом мозга [12].
Патогенетические механизмы ишемии. Причиной острой ишемии является снижение мозгового кровотока. При снижении уровня кровотока до 55 мл на 100 г в 1 мин. (первый критический уровень) возникает первая реакция в виде торможения белкового синтеза, при снижении до 35 мл на 100 г в 1 мин. (второй критический уровень) сопровождается активацией анаэробного гликолиза. Нарастающая ишемия (снижение кровотока до 20 мл на 100 г в 1 мин. - третий критический уровень) оно приводит к формированию энергетической недостаточности и как следствие к дисфункции каналов активного ионного транспорта, дестабилизации клеточных мембран и избыточному выбросу нейротрансмиттеров. Аноксическая деполяризация мембран и смерть клеток происходят при достижении уровня мозгового кровотока 10 - 15 мл на 100 г в 1 мин. [13].
Развитие энергетического дефицита и лактат-ацидоза запускает пато-биохимические реакции, которые протекают во всех основных клеточных пулах ЦНС и вызывают нейрональную дисфункцию, астроцитоз, микрогли-альную активацию, а также сочетанную с ним дисфункцию трофических факторов [14]. Исходом данных изменений является формирование инфаркта мозга, происходящее по двум основным механизмам: некротической смерти нейрона и апоптоза, или программированной смерти.
Метаболизм кислорода в наибольшей мере страдает в центральной зоне ишемии и в меньшей - в демаркационной зоне. Область мозга с наиболее выраженным снижением кровотока (менее 10 мл на 100 г в 1 мин.) становится необратимо поврежденной очень быстро - в течение 6-8 мин. с момента развития острого нарушения мозгового кровотока («сердце», или «ядерная» зона, инфаркта). В течение нескольких часов центральный «точечный» инфаркт окружен ишемизированной, но живой тканью (со снижением мозгового кровотока до 20 мл на 100 г в 1 мин.) - так называемой зо-
ной «ишемической полутени», или пенумбры (penumbra). В области пенум-бры в целом сохранен энергетический метаболизм, и имеются лишь функциональные, но не структурные изменения.
Формирование 50 % от окончательного объема инфаркта происходит в течение первых 90 мин. с момента развития инсульта, 70 - 80 % - в течение 360 мин., в связи с чем первые 3 - 6 ч заболевания получили название «терапевтического окна», внутри которого лечебные мероприятия могут быть наиболее эффективными за счет спасения зоны пенумбры. Однако «дофор-мирование» инфаркта продолжается 48 - 72 ч с момента развития инсульта, а возможно, и дольше (с учетом влияний сохраняющегося отека мозга и других отдаленных последствий ишемии) [15, 16].
Особенностью метаболизма мозга является интенсивный окислительный обмен. В нормальных условиях мозг взрослого человека потребляет 3 - 4 мл Ог/мин. на 100 г массы ткани (до 20 % всего поступающего в организм кислорода) [17]. Уменьшение этого показателя до 1, 5 мл и ниже ведет к значительным нарушениям метаболизма нервных клеток. Основным энергетическим субстратом мозга является глюкоза. При ишемии количество глюкозы, поступающей в мозг, оказывается избыточным для окислительного метаболизма, протекающего в условиях дефицита кислорода. Развивающийся дисбаланс приводит к переходу тканей мозга на анаэробный метаболизм, следствием чего становится накопление лактата на конечных стадиях гликолиза. Прогрессирующий ацидоз вызывает повреждения тканей мозга [14, 18].
В основе развития очагового некроза на фоне ишемии мозга лежит деятельность глутамат-кальциевого каскада [15, 18, 19]. В этом процессе выделяют три основных этапа: 1) индукция (запуск), 2) амплификация (усиление) и 3) экспрессия (конечные реакции каскада, непосредственно приводящие к гибели клетки).
Дефицит макроэргических субстратов в мозге приводит к «обесточива-нию» №+-К+-АТФ-азной ферментной системы, которая управляет энергозависимым ионным транспортом [15, 18]. Нарушение активного ионного транспорта обуславливает пассивный отток К+ из клеток, приток Са2+, что приводит к деполяризации клеточных мембран. Важным путем поступления кальция в клетку являются агонистзависимые кальциевые каналы, особенно те, которые контролируются рецепторами, активирующимися возбуждающими аминоацидэргическими медиаторами - глутаматом и аспартатом [15].
Глутамат-кальциевый каскад приводится в действие избыточным высвобождением возбуждающих нейромедиаторов (глутамата и аспартата) из окончаний ишемизированных нейронов в межклеточное пространство [20, 21]. Выброс нейротрансмиттерных аминокислот наблюдается в течение 10-30 мин. с момента острой фокальной ишемии вследствие нарушений активного ионного транспорта и деполяризации пресинаптических мембран; их концентрации возвращаются к исходным через 30 - 40 мин. после восста-
новления кровотока. Глутатион - потенциальный резерв нейротоксичных аминокислот глутамата и цистеина, которые в высоких концентрациях участвуют в повреждении нейронов при ишемии головного мозга [22]. Существенное влияние на экстрацеллюлярные уровни аспартата и глутамата при острой мозговой ишемии, помимо величины и локализации ишемического очага, оказывают внеклеточные концентрации ионов К+, Иа+, величина рН внеклеточной среды и температура [21].
Мозг обладает высокой чувствительностью к окислительному стрессу, что обусловлено его биохимическими, физиологическими и анатомическими особенностями [23]. Метаболические процессы в мозговой ткани отличаются высокой степенью зависимости от насыщения кислорода. Мозг использует для этих целей 1/5 часть поступающего в организм кислорода и обладаег высокой скоростью процессов аэробного окисления [17]. Мембраны нервных тканей головного мозга содержат высокие концентрации полиненасыщенных жирных кислот [24]. Мозговая ткань богата ионами металлов переменной валентности, в частности железом [25]. Для мозговой ткани характерна высокая скорость метаболизма биогенных аминов, что сопряжено с генерацией АФК. В частности, моноаминоксидазная реакция сопряжена с образованием Н202 [26]. Продукция АФК может быть связана с метаболизмом медиатора дофамина и его аутоокислением [27]. В условиях окислительного стресса это может являться дополнительным источником генерации реакционно-способных радикальных продуктов, которые в присутствии металлов переменной валентности могут инициировать ПОЛ. В мозговой ткани микроглия функционирует подобно макрофагам, генерируя супероксидный анион-радикал, что имеет большое значение для ЦНС, особенно в условиях инфекционного поражения [28]. Для мозговой ткани характерна низкая активность отдельных компонентов ферментов АОС, в частности каталазы, которая локализована в микропероксисомах нейронов, и глутатионпероксидазы [23].
При ишемии основным источником АФК являются митохондрии. Нарушение системы дыхательных ферментов приводит к накоплению субстратов, коферментов, флавин- и гемсодержащих соединений в восстановленном состоянии, повышается восстановительный потенциал тканей [29]. В этих условиях за счет избытка донаторов электронов и протонов может происходить утечка единичных электронов,_ сопряженная с одноэлектрон-ным восстановлением 02 и образованием 02 *.
При ишемии нарушается синтез АТФ, наблюдается частичная деполяри-
2+
зация мембран и перераспределение в тканях ионов Са , что приводит к повышению их уровня в циггозоле [29, 30]. Кальций активирует протеазы, которые превращают ксантиндегидрогеназу в ксантиноксидазу. В период ишемии усиленное потребление АТФ ведет к аккумуляции продуктов катаболизма пуринов гипоксантина и ксантина, которые в период реперфузии и притока кислорода метабол изируются ксантиноксидазой с образованием большого коли-
чества супероксидного аниона-радикала и перекиси водорода [21].
Избыточное внутриклеточное накопление ионов Са2+ запускает каскадный механизм ферментативных реакций, приводящих к катаболическому повреждению нейрона [30]. Особенно разрушителен распад фосфолипи-дов в наружной клеточной мембране и в мембранах внутриклеточных орга-нелл. Одним из продуктов деградации фосфолипидов является арахидоно-вая кислота, метаболизм которой значительно интенсифицирует процессы свободнорадикального окисления и перекисного окисления липидов [15].
На более поздних стадиях ишемического поражения наблюдается приток в ткань нейтрофилов и других фагоцитирующих клеток, продуцирующих активные формы кислорода, которые можно считать важными источниками образования активных метаболитов кислорода при гипоксии. В условиях ишемии, вызванной 24-часовой двусторонней окклюзией общих сонных артерий у крыс, наблюдали активацию дыхательного взрыва лейкоцитов [18, 31],
В заключение следует отметить, что моделирование функциональных расстройств при ишемическом повреждении коры головного мозга разной локализации и выяснение механизмов повреждающего действия ишемии являются необходимыми условиями для разработки и оценки эффективности новых лекарственных препаратов.
Литература
1. Трогиин В.Д., Густое А.В. Острые нарушения мозгового кровообращения. - М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2006. - 432 с.
2. Верещагин КВ., Варакин Ю.Я. Регистры инсульта в России: результаты и методологические аспекты проблемы // Ж-л неврологии и психиатрии. 2001. № 1.-С. 34-40.
3. Гусев Е.И., Скворцова В.И, Ишемия головного мозга. - М: Медицина. 2001.-328 с.
4. Фишер М, Шебитц В. Обзор подходов к терапии острого инсульта: прошлое, настоящее и будущее // Ж-л неврологии и психиатрии. 2001. № 1. -С.21 - 33.
5. Lipton P. Ischemic cell Death in the brain neurons // Phisiol. Rew. 1999. V. 79. № 4. - P. 1431 - 1568.
6. Rosemary L. Experimental neuronal protection in cerebral ischemia 11 J. Clin. Neurosci. 1997. V. 5. - P. 290 - 302.
7. Strijbos P.J., Leach M.J., Garthwaite J. Vicious cycle involving Na channels, glutamate release and NMDA receptors mediates delayed neurodegeneration through nitric oxide formation // J. Neurosci. 1996. 16. - P. 5004 - 5013.
8. Kitagawa K., Matsumoto M., Yang G.M. Cerebral ischemia after bilateral carotid artery occlusion and intraluminal suture in mice: evaluation of the patence of posterior communicating artery // J. Cereb. Blood Flow Metab. 1998. 18. -P. 570-579.
9. Nedergaard М. Mechanisms of brain damage in focal cerebral ischemia // Acta Neurol. Scand. 1988. V. 77.-P. 81 - 101.
10. Романова Г.А., Шакова Ф.М. Дизрегуляция когнитивных функций при локальной ишемии префронтальной коры головного мозга крыс // Нейро-науки. 2006. Т. 3, № 5. - С. 10 - 16.
11. Green A.R., Odergren Т., Ashwood Т. Animal models of stroke: do they have value for discovering neuroprotective agents? 11 TRENDS Pharmacol. Sci. 2003. V. 24, № 8. - P. 402-408.
12. Wahlgren N.G. Cytoprotective therapy for acute stroke // M. Fisher (Ed.) Stroke Therapy. Boston: Butterworth and Heinemann, 1995. — P. 315 — 350,
13. Lopez-Hernandez E.f Solis H. Cerebral ischemia: some secondary alterations and animal models // Arch Neurocien (Мех). 2005. Vol. 10. № 3. - P. 160 - 167.
14. Чеснокова Н.П., Понукалина E.B., Бизснкова М.Я. Молекулярно-клеточные механизмы цитотоксического действия гипоксии. Патогенез гипоксического некробиоза // Совр. наукоемк. технол. 2007. № 7. - С. 31 - 38.
15. Гусев Е.К, Скворцова В.И., Коваленко А,В., Соколов М.А. Механизмы повреждения ткани мозга на фоне острой фокальной ишемии мозга // Ж-л невропатологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 1999. Т. 99, № 2. - С. 65 -70.
16. Скворцова В.И. Реперфузионная терапия ишемического инсульта // CONSILIUM medicum. 2004. Т. 6, № 8.
17. Ames I. A. CNS energy metabolism as related to function 11 Brain Research Rev. 2000. V. 34. - P. 42-68.
18. Стволинский С.Л., Доброта Д. Противоишемическая активность карно-зина // Биохимия. 2000. Т. 65. Вып. 7. - С. 998 - 1005.
19. Болдырев А.А. Дискриминация между апоптозом и некрозом нейронов под влиянием окислительного стресса // Биохимия. 2000. Т. 65. Вып. 7. -С. 981 -990.
20Аврова КФ. и др. Предотвращение антиоксидантами нарушений обмена ионов кальция при действии глутамата на синаптосомы коры мозга крыс // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 1999. Т. 85, № 4. -С. 488-496.
21. Perlman J.M. Summary proceedings from the neurology group on hypoxic-ischemic encephalopathy // Pediatrics. 2006. V. 117, № 3. - P. 528 - 533.
22. Колесниченко Л.С,, Кулинский В.И., Сотникова Г.В., Ковтун В,Ю. Влияние направленного изменения концентрации глутатиона на температуру тела и толерантность к ишемии головного мозга // Биохимия. 2003. Т. 68. Вып. 5.-С. 656-663.
23. Halliwell В. Oxidative stress and neurodegeneration: where are we now? 11 J. Neurochem. 2006. V. 97. - P. 1634 - 1658.
24. Kpenc EM. Липиды клеточных мембран. Эволюция липидов мозга. Адаптационная функция липидов. - Л.: Наука, 1981. - 339 с.
25. Болдырев А.А. Роль активных форм кислорода в жизнедеятельности
нейрона // Успехи физиол. наук. 2003. Т. 34, № 3. - С. 21 - 34.
26. Gal S., Zheng И., Fridkin М., Odim М.В. Novel multifunctional neuroprotective iron chelator-monoamine oxidase inhibitor drugs for neurodegenerative diseases. In vitro selective brain monoamine oxidase inhibition and prevention of MPTP-induced striatal dopamine depletion I I J. Neurochem. 2005. V. 95. - P. 79 - 88.
27. Spencer J.P. et all. Conjugates of catecholamines with cysteine and GSH in Parkinson's disease: possible mechanisms of formation involving reactive oxygen species // J. Neurochem. 1998. V. 71. - P. 2112 - 2122.
28. Duncan A.J., Heales S.J. Nitric oxide and neurological disorders // Mol. Aspects Med. 2005. V. 26. - P. 67 - 97.
29. Fiskum G et all. Protection against ischemic brain injury by inhibition of mitochondrial oxidative stress // J. Bioener. Boniembr. 2004. V. 36, № 4, - P. 347 - 352.
30. Warner D.S., Sheng H., Batinic-Haberle L Oxidants, antioxidants and the ischemic brain // J. Experim. Biol. 2004. V, 207. - P. 3221 - 3231.
31. Федорова Т.Н., Болдырев A.A., Ганнушкина KB. Перекисное окисление липидов при экспериментальной ишемии мозга // Биохимия. 1999. Т. 64. Вып. 1.-С. 94-98.
