Kontakt:{0}}

Cistanche môže pomôcť s neuroprotekciou

Sara Marmolejo-Martinez-Artesero 1 , Caty Casas 1,† a David Romeo-Guitart1,2,*

1 Oddelenie bunkovej biológie, fyziológie a imunológie, Institut de Neurosciences (INc),

Universitat Autonoma de Barcelona (UAB), Bellaterra, 08193 Barcelona, ​​Španielsko; Sara.Marmolejo@uab.cat

2 Laboratórium „Hormonálna regulácia vývoja a funkcií mozgu“ – tím 8, Institut Necker Enfants-Malades (INEM), INSERM U1151, Université Paris Descartes, Sorbonne Paris Cité,

75015 Paríž, Francúzsko

* Korešpondencia: david.romeo-guitart@inserm.fr; Tel.: plus 33-01-40-61-53-57 † Zomrel 29. júna 2020.

Abstraktné: Postmitotické bunky, podobne ako neuróny, musia prežiť celý život. Z tohto dôvodu sa organizmy/bunky vyvinuli so samoopravnými mechanizmami, ktoré im umožňujú dlhý život. Priebeh objavovania neuroprotektorov sa v posledných rokoch zameral na blokovanie patofyziologických mechanizmov, ktoré vedú k strate neurónov pri neurodegenerácii. Bohužiaľ, len niekoľko stratégií z týchto štúdií dokázalo spomaliť alebo zabrániť neurodegenerácii. Existujú presvedčivé dôkazy, ktoré dokazujú, že podpora samoliečebných mechanizmov, ktoré majú organizmy/bunky endogénne, bežne označované ako bunková odolnosť, môže vyzbrojiť neuróny a podporiť ich samoliečenie. Hoci vylepšeniu týchto mechanizmov sa zatiaľ nevenovala dostatočná pozornosť, tieto cesty otvárajú nové terapeutické cesty na zabránenie smrti neurónov a zlepšenie neurodegenerácie. Tu zdôrazňujeme hlavné endogénne mechanizmy ochrany a opisujeme ich úlohu pri podpore prežívania neurónov počas neurodegenerácie.

Kľúčové slová: autofágia; bunková odolnosť; endogénne mechanizmy; neuroprotekcia; prežitie neurónov; rozložená proteínová odpoveď

1. Neurodegeneratívne procesy

S rastúcou priemernou dĺžkou života vo vyspelých krajinách sa pravdepodobne zvýši frekvencia neurodegeneratívnych ochorení, ako je Alzheimerova choroba (AD), Parkinsonova choroba (PD) alebo Huntingtonova choroba (HD), alebo pokles výkonnosti nášho nervového systému súvisiaci s vekom. Hoci existuje niekoľko línií dôkazov, ktoré naznačujú, že tieto patológie majú neurónové, astrogliálne a mikrogliálne zložky, pokles denných funkcií je spôsobený progresívnou stratou neurónov. Neuróny sú vďaka svojmu nízkemu obratu postmitotické bunky, ktoré musia žiť po celý život. Z tohto dôvodu potrebujú silnú vnútornú ochrannú mašinériu, aby sa vyrovnali s vonkajšími a vnútornými urážkami, čo spôsobí ich zánik. Tieto vonkajšie/vnútorné riziká sú traumatické poranenia alebo excitotoxické zlúčeniny, reaktívne formy kyslíka (ROS), proteínové agregáty a iné toxické molekuly. Našťastie bunky majú vnútorný mechanizmus, ktorý blokuje smrť aktiváciou mechanizmov odolnosti alebo podporou regeneračných ciest. Zatiaľ čo mladé neuróny majú správne fungovanie týchto samoliečiacich ochranných mechanizmov, starnutie ich narúša a necháva neuróny bez ochrany. V rovnakom smere bola dysfunkčnosť týchto samoliečiacich mechanizmov opísaná aj pri neurodegeneratívnych ochoreniach.

Počas posledných desaťročí bolo vynaložené obrovské úsilie na získanie nových a účinných neuroprotektívnych terapií. Majú sa však zamerať na patofyziologické mechanizmy, čo sa nakoniec zmení na urýchlenie zániku neurónov. Prečo teda nezosilniť mechanizmy, ktoré neuróny prirodzene majú, aby získali účinný neuroprotektívny prístup?

Táto ochranná sieť je poháňaná presluchom rôznych bunkových procesov (t. j. rozložená proteínová odpoveď (UPR), autofágia atď.), ale zbiehajú sa do rovnakého procesu: umožňujú bunke prispôsobiť sa stresu a prežiť [1–3] . Nedávno sme zvažovali nový dôvod na objavenie neuroprotektantov: rozlúštiť, aké molekulárne mechanizmy zapájajú neuróny po dvoch rôznych nervových poraneniach s opačnými fenotypmi, prežitím alebo smrťou, ktoré zdieľajú podobnosti so zdravím a neurodegeneráciou/starnutím. Na tento účel sme použili dva modely poranenia periférnych nervov založené na in vivo, ktoré napodobňujú funkčnosť alebo dysfunkčnosť endogénnych mechanizmov ochrany. Vyvolávajú buď smrť motoneurónu (MN) (avulzia koreňa (RA)) alebo prežitie (distálna axotómia (DA)), v závislosti od vzdialenosti soma-poranenie [2]. Pomocou týchto modelov a pomocou prístupu založeného na systémovej biológii sme potvrdili, že smrť MN po RA zdieľa podobnosti so stratou neurónov pozorovanou pri neurodegeneratívnych ochoreniach, a tiež sme opísali, ktoré mechanizmy používajú MN na prežitie po poranení nervov. [2]. Degeneratívnymi procesmi sú apoptóza, nekróza, anoikis, stres endoplazmatického retikula (ER), nukleárny stres, cytoskeletálne preskupenia a mitochondriálna dysfunkcia, pričom hnacou silou prežitia sú: správna UPR, reakcia na tepelný šok, autofagická dráha, ubikvitín- proteazómový systém, chaperónové systémy, degradačný mechanizmus spojený s ER a antioxidačná obrana (tabuľka 1). Je zaujímavé, že všetky tieto mechanizmy boli pred rokmi samostatne opísané a označované ako zranenia pred kondicionovaním (pozri nižšie).

Tabuľka 1. Súhrn proteínov zahrnutých v každom endogénnom mechanizmeneuroprotekciavrátane molekulárneho mechanizmu, ktorým sú sprostredkované ich účinky.

Ukázali sme, že posilnenie týchto endogénnych mechanizmov neuroprotekcie prostredníctvom farmakologickej liečby umožňuje MN prežiť v rôznych scenároch smrti, od rôznych druhov až po rôzne štádiá vývoja [23,54,55].

2. Prvý dôkaz endogénnych mechanizmov: predkondicionovanie

Fenotypové účinky endogénnych mechanizmov ochrany boli opísané pred 40 rokmi. V roku 1986. Murry a kol. opísali, že subletálny fyziologický stres, tiež známy ako predkondicionačné poškodenie, zvyšuje regeneráciu tkaniva v srdci [56]. Odtiaľ boli tieto liečebné mechanizmy pozorované aj v mozgu a mieche (SC) [57]. Napríklad tieto bunkové odpovede sa pozorujú po poranení nervov alebo počas regenerácie srdca, kde produkcia ROS alebo extracelulárnych vezikúl riadi funkčné zotavenie [58–60]. Prekvapivo, predkondicionovanie špecifického orgánu poskytuje ostatným ochranu pred zranením [61]. Za tieto efekty je zodpovedných niekoľko špecifických efektorov. Po zranení pred kondicionovaním aktivuje produkcia rôznych mediátorov (oxid dusnatý alebo ROS) signálne dráhy fosfatidylinozitol 3-kinázu (PI3K)/proteínkinázu B (AKT), proteínkinázu C (PKC) a ďalšie signálne dráhy, ktoré bude modulovať transkripčné faktory, ako je hypoxiou indukovateľný faktor 1-alfa (Hif1-) alebo NF-kB. Výsledkom bude produkcia syntáz oxidu dusnatého (iNOS), proteínov tepelného šoku (HSP) a cyklooxygenázy-2 (COX{16}}), ktoré sa označujú ako „koncové efektory“ a podporia ochranný účinok v tkanive proti budúcim inzultom [61]. Spoločne tieto štúdie naznačujú, že organizmy/bunky majú endogénne ochranné mechanizmy a ich posilnenie môže byť účinnou terapeutickou stratégiou.

3. Endogénne mechanizmy neuroprotekcie

3.1. Jemné ladenie autofágie

Neuróny vyžadujú nepretržitú recykláciu vnútrobunkových materiálov na udržanie homeostázy. Makro-autofágia, ďalej označovaná ako autofágia, je vysoko koordinovaná molekulárna sieť v eukaryotických bunkách, ktorá sa snaží recyklovať cytoplazmatický obsah prostredníctvom lyzozomálnej degradácie. Aj keď sa tento mechanizmus degradácie spočiatku pozoroval iba pri hladovaní, nedávne štúdie ukázali, že bunky majú základnú úroveň autofágie na reguláciu homeostázy proteínov. Tieto bazálne hladiny sú nevyhnutné pre udržanie axónov a prežitie neurónov za normálnych podmienok [62,63]. Funkčný autofagický tok je proces vysoko koordinovaný rôznymi génmi súvisiacimi s autofágiou (ATG), kinázami a inými regulačnými proteínmi. Všetci spolupracujú na riadení správnej iniciácie, nukleácie, predĺženia, uzavretia a fúzie autofagozómov s lyzozómami, aby sa degradovala cytosolická záťaž [64]. Počas starnutia sa v hipokampe pozoruje znížený tok autofágie, zatiaľ čo obnovenie jeho hladín uľahčuje vytváranie nových spomienok [65]. Poškodená alebo dysfunkčná autofágia v neurónoch je spojená s neurodegeneráciou, zatiaľ čo aktivácia autofágie produkujeneuroprotekcia[5,54]. Zmeny v proteínoch súvisiace s počiatočnou a elongačnou fázou boli pozorované pri amyotrofickej laterálnej skleróze (ALS) [66,67] a induktory autofágie, ako je rapamycín, pôsobianeuroprotekciapo cerebrálnej ischémii, traumatickom poranení mozgu (TBI) a AD [68–70]. Neurónovo špecifický knockout (KO) ATG5 alebo ATG7 spôsobuje neurodegeneráciu, akumuláciu cytoplazmatických inklúznych teliesok a smrť neurónov [62,71], zatiaľ čo ich nadmerná expresia je prospešná v modeli PD [4]. Nakoniec, p62, ktorý riadi náboj v autofagozóme a hrá kľúčovú úlohu v neskorých štádiách tvorby autofagozómov, je neuroprotektívny v modeloch múch charakterizovaných proteínovými agregátmi, čo je charakteristickým znakom neurodegeneratívnych ochorení [6].

Niekoľko štúdií ukázalo akumuláciu autofagozómov a autolyzozómov počas neurodegenerácie, čo naznačuje, že autofágia je nadmerne aktivovaná a môže vyvolať smrť neurónov. Aberantná akumulácia autofagických procesov v cytoplazme môže byť spôsobená skôr lyzozomálnou dysfunkciou ako nadmerne aktivovanou autofágiou [72]. Autofágia je správne iniciovaná po TBI, ale autofagozómy nie sú eliminované v dôsledku lyzozomálnej dysfunkcie, čo vedie k nevyriešenej autofágii, ktorá podporuje smrť neurónov [73]. Tieto nefunkčné lyzozomálne dráhy sú tiež viditeľné po poranení miechy (SCI), čo bráni funkčnej obnove [74]. Podobné blokovanie klírensu autofagozómov je opísané aj pri neurodegeneratívnych ochoreniach (tj ľudských mozgoch AD) [75]. Integrácia všetkých týchto dôkazov naznačuje, že zlepšenie rozlíšenia autofágie môže poskytnúť ochranu. Platt nedávno zdôraznil terapeutickú cestu zlepšenia funkcie lyzozomálnych proteínov na prevenciu neurodegenerácie [76]. Nadmerná expresia transkripčného faktora EB (TFEB), ktorý moduluje transkripčnú sieť nevyhnutnú pre biogenézu a funkciu lyzozómov, podporuje neuroprotektívne účinky na potkanom modeli PD [7] a na modeli myší s AD [8].

Vyvolanie autofágie nie je také dobré, ako by sme chceli. Hoci ide o kanonický ochranný mechanizmus, jeho mechanizmus alebo nadmerná aktivácia môže uľahčiť bunkovú smrť [77,78]. Inhibícia autofágie po expozícii ľudským priónom znižuje poškodenie neurónov, čo naznačuje, že indukcia autofágie tiež riadi smrť [79] a znížená iniciácia autofágie podporuje funkčné zotavenie po hemisekcii SC, zabraňuje apoptóze a znižuje pyramídovú smrť po ischémii u novorodencov. a dospelých myší [80–82]. Ak sa zameriame na axotomizované neuróny, blokujúca autofágia je neuroprotektívna pre rubrospinálne [80], zatiaľ čo zvýšenie hladiny ATG5 chráni miechové MN [5]. Pridaním kontroverzie rakovinové bunky liečené chemoterapiou aktivujú autofágiu, aby prekonali apoptotickú smrť vyvolanú liečbou, zatiaľ čo autofágia závislá od MN inhibuje apoptózu [54]. Okrem toho ATG tiež spúšťajú smrť neurónov. ATG5 pri štiepení stráca svoje pro-autofagické schopnosti, čím sa jeho aktivita posúva smerom k indukcii bunkovej smrti [83–85]. Beclin1 má za normálnych podmienok antiapoptotické účinky, ale jeho štiepenie na C-konci senzibilizuje bunky na apoptotické signály [9]. Preto existuje presluch medzi oboma bunkovými procesmi a bunky ich môžu presmerovať, aby zvýšili svoje šance na prežitie, aby sa vyrovnali s urážkou [83].

Čo je teda dôležité preneuroprotekcia? Posilnenie alebo blokovanie autofágie? Jemné doladenie je odpoveď [86]. Indukcia presne vyladenej autofágie prináša priaznivé účinky: (i) odstránením nefunkčných proteínov/organel, (ii) umožnením bunky znovu sa prispôsobiť novej situácii a (iii) degradáciou škodlivých účinkov, ako sú zápaly alebo induktory apoptotiky [ 87,88], ktoré sprostredkovávajú zánik neurónov. Táto autofágia však musí byť aktivovaná vo veľmi špecifickom časovom okne, aby sa zabránilo nadmernej degradácii, ktorá vyvoláva bunkovú smrť.

Napokon, autofágia má aj nekanonické/degradačné funkcie, ako je modulácia zápalovej odpovede, vytváranie nových spomienok [65], udržiavanie synaptickej homeostázy [89] a transport nákladu v bunke [ 90]. Takže jeho úplné zablokovanie povedie k nezvratnému poškodeniu nervového systému a/alebo neurónov.

Cistanche môže pomôcť s neuroprotekciou

3.2. Vyrovnanie sa so sexi časťou rozvinutej proteínovej odpovede

Neuróny sú mimoriadne citlivé na nesprávne poskladané proteíny a agregáty. ER je zodpovedný za bunkovú proteostázu, čo je syntéza, skladanie a triedenie proteínov. Akákoľvek zmena v jeho vhodnosti povedie k akumulácii nesprávne poskladaných proteínov, indukuje ER stres a aktivuje ER-overload response (ERO), ER-associated degradation paths (ERAD) alebo UPR, čo je vysoko konzervovaná bunková reakcia. Zmeny v distribúcii a morfológii ER a UPR boli pozorované pri neurodegeneratívnych ochoreniach [91–93] a pri izolácii neurónu po poranení nervu [16,94]. Väzbový imunoglobulínový proteín (BIP), tiež známy ako GRP78, je chaperón rezidentný v ER, ktorý je hlavným senzorom UPR. V neaktívnom stave zostáva BIP viazaný na tri ma-

jor UPR efektory: RNA-aktivovaná proteínkináza podobná ER kináze (PERK), ktorá indukuje C/EBP homológny proteín (CHOP), inozitol vyžadujúci proteín -1 alfa (IRE1), ktorý spája proteín viažuci X-box 1 (Xbp1) mRNA a aktivačný transkripčný faktor -6 alfa (ATF6) [95,96]. Keď BIP deteguje chybne poskladané proteíny, tieto prevodníky sa aktivujú a riadia zmeny v génovej expresii špecifických proteínov (tj chaperónov, transkripčných faktorov) s cieľom zvýšiť schopnosť bunky správne poskladať proteíny moduláciou génovej expresie, čím sa zvýši klírens chybne poskladaných proteínov. klírens proteínov alebo inhibícia syntézy proteínov, čo umožňuje bunke adaptovať sa na stres a prežiť [97]. Ako dôkaz koncepcie nadmerná expresia BIP v dopamínových neurónoch zvyšuje ich prežitie, zatiaľ čo jej downregulácia indukuje smrť nigrálnych dopamínových neurónov [10]. Okrem toho myši BIP plus/− vykazujú zrýchlené šírenie priónovej patogenézy [98]. Celkovo môže modulácia UPR mať ochranné účinky na neurodegeneráciu [94], ako nedávno zhodnotila naša skupina [99]. Aktivácia UPR je skorá udalosť pri neurodegeneratívnych ochoreniach a jej presná modulácia má priaznivé účinky na progresiu patológie [100, 101]. Hoci UPR môže pôsobiť ako endogénny mechanizmus ochrany buniek, jeho (nad)aktivácia podporuje apoptózu [102] (tj os PERK má pro- alebo antiapoptotické schopnosti [91]). Okrem toho nedávne dôkazy naznačujú, že rôzne poruchy ER budú rozdielne aktivovať 3 vetvy UPR, čo naznačuje, že ich koordinovaná koaktivácia nie je vždy prítomná.

Preto má bunka špecifický program na odpoveď na konkrétnu urážku. Napríklad blokáda CHOP alebo nadmerná expresia Xbp1 zvyšuje prežitie neurónov po poškodení nervu, čo naznačuje, že každá vetva má pri smrti neurónov rôzne úlohy [16].

Uplatňuje sa skorá aktivácia PERK po poranení mozguneuroprotekcia, zatiaľ čo trvalá signalizácia prostredníctvom tejto dráhy zhoršuje stratu buniek [11]. Nadmerná expresia alebo farmakologická aktivácia PERK znižuje patológiu Tau [12], zatiaľ čo odvrátenie jej trvalej aktivácie znižuje smrť neurónov [13] a zlepšuje pokles pamäti súvisiaci s vekom [14]. Inhibícia PERK v astrocytoch oneskoruje stratu neurónov v modeli priónovej choroby in vivo. Je zaujímavé, že aktivácia PERK v astrocytoch narúša sekretóm, mení jeho synaptogénnu funkciu a spôsobuje synaptickú stratu [15]. Tí istí autori opísali, že hlavná

následnými mechanizmami zapojenými do tohto škodlivého účinku PERK sú adhézne dráhy extracelulárnej matrice-bunky, ktoré zosieťujú UPR s anoikis (pozri nižšie, časť 3.4). Hladiny aktivačného transkripčného faktora 5 (ATF5) sú priamo závislé od aktivácie PERK/eukaryotického translačného iniciačného faktora 2a (eIF2a). ATF5 bol priamo spojený s tými neurónmi, ktoré sú pri ľudskej epilepsii odolnejšie voči smrti [26]. Následné dôsledky týchto účinkov však nie sú také jasné. ATF5 indukuje expresiu dvoch antiapoptotických efektorov (pozri nižšie), B-bunkového lymfómu 2 (Bcl-2) a indukovaného diferenciačného proteínu myeloidnej leukémie (Mcl-1) [103], ktoré budú inhibovať apoptóza. ATF5 tiež moduluje mechanistický cieľ rapamycínu (mTOR) v tkanivách, ktoré nie sú neurónové, čo je hlavný modulátor autofágie, ktorý vzájomne súvisí s UPR a autofágiou.

Aktivácia IRE1 zlepšuje zlyhanie pečene [17] a jeho downstream efektor Xpb1 podporuje srdcovú ochranu [18],neuroprotekciapri AD, pri PD a po cievnej mozgovej príhode [19–21]. Štúdia s diabetickou a ischémiou indukovanou retinopatiou prekvapivo ukázala, že ochranné účinky UPR sú sprostredkované Xbp1 [22]. Chronická aktivácia vetvy IRE1 však povedie k fosforylácii faktora 2 súvisiaceho s receptorom tumor nekrotizujúceho faktora-a (TNF- ), čím sa rôznymi spôsobmi spustí apoptotická bunková smrť [104–106]. Ektopická nadmerná expresia Ire1 povedie k neurónovej smrti závislej od autofágie v modeli PD Drosophila [107]. Preto upravená modulácia IRE1 -Xbp1 počas špecifického okna môže vyvolať ochranu [108].

Nedávno sme opísali, že farmakologická liečba NeuroHeal alebo nadmerná expresia sirtuínu1 (SIRT1) indukuje prežitie MN po poranení nervu a zvyšuje prítomnosť štiepeného ATF6 a zároveň znižuje fosforyláciu IRE1 [23]. Farmakologická aktivácia ATF6 indukuje ochranu v rôznych modeloch ischémie aktiváciou proteostázy [24] a blokáda tohto transkripčného faktora má škodlivé účinky. Podrobne, ATF6 moduluje expresiu proteínov súvisiacich s antioxidačnou odpoveďou, moduluje hormézu ROS [109]. Nútená expresia ATF6 zlepšuje funkčný výsledok po mŕtvici a autori naznačujú, že tento účinok môže byť sprostredkovaný indukciou autofágie [25].

Čo je teda terapeuticky zaujímavé, aktivujúce alebo tlmiace UPR? Kľúčovým bodom je aktivácia konkrétnych vetiev UPR. Presná aktivácia UPR môže podporiť ochranné účinky tým, že bunke pomôže obnoviť proteostázu. Napriek tomu by sa tento koncept mal brať s opatrnosťou, pretože ak stres pretrváva a proteostáza sa neobnoví, UPR spustí neuronálnu apoptózu, ktorá je sprostredkovaná vetvou PERK alebo IRE1 [110]. Okrem toho je UPR spojená aj s autofágiou a naopak. BIP sprostredkúva autofagickú odpoveď, čím podporuje prežitie neurónov [111]. Nakoniec, 3 vetvy UPR modulujú transkripciu ATG [112], čo naznačuje zložité spojenie medzi oboma bunkovými procesmi.

3.3. Apoptóza „dnes nie“.

Apoptóza je programovaná bunková smrť závislá od kaspázy (PCD), ktorá zachováva integritu bunkovej plazmatickej membrány a organel [113]. Jeho dysregulácia je príčinou mnohých rakovín, neurodegeneratívnych alebo zápalových patológií. Kaspázami indukovaná smrť je vysoko kontrolovaný proces, ktorý si vyžaduje koordinovanú aktiváciu niekoľkých hráčov, aby spôsobili konečnú bunkovú smrť [114]. Charakteristické znaky smrti podobné apoptóze sa nachádzajú v modeloch myší s amyotrofickou laterálnou sklerózou (ALS), AD alebo PD, aj keď nie je jasné, či je konečným spúšťačom zániku neurónov [115]. Počas evolúcie si bunky vyvinuli niekoľko mechanizmov na zabránenie ich smrti, keď to nie je potrebné, alebo na zabránenie predčasnému PCD. Bunky spúšťajú účinnú apoptotickú smrť iba vtedy, keď ich rovnováha medzi pro- alebo anti-apoptóznym mechanizmom tlačí k smrti. Na základe našich in vivo modelov sme pozorovali, že RA indukuje apoptotické dráhy, ale aj antiapoptotické a ich rovnováha vedie k alternatívnej a neznámej smrti, ktorá nie je klasickou apoptózou [2]. Posledné publikácie v tejto oblasti naznačujú, že kaspázy tiež pôsobia prestavbou nervového systému bez podpory bunkovej smrti [116] a ich aktivita závisí od jej subcelulárnej polohy. Preto aktívne formy kaspáz, ktoré sa nachádzajú v neurodegeneratívnych tkanivách, môžu mať úlohu nesúvisiacu so smrťou a konečná smrť neurónov prebieha prostredníctvom iných fatálnych mechanizmov.

Apoptóze môžu brániť antiapoptotické dráhy, ktoré poháňajú tri rodiny proteínov: FLICE-inhibičné proteíny, Bcl-2 a inhibítory apoptózových proteínov (IAP). Uplatňujú sa IAPneuroprotekciav modeli ischémie [27] alebo vyhnúť sa smrti MN po poranení nervov počas neonatálnych štádií [28]. Predpokladá sa, že IAP sú zodpovedné za blokádu smrti neurónov po axotómii v dospelosti [29]. V rovnakom smere bola opísaná posttranslačná modifikácia X-linked–IAP (XIAP), ktorá blokuje jej funkciu anti-kaspázy 3, ako prispievateľ k patogenéze PD [117].

Ischemické predkondicionovanie, ktoré čiastočne znižuje škodlivé účinky ischémie, pôsobí prostredníctvom IAP a umožňuje bunkám prežiť po aktivácii kaspázovej kaskády [30]. IAP tiež sprostredkovávajú pro-prežívací účinok neurotrofického faktora odvodeného od gliálnych buniek (GDNF) na MN po neonatálnej axotómii [28]. Ďalšie molekulárne dráhy, ktoré sa vyhýbajú bunkovej smrti moduláciou proapoptotických proteínov, sú extracelulárne signálne regulované kinázy (ERK) a AKT. V tomto zmysle bola dráha AKT opísaná ako hráč podporujúci prežitie blokovaním apoptózy [31]. AKT inhibuje induktor apoptózy p53 podporou jeho degradácie, a preto blokuje jeho proapoptotické schopnosti [32–34]. V opačnom prípade sú kaspázy schopné inhibovať AKT jeho štiepením, čo poukazuje na jemne vyladenú moduláciu prežitia a smrti buniek [118]. Na druhej strane aktivita AKT fosforyluje transkripčné faktory Forkhead box proteín O (FOXO). Súvisia s apoptózou [119] a ich modifikácia vedie k zvýšenému prežívaniu buniek [35]. AKT-dependentná fosforylácia FOXO zabraňuje ich vstupu do jadra, čím zabraňuje indukcii proapoptotických génov, ako je mediátor bunkovej smrti interagujúci s Bcl{19}} (BIM) alebo s interakciou s Bcl{20}} devätnásť kilodaltonov proteín 3 (Bnip3) [119–121]. Na druhej strane posttransdukčné modifikácie FOXO dolaďujú svoju transkripčnú sieť v bunke a posúvajú ju smerom k autofágovej indukcii namiesto apoptózy [54, 121 – 123]. Preto je špecifická modulácia rodiny FOXO novou cestou na podporu prežitia neurónov inhibíciou apoptózy [54, 124].

Nakoniec, neuronálna aktivita je tiež promótorom anti-apoptózy upreguláciou antiapoptotických génov závislých od NMDA [125, 126]. Niektoré z týchto upregulovaných génov umožňujú mitochondriám stať sa odolnejšími voči stresu [126], čo bunke pomáha prežiť urážku.

3.4. Opätovné pripojenie od Anti-Anoikis

Interakcia medzi bunkou a extracelulárnou matricou (ECM) je nevyhnutná pre jej správnu funkčnú integráciu v tkanive. Keď sa tomuto presluchu zabráni, bunka zomrie prostredníctvom PCD nazývaného anoikis, ktorý zdieľa dráhy s apoptózou. Je zaujímavé, že rozpad vnútorných programov anoikis prepožičiava nádorovým bunkám malignitu, čo im dáva dostatočnú bunkovú odolnosť, aby unikli a znova sa pripojili k iným tkanivám bez toho, aby zomreli [127,128]. Hlavnými efektormi týchto interakcií sú integrínové proteíny, ktoré sú tvorené kombináciou a podjednotiek. Táto kombinácia určí ligandovú špecificitu a intracelulárnu signalizáciu. Signály ECM sa prenášajú do neurónov prostredníctvom integrínov, ktoré sú nevyhnutné pre tvar bunky, prežitie, pohyblivosť, proliferáciu, vývoj, neuronálnu konektivitu a synaptickú plasticitu [129]. Integríny sú tiež dôležité pre intracelulárnu signalizáciu rastových faktorov [130], ktoré sú dobre známymi modulátormi prežitia neurónov blokovaním pro-smrtiacich mechanizmov. 1 integrínová podjednotka je nevyhnutná pre interakciu bunka-ECM a jej blokáda je dostatočná na spustenie anoikis [36] a neuronálnej apoptózy [131]. Okrem toho vnútrobunková signalizácia tejto podjednotky súvisí s prežitím gangliových buniek sietnice [132] a ich defekty sú prítomné pri neurodegeneratívnych poruchách [133].

Napriek tomu si bunky vyvinuli anti-anoikis podprogramy na potlačenie smrti, ktoré sú iniciované tyrozínkinázami, malými GTPázami [128], NF-kB [134], PI3K/AKT, protoonkogénnou tyrozín-proteínkinázou (Src) alebo osami ERK a autofágiou [135,136]. NF-kB moduluje anti-anoikis spúšťaním antiapoptotických proteínov, ako sú Bcl-2 a IAP- 1 [135], zatiaľ čo úloha PI3K/AKT pri prežití buniek je široko zdokumentovaná a prispieva k prežitiu diferencovaných buniek [36,37]. Oddelenie ECM tiež indukuje autofágiu, čo je samoochranný mechanizmus vedúci k bypassovej apoptóze [135]. Tieto dôkazy opäť naznačujú zložitú sieť medzi sebaobrannými mechanizmami.

Anoikis je tiež prítomný pri smrti neurónov po TBI v dôsledku zvýšenia matricovej metaloproteinázy (MMP), ktorá ničí proteíny ECM [137]. Expresia a hladiny MMP sú modifikované po neurotraume a majú rôzne úlohy pri axonálnej degenerácii, tvorbe gliových jaziev a synaptickej remodelácii. Pokiaľ ide o prežitie neurónov, inhibícia MMP9 má ochranné účinky pri cerebrálnej ischémii znížením degradácie laminínu [38]. MMP sa podieľajú aj na neurodegenerácii [138]. Nedávne štúdie opísali, že inhibícia MMP9 má ochranné účinky na motorickú jednotku z ALS myšacieho modelu [39,40] a AD modelov [41]. Preto liečba na inhibíciu špecifických MMP bude nepriamo udržiavať anti-anoikis program v neurónoch, čo uľahčí jeho prežitie.

3.5. Cytoskelet a motorové transportéry

Neurónový cytoskelet sa skladá z troch rôznych štruktúrnych komplexov: mikrotubuly (MT), intermediárne vlákna (IF) a aktínové mikrofilamenty. Majú rôzne bunkové funkcie: MT reguluje dynamiku neuritov a dendritov [139], aktín má na starosti morfológiu buniek [140] a IF poháňa mechanickú a stabilitu štruktúry cytoskeletu [141]. Defekty štrukturálnych komplexov sa pozorujú pri neurodegeneratívnych ochoreniach, periférnych neuropatiách, synaptickej dysfunkcii a vedú k zrelej strate chrbtice [141–146].

Dynamika MT je vysoko kontrolovaný proces a jeho nerovnováha môže mať zničujúce následky na prežitie neurónov alebo výkon axónov [142], zatiaľ čo jeho stabilizácia blokuje smrť neurónov [147] a urýchľuje rast axónov v centrálnom nervovom systéme [148]. Podrobnejšie, cytoskeletálne štruktúry sú železnice, zatiaľ čo kinezínové a dyneínové motorové proteíny sú vlaky, ktoré prenášajú náklad anterográdnym alebo retrográdnym transportom. Preto sú motorické komplexy tiež nevyhnutné pre prežitie neurónov. Rodinu kinezínov tvoria kinesín-1 (historicky nazývaný KIF5c) a kinesín-3 (KIF1A, KIF1B a KIF1B) členovia [149]. KIF5c je obohatený o MN [150] a jeho genetická ablácia je spojená s chorobami MN a paralýzou [149, 151]. Nedávno sa podieľa na patogenéze ALS [152]. Porucha jeho interakcie s MT vedie k degenerácii axónov a následnej smrti neurónov [153]. Narušenie KIF5c vedie k poruchám mitochondriálnej dynamiky, čo vedie k prežitiu alebo smrti neurónov v závislosti od stimulov. Okrem toho KIF5c dolaďuje mitochondriálnu funkciu, mení sa na bunkové zdravie (pozri nižšie, časť 3.6.) [42] a jeho modulácia môže podporovaťneuroprotekcia. Proteínové agregáty, ako je amyloid-, majú škodlivý účinok na stabilitu KIF5a, čo vedie k narušeniu mitochondriálneho pohybu a dobrej funkcie [154].

Uplatňujú sa aj retrográdne proteínyneuroprotekcia. Sú to dyneíny a sú to multiproteínové komplexy tvorené rôznymi proteínmi, pričom najrozšírenejšími podjednotkami je lepidlo p150 (dynaktín1/DCNT1). Ako model myší ALS sa použila dysfunkčná dynaktínová podjednotka 1 (DCTN1) a jej mutácia spôsobuje defektný axonálny transport, ktorý u myší vedie k fenotypu podobnému ALS [155, 156]. KO myši vykazujú smrť MN závislú od veku, ktorá je sprevádzaná blokádou autofágy [157]. DCTN1 má jasnú úlohu pri transporte autofagických vakuol v tele neurónov a jeho narušenie spôsobuje akumuláciu amfizómov v distálnych axónoch, čo vedie k fenotypu podobnému AD [158]. Lysozomálny proteín interagujúci s dyneínom Rab (RILP) hrá kľúčovú úlohu v biogenéze autofagozómov, transporte a jeho inhibícia spôsobuje akumuláciu autofagických procesov [44]. Celkovo sa pozorovalo, že dysfunkcia MT spolu s aberantnou lokalizáciou kinezínu a dyneínu vedie k lyzozomálnej dysfunkcii, ktorá vyvoláva akumuláciu autofagozómov a presynaptickú dystrofiu pri AD [159]. Nadmerná expresia DCTN1 v osteoklastoch zabraňuje apoptotickej smrti, čo naznačuje, že motorické proteíny majú tiež úlohu pri predchádzaní bunkovej smrti v iných typoch buniek a tkanivách [43].

Stručne povedané, zníženie axonálneho transportu je prítomné pri mnohých neurodegeneratívnych ochoreniach a po poranení nervového systému. Tento defekt bude mať za následok zmeny v štruktúre MT a/alebo molekulárnych motoroch potrebných na axonálny transport [5]. Správny axonálny transport je rozhodujúci pre normálne fungovanie neurónov a poruchy v tomto procese prispievajú k zániku neurónov. Posilnenie transportného mechanizmu bunky, či už stabilizáciou cytoskeletu alebo zvýšením hladín/aktivity motorických proteínov, sa ukázalo ako neuroprotektívne obnovením správneho autofagického toku v neuróne [5].

3.6. Mitochondriálna dobre funkcia

Funkcia neurónov závisí od energetickej a vápnikovej (Ca2 plus) rovnováhy, takže výkon mitochondrií je pre ne rozhodujúci. Mitochondrie nie sú statické organely. Menia tvar, veľkosť, počet alebo lokalizáciu vo vnútri bunky a majú schopnosť fúzovať alebo deliť sa štiepením, aby sa prispôsobili bunkovým požiadavkám. Produkujú energiu prostredníctvom cyklu trikarboxylových kyselín (TCA) a oxidatívnej fosforylácie (OXPHOS) prostredníctvom elektrónového transportného reťazca (ETC). Aktivácia OXPHOS povedie k ROS, ktorý má široké spektrum funkcií (diferenciácia, autofágia, imunitná odpoveď) na fyziologických úrovniach [160] a regeneráciu axónov [60]. Na suprafyziologických úrovniach sú však ROS škodlivé, pretože spôsobujú poškodenie lipidov, DNA a proteínov. Tieto zmeny sú spojené s neurodegeneratívnymi ochoreniami, SCI a TBI. Mitochondrie tiež pôsobia ako hlavný regulátor prežitia neurónov prostredníctvom ich zapojenia do dráh, ktoré modulujú smrť neurónov.

Mitochondrie sú transportované okolo bunky cytoskeletom, motorickými proteínmi a vhodnými adaptérmi. V neurónoch sa s nimi obchoduje hlavne na MT prostredníctvom adaptérov Miro a Milton/proteínov trafficking kinesin-binding protein 1 (TRAK) [161]. Tieto pohyby mitochondrií v neurónoch sú nevyhnutné na udržanie optimálnej kondície v synapsiách, produkciu energie, tlmenie Ca2 plus atď. [162]. Mitochondrie sa často lokalizujú blízko ER a tvoria membrány ER spojené s mitochondriami alebo membrány spojené s mitochondriami (MAM). Tieto membránové mikrodomény sú reverzibilné reťazce, ktoré koregulujú a ovplyvňujú rôzne bunkové procesy, tj syntézu/transport lipidov, Ca2 plus dynamiku/signalizáciu, autofágiu, tvar a veľkosť mitochondrií, apoptózu a energetický metabolizmus [163]. MAM sú zmenené pri neurologických poruchách, ako sú AD, PD a ALS [164]. Mitochondrie pôsobia ako centrum ATG, dodávajú membrány na tvorbu autofagozómov a modulujú autofagický tok [165]. Mitochondrie tiež trpia UPR(mt) a v závislosti od aktivovanej dráhy sa spája s predĺženou životnosťou u červov a myší [166], ale jej nadmerná aktivácia spôsobuje neurodegeneráciu [167].

Mitochondriálna dysfunkcia vzniká z nedostatočného počtu mitochondrií, neschopnosti poskytnúť im potrebné substráty alebo dysfunkcie v ich mechanizme transportu elektrónov a syntézy ATP. Vysoké hladiny ROS a príbuzných reaktívnych druhov (RNS) môžu byť neutralizované enzýmami dismutázy a antioxidantmi [168]. Zmeny v týchto enzýmoch a určitých mitochondriálnych respiračných komplexoch boli pozorované pri neurodegeneratívnych ochoreniach, ako je ALS a PD [169]. Poruchy v počte a funkcii mitochondrií vážne narušujú bunkovú homeostázu a spúšťajú nástup ochorenia. Preto sa bunky snažia udržiavať dynamickú rovnováhu medzi protichodnými procesmi mitochondriálnej biogenézy a klírensu. Akumulácia dysfunkčných mitochondrií a/alebo strata ich biogenézy vedie k bunkovej smrti. Nedávne terapeutické spôsoby prevencie neurodegenerácie sú zamerané na podporu mitochondriálnej biogenézy moduláciou NAD plus [170], epigenetických znakov [171] alebo moduláciou serotonínovej osi v mozgu [172]. Dôsledkom je aj dysfunkčný mitochondriálny klírens mitofágiouneuroprotekcia. Nadmerná expresia PTEN-indukovanej kinázy 1 (PINK1), ktorá je nevyhnutná na spustenie procesu mitofágie, zvyšuje prežitie neurónov v modeli HD [45]. Navyše NAD plus suplementácia znižuje neurotoxicitu v PINK1-mutantnom modeli PD [173].

Funkcia mitochondrií je prepojená s ROS a bunkovou antioxidačnou odpoveďou. Týmto spôsobom transkripčný faktor faktor 2 odvodený od erytroidného faktora 2- (Nrf2) reguluje expresiu cytoprotektívnych a detoxikačných génov na boj proti oxidačnému stresu a neurozápalom, s cieľom znížiť poškodenie nervov. Preto to môže byť účinná manipulácia na oddialenie progresie ochorenia pri neurodegeneratívnych ochoreniach [174–176]. Pod stimuláciou ROS sa Nrf2 disociuje z Kelch-like ECH-asociovaného proteínu (Keap1), čím reguluje expresiu antioxidačných enzýmov [177]. Bolo opísané, že Keap1 sprostredkúva ubikvitináciu p62 [178]. Keď je Keap1 downregulovaný, p62 sa hromadí v bunkách a spôsobuje cytotoxicitu, zatiaľ čo jeho nadmerná expresia podporuje degradáciu p62 prostredníctvom autofágovej dráhy. Na druhej strane, p62 aktivuje Nrf2 cez autofágovú dráhu, čím sa vytvorí dráha p62-Keap1-Nrf{23}}antioxidant reagujúceho prvku (ARE) a pôsobí proti oxidačnému poškodeniu spôsobenému ROS. [179]. Okrem toho Nrf2 tvorí regulačné slučky zapojené do regulácie mitochondriálnej biogenézy. Nrf2 zvyšuje expresiu peroxizómového proliferátora aktivovaného receptor-gama koaktivátor 1-alfa (PGC-1) a jadrový respiračný faktor (NRF1), ktoré sa priamo podieľajú na regulácii transkripcie mtDNA. Nakoniec Nrf2 reguluje expresiu PINK1, ktorá hrá kľúčovú úlohu pri indukcii mitofágie [180], čo naznačuje, že antioxidačná kapacita bunky tiež ovplyvňuje stav mitochondrií.

Neurodegeneratívne ochorenia súvisia s inhibíciou dráhy Nrf2 a dysfunkciou autofágie, ktorá vedie k akumulácii ROS, senescentných organel a nesprávne poskladaných proteínov [181, 182]. Neurodegeneratívne ochorenia súvisia s množstvom proteínových agregátov a ROS, čo indukuje os pozitívnej spätnej väzby p62-Keap{5}}Nrf2, čo je ochranný mechanizmus v neurónoch [183,184]. Expresia Nrf2 je nízka na zvieracích modeloch s AD a v mozgoch pacientov s AD [185]. K väzbe Nrf2 na ARE dochádza skoro počas progresie ochorenia, čo korešponduje so zvýšením produkcie ROS [186]. Nrf2 neuroprotekuje znížením tvorby ROS a A-sprostredkovanej ROS-indukovanej toxicity [187,188]. Pri HD dochádza k dysfunkcii mitochondriálneho komplexu II, čo spôsobuje zvýšenie ROS [48]. V počiatočnej fáze HD vedie liečba agonistom Nrf2 k zvýšeniu vitálnych cytoprotektívnych génov prostredníctvom Keap1–Nrf2–ARE v astrocytoch a mikrogliách [189]. Aktivácia dráhy Keap1–Nrf2–ARE malými molekulami v astrocytoch urýchľuje odolnosť neurónov voči neexcitotoxickej toxicite glutamátu [46–48]. Zmenená funkcia mitochondrií, biogenéza a mitofágia sú dôležitými patologickými znakmi pri PD a Nrf2 je dôležitým transkripčným faktorom, ktorý reguluje kontrolu kvality mitochondrií a homeostázu [190]. Pri PD dochádza k aktivácii systému Nrf2–ARE [191,192] a jeho farmakologická aktivácia zabraňuje progresii PD [49,50]. Aktivácia Nrf2 hrá ochrannú úlohu proti ROS a bunkovej smrti spôsobenej mutantným proteínom superoxiddismutázy 1 (SOD1). Okrem toho nadmerná expresia astrocytov Nrf2 zvyšuje prežitie SC MN a predlžuje životnosť u SOD1 transgénnych myší [51,52]. Okrem toho, presluchy medzi p62 a dráhou Keap1 – Nrf2 v kontexte autofágie môžu hrať dôležitú úlohu pri odstraňovaní ROS, pri prevencii oxidačného poškodenia a modulácii stresu ER počas cerebrálneho ischemicko-reperfúzneho poškodenia [53].

Napokon, mitochondrie riadia prežitie neurónov, pretože vnímajú vnútorné a vonkajšie iniciátory smrti, spúšťajú signálne kaskády, ktoré sa zbiehajú v mitochondriách a potom sa znovu rozchádzajú do jednej alebo viacerých dráh bunkovej smrti, ktoré vedú k inému typu bunkovej smrti (ako je vnútorná apoptóza ) [193].

4. Zameranie na systémovú moduláciu

4.1. Kalorické obmedzenie

Kalorické obmedzenie (CR) predlžuje životnosť rôznych organizmov a má ochranné účinky na viaceré orgány. CR ovplyvňuje celý organizmus: od systémového prostredia až po rôzne subcelulárne populácie. V roku 2010 Kromer a spolupracovníci navrhli, že výhody CR závisia od autofágie závislej od SIRT1- [194]. Na druhej strane sa poukázalo na to, že CR je neuroprotektívna pri PD ochorení osou Ghrelin-AMPK, pričom AMPK je kľúčovým induktorom autofágie [195]. Vzhľadom na zjavnú nemožnosť udržať si dlhodobú CR, vzrástol terapeutický záujem o objavenie nových CR „mimetík“ (CRM), ktoré napodobňujú fyziologické účinky CR v organizme [196]. CR aj CR-mimetiká testovali účinnosť v modeloch AD potkanov zlepšením kognitívnych funkcií prostredníctvom indukcie autofágie [197], takže ide o nové terapeutické cesty na liečbu neurodegenerácie.

4.2. Cvičenie

Fyzické cvičenie si získava záujem vďaka svojej schopnosti redukovať patofyziologické stavy, ako je neuropatická bolesť, alebo zlepšiť funkčné výsledky v modeloch mŕtvice [198]. Tiež spomaľuje progresiu PD inhibíciou zápalovej reakcie a zlepšením antioxidačnej rovnováhy [199]. Je opísané, že cvičenie pôsobí zvýšením endogénnych hladín neurotrofických faktorov [200,201]. Okrem toho moduluje sekréciu svalového hormónu, podporuje ochranné účinky v mozgu, neurogenézu a zlepšuje starnutie mozgu [202]. V skutočnosti bolo nedávno opísané, že rovnaký hormón, irisín, má úlohu pri tvorbe kostí [203], čo naznačuje, že cvičenie ovplyvňuje celé telo.

5. Nájdenie účinného neuroprotektantu: Čo existuje a kam ideme

Spoločnými znakmi neurodegeneratívnych ochorení sú okrem iného nesprávna aktivácia UPR, akumulácia autofagických procesov, zlyhanie mitochondrií. Dohromady zahltia neuróny a vyprovokujú ich zánik. Účinný neuroprotektant musí napraviť tieto mechanizmy posilnením bunky s úplnou odolnosťou voči starnutiu/urážkami. Musíme úplne upraviť molekulárnu sieť v bunke a posunúť ju smerom k úplnému obnoveniu funkcií. Schválené lieky, ako je Riluzol na ALS [204], alebo prebiehajúce klinické štúdie, ako Rapamycín na ALS [204], Spermidín a DH na AD [205, 206], sa zameriavajú iba na jeden z týchto degeneratívnych procesov a neurón je zahltený tie ostatné. Hoci môžu priniesť priaznivé účinky, navrhujeme nájsť genetický alebo farmakologický prístup na podporu rôznych molekulárnych dráh – viaccieľovej terapie – namiesto iba jedného cieľa.

Špecifická nadmerná expresia určitých proteínov, ako sú SIRT1, BIP a/alebo ATG5, uľahčuje prežitie neurónov po poranení nervov aneuroprotekciapri neurodegeneratívnych ochoreniach. Dolaďujú hlavne UPR alebo autofágne siete. Aktivácia SIRT1 pomocou transgénnych myší alebo vírusových vektorov preukázala ochranu pri rôznych neurodegeneratívnych ochoreniach, ako sú ALS, AD a HD [207–209] a tiež po poranení nervov [55]. Aktivita SIRT1 deacetylázy podporuje rôzne endogénne mechanizmy ochrany: autofágiu, moduluje UPR zoslabením PERK a zvyšuje štiepenie ATF6 [23, 210], má antiapoptotické účinky a moduluje aktivitu AKT na inhibíciu anoikis [211, 212]. Preto jeho presná modulácia môže zvýšiť odolnosť buniek. Z našej nedávnej štúdie sme dospeli k záveru, že modulácia aktivity deacetylázy SIRT1 je nevyhnutným uzlom pre molekulárnu sieť na dosiahnutie bunkovej odolnosti [54,55]. Nakoniec nadmerná expresia BIP chráni pred agregátmi a indukuje autofágiu a mitofágiu [99], takže jej modulácia je tiež účinným prístupom k zoskupovaniu rôznych neuroprotektívnych dráh.

6. Záverečné poznámky

Posilnenie endogénnych mechanizmovneuroprotekciaotvára vzrušujúce terapeutické cesty na liečbu neurodegeneratívnych ochorení alebo na udržanie tkanivovej homeostázy po neurotraume. Hoci je to v súčasnosti neprebádaná oblasť, môže podporiť efektívnejšie biomedicínske výsledky ako blokovanie konkrétneho patofyziologického znaku. Preto ich podpora genetickými, farmakologickými alebo systémovými modulačnými terapiami môže oddialiť progresiu patológie a zlepšiť funkčné zotavenie. Optimálna terapeutická stratégia musí zahŕňať konkrétnu moduláciu endogénnych mechanizmov ochrany, aby sa premodelovala celá sieť a dosiahla sa ochrana.

Autorské príspevky: DR-G. a SM-M.-A. napísal rukopis a CC urobil kritickú recenziu. Všetci autori si prečítali publikovanú verziu rukopisu a súhlasili s ňou.

Financovanie: Tento výskum nezískal žiadne externé financovanie.

Vyhlásenie o dostupnosti údajov: V tejto štúdii neboli vytvorené ani analyzované žiadne nové údaje. Zdieľanie údajov sa na tento článok nevzťahuje.

Konflikt záujmov: Autori nevyhlasujú žiadny konflikt záujmov.