Mitofagija kod cerebralne ishemije i ishemije/reperfuzijske povredeⅡ

PATOFIZIOLOGIJA ISHEMIJSKO-REPERFUZIJSKOG POVREDE (SLIKA 2)

Klinička klasifikacija ishemijskog moždanog udara

Ishemijski moždani udar, poznat i kao cerebralna ishemija, značajan je tip svih moždanih udara. Ova bolest nastaje kada krvni ugrušci ili plakovi blokiraju ili sužavaju moždane arterije. Ovisno o patološkom stanju, ishemijski moždani udar se može podijeliti u nekoliko podtipova: intrakranijalna arterijska stenoza, akutna arterijska okluzija i kronična arterijska okluzija. Intrakranijalna arterijska stenoza se odnosi na sužavanje arterija uzrokovano stvaranjem masnih naslaga zvanih aterosklerotski plakovi i istovremenim zadebljanjem zidova krvnih žila.

Click to cistanche tubulosa Australia za ishemijski moždani udar

U intrakranijalnim arterijama, uključujući srednje cerebralne arterije, bazilarnu arteriju, karotidne arterije i intrakranijalne vertebralne arterije, sužene krvne žile mogu značajno smanjiti protok krvi, što dovodi do ishemijskog događaja (Chimowitz et al., 2005; Banerjee i Chimowitz, 2017). Sistematska analiza koja se fokusira na ulogu intrakranijalne ateroskleroze u ishemijskom moždanom udaru pokazuje da stenoza koja izaziva aterosklerozu, stepena iznad 30 posto, može biti uzrok fatalnog infarkta mozga (Mazighi et al., 2008). Aterosklerotski plak je trombogeni. Jednom kada mu se kapica pukne, može se formirati nestabilan ugrušak koji će suziti ili potpuno začepiti arterije. Krvni ugrušak koji blokira zahvaćeno mjesto može se formirati lokalno ili nastati negdje drugdje, kao što je srce, i embolizirati kroz cirkulatorni sistem.

Ruptura plakova i embolija ugrušaka obično je povezana s akutnom arterijskom okluzijom, manifestirajući simptome moždanog udara u roku od nekoliko sati (Malhotra et al., 2017). Okluzija također može biti kronična (traje više od 4 tjedna) ako mozak mijenja cerebralnu hemodinamiku i kompenzira protok krvi izgradnjom kolateralne cirkulacije kao odgovor na smanjenu opskrbu arterijske krvi (Sundaram et al., 2017.). U tom slučaju, uz dovoljnu kolateralnu kompenzaciju, bolest može biti asimptomatska i benigna (Powers et al., 2000); Kronična okluzija bez dovoljne kompenzacije iz kolateralne cirkulacije može i dalje rezultirati kroničnom cerebralnom hipoperfuzijom, što dovodi do ishemijskog infarkta. U nekim slučajevima, pacijenti s kroničnom okluzijom mogu se spontano rekanalizirati tokom dužeg vremena (više od 3 mjeseca) (Delgado et al., 2015).

Liječenje ishemijskog moždanog udara

Trombolitička sredstva i postupci rekanalizacije razvijeni su kao reperfuzijske strategije za obnavljanje protoka krvi u zahvaćenim arterijama. Obično se daju različiti terapijski pristupi za ova tri podtipa moždanog udara u kliničkom okruženju. Zbog tehničkih ograničenja, tešku stenozu i akutnu okluziju arterija teško je precizno razlikovati (Clevert et al., 2006). Ipak, ispravna dijagnoza može biti korisna za optimalno liječenje i bolju prognozu. Intravenska tromboliza je jedina odobrena terapija za pacijente s AIS-om i može se primijeniti unutar 3 sata od pojave simptoma. Međutim, klinički ishodi samo trombolitičkog liječenja za pacijente s teškom stenozom i okluzijom pokazali su lošiju prognozu od očekivane i manju učinkovitost (Mokin et al., 2012).

Klinička ispitivanja koja se fokusiraju na lizu ugrušaka sugeriraju da sama intravenska trombolitička terapija ima nisku stopu rekanalizacije od samo 30-40 posto među pacijentima (Chen et al., 2012). Druga analiza kliničkih ishoda intravenske trombolize za okluziju unutrašnje karotidne arterije sugerira da je stopa povoljnih ishoda 25 posto (Mokin et al., 2012). Revaskularizacijski tretmani, uključujući stentiranje ili endarterektomiju, stoga se savjetuju za pacijente s umjerenom ili teškom stenozom. U poređenju sa intravenskom trombolizom, primaoci trombektomije imaju značajno smanjenu incidencu ipsilateralnog moždanog udara, što znači bolju prognozu. Arterijske terapije također postižu bolji ishod kod pacijenata s akutnom okluzijom (Mokin et al., 2012). Međutim, u kliničkom okruženju, mnogi ne smatraju endarterektomiju opcijom u liječenju potpune okluzije ICA jer je ova operacija još uvijek tehnički izazovna za izvođenje u sprječavanju postoperativnog stvaranja tromba i održavanju dobre prognoze (Kao et al., 2007; Chen et al. ., 2012; Faggioli et al., 2013).

Do sada se nastavlja potraga za efikasnim tretmanima za hroničnu okluziju. Medicinski tretmani kao što su lijekovi protiv trombocita ili intravenski tkivni aktivatori plazminogena mogu se dati pacijentima kako bi se smanjio rizik od moždanog udara. Kirurški pristupi poput endarterektomije i stentiranja također se mogu koristiti u liječenju kronične okluzije, iako još uvijek pokazuju neke naizgled nedostatke. Kao i kod akutne okluzije, endarterektomija može biti neuspješna u slučajevima sa složenom organizacijom ugruška, a stopa uspjeha rekanalizacije postiže se samo 40 posto kod pacijenata s kroničnom okluzijom (Thompson et al., 1986; Xu et al., 2018). Hipoperfuzija se još uvijek javlja kod pacijenata koji nisu uspjeli obnoviti protok krvi u rekanalizacijskim terapijama, za što se pretpostavlja da će rezultirati ponovnim ishemijskim događajima (Grubb et al., 1998). Također, u procesu stentiranja, ugrušak se može odvojiti kada se stent otpusti, blokirajući intrakranijalnu arteriju i stoga može uzrokovati postoperativne komplikacije (Xu et al., 2018).

Ishemijsko-reperfuziona povreda

Kod pacijenata koji primaju terapiju rekanalizacijom, iznenadno obnavljanje krvotoka ponekad može biti štetno, što dovodi do takozvane 'reperfuzijske ozljede'. I/R ozljeda se odnosi na ozljedu reoksigenacije tkiva uzrokovanu iznenadnim povratkom dotoka krvi u prethodno ishemijska ili anoksična tkiva. Tokom faze ishemije, opskrba krvlju ispod standardnih funkcionalnih zahtjeva će uzrokovati nedostatke kisika i hranjivih tvari, što će dovesti do metaboličkih poremećaja (Irie et al., 2014) i upalnog odgovora (Jin et al., 2013) u zahvaćenim područjima. Obnavljanje protoka krvi stoga se smatra osnovnim tretmanom za očuvanje funkcije tkiva. Mnoštvo istraživanja i kliničkih ispitivanja reperfuzijskih tretmana pokazalo je da su reperfuzijske terapije, uključujući intravenske trombolitičke agense i endovaskularne intervencije poput mehaničke trombektomije, relativno sigurne i mogu pomoći u oporavku pacijenata s akutnim ishemijskim moždanim udarom (AIS) kada se daju unutar uskog vremenskog okvira. (Kwiatkowski et al., 1999; Lees et al., 2010; Berkhemer et al., 2014; Jovin et al., 2015).

Međutim, reperfuzija također može uzrokovati sekundarnu ozljedu u prethodno ishemijskim tkivima, budući da obnavljanje nutrijenata i kisika može pokrenuti značajnu proizvodnju i akumulaciju ROS-a, a u međuvremenu mijenja homeostazu kalcija, što rezultira prekomjernim oksidativnim stresom i lokalnom upalom. Takve ćelijske promjene uzrokuju oštećenje stanica i mogu aktivirati put ćelijske smrti u bivšim ishemijskim tkivima.

Pproces i mehanizmi I/R ozljede (Slika 2)

Prekomjerni oksidativni stres igra kritičnu ulogu u I/R ozljedi

Oksidativni stres je poremećaj u ravnoteži između slobodnih radikala i antioksidativne sposobnosti, a često se javlja kada proizvodnja ROS nadmaši antioksidativnu odbranu. U ishemijskom stadiju, smetnja protoka krvi sa manje kisika i opskrbe hranjivim tvarima uzrokuje promjenu mitohondrijskog metabolizma s aerobnog na anaerobni, stvarajući tako nižu koncentraciju ATP-a i antioksidativnih agenasa u stanicama. Kasniji povratak protoka krvi u ishemijsko tkivo može uzrokovati reaktivaciju mitohondrijalnog aerobnog disanja i time povećati proizvodnju ROS. Zbog smanjenog nivoa antioksidativnih agenasa, oksidacija nadmašuje antioksidaciju tokom perioda reperfuzije, što uzrokuje povećani oksidativni stres.

Enzimski sistemi, uključujući sistem ksantin oksidaze, sistem NADPH oksidaze, sistem sintaze azotnog oksida (NO) i lanac transporta elektrona mitohondrija, uglavnom su uključeni u pojavu oksidativnog stresa. U normalnim stanicama metabolizam purina započinje pretvaranjem ATP-a u inozin uz sudjelovanje deaminaza i nukleotidaza, nakon čega slijedi njegova daljnja transformacija u hipoksantin. Kasnije dolazi do oksidacije hipoksantina u ksantin i ksantina u mokraćnu kiselinu, a ksantin dehidrogenaza (XDH) i ksantin oksidaza (XOD) odvojeno funkcionišu u ova dva procesa oksidacije. XDH koristi NAD plus kao akceptor elektrona za proizvodnju NADH, a stanje ishemije može izazvati njegov prelazak na XOD koji koristi O2 kao akceptor (Kinuta et al., 1989). Obnavljanje protoka krvi i kisika može stimulirati proces oksidacije u metabolizmu purina. Pošto je nivo XOD prethodno unapređen, formiranje mokraćne kiseline u fazi reperfuzije je praćeno proizvodnjom visoko reaktivnog superoksidnog anjona (O2−). Superoksid se kasnije može prebaciti u vodikov peroksid (H2O2) i hidroksilni radikal (OH•), koji dalje stimulira oksidativni stres i uzrokuje oštećenja. NADPH oksidaze su primarni izvor ROS. Oni oksidiraju NADPH u NADP plus i isporučuju elektrone u O2, stvarajući tako superoksid ili H2O2.

Prijavljeno je da Nox/Duox porodica NADPH oksidaza uključuje u proizvodnju ROS-a tokom I/R ozljede zahvaljujući njihovoj olakšanoj aktivnosti (Wang et al., 2006; Simone et al., 2014). Nox2 je bio fokus na I/R ozljedi koja se javlja u moždanom udaru. Miševi s nedostatkom podjedinice Nox i miševi s apocininom (inhibitorom Nox2) prije tretmana pokazuju značajno smanjen volumen infarkta i poboljšani klinički ishod moždanog udara (Chen et al., 2009; Jackman et al., 2009), što sugerira da Nox-inducirani ROS igra ulogu značajnu ulogu u I/R ozljedi. Osim što odmah proizvode ROS, NADPH oksidaze također regulišu proizvodnju ROS stimulirajući sistem NO sintaze. NO, također poznat kao opuštajući faktor izveden iz endotela, napravljen je od L-arginina sintazom dušikovog oksida (NOS) iz tri izvora: neuronski NOS (nNOS), inducibilni NOS (iNOS) i endotelni NOS (eNOS). Uloga NO je promjenjiva: općenito djeluje kao antioksidans, ali njegova interakcija sa superoksidnim anjonom može dovesti do stvaranja peroksinitrita (ONOO-) (Marla et al., 1997). ROS stvoren NADPH oksidazama može oksidirati tetrahidrobiopterin (BH4), esencijalni kofaktor koji posreduje u aktivnosti eNOS. Oksidacija BH4 kasnije izaziva razdvajanje eNOS-a, što rezultira smanjenom proizvodnjom NO i povećanom proizvodnjom ONOO-a iz eNOS-a (Landmesser et al., 2003).

Mitohondrije su glavno mjesto stvaranja, djelovanja i ozljeda oksidativnog stresa. ROS se može generirati iz ETC-a. Kod ishemije, ćelijski stres može inducirati posttranslacijske modifikacije proteina oksidativne fosforilacije u ETC-u, čineći ih osjetljivijim na reoksigenaciju (Prabu et al., 2006). Poremećeni ETC kompleksi mogu rezultirati višim potencijalima mitohondrijske membrane, pozitivno povezanim sa većom generacijom ROS (Prabu et al., 2006). Pojačani oksidativni stres može ciljati mitohondrije i dodatno oštetiti ETC, uzrokujući kasnije stvaranje ROS (Indo et al., 2007.). ROS egzogenog porijekla i mitohondrijalno stvaranje ROS može dovesti do oštećenja DNK mitohondrija (Indo et al., 2007). Osim toga, previše oksidativnog stresa može dovesti do oštećenja ćelija ili smrti (slika 2).

Preopterećenje kalcijem: još jedan poremećaj u ishemijsko-reperfuzijskoj ozljedi

Osim oksidativnog stresa uzrokovanog različitim izvorima, preopterećenje kalcijem i abnormalno povećani intracelularni nivo Ca2 plus je druga velika patologija koja igra važnu ulogu u reperfuzionoj ozljedi. Anaerobno disanje u ishemiji smanjuje intracelularni pH; tako, Na plus /H plus izmjenjivač (NHE) omogućava dotok Na plus za održavanje pH vrijednosti. NHE se generalno inaktivira tokom ishemije, ali se njegova aktivnost može povećati tokom reperfuzije, što dovodi do velikog priliva Na plus (Allen i Xiao, 2003). Niži nivo ATP-a u ishemiji takođe slabi aktivnost energetski zavisnih Na plus pumpi, što rezultira višim nivoom intracelularnog Na plus.

Studija iz 1987. sugerirala je da dosadašnja neravnoteža natrijuma može biti uzrok preopterećenja kalcijem koristeći model punjenja Na plus pun energije (Grinwald i Brosnahan, 1987). Neuspjeh da se vrati u normalnu ravnotežu Na plus nakon obnavljanja kisika može promovirati funkciju Na plus /Ca2 plus izmjenjivača (NCX) koji je osjetljiv na intracelularni nivo Na plus, što dovodi do većeg priliva Ca2 plus. Preopterećenje kalcijumom je također izazvano povišenim oslobađanjem Ca2 plus i ograničenim unosom Ca2 plus iz unutrašnjeg izvora, uključujući endoplazmatski retikulum (ER) ili Golgijev aparat (Chami et al., 2008). Promovirano uzimanje Ca2 plus od strane mitohondrija kasnije se javlja nakon preopterećenja citosolnim kalcijem (Brookes et al., 2004). Citosolno i mitohondrijsko preopterećenje kalcijem može uzrokovati ćelijsko oštećenje na različite načine, uključujući ometanje mitohondrijalne funkcije (Wang M. et al., 2015.), promicanje proizvodnje ROS-a (Zhu et al., 2018.) i izazivanje ćelijske smrti (Boehning et al., 2004; Zhu et al., 2018) (Slika 2).

MitocSmrt ćelije zavisne od hondrije u I/R ozljedi

Ćelijske promjene, uključujući povećani oksidativni stres i preopterećenje kalcijem, mogu dovesti do apoptoze uz uključivanje mitohondrija. Ovaj proces je pokrenut promjenama u permeabilnosti mitohondrijalne membrane koju kontrolira prelazna pora mitohondrijalne permeabilnosti (mPTP). Aktivnost mPTP-a vjerovatno će biti posredovana nivoom Ca2 plus mitohondrijalnog matriksa, a preopterećenje mitohondrijalnog kalcijuma koje je rezultat preopterećenja citosolnim kalcijumom može olakšati otvaranje mPTP (Qian et al., 1999). Proizvodnja ROS-a tokom I/R ozljede, posebno hidroksilnih radikala i vodonik peroksida, također je pronađena kao neophodna u otvaranju mPTP-a (Assaly et al., 2012). Permeabilizirana membrana omogućava aktivaciju i umetanje pro-apoptotičkih članova Bcl-2 porodice BAX i BAK u membranu mitohondrija (Wei et al., 2000; Kirkland et al., 2002).

Ovo pomaže pri prijenosu mitohondrijskih proteina uključujući citokrom c iz mitohondrija u citosol, nakon čega slijedi interakcija između citokroma c i dva kofaktora, faktora 1 aktiviranja apoptotičke proteaze (APAF-1) i prokapaze-9, u formiraju apoptozom, koji na kraju aktivira kaspaza–9-kaspaz-3 signalizirajući put ćelijske smrti sa proteolitičkim događajima i fragmentacijom DNK (Broughton et al., 2009). Ovaj put se naziva apoptotički put ovisan o kaspazi. Drugi put ćelijske smrti, apoptoza nezavisna od kaspaze, može se aktivirati kada stanična energija ponestane (Daugas et al., 2000). Poli (ADP-riboza) polimeraza-1 (PARP-1) je nuklearni enzim koji se nalazi uzvodno od puta (Yu et al., 2002).

Oštećenje DNK izazvano ROS-om može izazvati prekomjernu aktivaciju PARP-1, u kojoj se koristi NAD plus, čime se iscrpljuje skladište energije. Yu et al. (2002) su također otkrili da aktivacija PARP-1 može dovesti do oslobađanja njegovog nizvodnog ciljnog faktora koji indukuje apoptozu (AIF, mitohondrijski flavoprotein) iz mitohondrijske intermembrane u jezgro, uzrokujući kondenzaciju kromatina i fragmentaciju DNK velikih razmjera . Studije su pokazale da AIF nema direktan efekat fragmentacije DNK (Susin et al., 1999; Wang et al., 2002). Stoga mu je vjerovatno potreban nizvodni efektor tokom ovog procesa. Studije su sugerirale da bi endonukleaza G mogla stupiti u interakciju s AIF-om i uzrokovati fragmentaciju DNK (Wang et al., 2002; Lee et al., 2005), iako je njihova interakcija još uvijek nejasna. PARP{10}}indukovana ćelijska smrt je jedinstveni put ćelijske smrti. Općenito pokazuje karakteristike apoptoze, a neki istraživači je također smatraju nekrotičnom jer je klasična apoptoza energetski zavisna (Ha i Snyder, 1999).

TMozak je podložan I/R povredama

I/R ozljeda se može pojaviti u mnogim organima i tkivima, uključujući mozak, srce, skeletne mišiće i bubrege. Neke zajedničke karakteristike dijele I/R ozljede u ovim područjima, uključujući povećanu proizvodnju ROS, preopterećenje kalcijem, upalu i otvaranje mPTP. Ipak, karakteristike specifične za organ mogu uticati na ozbiljnost I/R ozljede u različitim organima. Mozak, organ u kojem dolazi do nepovratnog oštećenja unutar 20 minuta nakon ishemije i uzak vremenski okvir (obično 3-4,5 h) može se dati za reperfuzijsku terapiju, smatra se vrlo osjetljivim na I/R ozljedu (Ordy et al., 1993.) .

ROS u mozgu se uglavnom stvara iz mitohondrija, a ne iz drugih enzimskih izvora ROS kao metabolički aktivnog područja. Na mozak otpada više od 20 posto ukupne tjelesne potrošnje kisika, ali s relativno niskim nivoom antioksidativnog agensa u usporedbi s drugim organima, što ga čini osjetljivim na oksidativni stres (Markesbery i Lovell, 2007; Damle et al., 2009; Kalogeris et al. , 2012). Štaviše, akumulirano labilno gvožđe u mozgu može da reaguje sa H2O2 i proizvede visoko reaktivno •OH. Ova reakcija stimulira oksidaciju i peroksidaciju masivno akumuliranih polinezasićenih masnih kiselina u mozgu, uzrokujući još veći oksidativni stres (Ferretti et al., 2008). Zbog osjetljivosti mozga na I/R ozljedu, pronalaženje ciljeva za sprječavanje reperfuzijske ozljede mozga je značajno u liječenju moždanog udara.

Produženje terapijskog vremenskog okvira kod ishemijskog moždanog udara: odgođena rekanalizacija

Uspješna rekanalizacija okludirane žile što je prije moguće je široko prihvaćena kao vitalni princip liječenja AIS-a. Nažalost, dugi niz godina većina pacijenata sa AIS-om je bila spriječena da primi efikasnu terapiju rekanalizacije zbog uskog terapijskog prozora. Posljednjih godina, serija kliničkih ispitivanja pokazala je da odgođena rekanalizacija i dalje može imati koristi u ishemijskom mozgu tokom proširenog terapijskog perioda, do više od 24 sata, nekoliko dana, pa čak i više od 1 mjeseca nakon pojave simptoma [Recenzirao Kang et al. (2020)]. Klinički, napredak u tehnikama snimanja omogućio je bolju karakterizaciju moždanog tkiva i statusa krvnih žila u AIS-u. Markeri ishemije mozga daju se instrukcijama perfuzijsko-ponderisane slike/difuzijsko-ponderisane slike (PWI/DWI) i DWI/tečno oslabljene inverzije (DWI/FLAIR) neusklađenosti na magnetnoj rezonanciji (MRI).

MRI skeniranje sa PWI ili kompjuterizovana tomografija (CT) perfuzijsko skeniranje (CTP) pokazuje različite nivoe hipoperfuzije. S obzirom na ovaj razvoj, zajedno s napretkom intravaskularnih interventnih uređaja, moguće je proširenje vremenskog okvira rekanalizacije kod određenih pacijenata. Sve veći broj randomiziranih studija je pokazao da odgođena rekanalizacija ima blagotvorne efekte na 90-dnevne ishode. Dva visokokvalitetna, randomizirana kontrolirana klinička ispitivanja (DAWN i DEFUSE 3) endovaskularne mehaničke trombektomije objavila su da je selektivna odgođena rekanalizacija zasnovana na neusklađenosti slike poboljšala 90-dnevne ishode pacijenata, čak i kada je obavljena 16-24 h nakon pojave simptoma (Ragoschke-Schumm i Walter, 2018). Ukratko, uprkos riziku od I/R ozljede, koji se može povećati s odgođenim vremenom za rekanalizaciju, odgođena rekanalizacija je i dalje korisna za određeni podtip pacijenata.

Cistanche neuroprotektivni efekat

Cistanche je biljni ekstrakt poznat po svojim neuroprotektivnim svojstvima, a vjeruje se da njegov mehanizam djelovanja uključuje antioksidativno, protuupalno i antiapoptotičko djelovanje. Postoji nekoliko relevantnih testova i slučajeva primjene koji se odnose na neuroprotektivne učinke Cistanchea, koji uključuju:

1. In vitro studije: In vitro studije su pokazale da ekstrakt Cistanchea štiti neurone od oštećenja izazvanog stresom smanjujući oksidativni stres i upalu.

2. Studije na životinjama: Studije na životinjama su pokazale da Cistanche može zaštititi od oštećenja neurona uzrokovanih cerebralnom ishemijom, traumatskom ozljedom mozga i izlaganjem neurotoksinima.

3. Studije na ljudima: Postoje ograničeni klinički dokazi o neuroprotektivnim efektima Cistanchea kod ljudi, ali neke studije sugeriraju da može poboljšati kognitivne funkcije i smanjiti opadanje pamćenja uzrokovano godinama.

Luoan Shen1†, Qinyi Gan1†, Youcheng Yang1, Cesar Reis2, Zheng Zhang1, Shanshan Xu3, Tongyu Zhang4 * i Chengmei Sun1,3 *

1 Univerzitet Zhejiang-Univerzitet Edinburgh Institut, Medicinski fakultet, Univerzitet Zhejiang, Haining, Kina,

2 VA Loma Linda Healthcare System, Univerzitet Loma Linda, Loma Linda, CA, Sjedinjene Američke Države,

3 Institut za napredne studije, Univerzitet Shenzhen, Shenzhen, Kina, 4 Odsjek za neurohirurgiju, bolnica Xuanwu, Capital Medical University, Peking, Kina