Šta su endogeni mehanizmi neuroprotekcije?
Mar 23, 2022
Kontakt:joanna.jia@wecistanche.com/ WhatsApp: 008618081934791
cistanche prednosti mogu pomoći u neuroprotekciji
Sara Marmolejo-Martinez-Artesero 1 , Caty Casas 1,† i David Romeo-Guitart1,2,*
1 Odsjek za ćelijsku biologiju, fiziologiju i imunologiju, Institut de Neurosciences (INc),
Universitat Autonoma de Barcelona (UAB), Bellaterra, 08193 Barcelona, Španija; Sara.Marmolejo@uab.cat
2 Laboratorija "Hormonalna regulacija razvoja i funkcija mozga"—Tim 8, Institut Necker Enfants-Malades (INEM), INSERM U1151, Université Paris Descartes, Sorbonne Paris Cité,
75015 Pariz, Francuska
* Prepiska: david.romeo-guitart@inserm.fr; Tel.: plus 33-01-40-61-53-57 † Umro 29. juna 2020.
Abstract: Postmitotične ćelije, poput neurona, moraju živjeti cijeli život. Iz tog razloga, organizmi/ćelije su evoluirali sa mehanizmima samopopravljanja koji im omogućavaju dug život. Tok otkrivanja neuroprotektora u posljednjih nekoliko godina fokusiran je na blokiranje patofizioloških mehanizama koji dovode do gubitka neurona u neurodegeneraciji. Nažalost, samo nekoliko strategija iz ovih studija uspjelo je usporiti ili spriječiti neurodegeneraciju. Postoje uvjerljivi dokazi koji pokazuju da podržavanje mehanizama samoizlječenja koje organizmi/ćelije endogeno imaju, koji se obično naziva ćelijska otpornost, može naoružati neurone i potaknuti njihovo samoizlječenje. Iako se pojačavanju ovih mehanizama još nije posvećivala dovoljna pažnja, ovi putevi otvaraju nove terapeutske puteve za sprječavanje neuronske smrti i poboljšanje neurodegeneracije. Ovdje ističemo glavne endogene mehanizme zaštite i opisujemo njihovu ulogu u promicanju preživljavanja neurona tokom neurodegeneracije.
Ključne riječi: autofagija; ćelijska otpornost; endogeni mehanizmi; neuroprotekcija; preživljavanje neurona; nesavijeni proteinski odgovor
1. Neurodegenerativni procesi
Sa povećanjem očekivanog životnog vijeka u razvijenim zemljama, vjerovatno će se povećati učestalost neurodegenerativnih bolesti kao što su Alchajmerova bolest (AD), Parkinsonova bolest (PD) ili Huntingtonova bolest (HD), ili opadanje rada našeg nervnog sistema povezano sa starenjem. Iako postoji nekoliko dokaza koji ukazuju na to da ove patologije imaju neuronske, astroglijalne i mikroglijalne komponente, pad svakodnevnih funkcija uzrokovan je progresivnim gubitkom neurona. Zbog malog obrta, neuroni su postmitotične ćelije koje moraju živjeti cijeli život. Iz tog razloga im je potrebna moćna intrinzična zaštitna mašinerija da se izbore sa vanjskim i unutrašnjim uvredama, koje će uzrokovati njihovu smrt. Ove vanjske/unutrašnje opasnosti su traumatske ozljede ili ekscitotoksična jedinjenja, reaktivne vrste kisika (ROS), proteinski agregati i drugi toksični molekuli. Na sreću, ćelije imaju intrinzičnu mašineriju koja blokira smrt aktiviranjem mehanizama otpornosti ili promicanjem puteva regeneracije. Dok mladi neuroni pravilno funkcionišu ovih zaštitnih mehanizama samoizlječenja, starenje ih ometa, ostavljajući neurone nezaštićenima. U istom pravcu, disfunkcionalnost ovih mehanizama samoizlječenja opisana je i kod neurodegenerativnih bolesti.
Poslednjih decenija uloženi su ogromni napori u dobijanje novih i efikasnih neuroprotektivnih terapija. Međutim, oni su usmjereni na patofiziološke mehanizme, što se na kraju pretvara u ubrzanje odumiranja neurona. Stoga, zašto ne pojačati mehanizme koje neuroni prirodno imaju da bi dobili efikasan neuroprotektivni pristup?
Ova zaštitna mreža je vođena unakrsnim preslušavanjem različitih ćelijskih procesa (tj., nesavijeni proteinski odgovor (UPR), autofagija, itd.), ali se oni konvergiraju u isti proces: omogućavajući ćeliji da se prilagodi stresu i preživi [1–3] . Nedavno smo razmotrili novi razlog za otkrivanje neuroprotektora: dešifrirati koje molekularne mehanizme neuroni uključuju nakon dvije različite ozljede živaca sa suprotnim fenotipovima, preživljavanjem ili smrću, koji dijele sličnosti sa zdravljem i neurodegeneracijom/starenjem. Da bismo to učinili, koristili smo dva in vivo modela ozljede perifernih živaca koji oponašaju funkcionalnost ili disfunkcionalnost endogenih mehanizama zaštite. Oni provociraju ili smrt motoneurona (MN) (avulzija korijena (RA)) ili preživljavanje (distalna aksotomija (DA)), ovisno o udaljenosti soma–povreda [2]. Uz pomoć ovih modela i koristeći pristup baziran na sistemskoj biologiji, potvrdili smo da smrt MN nakon RA dijeli sličnosti s gubitkom neurona uočenim kod neurodegenerativnih bolesti, a također smo opisali koje mehanizme koriste MN da prežive nakon ozljede živca. [2]. Degenerativni procesi su apoptoza, nekroza, anoikis, stres endoplazmatskog retikuluma (ER), nukleolarni stres, preuređenje citoskeleta i mitohondrijska disfunkcija, dok su pokretači preživljavanja: ispravan UPR, odgovor na toplotni šok, autofagni put, ubikvitin. proteasomski sistem, sistem šaperona, mašinerija za razgradnju povezana sa ER i antioksidativna odbrana (Tabela 1). Zanimljivo je da su svi ovi mehanizmi posebno opisani prije nekoliko godina i nazvani su ozljedama prije kondicioniranja (vidi dolje).
Tabela 1. Sažetak proteina uključenih u svaki endogeni mehanizamneuroprotekcija, uključujući molekularni mehanizam kojim su posredovani njihovi efekti.
Pokazali smo da jačanje ovih endogenih mehanizamaneuroprotekcijakroz farmakološki tretman omogućava MN da preživi u različitim scenarijima za smrt, u rasponu od različitih vrsta do različitih faza razvoja [23,54,55].
2. Prvi dokaz o endogenim mehanizmima: predkondicioniranje
Fenotipski efekti endogenih mehanizama zaštite opisani su prije 40 godina. Godine 1986. Murry et al. opisao je da subletalni fiziološki stres, također poznat kao ozljeda predkondicioniranja, pospješuje oporavak tkiva u srcu [56]. Odavde su ovi mehanizmi zacjeljivanja također uočeni u mozgu i kičmenoj moždini (SC) [57]. Na primjer, ovi ćelijski odgovori se primjećuju nakon ozljede živca ili tokom regeneracije srca, gdje proizvodnja ROS, odnosno ekstracelularnih vezikula, pokreće funkcionalni oporavak [58–60]. Iznenađujuće, predkondicioniranje određenog organa pruža zaštitu drugima od povreda [61]. Nekoliko specifičnih efektora je odgovorno za ove efekte. Nakon pretkondicioniranja ozljede, proizvodnja različitih medijatora (dušikov oksid ili ROS) će aktivirati signalne puteve fosfatidilinozitol 3-kinaze (PI3K)/protein kinaze B (AKT), protein kinaze C (PKC) i druge signalne puteve koji će modulirati faktore transkripcije kao što je faktor izazvan hipoksijom 1-alfa (Hif1- ) ili NF-kB. Ovo će rezultirati proizvodnjom sintaza dušikovog oksida (iNOS), proteina toplotnog šoka (HSP) i ciklooksigenaze-2 (COX-2), koje su opisane kao "krajnji efektori", i promovirat će zaštitni efekat unutar tkiva od budućih uvreda [61]. Zajedno, ove studije sugeriraju da organizmi/ćelije imaju endogene zaštitne mehanizme, a njihovo jačanje može biti efikasna terapijska strategija.
3. Endogeni mehanizmi neuroprotekcije
3.1. Autofagija finog podešavanja
Neuroni zahtijevaju kontinuirano recikliranje unutarćelijskih materijala kako bi održali homeostazu. Makro-autofagija, u daljem tekstu autofagija, je visoko koordinirana molekularna mreža u eukariotskim ćelijama koja nastoji da reciklira citoplazmatski sadržaj kroz lizozomsku degradaciju. Iako je ovaj mehanizam degradacije u početku opažen samo u stanju gladovanja, nedavne studije su pokazale da ćelije imaju bazalni nivo autofagije da regulišu homeostazu proteina. Ovi bazalni nivoi su neophodni za održavanje aksona i opstanak neurona u normalnim uslovima [62,63]. Funkcionalni autofagični fluks je proces visoko koordiniran različitim genima povezanim s autofagijom (ATG), kinazama i drugim regulatornim proteinima. Svi oni rade zajedno kako bi orkestrirali ispravnu inicijaciju, nukleaciju, elongaciju, zatvaranje i fuziju autofagosoma sa lizosomima kako bi degradirali citosolno opterećenje [64]. Smanjen protok autofagije se uočava u hipokampusu tokom starenja, dok ponovno uspostavljanje njegovih nivoa olakšava formiranje novih sjećanja [65]. Oštećena ili disfunkcionalna autofagija u neuronima povezana je s neurodegeneracijom, dok aktivacija autofagije proizvodineuroprotekcija[5,54]. Kod amiotrofične lateralne skleroze (ALS) uočene su promjene u proteinima koje se odnose na početnu fazu i fazu elongacije [66,67], a induktori autofagije, kao što je rapamicin, djelujuneuroprotekcijanakon cerebralne ishemije, traumatske ozljede mozga (TBI) i AD [68–70]. Neuron-specifični nokaut (KO) ATG5 ili ATG7 uzrokuje neurodegeneraciju, nakupljanje citoplazmatskih inkluzijskih tijela i smrt neurona [62,71], dok je njihova prekomjerna ekspresija korisna u modelu PD [4]. Konačno, p62, koji upravlja nabojem u autofagosomu i igra ključnu ulogu u kasnim fazama formiranja autofagosoma, je neuroprotektivan u modelima muva koje karakteriziraju proteinski agregati, što je obilježje neurodegenerativnih bolesti [6].
Nekoliko studija je pokazalo nakupljanje autofagosoma i autolizosoma tokom neurodegeneracije, što sugerira da je autofagija pretjerano aktivirana i može izazvati smrt neurona. Aberantna akumulacija autofagnih procesa u citoplazmi može biti uzrokovana lizozomskom disfunkcijom, a ne pretjerano aktiviranom autofagijom [72]. Autofagija se pravilno započinje nakon TBI, ali se autofagosomi ne eliminiraju zbog lizosomske disfunkcije, što dovodi do neriješene autofagije koja potiče neuronsku smrt [73]. Ovi nefunkcionalni lizozomski putevi se također vide nakon ozljede kičmene moždine (SCI), što ometa funkcionalni oporavak [74]. Slična blokada u čišćenju autofagosoma opisana je i kod neurodegenerativnih bolesti (tj. ljudski mozak AD) [75]. Integracija svih ovih dokaza sugerira da poboljšanje rezolucije autofagije može donijeti zaštitu. Platt je nedavno istakao terapeutski put poboljšanja funkcije lizosomalnih proteina kako bi se spriječila neurodegeneracija [76]. Prekomjerna ekspresija transkripcionog faktora EB (TFEB), koji modulira transkripcionu mrežu esencijalnu za biogenezu i funkciju lizosoma, promovirala je neuroprotektivne efekte u modelu PD kod pacova [7] i AD modelu miševa [8].
Indukcija autofagije nije tako dobra koliko bismo željeli. Iako je to kanonski zaštitni mehanizam, njegova mašinerija ili prekomjerna aktivacija mogu olakšati ćelijsku smrt [77,78]. Inhibicija autofagije nakon izlaganja ljudskim prionima smanjuje oštećenje neurona, što ukazuje da indukcija autofagije također dovodi do smrti [79], a smanjena inicijacija autofagije potiče funkcionalni oporavak nakon SC hemisekcije, sprječava apoptozu i smanjuje piramidalnu smrt nakon ishemije u novorođenčadi i odraslih miševa. [80–82]. Ako se fokusiramo na aksotomizirane neurone, blokirajuća autofagija je neuroprotektivna za rubrospinalne [80], dok povećanje nivoa ATG5 štiti spinalne MN [5]. Dodatna kontroverza, ćelije raka liječene kemoterapijom aktiviraju autofagiju kako bi prevladale apoptotičku smrt uzrokovanu liječenjem, dok MN-ovisna autofagija inhibira apoptozu [54]. Osim toga, ATG također izazivaju neuronsku smrt. ATG5 gubi svoje pro-autofagične sposobnosti kada se cijepa, pomjerajući svoju aktivnost prema indukciji ćelijske smrti [83-85]. Beclin1 ima anti-apoptotičke efekte u normalnim uslovima, ali njegovo cepanje na C-terminusu senzibilizira ćelije na apoptotske signale [9]. Stoga postoji preslušavanje između oba ćelijska procesa i ćelije ih mogu preusmjeriti kako bi povećale svoje šanse za preživljavanje kako bi se nosile s uvredom [83].
Dakle, za šta je važnoneuroprotekcija? Pojačati ili blokirati autofagiju? Fino podešavanje je odgovor [86]. Indukcija fino podešene autofagije daje korisne efekte (i) uklanjanjem nefunkcionalnih proteina/organela, (ii) omogućavajući ćeliji da se ponovo prilagodi novoj situaciji i (iii) degradirajući štetne efekte kao što su upale ili apoptotički induktori [87] 88], koji posreduju u odumiranju neurona. Međutim, ova autofagija se mora aktivirati u vrlo određenom vremenskom periodu, izbjegavajući pretjeranu degradaciju koja provocira ćelijsku smrt.
Konačno, autofagija također ima nekanonske/degradativne funkcije, kao što je modulacija upalnog odgovora, formiranje novih sjećanja [65], održavanje sinaptičke homeostaze [89] i transport tereta unutar ćelije [90]. . Dakle, njegovo potpuno blokiranje će dovesti do nepovratnog oštećenja nervnog sistema i/ili neurona.
cistanche deserticola koristi: može pomoći kod neuroprotekcije
3.2. Rješavanje seksi dijela nerazvijenog proteinskog odgovora
Neuroni su izuzetno osjetljivi na pogrešno savijene proteine i agregate. ER je odgovoran za ćelijsku proteostazu, koja je sinteza, savijanje i sortiranje proteina. Svaka promjena u njegovoj sposobnosti dovest će do nakupljanja pogrešno savijenih proteina, izazivanja ER stresa i aktiviranja ER-preopterećenja odgovora (ERO), ER-povezanih puteva degradacije (ERAD) ili UPR-a, koji je visoko konzervirani ćelijski odgovor. Promjene u distribuciji i morfologiji ER i UPR uočene su kod neurodegenerativnih bolesti [91–93] i kada je neuron izoliran nakon ozljede živca [16,94]. Vezujući imunoglobulinski protein (BIP), također poznat kao GRP78, je ER-rezidentni pratilac koji je glavni senzor UPR-a. U neaktivnom stanju, BIP ostaje vezan za tri ma-
jor UPR efektori: RNK-aktivirana protein kinaza slična ER kinazi (PERK) koja inducira C/EBP homologni protein (CHOP), protein -1 alfa koji zahtijeva inozitol (IRE1), koji spaja X-box vezujući protein 1 (Xbp1) mRNA, i faktor aktiviranja transkripcije-6 alfa (ATF6) [95,96]. Kada BIP detektuje pogrešno savijene proteine, ovi pretvarači se aktiviraju i pokreću promene u ekspresiji gena specifičnih proteina (tj. pratioci, transkripcioni faktori) sa ciljem povećanja sposobnosti ćelije da pravilno savija proteine modulacijom ekspresije gena, poboljšavajući uklanjanje pogrešno savijenih proteina. klirens proteina, ili inhibiranje sinteze proteina, omogućavajući ćeliji da se prilagodi stresu i preživi [97]. Kao dokaz koncepta, prekomjerna ekspresija BIP-a u dopaminskim neuronima povećava njihov opstanak, dok njegova regulacija dovodi do smrti nigralnih dopaminskih neurona [10]. Osim toga, BIP plus / − miševi pokazuju ubrzanu propagaciju prionske patogeneze [98]. Sve u svemu, UPR modulacija može imati zaštitne efekte na neurodegeneraciju [94], kao što je nedavno recenzirala naša grupa [99]. UPR aktivacija je rani događaj u neurodegenerativnim bolestima, a njena precizna modulacija ima blagotvorne efekte na progresiju patologije [100,101]. Iako UPR može djelovati kao endogeni mehanizam zaštite stanica, njegova (pre)aktivacija potiče apoptozu [102] (tj. PERK os ima pro- ili anti-apoptotičke sposobnosti [91]). Osim toga, nedavni dokazi sugeriraju da će različite perturbacije ER-a različito aktivirati 3 grane UPR-a, što ukazuje da njihova koordinirana koaktivacija nije uvijek prisutna.
Stoga, ćelija ima poseban program da odgovori na određenu uvredu. Na primjer, blokada CHOP ili prekomjerna ekspresija Xbp1 povećava preživljavanje neurona nakon ozljede živca, što ukazuje da svaka grana ima različite uloge u smrti neurona [16].
cistanche in hindi herba može pomoći u neuroprotekciji
Rana aktivacija PERK-a nakon ozljede mozganeuroprotekcija, dok trajna signalizacija kroz ovaj put pogoršava gubitak ćelija [11]. Prekomjerna ekspresija ili farmakološka PERK aktivacija smanjuje Tau patologiju [12], dok sprječavanje njegove trajne aktivacije smanjuje neuronsku smrt [13] i poboljšava pad pamćenja usljed starenja [14]. Inhibicija PERK u astrocitima odgađa gubitak neurona u modelu prionske bolesti in vivo. Zanimljivo je da PERK aktivacija u astrocitima remeti sekretom, mijenjajući njegovu sinaptogenu funkciju i uzrokujući sinaptički gubitak [15]. Isti autori su opisali da su glavni nizvodni mehanizmi uključeni u ovaj štetni učinak PERK-a putevi adhezije ekstracelularnog matriksa-ćelije, koji poprečno povezuju UPR sa anoikisima (vidi dolje, Odjeljak 3.4). Nivoi aktiviranja faktora transkripcije 5 (ATF5) direktno zavise od aktivacije PERK/eukariotskog faktora inicijacije translacije 2a (eIF2a). ATF5 je direktno povezan s onim neuronima koji su otporniji na smrt kod ljudske epilepsije [26]. Međutim, naknadne posljedice ovih efekata nisu tako jasne. ATF5 inducira ekspresiju dva anti-apoptotička efektora (vidi dolje), B-ćelijskog limfoma 2 (Bcl-2) i induciranog proteina diferencijacije ćelija mijeloične leukemije (Mcl-1) [103], koji će inhibirati apoptoza. ATF5 također modulira mehaničku metu rapamicina (mTOR) u ne-neuronskim tkivima, koji je glavni modulator autofagije, međusobno povezujući UPR i autofagiju.
Aktivacija IRE1 ublažava zatajenje jetre [17], a njegov nizvodni efektor Xpb1 promovira zaštitu srca [18],neuroprotekcijau AD, u PD i nakon moždanog udara [19–21]. Zapanjujuće je da je studija dijabetičke i ishemijom izazvane retinopatije pokazala da su zaštitni efekti UPR posredovani Xbp1 [22]. Ipak, hronična aktivacija grane IRE1 će dovesti do fosforilacije faktora 2 (TRAF2) povezanog sa faktorom nekroze tumora-a (TNF-), izazivajući apoptotičku ćelijsku smrt na različite načine [104–106]. Ektopična prekomjerna ekspresija Ire1 će dovesti do neuronske smrti zavisne od autofagije u modelu PD Drosophila [107]. Stoga, prilagođena modulacija IRE1 -Xbp1 tokom određenog prozora može imati zaštitu [108].
Nedavno smo opisali da NeuroHeal farmakološki tretman ili prekomjerna ekspresija sirtuina1 (SIRT1) indukuje preživljavanje MN nakon ozljede živca i povećava prisustvo cijepanog ATF6 uz smanjenje fosforilacije IRE1 [23]. Farmakološka aktivacija ATF6 izaziva zaštitu kod različitih modela ishemije aktiviranjem proteostaze [24], a blokada ovog transkripcionog faktora ima štetne efekte. Detaljno, ATF6 modulira ekspresiju proteina vezanih za antioksidativni odgovor, modulirajući ROS hormezu [109]. Prisilna ekspresija ATF6 poboljšava funkcionalni ishod nakon moždanog udara, a autori sugeriraju da ovaj učinak može biti posredovan indukcijom autofagije [25].
Dakle, što je terapeutski zanimljivo, aktiviranje ili ublažavanje UPR-a? Aktivacija određenih grana UPR-a je ključna tačka. Precizna aktivacija UPR-a može promovirati zaštitne efekte pomažući ćeliji da obnovi proteostazu. Ipak, ovaj koncept treba uzeti s oprezom jer ako stres potraje i proteostaza se ne obnovi, UPR pokreće neuronsku apoptozu koju posreduje PERK ili IRE1 grana [110]. Osim toga, UPR je također povezan s autofagijom i obrnuto. BIP posreduje u autofagnom odgovoru, promovišući preživljavanje neurona [111]. Na kraju, 3 grane UPR moduliraju transkripciju ATG-a [112], sugerirajući zamršenu vezu između oba ćelijska procesa.
3.3. Apoptoza "Ne danas".
Apoptoza je programirana ćelijska smrt zavisna od kaspaze (PCD) koja održava integritet ćelijske plazma membrane i organela [113]. Njegova disregulacija je uzrok mnogih karcinoma, neurodegenerativnih ili upalnih patologija. Smrt izazvana kaspazom je visoko kontrolisan proces koji zahteva koordiniranu aktivaciju nekoliko igrača da izazove konačnu ćelijsku smrt [114]. Obilježja smrti nalik apoptozi nalaze se u modelima miševa amiotrofične lateralne skleroze (ALS), AD ili PD, iako je nejasno da li je to konačni izvršilac neuronske smrti [115]. Tokom evolucije, ćelije su razvile nekoliko mehanizama za sprečavanje njihove smrti kada je to nepotrebno ili za izbegavanje preranog PCD-a. Ćelije pokreću efikasnu apoptotičku smrt samo kada ih ravnoteža između pro- ili anti-apoptozne mašinerije gura ka smrti. Na osnovu naših in vivo modela, uočili smo da RA indukuje apoptotičke puteve, ali i one anti-apoptotičke, a njihova ravnoteža dovodi do alternativne i nepoznate smrti koja nije klasična apoptoza [2]. Posljednje publikacije iz ove oblasti sugeriraju da kaspaze također djeluju tako što remodeliraju nervni sistem bez promicanja ćelijske smrti [116], a njihova aktivnost ovisi o njenom subćelijskom položaju. Stoga, aktivni oblici kaspaza koji se nalaze u neurodegenerativnim tkivima mogu imati ulogu koja nije povezana sa smrću, a konačna smrt neurona je putem drugih fatalnih mehanizama.
Apoptoza se može spriječiti anti-apoptotičkim putevima, koje pokreću tri porodice proteina: FLICE-inhibicijski proteini, Bcl-2, i inhibitori proteina apoptoze (IAP). IAP-ovi vršeneuroprotekcijau modelu ishemije [27] ili izbjeći smrt MN nakon ozljede nerva tokom neonatalnih faza [28]. Pretpostavlja se da su IAP odgovorni za blokadu neuronske smrti nakon aksotomije u odrasloj dobi [29]. U istom pravcu, posttranslaciona modifikacija X-vezanog IAP (XIAP), koja blokira njegovu funkciju anti-kapaze 3, opisana je kao doprinos patogenezi PD [117].
Ishemijsko predkondicioniranje, koje djelomično smanjuje štetne efekte ishemije, djeluje kroz IAP i omogućava stanicama da prežive nakon aktivacije kaspazne kaskade [30]. IAP takođe posreduju u pro-preživljavnom efektu neurotrofnog faktora koji potiče od glijalnih ćelija (GDNF) na MN nakon neonatalne aksotomije [28]. Drugi molekularni putevi koji izbjegavaju ćelijsku smrt modulacijom pro-apoptotičkih proteina su kinaze regulirane ekstracelularnim signalom (ERK) i AKT. U tom smislu, AKT put je opisan kao igrač za preživljavanje blokiranjem apoptoze [31]. AKT inhibira induktor apoptoze p53 promovišući njegovu degradaciju i stoga blokira njegove pro-apoptotičke sposobnosti [32-34]. Inače, kaspaze su u stanju da inhibiraju AKT njegovim cepanjem, što ukazuje na fino podešenu modulaciju preživljavanja i smrti ćelije [118]. S druge strane, aktivnost AKT fosforiliše transkripcione faktore proteina Forkhead box proteina O (FOXO). Oni su povezani sa apoptozom [119] i njihova modifikacija dovodi do povećanja preživljavanja ćelija [35]. AKT-ovisna fosforilacija FOXO-a izbjegava njihov ulazak u jezgro, sprječavajući indukciju pro-apoptotičkih gena kao što je Bcl-2- medijator ćelijske smrti (BIM) ili Bcl-2 interakcija od devetnaest kilodaltona protein 3 (Bnip3) [119–121]. S druge strane, posttransdukcione modifikacije FOXO-a fino podešavaju svoju transkripcionu mrežu unutar ćelije, pomerajući je ka indukciji autofagije umesto apoptoze [54,121–123]. Stoga je specifična modulacija porodice FOXO novi put za promociju neuronskog preživljavanja inhibiranjem apoptoze [54,124].
Konačno, neuronska aktivnost je također promotor anti-apoptoze putem regulacije anti-apoptotičkih gena zavisnih od NMDA [125,126]. Neki od ovih pojačano reguliranih gena omogućavaju mitohondrijima da postanu otporniji na stres [126], pomažući ćeliji da preživi uvredu.
3.4. Ponovno pričvršćivanje pomoću Anti-Anoikisa
Interakcija između ćelije i ekstracelularnog matriksa (ECM) je neophodna za njegovu ispravnu funkcionalnu integraciju unutar tkiva. Kada se ovo unakrsno preslušavanje izbjegne, ćelija umire kroz PCD nazvan anoikis, koji dijeli puteve sa apoptozom. Zanimljivo je da slom intrinzičnih anoikis programa daje malignitet tumorskim ćelijama, dajući im dovoljno ćelijske otpornosti da pobjegnu i ponovo se vežu na druga tkiva bez umiranja [127,128]. Glavni efektori ovih interakcija su proteini integrina, koji se formiraju kombinacijom i podjedinica. Ova kombinacija će odrediti specifičnost liganda i intracelularnu signalizaciju. ECM signali se prenose do neurona preko integrina, koji su neophodni za oblik ćelije, preživljavanje, pokretljivost, proliferaciju, razvoj, neuronsku povezanost i sinaptičku plastičnost [129]. Integrini su takođe važni za intracelularnu signalizaciju faktora rasta [130], koji su dobro poznati modulatori neuronskog preživljavanja blokiranjem mehanizama za smrt. 1 integrinska podjedinica je neophodna za interakciju ćelije i ECM, a njena blokada je dovoljna da pokrene anoikis [36] i neuronsku apoptozu [131]. Osim toga, intracelularna signalizacija ove podjedinice povezana je sa preživljavanjem ganglijskih ćelija retine [132], a njihovi defekti su prisutni u neurodegenerativnim poremećajima [133].
Bez obzira na to, ćelije su razvile anti-anoikis potprograme za suzbijanje smrti, koju iniciraju tirozin kinaze, male GTPaze [128], NF-kB [134], PI3K/AKT, protoonkogena tirozin-protein kinaza (Src) ili ERK osi i autofagijom [135,136]. NF-kB modulira anti-anoikis pokretanjem anti-apoptotičkih proteina kao što su Bcl-2 i IAP- 1 [135], dok je uloga PI3K/AKT-a u preživljavanju ćelija naširoko dokumentovana i doprinosi preživljavanju diferenciranih ćelija [36,37]. Odvajanje ECM-a također inducira autofagiju, što je samozaštitni mehanizam koji vodi do zaobilazne apoptoze [135]. Ovi dokazi ponovo ukazuju na zamršenu mrežu između samozaštitnih mehanizama.
Anoikis je takođe prisutan kod neuronske smrti nakon TBI zbog povećanja matriksne metaloproteinaze (MMP) koja uništava ECM proteine [137]. Ekspresija i nivoi MMP-a su modifikovani nakon neurotraume i imaju različite uloge u degeneraciji aksona, formiranju glijalnih ožiljaka i sinaptičkom remodeliranju. Što se tiče preživljavanja neurona, inhibicija MMP9 ima zaštitne efekte kod cerebralne ishemije smanjenjem degradacije laminina [38]. MMP su također uključeni u neurodegeneraciju [138]. Nedavne studije su opisale da inhibicija MMP9 ima zaštitne efekte na motoričku jedinicu iz ALS modela miševa [39,40] i AD modela [41]. Stoga će tretmani za inhibiciju specifičnih MMP indirektno održavati anti-anoikis program unutar neurona, olakšavajući njegov opstanak.
3.5. Citoskelet i motorni transporteri
Neuronski citoskelet se sastoji od tri različita strukturna kompleksa: mikrotubula (MT), srednjih filamenata (IF) i aktinskih mikrofilamenata. Imaju različite ćelijske funkcije: MT reguliše dinamiku neurita i dendrita [139], aktin je zadužen za morfologiju ćelije [140], a IF pokreće mehaničku stabilnost strukture citoskeleta [141]. Defekti strukturnih kompleksa uočeni su kod neurodegenerativnih bolesti, kod perifernih neuropatija, kod sinaptičke disfunkcije i dovode do zrelog gubitka kralježnice [141–146].
Dinamika MT-a je visoko kontroliran proces, a njegova neravnoteža može imati razorne posljedice po preživljavanje neurona ili performanse aksona [142], dok njegova stabilizacija blokira neuronsku smrt [147] i ubrzava rast aksona u centralnom nervnom sistemu [148]. Detaljnije, citoskeletne strukture su željeznice, dok su kinezin i dinein motorni proteini vlakovi koji prenose teret anterogradnim, odnosno retrogradnim transportom. Stoga su motorni kompleksi također neophodni za opstanak neurona. Porodicu kinezina formiraju članovi kinezina-1 (istorijski nazvani KIF5c) i kinezina-3 (KIF1A, KIF1B i KIF1B) [149]. KIF5c je obogaćen MN [150], a njegova genetska ablacija je povezana sa MN bolestima i paralizom [149,151]. Nedavno je uključen u patogenezu ALS-a [152]. Oštećenje njegove interakcije sa MT dovodi do degeneracije aksona i naknadne smrti neurona [153]. Poremećaj KIF5c dovodi do poremećaja mitohondrijalne dinamike, što rezultira preživljavanjem ili smrću neurona ovisno o podražaju. Štaviše, KIF5c fino podešava mitohondrijalnu funkciju, pretvarajući se u ćelijsko zdravlje (vidi dolje, odjeljak 3.6.) [42], a njegova modulacija može promoviratineuroprotekcija. Proteinski agregati, kao što je amiloid, imaju štetan uticaj na stabilnost KIF5a, što dovodi do poremećaja kretanja mitohondrija i funkcije dobrog stanja [154].
Retrogradni proteini također djelujuneuroprotekcija. Oni su dineini i multiproteinski kompleksi formirani od različitih proteina, pri čemu je p150glue (dynactin1/DCNT1) najzastupljenija podjedinica. Disfunkcionalna dinaktinska podjedinica 1 (DCTN1) korištena je kao model ALS miševa, a njena mutacija uzrokuje neispravan aksonski transport koji dovodi do fenotipa sličnog ALS-u kod miševa [155,156]. KO miševi pokazuju smrt MN zavisnu od starosti, koja je praćena blokadom autofagije [157]. DCTN1 ima jasnu ulogu u transportu autofagnih vakuola unutar neuronskog tijela, a njegov poremećaj uzrokuje akumulaciju amfisoma u distalnim aksonima, što dovodi do fenotipa sličnog AD [158]. Dinein adapter Rab-interacting lizozomalni protein (RILP) igra ključnu ulogu u biogenezi autofagosoma, transportu, a njegova inhibicija uzrokuje akumulaciju autofagnih procesa [44]. Sve u svemu, uočeno je da disfunkcija MT, zajedno s kinezinom i aberantnom lokalizacijom dineina, dovodi do lizosomske disfunkcije, što izaziva akumulaciju autofagosoma i presinaptičku distrofiju u AD [159]. Prekomjerna ekspresija DCTN1 u osteoklastima sprječava apoptotičku smrt, sugerirajući da motorni proteini također imaju ulogu u izbjegavanju ćelijske smrti u drugim tipovima ćelija i tkivima [43].
Ukratko, smanjenje aksonskog transporta je prisutno kod mnogih neurodegenerativnih bolesti i nakon ozljeda nervnog sistema. Taj defekt će rezultirati promjenama u MT strukturi i/ili molekularnim motorima potrebnim za aksonalni transport [5]. Odgovarajući transport aksona je kritičan za normalno funkcionisanje neurona, a oštećenja u ovom procesu doprinose odumiranju neurona. Jačanje transportne mašinerije ćelije, bilo stabilizacijom citoskeleta ili povećanjem nivoa/aktivnosti motornih proteina, pokazalo se kao neuroprotektivno ponovnim uspostavljanjem ispravnog fluksa autofagije unutar neurona [5].
3.6. Mitohondrijska dobro funkcioniranje
Funkcija neurona ovisi o ravnoteži energije i kalcija (Ca2 plus), tako da je rad mitohondrija za njih ključan. Mitohondrije nisu statične organele. Oni mijenjaju oblik, veličinu, broj ili lokalizaciju unutar ćelije i imaju sposobnost spajanja ili podjele fisijom kako bi se prilagodili ćelijskoj potražnji. Oni proizvode energiju kroz ciklus trikarboksilne kiseline (TCA) i oksidativnu fosforilaciju (OXPHOS) preko lanca transporta elektrona (ETC). Aktivacija OXPHOS-a će dovesti do ROS, koji ima širok spektar funkcija (diferencijacija, autofagija, imuni odgovor) na fiziološkim nivoima [160] i regeneracije aksona [60]. Ipak, na suprafiziološkim nivoima, ROS su štetni jer uzrokuju oštećenje lipida, DNK i proteina. Ove promjene su povezane s neurodegenerativnim bolestima, SCI i TBI. Mitohondrije takođe deluju kao ključni regulator neuronskog preživljavanja kroz njihovo učešće u putevima koji moduliraju neuronsku smrt.
Mitohondrije se transportuju oko ćelije pomoću citoskeleta, motornih proteina i odgovarajućih adaptera. U neuronima, njima se uglavnom trguje na MT preko adaptera Miro i Milton/trgovina kinezin-vezujući protein 1 (TRAK) proteina [161]. Ovi mitohondrijski pokreti unutar neurona su neophodni za održavanje optimalne kondicije unutar sinapsi, proizvodnju energije, puferovanje Ca2 plus, itd. [162]. Mitohondrije se često lokalizuju blizu ER, formirajući ER membrane povezane sa mitohondrijama ili membrane povezane sa mitohondrijama (MAM). Ove membranske mikrodomene su reverzibilne veze koje koreguliraju i utječu na različite ćelijske procese, tj. sintezu/transport lipida, Ca2 plus dinamiku/signalizaciju, autofagiju, oblik i veličinu mitohondrija, apoptozu i energetski metabolizam [163]. MAM se mijenja kod neuroloških poremećaja kao što su AD, PD i ALS [164]. Mitohondrije deluju kao čvorište ATG, snabdevajući membrane za formiranje autofagosoma i modulirajući autofagični fluks [165]. Mitohondrije također pate od UPR(mt), a ovisno o aktiviranom putu, on je povezan s produženim životnim vijekom kod crva i miševa [166], ali njegova prekomjerna aktivacija uzrokuje neurodegeneraciju [167].
Mitohondrijalna disfunkcija proizlazi iz neadekvatnog broja mitohondrija, nemogućnosti da im se obezbede neophodni supstrati ili disfunkcije u njihovom transportu elektrona i mašineriji za sintezu ATP-a. Visoki nivoi ROS i srodnih reaktivnih vrsta (RNS) mogu se neutralizirati enzimima dismutaze i antioksidansima [168]. Promjene u ovim enzimima i određenim mitohondrijalnim respiratornim kompleksima uočene su kod neurodegenerativnih bolesti kao što su ALS i PD [169]. Perturbacije u broju i funkciji mitohondrija ozbiljno narušavaju ćelijsku homeostazu i pokreću početak bolesti. Stoga, stanice nastoje održati dinamičku ravnotežu između suprotstavljenih procesa mitohondrijalne biogeneze i čišćenja. Akumulacija disfunkcionalnih mitohondrija i/ili gubitak njihove biogeneze proizvodi ćelijsku smrt. Nedavni terapeutski putevi za prevenciju neurodegeneracije imaju za cilj da pojačaju mitohondrijalnu biogenezu modulacijom NAD plus [170], epigenetskih oznaka [171] ili modulacijom osi serotonina u mozgu [172]. Disfunkcionalni mitohondrijski klirens mitofagijom također daje prinosneuroprotekcija. Prekomjerna ekspresija PTEN-indukovane kinaze 1 (PINK1), koja je bitna za pokretanje procesa mitofagije, povećava preživljavanje neurona u mušićem modelu HD [45]. Osim toga, NAD plus suplementacija smanjuje neurotoksičnost kod PINK1-mutantnog modela PD [173].
Funkcija mitohondrija je umrežena sa ROS i ćelijskim antioksidativnim odgovorom. Na taj način, faktor transkripcije Nuklearni faktor eritroidno izveden faktor 2-faktor 2 (Nrf2) reguliše ekspresiju citoprotektivnih i detoksikacionih gena u borbi protiv oksidativnog stresa i neuroinflamacije, sa ciljem smanjenja neuralnog oštećenja. Stoga, može biti efikasna manipulacija za odlaganje progresije bolesti kod neurodegenerativnih bolesti [174–176]. Pod stimulacijom ROS-a, Nrf2 se disocira od Kelch-ovog proteina povezanog s ECH (Keap1), čime reguliše ekspresiju antioksidativnih enzima [177]. Opisano je da Keap1 posreduje u ubikvitinaciji p62 [178]. Kada je Keap1 smanjen, p62 se akumulira u stanicama i uzrokuje citotoksičnost, dok njegova prekomjerna ekspresija potiče degradaciju p62 putem autofagijskog puta. S druge strane, p62 aktivira Nrf2 kroz put autofagije kako bi formirao put p62-Keap1-Nrf2-antioksidativnih elemenata koji reaguju (ARE) i suprotstavlja se oksidativnom oštećenju uzrokovanom ROS [179 ]. Štaviše, Nrf2 formira regulatorne petlje uključene u regulaciju mitohondrijalne biogeneze. Nrf2 povećava ekspresiju receptora aktiviranog proliferatorom peroksizoma-gama koaktivatora 1-alfa (PGC-1) i nuklearnog respiratornog faktora (NRF1), koji su direktno uključeni u regulaciju transkripcije mtDNA. Konačno, Nrf2 reguliše ekspresiju PINK1, koji igra ključnu ulogu u indukciji mitofagije [180], sugerirajući da antioksidativni kapacitet ćelije također utiče na stanje mitohondrija.
Neurodegenerativne bolesti su povezane i sa inhibicijom Nrf2 puta i s disfunkcijom autofagije, što dovodi do akumulacije ROS-a, senescentnih organela i pogrešno savijenih proteina [181,182]. Neurodegenerativne bolesti su povezane sa velikim brojem proteinskih agregata i ROS, indukujući p62-Keap1-Nrf2 osovinu pozitivne povratne sprege, koja je zaštitni mehanizam u neuronima [183,184]. Ekspresija Nrf2 je niska na životinjskim modelima AD i mozgu pacijenata sa AD [185]. Vezivanje Nrf2 za ARE se javlja ubrzo tokom progresije bolesti, što odgovara povećanju proizvodnje ROS [186]. Nrf2 neuroprotektori smanjujući stvaranje ROS i A-posredovanu ROS-indukovanu toksičnost [187,188]. U HD, postoji disfunkcija mitohondrijalnog kompleksa II, što uzrokuje povećanje ROS [48]. U početnoj fazi HD, tretman sa Nrf2 agonistom dovodi do povećanja vitalnih citoprotektivnih gena preko Keap1–Nrf2–ARE u astrocitima i mikroglijama [189]. Aktivacija Keap1–Nrf2–ARE puta malim molekulima u astrocitima ubrzava otpornost neurona na neekscitotoksičnu toksičnost glutamata [46–48]. Promijenjena funkcija mitohondrija, biogeneza i mitofagija su važne patološke karakteristike u PD, a Nrf2 je važan faktor transkripcije koji regulira kontrolu kvaliteta mitohondrija i homeostazu [190]. Kod PD dolazi do aktivacije Nrf2–ARE sistema [191,192] i njegova farmakološka aktivacija sprečava napredovanje PD [49,50]. Aktivacija Nrf2 igra zaštitnu ulogu protiv ROS i stanične smrti uzrokovane mutantnim proteinom superoksid dismutaze 1 (SOD1). Osim toga, prekomjerna ekspresija Nrf2 astrocita povećava preživljavanje SC MN i produžava životni vijek kod SOD1 transgenih miševa [51,52]. Osim toga, preslušavanje između p62 i Keap1-Nrf2 puta u kontekstu autofagije može igrati važnu ulogu u uklanjanju ROS, sprečavanju oksidativnog oštećenja i moduliranju ER stresa tokom cerebralne ishemije-reperfuzije [53].
Konačno, mitohondrije pokreću neuronsko preživljavanje, jer osjećaju unutrašnje i vanjske inicijatore smrti, pokrećući signalne kaskade koje se konvergiraju u mitohondrijima, a zatim ponovo divergiraju u jedan ili više puteva ćelijske smrti koji dovode do drugačijeg tipa ćelijske smrti (kao što je intrinzična apoptoza ) [193].
cistanche pogon u AD
4. Ciljanje sistemske modulacije
4.1. Ograničenje kalorija
Restrikcija kalorija (CR) produžava životni vijek u različitim organizmima i ima zaštitno djelovanje na nekoliko organa. CR utječe na cijeli organizam: od sistemskog miljea do različitih subcelularnih populacija. Godine 2010. Kromer i saradnici su sugerirali da CR koristi zavise od SIRT{1}}zavisne autofagije [194]. S druge strane, istaknuto je da je CR neuroprotektivan u PD bolesti po grelin-AMPK osi, pri čemu je AMPK ključni induktor autofagije [195]. S obzirom na očiglednu nemogućnost održavanja dugotrajnog CR-a, terapijski interes je podignut za otkrivanje novih CR "mimetika" (CRM), koji oponašaju fiziološke efekte CR u organizmu [196]. I CR i CR-mimetici su ispitali efikasnost u modelima AD štakora poboljšavajući kognitivne funkcije putem indukcije autofagije [197], tako da su novi terapeutski putevi za liječenje neurodegeneracije.
4.2. Vježbajte
Fizičke vježbe su sve veće interesovanje zbog svoje sposobnosti da smanje patofiziološka stanja kao što je neuropatski bol ili poboljšaju funkcionalne ishode u modelima moždanog udara [198]. Takođe usporava napredovanje PD inhibicijom upalne reakcije i poboljšanjem antioksidativnog balansa [199]. Opisano je da vježbanje djeluje povećanjem endogenih nivoa neurotrofnih faktora [200,201]. Štaviše, modulira lučenje mišićnih hormona, promovišući zaštitne efekte u mozgu, neurogenezu i poboljšavajući starenje mozga [202]. U stvari, nedavno je opisano da isti hormon, irisin, ima ulogu u formiranju kostiju [203], što ukazuje da vježba utiče na cijelo tijelo.
5. Pronalaženje efikasnog neuroprotektanta: šta postoji i kuda idemo
Uobičajena obilježja neurodegenerativnih bolesti su neispravna aktivacija UPR-a, akumulacija autofagnih procesa, poremećaj dobrog funkcioniranja mitohondrija, između ostalog. Sve u svemu, oni će preplaviti neurone, provocirajući njihovu smrt. Efikasan neuroprotektant mora ispraviti ove mehanizme jačanjem ćelije sa potpunom otpornošću na starenje/uvrede. Moramo u potpunosti modificirati molekularnu mrežu unutar ćelije, gurajući je ka potpunom obnavljanju funkcija. Odobreni lijekovi kao što je Riluzole za ALS [204] ili klinička ispitivanja koja su u toku, poput Rapamycina za ALS [204], Spermidina i DH za AD [205,206], ciljaju samo jedan od ovih degenerativnih procesa, a neuron je preopterećen one druge. Iako mogu donijeti korisne efekte, predlažemo da se pronađe genetski ili farmakološki pristup za podržavanje različitih molekularnih puteva – višeciljne terapije – umjesto samo jedne mete.
Specifična prekomjerna ekspresija određenih proteina kao što su SIRT1, BIP i/ili ATG5 olakšava preživljavanje neurona nakon ozljede živca ineuroprotekcijakod neurodegenerativnih bolesti. Oni uglavnom fino podešavaju UPR ili autofagijske mreže. Aktivacija SIRT1 upotrebom transgenih miševa ili virusnih vektora pokazala je zaštitu kod različitih neurodegenerativnih bolesti kao što su ALS, AD i HD [207–209], kao i nakon ozljede živaca [55]. Aktivnost SIRT1 deacetilaze podržava različite endogene mehanizme zaštite: autofagiju, modulira UPR slabljenjem PERK-a i povećava cijepanje ATF6 [23,210], ima anti-apoptotske efekte i modulira aktivnost AKT da inhibira anoikis [211,212]. Stoga, njegova precizna modulacija može poboljšati ćelijsku otpornost. Iz naše nedavne studije zaključujemo da je moduliranje aktivnosti deacetilaze SIRT1 bitan čvor za molekularnu mrežu za postizanje ćelijske otpornosti [54,55]. Konačno, prekomjerna ekspresija BIP-a štiti od agregata i inducira autofagiju i mitofagiju [99], tako da je njena modulacija također efikasan pristup grupiranju različitih neuroprotektivnih puteva.
6. Završne napomene
Jačanje endogenih mehanizamaneuroprotekcijaotvara uzbudljive terapijske puteve za liječenje neurodegenerativnih bolesti ili održavanje homeostaze tkiva nakon neurotraume. Iako je ovo neistraženo polje danas, može promovirati učinkovitije biomedicinske rezultate od blokiranja konkretnog patofiziološkog obilježja. Stoga, njihovo odobravanje genetskim, farmakološkim ili sistemsko-modulacijskim terapijama može odgoditi napredovanje patologije i poboljšati funkcionalni oporavak. Optimalna terapijska strategija mora uključivati konkretnu modulaciju endogenih mehanizama zaštite kako bi se re-modelirala kompletna mreža i postigla zaštita.
Doprinosi autora: DR-G. i SM-M.-A. napisao rukopis, a CC je dao kritički osvrt. Svi autori su pročitali i pristali na objavljenu verziju rukopisa.
Finansiranje: Ovo istraživanje nije dobilo vanjsko finansiranje.
Izjava o dostupnosti podataka: U ovoj studiji nisu kreirani niti analizirani novi podaci. Dijeljenje podataka nije primjenjivo na ovaj članak.
Sukob interesa: Autori izjavljuju da nema sukoba interesa.