Биохимические механизмы действия ганглиозидов как эндогенных адаптогенов в головном мозге крыс Захарова, Ирина Олеговна

Введение к работе

з

Актуальность проблемы. Ганглиозиды представляют собой биологически активные гликосфинголипиды, являющиеся характерными компонентами плазматических мембран первных клеток позвоночных. В этих структурах содержание ганглиозидов на один-два порядка выше, чем в мембранах экстраневральных тканей и клеток. Ганглиозиды иіраіот существенную роль в процессах межклеточного взаимодействия (Schengrund, 1995; Iwabuchi et al., 1998 и др.), формирования аксонов и деидритов, генерации нервного импульса и синаптической передачи (Wieraszko and Seifcrt, 1984; Doherty et al, 1985), в процессах обучения и памяти (Журавин и др., 1993; Fong et al., 1997; Silva et al, 1997), в рецепции токсинов и вирусов. Наиболее пристальное внимание они стали привлекать после того как выяснилось, что экзогенные ганглиозиды при их системном введении животным, подвергнутым действию ишемии, гипоксии или с различными видами травм мозга предохраняют от гибели практически вес типы нейронов (Hadjiconstantinou, Neff, 1998). Эти соединения способны также повышать жизнеспособность различных типов нервных клеток в культуре при действии на них ряда нейрогоксигюв, в том числе высоких концентраций глутамата (Favaron et al, 1988; Skaper et al, 1991). Как и в случае широко используемых адаптогенов, эффект ганглиозидов при их введении животным выражается в улучшении функционального состояния организма, нормализации различных биохимических показателей и работы центральной нервной системы, нарушенных при действии неблагоприятных или экстремальных факторов окружающей среды. Однако преимущество ганглиозидов состоит в том, что они являются эндогенными соединениями. Это позволяет рассматривать их в качестве эндогенных адаптогенов. Именно эндогенные соединения считаются наиболее перспективными для их использования в клинике в качестве лекарственных веществ. Очевидно, этим объясняется тот факт, что ганпиозиды, несмотря на высокую стоимость этих препаратов, используются в ряде стран для лечения неврологических заболеваний.

Несмотря на многолетний интерес исследователей, биохимические механизмы повышения жизнеспособности нервных клеток при действии на них ганглиозидов далеки от окончательного выяснения. Результаты изучения механизма нейротрофического действия ганглиозидов, особенно их способности нормализовать обмен ионов, могут также расширить возможности их клинического использования при болезнях, связанных с поражением ЦНС.

Одной из важнейших проблем является необходимость объяснения лечебного эффекта относительно небольших количеств ганглиозидов (5-10 мг/кг веса),

повышающих жизнеспособность нервных клеток и улучшающих функциональное состояние организма у животных с повреждением или нарушениями функций ЦНС, несмотря на слабую проницаемость гемато-энцефалического барьера для этих полярных гликолипидов (Orlando ct al., 1979; Ghidoni et al., 1989a). Хотя в литературе есть многочисленные свидетельства того, что наномолярные концентрации ганглиозидов способны модулировать активность различных ферментов и метаболизм нервных клеток (Tsuji et al., 1988; Nalivaeva et al., 1997), повышение жизнеспособности нейронов в культуре было показано лишь при действии микромолярньгх концентраций ганглиозидов.

Функции ганглиозидов в качестве эндогенных адаптогенов нельзя свести только к их нейротрофическому эффекту. У пойкшютермнмх позвоночных изменения состава жирных кислот ганглиозидов (увеличения степени их ненасыщенности при адаптации к холоду) вносят существенный вклад в поддержание оптимальной для жизнедеятельности организма степени жидкостное мембран клеток нервной ткани, что показано при изучении природных адаптации рыб (Крепе, 1981; Avrova, 1984). Однако, сведений об изменении состава жирных кислот ганглиозидов мозга млекопитающих при акклимации или при природных адаптациях к холоду в литературе нам не встретилось.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось изучение биохимических механизмов нейропротскторного действия ганглиозидов в мозге млекопитаюштгх.

В работе были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать способность микро- и ианомолярных концентраций индивидуальных ганглиозидов защищать клетки зерна мозжечка от гибели, вызванной действием токсических доз глутамата и системой Fe²* - аскорбат, индуцирующей перскисное окисление липидов;

2. Изучить влияние различных концентраций ганглиозида GM1 на вход ⁴⁵Са²* и активность Ка*,К⁺-АТФазы и синантосомах коры мозга крыс, подвергнутых действию глутамата;

3. Оценить способность антиоксидантов, ингибиторов различных путей образования свободных радикалов и антагонистов глутаматных рецепторов предотвращать инактивацию Ка*,К*-АТФазы и увеличение входа ⁴⁵Са²⁺ в синаптосомы коры мозга крыс вызванные действием токсических концентраций глутамата;

4. Исследовать in vivo изменение концентрации ганглиозидов, а также состав их жирных
кислот в субклеточных фракциях мозга крыс при воздействии неблагоприятных условий
среды на примере холодовой акклимации;

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Ганглиозиды (GM1, GDla, GDlb и GTlb) обладают нейропротекторным эффектом не
только в микромолярных, но и в наномоллрных концентрациях, повьппают
жизнеспособность нейронов мозжечка в культуре, значительно сниженігую при
действии нейротоксических концентраций глутамата;

2. Ганглиозиды, как и антиоксиданти, нормализуют показатели обмена ионов в
синаптосомах коры мозга крыс, нарушенные при действии нейротоксических
концентраций глутамата, что, очевидно, определяет их нейрогрофический эффект;

3. Концентрация эндогенных ганглиозидов в синаптосомах и гомогенате мозга крыс
увеличивается акклимации животных к холоду, что, по-видимому, способствует
повышению жизнеспособности нервных клеток мозга крыс при воздействии этого
неблагоприятного фактора окружающей среды. При этом у крыс изменения степени
ненасыщенности жирных кислот ганглиозидов мозга при акклимации к холоду не
выявлено;

Научная новизна. Впервые показано, что наномолярные концентрации индивидуальных ганглиозидов (наряду с микромолярными концентрациями) способны защищать культивируемые нейроны мозга млекопитающих от гибели, вызванной действием токсических концентраций глутамата.

Изучение биохимического механизма нейропрогекторного действия ганглиозидов показало, что оно может быть обусловлено их способностью предотвращать инактивацию №*,К⁺-АТФазы и увеличение входа ^4SCa²⁺ в нервные клетки, вызванные глутаматом, причем наномолярные концентрации ганглиозидов обладают высокой эффективностью. Впервые показано, что совместное действие наномолярньгх концентраций ганглиозида GM1 и глутамата на синаптосомы мозга способно активировать Ка⁺/Са²⁺-обменник, отвечающий за удаление Са²⁺ из клетки, что также, очевидно, вносит вклад в поддержание ионного гоиеостаза и обеспечивает пормальную жизнедеятельность нервных клеткок.

Впервые было показано достоверное увеличение содержания эндогенных ганглиозидов в синаптосомах и миелине мозга млекопитающих при холодовой акклимации. При этом обнаружено, что, чем ниже температура окружающей среды, тем выше концентрация ганглиозидов в нервных окончаниях, что может быть связано с участием этих литшдов в пластической перестройке нервной системы при воздействии экстремальных факторов среды.

Научно-практическое значение работы. Повышение жизнеспособности нервных клеток в культуре при действии на них наномолярньгх концентраций

6 ганглиозидов, выявленное в настоящей работе, объясняет почему даже небольшие количества этих веществ при их системном введении млекопитающим, подвергнутым действию экстремальных факторов, оказывают нейротрофический эффект, улучшая функциональное состояние мозга. Полученные данные уточняют представления о зависимости защитного эффекта эндогенных ганглиозидов, высвобождающихся в межклеточное пространство при разрушении нервных клеток, от их концентраций.

Проведенные исследования вносят вклад в понимание механизма стабилизации кальциевого гомеостаза ганглиозидами. Показано, что они, как и антиоксиданты, способны предотвращать увеличение входа ⁴⁵Са²* и инактивацию Ка*,К*-АТФазы в нервных клетках и синаптосомах мозга, вызванные глутаматом, ишемией или гипоксией. Результаты исследования, в сопоставлении с ранее полученными в лабораторна данными, свидетельствуют о том, что ингибирование образования активных форм кислорода лежит в основе этих метаболических эффектов ганглиозидов и в значительной мере определяет их нейротрофический эффект. Полученные результаты вносят вклад в понимание механизма защитного действия, оказываемого ганглиозидами при их введении животным и людям с поврежденной ЦНС.

Увеличение концентрации эндогенных ганглиозидов в синаптосомах и гомогенате мозга крыс при их акклимации к холоду, обнаруженное в опытах in vivo, по-видимому, способствует увеличению жизнеспособности нервных клеток при воздействии этого неблагоприятного фактора среды. Найдено, что в отличие от пойкилотермяых позвоночных, для гомеотермньгх млекопитающих не характерно увеличение содержания ненасыщенных жирных кислот ганглиозидов при акклимации к холоду.

Апробация работы. Материалы и основные положения работы были представлены на 1-ой конференции молодых физиологов и биохимиков (Санкт-Петербург, 1995), 1(Х1) международном совещании и школе по эволюционной физиологии (Санкт-Петербург, 1996), 8-ом международном конгрессе нейрохимического общества Чехии и Словакии (Словакия, Мартин, 1996), 11-ом съезде Европейского нейрохимического общества (Нидерланды, Гренинген, 1996), конференции по нейромодуляции Физиологического общества Великобритании (Великобритания, Плимут, 1997), ХХХШ международном конгрессе по физиологическим наукам (Санкт-Петербург, 1997), 12-ом съезде Европейского нейрохимического общества (Санкт-Петербург, 1998), 13-ом съезде Европейского нейрохимического общества (Германия, Берлин, 1999).

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 141 страницах, содержит 7 рисунков, 9 таблиц и состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов

исследования, результатов исследования в совокупности с обсуждением, выводов и списка литературы, который включает в себя 267 иностранных и 25 отечественных источников.