Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 21
1.1. Роль аминокислот, нейромедиаторов и их метаболитов функционировании нервной системы 21
1.1.1. Аминокислоты 21
1.1.2. Метаболиты триптофана 36
1.1.3. Катехоламины и их метаболиты 42
1.1.4. Нейротрансмиттерные системы в развитии 49
1.1.5. Взаимодействие нейротрансмиттерных систем 53
1.2. Этиология и патогенез синдрома дефицита внимания/гиперактивности и аутистических синдромов 56
1.2.1. Синдром дефицита внимания/гиперактивности 56
1.2.2. Синдром Аспергера 60
1.2.3. Синдром Каннера 63
1.2.4. Коморбидность синдрома дефицита внимания/ гиперактивности и синдрома Каннера 67
1.3. Аминокислоты, нейромедиаторы и их метаболиты при синдроме дефицита внимания/гиперактивности и аутистических синдромах 71
1.3.1. Синдром дефицита внимания/гиперактивности 71
1.3.2. Аутистические синдромы (синдромы Аспергера и Каннера) 78
2. Материалы и методы исследований 87
2.1. Клиническая характеристика исследуемых групп 87
2.1.1. Синдром дефицита внимания/гиперактивности 88
2.1.2. Аутизм: синдром Аспергера и синдром Каннера 90
2.1.3. Коморбидность синдрома дефицита внимания/гиперактивности и синдрома Каннера 90
2.2. Материал исследований 91
2.3. Методы исследований 93
2.3.1. Сбор биологического материала и его подготовка 93
2.3.2. Высокоэффективная жидкостная хроматография 96
2.3.3. Методы молекулярной биологии 97
2.3.4. Коррекционная терапия 97
2.3.5. Методы психологических исследований 98
2.3.6. Методы статистического анализа 101
3. Собственные результаты 103
3.1. Аминокислоты, нейромедиаторы и их метаболиты у детей с синдромом дефицита внимания/гиперактивности и аутизмом 103
3.1.1. Синдром дефицита внимания/гиперактивности 103
3.1.2. Синдром Аспергера 112
3.1.3. Синдром Каннера 125
3.2. Исследование возрастной динамики моноаминергических нейротрансмиттеров в спинномозговой жидкости 147
3.2.1. Возрастная динамика серотонина 147
3.2.2. Возрастная динамика дофамина 149
3.2.3. Возрастная динамика норадреналина 150
3.3. Результаты коррекционной терапии 154
3.4. Транспортер серотонина у детей с синдромом Каннера и синдромом дефицита внимания/гиперактивности 160
4. Обсуждение результатов 164
4.1. Изменения, общие для синдрома дефицита внимания/ гиперактивности и аутистических синдромов 164
4.2. Характеристика полученных данных при синдроме дефицита внимания/гиперактивности 165
4.3. Анализ сходства и различия биохимических показателей при аутистических синдромах Аспергера и Каннера 172
4.4. Возрастная динамика моноаминергических нейротрансмиттеров 194
4.5. Анализ коррекционнои терапии 203
Выводы 210
Список литературы 212
Приложения 247
- Аминокислоты
- Аутистические синдромы (синдромы Аспергера и Каннера)
- Синдром Каннера
- Анализ сходства и различия биохимических показателей при аутистических синдромах Аспергера и Каннера
Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди нервно-психических заболеваний у детей самыми распространенными, сложными с точки зрения ранней диагностики, этиологии, лечения и высокой степени инвалидизации являются такие заболевания, как аутистические синдромы Аспергера и Каннера и синдром дефицита внимания/гиперактивности (СДВГ). Наблюдается заметное увеличение частоты данных заболеваний, встречаемость СДВГ составляет 80-140 на 1000 детей и 8,2-9,2 случая на 1000 детей для аутизма [Windham et al., 2013; Российский статистический ежегодник, 2012; Robel, 2010]. Актуальность проблемы обусловлена инвалидизацией большинства пациентов, пожизненной терапией, социальной помощью, что приводит к финансовым затратам со стороны общества. Дети с аутистическими синдромами и СДВГ испытывают трудности в созревании психической, речевой, моторной и эмоциональной сфер, в социальных взаимодействиях и адаптации в обществе. Аутистические заболевания часто сочетаются с другими нервными и психическими нарушениями, включая СДВГ. Коморбидность аутизма с СДВГ наиболее неблагоприятна из всех наблюдающихся коморбидных состояний из-за высокой частоты совершения этими больными административных и уголовных правонарушений [Mandell, Knapp, 2012].
Несмотря на большую социальную значимость СДВГ и аутизма, их этиология до сих пор недостаточно изучена. Преобладает точка зрения о полиэтиологии этих заболеваний, основанная на выявлении большого количества генов, вовлеченных в развитие патологий [Johnson et al., 2013; Rothenberger, 2012]. Выявление генов-кандидатов не дает исчерпывающего ответа на вопросы этиологии, ранней диагностики и патогенетически обоснованного лечения. Предполагается, что развитию патологии способствует неблагоприятное воздействие факторов среды в чувствительные периоды развития ребенка как на уровне эмбрионального развития, так при последующем росте и созревании организма [Carlson, 2012; Millichap, 2010; Красноперова, 2004].
Полигенность патологий при данных заболеваниях отражается в дисфункции нейромедиаторных систем мозга, главным образом глутаматергической, глицинергической, ГАМКергической, серотонинергической, дофаминергической и норадренергической. Нейротрансмиттеры и их рецепторы принимают участие в формировании таких фундаментальных процессов нервной деятельности, как синаптическая пластичность; длительная потенция, лежащая в основе нейрональной памяти и обучения; регуляция полимодальных сенсорных систем мозга; поддержание судорожного порога; регуляция мышечного тонуса; физиологические механизмы сна, тревоги и агрессии; чувствительность ЦНС к гипоксии и гипогликемии. Выдвинута гипотеза повреждающего действия дисбаланса аминокислот на развивающейся мозг [Shimmura et al., 2011; Wang et al., 2011; Robel, 2010; Ohtsuki, Terasaki, 2007]. Формирование ЦНС, созревание и развитие структур мозга, высшей нервной и психической деятельности в процессе роста ребенка основано на взаимодействии, а не на дискретности нейромедиаторных систем и нейротрансмиттеров в онтогенезе [Carlson, 2012; Stone et al., 2005]. Моноаминергические нейромедиаторы выполняют ключевую нейротрофическую функцию в развитии и созревании ЦНС, которая опережает их нейротрансмиттерную роль в ЦНС. Дисбаланс в содержании моноаминов влияет на функционирование не только отдельно взятой системы, но и на взаимодействие систем при развитии и созревании ЦНС и формировании гуморальной регуляции [Carlson, 2012; Snyder et al., 2011; Ratajczak, 2011].
Серотонин – критический регулятор основных процессов в развитии нейронов и глии в мозге млекопитающих. Клеточная пролиферация, дифференциация, миграция, апоптоз и синаптогенез нервных клеток, созревание префронтального кортекса, отделов лимбической системы, мозолистого тела и других структур ЦНС регулируются и поддерживаются серотонином [Carlson, 2011; Polleux, Lauder, 2004]. Нейротрансмиттерная роль состоит в регуляции эмоций, настроения, памяти и обучения [Popova, 2005; Sodhi, 2004; Whitaker-Azmitia, 2001; Попова и др., 1978]. Аутизм сопровождается аномалиями в периферической и центральной серотониновых системах [Adamsen et al., 2011]. Уровень серотонинергической активности мозга зависит от процесса обратного захвата серотонина пресинаптическими нейронами, осуществляемого транспортером обратного захвата серотонина (СЕРТ). Высокая эффективность СЕРТ, возникающая при наследовании длинного аллеля гена транспортера серотонина, приводит к подавлению серотонинергической нейротрансмиссии и ассоциируется с повышенной агрессией и гиперактивностью, что актуально для пациентов с коморбидностью СДВГ и синдрома Каннера в виду склонности к антисоциальному поведению [Kistner-Griffin et al., 2011; Margoob, Mushtaq, 2011; Bosia et al., 2010; Longo et al., 2009]. Исследования ассоциации аллелей промотора гена транспортера серотонина с данным заболеванием не проводились. Катехоламины (дофамин, норадреналин и адреналин) выполняют функции нейротрофических факторов, нейромедиаторов и модуляторов нервной и гуморальной регуляции. Дофамин стимулирует внимание, эмоциональное вознаграждение, сенсорные и моторные функции. Норадреналиновая система контролирует внимание, запоминание, мобилизацию интеллектуальной и эмоциональной деятельности, мотивированное поведение, образное мышление. Нарушения дофаминергической и норадренергической нейротрансмиссии в ЦНС наблюдаются при аутизме и СДВГ [El-Ansary et al., 2011; Johansson et al., 2011; Nagy et al., 2007; Previc, 2007; Кулинский, Колесниченко, 2002]. Данные литературы по этиологии и патогенезу аутизма и СДВГ многочисленны, но разрозненны, неполны и противоречивы, что объясняется малым числом пациентов в исследованиях, отсутствием дифференциации больных по конкретным синдромам и психоэмоциональным состояниям. Дискуссии по принадлежности синдрома Аспергера к группе аутистических синдромов также определяют актуальность данной работы по сравнительному и комплексному исследованию содержания нейротрансмиттеров, аминокислот и их метаболитов в биологических жидкостях. Возрастная динамика содержания моноаминергических нейромедиаторов не изучалась у здоровых людей и у пациентов с СДВГ и аутистическими синдромами. Учет возрастных изменений содержания моноаминов в СМЖ и крови особенно важен при терапии данных заболеваний и должен учитываться при оптимизации схем лечения.
Цель исследования: Анализ содержания нейротрансмиттеров, аминокислот и их метаболитов в биологических жидкостях; установление роли нейротрансмиттеров в развитии синдрома дефицита внимания/гиперактивности, аутистических синдромов и при коморбидности этих заболеваний.
Задачи исследования:
1. Исследовать изменения содержания нейротрансмиттеров, аминокислот и их метаболитов в биожидкостях (кровь, моча, СМЖ) у детей с СДВГ и синдромами Аспергера и Каннера в стабильном психоэмоциональном состоянии и при его ухудшении.
2. Провести сравнительный анализ содержания нейротрансмиттеров, аминокислот и их метаболитов при синдромах Аспергера и Каннера с целью отнесения их к общей аутистической группе заболеваний.
3. Определить связь полиморфизма гена транспортера серотонина при СДВГ, синдроме Каннера и коморбидности СДВГ и синдрома Каннера с клиническими проявлениями заболеваний.
4. Изучить особенности возрастной динамики содержания моноаминергических нейротрансмиттеров в СМЖ у пациентов с синдромом Каннера в возрастной когорте от 1 до 25 лет, у пациентов с СДВГ и коморбидностью СДВГ и синдрома Каннера в возрастной когорте от 5 до 25 лет и определить их диагностическую и практическую ценность.
5. Провести анализ полученных данных в свете их патогенетического и диагностического значения.
6. Дать рекомендации по подбору препаратов для оптимизации возрастных схем лечения больных детей.
Научная новизна работы. Впервые проведено комплексное и сравнительное исследование нейромедиаторов, аминокислот и их метаболитов в крови, моче и СМЖ у детей синдромами Аспергера и Каннера в стабильном психоэмоциональном состоянии и при его ухудшении, а также у детей при СДВГ. Впервые показано общее снижение содержания в крови нейропротектора метионина и норадреналина, нейромедиатора ЦНС и симпатической нервной системы у детей с данными заболеваниями, относящимися к классификационной категории «Психические расстройства и расстройства поведения». Впервые показано, что у детей с СДВГ преобладает тормозная нейротрансмиссия со снижением общего пула моноаминергических нейромедиаторов и увеличением содержания кинуренинов в крови. Исследования синдромов Каннера и Аспергера впервые показали преобладание возбуждающей нейротрансмиссии, угнетение дофаминовой и серотониновой нейромедиации с признаками гипоксии, экситотоксичности и нейротоксичности, которые усиливаются при ухудшении психоэмоционального состояния больных. Сходство биохимических изменений при обоих синдромах, особенно проявляющееся при ухудшении состояния больных, указывает на принадлежность данных синдромов к одной группе аутистических заболеваний.
Впервые исследовалась возрастная динамика содержания моноаминергических нейротрансмиттеров в СМЖ у здоровых пациентов, пациентов с синдромом Каннера, СДВГ и их коморбидностью. Показано, что возрастная динамика содержания моноаминов в СМЖ при этих патологиях нарушена в определенные возрастные периоды, совпадающие по времени с критическими периодами созревания определенных структур мозга. На основании этих результатов впервые предложены рекомендации по использованию психотропных препаратов с учетом нарушений возрастной динамики моноаминергических нейротрансмиттеров.
Впервые изучен вклад полиморфизма гена обратного транспортера серотонина при коморбидности СДВГ и синдрома Каннера. Обнаружена ассоциация длинного аллеля гена транспортера обратного захвата серотонина с коморбидностью этих заболеваний. Показана связь между снижением содержания серотонина, 5-ОИУК в СМЖ и ассоциацией длинного аллеля гена транспортера серотонина у пациентов с синдромом Каннера и при коморбидности СДВГ с синдромом Каннера, свидетельствующая о снижении функциональной активности серотонинергической нейротрансмиссии. Проведен комплексный анализ вклада нейротрансмиттеров и аминокислот в функциональные изменения у больных, их роли в патогенезе, ранней диагностике и фармакологической коррекции заболеваний.
Положения, выносимые на защиту:
1. У пациентов с синдромами Каннера, Аспергера и СДВГ, принадлежащими к классификационной категории «Психические расстройства и расстройства поведения», обнаружены общие признаки, связанные со снижением содержания метионина и норадреналина в крови.
2. При СДВГ в крови детей обнаружено повышенное содержание тормозных и снижение возбуждающих нейротрансмиттеров и катехоламинов, что не препятствует проявлению у них расторможенности и агрессии. Для СДВГ характерно «переключение» метаболизма триптофана в сторону образования кинуренина, а не серотонина.
3. У детей с синдромом Каннера установлено преобладание возбуждающей нейротрансмиссии, степень выраженности которой возрастает при ухудшении состояния. Содержание тормозных нейромедиаторов «неклассического типа» существенно увеличивается в сравнении с «классическими» только при ухудшении состояния, при стабилизации состояния обнаружено их снижение. В отличие от синдрома Аспергера, при синдроме Каннера выражена гипоксия при обоих состояниях, но более значительно при ухудшении.
4. При синдроме Аспергера у детей в стабильном состоянии при одновременном увеличении классических возбуждающих и тормозных нейротрансмиттеров характерным признаком является увеличение содержания «неклассического» тормозного нейротрансмиттера таурина, а также содержания аргинина – источника нитроксида NO.. При ухудшении психоэмоционального состояния биохимические различия между синдромом Аспергера и Каннера стираются. В этом случае дифференциальная диагностика должна опираться на гиперсеротонинемию (тромбоциты) и снижение -аланина в крови, свойственные синдрому Каннера.
5. Ведущими признаками заболевания при синдроме Каннера у детей в стабильном психоэмоциональном состоянии является одновременное усиление в ЦНС как возбуждающей, так и тормозной нейротрансмиссии с признаками гипоксии и нейротоксичности, а также угнетение дофаминергической и серотонинергической нейротрансмиссии на фоне значительного снижения в крови содержания серотонина. Ухудшение состояния больных детей сопровождается увеличением содержания глутамата, способствующего росту возбуждающей трансмиссии. Угнетение дофаминергической и серотонинергической нейротрансмиссии усиливает клинические проявления заболевания.
6. Синдром Каннера, СДВГ и их коморбидность ассоциированы с частотой длинного аллеля гена транспортера обратного захвата серотонина.
7. Снижение содержания в СМЖ серотонина, 5-ОИУК и ассоциация длинного аллеля гена транспортера обратного захвата серотонина у пациентов с синдромом Каннера и при коморбидности СДВГ с синдромом Каннера свидетельствуют о снижении серотонинергической нейротрансмиссии, что клинически проявляется в нарушении эмоционального фона и повышенной агрессии у данных пациентов.
8. У пациентов с СДВГ, синдромом Каннера и коморбидностью СДВГ и синдрома Каннера нарушена возрастная динамика содержания в спинномозговой жидкости моноаминергических нейромедиаторов. Данные отклонения имеют место в определенных возрастах, совпадающих по времени с критическими периодами формирования и созревания различных структур головного мозга и должны учитываться при оптимизации схем лечения больных.
Научно-практическая значимость и внедрение в практику
Проведенные исследования позволяют дать комплексную характеристику изменений содержания нейромедиаторов, аминокислот и их метаболитов в биологических жидкостях при аутистических синдромах и СДВГ у детей. Полученные данные существенно расширяют наши представления о патогенезе этих заболеваний. Результаты используются в комплексной диагностике больных и при выборе тактики лечения, как в России, так и за рубежом. Данные по возрастной динамике моноаминергических нейротрансмиттеров и исследования полиморфизма промотора гена транспортера серотонина используются при подборе возрастных схем лечения и в разработке новых лекарственных препаратов.
Полученные результаты внедрены в практику работы врачей Иркутской Областной детской клинической больницы и сотрудников клиники нервно-психического здоровья детей института педиатрии и репродукции человека ВС НЦ СО РАМН, клиники медицинского факультета университета Генриха Гейне (Дюссельдорф, Германия), Миланского Неврологического Института (Италия) и детского госпиталя в Торонто (Канада).
Материалы диссертации используются при чтении лекций на кафедрах химии и психиатрии Иркутского медицинского университета, и на факультете психологии Йоркского университета (Торонто, Канада).
Данные исследования проводились в рамках международного проекта по изучению патогенеза и этиологии СДВГ и аутизма, а также разработки ранних методов их диагностики с участием сотрудников из России, Италии, Германии и Канады. Руководство и финансирование проекта осуществлял Европейский центр проблем детского здоровья, отдел по изучению нервнопсихических проблем у детей и подростков, Университет Генриха Гейне (Heinrich Heine University), Дюссельдорф, Германия, фонд исследования аутизма при Европейской ассоциации биомедицинских наук (Милан, Италия), научно-исследовательский институт при канадском государственном детском госпитале (Sick Children Hospital), Торонто, Канада, а также фармацевтические компании Merck KGaA и Boehringer Mannheim (Германия). Кроме того, автор принимал участие в получении и работе по грантам: национального института здоровья (США) PHS грант R39 AG06044, института ментального здоровья (Канада) NS-49527 и MH-37876.
Апробация результатов исследования. Материалы диссертации представлены и обсуждены на всероссийской научной конференции по проблемам аутизма у детей (Москва, 1995), четвертом Российско-Японском международном симпозиуме (Иркутск, 1996); International Symposium on Immunorehabilitation (Rehovot, 1997); FENS Meetings (Berlin, 1998, Brighton, 2000); 24th World Congress of Biomedical Laboratory Science (Karlsruhe, 1999); 18th International Congress on Biochemistry and Molecular Biology (Birmingham, 2000); International Fall Meeting of the German Society for Biochemistry and Molecular Biology (Frankfurt am Main, 2000); 2nd International Congress on Amino Acids, Peptides and Proteins (Amsterdam, 2001); 32nd National Conference and Exposition of Autism Society (Orlando, 2001); 2nd International Meeting for Autism Research (Montreal, 2002); 5th International Congress on Palliative Medicine and Rehabilitation (Cairo, 2003); International Fall Meeting of the German Society for Biochemistry and Molecular Biology (Bad Nauheim, 2003); 3rd Conference on Annual Trends in Autism (Newton, 2004); Congress of the European College of Neuropsychopharmacology (Vienna, 2007); 2nd International Congress on ADHD (Vienna, 2009); International Autism Conference (Esher, 2009); Vancouver Biennial Congress on Autism (Vancouver, 2009); 2nd International Congress on ADHD (Vienna, 2009); 34th FEBS Congress (Prague, 2009); 4th Annual “All Ages & Abilities” Autism/Asperger’s Conference (Irvine, 2010); Annual Congress of the German Neurological Society (DGN) (Майнц, Германия, 2011); European Conference on Genetics of Mental Disorders (Cologne, 2012); 8th International Symposium on Clinical Genetics of Autism (Vancouver, 2012); XXI Международной конференции и дискуссионном научном клубе «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии» (Гурзуф, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 печатных работ, из них 24 статьи в российских и зарубежных научных журналах, 23 тезиса международных конгрессов, 3 тезиса Российских конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 247 страницах и состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследований, результатов исследований, обсуждения результатов исследований и выводов. Диссертация включает 33 таблицы, 24 рисунка. Список цитируемой литературы состоит из 343 источников, из них 283 на иностранном языке.
Аминокислоты
53Роль аминокислот в организме чрезвычайно разнообразна. Они являются не только материалом для синтеза белков, но также индивидуальными регуляторными молекулами и источниками разнообразных биологически активных соединений, в том числе нейромедиаторов (триптофан - источник серотонина и кинуренинов, тирозин - дофамина, норадреналина, адреналина и иодтиронинов) [Bonsante et al., 2013]. Аспартат, глицин и глутамин участвуют в синтезе пуринов, аспартат -пиримидинов, глицин — порфиринов, глюкогенные аминокислоты -углеводов, кетогенные - кетоновых тел, серии - сложных липидов, глицин, аргинин и метионин - креатина, глутамат, глицин и цистеин - мощного антиоксиданта глутатиона. Аминокислоты выполняют также энергетические функции. Для энергетического обмена головного мозга аминокислоты (особенно глутамат) являются третьими по значению соединениями после глюкозы и кетоновых тел [Martins-Costa et al., 2013; Bremer, 2009; Березов, Коровкин, 1998].
Широко известна роль аминокислот и их метаболитов в нейромедиаторной и гуморальной регуляции. Нейротрансмиттерные аминокислоты и их рецепторы участвуют в формировании таких фундаментальных процессов нервной деятельности, как синаптическая пластичность, нейрональная память и обучение, регуляция сенсорных систем мозга, поддержание судорожного порога, регуляция мышечного тонуса, сна, тревоги и агрессии [Вгоег, 2013; Yuan et al., 2013; Feudis et al., 2011; Berg et al., 2010; Faggetal., 2008]. Нарушения в содержании аминокислот в организме проявляются в дисфункциях нервной системы и лежат в основе развития ряда нервных и психических заболеваний [Engelborghs, Le Bastard, 2012; Mayoral-Mariles et al., 2012].
Аминокислоты в определенном количестве находятся в плазме крови, в спинномозговой жидкости, а также в различных тканях и органах, создавая тем самым пул свободных аминокислот в организме [Martins-Costa et al., 2013; Jimenez et al., 2012]. Уровень аминокислот в крови поддерживается благодаря сбалансированности процессов биосинтеза и распада белков в тканях организма. Аминокислоты крови в свою очередь, распределяются по разным органам и тканям. Концентрация аминокислот в физиологических жидкостях, а также их соотношение отражают процессы обмена белков и меняются при их нарушениях [Castells et al., 2012; Jimenez et al., 2012; Pennings et al., 2012]. Особенно значительно меняется в условиях патологии экскреция свободных аминокислот, в ряде случаев сочетающаяся с изменением содержания свободных аминокислот в плазме крови и спинномозговой жидкости [Gardiner, 2013; Fonteh et al., 2007; Ben-Omran et al., 2006].
Современная рациональная классификация аминокислот основана на полярности радикалов, т.е. способности их к взаимодействию с водой при физиологических значениях рН (близких к рН=7,0). Различают 4 класса аминокислот: 1) содержащих неполярные (гидрофобные) радикалы: аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, пролин, триптофан, фенилаланин; 2) содержащих полярные незаряженные (гидрофильные) радикалы: глицин, серии, треонин, цистеин, аспарагин, глутамин, тирозин; 3) содержащих отрицательно заряженные радикалы: аспартат и глутамат и 4) содержащих положительно заряженные радикалы: лизин, аргинин и гистидин [Вгоег, 2013; Skowronska, Albrecht, 2012; Fagg et al., 2008].
Существуют также системы классификации аминокислот на основе химического строения радикалов. Так, различают аминокислоты алифатические, ароматические, основные, кислые (и их амиды) аминокислоты, а также серусодержащие и гидрокси-аминокислоты [Ikotun et al., 2013; Bremer, 2009].
Тем не менее, классификация аминокислот по их полярности наиболее важна, так как необходима для понимания транспорта аминокислот через клеточные мембраны. Аминокислоты транспортируются через гематоэнцефалический барьер из крови в мозг и из крови в мочу через систему эндотелиальных клеток с помощью нескольких транспортных систем. Каждая из систем транспортирует аминокислоты сходной химической природы [Skowronska, Albrecht, 2012; Hawkins et al., 2011; Gardiner, 2010]. Различают Ка+-зависимые и Ыа+-независимые клеточные системы транспорта. К №+-зависимым относятся следующие транспортные системы: А и ASC для малых нейтральных аминокислот (аланин, аспарагин, глутамин, серии, треонин, метионин и цистеин); х"до для кислых (аспартат, глутамат) и Gly для транспорта глицина. К №+-независимым клеточным системам транспорта аминокислот относятся: система L для больших нейтральных аминокислот с разветвленной цепью и ароматических (валин, изолейцин, лейцин, тирозин, триптофан и фенилаланин) и система у+ для основных (лизин, аргинин, орнитин, гистидин). Отдельная система транспортирует у-аминокислоты (ГАМК); Р система транспортирует р-аминокислоты (таурин и Р-аланин) [Ikotun et al., 2013; Kasai et al, 2011; Gardiner et al., 2010; Ohtsuki, Terasaki, 2007; Russell et al., 2003]. Индивидуальные транспортные белки некоторых из указанных систем выделены и охарактеризованы, и установлена их первичная структура [Вгоег, 2013; Cohen-Kashi-Malina, et al, 2012; McGivan, Bungard, 2007].
Аминокислоты, переносимые одной и той же системой, конкурируют между собой за доступ к транспортеру, так что избыток одной аминокислоты может помешать транспорту другой [Вгоег, 2013; Martins-Costa et al., 2013; Hawkins, 2011]. Эксперименты на животных с использованием радиоактивных изотопов продемонстрировали значительную скорость замены свободных аминокислот в мозге на соответствующие аминокислоты плазмы. Время обновления в головном мозге лейцина и лизина на 50% измеряется несколькими десятками минут. Для глутамата оно составляет 3-8 часов, т.к. концентрация этой аминокислоты в мозговой ткани приблизительно в 100 раз выше, чем в плазме крови. Баланс аминокислот головного мозга поддерживается благодаря их метаболизму в мозговой ткани и высокой скорости пополнения их пула аминокислотами плазмы крови [Akiyama et al., 2012; Kasai et al., 2011; Redzic, 2011; Berg et al., 2010].
Возбунедающие нейромедиагорныс аминокислоты
Одной из наиболее распространенных возбуждающих аминокислот, имеющих функционально важное значение для всего организма и, в особенности, для ЦНС является глутамат. Аспартат сходен с глутаматом по структуре и метаболизму, что проявляется в большинстве случаев в идентичности их физиологических эффектов на нейрональном уровне. В результате функции этих возбуждающих аминокислот обычно рассматриваются вместе [Mulligan, Mindell, 2013; Cohen-Kashi-Malina et al., 2012; Lodge etal., 2011; Cohen, 2001].
Глутамат участвует во многих биохимических реакциях практически во всех клетках, и его метаболизм играет центральную роль в тканях головного мозга. Глутамат обнаруживается в нервной ткани в более высокой концентрации по сравнению с другими нейроактивными аминокислотами. Его концентрация в ткани мозга колеблется в пределах 8-12 мкмоль/г, в то время как для ГАМК, аспартата и таурина она значительно ниже и составляет соответственно 2, 1,5-3 и 1,5-5 мкмоль/г мозговой ткани [Engelson, 2011; Fagg et al., 2008].
Повышение концентрации глутамата и аспартата в синапсах сопровождается перевозбуждением головного мозга, особенно при эпилепсии, инсульте и ряде других сходных состояний. Существует не менее 6 семейств рецепторов для глутамата и аспартата, как ионотропных (открывающих каналы натрия или хлора), так и метаботропных (функционирующих через вторичные передатчики). В частности, N-Memri-D-аспартатные (NMDA) рецепторы, открывающие быстрые натриевые каналы, являются ионотропными. Рецепторы аспартата и глутамата распространены по всей нервной системе, включая структуры головного и спинного мозга [Cohen-Kashi-Malina et al, 2012; Hawkins, 2009; Раевский, Неруш, 1993; Раевский, 1990]. Высвобождение как возбуждающих, так и тормозных аминокислот зависит от присутствия ионов кальция. В частности, ионы кальция способствуют выбросу глутамата из пресинаптических везикул -процесс, который образует глутамат-кальциевый каскад [Ikotun et al., 2013; Gusev, Skvortsova, 2002]. При недостатке кальция этот процесс ингибируется на 70-80%; данный эффект наблюдается как в нейронах, так и в клетках глии. Кроме того, кальций в малых концентрациях повышает количество связывающих участков для глутамата без изменения сродства рецепторов к нейромедиатору. Кальций стимулирует также увеличение числа глутаматных рецепторов за счет активации кальций-зависимых протеаз, которые демаскируют глутамат-чувствительные участки постсинаптических мембран [Ashpole et al., 2012; Раевский, Неруш, 1993].
Аутистические синдромы (синдромы Аспергера и Каннера)
Аминокислоты
Дисбаланс в метаболизме и содержании аминокислот при развитии ребенка имеет отрицательное влияние на созревание ЦНС и формирование фундаментальных функций высшей нервной деятельности, причем отмечается связь этого дисбаланса с аутизмом [Lakhan, Vieira, 2008; Kidd et al., 2002; Castejon et al., 2001].
Данные о содержании в крови возбуждающих нейромедиаторов и их амидов противоречивы. Предполагается, что аутизм гипоглутаматергическое заболевание; блокирование глутаматергических рецепторов симулирует симптомы аутизма [Kuntz et al., 2004]. Тем не менее, обнаруживается и повышение уровня возбуждающего нейротрансмиттера глутамата в сыворотке крови, коррелирующее со степенью выраженности аутизма [Shinohe et al., 2006]. Избыток возбуждающей аминокислоты аспартата также может иметь повреждающее действие на мозг и приводить к нарушениям эмоциональной сферы и функций обучения [Humphries et al., 2007]. При аутизме в сыворотке крови понижены также амиды возбуждающих аминокислот глутамин и аспарагин [Castejon et al., 2001], хотя при синдроме Аспергера отмечается понижение глутамина при повышении аспарагина [Aldred, et al., 2003]. Концентрация глутамина в крови может быть и неизменна при аутизме [Shinohe et al., 2006].
Концентрация глутамата или плотность его рецепторов в мозге при аутизме могут быть повышены, что повреждает нервные сети и может приводить к поведенческим и когнитивным аномалиям [Belsito et al., 2001].
Предполагается нарушение тормозной нейротрансмиттерной системы при аутизме, что подтверждается резким повышением в крови концентрации ГАМК - основного тормозного нейротрансмиттера ЦНС. Указанные изменения не означают, однако, усиления при аутизме ГАМКергической нейротрансмиссии в мозге; напротив, обнаружено ее угнетение. Это может объяснить некоторые аутистические черты, такие как самостимулирующее поведение и задержки языкового развития [Coghlan et al., 2012; Cohen, 2001; Hussman, 2001]. Повышена также концентрация тормозного нейромедиатора глицина [Castejon et al., 2001], хотя у взрослых аутистов изменений концентрации глицина не обнаружено [Shinohe et al., 2006]. У значительной части (39%) пациентов с аутизмом отмечалось повышение в крови содержания таурина. Повышение таурина, являющегося тормозным нейротрансмиттером, может быть компенсаторной реакцией на избыток возбуждающих нейротрансмиттеров - глутамата и аспартата [Могепо-Fuenmayor et al., 2009], но оно наблюдается только у части пациентов. Данных литературы по изменениям концентрации предполагаемых тормозных нейромедиаторов Р-аланина и пролина обнаружено не было.
Многочисленные научные результаты свидетельствуют об изменении профиля нейтральных аминокислот плазмы при аутизме. Такое внимание к этой группе аминокислот оправдано, поскольку к ней принадлежат тирозин и триптофан - предшественники нейротрансмиттеров дофамина, норадреналина и серотонина, а также фенилаланин — предшественник тирозина [Fernell, 2007].
Одни авторы описывают понижение содержания фенилаланина в крови при аутизме [Castejon et al., 2001], тогда как другие отмечают его повышение [Aldred et al., 2003]. Описывается снижение содержания триптофана, возможно из-за нарушения его всасывания из кишечника в кровь при недостатке витамина Вв. Недостаток триптофана в крови коррелирует с ухудшением поведения и нарушениями функционирования мозга. Дефицит триптофана в диете (при понижении общего триптофана в плазме на 86%, в том числе свободного - на 69%) приводит у 65% аутистов к ухудшению ряда аутистических симптомов (раскачивание, нанесение себе ударов, укусов, беспокойство, тревога, страх и снижение положительных эмоций). Таким образом, при аутизме налицо нарушение способности к регуляции гомеостаза триптофана [Boasso et al., 2008; Croonenberghs et al., 2008; Chugani et al., 2006; Croonenberghs et al., 2000].
В свою очередь, недостаток тирозина и триптофана в крови может привести к недостаточному транспорту этих аминокислот в мозг и снижению синтеза катехоламинов и серотонина в головном мозге. При аутизме могут быть нарушены не только поступление аминокислот-предшественников в кровь и их транспорт в мозг, но и системы их метаболизма в мозгу [Kurian et al., 2011; Hyland, 2008].
Обнаружено также снижение в крови серусодержащих аминокислот метионина и цистеина (вероятно, в результате хронической дисфункции пищеварения и последующего дисбактериоза, нарушения всасывания и обмена этих аминокислот), что связывается с пониженной устойчивостью к оксидативному стрессу [James et al., 2006]. Роль уровня цистеина при аутизме определяется его активным участием в синтезе металлотионеинов, концентрация которых была повышена приблизительно у трети аутистов и членов их семей [Russo, 2008].
При синдроме Аспергера отмечается понижение содержания в крови лизина [Aldred et al., 2003], но возможно и его повышение [Castejon et al., 2001]. Обнаружено также повышение концентрации аланина [Shinohe et al., 2006]. Некоторые авторы отмечают недостаток незаменимых аминокислот при аутизме, вероятно, как результат ухудшения функционирования желудочно-кишечного тракта [Arnold et al., 2003]. Моча
Содержание аминокислот в моче - важный источник информации об их переваривании, всасывании и обмене. Уровень экскреции аминокислот часто отражает их уровень в крови, что отмечается для фенилаланина, лейцина, изолейцина, валина и цистеина [Dhossche et al., 2002; Cohen, 2001] и в целом для незаменимых аминокислот [Evans et al., 2008; Arnold et al, 2003]. Однако не исключены и нарушения экскреции аминокислот, которые не отражают динамику содержания аминокислот в крови. Недостаток фенилаланина в крови при тяжелых формах аутизма (особенно сочетанных с психозами) сопровождается его повышенной экскрецией [Горюнова, 2007].
Спинномозговая жидкость
Данных по содержанию аминокислот в СМЖ при аутизме очень мало, и они противоречивы. Отмечается низкий уровень ГАМК в СМЖ при нервно-психических патологиях (включая аутизм). С другой стороны, степень тяжести состояния при аутизме может коррелировать с повышенными концентрациями в СМЖ ГАМК и таурина и с пониженными концентрациями аланина и аспарагина [Coghlan et al., 2012; Семьянов, 2002].
Метаболиты триптофана Серотониновый путь
Гиперсеротонинемия в цельной крови при аутизме (за счет повышенного содержания серотонина в тромбоцитах) описана многими авторами. Это один из наиболее стабильных аутистических феноменов, отмечающийся у 25% детей с аутизмом и проявляющийся чаще всего в препубертатный период [Hranilovic et al., 2008; Janusonis et al., 2006; Croonenberghs et al., 2005]. Так как гиперсеротонинемия тромбоцитов встречается лишь у части пациентов, аутистические черты не всегда сопровождаются повышением серотонина в цельной крови [Croonenberghs et al., 2005]; возможно понижение как серотонина крови, так и его поглощения тромбоцитами [Lin et al., 2006].
Один из возможных источников гиперсеротонинемии крови -повышение синтеза серотонина в кишечнике [Croonenberghs et al., 2007; Croonenberghs et al., 2005], который является основным источником серотонина тромбоцитов [Janusonis et al., 2006]. В то же время, отсутствие гиперсеротонинемии при аутизме еще не означает, что серотониновая система не нарушена. Так, при воздействии непосредственного предшественника серотонина L-5-гидрокситриптофана уровень серотонина повышался только у аутистов, то есть нарушение регуляции синтеза серотонина возможно и в отсутствие гиперсеротонинемии [Croonenberghs et al., 2005; Croonenberghs et al., 2000]. Однако, серотонин плазмы у детей с аутизмом был понижен [Connors et al., 2006], что может указывать на аномально повышенное накопление серотонина в тромбоцитах за счет его содержания в плазме.
Экскреция серотонина при аутизме повышена, параллельно с пониженным серотонином крови, что указывает на возможность нарушений механизмов экскреции [Mulder et al., 2010].
Синдром Каннера
Обследовано 84 ребенка в возрасте от 3 до 10 лет, имеющих диагноз синдрома Каннера в стабильном психоэмоциональном состоянии и при его ухудшении. Клиническая характеристика данной группы детей описана в разделе «Клиническая характеристика исследуемых групп».
У детей с синдромом Каннера в стабильном психоэмоциональном состоянии в крови происходят изменения концентраций 6 из 24 исследованных аминокислот (Таблица 15). Повышены концентрации возбуждающего нейротрансмиттера аспартата (+49%) и тормозного нейротрансмиттера таурина (+32%) и понижена концентрация незаменимой аминокислоты, нейропротектора метионина (-29%). Наблюдается увеличение концентрации глутамина (+27%) - маркера гипоксии ЦНС, снижение содержания тормозной нейромедиаторной аминокислоты глицина (-14%) и резкое понижение Р-аланина - тормозного нейромедиатора и источника антиоксиданта карнитина (-73%). Содержание ГАМК у детей с синдромом Каннера не отличалось от такового группы сравнения. Неизменность содержания ГАМК крови противоречит данным литературы о ее понижении при синдроме Каннера [Ratajczak, 2011] или повышении при аутизме (синдром не обозначен) [El-Ansary et al., 2011; Dhossche et al., 2002]. В результате отношение возбуждающих нейротрансмиттерных аминокислот к тормозным слабо повышено на +20% (Рис. 2), и несколько увеличена сумма аминокислот транспортной системы A/ASC.
Профиль изменений уровней метаболитов триптофана в крови у детей при синдроме Каннера в стабильном состоянии представлен в таблице 16 и на рисунке 5. При пониженном содержании серотонина в сыворотке крови (-37%)), наблюдается гиперсеротонинемия тромбоцитов (+31%). Кроме того, слабо повышен уровень кинурениновой кислоты (+17%).
Изменения концентраций катехоламинов и их метаболитов в плазме немногочисленны (Таблица 19, Рис. 5). Имеет место только снижение содержания норадреналина (-23%). Понижается отношение НА/ВМК, что свидетельствует об активации норадреналиновой ветви метаболизма катехоламинов (Таблица 19).
Исследования профиля аминокислот в крови при ухудшении состояния (Таблица 15, Рис. 5) показывают повышение концентраций возбуждающих нейромедиаторов аспартата (+229%) и глутамата (+62), а также его амида глутамина (+56%), тормозных медиаторных аминокислот глицина (+ 30%), таурина (+232%), и пролина (+26% ), аргинина (+138%) - предшественника нитроксида - важной сигнальной молекулы, и возможного индикатора окислительного стресса и нейротоксичности. Содержание тирозина -предшественника катехоламинов, увеличено на 68%, а также цистеина на 60%). Кроме того, наблюдается понижение содержания метионина (-59%), серина (-41%) и р-аланина (-33%) и увеличение концентрации аспарагина (+27%). Полученные нами данные подтверждают повышение аспарагина в крови при синдроме Каннера [Adams et al., 2011]. Отношение суммы основных возбуждающих аминокислот к сумме основных тормозных аминокислот увеличено на 53% (Рис. 2). В результате повышены суммы аминокислот транспортных систем р (+172%), X"AG- (+98%), у+ (+35%) и L (+7%).
Таким образом, при сравнении детей с синдромом Каннера, находящихся в разных психоэмоциональных состояниях при ухудшении психоэмоционального состояния наблюдается изменение концентраций 13 из 24 исследованных аминокислот (Таблица 15, Рис. 5), вдвое больше, чем в стабильном состоянии.
Те изменения, которые наблюдаются и в стабильном состоянии, при ухудшении выражены значительно сильнее: увеличение содержания аспартата (+229% по сравнению с +49%), таурина (+232% по сравнению с +32%), глутамина (+56% по сравнению с +27%), понижение содержания метионина (-59% по сравнению с -29%). Снижение концентрации Р-аланина, напротив, было выражено меньше, чем в стабильном состоянии (-33% по сравнению с -73%). Концентрация глицина при ухудшении состояния повышалась (+30%), тогда как в стабильном состоянии она была снижена (-14%). Повышение содержания глицина крови согласуется с частью данных литературы [Zavala et al., 2008], причем восполнение дефицита глицина в крови способно снижать гиперактивность детей с аутизмом [Quackenbush et al., 1999].
При сравнении изменений метаболитов триптофана в стабильном состоянии и при его ухудшении сходные по направленности изменения характерны для повышения содержания серотонина тромбоцитов (+36% по сравнению с +31% в стабильном состоянии) и кинурениновой кислоты (+46% по сравнению с +17% в стабильном состоянии). С другой стороны, при ухудшении нормализуется концентрация серотонина сыворотки. Кроме того, наблюдается понижение содержания кинуренина (-42%), которое не отмечалось в стабильном состоянии (Таблица 16, Рис. 5).
При ухудшении психоэмоционального состояния у детей с синдромом Каннера нарушения профиля катехоламинов и их метаболитов в плазме крови значительно более многочисленны и выражены, чем в стабильном состоянии (Таблица 17, Рис. 5). Происходит повышение концентрации дофамина (+53%) и ГВК (+61%) и снижение содержания норадреналина (-49%) и норметанефрина (-26%), а также повышение концентрации МГФГ (+24%), тогда как у детей в стабильном состоянии наблюдалось только снижение содержания норадреналина (-23%). Повышение дофамина крови при аутизме отмечается и в работах других авторов, но отсутствует информация по дифференцировке синдромов и состоянию больных [Е1-Ansary et al., 2011; Launay et al., 2007].
В результате в сыворотке крови детей с синдромом Каннера понижаются отношения ДА/ГВК, НА/ВМК и (НА+НМН)/(НА+НУШ+МГФГ+ВМК) - признаки активации дофаминовой и норадреналиновой ветвей метаболизма катехоламинов и повышаются отношения ГВК/ВМК, ГВК/МГФГ и ГВК/(МГФГ+ВМК) - свидетельства преимущественной активации метаболизма дофамина (Таблица 18).
Значительная активация дофаминовой ветви при ухудшении состояния может быть связана с повышением уровня тирозина - источника синтеза катехоламинов.
У детей, страдающих синдромом Каннера, в стабильном психоэмоциональном состоянии изменения концентраций аминокислот в суточной моче немногочисленны (Таблица 19, Рис. 6), что отражается в отсутствии корреляции между процентными изменениями концентраций аминокислот в крови и в моче (11=0,067, R =0,005, Р=0,755).
Происходит уменьшение концентрации глицина (-12%) и повышение содержания аргинина (+40%). Снижение уровня глицина отражает соответствующее его понижение в сыворотке крови, тогда как повышение уровня аргинина происходит при неизменности его концентрации в крови и представляет собой аномальное усиление экскреции. Остальные изменения уровня аминокислот в крови не отражены при их экскреции, вероятно из-за слабой выраженности. В то же время, неизменность концентрации Р-аланина в моче при его резком понижении в крови (-73%) может свидетельствовать о нарушении механизма его экскреции.
Изменения содержания метаболитов триптофана в моче (Таблица 20, Рис. 6) характеризуются увеличением содержания серотонина (+40%) и его конечного метаболита 5-ОИУК (-15%).
Анализ сходства и различия биохимических показателей при аутистических синдромах Аспергера и Каннера
Полученные нами результаты позволяют считать синдром Аспергера заболеванием аутистического спектра, наряду с синдромом Каннера, и не поддерживают гипотезы о качественном отличии синдрома Аспергера от синдрома Каннера [McPartland, Klin, 2011; Ratajczak, 2011; МШЇег, 2007 Горюнова, 2007; Верни, 2006; Foster, King, 2003]. Этот вывод становится возможным благодаря исследованию биохимических показателей при разном психоэмоциональном состоянии больных.
Изменения в содержании нейротрансмиттеров, аминокислот и их метаболитов в крови и нарушения экскреции с мочой, характерные только для синдрома Аспергера, малочисленны и ограничены только стабильным состоянием. Изменений, общих для синдромов Аспергера и Каннера, намного больше, особенно при ухудшении состояния (Рис. 10-11).
При этом спектр общих для обоих синдромов изменений при ухудшении психоэмоционального состояния больных пополняется новыми изменениями, обычно сохраняя в своем составе те изменения, которые наблюдались в стабильном состоянии. При сравнении двух психоэмоциональных состояний индивидуальных изменений, характерных для стабильного психоэмоционального состояния, мало, как в крови при синдроме Аспергера или Каннера, так и в СМЖ при синдроме Каннера (Рис. 12-14). Изменений, общих для обоих психоэмоциональных состояний и индивидуальных для ухудшения состояния намного больше. Ухудшение состояния привносит от 32 до 54% новых изменений, особенно в крови при синдроме Каннера. Общность нарушений при аутистических синдромах не является тривиальной, так как она не очевидна при сравнении клинической картины обоих синдромов. Несмотря на некоторые общие черты, характеризующие синдромы Аспергера и Каннера при ухудшении психоэмоционального состояния (затяжной характер и наличие аффективных приступов), их общая клиническая картина заметно отличается. При синдроме Аспергера, в отличие от синдрома Каннера, отсутствуют психозы, и не происходит усугубления личностных расстройств. При синдроме Каннера, напротив, ухудшение состояния характеризуется остановленным или крайне замедленным развитием с возможностью регресса и утраты ранее приобретенных навыков [Johnson, 2012; McPartland, Klin, 2011; Наррё, Ronald, 2009; Красноперова, 2004; Башина, 2001].
Достаточное количество характерных изменений обнаружено нами в содержании аминокислот в крови и при экскреции катехоламинов и их метаболитов для идентификации синдрома Аспергера и синдрома Каннера, особенно в стабильном психоэмоциональном состоянии. Выявленные изменения позволяют различать между собой аутистические синдромы и психоэмоциональные состояния. Это имеет особое значение, так как до настоящего времени не предложено надежных лабораторных маркеров для диагностики аутизма и диагноз основывается на поведенческих критериях [Wang et al., 2011]. Следовательно, возможность выявления характерных профилей метаболитов в биожидкостях продолжает привлекать внимание исследователей.
Похожие диссертации на Биохимические механизмы развития аутизма и синдрома дефицита внимания и гиперактивности у детей
