Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оксидативный стресс и возрастная инволюция ЦНС (Обзор литературы) 15
1.1. Механизмы развития оксидативного стресса в нервной ткани 15
1.2. Активные формы кислорода как индукторы ковалентных модификаций липидов и белков нервной ткани 25
1.3. Роль оксидативного стресса в регуляции функционального состояния нервной ткани 33
1.4. Морфогенетическая роль МАО-Б зависимого оксидативного стресса в центральной нервной системе 42
Глава 2. Материал и методы исследования 45
2.1. Материал исследования 45
2.2. Методы исследования 45
Глава 3. Собственные исследования 64
3.1. Возрастная динамика показателей оксидативного стресса в спинном мозге человека 64
3.1.1.Возрастная динамика активности МАО-Б в спинном мозге человека 64
3.1.2. Возрастная динамика содержания прооксидантных металлов в спинном мозге человека 70
3.1.3. Возрастаня динамика ферментов антиоксидантной защиты в спинном мозге человека 78
3.1.4. Возрастная динамика устойчивости спинного мозга человека к оксидативному стрессу 89
3.1.5. Возрастные изменения содержания продуктов липопероксидации в спинном мозге человека 95
3.1.6. Возрастные изменения содержания продуктов окислительной модификации белков в спинном мозге человека 109
3.2. Возрастная динамика морфологических показателей спинного мозга человека 113
3.2.1. Возрастные изменения содержания нейронов в спинном мозге человека 113
3.2.2. Возрастные изменения содержания глиальных клеток в спинном мозге человека 130
3.2.3. Возрастные изменения СДГ и НАД-диафоразной активностей в нейронах спинного мозга человека 164
3.2.4. Возрастные изменения капиллярного русла спинного мозга человека 184
Глава 4. Заключение 215
Выводы 234
Список литературы 236
- Механизмы развития оксидативного стресса в нервной ткани
- Роль оксидативного стресса в регуляции функционального состояния нервной ткани
- Возрастная динамика показателей оксидативного стресса в спинном мозге человека
- Возрастаня динамика ферментов антиоксидантной защиты в спинном мозге человека
Введение к работе
Оксидативный стресс (ОС) играет важную роль в развитии нейродегенеративных заболеваний и возрастной инволюции центральной нервной системы (ЦНС). Этот процесс связан с оксидативным повреждением клеток нейроэктодермального происхождения при таких заболеваниях, как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, боковой амиотрофический склероз и болезнь Гантингтона (Rao A.V., Balachandran В., 2002; Mariani Е. et al., 2005; Szeto H.H., 2006; Calabrese V. et al., 2005, 2006; Favier A., 2006).
Длительно персистирующий ОС вызывает непрерывное вовлечение в апоптоз нейронов в различных отделах головного мозга (ГМ). Аналогичный механизм лежит в основе нейродистрофических изменений при сахарном диабете (СД), характеризующимся высокой медико-социальной значимостью в связи с большой частотой нейропатических осложнений (Гуревич К.Г., 2005). Данная категория поздних осложнений СД также связана с оксидативным повреждением периферической нервной системы с последующим развитием периферических нейропатий (Дедов И.И. и др., 2004). Аналогичные процессы в ЦНС вызывают развитие непрерывно прогрессирующей когнитивной дисфункции у больных СД с исходом в деменцию (Дамулин И.В., 2004; Коркина М.В., Елфимова Е.В., 2005; Волчегорский И.А., Местер Н.В., 2007; Местер Н.В., 2007; Biessels G.J. et al., 2002; Peila R. et al., 2002; Schmidt R. et al, 2004; Vincent A.M., 2004; Messier C, 2005; Pasquier F. et al., 2006). Эскалация ОС на церебральном уровне рассматривается в настоящее время как общепризнанная патогенетическая основа нарушений когнитивных функций и аффекторного статуса при неврологических, психических и соматических заболеваниях (Смулевич А.Б., 2003; Волчегорский И.А., Местер Н.В., 2007).
Значительно меньший массив данных касается исследований динамики ОС при «нормальном» старении ЦНС. Вместе с тем, достаточно убедительно продемонстрировано, что поздний онтогенез связан с прогрессивным
снижением устойчивости к ОС ГМ, накоплением в нем продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ), падением активности ферментов антиоксидантной защиты (АОЗ), редукцией капиллярного русла, снижением числа нейронов и развитием заместительного глиоза (Волчегорский И.А. и др., 2001, 2003; Шемяков С.Е., 2003).
Немаловажную роль в возрастной эскалации ОС играет онтогенетическая динамика активности моноаминоксидазы (МАО). Старение человека. сопровождается нарастанием активности этого фермента в различных церебральных регионах (Fowler С.J. et al, 1980а; Leung Т.К. et al., 1981). МАО является ферментом окислительного катаболизма биогенных моноаминов-нейротрансмиттеров (серотонина, норадреналина, дофамина), а также моноаминов интестинального происхождения (тирамина и триптамина). Известно 2 основные формы фермента — МАО-А и МАО-Б, различающихся между собой по субстратной специфичности и чувствительности к ингибиторам (В.З. Горкин, 1981; Медведев А.Е., ТиптонК.Ф., 1995; Johnston J.P., 1968; Youdim М.В., 1980; Fowler C.J. et al., 1980a, 6; Fowler J.S. et al., 2002; Nagatsu Т., 2004). Существуют также известные нейроанатомические различия, касающиеся локализации различных форм МАО в клетках нейроэктодермального происхождения и различных отделах мозга. МАО-А экспрессируется, главным образом, в катехоламинэргических нейронах, в то время как МАО-Б выявляется в серотонинэргических нейронах и клетках астроглии (Levitt P. et al., 1982; Richards J.G. et al., 1992; Ekblom J. et al., 1993; Vitalis T. et al., 2002). Преобладающей формой МАО в ГМ человека является МАО-Б, на долю которой приходится 80-90 % церебральной МАО-активности (Kalaria R.N. et al., 1988).
Высокая активность МАО-Б обнаруживается в каудальных стволовых структурах ГМ, гипоталамусе, в структурах «древней коры» и обонятельной луковице (Hashizume С. et al., 2003). Именно в стволовых отделах ГМ, нейроны которых особенно богаты МАО-Б, наиболее ярко проявляется
7 возрастная эскалация ОС (Волчегорский И. А. и др., 2001, 2003; Шемяков С.Е., 2003).
Столь важное значение МАО в развитии церебрального ОС связано с тем, что одним из субстрат-независимых продуктов МАО-реакции является перекись водорода (Н2О2). ЕЬОг легко диффундирует через биологические мембраны (Меныцикова Е.Б., 2006) и является мощным индуктором свободнорадикального повреждения липидов, белков и нуклеиновых кислот.
Возрастное увеличение МАО-активности в ЦНС обусловлено поздним онтогенетическим нарастанием уровня глюкокортикоидов, которые индуцируют экспрессию в ЦНС МАО-Б (но не МАО-A) (Kalaria R.N. et al., 1988; Carlo P. et al., 1996). ОС, развивающийся в процессе старения, тоже благоприятствует экспрессии МАО-Б за счет редокс-активации протеинкиназы С (Knapp L.T., Klann Е., 2002).
Помимо прироста МАО-активности, существеный вклад в возрастное прогрессирование ОС вносит развитие так называемой митохондриальной дисфукции, проявляющейся медленно прогрессирующим ' расходом восстановительных эквивалентов на одноэлектронное восстановление кислорода. Результатом этого является не только энергодефицит, но и свободнорадикальное повреждение ферментов энергетического механизма, обусловливающее снижение их активности. Митохондриальная дисфункция справедливо рассматривается как узловой механизм индукции нейронального апоптоза (Manfredi G., Beal M.F., 2000; Brunk U.T., Terman A., 2002; Jordan J. et al., 2003).
Значительный вклад в возрастное прогрессирование церебрального ОС вносит также непрерывная аккумуляция некоторых металлов, характеризующихся высокой прооксидантной активностью. К числу этих металлов относится кадмий, содержащийся в больших количествах в газообразных продуктах антропогенного загрязнения окружающей среды (Михалева Л.М., 1988). Установлено, что накопление металлов переменной валентности в различных церебральных регионах играет существенную роль
8 в их оксидативном повреждении и развитии неиродегенеративных процессов (Aruoma O.I. et al., 1991; Stohs S.J., Bagchi D., 1995; Shukla A., 1996; LeVine S.M., 1997; Samson F.E., Nelson S.R., 2000; Stohs SJ. et al., 2000, 2001; Honda K. et al., 2004; Olanow C.W., 2004; Gaeta A., Hider R.C., 2005; Sayre L.M. et al, 1999, 2000, 2005; Valko M., 2005; Berg D., Bolin CM. et al., 2006; Youdim M.B., 2006).
Инволюция ЦНС, вызванная возрастной эскалацией ОС, проявляется определенными микроанатомическими изменения (Amenta F. et al., 1994а,б; Zeng Y.C. et al., 1994, 1995). У стареющих крыс в нео- и палеокортексе наблюдается убыль нейронов с одновременным увеличением количества астроцитов. Данный процесс сопровождается приростом активности МАО-Б. Волчегорским И.А. и соавт. (2001, 2003) и Шемяковым СЕ. (2003) в ГМ человека продемонстрирована существенная зависимость возрастного усиления ОС от топографии церебрального региона. Наиболее ярко микроанатомические изменения, проявляющиеся снижением числа нейронов и сопутствующим заместительным глиозом, обнаруживаются в промежуточном мозге, мосте и продолговатом мозге. В этих же отделах ГМ человека наблюдается наибольший прирост активности МАО-Б, высокое содержание продуктов ПОЛ, нарастание признаков митохондриальной дисфункции и редукция капиллярного русла.
Подавляющее большинство имеющихся в литературе данных рассматривает патогенетическое значение ОС в развитии митохондриальной дисфункции, нейронального апоптоза и апоптоза капиллярных эндотелиоцитов (Halliwell В. et al., 1985; Ferrandiz M.L. et al., 1994; Ellerby L.M. et al, 1996; Murphy A.N. et al, 1996; Murphy A.N., Fiskum G., 1999; Cadenas E., Davies K.J., 2000; Fiskum G., 2000; Keller J.N. et al., 2000; Melov S., 2000; Amstad P.A. et al 2001; Leutner S. et. al., 2001; Lee H.C., Wei Y.H., 2001; Mattson M.P. et al., 2001; Melov S. et al., 2001; Lee J.Y. et al., 2004; SchipperH.M.,2004).
9 Вместе с тем, в литературе имеется достаточно обширный массив данных, позволяющий говорить о важной регуляторной роли ОС, умеренная выраженность которого является неотъемлемым условием адекватного контроля неирональнои пластичности, регуляции высших интегративных функций ЦНС и мобилизации пластического потенциала клетки (Mattson М.Р., 1998; Nemoto S. et al., 2000; Knapp L.T., Klann E., 2002; Moldovan L., Moldovan N.I., 2004; Haynes R.L. et al., 2006; Forster E. et al., 2006). Более того, получены данные о том, что умеренно выраженный ОС играет существенную регуляторную роль в контроле морфогенеза структур «древней» коры (Bothwell М., Giniger Е., 2000; Li Y. et al, 2004).
Умеренно выраженный ОС необходим для нормального функционирования клеток, органов и тканей, а также организма в целом. Это положение иллюстрируется вовлеченностью ОС в редокс-регуляцию активности транскрипционных факторов, мембранных каналов ионной проводимости, неспецифических механизмов антимикробной защиты и иммунологического надзора в целом (Волчегорский И.А. и др., 1998; Дубинина Е.Е., 2001). Эта закономерность соблюдается и для ЦНС. Несмотря на монотонное увеличение активности МАО-Б и сопутствующих проявлений ОС, Шемякову СЕ. (2003) удалось выявить транзиторное нарастание количества нейроцитов в ряде паравентрикулярных отделов ГМ в возрасте с 21 до 35 лет.
Наименее изученным отделом ЦНС в отношении возрастной динамики ОС является СМ. ОС на спинальном уровне достаточно подробно изучался лишь при отдельных патологических состояниях. Это касается экспериментальной травмы CM (Anderson D.K., Hall E.D., 1993; Malecki A. et al., 2000), а также такого фатального нейродегенеративного заболевания, как боковой амиотрофический склероз (БАС) (Fiszman M.L. et al., 1999; Niebroj-Dobosz I. et al., 2004; Lin M.T., Beal M.F., 2006). Известно, что экспрессия аномальной супероксиддисмутазы СМ является причиной отдельных форм семейного БАС, наследуемых по аутосомно-рецессивному механизму
10 (Kirkinezos I.G. et al., 2005). В основе данного заболевания лежит гиперпродукция активных форм кислорода (АФК), вызывающих митохондриальную дисфункцию, с последующим апоптозом мотонейронов в спинном мозге, стволе и коре головного мозга (Fiszman M.L. et al., 1999; Lin M.T., Beal M.F., 2006).
Вопрос о вовлеченности ОС в механизм «нормального» старения СМ остается открытым. Вместе с тем, этот отдел ЦНС играет общеизвестную роль в контроле вегетативного статуса и двигательной активности человека. Поэтому вопрос о возрастной динамике ОС в сопоставлении с микроанатомическими изменениями СМ заслуживает целенаправленного рассмотрения.
Цель исследования
Установить закономерности динамики показателей оксидативного стресса в сопоставлении с характеристиками функционального статуса нейрональных митохондрий, состояния капиллярного русла и клеточного состава спинного мозга человека в процессе старения.
Задачи исследования
1. Изучить динамику содержания металлов-прооксидантов (кадмия, меди,
железа) и активности МАО-Б в спинном мозге человека на протяжении
возрастного периода с 21 до 95 лет.
2. Исследовать активность ферментов превентивной антиоксидантной
защиты (Си^п-зависимой супероксиддисмутазы, каталазы, церулоплазмина)
в спинном мозге у людей зрелого, пожилого и старческого
возрастов.
3. Изучить возрастную динамику устойчивости различных отделов спинного
мозга к оксидативному стрессу in vitro в процессе старения.
4. Исследовать динамику содержания продуктов липидной пероксидаци и
окислительной модификации белков в различных отделах спинного мозга
человека на протяжении возрастного периода с 21 до 95 лет.
Выполнить гистохимическую оценку изменений функционального состояния митохондрий по показателям НАД-диафоразной и сукцинатдегидрогеназной активностей в спинальных нейронах различных отделов спинного мозга в процессе старения.
Охарактеризовать динамику клеточного состава и гистохимических характеристик капиллярного русла в различных отделах спинного мозга человека в возрастной период с 21 до 95 лет.
Оценить взаимосвязь между изменениями биохимических показателей оксидативного стресса, гистохимических характеристик функций нейрональных митохондрий, показателей состояния капиллярного русла и клеточного состава спинного мозга в динамике старения человека.
Научная новизна
Впервые проведено комплексное биохимико-морфологическое исследование динамики инволютивных процессов в СМ человека на протяжении зрелого, пожилого и старческого возрастов. Впервые установлена роль ОС как фактора, контролирующего возрастную инволюцию в ростральных отделах СМ (шейное утолщение и грудной отдел) и компенсаторную активацию пластических процессов в пояснично-крестцовом утолщении этого отдела ЦНС. Впервые продемонстрировано, что ведущим фактором в возрастной эскалации ОС в шейном утолщении СМ является аккумуляция кадмия и железа, а в грудном отделе - увеличение активности МАО-Б. Впервые охарактеризована возрастная динамика содержания продуктов ПОЛ и окислительной модификации белков (ОМБ) в различных отделах СМ. Впервые проведено комплексное сопоставление возрастной динамики биохимических показателей ОС в СМ с гистохимическими параметрами функционального состояния митохондрий
12 спинальных нейронов, характеристиками капиллярного русла СМ и его клеточного состава. Впервые продемонстрировано, что возрастная инволюция СМ связана с постепенным снижением содержания нейроцитов, клеток астроглии и олигодендроцитов в задних рогах ростральных отделах СМ (шейном утолщении и грудном отделе), а таюке в боковых рогах грудного отдела СМ. Впервые показано, что по мере увеличения возраста стареющего человека в пояснично-крестцовом утолщении СМ не только не происходит снижения содержания клеток нейроэктодермального происхождения, но наоборот отмечается гипертрофия нейронов и транзиторное увеличение содержания клеток астроглии и олигодендроцитов в возрастном периоде от 36 до 60 лет. Впервые обосновано положение о роли ОС в процессе возрастного морфогенеза СМ при «нормальном» старении человека.
Теоретическая и практическая ценность работы
Работа носит фундаментально-теоретический характер.
На основании комплексного биохимико-морфологического исследования вскрыты фундаментальные закономерности морфогенетической роли ОС в СМ при «нормальном» старении человека.
Результаты проведенного биохимико-морфологического исследования значительно дополняют и расширяют систему существующих представлений о роли ОС в регуляции морфологии и функции ЦНС и могут быть использованы в учебном процессе на кафедрах биохимии, анатомии, гистологии, физиологии и неврологии.
Углубленные сведения о механизмах и принципах старения СМ можно использовать при подготовке студентов на кафедрах медико-биологического профиля и врачей-курсантов в системе постдипломного и дополнительного медицинского образования.
Выявленные взаимосвязи содержания металлов-прооксидантов, активности МАО-Б, процессов липопероксидации и ОМБ с
13 морфологическими изменениями в СМ при старении могут быть использованы как теоретическая база для разработки новых подходов к профилактике и терапии нейродегенеративных поражений спинального уровня.
Основные положения, выносимые на защиту
1. СМ стареющего человека характеризуется возрастным накоплением
металлов-прооксидантов (в шейном и пояснично-крестцовом утолщениях) и
увеличением активности МАО-Б в грудном отделе. Одновременно
развивается онтогенетическое снижение активности Си,2п-зависимой
супероксиддисмутазы (CujZn-СОД) в ростральных отделах СМ с
компенсаторным нарастанием активности каталазы и содержания
церулоплазмина (ЦП).
2. Поздний онтогенетический дисбаланс между прооксидантными
факторами и АОЗ в СМ человека обусловливает возрастное снижение
устойчивости СМ к ОС и сопутствующее накопление продуктов липидной
пероксидации и ОМБ.
Возрастная эскалация ОС в СМ стареющего человека связана с нарастающим снижением активности НАД-диафоразы и сукцинатдегидрогеназы (СДГ), с параллельной редукцией капиллярного русла и компенсаторным увеличением его емкостных характеристик.
Возрастная эскалация ОС, сопровождающаяся морфологическими признаками митохондриальной дисфункции спинальных нейронов и редукцией капиллярного русла, обусловливает развитие морфологических признаков инволюции в ростральных отделах СМ и компенсаторную активацию пластических процессов в его пояснично-крестцовом утолщении.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 17 научных работ.
14 Апробация работы
Основные положения работы доложены, обсуждены и опубликованы на
научно-практической конференции с международным участием
«Морфологическое состояние тканей и органов в норме и при
моделировании патологических процессов» (Тернополь, 2006); на
Всероссийской научной конференции с международным участием,
посвященной 10-летию медицинского факультета и кафедры анатомии и
гистологии БелГУ (Белгород, 2006); на научно-практической конференции
«Актуальные проблемы геронтологии и гериатрии» (Санкт-Петербург, 2006);
на межрегиональной научно-практической конференции «Актуальные
проблемы внутренних болезней: традиционные и психосоматические
подходы» (Челябинск, 2006); на конференции, посвященной 25-летию ЦНИЛ
ЧелГМА (Челябинск, 2006); на третьей Всероссийской научно-практической
конференции «Фундаментальные аспекты компенсаторно-
приспособительных процессов» (Новосибирск, 2007); на совместном совещании кафедр биохимии, фармакологии и анатомии человека в рамках расширенного заседания областного отделения Всероссийского научного общества АГЭ (Челябинск, 2007).
Объем и структура диссертации
Диссертация изложена на 286 страницах, содержит 57 таблиц и 100 рисунков; состоит из введения, обзора литературы, 10 разделов собственных исследований, заключения и выводов. Список литературы включает 459 источников (111 отечественных и 348 зарубежных).
Механизмы развития оксидативного стресса в нервной ткани
ОС рассматривается как состояние дисбаланса между процессами продукции и элиминации АФК в биологических системах (Дубинина Е.Е., 2001; Подколзин А.А. и др., 2001; Меньшикова Е.Б. и др., 2006; Gaeta А., HiderR. С, 2005; Sayre L.M. et al., 2005). Результатом этого дисбаланса является выраженное накопление АФК. Особая уязвимость ЦНС к ОС связана с высоким потреблением кислорода нервной тканью, большим содержанием ненасыщенных жирных кислот и железа, и относительно низкой активностью ферментов антиоксидантной защиты (Болдырев А.А, 2001а; Halliwell В., 1989, 1992; Ogawa N., 1994; Limoli C.L. et al., 2004; Gaeta A., Hider R. C, 2005; Ter-Minassian A., 2006). В широкой совокупности работ по изучению ОС в нервной ткани первоочередное внимание отводится состояниям, связанным с оксидативными механизмами патогенеза различных заболеваний ЦНС. Это касается центральных диабетических невропатий (Местер Н.В., 2007), последствий черепно-мозговой травмы (Castejon O.J, Arismendi G.J., 2006; Cousar J.L. et al., 2006), циркуляторной гипоксии (Гусев Е.И., Скворцова В.И., 2001), а также нейродегенеративных заболеваний - болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона, бокового амиотрофического склероза, болезни Гантингтона (Rao A.V., Balachandran В., 2002; Mariani Е. et al., 2005; Szeto H.H., 2006; Calabrese V. et al., 2005, 2006; Favier A., 2006). Вместе с тем, имеются основания полагать, что патогенез этих состояний качественно напоминает те сдвиги, которые отмечаются в динамике «нормального» старения (Butterfield D.A. et al., 1999; Barja G., 2004; Poon H.F. et al., 2004 a, b; Watson J.B. et al., 2006; Valko M. et al., 2007). Прежде всего это касается известной роли ОС в развитии возрастной инволюции ГМ человека (Волчегорский И.А. и др., 2001, 2003;
Шемяков С.Е., 2003; ProllaT.A., Mattson M.P., 2001; Schipper H.M., 2004). В связи с тем, что в XXI веке ожидается прогрессирующее увеличение численности пожилых и старых людей (Яковлев О.Г., Захарова Н.О., 2006), проблема поздней онтогенетической эскалации ОС в ЦНС приобретает особое научно-практическое значение.
Основным источником АФК являются митохондрии, утилизирующие порядка 90 % кислорода, потребляемого клеткой (Szeto Н.Н., 2006). Около 0,15-0,2 % Ог, используемого в процессе митохондриального окисления, конвертируется в АФК (Staniek К., Nohl Н., 2000; St-Pierre J. et al., 2002). Прежде всего это касается супероксиданиона (Ог ). Большая часть супероксиданиона продуцируется I и III комплексами электронно-транспортных цепей (ЭТЦ) митохондрий (Brand M.D. et al., 2004). I комплекс ЭТЦ (НАДН-убихинон оксидоредуктаза; КФ 1.6.5.3) выделяет 02 в матрикс и в область внутренней мембраны митохондрий, в то время как III комплекс (убихинол-цитохром с оксидоредуктаза; КФ 1.10.2.2) выделяет супероксиданион в межмембранное пространство митохондрий и цитоплазму (Han D. et al., 2001; 2002; St-Pierre J. et al., 2002; Chen Q. et al., 2003).
В нейронах основной вклад в продукцию АФК вносит I комплекс ЭТЦ (Kushnareva Y. et al., 2002), что приводит к преимущественному накоплению Ог - в матриксе нейрональных митохондрий. При этом высокая полярность супероксиданиона не позволяет ему преодолеть барьеры митохондриальных мембран и выделиться в цитозоль. Дальнейшая биотрансформация 02 , образовавшегося в результате функционирования I комплекса ЭТЦ, осуществляется в матриксе нейрональных митохондрий.
Не умаляя центральную роль митохондрий как индукторов ОС в нервной ткани, необходимо подчеркнуть, что определенный вклад в продукцию АФК осуществляют внемитохондриальные факторы, такие как нейрональные НАДНФ-оксидаза, ксантиноксидоредуктаза и ферментные системы пероксисом (Меныцикова Е.Б. и др., 2006; Chae H.Z. et al., 1994; Keller J.N. et al., 2000; Ding Q., Keller J.N., 2001; Grune T. et al., 2001; Ding Q. et al., 2003; Sullivan P.G. et al, 2004).
Супероксиданион является относительно слабым оксидантом (Turrens J.F., 2003) и легко элиминируется хорошо эшелонированной системой СОД (рисЛ), катализирующих единую химическую реакцию дисмутации Ог :
о2" сод н2о2 Каталаз% н2о + о2
Существуют 3 основные формы СОД (Си,гп-зависимая СОД - СОДІ, Мп-зависимая СОД - СОД2, внеклеточная СОД - СОДЗ). Известные формы СОД содержатся в различных клеточных компартментах. Митохондриальная Мп-зависимая СОД локализуется в матриксе митохондрий, в то время как наиболее распространенная Си,2п-зависимая СОД (супероксид: супероксидооксидоредуктаза; КФ 1.15.1.1) содержится в межмембранном пространстве митохондрий, в цитоплазме и на поверхности пероксисом. Большая часть СОДІ (около 80 %) ассоциирована с пероксисомами, порядка 20 % ферментативной активности обнаруживается в цитоплазме и межмембранном пространстве митохондрий. Именно Си,2п-зависимая СОД играет первоочередную роль в элиминации супероксиданиона, что вносит существеный вклад в естественные механизмы нейропротекции при ишемических состояниях и нейроинтоксикациях различного генеза (Cuzzocrea S. et al., 2001; Maier СМ., Chan P. H., 2002; Muscoli С et al., 2003; Salvemini D., Cuzzocrea S., 2002, 2003; Hu D. et al., 2007).
Заслуживает внимания рассмотрение внеклеточной СОД, высокая активность которой регистрируется в диэнцефальной области ГМ. В связи с этими особенностями локализации, СОДЗ рассматривается как фермент, защищающий ЦНС от оксидантов гематогенного происхождения (Oury T.D. etal., 1999).
Роль оксидативного стресса в регуляции функционального состояния нервной ткани
Подавляющее большинство данных, имеющихся в современной литературе, касаются патогенетической роли ОС (Ліа N. et al., 2000; Gilgun-Sherki Y. et al., 2002; Knapp L.T., Klann E., 2002; Agar J., Durham H., 2003; Streck E.L. et al., 2003; Limoli C.L. et al., 2004; Forero D.A. et al., 2006; Haynes R.L. et al., 2006; Lin M.T., Beal M.F., 2006; Watson J.B. et al., 2006). Этот процесс играет важную роль в различных формах гибели клетки (Martin LJ. et al., 1998; Goldschmidt-Clermont О J., Moldovan L., 1999; Mattson M.P., 2000; Tofilon P.J., Fike J.R., 2000; Davidson С et al., 2001; Goodlett C.R., Horn K.H., 2001; Gilgun-Sherki Y. et al., 2002; Kermer P. et al., 2003; Petrosillo G. et al., 2003).
Быстрое развитие выраженного ОС в церебральных нейронах сопряжено с повреждением и гибелью этих клеток по механизму некроза (Martin L.J., 2001). Данный процесс возникает при травматическом или остром метаболическом повреждении нейронов (Goodlett C.R., Horn К.Н., 2001). Поскольку некроз связан с острым повреждением мембран (Kroemer G., Reed J.C., 2000; Tsukada Т. et al, 2001; Niguet J. et al., 2003; Kermer P. et al., 2004), основную роль в реализации этого сценария гибели клеток играют процессы ПОЛ, рассматриваемые как неспецифические механизмы мембранной патологии (Владимиров Ю.А., Арчаков А.И., 1972; Биленко М.В., 1989; Меныцикова Е.Б. и др., 2006). Процесс некроза сопровождается развитием вторичного повреждения группы клеток, соседствующих с пораженным нейроном (Goodlett C.R., Horn К.Н., 2001). Клетки, вовлеченные в некроз, набухают, что сопровождается лизисом их органелл и формированием вторичных лизосом, характеризующихся специфической и достаточно сложной морфологией (рис. 3) (Colbourne F. et al., 1999). Некротическая гибель нервных клеток закономерно приводит к развитию локального воспалительного процесса, способного вызвать гибель соседствующих клеток.
Апоптотическая гибель клеток также сопровождается активацией ПОЛ (Gilgun-Sherki Y. et al., 2002), но в не меньшей степени связана с процессами ОМБ (Martin L.J., 2001) (рис. 4). Именно этот тип клеточной гибели вносит наибольший вклад в развитие возрастной динамики морфофункциональных характеристик ЦНС при «нормальном» старении (Portera-Cailliau С. et al., 1997; Lenaz G., 19986; Muradian К., Schachtschabel D.O., 2001; Pollack M., Leeuwenburgh C, 2001).
Многочисленные воздействия, индуцирующие апоптоз, реализуют свой эффект через развитие ОС. Это касается таких апоптогенных факторов как ультрафиолетовое облучение, избыток внеклеточных медиаторов (в частности дофамина), нарушение кальциевого гомеостаза, дефицит нейротрофических факторов и интоксикация ДНК повреждающими веществами (Sastry P.S., Rao K.S., 2000).
Роль ПОЛ в развитии апоптоза во многом связана со свободнорадикальной деструкцией кардиолипина внутренней мембраны митохондрий. Данный фосфолипид играет роль своеобразного «якоря», обеспечивающего адекватную, внутримитохондриальную компартментализацию цитохрома С (Nomura К. et al., 2000; Ostrander D.B. et al., 2001; Petrosillo G. et al., 2003). He удивительно, что окислительная деструкция кардиолинина рассматривается как значимый фактор перераспределения цитохрома С из митохондрий в цитоплазму (рис. 5), что является центральным событием индукции нейронального апоптоза по внутреннему механизму (Petrosillo G. et al., 2001, 2003).
ОС вызывает изменение мембранной проницаемости митохондрий. При апоптозе в мембранах митохондрий открываются так называемые РТР-поры - транзиторные каналы проницаемости (Brustovetsky N., Kingenberg М., 1996; Gulbins Е. et al., 2000; Sullivan P.G. et al., 2005). Их открытие сопровождается выходом митохондриального содержимого в цитозоль, нарушением окислительного фосфорилирования за счет деполяризации внутренней мембраны митохондрий, интенсивным проникновением в митохондрии ионов кальция и воды, что, в конечном итоге, приводит к набуханию митохондрий. Последнее заканчивается лизисом митохондриальных мембран с перераспределением митохондриального содержимого в цитозоль (Gulbins Е. et al., 2000).
Возрастная динамика показателей оксидативного стресса в спинном мозге человека
МАО представляет собой мембраносвязанный митохондриальный фермент, участвующий в регуляции постоянства концентрации биогенных моноаминов в нейронах, а также в регуляции функций ферментов тканевого дыхания (Горкин В.З., 1981; Fowler J.S. et al, 2002). В ГМ человека, где преобладающей формой является МАО-Б (Kalaria R.N. et al., 1988), выявлено возрастное увеличение активности фермента во всех мозговых структурах (Волчегорский И.А. и др., 2001, 2003; Шемяков С.Е., 2003). Вместе с тем, в литературе отсутствуют сведения об онтогенетической динамике активности МАО-Б на уровне СМ.
Результаты проведенного исследования (табл. 2) выявили качественную идентичность возрастной динамики активности МАО-Б в СМ и ГМ человека (Волчегорский И.А. и др., 2003). Прежде всего, это касается грудного отдела СМ, где по мере старения активность МАО-Б непрерывно нарастала, достигая максимального значения у людей пожилого и старческого возраста, у которых она составила 184-187% от соответствующего показателя 1-го зрелого возраста. В шейном и пояснично-крестцовом утолщениях наблюдалась лишь статистически незначимая тенденция к возрастному увеличению активности МАО-Б.
Результаты корреляционного анализа подтвердили справедливость этого вывода: активность МАО-Б в грудном отделе (табл. 3, рис. 6) прямо коррелирует с календарным возрастом человека и не зависит от времени, прошедшего с момента смерти. Ферментативная активность шейного утолщения (табл. 3, рис. 7), наоборот, связана обратной зависимостью с длительностью посмертного периода, но не коррелирует с возрастом человека. Активность МАО-Б в пояснично-крестцовом утолщении не коррелирует ни с возрастом, ни с давностью смерти.
Необходимо отметить отсутствие значимых различий активности МАО-Б между отделами СМ во всех изученных возрастных группах.
Полученные данные иллюстрируют онтогенетическое нарастание активности МАО-Б только в грудном отделе СМ, где на уровне боковых рогов сосредоточены тела нейронов симпатических нервов (Семенов СП., 1965). Этот факт хорошо согласуется с первоочередным увеличением активности МАО-Б в структурах диенцефальной области (Волчегорский И.А. и др., 2001, 2003; Шемяков С.Е., 2003) и мезенцефальных отделах мозга, содержащих церебральные центры симпатоадреналовой системы (Кнорре А.Г., Лев И.Д., 1963).
Установленные в данном разделе факты свидетельствуют о том, что МАО-Б зависимое усиление продукции Н2О2 по мере старения может рассматриваться как вероятный онтогенетический механизм оксидативного стресса на уровне грудного отдела СМ. Что касается шейного и пояснично-крестцового утолщений, то в этих отделах СМ оксидативный стресс, вероятно, развивается по МАО-Б независимым механизмам.
О правомерности такой постановки вопроса свидетельствует отрицательная корреляционная связь между активностью МАО-Б в шейном утолщении СМ и временем, прошедшим с момента смерти. Вполне вероятно, что этот феномен может отражать чрезмерно интенсивное свободнорадикальное повреждение митохондриальных мембран в динамике постсмертного периода. Следует подчеркнуть, что установленный факт постсмертного падения активности МАО-Б в шейном утолщении СМ является уникальным феноменом для структур центральной нервной системы, большинство отделов которой характеризуется стабильными величинами МАО-Б активности на протяжении суток после наступления смерти (Saura J. et al., 1997).
He исключено, что к числу МАО-Б независимых механизмов оксидативного стресса могут быть отнесены возрастные сдвиги уровня. прооксидантных микроэлементов (Cd, Fe, Си). Следующий раздел работы посвящен анализу такой возможности.
Соединения кадмия (Cd) поступают в организм человека на протяжении всей жизни благодаря достаточно широкой распространённости этого элемента в окружающей среде. Cd депонируется преимущественно в печени и почках и лишь незначительная его часть (около 0,2 %) достигает ЦНС (Михалева Л.М., 1988). Тем не менее, Cd накапливается в ГМ и обладает выраженной нейротоксичностью, обусловленной его влиянием на обмен эссенциальных микроэлементов (Fe, Си) и сопутствующим усилением липопероксидации в нервной ткани (Hussain Т. et al, 1985). Вполне возможно, что аналогичный механизм лежит в основе возрастного снижения устойчивости липидов СМ к ОС.
По нашим данным содержание прооксидантных металлов в СМ отличается как в топологическом, так и в возрастном аспектах. Пояснично-крестцовое утолщение СМ характеризуется наиболее высоким содержанием Cd (табл. 4). Во всех возрастных группах (за исключением группы пожилых) относительное содержание Cd в пояснично-крестцовом утолщении достоверно превышало соответствующие показатели шейного утолщения. В грудном отделе СМ было отмечено наибольшее содержание Си, уровень которой достоверно превышал аналогичные показатели шейного утолщения во всех возрастных группах (кроме старческого возраста), а также пояснично-крестцового утолщения в этих же возрастных группах. Ни в одной возрастной группе не было выявлено достоверных различий по содержанию Fe в изученных отделах СМ.
Возрастаня динамика ферментов антиоксидантной защиты в спинном мозге человека
Регуляторное снижение чувствительности к ОС осуществляется за счет функционирования системы АОЗ, представленной ферментными и неферментными компонентами (Дубинина Е.Е., 2001; Mates J. М. et al., 1999). Особого внимания заслуживают ферменты так называемой превентивной АОЗ, которые ответственны за элиминацию активных форм кислорода, индуцирующих свободнорадикальную модификацию липидов, белков и нуклеиновых кислот (Ланкин В.З. и др, 2001). К числу этих ферментов относятся Си,2п-зависимая СОД и каталаза. В совокупности факторов АОЗ целесообразно рассмотреть ЦП, являющийся центральным антиоксидантом внеклеточного сектора и обладающий СОД-подобной активностью (Погосян Г.Г., Налбандян P.M., 1983; Санина О.Л., Берлинских Н.К., 1986)
В результате проведенного исследования установлено достоверное снижение активности Си,2п-зависимой СОД у людей старческого возраста на уровне шейного утолщения (в 1,58 раза) и грудного отдела (в 2,2 раза) по сравнению с 1-м зрелым возрастом. В пояснично-крестцовом утолщении имеется лишь статистически незначимая тенденция аналогичной направленности (табл. 7).
В отличие от CujZn-зависимой СОД активность каталазы резко возрастает в шейном утолщении уже ко 2-му зрелому возрасту (в 2,17 раза). У пожилых людей активность фермента в этом отделе СМ значимо увеличивается не только по сравнению с 1-м зрелым (в 3,14 раза), но и со вторым зрелым (в 1,45 раза) возрастом. У людей старше 75 лет соответствующий показатель достигает максимума и достоверно увеличивается по сравнению с 1-м зрелым возрастом в 3,39 раза.
В грудном отделе каталазная активность непрерывно возрастает в процессе старения человека и наибольшее значение также отмечается в старческом возрасте, значимо увеличиваясь в 2,41 раза по сравнению с 1-м зрелым возрастом. В пояснично-крестцовом утолщении СМ достоверное увеличение активности каталазы развивается ко 2-му зрелому возрасту (в 2,26 раза) и сохраняется у людей пожилого и старческого возрастов.
В шейном утолщении СМ отмечено статистически значимое нарастание активности ЦП в старческом возрасте по сравнению с 1-м зрелым (в 2,69 раза), со 2-м зрелым (в 2,09 раза) и пожилым возрастом (в 1,49 раза). В грудном отделе достоверное увеличение активности ЦП наблюдается в старческом возрасте по сравнению с 1-м зрелым возрастом (в 2,11 раза). В пояснично-крестцовом утолщении нарастание уровня ЦП зарегистрировано не только в старческом возрасте, по сравнению с 1-м (в 5,26 раза) и 2-м (в 2,33 раза) зрелыми возрастами, но и в пожилом возрасте по сравнению с 1-м зрелым (в 1,12 раза).
Результаты корреляционного анализа также продемонстрировали обратную корреляционную зависимость активности Си,2п-зависимой СОД в грудном отделе СМ от календарного возраста человека (табл. 8, рис. 10). Одновременно корреляционный анализ позволил установить нарастание активности каталазы в шейном и пояснично-крестцовом утолщениям СМ по мере увеличения возраста человека (рис. 11, 12). Аналогичная закономерность прослеживается между содержанием ЦП во всех изученных отделах СМ (рис. 13, 14, 15) и показателями календарного возраста.
Результаты проведенного исследования выявили не только возрастные, но и топологические особенности активности ферментов антиоксидантной защиты (табл. 7). В первую очередь это касается ЦП, наименьшее содержание которого было зарегистрировано в пояснично-крестцовом утолщении СМ. Во всех возрастных группах (кроме группы пожилых) содержание ЦП в пояснично-крестцовом утолщении достоверно снизилось по сравнению с грудным отделом, а в первом зрелом и старческом возрастах и по сравнению с шейным утолщением. характеризовалось статистически значимой наибольшей активностью каталазы по сравнению с шейным утолщением у людей 2-го зрелого возраста. Ни в одной из возрастных групп не было отмечено достоверных различий активности Си,2п-зависимой СОД между изученными отделами СМ.
Таким образом, СМ характеризуется умеренным возрастным снижением Си,7п-зависимой СОД на фоне весьма выраженного увеличения содержания ЦП и активности каталазы. По-видимому, нарастание уровня ЦП и каталазной активности направлены на компенсацию возрастного угнетения Си,2п-зависимой СОД в СМ стареющего человека.
![Динамика морфобиохимических показателей системы нейрон - глия - капилляр и процессы липопероксидации в структурах моста головного мозга человека при старении [Электронный ресурс]](/i/i/4288/192299.png "Динамика морфобиохимических показателей системы нейрон - глия - капилляр и процессы липопероксидации в структурах моста головного мозга человека при старении [Электронный ресурс] Григорьев Олег Глебович")
