Проблема ишемии мозга остается одной из самых острых в современном здравоохранении, что связано со значительной частотой развития данной патологии и значимыми последствиями для пациентов и общества (высокий уровень инвалидизации и смертности).
Патогенетические основы развития острых и хронических ишемических нарушений мозгового кровообращения возникают в результате несоответствия между потребностью мозга в кислороде и количеством энергетических субстратов, доставляемых кровью, с одной стороны, и резким снижением церебральной перфузии, сочетающейся с недостаточными компенсаторными возможностями коллатерального кровообращения, с другой. Степень повреждающего воздействия ишемии определяется прежде всего глубиной и длительностью снижения мозгового кровотока.
Во многом развитие цереброваскулярной недостаточности определяется формированием микро- и макроангиопатий, приводящих к формированию метаболических и гемодинамических нарушений. Диффузное поражение мелких артерий больных хроническими формами недостаточности мозгового кровообращения сопровождается широким спектром изменений в головном мозге. Поражение головного мозга характеризуется постепенным накоплением ишемических и вторичных дегенеративных изменений в мозге, обусловленных повторяющимися ишемическими эпизодами в различных сосудистых бассейнах, прежде всего в зонах кровоснабжения мелких пенетрирующих мозговых артерий и артериол [17].
Начальным звеном данной патологической цепи, формирующейся на фоне различных факторов риска, служит развитие первичного системного гуморального ответа («цитокиновый ответ»), а в последующем – эндотелиальной дисфункции (ЭД), приводящей к разрыву гематоэнцефалического барьера (ГЭБ). Цитокины – низкомолекулярные белки и пептиды, которые могут продуцироваться самыми различными типами клеток: моноцитами, тканевыми макрофагами, лимфоцитами, клетками ретикулоэндотелиальной системы, эндотелием, полиморфно-ядерными лейкоцитами и главным образом нейтрофилами. Цитокины даже в малых концентрациях осуществляют гуморальную регуляцию межклеточных и межсистемных взаимодействий, определяют функциональную активность отдельных клеток, их способность к пролиферации и дифференцировке, выживаемость или программированную апоптотическую гибель [6].
За последние годы внимание исследователей привлекает изучение функции сосудистого эндотелия как одного из наиболее важных звеньев в патогенезе развития сосудистых заболеваний. Во второй половине XX в. эндотелий стали рассматривать в качестве метаболически активного органа, оказывающего влияние на регуляцию тонуса сосудов и на течение различных процессов, происходящих внутри сосудистого русла.
ЭД обусловлена нарушениями клеточного энергометаболизма сосудов капиллярного уровня, в т.ч. и микрососудов, что в первую очередь сопряжено с нарушением функций митохондрий. В генезе развития ЭД, так же как в развитии ишемических и вторичных дегенеративных изменений в мозге, лежит формирование оксидативного стресса (ОС). В результате развития ЭД возникает дисбаланс между сосудорасширяющими, сосудосуживающими, антитромботическими факторами, а также между пролиферативными и провоспалительными факторами. ЭД тесно сопряжена и с воспалением, а также дестабилизацией атеросклеротической бляшки.
В целом иммунологическая дисфункция и воспаление остаются основными факторами в генезе нарушений целостности ГЭБ.
К особенностям функционирования мелких церебральных сосудов относится их тесное взаимодействие с нейронами, которое во многом опосредовано глиальными клетками, прежде всего астроцитами. Нейроны, астроциты и сосудистые клетки (эндотелиоциты, гладкомышечные клетки, перициты) функционально тесно связаны между собой и формируют т.н. нейроваскулярные единицы [14, 22].
Анатомические элементы, из которых складывается структура «нейроваскулярной единицы», не только осуществляют барьерные функции, но и регулируют жизнедеятельность, питание, выделение продуктов обмена веществ. Деятельность нейроваскулярных единиц может нарушаться уже на ранних стадиях формирования недостаточности мозгового кровообращения (НМК), что связано с функциональным разобщением их основных элементов, приводящих к нарушению целостности ГЭБ на уровне мелких сосудов. Нарушение ГЭБ сопровождается вазогенным отеком мозга, транссудацией плазменных белков и периваскулярным энцефалолизисом, активацией микроглии и развитием воспалительных процессов. Воспалительный процесс, затрагивающий микроциркуляторное русло, вызывает активацию глиальных клеток и секрецию медиаторов воспаления в клетках головного и спинного мозга. При этом на эндотелиоцитах увеличивается экспрессия молекул адгезии, что способствует проникновению лейкоцитов в мозговую ткань.
В норме ГЭБ, с одной стороны, ограничивает транспорт из крови в мозг потенциально токсичных и вредных веществ, с другой – обеспечивает транспорт газов, питательных веществ, изолирует мозг от контроля иммунной системы и позволяет лишь отдельным мононуклеарным клеткам мигрировать в центральную нервную систему (ЦНС). В результате ЦНС становится изолированной и чужеродной системой для иммунной системы [13, 36, 52].
К механизмам нарушений проницаемости ГЭБ при ишемии мозга относятся гиперактивация протеолитических ферментов, развитие нейровоспаления из-за имеющейся гипоперфузии ткани мозга. При хронической ишемии мозга возникает повреждение эндотелиоцитов, развитие нейровоспаления, цитокининдуцированного повреждения клеток – компонентов ГЭБ, развивающегося вследствие гиперпродукции провоспалительных цитокинов, трансэндотелиальной миграции лейкоцитов. Противовоспалительные цитокинины (фактор некроза опухоли-α [ФНО-α], интерлейкин-1β [ИЛ-1β] и ИЛ-6), высвобождаемые активированной микроглией, индуцируют перегруппировку и изменение экспрессии белков плотных контактов (ZO-1 и окклюдин), что приводит к патологической проницаемости ГЭБ. С другой стороны, происходит увеличение экспрессии белков клеточной адгезии (селектин ICAM-1 – Inter-Cellular Adhesion Molecule), облегчающих миграцию иммунных клеток в области воспаления и дегенерации [37, 47]. Увеличение продукции эндотелиоцитами ИЛ-1 и простагландина E2 предполагает, что эти медиаторы участвуют в распространении воспалительного сигнала на другие клетки головного мозга (астроциты, микроглия, перициты и периваскулярные макрофаги) [49–51].
Ряд исследователей показали, что нарушение функционального состояния эндотелия остается важным самостоятельным фактором риска развития ишемической болезни сердца и цереброваскулярных заболеваний. Повреждение клеточных макромолекул (DAMPs) митохондрий ДНК, секретируемых во внеклеточное вещество в очаге иммунного воспаления и обладающих нейротоксическим действием, коррелируют с возникновением поведенческих нарушений и когнитивного дефекта.
В связи с этим маркеры ЭД, так же как и маркеры повреждения ГЭБ, могут использоваться в качестве дополнительных методов оценки риска возникновения и прогнозирования исходов инсульта.
Наибольшие перспективы определения наличия ЭД связывают с исследованием маркеров воспаления (С-реактивного белка; молекул адгезии ICAM-1, VCAM-1, E-селектина, Р-селектина; повышения числа лейкоцитов, провоспалительных цитокинов), гомоцистеина, тканевого фактора, тканевого активатора плазминогена, липопротеина-α [19, 39]. Биомаркерами ЭД служат также моноцитарный хемоаттрактантный протеин-1 (МСР-1 – monocyte chemotactis protein-1) и фактор роста эндотелия сосудов (VEGF – Vascular endothelial growth factor).
МСР-1 является мощным медиатором воспаления, фактором хемотаксиса моноцитов и осуществляет контроль выхода моноцитов из кровяного русла и их трафика к фокусам воспаления. Синтез МСР-1 индуцирует ИЛ-1В, ФНО-α и интерферон-γ, ИЛ-6 и ИЛ-4. МСР-1 не выявляется в нормальной сосудистой стенке, но его экспрессия значительна в атеросклеротической бляшке и зонах ишемии [16, 18, 28].
Ингибирование или снижение активности VEGF индуцирует апоптоз эндотелиальных клеток. Выявление МСР-1 в сыворотке крови является наиболее ранним маркером развития ЭД еще при не начавшемся активном внутрисосудистом воспалении.
МСР-1 и VEGF отражают взаимосвязанные, но разные стороны патологических процессов. Повышение уровня VEGF на фоне повышения МСР-1 указывает на еще не изученный механизм реконструкции эндотелия и, возможно, является признаком, не менее специфичным, чем общепризнанная активация макрофаг-моноцитарного звена [18, 21].
Другим важнейшим фактором, определяющим развитие ЭД, также является определение уровня эндотелина – сосудосуживающего фактора, который высвобождает кальций и стимулирует все фазы гемостаза. Эндотелин вызывает адгезию клеточных элементов к стенке сосудов, стимулирует агрегационную способность тромбоцитов. Данный фактор играет большую роль в развитии перестройки сосудистой стенки, вызывая сокращение и рост гладких мышц сосудов, что приводит к утолщению сосудистой стенки, уменьшению диаметра сосудов и их просвета.
Маркерами нарушений проницаемости ГЭБ являются нейроспецифические глиальные и нейрональные белки, в частности нейроспецифическая енолаза, глиофибриллярный кислый белок, α-гликопротеид, которые при массивном разрушении клеток ЦНС прорываются в периферическую кровь. Снижение уровня растворимой формы молекулы эндотелиального происхождения CD31, а также sPECAM-1, контролирующие процессы миграции лейкоцитов через клетки эндотелия, коррелируют с очаговым повреждением мозга [51]
Успешное развитие и внедрение в медицинскую науку новейших технологий дополнили наши представления о патогенезе ишемии мозга и заложили основу формирования принципиально новых концепций патогенеза НМК.
В настоящее время подтверждено отсутствие прямого тождества между понятиями острой фокальной церебральной ишемии, подразумевающей обратимость метаболических изменений в ткани мозга и формированием инфаркта мозга, т.е. стойкого морфологического дефекта. Эти состояния отличаются количественным и временными аспектами ишемии и представляют собой разницу в комплексе гемодинамических и метаболических нарушений, происходящих на определенной стадии НМК и генетической запрограммированности метаболизма мозга. В противовес явлениям молекулярных процессов развития некроза и апоптоза определены и исследованы механизмы нейропластичности.
Нарушение функций митохондрий и их деструкция являются одной из причин развития ОС – процесса образования «активных форм кислорода»: супероксидов и перекиси водорода, окислителей, разрушающих клеточное содержимое, включая ДНК. ОС – предтеча развития «клеточной смерти» (апоптоза), при этом ОС активирует нейротрофины, которые входят в систему защитных процессов нервной системы и приводят к включению процессов нейропластичности.
Апоптоз – природный морфобиохимический процесс уничтожения «ненужных» клеток, регулируемый механизм упорядочения качественного состава клеточной популяции. Апоптоз представляет собой процесс, обязательный для существования многоклеточных организмов и являющийся определенным способом клеточной смерти сформировавшихся тканей зрелого организма. Процессы апоптоза также играют важную роль в процессе эмбрионального развития, при функционировании иммунной системы, а также в любой другой системе, поскольку апоптоз – это составная часть нормального клеточного оборота. Предполагают, что процесс программированной гибели нейронов играет ключевую роль и в регуляции клеточного гомеостаза зрелой мозговой ткани [1, 9, 41]. Однако тот же вид клеточной гибели играет определенную роль при развитии различных патологических процессов, в частности, локализованных в нервной системе. Патологический апоптоз играет важную роль в патогенезе развития нейродегенеративных заболеваний, травмах нервной системы, НМК, шизофрении, эпилепсии, демиелинизирующих заболеваниях и др. [24, 26, 33, 34, 41, 43].
В конце 1970-х гг. были сделаны первые попытки раскрыть механизмы последовательного изменения функционального состояния и морфологии ткани мозга, возникшие на фоне ишемии. По данным Ч.П. Ворлоу (1998), «зона критической», или «нищей», перфузии, где нейрональная функция снижается, но клетки все еще остаются жизнеспособными с сохраненным ионным гемостазом [3], представляет собой не только топографический локус, но в большей степени динамический процесс, развивающуюся зону биоэнергетического сдвига [7, 10].
Химическая регуляция физиологических и патологических процессов поддержания постоянства клеточного пула осуществляется многоступенчатой системой, включающей соединения различной структуры и сложности. В настоящее время определяют шесть классов химических регуляторов, которые участвуют в организации очень сложной и подвижной системы жизнедеятельности мозга: низкомолекулярные органические соединения (клеточные медиаторы, и нейротрансмиттеры – оксид азота, цАМФ, глутамат, ацетилхолин, гистамин, серотонин, ГАМК – гамма-аминомасляную кислоту, дофамин и др.); физиологически активные пептиды – олигопептиды (опиоиды, ангиотензины, эндотелины, тахикинины, пептидные гормоны), нейротрофические и ростовые факторы; цитокины, которые контролируют взаимодействие большинства клеток организма, включая клетки нервной системы, а также участвуют в регуляции иммунного ответа, процессов острого и хронического воспаления; гормоны; сигнальные белки, представляющие собой систему ферментов и функциональных белков.
С этих позиций современные представления позволяют рассматривать причину развития ишемических и вторичных дегенеративных изменений в мозге как нарушение соразмерности синтеза и функционирования компонентов перечисленных систем химических регуляторов [12].
Как целостное явление апоптоз представляет собой фазный процесс. Начальная, обратимая, его фаза включает предполагаемую генетическую программу, которая завершается активацией эндонуклеаз, ответственных за дробление молекулы ДНК. После этого апоптоз переходит во вторую, необратимую, фазу, которая завершается проявлением морфологических признаков, дезинтеграцией клетки и ее ассимиляцией с макрофагами.
С обнаружением каспаз была обозначена третья, промежуточная, фаза апоптоза, связанная с активацией его «исполнителей», к которым отнесены «нижние каспазы» и эндонуклеазы. Считается, что эта промежуточная фаза апоптоза (до начала фрагментации ДНК) также обратима [11].
Каскад апоптозных процессов может быть либо спровоцирован через медиаторы (глутамат, интерлейкины и др.), либо запущен причинами, связанными с ишемией клетки, ее повреждением, токсическим воздействием, или прямым действием на геном клетки (вирусы). Биохимические процессы, сопровождающие апоптоз, проявляются экспрессией специфических генов и трансляцией особых белков клетки: классических медиаторов, нейропептидов, ростовых (НРФ – нейротрофических ростовых факторов, NGF – nerve growth factor) и нейротрофических факторов мозга (BDNF – brain-derived neurotrophic factor) [11].
НРФ относятся к физиологически активным полипептидам, которые регулируют рост и дифференцировку нейронов в развивающихся системах и их функциональную стабильность. В зрелом возрасте НРФ защищают нейрональные структуры от травматического, гипоксического, ишемического и других повреждений [11, 45]. Существующие данные свидетельствуют о важной роли НРФ и в генезе нейродегенеративных процессов [30], патогенетические механизмы которых соответствуют представлениям о нейроапоптозе. Установлено, что введение растворимого фактора роста нервной ткани (NGF-белка) непосредственно в мозг (интравентрикулярно) может полностью предотвращать вызванную каким-либо повреждением дегенерацию холинергических нейронов [35, 44]. В нескольких независимых исследованиях установлено, что введение мышиного NGF кроликам делает обратимой спонтанную (возрастную) дегенерацию холинергических нейронов в ядрах основания мозга [15] и предупреждает утрату памяти у экспериментальных животных. Кроме того, в эксперименте удалось доказать, что интрацеребральное введение мышиного фактора роста (NGF) существенно усиливает активность ацетилхолинтрансферазы и повышает уровень ацетилхолина в мозге [25].
Ростовые факторы по ряду признаков сходны с цитокинами. Поэтому взаимодействуя с рецепторами, они могут влиять на активность клеток иммунной системы и участвовать в контроле воспалительных процессов в мозге, участвующих в каскаде апоптозных процессов. Одновременное снижение содержания в организме инсулиноподобного фактора роста (IGF-1 – Insulin-like growth factor 1) и повышение уровня ФНО-α указывают на неблагоприятное течение патологических процессов в мозге, поскольку IGF-1 оказывает влияние на процессы нейропротекции, в то время как ФНО-α потенцирует процессы воспаления и нейротоксичности.
Способность нейротрофических и ростовых факторов влиять на рост и дифференцировку нервных клеток, а также стимулировать синтез других физиологически активных субстанций лежит в основе регуляции развивающегося мозга, а также определяет адаптивную роль нейротрофинов в формировании пластичности зрелого мозга. Так, например, IGF-I играет важную роль в постнатальном нейрогенезе гиппокампа [46]. Транспортируемые в терминали NGF, нейротрофины-3 и -4/5, BDNF из пре- и постсинаптических нейронов участвуют в регуляции пластичности нейрональной сети. Не менее значимой видится их роль в предотвращении гибели нейронов, вызываемой различными причинами [29].
В настоящее время для определения повреждения ЦНС используют специфические биохимические маркеры (глиальные и нейрональные специ-фические белки). К нейрональным маркерам относят нейронспецифическую энолазу (NSE – Neuron-specific enolase), N-ацетиласпартат (NAA – N-acetylaspartate), лактат-липидный комплекс; глиальные – β белок (S100), основной белок миелина (МВР – Myelin Basic Protein), глиальный фибрилярный белок (GFAP – glial fibrillary acidic protein) [13, 23].
В противовес явлениям молекулярных процессов развития некроза и апоптоза определены и исследованы механизмы нейропластичности. Развитие мозга, формирование его структур и организация различных форм поведения находятся под постоянным контролем регуляторных факторов. Созревание клеточных элементов биохимической и физиологической активности мозга, становление последовательности функциональных связей различного уровня связаны с формированием целостной системы подвижного баланса регуляторов в мозге.
Концепция нейропластичности имеет ключевое значение в неврологии для понимания закономерностей формирования патологического процесса в нейронах, динамики и прогноза восстановления утраченных функций, а также рационализации проводимой терапии.
Нейропластичность – способность нервной системы в ответ на эндогенные и экзогенные изменения адаптироваться путем оптимальной структурно-функциональной перестройки. Согласно современным представлениям, нейропластичность – это способность нейронов изменять свои функции, химический профиль (количество и типы продуцируемых нейротрансмиттеров) или структуру. При этом изменяются цитоскелет, рецепторно-барьерно-транспортные системы (мембрана, синаптические контакты), системы синтеза биополимеров (цитоплазма), генетической информации (ядро); системы внутриклеточного гомеостаза [4, 11, 13, 38]. Значимость упомянутых экспериментальных исследований чрезвычайно велика, поскольку они впервые позволили опровергнуть устоявшуюся догму, утверждающую, будто человеческие нейроны не могут регенерировать [11, 45].
Нейропластичность может реализовываться на различных уровнях, например молекулярном, синапическом, нейрональном, а также на уровне модуля (локальная нейронная сеть) и мультимодульном уровне (отдел мозга или мозг в целом) [5, 20, 42].
Основные механизмы пластичности головного мозга:
- изменение функциональной активности синапсов;
- изменение количества, протяженности и конфигурации активных зон;
- изменение числа шипиков дендритов и синапсов на них;
- формирование новых синапсов, сопряженное с аксональным или дендритным спрутингом;
- длительное потенцирование или подавление, регулирующее эффективность синаптической передачи;
- изменение порога возбудимости потенциалзависимых мембранных каналов;
- компенсаторные возможности метаболизма на мембранном и молекулярном уровнях [2, 3, 20, 27, 40, 42].
При хронической церебральной ишемии легкой степени отмечается умеренная активация механизмов синаптической пластичности, при умеренной недостаточности кровообращения – максимальная. Пластическая реорганизация сохранившихся синапсов сочетается с активацией неосинаптогенеза, дифференцировкой незрелых контактов. При тяжелой хронической церебральной ишемии пластичность реализуется в основном посредством механизмов реорганизации сохранившихся функционально активных синапсов, чего, вероятно, недостаточно для оптимального обеспечения эффективной межнейронной интеграции [20].
К маркерам развития и течения процессов нейропластичности относится наличие в цереброспинальной жидкости многофункционального белка S100B, VEGF, нейротропина-3 (NT3) и нейротропина-4/5 (NT4/5) [13, 32]. Белки семейства S100 принимают участие в механизмах транскрипции и дифференциации клеток, в энергетическом метаболизме, выполняют внутри- и внеклеточное регулирование многих процессов, участвуют в регуляции клеточного цикла. Наиболее специфичный для мозга белок S100В через фосфорилирование других белков участвует в передаче сигнала, тем самым обеспечивая пластические процессы.
Итак, полученные в настоящее время данные об участии в патогенезе развития НМК изменений иммунного статуса с формированием воспаления как в области сосудов, так и в самом веществе мозга, данные о формировании сложного каскада молекулярных процессов ОС, стадий апоптоза, стимуляции и развитии нейропластичности имеют большое значение для понимания клинических закономерностей, объяснения клинико-нейровизуализационных несоответствий, позволят открывать новые перспективы разработок новых терапевтических стратегий.
