Наука: Паркинсон и митохондрии

НАРУШЕНИЕ ФУНКЦИЙ МИТОХОНДРИЙ ПРИ БОЛЕЗНИ ПАРКИНСОНА

Митохондрии функционируют согласованно с другими клеточными органеллами и в соответствии с различными внешними и внутриклеточными сигналами. В митохондриях обнаружено большое количество ядерных рецепторов и факторов транскрипции, определяющих процессы клеточного роста,метаболизма и дифференцировки . Эти факторы влияют не только на транскрипцию ядерных, но и митохондриальных белков. Таким образом, чтобы приспосабливаться к меняющимся условиям окружающей среды, клетке необходимо согласовывать экспрессию геномов ядра и митохондрий. Например, в ответ на такое патогенное действие среды, как окислительныйстресс, в дофаминергических нейронах изменяется количество митохондрий, число копий и целостность мтДНК. Активные радикалы кислорода могут вызывать повреждение мтДНК и других биомолекул дофаминергических нейронов, индуцируя нарушение проницаемости митохондриальных мембран и высвобождение таких проапоптотических факторов, как, например, цитохром с, что неизбежно приводит к дегенерации дофаминергических нейронов. В условиях окислительного стресса митохондриям необходимо производить больше энергии для поддержания процессов репарации и сохранения жизнедеятельности клетки. Поэтому сигналы, посылаемые в ядро, индуцируют пролиферацию митохондрийи амплификацию мтДНК. Количество митохондрий в клетке контролируется активацией кодируемых ядерной ДНК факторами транскрипции NRF1 и NRF2(nuclear respiratory factors 1 and 2). Эти факторы регулируют экспрессию ядерных генов, кодирующих белки митохондриальной дыхательной цепи, и многих другихгенов, определяющих репликацию митохондриальной ДНК. Они также могут регулировать экспрессию митохондриального фактора транскрипции А(Tfam), влияющего на репликацию и транскрипцию митохондриального генома. Это обеспечивает уникальный механизм сопряжения экспрессии белков, кодируемых ядерным геномом, с транскрипцией генов мтДНК. Приведенные выше результаты экспериментов на линии мышей с нокаут-мутацией по генуTFAM свидетельствует в пользу гипотезы о решающем значении биогенеза митохондрий для поддержания жизнедеятельности нейронов. Открытия новых и новых мутаций, приводящих к симптомам БП,исследования аутопсийного материала, эксперименты на модельных животныхи клеточных линиях, использование геномных и протеомных технологий,позволяющих выявить тонкие различия в спектрах белков здоровых людей и пациентов с БП, приносят все больше доказательств определяющей роли митохондриальных нарушений в патогенезе этого заболевания. Очевидно,что предотвращение митохондриальной дисфункции и восстановление биогенеза митохондрий могло бы затормозить процесс развития заболевания. Понимание механизмов взаимосвязи между различными метаболическими и регуляторными процессами в клетке, определяющими нормальную жизнедеятельность или гибель нейронов, их ответ на окислительный стресс, и роли митохондрий в осуществлении этих взаимодействий позволит найти новые терапевтические подходы, новые перспективы нейропротекции, позволяющие восстановить нормальное функционирование нервных клеток на ранней стадии заболевания.

РОЛЬ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК В ПАТОГЕНЕЗЕ БОЛЕЗНИ ПАРКИНСОНА

Многочисленные исследования представляют все большее число доказательств важной роли митохондриальной дисфункции в патогенезе нейродегенеративных болезней пожилого возраста. Среди публикуемых на эту тему работ значительное количество посвящено таким нарушениям при болезни Паркинсона. Митохондрии – это облигатные органеллы цитоплазмы любой эукариотической клетки, выполняющие огромное количество функций: биосинтезгема, орнитиновый цикл (Кребса–Хензелейта), регуляция апоптоза, регуляция распределения кальция в клетке, синтез стероидов, участие в противовирусной защите, регуляция процессов клеточной дифференцировки и пролиферации и другие. Однако нет сомнений, что наиболее известной срединих является организация аэробного дыхания вклетке и синтез АТФ. Понимание критического значения полисистемных митохондриальных нарушений, выявление целого ряда генетически обусловленных “митохондриальных болезней”,активное развитие соответствующих средств диагностики и лечения привели к созданию целого направления, объединяемого понятиями “митохондриальная патология” и “митохондриальная медицина”.

Высокая метаболическая активность допаминергических нейронов среднего мозга обусловливает их особенную зависимость от продукции АТФ в митохондриях. Поэтому неудивительно, что растет число сообщений о связи болезни Паркинсона с нарушениями митохондриальных белков, кодируемых как ядерной, так и митохондриальной ДНК. В частности показано, что ингибиторы комплекса I дыхательной цепи (и вероятно других функций митохондрий) N-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридин и ротенон вызывают поражение допаминергических нейронов среднего мозга и развитие симптомов паркинсонизма. Моногенные формы болезни Паркинсона связаны с мутациями в ядерных генах, кодирующихименно митохондриальные белки: паркин, PINK1 иDJ1. Кроме того существенную роль в патогенезе болезни Паркинсона играет нарушение систем белкового транспорта через митохондриальную мембрану.

соединения, которые могут защитить нейроны от гибели при болезни Паркинсона

Болезнь Паркинсона входит в десятку тяжелых социально-значимых заболеваний, борьба с которыми направлена на улучшение качества и продолжительности жизни в пожилом возрасте. Несмотря на то, что первые свидетельства о клинических проявлениях болезни относятся к XII веку до н.э. и описаны у египетских фараонов, ее патогенез и молекулярные механизмы, приводящие к развитию неврологических нарушений, до сих пор малоизучены.

Усилия тысяч специалистов во всем мире – медиков, физиологов, нейробиологов, биохимиков – позволили сформулировать общее представление о характере изменений в мозге, которые сопровождают заболевание. Однако, эти данные представляют собой «макроскопическое» описание процесса и скорее его последствий, нежели первопричины. Необходимо выяснить, от чего погибают нейроны, продуцирующие дофамин, и что при этом происходит на клеточном и молекулярном уровнях.

Как сообщает Минобрнауки России, ученые из лаборатории внутриклеточной сигнализации Института биофизики клетки РАН в течение нескольких лет занимаются этой проблемой. Им удалось показать, что процесс гибели нейронов может быть обусловлен нарушением митофагии: механизма, обеспечивающего «очистку» клетки от поврежденных митохондрий, источников активных форм кислорода и токсичных метаболитов.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Molecular Neurobiology в январе 2022 г. эти результаты были воспроизведены на клеточной модели болезни Паркинсона – культуре клеток нейробластомы и первичной культуре ткани коры мозга крыс, в которых целенаправленно имитировали нейродегенерацию и нарушение функций митохондрий веществами-блокаторами электронно-транспортной цепи.

Отталкиваясь от своих ранее полученных результатов, исследователи протестировали соединения, которые снижают уровень повреждений клеток, активируя митофагию. Такими веществами оказались наши естественные метаболиты, образующиеся в клетках при энергетическом обмене – лактат (молочная кислота) и пируват – пировиноградная кислота.

«Добавление лактата и пирувата к клеточной культуре с развивающимися дегенеративными изменениями в миллимолярных концентрациях, сопоставимых с физиологическим уровнем, вызвало активную атаку «санитаров клетки», лизосом, на поврежденные митохондрии», – рассказала кандидат биологических наук, младший научный сотрудник лаборатории внутриклеточной сигнализации ИБК РАН ФИЦ ПНЦБИ РАН Евгения Федотова.

В этой работе использован целый комплекс современных методов клеточной биологии, позволяющих в режиме реального времени наблюдать внутриклеточные события. Как отмечают ученые, говорить о клиническом применении полученных результатов еще рано. Остается нерешенным главный вопрос – как обеспечить адресность воздействия на поврежденные нейроны, не затрагивая метаболизм здоровых клеток.

Паркин регулирует гомеостаз аминокислот в местах контакта митохондрий и лизосом при болезни Паркинсона

Наша работа подтверждает важность паркина в регуляции взаимодействий между митохондриями и эндолизосомальной системой. Одной из наиболее широко изученных функций паркина является его участие в удалении поврежденных митохондрий посредством митофагии, а дефектная митофагия была показана в нескольких моделях дефицита паркина в условиях митохондриального стресса. Однако мы обнаружили, что паркин также модулирует митохондриальные и лизосомальные перекрестные помехи в базальных условиях, способствуя недеградативным контактам между митохондриями и лизосомами для облегчения межорганельного обмена аминокислотами. Таким образом, дефекты паркина, вероятно, способствуют патофизиологии Болезни Паркинсона посредством дисрегуляции множественных путей, включая дисфункцию места контакта митохондрии и лизосомы в физиологических условиях и нарушенную митофагию при стрессе. Нарушенная динамика и функция контактов митохондрий и лизосом были описаны в различных моделях неврологических заболеваний. Здесь мы демонстрируем, что контакты митохондрий и лизосом сокращаются при паркин-связанной болезни Паркинсона и что дестабилизация этих участков контакта способствует нарушению митохондриального и лизосомального гомеостаза аминокислот. Восстановление контактов митохондрий и лизосом нормализует митохондриальные и лизосомальные профили аминокислот, предполагая, что контакты митохондрий и лизосом могут функционировать как платформы для межорганелльного переноса аминокислот. Таким образом, прямая модуляция межорганелльных контактов может служить потенциальной терапевтической стратегией для восстановления метаболических дефектов при заболевании.

изучение механизма митохондриальной дисфункции и Паркинсон

Ученые лаборатории клеточной физиологии и патологии Орловского государственного университета им. И.С. Тургенева проводят фундаментальные исследования по изучению механизмов развития болезней Альцгеймера, Паркинсона и других нейродегенеративных заболеваний. В фокусе исследований ― изучение механизма митохондриальной дисфункции.

В будущем этот научный проект может стать основой для разработки методов ранней диагностики и выявления предрасположенности человека к патологиям. А понимание характера дисфункции митохондрий в каждом конкретном случае может стать основанием для выбора той или иной стратегии терапии персонально для больного.

Причиной симптомов, возникающих при развитии у человека нейродегенеративных заболеваний, становится гибель клеток головного мозга. Причем в зависимости от характера патологии это происходит в различных отделах мозга (например, при болезни Паркинсона поражается так называемая substantia nigra, или черное вещество среднего мозга). Почему это происходит именно так? А вот здесь у ученых еще нет однозначного ответа. Исследования доказали, что одна из причин гибели клеток — нехватка энергии, к которой клетки мозга особенно чувствительны. Поскольку основной «поставщик», обеспечивающий энергетические потребности этих клеток, — это митохондрии, нарушение именно их функционирования может быть одной из причин развития нейродегенерации.

«В норме за счет питательных веществ, которые подвергаются превращениям сначала в цикле Кребса, а затем в ходе окислительного фосфорилирования, митохондрии синтезируют основной источник энергии для организма — молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). Кстати, именно на этот процесс расходуется и 95% кислорода, поступающего при дыхании. Любое нарушение в этой сложной цепи событий может привести к энергодефициту и, соответственно, гибели нервных клеток. А, как известно, процесс их восстановления очень проблематичен. Нарушение нормального функционирования митохондрий стало причиной еще одного опасного явления — окислительного стресса в результате образования активных форм кислорода. Эти очень короткоживущие, но чрезвычайно агрессивные частицы начинают атаковать все, что их окружает, — липидные мембраны, белки, молекулы ДНК и т.д., что также приводит к необратимым фатальным последствиям. Именно эти проблемные вопросы и стали сегодня объектом исследований нашей лаборатории», — рассказывает доктор биологических наук, профессор Университетского колледжа Лондона и Орловского государственного университета (ОГУ) имени И.С. Тургенева Андрей Абрамов.

В рамках исследования ученые изучили влияние аномальных белков, кодируемых мутированными генами, на функции митохондрий в клеточных моделях нейродегенеративных заболеваний. В частности, под пристальным вниманием исследователей находятся белки синуклеины, один из которых (альфа-синуклеин) ответственен за развитие болезни Паркинсона. Кроме того, ученые сделали первые шаги в направлении разработки стратегии защиты нейронов от нейродегенерации, в частности, предложили меры по восстановлению функции митохондрий с использованием биологически активных веществ.

АЛЬФА-СИНУКЛЕИН И ДИСФУНКЦИЯ МИТОХОНДРИЙ ПРИ БОЛЕЗНИ ПАРКИНСОНА

Болезнь Паркинсона (БП) является одним из самых распространенныхнейродегенеративных заболеваний. Развитие патологии связанно с гибелью дофаминергических нейронов, главным образом в черной субстанции головного мозга. Недостаточность дофамина вызывает целый набор тяжелых симптомов, среди которых брадикинезия, постуральная неустойчивость, ригидность мышц и тремор. Генетические исследования показали первопричинную роль белка альфа-синуклеина (α-Син) в этом нейродегенеративном заболевании. Большое количество данных свидетельствует о различных механизмах токсического действия альфа-синуклеина. Кроме того, среди ключевых факторов, способствующих развитию нейродегенерации при БП, выделяютсущественные нарушения функций митохондрий и/или генетические мутации. В число мутируемых генов при наследственной и спорадической формах БП входят гены, кодирующие белки PINK1 и Parkin, которые являются основными компонентами системы «контроля качества» митохондрий. Самые ранние биохимические признаки заболевания проявляются в нарушениях взаимодействия митохондрий и эндоплазматического ретикулума, митохондриальной динамики, гомеостаза кальция и повышении уровня митохондриальных активных форм кислорода. Все эти факторы оказывают повреждающее действие на дофаминергические нейроны.

Гистологическое исследование морфологии митохондрий в модели болезни Паркинсона

Митохондрии играют центральную роль в энергетическом метаболизме клеток, и их функция особенно важна для нейронов из-за их высокой потребности в энергии. Таким образом, митохондриальная дисфункция является патологическим признаком различных неврологических расстройств, включая болезнь Паркинсона. Форма и организация митохондриальной сети очень пластичны, что позволяет клетке реагировать на сигналы и потребности окружающей среды, а структура митохондрий также тесно связана с их здоровьем. Здесь мы представляем протокол для изучения морфологии митохондрий in situ на основе иммуноокрашивания митохондриального белка VDAC1 и последующего анализа изображений. Этот инструмент может быть особенно полезен для изучения нейродегенеративных расстройств, поскольку он может обнаруживать тонкие различия в количестве и форме митохондрий, вызванные агрегатами α-синуклеина, склонного к агрегации белка, активно участвующего в патологии болезни Паркинсона. Этот метод позволяет установить, что дофаминергические нейроны компактной части черной субстанции, содержащие поражения pS129, демонстрируют митохондриальную фрагментацию (о чем свидетельствует их сниженное соотношение сторон, AR) по сравнению с соседними здоровыми нейронами в предварительно сформированной фибриллярной интракраниальной инъекционной модели болезни Паркинсона.

В целом, это исследование показывает, что иммуноокрашивание в сочетании с анализом изображений является надежным методом анализа митохондриальной морфологии. Фактически, оно позволяет количественно оценить количество митохондрий, а также некоторые морфологические параметры, такие как соотношение сторон как в клеточной культуре, так и в ткани. Количество митохондрий напрямую связано с функциональным статусом механизмов деления и слияния образцов, тогда как значение AR зависит от удлинения органеллы. Этот метод может быть особенно ценным для быстрой оценки митохондриальных аномалий в моделях Болезни Паркинсона, в которых измененная морфология, динамика и функции митохондрий являются хорошо известными патологическими механизмами. α-синуклеин также играет важную роль в БП. Более того, мутации в гене SNCA были обнаружены у пациентов как с семейной, так и со спорадической болезнью Паркинсона. Было широко показано, что фосфорилирование α-синуклеина в Ser129 маркирует патологию, подобную тельцам Леви, которая возникает после инсульта PFF и вызывает различные токсические эффекты.

Используя представленный здесь инструмент, мы смогли обнаружить снижение числа митохондрий и значений AR в присутствии как сверхэкспрессированного, так и агрегированного α-синуклеина (клетки с окрашиванием α-синуклеина и нейроны, несущие фосфоSer129α-синуклеин-позитивные поражения соответственно) по сравнению с клетками без таких поражений (α-синуклеин- и фосфоS129α-синуклеин-негативные клетки). Эти результаты согласуются с предыдущими отчетами, показывающими, как прямые взаимодействия α-синуклеина с митохондриями оказывают токсическое воздействие на митохондриальную функцию и гомеостаз при PD26. Действительно, сообщалось, что у мышей с мутациями α-синуклеина наблюдается повышенное повреждение митохондриальной ДНК35 и митофагия (разрушение митохондрий). Более того, было описано, что повышенный уровень α-синуклеина способствует делению/фрагментации митохондрий, индуцирует активные формы кислорода в митохондриях и нарушает регуляцию экспрессии митохондриальных белков в клеточных линиях и мышиных моделях с повышенной экспрессией α-синуклеина26,38,39.

Нетрадиционная инициация митофагии PINK1/Parkin с помощью оптиневрину (OPTN)

Институт медицинских исследований Уолтера и Элизы Холл, Парквилл, Виктория, Австралия
Кафедра медицинской биологии, Мельбурнский университет, Мельбурн, Виктория, Австралия
Кафедра биохимии и молекулярной биологии, Институт биомедицинских открытий, Университет Монаша, Мельбурн, Австралия.

«Хотя существует множество белков, которые связывают поврежденные клеточные материалы с механизмом удаления мусора, мы обнаружили, что оптинейрин делает это весьма нетрадиционным способом, не похожим ни на что другое, что мы видели ранее, — отметил Майкл Лазару, автор исследования. — Это открытие важно, потому что человеческий мозг полагается на оптинейрин для деградации своих митохондрий через систему удаления мусора, управляемую PINK1 и паркином».

Функционирование дыхательной цепи митохондрий фибробластов линии Bj в условиях глюкозного голодания

При некоторых нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и др.,наблюдается дисфункция митохондрий и нарушения митохондриогенеза, что приводит к патологическим изменениям в центральной нервной системе. В связи с этим, большой интерес вызывают изменения в работе электрон-транспортной цепи митохондрий, приводящие к энергетической дисфункции в нервных клетках, а также клетках соединительной ткани в норме и при патологии. Фибробласты участвуют в формировании микроокружения различных типов специализированных клеток, в том числе и нервной системы, и их дисфункция также может вносить вклад в патогенез заболеваний. Нами были созданы стрессовые условия,приближающие фибробласты человека к патологическому фенотипу, наблюдаемому при болезни Паркинсона. Изучена экспрессия и активность основных белковых комплексов дыхательной цепи митохондрий, в том числе транслоказыTOM20, в условиях ингибирования НАД-Н дегидрогеназыи окислительного стресса.

Известно, что старение характеризуется структурными и нейрофизиологическими изменениями в головном мозге, что приводит к когнитивным нарушениям различной степени, и зачастую сопровождается нейродегенеративными заболеваниями. С увеличением продолжительности жизни нейродегенеративные расстройства становятся все более распространенными и представляют одну из основных проблем здравоохранения. При этом этиология заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, изучена недостаточно и является очень сложной и многофакторной.

Некоторые случаи указанных заболеваний связывают с генетической предрасположенностью, тогда как большая часть, как показано, зависит от экзогенных факторов. Современные исследования патогенеза болезни Паркинсона демонстрируют, что изменения в регуляции функций митохондрий в нервных клетках могут влиять на развитие болезни. Нарушения функциии структуры митохондрий ведет к увеличению проницаемости их мембраны для катионов, разобщению дыхания и окислительного фосфорилирования, что является одним из основных факторов в процессе старения и демиелинизации.

Известно, что митохондриальная недостаточность и дисрегуляция металлопротеина з семейства AAA и транслоказ наружной мембраны митохондрий семейства TOM, ответственных за созревание белковых комплексовдыхательной цепи, могут быть связаны со многими нейродегенеративными заболеваниями, в том числеи болезнью Паркинсона. На клеточной модели данного заболевания in vitro показано, что процедуры, направленные на восстановление гомеостаза митохондрий, являются весьма эффективными для возможной реверсии заболевания и восстановления работы дофаминэргических нейронов.

Таким образом, накопление продуктов окисления и нарушение митохондриогенеза приводит к тому, что основная функция митохондрий в нейронах – поддержание трансмембранного градиента и энергетического обмена при синапсической передаче, а также Ca2+ гомеостаза нарушается. Также митохондрии являются главными производителями токсичных свободных радикалов в клетке, поэтому мутации в их ДНКпроисходят чаще, чем в ядерной ДНК клеток. Показано, что нарушение функций митохондрий приводит к развитию нейродегенеративных изменений, сопровождающихся нарушением энергетического обмена и синаптической передачи в нейронах. Дефицит дофаминэргических нейронов могут восполнить клетки собственного организма, а именно основные клетки соединительной ткани – фибробласты.

Дисфункция митохондрий при нейродегенеративных заболеваниях

Таким образом, механизмы формирования митохондриальной дисфункции в условиях развития нейродегенеративных процессов характеризуются многогранностью и высокой сложностью. Это определяется разнообразием мутантных белков, ассоциированных с нейродегенеративными заболеваниями и комплексностью их негативного воздействия. Универсальным механизмом развития митохондриальной дисфункции в данном случае являетсястресс ЭР, способствующий увеличению концентрацииСа2+ в цитозоле, активизации митохондриальных механизмов ПГК и процесса митофагии.

Ряд мутантных протеинов и их агрегаты (белок-предшественника β-амилоида, α-синуклеин) способны оказывать токсический эффект непосредственно на митохондрии. Данные белки образуют комплексы с митохондриальными структурами, подавляют активность АТФ-синтазы, нарушают процессы импорта в митохондрии белков из цитозоля транслоказами (TOM40, TIM23) и могут образовывать поры в мембранах. Это способствует снижению продукции АТФ, нарушению работы электронтранспортной цепи и падению трансмембранного потенциала митохондрий. Интересным является развитие нейродегенеративных процессовкак следствия нарушений некоторых митохондриальных белков: супероксиддисмутазы-1, DJ-1, фратаксина, митохондриального Hsp60. Экспрессия данных протеинов способствует нарушению антиоксидантной защиты, гомеостаза железа, утилизации дефектных протеинов в митохондриях. Наблюдаемые при нейродегенеративных процессах нарушения внутриклеточной динамики митохондрий также оказывают негативный эффект на функции данных органелл.

Наследственная и приобретенная функциональная недостаточность системы фрагментации и слияния митохондрий, ассоциированная с развитием паркинсонизма и БА, приводит к формированию митохондриальной дисфункции и активизации процессов ПГК. Высокая активность в нервных клетках митофагии, как и ослабление элиминации органелл, имеющих структурно функциональные нарушения, могут способствовать смещению баланса между функционально полноценными и дефектными митохондриями. Дополнительным фактором, способствующим развитию дегенеративных процессов в нервной ткани, является нарушение транспорта и распределения митохондрий в нейронах, что приводит к формированию в отростках нервной клетки областей с дефицитом митохондрий и нарушению синаптической передачи сигналов со снижением пластичности синаптических контактов.

Таким образом, в патогенезе нейродегенеративных заболеваний митохондрии являются важным звеном, интегрирующим сигналы ЭР, находящегося в состоянии стресса, прямые и косвенные воздействия мутантных протеинов. Рассмотренные в данном обзоре закономерности требуют дальнейшего изучения, что будет способствоватьсозданию более целостной картины патогенеза многих нейродегенеративных заболеваний. Многообразие механизмов развития митохондриальной дисфункции и универсальность принципов ее участия в патогенезе различных нейродегенеративных изменений представляет значительный научно-практический интерес для формирования стратегии профилактики и лечения нейродегенеративных заболеваний.

Митохондриальная дисфункция при болезни Паркинсона — ключевой признак заболевания с терапевтическим потенциалом

Дисфункция митохондрий играет важную роль в этиологии идиопатической и генетической болезни Паркинсона (БП). Однако стратегии, направленные на устранение дисфункции митохондрий, в том числе антиоксиданты, противодиабетические препараты и хелаторы железа, не увенчались успехом в клинических испытаниях по модификации заболевания. В этом обзоре мы обобщаем данные о клеточных факторах, вызывающих дисфункцию митохондрий, в том числе нарушение работы комплекса 1 цепи переноса электронов, повышенный окислительный стресс, нарушение механизмов контроля качества митохондрий и дефицит биоэнергетики клеток. Кроме того, мы описываем митохондриальные пути, ведущие к нейродегенерации, в современном контексте патогенеза болезни Паркинсона и рассматриваем прошлые и современные стратегии лечения, чтобы лучше понять, почему до сих пор не удалось добиться успеха в трансляционных исследованиях.

Болезнь Паркинсона (БП) — наиболее распространённое нейродегенеративное двигательное расстройство, которым страдают до 2 % людей в возрасте 60 лет и старше . Клинически БП определяется наличием моторных симптомов, чувствительных к леводопе, таких как брадикинезия с тремором в состоянии покоя или ригидностью. Эти моторные симптомы часто сопровождаются немоторными симптомами, в том числе нарушениями сна, депрессией, вегетативной дисфункцией и гипосмией . На сегодняшний день по-прежнему не существует доказанных методов замедления прогрессирования болезни Паркинсона. Эта неудовлетворённая медицинская потребность отражает наше неполное понимание механизмов заболевания.

Невропатологически БП характеризуется двумя несовершенно согласованными признаками: селективной дегенерацией уязвимых типов клеток в определенных областях мозга (например, дофаминергических (DA) нейронов черной части компактной субстанции среднего мозга (SNc) ) и наличием эозинофильных альфа-синуклеиновых (aSYN) положительных телец включения, называемых патологией Леви (LP). Систематическое поперечное исследование посмертных образцов мозга людей с болезнью Паркинсона показало, что даже на поздних стадиях заболевания ЛП не распространяется по всему мозгу пациентов с болезнью Паркинсона, а ограничивается определёнными уязвимыми ядрами, демонстрируя очаговое распределение . Хотя есть явные доказательства того, что некоторые области (SNc, обонятельная луковица, дорсальное двигательное ядро блуждающего нерва, голубое пятно, педункулопонтинное ядро, миндалевидное тело) более восприимчивы к ЛП, чем другие, было трудно установить последовательность и степень, в которой они подвержены ЛП. Помимо патологий головного мозга, ЛП также влияет на многие структуры периферической нервной системы (нервные волокна, например, в коже, сердце, пищеводе). Наблюдение за тем, что неправильно свёрнутые фибриллярные формы aSYN могут передаваться от одной клетки к другой в моделях болезни Паркинсона на животных, натолкнуло на мысль, что и у людей токсичные виды aSYN могут распространяться между синаптически связанными областями мозга, тем самым стимулируя развитие образования LP по всему мозгу.

В отличие от относительно хорошо изученного распределения ЛП, пространственно-временное развитие потери клеток в поражённых областях остаётся в значительной степени неизученным. Хотя потеря дофаминергических нейронов SNc хорошо задокументирована и явно связана с появлением моторных симптомов БП, нет оценки нейродегенерации в масштабах всего мозга, а имеющиеся исследования, посвящённые потере клеток, демонстрируют заметную неоднородность. Учитывая отсутствие чёткой корреляции между образованием ЛП и потерей нейронов, крайне важно отделить факторы, присущие самим клеткам, которые делают нейроны восприимчивыми к образованию ЛП, от факторов, вызывающих нейродегенерацию. На данный момент выявлено несколько основных патогенетических факторов. Среди них — нарушение клеточного белкового гомеостаза, дисфункция протеасомной и лизосомальной систем очистки, нарушение транспортировки белков и мембран, синаптическая дисфункция, в том числе нарушение нейротрансмиссии, нейровоспаление и митохондриальная дисфункция.

Митохондриальная дисфункция долгое время считалась ключевым патологическим признаком БП. Поскольку митохондрии являются многофункциональными органеллами, их целостность важна для функционирования и выживания нейронов. В этом обзоре обобщены доказательства митохондриальной дисфункции при генетическом и идиопатическом БП, обсуждается двунаправленное взаимодействие между митохондриальным стрессом и агрегацией aSYN и указываются потенциальные митохондриальные пути к нейродегенерации в текущем контексте патогенеза БП. Далее мы рассматриваем текущие и прошлые терапевтические стратегии, направленные на митохондриальную дисфункцию, в попытке изменить прогрессирование заболевания, и обрисовываем текущие пробелы в нашем понимании.

Нейроны обладают сложной сетью митохондрий, простирающейся от дендритов, которые получают синаптические контакты, до синаптических окончаний, которые взаимодействуют с соседними нейронами. Митохондрии выполняют множество задач, в том числе вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ), обеспечивают буферную ёмкость Ca²⁺ и эпигенетическую передачу сигналов. Два основных положения митохондриальной теории патогенеза заключаются в том, что нейроны обладают высокой биоэнергетической потребностью и что нейроны в значительной степени полагаются на митохондрии в выработке АТФ. Действительно, все клетки полагаются на АТФ для осуществления основных клеточных процессов. Нейроны отличаются от многих других типов клеток тем, что их биоэнергетические потребности выше. В частности, им нужен АТФ для поддержания ионного гомеостаза, который постоянно нарушается из-за 1) их зависимости от электрических сигналов, генерируемых трансмембранными ионными потоками, 2) их связывания нейромедиатора с везикулами, слияния этих везикул во время синаптической активности и повторного поглощения мембраны во время рециркуляции везикул, а также 3) необходимости поддерживать и восстанавливать часто массивные механизмы высвобождения нейромедиатора. АТФ, необходимый для этих процессов, может вырабатываться как в результате гликолиза, так и в результате окислительного фосфорилирования в митохондриях (OXPHOS). Хотя гликолитические механизмы работают быстро, они относительно неэффективны и вырабатывают примерно одну десятую АТФ из глюкозы, которую могут извлечь митохондрии. Была выдвинута гипотеза, что нейроны полагаются исключительно на OXPHOS в митохондриях для выработки АТФ (используя лактат, поступающий из астроцитов), но более поздние прямые измерения показали, что нейроны используют как гликолиз, так и OXPHOS для выработки АТФ.

Несмотря на очевидную важность митохондрий для биоэнергетики нейронов, они также выполняют множество других функций. Одна из них — буферизация Ca²⁺. Это может быть особенно важно для аксонов некоторых нейронов. Другой важной функцией является метаболическая передача сигналов. Например, митохондрии являются важнейшими источниками цитрата, который необходим для производства ацетил-кофермента А и ацетилирования белков и ДНК.

Нарушение функций митохондрий может оказывать непропорционально сильное влияние на те нейроны, которые подвержены риску при болезни Паркинсона. Наиболее изученным примером такого фенотипа является дофаминергический нейрон в чёрной субстанции. Эти нейроны постоянно активны и имеют обширные аксональные разветвления с 1–2 миллионами мест высвобождения нейромедиаторов на один аксон у людей. Многие (если не все) другие нейроны, подверженные наибольшему риску при болезни Паркинсона, имеют схожий фенотип: норадренергические нейроны голубого пятна, холинергические нейроны дорсального моторного ядра блуждающего нерва и холинергические нейроны педункулопонтинного ядра. Эти нейроны играют ключевую роль в выживании организма, особенно во время кризисов, когда устойчивая и эффективная работа критически важна.

Чтобы удовлетворить эту биоэнергетическую потребность, многие нейроны, находящиеся в группе риска, задействуют механизм прямой передачи сигналов, который использует каналы Ca²⁺ L-типа в плазматической мембране для запуска митохондриального окислительного фосфорилирования. Хотя этот механизм прямой передачи сигналов помогает поддерживать уровень АТФ во время высокой нагрузки, он также увеличивает выработку вредных активных форм кислорода (АФК) и базальный окислительный стресс в митохондриях. Активные формы кислорода и окислительный стресс в митохондриях повреждают липиды, белки и ДНК. Это может не только нарушить клеточную функцию, но и привести к повышенной нагрузке на катаболические процессы в нейронах, в первую очередь на лизосомальную деградацию. Эта повышенная нагрузка в принципе должна снижать резервную мощность, обеспечивая связь между окислительным стрессом в митохондриях и генетическими мутациями, связанными с семейными случаями болезни Паркинсона, которые влияют на контроль качества митохондрий (DJ1, PINK1, паркин) и функцию лизосом (GBA1, LRRK2, VPS35 и другие).

Ключевым доказательством того, что митохондриальная дисфункция играет роль в патогенезе болезни Паркинсона, является наблюдение, сделанное в 1983 году: у нескольких потребителей рекреационных наркотиков, которым внутривенно вводили новый синтетический героин MPPP (1-метил-4-фенил-4-пропионокси-пиперидин), вскоре после введения препарата развились острые, но поддающиеся лечению леводопой (L-ДОФА) двигательные симптомы болезни Паркинсона. Впоследствии в качестве побочного продукта недостаточного синтеза MPPP был выявлен ингибитор митохондриального ЭТЦ MPTP (1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридин). После всасывания MPTP проникает через гематоэнцефалический барьер и преобразуется в MPP⁺ в астроцитах с помощью моноаминоксидазы B. Внеклеточно высвобождаемый MPP⁺ затем активно поглощается переносчиком дофамина и накапливается в митохондриях нейронов дофамина, где он ингибирует митохондриальный комплекс I (CI) ЭТЦ. С момента своего открытия токсичность, вызванная MPTP, неоднократно подтверждалась как надежный способ моделирования нейродегенерации и развития двигательных симптомов у грызунов и приматов. С точки зрения трансляционной медицины, исследования MPTP показали, что ингибирование митохондриального CI в нейронах дофаминергической системы SNc может вызывать фенотип заболевания, напоминающий многие симптомы идиопатической болезни Паркинсона, например, все основные двигательные симптомы (брадикинезия, ригидность, тремор), некоторые недвигательные симптомы (слюнотечение, нарушения мочеиспускания) и реакцию на леводопу.

Механизм действия нейротоксинов, вызывающих болезнь Паркинсона. MPTP легко проникает через гематоэнцефалический барьер и поглощается близлежащими астроцитами, которые впоследствии преобразуют его в MPP⁺ с помощью МАО-В. Внеклеточно высвобождающийся MPP⁺ затем активно поглощается с помощью DAT и накапливается в митохондриях нейронов дофамина, где он ингибирует митохондриальный CI ЭТЦ, что приводит к образованию АФК и энергетическому дефициту. Аналогичным образом пестицид ротенон (Rot) из-за своей высокой липофильности легко проникает через биологические мембраны и достигает внутренней митохондриальной мембраны, где ингибирует CI. В отличие от него, паракват (PQ²⁺) проникает через гематоэнцефалический барьер с помощью LAT1. Затем он поглощается DAT или OCT3 в нейронах дофамина и генерирует АФК посредством окислительно-восстановительных реакций в CI и CIII ЭТЦ. Сокращения: 1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридин (MPTP); 1-метил-4-фенилпиридиний (MPP⁺); коэнзим Q (CoQ); дофамин (DA); переносчик дофамина (DAT); переносчик L-аминокислот (LAT1); митохондриальный комплекс I (CI); митохондриальный комплекс II (CII); митохондриальный комплекс III (CIII); митохондриальный комплекс IV (CIV); митохондриальный комплекс V (CV); моноаминоксидаза B (MAO-B); переносчик органических катионов 3 (OCT3); паракват (PQ²⁺); активные формы кислорода (АФК); ротенон (Rot); везикулярный переносчик моноаминов (VMAT). Созданный с помощью BioRender.com

Наблюдение за тем, что блокада CI может вызывать симптомы, похожие на болезнь Паркинсона, дополнительно подтверждается тем фактом, что химически родственное вещество паракват, а также ингибитор CI ротенон не только являются факторами риска развития болезни Паркинсона, согласно эпидемиологическим данным, но и вызывают симптомы, похожие на болезнь Паркинсона, в экспериментах на животных. Более поздние генетические исследования показали, что нарушение функции CI в дофаминергических нейронах достаточно для развития прогрессирующего паркинсонизма, поддающегося лечению леводопой.

Но является ли митохондриальная дисфункция постоянным и надёжным признаком идиопатической болезни Паркинсона, то есть при отсутствии митохондриальных токсинов или генетических факторов заболевания? Важные аспекты можно выявить при анализе тканей головного мозга умерших пациентов с идиопатической болезнью Паркинсона. В нескольких исследованиях образцы тканей из скорлупы, а также других областей мозга, лимфоцитов и тромбоцитов были проанализированы на наличие изменений в ЭТЦ с помощью иммуноблоттинга, иммуногистохимии или анализа активности ферментов. Наиболее выраженным и последовательным результатом является снижение активности CI ЭТЦ в гомогенатах тканей SNc. В некоторых исследованиях даже наблюдалось снижение активности CI в образцах тканей лобной и префронтальной коры, а также полосатого тела, но не в периферических тканях . Напротив, дефицит ETC CII, CIII или CIV наблюдался лишь в единичных случаях, а при оценке функции ETC с помощью иммуногистохимии или анализе других периферических образцов (например, лимфоцитов, тромбоцитов или мышц) сообщалось лишь о непостоянной дисфункции CI.

Что касается отсутствия согласованности в некоторых исследованиях, важно учитывать, что в большинстве экспериментов либо использовались смешанные тканевые гомогенаты (нейронные и ненейронные клетки), либо изучалась периферическая ткань, которая, с нашей точки зрения, скорее всего, не является основным местом проявления патологии при болезни Паркинсона. Таким образом, будущие исследования, изучающие дисфункцию ЭТЦ в посмертных тканях человека с использованием доступных на данный момент методов, специфичных для отдельных типов клеток, могут значительно расширить наше понимание митохондриальной дисфункции при идиопатической болезни Паркинсона.

Ещё одним доказательством, указывающим на митохондриальную дисфункцию при болезни Паркинсона, является наблюдение за увеличением количества аберраций митохондриальной ДНК (мтДНК) в образцах тканей умерших пациентов с идиопатической болезнью Паркинсона. В то время как первоначальные исследования делеций мтДНК давали противоречивые результаты, более поздние исследования подтвердили увеличение количества делеций мтДНК именно в посмертных образцах ткани SNc пациентов с болезнью Паркинсона. Кроме того, у пациентов с мутацией гена полимеразы гамма, единственной полимеразы, присутствующей в митохондриях человека, развиваются редкие генетические синдромы, в том числе паркинсонизм и потеря нейронов чёрной субстанции. В совокупности эти данные свидетельствуют о том, что митохондриальная дисфункция является ключевым признаком идиопатического паркинсонизма.

Хотя лишь примерно в 10% случаев болезнь Паркинсона связана с определёнными генетическими изменениями, изучение этих генов семейной болезни Паркинсона (PARK) привело к значительным успехам в понимании этиопатогенеза болезни Паркинсона. Хотя было выявлено множество генов PARK, некоторые из них напрямую связаны с нарушением функции и целостности митохондрий.

Мутации генов, кодирующих PINK1 (PARK6) и паркин (PARK2), являются наиболее частыми причинами аутосомно-рецессивной болезни Паркинсона с ранним началом. Их клиническое проявление характеризуется относительно чистой двигательной симптоматикой и реакцией на леводопу, которая может сопровождаться дискинезией, связанной с приёмом дофаминергических препаратов, гиперрефлексией и иногда психическими расстройствами. Интересно, что гистопатологическое исследование посмертных тканей указывает на потерю дофаминергических нейронов SNc и нейронов в других областях мозга, которые обычно уязвимы при идиопатической болезни Паркинсона (например, locus coeruleus, nucleus basalis meynert). Однако наличие включений aSYN, характерных для идиопатической болезни Паркинсона, не является постоянным признаком в этих случаях болезни Паркинсона. На клеточном уровне PINK1 и паркин играют ключевую роль в механизмах контроля качества митохондрий и сигнальных каскадах в ответ на повреждение митохондрий. PINK1/паркин могут не только инициировать митофагию, но и контролировать деление и слияние митохондрий, способствовать образованию везикул, полученных из митохондрий, и индуцировать биогенез митохондрий . В фибробластах, полученных из клеток пациентов с семейной формой болезни Паркинсона PINK1 и Parkin, потеря функции белка приводит к нарушению работы ЭТЦ с пониженной выработкой АТФ и высоким уровнем АФК. В то время как экспериментальные исследования с использованием мышей с нокаутированным геном Parkin выявили более низкий уровень дыхательной способности митохондрий, у мышей с нокаутированным геном PINK1 дополнительно наблюдались нарушения в работе CI, снижение буферной ёмкости Ca²⁺ и ухудшение потенциала митохондриальной мембраны. Аналогичные результаты были получены и в моделях Parkin и PINK1 у дрозофил. В качестве основного патофизиологического процесса у мышей с мутацией Parkin и PINK1, а также у дрозофил было выявлено повышенное деление митохондрий. Это подтверждается тем фактом, что ингибирование деления митохондрий с помощью mdivi-1 позволило восстановить функцию митохондрий, нормализовав баланс между делением и слиянием митохондрий. Помимо повышенного деления, было показано, что дефекты в биогенезе митохондрий способствуют нарушению функции митохондрий в дофаминергических нейронах человека с дефицитом Parkin.

Интересно, что есть дополнительные доказательства накопления нерастворимого паркина у пациентов с идиопатической болезнью Паркинсона. В то время как в предыдущих исследованиях было обнаружено, что накапливающийся паркин S-нитрозилируется, более позднее исследование показало, что сам паркин функционирует как окислительно-восстановительная молекула, обеспечивая антиоксидантную способность нейронов среднего мозга человека. Последующие окислительные посттрансляционные модификации затем способствуют снижению растворимости паркина.

Другим примером, указывающим на митохондриальный паркинсонизм, являются мутации в гене, кодирующем DJ1 (PARK7). В результате потери функции возникает аутосомно-рецессивная форма БП, которая встречается реже, чем PINK1 или семейная форма БП с паркинсонизмом. Клиническая картина у людей с мутациями в гене DJ1 характеризуется ранним началом медленно прогрессирующего паркинсонизма, который часто сопровождается немоторными симптомами (например, тревожностью, снижением когнитивных функций и психотическими симптомами), а также хорошей реакцией на леводопу. Примечательно, что посмертный гистопатологический анализ выявил обширные корковые и подкорковые повреждения и нейродегенерацию. DJ1 участвует в противодействии окислительному стрессу и последующей митохондриальной дисфункции в физиологических условиях. В экспериментальных условиях недостаток DJ1 приводит к нарушению митохондриального дыхания, высокому уровню внутриклеточных АФК, нарушению потенциала митохондриальной мембраны и изменению морфологии митохондрий. Кроме того, мутировавший DJ1 перемещается из цитозоля в матрикс митохондрий, где он разрушается. Несмотря на растущий интерес к функциям DJ1, молекулярные механизмы его действия остаются до конца не изученными. Несколько линий доказательств указывают на то, что DJ1 — это чувствительный к окислительно-восстановительным процессам белок, который использует окисление цистеина для распознавания окислительного стресса, а затем противодействует этому стрессу посредством активации различных сигнальных путей. Другие исследования показывают, что DJ1 может дополнительно обладать шаперонной активностью, что подтверждается данными, свидетельствующими о том, что DJ1 способен ослаблять агрегацию aSYN, а также наблюдением, что индуцированные плюрипотентные стволовые клетки человека (ИПСК), полученные из фибробластов пациентов с болезнью Паркинсона, страдающих от дефицита DJ1, демонстрируют повышенную патологию aSYN. Однако дальнейшие исследования выявили ферментативные функции DJ1, в том числе активность гликозилазы и дегликазы, которые показывают, что DJ1 может снижать уровень реактивных карбонильных соединений и восстанавливать гликозилированные нуклеиновые кислоты. Хотя точная биологическая взаимосвязь этих процессов всё ещё обсуждается, DJ1 явно связывает антиоксидантные пути, дисфункцию митохондрий и агрегацию aSYN.

Совсем недавно мутации, влияющие на сортировку вакуолярных белков 35 (VPS35 = PARK17), были связаны с аутосомно-доминантным паркинсонизмом с поздним началом, а VPS13C (PARK23) — с аутосомно-рецессивным паркинсонизмом с ранним началом и быстрым прогрессированием. Хотя точные патофизиологические механизмы до сих пор активно обсуждаются, экспериментальные исследования на фибробластах с мутацией VPS35, мышах или клеточных культурах показали повышенную фрагментацию митохондрий, нарушение динамики деления и слияния митохондрий, а также аномальную конфигурацию ETC CI. С точки зрения механизма, VPS35 является частью ретромерного комплекса и, таким образом, играет важную роль в эндосомальной сортировке и перемещении белков. Было показано, что мутации VPS35 приводят к усилению взаимодействия VPS35 с DLP1, что впоследствии вызывает повышенный оборот митохондриального комплекса DLP1, тем самым стимулируя чрезмерное деление митохондрий, что в конечном итоге приводит к митохондриальной дисфункции и фрагментации. Кроме того, было показано, что мутации VPS13C снижают потенциал митохондриальной мембраны, способствуют фрагментации митохондрий и усиливают митофагию. Кроме того, мутации в гене FBXO7 (PARK15), вызывающие редкий синдром юношеского паркинсонизма с пирамидными признаками, связаны с нарушением митофагии и снижением функции CI.

В совокупности случаи семейной болезни Паркинсона не только показывают, что существует чёткая связь между генетической болезнью Паркинсона и митохондриальной дисфункцией, но и подчёркивают, что могут быть нарушены несколько митохондриальных процессов, включая функцию CI, митофагию, деление и слияние, а также биогенез митохондрий.

В то время как у части пациентов с болезнью Паркинсона возникновение митохондриальной дисфункции может быть связано с генами PARK, этиология идиопатической болезни Паркинсона по-прежнему является предметом интенсивных дискуссий. Однако обширные экспериментальные данные, полученные в результате наблюдений за изолированными митохондриями и грызунами, указывают на то, что патология aSYN является основным источником митохондриальной дисфункции. Было показано, что в физиологических условиях мономерный aSYN модулирует функцию альфа-субъединицы митохондриальной АТФ-синтазы, поскольку у мышей с нокаутированным aSYN снижена эффективность АТФ-синтазы и уровень АТФ. Аналогичным образом, в другом исследовании с участием мышей с дефицитом aSYN была обнаружена изменённая структура митохондриальной мембраны нейронов и дефицит CI.

При наличии патологии aSYN, то есть избыточного количества сверхэкспрессируемого мономерного aSYN или наличия олигомерного и фибриллярного aSYN, в нескольких исследованиях сообщалось о снижении активности митохондриального CI, изменении потенциала митохондриальной мембраны и повышенном уровне окислительного стресса. Влияние на CI дополнительно подтверждается другим исследованием, в котором сообщалось о дозозависимом влиянии патологии aSYN на ингибирование CI. На основании наблюдения, что мыши с нокаутированным геном aSYN были устойчивы к токсичности, вызванной MPTP, была выдвинута гипотеза, что aSYN напрямую влияет на функцию CI. Эта точка зрения подтверждается исследованиями, в которых сообщалось, что сверхэкспрессия человеческого aSYN у мышей дикого типа или использование трансгенных мышей с мутацией SNCA A30P усугубляли токсичность, вызванную MPTP. Аналогичные результаты были получены и для ингибитора CI ротенона. Однако, по-видимому, CI не является единственной точкой взаимодействия для патологии aSYN. Совсем недавно было высказано предположение, что взаимодействие патологических олигомеров aSYN с альфа-субъединицей АТФ-синтазы в сочетании с открытием поры перехода проницаемости митохондрий является посредником митохондриальной дисфункции, вызванной aSYN. Кроме того, было показано, что олигомеры aSYN взаимодействуют с белком TOM20 внешней митохондриальной мембраны. В результате связывания aSYN с TOM20 нарушается импорт митохондриальных белков, что приводит к сбоям в работе ЭТЦ, накоплению АФК и потере потенциала митохондриальной мембраны. Ослабление контактов между митохондриями и эндоплазматическим ретикулумом (ЭР), которые считаются необходимыми для правильного обмена Ca²⁺ между этими двумя органеллами, вызванное aSYN, является ещё одной возможной причиной снижения митохондриального дыхания, в первую очередь из-за нарушения регуляции внутриклеточного уровня Ca²⁺.

В совокупности эти исследования не только показывают, что патология aSYN может вызывать митохондриальную дисфункцию, но и раскрывают несколько независимых путей, по которым патология aSYN влияет на функцию митохондрий. Примечательно, что многие из этих путей приводят к общему патологическому фенотипу, характеризующемуся повышенным уровнем клеточных и митохондриальных АФК, нарушением потенциала митохондриальной мембраны и снижением митохондриального дыхания.

Хотя на этот вопрос трудно ответить в случае идиопатической болезни Паркинсона, важную информацию можно почерпнуть из случаев семейной болезни Паркинсона, изучив те немногие гистопатологические посмертные заключения, которые доступны. Примечательно, что у носителей мутаций PINK1, а также Parkin и DJ1, во всех случаях семейной болезни Паркинсона, которая, как считается, в основном вызвана митохондриальной дисфункцией, наблюдается заметная потеря нейронов в SNc и других уязвимых областях мозга. Это явно указывает на то, что, по крайней мере, генетически обусловленная митохондриальная дисфункция является причиной гибели нейронов у этих людей. Это подтверждается тем, что целенаправленное нарушение митохондриального цикла у мышей приводит к дофаминергической дегенерации, которая завершается развитием паркинсонизма, похожего на человеческий. Однако менее ясно, необходима ли митохондриальная дисфункция для развития болезни Паркинсона.

Как упоминалось выше, митохондриальная дисфункция и повреждения могут способствовать развитию нескольких патологических процессов, связанных с болезнью Паркинсона. Как показали прямые ратиометрические исследования, многие нейроны, находящиеся в группе риска, демонстрируют повышенный уровень окислительного стресса в митохондриях. Длительный окислительный стресс повреждает мембраны, белки и ДНК. Это повреждение усиливает митофагию в дофаминергических нейронах SNc, тем самым снижая общую способность к аутофагии. Цитозольные АФК могут дополнительно повреждать белки, участвующие в митофагии, и усиливать дисфункцию митохондрий. АФК, образующиеся в митохондриях, также нарушают функцию лизосом и протеасом и увеличивают накопление неправильно свернутых форм aSYN. Кроме того, внутриклеточные АФК запускают партанатоз — независимый от апоптоза путь нейродегенерации. Параллельно с этим повреждённые митохондрии или чрезмерный митохондриальный стресс могут вызывать высвобождение мтДНК в цитозоль и последующее увеличение выработки провоспалительных цитокинов, как было показано на мышах с нокаутированным геном паркина, у которых также наблюдалась мутация POLG. Митохондриальная дисфункция дополнительно связана с нейровоспалением, поскольку было обнаружено, что потеря функции PINK1 и паркина приводит к усилению презентации митохондриальных антигенов и последующей активации цитотоксических Т-клеток. Инфекция кишечника грамотрицательными бактериями у мышей с дефицитом PINK1 усиливала презентацию митохондриальных антигенов, что сопровождалось повышением уровня CD8⁺ Т-клеток в мозге и на периферии.

Как указано выше, нарушение механизмов контроля качества митохондрий определяет ещё один путь нейродегенерации при болезни Паркинсона. Существующие доказательства показывают, что согласованное взаимодействие PINK1 и паркина необходимо для поддержания здоровья митохондрий. Мутации, приводящие к потере функции, приводят к нарушению клеточной митофагии, а также к нарушению слияния и деления митохондрий и снижению выработки митохондриальных везикул. Как следствие, накапливаются повреждённые митохондрии, цитохром c и другие проапоптотические белки высвобождаются в цитозоль, и может быть вызван апоптоз. Повреждённые митохондрии из-за потери механизмов контроля качества митохондрий также способствуют возникновению окислительного стресса и мутаций мтДНК. Важно отметить, что при идиопатической болезни Паркинсона ЛП также напрямую инактивирует паркин и тем самым способствует нарушению контроля качества митохондрий даже при отсутствии генетических мутаций.

Внутриклеточная передача сигналов Ca²⁺ также может вносить свой вклад в патогенез. Нейроны группы риска обладают низкой внутренней буферной способностью Ca²⁺ и сильным вовлечением как плазматической мембраны, так и ER-зависимой передачи сигналов Ca²⁺, что приводит к большим цитозольным колебаниям внутриклеточной концентрации Ca²⁺. Повышенный внутриклеточный уровень Ca²⁺ может способствовать неправильному свертыванию и агрегации aSYN, тем самым связывая aSYN и Ca²⁺ в порочный круг.

Ещё одним ключевым признаком болезни Паркинсона является нарушение клеточных протеасомных и лизосомных механизмов . Протеасомная деградация, а также функция лизосом — энергозатратные процессы. Легко предположить, что нарушение выработки АТФ митохондриями снизит их функциональную способность. Таким образом, повышенная выработка митохондриями АФК и последующее повреждение клеток не только увеличивают нагрузку на эти системы, но и при снижении способности митохондрий, вероятно, снизят их функциональную способность. Как следствие, не только усиливается агрегация aSYN, но и снижается выведение окисленных белков, что приводит к дальнейшему образованию АФК и окислительному повреждению в рамках механизма обратной связи. Более того, есть свидетельства динамических контактов между митохондриями и лизосомами, которые обеспечивают взаимодействие между органеллами. Интересно, что в нейронах пациентов, имеющих гетерозиготную мутацию в гене, кодирующем β-глюкоцереброзидазу (GBA1), наблюдается нарушение ослабления этих контактов, что приводит к длительному связыванию и нарушению внутриклеточного распределения митохондрий.

В совокупности имеющиеся данные свидетельствуют о том, что существует несколько митохондриальных путей, тесно связанных с другими патогенетическими механизмами болезни Паркинсона. В то время как некоторые из этих путей сильно взаимосвязаны, другие действуют параллельно друг другу. С точки зрения трансляционной медицины это говорит о том, что, как и в случае с раком, новые терапевтические подходы должны либо воздействовать на несколько из этих путей одновременно, либо быть адаптированными к общим для этих путей патологическим конечным точкам.

Одной из важнейших задач, стоящих перед биомедицинским сообществом, является разработка терапии, изменяющей течение болезни при болезни Паркинсона. Было проведено несколько клинических испытаний, направленных на решение этой задачи, но ни одно из них не увенчалось успехом. Некоторые из них прямо или косвенно воздействовали на функцию митохондрий.

Учитывая признание того, что окислительный стресс в митохондриях является потенциальным фактором патогенеза, некоторые из первых исследований были направлены на его снижение. Например, в нескольких исследованиях тестировался антиоксидант коэнзим Q10 (CoQ10), а также миноциклин; все они оказались неэффективными. Антиоксиданты митохондриального действия, такие как MitoQ, митовит, МитоАпоцинин и МитоТЕМПОЛ, были разработаны для достижения лучшего взаимодействия с мишенью и показали себя многообещающими в доклинических экспериментах, но эта общая стратегия не показала явной пользы у пациентов с БП. Одна из ключевых проблем этих испытаний заключается в том, что трудно продемонстрировать адекватное воздействие на мишень и биологическую эффективность этих соединений на людях. Таким образом, неясно, проверяют ли они основную гипотезу или нет.

Другой подход заключается в том, чтобы попытаться повысить концентрацию глутатиона в мозге. У пациентов с болезнью Паркинсона уровень глутатиона в мозге ниже, возможно, из-за того, что пациенты с болезнью Паркинсона больше полагаются на гликолиз для выработки АТФ. Повышение уровня глутатиона было предложено и изучено в ходе доклинических и клинических исследований. Однако неясно, является ли это просто следствием митохондриальной дисфункции и можно ли достичь достаточной концентрации глутатиона в мозге при пероральном приёме. N-ацетилцистеин (NAC), одобренный препарат для лечения печеночной недостаточности, вызванной ацетаминофеном, повышает уровень клеточного глутатиона in vivo. Примечательно, что еженедельное внутривенное введение NAC в течение 3 месяцев пациентам с идиопатической болезнью Паркинсона привело к значительному клиническому улучшению, которое сопровождалось повышением связывания переносчика дофамина при визуализации с помощью иофурана (DaTSCAN).

Другим последствием митохондриальной дисфункции является снижение уровня никотинамидадениндинуклеотида (НАД). Митохондриальный CI преобразует НАДН в НАД+. Повышение уровня НАД в клетках с помощью пищевых добавок с предшественником никотинамидом (витамином B3) оказывает нейропротекторное действие в некоторых доклинических моделях болезни Паркинсона. Недавнее исследование первой фазы NADPARK, в ходе которого пациенты с болезнью Паркинсона, не принимавшие лекарства, получали 1000 мг никотинамид-рибозида в течение 30 дней, позволило добиться некоторых желаемых метаболических результатов и незначительной клинической пользы.

Другой подход основан на эпидемиологических исследованиях, показывающих снижение риска развития болезни Паркинсона при использовании противодиабетических препаратов, таких как эксенатид или пиоглитазон. Оба препарата интенсивно изучались на доклинических моделях на животных и в клинических испытаниях при болезни Паркинсона. Эксенатид, по-видимому, оказывает нейропротекторное действие, подавляя нейровоспалительные процессы, снижая уровень АФК, уменьшая внутриклеточный уровень Ca²⁺, восстанавливая митофагию и улучшая общую биоэнергетическую эффективность. В рандомизированном двойном слепом плацебо-контролируемом исследовании с участием пациентов с болезнью Паркинсона, получающих симптоматическую заместительную терапию дофамином, 48-недельное лечение эксенатидом незначительно, но существенно улучшило двигательные симптомы. В настоящее время в рамках исследования III фазы изучается влияние двухлетнего лечения эксенатидом на двигательные симптомы у пациентов с болезнью Паркинсона, которые также получают симптоматическую заместительную терапию дофамином. Напротив, 52-недельное лечение лираглутидом, также являющимся агонистом глюкагоноподобного пептида 1 (GLP-1), привело к улучшению немоторных симптомов и повседневной активности, в то время как моторные симптомы остались без изменений. Хотя доклинические модели предполагают механизм действия, основанный на митохондриях, нет достоверных данных клинических исследований о клеточном механизме действия агонистов GLP-1.

Пиоглитазон, агонист рецептора, активируемого пролифератором пероксисом (PPARγ), также широко изучался при болезни Паркинсона. В исследованиях на животных он снижал нейровоспаление, подавлял активность синтазы оксида азота, улучшал протеасомный клиренс и усиливал биогенез митохондрий. Однако клиническое исследование II фазы с участием пациентов с ранней стадией болезни Паркинсона не выявило клинического эффекта от 44-недельного лечения пиоглитазоном на прогрессирование заболевания.

Как было сказано выше, митохондрии — это очень динамичные органеллы, которые образуют сложную сеть внутри клеточного тела, аксона и вплоть до синаптических окончаний. Поддержание этой сети в жизнеспособном состоянии зависит от постоянного пространственного перераспределения посредством митохондриального транспорта, а также сбалансированного слияния и деления митохондрий для поддержания пула здоровых митохондрий в любое время. Однако у пациентов с болезнью Паркинсона многие из этих процессов контроля качества митохондрий нарушены. На основе этого было разработано несколько доклинических подходов для коррекции предполагаемого дефекта в динамике митохондрий. Сообщалось, что ингибирование деления митохондрий с помощью ингибитора деления митохондрий 1 (mdivi-1) оказывает нейропротекторное действие на модели крыс с избыточной экспрессией aSYN. Лечение с помощью mdivi-1 уменьшало фрагментацию митохондрий и одновременно снижало окислительный стресс и улучшало состояние митохондрий. Кроме того, при болезни Паркинсона было выявлено накопление митохондриального адапторного белка Miro на внешней мембране митохондрий, что связано с задержкой митофагии в экспериментальных моделях болезни Паркинсона. Фармакологическое снижение уровня Miro в клеточных моделях и моделях дрозофил с болезнью Паркинсона позволило восстановить митофагию и уменьшить потерю нейронов.

Кроме того, были изучены подходы к генной терапии, нацеленные на устранение дефицита PINK1 и паркина . Повышенная экспрессия PINK1 не только улучшала митохондриальную дисфункцию, вызванную предшествующим дефицитом PINK1 в моделях дрозофил с мутацией PINK1, но и защищала от фенотипа, вызванного aSYN, в трансгенной модели PD дрозофил с aSYN, а также защищала от потери нейронов и митохондриальной дисфункции в моделях MPTP in vitro и in vivo. Повышенная экспрессия паркина оказывает аналогичное воздействие. Терапия на основе белка, использующая проницаемый для клеток паркин, оказывала защитное действие на моделях мышей с 6-гидроксидофамином (6-OHDA) и аденоассоциированным вирусным вектором (AAV), предположительно улучшая контроль качества митохондрий за счёт содействия митохондриальному биогенезу и стимулируя митофагию. Однако следует отметить, что прогностическая ценность моделей 6-OHDA и MPTP для изучения болезни Паркинсона сомнительна, поскольку все неудачные препараты прошли этот тест в ходе доклинических исследований.

Как было сказано выше, большинство стратегий лечения, нацеленных на митохондрии, которые прошли клинические испытания или находятся на стадии планирования, направлены либо на ограничение последствий повреждения митохондрий (например, CoQ10), либо на усиление выведения повреждённых митохондрий (например, таргетинг на Miro) или ослабление воспалительных последствий митохондриальной дисфункции (например, эксенатид). Альтернативная стратегия заключается в том, чтобы сначала уменьшить повреждение митохондрий. Механистические исследования, посвящённые истокам окислительного стресса в митохондриях нейронов, находящихся в группе риска (например, дофаминергических нейронов SNc), указывают на их прямую стимуляцию каналами Ca²⁺ L-типа в плазматической мембране. Ингибирование каналов L-типа с помощью дигидропиридиновых отрицательных аллостерических модуляторов снижает окислительный стресс в митохондриях и митофагию в дофаминергических нейронах, находящихся в группе риска, на животных моделях. Они также снижали окислительный стресс в митохондриях на модели рецессивной болезни Паркинсона и оказывали нейропротекторное действие на моделях болезни Паркинсона MPTP и 6-OHDA . Что еще более важно, эпидемиологические исследования показали, что употребление дигидропиридинов связано со снижением риска развития болезни Паркинсона. Эти наблюдения послужили основанием для двух клинических испытаний дигидропиридина исрадипина. Исрадипин был выбран для этих испытаний, потому что он обладает самым высоким относительным сродством к подклассу каналов L-типа, которые, как считается, играют наиболее важную роль в развитии митохондриального стресса в дофаминергических нейронах SNc (каналы с формирующей пору субъединицей Cav1.3). Хотя в первоначальных отчётах говорилось, что нет никаких доказательств эффективности в замедлении прогрессирования заболевания, последующий повторный анализ возобновил дискуссию о препарате исрадипин пролонгированного действия, предполагая, что он может замедлять прогрессирование заболевания на основании оценки UPDRS у пациентов, принимавших 10 мг исрадипина в день.

Во-первых, необходимо более тщательно изучить последовательность событий, возникающих в результате митохондриальной дисфункции. Как и в случае с современным лечением рака, это позволит применять комбинированную терапию, которая максимизирует биологическую эффективность и минимизирует нежелательные побочные эффекты .

Во-вторых, необходимы более объективные и количественные показатели прогрессирования заболевания. Использование сильно различающихся клинических оценочных шкал добавляет огромное количество шума в результаты клинических испытаний и не позволяет выявить незначительные эффекты, изменяющие течение болезни. Эти биомаркеры должны включать те, которые оценивают функцию и дисфункцию митохондрий. Современные стратегии в основном направлены на улучшение нейровизуализации клеточной биоэнергетики (например, магнитно-резонансная спектроскопия). Однако в исследованиях также следует использовать биомаркеры на основе крови или спинномозговой жидкости, как было недавно продемонстрировано.

В-четвёртых, нам нужно знать, являются ли механизмы, приводящие к прогрессированию болезни Паркинсона, инвариантными во времени или нет. Возможно, что митохондриальная дисфункция играет важную роль на ранних стадиях патогенеза болезни Паркинсона, но не на более поздних. Например, на более поздних стадиях потери клеток при болезни Паркинсона может наблюдаться дисфункция сети, вызванная неполным нарушением функций нейронов, подверженных риску. Ясное понимание этих механизмов позволит разрабатывать методы лечения, модифицирующие заболевание, с учётом соответствующей стадии болезни.

Митохондриальная дисфункция является основным признаком болезни Паркинсона. Доклинические, эпидемиологические, гистопатологические и клинические данные указывают на то, что митохондриальная дисфункция является важным фактором, провоцирующим идиопатическую и семейную болезнь Паркинсона. На клеточном уровне основными признаками являются нарушение цикла Кребса, повышенный окислительный стресс, нарушение механизмов контроля качества митохондрий и биоэнергетический дефицит. Современные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что существует несколько митохондриальных путей, которые способствуют развитию болезни Паркинсона. Воздействие на несколько из этих путей одновременно может быть более эффективной стратегией, чем воздействие только на один из них. Более того, учитывая, что патология при болезни Паркинсона в основном сосредоточена в головном мозге, необходимо разрабатывать стратегии доставки лекарств, которые оптимизируют их попадание в головной мозг и взаимодействие с мишенью. Таким образом, несмотря на то, что не было однозначно доказано, что какое-либо лечение замедляет прогрессирование болезни на ранней стадии, сохраняется оптимизм, что в ближайшее время ситуация изменится.

НАУКА : ПАРКИНСОН И МИТОХОНДРИИ

Важность здоровья митохондрий в нейронах, подверженных риску БП

Доказательства митохондриальной недостаточности у пациентов с БП

Митохондриальная дисфункция тесно связана с генетическим БП

Причинно-следственная связь между патологией α-синуклеина и митохондриальной дисфункцией

Пути, связывающие митохондриальную дисфункцию с нейродегенерацией

Терапевтические подходы, нацеленные на митохондриальную дисфункцию при БП

Ограничение стимуляции митохондрий как новый терапевтический подход

Текущие пробелы в нашем понимании

Выводы