DEVELOPMENT OF NEUROTOXIC EFFECTS OF NEUROTROPHIC CHEMICALS

Full Text

Согласно Стратегии развития медицинской науки в Российской Федерации на период до 2025 года, утвержденной распоряжением Правительства РФ от 28 декабря 2012 г. № 2580-р, одним из приоритетных направлений является профилактика заболеваний центральной и периферической нервной системы с целью улучшения показателей заболеваемости, смертности, увеличения продолжительности и качества жизни трудоспособного населения. Мировая статистика показывает неуклонный рост 47 Медицинская экология Экология человека 2020.03 числа заболеваний нервной системы, относимых вследствие своей распространенности и тяжести последствий к категории социально значимых, это сосудистые заболевания мозга, рассеянный склероз, в том числе и нейродегенеративные заболевания. Так, согласно ориентировочным оценкам среди взрослого населения болезнью Альцгеймера в мире страдают около 20 млн человек, болезнью Паркинсона -6 млн, причем к 2040 году прогнозируется удвоение этих цифр [17]. Экспертами ВОЗ и отечественными исследователями отмечается большой удельный вес неврологических заболеваний у детей (от 9,0 до 45,2 %), а именно поражений центральной нервной системы (детский церебральный паралич), синдрома дефицита внимания, трудностей развития, поведения, обучения [7], которые в дальнейшем могут привести к росту числа нейродегенеративных заболеваний в период трудоспособного возраста. Причинами поражений центральной нервной системы (ЦНС) у детей могут являться немодифицируемые факторы (например, отягощенная наследственность) и модифицируемые - такие как внутриутробные инфекции в период беременности, родов и первой недели жизни ребёнка. Именно модифицируемые факторы определяют значительное увеличение частоты заболеваний нервной системы. Химические факторы окружающей среды, обладающие тропностью к ЦНС (бензол, толуол, ксилолы, алюминий, марганец, никель и др.), могут усугублять нейротоксическое действие как немодифицируемых, так и модифицируемых факторов. Анализ заболеваемости населения селитебных территорий в зоне влияния выбросов ряда промышленных производств (металлургических, нефтеперерабатывающих, химии органического синтеза) свидетельствует о превышении в 1,3-2,0 раза уровня первичной заболеваемости и неблагоприятной динамике по сравнению со среднероссийскими показателями у детей болезней нервной системы (в виде астенове-гетативного и астеноневротического синдромов, синдрома дефицита внимания и др.) [9]. Следовательно, особого внимания требуют обратимые химические факторы среды обитания, управляя которыми можно существенно снизить их негативную составляющую в виде роста заболеваемости болезнями ЦНС [12]. Степень воздействия нейротропных химических веществ варьирует в зависимости от дозы, путей поступления и продолжительности экспозиции [1, 5]. В настоящем обзоре представлены современные данные международных и национальных исследований, посвященных изучению механизмов воздействия нейротропных химических соединений на процесс нарушения синаптической передачи нервного импульса, повреждения нейронов, что позволит повысить эффективность профилактики в отношении заболеваний ЦНС для снижения заболеваемости и смертности, повышения качества и продолжительности жизни населения в трудоспособном возрасте. Действие химических веществ, приводящее к неблагоприятным изменениям структуры или функции центральной и периферической нервной системы, проявляется в виде нейротоксичности. Функциональные нейротоксические эффекты включают изменения в соматических, вегетативных, сенсорных, моторных, когнитивных функциях нервной системы. Структурные нейротоксические эффекты определяются как нейроанатомические изменения на любом уровне организации нервной системы (нейрохимический, анатомический, физиологический, поведенческий) [22]. На нейрохимическом уровне химический агент способен ингибировать синтез макромолекулы или трансмиттера, изменять поток ионов через клеточные мембраны, предотвращать высвобождение нейротрансмиттера из синапса. На анатомическом уровне могут возникать изменения в клеточном теле, аксоне или миелиновой оболочке. На физиологическом уровне химическое вещество может влиять на пороги нервной активации или скорость нейротрансмиссии. На поведенческом уровне происходят значительные изменения в ощущениях зрения, слуха, осязания; в рефлексах и моторных функциях, в когнитивных функциях (обучение, память, внимание) [22]. Механизм токсического действия нейротропных химических соединений различен в зависимости от химической природы конкретного вещества, но имеются схожие звенья патогенеза, как, например, при развитии нейродегенеративных заболеваний. Данные звенья включают нарушение процессов генерации, проведения и передачи нервного импульса посредством астроцит-зависимого усиления окислительного стресса, потенцирования эксайтотоксичности, синаптической и нейроваскулярной дисфункции, нейровоспаления и гибели нейронов [42]. Механизм формирования нейротоксического эффекта в виде нарушения генерации, проведения и передачи нервного импульса при экспозиции таких нейротропных веществ, как ароматические углеводороды (бензол, ксилолы и др.), связан с усилением окислительного стресса в нервной ткани [42]. В силу своей химической природы и высокой реакционной способности в ходе биологического окисления ароматических углеводородов, например бензола, образуются агрессивные метаболиты (ареноксиды), формирующие ковалентные связи с нуклеофильными структурами клеток (белками, сульфгидрильными группами, нуклеиновыми кислотами), активирующие перекисное окисление липидов биологических мембран нейронов, что вызывает вторичные необратимые повреждения белков и нуклеотидов. Это приводит к нарушению целостности клеточной мембраны нейронов и индуцирует гибель клеток путем апоптоза и некроза [39]. Интенсивная генерация активных форм кислорода может стимулировать дополнительное повреждение нервной ткани через сверхэкспрессию индуцибельной (iNOS) и нейрональной (nNOS) синтаз оксида азота, что сопровождается продукцией NO\\ который при взаимодействии с супероксид-анион радикалом (О2-) генерирует пероксинитрит-анион (ONOO-) [4]. Изменения в белковой экспрессии 48 Экология человека 2020.03 Медицинская экология или несколько белков в синапсе могут привести к функциональной модификации синапсов, влиять на синтез или деградацию белка, его функцию [14, 30]. Прямое цитотоксическое повреждение нейронов способны оказывать такие нейротропные химические вещества, как переходные металлы в соединении с кислородом (оксиды марганца и алюминия). Следствием нарушения целостности мембран является потенцирование эксайтотоксичности, стимуляция нейровоспалительного ответа, нарушение глиального кальциевого гомеостаза, дисфункция нейрогенеза [42]. В ряде исследований показано, что соединения алюминия и марганца в микро- и наноразмерном состоянии проникают с помощью специфических трансферриновых рецепторов, кальциевых каналов через гематоэнцефалический барьер и необратимо накапливаются в ядрах нейронов головного мозга и астроцитов (нейроглиальные клетки) [8, 16, 29, 32]. Причем частицы наноразмера по сравнению с микродисперсными аналогами способны в большей степени преодолевать гематоэнцефалический барьер [33, 47, 48]. Кроме того, в результате разрушения билипидного слоя мембран может активироваться процесс перекисного окисления липидов. Ионы алюминия и марганца, содержащиеся в нервной ткани, активно вступают в реакцию с пероксидом водорода, образуя при этом более токсичные гидроксильные и пергидроксильные радикалы (OH-, HO2^), тем самым вызывают повреждение мембран дофаминэрогических нейронов [33, 46, 47] и нарушают защитную функцию гематоэнцефалического барьера [3, 16, 29]. При этом вновь усиливается проникновение и накопление ионов алюминия и марганца в клетках головного мозга [4, 23, 24]. Данный эффект у нанодисперсных частиц металлов более выражен по сравнению с действием микроди-сперсных частиц в связи с их большей удельной площадью поверхности [6]. Инициацию окислительного процесса у самцов крыс линии Sprague Dawley при ежедневном однократном внутрибрюшинном введении нано- и микрочастиц оксида алюминия доказывает достоверное увеличение концентрации малонового диальдегида и достоверное снижение концентрации глутатиона, супероксиддисмутазы и каталазы относительно контроля [37, 38]. По данным ряда работ [20, 41, 44] установлено усиление каталитической генерации активных форм кислорода, выявленное в альвеолярных эпителиальных клетках человека после 24-часовой экспозиции наночастицами оксида марганца [20], при этом увеличивается уровень внеклеточной и внутриклеточной окисленной формы глутатина (GSSG) на 30 и 80 % соответственно [44]. Наночастицы оксида марганца (IV) размером до 30 нм при ингаляционном воздействии способны проникать внутрь нейроноподобных клеток PC-12 головного мозга по обонятельному нерву [18], накапливаться в клетках головного мозга - астроцитах [31, 36]. При этом наблюдается незначительное угнетение митохондриальной деятельности, происходит дозоза висимое уменьшение концентрации дофамина и его метаболитов: дигидроксифенилуксусной кислоты и гомованилиновой кислоты. Данный процесс сопровождается многократным увеличением активных форм кислорода [41, 47] и проявляется у экспериментальных животных нейродегенеративными нарушениями уже через 2-3 недели экспозиции [18, 35], активацией протеолитического расщепления, опосредованного каспазой-3 и протеинкиназой С5 (ферменты, участвующие в процессах апоптоза, некроза и воспалительных процессах), а также активацией цикла фосфорилирования [25, 33, 34, 47]. При повышении концентрации частиц линейно повышается уровень р38 мутаген активной протеинкиназы, запускающей апоптический механизм преждевременной клеточной гибели [15]. В обонятельной луковице, лобной коре, среднем мозге и полосатом теле в два раза увеличивается экспрессия гена фактора некроза опухоли-а [18]. При длительном ингаляционном воздействии наночастиц оксида марганца (III, IV) выявлена зависящая от времени активация белка трансферрина в дофаминергических нервных клетках, а также структурные изменения в белках Beclin 1 и LC3, что, в свою очередь, может указывать на потенциальную активацию процесса аутофагии [41]. В результате экспериментальных исследований ряда российских ученых по оценке патоморфологических изменений тканей внутренних органов крыс, получавших при многократном (90 дней) внутриже-лудочном введении нанодисперсный оксид марганца в дозе 1/500 LD50 (260 мг/кг массы тела/сутки) установлены морфологические изменения структуры тканей головного мозга [6]. В коре больших полушарий и мозжечке выявлено резкое полнокровие сосудов с диапедезом эритроцитов и формирование очаговых кровоизлияний, очаги демиелинизации нервных волокон [6]. Механизм развития синаптической дисфункции может быть связан с действием ионов таких металлов, как алюминий, цинк, железо и медь. Перечисленные металлы обладают способностью влиять на олигомеризацию и конформационные изменения ß-амилоида за счет образования поперечных сшивок [4]. Данный пептид может образовывать так называемые амилоидные бляшки, состоящие из нейрофибриллярных сплетений пептида, свёрнутого в виде ß-складки, что приводит к повышению гидрофобности окружающего пространства, уменьшению плотности пре- и постсинаптической мембраны, свидетельствующим о нарушении функции синапсов (синтез, транспорт и депонирование медиаторов) [4]. Накоплению белка в форме нейрофибрилл приводит к возникновению локальных изменений в нейрональных структурах, связанных с дегенерацией нейронов [14, 30]. Процесс нарушения синаптической передачи нервного импульса связан с повреждением мембран астроцитов и самопроизвольным высвобождением нейротрансмиттеров (ацетилхолин, глутаминовая кислота, гамма-аминомасляная кислота, D-серин 49 Медицинская экология Экология человека 2020.03 и др.), регулирующих возбудимость нейронов [13]. Данный процесс обычно сопровождается гиперактивацией глутаматных NMDA-рецепторов, способствуя увеличению концентрации кальция в цитозоле и запуску кальций-зависимых механизмов клеточной деградации [11, 28]. Об этом свидетельствуют результаты исследований, показывающие, что воздействие марганца изменяет уровни глутаминовой кислоты и гамма-аминомасляной кислоты в крови крыс [19]. Кроме того, алюминий, являясь неконкурентным ингибитором активности холинэстеразы, способен нарушать холинэргическую передачу нервного импульса [40, 50]. Еще одним механизмом воздействия нейротропных химических веществ, таких как марганец и никель, является их способность вызывать нейровоспаление. В воспалительной реакции ЦНС участвуют клетки микроглии и астроциты [2]. Микроглия - это резидентные макрофаги мозга, участвующие в запрограммированной элиминации нервных клеток. Активация микроглии в ответ на воздействие нейротропных химических веществ сопровождается повышением экспрессии генов и активности белков, стимуляцией продукции провоспалительных цитокинов, индукцией экспрессии молекул адгезии (интегрины, селектины, кадгерины), активацией протеаз и ферментов (инду-цибельная NO-синтаза, НАД(Ф)Н-оксидаза, миело-пероксидаза) [10, 26]. Астроциты в физиологических условиях обеспечивают контакт глия - нейрон, поддерживают ионный гомеостаз, удаляют избыток нейромедиаторов, секретируют нейротрофные факторы, а также осуществляют стабильное функционирование гематоэнцефалического барьера. В ответ на иммунологические факторы астроциты также активируются, в результате чего повышается экспрессия специфических белков (фибриллярный кислый белок глии, фактор роста нейронов), секреция провоспалительных цитокинов и нейротрофных факторов. В результате развития нейровоспаления ингибируется образование новых нейронов в интактной мозговой ткани [37, 38, 47]. В работе ряда авторов [8] показано, что в результате экспериментальных исследований лабораторных животных (крыс линии Wistar), получавших марганец с питьевой водой, концентрация которого превышает допустимые значения, установлено увеличение в 2-3 раза уровня мРНК провоспалительных цитокинов (IL-1 ß и TNF-a) и уровня мРНК IBA-1 (маркера активированной микроглии) в стриатуме животных (полосатое тело конечного мозга) относительно контрольных значений. Эти данные являются косвенным подтверждением развития воспалительного процесса в стриатуме. Кроме этого в клетках стриатума обнаружен повышенный уровень мРНК m- и р- кальпаинов (в 4 и в 5 раз соответственно по сравнению с контролем) - кальций-зависимых внутриклеточных протеаз, активирующихся при наличии нейродегенеративного процесса [8]. Дисфункция нейрогенеза может быть вызвана действием марганца. Ключевую роль в данном процессе играют нейротрофины - семейство секретируемых факторов роста, которые поддерживают рост, дифференциацию и выживаемость нейронов, содействуют синаптической пластичности в развивающихся и взрослых нервных системах, что имеет решающее значение для процессов памяти и регенерации [21, 43, 45]. Нейротрофический фактор BDNF представляет собой нейротрофин, который преимущественно экспрессируется в мозге и участвует в пролиферации, дифференцировке, созревании и выживании различных типов нейронов [43, 49]. Нейротрофин-3 (NT-3) также является членом семейства нейротрофинов, который экспрессируется в нескольких органах, включая мозг, и регулирует пролиферацию, диффе-ренцировку и выживание нейронов. Экспрессия и секреция BDNF и NT-3 тесно связаны с развитием синапсов и их пластичностью [43]. В лабораторных исследованиях воздействия марганца на развитие нервной системы у крыс и мышей установлено увеличение концентрации марганца в головном мозге, что связывают с усилением аберрации в нейрогенезе гиппокампа [27]. Обнаружено, что воздействие марганца на родительскую линию мышей влияет на нейрогенез последующего поколения даже после прекращения воздействия нейротропного вещества. Наблюдался устойчивый рост популяции незрелых ГАМК-эргических интернейронов, синтезирующих рилин (гликопротеин внеклеточного матрикса), играющий ключевую роль в миграции и позиционировании нейронов во время развития мозга [27]. В настоящее время привлекает внимание достаточно широкий спектр химических веществ (бензол, ксилолы, марганец, алюминий, медь, никель), обладающих нейротоксическим действием на центральную нервную систему. Механизм действия большинства нейротропных химических веществ может реализоваться через нарушение процессов нейрогенеза, проведение нервного импульса, синаптическую дисфункцию, нейровоспаление и гибель нейронов. Накопленный объем данных о механизмах нейро-токсического действия химических веществ требует в дальнейшем систематизации и переработки информации о биомаркерах нейротоксических эффектов. Актуальным является поиск и инвентаризация нейро-специфических белков, так называемых омик-марке-ров, организма. Исследование их структуры, функций и выявление белковых взаимодействий позволяют судить о развитии предпатологических состояний до наступления масштабных функциональных изменений и развития болезни, возникших в результате неблагоприятного воздействия нейротропных химических веществ. Установленные омик-маркеры представляют собой принципиально новые молекулярные биологические маркеры, использование которых является перспективным и может привести к разработке инновационных методов ранней диагностики заболеваний нервной системы, ассоциированных с воздействием нейротропных химических соединений, своевременному выявлению «групп риска», под 50 верженных воздействию нейротропных химических факторов и повышению эффективности профилактических мероприятий. Однако основной проблемой при оценке воздействия нейротропных химических соединений на звенья патологических процессов становления нейротокси-ческих эффектов является трудность в обосновании, что выявленные эффекты ассоциированы именно с воздействием экзогенных химических факторов. Это указывает на необходимость дальнейшего изучения данного вопроса. Возможным выходом из сложившейся ситуации является комплексный подход к количественной оценке степени ассоциированности развития ней-ротоксического эффекта с длительной экспозицией химического соединения, обладающего нейротроп-ным действием [5]. При этом необходимо учитывать количественное содержание химического вещества в биосреде, использовать весь комплекс установленных биомаркеров без исключения, моделировать зависимости вероятности отклонения биомаркера относительно физиологической нормы от концентрации исследуемого нейротропного вещества.

About the authors

N. V. Zaitseva

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies

Email: zem@fcrisk.ru
Perm

M. A. Zemlianova

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies; Perm State National Research University; Perm National Research Polytechnic University

Email: zem@fcrisk.ru

доктор медицинских наук, зав. отделом биохимических и цитогенетических методов диагностики

Perm

Yu. V Koldibekova

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies

Email: zem@fcrisk.ru
Perm

E. V. Peskova

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies

Author for correspondence.
Email: zem@fcrisk.ru
Perm

References

Supplementary files