Kontakt:jerry.he@wecistanche.com

Cistanche lahko pomaga pri nevroprotekciji

Sara Marmolejo-Martinez-Artesero 1, Caty Casas 1,† in David Romeo-Guitart1,2,*

1 Oddelek za celično biologijo, fiziologijo in imunologijo, Institut de Neurosciences (INc),

Universitat Autonoma de Barcelona (UAB), Bellaterra, 08193 Barcelona, ​​Španija; Sara.Marmolejo@uab.cat

2 Laboratorij "Hormonska regulacija razvoja in funkcij možganov"—Ekipa 8, Institut Necker Enfants-Malades (INEM), INSERM U1151, Université Paris Descartes, Sorbonne Paris Cité,

75015 Pariz, Francija

* Korespondenca: david.romeo-guitart@inserm.fr; Tel.: plus 33-01-40-61-53-57 † Umrl 29. junija 2020.

Povzetek: Postmitotične celice morajo tako kot nevroni preživeti vse življenje. Iz tega razloga so se organizmi/celice razvili z mehanizmi samopopravljanja, ki jim omogočajo dolgo življenje. Delovni tok odkrivanja nevroprotektorjev v zadnjih letih se je osredotočil na blokiranje patofizioloških mehanizmov, ki vodijo do izgube nevronov pri nevrodegeneraciji. Na žalost je le nekaj strategij iz teh študij uspelo upočasniti ali preprečiti nevrodegeneracijo. Obstajajo prepričljivi dokazi, ki dokazujejo, da lahko podpiranje mehanizmov samozdravljenja, ki jih imajo organizmi/celice endogeno, običajno imenovanih celična odpornost, oboroži nevrone in spodbuja njihovo samozdravljenje. Čeprav krepitvi teh mehanizmov še ni bilo posvečeno dovolj pozornosti, te poti odpirajo nove terapevtske poti za preprečevanje smrti nevronov in izboljšanje nevrodegeneracije. Tukaj izpostavljamo glavne endogene mehanizme zaščite in opisujemo njihovo vlogo pri spodbujanju preživetja nevronov med nevrodegeneracijo.

Ključne besede: avtofagija; celična odpornost; endogeni mehanizmi; nevroprotekcija; nevronsko preživetje; razvit proteinski odziv

1. Nevrodegenerativni procesi

Z daljšanjem pričakovane življenjske dobe v razvitih državah se bo verjetno povečala pogostost nevrodegenerativnih bolezni, kot so Alzheimerjeva bolezen (AD), Parkinsonova bolezen (PD) ali Huntingtonova bolezen (HD), ali s starostjo povezano upadanje delovanja našega živčnega sistema. Čeprav obstaja več vrst dokazov, ki kažejo, da imajo te patologije nevronske, astroglialne in mikroglialne komponente, je upad vsakodnevnih funkcij posledica progresivne izgube nevronov. Nevroni so zaradi nizkega prometa postmitotske celice, ki morajo živeti vse življenje. Zaradi tega potrebujejo močan intrinzični zaščitni mehanizem za spopadanje z zunanjimi in notranjimi žalitvami, ki bodo povzročile njihovo smrt. Te zunanje/notranje nevarnosti so travmatične poškodbe ali ekscitotoksične spojine, reaktivne kisikove spojine (ROS), beljakovinski agregati in druge strupene molekule. Na srečo imajo celice notranji mehanizem, ki blokira smrt z aktiviranjem mehanizmov odpornosti ali spodbujanjem regeneracijskih poti. Medtem ko imajo mladi nevroni pravilno delovanje teh zaščitnih mehanizmov za samozdravljenje, jih staranje moti, zaradi česar so nevroni nezaščiteni. V isti smeri je bila disfunkcionalnost teh mehanizmov samozdravljenja opisana tudi pri nevrodegenerativnih boleznih.

V zadnjih desetletjih je bilo ogromno truda vloženega v pridobivanje novih in učinkovitih nevroprotektivnih terapij. Namenjene pa so usmerjenosti v patofiziološke mehanizme, kar se na koncu spremeni v pospešitev odmiranja nevronov. Zakaj torej ne bi okrepili mehanizmov, ki jih imajo nevroni naravno, da bi dosegli učinkovit nevroprotektivni pristop?

To zaščitno mrežo poganja navzkrižni presluh različnih celičnih procesov (tj. razvitega proteinskega odziva (UPR), avtofagije itd.), vendar se združijo v isti proces: omogočajo celici, da se prilagodi stresu in preživi [1–3]. . Pred kratkim smo preučili novo utemeljitev za odkrivanje nevroprotektorjev: razvozlati, katere molekularne mehanizme vključijo nevroni po dveh različnih živčnih poškodbah z nasprotnimi fenotipi, preživetje ali smrt, ki imata podobnosti z zdravjem in nevrodegeneracijo/staranjem. Da bi to naredili, smo uporabili dva modela poškodbe perifernega živca na osnovi in ​​vivo, ki posnemata funkcionalnost ali disfunkcionalnost endogenih mehanizmov zaščite. Izzovejo smrt motonevrona (MN) (avulzija korenine (RA)) ali preživetje (distalna aksotomija (DA)), odvisno od razdalje med somo in poškodbo [2]. S pomočjo teh modelov in z uporabo pristopa, ki temelji na sistemski biologiji, smo potrdili, da je smrt MN po RA podobna izgubi nevronov, opaženi pri nevrodegenerativnih boleznih, opisali pa smo tudi, katere mehanizme uporabljajo MN za preživetje po poškodbi živca. [2]. Degenerativni procesi so apoptoza, nekroza, anoikis, stres endoplazmatskega retikuluma (ER), nukleolarni stres, citoskeletne preureditve in mitohondrijska disfunkcija, gonila preživetja pa so: pravilen UPR, odziv na toplotni šok, avtofagna pot, ubikvitin- proteasomskega sistema, sistemov spremljevalcev, razgradnih strojev, povezanih z ER, in antioksidativne obrambe (tabela 1). Zanimivo je, da so bili vsi ti mehanizmi ločeno opisani že pred leti in imenovani poškodbe pred kondicioniranjem (glej spodaj).

Tabela 1. Povzetek beljakovin, vključenih v vsak endogeni mehanizemnevroprotekcija, vključno z molekularnim mehanizmom, s katerim so posredovani njihovi učinki.

Dokazali smo, da krepitev teh endogenih mehanizmov nevroprotekcije s farmakološkim zdravljenjem omogoča preživetje MN v različnih pro-smrtnih scenarijih, ki segajo od različnih vrst do različnih stopenj razvoja [23,54,55].

2. Prvi dokaz endogenih mehanizmov: predkondicioniranje

Fenotipski učinki endogenih mehanizmov zaščite so bili opisani pred 40 leti. Leta 1986 Murry et al. je opisal, da subletalni fiziološki stres, znan tudi kot predkondicionirana poškodba, izboljša okrevanje tkiva v srcu [56]. Od tu so te mehanizme zdravljenja opazili tudi v možganih in hrbtenjači (SC) [57]. Na primer, te celične odzive opazimo po poškodbi živca ali med regeneracijo srca, kjer proizvodnja ROS oziroma zunajceličnih veziklov poganja funkcionalno okrevanje [58–60]. Presenetljivo je, da predkondicioniranje določenega organa ščiti druge pred poškodbami [61]. Za te učinke je odgovornih več specifičnih efektorjev. Po predkondicioniranju poškodbe bo proizvodnja različnih mediatorjev (dušikov oksid ali ROS) aktivirala signalne poti fosfatidilinozitol 3-kinazo (PI3K)/protein kinazo B (AKT), protein kinazo C (PKC) in druge signalne poti, ki bo moduliral transkripcijske faktorje, kot je s hipoksijo inducibilen faktor 1-alfa (Hif1-) ali NF-kB. To bo povzročilo proizvodnjo sintaz dušikovega oksida (iNOS), proteinov toplotnega šoka (HSP) in ciklooksigenaze-2 (COX-2), ki so opisani kot "končni efektorji", in bodo spodbujali zaščitni učinek znotraj tkiva pred prihodnjimi poškodbami [61]. Te študije skupaj kažejo, da imajo organizmi/celice endogene zaščitne mehanizme in da je njihovo spodbujanje lahko učinkovita terapevtska strategija.

3. Endogeni mehanizmi nevroprotekcije

3.1. Natančna nastavitev avtofagije

Nevroni potrebujejo neprekinjeno recikliranje znotrajceličnih materialov za vzdrževanje homeostaze. Makro-avtofagija, v nadaljevanju imenovana avtofagija, je zelo usklajena molekularna mreža v evkariontskih celicah, ki si prizadeva za recikliranje citoplazemske vsebine z lizosomsko razgradnjo. Čeprav so ta mehanizem razgradnje sprva opazili le pri stradanju, so nedavne študije pokazale, da imajo celice bazalno raven avtofagije za uravnavanje homeostaze beljakovin. Te bazalne ravni so bistvene za vzdrževanje aksonov in preživetje nevronov v normalnih pogojih [62,63]. Funkcionalni avtofagni tok je proces, ki ga močno koordinirajo različni geni, kinaze in drugi regulativni proteini, povezani z avtofagijo (ATG). Vsi sodelujejo pri orkestriranju pravilne iniciacije, nukleacije, raztezanja, zapiranja in zlitja avtofagosomov z lizosomi za zmanjšanje citosolne obremenitve [64]. Med staranjem v hipokampusu opazimo zmanjšan pretok avtofagije, medtem ko ponovna vzpostavitev njenih ravni olajša nastanek novih spominov [65]. Oslabljena ali disfunkcionalna avtofagija v nevronih je povezana z nevrodegeneracijo, medtem ko aktivacija avtofagije povzročinevroprotekcija[5,54]. Pri amiotrofični lateralni sklerozi (ALS) so opazili spremembe v beljakovinah, povezanih z začetno in elongacijsko fazo [66, 67], in induktorji avtofagije, kot je rapamicin,nevroprotekcijapo cerebralni ishemiji, travmatski možganski poškodbi (TBI) in AD [68–70]. Nevronsko specifičen knockout (KO) ATG5 ali ATG7 povzroči nevrodegeneracijo, kopičenje citoplazemskih inkluzijskih teles in smrt nevronov [62,71], medtem ko je njihova čezmerna ekspresija koristna v modelu PD [4]. Končno, p62, ki upravlja naboj v avtofagosomu in ima ključno vlogo v poznih fazah tvorbe avtofagosoma, je nevroprotektiven v modelih muh, za katere so značilni beljakovinski agregati, kar je znak nevrodegenerativnih bolezni [6].

Več študij je pokazalo kopičenje avtofagosomov in avtolizosomov med nevrodegeneracijo, kar kaže na to, da je avtofagija prekomerno aktivirana in lahko sproži nevronsko smrt. Nenormalno kopičenje avtofagnih procesov v citoplazmi je lahko posledica lizosomske disfunkcije in ne prekomerno aktivirane avtofagije [72]. Avtofagija se pravilno začne po TBI, vendar se avtofagosomi ne odstranijo zaradi lizosomske disfunkcije, kar vodi do nerazrešene avtofagije, ki spodbuja nevronsko smrt [73]. Te nefunkcionalne lizosomske poti so vidne tudi po poškodbi hrbtenjače (SCI), kar ovira funkcionalno okrevanje [74]. Podobna blokada očistka avtofagosomov je opisana tudi pri nevrodegenerativnih boleznih (tj. človeških možganih AD) [75]. Integracija vseh teh dokazov kaže, da lahko izboljšanje ločljivosti avtofagije prinese zaščito. Platt je nedavno izpostavil terapevtsko pot izboljšanja delovanja lizosomskih proteinov za preprečevanje nevrodegeneracije [76]. Prekomerna ekspresija transkripcijskega faktorja EB (TFEB), ki modulira transkripcijsko mrežo, ki je bistvenega pomena za biogenezo in delovanje lizosomov, je spodbudila nevroprotektivne učinke pri podganjem modelu PD [7] in modelu AD pri miših [8].

Indukcija avtofagije ni tako dobra, kot bi si želeli. Čeprav gre za kanoničen zaščitni mehanizem, lahko njegova mehanizacija ali prekomerna aktivacija olajša celično smrt [77,78]. Zaviranje avtofagije po izpostavljenosti človeškim prionom zmanjša poškodbe nevronov, kar kaže, da indukcija avtofagije povzroči tudi smrt [79], zmanjšana iniciacija avtofagije pa spodbuja funkcionalno okrevanje po hemisekciji SC, preprečuje apoptozo in zmanjša piramidno smrt po ishemiji pri novorojenčku. in odrasle miši [80–82]. Če se osredotočimo na aksotomirane nevrone, je blokiranje avtofagije nevroprotektivno za rubrospinalne [80], medtem ko povečanje ravni ATG5 ščiti spinalne MN [5]. Poleg tega je sporno dejstvo, da rakave celice, zdravljene s kemoterapijo, aktivirajo avtofagijo, da premagajo z zdravljenjem povzročeno apoptotično smrt, medtem ko avtofagija, odvisna od MN, zavira apoptozo [54]. Poleg tega ATG sprožijo tudi smrt nevronov. ATG5 izgubi svoje pro-avtofagične zmožnosti, ko se cepi, in svojo aktivnost premakne v smeri indukcije celične smrti [83–85]. Beclin1 ima anti-apoptotične učinke v normalnih pogojih, vendar njegova cepitev na C-koncu senzibilizira celice za apoptotične signale [9]. Zato obstaja med obema celičnima procesoma preslušavanje in celice ju lahko preusmerijo, da povečajo svoje možnosti preživetja in se spopadejo z žalitvijo [83].

Torej, kaj je pomembno zanevroprotekcija? Spodbujanje ali blokiranje avtofagije? Natančna nastavitev je odgovor [86]. Indukcija fino nastavljene avtofagije prinaša koristne učinke z: (i) odstranitvijo nefunkcionalnih proteinov/organelov, (ii) omogočanjem celici, da se ponovno prilagodi novim razmeram, in (iii) zmanjšanjem škodljivih učinkov, kot so vnetje ali apoptotični induktorji [ 87,88], ki posredujejo propad nevronov. Vendar pa je treba to avtofagijo aktivirati v zelo specifičnem časovnem oknu, pri čemer se je treba izogniti pretirani razgradnji, ki izzove celično smrt.

Nazadnje ima avtofagija tudi nekanonične/degradativne funkcije, kot so modulacija vnetnega odziva, tvorba novih spominov [65], vzdrževanje sinaptične homeostaze [89] in transport tovora znotraj celice [ 90]. Torej bo popolna blokada povzročila nepopravljivo poškodbo živčnega sistema in/ali nevronov.

Cistanche lahko pomaga pri nevroprotekciji

3.2. Spopadanje s seksi delom odziva na razvite beljakovine

Nevroni so izjemno občutljivi na napačno zvite beljakovine in agregate. ER je odgovoren za celično proteostazo, ki je sinteza, zlaganje in razvrščanje beljakovin. Kakršna koli sprememba v njegovi ustreznosti bo vodila do kopičenja napačno zvitih beljakovin, kar bo povzročilo ER stres in aktiviralo ER-preobremenitveni odziv (ERO), poti razgradnje, povezane z ER (ERAD), ali UPR, ki je zelo ohranjen celični odziv. Spremembe v porazdelitvi in ​​morfologiji ER in UPR so opazili pri nevrodegenerativnih boleznih [91–93] in ko je nevron izoliran po poškodbi živca [16,94]. Vezavni imunoglobulinski protein (BIP), znan tudi kot GRP78, je spremljevalec ER, ki je glavni senzor UPR. V neaktivnem stanju ostane BIP vezan na tri ma-

jor efektorji UPR: RNA-aktivirana protein kinazi podobna ER kinaza (PERK), ki inducira homologni protein C/EBP (CHOP), protein -1 alfa (IRE1), ki zahteva inozitol, ki spaja vezavni protein X-box 1 (Xbp1) mRNA in aktivirajoči transkripcijski faktor -6 alfa (ATF6) [95,96]. Ko BIP zazna napačno zvite proteine, se ti pretvorniki aktivirajo in poganjajo spremembe v genskem izražanju specifičnih proteinov (tj. spremljevalcev, transkripcijskih faktorjev) s ciljem povečati sposobnost celice za pravilno zvijanje proteinov z moduliranjem genskega izražanja, s čimer se izboljša očistek napačno zvitih proteinov. očistek beljakovin ali zaviranje sinteze beljakovin, kar omogoča celici, da se prilagodi stresu in preživi [97]. Kot dokaz koncepta, čezmerna ekspresija BIP v dopaminskih nevronih poveča njihovo preživetje, medtem ko njena znižana regulacija povzroči smrt nigralnih dopaminskih nevronov [10]. Poleg tega BIP plus / - miši kažejo pospešeno širjenje prionske patogeneze [98]. Na splošno ima lahko modulacija UPR zaščitne učinke na nevrodegeneracijo [94], kot je nedavno pregledala naša skupina [99]. Aktivacija UPR je zgodnji dogodek pri nevrodegenerativnih boleznih in njena natančna modulacija ima ugodne učinke na napredovanje patologije [100,101]. Čeprav lahko UPR deluje kot endogeni mehanizem zaščite celic, njegova (pre)aktivacija spodbuja apoptozo [102] (tj. os PERK ima pro- ali anti-apoptotične sposobnosti [91]). Poleg tega nedavni dokazi kažejo, da bodo različne motnje ER različno aktivirale 3 veje UPR, kar kaže, da njihova usklajena soaktivacija ni vedno prisotna.

Zato ima celica poseben program, da se odzove na določeno žalitev. Na primer, blokada CHOP ali čezmerna ekspresija Xbp1 povečata preživetje nevrona po poškodbi živca, kar kaže, da ima vsaka veja različne vloge pri smrti nevrona [16].

Zgodnja aktivacija PERK po možganski poškodbi delujenevroprotekcija, medtem ko trajno signaliziranje po tej poti poslabša izgubo celic [11]. Prekomerna ekspresija ali farmakološka aktivacija PERK zmanjša patologijo Tau [12], medtem ko preprečevanje njegove trajne aktivacije zmanjša nevronsko smrt [13] in izboljša s starostjo povezano upadanje spomina [14]. Inhibicija PERK v astrocitih zadrži izgubo nevronov v modelu prionske bolezni in vivo. Zanimivo je, da aktivacija PERK v astrocitih moti sekretom, spreminja njegovo sinaptogeno funkcijo in povzroča sinaptično izgubo [15]. Isti avtorji so opisali, da je glavni

spodnji mehanizmi, ki sodelujejo pri tem škodljivem učinku PERK, so adhezijske poti zunajceličnega matriksa in celice, ki zamrežijo UPR z anoikisom (glejte spodaj, razdelek 3.4). Ravni aktivirajočega transkripcijskega faktorja 5 (ATF5) so neposredno odvisne od aktivacije PERK/evkariontskega translacijskega iniciacijskega faktorja 2a (eIF2a). ATF5 je bil neposredno povezan s tistimi nevroni, ki so bolj odporni na smrt pri človeški epilepsiji [26]. Vendar kasnejše posledice teh učinkov niso tako jasne. ATF5 inducira izražanje dveh anti-apoptotičnih efektorjev (glejte spodaj), B-celičnega limfoma 2 (Bcl-2) in induciranega proteina diferenciacije celic mieloične levkemije (Mcl-1) [103], ki bo zaviral apoptoza. ATF5 prav tako modulira mehanično tarčo rapamicina (mTOR) v ne-nevronskih tkivih, ki je glavni modulator avtofagije, ki povezuje UPR in avtofagijo.

Aktivacija IRE1 izboljša odpoved jeter [17], njegov nadaljnji efektor Xpb1 pa spodbuja zaščito srca [18],nevroprotekcijapri AD, pri PD in po možganski kapi [19–21]. Presenetljivo je, da je študija o diabetični in z ishemijo povzročeni retinopatiji pokazala, da zaščitne učinke UPR posreduje Xbp1 [22]. Kljub temu bo kronična aktivacija veje IRE1 povzročila fosforilacijo faktorja 2 (TRAF2), povezanega z receptorjem faktorja tumorske nekroze-a (TNF-), kar na različne načine sproži apoptotično celično smrt [104–106]. Ektopična prekomerna ekspresija Ire1 bo povzročila od avtofagije odvisno nevronsko smrt v modelu PD Drosophila [107]. Zato lahko prilagojena modulacija IRE1 -Xbp1 med določenim oknom zagotovi zaščito [108].

Nedavno smo opisali, da farmakološko zdravljenje NeuroHeal ali prekomerna ekspresija sirtuina1 (SIRT1) inducira preživetje MN po poškodbi živca in poveča prisotnost razcepljenega ATF6, medtem ko zmanjša fosforilacijo IRE1 [23]. Farmakološka aktivacija ATF6 inducira zaščito pri različnih modelih ishemije z aktiviranjem proteostaze [24], blokada tega transkripcijskega faktorja pa ima škodljive učinke. Podrobneje ATF6 modulira izražanje proteinov, povezanih z odzivom antioksidantov, in modulira hormezo ROS [109]. Prisilno izražanje ATF6 izboljša funkcionalni izid po možganski kapi in avtorji kažejo, da je ta učinek lahko posredovan z indukcijo avtofagije [25].

Torej, kaj je terapevtsko zanimivo, aktiviranje ali oslabitev UPR? Ključna točka je aktiviranje posebnih vej UPR. Natančna aktivacija UPR lahko spodbudi zaščitne učinke tako, da pomaga celici obnoviti proteostazo. Kljub temu je treba ta koncept jemati previdno, ker če stres traja in se proteostaza ne obnovi, UPR sproži nevronsko apoptozo, ki jo posreduje veja PERK ali IRE1 [110]. Poleg tega je UPR povezan tudi z avtofagijo in obratno. BIP posreduje pri avtofagnem odzivu in spodbuja preživetje nevronov [111]. Nazadnje, 3 veje UPR modulirajo transkripcijo ATG [112], kar kaže na zapleteno povezavo med obema celičnima procesoma.

3.3. Apoptoza "ne danes".

Apoptoza je od kaspaze odvisna programirana celična smrt (PCD), ki ohranja celovitost celične plazemske membrane in organelov [113]. Njegova disregulacija je vzrok številnih vrst raka, nevrodegenerativnih ali vnetnih bolezni. Smrt, ki jo povzročajo kaspaze, je zelo nadzorovan proces, ki potrebuje usklajeno aktiviranje več igralcev, da povzroči končno celično smrt [114]. Znake smrti, podobne apoptozi, najdemo v mišjih modelih amiotrofične lateralne skleroze (ALS), AD ali PD, čeprav ni jasno, ali je končni izvajalec propada nevronov [115]. Med evolucijo so celice razvile več mehanizmov za preprečevanje njihove smrti, ko je nepotrebno, ali za preprečevanje prezgodnje PCD. Celice sprožijo učinkovito apoptotično smrt šele, ko jih ravnovesje med pro- ali anti-apoptoznimi stroji potiska proti smrti. Na podlagi naših modelov in vivo smo opazili, da RA inducira apoptotične poti, pa tudi anti-apoptotične poti, njihovo ravnovesje pa vodi do alternativne in neznane smrti, ki ni klasična apoptoza [2]. Zadnje objave na tem področju kažejo, da kaspaze delujejo tudi tako, da preoblikujejo živčni sistem, ne da bi spodbujale celično smrt [116], njihova aktivnost pa je odvisna od njihove podcelične lege. Zato imajo lahko aktivne oblike kaspaz, ki jih najdemo v nevrodegenerativnih tkivih, vlogo, ki ni povezana s smrtjo, končna smrt nevronov pa je preko drugih usodnih mehanizmov.

Apoptozo lahko ovirajo anti-apoptotične poti, ki jih poganjajo tri družine beljakovin: proteini, ki zavirajo FLICE, Bcl-2, in zaviralci proteinov apoptoze (IAP). IAP delujejonevroprotekcijav modelu ishemije [27] ali se izognili smrti MN po poškodbi živca v neonatalnem obdobju [28]. Predlaga se, da so IAP odgovorni za blokado smrti nevronov po aksotomiji v odrasli dobi [29]. V isti smeri je bila opisana posttranslacijska modifikacija X-linked-IAP (XIAP), ki blokira njegovo delovanje proti kaspazi 3, ki prispeva k patogenezi PD [117].

Ishemično predkondicioniranje, ki delno zmanjša škodljive učinke ishemije, deluje prek IAP in omogoča celicam preživetje po aktivaciji kaskade kaspaze [30]. IAP posredujejo tudi pri učinku nevrotrofnega faktorja, pridobljenega iz glialnih celic (GDNF), ki spodbuja preživetje, na MN po neonatalni aksotomiji [28]. Druge molekularne poti, ki preprečijo celično smrt z moduliranjem proapoptotičnih proteinov, so zunajcelične signalno regulirane kinaze (ERK) in AKT. V tem smislu je bila pot AKT opisana kot igralec za preživetje z blokiranjem apoptoze [31]. AKT zavira induktor apoptoze p53 s pospeševanjem njegove razgradnje in zato blokira njegove pro-apoptotične sposobnosti [32–34]. V nasprotnem primeru lahko kaspaze zavirajo AKT z njegovo cepitvijo, kar kaže na natančno nastavljeno modulacijo celičnega preživetja in smrti [118]. Po drugi strani pa aktivnost AKT fosforilira transkripcijske faktorje Forkhead box protein O (FOXO). Povezani so z apoptozo [119] in njihova modifikacija povzroči povečano preživetje celic [35]. Fosforilacija FOXO, ki je odvisna od AKT, se izogne ​​njegovemu vstopu v jedro, s čimer prepreči indukcijo proapoptotičnih genov, kot je Bcl-2- medsebojno delujoči mediator celične smrti (BIM) ali Bcl-2, ki medsebojno deluje na devetnajst kilodaltonov protein 3 (Bnip3) [119–121]. Po drugi strani pa posttransdukcijske modifikacije FOXO natančno prilagodijo njihovo transkripcijsko mrežo znotraj celice in jo premaknejo k indukciji avtofagije namesto k apoptozi [54,121–123]. Zato je specifična modulacija družine FOXO nova pot za spodbujanje preživetja nevronov z zaviranjem apoptoze [54,124].

Nazadnje, nevronska aktivnost je tudi promotor anti-apoptoze z NMDA-odvisnimi anti-apoptotičnimi geni' upregulacijo [125,126]. Nekateri od teh reguliranih genov omogočajo mitohondrijem, da postanejo bolj odporni na stres [126], kar celici pomaga preživeti žalitev.

3.4. Ponovno pritrjevanje s strani Anti-Anoikis

Interakcija med celico in zunajceličnim matriksom (ECM) je bistvena za njegovo pravilno funkcionalno integracijo v tkivo. Ko se ta presluh prepreči, celica umre zaradi PCD, imenovane anoikis, ki si deli poti z apoptozo. Zanimivo je, da okvara intrinzičnih programov anoikisa povzroči tumorskim celicam malignost, kar jim daje dovolj celične odpornosti, da pobegnejo in se ponovno pritrdijo na druga tkiva, ne da bi umrle [127,128]. Glavni efektorji teh interakcij so integrinski proteini, ki nastanejo s kombinacijo podenot in . Ta kombinacija bo določila specifičnost liganda in znotrajcelično signalizacijo. Signali ECM se do nevronov prenašajo prek integrinov, ki so bistveni za celično obliko, preživetje, gibljivost, proliferacijo, razvoj, povezljivost nevronov in sinaptično plastičnost [129]. Integrini so pomembni tudi za znotrajcelično signalizacijo rastnih faktorjev [130], ki so dobro znani modulatorji preživetja nevronov z blokiranjem mehanizmov za smrt. 1 podenota integrina je bistvena za interakcijo med celico in ECM, njena blokada pa zadošča za sprožitev anoikisa [36] in nevronske apoptoze [131]. Poleg tega je znotrajcelično signaliziranje te podenote povezano s preživetjem ganglijskih celic mrežnice [132], njihove okvare pa so prisotne pri nevrodegenerativnih motnjah [133].

Kljub temu so celice razvile podprograme proti anoikisu za preprečevanje smrti, ki jih sprožijo tirozin kinaze, majhne GTPaze [128], NF-kB [134], PI3K/AKT, protoonkogena tirozin-protein kinaza (Src) ali osi ERK in z avtofagijo [135,136]. NF-kB modulira anti-anoikis s sprožitvijo anti-apoptotičnih proteinov, kot sta Bcl-2 in IAP- 1 [135], medtem ko je vloga PI3K/AKT pri preživetju celic obsežno dokumentirana in prispeva k preživetju diferenciranih celic [36,37]. Ločitev ECM povzroči tudi avtofagijo, ki je samozaščitni mehanizem, ki vodi do obvodne apoptoze [135]. Ti dokazi ponovno kažejo na zapleteno mrežo med samozaščitnimi mehanizmi.

Anoikis je prisoten tudi pri nevronski smrti po TBI zaradi povečanja matrične metaloproteinaze (MMP), ki uničuje proteine ​​ECM [137]. Izražanje in nivoji MMP so spremenjeni po nevrotravmi in imajo različne vloge pri degeneraciji aksonov, tvorbi glialnih brazgotin in sinaptičnem preoblikovanju. Kar zadeva preživetje nevronov, ima inhibicija MMP9 zaščitne učinke pri cerebralni ishemiji z zmanjšanjem razgradnje laminina [38]. MMP so vpleteni tudi v nevrodegeneracijo [138]. Nedavne študije so opisale, da ima inhibicija MMP9 zaščitne učinke v motorični enoti iz modela ALS miši [39,40] in v modelih AD [41]. Zato bo zdravljenje za zaviranje specifičnih MMP posredno vzdrževalo program proti anoikisu znotraj nevronov, kar bo olajšalo njegovo preživetje.

3.5. Citoskelet in motorni transporterji

Nevronski citoskelet je sestavljen iz treh različnih strukturnih kompleksov: mikrotubulov (MT), intermediarnih filamentov (IF) in aktinskih mikrofilamentov. Imajo različne celične funkcije: MT uravnava dinamiko nevrita in dendrita [139], aktin je odgovoren za celično morfologijo [140], IF pa poganja mehansko in stabilnost strukture citoskeleta [141]. Okvare v strukturnih kompleksih so opažene pri nevrodegenerativnih boleznih, pri perifernih nevropatijah, pri sinaptični disfunkciji in vodijo do zrele izgube hrbtenice [141–146].

Dinamika MT je zelo nadzorovan proces in njegovo neravnovesje ima lahko uničujoče posledice za preživetje nevronov ali delovanje aksonov [142], medtem ko njegova stabilizacija blokira smrt nevronov [147] in pospeši rast aksonov v centralnem živčnem sistemu [148]. Natančneje, citoskeletne strukture so železnice, medtem ko so kinezin in dinein motorni proteini vlaki, ki prenašajo tovor z anterogradnim oziroma retrogradnim transportom. Zato so motorični kompleksi bistveni tudi za preživetje nevronov. Družino kinezinov tvorijo člani kinezin-1 (zgodovinsko imenovan KIF5c) in kinezin-3 (KIF1A, KIF1B in KIF1B) [149]. KIF5c je obogaten z MN [150], njegova genetska ablacija pa je povezana z boleznimi MN in paralizo [149,151]. Pred kratkim so ga nakazali na patogenezo ALS [152]. Oslabitev njegove interakcije z MT vodi do degeneracije aksonov in posledične smrti nevronov [153]. Motnje KIF5c vodijo do motenj mitohondrijske dinamike, kar povzroči preživetje ali smrt nevronov, odvisno od dražljajev. Poleg tega KIF5c natančno uravnava delovanje mitohondrijev in se spreminja v celično zdravje (glejte spodaj, razdelek 3.6) [42], njegova modulacija pa lahko spodbujanevroprotekcija. Proteinski agregati, kot je amiloid-, imajo škodljiv učinek na stabilnost KIF5a, kar vodi v oslabljeno gibanje mitohondrijev in dobro delovanje [154].

Delujejo tudi retrogradni proteininevroprotekcija. So dynein in so multiproteinski kompleksi, ki jih tvorijo različni proteini, pri čemer je p150glue (dynactin1/DCNT1) najbolj razširjena podenota. Disfunkcionalna dinaktinska podenota 1 (DCTN1) je bila uporabljena kot mišji model ALS in njena mutacija povzroči okvarjen aksonski transport, ki vodi do ALS podobnega fenotipa pri miših [155,156]. Miši KO kažejo od starosti odvisno smrt MN, ki jo spremlja blokada avtofagije [157]. DCTN1 ima jasno vlogo pri transportu avtofagičnih vakuol znotraj nevronskega telesa in njegova motnja povzroči kopičenje amfizomov v distalnih aksonih, kar vodi do fenotipa, podobnega AD [158]. Lizosomski protein, ki interagira z dineinom (RILP), ima ključno vlogo pri avtofagosomski biogenezi, transportu in njegova inhibicija povzroči kopičenje avtofagnih procesov [44]. Skupaj je bilo ugotovljeno, da disfunkcija MT skupaj z aberantno lokalizacijo kinezina in dineina vodi do lizosomske disfunkcije, ki izzove kopičenje avtofagosomov in presinaptično distrofijo pri AD [159]. Prekomerna ekspresija DCTN1 v osteoklastu preprečuje apoptotično smrt, kar nakazuje, da imajo motorični proteini tudi vlogo pri preprečevanju celične smrti v drugih tipih celic in tkivih [43].

Če povzamemo, je zmanjšanje aksonskega transporta prisotno pri številnih nevrodegenerativnih boleznih in po poškodbi živčnega sistema. Ta napaka bo povzročila spremembe v strukturi MT in/ali molekularnih motorjih, potrebnih za aksonski transport [5]. Pravilen aksonski transport je ključnega pomena za normalno delovanje nevronov, okvare v tem procesu pa prispevajo k propadu nevronov. Spodbujanje transportnega mehanizma celice, bodisi s stabilizacijo citoskeleta ali zvišanjem ravni/aktivnosti motornih proteinov, se je izkazalo za nevroprotektivno s ponovno vzpostavitvijo pravilnega toka avtofagije znotraj nevrona [5].

3.6. Dobro delovanje mitohondrijev

Delovanje nevronov je odvisno od ravnovesja energije in kalcija (Ca2 plus), zato je delovanje mitohondrijev zanje ključnega pomena. Mitohondriji niso statični organeli. Spreminjajo obliko, velikost, število ali lokalizacijo znotraj celice in se lahko zlijejo ali delijo s cepitvijo, da se prilagodijo celičnemu povpraševanju. Proizvajajo energijo s ciklom trikarboksilne kisline (TCA) in oksidativno fosforilacijo (OXPHOS) prek transportne verige elektronov (ETC). Aktivacija OXPHOS bo vodila do ROS, ki ima širok spekter funkcij (diferenciacija, avtofagija, imunski odziv) na fizioloških ravneh [160] in regeneracijo aksonov [60]. Kljub temu so na nadfizioloških ravneh ROS škodljive, ker povzročajo poškodbe lipidov, DNA in beljakovin. Te spremembe so bile povezane z nevrodegenerativnimi boleznimi, SCI in TBI. Mitohondriji delujejo tudi kot osrednji regulator nevronskega preživetja s svojo vpletenostjo v poti, ki modulirajo nevronsko smrt.

Mitohondrije po celici prenašajo citoskelet, motorični proteini in ustrezni adapterji. V nevronih se v glavnem prenašajo na MT s pomočjo adapterjev Miro in Milton/transficking kinesin-binding protein 1 (TRAK) [161]. Ta gibanja mitohondrijev znotraj nevronov so bistvena za vzdrževanje optimalne kondicije v sinapsah, proizvodnjo energije, pufriranje Ca2 plus itd. [162]. Mitohondriji se pogosto nahajajo blizu ER in tvorijo z mitohondriji povezane ER membrane ali z mitohondriji povezane membrane (MAM). Te membranske mikrodomene so reverzibilne vezi, ki soregulirajo in vplivajo na različne celične procese, tj. sintezo/transport lipidov, Ca2 plus dinamiko/signalizacijo, avtofagijo, obliko in velikost mitohondrijev, apoptozo in presnovo energije [163]. MAM se spremenijo pri nevroloških motnjah, kot so AD, PD in ALS [164]. Mitohondriji delujejo kot središče ATG, oskrbujejo membrane za tvorbo avtofagosomov in modulirajo avtofagični tok [165]. Mitohondriji prav tako trpijo zaradi UPR(mt) in glede na aktivirano pot je bil povezan s podaljšano življenjsko dobo pri črvih in miših [166], vendar njegova prekomerna aktivacija povzroči nevrodegeneracijo [167].

Mitohondrijska disfunkcija nastane zaradi neustreznega števila mitohondrijev, nezmožnosti zagotavljanja potrebnih substratov zanje ali disfunkcije v njihovem transportu elektronov in strojih za sintezo ATP. Visoke ravni ROS in sorodnih reaktivnih vrst (RNS) je mogoče nevtralizirati z encimi dismutazo in antioksidanti [168]. Spremembe v teh encimih in nekaterih mitohondrijskih dihalnih kompleksih so opazili pri nevrodegenerativnih boleznih, kot sta ALS in PD [169]. Motnje v številu in delovanju mitohondrijev resno poslabšajo celično homeostazo in sprožijo nastanek bolezni. Zato si celice prizadevajo ohraniti dinamično ravnovesje med nasprotujočima si procesoma mitohondrijske biogeneze in očistka. Kopičenje disfunkcionalnih mitohondrijev in/ali izguba njihove biogeneze povzroči celično smrt. Nedavne terapevtske poti za preprečevanje nevrodegeneracije so namenjene povečanju mitohondrijske biogeneze z modulacijo NAD plus [170], epigenetskimi oznakami [171] ali modulacijo serotoninske osi v možganih [172]. Deluje tudi disfunkcionalno čiščenje mitohondrijev z mitofagijonevroprotekcija. Prekomerna ekspresija PTEN-inducirane kinaze 1 (PINK1), ki je bistvenega pomena za začetek procesa mitofagije, poveča preživetje nevronov v modelu HD pri mušicah [45]. Poleg tega dodatek NAD plus zmanjša nevrotoksičnost pri PINK1-mutantnem modelu PD [173].

Funkcija mitohondrijev je zamrežena z ROS in celičnim antioksidativnim odzivom. Na ta način transkripcijski faktor Jedrski faktor eritroidni faktor 2-povezan faktor 2 (Nrf2) uravnava izražanje citoprotektivnih in razstrupljevalnih genov za boj proti oksidativnemu stresu in nevrovnetju, s ciljem zmanjšati nevronske poškodbe. Zato je lahko učinkovita manipulacija za odložitev napredovanja bolezni pri nevrodegenerativnih boleznih [174–176]. Pod stimulacijo ROS se Nrf2 disociira od Kelchu podobnega proteina, povezanega z ECH (Keap1), s čimer uravnava izražanje antioksidativnih encimov [177]. Opisano je bilo, da Keap1 posreduje pri vseprisotnosti p62 [178]. Ko je Keap1 znižan, se p62 kopiči v celicah in povzroča citotoksičnost, medtem ko njegova čezmerna ekspresija spodbuja razgradnjo p62 po poti avtofagije. Po drugi strani pa p62 aktivira Nrf2 prek poti avtofagije, da tvori pot p62-Keap1-Nrf2-antioksidantno odzivnega elementa (ARE) in prepreči oksidativno škodo, ki jo povzroči ROS [179]. Poleg tega Nrf2 tvori regulacijske zanke, ki sodelujejo pri regulaciji mitohondrijske biogeneze. Nrf2 poveča izražanje peroksisomskega proliferatorja aktiviranega receptorja gama koaktivatorja 1-alfa (PGC-1) in jedrnega respiratornega faktorja (NRF1), ki sta neposredno vključena v regulacijo transkripcije mtDNA. Nazadnje, Nrf2 uravnava izražanje PINK1, ki ima ključno vlogo pri indukciji mitofagije [180], kar kaže, da antioksidativna zmogljivost celice vpliva tudi na stanje mitohondrijev.

Nevrodegenerativne bolezni so povezane tako z zaviranjem poti Nrf2 kot z disfunkcijo avtofagije, ki vodi do kopičenja ROS, starajočih se organelov in napačno zvitih proteinov [181,182]. Nevrodegenerativne bolezni so povezane z veliko beljakovinskimi agregati in ROS, ki inducirajo pozitivno povratno os p62-Keap1-Nrf2, ki je zaščitni mehanizem v nevronih [183,184]. Ekspresija Nrf2 je nizka v živalskih modelih AD in možganih bolnikov z AD [185]. Vezava Nrf2 na ARE se pojavi kmalu med napredovanjem bolezni, kar ustreza povečanju proizvodnje ROS [186]. Nrf2 nevrozaščiti z zmanjšanjem nastajanja ROS in toksičnosti, ki jo povzroča A-posredovana ROS [187,188]. Pri HD pride do disfunkcije mitohondrijskega kompleksa II, kar povzroči povečanje ROS [48]. V začetni fazi HD zdravljenje z agonistom Nrf2 vodi do povečanja vitalnih citoprotektivnih genov prek Keap1–Nrf2–ARE v astrocitih in mikrogliji [189]. Aktivacija poti Keap1–Nrf2–ARE z majhnimi molekulami v astrocitih pospeši odpornost nevronov na neekscitotoksično toksičnost glutamata [46–48]. Spremenjeno delovanje mitohondrijev, biogeneza in mitofagija so pomembne patološke značilnosti pri PD, Nrf2 pa je pomemben transkripcijski faktor, ki uravnava nadzor kakovosti mitohondrijev in homeostazo [190]. Pri PD pride do aktivacije sistema Nrf2–ARE [191,192] in njegova farmakološka aktivacija prepreči napredovanje PD [49,50]. Aktivacija Nrf2 igra zaščitno vlogo pred ROS in celično smrtjo, ki jo povzroča mutantni protein superoksid dismutaze 1 (SOD1). Poleg tega prekomerna ekspresija astrocitov Nrf2 poveča preživetje SC MN in podaljša življenjsko dobo pri transgenih miših SOD1 [51, 52]. Poleg tega lahko preslušavanje med p62 in potjo Keap1–Nrf2 v kontekstu avtofagije igra pomembno vlogo pri odstranjevanju ROS, preprečevanju oksidativne poškodbe in moduliranju ER stresa med cerebralno ishemijo-reperfuzijsko poškodbo [53].

Nazadnje mitohondriji poganjajo preživetje nevronov, ker zaznavajo notranje in zunanje iniciatorje smrti, sprožijo signalne kaskade, ki se združijo v mitohondrijih in se nato ponovno razidejo v eno ali več poti celične smrti, ki vodijo do drugačne vrste celične smrti (kot je intrinzična apoptoza). ) [193].

4. Usmerjanje na sistemsko modulacijo

4.1. Omejitev kalorij

Kalorična restrikcija (CR) podaljšuje življenjsko dobo v različnih organizmih in ima zaščitne učinke na več organov. CR vpliva na celoten organizem: od sistemskega okolja do različnih subceličnih populacij. Leta 2010 so Kromer in sodelavci predlagali, da so koristi CR odvisne od SIRT1-odvisne avtofagije [194]. Po drugi strani je bilo poudarjeno, da CR deluje nevroprotektivno pri PD bolezni prek osi grelin-AMPK, pri čemer je AMPK ključni induktor avtofagije [195]. Glede na očitno nezmožnost vzdrževanja dolgotrajnega CR, se je pojavilo terapevtsko zanimanje za odkrivanje novih "mimetikov" CR (CRM), ki posnemajo fiziološke učinke CR v organizmu [196]. Tako CR kot CR-mimetiki so dokazali učinkovitost na modelih AD podgan z izboljšanjem kognitivnih funkcij z indukcijo avtofagije [197], zato so nove terapevtske poti za zdravljenje nevrodegeneracije.

4.2. telovadba

Telesna vadba postaja vse bolj zanimiva zaradi svoje sposobnosti zmanjšanja patofizioloških stanj, kot je nevropatska bolečina, ali izboljšanja funkcionalnih izidov pri modelih možganske kapi [198]. Prav tako upočasni napredovanje PD z zaviranjem vnetne reakcije in izboljšanjem ravnovesja antioksidantov [199]. Opisano je, da vadba deluje tako, da poveča endogene ravni nevrotrofičnih dejavnikov [200,201]. Poleg tega modulira izločanje mišičnih hormonov, spodbuja zaščitne učinke v možganih, nevrogenezo in izboljšuje staranje možganov [202]. Pravzaprav je bilo nedavno opisano, da ima isti hormon, irisin, vlogo pri tvorbi kosti [203], kar kaže, da vadba vpliva na celotno telo.

5. Iskanje učinkovitega nevroprotektorja: kaj obstaja in kam gremo

Pogosti znaki nevrodegenerativnih bolezni so med drugim nepravilna aktivacija UPR, kopičenje avtofagnih procesov, okvara dobrega delovanja mitohondrijev. Skupaj bodo preplavili nevrone in izzvali njihovo propad. Učinkovit nevroprotektor mora popraviti te mehanizme tako, da okrepi celico s popolno odpornostjo na staranje/žalitve. Popolnoma moramo spremeniti molekularno mrežo znotraj celice in jo potisniti k popolni obnovi funkcij. Odobrena zdravila, kot je riluzol za ALS [204], ali klinična preskušanja, ki še potekajo, kot je rapamicin za ALS [204], spermidin in DH za AD [205,206], ciljajo samo na enega od teh degenerativnih procesov in nevron je preobremenjen z tisti drugi. Čeprav lahko prinesejo koristne učinke, predlagamo iskanje genetskega ali farmakološkega pristopa za podpiranje različnih molekularnih poti – večtarčne terapije – namesto samo ene tarče.

Specifična čezmerna ekspresija določenih proteinov, kot so SIRT1, BIP in/ali ATG5, olajša preživetje nevronov po poškodbi živca innevroprotekcijapri nevrodegenerativnih boleznih. V glavnem natančno prilagajajo omrežja UPR ali avtofagije. Aktivacija SIRT1 z uporabo transgenih miši ali virusnih vektorjev je pokazala zaščito pri različnih nevrodegenerativnih boleznih, kot so ALS, AD in HD [207–209], in tudi po poškodbi živcev [55]. Aktivnost deacetilaze SIRT1 podpira različne endogene mehanizme zaščite: avtofagijo, modulira UPR z oslabitvijo PERK in poveča cepitev ATF6 [23,210], ima anti-apoptotične učinke in modulira aktivnost AKT za zaviranje anoikisa [211,212]. Zato lahko njegova natančna modulacija poveča celično odpornost. Iz naše nedavne študije sklepamo, da je modulacija aktivnosti deacetilaze SIRT1 bistveno vozlišče za molekularno mrežo za doseganje celične odpornosti [54, 55]. Nazadnje, prekomerna ekspresija BIP ščiti pred agregati in inducira avtofagijo in mitofagijo [99], zato je njena modulacija tudi učinkovit pristop k združevanju različnih nevroprotektivnih poti.

6. Sklepne opombe

Spodbujanje endogenih mehanizmovnevroprotekcijaodpira vznemirljive terapevtske poti za zdravljenje nevrodegenerativnih bolezni ali vzdrževanje homeostaze tkiva po nevrotravmi. Čeprav je to dandanes neraziskano področje, lahko spodbuja bolj učinkovite biomedicinske rezultate kot blokiranje konkretnega patofiziološkega znaka. Zato lahko njihova podpora z genetskimi, farmakološkimi ali sistemsko modulacijskimi terapijami upočasni napredovanje patologije in izboljša funkcionalno okrevanje. Optimalna terapevtska strategija mora vključevati konkretno modulacijo endogenih mehanizmov zaščite, da bi ponovno modelirali celotno mrežo in dosegli zaščito.

Avtorski prispevki: DR-G. in SM-M.-A. je napisal rokopis, CC pa kritično ocenil. Vsi avtorji so prebrali in se strinjali z objavljeno različico rokopisa.

Financiranje: Ta raziskava ni prejela zunanjega financiranja.

Izjava o razpoložljivosti podatkov: v tej študiji niso bili ustvarjeni ali analizirani novi podatki. Skupna raba podatkov za ta članek ne velja.

Navzkrižje interesov: Avtorji izjavljajo, da ni navzkrižja interesov.