Mitofagija pri cerebralni ishemiji in ishemiji/reperfuzijski poškodbiⅡ

PATOFIZIOLOGIJA ISHEMIČNO-REPERFUZIJSKE POŠKODBE (SLIKA 2)

Klinična klasifikacija ishemične možganske kapi

Ishemična možganska kap, znana tudi kot cerebralna ishemija, je pomembna vrsta vseh primerov možganske kapi. Ta bolezen se pojavi, ko krvni strdki ali plaki blokirajo ali zožijo možganske arterije. Glede na patološko stanje lahko ishemično možgansko kap razdelimo na več podtipov: intrakranialna arterijska stenoza, akutna arterijska okluzija in kronična arterijska okluzija. Intrakranialna arterijska stenoza se nanaša na zoženje arterij, ki ga povzroča nastajanje maščobnih oblog, imenovanih aterosklerotični plaki, in sočasno zadebelitev žilnih sten.

Kliknite za cistanche tubulosa Australia za ishemično možgansko kap

V intrakranialnih arterijah, vključno s srednjimi možganskimi arterijami, bazilarno arterijo, karotidnimi arterijami in intrakranialnimi vretenčnimi arterijami, lahko zožene krvne žile znatno zmanjšajo pretok krvi, kar povzroči ishemični dogodek (Chimowitz et al., 2005; Banerjee in Chimowitz, 2017). Sistematična analiza, ki se osredotoča na vlogo intrakranialne ateroskleroze pri ishemični možganski kapi, kaže, da je lahko stenoza, ki povzroča aterosklerozo in je stopnja višja od 30 odstotkov, vzrok za smrtni možganski infarkt (Mazighi et al., 2008). Aterosklerotični plak je trombogen. Ko je pokrovček počen, lahko nastane nestabilen strdek, ki zoži ali popolnoma zapre arterije. Krvni strdek, ki blokira prizadeto mesto, lahko nastane lokalno ali izvira drugje, na primer v srcu, in embolizira skozi cirkulacijski sistem.

Raztrganje plakov in embolije strdkov so običajno povezane z akutno arterijsko okluzijo, pri kateri se simptomi možganske kapi pokažejo v nekaj urah (Malhotra et al., 2017). Okluzija je lahko tudi kronična (traja več kot 4 tedne), če možgani spremenijo cerebralno hemodinamiko in kompenzirajo pretok krvi z izgradnjo kolateralnega obtoka kot odgovor na zmanjšano arterijsko oskrbo s krvjo (Sundaram et al., 2017). V tem primeru je lahko z zadostno kolateralno kompenzacijo bolezen asimptomatska in benigna (Powers et al., 2000); Kronična okluzija brez zadostne kompenzacije iz kolateralnega krvnega obtoka lahko še vedno povzroči kronično cerebralno hipoperfuzijo, ki vodi v ishemični infarkt. V nekaterih primerih lahko bolniki s kronično okluzijo spontano pride do rekanalizacije v daljšem času (več kot 3 mesece) (Delgado et al., 2015).

Zdravljenje ishemične možganske kapi

Trombolitična sredstva in postopki rekanalizacije so razviti kot reperfuzijske strategije za obnovitev krvnega pretoka v prizadetih arterijah. Običajno se za te tri podtipe možganske kapi v kliničnem okolju uporabljajo različni terapevtski pristopi. Zaradi tehničnih omejitev je hudo stenozo in akutno okluzijo arterij težko natančno razlikovati (Clevert et al., 2006). Kljub temu lahko pravilna diagnoza pomaga pri optimalnem zdravljenju in boljši prognozi. Intravenska tromboliza je edina odobrena terapija za bolnike z AIS in se lahko daje v 3 urah po pojavu simptomov. Vendar pa so klinični rezultati trombolitičnega zdravljenja samo za bolnike s hudo stenozo in okluzijo pokazali slabšo prognozo od pričakovane in manjšo učinkovitost (Mokin et al., 2012).

Klinična preskušanja, ki se osredotočajo na lizo strdkov, kažejo, da ima le intravenska trombolitična terapija nizko stopnjo rekanalizacije, le 30–40 odstotkov med bolniki (Chen et al., 2012). Druga analiza kliničnih izidov intravenske trombolize za okluzijo notranje karotidne arterije kaže, da je stopnja ugodnih izidov 25 odstotkov (Mokin et al., 2012). Revaskularizacijsko zdravljenje, vključno s stentiranjem ali endarterektomijo, se zato priporoča bolnikom z zmerno ali hudo stenozo. V primerjavi z intravensko trombolizo imajo prejemniki trombektomije bistveno manjšo incidenco ipsilateralne možganske kapi, kar pomeni boljšo prognozo. Arterijske terapije dosegajo tudi boljši rezultat pri bolnikih z akutno okluzijo (Mokin et al., 2012). Vendar pa mnogi v kliničnem okolju endarterektomijo ne obravnavajo kot možnost pri zdravljenju popolne okluzije ICA, saj je ta operacija še vedno tehnično zahtevna za izvedbo pri preprečevanju nastajanja pooperativnega tromba in ohranjanju dobre prognoze (Kao et al., 2007; Chen et al. ., 2012; Faggioli et al., 2013).

Do sedaj se nadaljuje iskanje učinkovitih načinov zdravljenja kronične okluzije. Za zmanjšanje tveganja kapi je bolnikom mogoče dati zdravila, kot so zdravila proti agresiji trombocitov ali intravenski tkivni aktivatorji plazminogena. Kirurški pristopi, kot sta endarterektomija in stentiranje, se lahko uporabljajo tudi pri zdravljenju kronične okluzije, čeprav še vedno kažejo nekatere navidezne pomanjkljivosti. Tako kot pri akutni okluziji lahko endarterektomija ne uspe v primerih s kompleksno organizacijo strdkov, stopnja uspešnosti rekanalizacije pa doseže le 40 odstotkov pri bolnikih s kronično okluzijo (Thompson et al., 1986; Xu et al., 2018). Hipoperfuzija se še vedno pojavlja pri bolnikih, ki jim z rekanalizacijskimi terapijami ni uspelo obnoviti pretoka krvi, kar naj bi povzročilo ponovitev ishemičnih dogodkov (Grubb et al., 1998). Tudi v procesu stentiranja se strdek lahko loči, ko se stent sprosti, blokira intrakranialno arterijo in lahko zato povzroči pooperativne zaplete (Xu et al., 2018).

Ishemija-reperfuzijska poškodba

Pri bolnikih, ki prejemajo rekanalizacijske terapije, je lahko nenadna vzpostavitev krvnega pretoka včasih škodljiva, kar povzroči tako imenovano "reperfuzijsko poškodbo". Poškodba I/R se nanaša na poškodbo reoksigenacije tkiva, ki jo povzroči nenadna vrnitev oskrbe s krvjo v prej ishemična ali anoksična tkiva. Med fazo ishemije bo oskrba s krvjo pod standardnimi funkcionalnimi zahtevami povzročila pomanjkanje kisika in hranil, kar bo povzročilo presnovne motnje (Irie et al., 2014) in vnetni odziv (Jin et al., 2013) na prizadetih območjih. Obnovitev krvnega pretoka je tako veljala za temeljno zdravljenje za ohranitev funkcije tkiva. Veliko raziskav in kliničnih preskušanj reperfuzijskega zdravljenja je pokazalo, da so reperfuzijske terapije, vključno z intravenskimi trombolitiki in endovaskularnimi posegi, kot je mehanska trombektomija, razmeroma varne in lahko pomagajo pri okrevanju bolnikov z akutno ishemično možgansko kapjo (AIS), če se dajejo v ozkem časovnem oknu (Kwiatkowski et al., 1999; Lees et al., 2010; Berkhemer et al., 2014; Jovin et al., 2015).

Vendar pa lahko reperfuzija povzroči tudi sekundarno poškodbo v predhodno ishemičnih tkivih, saj lahko ponovna oskrba s hranili in kisikom sproži znatno proizvodnjo in kopičenje ROS ter medtem spremeni homeostazo kalcija, kar povzroči čezmeren oksidativni stres in lokalno vnetje. Takšne celične spremembe povzročijo poškodbe celic in lahko aktivirajo pot celične smrti v nekdanjih ishemičnih tkivih.

Pproces in mehanizmi I/R poškodbe (slika 2)

Prekomerni oksidativni stres igra ključno vlogo pri poškodbi I/R

Oksidativni stres je motnja v ravnovesju med prostimi radikali in antioksidativno sposobnostjo in se pogosto pojavi, ko proizvodnja ROS preseže antioksidativno obrambo. V ishemični fazi oviran pretok krvi z manj oskrbe s kisikom in hranili povzroči premik mitohondrijske presnove iz aerobne v anaerobno, kar povzroči nižjo koncentracijo ATP in antioksidantov v celicah. Kasnejša vrnitev krvnega pretoka v ishemično tkivo lahko povzroči ponovno aktivacijo mitohondrijske aerobne respiracije in tako poveča proizvodnjo ROS. Zaradi zmanjšane ravni antioksidativnih učinkovin oksidacija v obdobju reperfuzije presega antioksidacijo, kar povzroči povečan oksidativni stres.

Encimski sistemi, vključno s sistemom ksantin oksidaze, sistemom NADPH oksidaze, sistemom dušikovega oksida (NO) sintaze in mitohondrijsko transportno verigo elektronov, so vpleteni predvsem pri pojavu oksidativnega stresa. V normalnih celicah se metabolizem purina začne s pretvorbo ATP v inozin s sodelovanjem deaminaz in nukleotidaz, čemur sledi njegova nadaljnja transformacija v hipoksantin. Kasneje pride do oksidacije hipoksantina v ksantin in ksantina v sečno kislino, ksantin dehidrogenaza (XDH) in ksantin oksidaza (XOD) pa ločeno delujeta v teh dveh oksidacijskih procesih. XDH uporablja NAD plus kot akceptor elektronov za proizvodnjo NADH, stanje ishemije pa lahko povzroči njegov premik na XOD, ki kot akceptor uporablja O2 (Kinuta et al., 1989). Obnovitev pretoka krvi in ​​kisika lahko spodbudi proces oksidacije v presnovi purina. Ker se raven XOD predhodno poveča, nastanek sečne kisline v reperfuzijski fazi spremlja proizvodnja visoko reaktivnega superoksidnega aniona (O2−). Superoksid lahko kasneje preide v vodikov peroksid (H2O2) in hidroksilni radikal (OH•), kar dodatno spodbuja oksidativni stres in povzroča poškodbe. NADPH oksidaze so primarni vir ROS. Oksidirajo NADPH v NADP plus in dostavijo elektrone O2, pri čemer nastane superoksid ali H2O2.

Poročali so, da je družina NADPH oksidaz Nox/Duox vključena v proizvodnjo ROS med poškodbo I/R zaradi njihove olajšane aktivnosti (Wang et al., 2006; Simone et al., 2014). Nox2 je bil v središču poškodbe I/R, ki se pojavi pri možganski kapi. Miši s pomanjkanjem podenote Nox in miši s predhodnim zdravljenjem z apocininom (zaviralec Nox2) kažejo izjemno zmanjšan volumen infarkta in izboljšan klinični izid možganske kapi (Chen et al., 2009; Jackman et al., 2009), kar kaže na to, da ima ROS, ki ga povzroča Nox, pomembno vlogo. pomembno vlogo pri I/R poškodbah. Poleg takojšnje proizvodnje ROS NADPH oksidaze uravnavajo tudi proizvodnjo ROS s stimulacijo NO sintaznega sistema. NO, znan tudi kot sproščujoči faktor, pridobljen iz endotelija, nastaja iz L-arginina s sintazo dušikovega oksida (NOS) treh virov: nevronskega NOS (nNOS), inducibilnega NOS (iNOS) in endotelnega NOS (eNOS). Vloga NO je spremenljiva: na splošno deluje kot antioksidant, vendar lahko njegova interakcija s superoksidnim anionom povzroči nastanek peroksinitrita (ONOO−) (Marla et al., 1997). ROS, ki ga ustvarijo NADPH oksidaze, lahko oksidira tetrahidrobiopterin (BH4), bistveni kofaktor, ki posreduje aktivnost eNOS. Oksidacija BH4 pozneje povzroči odklop eNOS, kar povzroči zmanjšano proizvodnjo NO in povečano proizvodnjo ONOO− iz eNOS (Landmesser et al., 2003).

Mitohondriji so glavno mesto nastanka, delovanja in poškodb oksidativnega stresa. ROS je mogoče ustvariti iz ETC. Pri ishemiji lahko celični stres inducira posttranslacijske modifikacije oksidativnih fosforilacijskih proteinov v ETC, zaradi česar so bolj občutljivi na reoksigenacijo (Prabu et al., 2006). Moteni kompleksi ETC lahko povzročijo višje potenciale mitohondrijske membrane, kar je pozitivno povezano z večjo generacijo ROS (Prabu et al., 2006). Okrepljen oksidativni stres lahko cilja na mitohondrije in dodatno poškoduje ETC, kar posledično povzroči večjo generacijo ROS (Indo et al., 2007). ROS iz eksogenega izvora in mitohondrijsko nastajanje ROS lahko povzroči poškodbo mitohondrijske DNK (Indo et al., 2007). Poleg tega lahko preveč oksidativnega stresa povzroči poškodbe ali smrt celic (slika 2).

Preobremenitev s kalcijem: še ena motnja pri ishemično-reperfuzijski poškodbi

Poleg oksidativnega stresa, ki ga povzročajo različni viri, je preobremenitev s kalcijem in nenormalno povečana znotrajcelična raven Ca2 plus druga glavna patologija, ki igra pomembno vlogo pri reperfuzijski poškodbi. Anaerobno dihanje pri ishemiji zmanjša intracelularni pH; tako Na plus /H plus izmenjevalec (NHE) omogoča dotok Na plus za vzdrževanje pH. NHE je na splošno inaktiviran med ishemijo, vendar se lahko njegova aktivnost poveča med reperfuzijo, kar vodi do velikega dotoka Na plus (Allen in Xiao, 2003). Nižja raven ATP pri ishemiji prav tako oslabi aktivnost energetsko odvisnih črpalk Na plus, kar ima za posledico višjo raven intracelularnega Na plus.

Študija iz leta 1987 je pokazala, da je prejšnje neravnovesje natrija vzrok za preobremenitev s kalcijem z uporabo modela obremenitve z natrijem in napolnjeno energijo (Grinwald in Brosnahan, 1987). Če se ob ponovni vzpostavitvi kisika ne vrne na normalno ravnovesje Na plus, lahko spodbudi delovanje izmenjevalca Na plus/Ca2 plus (NCX), ki je občutljiv na znotrajcelično raven Na plus, kar vodi do večjega dotoka Ca2 plus. Preobremenitev s kalcijem povzročita tudi povečano sproščanje Ca2 plus in omejen privzem Ca2 plus iz notranjega vira, vključno z endoplazmatskim retikulumom (ER) ali Golgijevim aparatom (Chami et al., 2008). Pospešen privzem Ca2 plus v mitohondrijih se kasneje pojavi po citosolni preobremenitvi s kalcijem (Brookes et al., 2004). Preobremenitev s citosolnim in mitohondrijskim kalcijem lahko povzroči celično poškodbo na različne načine, vključno z motnjami delovanja mitohondrijev (Wang M. et al., 2015), spodbujanjem proizvodnje ROS (Zhu et al., 2018) in povzroči celično smrt (Boehning et al., 2004; Zhu et al., 2018) (slika 2).

Mitochondria-odvisna celična smrt pri poškodbi I/R

Celične spremembe, vključno s povečanim oksidativnim stresom in preobremenitvijo s kalcijem, lahko vodijo do apoptoze z vpletenostjo mitohondrijev. Ta proces se sproži s spremembami prepustnosti mitohondrijske membrane, ki jo nadzira prehodna pora mitohondrijske prepustnosti (mPTP). Dejavnost mPTP bo verjetno posredovala raven Ca2 plus v mitohondrijskem matriksu, mitohondrijska preobremenitev s kalcijem, ki je posledica citosolne preobremenitve s kalcijem, pa lahko olajša odpiranje mPTP (Qian et al., 1999). Ugotovljeno je bilo tudi, da je proizvodnja ROS med poškodbo I/R, zlasti hidroksilni radikali in vodikov peroksid, nepogrešljiva pri odpiranju mPTP (Assaly et al., 2012). Prepustna membrana omogoča aktivacijo in vstavitev pro-apoptotičnih Bcl-2 družinskih članov BAX in BAK v mitohondrijsko membrano (Wei et al., 2000; Kirkland et al., 2002).

To pomaga pri prenosu mitohondrijskih proteinov, vključno s citokromom c, iz mitohondrijev v citosol, čemur sledi interakcija med citokromom c in dvema kofaktorjema, faktorjem aktivacije apoptotične proteaze 1 (APAF-1) in pro-kaspazo-9, da tvorijo apoptosom, ki sčasoma aktivira kaspazo–9-kaspazo-3 signalno pot celične smrti s proteolitičnimi dogodki in fragmentacijo DNA (Broughton et al., 2009). Ta pot se imenuje od kaspaze odvisna apoptotična pot. Druga pot celične smrti, od kaspaze neodvisna apoptoza, se lahko aktivira, ko celične energije zmanjka (Daugas et al., 2000). Poli (ADP-riboza) polimeraza-1 (PARP-1) je jedrski encim, ki se nahaja pred potjo (Yu et al., 2002).

Poškodba DNK, ki jo povzroči ROS, lahko sproži prekomerno aktivacijo PARP-1, pri kateri se uporablja NAD plus, kar izčrpa shranjevanje energije. Yu et al. (2002) je tudi ugotovil, da lahko aktivacija PARP-1 vodi do sproščanja njegovega spodnjega ciljnega dejavnika, ki inducira apoptozo (AIF, mitohondrijski flavoprotein) iz mitohondrijske intermembrane v jedro, kar povzroči kondenzacijo kromatina in obsežno fragmentacijo DNA . Študije so pokazale, da AIF nima neposrednega učinka fragmentacije DNA (Susin et al., 1999; Wang et al., 2002). Zato med tem procesom verjetno potrebuje nadaljnji efektor. Študije so pokazale, da bi lahko endonukleaza G interagirala z AIF in povzročila fragmentacijo DNA (Wang et al., 2002; Lee et al., 2005), čeprav je njihova interakcija še vedno nejasna. PARP-1-inducirana celična smrt je edinstvena pot celične smrti. Na splošno kaže značilnosti apoptoze, nekateri raziskovalci pa jo imajo tudi za nekrotično, saj je klasična apoptoza energijsko odvisna (Ha in Snyder, 1999).

TMožgani so dovzetni za I/R poškodbe

I/R poškodba se lahko pojavi v številnih organih in tkivih, vključno z možgani, srcem, skeletnimi mišicami in ledvicami. Nekaj ​​skupnih značilnosti ima I/R poškodba na teh območjih, vključno s povečano proizvodnjo ROS, preobremenitvijo s kalcijem, vnetjem in odprtjem mPTP. Kljub temu lahko organsko specifične značilnosti vplivajo na resnost poškodbe I/R v različnih organih. Možgani, organ, kjer pride do ireverzibilne poškodbe v 20 minutah po ishemiji in je mogoče dati ozko časovno okno (običajno 3–4,5 h) za reperfuzijsko terapijo, veljajo za zelo dovzetne za poškodbe I/R (Ordy et al., 1993). .

ROS v možganih večinoma nastanejo iz mitohondrijev in ne iz drugih encimskih virov ROS kot presnovno aktivnega področja. Možgani predstavljajo več kot 20 odstotkov celotne telesne porabe kisika, vendar imajo relativno nizko raven antioksidanta v primerjavi z drugimi organi, zaradi česar so občutljivi na oksidativni stres (Markesbery in Lovell, 2007; Damle et al., 2009; Kalogeris et al. , 2012). Poleg tega lahko nakopičeno labilno železo v možganih reagira s H2O2, da proizvede zelo reaktiven •OH. Ta reakcija spodbuja oksidacijo in peroksidacijo množično nakopičene polinenasičene maščobne kisline v možganih, kar povzroči še večji oksidativni stres (Ferretti et al., 2008). Zaradi dovzetnosti možganov za poškodbo I/R je iskanje tarč za preprečevanje reperfuzijske poškodbe možganov pomembno pri zdravljenju možganske kapi.

Podaljšanje terapevtskega časovnega okna pri ishemični možganski kapi: zapoznela rekanalizacija

Čim zgodnejša uspešna rekanalizacija zamašene žile je splošno sprejeta kot ključno načelo zdravljenja AIS. Na žalost večina bolnikov z AIS dolga leta ni mogla prejemati učinkovite rekanalizacijske terapije zaradi ozkega terapevtskega okna. V zadnjih letih je vrsta kliničnih preskušanj pokazala, da lahko zapoznela rekanalizacija še vedno koristi pri ishemičnih možganih med razširjenim terapevtskim oknom, do več kot 24 ur, nekaj dni in celo več kot 1 mesec po pojavu simptomov [Recenziral Kang et al. (2020)]. Klinično je napredek v tehnikah slikanja omogočil boljšo opredelitev stanja možganskega tkiva in žil pri AIS. Označevalci možganske ishemije so določeni z neskladjem perfuzijsko uteženega slikanja/difuzijsko uteženega slikanja (PWI/DWI) in neskladja DWI/fluid-attenuated inversion recovery (DWI/FLAIR) na slikanju z magnetno resonanco (MRI).

MRI skeniranje s PWI ali računalniško tomografsko (CT) perfuzijsko skeniranje (CTP) kaže različne stopnje hipoperfuzije. Glede na ta razvoj, skupaj z napredkom intravaskularnih intervencijskih naprav, je možno podaljšanje časovnega okna rekanalizacije pri nekaterih bolnikih. Vse več randomiziranih študij je pokazalo, da zapoznela rekanalizacija ugodno vpliva na 90-dnevne rezultate. Dve visokokakovostni, randomizirani kontrolirani klinični preskušanji (DAWN in DEFUSE 3) endovaskularne mehanske trombektomije sta poročali, da je selektivna odložena rekanalizacija na podlagi slikovne neusklajenosti izboljšala bolnikove 90-dnevne rezultate, tudi če je bila izvedena 16–24 ur po pojavu simptomov (Ragoschke-Schumm in Walter, 2018). Če povzamemo, kljub tveganju za poškodbe I/R, ki bi se lahko povečalo z odloženo časovno točko za rekanalizacijo, je odložena rekanalizacija še vedno koristna za določeno podvrsto bolnikov.

Nevroprotektivni učinek Cistanche

Cistanche je rastlinski izvleček, znan po svojih nevroprotektivnih lastnostih, njegov mehanizem delovanja pa naj bi vključeval antioksidativne, protivnetne in antiapoptotične učinke. Obstaja več ustreznih testov in primerov uporabe, povezanih z nevroprotektivnimi učinki zdravila Cistanche, ki vključujejo:

1. Študije in vitro: Študije in vitro so pokazale, da izvleček Cistanche ščiti nevrone pred poškodbami, ki jih povzroči stres, z zmanjšanjem oksidativnega stresa in vnetja.

2. Študije na živalih: Študije na živalih so pokazale, da lahko Cistanche ščiti pred poškodbami nevronov, ki jih povzročajo možganska ishemija, travmatične poškodbe možganov in izpostavljenost nevrotoksinom.

3. Študije na ljudeh: Obstaja malo kliničnih dokazov o nevroprotektivnih učinkih Cistanche pri ljudeh, vendar so nekatere študije pokazale, da lahko izboljša kognitivno funkcijo in zmanjša s starostjo povezano upadanje spomina.

Luoan Shen1†, Qinyi Gan1†, Youcheng Yang1, Cesar Reis2, Zheng Zhang1, Shanshan Xu3, Tongyu Zhang4 * in Chengmei Sun1,3 *

1 Univerza Zhejiang – Inštitut Univerze v Edinburghu, Medicinska fakulteta, Univerza Zhejiang, Haining, Kitajska,

2 VA Loma Linda Healthcare System, Univerza Loma Linda, Loma Linda, CA, Združene države,

3 Inštitut za napredne študije, Univerza Shenzhen, Shenzhen, Kitajska, 4 Oddelek za nevrokirurgijo, bolnišnica Xuanwu, Capital Medical University, Peking, Kitajska