Нейрохирургия

диацилглицерола и нозитолтрифосфата, принимающих участие в дальнейших процессах ишемического каскада.

ГАМКергические нейроны

Некоторые нейроны в качестве нейротрансмиттера содержат г-аминомасляную кислоту (ГАМК), которая образуется из глутаминовой кислоты под действием глутаматдекарбоксилазы (рис. 1.37). В коре большого мозга ГАМКергические нейроны находятся в ольфакторной и лимбической областях (корзинчатые нейроны гиппокампа). ГАМК также содержат нейроны эфферентных экстрапирамидных стриатонигральных, паллидонигральных и субталамопаллидарных путей, клетки Пуркинье мозжечка, нейроны коры мозжечка (Гольджи, звездчатые и корзинчатые), вставочные тормозные нейроны спинного мозга.

ГАМК является наиболее важным тормозным нейротрансмиттером ЦНС. Основная физиологическая роль ГАМК - создание устойчивого равновесия между возбуждающими и тормозными системами, модуляция и регуляция активности главного возбуждающего нейротрансмиттера глутамата. ГАМК ограничивает распространение возбуждающего стимула как пресинаптически - через ГАМК-В- рецепторы, функциональ-

Рис.

1.37. Реакция превращения глутамата в ГАМК.

Для активности декарбоксилазы глутаминовой кислоты (ДГК) необходим кофермент пиридоксальфосфат

Рис.

1.38. ГАМК-рецептор.

1- бензодиазепин-связывающий сайт;

2- ГАМК-связывающий сайт; 3 - ионный канал для CL-; 4 - барбитурат-связывающий сайт но связанные с потенциалзависимыми кальциевыми каналами пресинаптических

мембран, так и постсинаптически - через ГАМКА-рецепторы (ГАМК- барбитуратбензодиазепин-рецепторный комплекс), функционально связанные с потенциалзависимыми хлорными каналами. Активация постсинаптических ГАМК-А- рецепторов приводит к гиперполяризации клеточных мембран и торможению возбуждающего импульса, вызванного деполяризацией.

Плотность ГАМК-А-рецепторов максимальна в височной и лобной коре, гиппокампе, миндалевидных и гипоталамических ядрах, черной субстанции, околоводопроводном сером веществе, ядрах мозжечка. Несколько в меньшей степени рецепторы представлены в хвостатом ядре, скорлупе, таламусе, затылочной коре, эпифизе. Все три субъединицы ГАМК-А-рецептора (α, β и γ) связывают ГАМК, хотя наиболее высока аффинность связывания с б-субъединицей (рис. 1.38). Барбитураты взаимодействуют с а- и Р-субъединицами; бензодиазепины - только с 7-субъеди- ницей. Аффинность связывания каждого из лигандов повышается, если параллельно с рецептором взаимодействуют другие лиганды. Глицинергические нейроны Глицин является тормозным нейротрансмиттером практически во всех отделах ЦНС. Наибольшая плотность глициновых рецепторов обнаружена в структурах ствола, коре больших полушарий, стриатуме, ядрах гипоталамуса, проводниках от лобной коры к гипоталамусу, моз-

жечке, спинном мозге. Глицин проявляет ингибирующие свойства посредством взаимодействия не только с собственными стрихнинчувствительными глициновыми рецепторами, но и с рецепторами ГАМК.

В малых концентрациях глицин необходим для нормального функционирования глутаматных рецепторов NMDA. Глицин является ко-агонистом

рецепторов NMDA, так как их активация возможна лишь при условии связывания глицина со специфическими (нечувствительными к стрихнину) глициновыми сайтами. Потенцирующее действие глицина на рецепторы NMDA проявляется в концентрациях ниже 0,1 мкмоль, а в концентрации от 10 до 100 мкмоль глициновый сайт насыщается полностью. Высокие концентрации глицина (10-100 ммоль) не активируют NMDA-индуцированную деполяризацию in vivo и, следовательно, не увеличивают эксайтотоксичность.

Пептидергические нейроны Нейротрансмиттерная и/или нейромодуляторная функция многих пептидов еще изучается. Пептидергические нейроны включают:

•гипоталамонейрогипофизарные нервные клетки с пептидами ок-

•ситоцином и вазопрессином в качестве нейротрансмиттеров; гипофизтрофические клетки с пептидами соматостатином, кортиколиберином, тиролиберином, люлиберином;

•нейроны с пептидами вегетативной нервной системы желудочнокишечного тракта, такими, как субстанция Р, вазоактивный интестинальный полипептид (ВИН) и холецистокинин;

•нейроны, пептиды которых образуются из про-опиомеланокортина (кортикотропин и β-эндорфин),

•энкефалинергические нервные клетки.

Субстанция-Р - содержащие нейроны Субстанция Р - пептид из 11 аминокислот, оказывающий медленно начинающееся и длительно продолжающееся возбуждающее действие. Субстанцию Р содержат:

•около 1/5 клеток спинальных ганглиев и тригеминального (Гассерова) ганглия, аксоны которых имеют тонкую миелиновую оболочку или не миелинизированы;

•клетки обонятельных луковиц;

•нейроны околоводопроводного серого вещества;

•нейроны пути, идущего от среднего мозга к межножковым ядрам;

•нейроны эфферентных нигростриарных путей;

•небольшие нервные клетки, расположенные в коре большого мозга, преимущественно в V и VI слоях.

ВИП-содержащие нейроны Вазоактивный интестинальный полипептид (ВИП) состоит из 28 аминокислот. В нервной системе ВИП является возбуждающим нейротрансмиттером и/или нейромодулятором. Наибольшая концентрация ВИП обнаруживается в неокортексе, преимущественно в биполярных клетках. В стволе мозга ВИП-содержащие нервные клетки располагаются в ядре одиночного пути и связаны с лимбической системой. В супрахиазмальном ядре находятся ВИПсодержащие нейроны, связанные с ядрами гипоталамуса. В желудочно-кишечном тракте оказывает вазодилатирующее действие и стимулирует переход гликогена в глюкозу.

β-Эндорфинсодержащие нейроны β -Эндорфин - пептид из 31 аминокислоты, функционирующий как тормозной нейромодулятор мозга. Эндорфинергические клетки находятся в медиобазальном гипоталамусе и в нижних отделах ядра одиночного пути. Восходящие эндорфинергические пути от гипоталамуса направляются к преоптическому полю, ядрам перегородки и миндалевиднму телу, а нисходящие пути идут к околоводопроводному серому веществу, голубому ядру и ретикулярной формации. Эндорфинергические нейроны участвуют в центральной

регуляции аналгезии, они стимулируют высвобождение гормона роста, пролактина и вазопрессина.

Энкефалинергические нейроны

Энкефалин - пептид из 5 аминокислот, функционирующий как эндогенный лиганд опиатных рецепторов. Энкефалинергические нейроны располагаются в поверхностном слое заднего рога спинного мозга и ядре спинального тракта тройничного нерва, периовальном ядре (слуховая система), обонятельных луковицах, в ядрах шва, в сером околоводопроводном веществе. Энкефалинсодержащие нейроны находятся также в неокортексе и аллокортексе. Энкефалинергические нейроны пресинаптически ингибируют высвобождение субстанции Р из синаптических окончаний афферентов, проводящих болевые импульсы (рис. 1.39). Аналгезии можно достигнуть путем электростимуляции или микроинъекций опиатов в эту область. Энкефалинергические нейроны влияют на гипоталамо-гипофизарную регуляцию синтеза и выделения окситоцина, вазопрессина, некоторых либеринов и статинов.

Оксид азота

Оксид азота (NO) является полифункциональным физиологическим регулятором со свойствами нейротрансмиттера, который в отличие от традиционных нейротрансмиттеров не резервируется в синаптических везикулах нервных окончаний и высвобождается в синаптичсскую щель путем свободной диффузии, а не по механизму экзоцитоза. Молекула NO синтезируется в ответ на физиологическую потребность ферментом WA-синтазой (WAS) из аминокислоты L- аргинина. Способность NO давать биологический эффект определяется в основном малыми размерами его молекулы, ее высокой реактивностью и способностью к диффузии в тканях, в том числе нервной. Это послужило основанием назвать NO ретроградным мессенджером.

Выделяют три формы WAV. Две из них конститутивные: нейрональная (ncNOS) и эндотелиальная (ecWAS), третья - индуцибельная (WAV), обнаруженная в клетках глии.

Кальций-кальмодулинзависимость нейрональной изоформы WAV обусловливает усиление синтеза NO при нарастании уровня внутриклеточного кальция. В связи с этим любые процессы, ведущие к накоплению кальция в клетке (энергетический дефицит, изменения активного ионного транспорта,

Рис.

1.39. Механизм энкефалинергической регуляции болевой чувствительности на уровне студенистого вещества.

1 - интернейрон; 2 - энкефалин; 3 - рецепторы энкефалина; 4 - нейрон заднего рога спинного мозга; 5 - рецепторы субстанции Р; 6 - субстанция Р; 7 - чувствительный нейрон спинномозгового ганглия. В синапсе между периферическим

чувствительным нейроном и нейроном спинноталамического ганглия основным медиатором является субстанция P. Энкефалинергический интернейрон реагирует на болевую чувствительность, оказывая пресинаптическое ингибирующее влияние на высвобождение субстанции Р глутаматная эксайтотоксичность, оксидантный стресс, воспаление), сопровождаются повышением уровня NO.

Показано, что NO оказывает модулирующее влияние на синаптическую передачу, на функциональное состояние глутаматных рецепторов NMDA. Активируя растворимую гемсодержащую гуанилатциклазу, NO участвует в регуляции внутриклеточной концентрации ионов Са2+, рН внутри нервных клеток.

1.8. Аксональный транспорт Важную роль в межнейрональных связях играет аксональный транспорт.

Мембранные и цитоплазматичсские компоненты, которые образуются в биосинтезирующем аппарате сомы и проксимальной части дендритов, должны распределяться по аксону (особенно важно их поступление в пресинаптические структуры синапсов), чтобы восполнить потерю элементов, подвергшихся высвобождению или инактивации.

Однако многие аксоны слишком длинны, чтобы материалы могли эффективно перемещаться из сомы к синаптическим окончаниям путем простой диффузии. Эту задачу выполняет особый механизм - аксональный транспорт. Существует несколько его типов. Окруженные мембранами органеллы и митохондрии транспортируются с относительно большой скоростью посредством быстрого аксонального транспорта. Вещества, растворенные в цитоплазме (например, белки), перемещаются с помощью медленного аксонального транспорта. У млекопитающих быстрый аксональный транспорт имеет скорость 400 мм/сут, а медленный - около 1 мм/сут. Синаптические пузырьки могут поступать с помощью быстрого аксонального транспорта из сомы мотонейрона спинного мозга человека к мышцам стопы через 2,5 сут. Сравним: доставка на такое же расстояние многих растворимых белков занимает примерно 3 года.

Для аксонального транспорта требуются затрата метаболической энергии и присутствие внутриклеточного кальция. Элементы цитоскелета (точнее, микротрубочки) создают систему направляющих тяжей, вдоль которых передвигаются окруженные мембранами органеллы. Эти органеллы прикрепляются к микротрубочкам аналогично тому, как это происходит между толстыми и тонкими филаментами волокон скелетных мышц; движение органелл вдоль микротрубочек запускается ионами Са2+.

Аксональный транспорт осуществляется в двух направлениях. Транспорт от сомы к аксональным терминалям, называемый антероградным аксонным транспортом, восполняет в пресинаптических окончаниях запас синаптических пузырьков и ферментов, ответственных за синтез нейромедиатора. Транспорт в противоположном направлении - ретроградный аксонный транспорт, возвращает опустошенные синаптические пузырьки в сому, где эти мембранные структуры деградируются лизосомами. Поступающие от синапсов вещества необходимы для поддержания нормального метаболизма тел нервных клеток и, кроме того, несут информацию о состоянии их концевых аппаратов. Нарушение ретроградного аксонального транспорта приводит к изменениям нормальной работы нервных клеток, а в тяжелых случаях - к ретроградной дегенерации нейронов.

Система аксонального транспорта является тем основным механизмом, который определяет возобновление и запас медиаторов и модуляторов в пресинаптических окончаниях, а также лежит в основе формирования новых отростков, аксонов и дендритов. Согласно представлениям о пластичности мозга в целом, даже в мозге взрослого человека постоянно происходят два взаимосвязанных процесса:

формирование новых отростков и синапсов, а также деструкция и исчезновение некоторой части существовавших ранее межнейрональных контактов. Механизмы аксонального транспорта, связанные с ними процессы синаптогенеза и роста тончайших разветвлений аксонов лежат в основе обучения, адаптации, компенсации нарушенных функций. Расстройство аксонального транспорта приводит к деструкции синаптических окончаний и изменению функционирования определенных систем мозга.

Лекарственными и биологически активными веществами можно влиять на метаболизм нейронов, определяющий их аксональный транспорт, стимулируя его и повышая тем самым возможность компенсаторно-восстановительных процессов. Усиление аксонального транспорта, рост тончайших ответвлений аксонов и синаптогенез играют положительную роль в нормальной работе мозга. При патологии эти явления лежат в основе репаративных, компенсаторновосстановительных процессов.

Посредством аксонального транспорта по периферическим нервам распространяются некоторые вирусы и токсины. Так, вирус ветряной оспы(Varicella zoster virus) проникает в клетки спинномозговых (спинальных) ганглиев. Там вирус пребывает в неактивной форме иногда в течение многих лет, пока не изменится иммунный статус человека. Тогда вирус может транспортироваться по сенсорным аксонам к коже, и в дерматомах соответствующих спинальных нервов возникают болезненные высыпания опоясывающего

лишая (Herpes zoster). Путем аксо-нального транспорта переносится и столбнячный токсин. Бактерии Clostridium tetani из загрязненной раны путем ретроградного транспорта попадают в мотонейроны. Если токсин выйдет во внеклеточное пространство передних рогов спинного мозга, он блокирует активность синаптических рецепторов тормозных нейромедиаторных аминокислот и станет причиной тетанических судорог.

1.9. Реакции нервной ткани на повреждение Повреждение нервной ткани сопровождается реакциями нейронов и нейроглии. В

случае тяжелого повреждения клетки погибают. Поскольку нейроны являются постмитотическими клетками, они не восполняются.

Механизмы смерти нейронов и клеток глии В сильно поврежденных тканях преобладают процессы некроза, затрагивающие

целые клеточные поля с пассивной дегенерацией клеток, набуханием и фрагментацией органелл, разрушением мембран, лизисом клеток, выходом внутриклеточного содержимого в окружающую ткань и развитием воспалительного ответа. Некроз всегда обусловлен грубой патологией, его механизмы не требуют затрат энергии и предотвратить его можно только с помощью удаления причины повреждения.

Апоптоз - вид программированной клеточной смерти. Апоптозные клетки, в противоположность некротическим, располагаются поодиночке или небольшими группами, разбросаны по всей ткани. Они имеют меньший размер, неизмененные мембраны, сморщенную цитоплазму с сохранением органелл, появлением множественных цитоплазматических мембрансвязанных выпячиваний. Не наблюдается и воспалительной реакции ткани, что в настоящее время служит одним из важных отличительных морфологических признаков апоптоза от некроза. И сморщенные клетки, и апоптозные тельца содержат нетронутые клеточные органеллы и массы конденсированного хроматина. Результатом последовательной деструкции ДНК в апоптозпых клетках становится невозможность их репликации (воспроизведения) и участия в межклеточных взаимодействиях, так как эти процессы требуют синтеза новых протеинов. Умирающие клетки эффективно

Морфологическими маркерами апоптоза являются апоптозные тельца и сморщенные нейроны с целостной мембраной. Биохимическим маркером, который стал практически идентичен понятию «апоптоз», считают ДНК-фрагментацию. Этот процесс активируется ионами Ca2+ и Mg2+, а ингибируется ионами Zn2+. Расщепление ДНК происходит в результате действия кальций-магнийзависимой эндонуклеазы. Установлено, что эндонуклеазы расщепляют ДНК между белками гистонами, высвобождая фрагменты регулярной длины. ДНК первоначально делится на большие фрагменты из 50 и 300 000 оснований, которые затем расщепляются на части из 180 пар оснований, образующие «лестницу» при сепарации гелевым электрофорезом. ДНК-фрагментация не всегда коррелирует с характерной для апоптоза морфологией и является условным маркером, неэквивалентным морфологическим критериям. Наиболее совершенным для подтверждения апоптоза является биологически-гистохимический метод, позволяющий зафиксировать не только ДНК-фрагментацию, но и важный морфологический признак - апоптозные тельца.

Программа апоптоза состоит из трех последовательных этапов: принятия решения о смерти или выживании; осуществления механизма уничтожения; элиминации погибших клеток (деградация клеточных компонентов и их фагоцитоз).

Выживание или смерть клеток в значительной степени определяется продуктами экспрессии генов cW-семейства. Белковые продукты двух из этих генов, ced-3 и ced- 4 («генов-убийц»), необходимы для протекания апоптоза. Белковый продукт

гена ced-9 защищает клетки, препятствуя апоптозу посредством предотвращения возбуждения генов ced-3 и ced-4. Остальные гены семейства ced кодируют протеины, вовлеченные в упаковку и фагоцитоз умирающих клеток, деградацию ДНК умершей клетки.

У млекопитающих гомологами гена-убийцы ced-3 (и его белковых продуктов) являются гены, кодирующие интерлейкинпревращающие ферменты - каспазы (цистеиновые аспартил-протеазы), которые обладают различной субстратной и ингибирующей специфичностью. Неактивные предшественники каспаз - прокаспазы присутствуют во всех клетках. Активация прокаспаз у млекопитающих осуществляется аналогом ced-4-гена - возбуждающим фактором апоптозной протеа- зы-1 (Apaf-a), имеющим место связывания для АТФ, что подчеркивает значимость уровня энергетического обеспечения для выбора механизма смерти. При возбуждении каспазы модифицируют активность клеточных белков (полимераз, эндонуклеаз, компонентов ядерной мембраны), ответственных за фрагментацию ДНК в апоптозных клетках. Активированные ферменты начинают расщепление ДНК с появлением в местах разрывов трифосфонуклеотидов, вызывают разрушение цитоплазменных белков. Клетка теряет воду и уменьшается, рН цитоплазмы снижается. Клеточная мембрана теряет свои свойства, клетка сморщивается, образуются апоптозные тельца. В основе процесса перестройки клеточных мембран лежит активация сирингомиелазы, которая расщепляет сирингомиелин клетки с высвобождением керамида, активирующего фосфолипазу А2. Происходит накопление продуктов арахидоновой кислоты. Экспрессированные в ходе апоптоза белки фосфатидилсерин и витронектин выводят на наружную поверхность клетки и сигнализируют макрофагам, осуществляющим фагоцитоз апоптозных телец. Гомологами гена нематоды ced-9, определяющего выживаемость клеток, у млекопитающих является семейство протоонкогенов bcl-2. И bcl-2, и родственный ему протеин bcl-x-l представлены в мозге млекопитающих, где защищают нейроны от апоптоза при ишемическом воздействии, удалении факторов роста, влиянии нейротоксинов in vivo и in vitro. Анализ продуктов экспрессии bcl-2-генов выявил целое семейство bcl-2-родственных белков, включающее как антиапоптозные (Bcl- 2 и Bcl-x-l), так и проапоптозные (Bcl-x-s, Bax, Bad, Bag) протеины. Протеины Ьах и

bad обладают гомологичной последовательностью и формируют гетеродимеры

с bcl-2 и bcl-x-l in vitro. Для активности, подавляющей смерть, bcl-2 и bcl-x-l должны сформировать димеры с протеином Ьах, а димеры с протеином bad усиливают смерть. Это позволило сделать вывод о том, что bcl-2 и родственные молекулы являются ключевыми детерминантами клеточного выживания или клеточной смерти в ЦНС. Молекулярно-генетические исследования установили, что так

называемое генное семейство bcl-2, состоящее из 16 генов с противоположными функциями, у человека картируется на хромосоме 18. Антиапоптотические эффекты дают шесть генов семейства, подобно прародителю группы bcl-2; другие 10 генов поддерживают апоптоз.

Про- и антиапоптотические эффекты активированных продуктов экспрессии генов bcl-2 реализуются через модуляцию активности митохондрии. Митохондрия

является ключевой фигурой апоптоза. Она содержат цитохром С, АТФ, ионы Са2+ и апоптозиндуцирующий фактор (АИФ) - компоненты, необходимые для индукции апоптоза. Выход этих факторов из митохондрии происходит при взаимодействии ее мембраны с активированными белками семейства bcl-2, которые прикрепляются к наружной мембране митохондрии в местах сближения наружной и внутренней мембран - в области так называемой пермеабилизационной поры, являющейся мегаканалом диаметром до 2 нм. При прикреплении белков bcl-2 к наружной мембране митохондрии мегаканалы поры расширяются до 2,4-3 нм. По этим каналам в цитозоль клетки из митохондрии поступают цитохром С, АТФ и АИФ. Антиапоптозные белки семьи bcl-2, напротив, закрывают мегаканалы, прерывая продвижение апоптотического сигнала и защищая клетку от апоптоза. В процессе апоптоза митохондрия не теряет своей целостности и не подвергается разрушению. Вышедший из митохондрии цитохром С образует комплекс с фактором, ативирующим апоптотическую протеазу (APAF-l), каспазой-9 и АТФ. Данный комплекс представляет собой апоптосому, в которой происходит активация каспазы- 9, а затем основной «киллерной» каспазы-3, что приводит к смерти клетки. Митохондриальный сигнальный механизм является основным путем индукции апоптоза.

Другим механизмом индукции апоптоза служит передача проапоптотического сигнала при связи лиганда с рецепторами региона клеточной смерти, которая происходит с помощью адапторных белков FADD/MORT1, TRADD. Рецепторный путь клеточной смерти значительно короче, чем митохондриальный: по средствам адапторных молекул происходит активация каспазы-8, которая, в свою очередь, напрямую активирует «киллерные» каспазы.

Определенные протеины, такие как р53, р21 (WAF1), могут способствовать развитию апоптоза. Показано, что природный р53 вызывает апоптоз в опухолевых клеточных линиях и in vivo. Трансформация р53 из природного типа в мутантную форму приводит к развитию рака во многих органах в результате подавления процессов апоптоза.

Дегенерация аксона После перерезки аксона в соме нервной клетки развивается так называемая

аксонная реакция, направленная на восстановление аксона путем синтеза новых структурных белков. В соме неповрежденных нейронов тельца Ниссля интенсивно окрашиваются основным анилиновым красителем, который связывается с рибонуклеиновыми кислотами рибосом. Однако во время аксонной реакции цистерны шероховатого эндоплазматического ретикулума увеличиваются в объеме, заполняясь продуктами синтеза белка. Происходит хроматолиз - дезорганизация рибосом, вследствие которой окрашивание телец Ниссля основным анилиновым красителем становится гораздо слабее. Тело клетки набухает и округляется, а ядро смещается к одной стороне (эксцентрическое положение ядра). Все эти