ФГАОУВО РНИМУ им. Н.И. Пирогова МЗ РФ
Педиатрический факультет
Международный факультет
Специалитет «Лечебное дело»
Нейровоспаление при билирубиновой нейротоксичности
Лапшина Д.А., студентка,
Савченко Д.В., студентка,
Сироид С.Д., студент
г. Москва
Аннотация
Билирубиновая нейротоксичность - серьезное следствие гипербилирубинемии, которая является наиболее распространенным заболеванием неонатального периода. Клинически билирубиновая нейротоксичность может приводить к развитию двигательного дефицита, слуховой дисфункции, ДЦП, судорог, нейроразвития и др. Билирубиновая нейротоксичность является одной из основных причин неонатальной черепно-мозговой травмы, особенно в бедных развивающихся странах. Однако механизмы билирубиновой нейротоксичности до сих пор остаются неясными.
Ключевые слова: гипербилирубинемия; нейротоксичность; нейровоспаление; микроглия; астроцит; новорожденный; гипербилирубинемия.
Annotation
Bilirubin neurotoxicity is a serious consequence of hyperbilirubinemia, which is the most common disease of the neonatal period
Clinically, bilirubin neurotoxicity can result in motor deficit, auditory dysfunction, cerebral palsy, seizure and neurodevelopmental diseases, amongst others. Bilirubin neurotoxicity is one of the major worldwide causes of neonatal brain injury, especially in poorer developing countries. However, the mechanisms of bilirubin neurotoxicity are still unclear. After the failure of attempts targeting neurons in many neurodegenerative disorders, neuroinflammation has become a significant target of research. Here, recent advances concerning neuroinflammation in bilirubin neurotoxicity are reported with a focus on the clinical characteristics of bilirubin neurotoxicity, including age-dependency, region-specificity.
Key words: neonate, hyperbilirubinemia, neurotoxicity, neuroinflammation, microglia, astrocyte.
Введение
Билирубиновая нейротоксичность является серьезным последствием неонатальной гипербилирубинемии, наиболее распространенного заболевания в неонатальном периоде [1]. Клинически билирубиновая нейротоксичность может проявляться в виде острой билирубиновой энцефалопатии [2], хронической билирубиновой энцефалопатии (керниктеруса) [3] и нейродевело-опментальных нарушений [4]. Билирубиновая нейротоксичность является одной из основных причин неонатальной черепно-мозговой травмы во всем мире, особенно в бедных развивающихся странах [5-8].
Нейротоксичность может включать нарушение мембран, стресс эндоплазматического ретикулума, повреждение митохондрий, нарушение нейротрансмиттерного/клеточного метаболизма, эксайтотоксичность, окислительный стресс и нейровоспаление [9,10]. Однако инициатор или основной механизм нейротоксичности билирубина остается неясным. В то время как попытки воздействовать на нейроны при многих нейродегенеративных заболеваниях оказались безуспешными, нейровоспаление привлекает все большее внимание. Имеются данные, указывающие на потенциальную роль участия билирубина через нейровоспаление в развитии нейродегенеративных, психоневрологических и других неврологических заболеваний Г11.
Нейровоспаление рассматривается как основной механизм развития ряда нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера [Г12,13] и шизофрения [14,15]. На животных моделях билирубиновой нейротоксичности наблюдаются патологические изменения, очень схожие с таковыми при болезни Альцгеймера [16] и шизофрении [17]. Анализ спинномозговой жидкости (СМЖ) показывает, что у младенцев с острой билирубиновой энцефалопатией в основном активируются клеточные процессы и сигнальные пути, связанные с воспалением.
Анализ спинномозговой жидкости (СМЖ) показывает, что у младенцев с острой билирубиновой энцефалопатией преобладает активация сигнальных путей, связанных с воспалением [18].
Эти данные свидетельствуют о том, что нейровоспаление играет ключевую роль в патогенезе билирубиновой нейротоксичности. Нейровоспаление определяется как иммунный ответ на вредные воздействия путем высвобождения медиаторов воспаления (цитокинов, хемокинов и активных форм кислорода), вырабатываемых в основном микроглией и астроцитами в центральной нервной системе (ЦНС) [19]. Как первоначальный иммунный ответ нейровоспаление в основном является полезным и защитным, однако при длительном и чрезмерном развитии оно играет патогенную роль в ряде нейродегенеративных и психических заболеваний [20 - 22]. Свободный билирубин может проникать через гематоэнцефалический барьер и вызывать нейровоспалительную реакцию при неонатальной гипербилирубинемии. Активация нейровоспаления в раннем возрасте влияет на нейроразвитие плода/ребенка [23].
Чрезмерное/длительное нейровоспаление, активированное билирубином, нарушает развитие незрелого мозга и приводит к неврологическим последствиям. Роль глиальных клеток и воспаления в нейротоксичности билирубина была рассмотрена, в основном на основе исследований in vitro, в работе Brites [24]. Здесь представлены последние достижения в понимании роли нейровоспаления в билирубиновой нейротоксичности с акцентом на клинические характеристики последней, включая возрастную зависимость, региональную специфичность.
Возраст-зависимое нейровоспаление при билирубиновой нейротоксичности
Восприимчивость новорожденных к билирубиновой нейротоксичности изменяется в зависимости от постнатального дня [25,26]. Основными жертвами билирубиновой нейротоксичности являются новорожденные раннего возраста и недоношенные дети [27]. С другой стороны, у пожилых людей билирубин оказывает протективное действие в отношении метаболического синдрома и диабетических осложнений [28]. Механизмы нейротоксичности билирубина в зависимости от возраста остаются неясными. Однако здесь описан вклад нейровоспаления в эту возраст-зависимую картину. Микроглия, в которой обнаруживаются возрастные изменения [29], имеет наибольшую гетерогенность в первые постнатальные дни [30,31]. При обработке свободным билирубином микроглия в возрасте двух суток in vitro (2DIV) демонстрирует ранний апоптоз и амебоидную форму, более низкие уровни хемокинового рецептора CX3C 1 (CX3CR1) и микроРНК (miRNA)-124, более высокую экспрессию бокс-белка высокой подвижности 1 (HMGB1), оксида азота, фактора некроза опухоли (TNF)-а, интерлейкина (IL)-1fi, IL-6 и воспалительно-ассоциированных иРНК по сравнению с клетками 16DIV [32].
Билирубин также вызывает более выраженный некроз и апоптоз, высвобождение глутамата, секрецию TNF-а и активацию ядерного фактора каппа-B (NF-kB) в астроцитах по сравнению с дифференцированными в исследованиях in vitro [33,34]. Цитокины обладают плейотропным действием и играют важную роль в развитии мозга [35,36]. TNF-a влияет на укрепление синапсов и нейротрансмиссию [35]. IL-1fi может влиять на нейрогенез, астроглиогенез, миграцию нейронов и прокладку аксонов [36]. ИЛ-6 способствует избыточному нейрогенезу и вносит свой вклад в долгосрочный поведенческий дефицит [36]. Таким образом, нейрогенез может нарушаться в результате избыточной нагрузки цитокинами и токсинами в ответ на воздействие билирубина на молодые глиальные клетки, в то время как в дифференцированных глиальных клетках эти нарушения выражены слабее. Реакция глиальных клеток на билирубин в живом мозге неизвестна.
Региоспецифическое нейровоспаление при билирубиновой нейротоксичности
неонатальный гипербилирубинемия билирубиновый нейротоксичный
Билирубин избирательно поражает клетки мозга в определенных зонах, таких как базальные ганглии, ядро ствола мозга, гиппокамп и мозжечок [37]. От этого "поражения" и произошло название "керниктерус" [38]. В связи с этим представляется важным выявить механизмы, лежащие в основе регионарной нейротоксичности билирубина. Возможно, это связано с различиями в поглощении билирубина, его клиренсе или чувствительности клеток. Тем не менее требуются дополнительные исследования. В настоящем обзоре описаны полученные к настоящему времени результаты изучения местного нейровоспаления. Одноклеточный анализ выявляет регионально - зависимую гетерогенность микроглии и астроцитов [39-41]. Активация микроглии и астроцитов, индуцированная липополисахаридом, зависит от региона мозга [42,43]. Активация микроглии и повышение уровня цитокинов наблюдаются в пораженных билирубином областях мозга in vitro [44]. Активация микроглии и астроцитов избирательно локализуется в зонах, более пораженных билирубином у керниктерусных мышей [45,46]. Анализ экспрессии полногеномных генов показал, что в слуховом пути у керниктерусных мышей наблюдается значительное повышение экспрессии генов NF-kB и S100A8 [47]. Протеомный анализ мозговых оболочек мышей с желтухой Ugtl выявил восемь измененных белков, шесть из которых относятся к пути p38 митоген-активируемой протеинкиназы (MAPK) [48]. Этот путь участвует в регуляции биосинтеза воспалительных цитокинов [49]. Присутствие монооксигеназ цитохрома P450 (CYPs) является одним из возможных объяснений различного влияния билирубина на нижнюю (восприимчивую) и верхнюю (устойчивую) колликулу у крысы с керниктером Ганна [50]. В другом исследовании сообщается, что уровень IL-1в, индуцируемого билирубином, значительно выше в задней, чем в верхней колликуле у крысы с керниктером Ганна [44].
Интрацеребровентрикулярное введение IL-ip препятствует экспрессии CYPs (CYP1A) в мозге крыс. Таким образом, можно предположить, что IL-10 может вызывать региональнос пецифическую билирубиновую токсичность, регулируя активность CYPs в мозге. Эти данные свидетельствуют о том, что пространственная вариабельность реакции глиальных клеток может быть одним из факторов, способствующих региональной специфичности билирубиновой нейротоксичности. Однако вопрос о том, является ли нейровоспаление инициирующим или вторичным по отношению к региональному билирубиновому повреждению, а также является ли регионально-зависимая гетерогенность глиальных клеток фактором, способствующим региональной билирубиновой нейротоксичности, остается неизвестным. Влияет ли нейровоспаление на продолжительность билирубинового инсульта и как меняется нейровоспалительная реакция на разных этапах нейроразвития в конкретном регионе, требует дальнейшего изучения.
Инь-Ян свойства нейровоспаления при билирубиновой нейротоксичности
Билирубин выполняет двойную роль - токсическую и терапевтическую, так называемые инь-ян свойства. У новорожденных он считается нейротоксином, так как высокая частота тяжелой гипербилирубинемии в итоге приводит к неврологической дисфункции. С другой стороны, малое количество билирубина обладают терапевтическим потенциалом в отношении различных заболеваний, таких как аутоиммунный энцефаломиелит и ишемически-реперфузионное повреждение. Наиболее распространенная теория гласит, что умеренный уровень билирубина может быть полезен, в то время как избыточный билирубин токсичен. Однако механизмы, лежащие в основе противоположных эффектов, остаются неизвестными. В настоящее время рассматриваются две стороны нейровоспаления в патогенезе билирубиновой нейротоксичности.
Микроглия -- это подвижные клетки, исследующие среду мозга. При вторжении в мозг или инсульте микроглия быстро переходит в различные функционально перекрывающиеся фенотипы, оказывая нейропротекторное и нейротоксическое действие. Фагоцитарная микроглия является первыми клетками, активирующимися при билирубиновом инсульте, в попытке защитить нейроны от повреждения путем подавления воспалительной реакции, очистки от вредных веществ и удаления клеточного мусора. Этот тип активации является преходящим и со временем снижается. В противоположность этому на поздней стадии билирубиновой токсичности увеличивается количество провоспалительных микроглий, которые вызывают гибель нейронов за счет секреции воспалительных цитокинов, хемокинов, протеаз и других токсических веществ.
Микроглия двух типов не является категорически "плохой" или "хорошей". Провоспалительные микроглии могут предотвращать инфекцию, вырабатывая воспалительные цитокины, и разлагать отмирающие нейроны, способствуя фагоцитозу. С другой стороны, избыток фагоцитирующих микроглий может приводить к нарушению восстановления тканей. В данном случае предполагается, что баланс подтипов микроглии может быть одним из механизмов нейропротекторного действия билирубина.
В зависимости от свойств микросреды астроциты могут активироваться и проявлять различные фенотипы, оказывая либо нейротоксическое, либо нейропротекторное действие. Реактивные астроциты могут повышать секрецию провоспалительных цитокинов, таких как TNF-a, IL-1fi и IL- 18, и снижать продукцию IL-6 в ответ на билирубин in vitro.
Билирубин активирует в астроцитах in vitro домен изоляции, богатый лейциновыми повторами и пириновый домен, содержащий 3 (NLRP3) инфламмасомы, NF-kB и митоген-активированную протеинкиназу (MAPK). Билирубин вызывает гибель астроцитов в результате пироптоза - воспалительной формы запрограммированной клеточной смерти. Эти данные свидетельствуют о том, что реактивные астроциты токсичны в отношении билирубинового инсульта, поскольку продуцируют избыточное количество провоспалительных цитокинов. Имеются ограниченные сведения о том, что астроциты оказывают защитное действие при билирубиновом повреждении. В модели совместной культуры астроциты предотвращают дисфункцию и гибель нейронов, вызванную билирубином. Действительно, реактивные астроциты могут секретировать противовоспалительные цитокины и нейротрофические факторы, брать на себя фагоцитоз в отсутствие микроглии и, таким образом, оказывать благоприятное воздействие при заболеваниях ЦНС.
Билирубин также индуцирует аутофагию через рапамицин-стресс эндоплазматического ретикулума-протеинкиназу С(mTOR/ER-stress/PKC)/ кальциевую сигнализацию в астроцитах, оказывая цитопротекторное действие. Низкие дозы билирубина способствуют повышению регуляции и перераспределению ассоциированного с множественной лекарственной устойчивостью белка 1 (MRP1), защищая астроциты от цитотоксического воздействия.
Реактивные формы кислорода (ROS) выступают в качестве центральных регуляторов воспалительной сигнализации. В зависимости от концентрации РОС могут быть как защитными, так и разрушительными. Умеренное количество ROS служит физиологическим сигналом в клетках, а избыточное - разрушительным, приводящим к гибели клеток. Билирубин может оказывать как антиоксидантное, так и прооксидантное действие в зависимости от концентрации. Механизмы поглощения билирубином ROS могут включать соединение с кислородными радикалами, ингибирование активации никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфат-оксидазы 4 (NOX4) и активацию пути ядерного фактора эритроидного 2-родственного фактора 2 (Nrf2). Для лечения ROS-опосредованных заболеваний были разработаны нанопрепараты билирубина. Кроме того, во многих работах сообщается о прооксидантных свойствах билирубина. Билирубин усиливает клеточный окислительный стресс, вызванный кислородно-глюкозной депривацией в органотипических срезах гиппокампа. Окислительный стресс, индуцированный свободным билирубином, по-видимому, вызывает повреждение ДНК in vitro. Клинические исследования у младенцев показывают противоречивые результаты. В одних исследованиях показано, что повышенный билирубин усиливает окислительный стресс, в других - что повышенный билирубин либо отрицательно влияет на окислительный стресс, либо не влияет вообще.