Kontakt:jerry.he@wecistanche.com

Cistanche může pomoci s neuroprotekcí

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

1 Ústav buněčné biologie, fyziologie a imunologie, Institut de Neurosciences (INc),

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

2 Laboratoř „Hormonální regulace vývoje a funkcí mozku“ – tým 8, Institut Necker Enfants-Malades (INEM), INSERM U1151, Université Paris Descartes, Sorbonne Paris Cité,

75015 Paříž, Francie

* Korespondence: david.romeo-guitart@inserm.fr; Tel.: plus 33-01-40-61-53-57 † Zemřel 29. června 2020.

Abstraktní: Postmitotické buňky, stejně jako neurony, musí prožít celý život. Z tohoto důvodu se organismy/buňky vyvinuly se samoopravnými mechanismy, které jim umožňují dlouhý život. Průběh objevů neuroprotektorů se v posledních letech zaměřil na blokování patofyziologických mechanismů, které vedou ke ztrátě neuronů při neurodegeneraci. Bohužel jen několik strategií z těchto studií dokázalo zpomalit nebo zabránit neurodegeneraci. Existují přesvědčivé důkazy prokazující, že podpora samoléčebných mechanismů, které organismy/buňky endogenně mají, běžně označované jako buněčná odolnost, může vyzbrojit neurony a podpořit jejich samoléčení. Ačkoli posílení těchto mechanismů dosud nebyla věnována dostatečná pozornost, tyto cesty otevírají nové terapeutické cesty k prevenci smrti neuronů a zmírnění neurodegenerace. Zde zdůrazňujeme hlavní endogenní mechanismy ochrany a popisujeme jejich roli při podpoře přežití neuronů během neurodegenerace.

Klíčová slova: autofagie; buněčná odolnost; endogenní mechanismy; neuroprotekce; přežití neuronů; rozložená proteinová odpověď

1. Neurodegenerativní procesy

S rostoucí očekávanou délkou života ve vyspělých zemích se pravděpodobně zvýší frekvence neurodegenerativních onemocnění, jako je Alzheimerova choroba (AD), Parkinsonova choroba (PD) nebo Huntingtonova choroba (HD), nebo věkem podmíněný pokles výkonnosti našeho nervového systému. Ačkoli existuje několik linií důkazů, které naznačují, že tyto patologie mají neuronální, astrogliální a mikrogliální složky, pokles denních funkcí je způsoben progresivní ztrátou neuronů. Kvůli nízkému obratu jsou neurony postmitotické buňky, které musí žít po celý život. Z tohoto důvodu potřebují silnou vnitřní ochrannou mašinérii, aby se vyrovnali s vnějšími a vnitřními urážkami, což způsobí jejich zánik. Těmito vnějšími/vnitřními riziky jsou traumatická poranění nebo excitotoxické sloučeniny, reaktivní formy kyslíku (ROS), proteinové agregáty a další toxické molekuly. Naštěstí buňky mají vnitřní mechanismy, které blokují smrt aktivací mechanismů odolnosti nebo podporou regeneračních drah. Zatímco mladé neurony správně fungují tyto samoléčebné ochranné mechanismy, stárnutí je narušuje a nechává neurony nechráněné. Ve stejném směru byla dysfunkčnost těchto samoléčebných mechanismů popsána také u neurodegenerativních onemocnění.

Během posledních desetiletí bylo vynaloženo obrovské úsilí na získání nových a účinných neuroprotektivních terapií. Mají však cílit na patofyziologické mechanismy, což se nakonec změní v urychlení zániku neuronů. Proč tedy neposílit mechanismy, které neurony přirozeně mají k získání účinného neuroprotektivního přístupu?

Tato ochranná síť je řízena přeslechy různých buněčných procesů (tj. odpověď na rozložený protein (UPR), autofagie atd.), ale ty se sbíhají do stejného procesu: umožňují buňce adaptovat se na stres a přežít [1–3] . Nedávno jsme uvažovali o novém zdůvodnění objevu neuroprotektiv: dešifrovat, jaké molekulární mechanismy zapojují neurony po dvou různých nervových poraněních s opačnými fenotypy, přežitím nebo smrtí, které sdílejí podobnosti se zdravím a neurodegenerací/stárnutím. K tomu jsme použili dva modely poranění periferních nervů založené na in vivo, které napodobují funkčnost nebo dysfunkčnost endogenních mechanismů ochrany. Vyvolávají buď smrt motoneuronu (MN) (avulze kořene (RA)) nebo přežití (distální axotomie (DA)), v závislosti na vzdálenosti soma–poranění [2]. S pomocí těchto modelů a za použití přístupu založeného na systémové biologii jsme potvrdili, že smrt MN po RA sdílí podobnosti se ztrátou neuronů pozorovanou u neurodegenerativních onemocnění, a také jsme popsali, jaké mechanismy MN používají k přežití po poranění nervu. [2]. Degenerativními procesy jsou apoptóza, nekróza, anoikis, stres endoplazmatického retikula (ER), nukleolární stres, cytoskeletální přeuspořádání a mitochondriální dysfunkce, přičemž hybateli přežití jsou: správná UPR, reakce na tepelný šok, autofagická dráha, ubikvitin- proteazomový systém, chaperonové systémy, ER-asociovaný degradační aparát a antioxidační obrana (tabulka 1). Je zajímavé, že všechny tyto mechanismy byly již před lety samostatně popsány a označovány jako předkondicionační poranění (viz níže).

Tabulka 1. Souhrn proteinů zahrnutých do každého endogenního mechanismuneuroprotekce, včetně molekulárního mechanismu, kterým jsou jejich účinky zprostředkovány.

Prokázali jsme, že posílení těchto endogenních mechanismů neuroprotekce prostřednictvím farmakologické léčby umožňuje MN přežít v různých scénářích před smrtí, od různých druhů až po různá stádia vývoje [23,54,55].

2. První důkaz endogenních mechanismů: předkondicionování

Fenotypové účinky endogenních mechanismů ochrany byly popsány před 40 lety. V roce 1986. Murry a kol. popsali, že subletální fyziologický stres, známý také jako předkondicionační poranění, zvyšuje obnovu tkáně v srdci [56]. Odtud byly tyto léčebné mechanismy pozorovány také v mozku a míše (SC) [57]. Tyto buněčné odpovědi jsou například pozorovány po poranění nervu nebo během regenerace srdce, kde produkce ROS nebo extracelulárních vezikulů řídí funkční zotavení [58–60]. Překvapivě předkondicionování konkrétního orgánu poskytuje ostatním ochranu před zraněním [61]. Za tyto efekty je zodpovědné několik specifických efektorů. Po předkondicionačním poranění produkce různých mediátorů (oxid dusnatý nebo ROS) aktivuje signální dráhy fosfatidylinositol 3-kinázu (PI3K)/proteinkinázu B (AKT), proteinkinázu C (PKC) a další signální dráhy, které bude modulovat transkripční faktory, jako je hypoxií indukovatelný faktor 1-alfa (Hif1-) nebo NF-kB. Ty povedou k produkci syntáz oxidu dusnatého (iNOS), proteinů tepelného šoku (HSP) a cyklooxygenázy-2 (COX-2), které jsou označovány jako „koncové efektory“, a budou podporovat ochranný účinek uvnitř tkáně proti budoucím inzultům [61]. Tyto studie společně naznačují, že organismy/buňky mají endogenní ochranné mechanismy a jejich posílení může být účinnou terapeutickou strategií.

3. Endogenní mechanismy neuroprotekce

3.1. Jemné ladění autofagie

Neurony vyžadují neustálou recyklaci intracelulárních materiálů k udržení homeostázy. Makro-autofagie, dále označovaná jako autofagie, je vysoce koordinovaná molekulární síť v eukaryotických buňkách, která se snaží recyklovat cytoplazmatický obsah prostřednictvím lysozomální degradace. Ačkoli tento degradační mechanismus byl zpočátku pozorován pouze při hladovění, nedávné studie ukázaly, že buňky mají základní úroveň autofagie pro regulaci proteinové homeostázy. Tyto bazální hladiny jsou nezbytné pro axonální udržení a přežití neuronů za normálních podmínek [62,63]. Funkční autofagický tok je proces vysoce koordinovaný různými geny souvisejícími s autofagií (ATG), kinázami a dalšími regulačními proteiny. Všechny pracují společně, aby zorganizovaly správnou iniciaci, nukleaci, elongaci, uzavření a fúzi autofagozomů s lysozomy za účelem degradace cytosolické zátěže [64]. Během stárnutí je v hipokampu pozorován snížený tok autofagie, zatímco obnovení jeho hladin usnadňuje tvorbu nových vzpomínek [65]. Porucha nebo dysfunkční autofagie v neuronech je spojena s neurodegenerací, zatímco aktivace autofagie vede kneuroprotekce[5,54]. Změny v proteinech související s počáteční a elongační fází byly pozorovány u amyotrofické laterální sklerózy (ALS) [66,67] a induktory autofagie, jako je rapamycin, působíneuroprotekcepo cerebrální ischemii, traumatickém poranění mozku (TBI) a AD [68–70]. Neuron-specifický knockout (KO) ATG5 nebo ATG7 způsobuje neurodegeneraci, akumulaci cytoplazmatických inkluzních tělísek a smrt neuronů [62,71], zatímco jejich nadměrná exprese je prospěšná v modelu PD [4]. A konečně, p62, který řídí náboj v autofagozomu a hraje klíčovou roli v pozdních fázích tvorby autofagozomů, je neuroprotektivní u muších modelů charakterizovaných proteinovými agregáty, což je charakteristickým znakem neurodegenerativních onemocnění [6].

Několik studií ukázalo akumulaci autofagozomů a autolysozomů během neurodegenerace, což naznačuje, že autofagie je nadměrně aktivována a může vyvolat smrt neuronů. Aberantní akumulace autofagických procesů v cytoplazmě může být způsobena spíše lysozomální dysfunkcí než přeaktivovanou autofagií [72]. Autofagie je správně zahájena po TBI, ale autofagozomy nejsou eliminovány kvůli lysozomální dysfunkci, což vede k nevyřešené autofagii, která podporuje smrt neuronů [73]. Tyto nefunkční lysozomální dráhy jsou také pozorovány po poranění míchy (SCI), což brání funkčnímu zotavení [74]. Podobná blokáda v clearance autofagozomů je také popsána u neurodegenerativních onemocnění (tj. lidských mozků AD) [75]. Integrace všech těchto důkazů naznačuje, že zvýšení rozlišení autofagie může přinést ochranu. Platt nedávno zdůraznil terapeutickou cestu zlepšení funkce lysozomálních proteinů k prevenci neurodegenerace [76]. Nadměrná exprese transkripčního faktoru EB (TFEB), který moduluje transkripční síť nezbytnou pro biogenezi a funkci lysozomů, podporuje neuroprotektivní účinky u krysího modelu PD [7] a myšího modelu AD [8].

Indukce autofagie není tak dobrá, jak bychom chtěli. Přestože se jedná o kanonický ochranný mechanismus, jeho mašinérie nebo nadměrná aktivace může usnadnit buněčnou smrt [77,78]. Inhibice autofagie po expozici lidským prionům snižuje poškození neuronů, což naznačuje, že indukce autofagie také řídí smrt [79] a snížená iniciace autofagie podporuje funkční zotavení po hemisekci SC, zabraňuje apoptóze a snižuje pyramidální smrt po ischemii u novorozenců. a dospělé myši [80–82]. Pokud se zaměříme na axotomizované neurony, blokující autofagie je neuroprotektivní pro rubrospinální [80], zatímco zvýšení hladiny ATG5 chrání páteřní MN [5]. Ke kontroverzi se přidává, že rakovinné buňky ošetřené chemoterapií aktivují autofagii, aby překonaly apoptotickou smrt vyvolanou léčbou, zatímco autofagie závislá na MN apoptózu inhibuje [54]. Kromě toho ATG také spouštějí neuronální smrt. ATG5 při štěpení ztrácí své pro-autofagické schopnosti, čímž se jeho aktivita posouvá směrem k indukci buněčné smrti [83–85]. Beclin1 má za normálních podmínek antiapoptotické účinky, ale jeho štěpení na C-konci senzibilizuje buňky na apoptotické signály [9]. Mezi oběma buněčnými procesy proto dochází k přeslechům a buňky je mohou přesměrovat, aby zvýšily své šance na přežití, aby se vyrovnaly s urážkou [83].

Co je tedy důležiténeuroprotekce? Posílení nebo blokování autofagie? Jemné doladění je odpověď [86]. Indukce jemně vyladěné autofagie přináší příznivé účinky tím, že: (i) odstraňuje nefunkční proteiny/organely, (ii) umožňuje buňce znovu se adaptovat na novou situaci a (iii) degraduje škodlivé účinky, jako jsou záněty nebo induktory apoptózy. 87,88], které zprostředkovávají zánik neuronů. Tato autofagie však musí být aktivována ve velmi specifickém časovém okně, aby se zabránilo nadměrné degradaci, která vyvolává buněčnou smrt.

A konečně, autofagie má také nekanonické/degradativní funkce, jako je modulace zánětlivé odpovědi, tvorba nových vzpomínek [65], udržování synaptické homeostázy [89] a transport nákladu v buňce [ 90]. Takže jeho úplné zablokování povede k nevratnému poškození nervového systému a/nebo neuronů.

Cistanche může pomoci s neuroprotekcí

3.2. Vypořádejte se se sexy částí rozvinuté proteinové odezvy

Neurony jsou extrémně citlivé na špatně složené proteiny a agregáty. ER je zodpovědný za buněčnou proteostázu, což je syntéza, skládání a třídění proteinů. Jakákoli změna v jeho vhodnosti povede k akumulaci špatně složených proteinů, vyvolání stresu ER a aktivaci ER-overload response (ERO), ER-associated degradation paths (ERAD) nebo UPR, což je vysoce konzervovaná buněčná odpověď. Změny v distribuci a morfologii ER a UPR byly pozorovány u neurodegenerativních onemocnění [91–93] a při izolaci neuronu po poranění nervu [16,94]. Vazebný imunoglobulinový protein (BIP), také známý jako GRP78, je chaperon rezidentní na ER, který je hlavním senzorem UPR. V neaktivním stavu zůstává BIP vázán na tři ma-

jor UPR efektory: RNA-aktivovaná proteinkináza podobná ER kináze (PERK), která indukuje C/EBP homologní protein (CHOP), inositol vyžadující protein-1alfa (IRE1), který spojuje protein vázající X-box 1 (Xbp1) mRNA a aktivační transkripční faktor -6 alfa (ATF6) [95,96]. Když BIP detekuje špatně poskládané proteiny, jsou tyto převodníky aktivovány a řídí změny v genové expresi specifických proteinů (tj. chaperonů, transkripčních faktorů) s cílem zvýšit schopnost buňky správně skládat proteiny modulací genové exprese, čímž se zvýší clearance chybně poskládaných proteinů. clearance proteinů neboli inhibice syntézy proteinů, což buňce umožňuje adaptovat se na stres a přežít [97]. Jako důkaz konceptu nadměrná exprese BIP v dopaminových neuronech zvyšuje jejich přežití, zatímco její downregulace indukuje smrt nigrálních dopaminových neuronů [10]. Kromě toho myši BIP plus/− vykazují zrychlené šíření prionové patogeneze [98]. Celkově může modulace UPR vykazovat ochranné účinky na neurodegeneraci [94], jak nedávno přezkoumala naše skupina [99]. Aktivace UPR je časnou událostí u neurodegenerativních onemocnění a její přesná modulace má příznivé účinky na progresi patologie [100,101]. Ačkoli UPR může působit jako endogenní mechanismus ochrany buňky, jeho (nad)aktivace podporuje apoptózu [102] (tj. osa PERK má pro- nebo antiapoptotické schopnosti [91]). Kromě toho nedávné důkazy naznačují, že různé poruchy ER budou aktivovat rozdílně 3 větve UPR, což naznačuje, že jejich koordinovaná koaktivace není vždy přítomna.

Proto má buňka specifický program pro reakci na konkrétní urážku. Například blokáda CHOP nebo nadměrná exprese Xbp1 zvyšuje přežití neuronů po poškození nervu, což naznačuje, že každá větev má při smrti neuronů různé role [16].

Uplatňuje se časná aktivace PERK po poranění mozkuneuroprotekce, zatímco trvalá signalizace prostřednictvím této dráhy zhoršuje buněčnou ztrátu [11]. Nadměrná exprese nebo farmakologická aktivace PERK snižuje patologii Tau [12], zatímco odvrácení její trvalé aktivace snižuje neuronální smrt [13] a zlepšuje věkem podmíněný pokles paměti [14]. Inhibice PERK v astrocytech oddaluje ztrátu neuronů v modelu prionové choroby in vivo. Je zajímavé, že aktivace PERK v astrocytech narušuje sekretom, mění jeho synaptogenní funkci a způsobuje synaptickou ztrátu [15]. Stejní autoři popsali, že hlavní

následnými mechanismy zapojenými do tohoto škodlivého účinku PERK jsou adhezní dráhy extracelulární matrix-buňka, které zesíťují UPR s anoikis (viz níže, část 3.4). Hladiny aktivačního transkripčního faktoru 5 (ATF5) jsou přímo závislé na aktivaci PERK/eukaryotického translačního iniciačního faktoru 2a (eIF2a). ATF5 byl přímo spojen s těmi neurony, které jsou odolnější vůči smrti u lidské epilepsie [26]. Následné důsledky těchto účinků však nejsou tak jasné. ATF5 indukuje expresi dvou antiapoptotických efektorů (viz níže), B-buněčného lymfomu 2 (Bcl-2) a indukovaného diferenciačního proteinu myeloidních leukemických buněk (Mcl-1) [103], které budou inhibovat apoptóza. ATF5 také moduluje mechanistický cíl rapamycinu (mTOR) v neneuronálních tkáních, který je hlavním modulátorem autofagie, která vzájemně souvisí s UPR a autofagií.

Aktivace IRE1 zlepšuje jaterní selhání [17] a jeho downstream efektor Xpb1 podporuje srdeční ochranu [18],neuroprotekceu AD, u PD a po cévní mozkové příhodě [19–21]. Překvapivě studie u diabetické a ischemií indukované retinopatie ukázala, že ochranné účinky UPR jsou zprostředkovány Xbp1 [22]. Chronická aktivace větve IRE1 však povede k fosforylaci faktoru 2 spojeného s receptorem tumor nekrotizujícího faktoru-a (TNF- ) (TRAF2), který různými způsoby spouští apoptotickou buněčnou smrt [104–106]. Ektopická nadměrná exprese Ire1 povede k neuronální smrti závislé na autofagii v modelu PD Drosophila [107]. Proto může upravená modulace IRE1 -Xbp1 během konkrétního okna vyvolat ochranu [108].

Nedávno jsme popsali, že farmakologická léčba NeuroHeal nebo nadměrná exprese sirtuinu1 (SIRT1) indukuje přežití MN po poranění nervu a zvyšuje přítomnost štěpeného ATF6 a zároveň snižuje fosforylaci IRE1 [23]. Farmakologická aktivace ATF6 indukuje ochranu v různých modelech ischemie aktivací proteostázy [24] a blokáda tohoto transkripčního faktoru má škodlivé účinky. ATF6 podrobně moduluje expresi proteinů souvisejících s antioxidační odpovědí a moduluje hormezu ROS [109]. Nucená exprese ATF6 zlepšuje funkční výsledek po cévní mozkové příhodě a autoři předpokládají, že tento účinek může být zprostředkován indukcí autofagie [25].

Co je tedy terapeuticky zajímavé, aktivující nebo tlumící UPR? Klíčovým bodem je aktivace konkrétních větví UPR. Přesná aktivace UPR může podporovat ochranné účinky tím, že pomáhá buňce obnovit proteostázu. Nicméně tento koncept by měl být brán s opatrností, protože pokud stres přetrvává a proteostáza není obnovena, UPR spouští neuronální apoptózu, která je zprostředkována větví PERK nebo IRE1 [110]. UPR je navíc spojena i s autofagií a naopak. BIP zprostředkovává autofagickou odpověď a podporuje přežití neuronů [111]. A konečně, 3 větve UPR modulují transkripci ATG [112], což naznačuje složité spojení mezi oběma buněčnými procesy.

3.3. "Dnes ne" Apoptóza

Apoptóza je programovaná buněčná smrt závislá na kaspáze (PCD), která zachovává integritu buněčné plazmatické membrány a organel [113]. Jeho dysregulace je příčinou mnoha rakovin, neurodegenerativních nebo zánětlivých patologií. Kaspázami indukovaná smrt je vysoce kontrolovaný proces, který vyžaduje koordinovanou aktivaci několika hráčů, aby způsobil konečnou buněčnou smrt [114]. Charakteristické znaky smrti podobné apoptóze se nacházejí v myších modelech s amyotrofickou laterální sklerózou (ALS), AD nebo PD, i když není jasné, zda je konečným vykonavatelem zániku neuronů [115]. Během evoluce si buňky vyvinuly několik mechanismů, jak zabránit jejich smrti, když to není potřeba, nebo se vyhnout předčasnému PCD. Buňky spouštějí účinnou apoptotickou smrt pouze tehdy, když je rovnováha mezi pro- a antiapoptózou tlačí ke smrti. Na základě našich in vivo modelů jsme pozorovali, že RA indukuje apoptotické dráhy, ale také antiapoptotické, a jejich rovnováha vede k alternativní a neznámé smrti, která není klasickou apoptózou [2]. Poslední publikace v oboru naznačují, že kaspázy také působí remodelací nervového systému, aniž by podporovaly buněčnou smrt [116], a jejich aktivita závisí na jejich subcelulární poloze. Proto aktivní formy kaspáz, které se nacházejí v neurodegenerativních tkáních, mohou mít roli nesouvisející se smrtí a konečná smrt neuronů je způsobena jinými fatálními mechanismy.

Apoptóze mohou bránit antiapoptotické dráhy, které jsou řízeny třemi rodinami proteinů: FLICE-inhibiční proteiny, Bcl-2, a inhibitory apoptózových proteinů (IAP). IAP působíneuroprotekcev modelu ischemie [27] nebo se vyhnout smrti MN po poranění nervu během neonatálních stadií [28]. Předpokládá se, že IAP jsou zodpovědné za blokádu neuronální smrti po axotomii v dospělosti [29]. Ve stejném směru byla popsána posttranslační modifikace X-linked–IAP (XIAP), která blokuje její funkci anti-kaspázy 3, jako přispěvatel k patogenezi PD [117].

Ischemické předkondicionování, které částečně snižuje škodlivé účinky ischemie, působí prostřednictvím IAP a umožňuje buňkám přežít po aktivaci kaspázové kaskády [30]. IAP také zprostředkovávají pro-survival efekt neurotrofického faktoru odvozeného z gliálních buněk (GDNF) na MN po neonatální axotomii [28]. Dalšími molekulárními cestami, které se vyhýbají buněčné smrti modulací proapoptotických proteinů, jsou extracelulární signálem regulované kinázy (ERK) a AKT. V tomto smyslu byla dráha AKT popsána jako hráč podporující přežití tím, že blokuje apoptózu [31]. AKT inhibuje induktor apoptózy p53 podporou jeho degradace, a proto blokuje jeho proapoptotické schopnosti [32–34]. Jinak jsou kaspázy schopny inhibovat AKT svým štěpením, což poukazuje na jemně vyladěnou modulaci přežití a smrti buněk [118]. Na druhé straně aktivita AKT fosforyluje transkripční faktory Forkhead box protein O (FOXO). Souvisí s apoptózou [119] a jejich modifikace vede ke zvýšenému přežití buněk [35]. AKT-dependentní fosforylace FOXO zabraňuje jejich vstupu do jádra, čímž zabraňuje indukci proapoptotických genů, jako je Bcl{19}} interagující mediátor buněčné smrti (BIM) nebo Bcl{20}} interagující devatenáct kilodaltonů protein 3 (Bnip3) [119–121]. Na druhou stranu posttransdukční modifikace FOXO dolaďují jejich transkripční síť v buňce a posouvají ji směrem k indukci autofagie namísto apoptózy [54,121–123]. Proto je specifická modulace rodiny FOXO novou cestou k podpoře přežití neuronů inhibicí apoptózy [54,124].

Konečně, neuronální aktivita je také promotorem anti-apoptózy upregulací antiapoptotických genů závislých na NMDA [125,126]. Některé z těchto upregulovaných genů umožňují mitochondriím stát se odolnějšími vůči stresu [126], což buňce pomáhá přežít urážku.

3.4. Opětovné připojení pomocí Anti-Anoikis

Interakce mezi buňkou a extracelulární matricí (ECM) je nezbytná pro její správnou funkční integraci do tkáně. Když je tento přeslech odvrácen, buňka umírá prostřednictvím PCD nazývaného anoikis, který sdílí cesty s apoptózou. Je zajímavé, že rozpad vnitřních programů anoikis propůjčuje nádorovým buňkám malignitu, což jim dává dostatečnou buněčnou odolnost, aby mohly uniknout a znovu se připojit k jiným tkáním, aniž by zemřely [127,128]. Hlavními efektory těchto interakcí jsou integrinové proteiny, které jsou tvořeny kombinací a podjednotek. Tato kombinace určí specifičnost ligandu a intracelulární signalizaci. Signály ECM jsou přenášeny do neuronů prostřednictvím integrinů, které jsou nezbytné pro tvar buňky, přežití, pohyblivost, proliferaci, vývoj, neuronální konektivitu a synaptickou plasticitu [129]. Integriny jsou také důležité pro intracelulární signalizaci růstových faktorů [130], což jsou dobře známé modulátory přežití neuronů blokováním mechanismů pro smrt. 1 integrinová podjednotka je nezbytná pro interakci buňka-ECM a její zablokování je dostatečné ke spuštění anoikis [36] a neuronální apoptózy [131]. Kromě toho intracelulární signalizace této podjednotky souvisí s přežitím gangliových buněk sítnice [132] a jejich defekty jsou přítomny u neurodegenerativních poruch [133].

Nicméně buňky si vyvinuly anti-anoikis podprogramy k potlačení smrti, které jsou iniciovány tyrosinkinázami, malými GTPázami [128], NF-kB [134], PI3K/AKT, protoonkogen tyrosin-proteinkinázou (Src) nebo osami ERK. a autofagií [135,136]. NF-kB moduluje anti-anoikis spouštěním antiapoptotických proteinů, jako jsou Bcl-2 a IAP- 1 [135], mezitím je role PI3K/AKT v přežití buněk široce zdokumentována a přispívá k přežití diferencovaných buněk [36,37]. Odchlípení ECM také indukuje autofagii, což je sebeochranný mechanismus vedoucí k bypassové apoptóze [135]. Tyto důkazy opět naznačují spletitou síť mezi sebeochrannými mechanismy.

Anoikis je také přítomen při smrti neuronů po TBI v důsledku zvýšení matrix metaloproteinázy (MMP), která ničí proteiny ECM [137]. Exprese a hladiny MMP jsou modifikovány po neurotraumatu a mají různé role v axonální degeneraci, tvorbě gliálních jizev a synaptické remodelaci. Pokud jde o přežití neuronů, inhibice MMP9 má ochranné účinky při mozkové ischemii snížením degradace lamininu [38]. MMP se také podílejí na neurodegeneraci [138]. Nedávné studie popsaly, že inhibice MMP9 má ochranné účinky na motorickou jednotku z ALS myšího modelu [39,40] a AD modelů [41]. Léčba k inhibici specifických MMP tedy nepřímo udrží anti-anoikis program v neuronech, což usnadní jejich přežití.

3.5. Cytoskelet a motorové transportéry

Neuronální cytoskelet se skládá ze tří různých strukturních komplexů: mikrotubuly (MT), intermediární vlákna (IF) a aktinová mikrofilamenta. Mají různé buněčné funkce: MT reguluje dynamiku neuritů a dendritů [139], aktin má na starosti buněčnou morfologii [140] a IF řídí mechanickou a stabilitu struktury cytoskeletu [141]. Defekty strukturních komplexů jsou pozorovány u neurodegenerativních onemocnění, u periferních neuropatií, u synaptické dysfunkce a vedou ke zralé ztrátě páteře [141–146].

Dynamika MT je vysoce kontrolovaný proces a jeho nerovnováha může mít zničující důsledky pro přežití neuronů nebo výkon axonů [142], zatímco jeho stabilizace blokuje smrt neuronů [147] a urychluje růst axonů v centrálním nervovém systému [148]. Podrobněji, cytoskeletálními strukturami jsou železnice, zatímco motorické proteiny kinesin a dynein jsou vlaky, které přenášejí náklad anterográdním nebo retrográdním transportem. Proto jsou motorické komplexy také nezbytné pro přežití neuronů. Rodina kinesinů je tvořena členy kinesinů-1 (historicky pojmenovaný KIF5c) a kinesinů-3 (KIF1A, KIF1B a KIF1B) [149]. KIF5c je obohacen o MN [150] a jeho genetická ablace je spojena s onemocněním MN a paralýzou [149,151]. Nedávno byla zahrnuta do patogeneze ALS [152]. Porucha jeho interakce s MT vede k axonální degeneraci a následné smrti neuronů [153]. Narušení KIF5c vede k poruchám dynamiky mitochondrií, což má za následek přežití nebo smrt neuronů v závislosti na podnětech. Navíc KIF5c dolaďuje mitochondriální funkci, mění se na buněčné zdraví (viz níže, část 3.6.) [42] a jeho modulace může podporovatneuroprotekce. Proteinové agregáty, jako je amyloid-, mají škodlivý účinek na stabilitu KIF5a, což vede k poškození mitochondriálního pohybu a dobré funkce [154].

Uplatňují se také retrográdní proteinyneuroprotekce. Jsou to dyneiny a jsou to multiproteinové komplexy tvořené různými proteiny, přičemž nejhojnější podjednotky jsou p150glue (dynactin1/DCNT1). Jako model myší ALS byla použita dysfunkční podjednotka dynaktinu 1 (DCTN1) a její mutace způsobuje defektní axonální transport, který u myší vede k fenotypu podobnému ALS [155,156]. KO myši vykazují věkově závislou smrt MN, která je doprovázena blokádou autofagie [157]. DCTN1 má jasnou roli v transportu autofagických vakuol v těle neuronů a jeho narušení způsobuje akumulaci amfisomů v distálních axonech, což vede k fenotypu podobnému AD [158]. Lysozomální protein interagující s dyneinem Rab (RILP) hraje zásadní roli v biogenezi autofagozomů, transportu a jeho inhibice způsobuje akumulaci autofagických procesů [44]. Celkově bylo pozorováno, že dysfunkce MT spolu s aberantní lokalizací kinesinu a dyneinu vede k lysozomální dysfunkci, která vyvolává akumulaci autofagozomů a presynaptickou dystrofii u AD [159]. Nadměrná exprese DCTN1 v osteoklastech zabraňuje apoptotické smrti, což naznačuje, že motorické proteiny také hrají roli v zabránění buněčné smrti v jiných typech buněk a tkáních [43].

Stručně řečeno, snížení axonálního transportu je přítomno u mnoha neurodegenerativních onemocnění a po poranění nervového systému. Tento defekt bude mít za následek změny ve struktuře MT a/nebo molekulárních motorech nezbytných pro axonální transport [5]. Správný axonální transport je kritický pro normální fungování neuronů a poruchy tohoto procesu přispívají k zániku neuronů. Posílení transportního mechanismu buňky, buď stabilizací cytoskeletu nebo zvýšením hladin/aktivity motorických proteinů, se ukázalo jako neuroprotektivní obnovením správného autofagického toku v neuronu [5].

3.6. Mitochondriální dobře-funkce

Funkce neuronů závisí na energetické a vápníkové (Ca2 plus) rovnováze, takže výkon mitochondrií je pro ně klíčový. Mitochondrie nejsou statické organely. Mění tvar, velikost, počet nebo lokalizaci uvnitř buňky a mají schopnost fúzovat nebo dělit se štěpením, aby se přizpůsobily buněčné poptávce. Produkují energii prostřednictvím cyklu trikarboxylových kyselin (TCA) a oxidativní fosforylace (OXPHOS) prostřednictvím elektronového transportního řetězce (ETC). Aktivace OXPHOS povede k ROS, který má širokou škálu funkcí (diferenciace, autofagie, imunitní odpověď) na fyziologických úrovních [160] a axonální regeneraci [60]. Nicméně na suprafyziologických úrovních jsou ROS škodlivé, protože způsobují poškození lipidů, DNA a proteinů. Tyto změny byly spojeny s neurodegenerativními onemocněními, SCI a TBI. Mitochondrie také působí jako hlavní regulátor přežití neuronů prostřednictvím svého zapojení do drah, které modulují smrt neuronů.

Mitochondrie jsou transportovány po buňce cytoskeletem, motorickými proteiny a vhodnými adaptéry. V neuronech jsou na MT obchodovány hlavně pomocí adaptérů Miro a Milton/trafficking kinesin-binding protein 1 (TRAK) proteinů [161]. Tyto pohyby mitochondrií v neuronech jsou nezbytné pro udržení optimální kondice v synapsích, produkování energie, ukládání Ca2 plus atd. [162]. Mitochondrie se často lokalizují blízko ER a tvoří membrány ER spojené s mitochondriemi nebo membrány spojené s mitochondriemi (MAM). Tyto membránové mikrodomény jsou reverzibilní tethery, které koregulují a ovlivňují různé buněčné procesy, tj. syntézu/transport lipidů, Ca2 plus dynamiku/signalizaci, autofagii, mitochondriální tvar a velikost, apoptózu a energetický metabolismus [163]. MAM se mění u neurologických poruch, jako je AD, PD a ALS [164]. Mitochondrie působí jako centrum ATG, dodávají membrány pro tvorbu autofagozomů a modulují autofagický tok [165]. Mitochondrie také trpí UPR(mt) a v závislosti na aktivované dráze je spojován s prodlouženou délkou života u červů a myší [166], ale jeho nadměrná aktivace způsobuje neurodegeneraci [167].

Mitochondriální dysfunkce vzniká nedostatečným počtem mitochondrií, neschopností poskytnout jim potřebné substráty nebo dysfunkcí jejich elektronového transportu a mechanismu syntézy ATP. Vysoké hladiny ROS a příbuzných reaktivních druhů (RNS) lze neutralizovat enzymy dismutázy a antioxidanty [168]. Změny těchto enzymů a určitých mitochondriálních respiračních komplexů byly pozorovány u neurodegenerativních onemocnění, jako je ALS a PD [169]. Perturbace v počtu a funkci mitochondrií vážně narušují buněčnou homeostázu a spouštějí nástup onemocnění. Proto se buňky snaží udržovat dynamickou rovnováhu mezi protichůdnými procesy mitochondriální biogeneze a clearance. Hromadění dysfunkčních mitochondrií a/nebo ztráta jejich biogeneze vede k buněčné smrti. Nedávné terapeutické cesty k prevenci neurodegenerace mají za cíl posílit mitochondriální biogenezi modulací NAD plus [170], epigenetických známek [171] nebo modulací serotoninové osy v mozku [172]. Dysfunkční mitochondriální clearance mitofagií také vedeneuroprotekce. Nadměrná exprese PTEN-indukované kinázy 1 (PINK1), která je nezbytná pro zahájení procesu mitofágie, zvyšuje přežití neuronů v modelu HD [45]. Navíc NAD plus suplementace snižuje neurotoxicitu v PINK1-mutantním modelu PD [173].

Funkce mitochondrií je propojena s ROS a buněčnou antioxidační reakcí. Tímto způsobem transkripční faktor Nuclear factor erythroid-derived factor 2-faktor 2 (Nrf2) reguluje expresi cytoprotektivních a detoxikačních genů v boji proti oxidativnímu stresu a neurozánětům s cílem snížit poškození nervů. Proto může být účinnou manipulací k oddálení progrese onemocnění u neurodegenerativních onemocnění [174–176]. Pod stimulací ROS se Nrf2 disociuje z Kelch-like ECH-associated protein (Keap1), čímž reguluje expresi antioxidačních enzymů [177]. Bylo popsáno, že Keap1 zprostředkovává ubikvitinaci p62 [178]. Když je Keap1 downregulován, p62 se hromadí v buňkách a způsobuje cytotoxicitu, zatímco jeho nadměrná exprese podporuje degradaci p62 prostřednictvím autofagické dráhy. Na druhé straně p62 aktivuje Nrf2 cestou autofágie, aby vytvořil cestu p62-Keap1-Nrf2-antioxidant responzivního prvku (ARE) a působí proti oxidativnímu poškození způsobenému ROS [179]. Kromě toho Nrf2 tvoří regulační smyčky zapojené do regulace mitochondriální biogeneze. Nrf2 zvyšuje expresi peroxisomového proliferátorem aktivovaného receptor-gama koaktivátoru 1-alfa (PGC-1) a nukleárního respiračního faktoru (NRF1), které se přímo podílejí na regulaci transkripce mtDNA. A konečně, Nrf2 reguluje expresi PINK1, která hraje klíčovou roli v indukci mitofágie [180], což naznačuje, že antioxidační kapacita buňky také ovlivňuje stav mitochondrií.

Neurodegenerativní onemocnění souvisí jak s inhibicí dráhy Nrf2, tak s dysfunkcí autofagie, která vede k akumulaci ROS, senescentních organel a chybně poskládaných proteinů [181,182]. Neurodegenerativní onemocnění souvisí se spoustou proteinových agregátů a ROS, což indukuje osu pozitivní zpětné vazby p62-Keap{5}}Nrf2, což je ochranný mechanismus v neuronech [183,184]. Exprese Nrf2 je nízká ve zvířecích modelech s AD a v mozcích pacientů s AD [185]. K vazbě Nrf2 na ARE dochází brzy během progrese onemocnění, což koresponduje se zvýšením produkce ROS [186]. Nrf2 neuroprotekuje snížením tvorby ROS a A-zprostředkované toxicity vyvolané ROS [187,188]. U HD dochází k dysfunkci mitochondriálního komplexu II, způsobující zvýšení ROS [48]. V počáteční fázi HD vede léčba agonistou Nrf2 ke zvýšení vitálních cytoprotektivních genů prostřednictvím Keap1–Nrf2–ARE v astrocytech a mikrogliích [189]. Aktivace dráhy Keap1–Nrf2–ARE malými molekulami v astrocytech urychluje rezistenci neuronů vůči neexcitotoxické toxicitě glutamátu [46–48]. Změněná funkce mitochondrií, biogeneze a mitofagie jsou důležitými patologickými rysy u PD a Nrf2 je důležitým transkripčním faktorem, který reguluje kontrolu kvality mitochondrií a homeostázu [190]. U PD dochází k aktivaci systému Nrf2–ARE [191,192] a jeho farmakologická aktivace brání progresi PD [49,50]. Aktivace Nrf2 hraje ochrannou roli proti ROS a buněčné smrti způsobené mutantním proteinem superoxiddismutázy 1 (SOD1). Nadměrná exprese astrocytu Nrf2 navíc zvyšuje přežití SC MN a prodlužuje životnost u SOD1 transgenních myší [51,52]. Kromě toho může přeslech mezi p62 a dráhou Keap1–Nrf2 v kontextu autofagie hrát důležitou roli při odstraňování ROS, prevenci oxidačního poškození a modulaci stresu ER během mozkového ischemicko-reperfuzního poškození [53].

A konečně, mitochondrie řídí přežití neuronů, protože vnímají vnitřní a vnější iniciátory smrti, spouštějí signální kaskády, které se sbíhají v mitochondriích a poté se znovu rozcházejí do jedné nebo více drah buněčné smrti, které vedou k jinému typu buněčné smrti (jako je vnitřní apoptóza ) [193].

4. Cílení na systémovou modulaci

4.1. Kalorické omezení

Kalorické omezení (CR) prodlužuje životnost v různých organismech a má ochranné účinky na několik orgánů. CR ovlivňuje celý organismus: od systémového prostředí až po různé subcelulární populace. V roce 2010 Kromer a spolupracovníci navrhli, že přínosy CR jsou závislé na autofagii závislé na SIRT1- [194]. Na druhé straně bylo zdůrazněno, že CR je neuroprotektivní u onemocnění PD prostřednictvím osy Ghrelin-AMPK, přičemž AMPK je klíčovým induktorem autofagie [195]. Vzhledem k zřejmé nemožnosti udržet dlouhodobou CR vzbudil terapeutický zájem objevit nová CR „mimetika“ (CRM), která napodobují fyziologické účinky CR v organismu [196]. Jak CR, tak CR-mimetika prokázaly účinnost v AD potkaních modelech zlepšením kognitivních funkcí prostřednictvím autofagické indukce [197], takže jsou novými terapeutickými cestami pro léčbu neurodegenerace.

4.2. Cvičení

Tělesné cvičení získává zájem díky své schopnosti snižovat patofyziologické stavy, jako je neuropatická bolest, nebo zlepšovat funkční výsledky v modelech iktu [198]. Také zpomaluje progresi PD inhibicí zánětlivé reakce a zvýšením antioxidační rovnováhy [199]. Je popsáno, že cvičení působí zvýšením endogenních hladin neurotrofických faktorů [200,201]. Kromě toho moduluje sekreci svalových hormonů, podporuje ochranné účinky v mozku, neurogenezi a zmírňuje stárnutí mozku [202]. Ve skutečnosti bylo nedávno popsáno, že stejný hormon, irisin, hraje roli při tvorbě kostí [203], což naznačuje, že cvičení má dopad na celé tělo.

5. Nalezení účinného neuroprotektiva: Co existuje a kam jdeme

Společnými znaky neurodegenerativních onemocnění jsou mimo jiné nesprávná aktivace UPR, akumulace autofagických procesů, selhání dobré funkce mitochondrií. Dohromady zaplaví neurony a vyprovokují jejich zánik. Účinný neuroprotektiv musí tyto mechanismy napravit posílením buňky s úplnou odolností vůči stárnutí/urážkám. Potřebujeme kompletně upravit molekulární síť v buňce a dotlačit ji k úplnému obnovení funkcí. Schválené léky, jako je Riluzol na ALS [204], nebo probíhající klinické studie, jako Rapamycin na ALS [204], Spermidin a DH na AD [205,206], se zaměřují pouze na jeden z těchto degenerativních procesů a neuron je zahlcen ty ostatní. Ačkoli mohou mít příznivé účinky, navrhujeme nalézt genetický nebo farmakologický přístup k podpoře různých molekulárních cest – vícecílové terapie – namísto pouze jednoho cíle.

Specifická nadměrná exprese určitých proteinů, jako jsou SIRT1, BIP a/nebo ATG5, usnadňuje přežití neuronů po poškození nervů aneuroprotekceu neurodegenerativních onemocnění. Vylaďují hlavně UPR nebo autofágní sítě. Aktivace SIRT1 pomocí transgenních myší nebo virových vektorů prokázala ochranu u různých neurodegenerativních onemocnění, jako je ALS, AD a HD [207–209] a také po poranění nervu [55]. Aktivita SIRT1 deacetylázy podporuje různé endogenní mechanismy ochrany: autofagii, moduluje UPR zeslabením PERK a zvyšuje štěpení ATF6 [23,210], má antiapoptotické účinky a moduluje aktivitu AKT k inhibici anoikis [211,212]. Proto jeho přesná modulace může zvýšit buněčnou odolnost. Z naší nedávné studie jsme došli k závěru, že modulace aktivity deacetylázy SIRT1 je nezbytným uzlem pro molekulární síť k dosažení buněčné odolnosti [54,55]. A konečně, nadměrná exprese BIP chrání proti agregátům a indukuje autofagii a mitofágii [99], takže její modulace je také účinným přístupem ke shlukování různých neuroprotektivních drah.

6. Závěrečné poznámky

Posílení endogenních mechanismůneuroprotekceotevírá vzrušující terapeutické cesty k léčbě neurodegenerativních onemocnění nebo k udržení tkáňové homeostázy po neurotraumatu. I když je to v dnešní době neprobádaná oblast, může podporovat efektivnější biomedicínské výsledky než blokování konkrétního patofyziologického znaku. Proto jejich podpora genetickou, farmakologickou nebo systémově modulační terapií může oddálit progresi patologie a zlepšit funkční zotavení. Optimální terapeutická strategie musí zahrnovat konkrétní modulaci endogenních mechanismů ochrany, aby se remodelovala kompletní síť a dosáhlo se ochrany.

Autorské příspěvky: DR-G. a SM-M.-A. napsal rukopis a CC provedl kritickou recenzi. Všichni autoři si přečetli publikovanou verzi rukopisu a souhlasí s ní.

Financování: Tento výzkum neobdržel žádné externí financování.

Prohlášení o dostupnosti dat: V této studii nebyla vytvořena ani analyzována žádná nová data. Sdílení dat se na tento článek nevztahuje.

Konflikt zájmů: Autoři neprohlašují žádný střet zájmů.