Международный неврологический журнал 2(24) 2009

Вступ

У теперішній час загальновизнано, що ключовим фактором у патогенезі захворювань нервової системи є смерть нейронів, яка може бути двох видів: запрограмована клітинна смерть (апоптоз) і патологічна клітинна смерть (некроз) [62]. При цьому дослідження на експериментальних тваринах і людях, які хворіли на гострий менінгіт, показали, що нейронна смерть кіркового шару мозку відбувається переважно у вигляді некрозу, тоді як нейрони гіпокампу гинуть в основному внаслідок апоптозу [50].

Морфологічна структура постаноксичних змін була широко вивчена в різних експериментальних моделях, однак точний механізм нейронної вимушеної смерті клітини при гіпоксичному ушкодженні повністю все ще не зрозумілий [63]. При цьому зупинка життєдіяльності клітини в процесі апоптозу й некрозу має чітку морфологічну різницю. Апоптоз — генетично запрограмована смерть, що здійснюється за допомогою специфічних механізмів і ферментів [3, 26]. Термін «апоптоз», запропонований у 1972 р. англійськими вченими J.F.R. Кеrr, А.Н. Wyllie та A.R. Currie, складається з двох грецьких слів (аро — відділення + ptosis — падіння) і означає буквально «відділення пелюстків від квітів» або «листя, що опадає з дерев восени» а стосовно клітини — особливий тип смерті шляхом розділення її на частини («апоптозні тільця»), які надалі фагоцитуються сусідніми клітинами різного типу [20, 47, 65].

Нейроапоптоз розвивається як каскадний процес, що супроводжується активацією специфічних про- чи антиапоптичних білків, а також особливих протеолітичних ферментів — каспаз [2] і на відміну від некрозу потребує АТФ та може тривати роки [62].

У теперішній час визначають три фази апоптозу: індукції, ефекторна і деградації. Як індукуючі апоптоз фактори можуть виступати: глутамат, 3-амілоїд, депривація росткових факторів, вільнорадикальні сполучення, гіпоглікемія та ін. [3, 26].

Існують два сигнальні шляхи активації апоптозу: зовнішній — через поверхневі рецептори так званого регіону клітинної смерті і внутрішній — через мітохондрії всередині клітини [3, 26]. Перший шлях індукується фізіологічними факторами — індукторами апоптозу, такими як цитокіни, гормони, пептидні ростові фактори та ін. Він починається з клітинних рецепторів, призначених для включення програми апоптозу. Це рецептори смерті — Fas, TNFR1, DR3, DR4, DR5. Вони являють собою трансмембранні білки, що позаклітинною ділянкою взаємодіють зі специфічними лігандами — індукторами. Така взаємодія призводить до зв’язування їх внутрішньоклітинних ділянок з адаптерами — цитоплазматичними білками, що можуть зв’язувати рецептор із неактивними попередниками протеаз із сімейства каспаз. Каспази — це цистеїнові протеази, що розщеплюють білки в специфічній для апоптозу послідовності після аспарагінової кислоти. Мітохондріальний шлях активації апоптозу індукується ушкодженням ДНК, дією цитотоксичних агентів, глюкокортикоїдів та ін. Він пов’язаний з активацією білка Р53 і експресією генів, що кодують проапоптозні білки родини Bcl-2, Вах і Bid. Ці білки, викликаючи ушкодження мембрани мітохондрій, сприяють виходу цитохрому С, що є ключовим фактором у подальших енергозалежних реакціях, що призводять до апоптозу [3, 8, 20, 26, 49, 65, 66]. Існує ще каспазонезалежний шлях, що спричиняє апоптоз і реалізується за участі білка AIF (Apoptosis Inducing Factor), який активується внаслідок транслокації в ядро протеолітичних ферментів [47].

Велике значення в розвитку апоптозу має цитозольний фактор транскрипції (NF-κВ), який регулює експресію генів, що кодує білки, які беруть участь у формуванні імунної відповіді і реакцій запалення.

NF-κВ існує у двох формах: індуцибельній (у цитоплазмі й синапсах) та конститутивній (у ядрі). Цей фактор знайдений у синапсах кори великих півкуль, мозочка й гіпокампу. Встановлена можливість ретроградного транспорту NF-κВ із синапса в ядро. Це нова сигнальна система для ядра. Експресія NF-κВ має важливе значення в нейронній пластичності і синаптичній активності [64].

На відміну від апоптозу некроз обумовлений механічним чи іншим ушкодженням клітинної мембрани, порушенням її цілісності. Послідовність патологічних каскадів при некрозі завжди однакова: осмолізис, викликаний клітинним набряком, призводить до пасивної смерті клітини [62]. Одним із вторинних ефектів некрозу є розвиток запалення, який виникає внаслідок вивільнення клітинного вмісту, що супроводжується утворенням цитокінів [3, 20, 62, 65].

Незважаючи на принципові відмінності апоптозу й некрозу, їх об’єднує корисна властивість — вони допомагають організму звільнитись від непотрібних (ушкоджених) чи шкідливих (чужорідних) структур. У вогнищі запалення скупчуються макрофаги та інші клітини, що видаляють некротичні частини тканин. Апоптоз запрограмований на поступове контрольоване видалення клітин, а некроз здійснюється швидко, хаотично і неконтрольовано. При апоптозі фрагменти клітин чи навіть цілі білкові молекули можуть використовуватись іншими клітинами для виконання тих самих функцій [3, 26].

Однак у дослідженні E. Naganska et al. (2001) на моделі апоптозу нейронів при аноксії була виявлена субпопуляція нейронів, у яких спостерігались зміни, характерні як для апоптозу, так і для некрозу. Тому було відзначено, що нейрони в умовах аноксії можуть гинути не тільки внаслідок дії чисто некротичних чи апоптичних механізмів, а й знаходитись в умовах обох механізмів при певних патологічних станах.

Прямий вплив збудників на механізми нейронального ушкодження

Нейрональне ушкодження при бактеріальному менінгіті є наслідком інвазії лейкоцитів в ЦНС, залучення мікроглії в інфекційний процес і прямого токсичного впливу бактеріальних компонентів на мозковий ендотелій та нейрони [46].

Відома велика кількість токсичних речовин, що вивільняє збудник у період розвитку захворювання. Це можуть бути як структури клітинної стінки збудника, так і продукти його метаболізму. Їхня кількість, структура і токсичність залежать у першу чергу від виду збудника. Також відомо, що більшість із цих токсинів здатні як прямо, так і опосередковано спричиняти нейрональне ушкодження і смерть. Наприклад, Listeria monocytogenes може стимулювати поверхневу експресію E-селектину, молекул адгезії ICAM-1 і VCAM-1, сприяючи проникненню лейкоцитів через гематоенцефалічний бар’єр [49]. Але найбільше було вивчено вплив збудника на механізми нейрональної смерті в моделях пневмококового менінгіту.

LTA (ліпотейхоєва кислота) є компонентом клітинної оболонки грампозитивних бактерій, що можуть викликати запальну нейродегенерацію при менінгіті [39]. Наприклад, після дії антибіотика вмираючі бактерії випускають велику кількість фрагментованих частин клітинної стінки, що призводить до розвитку запального процесу [35]. Клітинна оболонка пневмококу є головним прозапальним компонентом, що викликає каспазо-керований класичний апоптоз, який активується через TLR2-рецептори (Toll-like receptor 2) [35, 55]. Крім того, у дослідженнях G.C. Brown (2007) та S. Lehnardt et al. (2006) LTA викликала індукцію iNOS у глії через TLR2, що призводило до загибелі нейронів глії.

Одним із головних цитотоксинів пневмококу, що беруть участь у розвитку нейродеструкції, є Н₂О₂ і пневмолізин [35]. Н₂О₂ призводить до розвитку оксидативного стресу в нейронах, вивільнення депонованого Са²⁺, що призводить до деполяризації й набухання мітохондрій, втрати їх енергетичної функції, формування пор у їх мембранах [37]. Пневмолізин являє собою багатофункціональний бактеріальний ендоплазматичний білок із широким діапазоном цитотоксичних і прозапальних властивостей. Прозапальні ефекти пневмолізину включають активацію нейтрофілів і збільшення продукції прозапальних медіаторів (фактор некрозу пухлини α (tumour necrosis factor α — TNF-α), інтерлейкін-1 (interleukin-1 — IL-1), NO) молекул адгезії ICAM-1 та ін. Крім того, пневмолізин зв’язується з холестеролом мембран клітин, що викликає формування в них пори [35, 37, 49]. У дослідженнях J.S. Braun et al. (2007) було показано, що пневмолізин є ключовим токсином у розвитку смерті нейронів при менінгіті. Він викликав ушкодження мітохондріальних мембран та зміну їх мембранного потенціалу, а також самої ультраструктури мітохондрій, вивільнення з депо іонів Са²⁺, індукував вивільнення мітохондріального апоптозіндукуючого фактора (AIF), що запускає незалежну від каспаз запрограмовану клітинну смерть. Отже, пневмолізин викликав нейрональний апоптоз, не активуючи каспази-1, -3 чи -8 і TLR4.

За даними M. Beurg et al. (2005), на моделях пневмококового менінгіту пневмолізин викликав тяжке ушкодження кохлеарних клітин та їх волосків від руйнування війок до повної руйнації клітини, причому вибірково лише внутрішніх клітин і війок кортієвого органа. Причиною індукції смерті цих клітин був Са²⁺, який надходив у клітини через пору, утворену пневмолізином.

Недавні дослідження показали, що викликаний вірусом апоптоз є основним механізмом смерті клітин при вірусних інфекціях ЦНС [34]. У дослідженнях S. Athmanathan et al. (2001) показано, що більше ніж у 80 % нейронів, інфікованих вірусом простого герпесу (HSV-1), мав місце розвиток цитопатичних ефектів при перебігу інфекції і більше ніж у 50 % цих клітин спостерігалося зморщування (blebbing) цитоплазматичної мембрани, характерна особливість клітин, що переносять апоптоз. Такі особливості не спостерігались у неінфікованих нейронах.

При вірусних енцефалітах можлива і пряма індукція апоптозу вірусними протеїнами [61]. Молекулярні механізми при цих захворюваннях поки недостатньо вивчені. Вважається, що нейрони під впливом вірусних білків виробляють фактори, що активують NMDA-рецептори [67], отже, ексайтотоксичність у цьому випадку реалізується опосередковано. Так, віруси різноманітних груп здатні використовувати програми смерті клітин організму, щоб максимально подовжити своє виживання [34].

Значення цитокінів у розвитку нейродеструкції

Цитокіни зараховують до медіаторів міжклітинної взаємодії. Їх назва походить від грецьких слів: kytos — клітина, kineo — рухати; дослівно — рухати клітину [25]. За хімічною будовою цитокіни — це поліпептиди та глюкопротеїди. Вони являють собою біологічно активні молекули, здатні впливати на процеси клітинної проліферації, диференціювання та їх функціональну активність [1, 19, 59]. Цитокіни виділяються макрофагами, лімфоцитами, мікроглією, астроцитами, ендотелієм і мають специфічну, але нерідко частково перекриваючу функцію Після взаємодії цитокінів із відповідними рецепторами на поверхні клітин сигнал через елементи внутрішньоклітинних перетворень передається в ядро клітини, де під дією нуклеарного фактора транскрипції (NF-kB) відбувається активація генів, що відповідають за синтез низькомолекулярних білків, які регулюють інфекційний процес [1, 14, 19, 74]. Вирізняють прозапальні цитокіни, головними із яких є TNF-α, IL-1, IL-6, та протизапальні — IL-4, IL-10 [16, 19, 68].

Розглядаючи внесок цитокінів у гостру нейродегенерацію, слід звернути увагу насамперед на інтерлейкін-1, фактор некрозу пухлини α і фактор трансформації росту β (transforming growth factor-β — TGF-β). Останній, напевно, справляє першочергову нейродегенеративну дію, тоді як TNF-α і IL-1 опосередковано призводять до ішемічного, ексайтотоксичного ушкодження головного мозку, можливо через множинні впливи на глію, нейрони й судини [32].

Прозапальні цитокіни TNF-α, IL-1, кількість яких значно підвищується при гострих нейроінфекціях, здатні активувати фосфоліпазу А₂ [30, 56]. Фосфоліпаза А₂ знаходиться на внутрішній мембрані мітохондрій і активується лише в присутності іонів Са²⁺, що знаходяться поза мітохондрією. У патологічних умовах іони Са²⁺ проникають у мітохондрію й активують фосфоліпазу А₂, яка надалі розщеплює фосфоліпіди мембран [8]. Значну роль у розкритті пор із наступним порушенням проникності мембран мітохондрій відіграє саме TNF-α [2]. Унаслідок часткового розщеплення фосфоліпідів, які формують мембрани мітохондрій, у них з’являються дефекти, через які в мітохондрію проникають катіони із зовнішнього середовища, що призводить до набухання мітохондрій і втрати їх функцій. Ушкоджені мітохондрії не можуть утримати мембранний потенціал та не здатні синтезувати АТФ; вони гинуть, і клітина з такими мітохондріями стає нежиттєздатною [8]. Крім того, фосфоліпаза А₂ призводить до вивільнення арахідонової кислоти (АК) і лізофосфатидилхоліну — інгібітора СТТ (СТР-фосфохолінцитидилтрансферази), що бере участь у синтезі фосфоліпідного шару нейронів [30, 56]. Також TNF-α пригнічує активність СТТ ще на 40 % через убіквітин-протеазосомний та кальпаїтин-опосередковані шляхи [58]. Подальший метаболізм арахідонової кислоти через шлях ЦОГ-2 призводить до збільшення різновидів активованого кисню і прозапальних ейкозаноїдів [7, 29]. До системи цитокінів зараховують і хемокіни. Хемокіни — це цитокіни, що на периферії відповідають за хемотаксис і втягнення циркулюючих імунних клітин із віддалених ділянок до місця інфекції. У моделях ураження мозку хемокіни можуть слугувати як сигнали, що вивільняються ураженими нейронами в ліквор для залучення в запальний процес імунних клітин із периферії. Після того як мікроглія отримає хемоатрактивні й активуючі сигнали з уражених нейронів, вона починає синтезувати й вивільняти численні ефекторні молекули — цитокіни, що надалі сприяють розвитку запального процесу [53].

Дослідженнями M. Jain et al. (2000), R.M. Dhamija et al. (2006) була показана пряма кореляція між умістом цитокінів у лікворі та кількістю клітин, білка та продуктів вільних радикалів у спинномозковій рідині, а також розвитку неврологічних наслідків при бактеріальних менінгітах.

Вивчення ролі цитокінів in vivo та in vitro дає неоднозначні дані. У загальних термінах IL-1, очевидно, безпосередньо робить внесок у нейродегенерацію, тоді як TNF-α може як підсилювати, так і пригнічувати ушкодження нейронів [32]. Цей феномен пояснюється існуванням двох типів рецепторів TNF-α: R1 (p55) — який індукує демієлінізацію й підсилює клітинну смерть, і R2 (p75) — що індукує ремієлінізацію й підсилює нейропротекцію, викликаючи активацію виділення нейротрофічного фактора мозку та циліарного нейротрофічного фактора олігодендроцитами [62].

Слід відзначити суттєву роль TNF-спорідненого апоптозіндукуючого ліганду (TRAIL) у механізмах розвитку запалення ЦНС. Крім можливої ролі в протипухлинному контролі, TRAIL має важливу регуляторну функцію в імунній відповіді організму [38]. За даними J.S. Braun et al. (2002), TRAIL не тільки модифікує запальну відповідь, а також визначає ступінь ураження мозку при експериментальному менінгіті. Рецептори до TRAIL були знайдені на багатьох нейронах і олігодендроцитах мозку людини, де TRAIL робив значний внесок у розвиток нейрональної смерті [31].

Отже, первинні механізми, що регулюють виділення цитокінів, та механізми їх дії, які викликають смерть нейронів, тільки починають виявлятися. Ми лише починаємо розуміти шляхи передачі сигналу цитокінів [32].

Вплив оксиду азоту та його метаболітів

NO є аутокринним і паракринним медіатором, тому що, будучи синтезованим у будь-яких клітинах, він здатний впливати на метаболічні процеси як у цих клітинах, так і в розташованих у сусідстві. Синтезується NO з L-аргініну через оксидативне деамінування синтазою оксиду азоту (NOS) [10, 21, 40]. Під впливом бактеріальних токсинів, цитокінів відбувається експресія гена, відповідального за синтез індуцибельної NO-синтази (іNOS), що викликає підвищення продукції NO макрофагами, ендотелієм та іншими клітинами в тисячі разів більше, ніж конститутивна NO-синтаза (cNOS), що досить сильно позначається на функціонуванні багатьох органів і систем людини [40, 77]. Позитивна чи негативна дія NO на нейрони залежить від його окисно-відновного статусу. Окисна форма (NO⁺) здатна інактивувати глутаматні рецептори, знижуючи нейротоксичність ексайтотоксичних амінокислот, тоді як відновлена форма (NO^•) здатна утворювати пероксинітрит — потужний нейротоксин [40]. Досягаючи високих значень, NO-радикал взаємодіє з цистеїном і глутатіоном з утворенням динітрозильних комплексів, що активують перекисне окислення ліпідів (ПОЛ), окислення сульфгідрильних (SH) груп білків і мононітрозильних комплексів, що нейтралізують ці деструктивні процеси [6].

Крім того, NO може реагувати з молекулами, що мають непарні електрони, утворюючи різновиди вільних радикалів, які здатні порушувати структуру і метаболізм ліпідів та білків у клітині, що призводить до дисбалансу механізмів сигнальної трансдукції та целюлярної токсичності [53]. Так, NO, реагуючи з супероксидом О₂^–, утворює пероксинитрит (ONOO^–) — потужний оксидант із токсичними ефектами на різні молекули людського організму, включаючи ДНК, і здатний пригнічувати мітохондріальне дихання та індукувати клітинну смерть нейронів [12, 41, 69, 72]. При бактеріальних менінгітах пероксинітрит, як і NO, робить значний внесок у руйнування гематоенцефалічного бар’єру (ГЕБ) та ураження нейронів [78]. Як сильний оксидант пероксинітрит проявляє прямі токсичні ефекти на нейрони спірального ганглію, тим самим спричиняє втрату слуху, що виникає як ускладнення під час гострого менінгіту [51]. Пероксинітрит відіграє значну роль у регуляції ЦОГ-ензимів, стимулюючи утворення ЦОГ-2, що призводить до збільшення синтезу прозапальних простагландинів. Даний механізм опосередковується через індукцію NF-kB (фактора транскрипції), у якій пероксинітрит відіграє роль потужного індуктора NF-kB [60].

Як відомо, значну роль у розвитку запалення й нейронального ушкодження відіграє астроглія [17, 27, 39]. У період розвитку запалення глія стає джерелом індукторів запального процесу, насамперед іNOS і РНОХ (фагоцитарна NADPH-оксидаза). У здоровому мозку РНОХ знаходиться в неактивному стані, але значно активується під дією TNF-α, IL-1β, хемокінів, що призводить до мікрогліальної проліферації та активації запалення, індукції утворення Н₂О₂ і відіграє ключову роль у регуляції запального процесу. Однак одночасна активація РНОХ та іNOS у мікроглії призводить до утворення великої кількості пероксинітриту, що викликає масивне нейрональне ушкодження і смерть нейронів [39].

Значення гематоенцефалічного бар’єру

Гематоенцефалічний бар’єр — це структурний і функціональний бар’єр, що формується з клітин ендотелію мікроциркуляторного русла та є посередником між периферичним кровообігом і ЦНС [42, 49]. З огляду на велике значення ГЕБ у функціонуванні ЦНС залишається ще недостатньо вивченим питання, чи потребує смерть нейронів розпаду ГЕБ чи, навпаки, нейрональна смерть у майбутньому впливає на розпад ГЕБ. Інфекційні агенти можуть проникати в ЦНС декількома шляхами, насамперед через розрив міжклітинного з’єднання (параклітинний шлях), трансцелюлярний шлях та через механізм «троянського коня» [49]. Та лише механізм «троянського коня» не передбачає руйнування ГЕБ. Такий механізм проникнення характерний для Listeria monocytogenes і Cryptococcus neoformans, які завдяки субпопуляції Ly-6C(high)-моноцитів та мононуклеарів-фагоцитів транспортуються в мозок [45], отже, можуть спричиняти ушкодження нейронів без попереднього руйнування ГЕБ.

У дослідженнях Z.-l. Chen et al. (1999) було показано, що нейрональна смерть і розпад ГЕБ — незалежні один від одного процеси і руйнування ГЕБ не є обов’язковим для смерті нервових клітин. Але більшість досліджень вказують на значну роль ГЕБ у нейрональному ушкодженні. Прослідковується зворотний зв’язок між вираженістю периваскулярної інфільтрації і тяжкістю дегенеративних змін нейроцитів [17, 27]. Відомо, що залучення астроцитарної глії в механізм зворотних реакцій при інфекційному процесі може відігравати подвійну роль, оскільки, виступаючи частиною ГЕБ, астроцити, з одного боку, сприяють підтримці його цілісності, з іншого — здатні до продукції цитокінів (TNF-α, IL-1, IL-6), які є потужними стимуляторами судинної проникності [43]. Збільшений об’єм щільності астроглії у вогнищі дистрофічних змін у період розпалу хвороби свідчить про залучення астроцитів у запальний процес. Це вказує на те, що активація периваскулярної астроглії підсилює захисні функції ГЕБ та запобігає наростанню деструктивних змін у нейронах [17]. Однак у ряді випадків із наростанням інфекційного процесу астроцити, продукуючи медіатори запалення, підсилюють ушкодження ГЕБ і тим самим сприяють розвитку вторинних патогістологічних змін нейроцитів [27]. Отже, в умовах інфекційного процесу руйнування ГЕБ відіграє значну роль в ушкодженні нейронів.

Значення циклооксигеназ і продуктів арахідонової кислоти

Запалення — перша реакція імунної системи, викликана розвитком інфекції чи подразненням [31]. Це добре відрегульований процес, що знаходиться на межі між фізіологією й патологією та може стати достатньо деструктивним у випадках тривалого перебігу чи недостатньої регуляції [62]. як вважається, головними факторами, відповідальними за нейрональне ушкодження в експериментальних моделях менінгіту, є безпосередній вплив збудника і його продуктів обміну на ЦНС та розвиток вираженої системної запальної відповіді організму на вторгнення інфекційного агента в організм [31].

Арахідонова кислота відіграє важливу роль у нормальному функціонуванні ЦНС. Вона є джерелом вторинних месенджерів та бере участь у міжнейрональній взаємодії і концентрується переважно в місцях синапсів. Під впливом гіпоксії, бактеріальних токсинів відбувається вивільнення арахідонової кислоти, що через циклооксигеназний шлях запускає активне утворення простагландинів, лейкотрієнів та інших медіаторів запалення, що, у свою чергу, беруть участь у розвитку запального процесу й ушкодженні нервових клітин [15, 24]. Ейкозаноїди підсилюють агрегацію та констрикцію судин, а руйнування фосфоліпідів призводить до утворення фактора активації тромбоцитів, що надалі поглиблює ушкодження нейронів. Крім того, АК може призводити до утворення активних форм кисню (ROS), що, у свою чергу, порушують метаболізм нейронів та індукують розвиток апоптозу [7, 28, 29]. ЦОГ являє собою ензим, що має декілька ізоформ, із яких найбільш вивчені ЦОГ-1 і ЦОГ-2. Остання індукується прозапальними цитокінами, бактеріальними ендотоксинами і відіграє ключову роль у розвитку запалення в ЦНС [33]. Вона сприяє синтезу простагландинів і тромбоксанів з арахідонової кислоти, під час чого утворюється велика кількість вільних радикалів, що призводять до ушкодження клітинних мембран [31, 33, 56]. Індукція ЦОГ-2 може відбуватись не тільки в нейронах, але і в макрофагах, астроцитах, ендотеліальних клітинах, що призводить до ушкодження ГЕБ. Збільшення експресії ЦОГ-2 у клітинах головного мозку опосредковується через активацію NMDA-рецепторів і фосфоліпази А₂ [56]. Серіями досліджень показано, що інгібіція ЦОГ-1 і ЦОГ-2 значно зменшує руйнування ГЕБ, запобігає нейрональному ушкодженню та зменшує експресію клітинами матричних металопротеїназ ММРs-3 і ММРs-9, відомих як тригери МАР-кіназного шляху, оксидативного й нітратного стресу, каспаза-опосередкованої клітинної смерті, ексайтотоксичності та нейрозапалення, що спостерігається при розвитку нейроінфекції [33, 62, 78]. У дослідженнях E. Araki et al. (2001) та Y. Zhao et al. (2006) було визначено, що суттєве підвищення активності ЦОГ-2, яке відбувається внаслідок церебральної ішемії, робить значний внесок в ушкодження та смерть нейронів.

Оксидантний стрес

Надмірна активація реакцій вільнорадикального окислення являє собою типовий патологічний процес, що зустрічається при різних захворюваннях з ушкоджуючою дією на організм. Небезпека окислювального стресу для клітин полягає в тому, що при несприятливих для життєдіяльності клітин умовах недостатність захисних механізмів не дозволяє процесам репарації своєчасно видаляти накопичені ушкодження клітинних структур [5]. Це призводить до розвитку оксидативного стресу нейронів — одного з універсальних механізмів ураження тканини мозку [7]. У цій ситуації клітині загрожує смерть через апоптоз або некроз [5]. Окислювальні механізми відіграють ключову роль у патофізіології менінгіту і роблять свій внесок у нейрональне ушкодження головного мозку [46].

Вільні радикали — це молекули з неспареними електронами, що мають дуже високу реакційну здатність і, як наслідок, виражену руйнівну дію на клітинні макромолекули [18, 74]. Запальна відповідь у критичних хворих включає активацію лейкоцитів й інших запальних клітин, що призводить до продукції різновидів реактивного кисню (ROS). Деякі тканини (мозок, сітківка, легені) мають підвищену чутливість до оксидативного стресу, що пов’язано з особливостями їх хімічного складу та метаболізму. Мозок, складаючи лише 2 % від загальної маси тіла, споживає 20–25 % кисню організму. Цей рівень настільки великий, що перетворення навіть 0,1 % метаболізованого нейронами кисню на активний радикал виявиться токсичним для нервової системи [13]. Мембрани нейронів характеризуються високим умістом арахідонової, декозогексаєнової й інших поліненасичених жирних кислот, що легко окислюються активними формами кисню (АФК) [12, 13]. АФК, взаємодіючи з арахідоновою кислотою, перетворюють її на модифікований фрагмент фосфоліпідів — структуру, подібну до простагландинів. Після цього утворюються етерифіковані F2-ізопростани. Ізопростани є цитотоксичними сполуками, здатними викликати ушкодження нейронів. Найбільший ушкоджуючий ефект мають 8-епіізопростани, що утворюються за участі ЦОГ-1 і можуть запускати синтез IL-1β, TNF-α і викликати активацію АФК (NO, ONOO^–) [12]. Крім того, АФК зараховуються до числа активаторів клітинних каспаз, що запускають механізми апоптозу [3].

АФК в умовах антиоксидантної недостатності, що виникає при нейродеструкції, атакують макромолекули мембрани й інших органел нейрона, що призводить до їх окислювальної модифікації та деструкції. Крім того, АФК (пероксинітрит і гідроксилрадикал) модифікують антиапоптозні білки (bcl-2 та інші), знижуючи їх функції, а надлишок NO-радикалу підсилює синтез проапоптичних білків (FAS і АРО-1). Також АФК індукують експресію прозапальних цитокінів (IL-1b, TNF-α, HIF-1) і факторів, що активують транскрипцію (NF-κB, AP-1, JNK), які опосередковано, особливо через активацію індуцибельної NO-cинтази і ЦОГ-1, ще більше підсилює утворення АФК. Отже, індукція АФК і подальша активація вільнорадикального окислення є одним із важливих ланцюгів патогенезу нейродеструкції, що викликають каскад необоротних порушень у нейроімуноендокринних взаємодіях, метаболізмі та структурі нейрона [12]. Зрештою внутрішньоклітинне збільшення кальцію, виснаження енергії й активація каспаз стають виконуючими елементами смерті нейронів при менінгіті [46].

Іншими наслідками активації АФК є розвиток перекисного окислення ліпідів. Найбільш вивчені три наслідки ПОЛ. Перший результат ПОЛ супроводжується окисленням тiолових (сульфгідрильних груп) мембранних білків, що призводить до появи дефектів у мембранах клітин і мітохондрій. Під дією різниці електричних потенціалів на мембранах через такі пори в клітину входять іони Na⁺, а в мітохондрії іони К⁺, унаслідок чого відбувається збільшення осмотичного тиску всередині клітини і мітохондріях та їх набухання з наступним ушкодженням клітини. Другий результат ПОЛ пов’язаний із тим, що продукти такого окислення мають особливості безпосередньо збільшувати іонну проникність ліпідного шару, особливо для іонів Са²⁺ і Н⁺. Це призводить до того, що мітохондрії втрачають здатність до синтезу АТФ і клітина починає існувати в умовах енергетичного голоду. Одночасно в цитоплазму входять іони Са²⁺, що ушкоджують клітинні структури. Третій результат ПОЛ — це зменшення стабільності ліпідного шару, що призводить до електричного пробою мембрани під дією різниці потенціалів, які мембрана створює сама [8].

Феномен ексайтотоксичності

Нейрональні клітини мають велику кількість рецепторів на зовнішній мембрані, активація яких спеціальними медіаторами породжує електричний сигнал і призводить до зміни клітинного метаболізму [5]. Серед різноманітних медіаторів, що забезпечують передачу збудження між нейрональними клітинами, особливе місце займає молекула глутамінової кислоти — глутамат. Глутаматергічні механізми представлені приблизно в 40 % нервових клітин [4, 76]. У теперішній час виділено два типи глутаматергічних рецепторів — іонотропні та метаболітотропні [4, 11, 12]. Іонотропні з’єднані з іонними каналами, вони відкривають їх після активації відповідними молекулами (лігандами). Метаболітотропні структурно не пов’язані з іонними каналами, вони керують метаболічними процесами в клітині через спеціальні сигнальні молекули-інформатори. Виділяють три групи іонотропних рецепторів: NMDA (N-метил-D-аспартат), каїнатні й AMPA (α-аміно-3-гідроксі-5-етилізоксазол-4-пропіонат), названих відповідно до лігандів, що забезпечують їх активацію [4]. Найбільш небезпечним є залучення в цей процес NMDA-рецепторів [5].

Гостра ішемія зумовлює надмірне продукування нейронами глутамату та інших збуджувальних ексайтотоксинів і надлишкове вивільнення їх з аксональних терміналей; унаслідок зниження зворотного внутрішньоклітинного захоплення нейромедіаторних амінокислот виникає глутаматна ексайтотоксичність (англ. to excite — збуджувати). Зв’язування глутамату з інотропними рецепторами NMDA, метаболітотропними і AMPA-рецепторами призводить до «шокового» відкриття кальцієвих каналів, виникає масивне входження всередину нейронів іонів кальцію, що зумовлює Са²⁺-індуковану ексайтотоксичність. Іони Са²⁺ призводять до активації протеаз, фосфоліпази А₂, дія яких спрямована на ушкодження клітинних структур, порушення окислювального фосфорилювання, вивільнення арахідонової кислоти. Нервові клітини поглинають також іони натрію, зростає концентрація позитивних іонів усередині клітини, унаслідок чого змінюються електричні властивості нейронів. Через моновалентні іонні канали й осмотичним шляхом нейрони вбирають воду, виникає цитотоксичний набряк тканини мозку, порушуються механізми синаптичної передачі [7, 9, 22, 23, 42, 54]. У цих умовах нейротоксичність NMDA-рецепторів може призводити до клітинної смерті — некрозу або апоптозу [4, 54]. Також іонотрофним глутаматергічним рецепторам відводиться значна роль в утворенні АФК. Так, у цих нейронах відбувається активація кальційзалежної нейрональної NO-cинтази, що призводить до гіперпродукції NO-радикала. При взаємодії NO-радикала й супероксидрадикала утворюється агресивна молекула — пероксинітритрадикал (ONOO^•), що викликає ушкодження макромолекул [12]. Згідно з дослідженнями G.S. Scott et al. (2007), саме за рахунок пероксинітриту глутамат робить свій внесок в ушкодження ГЕБ [69]. Каїнатні й АМРА-рецептори також беруть участь у Са²⁺-залежній активації АФК за рахунок реалізації токів Na⁺ і К⁺, зміни енергетичної активності й активації потенціалзалежних Са²⁺-каналів [12]. У дослідженнях Z.-l. Chen et al. (1999) було показане ушкодження ГЕБ після ін’єкції каїнату внутрішньоцеребрально.

На моделях бактеріального менінгіту було показано значне підвищення глутамату в лікворі під час розвитку захворювання [71], і залежно від його концентрації міг викликати як апоптоз, так і некроз нейронів [73, 75]. Цереброваскулярні ускладнення роблять значний внесок в ушкодження нейронів при менінгіті. Ішемія, що виникає, у першу чергу призводить до ексайтотоксичності. Оскільки судинні зміни при менінгіті розтягуються на декілька днів, антагоністи NMDA-рецепторів призводять до зменшення нейронального ушкодження [70, 76]. Так, у дослідженні S.L. Leib et al. (1996) кінуренінової кислоти і B. Schmitt et al. (1998) декстраметорфану як антагоністів NMDA-рецепторів було показано їх нейропротективний ефект при експериментальному менінгіті.

Висновки

Отже, дослідження, проведені за останні роки, відкрили новий етап у розумінні основних механізмів смерті нейрона при гострій та хронічній патології ЦНС. Встановлені загальні, стереотипні реакції нервової тканини на екзогенні та ендогенні патогенні фактори, що лежать в основі гострої церебральної ішемії, нейродегенеративних і демієлінізуючих захворювань [9]. У теперішній час очевидно, що контроль за смертю й виживанням клітин здійснює велика кількість молекулярних внутрішньоклітинних регуляторів, жорстко компартменталізованих і в той же час тісно взаємозв’язаних внутрішньоклітинною сигнальною системою [21].

На завершення слід процитувати Ю.А. Владимирова (2000): «Кто из биологов не поразится еще раз красоте и стройности мироздания? Даже смерть запрограммирована и обусловлена законами природы».

Отже, у майбутньому слід продовжувати дослідження ще не зовсім вивчених механізмів нейронального ушкодження, які відкриють перед нами нові можливості впливу на їх формування та попередження нейрональної смерті як основного фактора, що призводить до інвалідизації хворих на гострі нейроінфекції.

Узагальнені механізми нейрональної смерті при гострих нейроінфекціях наведені на рис. 1.