Kontakt:jerry.he@wecistanche.com

Cistanche može pomoći u neuroprotekciji

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

1 Odjel za staničnu biologiju, fiziologiju i imunologiju, Institut de Neurosciences (INc),

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

2 Laboratorij "Hormonska regulacija razvoja i funkcija mozga"—Tim 8, Institut Necker Enfants-Malades (INEM), INSERM U1151, Université Paris Descartes, Sorbonne Paris Cité,

75015 Pariz, Francuska

* Dopisivanje: david.romeo-guitart@inserm.fr; Tel.: plus 33-01-40-61-53-57 † Umro 29. lipnja 2020.

Sažetak: Postmitotske stanice, poput neurona, moraju živjeti cijeli život. Iz tog su razloga organizmi/stanice evoluirali s mehanizmima samoobnavljanja koji im omogućuju dug život. Tijek otkrića neuroprotektora tijekom posljednjih godina bio je usmjeren na blokiranje patofizioloških mehanizama koji dovode do gubitka neurona u neurodegeneraciji. Nažalost, samo je nekoliko strategija iz ovih studija uspjelo usporiti ili spriječiti neurodegeneraciju. Postoje uvjerljivi dokazi koji pokazuju da podržavanje mehanizama samoizlječenja koje organizmi/stanice endogeno imaju, koji se obično nazivaju staničnom otpornošću, može naoružati neurone i potaknuti njihovo samoizlječenje. Iako se poboljšanju ovih mehanizama još nije posvetilo dovoljno pozornosti, ovi putovi otvaraju nove terapijske puteve za sprječavanje smrti neurona i ublažavanje neurodegeneracije. Ovdje ističemo glavne endogene mehanizme zaštite i opisujemo njihovu ulogu u promicanju preživljavanja neurona tijekom neurodegeneracije.

Ključne riječi: autofagija; stanična otpornost; endogeni mehanizmi; neuroprotekcija; preživljavanje neurona; nezamotani proteinski odgovor

1. Neurodegenerativni procesi

S produljenjem životnog vijeka u razvijenim zemljama, vjerojatno će se povećati učestalost neurodegenerativnih bolesti kao što su Alzheimerova bolest (AD), Parkinsonova bolest (PD) ili Huntingtonova bolest (HD), ili starenje povezano s opadanjem performansi našeg živčanog sustava. Iako postoji nekoliko linija dokaza koji ukazuju na to da ove patologije imaju neuronske, astroglijalne i mikroglijalne komponente, pad dnevnih funkcija uzrokovan je progresivnim gubitkom neurona. Zbog niske izmjene, neuroni su postmitotske stanice koje moraju živjeti cijeli život. Iz tog razloga, potrebna im je moćna intrinzična zaštitna mašinerija da se nose s vanjskim i unutarnjim uvredama, koje će uzrokovati njihovu smrt. Ove vanjske/unutarnje opasnosti su traumatske ozljede ili ekscitotoksični spojevi, reaktivne kisikove vrste (ROS), proteinski agregati i druge toksične molekule. Srećom, stanice imaju intrinzične strojeve koji blokiraju smrt aktiviranjem mehanizama otpornosti ili promicanjem putova regeneracije. Dok mladi neuroni imaju pravilan rad ovih zaštitnih mehanizama za samoizlječenje, starenje ih remeti, ostavljajući neurone nezaštićenima. U istom smjeru, disfunkcionalnost ovih mehanizama samoizlječenja također je opisana u neurodegenerativnim bolestima.

Tijekom posljednjih desetljeća uloženi su ogromni napori u dobivanje novih i učinkovitih neuroprotektivnih terapija. Međutim, oni su usmjereni na patofiziološke mehanizme, što se na kraju pretvara u ubrzavanje propadanja neurona. Stoga, zašto ne potaknuti mehanizme koje neuroni prirodno imaju kako bi se dobio učinkovit neuroprotektivni pristup?

Ovu zaštitnu mrežu pokreće preslušavanje različitih staničnih procesa (tj. nezamotani proteinski odgovor (UPR), autofagija, itd.), ali oni konvergiraju u isti proces: omogućujući stanici da se prilagodi stresu i preživi [1-3] . Nedavno smo razmotrili novo obrazloženje za otkrivanje neuroprotektora: dešifrirati koje molekularne mehanizme neuroni uključuju nakon dvije različite ozljede živaca sa suprotnim fenotipovima, preživljavanjem ili smrću, koji dijele sličnosti sa zdravljem i neurodegeneracijom/starenjem. Da bismo to učinili, upotrijebili smo dva in vivo modela ozljede perifernih živaca koji oponašaju funkcionalnost ili disfunkcionalnost endogenih mehanizama zaštite. Izazivaju ili smrt motoneurona (MN) (avulzija korijena (RA)) ili preživljavanje (distalna aksotomija (DA)), ovisno o udaljenostima soma–ozljeda [2]. Uz pomoć ovih modela i korištenjem pristupa temeljenog na sistemskoj biologiji, potvrdili smo da smrt MN nakon RA dijeli sličnosti s gubitkom neurona uočenim u neurodegenerativnim bolestima, a također smo opisali koje mehanizme koriste MN da prežive nakon ozljede živca [2]. Degenerativni procesi su apoptoza, nekroza, anoikis, stres endoplazmatskog retikuluma (ER), nukleolarni stres, preuređenje citoskeleta i disfunkcija mitohondrija, dok su pokretači preživljavanja: ispravan UPR, odgovor na toplinski šok, autofagijski put, ubikvitin- proteasomski sustav, šaperonski sustav, degradacijski mehanizam povezan s ER-om i antioksidacijska obrana (Tablica 1). Zanimljivo je da su svi ti mehanizmi zasebno opisani prije više godina i nazvani ozljedama prije kondicioniranja (vidi dolje).

Tablica 1. Sažetak proteina uključenih u svaki endogeni mehanizamneuroprotekcija, uključujući molekularni mehanizam kojim su posredovani njihovi učinci.

Pokazali smo da jačanje ovih endogenih mehanizama neurozaštite putem farmakološkog liječenja omogućuje MN da preživi u različitim pro-smrtnim scenarijima, u rasponu od različitih vrsta do različitih faza razvoja [23,54,55].

2. Prvi dokaz endogenih mehanizama: Pre-kondicioniranje

Fenotipski učinci endogenih mehanizama zaštite opisani su prije 40 godina. Godine 1986. Murry et al. opisao je da subletalni fiziološki stres, također poznat kao predkondiciona ozljeda, pospješuje oporavak tkiva u srcu [56]. Odavde su ti mehanizmi zacjeljivanja također uočeni u mozgu i leđnoj moždini (SC) [57]. Na primjer, ti se stanični odgovori opažaju nakon ozljede živca ili tijekom regeneracije srca, gdje proizvodnja ROS-a ili izvanstaničnih vezikula pokreće funkcionalni oporavak [58-60]. Iznenađujuće, predkondicioniranje određenog organa štiti druge od ozljeda [61]. Za ove učinke odgovorno je nekoliko specifičnih efektora. Nakon predkondicioniranja ozljede, proizvodnja različitih medijatora (dušikov oksid ili ROS) aktivirat će signalne putove fosfatidilinozitol 3-kinazu (PI3K)/protein kinazu B (AKT), protein kinazu C (PKC) i druge signalne putove koji će modulirati faktore transkripcije kao što je faktor 1-alfa (Hif1-) inducibilan hipoksijom ili NF-kB. To će rezultirati proizvodnjom sintaza dušikovog oksida (iNOS), proteina toplinskog udara (HSP) i ciklooksigenaze-2 (COX-2), koji se opisuju kao "krajnji efektori", i pospješit će zaštitni učinak unutar tkiva protiv budućih ozljeda [61]. Zajedno, ove studije sugeriraju da organizmi/stanice imaju endogene zaštitne mehanizme, a njihovo jačanje može biti učinkovita terapijska strategija.

3. Endogeni mehanizmi neuroprotekcije

3.1. Autofagija finog podešavanja

Neuroni zahtijevaju kontinuirano recikliranje unutarstaničnih materijala za održavanje homeostaze. Makroautofagija, u daljnjem tekstu autofagija, visoko je koordinirana molekularna mreža u eukariotskim stanicama koja nastoji reciklirati sadržaj citoplazme kroz lizosomsku razgradnju. Iako je ovaj mehanizam razgradnje u početku promatran samo tijekom gladovanja, nedavne studije su pokazale da stanice imaju bazalnu razinu autofagije za regulaciju homeostaze proteina. Ove bazalne razine bitne su za održavanje aksona i preživljavanje neurona u normalnim uvjetima [62,63]. Funkcionalni autofagijski tok je proces koji visoko koordiniraju različiti geni povezani s autofagijom (ATG), kinaze i drugi regulatorni proteini. Svi oni rade zajedno kako bi orkestrirali ispravnu inicijaciju, nukleaciju, elongaciju, zatvaranje i fuziju autofagosoma s lizosomima kako bi se smanjilo citosolno opterećenje [64]. Tijekom starenja u hipokampusu se opaža smanjeni protok autofagije, dok ponovno uspostavljanje njezinih razina olakšava stvaranje novih sjećanja [65]. Oštećena ili disfunkcionalna autofagija u neuronima povezana je s neurodegeneracijom, dok aktivacija autofagije proizvodineuroprotekcija[5,54]. Promjene u proteinima vezanim uz početnu fazu i fazu elongacije uočene su kod amiotrofične lateralne skleroze (ALS) [66,67], a induktori autofagije, poput rapamicina, djelujuneuroprotekcijanakon cerebralne ishemije, traumatske ozljede mozga (TBI) i AD [68-70]. Neuronski specifični nokaut (KO) ATG5 ili ATG7 uzrokuje neurodegeneraciju, nakupljanje citoplazmatskih inkluzijskih tijela i smrt neurona [62,71], dok je njihova prekomjerna ekspresija korisna u modelu PD [4]. Konačno, p62, koji upravlja nabojem u autofagosomu i igra ključnu ulogu u kasnim fazama stvaranja autofagosoma, djeluje neuroprotektivno u modelima muha karakteriziranih agregatima proteina, što je obilježje neurodegenerativnih bolesti [6].

Nekoliko studija pokazalo je nakupljanje autofagosoma i autolizosoma tijekom neurodegeneracije, što sugerira da je autofagija prekomjerno aktivirana i može izazvati smrt neurona. Nenormalno nakupljanje autofagijskih procesa unutar citoplazme može biti uzrokovano disfunkcijom lizosoma, a ne prekomjerno aktiviranom autofagijom [72]. Autofagija je pravilno započeta nakon TBI, ali autofagosomi nisu eliminirani zbog disfunkcije lizosoma, što dovodi do neriješene autofagije koja potiče neuronsku smrt [73]. Ovi nefunkcionalni lizosomalni putovi također se vide nakon ozljede leđne moždine (SCI), ometajući funkcionalni oporavak [74]. Slična blokada u klirensu autofagosoma također je opisana u neurodegenerativnim bolestima (tj. ljudskim mozgovima AD) [75]. Integracija svih ovih dokaza sugerira da povećanje razlučivosti autofagije može donijeti zaštitu. Platt je nedavno istaknuo terapijski put poboljšanja funkcije lizosomskih proteina za sprječavanje neurodegeneracije [76]. Prekomjerna ekspresija transkripcijskog faktora EB (TFEB), koji modulira transkripcijsku mrežu bitnu za biogenezu i funkciju lizosoma, potaknula je neuroprotektivne učinke u štakorskom modelu PD [7] i modelu AD miševa [8].

Indukcija autofagije nije dobra koliko bismo željeli. Iako je to kanonski zaštitni mehanizam, njegov mehanizam ili prekomjerna aktivacija mogu olakšati staničnu smrt [77,78]. Inhibicija autofagije nakon izlaganja ljudskim prionima smanjuje oštećenje neurona, što ukazuje da indukcija autofagije također uzrokuje smrt [79], a smanjena inicijacija autofagije potiče funkcionalni oporavak nakon SC hemisekcije, sprječava apoptozu i smanjuje piramidalnu smrt nakon ishemije u novorođenčadi. i odrasli miševi [80-82]. Ako se usredotočimo na aksotomirane neurone, blokiranje autofagije je neuroprotektivno za one rubrospinalne [80], dok povećanje razine ATG5 štiti spinalne MN [5]. Dodatna kontroverza je da stanice raka liječene kemoterapijom aktiviraju autofagiju kako bi prevladale apoptotičku smrt izazvanu liječenjem, dok autofagija ovisna o MN inhibira apoptozu [54]. Osim toga, ATG također pokreću smrt neurona. ATG5 gubi svoje proautofagijske sposobnosti kada se cijepa, pomičući svoju aktivnost prema indukciji stanične smrti [83-85]. Beclin1 ima anti-apoptotske učinke u normalnim uvjetima, ali njegovo cijepanje na C-kraju senzibilizira stanice na apoptotičke signale [9]. Stoga postoji preslušavanje između oba stanična procesa, a stanice ih mogu preusmjeriti kako bi povećale svoje šanse za preživljavanje kako bi se nosile s uvredom [83].

Dakle, ono što je važno zaneuroprotekcija? Poticanje ili blokiranje autofagije? Fino podešavanje je odgovor [86]. Indukcija fino podešene autofagije daje korisne učinke: (i) uklanjanjem nefunkcionalnih proteina/organela, (ii) dopuštanjem stanice da se ponovno prilagodi novoj situaciji i (iii) degradirajućim štetnim učincima kao što su induktori upale ili apoptoze [ 87,88], koji posreduju propadanje neurona. Međutim, ova se autofagija mora aktivirati u vrlo određenom vremenskom okviru, izbjegavajući pretjeranu degradaciju koja izaziva smrt stanice.

Na kraju, autofagija također ima nekanonske/degradativne funkcije, kao što je modulacija upalnog odgovora, stvaranje novih sjećanja [65], održavanje sinaptičke homeostaze [89] i transport tereta unutar stanice [ 90]. Dakle, njegovo potpuno blokiranje dovest će do nepovratnog oštećenja živčanog sustava i/ili neurona.

Cistanche može pomoći u neuroprotekciji

3.2. Rješavanje seksi dijela odgovora na nesmotane proteine

Neuroni su izuzetno osjetljivi na pogrešno presavijene proteine ​​i agregate. ER je odgovoran za staničnu proteostazu, što je sinteza, savijanje i sortiranje proteina. Svaka promjena u njegovoj prikladnosti dovest će do nakupljanja pogrešno savijenih proteina, izazivajući ER stres i aktivirajući ER-preopterećeni odgovor (ERO), ER-povezane degradacijske putove (ERAD) ili UPR, što je visoko očuvani stanični odgovor. Promjene u distribuciji i morfologiji ER i UPR uočene su u neurodegenerativnim bolestima [91-93] i kada je neuron izoliran nakon ozljede živca [16,94]. Vezujući imunoglobulinski protein (BIP), također poznat kao GRP78, je ER-rezidentni pratilac koji je glavni senzor UPR-a. U neaktivnom stanju, BIP ostaje vezan na tri ma-

jor UPR efektori: ER kinaza slična RNA-aktiviranoj protein kinazi (PERK) koja inducira homologni protein C/EBP (CHOP), protein-1 alfa koji zahtijeva inozitol (IRE1), koji spaja vezni protein X-box 1 (Xbp1) mRNA, i aktivirajući faktor transkripcije-6 alfa (ATF6) [95,96]. Kada BIP detektira pogrešno savijene proteine, ti se pretvarači aktiviraju i pokreću promjene u ekspresiji gena specifičnih proteina (tj. šaperona, transkripcijskih faktora) s ciljem povećanja sposobnosti stanice da pravilno savija proteine ​​modulacijom ekspresije gena, povećavajući uklanjanje pogrešno savijenih proteina čišćenje proteina, odnosno inhibiranje sinteze proteina, omogućujući stanici da se prilagodi stresu i preživi [97]. Kao dokaz koncepta, prekomjerna ekspresija BIP-a u dopaminskim neuronima povećava njihovo preživljavanje, dok njegova regulacija naniže uzrokuje smrt nigralnih dopaminskih neurona [10]. Osim toga, BIP plus / - miševi pokazuju ubrzano razmnožavanje prionske patogeneze [98]. Sve u svemu, UPR modulacija može imati zaštitne učinke na neurodegeneraciju [94], kao što je nedavno pregledala naša grupa [99]. Aktivacija UPR-a rani je događaj u neurodegenerativnim bolestima, a njegova precizna modulacija ima blagotvorne učinke na progresiju patologije [100,101]. Iako UPR može djelovati kao endogeni mehanizam zaštite stanica, njegova (pre)aktivacija potiče apoptozu [102] (tj. PERK os ima pro- ili anti-apoptotičke sposobnosti [91]). Osim toga, nedavni dokazi sugeriraju da će različite perturbacije ER-a različito aktivirati 3 grane UPR-a, što ukazuje da njihova koordinirana koaktivacija nije uvijek prisutna.

Stoga stanica ima specifičan program da odgovori na određenu uvredu. Na primjer, blokada CHOP ili prekomjerna ekspresija Xbp1 povećava preživljavanje neurona nakon ozljede živca, što ukazuje da svaka grana ima različite uloge u smrti neurona [16].

Rana aktivacija PERK-a nakon ozljede mozga djelujeneuroprotekcija, dok kontinuirana signalizacija kroz ovaj put pogoršava gubitak stanica [11]. Prekomjerna ekspresija ili farmakološka PERK aktivacija smanjuje Tau patologiju [12], dok sprječavanje njegove trajne aktivacije umanjuje smrt neurona [13] i poboljšava opadanje pamćenja povezano sa starenjem [14]. Inhibicija PERK u astrocitima odgađa gubitak neurona u in vivo modelu prionske bolesti. Zanimljivo je da PERK aktivacija u astrocitima remeti sekretom, mijenjajući njegovu sinaptogenu funkciju i uzrokujući sinaptički gubitak [15]. Isti autori opisali su da je glavni

Nizvodni mehanizmi koji su uključeni u ovaj štetan učinak PERK-a su adhezijski putovi izvanstaničnog matriksa i stanica, koji povezuju UPR s anoikisom (vidi dolje, odjeljak 3.4). Razine aktivirajućeg transkripcijskog faktora 5 (ATF5) izravno ovise o aktivaciji PERK/eukariotskog faktora inicijacije translacije 2a (eIF2a). ATF5 je izravno povezan s onim neuronima koji su otporniji na smrt kod ljudske epilepsije [26]. Međutim, naknadne posljedice tih učinaka nisu tako jasne. ATF5 inducira ekspresiju dva anti-apoptotička efektora (vidi dolje), B-stanični limfom 2 (Bcl-2) i inducirani protein diferencijacije stanica mijeloične leukemije (Mcl-1) [103], koji će inhibirati apoptoza. ATF5 također modulira mehanički cilj rapamicina (mTOR) u ne-neuronskim tkivima, koji je glavni modulator autofagije, međusobno povezujući UPR i autofagiju.

Aktivacija IRE1 poboljšava zatajenje jetre [17], a njegov nizvodni efektor Xpb1 potiče zaštitu srca [18],neuroprotekcijakod AD, kod PB i nakon moždanog udara [19-21]. Iznenađujuće je da je studija dijabetičke i retinopatije izazvane ishemijom pokazala da su zaštitni učinci UPR-a posredovani Xbp1 [22]. Unatoč tome, kronična aktivacija grane IRE1 dovest će do fosforilacije faktora 2 (TRAF2) povezanog s receptorom faktora tumorske nekroze-a (TNF-), izazivajući apoptotičku smrt stanice na različite načine [104-106]. Ektopična prekomjerna ekspresija Ire1 dovest će do smrti neurona ovisne o autofagiji u modelu PD Drosophila [107]. Stoga, prilagođena modulacija IRE1 -Xbp1 tijekom određenog prozora može ostvariti zaštitu [108].

Nedavno smo opisali da farmakološki tretman NeuroHealom ili prekomjerna ekspresija sirtuina1 (SIRT1) inducira preživljavanje MN nakon ozljede živca i povećava prisutnost cijepanog ATF6 dok smanjuje fosforilaciju IRE1 [23]. Farmakološka aktivacija ATF6 inducira zaštitu u različitim modelima ishemije aktiviranjem proteostaze [24], a blokada ovog faktora transkripcije ima štetne učinke. Detaljnije, ATF6 modulira ekspresiju proteina povezanih s odgovorom antioksidansa, modulirajući ROS hormezu [109]. Prisilna ekspresija ATF6 poboljšava funkcionalni ishod nakon moždanog udara, a autori sugeriraju da bi ovaj učinak mogao biti posredovan indukcijom autofagije [25].

Dakle, što je terapijski zanimljivo, aktiviranje ili slabljenje UPR-a? Aktivacija specifičnih ogranaka UPR-a je ključna točka. Precizna aktivacija UPR-a može potaknuti zaštitne učinke pomažući stanici da obnovi proteostazu. Unatoč tome, ovaj koncept treba uzeti s oprezom jer ako stres potraje i proteostaza se ne obnovi, UPR pokreće neuronsku apoptozu koja je posredovana PERK ili IRE1 granom [110]. Osim toga, UPR je također povezan s autofagijom i obrnuto. BIP posreduje u autofagnom odgovoru, potičući preživljavanje neurona [111]. Na kraju, 3 grane UPR-a moduliraju transkripciju ATG-a [112], sugerirajući zamršenu vezu između oba stanična procesa.

3.3. Apoptoza "ne danas".

Apoptoza je programirana stanična smrt (PCD) ovisna o kaspazi koja održava integritet stanične plazma membrane i organela [113]. Njegova disregulacija je uzrok mnogih vrsta raka, neurodegenerativnih ili upalnih patologija. Smrt izazvana kaspazama visoko je kontroliran proces koji zahtijeva koordinirano djelovanje nekoliko igrača da izazove konačnu smrt stanice [114]. Obilježja smrti slična apoptozi nalaze se u mišjim modelima amiotrofične lateralne skleroze (ALS), AD ili PD, iako je nejasno je li to konačni izvršitelj neuronske smrti [115]. Tijekom evolucije stanice su razvile nekoliko mehanizama za sprječavanje njihove smrti kada to nije potrebno ili za izbjegavanje preuranjenog PCD-a. Stanice pokreću učinkovitu apoptotičku smrt samo kada ih ravnoteža između pro- ili anti-apoptoznih strojeva gura prema smrti. Na temelju naših in vivo modela uočili smo da RA inducira apoptotičke ali i antiapoptotičke putove, a njihova ravnoteža dovodi do alternativne i nepoznate smrti koja nije klasična apoptoza [2]. Posljednje publikacije u ovom području sugeriraju da kaspaze također djeluju preoblikovanjem živčanog sustava bez promicanja stanične smrti [116], a njihova aktivnost ovisi o substaničnom položaju. Stoga, aktivni oblici kaspaza koji se nalaze u neurodegenerativnim tkivima mogu imati ulogu koja nije povezana sa smrću, a konačna smrt neurona je kroz druge fatalne mehanizme.

Apoptozu mogu spriječiti anti-apoptotski putevi, koje pokreću tri obitelji proteina: FLICE-inhibitorni proteini, Bcl-2, i inhibitori proteina apoptoze (IAP). IAP-ovi djelujuneuroprotekcijau modelu ishemije [27] ili izbjeći smrt MN nakon ozljede živca tijekom neonatalnih stadija [28]. Predlaže se da su IAP odgovorni za blokadu smrti neurona nakon aksotomije tijekom odrasle dobi [29]. U istom smjeru, post-translacijska modifikacija X-linked-IAP (XIAP), koja blokira njegovu anti-kaspaza 3 funkciju, opisana je kao doprinos patogenezi PD [117].

Ishemijsko predkondicioniranje, koje djelomično smanjuje štetne učinke ishemije, djeluje putem IAP-ova i omogućuje stanicama da prežive nakon aktivacije kaskade kaspaze [30]. IAP također posreduju u učinku neurotrofnog faktora koji potiče iz glijalnih stanica (GDNF) na MN nakon neonatalne aksotomije [28] za preživljavanje. Drugi molekularni putovi koji izbjegavaju staničnu smrt modulacijom pro-apoptotskih proteina su kinaze regulirane izvanstaničnim signalom (ERK) i AKT. U tom smislu, AKT put je opisan kao igrač za preživljavanje blokiranjem apoptoze [31]. AKT inhibira induktor apoptoze p53 potičući njegovu razgradnju i stoga blokira njegove pro-apoptotičke sposobnosti [32-34]. Inače, kaspaze mogu inhibirati AKT njegovim cijepanjem, što ukazuje na fino podešenu modulaciju preživljavanja i smrti stanica [118]. S druge strane, aktivnost AKT fosforilira faktore transkripcije Forkhead box proteina O (FOXO). Oni su povezani s apoptozom [119], a njihova modifikacija uključuje povećano preživljavanje stanica [35]. Fosforilacija FOXO-a ovisna o AKT-u izbjegava njegov ulaz u jezgru, sprječavajući indukciju pro-apoptotskih gena kao što je Bcl-2- posrednik stanične smrti (BIM) ili Bcl-2 interakcija s devetnaest kilodaltona protein 3 (Bnip3) [119-121]. S druge strane, post-transdukcijske modifikacije FOXO-a fino podešavaju njihovu transkripcijsku mrežu unutar stanice, pomičući je prema indukciji autofagije umjesto apoptoze [54,121-123]. Stoga je specifična modulacija obitelji FOXO novi put za promicanje preživljavanja neurona inhibicijom apoptoze [54,124].

Konačno, neuronska aktivnost je također promotor anti-apoptoze pomoću NMDA-ovisne anti-apoptotičke genske regulacije [125,126]. Neki od ovih pojačano reguliranih gena omogućuju mitohondrijima da postanu otporniji na stres [126], pomažući stanici da preživi uvredu.

3.4. Ponovno pričvršćivanje od strane Anti-Anoikisa

Interakcija između stanice i izvanstaničnog matriksa (ECM) bitna je za njegovu ispravnu funkcionalnu integraciju unutar tkiva. Kada se izbjegne ovo preslušavanje, stanica umire kroz PCD nazvan anoikis, koji dijeli putove s apoptozom. Zanimljivo je da slom intrinzičnih programa anoikisa daje malignost tumorskim stanicama, dajući im dovoljno stanične otpornosti da pobjegnu i ponovno se pričvrste na druga tkiva bez umiranja [127,128]. Glavni efektori ovih interakcija su integrinski proteini, koji nastaju kombinacijom i podjedinica. Ova kombinacija će odrediti specifičnost liganda i unutarstaničnu signalizaciju. ECM signali se prenose do neurona preko integrina, koji su bitni za oblik stanice, preživljavanje, pokretljivost, proliferaciju, razvoj, neuronsku povezanost i sinaptičku plastičnost [129]. Integrini su također važni za unutarstaničnu signalizaciju faktora rasta [130], koji su dobro poznati modulatori preživljavanja neurona blokiranjem mehanizama pro-smrti. 1 podjedinica integrina bitna je za interakciju stanica-ECM, a njezina je blokada dovoljna da pokrene anoikis [36] i neuronsku apoptozu [131]. Osim toga, unutarstanična signalizacija ove podjedinice povezana je s preživljavanjem ganglijskih stanica retine [132], a njihovi defekti prisutni su u neurodegenerativnim poremećajima [133].

Bez obzira na to, stanice su razvile anti-anoikis potprograme za suzbijanje smrti, koje pokreću tirozin kinaze, male GTPaze [128], NF-kB [134], PI3K/AKT, protoonkogen tirozin-protein kinaza (Src) ili ERK osi , i autofagijom [135,136]. NF-kB modulira anti-anoikis aktiviranjem anti-apoptotskih proteina kao što su Bcl-2 i IAP- 1 [135], dok je uloga PI3K/AKT u preživljavanju stanica naširoko dokumentirana i pridonosi preživljavanju diferenciranih stanica [36,37]. Odvajanje ECM-a također izaziva autofagiju, koja je samozaštitni mehanizam koji dovodi do premosnice apoptoze [135]. Ovi dokazi ponovno ukazuju na zamršenu mrežu između mehanizama samozaštite.

Anoikis je također prisutan u smrti neurona nakon TBI zbog povećanja matrične metaloproteinaze (MMP) koja uništava ECM proteine ​​[137]. Ekspresija i razine MMP-a modificiraju se nakon neurotraume i imaju različite uloge u degeneraciji aksona, stvaranju glijalnih ožiljaka i sinaptičkom preoblikovanju. Što se tiče preživljavanja neurona, inhibicija MMP9 ima zaštitne učinke kod cerebralne ishemije smanjenjem razgradnje laminina [38]. MMP su također uključeni u neurodegeneraciju [138]. Nedavne studije su opisale da inhibicija MMP9 ima zaštitne učinke u motornoj jedinici iz modela ALS miševa [39,40] i u modelima AD [41]. Stoga će tretmani za inhibiciju specifičnih MMP neizravno održavati anti-anoikis program unutar neurona olakšavajući njegov opstanak.

3.5. Citoskelet i motorni transporteri

Neuronski citoskelet sastoji se od tri različita strukturna kompleksa: mikrotubula (MT), intermedijarnih filamenata (IF) i aktinskih mikrofilamenata. Imaju različite stanične funkcije: MT regulira dinamiku neurita i dendrita [139], aktin je zadužen za morfologiju stanice [140], a IF pokreće mehaničku i stabilnost strukture citoskeleta [141]. Defekti u strukturnim kompleksima opaženi su u neurodegenerativnim bolestima, perifernim neuropatijama, sinaptičkoj disfunkciji i dovode do zrelog gubitka kralježnice [141-146].

Dinamika MT-a visoko je kontroliran proces, a njegova neravnoteža može imati razorne posljedice za preživljavanje neurona ili rad aksona [142], dok njegova stabilizacija blokira smrt neurona [147] i ubrzava rast aksona u središnjem živčanom sustavu [148]. Detaljnije, citoskeletne strukture su željeznice, dok su motorni proteini kinezin i dinein vlakovi koji prenose teret anterogradnim odnosno retrogradnim transportom. Stoga su motorički kompleksi također bitni za preživljavanje neurona. Porodicu kinezina čine članovi kinezin-1 (povijesni naziv KIF5c) i kinezin-3 (KIF1A, KIF1B i KIF1B) [149]. KIF5c je obogaćen MN [150], a njegova genetska ablacija povezana je s MN bolestima i paralizom [149,151]. Nedavno je impliciran u patogenezi ALS-a [152]. Oštećenje njegove interakcije s MT dovodi do degeneracije aksona i naknadne smrti neurona [153]. Poremećaj KIF5c dovodi do poremećaja mitohondrijske dinamike, što rezultira preživljavanjem ili smrću neurona ovisno o podražaju. Štoviše, KIF5c fino podešava funkciju mitohondrija, pretvarajući se u zdravlje stanice (vidi dolje, odjeljak 3.6.) [42], a njegova modulacija može pospješitineuroprotekcija. Proteinski agregati, kao što je amiloid-, imaju štetan učinak na stabilnost KIF5a, što dovodi do poremećenog kretanja mitohondrija i funkcije izvora [154].

Retrogradni proteini također djelujuneuroprotekcija. Oni su dynein i multiproteinski kompleksi koje tvore različiti proteini, pri čemu je p150 ljepilo (dynactin1/DCNT1) najzastupljenija podjedinica. Disfunkcionalna podjedinica dinaktina 1 (DCTN1) korištena je kao mišji model ALS-a, a njegova mutacija uzrokuje neispravan aksonski transport koji dovodi do fenotipa sličnog ALS-u kod miševa [155,156]. KO miševi pokazuju smrt MN ovisnu o dobi, koju prati blokada autofagije [157]. DCTN1 ima jasnu ulogu u transportu autofagičnih vakuola unutar neuronskog tijela, a njegov poremećaj uzrokuje nakupljanje amfizoma u distalnim aksonima, što dovodi do fenotipa sličnog AD [158]. Dinein adapter Rab-interacting lysosomal protein (RILP) igra ključnu ulogu u autofagosomskoj biogenezi, transportu, a njegova inhibicija uzrokuje akumulaciju autofagijskih procesa [44]. Sve u svemu, uočeno je da disfunkcija MT, zajedno s aberantnom lokalizacijom kinezina i dineina, dovodi do lizosomske disfunkcije, koja izaziva nakupljanje autofagosoma i presinaptičku distrofiju u AD [159]. Prekomjerna ekspresija DCTN1 u osteoklastu sprječava apoptotičku smrt, što sugerira da motorički proteini također imaju ulogu u izbjegavanju stanične smrti u drugim tipovima stanica i tkivima [43].

Ukratko, smanjenje aksonskog transporta prisutno je u mnogim neurodegenerativnim bolestima i nakon ozljede živčanog sustava. Taj defekt će rezultirati promjenama u strukturi MT i/ili molekularnim motorima potrebnim za transport aksona [5]. Ispravan aksonski transport ključan je za normalno funkcioniranje neurona, a poremećaji u ovom procesu doprinose odumiranju neurona. Poticanje prijenosnog mehanizma stanice, bilo stabilizacijom citoskeleta ili povećanjem razine/aktivnosti motornih proteina, pokazalo se neuroprotektivnim ponovnim uspostavljanjem ispravnog autofagijskog toka unutar neurona [5].

3.6. Dobro funkcioniranje mitohondrija

Funkcija neurona ovisi o ravnoteži energije i kalcija (Ca2 plus ), pa je rad mitohondrija za njih ključan. Mitohondriji nisu statične organele. Mijenjaju oblik, veličinu, broj ili lokalizaciju unutar stanice i imaju sposobnost spajanja ili dijeljenja fisijom kako bi se prilagodili zahtjevima stanice. Oni proizvode energiju kroz ciklus trikarboksilne kiseline (TCA) i oksidativnu fosforilaciju (OXPHOS) preko lanca prijenosa elektrona (ETC). Aktivacija OXPHOS-a dovest će do ROS-a, koji ima širok raspon funkcija (diferencijacija, autofagija, imunološki odgovor) na fiziološkim razinama [160] i regeneraciju aksona [60]. Unatoč tome, na suprafiziološkim razinama, ROS su štetni jer uzrokuju oštećenje lipida, DNK i proteina. Te su promjene povezane s neurodegenerativnim bolestima, SCI i TBI. Mitohondriji također djeluju kao glavni regulator preživljavanja neurona kroz njihovu uključenost u puteve koji moduliraju smrt neurona.

Mitohondrije se oko stanice prenose citoskeletom, motornim proteinima i odgovarajućim adaptorima. U neuronima se njima uglavnom prometuje na MT-ima pomoću adaptora Miro i Milton/proteina koji veže kinezin 1 (TRAK) [161]. Ti pokreti mitohondrija unutar neurona ključni su za održavanje optimalne kondicije unutar sinapsi, proizvodnju energije, puferiranje Ca2 plus, itd. [162]. Mitohondriji se često lokaliziraju blizu ER-a, tvoreći ER membrane povezane s mitohondrijima ili membrane povezane s mitohondrijima (MAM). Ove membranske mikrodomene su reverzibilne veze koje ko-reguliraju i utječu na razne stanične procese, tj. sintezu/transport lipida, Ca2 plus dinamiku/signalizaciju, autofagiju, oblik i veličinu mitohondrija, apoptozu i energetski metabolizam [163]. MAM se mijenjaju kod neuroloških poremećaja kao što su AD, PD i ALS [164]. Mitohondriji djeluju kao središte ATG-a, opskrbljujući membrane za stvaranje autofagosoma i modulirajući autofagni tok [165]. Mitohondriji također pate od UPR(mt), a ovisno o aktiviranom putu, to se povezuje s produljenim životnim vijekom kod crva i miševa [166], ali njegova prekomjerna aktivacija uzrokuje neurodegeneraciju [167].

Mitohondrijska disfunkcija proizlazi iz nedovoljnog broja mitohondrija, nemogućnosti da im se osiguraju potrebni supstrati ili disfunkcije u njihovom prijenosu elektrona i strojevima za sintezu ATP-a. Visoke razine ROS i srodnih reaktivnih vrsta (RNS) mogu se neutralizirati enzimima dismutazom i antioksidansima [168]. Promjene u tim enzimima i određenim mitohondrijskim respiratornim kompleksima primijećene su u neurodegenerativnim bolestima kao što su ALS i PD [169]. Poremećaji broja i funkcije mitohondrija ozbiljno narušavaju staničnu homeostazu i izazivaju pojavu bolesti. Stoga stanice nastoje održati dinamičku ravnotežu između suprotnih procesa mitohondrijske biogeneze i čišćenja. Nakupljanje disfunkcionalnih mitohondrija i/ili gubitak njihove biogeneze dovodi do smrti stanice. Noviji terapijski putevi za sprječavanje neurodegeneracije usmjereni su na poticanje mitohondrijske biogeneze moduliranjem NAD plus [170], epigenetskih oznaka [171] ili moduliranjem osi serotonina u mozgu [172]. Disfunkcionalno čišćenje mitohondrija mitofagijom također daje rezultateneuroprotekcija. Prekomjerna ekspresija PTEN-inducirane kinaze 1 (PINK1), koja je neophodna za pokretanje procesa mitofagije, povećava preživljavanje neurona u modelu HD-a muhe [45]. Osim toga, dodatak NAD-a plus smanjuje neurotoksičnost u PINK1-mutantnom modelu PD-a [173].

Funkcija mitohondrija je umrežena s ROS i staničnim antioksidativnim odgovorom. Na taj način transkripcijski faktor Nuklearni faktor eritroidni faktor 2-srodan faktor 2 (Nrf2) regulira ekspresiju citoprotektivnih i detoksikacijskih gena za borbu protiv oksidativnog stresa i neuroinflamacije, s ciljem smanjenja neuralnog oštećenja. Stoga, to može biti učinkovita manipulacija za odgodu progresije bolesti kod neurodegenerativnih bolesti [174-176]. Pod stimulacijom ROS-a, Nrf2 disocira od proteina povezanog s ECH-om poput Kelcha (Keap1), čime se regulira ekspresija antioksidativnih enzima [177]. Opisano je da Keap1 posreduje u ubikvitinaciji p62 [178]. Kada je Keap1 reguliran naniže, p62 se nakuplja u stanicama i uzrokuje citotoksičnost, dok njegova prekomjerna ekspresija potiče razgradnju p62 putem autofagije. S druge strane, p62 aktivira Nrf2 kroz put autofagije kako bi se formirao put p62-Keap1-Nrf2-antioksidativnog odgovornog elementa (ARE) i suprotstavlja se oksidativnom oštećenju uzrokovanom ROS-om [179]. Štoviše, Nrf2 tvori regulacijske petlje uključene u regulaciju mitohondrijske biogeneze. Nrf2 povećava ekspresiju peroksisomskog proliferatora aktiviranog receptora-gama koaktivatora 1-alfa (PGC-1) i nuklearnog respiratornog faktora (NRF1), koji su izravno uključeni u regulaciju transkripcije mtDNA. Na kraju, Nrf2 regulira ekspresiju PINK1, koja igra ključnu ulogu u indukciji mitofagije [180], što sugerira da antioksidativni kapacitet stanice također utječe na stanje mitohondrija.

Neurodegenerativne bolesti povezane su s inhibicijom puta Nrf2 i disfunkcijom autofagije, što dovodi do nakupljanja ROS-a, starenja organela i pogrešno savijenih proteina [181,182]. Neurodegenerativne bolesti povezane su s puno proteinskih agregata i ROS-a, inducirajući p62-Keap1-Nrf2 osovinu pozitivne povratne sprege, koja je zaštitni mehanizam u neuronima [183,184]. Ekspresija Nrf2 niska je u životinjskim modelima AD i mozgovima bolesnika s AD [185]. Vezanje Nrf2 za ARE događa se ubrzo tijekom progresije bolesti, što odgovara povećanju proizvodnje ROS [186]. Nrf2 štiti neurona smanjujući stvaranje ROS-a i A-posredovanu toksičnost uzrokovanu ROS-om [187,188]. Kod HD-a postoji disfunkcija mitohondrijskog kompleksa II, što uzrokuje povećanje ROS-a [48]. U početnoj fazi HD-a, liječenje agonistom Nrf2 dovodi do povećanja vitalnih citoprotektivnih gena putem Keap1–Nrf2–ARE u astrocitima i mikrogliji [189]. Aktivacija puta Keap1–Nrf2–ARE pomoću malih molekula u astrocitima ubrzava otpornost neurona na neekscitotoksičnu toksičnost glutamata [46–48]. Promijenjena funkcija mitohondrija, biogeneza i mitofagija važne su patološke značajke u PD-u, a Nrf2 je važan faktor transkripcije koji regulira kontrolu kvalitete mitohondrija i homeostazu [190]. Kod PD-a dolazi do aktivacije sustava Nrf2–ARE [191,192] i njegova farmakološka aktivacija sprječava napredovanje PD-a [49,50]. Aktivacija Nrf2 igra zaštitnu ulogu protiv ROS-a i stanične smrti uzrokovane mutiranim proteinom superoksid dismutaze 1 (SOD1). Osim toga, prekomjerna ekspresija astrocita Nrf2 povećava preživljavanje SC MN i produljuje životni vijek kod SOD1 transgenih miševa [51,52]. Osim toga, preslušavanje između p62 i puta Keap1–Nrf2 u kontekstu autofagije može igrati važnu ulogu u uklanjanju ROS-a, sprječavanju oksidativnog oštećenja i modulaciji ER stresa tijekom cerebralne ishemije-reperfuzijske ozljede [53].

Na kraju, mitohondriji pokreću preživljavanje neurona jer osjećaju unutarnje i vanjske inicijatore smrti, pokreću signalne kaskade koje konvergiraju u mitohondrijima i zatim ponovno divergiraju u jedan ili više putova stanične smrti koji dovode do različite vrste stanične smrti (kao što je intrinzična apoptoza ) [193].

4. Usmjeravanje na sistemsku modulaciju

4.1. Ograničenje kalorija

Ograničenje kalorija (CR) produljuje životni vijek u različitim organizmima i ima zaštitni učinak na nekoliko organa. CR djeluje na cijeli organizam: od sistemskog miljea do različitih substaničnih populacija. U 2010. Kromer i suradnici predložili su da dobrobiti CR-a ovise o autofagiji ovisnoj o SIRT1- [194]. S druge strane, istaknuto je da CR djeluje neuroprotektivno u PD bolesti pomoću osovine Grelin-AMPK, pri čemu je AMPK ključni induktor autofagije [195]. S obzirom na očitu nemogućnost održavanja dugotrajnog CR-a, terapeutski interes je porastao za otkrivanjem novih "mimetika" CR-a (CRM), koji oponašaju fiziološke učinke CR-a u organizmu [196]. I CR i CR-mimetici ispitali su učinkovitost u modelima AD štakora poboljšavajući kognitivne funkcije kroz indukciju autofagije [197], tako da su novi terapijski putevi za liječenje neurodegeneracije.

4.2. Vježbajte

Tjelesno vježbanje postaje sve zanimljivije zbog svoje sposobnosti smanjenja patofizioloških stanja kao što je neuropatska bol ili poboljšanja funkcionalnih ishoda u modelima moždanog udara [198]. Također usporava napredovanje PD-a inhibicijom upalne reakcije i poboljšanjem ravnoteže antioksidansa [199]. Opisano je da vježbanje djeluje povećanjem endogenih razina neurotrofnih čimbenika [200,201]. Štoviše, modulira lučenje mišićnih hormona, promičući zaštitne učinke u mozgu, neurogenezu i poboljšavajući starenje mozga [202]. Zapravo, nedavno je opisano da isti hormon, irisin, ima ulogu u formiranju kostiju [203], što ukazuje da vježbanje utječe na cijelo tijelo.

5. Pronalaženje učinkovitog neuroprotektora: što postoji i kamo idemo

Uobičajena obilježja neurodegenerativnih bolesti su neispravna aktivacija UPR-a, nakupljanje autofagijskih procesa, neuspjeh dobrog funkcioniranja mitohondrija, između ostalog. Sve zajedno, oni će preplaviti neurone, izazivajući njihovu smrt. Učinkovit neuroprotektor mora ispraviti ove mehanizme jačanjem stanice s potpunom otpornošću na starenje/uvrede. Moramo potpuno modificirati molekularnu mrežu unutar stanice, gurajući je prema potpunoj obnovi funkcija. Odobreni lijekovi poput Riluzola za ALS [204] ili klinička ispitivanja koja su u tijeku, poput Rapamycina za ALS [204], Spermidina i DH za AD [205,206], ciljaju samo na jedan od ovih degenerativnih procesa, a neuron je preopterećen one druge. Iako mogu dati korisne učinke, predlažemo pronalaženje genetskog ili farmakološkog pristupa za podržavanje različitih molekularnih putova – multitarget terapije – umjesto samo jedne mete.

Specifična prekomjerna ekspresija određenih proteina kao što su SIRT1, BIP i/ili ATG5 olakšava preživljavanje neurona nakon ozljede živca ineuroprotekcijakod neurodegenerativnih bolesti. Oni uglavnom fino podešavaju UPR ili autofagijske mreže. Aktivacija SIRT1 upotrebom transgenih miševa ili virusnih vektora pokazala je zaštitu kod različitih neurodegenerativnih bolesti kao što su ALS, AD i HD [207-209] te također nakon ozljede živaca [55]. Aktivnost deacetilaze SIRT1 podupire različite endogene mehanizme zaštite: autofagiju, modulira UPR prigušivanjem PERK i povećava cijepanje ATF6 [23,210], ima anti-apoptotske učinke i modulira aktivnost AKT za inhibiciju anoikisa [211,212]. Stoga njegova precizna modulacija može poboljšati staničnu otpornost. Iz naše nedavne studije zaključujemo da je modulacija aktivnosti SIRT1 deacetilaze bitan čvor za molekularnu mrežu za postizanje stanične otpornosti [54,55]. Na kraju, prekomjerna ekspresija BIP-a štiti od agregata i inducira autofagiju i mitofagiju [99], tako da je njegova modulacija također učinkovit pristup grupiranju različitih neuroprotektivnih puteva.

6. Zaključne napomene

Poticanje endogenih mehanizamaneuroprotekcijaotvara uzbudljive terapijske mogućnosti za liječenje neurodegenerativnih bolesti ili održavanje homeostaze tkiva nakon neurotraume. Iako je ovo danas neistraženo područje, ono može promicati učinkovitije biomedicinske rezultate od blokiranja konkretnog patofiziološkog obilježja. Stoga njihovo podržavanje genetskim, farmakološkim ili sistemskim modulacijskim terapijama može odgoditi progresiju patologije i poboljšati funkcionalni oporavak. Optimalna terapijska strategija mora uključivati ​​konkretnu modulaciju endogenih mehanizama zaštite kako bi se ponovno modelirala cjelokupna mreža i postigla zaštita.

Autorski doprinos: DR-G. i SM-M.-A. napisao rukopis, a CC je napravio kritički prikaz. Svi su autori pročitali i složili se s objavljenom verzijom rukopisa.

Financiranje: Ovo istraživanje nije dobilo vanjska sredstva.

Izjava o dostupnosti podataka: U ovoj studiji nisu stvoreni niti analizirani novi podaci. Dijeljenje podataka nije primjenjivo na ovaj članak.

Sukob interesa: Autori izjavljuju da nema sukoba interesa.