Mitofagija u cerebralnoj ishemiji i ishemijskoj/reperfuzijskoj ozljediⅡ

PATOFIZIOLOGIJA ISHEMIJSKO-REPERFUZIJSKE OZLJEDE (SLIKA 2)

Klinička klasifikacija ishemijskog moždanog udara

Ishemijski moždani udar, poznat i kao cerebralna ishemija, značajan je tip svih slučajeva moždanog udara. Ova bolest nastaje kada krvni ugrušci ili plakovi blokiraju ili sužavaju moždane arterije. Ovisno o patološkom stanju, ishemijski moždani udar može se podijeliti u nekoliko podvrsta: intrakranijalna arterijska stenoza, akutna arterijska okluzija i kronična arterijska okluzija. Intrakranijalna arterijska stenoza odnosi se na sužavanje arterija uzrokovano stvaranjem masnih naslaga zvanih aterosklerotski plakovi i istodobnog zadebljanja stijenki krvnih žila.

Kliknite za cistanche tubulosa Australia za ishemijski moždani udar

U intrakranijalnim arterijama, uključujući srednje cerebralne arterije, bazilarnu arteriju, karotidne arterije i intrakranijalne vertebralne arterije, sužene krvne žile mogu značajno smanjiti protok krvi, što dovodi do ishemijskog događaja (Chimowitz et al., 2005; Banerjee i Chimowitz, 2017). Sustavna analiza koja se usredotočuje na ulogu intrakranijalne ateroskleroze u ishemijskom moždanom udaru ukazuje da stenoza koja izaziva aterosklerozu stupnjevana više od 30 posto može biti uzrok smrtonosnog infarkta mozga (Mazighi et al., 2008.). Aterosklerotični plak je trombogen. Nakon što je njezina kapica puknuta, može se formirati nestabilan ugrušak koji će suziti ili potpuno zatvoriti arterije. Krvni ugrušak koji blokira zahvaćeno mjesto može nastati lokalno ili nastati negdje drugdje, kao što je srce, i embolizirati kroz krvožilni sustav.

Puknuće plakova i embolije ugrušaka obično su povezani s akutnom arterijskom okluzijom, manifestirajući simptome moždanog udara unutar nekoliko sati (Malhotra et al., 2017.). Okluzija također može biti kronična (trajati više od 4 tjedna) ako mozak mijenja cerebralnu hemodinamiku i kompenzira protok krvi izgradnjom kolateralne cirkulacije kao odgovor na smanjenu opskrbu arterijskom krvlju (Sundaram et al., 2017.). U tom slučaju, uz dostatnu kolateralnu kompenzaciju, bolest može biti asimptomatska i benigna (Powers i sur., 2000.); Kronična okluzija bez dovoljne kompenzacije iz kolateralne cirkulacije ipak može rezultirati kroničnom cerebralnom hipoperfuzijom, što dovodi do ishemijskog infarkta. U nekim slučajevima, pacijenti s kroničnom okluzijom mogu spontano rekanalizirati tijekom dugog vremena (više od 3 mjeseca) (Delgado i sur., 2015.).

Liječenje ishemijskog moždanog udara

Trombolitici i postupci recanalizacije razvijeni su kao reperfuzijske strategije za oporavak protoka krvi u zahvaćenim arterijama. Obično se za ove tri podvrste moždanog udara u kliničkom okruženju daju različiti terapijski pristupi. Zbog tehničkih ograničenja, tešku stenozu i akutnu okluziju arterija teško je točno razlikovati (Clevert i sur., 2006.). Ipak, ispravna dijagnoza može biti korisna za optimalno liječenje i bolju prognozu. Intravenska tromboliza jedina je odobrena terapija za bolesnike s AIS-om i može se primijeniti unutar 3 sata od pojave simptoma. Međutim, klinički ishodi samog trombolitičkog liječenja bolesnika s teškom stenozom i okluzijom pokazali su lošiju prognozu od očekivane i manju učinkovitost (Mokin i sur., 2012.).

Klinička ispitivanja usmjerena na lizu ugrušaka sugeriraju da samo intravenozna trombolitička terapija ima nisku stopu rekanalizacije od samo 30-40 posto među pacijentima (Chen i sur., 2012.). Druga analiza kliničkih ishoda intravenske trombolize za okluziju unutarnje karotidne arterije sugerira da je stopa povoljnih ishoda 25 posto (Mokin i sur., 2012.). Revaskularizacijski tretmani, uključujući stentiranje ili endarterektomiju, stoga se savjetuju za pacijente s umjerenom ili teškom stenozom. U usporedbi s intravenskom trombolizom, primatelji trombektomije imaju značajno smanjenu incidenciju ipsilateralnog moždanog udara, što znači bolju prognozu. Arterijske terapije također postižu bolji ishod kod bolesnika s akutnom okluzijom (Mokin i sur., 2012.). Međutim, u kliničkom okruženju, mnogi endarterektomiju ne smatraju opcijom u liječenju potpune okluzije ICA budući da je izvedba ove operacije još uvijek tehnički zahtjevna u sprječavanju postoperativnog stvaranja tromba i održavanju dobre prognoze (Kao i sur., 2007.; Chen i sur. ., 2012.; Faggioli i sur., 2013.).

Do sada se nastavlja potraga za učinkovitim tretmanima za kroničnu okluziju. Medicinski tretmani kao što su lijekovi protiv agresije trombocita ili intravenski tkivni aktivatori plazminogena mogu se dati pacijentima kako bi se smanjio rizik od moždanog udara. Kirurški pristupi poput endarterektomije i postavljanja stenta također se mogu koristiti u liječenju kronične okluzije, iako još uvijek pokazuju neke prividne nedostatke. Kao i kod akutne okluzije, endarterektomija može biti neuspješna u slučajevima sa složenom organizacijom ugruška, a stopa uspjeha rekanalizacije postiže samo 40 posto u bolesnika s kroničnom okluzijom (Thompson i sur., 1986.; Xu i sur., 2018.). Hipoperfuzija se još uvijek javlja kod pacijenata koji nisu uspjeli obnoviti protok krvi u recanalizacijskim terapijama, za što se pretpostavlja da će rezultirati ponavljanjem ishemijskih događaja (Grubb et al., 1998). Također, u procesu postavljanja stenta, ugrušak se može odvojiti kada se stent oslobodi, blokirajući intrakranijalnu arteriju i stoga može uzrokovati postoperativne komplikacije (Xu et al., 2018.).

Ishemija-reperfuzijska ozljeda

Kod pacijenata koji primaju rekanalizacijske terapije, iznenadna obnova protoka krvi ponekad može biti štetna, dovodeći do takozvane 'reperfuzijske ozljede'. I/R ozljeda odnosi se na povredu reoksigenacije tkiva uzrokovanu naglim povratkom opskrbe krvlju u prethodno ishemijska ili anoksična tkiva. Tijekom faze ishemije, opskrba krvlju ispod standardnih funkcionalnih zahtjeva uzrokovat će manjak kisika i hranjivih tvari, što dovodi do metaboličkih poremećaja (Irie i sur., 2014.) i upalnog odgovora (Jin i sur., 2013.) u zahvaćenim područjima. Obnavljanje protoka krvi stoga se smatra temeljnim tretmanom za očuvanje funkcije tkiva. Brojna istraživanja i klinička ispitivanja reperfuzijskog liječenja pokazala su da su reperfuzijske terapije, uključujući intravenske trombolitičke agense i endovaskularne intervencije poput mehaničke trombektomije, relativno sigurne i mogu pomoći u oporavku pacijenata s akutnim ishemijskim moždanim udarom (AIS) kada se daju unutar uskog vremenskog okvira (Kwiatkowski i sur., 1999.; Lees i sur., 2010.; Berkhemer i sur., 2014.; Jovin i sur., 2015.).

Međutim, reperfuzija također može uzrokovati sekundarnu ozljedu u prethodno ishemijskim tkivima budući da ponovna opskrba hranjivim tvarima i kisikom može potaknuti znatnu proizvodnju i akumulaciju ROS-a i u međuvremenu mijenja homeostazu kalcija, što rezultira prekomjernim oksidativnim stresom i lokalnom upalom. Takve stanične promjene uzrokuju oštećenje stanica i mogu aktivirati put stanične smrti u bivšim ishemijskim tkivima.

Pproces i mehanizmi I/R ozljede (Slika 2)

Pretjerani oksidativni stres igra kritičnu ulogu u I/R ozljedi

Oksidativni stres je poremećaj ravnoteže između slobodnih radikala i antioksidativne sposobnosti, a često se događa kada proizvodnja ROS-a nadmašuje antioksidacijsku obranu. U ishemijskom stadiju, opstruirani protok krvi s manjom opskrbom kisikom i hranjivim tvarima izaziva pomak u mitohondrijskom metabolizmu iz aerobnog u anaerobni, stvarajući tako nižu koncentraciju ATP-a i antioksidativnih sredstava u stanicama. Kasniji povratak protoka krvi u ishemijsko tkivo može izazvati reaktivaciju mitohondrijske aerobne respiracije i time povećati proizvodnju ROS. Zbog smanjene razine antioksidansa, oksidacija nadmašuje antioksidaciju tijekom reperfuzijskog razdoblja, što uzrokuje povećani oksidativni stres.

Enzimski sustavi, uključujući sustav ksantin oksidaze, sustav NADPH oksidaze, sustav dušikovog oksida (NO) sintaze i lanac transporta elektrona u mitohondrijima, uglavnom su uključeni u pojavu oksidativnog stresa. U normalnim stanicama metabolizam purina započinje pretvaranjem ATP-a u inozin uz sudjelovanje deaminaza i nukleotidaza, nakon čega slijedi njegova daljnja transformacija u hipoksantin. Kasnije dolazi do oksidacije hipoksantina u ksantin i ksantina u mokraćnu kiselinu, a ksantin dehidrogenaza (XDH) i ksantin oksidaza (XOD) zasebno sudjeluju u ova dva procesa oksidacije. XDH koristi NAD plus kao akceptor elektrona za proizvodnju NADH, a stanje ishemije može inducirati njegov pomak na XOD koji koristi O2 kao akceptor (Kinuta et al., 1989). Obnavljanje protoka krvi i kisika može potaknuti proces oksidacije u metabolizmu purina. Budući da se razina XOD prethodno pospješuje, stvaranje mokraćne kiseline u fazi reperfuzije prati stvaranje visoko reaktivnog superoksidnog aniona (O2−). Superoksid se kasnije može prebaciti u vodikov peroksid (H2O2) i hidroksilni radikal (OH•), što dodatno stimulira oksidativni stres i uzrokuje štetu. NADPH oksidaze su primarni izvor ROS. Oni oksidiraju NADPH u NADP plus i predaju elektrone O2, stvarajući tako superoksid ili H2O2.

Zabilježeno je da Nox/Duox obitelj NADPH oksidaza sudjeluje u proizvodnji ROS-a tijekom I/R ozljede svojom olakšanom aktivnošću (Wang et al., 2006; Simone et al., 2014). Nox2 je bio fokus kod I/R ozljeda koje se javljaju kod moždanog udara. Miševi s nedostatkom podjedinice Nox i miševi s prethodnim tretmanom apocininom (inhibitor Nox2) pokazuju značajno smanjen volumen infarkta i poboljšani klinički ishod moždanog udara (Chen i sur., 2009; Jackman i sur., 2009), što sugerira da ROS izazvan Noxom igra ulogu značajnu ulogu u I/R ozljedama. Osim što trenutno proizvode ROS, NADPH oksidaze također reguliraju proizvodnju ROS stimulirajući sustav NO sintaze. NO, također poznat kao relaksirajući faktor izveden iz endotela, nastaje od L-arginina sintazom dušikovog oksida (NOS) iz tri izvora: neuronski NOS (nNOS), inducibilni NOS (iNOS) i endotelni NOS (eNOS). Uloga NO je promjenjiva: općenito djeluje kao antioksidans, ali njegova interakcija sa superoksidnim anionom može dovesti do stvaranja peroksinitrita (ONOO−) (Marla et al., 1997). ROS stvoren pomoću NADPH oksidaza može oksidirati tetrahidrobiopterin (BH4), esencijalni kofaktor koji posreduje aktivnost eNOS. Oksidacija BH4 kasnije izaziva odvajanje eNOS-a, što rezultira smanjenom proizvodnjom NO i povećanom proizvodnjom ONOO− iz eNOS-a (Landmesser et al., 2003.).

Mitohondriji su glavno mjesto stvaranja, djelovanja i ozljeda oksidativnog stresa. ROS se može generirati iz ETC-a. U ishemiji, stanični stres može inducirati post-translacijske modifikacije proteina oksidativne fosforilacije u ETC-u, čineći ih osjetljivijima na reoksigenaciju (Prabu et al., 2006). Poremećeni ETC kompleksi mogu rezultirati višim potencijalima mitohondrijske membrane, što je pozitivno povezano s više stvaranja ROS (Prabu et al., 2006.). Pojačani oksidativni stres može ciljati na mitohondrije i dodatno oštetiti ETC, uzrokujući naknadno više stvaranja ROS (Indo et al., 2007). ROS egzogenog podrijetla i stvaranje mitohondrijskih ROS-a može dovesti do oštećenja mitohondrijske DNK (Indo i sur., 2007.). Osim toga, previše oksidativnog stresa može oštetiti ili umrijeti stanice (Slika 2).

Preopterećenje kalcijem: još jedan poremećaj kod ishemijsko-reperfuzijske ozljede

Uz oksidativni stres uzrokovan različitim izvorima, preopterećenje kalcijem i abnormalno povećana intracelularna razina Ca2 plus je druga glavna patologija koja igra važnu ulogu u reperfuzijskoj ozljedi. Anaerobno disanje u ishemiji smanjuje unutarstanični pH; stoga Na plus /H plus izmjenjivač (NHE) omogućuje dotok Na plus za održavanje pH. NHE se općenito inaktivira tijekom ishemije, ali njegova se aktivnost može povećati tijekom reperfuzije, što dovodi do velikog influksa Na plus (Allen i Xiao, 2003.). Niža razina ATP-a u ishemiji također slabi aktivnost energetski ovisnih Na plus pumpi, što rezultira višom razinom intracelularnog Na plus.

Studija iz 1987. pokazala je da je ranija neravnoteža natrija uzrok preopterećenja kalcijem koristeći model punjenja energijom Na plus (Grinwald i Brosnahan, 1987). Neuspjeh povratka na normalnu Na plus ravnotežu nakon obnove kisika može pospješiti funkciju Na plus /Ca2 plus izmjenjivača (NCX) koji je osjetljiv na unutarstaničnu razinu Na plus, što dovodi do većeg priljeva Ca2 plus. Preopterećenje kalcijem također je uzrokovano povećanim otpuštanjem Ca2 plus i ograničenim unosom Ca2 plus iz unutarnjeg izvora, uključujući endoplazmatski retikulum (ER) ili Golgijev aparat (Chami et al., 2008.). Pospješeni unos Ca2 plus u mitohondrije kasnije se javlja nakon preopterećenja citosolnog kalcija (Brookes et al., 2004). Preopterećenje citosola i mitohondrija kalcijem može uzrokovati stanično oštećenje na različite načine, uključujući poremećaj mitohondrijske funkcije (Wang M. i sur., 2015.), poticanje proizvodnje ROS-a (Zhu i sur., 2018.) i izazivanje stanične smrti (Boehning i sur., 2004.; Zhu i sur., 2018.) (Slika 2).

Mitochondria-ovisna stanična smrt kod I/R ozljede

Stanične promjene, uključujući povećani oksidativni stres i preopterećenje kalcijem, mogu dovesti do apoptoze uz uključivanje mitohondrija. Ovaj proces je iniciran promjenama u propusnosti mitohondrijske membrane koju kontrolira prijelazna pora mitohondrijske propusnosti (mPTP). Aktivnost mPTP-a vjerojatno je posredovana mitohondrijskom matriksom Ca2 plus razinom, a mitohondrijsko preopterećenje kalcijem koje proizlazi iz citosolnog preopterećenja kalcijem može olakšati otvaranje mPTP-a (Qian et al., 1999). Proizvodnja ROS-a tijekom I/R ozljede, posebno hidroksilnih radikala i vodikovog peroksida, također je utvrđeno da je nezamjenjiva u otvaranju mPTP-a (Assaly et al., 2012.). Permeabilizirana membrana omogućuje aktivaciju i umetanje pro-apoptotskih Bcl-2 članova obitelji BAX i BAK u membranu mitohondrija (Wei et al., 2000; Kirkland et al., 2002).

To pomaže u prijenosu mitohondrijskih proteina uključujući citokrom c iz mitohondrija u citosol, nakon čega slijedi interakcija između citokroma c i dva kofaktora, faktora aktivacije apoptotske proteaze 1 (APAF-1) i pro-kaspaze-9, kako bi formiraju apoptosom, koji na kraju aktivira kaspazu–9-kaspazu-3 signalizirajući put stanične smrti s proteolitičkim događajima i fragmentacijom DNA (Broughton et al., 2009.). Ovaj put se naziva apoptotički put ovisan o kaspazi. Drugi put stanične smrti, apoptoza neovisna o kaspazi, može se aktivirati kada stanična energija ponestane (Daugas i sur., 2000.). Poli (ADP-riboza) polimeraza-1 (PARP-1) je nuklearni enzim koji se nalazi uzvodno od puta (Yu et al., 2002).

Oštećenje DNK izazvano ROS-om može potaknuti prekomjernu aktivaciju PARP-1, u kojoj se koristi NAD plus, čime se iscrpljuje pohrana energije. Yu i sur. (2002.) također su otkrili da aktivacija PARP-1 može dovesti do otpuštanja nizvodno ciljnog čimbenika koji inducira apoptozu (AIF, mitohondrijski flavoprotein) iz mitohondrijske intermembrane u jezgru, uzrokujući kondenzaciju kromatina i veliku fragmentaciju DNA . Studije su pokazale da AIF nema izravni učinak fragmentacije DNA (Susin i sur., 1999; Wang i sur., 2002). Stoga mu je vjerojatno potreban nizvodni efektor tijekom ovog procesa. Studije su pokazale da bi endonukleaza G mogla djelovati u interakciji s AIF-om i uzrokovati fragmentaciju DNA (Wang i sur., 2002.; Lee i sur., 2005.), iako je njihova interakcija još uvijek nejasna. PARP-1-inducirana stanična smrt jedinstveni je put stanične smrti. Općenito pokazuje karakteristike apoptoze, a neki ga istraživači također smatraju nekrotičnim budući da je klasična apoptoza ovisna o energiji (Ha i Snyder, 1999.).

TMozak je osjetljiv na I/R ozljede

I/R ozljeda može se pojaviti u mnogim organima i tkivima, uključujući mozak, srce, skeletne mišiće i bubrege. Neke zajedničke značajke dijele I/R ozljede u tim područjima, uključujući povećanu proizvodnju ROS-a, preopterećenje kalcijem, upalu i otvaranje mPTP-a. Ipak, karakteristike specifične za organe mogu utjecati na ozbiljnost I/R ozljede u različitim organima. Mozak, organ u kojem dolazi do ireverzibilnog oštećenja unutar 20 minuta nakon ishemije i uzak vremenski okvir (općenito 3-4,5 h) koji se može dati za reperfuzijsku terapiju, smatra se vrlo osjetljivim na I/R ozljede (Ordy et al., 1993.) .

ROS u mozgu se uglavnom stvara iz mitohondrija, a ne iz drugih enzimskih izvora ROS kao metabolički aktivnog područja. Na mozak otpada više od 20 posto ukupne tjelesne potrošnje kisika, ali ima relativno nisku razinu antioksidansa u usporedbi s drugim organima, što ga čini ranjivim na oksidativni stres (Markesbery i Lovell, 2007.; Damle i sur., 2009.; Kalogeris i sur. , 2012). Štoviše, akumulirano labilno željezo u mozgu može reagirati s H2O2 i proizvesti visoko reaktivni •OH. Ova reakcija potiče oksidaciju i peroksidaciju masivno nakupljene višestruko nezasićene masne kiseline u mozgu, uzrokujući još veći oksidativni stres (Ferretti i sur., 2008.). Zbog osjetljivosti mozga na I/R ozljede, pronalaženje ciljeva za sprječavanje reperfuzijske ozljede mozga značajno je u liječenju moždanog udara.

Produljenje terapijskog vremenskog okvira kod ishemijskog moždanog udara: odgođena rekanalizacija

Uspješna rekanalizacija začepljene žile što je ranije moguće široko je prihvaćena kao vitalno načelo liječenja AIS-a. Nažalost, godinama je većina bolesnika s AIS-om bila spriječena u primanju učinkovite rekanalizacijske terapije zbog uskog terapijskog okvira. Posljednjih godina, niz kliničkih ispitivanja pokazao je da odgođena rekanalizacija još uvijek može imati koristi u ishemijskim mozgovima tijekom proširenog terapijskog prozora, do više od 24 sata, nekoliko dana, pa čak i više od 1 mjeseca nakon pojave simptoma [Recenzirao Kang et al. (2020.)]. Klinički, napredak u tehnikama snimanja omogućio je bolju karakterizaciju moždanog tkiva i statusa krvnih žila u AIS-u. Oznake ishemije mozga određuju neusklađenost perfuzijsko ponderirane slike/difuzijsko ponderirane slike (PWI/DWI) i neusklađenosti DWI/fluid-attenuated inversion recovery (DWI/FLAIR) na magnetskoj rezonanciji (MRI).

MRI skeniranje s PWI ili kompjutorizirana tomografija (CT) perfuzije (CTP) pokazuje različite razine hipoperfuzije. S obzirom na ovaj razvoj, zajedno s napretkom u intravaskularnim intervencijskim uređajima, moguće je produžiti vremenski prozor rekanalizacije u određenih bolesnika. Sve veći broj randomiziranih studija pokazao je da odgođena rekanalizacija ima korisne učinke na 90--dnevne rezultate. Dva visokokvalitetna, randomizirana kontrolirana klinička ispitivanja (DAWN i DEFUSE 3) endovaskularne mehaničke trombektomije objavila su da je selektivna odgođena rekanalizacija temeljena na neusklađenosti slika poboljšala 90-dnevne rezultate pacijenata, čak i kada se izvodi 16-24 h nakon pojave simptoma (Ragoschke-Schumm i Walter, 2018.). Ukratko, unatoč riziku od I/R ozljede, koji bi se mogao povećati s odgođenom vremenskom točkom za rekanalizaciju, odgođena rekanalizacija još uvijek je korisna za određenu podvrstu pacijenata.

Cistanche neuroprotektivni učinak

Cistanche je biljni ekstrakt poznat po svojim neuroprotektivnim svojstvima, a vjeruje se da njegov mehanizam djelovanja uključuje antioksidativne, protuupalne i antiapoptotičke učinke. Postoji nekoliko relevantnih testova i slučajeva primjene povezanih s neuroprotektivnim učincima Cistanchea, koji uključuju:

1. In vitro studije: In vitro studije su pokazale da ekstrakt Cistanche štiti neurone od oštećenja izazvanih stresom smanjujući oksidativni stres i upalu.

2. Studije na životinjama: Studije na životinjama pokazale su da Cistanche može zaštititi od neuronskih oštećenja uzrokovanih cerebralnom ishemijom, traumatskom ozljedom mozga i izloženošću neurotoksinima.

3. Studije na ljudima: Postoje ograničeni klinički dokazi o neuroprotektivnim učincima Cistanchea kod ljudi, ali neke studije sugeriraju da može poboljšati kognitivnu funkciju i smanjiti opadanje pamćenja povezano sa starenjem.

Luoan Shen1†, Qinyi Gan1†, Youcheng Yang1, Cesar Reis2, Zheng Zhang1, Shanshan Xu3, Tongyu Zhang4 * i Chengmei Sun1,3 *

1 Sveučilište Zhejiang – Institut Sveučilišta u Edinburghu, Medicinski fakultet, Sveučilište Zhejiang, Haining, Kina,

2 Zdravstveni sustav VA Loma Linda, Sveučilište Loma Linda, Loma Linda, CA, Sjedinjene Države,

3 Institut za napredne studije, Sveučilište Shenzhen, Shenzhen, Kina, 4 Odjel za neurokirurgiju, bolnica Xuanwu, Sveučilište Capital Medical, Peking, Kina