Конкурс «Био/Мол/Текст»-2022/2023

Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «Био/Мол/Текст»-2022/2023.

Партнер номинации — компания «Хеликон»: — один из ведущих российских поставщиков продукции и услуг для молекулярно-биологических и клеточных лабораторий.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Деменция (от лат. «безумие») — это состояние, которое вызвано нарушениями в работе мозга и связано со снижением таких когнитивных функций, как память, мышление, речь, способность к обучению [1]. По данным ВОЗ, 6–8% населения старше 60 лет страдают деменцией.

Самой распространенной причиной деменции считается болезнь Альцгеймера (БА): по данным ВОЗ, на нее приходится 60–70% всех случаев.

К сожалению, до сих пор не разработано методов лечения или хотя бы сдерживания развития этого заболевания. Врачи могут лишь облегчить состояние таких пациентов, а членам семьи остается быть рядом и обеспечивать больному надлежащий уход.

Во многом беспомощность современной медицины перед БА объясняется тем, что в механизме ее развития для ученых все еще остается много загадок. Однако удалось сформировать список вероятных причин заболевания. Среди них:

1. накопление бета-амилоидного пептида (Аβ) в виде бляшек в определенных областях головного мозга;
2. гиперфосфорилирование тау-белка (стабилизирует микротрубочки в нейронах мозга), что приводит к нарушению его функций и образованию внутриклеточных нейрофибриллярных клубков;
3. дефицит ацетилхолина — нейромедиатора, который играет важную роль в обучении и памяти;
4. воспаление и окислительный стресс.

Все эксперты признают причастность перечисленных факторов к развитию БА, но споры о том, какой из них является ключевым, ведутся уже много лет. Так, повреждение холинергических нейронов (нейроны, которые взаимодействуют между собой посредством нейромедиатора ацетилхолина ) при БА дало повод использовать ингибиторы холинэстеразы (Галактамин, Ривастигмин) для лечения этого заболевания [2], [3]. Вопреки ожиданиям, данный вид терапии позволил лишь уменьшить выраженность симптомов, но не остановил прогрессирование болезни у пациентов [4]. Воспаление и окислительный стресс также связаны с развитием БА, но использование противовоспалительных препаратов и антиоксидантов пока не дало значимых результатов в качестве самостоятельного лечения [5], [6].

О том, как именно нервный импульс передается между нейронами с участием ацетилхолина, читайте в работе «Смертельные яды стремятся в синапс» [7]. — Ред.

Отдельно стоит отметить отложения Аβ и образование нейрофибриллярных клубков в головном мозге пациентов с диагнозом БА. Именно на эти патоморфологические признаки обратил внимание Алоис Альцгеймер (1906 г.), когда изучал мозг своей пациентки с еще не описанной в то время формой деменции (рис. 1). Позже это заболевание назовут в его честь.

Внутриклеточные нейрофибриллярные клубки представляют собой скопления гиперфосфорилированного тау-белка, их появление приводит к нарушению аксонального транспорта [8], [9], а в дальнейшем — к разрушению синапсов и нарушению взаимодействия между нейронами [10]. Но, хотя тау-белок считают важной мишенью для разработки подходов к лечению БА, нейрофибриллярные клубки удается обнаружить не у всех пациентов с этим диагнозом [11].

К настоящему моменту наследственные формы БА связывают с мутациями в гене белка-предшественника Aβ или в генах ферментов, участвующих в его метаболизме [12]. Предшественник бета-амилоида (Amyloid precursor protein) представляет собой трансмембранный белок, который находится в синапсах нейронов. Его основная функция неизвестна, хотя он вовлечен в качестве регулятора в процессы образования синапсов, нейропластичности, антимикробной активности и транспорта железа. Мутации в этом белке приводят к ускорению продукции и накоплению Aβ в головном мозге пациентов, что сопровождается характерной для БА клинической картиной. С другой стороны, примерно 90% всех случаев БА относится к ненаследственным (спорадическим) формам, которые связывают с нарушением выведения Аβ из центральной нервной системы (ЦНС) и снижением концентрации и активности ферментов, отвечающих за его утилизацию [12–15].

Основными разновидностями Aβ пептидов являются пептид Аβ из 40 аминокислотных остатков (Aβ40) и пептид из 42 аминокислотных остатков (Aβ42). Их роль в нормальной физиологии остается неизвестной, но предполагается, что они могут участвовать в антибактериальной защите [16]. Избыток Aβ в мозге пациентов приводит к образованию токсичных олигомеров, которые собираются в фибриллы, образующие скопления в виде амилоидных бляшек (рис. 2) [17].

Неудивительно, что популярным направлением разработки лекарственных препаратов против БА стал поиск веществ, ускоряющих выведение Аβ из ЦНС пациентов. Определенного успеха удалось достичь в разработке препаратов антител к различным формам Аβ, таким, как, например, адуканумаб и леканемаб, хорошо показавшим себя в клинических испытаниях [18], [19]. По замыслу разработчиков, такие антитела должны снижать повреждение нейронов и замедлять нейродегенерацию, разрушая скопления Aβ в головном мозге пациентов с БА. Отрицательная сторона их использования — наличие серьезных побочных эффектов, например, отека головного мозга и кровоизлияний.

Избежать такого рода последствий можно, воздействуя на периферические белки-переносчики Аβ, основным из которых является человеческий сывороточный альбумин — сокращенно ЧСА (рис. 3).

С этим мажорным белком плазмы крови связывается более чем 90% всего Aβ, попавшего в периферический кровоток [20–22]. Причем, чем больше ЧСА связывает Аβ на периферии, тем быстрее он выводится из ЦНС [23]. В дальнейшем циркулирующий в кровотоке Аβ разрушается печенью [24]. Действие ЧСА также реализуется в ЦНС [25]. Согласно данным, полученным в экспериментах in vitro, ЧСА препятствует агрегации и образованию фибрилл Аβ [20], а, следовательно, снижает концентрацию токсических форм Аβ и не дает образовываться его отложениям. Описанные эффекты обусловлены наличием у ЧСА сайтов связывания Аβ различных типов, что позволяет ему взаимодействовать как с мономерной формой Аβ [26], [27], стабилизируя при этом его структуру, так и с олигомерными формами [28], блокируя их рост.

На данный момент существует несколько разрабатываемых подходов для лечения и профилактики БА, направленных на ЧСА:

1. плазмаферез с заменой собственного альбумина пациента на очищенный препарат альбумина;
2. использование измененных форм альбумина, которые обладают повышенным сродством к Аβ;
3. усиление взаимодействия ЧСА с Аβ с помощью лигандов альбумина (веществ, которые образуют комплекс с альбумином).

В 2009 году группой испанских ученых [23] был предложен плазмаферез — процедура очистки собственной плазмы пациента с возможностью введения различных фармакологических препаратов. В процессе такой очистки у пациентов забирали собственный альбумин, который уже был связан с Аβ, и вводили фармакологический чистый альбумин, который связывал новую порцию Аβ и ускорял его выведение из ЦНС пациентов (рис. 4). Клинические исследования подтвердили эффективность данной методики для снижения темпов развития заболевания [29]. Минус такого подхода — наличие инвазивного вмешательства, что увеличивает уровень стресса у пациентов, приводит к росту тревожности и нарушениям поведения [30].

Измененные формы ЧСА, обладающие повышенной связывающей способностью к Аβ по сравнению с «обычным» альбумином человека, можно получить путем замены аминокислот в последовательности белка [31] или введении новых групп, например, дополнительных аминогрупп [32]. Внедрение модифицированного альбумина в клиническую практику пока не проводилось и требует дополнительных исследований.

В то же время, ЧСА обладает уникальной способностью связывать широкий спектр веществ (лигандов) [33], которые, в свою очередь, могут менять его свойства. Многие из них уже используются в виде пищевых добавок или лекарственных препаратов. Для лечения и профилактики БА могут быть использованы лиганды, усиливающие способность ЧСА связывать Аβ. Согласно нашим данным (Лаборатория новых методов в биологии, Институт биологического приборостроения, обособленное подразделение ФИЦ ПНЦБИ РАН), к ним относятся серотонин, ибупрофен (нестероидный противовоспалительный препарат), линолевая и арахидоновая кислоты (рис. 5) [27], [34], [35].

В их присутствии альбумин связывает больше Аβ, что должно способствовать ускорению его выведения из ЦНС пациентов (рис. 6).

Так, в проведенных нами исследованиях in vitro было показано, что нейромедиатор серотонин повышает сродство ЧСА к Aβ в 7–17 раз. Но для достижения такого эффекта необходима большая концентрация серотонина (1 мМ) [35], что недостижимо в периферическом кровотоке, поэтому возможность его использования в качестве лекарственного средства для лечения БА требует дополнительных исследований. В то же время, наши данные согласуются с клиническими фактами. Дегенеративные изменения серотонинергической системы [36] и снижение уровня серотонина в биологических жидкостях [37] у пациентов с БА с одной стороны и сокращение содержания Aβ в головном мозге возрастных пациентов при приеме ингибиторов обратного захвата серотонина [38] — с другой, указывают на возможность участия серотонина в выведении Aβ из ЦНС.

ЧСА является основным переносчиком жирных кислот [39]. При этом, нами было показано, что связывание таких ненасыщенных жирных кислот плазмы крови, как линолевая и арахидоновая, приводит к усилению связывания ЧСА с Aβ в 2–3 раза [34]. Интересно, что уровень линолевой кислоты в плазме крови пациентов с БА значительно снижен [40], что может приводить к ухудшению сродства ЧСА к Aβ, а, следовательно, к снижению скорости его выведения из ЦНС пациентов.

Среди лекарств-лигандов альбумина особый интерес представляют широко используемые безрецептурные лекарственные препараты. По данным наших исследований, in vitro ибупрофен в терапевтических концентрациях увеличивает сродство ЧСА к мономерным формам Aβ в 3–5 раз. Более того, ибупрофен усиливает «противодействие» альбумина образованию фибрилл Aβ [27]. Результаты, полученные в нашей лаборатории, подкреплены клиническими данными и данными исследований на животных. У пациентов, длительно принимающих нестероидные противовоспалительные препараты, в том числе и ибупрофен, отмечается снижение риска развития БА [41], а у лабораторных животных наблюдается снижение содержания отложений Aβ и уменьшение выраженности когнитивных нарушений под действием ибупрофена [42–44].

Перечисленные факты подтверждают, что изменение содержания в крови или ЦНС таких лигандов, как серотонин, ибупрофен, ненасыщенные жирные кислоты, может регулировать сродство ЧСА к Aβ, а, следовательно, менять скорость его выведения.

Полученные данные могут быть использованы не только для разработки лекарственных средств для лечения БА, но и для поиска путей профилактики данного заболевания. Например, предотвратить развитие БА способна помочь диета, обогащенная линолевой кислотой, что соответствует данным об уменьшении риска развития БА при потреблении полиненасыщенных жирных кислот [45], [46]. Линолевая кислота содержится в высоких концентрациях (в % к сумме жирных кислот по массе) в растительных маслах (5–84%), грецких орехах (14%), форели (7,2%). Увеличение в рационе количества этих продуктов может усилить выведение Aβ из головного мозга, что, в свою очередь, существенно снизит риск развития БА. Интересно, что диета, содержащая большое количество холестерина (переработанное мясо: ветчина, сосиски, колбасы, мясные консервы и копчености), который, напротив, препятствует взаимодействию альбумина с Аβ [47], повышает риск развития БА [46].

Несмотря на большое количество исследований, посвященных изучению БА и поиску эффективных подходов к ее лечению и профилактике, до сих пор представления о ее патогенезе остаются фрагментарными, а большая часть лекарственных препаратов, применяемых в широкой клинической практике, облегчают симптомы, но не влияют на развитие заболевания. Вместе с тем, к настоящему моменту уже накоплено большое количество данных об участии альбумина в метаболизме Аβ, которые дают основание считать ЧСА перспективной мишенью для разработки новых безопасных методов лечения и профилактики БА.

Финансирование: исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 20-74-10072 (Литус Е.А.).

Литература

1. Zoe Arvanitakis, Raj C. Shah, David A. Bennett. (2019). Diagnosis and Management of Dementia: Review. JAMA. 322, 1589;
2. Samuel D. Brinkman, Samuel Gershon. (1983). Measurement of cholinergic drug effects on memory in alzheimer's disease. Neurobiology of Aging. 4, 139-145;
3. Summers W.K. (1981). Use of THA in treatment of Alzheimer-like dementia: pilot study in twelve patients. Biol Psychiatry. 16, 145–153;
4. Kamlesh Sharma. (2019). Cholinesterase inhibitors as Alzheimer's therapeutics (Review). Mol Med Report;
5. Muhammad Mohsin Ali, Raza G Ghouri, Armghan H Ans, Arshia Akbar, Ahmed Toheed. (2019). Recommendations for Anti-inflammatory Treatments in Alzheimer’s Disease: A Comprehensive Review of the Literature. Cureus;
6. Ye Feng, Xiaochuan Wang. (2012). Antioxidant Therapies for Alzheimer's Disease. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2012, 1-17;
7. Смертельные яды стремятся в синапс;
8. A C Alonso, T Zaidi, I Grundke-Iqbal, K Iqbal. (1994). Role of abnormally phosphorylated tau in the breakdown of microtubules in Alzheimer disease.. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 91, 5562-5566;
9. Teresa Rodríguez-Martín, Inmaculada Cuchillo-Ibáñez, Wendy Noble, Fanon Nyenya, Brian H. Anderton, Diane P. Hanger. (2013). Tau phosphorylation affects its axonal transport and degradation. Neurobiology of Aging. 34, 2146-2157;
10. Tara L. Spires-Jones, Bradley T. Hyman. (2014). The Intersection of Amyloid Beta and Tau at Synapses in Alzheimer’s Disease. Neuron. 82, 756-771;
11. P. Tiraboschi, M. N. Sabbagh, L. A. Hansen, D. P. Salmon, A. Merdes, et. al.. (2004). Alzheimer disease without neocortical neurofibrillary tangles. Neurology. 62, 1141-1147;
12. C. Cheignon, M. Tomas, D. Bonnefont-Rousselot, P. Faller, C. Hureau, F. Collin. (2018). Oxidative stress and the amyloid beta peptide in Alzheimer’s disease. Redox Biology. 14, 450-464;
13. Deng-Shun Wang, Dennis W. Dickson, James S. Malter. (2006). β-Amyloid Degradation and Alzheimer's Disease. Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2006, 1-12;
14. Huifeng Zhang, Dan Liu, Huanhuan Huang, Yujia Zhao, Hui Zhou. (2018). Characteristics of Insulin-degrading Enzyme in Alzheimer's Disease: A Meta-Analysis. CAR. 15, 610-617;
15. Jitin Bali, Ali Hashemi Gheinani, Sebastian Zurbriggen, Lawrence Rajendran. (2012). Role of genes linked to sporadic Alzheimer’s disease risk in the production of β-amyloid peptides. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 109, 15307-15311;
16. Karin Lopatko Lindman, Bodil Weidung, Jan Olsson, Maria Josefsson, Anders Johansson, et. al.. (2021). Plasma Amyloid-β in Relation to Antibodies Against Herpes Simplex Virus, Cytomegalovirus, and Chlamydophila pneumoniae. ADR. 5, 229-235;
17. Kaj Blennow, Mony J de Leon, Henrik Zetterberg. (2006). Alzheimer's disease. The Lancet. 368, 387-403;
18. Jeff Sevigny, Ping Chiao, Thierry Bussière, Paul H. Weinreb, Leslie Williams, et. al.. (2016). The antibody aducanumab reduces Aβ plaques in Alzheimer’s disease. Nature. 537, 50-56;
19. Christopher H. van Dyck, Chad J. Swanson, Paul Aisen, Randall J. Bateman, Christopher Chen, et. al.. (2023). Lecanemab in Early Alzheimer’s Disease. N Engl J Med. 388, 9-21;
20. Helen F. Stanyon, John H. Viles. (2012). Human Serum Albumin Can Regulate Amyloid-β Peptide Fiber Growth in the Brain Interstitium. Journal of Biological Chemistry. 287, 28163-28168;
21. Yu-Min Kuo, Tyler A. Kokjohn, Walter Kalback, Dean Luehrs, Douglas R. Galasko, et. al.. (2000). Amyloid-β Peptides Interact with Plasma Proteins and Erythrocytes: Implications for Their Quantitation in Plasma. Biochemical and Biophysical Research Communications. 268, 750-756;
22. Anja Leona Biere, Beth Ostaszewski, Evelyn R. Stimson, Bradley T. Hyman, John E. Maggio, Dennis J. Selkoe. (1996). Amyloid β-Peptide Is Transported on Lipoproteins and Albumin in Human Plasma. Journal of Biological Chemistry. 271, 32916-32922;
23. M. Boada, P. Ortiz, F. Anaya, I. Hernández. (2009). Amyloid-targeted therapeutics in Alzheimer's disease: Use of human albumin in plasma exchange as a novel approach for abeta mobilization. Drug News Perspect. 22, 325;
24. Lisbell D. Estrada, Pablo Ahumada, Daniel Cabrera, Juan P. Arab. (2019). Liver Dysfunction as a Novel Player in Alzheimer’s Progression: Looking Outside the Brain. Front. Aging Neurosci.. 11;
25. H. M. WISNIEWSKI, P. B. KOZLOWSKI. (1982). Evidence for Blood-Brain Barrier Changes in Senile Dementia of the Alzheimer Type (SDAT). Ann NY Acad Sci. 396, 119-129;
26. Tae Su Choi, Hyuck Jin Lee, Jong Yoon Han, Mi Hee Lim, Hugh I. Kim. (2017). Molecular Insights into Human Serum Albumin as a Receptor of Amyloid-β in the Extracellular Region. J. Am. Chem. Soc.. 139, 15437-15445;
27. Ekaterina A. Litus, Alexey S. Kazakov, Evgenia I. Deryusheva, Ekaterina L. Nemashkalova, Marina P. Shevelyova, et. al.. (2022). Ibuprofen Favors Binding of Amyloid-β Peptide to Its Depot, Serum Albumin. IJMS. 23, 6168;
28. Mengjuan Zhao, Cong Guo. (2021). Multipronged Regulatory Functions of Serum Albumin in Early Stages of Amyloid-β Aggregation. ACS Chem. Neurosci.. 12, 2409-2420;
29. Mercè Boada, Oscar L. López, Javier Olazarán, Laura Núñez, Michael Pfeffer, et. al.. (2020). A randomized, controlled clinical trial of plasma exchange with albumin replacement for Alzheimer's disease: Primary results of the AMBAR Study. Alzheimer's & Dementia. 16, 1412-1425;
30. Mercè Boada, Fernando Anaya, Pilar Ortiz, Javier Olazarán, Joshua R. Shua-Haim, et. al.. (2017). Efficacy and Safety of Plasma Exchange with 5% Albumin to Modify Cerebrospinal Fluid and Plasma Amyloid-β Concentrations and Cognition Outcomes in Alzheimer’s Disease Patients: A Multicenter, Randomized, Controlled Clinical Trial. JAD. 56, 129-143;
31. Yu Ishima, Ai Mimono, Victor Tuan Giam Chuang, Tetsuya Fukuda, Kohshi Kusumoto, et. al.. (2020). Albumin domain mutants with enhanced Aβ binding capacity identified by phage display analysis for application in various peripheral Aβ elimination approaches of Alzheimer's disease treatment. IUBMB Life. 72, 641-651;
32. Wenjuan Wang, Xiaoyan Dong, Yan Sun. (2019). Modification of Serum Albumin by High Conversion of Carboxyl to Amino Groups Creates a Potent Inhibitor of Amyloid β-Protein Fibrillogenesis. Bioconjugate Chem.. 30, 1477-1488;
33. Mauro Fasano, Stephen Curry, Enzo Terreno, Monica Galliano, Gabriella Fanali, et. al.. (2005). The extraordinary ligand binding properties of human serum albumin. IUBMB Life (International Union of Biochemistry and Molecular Biology: Life). 57, 787-796;
34. E.A. Litus, A.S. Kazakov, A.S. Sokolov, E.L. Nemashkalova, E.I. Galushko, et. al.. (2019). The binding of monomeric amyloid β peptide to serum albumin is affected by major plasma unsaturated fatty acids. Biochemical and Biophysical Research Communications. 510, 248-253;
35. Ekaterina Litus, Alexey Kazakov, Evgenia Deryusheva, Ekaterina Nemashkalova, Marina Shevelyova, et. al.. (2021). Serotonin Promotes Serum Albumin Interaction with the Monomeric Amyloid β Peptide. IJMS. 22, 5896;
36. Kentaro Hirao, Gwenn S. Smith. (2014). Positron Emission Tomography Molecular Imaging in Late-Life Depression. J Geriatr Psychiatry Neurol. 27, 13-23;
37. Luke Whiley, on behalf of AddNeuroMed consortium, Katie E. Chappell, Ellie D’Hondt, Matthew R. Lewis, et. al.. (2021). Metabolic phenotyping reveals a reduction in the bioavailability of serotonin and kynurenine pathway metabolites in both the urine and serum of individuals living with Alzheimer’s disease. Alz Res Therapy. 13;
38. John R. Cirrito, Brianne M. Disabato, Jessica L. Restivo, Deborah K. Verges, Whitney D. Goebel, et. al.. (2011). Serotonin signaling is associated with lower amyloid-β levels and plaques in transgenic mice and humans. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 108, 14968-14973;
39. Ger J. van der Vusse. (2009). Albumin as Fatty Acid Transporter. Drug Metabolism and Pharmacokinetics. 24, 300-307;
40. Stephen C. Cunnane, Julie A. Schneider, Christine Tangney, Jennifer Tremblay-Mercier, Mélanie Fortier, et. al.. (2012). Plasma and Brain Fatty Acid Profiles in Mild Cognitive Impairment and Alzheimer's Disease. JAD. 29, 691-697;
41. Jun Wang, Lan Tan, Hui-Fu Wang, Chen-Chen Tan, Xiang-Fei Meng, et. al.. (2015). Anti-Inflammatory Drugs and Risk of Alzheimer's Disease: An Updated Systematic Review and Meta-Analysis. JAD. 44, 385-396;
42. G. P. Lim, F. Yang, T. Chu, P. Chen, W. Beech, et. al.. (2000). Ibuprofen Suppresses Plaque Pathology and Inflammation in a Mouse Model for Alzheimer's Disease. J. Neurosci.. 20, 5709-5714;
43. Qiao Yan, Jianhua Zhang, Hantao Liu, Safura Babu-Khan, Robert Vassar, et. al.. (2003). Anti-Inflammatory Drug Therapy Alters β-Amyloid Processing and Deposition in an Animal Model of Alzheimer's Disease. J. Neurosci.. 23, 7504-7509;
44. Ann C. McKee, Isabel Carreras, Lokman Hossain, Hoon Ryu, William L. Klein, et. al.. (2008). Ibuprofen reduces Aβ, hyperphosphorylated tau and memory deficits in Alzheimer mice. Brain Research. 1207, 225-236;
45. Martha Clare Morris, Denis A. Evans, Julia L. Bienias, Christine C. Tangney, David A. Bennett, et. al.. (2003). Dietary Fats and the Risk of Incident Alzheimer Disease. Arch Neurol. 60, 194;
46. M.H. Laitinen, T. Ngandu, S. Rovio, E.-L. Helkala, U. Uusitalo, et. al.. (2006). Fat Intake at Midlife and Risk of Dementia and Alzheimer’s Disease: A Population-Based Study. Dement Geriatr Cogn Disord. 22, 99-107;
47. David C. Bode, Helen F. Stanyon, Trisha Hirani, Mark D. Baker, Jon Nield, John H. Viles. (2018). Serum Albumin's Protective Inhibition of Amyloid-β Fiber Formation Is Suppressed by Cholesterol, Fatty Acids and Warfarin. Journal of Molecular Biology. 430, 919-934.