Многочисленные заболевания центральной нервной системы (ЦНС) связаны с нарушением гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), являющегося сложной гетерогенной системой головного мозга с несколькими уровнями избирательного транспорта, регуляции и защиты, способной поддерживать гомеостаз мозга и выполнять функцию высокоселективного фильтра [1, 2, 3].
При нормальном функционировании ГЭБ не только регулирует поступление лекарственных средств или эндогенных веществ в мозг, но и контролирует трансбарьерную миграцию клеток. Эндотелиальные клетки мозга обеспечивают тромборезистентную поверхность, что предотвращает адгезию лейкоцитов, тромбоцитов и активацию факторов коагуляции, изолирует мозг от контроля иммунной системы и позволяет лишь некоторым мононуклеарным клеткам (например, активированным Т-клеткам) мигрировать в ЦНС [1].
Повышенная проницаемость ГЭБ сопровождается немедленной потерей гомеостатического контроля за содержанием ионов, АТФ, а также уровней нейромедиаторов в мозге, способствуя формированию аномальной синаптической передачи или возбуждению нейронов, что может приводить к неврологическим осложнениям [4]. Однако нейрональная активность значительно влияет на цереброваскулярные функции как у здоровых людей, так и при болезненных состояниях [5, 6].
Основными функциональными и анатомическими элементами ГЭБ являются эндотелиоциты капилляров головного мозга, астроциты, базальная мембрана, нейроны, перициты и микроглия, образующие «нейроваскулярную единицу» (НВЕ) [7, 8, 9].
Сохранность НВЕ и взаимодействие ее элементов являются основой функционирования головного мозга, обеспечивают метаболизм всех церебральных процессов и обосновывают облигатность ее участия в патофизиологии широкого круга неврологических заболеваний [10]. Концепция нейроваскулярной единицы лежит в основе феномена гиперемии и отражает ответ на активность нейронов увеличением кровотока. Уровень энергопотребления мозга определяется одновременной работой многих нейрональных систем, обеспечивающих когнитивные, двигательные, эмоциональные и иные церебральные процессы в режиме постоянного синаптического взаимодействия нейронов.
Эндотелиальные клетки мозга, соединяясь друг с другом через сложную сеть плотных контактов, создают первичный барьер, предотвращающий параклеточный транспорт, и образуют эндотелиальный слой базальной мембраны, в который встроены перициты. Астроциты, обертывающие эндотелиальные клетки мозга и перициты своими концевыми отростками, формируют еще один слой базальной мембраны – паренхиматозный. Эти два слоя неразличимы, за исключением посткапиллярных венул, где их отделяет периваскулярное пространство, дренированное спинномозговой жидкостью [11, 12]. Нейроны и микроглия имеют прямой контакт с астроцитами и эндотелиальными клетками мозга.
Эндотелий капилляров в головном мозге, в которых экспрессируются плотные белки, в 50–100 раз превышают их плотность на периферии. Выделяют два типа белков с плотными контактами, регулирующих транспорт частиц между эпителиальными клетками: трансмембранные (окклюдин, клаудин-1,5,11) и цитоплазматические вспомогательные белки (zonula occludens-1,2,3 и цингулин) [13]. Следует отметить, что zonula occludens-1 (ZO-1) – первый идентифицированный белок плотных контактов (TJ), являющийся одним из наиболее изученных компонентов пластинки TJ.
Трансмембранные белки, особенно окклюдин, функционируют с целью устранения промежутков между соседними клетками. Окклюдин с его N- и C-концевыми доменами, расположенный в плотных контактах, является наряду с клаудином их главным компонентом и поддерживает целостность ГЭБ [7, 14]. Установлено также, что диссоциация ZO-1 от плотных контактов способствует нарушению ГЭБ [15].
Известно, что в регуляции проницаемости сосудов значительную роль играют хемокины – большое семейство структурно-гомологичных цитокинов, стимулирующих продвижение лейкоцитов и регулирующих их миграцию из крови в ткани. Выделяют два основных подсемейства хемокинов – СХС (α), СС (β) – и два второстепенных подсемейства – С (γ), СХ3С (σ) [16]. Повышенная проницаемость микрососудов во время воспалительных реакций тесно коррелирует с экспрессией провоспалительных медиаторов [17].
Высокая периваскулярная экспрессия хемокинов обнаруживается при многих патологических заболеваниях, сопровождающихся воспалением, что обеспечивает градиент для притока лейкоцитов. Хемокины могут также участвовать в активации эндотелиальных клеток и регуляции проницаемости ГЭБ [18]. Основные функции этих хемокинов включают рекрутирование лейкоцитов во время воспалительных состояний, поддержание гомеостаза лигандов между кровью и тканями, а также регулирование процессов развития/прогрессирования заболевания, связанных с проницаемостью ГЭБ и миелинизацией [19].
Необходимо отметить, что к основному подсемейству хемокинов СС (β) относится CCL2 (С-С-motif Ligand-2), известный как моноцитарный хемоаттрактантный протеин-1 (monocyte Chemoattractant protein-1/MCP-1), являющийся одним из наиболее мощных и часто экспрессируемых хемокинов в ЦНС во время воспаления. МСР-1 представляет собой мономерный белок с молекулярной массой 13 kDa и образован 76 аминокислотами. МСР-1 играет жизненно важную роль в процессе воспаления, где он привлекает или усиливает экспрессию других воспалительных факторов/клеток. Это приводит к прогрессированию нарушений по основному механизму миграции и инфильтрации воспалительных клеток. МСР -1 прямо или косвенно вовлекается в патогенез нейровоспалительных, дегенеративных и сердечно-сосудистых заболеваний.
МСР-1, являясь провоспалительным медиатором, значительно активируется во время воспаления, способен нарушать ГЭБ и модулировать прогрессирование различных заболеваний, включая ишемию, эксайтотоксическое повреждение и кровоизлияние [20, 21].
В головном мозге МСР-1 экспрессируется большинством клеток – нейронами, астроцитами, микроглией и эндотелиальными клетками мозга [22, 23]. Экспрессия МСР-1 в нейронах выявляется главным образом в коре полушарий головного мозга, бледном шаре (часть nucleus lentiformis), гиппокампе, паравентрикулярном и супраоптическом ядрах гипоталамуса, черном веществе (substantia nigra), ядрах лицевого нерва, моторном и спиномозговом ядрах тройничного нерва, клетках Пуркинье в мозжечке [24].
МСР-1 выполняет свои биологические функции, связываясь с его высокоаффинным рецептором CCR2, который в основном экспрессируется микроглией, астроцитами и эндотелиальными клетками мозга [25].
Секретируемый МСР-1 связывается с растворимыми гликозамингликанами, мобилизованными на поверхности клетки и внеклеточного матрикса, что повышает его локальную концентрацию и способствует образованию градиентов хемокинов [26].
Накопленные данные свидетельствуют о том, что МСР-1 нарушает целостность ГЭБ через распределение белков плотных контактов от межклеточной границы (вероятно, через эндоцитоз) и реорганизацию актинового цитоскелета эндотелиальных клеток. Установлено, что эти изменения зависят от активности плазмина [27].
S.M. Stamatovic et al. [28] выявили, что связывание МСР-1 с CCR2 активирует протеинкиназу С (РKС) и Rho-ассоциированную протеинкиназу (ROCK), что приводит к смещению белков плотных соединений от границы клетки к внутриклеточным компартментам. При этом индуцированные МСР-1 молекулярные изменения в нейронах могут модулировать функцию других компонентов ГЭБ и оказывать влияние на его целостность.
Для выяснения эффектов МСР-1 на проницаемость ГЭБ авторами было проведено экспериментальное исследование в условиях in vitro (совместное культивирование эндотелиальных клеток головного мозга и астроцитов) и в условиях in vivo (внутримозговое и инрацеребровентрикулярное введение МСР-1). Исследование показало, что МСР-1 вызывает значительное увеличение проницаемости ГЭБ (в 17 раз по сравнению с контролем). Вместе с тем отсутствие МСР-1 или CCR2 предотвращает гибель нейронов, снижает проницаемость ГЭБ при многих нарушениях, включая кровоизлияния и ишемию, связанную с реперфузионным повреждением [29].
Исследования Y.Y. Deng et al. [30] в эксперименте на однодневных крысах, подвергнутых гипоксии, выявили, что МСР-1, продуцируемый сигнальным путем NF-Kappa B (универсального фактора транскрипции, контролирующего экспрессию генов иммунного ответа, апоптоза и клеточного цикла), опосредует миграцию амебоидной микроглии в перивентрикулярное белое вещество. Это объясняет чувствительность белого вещества к гипоксическому повреждению головного мозга новорожденных.
Y. Sakurai-Yamashita et al. [31] выявили у животных на фоне гипоксии резкое возрастание концентрации МСР-1 в гиппокампе через 2 дня после реперфузии, что свидетельствует о повышенной проницаемости ГЭБ, обусловленной миграцией моноцитов в паренхиму мозга, вызванной астроцитами, экспрессирующими МСР-1. Авторами также выявлено, что высокие значения МСР-1 в гиппокампе, связанные с ишемией, приводят к отсроченной гибели нейронов. Необходимо отметить, что МСР-1 в норме в сосудистой стенке не выявляется, но его уровень повышается в зоне ишемии и атеросклеротической бляшки [32].
Повышенный уровень МСР-1 регистрируется также у пациентов с тяжелым обструктивным апноэ сна и перемежающейся гипоксией [33].
Известно, что при сахарном диабете 1-го типа развиваются осложнения, включающие болезни сердца и почек, ангиопатии, нейропатии. Это связано с тем, что метаболический стресс при данном заболевании нарушает энергетический обмен и приводит к изменению продукции медиаторов воспаления, увеличивая риск окислительного повреждения, что позволяет рассматривать сахарный диабет как состояние хронической гипоксии. Проведенные экспериментальные исследования C. Marisa et al. [34] выявили, что у диабетических крыс, подвергнутых хронической гипоксии, отмечается значительное повышение МСР-1 по сравнению с контролем, что свидетельствует об участии МСР-1 в патофизиологии диабета, а гипоксия является мощным стимулом, способным модулировать экспрессию данного показателя.
Хроническое воспаление играет ключевую роль в возникновении и прогрессировании нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и рассеянный склероз [35, 36, 37]. Болезнь Альцгеймера характеризуется наличием амилоидных бляшек и нейрофебриллярных клубков в головном мозге. При этом заболевании МСР-1 обнаруживается в сенильных бляшках и реактивной микроглии. Уровень МСР-1 в плазме коррелировал с более быстрым снижением когнитивных функций и более тяжелым течением заболевания [38].
Известно, что МСР-1 вовлечен в нейровоспалительные процессы, возникающие при различных заболеваниях центральной нервной системы, которые характеризуются нейрональной дегенерацией [39]. Так, нейродегенеративное заболевание, связанное с потерей нейронов в черной субстанции и других областях головного мозга, известно как болезнь Паркинсона. В исследованиях было обнаружено повышение уровня МСР-1 в спинномозговой жидкости, что указывает на его роль в прогрессировании заболевания. МСР-1 также является маркёром активации микроглии и отрицательно связан с продолжительностью заболевания [40]. Предполагается, что МСР-1 является потенциальным биомаркёром прогрессирования болезни Паркинсона [41].
МСР-1 играет существенную роль в прогрессировании другого нейродегенеративного заболевания – рассеянного склероза – и является его биомаркёром. При первично прогрессирующем рассеянном склерозе интратекальный синтез и концентрация МСР-1 повышены, что указывает на его вклад в развитие данного нейродегенеративного процесса [42].
При эпилепсии, являющейся хроническим неврологическим заболеванием, во время приступов происходит активация МСР-1. После эпилептического статуса МСР-1 и CCR2 способствуют развитию нейродегенерации посредством продукции интерлейкина-1 и активации STAT3, являющегося белком-посредником, обеспечивающим ответ клетки на сигналы, поступающие через рецепторы интерлейкинов. МСР-1 и CCR2 вносят существенный вклад в патогенез и прогрессирование трудноизлечимой формы данной патологии, поскольку их экспрессия повышается в нейронах и глии эпилептогенной зоны [43, 44].
В генезе развития инсульта, обусловленного нарушением мозгового кровообращения с последующим фокальным ишемическим некрозом вещества головного мозга, лежит эндотелиальная дисфункция, приводящая к нарушению клеточного метаболизма сосудов капиллярного уровня, что сопряжено с нарушением функции митохондрий, формированием оксидативного стресса. Выявление МСР-1 в сыворотке крови является наиболее ранним маркёром эндотелиальной дисфункции развивающегося внутрисосудистого воспаления [8].
В эксперименте in vivo при ишемическом инсульте у крыс отмечена активация МСР-1. Снижение данного показателя сопровождается уменьшением неврологических нарушений, воспалительной реакции и площади ишемического инфаркта, что указывает на вклад сигнального пути МСР-1 в прогрессирование ишемического инсульта [45]. Полученные данные позволили D. Bonifacic et al. [46] рекомендовать определение экспрессии МСР-1 в качестве раннего предиктора ишемического инсульта.
По данным К.А. Колотова, П.Г. Распутина [25], J. Strecker et al. [47], при снижении уровня МСР-1 происходит уменьшение проницаемости ГЭБ и экспрессии генов occludien и zonula occluden-1 и -2, связанных с ГЭБ.
При вторичном повреждении головного мозга после внутримозгового кровоизлияния значительную роль играют МСР-1 и его рецептор CCR2, что приводит к нарушению ГЭБ опосредованно через сигнальный путь с помощью цитокининспецифического связывающего белка (p38 MAPK), участвующего в сигнальном каскаде, контролирующего клеточные реакции на цитокины и стресс [48]. Наряду с этим A. Chang et al. [49] выявлено взаимодействие МСР-1 с ангиотензином ствола головного мозга, что расценивается авторами как новый механизм прессорного ответа после ишемического инсульта.
При черепно-мозговой травме возникающее нейровоспаление является результатом взаимодействия иммунной и нервной систем с развитием в последующем окислительного стресса, эксайтотоксичности и нарушения проницаемости ГЭБ [20]. В связи с этим чрезвычайно важной при травме головного мозга является разработка маркёров повреждения для оценки тяжести заболевания и отдаленных последствий. Установлено, что при черепно-мозговой травме высокой чувствительностью и специфичностью обладает МСР-1. Исследования J.R. Huie et al. [23] выявили повышенный уровень МСР-1 у пациентов с тяжелой и средней степенью тяжести черепно-мозговой травмы. По мнению авторов, МСР-1 может быть использован как прогностический маркёр, так как его содержание повышается в первые сутки у пациентов с неблагоприятным исходом заболевания.
В работе I.R. Martin et al. [50] установлено, что при спинальной мышечной атрофии (СМА), часто проявляющейся фатальной мышечной слабостью, снижение поддержки моторных нейронов астроцитами связано с дефицитом секреции МСР-1. В эксперименте на животных авторами было показано, что замена дефицитного МСР-1 увеличивает дифференцировку и длину нейритов в клеточной культуре. Данное исследование раскрывает новый аспект дисфункции астроцитов при СМА и указывает на возможный подход к улучшению роста и выживанию двигательных нейронов при этом заболевании.
Заключение. Поступление в головной мозг клеток воспаления является критическим событием в патогенезе воспалительных заболеваний, а также невоспалительных состояний ЦНС, таких как инсульт и черепно-мозговая травма. ГЭБ, являясь анатомическим и иммунологическим барьером, играет ведущую роль в привлечении лейкоцитов при остром и хроническом воспалении ЦНС. Трансэндотелиальное движение лейкоцитов представляет собой многоступенчатый процесс, каждый шаг которого опосредуется между специфическими молекулами эндотелиальных клеток и их лигандами на лейкоцитах. Эти данные дополнительно подчеркивают важную роль эндотелия микрососудов головного мозга в регуляции воспалительных реакций, происходящих в ГЭБ.
МСР-1, являющийся мощным аттрактантом моноцитов и микроглии, выявлен при многих повреждениях ЦНС, включая ишемию, эксайтотоксичность и кровоизлияние. Механизмы нейропатогенеза церебральных нарушений связаны с экспрессией МСР-1, который повышает проницаемость ГЭБ через распределение белков плотных контактов и миграцию моноцитов в паренхиму мозга, вызванных астроцитами экспрессирующими МСР-1. Наряду с этим экспрессия МСР-1 влияет на потерю нейронов, которые являются неотъемлемой частью прогрессирования неврологических расстройств. Последующие исследования, направленные на плейотропное и неселективное ингибирование МСР-1 и его рецептора CCR2, будут способствовать разработке терапевтических подходов по предотвращению хронизации заболеваний центральной нервной системы.