Нейропротекторная активность аналогов эстрадиола и нового эстрогена при ишемии

Эстрадиол – стероидный гормон группы эстрогенов, являющийся наиболее распространённым и активным женским половым гормоном.

Биологические функции эстрадиола включают регуляцию менструального цикла у женщин, развитие женских вторичных половых признаков, таких как грудь, широкие бедра, женский тип распределения жировой ткани в теле, развитие и поддержание женских репродуктивных тканей, таких как молочные железы, матка, влагалище. Также эстрадиол модулирует женское половое поведение, участвует в поддержании беременности, стимулирует рост фолликулов яичника. Для данного гормона также открыто много функций, не связанных с женским репродуктивным циклам. К ним относится регуляция закрытия метафизарных хрящей, плотности костей и их соединений, поддержание состояния кожи, нейропротекторная активность за счёт антиоксидантного действия, регуляция настроения и когнитивных процессов, регуляция продукции различных белков печенью (липопротеинов и факторов свертывания крови), влияние на кровеносные сосуды и многое другое. Биосинтез эстрадиола, как и других стероидных гормонов, начинается с холестерола. После отрезания боковой цепи и прохождения по А5 или А4-пути, образуется андростендион – ключевой интермедиат биосинтеза эстрадиола. Часть андростендиона превращается в тестостерон, который впоследствии может конвертироваться в эстрадиол под воздействием фермента ароматазы. Согласно другому пути, андростендион ароматизируется в эстрон, который впоследствии преобразуется в эстрадиол при действии 17β-гидроксистероид дегидрогеназы.

В период репродуктивной активности у женщин, бóльшая часть эстрадиола синтезируется клетками гранулёзы яичников путём ароматизации андростендиона (продуцируемого клетками теки фолликулов) в эстрон с последующей конвертацией последнего в эстрадиол 17β-гидроксистероид дегидрогеназой. Меньшее количество эстрадиола образуется корковым веществом надпочечников, и, у мужчин, яичками. Также эстрадиол образуют клетки жировой ткани, мозга и артериальной стенки. Биологическое действие эстрадиола реализуется через рецепторы эстрогенов (estrogen receptors, ERs), которые являются ядерными рецепторами стероидных гормонов. Существует два подтипа ER, ERα и ERβ, оба из которых могут активироваться эстрадиолом.

Результатом активации таких рецепторов является модуляция транскрипции и экспрессии генов, что является главным механизмом действия эстрадиола в организме. Эстрадиол также действует через мембранные рецепторы эстрогенов (membrane ERs, mERs), такие как GPER (GPR30), которые являются недавно открытыми неядерными рецепторами эстрадиола, опосредующими его быстрые негеномные эффекты. В отличие от ER, GPER являются селективными по отношению именно к эстрадиолу и обладают очень низким сродством к другим эндогенным эстрогенам, таким как эстрон и эстриол.

Нейропротекторная активность аналогов эстрадиола и нового эстрогена при ишемии: трансляционные приложения

В этом обзоре обобщаются знания авторов о нейропротекторной эффективности эстрадиола и других эстрогенных агентов в животной модели кратковременной глобальной ишемии, которая приводит к селективной медленной гибели гиппокампальных CA1 нейронов и связанным с этим когнитивным дефицитам. Авторами показано, что эстрадиол не даёт погибнуть значительному числу CA1 пирамидных нейронов, которые погибли бы вследствие глобальной ишемии. Для достижения такого эффекта, эстрадиол должен вводиться предварительно в течение долгого времени в физиологических дозировках или во время реперфузии единоразово. Вдобавок к стимуляции выживания нейронов, оба способа введения эстрадиола вызывали измеримое усиление когнитивных функций. Более того, эстрадиол и аналоги эстрогена, которые не связываются с классическими эстрогеновыми ядерными рецепторами, показывают нейропротекторную активность у самок средних лет, лишённых овариальных гормонов на длительный период времени (8 недель). Таким образом, нефеминизирующие эстрогены могут представлять новый терапевтический подход для лечения повреждения нейронов, связанного с глобальной ишемией.

Эстрогены и ишемия головного мозга

Инсульт является третьей по частоте встречаемости причиной смерти в Соединенных Штатах и основной причиной инвалидности у взрослых. Из 600 000 новых жертв каждый год 30% умирают, а еще почти 30% становятся инвалидами с серьезными и постоянными повреждениями. Временная глобальная ишемия возникает вследствие остановки сердца, кардиохирургических вмешательств, обильного кровотечения, неполного утопления и отравления угарным газом и поражает ~ 200 000 американцев каждый год. Временная глобальная ишемия вызывает селективную отсроченную гибель нейронов CA1 гиппокампа у людей и может привести к серьезным неврологическим последствиям, из которых когнитивный дефицит является наиболее значимым. На данный момент разработано мало безопасных и эффективных способов лечения, способствующих снижению гибели нейронов и когнитивной дисфункции, связанной с ишемией. В настоящее время хорошо известно, что эндогенные и экзогенные эстрогены оказывают глубокое нейропротективное действие на животных моделях очаговой (инсульт) и глобальной ишемии. Потребление фитоэстрогенов (эстрогенов растительного происхождения) с пищей также может улучшить результаты после очаговой и глобальной ишемии у крыс. В культивируемых нейронах эстрогены могут снижать гибель клеток, вызванную экситотоксинами (например, глутаматом), окислительным стрессом, в-амилоидом и депривацией сыворотки. Более того, сообщается, что эстрогены уменьшают вызванное ишемией повреждение тканей, таких как почки и сердце, и уменьшают апоптоз гладких мышц сосудов. Многоцентровое исследование женщин в постменопаузе также показало, что более длительное воздействие эстрогенов яичников может защитить от ишемического инсульта. Таким образом, эстрогены имеют большие перспективы в качестве потенциальных терапевтических агентов при лечении ишемии. Тем не менее, клиническое использование эстрадиола и родственных эстрогенов у женщин в менопаузе остается спорным. Многочисленные клинические испытания поставили под сомнение способность гормональной терапии снижать частоту сердечно- сосудистых заболеваний, инсульта и деменции у женщин в постменопаузе. Другое клиническое исследование не выявило положительного влияния эстрадиола на частоту возникновения инсульта; действительно женщины в постменопаузе, получавшие лечение эстрадиолом, имели повышенный риск развития инсульта и худших неврологических исходов. Нынешняя ситуация подчеркивает важность исследований на животных для решения оставшихся без ответа вопросов относительно эффективности гормонального лечения для уменьшения степени повреждения нейронов, вызванного ишемией, и связанных с ним когнитивных нарушений. Научно-исследовательские лаборатории инициировали исследование нейропротекторного действия наиболее распространенного эстрогена яичника, 17β- эстрадиола (в дальнейшем — эстрадиола), на животных моделях глобальной ишемии около 10 лет назад. Глобальная ишемия, вызванная окклюзией четырех сосудов (4-VO) у крыс, возможно, является лучшей общепризнанной моделью глобальной ишемии на животных. Короткий эпизод (10 минут) вызывает селективную гибель пирамидных нейронов СА1 и, как и у людей, приводит к отсроченному началу когнитивного неврологического дефицита. Ингибирующие интернейроны СА1 и практически все нейроны в соседнем СА2 или переходной зоне СА3 и зубчатой извилине выживают. За исключением нескольких рассеянных нейронов и/или пирамидальных нейронов в коре головного мозга, другие нейроны не гибнут. Хотя модель 4-VO фактически удаляет пирамидные нейроны СА1 гиппокампа на 7 дней, начало гистологически детектируемой гибели нейронов откладывается на 2–3 дня, что позволяет проводить молекулярные исследования клеток, «умирающих» в условиях, при которых потеря клеток еще не очевидна. Эта модель также клинически соотносится с глобальной ишемией, связанной с остановкой сердца у людей, и дает возможность сравнивать изменения в экспрессии генов в нейронах уязвимого CA1 с таковыми с резистентном CA3. Более того, поскольку циркуляция крови в черепной коробке полностью заблокирована (а не снижена, как при гипотонии), мониторинг кровотока не является необходимым. Невозможно использовать возможности трансгенных мышей для изучения глобальной ишемии, потому что трудно добиться отсроченной, селективной гибели клеток гиппокампа у большинства штаммов мышей. В то время, когда авторы начинали выполнение работы, было мало доказательств того, что эстрадиол уменьшал гибель нейронов CA1 и уменьшал когнитивный дефицит, связанный с гибелью ишемизированных клеток после глобальной ишемии. Как описано в следующем обзоре, в настоящее время авторы изучили ряд клинически значимых проблем, в том числе сроки и пути введения гормонов, клеточные и молекулярные механизмы нейропротективного действия эстрадиола, степень, с которой выживание нейронов коррелирует с функциональными результатами, а также влияние возраста и длительной сниженной продукции гормонов.

Предварительная обработка эстрадиолом у молодых животных Сначала авторы исследовали влияние введения эстрадиола на гибель нейронов, вызванную глобальной ишемией, у молодых самцов песчанок. Авторы обнаружили, что эстрадиол, вводимый на уровнях, используемых для гормональной терапии у женщин в постменопаузе, вмешивается в апоптотические каскады (например, повышает активность каспазы-3) у самцов песчанок и обеспечивает надежную защиту от индуцированной ишемией гибели клеток в CA1 гиппокампа. Впоследствии авторы показали, что 2-недельная предварительная обработка физиологическими уровнями эстрадиола (30–60 пг/мл у крыс, диапазон циркулирующих уровней при подготовительной фазе менструального цикла) ослабляет вызванную ишемией гибель клеток СА1 у молодых самок песчанок и овариэктомизированных (OVX) самок песчанок и крыс. Таким образом, предварительная обработка эстрадиолом является нейрозащитной для молодых самок и крыс и песчанок.

Клеточные и молекулярные медиаторы защитного действия эстрадиола

Действие эстрогенов опосредуется, по крайней мере, частично, связыванием с классическими рецепторами эстрогена ERα и -β, которые традиционно считаются функционирующими как лиганд-активируемые факторы транскрипции. Активация ERa и -в лигандом приводит к образованию димера рецептора с высокой аффинностью к специфическим последовательностям ДНК (элементам эстрогенного ответа) в промоторах генов-мишеней. ER-димер также может взаимодействовать с другими элементами ДНК для регуляции транскрипции других генов, такими как сайты AP1 (известный как «связанный» механизм), и связываться с корегуляторами, которые функционируют как энхансеры или репрессоры транскрипции. В дополнение к этим геномным действиям эстрогены действуют через пути внутриядерных сигналов, косвенно влияя на транскрипцию других генов-мишеней. Исследования с участием ERa и ERβ селективных агонистов и мышей с целевыми делециями ERα и ERβ показывают, что ERα является критически важным для защиты эстрадиола от повреждения нейронов у животных, перенесших окклюзию средней мозговой артерии, модель очаговой ишемии и клинически значимая модель ишемического инсульта у человека. Этот вывод был подтвержден у крыс с использованием фармакологических агентов, которые избирательно нацелены на ERα и ERβ. Совсем недавно исследования на мышах, у которых ERα был нокаутирован в определенных типах клеток, показали, что нейрональный, но не микроглиальный ERα необходим для нейропротекции после MCAO у самцов и самок животных.

Исследования показали, что нейропротекторное действие эстрадиола опосредуется классическими ER. Причём функции разных подтипов ER различаются в зависимости от типа ишемии: нейропротекторная активность при локальной ишемии опосредуется ERα, а при глобальной ишемии ERα и ERβ. Интересно, что как введение эстрадиола, так и глобальная ишемия заметно и селективно усиливают экспрессию ERα в CA1. Подобные увеличения экспрессии ERα в кортикальных нейронах были зарегистрированы после MCAO, предполагая, что повышенная экспрессия ERα может быть общей реакцией на ишемию головного мозга. Авторы также изучили роль эндогенного фактора роста, инсулиноподобного фактора роста-1 (IGF1), как важнейшего комедиатора нейропротективного действия эстрадиола. И эндогенный, и экзогенный IGF1 действуют в раннем постишемическом периоде, снижая апоптотическую гибель нейрональных клеток и способствуя ремоделированию сосудов после гипоксии-ишемии. Достоверные доказательства указывают на перекрестную связь между передачей сигналов ER (прежде всего ERα) и IGF1 в клеточном действии эстрадиола в мозге. Физиологическое значение этих взаимодействий подчеркивается наблюдением, что активация рецепторов IGF1 мозга имеет решающее значение для эстроген- зависимых репродуктивных поведений, нейроэндокринных реакций, синаптического ремоделирования, дифференцировки нейронов и выживания нейронов. Передача сигналов рецептора IGF1 является критической для защиты предварительной обработкой эстрадиолом нейронов гиппокампа CA1 от индуцированной ишемией гибели клеток.

В мозге эстрадиол и IGF1 действуют через свои родственные рецепторы, связывая активируемую митогеном протеинкиназу (МАРК) и фосфатидилинозитол-3-киназу (PI3K). При стимуляции эстрадиолом рецепторы ERα и IGF1 образуют макромолекулярный сигнальный комплекс в плазматической мембране, который рекрутирует и активирует нисходящие киназы, включая MAPK. Глобальная ишемия также способствует быстрому дефосфорилированию и инактивации МАРК p42/44 и белка, связывающего фактор транскрипции с фактором САМР, оцененного через 1 и 3 ч после ишемии. Предварительная обработка эстрадиолом вмешивается на уровне передачи сигналов ERK/MAPK для предотвращения индуцированного ишемией дефосфорилирования и инактивации ERK и CREB, демонстрируя, что эстрадиол действует через классические рецепторы ER и IGF1, которые сходятся на ERK/ MAPK и CREB, чтобы способствовать выживанию нейронов после глобальной ишемии. Ишемия также активирует каспазу-3 и подавляет антиапоптотический белок Bcl-2, известный ген-мишень CREB в CA1. Предварительная обработка эстрадиолом также обращает эти реакции на ишемию. Интересно, что блокада ERK/ MAPK не предотвращает вызванное ишемией подавление Bcl-2, которое может быть прямой мишенью для ERa. Следовательно, экспрессия Bcl-2 может быть необходимой, но недостаточной для выживания нейронов перед лицом глобальной ишемии.

Предварительная обработка эстрадиолом также улучшает функциональные результаты после глобальной ишемии

Данные, представленные выше, ясно показывают, что предварительная обработка животных физиологическими уровнями эстрадиола ослабляет повреждение гиппокампа, связанное с глобальной ишемией. На самом деле это было подтверждено многими исследователями в течение последнего десятилетия, и предварительная обработка эстрадиолом, по-видимому, регулирует большое количество нижестоящих эффекторов выживания нейронов после глобальной ишемии. Это включает активацию ERK / МАРК, PI3K и CREB, активацию Bcl-2, BDNF и селадина-1, а также ингибирование GSK-Зв и dickkopf-1 (антагонист сигнального пути Wnt / в-catenin), ослабление активности NADPH-оксидазы и снижение образования супероксида. Некоторые из этих механизмов, включая пути как для ERα, так и для ERβ, также относятся к нейропротективным действиям эстрадиола в культивируемых нейронах гиппокампа, подверженных воздействию экситотоксического глутамата. Хотя о влиянии предварительной обработки эстрадиолом на выживаемость нейронов известно много, его влияние на функциональные результаты, оцениваемые поведенчески, изучено хуже. Авторы проверяли, улучшает ли предварительная обработка эстрадиолом индуцированный ишемией дефицит зрительной и пространственной рабочей памяти у молодых самок крыс OVX. Глобальная ишемия значительно ухудшает зрительную и пространственную память, оцениваемую с помощью тестов по распознаванию и размещению объектов, при оценке через 6–9 дней после травмы. Эстрадиол устраняет нарушение зрительной памяти, а также предотвращает вызванные ишемией дефициты в тестах пространственной памяти с короткими (1, 7 мин), но не более длительными (15 мин) интервалами удерживания. Таким образом, эстрадиол на близком физиологическом уровне улучшает функциональное восстановление после глобальной ишемии. Другие показали улучшение показателей в водном лабиринте Морриса, классическом тесте функции гиппокампа, у крыс с ишемией, предварительно получавших эстрадиол. Захватывающий отчет другого исследователя показал, что 15-дневная предварительная обработка эстрадиолом до ишемии спасла нейроны CA1 и обеспечила значительные когнитивные преимущества, которые продолжались в течение 6 месяцев после ишемии. Эти результаты имеют важное значение для вмешательства в неврологических последствиях, связанных с глобальной ишемией. Результаты, полученные к настоящему времени, показывают, что предварительная обработка эстрадиолом уменьшает общее повреждение гиппокампа, вызванное ишемией, и когнитивный дефицит. Сейчас авторы начинают оценивать функциональную целостность синаптической пластичности на основе гиппокампа после ишемии. Чтобы решить эту проблему, они измеряют базальную синаптическую передачу и синаптическую пластичность в синапсах CA1 от ишемических крыс с предварительной обработкой эстрадиолом или без нее. Как сообщают другие, их предварительные результаты свидетельствуют о том, что глобальная ишемия значительно ухудшает базальную синаптическую передачу при синапсах колафферта-CA1 Шаффера и устраняет долгосрочное потенцирование через 3 дня после травмы. Предварительная обработка эстрадиолом предотвращает вызванный ишемией дефицит как базальной синаптической передачи, так и LTP. Таким образом, как поведенческие, так и электрофизиологические данные подтверждают вывод о том, что длительная предварительная обработка эстрадиолом на физиологическом уровне улучшает функциональную целостность инсультированных пирамидных нейронов СА1 гиппокампа.

Заключение

Полученные данные свидетельствуют о том, что долговременная предварительная обработка эстрадиолом может улучшать выживаемость нейронов гиппокампа, что также приводит к улучшенным результатам с точки зрения работы мозга и его функциональных характеристик. Таким образом, показана одна из сторон функциональной активности эстрадиола, характеризующая его неполовые влияния.