Роль микроглии в радиационно-индуцированных изменениях в мозге: от нейропротекции до нейровоспаления. Обзор

Воздействие ионизирующего излучения (ИИ) на центральную нервную систему (ЦНС) представляет собой актуальную проблему в различных областях: при лучевой терапии онкологических заболеваний головного мозга (суммарные очаговые дозы могут достигать 54 Гр), при профессиональном облучении, а также в связи с планируемыми длительными космическими миссиями, где экипаж может подвергаться воздействию галактических космических лучей в течение многих месяцев. Продолжительность и тяжесть радиационных воздействий варьируют от острых высокодозных при лучевой терапии до хронических низкодозных в космосе.

Ключевым звеном в патогенезе радиационно-индуцированных когнитивных нарушений является нейровоспаление, опосредованное глиальными клетками и в первую очередь – микроглией. Микроглия выполняет множество функций: выступает в роли макрофагов, фагоцитируя клеточный детрит и апоптические тельца [1], осуществляет синаптический прунинг [2], регулирует образование олигодендроцитов [3], контролирует нейрогенез и миелиногенез [4].

Целью настоящего обзора является выявление закономерностей и особенностей в реакции микроглии на радиационное воздействие с целью дальнейшего обоснования новых терапевтических стратегий при проведении лучевой терапии.

Сорокина С.С. * - ст. науч. сотр., к.б.н.; Громова Д.С. - науч. сотр.; Попова Н.Р. - зав. лаб., к.б.н. ИТЭБ РАН. Белов О.В. - зам. рук. управления, к.б.н. ОИЯИ.

Морфо-функциональная гетерогенность микроглии в норме и при патологии

Микроглия возникает из примитивных макрофагов (миелоидных клеток-предшественников) в эмбриональном желточном мешке млекопитающих, после чего она проникает в мозг, где дифференцируется и остаётся на всю жизнь [5].

В течение долгого времени микроглию делили на активированную (М1) и покоящуюся (М2), но в настоящее время установлено, что существует целый спектр промежуточных функциональных состояний [6]. Гомеостатическая (покоящаяся, надзорная, разветвлённая) микроглия в здоровом мозге характеризуется тонкими подвижными сильно разветвлёнными отростками, обследующими микроокружение на наличие сигналов клеточного повреждения и инфекционной инвазии. Покоящаяся микроглия поддерживает тканевой гомеостаз за счёт продукции нейротрофических факторов (IGF1/2, инсулиноподобный фактор роста1/2; FGF2, фактор роста фибробластов 2; BDNF, нейротрофический фактор мозга; PDGF, фактор роста тромбоцитов) [7-9] и иммуносупрессорного цитокина TGF- β 1, способствует выживанию и созреванию клеток-предшественников нейронов и олигодендроцитов [10].

Как правило, активированная микроглия имеет амебоидную, менее разветвлённую морфологию, что повышает её подвижность и способность к фагоцитозу . Морфологические изменения, такие как площадь клеток, периметр и длина ветвления часто используются в исследованиях как индикатор степени нейровоспаления [11, 12].

Микроглиальные элементы спинного и головного мозга экспрессируют широкий спектр маркеров, характерных для макрофагов и моноцитов крови, включая гликопротеины F4/80 и CD68, белки главного комплекса гистосовместимости класса II (MHCII), интегрин CD11b, рецептор колониестимулирующего фактора макрофагов-1 (CSF1R), белки CD115 и Iba-1. Микроглиоциты взрослого спинного и головного мозга, в отличие от большинства других тканевых макрофагов, экспрессируют высокие уровни фракталкинового рецептора CX3CR1 [13]. К самым распространённым маркерам относят молекулу Iba-1. Было показано, что в головном мозге молекула Iba-1 специфична только для микроглиальных клеток и не экспрессируется нейронами, астроглией или олигодендроглией [14]. Также был предложен специфический для микроглии иммуногистохимический маркер – трансмембранный белок TMEM119. Этот маркер избирательно выявляет микроглиоциты в постнатальном периоде – в норме и при патологии спинного мозга [15].

В 2003 г. были получены первые данные о присутствии рецептора P2RY12 на мембране клеток микроглии. В настоящее время опубликовано большое количество работ, доказывающих, что в головном мозге P2RY12 не экспрессируется никакими клетками, кроме микроглиальных. P2RY12 является специфичным маркером для идентификации клеток микроглии на протяжении всей жизни человека [16].

Одной из основных функций клеток микроглии является запуск и поддержание иммунного ответа, наряду с важной ролью в индукции и модуляции иммунного ответа, запуске воспалительных реакций, поддержании гомеостаза в мозге и модуляции активности нейрональных сетей [17]. Морфологические изменения при активации микроглии сопровождаются многочисленными изменениями в биосигнальных путях, способствуя развитию воспалительного иммунного ответа. Показано, что стрессирующие агенты действуют на toll-подобный рецептор 4 (TLR4) микроглиальных клеток, инициируя воспалительную реакцию [18]. В ответ микроглиальные клетки приобретают способность к фагоцитозу. Триггерный рецептор, экспрессируемый на миелоидных клетках 2 (TREM2), также участвует в модуляции микроглиального фагоцитоза, при этом некоторые исследования показывают, что функция TREM2 и, следовательно, фагоцитарная функция может нарушаться при нейродегенеративных заболеваниях [19]. Передача сигналов TLR4 приводит к фосфорилированию белка, ингибирующего ядерный фактор каппа B (NF-κB), что способствует экспрессии провос-палительных генов и синтезу провоспалительных белков [20]. Среди наиболее известных – цитокины IL-1β, IL-6 и TFNα, которые играют важную роль в запуске остановки клеточного цикла и апоптоза, инициации нейротоксичности и передаче воспалительных сигналов. Появляются также доказательства того, что некоторые провоспалительные цитокины могут усиливать дофаминергическую дифференцировку нейральных стволовых клеток, т.е. они могут обладать нейрогенными свойствами [21]. Транскрипция гена iNOS и проапоптотических генов, таких как Fas-лиганд, приводит к трансляции белков, которые играют активную роль в воспалении и гибели клеток. Фермент iNOS в микроглии и макрофагах отвечает за выработку оксида азота (NO), предшественника активных форм азота, которые в сочетании с активными формами кислорода (АФК) приводят к окислительному повреждению липидов и белков. Оксид азота также может ингибировать деление клеток, часто приводящее к их гибели. Хорошо известно, что признаком нейровоспаления является повышенная концентрация АФК и азота, при этом в микроглии большинство АФК генерируются НАДФН-оксидазой, однако, они также могут происходить из других внутри- и внеклеточных источников. В частности, показано, что в активации микроглии важную роль может играть изоформа НАДФН-оксидазы – NOX2 [22].

Наряду с индукцией воспаления и повреждающим действием микроглия реализует нейро-протекторное действие, поддерживая гомеостаз через постоянный иммунный надзор [23]. Микроглия играет роль в обрезке синапсов и дендритных шипиков у нейронов, позволяя удалить более слабые синаптические связи, что способствует развитию более сильных путей, обеспечивая чёткую и прямую передачу сигнала [24]. Кроме того, она участвует в стимуляции нейрогенеза, регулируя его уровень в соответствии со степенью гибели образующихся нейральных клеток, и, соответственно, активностью фагоцитоза погибающих клеток [25]. Полагают, что эта регуляция происходит по принципу обратной связи и опосредована продуктами, секретируемыми клетками микроглии в соответствии с активностью фагоцитоза. Также было показано, что микроглия необходима для формирования синапсов во время обучения, и эта пластичность регулируется с помощью нейротрофического фактора головного мозга (BDNF) [26]. В раннем постнатальном онтогенезе микроглия играет решающую роль в процессах миелинизации, способствуя выживанию и дифференцировке клеток-предшественников олигодендроцитов, а также созреванию олигодендроцитов [27]. Также микроглия может напрямую стимулировать миелинизацию с помощью секреторных факторов, таких как инсулиноподобный фактор роста 1 [28].

Реакция микроглии на редкоионизирующее излучение

Воздействие редкоионизирующего излучения на ЦНС активно используется при изучении радиационно-индуцированного нейровоспаления, поскольку оно используется в лучевой терапии глиом, опухолей в области головы и шеи, при которых облучается головной мозг, и в паллиативной терапии метастазов в головной мозг. Когнитивная дисфункция при этом связывается с демиелинизацией, сосудистой патологией и угнетением нейрогенеза в гиппокампе [25, 29].

Высокие и умеренные дозы (2-54 Гр). В экспериментах на грызунах показано, что облучение головного мозга молодых мышей в дозе 8 Гр вызывает временную активацию микроглии, которая связана с временным увеличением уровня апоптотических клеток и одновременным увеличением экспрессии как про-, так и противовоспалительных генов. Примечательно, что эффекты ИИ имели тенденцию достигать максимума примерно через 6 ч после воздействия, после чего они начинали снижаться [30]. В работе Mizumatsu и соавт. [31] при локальном облучении мозга мышей в дозах 2,5 или 10 Гр рентгеновского излучения показано дозозависимое снижение содержания новых нейронов через 2 мес. после облучения. При этом видимого влияния облучения на образование новых астроцитов и олигодендроцитов не отмечалось. Оценка уровня активированной микроглии показала, что подавление нейрогенеза коррелировало с уровнем воспалительной реакции. Авторы предполагают, что реакция клеток-предшественников (нейрональных стволовых) на действие радиации и изменённый нейрогенез могут играть ведущую роль в радиационно-индуцированных когнитивных нарушениях.

В работе Casciati и соавт. [29] при краниальном облучении мышей в дозе 2 Гр не обнаружена хроническая активация микроглии, что указывает на возможную адаптацию или быструю остановку воспаления при умеренных дозовых нагрузках. Близкие данные получены и в других работах [32-34].

Транскриптом микроглии гиппокампа мышей через 1 сут и 1 мес. после облучения головы в дозе 10 Гр соответствует классическому фенотипу активации M1 и напоминает транскриптом при старении [35]. Ряд исследований убедительно показывают, что острое фармакологическое истощение микроглии при использовании ингибиторов рецептора CSF1R как после [36], так и перед [37] радиационным воздействием изменяет нейровоспалительную реакцию и может предотвратить когнитивный дефицит [36, 37].

С увеличением содержания активированной микроглии часто связано увеличение продукции АФК и азота, что приводит к окислению белков и перекисному окислению липидов. Так, ряд исследований in vivo и in vitro показали, что после действия редкоионизирующего излучения в дозе выше 7 Гр микроглия продуцирует высокие уровни АФК, NO, провоспалительных цитокинов и молекул межклеточной адгезии 1 (ICAM-1) [38]. В другом исследовании [39] было обнаружено, что первоначальная реакция мозга на облучение включает экспрессию тех же провоспалитель-ных генов, которые, вероятно, ответственны за клинически наблюдаемые ранние симптомы лучевой терапии после облучения головного мозга. Полученные реакции были дозозависимыми, но не обнаруживались при дозах ниже 7 Гр.

С недавнего времени микроглию начали связывать с радиационно-индуцированной потерей синапсов. У самцов мышей, подвергшихся воздействию в дозе 10 Гр, наблюдалось значительное снижение плотности незрелых синаптических шипиков, при этом нокаут рецептора комплемента 3 (CR3) имел нейропротекторный эффект и предотвращал эту потерю. Интересно, что у самок мышей (нокаутных и дикого типа) не наблюдалось радиационно-индуцированного снижения плотности незрелых синаптических шипиков. В этом исследовании также наблюдались изменения маркеров активации микроглии после действия ИИ без сопутствующих морфологических изменений, что позволяет предположить, что морфологические изменения не могут выступать надёжным индикатором активации микроглии [40]. В отдалённые сроки (до 24 мес.) активация микроглии может сохраняться даже при регрессии поведенческих нарушений, что требует разделения понятий «воспалительный след» и «функциональный дефицит» [41-43]. Исследования на грызунах также показали, что активированная микроглия и уровень TFN α оставались высокими как минимум в течение 6 мес. после однократного облучения в высокой дозе [34].

В одной из последних работ [44] предлагается новая парадигма в понимании радиационно-индуцированных когнитивных нарушений и способов их коррекции. Авторы показали, что однократное краниальное облучение мышей при использовании рентгеновского излучения в дозе 15 Гр вызывает гипоактивность медиальной префронтальной коры (mPFC), что ведёт к тревожности и нарушению памяти. Так, наблюдается снижение нейрональной активности в mPFC (судя по маркеру c-FOS), которое коррелирует с тревожным поведением. При этом оптогенетическая активация возбуждающих нейронов mPFC предотвращает эти поведенческие нарушения. Помимо этого, в работе показано, что облучение вызывает отсроченное и стойкое снижение плотности микроглии в mPFC. В отличие от быстрой активации, описанной в других работах, здесь обнаружено снижение плотности IBA1 ⁺ микроглии в mPFC, которое становится значимым через 2 недели и сохраняется до 3 мес. после облучения. У выжившей популяции микроглии наблюдаются морфологические признаки активации: увеличение размера сомы, укорочение отростков и повышение CD68. Транскриптомный анализ выявил снижение уровня экспрессии генов выживания микроглии (Csf1r, Tgfbr1) и повышение уровня экспрессии генов, связанных с апоптозом. В исследовании подчёркивается, что именно репопуляция микроглии, а не угнетение воспаления, восстанавливает активность mPFC. Ингибитор активации микроглии (миноциклин), а также постоянное истощение микроглии (PLX3397) не улучшают активность mPFC и поведение животных. Только стратегия «истощение+репопуляция» (удаление микроглии до облучения с последующим восстановлением после) полностью нормализует нейрональную активность mPFC и поведение. Репопулированная микроглия имеет морфологию активированной микроглии, но её транскрипционный профиль показывает повышение экспрессии генов выживания и подавление экспрессии генов воспаления, что указывает на качественное изменение фенотипа клеток, а не простое возвращение к исходному состоянию. В развитии повреждения авторы отводят ключевую роль повышению образования лейкотриена-C4 (LTC4), в отличие от классических представлений о ведущей роли провоспалительных цитокинов. Протеомный анализ показал, что основным фактором, который повышается в микроглии после облучения и нормализуется при репопуляции, является LTC4. Уровни классических провоспалительных цитокинов (TNF, IL-1β, CCL2) также повышаются, но не коррелируют с восстановлением активности mPFC при репопуляции. Фармакологическое ингибирование фермента LTC4-синтазы (препарат TK05) полностью воспроизводит защитный эффект репопуляции, снижая тревожность и восстанавливая память. Авторы подчёркивают, что полученные данные объясняют неудачи предыдущих противовоспалительных стратегий в клинике (например, с кортикостероидами) и предлагают новую, более точную мишень. Вместо глобального подавления микроглии или воспаления предлагается таргетное ингибирование LTC4-синтазы, что позволяет убрать патогенный фактор, сохраняя нейропротективные функции микроглии, а также стратегия репопуляции микроглии как способ «перезагрузки» клеточной популяции для восстановления гомеостаза [44].

Ещё одним способом компенсации потери микроглии является перестройка её пространственной организации после облучения. Так, однократное облучение мышей в дозе 10 Гр вызывало стойкую потерю микроглии во втором и третьем слоях первичной соматосенсорной коры, которая становится наиболее значимой к четвёртой неделе после облучения и сопровождается нарушением баланса между гибелью клеток и их образованием [45]. Несмотря на уменьшение числа клеток и увеличение среднего расстояния между соседними клетками, индекс распределения клеток не изменяется, что свидетельствует об их компенсаторном перераспределении для поддержания территориального гомеостаза. При этом морфологические параметры кортикальной микроглии: ветвление, размер клетки, сомы и отростков, а также показатели формы – не претерпевали значимых изменений ни на одном из исследованных сроков. Возрастало отношение подвижности отростков к покрытию и к надзору, что может отражать компенсаторную попытку микроглии усилить динамику процессов для восполнения дефицита охвата [46].

Малые (менее 0,1 Гр) и умеренные дозы ионизирующего излучения . При общем облучении мышей с использованием редкоионизирующего излучения в диапазоне малых и низких доз наблюдается принципиально иная картина, чем та, что описана выше для умеренных и высоких доз. Исследования показывают, что воздействие в дозе 0,1 Гр не вызывает активации микроглии, но стимулирует метаболизм митохондрий (повышение активности комплексов I-IV), что расценивается как адаптивный механизм, повышающий выживаемость нейронов [38].

Поскольку ранее сообщалось, что действие рентгеновского излучения в малых дозах или ингаляция радона (источник слабого α -излучения) увеличивает активность супероксиддисмутазы (СОД) и снижает уровень продуктов перекисного окисления липидов в различных органах 7-недельных крыс или кроликов [47], то позднее этим же коллективом авторов было изучено, каким образом изменение активности СОД, уровня липидных пероксидов и текучести мембраны клеток коры головного мозга у стареющих самцов крыс линии Вистар (в возрасте 65 и 91 недель) модифицируется под воздействием низкодозового рентгеновского излучения (≤1 Гр) в сравнении с 7-недельными крысами, с целью выяснения механизмов торможения старения [48]. Было обнаружено, что, несмотря на наблюдаемое снижение радиочувствительности с возрастом, низкодозовое излучение изменяло показатели активности Mn-СОД, уровня липидных пероксидов и подвижности мембранных белков клеток коры головного мозга у старых крыс таким образом, что они приближались к значениям, характерным для молодых особей. Полученные данные позволяют предположить, что повышение активности СОД, индуцированное облучением в низких дозах, улучшает функции биомембран, а снижение уровня липидных пероксидов увеличивает подвижность мембранных белков.

В исследовании Ung и соавт. [49] показано, что через 24 мес. после общего гамма-облучения мышей в дозе 0,5 Гр значительно увеличивалось количество микроглиальных клеток в зубчатой извилине, а также уменьшалось количество астроцитов и упрощалась их морфологическая организация. Однако у мышей, подвергавшихся однократному облучению в дозе 0,063 Гр через 24 мес., наблюдалось значительное увеличение ветвления отростков микроглии, несмотря на отсутствие заметного увеличения её плотности. Это исследование демонстрирует потенциальную способность малых доз радиации оказывать противовоспалительное действие по сравнению с высокими дозами и, вероятно, связано с активацией сигнального пути CREB при дозах до 0,125 Гр, тогда как доза 0,5 Гр, напротив, ингибирует этот путь и активирует нейровоспаление [50].

Результаты, полученные на мышах, которых хронически облучали с очень низкой мощностью дозы (1 мГр/сут) в течение 300 дней, что соответствовало кумулятивной дозе 0,3 Гр [51], согласуются с упомянутыми выше противоспалительными эффектами в гиппокампе при очень низкой дозе облучения. В молекулярном слое гиппокампа этих мышей было обнаружено сниженное количество активированной Iba1-положительной микроглии, что сопровождалось снижением уровня экспрессии TNF α и перекисного окисления липидов.

В исследовании Ceyzériat и соавт. [52] впервые продемонстрировано, что ИИ в низких дозах оказывает прямое модулирующее действие на фенотип микроглии в модели болезни Альц- геймера. В работе показано, что облучение мышей линии 5XFAD в дозе 10 Гр (по 2 Гр за 5 фракций ежедневно) снижает амилоидную нагрузку и улучшает когнитивные функции, что сопровождается подавлением провоспалительных M1-цитокинов (TNF-α) и повышением противовоспалительных M2-цитокинов (TGF-β) в мозге.

В экспериментах in vitro на культивируемых клетках микроглии линии BV-2, активированных липополисахаридом, низкодозовое облучение (1 Гр) достоверно снижало продукцию и секрецию M1-цитокинов (TNF- α , IL-1 β , IL-6), увеличивало экспрессию белков M2-цитокинов (TGF- α , TGF- β , IL-10) и поверхностного маркера микроглии M2-фенотипа (CD206). Ключевым молекулярным механизмом данного эффекта явилось повышение экспрессии TREM2 – рецептора, опосредующего переключение микроглии в нейропротективный фенотип и усиливающего фагоцитоз бета-амило-идного пептида (A β ). Полученные данные позволяют рассматривать низкодозовую лучевую терапию в качестве перспективного подхода при лечении болезни Альцгеймера, действие которого реализуется через модуляцию фенотипа микроглии.

Исследование Betlazar и соавт. [53] продемонстрировало, что облучение мышей в дозе 0,1 Гр может активировать нейропротекторные эффекты в здоровом мозге. Авторы наблюдали снижение уровней мРНК и белков TSPO и Iba1 в головном мозге, а также провоспалительного цитокина IL-6 в плазме крови. При этом, доза 2 Гр приводила к увеличению экспрессии митохондриального белка TSPO в мозге здоровых мышей и в первичной культуре микроглии. Авторы полагают, что низкие дозы запускают противовоспалительный и антиоксидантный NF-κB-СОД2 сигнальный каскад, подробно изученный в более раннем исследовании [54]. Здесь же показаны результаты влияния доз 0,02, 0,1 и 0,5 Гр на передачу сигналов NF-κB и активность СОД2 в головном мозге и кишечнике облучённых мышей. Было обнаружено, что облучение животных в низких дозах вызывало как дозозависимую, так и персистирующую активацию NF-κB в кишечнике и мозге. С помощью количественной ПЦР было продемонстрировано дозо- и тканезависимое изменение экспрессии 88 сигнальных молекул. Полученные результаты позволили предположить, что облучение здоровых тканей в малых дозах приводит к индукции активности NF-κB и СОД2, а также к транскрипционной активации сигнальных молекул-мишеней NF-κB. Кроме того, полученные данные указывают на то, что NF-κB инициирует ответ по механизму обратной связи через транскрипционную активацию СОД2, что может играть ключевую роль в реакции на окислительный стресс, индуцированный малыми дозами, и, возможно, контролирует переходы клеток из разных функциональных состояний. Предполагается, что такой же механизм может работать и в микроглии, приводя к её переходу в М2-фенотип.

Однако стоит отметить, что эпидемиологические подтверждения горметических эффектов немногочисленны, и экстраполяция результатов на человека требует осторожности.

Особенности ответа микроглии на плотноионизирующее излучение (протоны и тяжёлые ионы)

Внедрение протонной терапии в клинику и планирование космических миссий актуализируют изучение излучений с высокими значениями линейной передачи энергии, которые вызывают более сложные и устойчивые повреждения ЦНС. Критический анализ данных показывает, что реакция микроглии на тяжёлые ионы (железо, кремний, гелий) имеет как общие черты с ред-коионизирующим излучением, так и качественные отличия [55].

При локальном облучении ионами 56Fe в дозах свыше 0,5 Гр наблюдается дозозависимое снижение нейрогенеза в гиппокампе и дозозависимое увеличение количества новой активированной микроглии и астроцитов. Однако, в отличие от облучения фотонами, высокочувствительными мишенями оказываются не только нейральные стволовые клетки, но и предшественники олигодендроцитов [56]. В наших исследованиях с использованием протонов (7,5 Гр) было показано, что изменение морфологии микроглии гиппокампа может не сопровождаться устойчивым снижением плотности клеток в головном мозге, а нарушения когнитивных функций (в частности, эпизодической памяти) проявляются отсроченно, при сохранности пространственного обучения [12].

В исследовании Raber и соавт. [57] было показано, что у мышей, облучённых краниально протонами в дозе 0,1 Гр или ионами железа 56Fe в дозе 0,5 Гр, существует отрицательная корреляция между распознаванием новых объектов и количеством новой активированной микроглии в зубчатой извилине через 1 мес. после воздействия.

В другом исследовании сообщается, что облучение протонами самцов мышей в дозах от 0,1 до 2 Гр не влияло на показатели обстановочной памяти при использовании кожного или звукового раздражения, а также на уровень активации микроглии и её количества в гиппокампе [58]. При этом обнаруживается снижение пролиферативной активности клеток в зубчатой извилине, начиная с дозы 0,1 Гр, до 1 мес. после воздействия.

Нашим коллективом также проведён ряд исследований, посвящённых воздействию протонного излучения на ЦНС мышей, показавших, что данный вид излучения может оказывать дозозависимые и отсроченные эффекты на когнитивные функции и морфологическое состояние микроглии гиппокампа. В работе с использованием краниального облучения в дозе 7,5 Гр [12] было показано, что через 2 мес. после воздействия не наблюдается дефицита кратковременной и долговременной гиппокамп-зависимой памяти, однако отмечается ухудшение эпизодической памяти. Это сопровождается изменением морфологии микроглиальных клеток гиппокампа, характерным для их активации, при этом отмечено транзиторное снижение плотности клеток, восстанавливающееся к 30-м сут после воздействия. В более раннем исследовании [59] сравнивалось тотальное воздействие ускоренных ионов углерода и краниальное воздействие протонов в дозе 2 Гр на мышей, где также не было обнаружено повышения уровня тревожности или нарушения гиппокамп-зависимой памяти через 3 мес. после воздействия. При этом локальное протонное облучение не только не вызывало когнитивного дефицита, но и приводило к достоверному уменьшению числа ошибок при оценке долговременной памяти в тесте Барнс по сравнению с контролем и группой животных, облучённых ионами углерода, что может указывать на лучшее сохранение следов памяти или снижение афферентной генерализации. Таким образом, несмотря на отдельные признаки активации микроглии и преходящие морфологические изменения, протонное облучение в изученных режимах не вызывает стойких нарушений когнитивных функций и может рассматриваться как перспективный метод лучевой терапии, однако требуются дальнейшие исследования для уточнения молекулярных механизмов наблюдаемых эффектов и оценки их долгосрочных последствий.

В исследовании Krukowski и соавт. [36] было обнаружено, что облучение мышей ионами гелия не влияет на память и узнавание в тесте «распознавание нового объекта» в ранние сроки после облучения (18+ дней), в то время как содержание микроглии при этом было снижено. В другом исследовании влияния облучения животных ионами гелия в низких дозах было показано, что дозы 0,05 и 0,3 Гр увеличивали количество активированной микроглии в периренальной коре [60], при этом доза 0,5 Гр не оказала влияния на микроглию. Уровень провоспалительных цитокинов был повышен у облучённых самцов мышей, а также отмечено нарушение функциональной связи между CA1 гиппокампа и периренальной корой, что, вероятно, способствовало ухудшению пространственной и эпизодической памяти, дефициту когнитивной гибкости и снижению скорости исчезновения страха. Возможно, опосредованный микроглией синаптический прунинг играет роль в нарушении функциональной связи и когнитивных дефицитах, вызванных ионами гелия.

Половые различия в микроглиальном ответе

К настоящему времени накоплены данные о разном микроглиальном ответе при облучении самцов и самок мышей. Показано, что половые различия касаются количества микроглиальных клеток, их морфологии и распределения в мозге, затрагивая также функциональный и транскриптомный уровни [61]. В большинстве моделей травмы и воспаления микроглия самок грызунов демонстрирует менее агрессивный провоспалительный фенотип. В контексте космического излучения моделирование сложного радиационного поля (протоны + гелий + кислород) вызывало микроглиоз и когнитивные нарушения только у самцов, тогда как самки оставались резистентными [62].

Большинство экспериментальных исследований на животных, в которых оцениваются биологические эффекты заряженных частиц, основаны на влиянии отдельных ионов на ЦНС, однако во время космической долгосрочной миссии экипаж длительное время находится в сложном радиационном поле. В работе Krukowski и соавт. [63] смоделировано галактическое космическое радиационное поле, которое содержало 60% протонов, 20% ионов гелия и 20% ионов кислорода, что вызывало тревожность, дефицит социального взаимодействия и нарушение памяти распознавания у самцов мышей, на фоне увеличения микроглиоза в гиппокампе и вызывало синаптические потери через 100 дней после воздействия. При этом, у облучённых самок мышей когнитивных или поведенческих нарушений обнаружено не было, отсутствовали микроглиоз и изменения в синапсах.

Часть исследований проводится на трансгенных животных с моделью болезни Альцгеймера, в частности в работе [52] самок крыс TgF344-AD в возрасте 9 мес. (ранняя стадия болезни) подвергали фракционированному облучению (5 фракций по 2 Гр) с целью проверить, воспроизводятся ли у самок положительные эффекты низкодозовой лучевой терапии, ранее показанные на самцах той же линии (снижение амилоидного бремени и воспаления) [64]. Вопреки ожиданиям, идентичный ежедневный режим облучения не повлиял на амилоидную нагрузку (уровни бета-амилоида с 40 и 42 аминокислотными остатками и бляшки в гиппокампе и коре), выборочно снизил маркеры микроглиального воспаления (CD68+ клетки, экспрессия генов Aif1, Itgam, Trem2 и провоспалительных цитокинов), но не затронул астроцитарный ответ (GFAP, STAT3a, CLU). При этом, альтернативные схемы (5x2 Гр еженедельно или 10x1 Гр дважды в неделю) не только не снизили воспаление, но в некоторых случаях даже усилили его, что указывает на критическую важность режима облучения для достижения противовоспалительного эффекта. Авторы предполагают, что противовоспалительный и противоамилоидный эффекты низкодозовой лучевой терапии – это частично независимые механизмы, которые по-разному реализуются у самцов и самок. Отсутствие эффекта на амилоидные отложения у самок может быть связано с более быстрым или тяжёлым течением патологии у женских особей, либо с модулирующим влиянием половых гормонов (эстрогенов) на реакцию микроглии и амилоидогенез. Важно отметить, что облучение не ухудшало когнитивные функции (тесты на рабочую память и локомоцию), что подтверж- дает его безопасность на данном сроке. В ряде исследований также отмечается, что активация микроглии сильно зависит от пола животных [52, 63], что авторы также связывают с влиянием половых гормонов на микроглиальную сигнализацию.

Микроглия как терапевтическая мишень и биомаркер эффективности терапии

Анализ современных исследований, представленных в данной работе и сопутствующих обзорах, убедительно демонстрирует, что микроглия является не просто пассивным индикатором, а центральным эффектором и ключевым звеном, запускающим радиационно-индуцированные повреждения мозга. Это делает микроглию одновременно и перспективной терапевтической мишенью, и потенциальным биомаркером как ранних, так и отдалённых радиационно-индуцированных патологий мозга.

Стратегии модуляции функций микроглии показали значимые доклинические результаты и подразделяются на несколько ключевых направлений:

• 1.    Элиминация микроглии (ингибиторы CSF1R) как наиболее изученный подход. Ингибиторы рецептора CSF1R (например, PLX5622) позволяют быстро и эффективно (~95%) истощать популяцию микроглии в мозге взрослых мышей, при этом у интактных животных не наблюдается когнитивных нарушений. Критически важным выводом является то, что отсроченное введение этих ингибиторов (через 1-2 недели после облучения) эффективно предотвращает развитие когнитивных нарушений, потерю дендритных шипиков и снижение уровня синаптических белков у мышей [41, 42]. Более того, после отмены препарата микроглия быстро репопулирует мозг и, что особенно важно, приобретает менее провоспалительный и более нейропротективный фенотип [65, 66]. Это указывает на существование терапевтического окна, когда вмешательство может быть эффективным даже после самого повреждающего события, что крайне важно для клинического применения, в том числе для космической медицины.

• 2.    Блокада комплемент-зависимого синаптического прунинга. Этот подход направлен на специфический механизм, через который активированная микроглия наносит вред. Генетическая делеция или фармакологическая блокада компонентов системы комплемента (C1q, C3) или рецептора CR3 на микроглии предотвращает потерю синапсов, вызванную облучением, и связанные с этим когнитивные нарушения. Это стратегия «точечной» модуляции, которая не элиминирует микроглию, а блокирует её патологическую функцию (избыточное фагоцитирование здоровых синапсов), оставляя при этом другие полезные функции, такие как удаление клеточного дебриса [67].

• 3.    Влияние на клеточное старение и возраст-ассоциированное воспаление (инфламэй-джинг). Облучение индуцирует в микроглии транскрипционные изменения, сходные с возрастными [35]. Более того, микроглия может становиться сенесцентной, теряя способность к пролиферации и приобретая провоспалительный секреторный фенотип (SASP). Это открывает путь к использованию сенолитиков (препаратов, уничтожающих сенесцентные клетки), которые в других моделях уже показали способность улучшать функцию мозга [68, 69]. В контексте радиационного воздействия это особенно актуально, учитывая, что ускоренное старение является одним из долгосрочных рисков. Также важна концепция «прайминга», когда предшествующие воспалительные события (включая низкодозовое облучение) могут изменять эпигенетический статус микроглии, делая её гиперреактивной при последующих стимулах [70]. Это требует оценки рисков для лиц с хроническими воспалительными состояниями или пожилых людей.

Идея использования состояния микроглии как биомаркера радиационного повреждения находится на ранних этапах разработки, но уже имеет под собой прочную основу.

Во-первых, это визуализация нейровоспаления: активные исследования ведутся при ПЭТ-визуализации с использованием лигандов к митохондриальному транслокаторному белку (TSPO), который экспрессируется на активированной микроглии [53, 71]. TSPO является наиболее многообещающим биомаркером для прижизненной визуализации нейровоспаления. Его экспрессия сильно повышается в активированной микроглии, и он тесно связан с продукцией АФК и активных форм азота и митохондриальной функцией. Это делает его ценной мишенью для мониторинга эффектов облучения и оценки противовоспалительной терапии [72].

В экспериментальных моделях было показано, что острое воздействие в дозе 0,5 Гр ионов 56Fe увеличивает захват TSPO-лиганда в мозге мышей [73]. Хотя исследования с более низкими дозами дали противоречивые результаты [74], этот подход остаётся одним из самых многообещающих для неинвазивного мониторинга и ранней диагностики нейровоспаления в клинической практике и при длительных космических полётах. Важно учитывать, что ПЭТ-лиганды к TSPO неспецифичны (могут связываться с плазменными белками), а снижение TSPO на поздних стадиях нейродегенерации может отражать не уменьшение воспаления, а гибель и дисфункцию самой микроглии [75].

Во-вторых, это сопутствующие периферические маркеры: было обнаружено, что облучение может влиять на количество циркулирующих моноцитов в крови. Поскольку моноциты являются предшественниками тканевых макрофагов, их профиль может отражать состояние иммунной системы и опосредованно сигнализировать об изменениях в микроглиальном компарт-менте [34, 72, 76].

Таким образом, микроглия представляет собой критическое звено для терапевтических стратегий, нацеленных на смягчение и предотвращение негативных последствий облучения мозга. Наиболее продвинутые подходы (элиминация микроглии с использованием CSF1R-ингибиторов, блокада компонентов системы комплемента) уже продемонстрировали высокую эффективность в доклинических моделях, включая модели, имитирующие космическую радиацию [77], и позволяют воздействовать после самого облучения, что является их важнейшим преимуществом. Однако, учитывая сложность и гетерогенность ответов микроглии, а также их двойственную роль (нейропротекция и нейродеструкция) [78], необходим персонализированный подход в каждом случае. Терапевтическое вмешательство должно быть точно выверено по времени, дозировке и мишени, чтобы подавлять патологические ответы, сохраняя при этом защитные функции микроглии. Параллельная разработка биомаркеров, таких как TSPO при использовании ПЭТ-визуализации или анализе экспрессии этого белка моноцитами [34], позволит не только проводить раннюю диагностику поражений, но и контролировать эффективность проводимой терапии для её коррекции, что сделает управление радиационными рисками для ЦНС более точным и безопасным.

Что касается механизмов, ограничивающих спонтанное восстановление мозга, и способов продления «терапевтического окна» важно учесть последние, недавно опубликованные данные о том, что после инсульта микроглия играет ключевую репаративную роль, а со временем переключается в состояние, препятствующее восстановлению [79]. В работе подчёркивается, что после инсульта микроглия сначала активируется для поддержки воспаления, но затем быстро переходит в репаративное состояние, в котором способна производить факторы роста, такие как инсулиноподобный фактор роста 1 (IGF1), что критически важно для ремиелинизации, укрепления нейронных связей и восстановления функций. Однако этот репаративный режим длится лишь около 2 мес., что ограничивает способность мозга к дальнейшему самовосстановлению. Исследователи идентифицировали транскрипционный фактор ZFP384, уровень которого возрастает по мере угасания репаративных функций мозга. Механизм заключается в том, что ZFP384 нарушает хроматиновые взаимодействия, опосредованные белком YY1, которые необходимы для экспрессии генов, связанных с восстановлением нейронов. В результате микроглия теряет свои репаративные свойства, даже несмотря на сохраняющуюся потребность мозга в восстановлении. Это открытие указывает путь к новому терапевтическому подходу: генетическое удаление гена Zfp384 в микроглии на модели инсульта у мышей продлевало экспрессию генов восстановления и значительно улучшало долгосрочные неврологические функции (усиливало ремиелинизацию и синаптическую пластичность). На основе этого был разработан терапевтический антисмысловой олигонуклеотид (ASO-Zfp384), который подавляет экспрессию Zfp384, причём его введение было эффективно через неделю или месяц после инсульта. Это означает, что такое лечение помогает сохранить собственную репаративную программу мозга, а не просто подавляет воспаление. Исследователи подтвердили клиническую значимость, проанализировав ткань мозга пациентов, перенёсших инсульт. Была обнаружена обратная зависимость между экспрессией человеческого ортолога ZNF384 и уровнем репаративного фактора IGF1, что соответствует данным, полученным на мышах. Это предполагает, что выявленный молекулярный механизм релевантен и для человека, и ZNF384 может быть новой потенциальной терапевтической мишенью.

Заключение

Исследование сложной роли микроглии как медиатора радиационного повреждения мозга привело к смене парадигмы – от полного подавления воспаления к модуляции функционального состояния микроглии. Современные подходы включают ограничение поля облучения (гиппокамп-спасающие техники) и использование ионной терапии, что снижает интегральную нагрузку. Однако ключевым прорывом являются стратегии «замены» микроглии, блокады комплемент-зави-симого синаптического прунинга, моделирование сенесценции и возраст-ассоциированного воспаления в мозге. Предложенные стратегии не только нивелируют когнитивный дефицит, но и изменяют фенотип новой популяции клеток в сторону нейропротекции, снижая экспрессию фагоцитарных маркеров и модулируя синаптические белки.

Новейшие исследования в области терапии инсульта позволяют надеяться на создание новых подходов и в разработке терапии радиационно-индуцированных когнитивных нарушений. Вопреки устоявшимся представлениям, нейрональная гипоактивность в префронтальной коре и связанные с ней тревожность и дефицит памяти обусловлены не столько классическими провос-палительными цитокинами (TNF- α , IL-1 β ), сколько метаболическим фактором – лейкотриеном C4 (LTC4), продуцируемым изменённой микроглией. Критически важно, что ни подавление активации микроглии (миноциклин), ни её постоянное истощение (ингибиторы CSF1R) не восстанавливают функцию нейронов. Напротив, стратегия «истощения с последующей репопуляцией» нормализует поведение, при этом репопулированная микроглия приобретает качественно иной, «омоложённый» транскриптомный и протеомный профиль. Эти данные не только объясняют клиническую неудачу противовоспалительных стратегий, но и открывают принципиально новый путь

– таргетное ингибирование LTC4-синтазы, которое может стать эффективной терапией без побочных эффектов глобальной иммуносупрессии [44].

Вероятно, при радиационном повреждении мозга, также как и при инсульте, ключевой задачей является не только подавление нейротоксической активации микроглии, но и активное поддержание её способности к нейропротекции, направленной на восстановление функций мозга. Таргетинг на транскрипционные факторы, такие как ZFP384, с помощью антисмысловых олигонуклеотидов может представлять собой новый класс стратегий, направленных на продление «репаративного окна» микроглии и предотвращение отдалённых когнитивных нарушений, вызванных облучением.

Понимание механизмов действия излучения на микроглию может расширить перспективы для лучевой терапии, а также открыть новые возможности для восстановления когнитивных функций у людей, подвергавшихся действию ионизирующего излучения.

Статья подготовлена в рамках выполнения государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (075-00224-26-00, ИТЭБ РАН).