Синаптические механизмы эпилепсии: современные представления

Введение. Эпилепсия является хроническим заболеванием головного мозга, от которого страдают около 50–65 млн чел. во всем мире. Этиология ее разнообразна и включает генетические факторы, метаболические нарушения, травмы мозга и др. Для эпилепсии характерны повторяющиеся припадки (генерализованные и парциальные) либо абсансы, возникающие в результате неконтролируемых электрических разрядов в различных участках мозга, а также потери сознания. Симптомы вызваны абберантным синхронизированным возбуждением нейронов, обусловленным дисбалансом возбуждающей и тормозной нейротрансмиссии. Помимо нейронов глиальные клетки также участвуют в патогенезе эпилепсии [1, 2].

Порядка 47–68 % пациентов заболевают эпилепсией до 15-летнего возраста. Нет существенной разницы в распространенности патологии у женщин и мужчин. Различают генерализованные и фокальные формы. У 60 % пациентов диагностируется фокальная эпилепсия. От 15 % до трети случаев эпилепсии не поддается медикаментозному контролю, и таких больных нередко направляют на хирургическое лечение, которое представлено резекционными (удаление эпилептогенного очага), стимуляционными методами и дисконнек-цией [3, 4].

Изобретение в 1912 г. фенобарбитала стало настоящим прорывом в лечении эпилепсии, избавив примерно 2/3 пациентов от приступов. Тем не менее медикаментозное лечение оставшихся больных представляет собой значительную проблему, и многие современные исследования сосредоточены на поиске способов ослабления гиперсинхронного разряда, а также на попытках объяснить, как изменения внутренней активности нейронов вызывают подобный разряд [2].

Существующие затруднения в терапии эпилепсии требуют ревизии современных представлений о патофизиологических механизмах эпилепсии, реализуемых на уровне синаптической передачи.

Цель исследования. Изучение и анализ последних опубликованных данных, освещающих проблему нарушения нормальной синаптической передачи при эпилепсии.

Материалы и методы. Поиск статей для литературного обзора проводился по базам данных ; ; med/. Отбирались статьи, находящиеся в открытом доступе. Предпочтения отдавались статьям, опубликованным в последние 5–10 лет. Дублирующие и малоинформативные статьи отсеивались. Всего для обзора было взято 32 статьи.

Патогенез эпилепсии. Эпилепсия – это неврологическая патология, для которой характерны повторяющиеся неспровоцированные припадки. На развитие эпилепсии влияют генетические факторы [4]. W. Losher et al. условно выделяют три фазы эпилептогенеза: 1) кратковременное событие (черепно-мозговая травма и др.); 2) латентный период (продолжительный при опухоли, энцефалите, краткий при инсульте, травме), который длится до возникновения хронических неспровоцированных приступов; 3) усугубление тяжести состояния после появления молекулярно-кле- точных изменений. Также выделяют идиопатическую эпилепсию, развивающуюся без видимых причин [5, 6].

В настоящее время считается, что главной причиной развития эпилептического припадка является нарушение процессов возбуждения и торможения в нервной ткани. Процессы возбуждения реализуются за счет глутаматер-гической системы. Высвобождение глутамата приводит к деполяризации постсинаптического нейрона вследствие взаимодействия с инотропными AMPA- и NDMA-рецепторами. Это продолжается до захвата глутамата астроцитами и переработки его в глутамин, который не оказывает описанного эффекта. При нарушении механизмов элиминации глутамата его концентрация повышается в синаптических щелях определенных (эпилептогенных) участков мозга, приводя к эксайтоксич-ности, повреждению и гибели нервных клеток. Повышенная концентрация глутамата определялась в гиппокампе пациентов, страдающих эпилепсией, до начала и во время приступа. Для некоторых фармакорезистентных форм эпилепсии характерно нарушение удаления глутамата из синаптической щели, что ставит вопрос о необходимости назначения переносчиков глутамата таким пациентам. В частности, цефтриаксон может усиливать экспрессию белка-траспортера EAAT-2 (excitatory aminoacid transporters), осуществляющего захват глутамата [7].

Генетические причины эпилепсии. Разнообразные патофизиологические механизмы эпилепсии связаны с различной этиологией данного заболевания. Так, идиопатическая эпилепсия обычно обусловлена генетическими мутациями, проявляющимися нарушением работы ионных каналов и регуляторных белков. Гистологическое исследование тканей пациентов с эпилепсией показало нарушение активности Na+/K+-АТФазы, экспрессии изоформы 2 котранспортера хлорида калия (КСС2), активности калиевых и никотиновых ацетилхолиновых каналов [6, 8]. Отсутствие эффективной работы котранспортера хлорида калия КСС2 может менять динамику уровней хлорида и калия при повторной активации ГАМКергических синапсов при возбуждении интернейронов [8]. Нарушения в работе белков, участвующих в синаптической передаче сигнала, приводят к повышенной возбудимости и эпилептическим припадкам [9]. Генетические мутации генов белков, которые регулируют работу К+-каналов, приводят к повышенной склонности к возникновению судорог. Эпилепсия, развившаяся в результате повреждения мозга, является следствием работы многообразных патофизиологических механизмов, нарушающих функционирование нейронов и синаптическую передачу [10]. При болезни Александера, вызванной мутацией в астроцит-специфическом гене глиального фибриллярного кислого белка GFAP, снижается экспрессия транспортеров глутамата и, соответственно, обратный захват глутамата, из-за чего у пациента развиваются судороги [11].

Роль ионной динамики в патофизиологии эпилепсии. Высвобождаемые глией при повреждении нервной ткани матриксные металлопротеиназы (ММП) способны ухудшать состояние гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), способствуя инфильтрации мозга сывороточными белками. Сывороточный альбумин активирует передачу сигнала рецептора TGFβ 1 в астроцитах, вследствие чего снижается мембранная экспрессия внутреннего выпрямляющего калиевого канала 4.1 (Kir 4.1), транспортера возбуждающих аминокислот 2 (ЕААТ2) и белка щелевого соединения кон-нексина 43 (Cx43). Также меняется транспортировка и экспрессия аквапорина 4 (AQP4). Указанные процессы приводят к повышению внеклеточной концентрации калия и глутамата, что способствует гипервозбудимости нейронов. Экспортер хлора КСС2 и котранс-портер Na+/K+/Cl- (NKCC1, импортер хлора) поддерживают низкую концентрацию внутриклеточного хлора, необходимого для ингибирования активности ГАМКергической трансмиссии. Освобождаемый глией фактор BDNF снижает мембранную экспрессию КСС2, вызывая активацию рецептора ГАМК типа А (ГАМКА-R), что в свою очередь приводит к гипервозбуждению в эпилептогенном очаге. Также следует упомянуть о цитокинах, высвобождаемых из реактивированной глии, кото- рые способны увеличивать постсинаптическую плотность рецепторов AMPA и, соответственно, усиливать возбуждающую нейротрансмиссию. Таким образом, в результате описанных процессов возникает гипервозбудимость в межнейрональной передаче и судороги из-за нарушения буферизации ионов калия, хлора и глутамата, а также из-за дисбаланса возбуждающей и тормозной нейротрансмиссии [2].

В исследовании Д.С. Синяка и соавт. тестировалось влияние частичной блокады Na+K+-помпы на исчезновение преиктальной (относящейся к припадку) активности. Авторы использовали аппликацию оубаина для блокады Na+K+-помпы. Такая обработка приводила к уменьшению амплитуды и продолжительности тормозных постсинаптических токов при записи токов методом пэтч-кламп. Таким образом, исчезала преиктальная активность без влияния на саму иктальную активность [12].

Изменения в астроцитарных каналах (при различных повреждениях) играют решающую роль в эпилептогенезе, и одним из ключевых белков, участвующих в этих процессах, является аквапорин (AQP4). Неправильная субклеточная локализация AQP4 существенно влияет на гипервозбудимость нейронов. AQP4 экспрессируется в астроцитах, усиливаясь на их концах, способствуя двунаправленному транспорту воды в ответ на осмотические градиенты. Аквапорин поддерживает водный гомеостаз, облегчая выведение внеклеточных веществ. Измененная экспрессия AQP4 потенциально влияет на обратный захват калия с помощью Kir 4.1. У мышей с нокаутом гена AQP4 отмечается повышенный порог приступа, предположительно связанный с увеличенным объемом экстрацеллюлярного пространства. Кроме того, у мышей, лишенных AQP4, снижалась экспрессия транспортера глутамата GLT-1 (аналог EAAT2). Также AQP4 может взаимодействовать с рецептором глутамата mGluR. Скорее всего, активация mGluR5 служит компенсаторным механизмом во время эпилептогенеза, что согласуется с активацией AQP4, наблюдаемой при хронической эпилепсии [13].

При височной мезиальной эпилепсии со склерозом гиппокампа заметную роль в эпилептогенезе может играть потеря связи через щелевые соединения астроцитов, при которой нарушается нормальное субклеточное распределение концевого белка коннексина Cx43 и усиливается С-концевое фосфорилирование его сайтов, влияющих на проницаемость каналов. Эти изменения связаны с нарушением проницаемости ГЭБ и экстравазацией альбумина [14]. Ухудшение соединений астроцитов способствует гипервозбудимости нейронов из-за нарушения пространственной буферизации ионов калия и глутамата, так как снижение связи ограничивает поставку энергетических метаболитов и препятствует распространению ионов кальция, ослабляя инициацию и синхронизацию активности нейронов [2].

Нарушение переноса глутамата в синаптических соединениях. Глутамат является основным возбуждающим нейромедиатором в центральной нервной системе. Он участвует в процессах обучения, познания, памяти, внимания, эмоциональной деятельности. Процессы высвобождения, действия и обратного захвата происходят во внеклеточном пространстве (синаптической щели). Глутамат высвобождается из пресинаптического окончания глутаматергического нейрона каль-ций-зависимым образом и попадает в синаптическую щель, где взаимодействует с ионотропными и метаботропными рецепторами глутамата. Астроцитарные и нейрональные транспортеры обратным захватом удаляют глутамат, предотвращая перевозбуждение нейронов. В астроцитах глутамат превращается в глутамин с помощью глутаминсинте-тазы. Затем глутамин снова транспортируется в глутаматергические нейроны, превращается в глутамат и цикл повторяется. Таким образом, в регулировании цикла «глутамат – глутамин» участвуют нейроны и астроциты. В ГАМКергических нейронах глутамат может превращаться в гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК) с помощью глутаматдекарбоксилазы, которая затем упаковывается в везикулы для высвобождения. ГАМК относится к основным тормозным нейромедиаторам в мозге и в норме находится в балансе с глутаматом. Из- быток глутамата и/или недостаточность ГАМК приводят к перевозбуждению центральной нервной системы и возникновению судорог. К дисфункции глутаматергического механизма при эпилепсии приводят нарушения нейрональных, глиальных или нейронально-глиальных взаимодействий. Это происходит в результате нарушений в работе ионотропных или метаботропных рецепторов из-за аномальной экспрессии астроцитарных переносчиков глутамата и/или сбоя в работе нейрональных или астроцитарных ферментов [15].

Постсинаптические инотропные рецепторы глутамата AMPA (3-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовая кислота) имеют решающее значение для реализации быстрой возбуждающей нейротрансмиссии, тогда как рецепторы NDMA (N-метил-D-ас-партат) опосредуют большую часть медленных постсинаптических возбуждающих потенциалов, необходимых для глобальной обработки информации. Большинство быстрых синаптических передач осуществляется либо посредством пресинаптической регуляции высвобождения глутамата, либо за счет постсинаптического усиления или ослабления нейрональных связей в синапсах через изменение в локализации, количестве и составе субъединиц рецептора AMPAR. Таким образом, нейроны могут усиливать или ослаблять свои реакции на возбуждающий сигнал. Синаптическое ремоделирование способно приводить к дестабилизации нейронов и далее к перестройке нейронной сети и гипервозбудимости, связанной с эпилепсией [16]. В иктальную фазу (припадка) уровень глутамата во внеклеточной жидкости увеличивается, а агонисты глутаматных рецепторов (домоат) вызывают судороги у людей и животных, в то время как антагонисты NDMA, AMPA и каината (дополнительный рецептор глутамата) подавляют судороги [17]. Следовательно, роль рецепторов глутамата в генезе судорог можно считать доказанной.

Опосредованная глутаматом синаптическая передача сигнала контролируется транспортерами EAAT1 и EAAT2, расположенными на астроцитах. Изменение функциональной активности транспортеров глутамата приводит к его избыточному внеклеточному накоплению, что вызывает эксайтотоксич-ность и судороги. EAAT1 преимущественно экспрессируется на ранних этапах онтогенеза, в то время как EAAT2 – в основном у взрослых людей [18].

Нарушение выработки глутаминсинте-тазы (превращает глутамат в глутамин) может стать причиной высокого уровня межклеточного глутамата в иктальный и интериктальный периоды. Дефицит и дисфункция астроцитарной глутаминсинтетазы в некоторых областях мозга ассоциированы с несколькими видами эпилепсии, включая устойчивую к лечению мезиальную височную эпилепсию (МВЭ), неокортикальную эпилепсию и эпилепсию, связанную с глиобластомой. Экспериментальное ингибирование/удаление глута-минсинтетазы вызывает синдром, напоминающий МВЭ, с характерными спонтанными, рецидивирующими приступами в гиппокампе, потерей нейронов гиппокампа и комор-бидными депрессивно-подобными симптомами [19]. Глутаматсинтетаза важна для метаболизма аммиака, и недостаток астроцитарного фермента приводит к увеличению содержания аммиака в мозге. Аммиак нейротокси-чен и в высоких концентрациях может вызывать судороги. Поскольку глутамин является предшественником синтеза нейротрансмиттера глутамата и ГАМК, астроцитарная глута-минсинтетаза является ключевым игроком в регуляции возбуждающей и тормозной передачи в мозге, а также может рассматриваться в качестве потенциальной мишени для терапии эпилепсии в будущем [20]. Введение антагониста глутаминсинтетазы метионинсульфоксимина (МСО) в различные отделы мозга крыс провоцировало иктальную активность. У всех животных, которым вводили МСО в эн-ториально-гиппокампальную область, наблюдались повторяющиеся судороги, особенно сильные в первые 3 дня введения препарата. Инфузия МСО в ворота зубчатой извилины приводила к наибольшему общему числу судорог за 3-недельный период наблюдения. Место ингибирования глутаминсинтетазы определяло характер и временную динамику повторных припадков [21].

ГАМКергические механизмы эпилепсии. Снижение ингибирующих уровней ГАМК также способно увеличивать риски возникновения судорожной активности. ГАМК является основным источником торможения в ЦНС. ГАМКергические входы снижают возбудимость нейронной сети и синхронизируют деятельность нейронов. Усиление ГАМКерги-ческой передачи в некоторых случаях облегчало судороги, вызывая синхронизацию, распространяющуюся по соседним нейронным сетям. Изменение ГАМКергической функции ухудшает синаптическую пластичность и нарушает сетевую организацию и распространение сигналов в мозге, оказывая влияние не только на тормозные, но и на возбуждающие процессы и интернейроны [22].

При повреждении глии при глиомах высвобождаются ММП, дезинтегрин, металлопротеиназы с тромбоспондиновыми мотивами, которые способны разрушать защитный слой перинейрональных сетей, вызывая преимущественную гибель ГАМКергических нейронов. Перинейрональные сети играют роль изолятора наподобие миелиновых оболочек вокруг аксонов, позволяя быстрым импульсным интернейронам повышать физиологическую скорость срабатывания. Повреждение перинейрональных сетей объясняет дисбаланс возбуждения-торможения при некоторых формах эпилепсии [23]. Большинство пе-ритуморальных оставшихся нейронов демонстрируют повышенную внутриклеточную концентрацию ионов CI- и, следовательно, деполяризующую возбуждающую реакцию ГАМК. В этих нейронах значительно снижается плаз-малеммальная экспрессия котранспортера хлорида КСС2, которая устанавливает низкий уровень CI-, необходимый для ГАМК-R-опо-средованного ингибирования нейронов. В то же время экспрессия NKCC1 (Na-K-2Cl-ко-транспортер) увеличивается в 1,5 раза. В конечном итоге увеличение возбуждающих и снижение тормозных сигналов приводят к электрографическим и поведенческим судорогам [24, 25].

Метаболические пути активации иктальной активности. После поглощения астроцитами глутамат может превращаться в глу- тамин с помощью глутаминсинтетазы и выделяться в интерстициальное пространство, где он захватывается нейронами и снова используется для синтеза глутамата с помощью фос-фат-активируемой глутаминазы (цикл «глутамат – глутамин») или синтезируется в ГАМК в ГАМКергических нейронах под действием глутаматдекарбоксилазы [2]. Некоторая часть астроцитарного глутамата с помощью глутаматдегидрогеназы преобразуется в α-кетоглу-тарат, который далее расщепляется в цикле трикарбоновых кислот (ТКК), и, следовательно, глутамат может служить источником энергии. Недостаточная или избыточная экспрессия глутаматдегидрогеназы может влиять на раннее начало нейродегенеративных заболеваний и височной эпилепсии. При инсультах с эксайтоксичностью у мышей с избыточной экспрессией глутаматдегидрогеназы наблюдались меньшие ишемические повреждения, чем у мышей с нормальной экспрессией. Активаторы данного фермента делают более благоприятными исходы повреждения мозга in vivo за счет повышения уровня α-кетоглута-рата [26].

Цикл «глутамат – глутамин» – это энергоемкий процесс. Захват глутамата из синаптической щели посредством EAAT реализуется с использованием градиентов Na+, K+, H+. Каждая молекула глутамата переносится через мембрану совместно с тремя ионами натрия, градиент которых является основной движущей силой поглощения глутамата [27, 28]. Концентрация ионов натрия восстанавливается энергозатратной работой Na+/K+-АТФазы. Работа глутаматсинтетазы также требует АТФ. Энергию астроциты и нейроны получают из глюкозы, поступающей из кровотока с помощью транспортеров GLUT1 (в астроцитах) и GLUT3 (в нейронах). Однако в астроцитах глюкоза расщепляется лишь в гликолитическом цикле до пирувата, а использование пирувата в цикле ТКК в астроцитах ограничено. Кроме того, астроциты могут хранить запасы глюкозы в виде гликогена. В нейронах, напротив, гликолиз ограничен, но активен цикл ТКК и окислительное фосфорилирование. Нейроны используют субстраты пируват и лактат после гликолиза (в астроцитах) для по- лучения энергии в цикле ТКК для производства АТФ. Таким образом, между астроцитами и нейронами существует метаболическая комплементарность, при которой глюкоза проходит разные этапы метаболического преобразования в двух типах клеток [29]. Любые нарушения в описанных метаболических процессах могут менять возбудимость нейронов. Так, дисфункции транспортеров монокарбоксилатов (в т.ч. транспортирующих лактат, пируват) связаны с патологией нервной системы, включая эпилепсию [30].

Астроциты высвобождают АТФ, который действует подобно нейромедиатору на ЦНС за счет активации лиганд-зависимых катионных каналов, известных как рецепторы P2X. Эти рецепторы участвуют в реализации глиальных и нейрональных процессов, связанных с функцией синапсов. Рецепторы P2X7R проницаемы для ионов кальция, вызывая приток этих ионов на недеполяризованные пресинаптиче-ские терминали. Есть предположение, что эти рецепторы (а следовательно, и АТФ) участвуют в гомеостатической адаптации синаптической передачи. АТФ вместе с коннекси-ном 43 и паннексином 1 (Cx43 и Panx1) могут регулировать синаптическую передачу за счет активации рецептора P2X7R [31]. Метаболит АТФ аденозин оказывает противоэпилептиче-ское и противосудорожное действие на мозг. Аденозинкиназа, осуществляющая клиренс аденозина, способна усугублять симптомы эпилепсии. Терапия, направленная на повышение уровня аденозина, восстанавливает передачу аденозиновых сигналов в мозге и улучшает прогноз для пациентов, устойчивых к большинству противоэпилептических препаратов [32].

Заключение. Эпилепсия является одним из наиболее распространенных неврологических заболеваний, снижающих качество жизни пациентов и создающих угрозы различных осложнений. Развитие методов медикаментозной терапии в большинстве случаев позволило взять заболевание под контроль. Тем не менее остаются фармакорезистентные формы, при которых пациент не реагирует на проводимое лечение. Эти затруднения, очевидно, связаны с большим разнообразием сущест- вующих патофизиологических механизмов эпилепсии, и подобрать препарат, воздействующий на этиологию и патогенез, не всегда представляется возможным.

Рассмотренные здесь варианты механизмов эпилепсии достаточно многочисленны, но чаще всего иктальная активность определяется избыточным воздействием глутамата на постсинаптические окончания. Эта избыточность реализуется через увеличение концентрации глутамата, уменьшение его клиренса (обратного захвата), изменение плотности ре- цепторов и молекул транспортера. Важную роль играет нормальное гистологическое строение синапсов и нервной ткани, энергообеспечение, ионный транспорт. Не только генетические причины, но и внешние воздействия способны дестабилизировать сложную систему оптимального функционирования синапсов. Указанные в обзоре синаптические механизмы могут обозначить мишени для создания новых лекарственных препаратов, способных охватить те виды эпилепсии, которые в настоящее время не поддаются лечению.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов

Концепция и дизайн исследования: Мухамедзянов Р.Д., Мартынов А.В.

Литературный поиск, участие в исследовании, обработка материала:

Мухамедзянов Р.Д., Мартынов А.В.

Статистическая обработка данных: Мухамедзянов Р.Д., Мартынов А.В.

Анализ и интерпретация данных: Мухамедзянов Р.Д., Мартынов А.В.

Написание и редактирование текста: Мухамедзянов Р.Д., Мартынов А.В.