Миелиновая защита нейрона: всё начинается до рождения

Александра Коростышевская, Андрей Савелов, Ирина Приходько, Яна Исаева, Василий Ярных «Наука из первых рук» № 3(88), 2020

С детства мы слышим, что нервные клетки не восстанавливаются. И хотя вопрос о возможности образования новых нейронов во взрослом мозге до сих пор открыт, уже есть данные, что процесс нейрогенеза у человека продолжается до глубокой старости. Любые нарушения в развитии нервных клеток могут приводить к серьезным, иногда необратимым патологиям. Одним из таких нарушений являются дефекты в защитной изоляционной оболочке (миелине) отростков нервных клеток, которые могут формироваться у человека еще до его рождения. Их практически невозможно диагностировать с помощью традиционных методов визуализации.

Об авторах

В мозге человека в среднем содержится около 100 млрд нейронов, которые принимают, хранят, обрабатывают и передают информацию с помощью электрических и химических сигналов. Взаимодействие между нейроном и другими нервными клетками и органами происходит с помощью коротких (дендриты

) и длинного (
аксон
) отростков.

Каждый аксон, подобно проводу, покрыт изоляционным материалом — миелиновой оболочкой

, которая обеспечивает более высокую скорость прохождения нервных импульсов и защищает нервные волокна от повреждений. Кроме того, эта оболочка несет опорную функцию, а также, по последним данным, служит для аксона, нуждающегося в большом количестве энергии, своего рода «заправочной станцией».

Аксон — главный «кабель» нейрона, покрытый миелиновой оболочкой. Он отдаленно напоминает линию электропередач с цепочкой изоляторов. Цель оболочки, которую формируют специальные обслуживающие клетки (олигодендроциты либо клетки Шванна), — обеспечить передачу электрических импульсов без потерь и с максимальной скоростью. © Servier Medical Art. Слева

— аксоны седалищных нервов мыши (
красные
), обернутые клетками Шванна (
зеленые
, ядра —
синие
). Фото A. Alvarez-Prats и T. Balla. © Eunice Kennedy Shriver /
National Institute of Child Health and Human Development
/ NIH

Все повреждения миелиновой оболочки или дефекты, возникшие в период ее формирования, приводят к серьезным, иногда неизлечимым заболеваниям. Среди них наиболее известен рассеянный склероз

— хроническое аутоиммунное заболевание, поражающее преимущественно молодых людей.

Разрушается миелин и при инсультах

, которые встречаются не только у взрослых (в первую очередь, как принято считать, у пожилых людей), но и у детей, включая нерожденных. Внутриутробный инсульт чаще всего случается после 28-й недели беременности, у детей — через месяц после рождения. Инсульт у плода приводит к развитию пороков головного мозга, а у детей может вызвать
детский церебральный паралич
в раннем возрасте.

При этом о «качестве» миелинизации головного мозга конкретного человека мы сегодня судим лишь по косвенным клиническим симптомам или данным магнитно-резонансной томографии

(МРТ), с помощью которой обычно удается обнаруживать дефекты миелина уже на поздней, часто необратимой стадии.

В головном мозге миелиновую оболочку создают олигодендроциты, в периферической нервной системе — клетки Шванна. Каждый олигодендроцит образует несколько «ножек», которые неоднократно «оборачиваются» вокруг части какого-нибудь аксона (внизу

). В результате один олигодендроцит оказывается связан с несколькими нейронами. © Servier Medical Art.
Вверху
— олигодедроциты в культуре (
красные
, ядра —
сиреневые
). © jakeyoung64

Не все знают, что миелин — это множество слоев клеточной мембраны, много раз «намотанных» на аксон. Формируется миелин плоскими выростами «служебных» глиальных клеток, цитоплазма в которых практически отсутствует. Миелиновая оболочка не непрерывна, а дискретна, с промежутками (перехватами Ранвье). Поэтому аксон обладает более быстрой скачкообразной проводимостью: скорость прохождения сигнала по волокнам с миелином и без него может отличаться в сотни раз. Что касается молекулярного состава «изолятора», то он, как и все клеточные мембраны, состоит преимущественно из липидов и белков.

Дефекты нервной «изоляции»

Развитие мозга плода — сложный процесс, при котором происходят быстрые перестройки морфологии и микроструктуры нервной ткани. В некоторых зонах мозга процесс формирования миелина начинается уже с 18–20-й недели беременности, а продолжается приблизительно до десятилетнего возраста.

Именно нарушения миелинизации часто лежат в основе задержек физического и умственного развития ребенка, а также служат причиной формирования ряда неврологических и психиатрических патологий. Помимо заболеваний, таких как инсульт, задержки развития головного мозга плода с нарушением миелинизации иногда наблюдаются и при многоплодной беременности. При этом десинхронизацию в развитии мозга близнецов оценить «на глаз» довольно сложно.

Но как выявить дефекты миелина в период внутриутробного развития? В настоящее время акушеры-гинекологи пользуются только биометрическими показателями (например, размером мозга), однако они обладают высокой изменчивостью и не дают полной картины. В педиатрии даже при наличии явных функциональных отклонений в мозговой деятельности ребенка традиционные изображения МРТ или нейросонографии

(ультразвукового исследования головного мозга новорожденных) часто не показывают структурные отклонения.

Поэтому поиск точных количественных критериев оценки формирования миелина во время беременности является актуальной задачей, которую к тому же нужно решить с помощью неинзвазивных диагностических методов, уже апробированных в акушерстве. Специалисты из новосибирского Международного томографического центра СО РАН предложили использовать для этих целей новый метод количественной нейровизуализации, уже адаптированный для дородовых (пренатальных

) исследований.

Анатомия миелина в строении нерва

Главная клетка нервной системы – нейрон. Тело нейрона называется сома. Внутри нее находится ядро. Тело нейрона окружено короткими отростками, которые называются дендриты. Они отвечают за связь с другими нейронами. От сомы отходит один длинный отросток – аксон. Он несет импульс от нейрона к другим клеткам. Чаще всего на конце он соединяется с дендритами других нервных клеток.
Всю поверхность аксона покрывает миелиновая оболочка, которая представляет собой отросток клетки Шванна, лишенный цитоплазмы. По сути, это несколько слоев клеточной мембраны, обернутые вокруг аксона.

Шванновские клетки, обволакивающие аксон, разделяются перехватами Ранвье, в которых отсутствует миелин.

На обычном томографе

Любая патология головного мозга плода, которую подозревают врачи во время ультразвукового обследования беременной, обычно является показанием к проведению МРТ; подобные исследования проводятся в МТЦ СО РАН уже более десяти лет. Результаты МРТ могут подтвердить, уточнить, опровергнуть либо вообще изменить предварительный диагноз и, соответственно, тактику ведения беременности.

Дело в том, что количество миелина и размеры отдельных структур головного мозга у эмбриона настолько малы, что любые измерения очень сложны и трудоемки. К тому же плод постоянно шевелится, что очень затрудняет получение качественных изображений и достоверных количественных данных. Поэтому нужна технология, позволяющая получать изображения быстро и с высокой разрешающей способностью даже на маленьких объектах.

Именно таким оказался метод быстрого картирования макромолекулярной протонной фракции

(МПФ) — биофизического параметра, который описывает долю протонов в макромолекулах тканей, вовлеченных в формирование МРТ-сигнала, тогда как обычно источником сигнала являются протоны, содержащиеся в воде (Yarnykh, 2012; Yarnykh et al., 2015).

Метод макромолекулярной протонной фракции (МПФ) основан на эффекте переноса намагниченности, когда протоны свободной воды «обмениваются» намагниченностью с протонами малоподвижных макромолекул, таких как белки. Скорость этого процесса влияет на величину детектируемого сигнала МРТ и зависит от площади взаимодействия макромолекулярной фракции и воды

В основе метода лежит специализированная процедура математической обработки МРТ-изображений, которая позволяет вычленить компоненты сигнала, связанные с МПФ клеточных мембран. А в головном мозге человека и животных основная их часть содержится именно в миелине. Реконструируются карты МПФ на основе исходных данных, которые могут быть получены практически на любом клиническом томографе.

Для реконструкции карт МПФ используются четыре исходных изображения, полученные различными традиционными методами МРТ. Правильность такого подхода подтвердили результаты его апробации на лабораторных животных в Томском государственном университете: у мышей, которым вводили раствор, вызывающий разрушение миелина, результаты МПФ-картирования совпали с данными гистологического исследования тканей (Khodanovich et al., 2017).

Урсоловая кислота восстановила миелиновые оболочки нейронов у мышей со склерозом

Экспрессия цилиарного нейротропного фактора в астроцитах при воздействии урсоловой кислоты
Yuan Zhang et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020

Урсоловая кислота при оральном введении останавливает развитие аналога рассеянного склероза у мышей, стимулирует созревание олигодендроцитов и восстанавливает миелиновую оболочку нейронов центральной нервной системы. Кислота взаимодействует с активируемым пероксисомными пролифераторами рецептором гамма и через транскрипционный фактор CREB запускает выделение цилиарного нейротропного фактора, который влияет на дифференцировку предшественников олигодендроцитов. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences

.

Рассеянный склероз — аутоиммунное заболевание, которое нарушает миелиновую оболочку нейронов во всей центральной нервной системе. Современные подходы к лечению рассеянного склероза позволяют остановить аутоиммунные реакции и эффективны на ранних стадиях болезни. Однако не существует способа восстановить миелиновые оболочки нервных клеток и вернуть им функциональность. Потенциал для этого есть — в очагах демиелинизации скапливаются предшественники олигодендроцитов (клеток, которые создают оболочки нейронов в центральной нервной системе), однако те не развиваются.

Урсоловая кислота содержится во многих растениях, в том числе в кожуре фруктов. Это вещество обладает целым набором фармакологических свойств, его используют в составе лекарственных растений для терапии болезни Паркинсона, ревматоидного артрита и диабета. Введение урсоловой кислоты также может предотвратить развитие экспериментального аутоиммунного энцефаломиелита (ЭАЭ, модели рассеянного склероза на мышах).

Ученые из Китая и США во главе с Юань Чжаном (Yuan Zhang) из Университета Томаса Джефферсона исследовали эффект урсоловой кислоты на мышах с ЭАЭ. Вещество вводили орально, терапию начинали в начале развития заболевания (через 11 дней после запуска развития ЭАЭ), на его пике (18 дней) или в хронической фазе (60 дней). На 30 или 120 день получали срезы спинного мозга мышей и иммуногистохимически окрашивали их на различчные маркеры (например, миелина, аксонов, олигодендроцитов).

Чтобы разделить антивоспалительный и миелинизирующий эффекты урсоловой кислоты, ее действие исследовали на мышах, разрушение миелина в мозге которых было запущено купризоном — в таком случае воспалительные процессы и присутствие T-клеток иммунитета в очаге поражения минимальны. Кроме того, действие урсоловой кислоты проверили на культуре астроцитов — эти клетки выделяют факторы развития олигодендроцитов.

Все описанные выше исследования провели также на животных, гетерозиготных по гену активируемого пероксисомными пролифераторами рецептора гамма (PPARγ). Урсоловая кислота является агонистом этого рецептора, а его активация смягчает воспалительные процессы и запускает механизмы защиты нейронов. Авторы работы предположили, что взаимодействие с PPARγ — основной механизм воздействия урсоловой кислоты.

Наиболее эффективной дозой урсоловой кислоты оказалась доза в 25 миллиграмм на килограмм массы тела в день. Препарат значительно снизил воспаление (p < 0,01) и демиелинизацию (p < 0,001) в мозге, а также инфильтрацию лейкоцитов (клеток Th1 и Th17) в зоны поражения (p < 0,001). Кислота подавляла ЭАЭ, даже если лечение начинали на пике развития болезни или в ее хронической фазе.

Тяжесть течения болезни по шкале от 0 до 5; на горизонтальной оси отложено время от стимуляции развития ЭАЭ. Черный — контрольные животные, цвет — различные дозировки урсоловой кислоты, розовый — оптимальназя доза 25 миллиграммов на киллограм в день. Черными стрелками показано время начала лечения, А — в начале развития заболевания, B — на пике

Yuan Zhang et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020

Поделиться

Число новых олигодендроцитов увеличилось, а их предшественников — снизилось, исходя из чего можно сделать вывод, что урсоловая кислота стимулировала дифференциацию этих клеток. Более того, терапия увеличила количество миелинизированных нейронов и восстановила поврежденные аксоны и дендриты, когда лечение было начато в хронической фазе заболевания.

Срезы спинного мозга, окрашенные флуоресцентным красителем. Зеленый — предшественники олигодендроцитов, розовый — молодые олигодендроциты, синий — ядерный краситель. Сверху — контроль, снизу — мыши, которых лечили урсуловой кислотой

Yuan Zhang et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020

Поделиться

Миелинизация (зеленый) аксонов (красный) нейронов (ядра окрашены синим) спинного мозга. Слева направо: до начала развития ЭАЭ, через 60 дней; через 120 дней после стимулирования заболевания, последние 60 дней мышей лечили плацебо или урсуловой кислотой

Yuan Zhang et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020

Поделиться

У животных, миелин нейронов которых был разрушен из-за купризона, урсоловая кислота также вызвала созревание олигодендроцитов и восстановление оболочек. В астроцитах, на которые действовали урсоловой кислотой, примерно в три раза по сравнению с контролем было повышено количество цилиарного нейротропного фактора (p < 0,01), который вызывал созревание олигодендроцитов.

Влияние урсоловой кислоты было опосредовано PPARγ — когда эти рецепторы блокировали антагонистами или использовали гетерозиготных по их гену животных, препарат переставал быть эффективным. Исследователи также выяснили, что в запуске выделения цилиарного нейротропного фактора участвует транскрипционный фактор CREB — при его выключении астроциты не производили нейротропный фактор.

В настоящее время урсоловая кислота проходит клинические испытания на пациентах с опухолями и по предварительным результатам она безопасна. Известно, что это вещество проникает через гематоэнцефалический барьер и может воздействовать непосредственно на нейроны центральной нервной системы. Урсоловая кислота является дешевым, безопасным и простым в применении веществом, которое потенциально можно применять в терапии хронической стадии рассеянного склероза, но это потребует дополнительных проверок и клинических испытаний на людях.

Препаратов, которые могут обратить разрушения, вызванные рассеянным склерозом, пока не существует, но их поиски ведутся давно. Несколько лет назад нашли возможную мишень для таких лекарств — экспрессия субъединицы b4 G-белка стимулирует дифференцировку олигодендроцитов и миелинизацию нейронов.

Алиса Бахарева

Состав

Миелиновый слой состоит из двух слоев липидов и трех слоев белка. Липидов в нем гораздо больше (70-75%):

• фосфолипиды (до 50%);
• холестерин (25%);
• глактоцереброзид (20%) и др.

Большое содержание жиров обусловливает белый цвет миелиновой оболочки, благодаря чему нейроны, покрытые ей, называются «белым веществом».

Белковые слои тоньше липидных. Содержание белка в миелине – 25-30%:

• протеолипид (35-50%);
• основной белок миелина (30%);
• белки Вольфграма (20%).

Существуют простые и сложные белки нервной ткани.

Роль липидов в строении оболочки

Липиды играют ключевую роль в строении мякотной оболочки. Они являются структурным материалом нервной ткани и защищают аксон от потери энергии и ионных потоков. Молекулы липидов обладают способностью восстанавливать ткани мозга после повреждений. Липиды миелина отвечают за адаптацию зрелой нервной системы. Они выступают в роли рецепторов гормонов и осуществляют коммуникацию между клетками.

Роль белков

Немаловажное значение в строении миелинового слоя имеют молекулы белков. Они наряду с липидами выступают в роли строительного материала нервной ткани. Их главной задачей является транспортировка питательных веществ в аксон. Также они расшифровывают сигналы, поступающие в нервную клетку и ускоряют реакции в ней. Участие в обмене веществ – важная функция молекул белка миелиновой оболочки.

Принципы лечения дефектов оболочки

Заболевания, связанные с разрушением мякотной оболочки, очень сложно лечить. Терапия направлена в основном на купирование симптомов и остановку процессов разрушения. Чем раньше диагностировано заболевание, тем больше шансов остановить его течение.

Возможности восстановления миелина

Благодаря своевременному лечению можно запустить процесс восстановления миелина. Однако, новая миелиновая оболочка не будет так же хорошо выполнять свои функции. Кроме того, болезнь может перейти в хроническую стадию, а симптомы сохранятся, лишь слегка сгладятся. Но даже незначительная ремиелинизация способна остановить ход болезни и частично вернуть утраченные функции.

Современные лекарственные средства, направленные на регенерацию миелина более эффективны, но отличаются очень высокой стоимостью.

Терапия

Для лечения заболеваний, вызванных разрушением миелиновой оболочки, используются следующие препараты и процедуры:

• бета-интерфероны (останавливают течение заболевания, снижают риск возникновения рецидивов и инвалидности);
• иммуномодуляторы (воздействуют на активность иммунной системы);
• миорелаксанты (способствуют восстановлению двигательных функций);

• ноотропы (восстанавливают проводниковую активность);
• противовоспалительные (снимают воспалительный процесс, вызвавший разрушение миелина);
• нейропротекторы (предупреждают повреждение нейронов мозга);
• обезболивающие и противосудорожные препараты;
• витамины и антидепрессанты;
• фильтрация ликвора (процедура, направленная на очищение спинномозговой жидкости).

Функции

Основными функциями миелиновой оболочки являются:

• изоляция аксона;
• ускорение проведения импульса;
• экономия энергии за счет сохранения ионных потоков;
• опора нервного волокна;
• питание аксона.

Как работают импульсы

Нервные клетки изолированы благодаря своей оболочке, но все же взаимосвязаны между собой. Участки, в которых клетки соприкасаются, называются синапсы. Это место, где встречаются аксон одной клетки и сома или дендрит другой.

Электрический импульс может передаваться внутри одной клетки или от нейрона к нейрону. Это сложный электрохимический процесс, который основан на перемещении ионов через оболочку нервной клетки.

В спокойном состоянии внутрь нейрона попадают только ионы калия, а ионы натрия остаются снаружи. В момент возбуждения они начинаются меняться местами. Аксон положительно заряжается изнутри. Затем натрий перестает поступать через мембрану, а отток калия не прекращается.

Изменение напряжения из-за движения ионов калия и натрия называется «потенциал действия». Он распространяется медленно, но миелиновая оболочка, обволакивающая аксон, ускоряет это процесс, препятствуя оттоку и притоку ионов калия и натрия из тела аксона.

Проходя через перехват Ранвье, импульс перескакивает с одного участка аксона на другой, что и позволяет ему двигаться быстрее.

После того, как потенциал действия пересекает разрыв в миелине, импульс останавливается, и возвращается состояние покоя.

Такой способ передачи энергии характерен для ЦНС. Что касается вегетативной нервной системы, в ней часто встречаются аксоны, покрытые малым количеством миелина или вообще не покрытые им. Скачки между шванновскими клетками не осуществляются, и импульс проходит гораздо медленнее.