Pojem neuroprotection označuje mechanismy uvnitř nervového systému, které chrání neurony před apoptózou nebo degenerací, například po poranění mozku nebo v důsledku chronických neurodegenerativních onemocnění. Slovo pochází ze slov „neuron“ (řecky nervová buňka) a „ochrana“.
V současné době existuje široký zájem o to, jak apoptóza a neuroprotekce působí na mozek v situacích tak odlišných, jako je dospívání a učení nebo nemoc (mrtvice, schizofrenie, Parkinsonova choroba).
Nedávná postmortální studie přední cingulární kůry u osob se schizofrenií zjistila zvýšené hladiny buněčných signalizačních proteinů, především PEBP, které mohou vést ke zvýšení úrovně neuroprotekce.
Erytropoetin a erytrogeneze
Erytropoetin (Epo) je glykoprotein, který kontroluje tvorbu erytropoezy nebo červených krvinek.
Erytropoetin a centrální nervový systém
Erytropoetin a jeho receptor jsou přítomny v centrálním nervovém systému s erytropoetinem alfa schopným procházet hematoencefalickou bariérou prostřednictvím aktivního transportu. To bylo prokázáno Juulem a spol. v jejich experimentu, který prokázal přítomnost epo v míšním moku kojenců a přítomnost epo-r v míše. Grimm a spol. informovali o detekci exprese epo a epo-r v sítnici savců a potenciální terapii k ochraně fotoreceptorů prostřednictvím hypoxické předléčby.
Podání erytropoetinu chránícího nervové buňky před hypoxií vyvolanou toxicitou glutamátu bylo prokázáno v experimentech Grimma a kol. v roce 2002 a Morishity a kol. v roce 1997. Grimm a jeho spolupracovníci prokázali, že akutní indukce hypoxie v sítnici dospělých myší stimuluje kromě dalších růstových faktorů také expresi epopeje. Reakce epopeje je stimulována hypoxií a je schopna chránit před apoptózou erytroidních progenitorů prostřednictvím mechanismu, který je popsán v části Mechanismus účinku. Práce Morishity a jeho kolegů poskytla důkazy o přítomnosti epopeje-R v kultivovaných hipokampálních a mozkových kortikálních neuronech u embryí potkanů. Epo byla schopna ochránit kultivované neurony před neurotoxicitou glutamátu již po krátké expozici. Dospěli k závěru, že vzhledem k tomu, že expozice erytropoetinu vyvolává zvýšení intracelulární koncentrace vápníku, musí hrát neuroprotektivní roli při poranění mozku v důsledku hypoxie nebo ischemie.
Roli erytropoetinu při snižování imunitní odpovědi popsal nedávno Michael Brines svým výzkumem při podávání rekombinantního lidského epo do krevního oběhu, které bylo translokováno do mozkomíšního moku. Podávání přípravku RhEpo potkanům zabránilo apoptóze neuronů během mozkové arteriální okluze. Rovněž snížilo objem infarktu o 75% a snížilo postinfarktový zánět.
Bylo rovněž prokázáno, že epopej zlepšuje zotavení nervů po poranění páteře. Celik a spol. zkoumali apoptózu motorických neuronů u králíků s přechodným modelem globální spinální ischemie. To jim umožnilo otestovat, zda podaný epopej může procházet bariérou krvetvorné míchy a chránit motorické neurony v míše. U králíků vyvolali ischemii míchy a podali přípravek RhEpo. Po srovnání s kontrolním podáním fyziologického roztoku byl funkční neurologický stav zvířat, kterým byl podáván přípravek RhEpo, po zotavení z anestezie lepší a během dvoudenního období se stále zlepšoval. Zvířata, kterým byl podáván fyziologický roztok, vykazovala špatný funkční neurologický stav a nevykazovala žádné významné zlepšení. Tyto výsledky ukázaly, že přípravek RhEpo má při ischemickém poranění míchy akutní i opožděný příznivý účinek.
Vývoj s Mutant Epo a EpoR
EpoR byl sice nalezen ve vysokých hladinách v embryonálním mozku, ale jeho role ve vývoji mozku je nejasná. Yu a kolegové prokázali důkazy, že Epo stimuluje nervové progenitorové buňky a zabraňuje apoptóze v embryonálním mozku pomocí pokusů na myších modelech. Myši bez EpoR vykazovaly těžkou anémii, defektní srdeční vývoj a nakonec smrt kolem 13.5. embryonálního dne v důsledku apoptózy v játrech, endokardu, myokardu a mozku plodu. Již 10.5. embryonálního dne může nedostatek EpoR ovlivnit vývoj mozku zvýšením apoptózy mozku plodu a snížením počtu nervových progenitorových buněk. Vystavením kultur EpoR pozitivních embryonálních kortikálních neuronů stimulaci podáním Epo buňky snížily apoptózu, na rozdíl od poklesu tvorby neuronů v EpoR negativních buňkách. Yu et al prokázali, že neuroprotektivní aktivita Epo může být pozorována již v embryonálním dni 10.5 ve vyvíjejícím se mozku a přispívá k selektivnímu přežití buněk ve vyvíjejícím se mozku.
Suzuki a jeho kolegové se však ptali, zda EpoR může nebo nemusí být určujícím faktorem pro funkci nervového systému. Naznačují, že přínos Epo a EpoR pro neuroochranu a vývoj není tak jasně pochopen jako jeho role při erytropoéze v krvetvorné tkáni. Tato skupina studovala linii myší, které exprimovaly EpoR výhradně v krvetvorných buňkách, a zjistila, že se myši vyvíjely normálně a byly plodné, navzdory nedostatku EpoR v nehematoetické tkáni. Analyzovali tuto linii myší a zjistili diferenciální expresi EpoR mezi erytroidními buňkami. Především zjistili, že plazmatická koncentrace Epo je regulována nehematoetickou expresí EpoR, když načasovali vrchol plazmatických koncentrací na indukovanou anémii u mutovaných a divokých myší. Jako takové došli k závěru, že exprese EpoR v nehematopoetické tkáni je při normálním vývoji myší postradatelná, ale že citlivost erytroidních progenitorů na Epo je regulována expresí EpoR.
Erytropoetin a periferní nervový systém
Výroba a lokalizace v PNS
Erytropoetin a jeho receptor jsou také přítomny v periferním nervovém systému, konkrétně v tělech a axonech ganglií v dorzálním kořeni a ve zvýšené míře ve Schwannových buňkách po poranění periferních nervů. Distribuce EpoR je odlišná od Epo, konkrétně v některých tělech neuronálních buněk v dorzálním kořenovém ganglionu, endoteliálních buňkách a Schwannových buňkách normálních nervů. Nejdůležitější je, že experimenty s imunobarvením odhalily, že distribuce a koncentrace EpoR na Schwannových buňkách se po poranění periferních nervů nemění. To je v souladu s výzkumem, který ukázal, že Epo je up-regulováno podle exprese mRNA v astrocytech a hypoxií indukovaných neuronech, zatímco EpoR ne. Korelace mezi expresí Epo-R v gangliových buňkách a vazbou na senzorické receptory v periferii jako Paciniho těla a neuromuskulární vřetena naznačuje, že Epo-R souvisí s regulací dotyku.
Erytropoetin při poranění periferních nervů
Po nervovém poškození může zvýšená produkce Epo vyvolat aktivaci určitých buněčných drah, zatímco koncentrace EpoR se nemění. Ve Schwannových buňkách může zvýšená hladina erytropoetinu stimulovat proliferaci Schwannových buněk prostřednictvím JAK2 a aktivace ERK/MAP kinázy, bude vysvětleno později. Podobně jako stimulace prekurzorových buněk červených krvinek (erytrogeneze) stimuluje erytropoetin nediferencované Schwannovy buňky k proliferaci.
I když je mechanismus nejasný, je zřejmé, že erytropoetin má po poranění centrálního a periferního nervu antiapoptotický účinek. Bylo prokázáno, že vzájemná komunikace mezi signalizačními kaskádami JAK2 a NF-kB je možným faktorem poranění centrálního nervu. Bylo rovněž prokázáno, že erytropoetin zabraňuje axonální degeneraci, pokud je produkován sousedními Schwannovými buňkami s oxidem dusným jako signálem axonálního poranění.
Způsob účinku erytropoetinu
Přímé a nepřímé efekty
Erytropoetin uplatňuje svou neuroprotektivní roli přímo aktivací transmiterových molekul, které hrají roli v erytrogenezi, a nepřímo obnovením krevního oběhu. Springborg a jeho kolegové zkoumali účinky subkutánního podání přípravku RhEpo na autoregulaci mozkového krevního oběhu po experimentálním subarachnoidálním krvácení. Zkoumáním různých skupin samců krys Sprague-Dawley zjistili, že injekce přípravku Epo po vyvolání krvácení normalizovala autoregulaci mozkového krevního oběhu, zatímco u jedinců léčených vehikulem nebyla autoregulace prokázána.
Cesta erytropoetinu v centrálním i periferním nervovém systému začíná navázáním Epo na EpoR. To vede k enzymatické fosforylaci PI3-K a NF-kb a vede k aktivaci proteinů, které regulují apoptózu nervových buněk. Nedávný výzkum ukazuje, že Epo aktivuje JAK2 kaskády, které aktivují NF-kB, což vede k expresi CIAP a c-IAP2, dvou genů inhibujících apoptózu. Výzkum provedený na hipokampálních neuronech potkanů ukazuje, že ochranná role Epo při hypoxií vyvolané buněčné smrti působí prostřednictvím extracelulárních signálem regulovaných kináz ERK1, ERK2 a proteinkinázy Akt-1/PKB. Zjistili, že působení Epo se neomezuje jen na podporu buněčného přežití a že inhibice neurální apoptózy je základem ochranných účinků Epo na krátkou latenci po poranění mozku. Neurotrofické působení tedy může prokázat účinky delší latence, ale je třeba provést další výzkum jeho klinické bezpečnosti a účinnosti.
Cesta pro poškození a zánět mozku
Kromě antiapoptotického účinku snižuje Epo prostřednictvím NF-kB dráhy zánětlivou odpověď při různých typech poškození mozku. NF-kB dráha aktivovaná Epo/EpoR fosforylací hraje roli při regulaci zánětlivé a imunitní odpovědi, kromě prevence apoptózy v důsledku buněčného stresu. NF-kB proteiny regulují imunitní odpověď prostřednictvím kontroly B-lymfocytů a proliferace T-lymfocytů. Všechny tyto proteiny jsou důležité pro expresi genů specifických pro regulaci imunitní a zánětlivé odpovědi.
Jako neuroprotektivní látka má erytropoetin mnoho funkcí: antagonizuje cytotoxický účinek glutamátu, zvyšuje expresi antioxidačních enzymů, snižuje rychlost produkce volných radikálů a ovlivňuje uvolňování neurotransmiterů. Svůj neuroprotektivní účinek uplatňuje nepřímo prostřednictvím obnovení krevního oběhu nebo přímo aktivací transmiterových molekul v neuronech, které také hrají roli v erytrogenezi. Ačkoli apoptóza není reverzibilní, včasný zásah neuroprotektivními terapeutickými postupy, jako je podávání erytropoetinu, může snížit počet neuronů, které podstupují apoptózu.
Rekombinantní podávání lidských EPO
Bylo prokázáno, že systémové podávání přípravku RhEpo snižuje apoptózu dorzálních kořenových gangliových buněk. I když zvířata léčená přípravkem RhEpo nebyla zpočátku chráněna před mechanickou allodynií po rozdrcení míšního nervu, vykazovala významně lepší míru zotavení ve srovnání se zvířaty, která nebyla léčena přípravkem RhEpo. Tato léčba přípravkem RhEpo zvýšila fosforylaci JAK2, která byla antiapoptotickým mechanismem shledána klíčovým signalizačním krokem v epizootomii indukované neuroprotekce. Tato zjištění prokazují, že epizoototerapie je proveditelnou léčbou neuropatické bolesti snížením protažení bolesti po nervovém poranění. Je však třeba provést více studií, aby se stanovila optimální doba a dávkování pro léčbu přípravkem RhEpo.
U kojenců se špatným neurovývojem jsou typickými problémy předčasná narozenost a asfyxie. Tyto stavy mohou vést k mozkové obrně, mentální retardaci a poruchám smyslového vnímání. Nedávný výzkum však prokázal, že vysoké dávky rekombinantního erytropoetinu mohou tento typ neonatálního poranění mozku snížit nebo mu zabránit, pokud jsou podány včas. Ve vyvíjejícím se mozku je patrná vysoká míra neuronální apoptózy v důsledku počáteční nadprodukce. Neurony, které jsou elektricky aktivní a vytvářejí synaptické spojení, přežívají, zatímco ty, které apoptózu nepodstupují. I když se jedná o normální jev, je také známo, že neurony ve vyvíjejícím se mozku jsou vystaveny zvýšenému riziku, že v reakci na poranění podstoupí apoptózu. Malé množství RhEpo může projít hematoencefalickou bariérou a chránit před poraněním hypoxickou ischemií. Epo léčba také prokázala zachování hemisférického objemu mozku 6 týdnů po neonatální mozkové mrtvici. Prokázala jak neuroprotektivní účinky, tak směr k neurogenezi u novorozenecké mozkové příhody bez přidružených dlouhodobých potíží.
Kognitivní a behaviorální účinky
Bylo rovněž prokázáno, že systémové podávání přípravku RhEpo snižuje poruchu chování spojenou s lézí u hipokampálně poraněných potkanů. Studie potvrdila, že podávání přípravku Epo zlepšilo posttraumatické behaviorální a kognitivní schopnosti oproti fyziologické kontrole, u které nedošlo k žádnému zlepšení, ačkoli nemělo zjistitelný vliv na získávání úkolů u neléčených zvířat. Epo je schopen snížit nebo eliminovat následky mechanického poranění hipokampu, ale také vykazuje možné terapeutické účinky v jiných kognitivních oblastech.
Bylo prokázáno, že Epo specificky chrání dopaminergní neurony, které jsou úzce vázány na poruchu pozornosti s hyperaktivitou. Konkrétně u myší prokázal Epo ochranné účinky na nigrální dopaminergní neurony na myším modelu Parkinsonovy nemoci. Tento nedávný experiment testoval hypotézu, že by RhEpo mohlo chránit dopaminergní neurony a zlepšit neurobehaviorální výsledky na potkaním modelu Parkinsonovy nemoci. Intrateratální podání přípravku RhEpo významně snížilo stupeň rotační asymetrie a potkani léčení přípravkem RhEpo prokázali zlepšení v používání zkušených předloktí. Tyto experimenty prokázaly, že intrastriatální podání přípravku RhEpo může ochránit nigrální dopaminergní neurony před buněčnou smrtí vyvolanou 6-OHDA a zlepšit neurobehaviorální výsledky na potkaním modelu Parkinsonovy nemoci.
V současné době je methylprednisolon (Medrol) pouze farmaceutická látka používaná k léčbě poranění míchy. Jedná se o kortikosteroid, který snižuje poškození nervových buněk a snižuje zánět v blízkosti míst poranění. Obvykle se podává během prvních 8 hodin po poranění, ale vykazuje špatné výsledky jak u pacientů, tak v experimentálních modelech. Kvůli souvisejícím rizikům a špatným klinickým výsledkům se objevily určité kontroverze ohledně užívání methylprednisolonu, ale je to jediný dostupný lék.
Pokud je přípravek Epo podáván v určitém časovém rámci v experimentech s erytropoetinem v centrálním nervovém systému, má příznivou odezvu u poranění mozku a míchy, jako je mechanické trauma nebo subarachnoidální krvácení. Výzkum také ukazuje terapeutickou roli v modulaci neuronální dráždivosti a působí jako trofický faktor jak in vivo, tak in vitro. Toto podávání erytropoetinu funguje tak, že inhibuje apoptózu senzorových a motorických neuronů prostřednictvím stimulace intracelulárních antiapoptotických metabolických drah. Působení erytropoetinu na Schwannovy buňky a zánětlivá odpověď po neurologickém traumatu také ukazuje na počáteční stimulaci nervové regenerace po poranění periferních nervů.
Nedávná studie Tsaie a jeho kolegů prokázala, že erytropoetin a jeho receptor mají zásadní roli v neurogenezi, konkrétně v neurogenezi po mozkové mrtvici a v migraci neuroblastů do oblastí nervového poškození. Využili genetiku k vyhodnocení role endogenních Epo a EpoR v neurogenezi savců. Zjistili závažné vady embryonální neurogeneze u zvířat, které byly nulové pro Epo nebo EpoR geny. Experimentovali také se sraženými EpoR zvířaty a zjistili, že delece EpoR genů specifických pro mozek vede ke snížení růstu buněk v subventrikulární zóně a k poruše neurogeneze po mozkové mrtvici. Tato neurogeneze po mozkové mrtvici byla charakterizována narušenou migrací neuroblastů v periinfarktové kůře. Tento výzkum souhlasí s klasickým přístupem k Epo/EpoR příspěvkům ve vývoji v tom, že prokázal požadavek Epo/EpoR pro embryonální neurální vývoj, neurogenezi dospělých a regeneraci neuronů po zranění. Zjistili také, že vysoké dávky exogenního erytropoetinu by mohly prokázat neuroprotektivní roli vazbou na receptor, který obsahuje společný beta receptor, ale postrádá EpoR. Tyto typy studií na Epo a EpoR nulových zvířatech viděly a dále objasňují neuroprotektivní roli Epo/EpoR v genetice a vývoji.
Zatímco neuroprotektivní účinky podávání Epo v modelech poranění mozku a onemocnění byly dobře popsány, účinky Epo na neuroregeneraci jsou v současné době zkoumány. Podání Epo během transakce optického nervu bylo použito k posouzení neuroprotektivních vlastností in vivo a také k prokázání neuroregeneračních schopností. Intravenózní injekce Epo zvýšila přežití [[retinal ganglion cell somata and axon survival after transaction. Malé množství axonů proniklo do místa transakce a regenerovalo se až 1 mm do distálního nervu. Ve druhém experimentu Epo zdvojnásobila počet axonů retinal ganglion cell regenerujících se podél délky nervu naroubovaného na retrobulbární optický nerv. Tento důkaz Epo jako neuroprotektivního a neuroregeneračního činidla je pro Epo mimořádně slibný jako terapie centrálního nervového poranění a nápravy.
Ukázalo se, že erytropoetin má neuroprotektivní roli v centrálním i periferním nervovém systému prostřednictvím drah, které inhibují apoptózu. Byl úspěšný v demonstraci neuroprotektivních účinků v mnoha modelech poranění mozku a v některých experimentech. Je také schopen ovlivňovat stimulaci neuronů a podporovat regeneraci periferních nervů. Epo má mnoho potenciálních využití a mohl by poskytnout terapeutickou odpověď na poranění nervového systému. Je však třeba provést více studií, aby se stanovila optimální doba a dávkování pro léčbu Epo.
Neuroprotekce je také pojem používaný v oftalmologii, pokud jde o glaukom. Jedinou neuroochranou, která je v současné době u glaukomu prokázána, je snížení nitroočního tlaku. Existují však teorie, že existují i další možné oblasti neuroochrany, jako je ochrana před toxicitou vyvolanou degenerujícími nervovými vlákny z glaukomu. Modely buněčných kultur ukazují, že lze zabránit odumírání buněk retinálního gangliu některými farmakologickými léčbami. Nebyly však dokončeny žádné rozsáhlé klinické studie neuroochrany u glaukomu.
Studie na zvířatech ukázaly, že ochlazení ischemického mozku může poskytnout neuroochranu. Tato technika se nazývá terapeutická hypotermie. Myron Ginsberg, MD, ředitel Centra pro výzkum cévních mozkových onemocnění a spoluředitel Centra pro výzkum neuroraumat při Lékařské fakultě Univerzity v Miami na Floridě vedl studie s krysami jako subjekty. Tyto studie ukázaly, že snížením teplot z 34 na 30 stupňů Celsia může být výrazně sníženo poškození od globální ischemie předního mozku. Dr. Ginsberg řekl, že experimenty vedly k „prakticky úplnému zachování pyramidové buněčné vrstvy“ v CA1 hippocampu a byla zde také významná neuroochrana vystavená v centrálním a dorzálním striatu. Dr. Ginsberg také poznamenal, že po léčbě hypotermie během fokální ischemie došlo k významnému snížení objemu infarktu.
Ashfaq Shuaib, MD, FRCPC, ředitel neurologie v nemocnici University of Alberta Hospital v Edmontonu, vedl studie, které ukázaly, že postischemická hypotermie může poskytnout i neuroochranu, vzhledem k tomu, že má dostatečnou dobu trvání a stupeň. 48 hodin podchlazení potkanů 32 až 34 stupňů, zahájeného dvě a půl hodiny po zahájení střední mozkové arteriální okluze, zachovalo schopnost potkanů získávat pelety z potravy při „schodišťovém testu“ schopnosti dosáhnout na nezávislou přední končetinu. Jeden přístroj používaný k vyvolání terapeutické hypotermie se jmenoval Arktické slunce.