В настоящее время апоптоз рассматривается как наиболее распространенный тип клеточной смерти при травме.
Схема 1. Механизмы повреждения спинного мозга при травме
На схеме 1 представлена общая концепция травматического повреждения спинного мозга.
Изучение апоптоза связано с именем Керра (Kerr J. F., 1972), который ввел этот термин. Длительное время считалось, что апоптоз присущ только эмбриональному развитию. Позднее подобную гибель клеток наблюдали при различных патологических состояниях. Многочисленные исследования последних лет показали, что часто именно апоптоз, а не некроз лежит в основе инфаркта миокарда, острой почечной недостаточности, инсульта, травмы головного мозга и других заболеваний, связанных с высокой смертностью.
Апоптоз наблюдается при разнообразных патологических состояниях центральной нервной системы – травматических, сосудистых, нейродегенеративных болезнях, опухолях.
Открытие апоптоза в поврежденном спинном мозге дало новый толчок к изучению механизмов вторичного повреждения нервной ткани с целью их подавления. Изучение возможности влияния на апоптозную гибель клеток при травме головного или спинного мозга может помочь в лечении и нетравматических заболеваний нервной системы.
Как затормозить апоптоз
Изучение апоптоза при травматическом повреждении спинного мозга является очень перспективным с точки зрения возможности влияния на патологический процесс. В то время как некроз представляет собой необратимую гибель клетки, смерть в результате апоптоза на определенных этапах может быть задержана или предупреждена. Поэтому во многих лабораториях проводятся исследования с целью изучения механизмов активации апоптоза, его временного и пространственного распространения в клеточной популяции ткани. Выясняются индукторы, супрессоры и исполнители программы апоптоза, а также возможные пути влияния на этот процесс, и, прежде всего, его торможения, с целью повышения выживаемости клеток.
Причиной развития апоптоза может быть прямое воздействие на геном клетки (вирусы) или непрямое влияние через нейромедиаторы, медиаторы воспаления, ишемию и прочее. В настоящий момент обнаружено множество факторов, вызывающих апоптоз. Среди них ионизирующее излучение, отсутствие трофических (питательных) факторов, стероидные гормоны, цитокины и прочие. Важную роль в индукции апоптоза при травме спинного мозга отводят возбуждающим нейромедиаторам – глутамату и аспартату, которые в избытке выделяются при повреждении нервной ткани. Значимым для развития апоптоза является накопление универсальных посредников различных биологических процессов – оксида азота (NO), ионов Са2+. Полиэтиологичность апоптоза связывает его со многими патологическими состояниями, такими как травма, ишемия, инфекции.
В неповрежденной клетке процесс апоптоза находится под строгим генетическим контролем. Это связано с тем, что программированная клеточная гибель является необходимым процессом клеточной замены в эмбриогенезе, а у взрослой особи – механизмом естественной элиминации клеток. Апоптозная гибель клетки имеет биохимические критерии, которые отличают ее от процесса некроза. В отличие от него апоптоз – не пассивный, но активный процесс, связанный с активацией генов, регулирующих умирание клетки, который требует энергетических затрат и белкового синтеза. Известно несколько генов, ответственных за развитие апоптоза в спинном мозге. Среди них есть как индукторы – Fas/apo-1, p53, так и ингибиторы апоптоза – bcl-2, bcl-x, bax.
Как и во многих других тканях, апоптоз в спинном мозге представляет собой многостадийный процесс. Были выделены две его стадии: начальная, обратимая фаза апоптоза запускает генетическую программу клеточной гибели, которая заканчивается активацией ДНКаз, ответственных за фрагментацию ДНК. После того, как ДНКазы активированы и началось дробление ДНК, апоптоз переходит во вторую фазу – необратимую, которая заканчивается появлением морфологических признаков апоптоза, дезинтеграцией клетки и ее поглощением макрофагами.
Активация исполнителей апоптоза представляет собой результат разветвленной цепи биохимических реакций, смысл которых состоит в том, чтобы в конечном итоге практически любой внешний повреждающий сигнал мог приводить к фрагментации ДНК и клеточной смерти. Внешний агент – гормон, нейротрансмиттер, цитокин и др. приводят к возрастанию внутриклеточного содержания ионов Са2+. Эти ионы, являющиеся вторичными мессенджерами, поступают в цитоплазму по открывающимся каналам из внешнего пространства и из внутриклеточных депо – митохондрий, эндоплазматической сети. Активный комплекс Са2+-кальмодулин взаимодействует с протеинкиназами, которые активируют исполнителей апоптоза, и в первую очередь – каспазы. Каспазы расщепляют множество белков цитоплазмы, в том числе белки цитоскелета и ядра – фермент репарации ДНК (PARP), гистоновые белки, ингибиторы ДНКаз.
Конечным звеном этого биохимического каскада является активация ДНКаз, которые производят разрушение ДНК клетки. Считается, что 40 двуцепочечных разрывов ДНК на клетку, т. е. примерно 1 разрыв на хромосому, являются летальными. Фрагментация ДНК в клетках с запущенной программой гибели начинается с редких одноцепочечных разрывов ДНК, доходит до частых двуцепочечных разрывов ДНК, достигая размера фрагментов в 200 пар азотистых оснований, что проявляется характерной лестницей при электофорезе. Специфическая фрагментация ДНК является основным критерием для биохимического и иммунногистохимического выявления клеток в состоянии апоптоза.
Динамика апоптоза при травме спинного мозга
Апоптоз в спинном мозге исследуется сравнительно недавно – с середины 1990-х годов. Его изучение проводят при экспериментальном повреждении спинного мозга и предпринимают попытки провести корреляции с процессами, происходящими у человека. Crowe M. J. в 1995 г. представил первые доказательства апоптоза в травмированном спинном мозге крыс. Li G. I. показал, что компрессионная травма спинного мозга связана с апоптозом глиальных клеток, преимущественно локализованных в дегенерированных длинных трактах белого вещества. Именно апоптозная гибель олигодендроцитов является важным фактором вторичного повреждения. Эти клетки продуцируют миелиновую оболочку проводящих волокон, и их апоптозная гибель может быть причиной распространенной демиелинизации и дегенерации волокон. Было выдвинуто предположение об отсроченном апоптозе олигодендроцитов и связанной с ним демиелинизацией после экспериментальной травмы спинного мозга (Blight A. R., 1985) или спинного мозга человека (Bunge R. P., 1993).
До последнего времени единственное описание апоптоза при травме спинного мозга человека было проведено Emery E., которая предприняла первую попытку провести корреляцию между апоптозным повреждением клеток и дегенеративными изменениями в восходящих и нисходящих тактах спинного мозга. В 2000–2003 гг. в совместных исследованиях НИИ нейрохирургии им. Н. Н. Бурденко РАМН и НИИ Мозга РАМН были изучены клинические случаи травмы спинного мозга человека, а также случаи экспериментальной травмы спинного мозга животных с целью изучения динамики апоптоза (Борщенко И. А., Басков А. В., Сатанова Ф. С, Коршунов А. Г.). Исследовались модели травмы в результате пересечения, ушиба и хронической компрессии спинного мозга. Методами иммуногистохимического и биохимического анализа был установлен факт апоптозной гибели клеток спинного мозга крыс как после его экспериментального пересечения, ушиба, так и в случае травматического повреждения спинного мозга человека. При анализе развития апоптоза во времени в случае экспериментального пересечения спинного мозга отмечались два пика этого процесса на 3-и и 40-е сутки после травмы. Данные о двухфазном течении апоптоза в поврежденном спинном мозге подтверждаются другими исследователями. Апоптоз был верифицирован и в глиальных клетках, и в нейронах. Важным является оценка глубины распространения апоптоза от места травмы на протяжении ткани мозга. На всех сроках эксперимента клетки в состоянии апоптоза обнаруживались на протяжении от шейного до поясничного утолщения спинного мозга.
