Перспективні ліки проти хвороби Альцгеймера — компонент клітинної стінки бактерії сальмонели

Ріс. 1. Шляхи перетворення білка-попередника амілоїда (APP). Малюнок з огляду Querfurth & LaFerla, 2010. Alzheimer’s Disease

Хвороба Альцгеймера пов’язана з відкладенням агрегатів білка бета-амілоїда в головному мозку людини. Один з можливих напрямків боротьби з цими відкладеннями — пошук речовин, що стимулюють фагоцитарну активність клітин мікроглії — головного компонента імунного захисту головного і спинного мозку, — тобто їх здатність поглинати чужорідні частинки, в тому числі і амілоїдний білок. Група вчених з Канади, Бельгії та США запропонувала як таку речовину монофосфорил-ліпід A (MPL) — модифікований ліпополісахарид клітинної стінки бактерії Salmonella minnesota. Розчин MPL зменшує кількість і площу амілоїдних бляшок у мозку трансгенних мишей і покращує їх здатність до запам’ятовування.

Понад 35 мільйонів людей по цілому світі живуть з діагнозом «хвороба Альцгеймера». І хоча основним фактором ризику є похилий вік, цю хворобу також діагностують і у людей 30-40 років. Через прогресуюче погіршення пам’яті і слабоумство такі хворі прикуті до госпіталів і будинків для літніх людей, проживаючи залишок життя без надії на одужання.

Патогенез хвороби Альцгеймера пов’язаний з накопиченням нерозчинних бляшок лід-амілоїдних пептидів (див. Beta amyloid, amyloid, A^) в тканинах головного мозку, яке виникає через спонтанне порушення балансу перетворень попередника бета-амілоїда — білка, вбудованого в клітинні мембрани нейронів.

Білок — попередник амілоїда (Amyloid precursor protein, APP) виявлений у багатьох тканинах організму, де він є нормальним трансмембранним білком, проте його функції досі остаточно не встановлені. Залежно від доступності специфічних ділянок молекули білка для своєрідних білків- «ножиць» — ферментів секретаз (див. Secretase), APP може вступати на один з двох можливих шляхів перетворення — амілоїдогенний або неамілоїдогенний (див. оглядову статтю Querfurth & LaFerla, 2010. Alzheimer’s Disease). Обидва шляхи характерні для нормальних клітин (рис. 1). Нас цікавить амілоїдогенне перетворення білка, оскільки неамілоїдогенний шлях, пов’язаний з розщепленням білка ферментом лід-секретазою, не може призвести до утворення небезпечного для клітин амілоїдного білка A_β42, так як вже на першій стадії відбувається розщеплення всередині послідовності A^.

Амілоїдогенне перетворення попередника починається з відщеплення його позаклітинного фрагмента під дією ферменту лід-секретази. Фрагмент, що залишився, піддається подальшому розщепленню лід-секретазою з утворенням лід-амілоїда. лід-амілоїдні пептиди, що складаються з 36-43 амінокислот, є природними продуктами метаболізму; при цьому в нормі мономерних пептидів довжиною 40 амінокислот утворюється значно більше, ніж схильних до агрегації пошкоджуючих більш довгих пептидів (зазвичай їх розмір становить 42 амінокислоти: Aβ₄₂). Порушення балансу між двома шляхами перетворення APP, утворенням, руйнуванням і агрегацією (злипанням) пептидів, призводить до накопичення Aβ₄₂, що може стати пусковим фактором у розвитку хвороби.

Рис, 2. Хімічна структура похідного клітинної стінки бактерії Salmonella minnesota — монофосфорил-ліпіда A. Малюнок з обговорюваної статті в PNAS

Вчені з науково-дослідного клінічного центру Університету Лаваля (Квебек, Канада), спільно з колегами з Бельгії та США припустили, що перспективним напрямком пошуку можливих ліків проти хвороби Альцгеймера є речовини, що стимулюють фагоцитарну активність клітин мікроглії — головного компонента активного імунного захисту головного і спинного мозку.

Характерна для багатьох типів імунних клітин фагоцитарна активність, тобто здатність клітини захоплювати і переробляти тверді частинки (в тому числі бактерії, віруси, агреговані білки), — це перша лінія захисту від багатьох захворювань. Її можна стимулювати за допомогою різних компонентів вірусів і бактерій. У клітинах мікроглії, як і в інших клітинах імунної системи, є спеціальні сенсори молекул, характерних для патогенів, — так звані Толл-подібні рецептори (Toll-like receptors, TLRs). Коли в організм потрапляє патоген, клітини імунної системи мобілізуються на захист організму за рахунок активації цих рецепторів. Збільшення фагоцитарної активності мікроглії важливо також для захисту від агрегатів білка-амілоїда, що утворюються при хворобі Альцгеймера.

До таких специфічних для патогенів молекул, за якими організм може розпізнати інфекцію і мобілізувати імунну систему, належить ліпополісахарид (Lipopolysaccharide) — компонент клітинної стінки грамотрицьових бактерій (див. також: Bacterial cell walls). Проблема полягає в тому, що ліпополісахарид патогенних бактерій може бути токсичним для організму людини. Тому автори статті вирішили використовувати для стимуляції клітин мікроглії нешкідливий хімічно модифікований ліпополісахарид клітинної стінки бактерії Salmonella minnesota — монофосфорил-ліпіда A (Monophosphoryl lipid A, MPL) (рис. 2).

Як модель, що дозволяє вивчати механізм відкладення A^, в експериментах in vivo використовувалася лінія трансгенних мишей з хімерним білком (Chimeric protein) — попередником амілоїда. До 9 місяців життя в мозку таких тварин виявляється велика кількість бляшок лід-амілоїда, що нагадують ті, що утворюються в мозку пацієнтів, які страждають хворобою Альцгеймера. Здатність до запам’ятовування у таких мишей з віком знижується і погіршується порівняно з мишами, у яких в мозку немає бляшок.

Результати, отримані після інкубації клітин мікроглії цієї лінії мишей з розчином MPL, підтвердили стимулюючу дію монофосфорил-ліпіда A на фагоцитарну активність (рис. 3).

Рис, 3. MPL стимулює фагоцитоз у клітинах мікроглії миші. А — і MPL, і немодифікований ліпополісахарид (LPS) стимулюють фагоцитоз флуоресціюючих намистин (Beads) Escherichia coli. B — внутрішньоклітинна локалізація цих гранул (зелений) підтверджена даними конфокальної мікроскопії. Довжина масштабної лінійки — 10 мкм. Малюнок з обговорюваної статті в PNAS

Для оцінки ефективності MPL in vivo, трансгенним мишам з трьох експериментальних груп протягом тривалого часу вводили розчини досліджуваних речовин. Контрольній групі робили ін’єкції біологічно нейтрального натрій-фосфатного буфера (Phosphate buffered saline, PBS), експериментальним групам вводили розчини MPL або немодифікованого ліпополісахариду. Виявилося, що порівняно з контрольною групою, якою вводили розчин натрій-фосфатного буфера, кількість і загальна площа лід-амілоїдних бляшок в корі головного мозку мишей, яким був введений розчин MPL, значимо знижені (рис. 4). Крім того, на відміну від вихідного вкрай токсичного ліпополісахариду сальмонели, ін’єкція MPL не призводила до розвитку запалення, небезпечного для життя.

Рис, 4. Кількість (D) і загальна площа (E) лід-амілоїдних бляшок в корі головного мозку мишей, яким був введений розчин MPL, найтрій-фосфатний буфер (PBS) або немодифікований ліпополісахарид (LPS). На малюнку видно, що кількість бляшок знижується після ін’єкції MPL. Цікаво, що в разі немодифікованого ліпополісахариду спостерігається дуже великий розкид значень. Зображення з вихідної статті в PNAS

Результати поведінкових тестів також показали значні поліпшення у тварин показників навчаності та пам’яті порівняно з контролем. Для визначення здатності мишей до запам’ятовування використовували водний T-подібний лабіринт. У такому лабіринті тварина повинна вибрати між двома рукавами, в одному з яких розміщена невидима платформа, на яку тварина може залізти (миша, потрапивши у воду, прагне опинитися знову на суші). Автори спочатку «навчили» мишу систематично вибирати лівий рукав, в якому весь час перебувала платформа. Після цього оцінювалося, скільки потрібно спроб для того, щоб миша почала вибирати правий рукав, в який перемістили платформу. Критерієм навчання вважали 5 правильних виборів поспіль. Виявилося, що для трансгенних мишей, яких використовували в роботі, потрібно в середньому близько 17 спроб, щоб запам’ятати, що платформа знаходиться в правому рукаві. При цьому мишам, яким вводили MPL, було достатньо 10 спроб.

Результати проведеної роботи представляють монофосфорил-ліпід A як багатообіцяючий препарат для безпечного та ефективного лікування хвороби Альцгеймера.

Джерело: Jean-Philippe Michauda, Maxime Hallé, Antoine Lampron, Peter Thériault, Paul Préfontaine, Mohammed Filali, Pascale Tribout-Jover, Anne-Marie Lanteigne, Rachel Jodoin, Christopher Cluff, Vincent Brichard, Rémi Palmantier, Anthony Pilorget, Daniel Larocque, and Serge Rivest. Toll-like receptor 4 stimulation with the detoxified ligand monophosphoryl lipid A improves Alzheimer’s disease-related pathology. // Proc Natl Acad Sci USA. January 29, 2013. V. 110. No. 5. P. 1941–1946. Doi: 10.1073/pnas.1215165110.

Анастасія Горєлова