Laurance Johnston, Ph.D.

Sponsor: Institute of Spinal Cord Injury, Iceland

1) Melatonin

2) Estrogen

3) Progesterone

Melatonin

Мелатонин

Мелатонин, доступный в аптеках и других источниках, является основным гормоном, выделяемым шишковидным телом. Его выделение тесно взаимосвязано с нашим циклом сна и бодрствования, и ингибируется при свете, и стимулируется темнотой. Шишковидное тело трансформирует аминокислоту триптофан в серотонин (нейротрансмиттер) и, в свою очередь, мелатонин. Мелатонин затем выделяется в кровь и спинномозговую жидкость, где может взаимодействовать с клетками всего организма.

Через сложную нейроанатомическую сеть, фоточувствительные клетки сетчатки определяют свет и отправляют сигналы структурам, регулирующим наш 24-часовой суточный ритм. Эти сигналы затем исходят от головы в шейный отдел спинного мозга, где они направляются обратно к шишковидному телу. Соответственно, шейные травмы, но не травмы на более низких уровнях, приводят к нарушению в шишковидном теле и производстве мелатонина.

Мелатонин, именуемый гормоном сна, используется в качестве вспомогательного средства для сна у страдающих бессонницей, работников по сменам и путешественников, страдающих от резкой смены часовых поясов. Поскольку он широко употребляется, его можно считать безопасным препаратом. Это важно, поскольку исследования на животных позволяют предположить, что мелатонин осуществляет нейропротекторное воздействие при острой травме. Хотя необходимо соблюдать осторожность при переносе на людей результатов исследований на животных, однако его широкое применение делает его достойным кандидатом на терапевтическое применение при острой травме у людей.

Помимо гормонального воздействия, мелатонин является мощным антиоксидантом, защищающим клетки от вредного окисления. В частности, мелатонин - это высокоэффективный уборщик свободных радикалов, которые, за счет наличия непарного электрона, ищут другой электрон, чтобы достичь более стабильного энергетического состояния. Липофильная структура мелатонина (т.е. близость к жирам или липидам) позволяет ему проходить через клеточные мембраны и собирать свободные радикалы внутри клетки. 

После исходной механической травмы при ТСМ, сложная физиологическая цепная реакция приводит к выделению свободных радикалов, которые крадут электроны у жиров на клеточных мембранах. Этот процесс называется перекисное окисление липидов и нарушает мембраны нейронов и аксонов, приводя к дальнейшей клеточной гибели.

Как и в случае часто назначаемого метилпреднизолона, исследования на животных говорят о том, что мелатонин ингибирует перекисное окисление липидов и различные воспалительные процессы, усугубляющие травму. Можно привести следующие примеры исследований:

Д-р Тору Фуджимото и коллеги (Япония) изучили нейропротекторное воздействие мелатонина у крыс с экспериментальной ТСМ. Спинной мозг крыс повреждался на уровне Т12 при помощи давления веса на открытый спинной мозг. Мелатонин вводился в полость тела (напр. внутрибрюшинно) через 5 минут, и 1, 2, 3 и 4 часа после травмы. Контрольной группе вводился физраствор. Поскольку количество вводимого мелатонина было значительно выше, чем его эндогенный уровень (т.е. производимый самим организмом), исходные уровни не считались значимыми (хотя - см. Атес и др. ниже). В сравнении с контрольной группой, крысы, получавшие мелатонин, показали более низкое перекисное окисление липидов, меньший размер полостей в области травмы и сохранили больше функций задних конечностей.

Д-р С.Ф. Эртен и др. (Турция) оценили воздействие мелатонина у кроликов с ишемией спинного мозга, вызванной пережатыми сосудами, идущими к спинному мозгу. Мелатонин вводился внутрибрюшинно либо за 10 минут до, либо через 10 минут после пережатия. Кролики, получившие мелатонин, показали более низкое перекисное окисление липидов.

Д-р Джин-бо Лиу и коллеги (Китай) изучили нейропротекторные свойства мелатонина у крыс с травмами, вызванными падением веса на открытый спинной мозг, при внутрибрюшинном введении мелатонина. Ученые пришли к выводу, что «мелатонин может предотвращать окислительное повреждение, снижать неврологический дефицит и облегчает восстановление после травмы спинного мозга».

Д-р Тициана Дженовезе и коллеги (Италия) предоставили дальнейшие данные о нейропротекторных свойства мелатонина. В их экспериментах, травма у крыс была вызвана зажимом открытого спинного мозга. Мелатонин вводился однажды до зажима и несколько раз после. Ученые пришли к выводу, что «мелатонин может оказывать значительное противовоспалительное воздействие» и улучшает функциональное восстановление задних конечностей.

Д-р Сулейман Кайли и др. (Турция) сравнили эффективность 1) мелатонина,  2) стандартно применяемого метилпреднизолона и 3) комбинацию двух препаратов. После того, как у крыс была вызвана травма падением веса на открытый спинной мозг, препараты вводились внутрибрюшинно, и проводились различные мероприятия по оценке восстановления. В сравнении с контрольной группой, были отмечены улучшения во всех трех группах, включая усиленную нейрональную проводимость, восстановление моторной функции, сокращение перекисного окисления липидов, вызывающих вторичное повреждение, и улучшение цельности структуры. Комбинированное лечение мелатонином и метилпреднизолоном лучше всего проявило себя в ингибировании перекисного окисления липидов.

Ранее предполагалось, что эндогенные уровни мелатонина, выделяемые организмом, не играют значительной нейропротекторной роли после ТСМ. Однако, исследование д-ра О. Атеса и коллег (Турция) предполагает, что исходные физиологические уровни могут иметь большое значение. Помимо изучения нейропротекторных свойств мелатонина, вводимого извне, исследователи оценили влияние удаления шишковидного тела крысы, и, соответственно, источника мелатонина, до травмы. Эта пинеалэктомия усилила перекисное окисление липидов после травмы. Исследователи пришли к выводу: «Полученные результаты позволяют предположить, что сокращение эндогенного мелатонина после пинеалэктомии усиливает уязвимость крыс к повреждению…».

Данные находки в значительной степени актуальны и для людей. А именно, по ряду причин, включая воздействие окружающей среды, функционирование шишковидного тела имеет тенденцию снижаться со временем. У взрослых, довольно часто встречается кальцификация шишковидного тела, влияющая на мелатонин, когда зернистые накопления, называемые песком головного мозга, накапливаются в железе. Это предполагает, что пациенты с подобной кальцификацией демонстрируют более выраженное неврологическое повреждение после травмы.

 Estrogen

Эстроген

Хотя эстроген оказывает различное физиологическое воздействие, как на мужчин, так и на женщин, лучше всего он известен в качестве женского гормона. У женщин, эстроген, прежде всего, продуцируется яичниками и регулирует репродуктивный цикл, а также способствует развитию вторичных половых признаков. У мужчин этот гормон также выделяется, но на значительно меньшем уровне. У мужчин этот гормон выделяется семенниками и играет ключевую роль в функционировании яичек.

Производные эстрогена являются основным компонентом различных оральных контрацептивов, а также используются в гормонозаместительной терапии в менопаузе. У мужчин эстроген применяется при лечении рака простаты. Хотя в центре внимания находится репродуктивная  роль эстрогена, этот мультиактивный гормон может воздействовать на различные физиологические процессы. В связи с этим, теоретически, он обладает широким терапевтическим потенциалом, гораздо более широким, чем его очевидная функция, включая нейропротекторное воздействие после травмы.

Нейропротекторные возможности при ТСМ широко изучались д-ром Нареном Баником и коллегами в Университете Южной Каролины на моделях ТСМ у животных, а также на культурах нейрональных клеток.

Исследования на животных: ТСМ была смоделирована в ходе ламинэктомии грудного отдела спинного мозга крыс и последующего опускания веса на открытый спинной мозг, что является экспериментальной версией контузии спинного мозга, разновидностью травмы, часто встречающейся у людей с ТСМ. Крысам внутривенно вводился эстроген в виде однократной дневной дозы через 15 минут и через 24 часа после травмы, и далее, в течение последующих пяти дней. Восстановление движения наблюдалось в течение шести недель, и улучшения сравнивались с контрольной группой животных, получивших аналогичную травму, но не получавших эстроген.

Движение оценивалось при помощи шкалы БББ – это стандартно применяемый метод для оценки восстановления функций задних конечностей у животных по шкале от 0 (отсутствие движения задних конечностей) до 21 (нормальное передвижение). По окончании периода наблюдения средний показатель БББ у крыс, пролеченных эстрогеном, составил 13, в сравнении с 9 баллами у крыс контрольной группы. Функционально, эта статистически значимая разница означает, что при сравнении с контрольной группой, крысы, пролеченные эстрогеном, лучше справлялись с поддержкой собственного веса, с шагами при поддержке веса и с шагом со скоординированной перестановкой передних/задних конечностей. Исследователи пришли к выводу, что «применение эстрогена позволяет значительно улучшить функцию движения у травмированных животных в течение 42-дневного периода после травмы…».

Возможные механизмы: Эти, как и другие, ученые направили свои усилия на понимание специфических биологических механизмов, при помощи которых эстроген оказывает нейропротекторное воздействие. Увеличивающий повреждение, патофизиологический каскад, следующий за первоначальной физической травмой крайне сложен, и является причиной, по которой ТСМ с трудом поддается пониманию на молекулярном уровне. Учитывая эту сложность, а также подтвержденное мощное многостороннее воздействие на организм, существует множество биологических систем, на которое оно может быть направлено. Некоторые из таких возможностей кратко описаны ниже. Однако необходимо отметить, что зачастую это сложно взаимосвязанные и взаимозависимые процессы. 

1) Приток кальция: Проводимость нейронов зависит от сбалансированности ионов кальция внутри клетки и в ее окружении. Обычно, в окружении нейрона находится большое количество кальция, и сравнительно небольшое – внутри. Травма нарушает этот баланс, в результате чего в клетку проникает избыточный кальций. Этот приток приводит к деструктивному каскаду, который повреждает другие нейроны. Ингибируя приток кальция в клетки, эстроген снижает этот вредоносный каскад.

2) Апоптоз: Клетки в области травмы гибнут от некроза, тогда как клетки, окружающие травму гибнут в результате апоптоза, формы вторичной гибели клеток, когда программа клеточных событий приводит к клеточной гибели. В качестве грубой аналогии некротическую гибель клеток можно сравнить с бытсрой смертью от выстрела, а смерть в результате апоптоза больше схожа с медленным умиранием от рака. Поскольку апоптоз потенциально обратим, лечение, возвращающее этот процесс, должно способствовать сокращению посттравматической клеточной дегенерации. Модулируя активность некоторых ферментов, способствующих посттравматическому апоптозу, эстроген замедляет дегенерацию.

3) Эксайтотоксичность: Обычно, ряд аминокислот, таких как глутамат, выделяется из пре-синаптического нейрона и идет к ближайшему пост-синаптическому нейрону, приводя в действие нервный импульс. Однако, после травмы, клетки «взрываются», выделяя слишком много глутамата. Взаимодействия с рецепторами на соседних клетках приводят к тому, что избыточный глутамат инициирует нейротоксичный биохимический каскад. Эстроген оказывает защитное действие при гибели клеток, вызванной эксайтотоксичностью.

4) Отек: Накопление жидкости в месте травмы приводит к отеку. У крыс, пролеченных эстрогеном, отек отмечается в меньшей степени.

5) Воспаление: Воспалительные клетки инфильтруются в область повреждения, что способствует вторичной гибели клеток. Лечение эстрогеном снижает инфильтрацию.

6) Миелин: Жировая изоляция, окружающая аксоны, т.е. миелин, дает возможность нейронам проводить сигнал. ТСМ часто приводит к процессу демиелинизации аксонов, ослабляемому эстрогеном.  

7) Кровоснабжение: Травма приводит к нарушению способствующего восстановлению кровоснабжения, тем самым способствуя вторичной гибели клеток. Эстроген способствует росту новых кровеносных сосудов (ангиогенезу), усиливая посттравматическое кровоснабжение.

8) Антиоксидант: После первоначальной механической травмы при ТСМ образовываются свободные радикалы. Эти свободные радикалы забирают электроны с мембран соседних клеток, что называется перекисным окислением липидов, приводя к дальнейшей гибели клеток. Будучи мощным антиоксидантом, эстроген может снижать оксидативный стресс, вызванный свободными радикалами.

С учетом этих находок и того факта, что у женщин отмечается более высокий уровень эстрогена, чем у мужчин, интересно отметить, что результаты исследования свидетельствуют о большем функциональном восстановлении функций у женщин после нейротравмы.

Progesterone

Прогестерон

Оказалось, что прогестерон, как и эстроген также оказывает нейропротекторное действие. Несмотря на то, что его называют гормоном беременности, его выделение также отмечается и у мужчин, хотя и в гораздо меньшей степени.

Прогестерон синтезируется из холестерина яичниками, надпочечниками и плацентой. В ходе менструального цикла уровень прогестерона относительно низок перед овуляцией (т.е. выходом зрелого яйца из яичника) и затем повышается. Уровень прогестерона значительно выше во время беременности, и снижается после родов и во время лактации. У мужчин, этот "женский" гормон выделяется яичками, и, как ни парадоксально, является биохимическим предшественником определяющего мужской пол гормона тестостерон.

Прогестерон оказывает широкое биологическое воздействие на весь организм помимо хорошо известного воздействия на репродуктивную систему, отчасти оказывая влияние на другие гормоны. В целом, оптимальное функционирование нашего организма зависит от сложной взаимосвязанной гормональной среды, состав которой зависит от множества факторов, включая пол, возраст, режим питания, образ жизни и общее состояние здоровья.

Neurosteroid

Нейростероид

Расширяя имеющуюся парадигму, прогестерон также выделяется и воздействует на нервную систему, и в этом качестве именуется "нейростероидом". Благодаря локализованному синтезу уровень прогестерона нервной ткани не обязательно проявляется в виде показателей гормонов в плазме крови, выделяемыми более традиционными источниками. Нейроны и клетки нейрональной поддержки (глия) обладают уникальными прогестероновыми рецепторами на внешней поверхности мембраны. Как ключ, подходящий к замочной скважине, взаимодействие прогестерона с этими рецепторами может привести к комплексным уникальным для нервной системы биологическим откликам. Хотя мы только начинаем понимать эти реакции, по-видимому, они значительно способствуют укреплению нейронального здоровья и жизнеспособности.

Многие исследования предполагают, что лечение прогестероном, оказывает нейрозащитное действие после травмы, ограничивая потерю нейрональной ткани, и, таким образом, сохраняя функцию. Поскольку мембрано-растворимый прогестерон может проходить через гематоэнцефалический барьер, в отличие от многих препаратов, то извне вводимый прогестерон обладает способностью воздействовать на нервную систему. В результате, он получает возможность взаимодействовать с различными прогестероновыми рецепторами нейрональных клеток, приводя окружение нервной системы в режим с более сильной нейрозащитой.

Хотя мы должны быть осторожны при перенесении результатов экспериментов на людей, прогестероновая нейрозащита задокументирована в ходе множества экспериментов на животных моделях различных неврологических заболеваний, включая травму головного мозга (ТГМ), травму спинного мозга, рассеянный склероз (РС) и боковой амиотрофический склероз (БАС). Например, при моделировании РС на животных, лечение прогестероном снижает тяжесть заболевания, снижает воспаление и восстанавливает проводящую изолирующую миелиновую оболочку, окружающую нерв (см. далее). У моделей БАС этот гормон ингибирует дегенерацию моторных нейронов.

TBI

ТГМ

Возможно, основные исследования были направлены на ТГМ, отчасти из-за того, что ранние исследования позволяли предположить существование половых различий при выздоровлении после травмы. Например, у репродуктивных крыс женского пола с высокими уровнями прогестерона посттравматический отек головного мозга был менее выражен, чем у самцов крыс с низким уровнем прогестерона. У крыс с псевдобеременностью (состояние, подобное беременности), у которых уровень прогестерона особенно велик, посттравматический отек был незначителен.

В ходе нескольких клинических исследований изучался нейрозащитный потенциал  прогестерона у людей. В первом из этих исследований ученые Университета Эмори (США) оценили исходы внутривенного введения прогестерона или плацебо в течение 3 дней у 100 пациентов, получивших травму в течение последних 11 часов. Через 33 дня после травмы группа, получившая лечение прогестероном при сравнении с группой плацебо показала: 1) снижение смертности при серьезных травмах, и 2) улучшение функциональных исходов при травмах умеренной тяжести. Через шесть месяцев у пациентов, получавших прогестерон, отмечался больший функциональный прогресс и более низкая смертность.

SCI

ТСМ

Научные находки при ТГМ часто, хотя и не всегда, могут быть использованы для ТСМ. Несмотря на недостаточное количество исследований на людях, обширные исследования ТСМ на животных создают значительную базу в поддержку нейропротекторного потенциала прогестерона при ТСМ. С учетом комплексного физиологического каскада, происходящего после травмы, существует множество взаимодействующих биологических процессов, на которые может быть направлено воздействие прогестерона. Например, результаты исследований предполагают, что посттравматическое лечение прогестероном:

·         Увеличивает уровень факторов роста, способствующих выживанию нейронов и регенерации аксонов.

·         Восстанавливает выделение ферментов, участвующих в процессе транспортировки ионов натрия и калия через мембраны нейронов, необходимой для нейральной трансмиссии

·         Защищает поврежденные нейроны от клеточной гибели и распада ультаструктуры нейронов. 

·         Защищает нейроны от воздействия токсического уровня аминокислотных нейротрансмиттеров, которые выделяются близлежащими поврежденными клетками.

·         Снижает воспаление, сокращая количество клеток и молекул, участвующих в воспалительном отклике.

·         Снижает накопление жидкости (отечность).

·         Ингибирует окисление свободными радикалами, возникших в результате травмы, отнимающими электроны у соседних клеточных мембран.

Remyelination

Ремиелинизация

Помимо всего вышесказанного, есть данные, свидетельствующие о том, что прогестерон способствует посттравматической ремиелинизации аксонов. Миелин – жировой изолирующий материал, окутывающий аксоны, т.е. волокна, которые проводят электрические импульсы от тела клетки к другим нервам или мышцам. При демиелинизации аксонов каналы между окружением и внутренней частью аксона обнажаются, в свою очередь приводя к нарушению ионного равновесия, необходимого для передачи нервного импульса. Хотя демиелинизация, как правило, связывается с РС, это явление часто отмечается при ТСМ. Поврежденные нейроны могут по-прежнему проходить через место травмы, но из-за потери оболочки, не проводят нервные импульсы. Теоретически, методы, способствующие восстановлению миелиновой оболочки, способны восстановить проводимость, приводящую к восстановлению функции.

В спинном мозге миелин выделяется олигодендроцитами, клетками нейрональной поддержки, формирующимися в результате дифференциации клеток-предшественников олигодендроцитов. Поскольку олигодендроциты крайне восприимчивы к повреждениям, крайне необходимая способность к ремиелинизации утеряна. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что лечение прогестероном способствует дифференциации обычно спящих предшественников на зрелые, олигодендроциты, выделяющие миелин, что усиливает проводимость нейронов, находящихся под воздействием повреждения.

При обсуждении потенциально восстановительных методов лечения важно отметить, что лишь относительно небольшому проценту неповрежденных, функционирующих нейронов необходимо восстановить значительные функции. Другими словами, если ремиелинизация, вызванная прогестероном сможет запустить несколько нейронов, то возможно значительное восстановление функций.

Hindlimb Functional Recovery

Функциональное восстановление задних конечностей

Несмотря на это перспективное исследование, исследования на животных, направленные на восстановление функций после ТСМ немногочисленны и неоднозначны. В одном из исследований, д-р Аджит Томас и коллеги (США) оценили эффект лечения прогестероном крыс с ТСМ, вызванной контузией, часто встречающейся у людей разновидностью травмы. После травмы, крысам абдоминально вводился прогестерон в течение 5 дней. В сравнении с контрольной группой, у животных, пролеченных прогестероном,  восстановилось больше функций и сохранилось больше тканей в области травмы через 6 недель после получения травмы.

Однако исследование д-ра Доминика Фи и др. (США) не смогли повторить этот эффект. А именно, после экспериментальной контузионной травмы, крысы получали прогестерон в различных дозировках в течение периода до 14 дней. Через три недели после травмы функции задних конечностей группы, получавшей прогестерон, и группы сравнения не имели существенных отличий.