Раздел медицины:
Эндокринная хирургия

Нарушения в меланокортиновой сигнальной системе мозга при сахарном диабете 2-го типа

655 0

Роль в развитии метаболического синдрома и предиабетических состояний

Поскольку меланокортиновая сигнальная система (МСС) мозга играет ключевую роль в регуляции уровня глюкозы, чувствительности тканей к инсулину, пищевого поведения, липидного обмена, то снижение ее активности приводит к нарушению энергетического баланса, вызывает инсулиновую резистентность, гиперфагию, ожирение, метаболический синдром (МС) и сахарный диабет (СД) 2-го типа.

Для изучения роли МСС в развитии метаболических нарушений и диабетических состояний широко используют фармакологические подходы, основанные на обработке экспериментальных животных агонистами и антагонистами М4Р и М3Р, а также генетические подходы, направленные на изучение функциональных последствий мутаций в генах, кодирующих компоненты МСС, а также их нокаута.

Перспективным направлением является применение аутоиммунных подходов, которые включают инактивацию пептидов меланокортинового семейства и их рецепторов с помощью специфичных антител. Такие подходы широко применяются в настоящее время для изучения этиологии и патогенеза эндокринных, психических и нейродегенеративных заболеваний.

Первые данные о способности пептидов меланокортинового семейства влиять на пищевое поведение были получены еще 30 лет назад, когда интрацеребровентрикулярное ведение АКТГ(1-24) и а-меланоцитстимулирующего гормона (а-МСГ) крысам породы Sprague-Dawley в дозах 4 и 10 мкг/животное приводило к снижению потребления ими пищи, причем этот эффект сохранялся в течение 6-9 ч. Обработка животных АКТГ и а-МСГ подавляла стимуляцию приема пищи, вызываемую внутрибрюшинным введением агонистов к-опиоидных рецепторов.

В дальнейшем было показано, что эндогенный инверсионный М3Р/М4Р-агонист АПП, взятый в сравнительно высоких концентрациях, подавляет сигнальные каскады, активируемые агонистами М4Р и М3Р. Синтетические М4Р-антагонисты, так же как и агути-подобный пептид (АПП), селективно ингибировали меланокортиновый сигналинг, а в условиях in vivo при введении экспериментальным животным вызывали повышение аппетита, ожирение и метаболические нарушения.

Так обработка клеток с экспрессированными в них М4Р, с помощью соединений HS024 и HS028, являющихся высокоселективными антагонистами М4Р, подавляла стимулирующие аденилатциклазы (АЦ) эффекты М4Р-агонистов. В условиях in vivo соединение HS024 при интрацеребровентрикулярном введении мышам в дозе 1 нмоль на животное в 4 раза повышало количество потребляемой пищи. Длительное интрацеребровентрикулярное введение мышам соединения HS028 (цикло[AсСуs11, дихлор-D-Phe14, Cys18, Asp-NH222]-B-МСГ11-22), которое в сравнении с HS024 обладает более высоким сродством и селективностью по отношению к М4Р, приводило к значительному снижению приема пищи и массы тела.

Сходный эффект оказывало соединение SHU9119, которое блокировало стимулирующие эффекты агонистов М3Р и М4Р на активность АЦ. Однако при его применении в условиях in vivo наблюдали тяжелые побочные эффекты, что, как полагают, вызвано низкой селективностью препарата. Эти данные свидетельствуют о том, что для усиления аппетита и повышения массы тела, что может быть важно при лечении анорексии, необходимо использовать высокоселективные антагонисты М4Р, которые не должны заметно влиять на активность М3Р, причем эффективность этих препаратов непосредственно зависит от их сродства к М4Р.

Введение агонистов М4Р, а-МСГ и его синтетических аналогов, экспериментальным животным с различными метаболическими расстройствами, напротив, активирует меланокортиновый сигналинг в гипоталамусе, что приводит к снижению потребления пищи, нормализует расходование энергии, восстанавливает уровень глюкозы и инсулина в плазме крови, повышает активность ЦНС.

Изменения активности меланокортиновой сигнальной системы в гипоталамических нейронах при МС и СД 2-го типа являются одной из причин развития нейродегенеративных заболеваний, в том числе болезни Альцгеймера. Активация М4Р улучшает функции ЦНС, в основе чего лежит нейропротекторное действие М4Р-агонистов, их способность улучшать адаптивную пластичность, стимулировать регенерацию нейрональных и глиальных клеток, препятствовать их повреждению проапоптотическими и провоспалительными факторами.

Показано, что обработка песчанок с экспериментальной моделью ишемического инсульта М4Р-агонистом Nle4,D-Phe7-МСГ снижает степень постишемического повреждения тканей и повышает эффективность восстановления поведенческих функций даже в том случае, когда лечение начинали через 9 ч после индукции ишемии. В присутствии М4Р-антагонистов нейропротекторный эффект Nle4,D-Phe7-МСГ не выявлялся.

Лечение животных с помощью Nle4,D-Phe7-МСГ в течение 12 суток полностью предотвращало снижение пространственной памяти и способности к обучению, вызванное ишемическим инсультом, что объясняется сохранением активности клеток гиппокампа у ишемических песчанок в условиях активации М4Р. Основываясь на этих данных, можно предположить, что М4Р играют важную роль в реализации нейротрофического действия пептидов меланокортинового семейства, которое включает стимуляцию роста аксонов и восстановление поврежденных нейронов.

Нормализация функционирования гипоталамических нейронов приводит к восстановлению интегративной сети гипоталамуса и ее влияния на пищевое поведение и периферический метаболизм. Необходимо отметить, что селективные М3Р-агонисты в этом отношении мало эффективны.

Генетические модели

Наибольшие успехи в установлении роли М4Р и М3Р в контроле пищевого поведения и периферического метаболизма и в этиологии и патогенезе метаболических расстройств были достигнуты при использовании генетических моделей с нокаутированными или дефектными генами, кодирующими эти рецепторы.

В 1997 году были исследованы нокаутные мыши, лишенные гена Mc4r, у которых отмечали повышенную массу тела, ускоренный продольный рост, гиперфагию, гиперинсулинемию, гипергликемию, гиперлептинемию, что указывает на развитие у них предиабетического состояния. У Mc4r(-/-)-мышей еще до манифестации гиперфагии и ожирения отмечали повышение уровня инсулина и снижение чувствительности к нему тканей. Возникающие у нокаутных мышей ожирение и метаболические расстройства были сходны с теми, которые отмечали у мышей с агути-синдромом, характерной особенностью которого является повышенная экспрессия АПП, подавляющего функции М4Р.

У Mc4r(—/—)-мышей подавлялось ингибирующее влияние лептина на аппетит, что указывает в пользу участия М4Р в регуляторных эффектах лептина на пищевое поведение, осуществляемых через посредство меланокортиновых нейронов гипоталамуса. Отсутствие функционально активного М4Р вызывало не только повышение потребления пищи, но и снижение скорости метаболических процессов. Mc4r(—/—)-мыши потребляли меньше кислорода, чем животные с функционально активным М4Р, причем снижение скорости метаболизма у нокаутных мышей фиксировали еще до повышения у них массы тела.

Для Mc4r(—/—)-мышей характерно значительное снижение двигательной активности, в том числе в ночное время. В сытом состоянии у них повышается дыхательный коэффициент, свидетельствующий об усиленной утилизации углеводов на фоне снижении окисления жиров, что в конечном итоге приводит к накоплению массы жировой ткани.

Установлено, что М4Р играют важную роль в адаптации к высокожировой диете. Так у нормальных мышей повышение доли жира в пищевом рационе приводит к ограничению потребления пищи и повышению двигательной активности, что позволяет сохранить нормальную калорийность дневного рациона. У Mc4r(—/—)-мышей повышение содержания жира в пище не приводит к снижению ее потребления и увеличению двигательной активности. Наряду с этим, у нокаутных мышей нарушается зависимый от диеты термогенез, что связывают с ослаблением липолитических процессов в буром жире. Все эти изменения в ответе на жировую диету приводят к повышению массы тела и жировой ткани у Mc4r(—/—)-мышей.

У многих пациентов с СД 2-го типа и МС выявлены изменения функциональной активности М4Р-зависимых сигнальных систем и мутации в генах, кодирующих ПОМК и М4Р. У пациентов с мутациями в гене Mc4r отмечается сильно выраженное ожирение, увеличение мышечной массы и ускорение линейного роста, гиперфагия, гиперинсулинемия, причем у гомозигот эти явления более выражены в сравнении с гетерозиготами. Инактивирующие мутации в гене, кодирующем проопиомеланокортине (ПОМК), а также нарушение процессинга ПОМК приводит к раннему началу ожирения, гиперфагии, и ассоциировано с рыжей окраской волос, нарушениями функций гипоталамо-гипофизарно-адреналовой системы.

Изменение пигментации волос вызвано снижением гормональной активации М1Р, нарушение адреналовой функции - дефицитом АКТГ, в то время как ожирение и нарушение энергетического обмена связаны с ослаблением активации М4Р и М3Р пептидами меланокортинового семейства. Показано, что мутации в гене, кодирующем ПОМК, которые приводят к образованию дефектных форм а-меланоцитстимулирующего гормона и B-МСГ, не способных нормально связываться с М4Р, а также дефектных форм B-МСГ, которые не способны отщепляться от молекулы B-эндорфина, приводят к нарушению М4Р-сигнализации и развитию предиабетических состояний.

Мутации в гене Mc4r

Начиная с 1998 года, когда у людей впервые были выявлены мутации в гене Mc4r, идентифицировано уже более 150 вариантов этого гена. Мутации в Mc4r-гене обнаружены у 5.8 % пациентов с ранними сроками развития ожирения. Более того, генетические обследования почти 17 тысяч пациентов с ожирением и метаболическим синдромом продемонстрировали высокую встречаемость у них мутаций в гене Mc4r и в соседних с ним локусах, определяющих его экспрессию. Изменения в гене Mc4r по степени ассоциации с повышенным индексом массы тела уступают только изменениям, наблюдаемым в первом интроне гена FTO (Fat mass and Obesity related).

Однако необходимо отметить, что как у нокаутных мышей, так и у пациентов с инактивирующими мутациями в гене Mc4r, несмотря на сильно выраженное ожирение и гиперинсулинемию, тяжелые формы сахарного диабета 2-го типа обычно не развиваются. Причиной этого является недостаточность выключения только одного М4Р для развития тяжелых форм СД 2-го типа. Кроме того, в отсутствие функционально активного М4Р блокируется не только эффект М4Р-агонистов, но и АПП, эндогенного М4Р-антагониста, который индуцирует гиперфагию и усиливает ожирение.

Мыши, нокаутные по гену Mc3r, характеризуются умеренным ожирением, снижением мышечной массы, ослаблением линейного роста, гиперлептинемией и гиперинсулинемией, но при этом у них нет признаков гипергликемии. Влияние выключения М3Р на пищевое поведение не столь однозначно, как в случае М4Р, и в значительной степени определяется характером диеты, возрастом и полом животных. У Mc3r(—/-)-мышей при потреблении ими пищи с высоким содержанием жира в дневное время суток отмечается умеренная гиперфагия. В ночное время нокаутные мыши, находящиеся на диете с низким содержанием жира, потребляют значительно меньше пищи в сравнении с нормальными животными.

Показано, что аноректический эффект меланотана-II, неселективного агониста М4Р и М3Р, при его интрацеребральном введении мышам, у которых отсутствует либо ген Mc4r, либо ген Mc3r, хотя и значительно ослаблен, но не исчезает полностью, как это происходит у мышей, нокаутных сразу по обоим генам. Это указывает на то, что при выключении одного из рецепторов -М4Р или М3Р, другой может, по крайней мере, частично, компенсировать его функции, что и определяет способность меланотана-II ослаблять гиперфагию у Mc4r(—/—)- и Mc3r(—/—)-мышей.

У Mc3r(—/—)-мышей на фоне сравнительно небольшого повышения массы тела отмечали значительное повышение массы жировой ткани, в том числе вследствие жирового перерождения скелетных мышц и печени, что вызвано общим дисбалансом энергетического обмена. В первую очередь, повышение массы жировой ткани при дефиците М3Р вызвано снижением интенсивности липолитических процессов.


Так ослабление липолиза белой жировой ткани обнаружено у Mc3r(—/—)-мышей даже в условиях голодания, что во многом связано с ослаблением регуляции гипоталамо-гипофизарно-адреналовой оси в условиях ограничения потребления животными пищи. Еще одним фактором, ведущим к повышению накопления жира у Mc3r(—/—)-мышей, является снижение двигательной активности, которое наблюдали как в ночное, так и в дневное время суток.

Большое значение для выяснения роли М4Р и М3Р в этиологии и патогенезе МС и СД 2-го типа имеют исследования с использованием аутоиммунных моделей, которые вызывают иммунизацией экспериментальных животных пептидами, структурно соответствующими внеклеточным петлям М3Р и М4Р. Антитела, вырабатываемые против этих пептидов, меняют активность М3Р и М4Р и нарушают, таким образом, функции МСС мозга. В 2008 году Хофбауэром и соавторами было показано, что иммунизация крыс пептидом, соответствующим всему внеклеточному N-концевому участку М4Р, приводит к повышению аппетита и массы тела, небольшому повышению уровня инсулина и триглицеридов.

В экспериментах in vitro выделенные из крови иммунизированных животных антитела проявляли активность частичных агонистов и снижали стимулирующие эффекты М4Р-агонистов на активность АЦ в культуре нервных клеток. В этом отношении они были сходными с агути-подобным пептидом и синтетическими М4Р-антагонистами. Обработка крыс пептидом, производным третьей внеклеточной петли М3Р, вызывала повышение массы тела, артериального давления, снижала двигательную активность, повышала уровни инсулина, глюкозы и лептина, что характерно для МС и сахарного диабета 2-го типа.

В экспериментах in vitro антитела к пептиду, соответствующему третьей петле М3Р, действовали как неконкурентные антагонисты и снижали стимулирующий аденилатциклазы эффект а-МСГ. В то же время, иммунизация крыс пептидом, соответствующим первой внеклеточной петле М3Р, не приводила к изменению биохимических и физиологических параметров, а антитела к пептиду усиливали АЦ эффект а-МСГ.

Это указывает на то, что локализация участков во внеклеточных петлях МР, с которыми специфично взаимодействуют антитела, определяет их способность ингибировать, стимулировать или модулировать активность М3Р и М4Р, что позволяет на основе таких антител разработать широкий спектр регуляторов этих рецепторов.

Нами для создания аутоиммунной модели М4Р-дефицита был использован пептид K-[TSLHLWNRSSHGLHG11-25]-A (K-[11-25]-A), включающий проксимальную к мембране часть внеклеточного N-концевого  домена М4Р,  ответственного за специфическое связывание с АПП. Для повышения иммуногенности пептид через посредство аминогруппы N-концевого остатка лизина ковалентно пришивали к БСА. Крыс многократно (8 обработок в течение года) иммунизировали БСА-конъюгированным пептидом K-[11-25]-A, что приводило к выработке антител, нейтрализующих М4Р, и ингибирующих М4Р-сигнальные каскады.

Уже через 9 месяцев после первой иммунизации у животных повышалась масса тела, нарушалась толерантность к глюкозе, развивалась инсулиновая резистентность. В дальнейшем эти изменения усиливались. Через 13 месяцев после начала эксперимента у иммунизированных крыс были все признаки выраженной дислипидемии - повышался уровень триглицеридов, общего холестерина, холестерина-ЛПНП, возрастало соотношение холестерин-ЛПНП/холестерин-ЛПВП и индекс атерогенности.

В мозге в значительной степени снижалась функциональная активность М4Р, о чем свидетельствует ослабление стимулирующего эффекта а-меланоцитстимулирующего гормона и селективного М4Р-агониста THIQ на активность АЦ в синаптосомальных мембранах, выделенных из мозга иммунизированных животных. При этом стимулирующий эффект селективного М3Р-агониста у-МСГ, напротив, повышался, что, вероятно, связано с запуском компенсаторных механизмов, поддерживающих функциональную активность МСС в условиях ослабления М4Р-сигнальных каскадов.

Для создания аутоиммунной модели М3Р-дефицита нами был использован БСА-конъюгат пептида A-[PTNPYCICTTAH269-280]-A (A-[269-280]-A), соответствующего третьей внеклеточной петле М3Р крысы. Как и в случае БСА-конъюгированного пептида K-[11-25]-A, иммунизацию проводили многократно на протяжении года, постоянно оценивая титр антител к пептиду A-[269-280]-A. Через 13 месяцев после первой иммунизации отмечали достоверное снижение массы тела иммунизированных животных, но при этом масса абдоминального и бурого жира в сравнении с контролем у них возрастала, что свидетельствует о постепенном замещении мышц жировой тканью в условиях ингибирования М3Р-сигнальных каскадов.

У иммунизированных БСА-конъюгированным пептидом A-[269-280]-A крыс были выявлены нарушения липидного обмена, что выражалось в повышении уровня триглицеридов на 74 % и соотношения холестерин-ЛПНП/холестерин-ЛПВП на 36 % в сравнении со здоровыми животными. В значительной степени менялась форма кривой зависимости концентрации глюкозы от времени в условиях глюкозной нагрузки, в частности отчетливо снижался основной пик концентрации глюкозы, что свидетельствует о повышении скорости ее утилизации.

Причиной этого является значительное повышение секреции инсулина поджелудочной железой, уровень которого через 30 и 60 мин после глюкозной нагрузки был на 80 и 117 % выше, чем у контрольных крыс. В мозге иммунизированных животных ослаблялись М3Р-зависимые сигнальные каскады, о чем свидетельствует снижение стимулирующего аденилатциклаза эффекта М3Р-агониста у-МСГ. При этом заметных изменений стимулирующих эффектов М4Р-агонистов на активность АЦ обнаружено не было, что указывает на сохранение функциональной активности М4Р в условиях подавления М3Р-сигнализации.

Таким образом, полученные нами и другими авторами данные указывают на то, что антитела, выработанные на пептиды, производные внеклеточного N-концевого участка М4Р и третьей внеклеточной петли М3Р, подавляют активность меланокортиновой сигнальной системы мозга, а их действие характеризуется рецепторной специфичностью.

Пептиды и выработанные на них антитела могут использоваться, как функциональные зонды для изучения роли МСС мозга в развитии метаболического синдрома, СД 2-го типа и других заболеваний, при которых выявляются нарушения в меланокортиновых сигнальных каскадах. Наряду с этим индукция антител против МР может быть одним из подходов для длительной эндогенной регуляции пищевого поведения и метаболических процессов.

Наряду с выключением рецепторного компонента МСС гипоталамуса, ее активность может быть подавлена антителами к пептидам меланокортинового семейства, в первую очередь к а-МСГ. На это указывают как клинические данные, полученные при обследовании пациентов с дисфункциями пищевого поведения и метаболическими расстройствами, так и результаты экспериментов на животных. Первые сведения о присутствии у пациентов с нарушениями пищевого поведения аутоантител к а-МСГ были опубликованы Фетисовым и соавторами еще в 2002 году.

Эти антитела специфично связывались с а-меланоцитстимулирующим гормоном в аркуатных ядрах гипоталамуса, что приводило к нейтрализации гормона и, как следствие, должно было вызывать булимию. Однако, как это не парадоксально, антитела к а-МСГ были выявлены не только у пациентов с булимией, но и у больных с аноректическим синдромом и, в небольших количествах, у здоровых людей. В дальнейшем в опытах на экспериментальных животных было показано, что в зависимости от антигенных детерминант в молекуле а-МСГ, на которые вырабатываются антитела, они могут различным образом влиять на М4Р-сигнальные пути, как ослабляя, так и стимулируя их.

Довольно неожиданный стимулирующий эффект был объяснен в экспериментах in vitro, в которых изучали влияние а-меланоцитстимулирующего гормона, находящегося в комплексе с антителами, на активность меланокортиновой сигнальной системы в культурах нейрональных клеток.  Было показано, что в присутствии поликлональных антител к а-МСГ стимулирующее влияние а-МСГ на активность АЦ в нейронах аркуатных ядер гипоталамуса усиливается, следствием чего является значительное снижение эффективной концентрации гормона.

Еще более сложную картину наблюдали в экспериментах in vivo при интрацеребровентрикулярном введении крысам кроличьих поликлональных антител к а-меланоцитстимулирующему гормону. В течение первых двух дней после инъекции как одних антител, так и их комбинации с а-МСГ отмечали значительное усиление аппетита у животных. Однако в течение последующих 4 дней, когда прием пищи был ограничен 1 ч, повышение потребления пищи отмечали только у крыс, получавших одни антитела, в то время как в группе, получавшей комбинацию антител и а-МСГ, различий с контролем не было.

Более того, у крыс, получавших иммунокомплекс антител с а-меланоцитстимулирующим гормоном, через 24 ч после возобновления полноценного кормления отмечали снижение приема пищи, что указывает на выраженный анорексигенный эффект а-МСГ, связанного с антителами. В этой же группе в гипоталамических нейронах отмечали повышение экспрессии проопиомеланокортина и а-МСГ. Эти данные подтверждают результаты экспериментов in vitro и демонстрируют, что иммунокомплекс Rb IgG-а-МСГ не всегда характеризуется свойствами блокатора активности а-меланоцитстимулирующего гормона, но также может усиливать его стимулирующее влияние на М4Р, потенцируя тем самым анорексигенный эффект этого гормона.

Предполагается, что в норме антитела к пептидам меланокортинового семейства могут выполнять какие-то самостоятельные сигнальные функции, формируя дополнительную систему регуляции энергетического гомеостаза. Так установлено, что в условиях длительного мягкого стресса у крыс повышается уровень иммуноглобулинов, которые специфично связываются с а-МСГ, и этот эффект носит адаптивный характер, усиливая мотивацию к приему пищи вследствие ослабления стимулирующего влияния а-МСГ на МСС гипоталамуса.

Повышение уровня аутоантител к а-меланоцитстимулирующему гормону предотвращает развитие депрессивных состояний и модулирует экспрессию ряда генов, вовлеченных в контроль тревожности и эмоциональных реакций, что играет важную роль в контроле психического статуса организма.

Одним из интригующих вопросов является происхождение антител, которые способны иммунопреципитировать с а-МСГ, как у условно здоровых людей, так и у пациентов с МС и СД 2-го типа. В 2012 году было установлено, что одной из причин повышения их уровня в организме являются воспалительные процессы в желудочно-кишечном тракте, которые вызываются некоторыми видами бактерий. Оказалось, что C-концевой фрагмент молекулы а-МСГ, RWGKPV, имеет высокую гомологию с несколькими бактериальными и вирусными белками, в том числе с участком 542-548 (RWTGIPV) белка ClpB бактерии Escherichia coli.

Следует отметить, что сходный по первичной структуре участок обнаружен в ClpB-белках ряда других бактерий (Salmonella enterica, Shigella dysenteriae, Yersinia enterocolitica). Антитела к нему специфично связываются с а-меланоцитстимулирующим гормоном и влияют, таким образом, на пищевое поведение, эмоциональное состояние и метаболические параметры. Таким образом, бактериальные антигены, гомологичные а-МСГ, играют важную роль в контроле метаболического статуса у человека и позвоночных животных, что может быть использовано для разработки новых стратегий для лечения и профилактики МС и сахарного диабета 2-го типа.

Необходимо отметить, что белок ClpB защищает различные виды бактерий от окислительного и термального стресса, в то время как а-МСГ у человека и позвоночных животных функционально связан со стрессовыми состояниями и обладает жаропонижающим эффектом. Эти данные могут указывать на возможность координации ответа на стресс между микроорганизмами и их хозяином.

А.О. Шпаков, К.В. Деркач
Похожие статьи
показать еще
 
Категории