Contact:jerry.he@wecistanche.com

Cistanche poate ajuta la neuroprotecție

Sara Marmolejo-Martinez-Artesero 1 , Caty Casas 1,† și David Romeo-Guitart1,2,*

1 Departament de biologie celulară, fiziologie și imunologie, Institut de Neurosciences (INc),

Universitat Autonoma de Barcelona (UAB), Bellaterra, 08193 Barcelona, ​​Spania; Sara.Marmolejo@uab.cat

2 Laboratorul „Regularea hormonală a dezvoltării și funcțiilor creierului”—Echipa 8, Institut Necker Enfants-Malades (INEM), INSERM U1151, Université Paris Descartes, Sorbona Paris Cité,

75015 Paris, Franța

* Corespondenta: david.romeo-guitart@inserm.fr; Tel.: plus 33-01-40-61-53-57 † A murit pe 29 iunie 2020.

Abstract: Celulele postmitotice, ca și neuronii, trebuie să trăiască toată viața. Din acest motiv, organismele/celulele au evoluat cu mecanisme de auto-reparare care le permit să aibă o viață lungă. Fluxul de lucru al descoperirii neuroprotectorilor în ultimii ani s-a concentrat pe blocarea mecanismelor fiziopatologice care duc la pierderea neuronală în neurodegenerare. Din păcate, doar câteva strategii din aceste studii au reușit să încetinească sau să prevină neurodegenerarea. Există dovezi convingătoare care demonstrează că susținerea mecanismelor de auto-vindecare pe care organismele/celulele le au în mod endogen, denumite în mod obișnuit reziliență celulară, poate înarma neuronii și promova auto-vindecarea acestora. Deși îmbunătățirea acestor mecanisme nu a primit încă o atenție suficientă, aceste căi deschid noi căi terapeutice pentru a preveni moartea neuronală și pentru a ameliora neurodegenerarea. Aici, evidențiem principalele mecanisme endogene de protecție și descriem rolul lor în promovarea supraviețuirii neuronilor în timpul neurodegenerării.

Cuvinte cheie: autofagie; rezistenta celulara; mecanisme endogene; neuroprotecție; supraviețuirea neuronală; răspunsul proteic desfăşurat

1. Procese neurodegenerative

Odată cu creșterea speranței de viață în țările dezvoltate, frecvența bolilor neurodegenerative, cum ar fi boala Alzheimer (AD), boala Parkinson (PD) sau boala Huntington (HD), sau scăderea performanței sistemului nostru nervos asociată cu vârsta, este probabil să crească. Deși există mai multe linii de dovezi care indică faptul că aceste patologii au componente neuronale, astrogliale și microgliale, declinul funcțiilor zilnice este cauzat de pierderea neuronală progresivă. Datorită turnover-ului lor scăzut, neuronii sunt celule postmitotice care trebuie să trăiască toată viața. Din acest motiv, au nevoie de o mașinărie de protecție intrinsecă puternică pentru a face față insultelor externe și interne, care le vor cauza dispariția. Aceste pericole externe/interne sunt leziuni traumatice sau compuși excitotoxici, specii reactive de oxigen (ROS), agregate de proteine ​​și alte molecule toxice. Din fericire, celulele au mașini intrinseci care blochează moartea prin activarea mecanismelor de rezistență sau promovarea căilor de regenerare. În timp ce neuronii tineri au funcționarea corectă a acestor mecanisme de protecție de auto-vindecare, îmbătrânirea îi deranjează, lăsând neuronii neprotejați. În aceeași direcție, a fost descrisă și disfuncționalitatea acestor mecanisme de autovindecare în bolile neurodegenerative.

În ultimele decenii, s-au investit eforturi enorme în obținerea de terapii neuroprotectoare noi și eficiente. Cu toate acestea, ele sunt destinate să vizeze mecanismele fiziopatologice, care în cele din urmă se transformă într-o accelerare a morții neuronale. Prin urmare, de ce să nu impulsionăm mecanismele pe care neuronii le au în mod natural pentru a obține o abordare neuroprotectivă eficientă?

Această rețea de protecție este condusă de diafonia diferitelor procese celulare (adică răspunsul proteic desfășurat (UPR), autofagie etc.), dar ele converg în același proces: permițând celulei să se adapteze la stres și să supraviețuiască [1–3] . Recent, am luat în considerare un nou argument pentru a descoperi neuroprotectanți: descifrați ce mecanisme moleculare se angajează neuronii după două leziuni nervoase diferite cu fenotipuri opuse, supraviețuirea sau moartea, care au similarități cu sănătatea și neurodegenerarea/îmbătrânirea. Pentru a face acest lucru, am folosit două modele de leziuni ale nervilor periferici bazate pe in vivo care imită funcționalitatea sau disfuncționalitatea mecanismelor endogene de protecție. Ele provoacă fie moartea motoneuronilor (MN) (avulsia radiculară (RA)), fie supraviețuirea (axotomia distală (DA)), în funcție de distanțele soma-leziune [2]. Cu ajutorul acestor modele și folosind o abordare bazată pe biologia sistemelor, am confirmat că moartea MN după RA are asemănări cu pierderea neuronală observată în bolile neurodegenerative și am descris, de asemenea, ce mecanisme sunt folosite de MN pentru a supraviețui după leziuni nervoase. [2]. Procesele degenerative sunt apoptoza, necroza, anoikisul, stresul reticulului endoplasmatic (RE), stresul nucleolar, rearanjamentele citoscheletice și disfuncția mitocondrială, în timp ce factorii de supraviețuire sunt: ​​o UPR corectă, răspunsul la șoc termic, calea autofagică, ubiquitin-ul. sistemul proteazomic, sistemele însoțitoare, mașina de degradare asociată cu ER și apărarea antioxidantă (Tabelul 1). Interesant este că toate aceste mecanisme au fost descrise separat cu ani în urmă și denumite leziuni de precondiționare (vezi mai jos).

Tabelul 1. Rezumatul proteinelor implicate pentru fiecare mecanism endogen alneuroprotecție, inclusiv mecanismul molecular prin care sunt mediate efectele lor.

Am demonstrat că stimularea acestor mecanisme endogene de neuroprotecție prin tratament farmacologic permite MN să supraviețuiască în diferite scenarii pro-moarte, variind de la diferite specii la diferite stadii de dezvoltare [23,54,55].

2. Primele dovezi ale mecanismelor endogene: precondiționarea

Efectele fenotipice ale mecanismelor endogene de protecție au fost descrise în urmă cu 40 de ani. În 1986. Murry et al. a descris că stresul fiziologic subletal, cunoscut și sub numele de leziune de precondiționare, îmbunătățește recuperarea țesuturilor în inimă [56]. De aici, aceste mecanisme de vindecare au fost observate și în creier și măduva spinării (SC) [57]. De exemplu, aceste răspunsuri celulare sunt observate după leziuni nervoase sau în timpul regenerării inimii, unde producția de ROS sau, respectiv, vezicule extracelulare, conduce la recuperarea funcțională [58-60]. În mod surprinzător, precondiționarea unui organ specific exercită protecție altora împotriva rănilor [61]. Mai mulți efectori specifici sunt responsabili pentru aceste efecte. După leziunea precondiționată, producția de diferiți mediatori (oxid nitric sau ROS) va activa căile de semnalizare fosfatidilinozitol 3-kinaza (PI3K)/Protein kinaza B (AKT), Protein kinaza C (PKC) și alte căi de semnalizare care va modula factori de transcripție, cum ar fi factorul inductibil de hipoxie 1-alfa (Hif{1-) sau NF-kB. Acestea vor avea ca rezultat producerea de sintetaze de oxid nitric (iNOS), proteine ​​de șoc termic (HSP) și ciclooxigenază-2 (COX{-2), care sunt descrise ca „efectori finali” și vor promova efectul protector în interiorul țesutului împotriva viitoarelor insulte [61]. Împreună, aceste studii sugerează că organismele/celulele au mecanisme endogene de protecție, iar stimularea acestora poate fi o strategie terapeutică eficientă.

3. Mecanisme endogene de neuroprotecție

3.1. Autofagie de reglare fină

Neuronii necesită reciclarea continuă a materialelor intracelulare pentru a menține homeostazia. Macro-autofagia, denumită în continuare autofagie, este o rețea moleculară foarte coordonată în celulele eucariote care urmărește reciclarea conținutului citoplasmatic prin degradarea lizozomală. Deși acest mecanism de degradare a fost observat inițial doar în timpul înfometării, studii recente au arătat că celulele au un nivel bazal de autofagie pentru a regla homeostazia proteinelor. Aceste niveluri bazale sunt esențiale pentru menținerea axonală și supraviețuirea neuronilor în condiții normale [62,63]. Un flux autofagic funcțional este un proces foarte coordonat de diferite gene legate de autofagie (ATG), kinaze și alte proteine ​​reglatoare. Toate lucrează împreună pentru a orchestra inițierea corectă, nuclearea, alungirea, închiderea și fuziunea autofagozomilor cu lizozomi pentru a degrada încărcătura citosolică [64]. Un flux redus de autofagie se observă în hipocamp în timpul îmbătrânirii, în timp ce restabilirea nivelurilor sale facilitează formarea de noi amintiri [65]. Autofagia afectată sau disfuncțională în neuroni este asociată cu neurodegenerarea, în timp ce activarea autofagiei produceneuroprotecție[5,54]. S-au observat modificări ale proteinelor legate de fazele inițiale și de alungire în scleroza laterală amiotrofică (ALS) [66,67], iar inductorii autofagiei, cum ar fi rapamicina, exercităneuroprotecțiedupă ischemie cerebrală, leziuni cerebrale traumatice (TBI) și AD [68–70]. Knockout-ul specific neuronului (KO) al ATG5 sau ATG7 provoacă neurodegenerarea, acumularea de corpuri de incluziune citoplasmatică și moartea neuronilor [62,71], în timp ce supraexprimarea lor este benefică într-un model de PD [4]. În cele din urmă, p62, care gestionează sarcina în autofagozom și joacă un rol cheie în etapele târzii ale formării autofagozomului, este neuroprotector în modelele de muște caracterizate prin agregate proteice, care este un semn distinctiv al bolilor neurodegenerative [6].

Mai multe studii au arătat acumularea de autofagozomi și autolizozomi în timpul neurodegenerării, sugerând că autofagia este supraactivată și poate declanșa moartea neuronală. Acumularea aberantă a proceselor autofagice în citoplasmă poate fi cauzată de disfuncția lizozomală, mai degrabă decât de autofagia supraactivată [72]. Autofagia este inițiată corect după TBI, dar autofagozomii nu sunt eliminați din cauza disfuncției lizozomale, ceea ce duce la autofagie nerezolvată care promovează moartea neuronală [73]. Aceste căi lizozomale nefuncționale sunt observate și după o leziune a măduvei spinării (SCI), care împiedică recuperarea funcțională [74]. Un blocaj similar în clearance-ul autofagozomilor este descris și în bolile neurodegenerative (adică, creierul uman al AD) [75]. Integrarea tuturor acestor dovezi sugerează că îmbunătățirea rezoluției autofagiei poate oferi protecție. Platt a evidențiat recent calea terapeutică de îmbunătățire a funcției proteinelor lizozomale pentru a preveni neurodegenerarea [76]. Supraexprimarea factorului de transcripție EB (TFEB), care modulează o rețea transcripțională esențială pentru biogeneza și funcția lizozomului, a promovat efecte neuroprotectoare într-un model de șobolan de PD [7] și un model de șoareci AD [8].

Inducerea autofagiei nu este atât de bună pe cât ne-am dori. Deși este un mecanism de protecție canonic, mecanismul sau supraactivarea acestuia poate facilita moartea celulară [77,78]. Inhibarea autofagiei după expunerea la prioni umani reduce leziunile neuronale, indicând faptul că inducerea autofagiei conduce, de asemenea, la moarte [79], iar inițierea redusă a autofagiei promovează recuperarea funcțională după hemisecția SC, previne apoptoza și reduce moartea piramidală după ischemia neonatală. și șoareci adulți [80–82]. Dacă ne concentrăm pe neuronii axotomizați, blocarea autofagiei este neuroprotectoare pentru cei rubrospinali [80], în timp ce o creștere a nivelului de ATG5 protejează MN-urile spinale [5]. Adăugând controverse, celulele canceroase tratate cu chimioterapie activează autofagia pentru a depăși moartea apoptotică indusă de tratament, în timp ce autofagia dependentă de MN inhibă apoptoza [54]. În plus, ATG-urile declanșează și moartea neuronală. ATG5 își pierde capacitățile pro-autofagice atunci când este scindat, mișcându-și activitatea spre inducerea morții celulare [83–85]. Beclin1 are efecte anti-apoptotice în condiții normale, dar clivajul său la capătul C-terminal sensibilizează celulele la semnalele apoptotice [9]. Prin urmare, există o diafonie între ambele procese celulare, iar celulele le pot redirecționa pentru a le crește șansele de supraviețuire pentru a face față insultei [83].

Deci, pentru ce este importantneuroprotecție? Amplificarea sau blocarea autofagiei? Reglarea fină este răspunsul [86]. Inducerea unei autofagie reglate fin produce efecte benefice prin: (i) îndepărtarea proteinelor/organele nefuncționale, (ii) permițând celulei să se readapteze la noua situație și (iii) degradarea efectelor dăunătoare, cum ar fi inflamația sau inductorii apoptotici. 87,88], care mediază decesul neuronal. Cu toate acestea, această autofagie trebuie activată într-o fereastră de timp foarte specifică, evitând degradarea excesivă care provoacă moartea celulelor.

În sfârșit, autofagia are, de asemenea, funcții non-canonice/degradative, cum ar fi modularea răspunsului inflamator, formarea de noi amintiri [65], menținerea homeostaziei sinaptice [89] și transportul încărcăturii în interiorul celulei. 90]. Deci, blocarea completă a acestuia va duce la leziuni ireversibile ale sistemului nervos și/sau neuronilor.

Cistanche poate ajuta la neuroprotecție

3.2. Abordarea părții sexy a răspunsului proteic desfășurat

Neuronii sunt extrem de sensibili la proteinele și agregatele pliate greșit. ER este responsabil pentru proteostaza celulară, care este sinteza, plierea și sortarea proteinelor. Orice modificare a aptitudinii sale va duce la acumularea de proteine ​​pliate greșit, inducând stresul ER și activând răspunsul de supraîncărcare ER (ERO), căile de degradare asociată ER (ERAD) sau UPR, care este un răspuns celular foarte conservat. Modificări în distribuția și morfologia ER și UPR au fost observate în bolile neurodegenerative [91–93] și când neuronul este izolat după o leziune nervoasă [16,94]. Proteina imunoglobulinei de legare (BIP), cunoscută și sub numele de GRP78, este o însoțitoare rezidentă în ER, care este senzorul principal al UPR. În starea inactivă, BIP rămâne legat de cele trei ma-

Efectori jor UPR: ARN-activat protein kinaze-like ER kinaza (PERK) care induce proteina omoloagă C/EBP (CHOP), proteina care necesită inozitol -1 alfa (IRE1), care unește proteina de legare a casetei X 1 (Xbp1) ARNm și factorul de transcripție activator-6 alfa (ATF6) [95,96]. Atunci când BIP detectează proteine ​​pliate greșit, acești traductori sunt activați și provoacă modificări în expresia genică a proteinelor specifice (de exemplu, chaperone, factori de transcripție) cu scopul de a crește capacitatea celulei de a plia corect proteinele prin modularea expresiei genelor, sporind clearance-ul de pliat greșit. clearance-ul proteinelor sau inhibarea sintezei proteinelor, permițând celulei să se adapteze la stres și să supraviețuiască [97]. Ca o dovadă a conceptului, supraexprimarea BIP în neuronii dopaminergici crește supraviețuirea acestora, în timp ce reglarea sa inferioară induce moartea neuronilor dopaminergici nigrali [10]. În plus, șoarecii BIP plus / − prezintă o propagare accelerată a patogenezei prionilor [98]. În general, modularea UPR poate exercita efecte protectoare asupra neurodegenerării [94], așa cum a fost revizuit recent de grupul nostru [99]. Activarea UPR este un eveniment precoce în bolile neurodegenerative, iar modularea sa precisă are efecte benefice asupra progresiei patologiei [100,101]. Deși UPR poate acționa ca un mecanism endogen de protecție celulară, (supra)activarea sa promovează apoptoza [102] (adică, axa PERK are capacități pro- sau anti-apoptotice [91]). În plus, dovezile recente sugerează că diferite perturbări ale ER vor activa diferențial cele 3 ramuri ale UPR, indicând faptul că co-activarea coordonată a acestora nu este întotdeauna prezentă.

Prin urmare, celula are un program specific pentru a răspunde la o insultă specifică. De exemplu, blocarea CHOP sau supraexprimarea Xbp1 mărește supraviețuirea neuronilor după leziuni nervoase, indicând faptul că fiecare ramură are roluri diferite în moartea neuronilor [16].

Activarea precoce a PERK după o leziune cerebralăneuroprotecție, în timp ce semnalizarea susținută prin această cale exacerbează pierderea celulară [11]. Supraexprimarea sau activarea farmacologică a PERK reduce patologia Tau [12], în timp ce evitarea activării sale susținute diminuează moartea neuronală [13] și îmbunătățește declinul memoriei legat de vârstă [14]. Inhibarea PERK în astrocite întârzie pierderea neuronală într-un model in vivo de boală prionică. Interesant este că activarea PERK în astrocite perturbă secretomul, modificându-i funcția sinaptogenă și provocând pierderea sinaptică [15]. Aceiași autori au descris că principalul

Mecanismele din aval implicate în acest efect dăunător al PERK sunt căile de adeziune matrice-celulă extracelulară, care leagă UPR cu anoikis (vezi mai jos, secțiunea 3.4). Nivelurile de activare a factorului de transcripție 5 (ATF5) sunt direct dependente de activarea PERK/factorului de inițiere a translației eucariote 2a (eIF2a). ATF5 a fost direct legat de acei neuroni care sunt mai rezistenți la moarte în epilepsia umană [26]. Cu toate acestea, consecințele ulterioare ale acestor efecte nu sunt la fel de clare. ATF5 induce expresia a doi efectori anti-apoptotici (vezi mai jos), limfomul 2 cu celule B (Bcl-2) și proteina de diferențiere a celulelor leucemiei mieloide induse (Mcl{-1) [103], care va inhiba apoptoza. ATF5 modulează, de asemenea, ținta mecanicistă a rapamicinei (mTOR) în țesuturile non-neuronale, care este modulatorul principal al autofagiei, interrelaționând UPR și autofagia.

Activarea IRE1 ameliorează insuficiența hepatică [17], iar efectorul său din aval Xpb1 promovează protecția cardiacă [18],neuroprotecțieîn AD, în PD și după AVC [19–21]. În mod surprinzător, un studiu în retinopatia diabetică și indusă de ischemie a arătat că efectele protectoare ale UPR sunt mediate de Xbp1 [22]. Cu toate acestea, activarea cronică a ramului IRE1 va duce la fosforilarea factorului de necroză tumorală-a (TNF-) factor 2 asociat receptorului (TRAF2), declanșând moartea celulelor apoptotice în moduri diferite [104-106]. Supraexprimarea ectopică a Ire1 va duce la o moarte neuronală dependentă de autofagie într-un model PD Drosophila [107]. Prin urmare, o modulație ajustată a IRE1 -Xbp1 în timpul unei ferestre specifice poate exercita protecție [108].

Am descris recent că tratamentul farmacologic NeuroHeal sau supraexpresia sirtuin1 (SIRT1) induce supraviețuirea MN după leziuni nervoase și crește prezența ATF6 scindată în timp ce reduce fosforilarea IRE1 [23]. Activarea farmacologică a ATF6 induce protecție în diferite modele de ischemie prin activarea proteostazei [24], iar blocarea acestui factor de transcripție are efecte dăunătoare. În detaliu, ATF6 modulează expresia proteinelor legate de răspunsul antioxidant, modulând hormeza ROS [109]. Expresia forțată a ATF6 îmbunătățește rezultatul funcțional după accident vascular cerebral, iar autorii sugerează că acest efect poate fi mediat de inducerea autofagiei [25].

Deci, ce este interesant din punct de vedere terapeutic, ce activează sau atenuează UPR? Activarea unor ramuri specifice ale UPR este punctul cheie. Activarea precisă a UPR poate promova efectele protectoare, ajutând celula să restabilească proteostazia. Cu toate acestea, acest concept trebuie luat cu prudență deoarece dacă stresul persistă și proteostaza nu este restabilită, UPR declanșează apoptoza neuronală care este mediată de ramura PERK sau IRE1 [110]. În plus, UPR este, de asemenea, conectată cu autofagia și invers. BIP mediază răspunsul autofagic, promovând supraviețuirea neuronală [111]. În cele din urmă, cele 3 ramuri ale UPR modulează transcrierea ATG-urilor [112], sugerând o legătură complicată între ambele procese celulare.

3.3. Apoptoza „Nu astăzi”.

Apoptoza este o moarte celulară programată (PCD) dependentă de caspază care menține integritatea membranei plasmatice celulare și a organelelor [113]. Dereglarea sa este cauza multor tipuri de cancer, patologii neurodegenerative sau inflamatorii. Moartea indusă de caspaze este un proces extrem de controlat care necesită acționarea coordonată a mai multor jucători pentru a provoca moartea finală a celulei [114]. Semnele distinctive ale morții asemănătoare apoptozei se găsesc în modelele de șoareci cu scleroză laterală amiotrofică (ALS), AD sau PD, deși nu este clar dacă este executantul final al decesului neuronal [115]. În timpul evoluției, celulele au dezvoltat mai multe mecanisme pentru a preveni moartea lor atunci când nu este necesară sau pentru a evita o PCD prematură. Celulele declanșează o moarte apoptotică eficientă numai atunci când echilibrul dintre mecanismele pro- sau anti-apoptoză le împinge către moarte. Pe baza modelelor noastre in vivo, am observat că RA induce căi apoptotice dar și anti-apoptotice, iar echilibrul lor duce la o moarte alternativă și necunoscută care nu este apoptoza clasică [2]. Ultimele publicații în domeniu sugerează că caspazele acționează și prin remodelarea sistemului nervos fără a favoriza moartea celulară [116], iar activitatea lor depinde de poziția sa subcelulară. Prin urmare, formele active de caspaze care se găsesc în țesuturile neurodegenerative pot avea un rol care nu este legat de moarte, iar moartea finală a neuronului are loc prin alte mecanisme fatale.

Apoptoza poate fi împiedicată de căile anti-apoptotice, care sunt conduse de trei familii de proteine: proteinele inhibitoare FLICE, Bcl-2 și inhibitorii proteinelor apoptozei (IAP). IAP-urile exercităneuroprotecțieîntr-un model de ischemie [27] sau evitați moartea MN după leziuni nervoase în fazele neonatale [28]. IAP-urile sunt propuse a fi responsabile pentru blocarea morții neuronale după axotomie la vârsta adultă [29]. În aceeași direcție, o modificare post-translațională a X-linked-IAP (XIAP), care îi blochează funcția anti-caspază 3, a fost descrisă ca un contributor la patogeneza PD [117].

Precondiționarea ischemică, care reduce parțial efectele nocive ale ischemiei, acționează prin intermediul IAP-urilor și permite celulelor să supraviețuiască după activarea cascadei de caspază [30]. IAP-urile mediază, de asemenea, efectul pro-supraviețuire al factorului neurotrofic derivat din celule gliale (GDNF) asupra MN după axotomia neonatală [28]. Alte căi moleculare care evită moartea celulelor prin modularea proteinelor pro-apoptotice sunt kinazele reglate de semnal extracelular (ERK) și AKT. În acest sens, calea AKT a fost descrisă ca un jucător pro-supraviețuire prin blocarea apoptozei [31]. AKT inhibă inductorul de apoptoză p53 prin promovarea degradării acestuia și, prin urmare, îi blochează abilitățile pro-apoptotice [32–34]. În caz contrar, caspazele sunt capabile să inhibe AKT prin clivajul său, ceea ce indică o modulare reglată fin a supraviețuirii și morții celulelor [118]. Pe de altă parte, activitatea AKT fosforilează factorii de transcripție ai proteinei O cutie Forkhead (FOXO). Ele sunt legate de apoptoză [119] și modificarea lor duce la o supraviețuire crescută a celulelor [35]. Fosforilarea dependentă de AKT a FOXO evită intrarea acestuia în nucleu, evitând inducerea genelor pro-apoptotice, cum ar fi mediatorul de interacțiune Bcl-2- al morții celulare (BIM) sau Bcl-2 care interacționează cu nouăsprezece kilodaltoni proteina 3 (Bnip3) [119–121]. Pe de altă parte, modificările post-transducționale ale FOXO își ajustează rețeaua transcripțională în interiorul celulei, deplasând-o către inducerea autofagiei în loc de apoptoză [54,121–123]. Prin urmare, modularea specifică a familiei FOXO este o nouă cale de a promova supraviețuirea neuronală prin inhibarea apoptozei [54,124].

În cele din urmă, activitatea neuronală este, de asemenea, un promotor al anti-apoptozei prin reglarea genelor anti-apoptotice dependente de NMDA [125,126]. Unele dintre aceste gene suprareglate permit mitocondriilor să devină mai rezistente la stres [126], ajutând celula să supraviețuiască insultei.

3.4. Reatașare prin Anti-Anoikis

Interacțiunea dintre celulă și matricea extracelulară (ECM) este esențială pentru integrarea funcțională corectă a acesteia în țesut. Când această diafonie este evitată, celula moare printr-un PCD numit anoikis, care împărtășește căi cu apoptoza. Interesant este că defalcarea programelor anoikis intrinseci conferă malignitate celulelor tumorale, oferindu-le suficientă rezistență celulară pentru a scăpa și a se atașa de alte țesuturi fără a muri [127,128]. Principalii efectori ai acestor interacțiuni sunt proteinele integrinei, care sunt formate prin combinarea și subunități. Această combinație va determina specificitatea ligandului și semnalizarea intracelulară. Semnalele ECM sunt transmise neuronilor prin integrine, fiind esențiale pentru forma celulei, supraviețuire, motilitate, proliferare, dezvoltare, conectivitate neuronală și plasticitate sinaptică [129]. Integrinele sunt, de asemenea, importante pentru semnalizarea intracelulară a factorilor de creștere [130], care sunt modulatori bine cunoscuți ai supraviețuirii neuronale prin blocarea mecanismelor pro-moarte. Subunitatea integrină 1 este esențială pentru interacțiunea celulă-ECM, iar blocarea sa este suficientă pentru a declanșa anoikis [36] și apoptoza neuronală [131]. În plus, semnalizarea intracelulară a acestei subunități este legată de supraviețuirea celulelor ganglionare retiniene [132], iar defectele acestora sunt prezente în tulburările neurodegenerative [133].

Cu toate acestea, celulele au dezvoltat subrutine anti-anoikis pentru a contracara moartea, care sunt inițiate de tirozin kinaze, GTPaze mici [128], NF-kB [134], PI3K/AKT, proto-oncogene tirozin-protein kinaza (Src) sau axe ERK , și prin autofagie [135,136]. NF-kB modulează anti-anoikis prin declanșarea proteinelor anti-apoptotice, cum ar fi Bcl-2 și IAP{- 1 [135], în timp ce rolul PI3K/AKT în supraviețuirea celulară este larg documentat și contribuie la supraviețuire. de celule diferențiate [36,37]. Detașarea ECM induce, de asemenea, autofagia, care este un mecanism de auto-protecție care duce la ocolirea apoptozei [135]. Aceste dovezi sugerează din nou o rețea complicată între mecanismele de autoprotecție.

Anoikis este prezent și în moartea neuronală după TBI datorită creșterii metaloproteinazei matricei (MMP) care distruge proteinele ECM [137]. Expresia și nivelurile MMP sunt modificate după neurotraumă și au roluri diferite în degenerarea axonală, formarea cicatricilor gliale și remodelarea sinaptică. În ceea ce privește supraviețuirea neuronală, inhibarea MMP9 exercită efecte protectoare în ischemia cerebrală prin reducerea degradării lamininei [38]. MMP-urile sunt, de asemenea, implicate în neurodegenerare [138]. Studii recente au descris că inhibarea MMP9 are efecte protectoare în unitatea motorie de la un model de șoareci ALS [39,40] și în modelele AD [41]. Prin urmare, tratamentele pentru inhibarea MMP-urilor specifice vor menține indirect programul anti-anoikis în neuroni, facilitând supraviețuirea acestuia.

3.5. Citoscheletul și transportatorii cu motor

Citoscheletul neuronal este compus din trei complexe structurale diferite: microtubuli (MT), filamente intermediare (IF) și microfilamente de actină. Ele au diferite funcții celulare: MT reglează dinamica neuriților și dendritei [139], actina este responsabilă de morfologia celulei [140] și IF conduce mecanica și stabilitatea structurii citoscheletului [141]. Defecte ale complexelor structurale sunt observate în bolile neurodegenerative, în neuropatiile periferice, în disfuncția sinaptică și duc la pierderea matură a coloanei vertebrale [141–146].

Dinamica MT este un proces extrem de controlat, iar dezechilibrul său poate avea consecințe devastatoare pentru supraviețuirea neuronilor sau performanța axonilor [142], în timp ce stabilizarea acestuia blochează moartea neuronală [147] și accelerează creșterea axonală în sistemul nervos central [148]. Mai în detaliu, structurile citoscheletice sunt căile ferate, în timp ce proteinele motorii kinezină și dineină sunt trenurile care transferă marfa prin transport anterograd sau retrograd, respectiv. Prin urmare, complexele motorii sunt, de asemenea, esențiale pentru supraviețuirea neuronilor. Familia kinesinei este formată din membrii kinesin-1 (denumit istoric KIF5c) și kinesin-3 (KIF1A, KIF1B și KIF1B) [149]. KIF5c este îmbogățit în MN [150], iar ablația sa genetică este legată de bolile MN și paralizia [149,151]. Acesta a fost recent implicat în patogeneza SLA [152]. Deteriorarea interacțiunii sale cu MT conduce la degenerarea axonală și moartea neuronală ulterioară [153]. Perturbarea KIF5c duce la tulburări de dinamică mitocondrială, ceea ce are ca rezultat supraviețuirea neuronală sau moartea în funcție de stimuli. Mai mult, KIF5c reglează fin funcția mitocondrială, transformându-se în sănătatea celulară (vezi mai jos, secțiunea 3.6.) [42], iar modularea acestuia poate promovaneuroprotecție. Agregatele de proteine, cum ar fi amiloid-, au un efect dăunător asupra stabilității KIF5a, conducând la mișcarea mitocondrială afectată și la buna funcționare [154].

Proteinele retrograde exercită și eleneuroprotecție. Ele sunt dineinei și sunt complexe multiproteice formate din diferite proteine, cu p150glue (dynactin1/DCNT1) fiind cele mai abundente subunități. O subunitate disfuncțională 1 dinactină (DCTN1) a fost utilizată ca model de șoareci ALS, iar mutația sa provoacă un transport axonal defect care duce la un fenotip asemănător ALS la șoareci [155,156]. Șoarecii KO prezintă moartea MN dependentă de vârstă, care este însoțită de un blocaj autofagiei [157]. DCTN1 are un rol clar în transportul vacuolelor autofagice în corpul neuronal, iar perturbarea acestuia determină acumularea de amfizomi în axonii distali, conducând la un fenotip asemănător AD [158]. Adaptorul de dineină Rab-interacting lysosomal protein (RILP) joacă un rol crucial în biogeneza, transportul autofagozomului, iar inhibarea acestuia determină acumularea proceselor autofagice [44]. În total, s-a observat că disfuncția MT, împreună cu localizarea aberantă a kinezinei și dineinei, duce la disfuncția lizozomală, care provoacă acumularea de autofagozomi și distrofia presinaptică în AD [159]. Supraexpresia DCTN1 în osteoclaste previne moartea apoptotică, sugerând că proteinele motorii au, de asemenea, un rol în evitarea morții celulare în alte tipuri de celule și țesuturi [43].

Pe scurt, o reducere a transportului axonal este prezentă în multe boli neurodegenerative și după leziuni ale sistemului nervos. Acest defect va duce la modificări ale structurii MT și/sau ale motoarelor moleculare necesare pentru transportul axonal [5]. Transportul axonal adecvat este esențial pentru funcționarea normală a neuronilor, iar deficiențele în acest proces contribuie la decesul neuronal. Îmbunătățirea mecanismului de transport al celulei, fie prin stabilizarea citoscheletului, fie prin creșterea nivelurilor/activității proteinelor motorii, s-a dovedit a fi neuroprotectoare prin restabilirea unui flux de autofagie corect în interiorul neuronului [5].

3.6. Funcția bine mitocondrială

Funcția neuronilor depinde de echilibrul energetic și de calciu (Ca2 plus), așa că performanța mitocondriilor este crucială pentru ei. Mitocondriile nu sunt organite statice. Ele își schimbă forma, dimensiunea, numărul sau localizarea în interiorul celulei și au capacitatea de a fuziona sau diviza prin fisiune pentru a se adapta la cererea celulară. Ei produc energie prin ciclul acidului tricarboxilic (TCA) și prin fosforilarea oxidativă (OXPHOS) prin lanțul de transport de electroni (ETC). Activarea OXPHOS va duce la ROS, care are o gamă largă de funcții (diferențiere, autofagie, răspuns imun) la niveluri fiziologice [160] și regenerare axonală [60]. Cu toate acestea, la niveluri suprafiziologice, ROS sunt dăunătoare, deoarece provoacă daune lipidelor, ADN-ului și proteinelor. Aceste modificări au fost legate de boli neurodegenerative, SCI și TBI. Mitocondriile acționează, de asemenea, ca un regulator central al supraviețuirii neuronale prin implicarea lor în căile care modulează moartea neuronală.

Mitocondriile sunt transportate în jurul celulei de către citoschelet, proteinele motorii și adaptorii corespunzători. În neuroni, aceștia sunt traficați în principal pe MT de către adaptorii Miro și Milton/trafic de proteine ​​​​1 care leagă kinesin-binding protein 1 (TRAK) [161]. Aceste mișcări ale mitocondriilor în interiorul neuronilor sunt esențiale pentru a menține o formă optimă în sinapse, producând energie, tamponând Ca2 plus etc. [162]. Mitocondriile se localizează adesea aproape de ER, formând membrane ER asociate mitocondriilor sau membrane asociate mitocondriilor (MAM). Aceste microdomenii membranare sunt legături reversibile care co-reglează și influențează o varietate de procese celulare, adică sinteza/transportul lipidelor, Ca2 plus dinamică/semnalizare, autofagie, forma și dimensiunea mitocondriale, apoptoza și metabolismul energetic [163]. MAM-urile sunt modificate în tulburările neurologice precum AD, PD și ALS [164]. Mitocondriile acționează ca un hub al ATG-urilor, furnizând membrane pentru formarea autofagozomilor și modulând fluxul autofagic [165]. Mitocondriile suferă, de asemenea, UPR(mt) și, în funcție de calea activată, aceasta a fost asociată cu o durată de viață extinsă la viermi și șoareci [166], dar supraactivarea sa provoacă neurodegenerare [167].

Disfuncția mitocondrială apare dintr-un număr inadecvat de mitocondrii, o incapacitate de a le furniza substraturile necesare sau o disfuncție în transportul lor de electroni și mașinăria de sinteză a ATP. Nivelurile ridicate de ROS și speciile reactive înrudite (RNS) pot fi neutralizate de enzimele dismutază și antioxidanți [168]. Modificări ale acestor enzime și ale anumitor complexe respiratorii mitocondriale au fost observate în bolile neurodegenerative precum SLA și PD [169]. Perturbațiile numărului și funcției mitocondriale afectează grav homeostazia celulară și declanșează apariția bolii. Prin urmare, celulele urmăresc să mențină un echilibru dinamic între procesele opuse ale biogenezei mitocondriale și clearance-ului. Acumularea de mitocondrii disfuncționale și/sau pierderea biogenezei acestora produce moartea celulară. Căile terapeutice recente pentru prevenirea neurodegenerării urmăresc să stimuleze biogeneza mitocondrială prin modularea NAD plus [170], semnele epigenetice [171] sau modularea axei serotoninei în creier [172]. Clearance-ul mitocondrial disfuncțional prin mitofagie dă și eleneuroprotecție. Supraexprimarea kinazei 1 induse de PTEN (PINK1), care este esențială pentru inițierea procesului de mitofagie, crește supraviețuirea neuronală într-un model de mușcă de HD [45]. În plus, NAD plus suplimentarea reduce neurotoxicitatea într-un model ROZ1-mutant al PD [173].

Funcția mitocondriilor este legată de ROS și răspunsul antioxidant celular. În acest fel, factorul de transcripție Factorul nuclear derivat din factorul eritroid 2-factorul 2 (Nrf2) reglează expresia genelor citoprotectoare și detoxifiante pentru a combate stresul oxidativ și neuroinflamația, cu scopul de a reduce daunele neuronale. Prin urmare, poate fi o manipulare eficientă pentru a întârzia progresia bolii în bolile neurodegenerative [174–176]. Sub stimularea ROS, Nrf2 se disociază de proteina asociată ECH-like Kelch (Keap1), reglând astfel expresia enzimelor antioxidante [177]. Sa descris că Keap1 mediază ubiquitinarea p62 [178]. Când Keap1 este reglat în jos, p62 se acumulează în celule și provoacă citotoxicitate, în timp ce supraexpresia sa promovează degradarea p62 prin calea autofagiei. Pe de altă parte, p62 activează Nrf2 prin calea autofagiei pentru a forma calea p62-Keap1-Nrf{2-elementului cu răspuns la antioxidanți (ARE) și contracarează daunele oxidative cauzate de ROS [179]. Mai mult, Nrf2 formează bucle de reglare implicate în reglarea biogenezei mitocondriale. Nrf2 crește expresia coactivatorului gamma 1-alfa (PGC-1) și a factorului respirator nuclear (NRF1) activat de proliferatorul peroxizomului, care sunt direct implicați în reglarea transcripției ADNmt. În cele din urmă, Nrf2 reglează expresia PINK1, care joacă un rol cheie în inducerea mitofagiei [180], sugerând că capacitatea antioxidantă a celulei are un impact și asupra stării mitocondriilor.

Bolile neurodegenerative sunt legate atât de inhibarea căii Nrf2, cât și de disfuncția autofagiei, ceea ce duce la acumularea de ROS, organele senescente și proteinele pliate greșit [181,182]. Bolile neurodegenerative sunt legate de o mulțime de agregate de proteine ​​și ROS, inducând axa de feedback pozitiv p62-Keap{1-Nrf2, care este un mecanism de protecție în neuroni [183,184]. Expresia Nrf2 este scăzută în modelele animale cu AD și în creierul pacienților cu AD [185]. Legarea Nrf2 la ARE are loc în curând în timpul progresiei bolii, ceea ce corespunde cu o creștere a producției de ROS [186]. Nrf2 neuroprotejează prin scăderea generării de ROS și a toxicității induse de ROS mediată de A [187,188]. În HD, există o disfuncție a complexului mitocondrial II, determinând o creștere a ROS [48]. În faza inițială a HD, tratamentul cu un agonist Nrf2 duce la o creștere a genelor citoprotectoare vitale prin Keap1–Nrf2–ARE în astrocite și microglia [189]. Activarea căii Keap1–Nrf2–ARE de către moleculele mici din astrocite accelerează rezistența neuronilor la toxicitatea glutamatului non-excitotoxic [46–48]. Funcția alterată a mitocondriilor, biogeneza și mitofagia sunt caracteristici patologice importante în PD, iar Nrf2 este un factor de transcripție important care reglează controlul calității mitocondriale și homeostazia [190]. În PD, există o activare a sistemului Nrf2–ARE [191,192] și activarea sa farmacologică previne progresia PD [49,50]. Activarea Nrf2 joacă un rol protector împotriva ROS și a morții celulare cauzate de proteina mutantă superoxid dismutază 1 (SOD1). În plus, supraexprimarea astrocitului Nrf2 crește supraviețuirea SC MN și prelungește durata de viață la șoarecii transgenici SOD1 [51,52]. În plus, diafonia dintre p62 și calea Keap1–Nrf2 în contextul autofagiei poate juca un rol important în îndepărtarea ROS, prevenind deteriorarea oxidativă și modularea stresului ER în timpul leziunii de ischemie-reperfuzie cerebrală [53].

În cele din urmă, mitocondriile stimulează supraviețuirea neuronală, deoarece simt inițiatorii morții interni și externi, declanșând cascade de semnalizare care converg la mitocondrii și apoi rediverge într-una sau mai multe căi de moarte celulară care duc la un alt tip de moarte celulară (cum ar fi apoptoza intrinsecă). ) [193].

4. Direcţionarea modulării sistemice

4.1. Restricție calorică

Restricția calorică (CR) prelungește durata de viață în diferite organisme și are efecte protectoare asupra mai multor organe. CR afectează întregul organism: de la mediul sistemic la diferite populații subcelulare. În 2010, Kromer și colaboratorii au sugerat că beneficiile CR depind de autofagia dependentă de SIRT1-[194]. Pe de altă parte, s-a subliniat că CR este neuroprotector în boala PD printr-o axă Ghrelin-AMPK, AMPK fiind un inductor cheie al autofagiei [195]. Având în vedere imposibilitatea evidentă de a menține un CR pe termen lung, interesul terapeutic a fost ridicat pentru a descoperi noi „mimetice” CR (CRM), care imită efectele fiziologice ale CR în organism [196]. Atât CR, cât și CR-mimetice au testat eficacitatea în modelele de șobolan AD prin îmbunătățirea funcției cognitive prin inducerea autofagiei [197], deci sunt noi căi terapeutice pentru tratarea neurodegenerării.

4.2. Exercițiu

Exercițiul fizic câștigă interes datorită capacității sale de a reduce condițiile fiziopatologice, cum ar fi durerea neuropatică sau de a îmbunătăți rezultatele funcționale în modelele de AVC [198]. De asemenea, încetinește progresia PD prin inhibarea reacției inflamatorii și îmbunătățirea echilibrului antioxidant [199]. Este descris că exercițiul acționează prin creșterea nivelurilor endogene ale factorilor neurotrofici [200,201]. Mai mult, modulează secreția de hormoni musculari, promovând efectele protectoare în creier, neurogeneza și ameliorând îmbătrânirea creierului [202]. De fapt, s-a descris recent că același hormon, irisina, are un rol în formarea oaselor [203], ceea ce indică faptul că exercițiile fizice afectează întregul corp.

5. Găsirea unui neuroprotector eficient: ce există și unde mergem

Semnele distinctive comune ale bolilor neurodegenerative sunt o activare necorectă a UPR, acumularea de procese autofagice, o eșec a funcționării mitocondriale, printre altele. În total, ei vor copleși neuronii, provocându-le moartea. Un neuroprotector eficient trebuie să corecteze aceste mecanisme prin stimularea celulei cu o rezistență completă la îmbătrânire/insulte. Trebuie să modificăm complet rețeaua moleculară din interiorul celulei, împingând-o către o restabilire completă a funcțiilor. Medicamentele aprobate, cum ar fi Riluzol pentru ALS [204], sau studiile clinice în curs, cum ar fi Rapamicina pentru ALS [204], Spermidina și DH pentru AD [205,206], vizează doar unul dintre aceste procese degenerative, iar neuronul este copleșit de ceilalti. Deși pot avea efecte benefice, ne propunem să găsim o abordare genetică sau farmacologică pentru a susține diferite căi moleculare - terapia multițintă - în loc de o singură țintă.

Supraexprimarea specifică a anumitor proteine, cum ar fi SIRT1, BIP și/sau ATG5 facilitează supraviețuirea neuronală după leziuni nervoase șineuroprotecțieîn bolile neurodegenerative. Aceștia ajustează în principal rețelele UPR sau autofagie. Activarea SIRT1 prin utilizarea șoarecilor transgenici sau a vectorilor virali a demonstrat protecție în diferite boli neurodegenerative, cum ar fi ALS, AD și HD [207–209] și, de asemenea, după leziuni nervoase [55]. Activitatea deacetilazei SIRT1 susține diferite mecanisme endogene de protecție: autofagia, modulează UPR prin atenuarea PERK și crește clivajul ATF6 [23,210], are efecte anti-apoptotice și modulează activitatea AKT pentru a inhiba anoikis [211,212]. Prin urmare, modularea precisă a acestuia poate îmbunătăți rezistența celulară. Din studiul nostru recent, concluzionăm că modularea activității deacetilazei SIRT1 este un nod esențial pentru rețeaua moleculară pentru a obține rezistența celulară [54,55]. În cele din urmă, supraexpresia BIP protejează împotriva agregatelor și induce autofagie și mitofagie [99], astfel încât modularea sa este, de asemenea, o abordare eficientă pentru a grupa diferite căi neuroprotective.

6. Observații finale

Stimularea mecanismelor endogene aleneuroprotecțiedeschide căi terapeutice interesante pentru a trata bolile neurodegenerative sau pentru a menține homeostazia tisulară după neurotraumă. Deși acesta este un domeniu neexplorat în zilele noastre, poate promova rezultate biomedicale mai eficiente decât blocarea unui semn distinctiv fiziopatologic concret. Prin urmare, susținerea lor prin terapii genetice, farmacologice sau de modulare sistemică poate întârzia progresia patologiei și poate îmbunătăți recuperarea funcțională. Strategia terapeutică optimă trebuie să implice o modulare concretă a mecanismelor endogene de protecție pentru a remodela întreaga rețea și a obține protecție.

Contribuții autor: DR-G. și SM-M.-A. a scris manuscrisul și CC a făcut o recenzie critică. Toți autorii au citit și au fost de acord cu versiunea publicată a manuscrisului.

Finanțare: Această cercetare nu a primit finanțare externă.

Declarație de disponibilitate a datelor: Nu au fost create sau analizate date noi în acest studiu. Partajarea datelor nu se aplică acestui articol.

Conflicte de interese: Autorii declară că nu există conflicte de interese.