Доклинические исследования
В процессе изучения нашей лабораторией переносчиков (мембранных транспортеров), мы обнаружили, что эрготионеин, один из видов аминокислот, служит физиологической субстанцией мембранного транспортера (веществом, которое мембранный переносчик транспортирует в организме). С тех пор, на протяжении более 10 лет мы исследуем взаимосвязь между мембранными транспортерами, эрготионеином и человеческим организмом. Ниже описывается ход проекта, включая ряд результатов других исследовательских групп.
1. Выведение мышей с дефицитом мембранного транспортера OCTN1 и их метаболомный анализ.
Эрготионеин поступает в организм и клетки из пищи при помощи мембранного транспортера.
Мембранный транспортер представляет собой мембранный белок со встроенной в клеточную мембрану структурой. Распознавая вырабатываемые в организме эндогенные соединения или поступающие извне экзогенные соединения, он вводит их в клетки или выводит из них (рис. 1). Таким образом, мембранный транспортер регулирует соотношение концентрации этих веществ внутри клетки и за ее пределами (рис. 1).
Следовательно, он не только глубоко вовлечен в движение питательных веществ и лекарственных препаратов (фармакокинетику) в организме, но может также, применяться для целевого лечения патологии или биомаркеров для отслеживания изменений патологического состояния, если использовать имеющиеся в пораженной области мембранные транспортеры и перемещаемые ими соединения.
Рис. 1 Связь мембранного транспортера с лекарственными препаратами и питательными веществами. Простая диффузия КЛЕТКА Молекулярная мишень Действие Встраивающий мембранный транспортер Фермент-метаболит Выводящий мембранный транспортер Неожиданная молекулярная мишень Токсичность А - состав, В - его метаболит
1. Выведение мышей с дефицитом мембранного транспортера OCTN1 и их метаболомный анализ.
Эрготионеин поступает в организм и клетки из пищи при помощи мембранного транспортера.
Мембранный транспортер представляет собой мембранный белок со встроенной в клеточную мембрану структурой. Распознавая вырабатываемые в организме эндогенные соединения или поступающие извне экзогенные соединения, он вводит их в клетки или выводит из них (рис. 1). Таким образом, мембранный транспортер регулирует соотношение концентрации этих веществ внутри клетки и за ее пределами (рис. 1).
Следовательно, он не только глубоко вовлечен в движение питательных веществ и лекарственных препаратов (фармакокинетику) в организме, но может также, применяться для целевого лечения патологии или биомаркеров для отслеживания изменений патологического состояния, если использовать имеющиеся в пораженной области мембранные транспортеры и перемещаемые ими соединения.
Рис. 1 Связь мембранного транспортера с лекарственными препаратами и питательными веществами. Простая диффузия КЛЕТКА Молекулярная мишень Действие Встраивающий мембранный транспортер Фермент-метаболит Выводящий мембранный транспортер Неожиданная молекулярная мишень Токсичность А - состав, В - его метаболит
Один из исследованных нами мембранных транспортеров – белок-транспортер карнитина/органических катионов 1 (carnitine/organic cation transporter 1, OCTN1). Поскольку он принадлежит к большому семейству мембранных переносчиков под названием «надсемейство транспортеров растворенных веществ» (solute carrier superfamily, SLC), ему присвоен номер SLC22A4. Мембранный транспортер OCTN1 обнаружили ученые университета Канадзавы. Поскольку при введении OCTN1 в культивируемые клетки, клетки поглощают различные органические катионные соединения, OCTN1 считается транспортером органических катионов. При этом, оставалось невыясненным, какое именно вещество он транспортирует в организме в естественных условиях. Поскольку человеческий ген OCTN1 связан с различными заболеваниями, такими как ревматоидный артрит, болезнь Крона, аутоиммунное заболевание щитовидной железы, рецессивная несиндромальная глухота DFNB604 и др., предполагалось, что речь идет о транспортировке вещества, имеющего важное значение для поддержания гомеостаза организма.
Чтобы выяснить, какое вещество OCTN1 транспортирует в организме в естественных условиях, и понять роль OCTN1, были выведены мыши с дефицитом гена octn1 (octn1⁻ᐟ⁻). При этом, внешне octn1⁻ᐟ⁻ не отличались от мышей дикого типа (с нормотипичным геном) (WT), а их развитие, размножение, биохимические маркеры и пр. совпадали с WT (рис. 2). Иначе говоря, они нормально развивались без мембранного транспортера OCTN1. Означает ли это, что OCTN1 не является необходимым для жизни?
Мышь дикого типа (WT) Мышь с дефицитом гена ocnt1 (octn1⁻ᐟ⁻) Рис. 2 Мышь с дефицитом гена ocnt1 внешне не отличается от мыши дикого типа.
Учитывая, что мембранный транспортер представляет собой белок, регулирующий соотношение концентрации соединений внутри клетки и за ее пределами, мы решили провести одновременную количественную оценку (метаболомный анализ) соединений, содержащихся в крови и органах WT и octn1⁻ᐟ⁻. Мы предположили, что вещество, отличающееся у двух типов мышей, и будет тем веществом, которое транспортирует OCTN1.
Чтобы выяснить, какое вещество OCTN1 транспортирует в организме в естественных условиях, и понять роль OCTN1, были выведены мыши с дефицитом гена octn1 (octn1⁻ᐟ⁻). При этом, внешне octn1⁻ᐟ⁻ не отличались от мышей дикого типа (с нормотипичным геном) (WT), а их развитие, размножение, биохимические маркеры и пр. совпадали с WT (рис. 2). Иначе говоря, они нормально развивались без мембранного транспортера OCTN1. Означает ли это, что OCTN1 не является необходимым для жизни?
Мышь дикого типа (WT) Мышь с дефицитом гена ocnt1 (octn1⁻ᐟ⁻) Рис. 2 Мышь с дефицитом гена ocnt1 внешне не отличается от мыши дикого типа.
Учитывая, что мембранный транспортер представляет собой белок, регулирующий соотношение концентрации соединений внутри клетки и за ее пределами, мы решили провести одновременную количественную оценку (метаболомный анализ) соединений, содержащихся в крови и органах WT и octn1⁻ᐟ⁻. Мы предположили, что вещество, отличающееся у двух типов мышей, и будет тем веществом, которое транспортирует OCTN1.
В результате выяснилось, что эрготионеин (ERGO) разновидность аминокислоты пищевого происхождения, повсеместно встречается в организме WT, но отсутствует у octn1⁻ᐟ⁻ (рис. 3). ERGO представляет собой соединение, о существовании которого было известно еще 100 лет назад, обладающее антиоксидантным действием (подавляющее оксидативный стресс). ERGO способны синтезировать грибы и низшие животные, например, микобактерии, но млекопитающие, будь то люди или мыши, синтезировать его не способны.
Печень / Почки / Селезенка / Легкие / Сердце / Тонкий кишечник (Upper, Middle, Lower) / Толстая кишка Дикий тип octn1⁻ᐟ⁻ Структурная формула ERGO
Ранее сообщалось о транспортировке ERGO при помощи OCTN1 на уровне культивируемых клеток. Между тем, при детальном исследовании концентрации ERGO в организме мышей, не способных, как известно, к синтезу ERGO, оказалось, что концентрация ERGO во всех исследованных внутренних органах мыши составляла от нескольких μM до нескольких сотен μM (рис. 3). При этом, у octn1⁻ᐟ⁻ данное вещество не было обнаружено ни в крови, ни во внутренних органах (рис. 3). Это подтверждает тот факт, что OCTN1 экспрессируется практически во всех внутренних органах, и указывает на то, что OCTN1 является мембранным транспортером, опосредующим процесс поглощения ERGO организмом и его распределения между органами. При этом, помимо людей и мышей, ген OCTN1 хорошо сохраняется у других животных, не синтезирующих ERGO, таких как рыбы, амфибии, птицы и млекопитающие. Все эти животные употребляют пищу. Кроме того, наши исследования показали, что OCTN1 локализуется в мембране везикулы щеточной каймы клеток (клеточная мембрана со стороны поступления питательных веществ, т. е. со стороны, противоположной кровоснабжению), расположенных в тонком кишечнике человека или мыши и ответственных за всасывание (абсорбцию) в кровь содержащихся в пище веществ (абсорбирующие эпителиальные клетки). С учетом вышеизложенного, OCTN1 можно назвать мембранным транспортером, который доставляет в организм поступающий из пищи ERGO. Другими словами, это означает, что в организме мыши и человека имеется мембранный транспортер для приема ERGO, не синтезируемого в организме. И тут возникает новый вопрос: для чего это нужно?
Печень / Почки / Селезенка / Легкие / Сердце / Тонкий кишечник (Upper, Middle, Lower) / Толстая кишка Дикий тип octn1⁻ᐟ⁻ Структурная формула ERGO
- обозначает значения ниже идентифицируемых Mean ± S.E.M. (n = 3) Селезенка / Панкреас / Тимус / Мышцы / Кожа / Мозг / Кровь / Красные кровяные тельца Рис. 3 Концентрация эрготионеина (Ergothioneine, ERGO) в организме мыши
Ранее сообщалось о транспортировке ERGO при помощи OCTN1 на уровне культивируемых клеток. Между тем, при детальном исследовании концентрации ERGO в организме мышей, не способных, как известно, к синтезу ERGO, оказалось, что концентрация ERGO во всех исследованных внутренних органах мыши составляла от нескольких μM до нескольких сотен μM (рис. 3). При этом, у octn1⁻ᐟ⁻ данное вещество не было обнаружено ни в крови, ни во внутренних органах (рис. 3). Это подтверждает тот факт, что OCTN1 экспрессируется практически во всех внутренних органах, и указывает на то, что OCTN1 является мембранным транспортером, опосредующим процесс поглощения ERGO организмом и его распределения между органами. При этом, помимо людей и мышей, ген OCTN1 хорошо сохраняется у других животных, не синтезирующих ERGO, таких как рыбы, амфибии, птицы и млекопитающие. Все эти животные употребляют пищу. Кроме того, наши исследования показали, что OCTN1 локализуется в мембране везикулы щеточной каймы клеток (клеточная мембрана со стороны поступления питательных веществ, т. е. со стороны, противоположной кровоснабжению), расположенных в тонком кишечнике человека или мыши и ответственных за всасывание (абсорбцию) в кровь содержащихся в пище веществ (абсорбирующие эпителиальные клетки). С учетом вышеизложенного, OCTN1 можно назвать мембранным транспортером, который доставляет в организм поступающий из пищи ERGO. Другими словами, это означает, что в организме мыши и человека имеется мембранный транспортер для приема ERGO, не синтезируемого в организме. И тут возникает новый вопрос: для чего это нужно?
Чтобы ответить на вопрос о роли ERGO в организме, важно было понять перемещение и фармакокинетику ERGO в организме. Дальнейший анализ показал, что причина почти полного отсутствия ERGO у octn1⁻ᐟ⁻, заключается в том, что OCTN1, присутствующий в проксимальных извитых канальцах почек, участвует в реабсорбции ERGO, но, поскольку у octn1⁻ᐟ⁻ реабсорбции не происходит (из-за отсутствия у них OCTN1), то даже при введении им ERGO, он быстро выводится с мочой. Мы убедились, что OCTN1 также отвечает за встраивание в клетку ERGO (рис. 4). Кроме того, при введении ERGO в желудочно-кишечный тракт, всасываемость составляет почти 100%, тогда как у octn1⁻ᐟ⁻ всасываемость ниже. Таким образом, OCTN1 участвует также в абсорбции ERGO в тонком кишечнике. ERGO обладает крайне высокой растворимостью в воде, поэтому без мембранного транспортера практически не способен проникнуть сквозь клеточную мембрану. Об этом свидетельствует и тот факт, что если в клетки под названием HEK293 не вводить ген OCTN1, ERGO практически не встраивается в клетку (рис. 4).
Тот факт, что хорошая всасываемость в тонкий кишечник обусловлена наличием мембранного транспортера под названием OCTN1, подтверждает роль OCTN1 в абсорбции ERGO. ERGO, абсорбированный в тонком кишечнике, попадает в печень через кровеносный сосуд, называемый воротной веной. Наш анализ показал, что, как минимум, у мышей ERGO сначала практически полностью проникает в клетки печени. Этим можно объяснить крайне высокую концентрацию ERGO в печени, по сравнению с другими внутренними органами. Помимо печени, ERGO обнаружился также и в других органах, но, по нашему мнению, это указывает на то, что совсем небольшая его часть может проходить через печень, либо, что, попадая сначала в клетки печени, в конечном итоге ERGO выводится из нее. Интересно, что ERGO практически не поглощается паренхимными клетками печени, из которых на 70% состоит печень, но поглощается непаренхимными клетками. OCTN1 также не был обнаружен в гепатоцитах на уровне белка. Печень отвечает за синтез различных гормонов, метаболизм и выведение соединений, в основном при помощи гепатоцитов. В этом смысле, OCTN1 и ERGO можно назвать достаточно специфичными для печени. Это связано с функцией ERGO при патологии, о чем будет сказано далее.
Тот факт, что хорошая всасываемость в тонкий кишечник обусловлена наличием мембранного транспортера под названием OCTN1, подтверждает роль OCTN1 в абсорбции ERGO. ERGO, абсорбированный в тонком кишечнике, попадает в печень через кровеносный сосуд, называемый воротной веной. Наш анализ показал, что, как минимум, у мышей ERGO сначала практически полностью проникает в клетки печени. Этим можно объяснить крайне высокую концентрацию ERGO в печени, по сравнению с другими внутренними органами. Помимо печени, ERGO обнаружился также и в других органах, но, по нашему мнению, это указывает на то, что совсем небольшая его часть может проходить через печень, либо, что, попадая сначала в клетки печени, в конечном итоге ERGO выводится из нее. Интересно, что ERGO практически не поглощается паренхимными клетками печени, из которых на 70% состоит печень, но поглощается непаренхимными клетками. OCTN1 также не был обнаружен в гепатоцитах на уровне белка. Печень отвечает за синтез различных гормонов, метаболизм и выведение соединений, в основном при помощи гепатоцитов. В этом смысле, OCTN1 и ERGO можно назвать достаточно специфичными для печени. Это связано с функцией ERGO при патологии, о чем будет сказано далее.
2. Функция OCTN1 и ERGO при воспалениях кишечника, печени и почек.
Функционирование трудно увидеть в нормальных условиях, поскольку оно отвечает за защиту от патологических состояний и воспалений.
Как упоминалось в предыдущем разделе, OCTN1 представляет собой белок, кодируемый генами, связанными с различными заболеваниями, такими, как болезнь Крона – одно из воспалительных заболеваний кишечника, или ревматоидный артрит. ERGO является антиоксидантом, поэтому, встраиваясь в клетку при помощи мембранного транспортера, он может подавлять возникающий в ней оксидативный стресс. Поскольку оксидативный стресс наблюдается также во время воспалений, сопровождающих различные патологические состояния, можно предположить, что ERGO встраивается при помощи OCTN1 с целью подавления оксидативного стресса, т. е. чрезмерного воспаления (рис. 5). Если эта гипотеза верна, можно предположить, что octn1⁻ᐟ⁻, не имеющие гена OCTN1 и не способные поглощать ERGO, будут более уязвимы к заболеванию, чем мыши дикого типа (WT). Возможно, мы просто не замечали уязвимости octn1⁻ᐟ⁻ к болезням из-за того, что используемые в эксперименте мыши содержались в чрезвычайно чистых условиях, препятствующих проникновению микробов и пр., а также не выращивались до старости, когда они наиболее подвержены болезням.
Функционирование трудно увидеть в нормальных условиях, поскольку оно отвечает за защиту от патологических состояний и воспалений.
Как упоминалось в предыдущем разделе, OCTN1 представляет собой белок, кодируемый генами, связанными с различными заболеваниями, такими, как болезнь Крона – одно из воспалительных заболеваний кишечника, или ревматоидный артрит. ERGO является антиоксидантом, поэтому, встраиваясь в клетку при помощи мембранного транспортера, он может подавлять возникающий в ней оксидативный стресс. Поскольку оксидативный стресс наблюдается также во время воспалений, сопровождающих различные патологические состояния, можно предположить, что ERGO встраивается при помощи OCTN1 с целью подавления оксидативного стресса, т. е. чрезмерного воспаления (рис. 5). Если эта гипотеза верна, можно предположить, что octn1⁻ᐟ⁻, не имеющие гена OCTN1 и не способные поглощать ERGO, будут более уязвимы к заболеванию, чем мыши дикого типа (WT). Возможно, мы просто не замечали уязвимости octn1⁻ᐟ⁻ к болезням из-за того, что используемые в эксперименте мыши содержались в чрезвычайно чистых условиях, препятствующих проникновению микробов и пр., а также не выращивались до старости, когда они наиболее подвержены болезням.
ERGO — Антиоксидант OCTN1 — Мембранный транспортер КЛЕТКА ОКСИДАТИВНЫЙ СТРЕСС ВОСПАЛЕНИЕ, ПАТОЛОГИЯ Рис. 5 Функция OCTN1 и ERGO (общая схема)
Как упоминалось в предыдущем разделе, при пероральном приеме, ERGO проходит через тонкий кишечник и печень и реабсорбируется почками. Следовательно, мы решили построить модели заболеваний этих органов последовательно для WT и octn1⁻ᐟ⁻. При построении первой модели ишемии-реперфузии тонкого кишечника у octn1⁻ᐟ⁻ наблюдалось выраженное повреждение ткани тонкого кишечника и более низкая выживаемость, чем у WT. Далее, при построении модели энтерита путем введения сульфата декстрана в питьевую воду, у octn1⁻ᐟ⁻ наблюдалась более значительная потеря в весе и повреждение ткани тонкого кишечника, по сравнению с WT. Можно предположить, что OCTN1 способствует защите тканей от этих повреждений. В пользу его защитной функции говорит также высокий уровень OCTN1 и ERGO в местах воспаления. Экспрессия белка OCTN1 и концентрация ERGO в мембране везикулы щеточной каймы тонкого кишечника у мышей с энтеритом, индуцированным сульфатом декстрана, была значительно выше, чем у группы без воспаления. Сообщалось также об аналогичном увеличении экспрессии OCTN1 и концентрации ERGO в нижних отделах тонкого кишечника у пациентов с болезнью Крона, по сравнению с контрольной группой.
Далее мы построили модель фиброза печени путем введения диметилнитрозамина и конканавалина А у WT и octn1⁻ᐟ⁻. В этом случае, фиброз печени также был более выражен у octn1⁻ᐟ⁻, чем у мышей дикого типа (рис. 6). Одновременно с этим, мы наблюдали оксидативный стресс в печени и подтвердили экспрессию маркеров стресса в печени octn1⁻ᐟ⁻. В этой связи, было высказано предположение, что OCTN1 также выполняет защитную функцию в моделях патологии печени. При этом, при измерении концентрации ERGO в печени мышей, ERGO отсутствовал у octn1⁻ᐟ⁻, но присутствовал у WT, причем в печени, сильнее пораженной фиброзом, ERGO было больше, чем в здоровой печени. Наблюдение за OCTN1, поглощающим ERGO, показало, что он присутствовал в эндотелиальных клетках здоровой печени. При этом, в печени с выраженным фиброзом он присутствовал в активированных звездчатых клетках (клетки Ито). Звездчатые клетки, которые обычно отвечают за сохранение витамина А и других веществ, при активации, как известно, участвуют в фиброзе печени. Вероятно, с одной стороны, фиброз подавлялся звездчатыми клетками, принимающими в себя ERGO за счет экспрессии OCTN1, а с другой, фиброз мог прогрессировать в печени octn1⁻ᐟ⁻ из-за их неспособности поглощать ERGO в связи с отсутствием OCTN1.
Дикий тип OCTN1⁻ᐟ⁻ Площадь позитивного окрашивания Sirius red (% of total area) Mean ± S.E.M. (n=4-6) *: p<0.05 vs Wild-type Рис. 6 Подавляющее действие OCTN1 при фиброзе в модели фиброза печени.
Как упоминалось в предыдущем разделе, при пероральном приеме, ERGO проходит через тонкий кишечник и печень и реабсорбируется почками. Следовательно, мы решили построить модели заболеваний этих органов последовательно для WT и octn1⁻ᐟ⁻. При построении первой модели ишемии-реперфузии тонкого кишечника у octn1⁻ᐟ⁻ наблюдалось выраженное повреждение ткани тонкого кишечника и более низкая выживаемость, чем у WT. Далее, при построении модели энтерита путем введения сульфата декстрана в питьевую воду, у octn1⁻ᐟ⁻ наблюдалась более значительная потеря в весе и повреждение ткани тонкого кишечника, по сравнению с WT. Можно предположить, что OCTN1 способствует защите тканей от этих повреждений. В пользу его защитной функции говорит также высокий уровень OCTN1 и ERGO в местах воспаления. Экспрессия белка OCTN1 и концентрация ERGO в мембране везикулы щеточной каймы тонкого кишечника у мышей с энтеритом, индуцированным сульфатом декстрана, была значительно выше, чем у группы без воспаления. Сообщалось также об аналогичном увеличении экспрессии OCTN1 и концентрации ERGO в нижних отделах тонкого кишечника у пациентов с болезнью Крона, по сравнению с контрольной группой.
Далее мы построили модель фиброза печени путем введения диметилнитрозамина и конканавалина А у WT и octn1⁻ᐟ⁻. В этом случае, фиброз печени также был более выражен у octn1⁻ᐟ⁻, чем у мышей дикого типа (рис. 6). Одновременно с этим, мы наблюдали оксидативный стресс в печени и подтвердили экспрессию маркеров стресса в печени octn1⁻ᐟ⁻. В этой связи, было высказано предположение, что OCTN1 также выполняет защитную функцию в моделях патологии печени. При этом, при измерении концентрации ERGO в печени мышей, ERGO отсутствовал у octn1⁻ᐟ⁻, но присутствовал у WT, причем в печени, сильнее пораженной фиброзом, ERGO было больше, чем в здоровой печени. Наблюдение за OCTN1, поглощающим ERGO, показало, что он присутствовал в эндотелиальных клетках здоровой печени. При этом, в печени с выраженным фиброзом он присутствовал в активированных звездчатых клетках (клетки Ито). Звездчатые клетки, которые обычно отвечают за сохранение витамина А и других веществ, при активации, как известно, участвуют в фиброзе печени. Вероятно, с одной стороны, фиброз подавлялся звездчатыми клетками, принимающими в себя ERGO за счет экспрессии OCTN1, а с другой, фиброз мог прогрессировать в печени octn1⁻ᐟ⁻ из-за их неспособности поглощать ERGO в связи с отсутствием OCTN1.
Дикий тип OCTN1⁻ᐟ⁻ Площадь позитивного окрашивания Sirius red (% of total area) Mean ± S.E.M. (n=4-6) *: p<0.05 vs Wild-type Рис. 6 Подавляющее действие OCTN1 при фиброзе в модели фиброза печени.
В модели хронической почечной недостаточности (ХПН) у octn1⁻ᐟ⁻ также наблюдалось заметное снижение функции почек, усиление воспаления и фиброз, по сравнению с WT. Настоящее исследование показало наличие корреляции между снижением функции почек и концентрацией ERGO в крови пациентов с хронической почечной недостаточностью; оно также показало восстановление концентрации ERGO в крови вместе с функцией почек после трансплантации почки. Взаимосвязь между патологией почек и OCTN1 и ERGO человека стала очевидной.
Выше говорилось о результатах, полученных в рамках нашего исследования, а также совместных исследований – было высказано предположение, что OCTN1 и ERGO способствуют защите внутренних органов от различных заболеваний (рис. 7). Это согласуется с присутствием OCTN1 и ERGO в большинстве внутренних органов. Кроме того, возрастающая роль OCTN1 и ERGO при патологии, по сравнению с нормальными условиями, объясняет отсутствие явных различий между выращенными в комфортных условиях octn1⁻ᐟ⁻ и WT.
Выше говорилось о результатах, полученных в рамках нашего исследования, а также совместных исследований – было высказано предположение, что OCTN1 и ERGO способствуют защите внутренних органов от различных заболеваний (рис. 7). Это согласуется с присутствием OCTN1 и ERGO в большинстве внутренних органов. Кроме того, возрастающая роль OCTN1 и ERGO при патологии, по сравнению с нормальными условиями, объясняет отсутствие явных различий между выращенными в комфортных условиях octn1⁻ᐟ⁻ и WT.
3. Роль OCTN1 в центральной нервной системе.
Причина, по которой получаемая из пищи водорастворимая аминокислота ERGO достигает мозга.
До сих пор мы пытались исследовать роль OCTN1 и ERGO на мышах с дефицитом гена OCTN1 (octn1⁻ᐟ⁻). Можно говорить о том, что отсутствие существенных различий между octn1⁻ᐟ⁻ и мышами дикого типа (WT) обусловлено не отсутствием разницы между ними, а невозможностью уловить эту разницу из-за наблюдения в нормальных условиях. Вероятно, это стоит учесть при изучении функций OCTN1 и ERGO в головном мозге. В отличие от людей, мыши не обладают речью, к тому же отклонения в некоторых функциях их мозга могут быть незаметны. С другой стороны, в их головном мозге также присутствует ERGO, получаемый из пищи (рис. 3). Как правило, транспортировка соединений в мозг строго ограничена механизмом под названием «гематоэнцефалический барьер». Считается, что хорошо растворимые в воде соединения, такие как ERGO, редко транспортируются в мозг, если только нет мембранного транспортера, который активно их захватывает. В этой связи, мы предположили, что присутствие ERGO в мозге может также указывать на то, что он выполняет в нем определенную роль.
Когда мы начали исследовать, в каких именно клетках мозга присутствует OCTN1, он обнаружился в нейронах мыши. При этом, в глиальных клетках явного присутствия OCTN1 не наблюдалось. Внутриклеточное поглощение ERGO подтвердилось в культивируемых нейронах, при этом, поглощения ERGO не наблюдалось в нейронах, полученных у octn1⁻ᐟ⁻. Таким образом, выяснилось, что OCTN1 поглощает ERGO в нейронах. Дальнейшие исследования показали, что OCTN1 присутствует не только в нейронах, но также в нейрональных стволовых клетках и микроглии. Нейрональные стволовые клетки обладают способностью самостоятельно размножаться (способность к самовоспроизводству) и превращаться в нейроны и глиальные клетки (плюрипотентность) (рис. 8).
Причина, по которой получаемая из пищи водорастворимая аминокислота ERGO достигает мозга.
До сих пор мы пытались исследовать роль OCTN1 и ERGO на мышах с дефицитом гена OCTN1 (octn1⁻ᐟ⁻). Можно говорить о том, что отсутствие существенных различий между octn1⁻ᐟ⁻ и мышами дикого типа (WT) обусловлено не отсутствием разницы между ними, а невозможностью уловить эту разницу из-за наблюдения в нормальных условиях. Вероятно, это стоит учесть при изучении функций OCTN1 и ERGO в головном мозге. В отличие от людей, мыши не обладают речью, к тому же отклонения в некоторых функциях их мозга могут быть незаметны. С другой стороны, в их головном мозге также присутствует ERGO, получаемый из пищи (рис. 3). Как правило, транспортировка соединений в мозг строго ограничена механизмом под названием «гематоэнцефалический барьер». Считается, что хорошо растворимые в воде соединения, такие как ERGO, редко транспортируются в мозг, если только нет мембранного транспортера, который активно их захватывает. В этой связи, мы предположили, что присутствие ERGO в мозге может также указывать на то, что он выполняет в нем определенную роль.
Когда мы начали исследовать, в каких именно клетках мозга присутствует OCTN1, он обнаружился в нейронах мыши. При этом, в глиальных клетках явного присутствия OCTN1 не наблюдалось. Внутриклеточное поглощение ERGO подтвердилось в культивируемых нейронах, при этом, поглощения ERGO не наблюдалось в нейронах, полученных у octn1⁻ᐟ⁻. Таким образом, выяснилось, что OCTN1 поглощает ERGO в нейронах. Дальнейшие исследования показали, что OCTN1 присутствует не только в нейронах, но также в нейрональных стволовых клетках и микроглии. Нейрональные стволовые клетки обладают способностью самостоятельно размножаться (способность к самовоспроизводству) и превращаться в нейроны и глиальные клетки (плюрипотентность) (рис. 8).
OCTN1 присутствует в гораздо большем количестве, чем другие мембранные транспортеры органических катионов, принадлежащие к тому же семейству генов (рис. 9), и, возможно, участвует в нейрональных стволовых клетках. Следовательно, когда ERGO добавляли к культивируемым нейрональным стволовым клеткам, полученным из коры головного мозга мыши, процент позитивных клеток по маркеру нейрональных клеток (βIII-тубулин, βIII tubulin) увеличивался, а процент положительных клеток по маркеру глиальных клеток (глиальный фибриллярный кислый белок, GFAP) уменьшался (рис. 10). Другими словами, можно предположить, что по мере роста нейрональные стволовые клетки трансформируются как в нейроны, так и в глиальные клетки, но ERGO ускоряет дифференцировку нейрональных стволовых клеток в нейроны (явление, называемое нейрогенезом). Поскольку в нейрональных стволовых клетках, полученных у octn1⁻ᐟ⁻ (рис. 10), такого эффекта не наблюдалось, мы связали действие ERGO с его поглощением OCTN1.
Когда к нейрональным стволовым клеткам, полученным у WT, добавляли другие антиоксиданты (препараты витамин С и Эдаравон¹²), наблюдался сходный с ERGO антиоксидантный эффект. Тем не менее, он не способствовал ускорению дифференцировки в нейроны, как в случае с ERGO. Это говорит о том, что действие ERGO, стимулирующее нейрогенез, обусловлено механизмом, отличным от механизма антиоксидантного действия. Последующий анализ показал, что при добавлении ERGO к нейрональным стволовым клеткам, наряду с ростом фосфорилирования сигнального белка mTOR, mTORC1 (мишень рапамицина млекопитающих комплекс 1, mammalian target of rapamycin complex 1), который является разновидностью внутриклеточного пути трансдукции сигналов, а также нижестоящего по отношению к нему S6K1 (p70 рибосомальная протеинкиназа S6, p70 ribosomal protein S6 kinase), наблюдался рост NT-5 – одного из видов нейротрофинов (neurotrophins, NT). Связываясь со своим рецептором TrkB (тропомиозиновый тирозинкиназный рецептор B, tropomyosin receptor kinase B), NT-5 активирует его, улучшая тем самым работу различных функций головного мозга. Можно предположить, что действие ERGO опосредовано фактором роста нервов, называемым NT-5. Наблюдение за мозгом плода мыши показало, что уровень экспрессии маркерных генов (степень включенности гена) нейрональных стволовых клеток и микроглии был ниже в мозге плода octn1⁻ᐟ⁻ (рис. 9, справа). Следовательно, предполагается, что поглощение OCTN1 ERGO участвует также в поддержании непосредственно этих клеток.
Многие нейрональные стволовые клетки присутствуют в гиппокампе головного мозга – как известно, у пациентов с болезнью Альцгеймера или депрессией, возникает атрофия гиппокампа. Некоторые антидепрессанты способствуют нейрогенезу. Таким образом, нейрогенез тесно связан с нервными заболеваниями. В этой связи, мы исследовали влияние перорального приема ERGO на функционирование мозга. Когда мышам давали пищу, богатую ERGO, оказалось, что концентрация ERGO в области под названием «зубчатая фасция гиппокампа» заметно увеличивалась, а также росло число клеток, положительных к даблкортину (doublecortin), являющемуся маркером незрелых нейронов. Кроме того, при использовании моделей депрессивного типа поведения «Тест принудительного плавания» и «Тест подвешивания за хвост», у мышей, получавших ERGO, не наблюдалось изменения двигательной активности, по сравнению с контрольной группой, в то время, как время неподвижности во время этих тестов было значительно выше, чем у контрольной группы. Было высказано предположение, что пероральный прием ERGO оказывает антидепрессивное действие.
Нейрогенез означает регенерацию нервов. Следовательно, он может иметь значение не только при заболеваниях головного мозга, но и влиять на нормальное функционирование мозга. В этой связи, мы исследовали влияние перорального приема ERGO на память и способность к обучению у нормотипичных мышей в нормальных условиях. После перорального приема три раза в день в течение 2-х недель были проведены поведенческие фармакологические тесты на распознавание новых объектов (РНО) (novel object recognition test, NORT) и на распознавание нового положения объектов (РПО) (spatial recognition test, SRT), в которых, соответственно, исследовалось влияние перорального приема ERGO на способность к распознаванию новых объектов и к пространственному распознаванию. В ходе тестов мышей помещали в кубическую камеру с предварительно расставленными в углах одинаковыми предметами и обучали в течение нескольких минут запоминать эти предметы и их расположение (рис. 11). Затем мышей возвращали в вольер на определенный промежуток времени, где их память почти полностью стиралась, после чего в тесте РНО предметы вкладывали один в другой, а в тесте РПО меняли только положение одного из существующих предметов (замененный объект далее называется «новым» (novel)). Так или иначе, в каждом из тестов второй объект оставался неизменным, включая его расположение (далее он называется «знакомым» (familiar)). Мышь снова помещали в камеру и обучали в течение нескольких минут, в ходе которых замеряли время, затраченное ею на изучение нового (novel) и знакомого (familiar) объектов. Мыши имеют привычку исследовать новые объекты, поэтому, если они запоминают объекты и их расположение во время обучения, время исследования нового объекта (novel) увеличивается, а если не запоминают, время исследования обоих объектов является одинаковым (рис. 11). После перорального приема ERGO, при проведении теста РНО время исследования нового объекта (novel) было больше, чем время исследования знакомого объекта (familiar). Аналогичный эффект наблюдался при проведении теста РПО, хотя и в меньшей степени, чем при проведении теста РНО. При этом, концентрация ERGO в плазме и гиппокампе головного мозга в это время увеличилась дозозависимо, что подтверждает действие ERGO.
Нейрогенез означает регенерацию нервов. Следовательно, он может иметь значение не только при заболеваниях головного мозга, но и влиять на нормальное функционирование мозга. В этой связи, мы исследовали влияние перорального приема ERGO на память и способность к обучению у нормотипичных мышей в нормальных условиях. После перорального приема три раза в день в течение 2-х недель были проведены поведенческие фармакологические тесты на распознавание новых объектов (РНО) (novel object recognition test, NORT) и на распознавание нового положения объектов (РПО) (spatial recognition test, SRT), в которых, соответственно, исследовалось влияние перорального приема ERGO на способность к распознаванию новых объектов и к пространственному распознаванию. В ходе тестов мышей помещали в кубическую камеру с предварительно расставленными в углах одинаковыми предметами и обучали в течение нескольких минут запоминать эти предметы и их расположение (рис. 11). Затем мышей возвращали в вольер на определенный промежуток времени, где их память почти полностью стиралась, после чего в тесте РНО предметы вкладывали один в другой, а в тесте РПО меняли только положение одного из существующих предметов (замененный объект далее называется «новым» (novel)). Так или иначе, в каждом из тестов второй объект оставался неизменным, включая его расположение (далее он называется «знакомым» (familiar)). Мышь снова помещали в камеру и обучали в течение нескольких минут, в ходе которых замеряли время, затраченное ею на изучение нового (novel) и знакомого (familiar) объектов. Мыши имеют привычку исследовать новые объекты, поэтому, если они запоминают объекты и их расположение во время обучения, время исследования нового объекта (novel) увеличивается, а если не запоминают, время исследования обоих объектов является одинаковым (рис. 11). После перорального приема ERGO, при проведении теста РНО время исследования нового объекта (novel) было больше, чем время исследования знакомого объекта (familiar). Аналогичный эффект наблюдался при проведении теста РПО, хотя и в меньшей степени, чем при проведении теста РНО. При этом, концентрация ERGO в плазме и гиппокампе головного мозга в это время увеличилась дозозависимо, что подтверждает действие ERGO.
Механизм подобного эффекта улучшения функционирования мозга до сих пор недостаточно изучен. Однако, в ходе нашего недавнего исследования мы обнаружили, что ERGO увеличивает количество белка под названием «фактор роста нервов NT5» в гиппокампе – области мозга, ответственной за память и обучение, и, присутствуя в гиппокампе, активирует пути трансдукции сигналов под названием «сигнальный mTORC1» в нейрональных стволовых клетках, участвующих в регенерации нервов. NT5 – это белок, способствующий улучшению различных функций мозга, однако, даже при введении NT5 людям или мышам, NT5 не достигает мозга из-за наличия барьера под названием «гематоэнцефалический барьер». Между тем, ERGO увеличивает NT5 в гиппокампе головного мозга, тем самым он может усиливать действие NT5.
Интересно, что концентрация ERGO в плазме, при которой наблюдался подобный эффект улучшения функционирования мозга, в несколько раз превышала нормальный уровень (около 1 μM) у мышей, что практически полностью соответствовало уровню концентрации в плазме после перорального приема (от 5 до 25 мг в день) ERGO людьми, наблюдавшемуся в рамках зарубежного исследования, т. е. этот уровень является достижимым и для человека. Другими словами, хотя наше исследование до настоящего времени проводилось на мышах, наблюдаемый в нем эффект ERGO, улучшающий работу мозга, вероятно, наблюдается и при уровне концентрации, возможном для людей.
Итак, с учетом того, что ERGO, возможно, действует подобным образом на мозг человека, мы захотели выяснить, какое влияние оказывает ERGO на функционирование человеческого мозга, для чего было проведено клиническое исследование с участием здоровых людей и людей с умеренными когнитивными нарушениями (mild cognitive impairment, MCI), призванное сравнить различные функции мозга у группы, употреблявшей продукты с содержанием ERGO, и у группы, не употреблявшей такие продукты (группа плацебо). В результате, помимо значительного увеличения вербальной памяти по сравнению с группой плацебо, наблюдалось значительное улучшение общей памяти, вербальной памяти, скорости когнитивных функций, времени реакции и устойчивого внимания после приема, по сравнению с показателями до начала приема. Другими словами, было высказано предположение, что и у людей тоже ERGO улучшает некоторые функции мозга. В последнее время много говорится о том, что концентрация ERGO в крови человека снижается с возрастом, при легких когнитивных нарушениях, болезни Паркинсона и пр. Подобные результаты позволяют предположить, что OCTN1 или ERGO могут играть важную роль в функционировании мозга и при нейродегенеративных заболеваниях. Предполагается, что, поступая с пищей, ERGO всасывается из желудочно-кишечного тракта и достигает гиппокампа головного мозга, где нейрогенез опосредуется действием фактора роста нервов, тем самым способствуя улучшению памяти и способности к обучению (рис. 12).
Заключение.
История эрготионеина, отправной точкой в которой стали исследования мембранных транспортеров, началась с вопроса о том, зачем человеческому организму нужны мембранные транспортеры для ERGO, который он не способен синтезировать самостоятельно. Одним из ответов на этот вопрос является введение в организм ERGO – водорастворимой аминокислоты, не способной без мембранного транспортера проникнуть в организм сквозь клеточную мембрану, воздействовать на очаг воспаления и контролировать его, а также воздействовать на мозг для улучшения его функционирования. Другими словами, можно считать, что ERGO действует как витамин, защищающий организм и улучшающий работу мозга. Мы считаем, что дальнейшие исследования способны доказать витаминное действие ERGO в мозге и других структурах, и в настоящее время продолжаем свои исследования.
Интересно, что концентрация ERGO в плазме, при которой наблюдался подобный эффект улучшения функционирования мозга, в несколько раз превышала нормальный уровень (около 1 μM) у мышей, что практически полностью соответствовало уровню концентрации в плазме после перорального приема (от 5 до 25 мг в день) ERGO людьми, наблюдавшемуся в рамках зарубежного исследования, т. е. этот уровень является достижимым и для человека. Другими словами, хотя наше исследование до настоящего времени проводилось на мышах, наблюдаемый в нем эффект ERGO, улучшающий работу мозга, вероятно, наблюдается и при уровне концентрации, возможном для людей.
Итак, с учетом того, что ERGO, возможно, действует подобным образом на мозг человека, мы захотели выяснить, какое влияние оказывает ERGO на функционирование человеческого мозга, для чего было проведено клиническое исследование с участием здоровых людей и людей с умеренными когнитивными нарушениями (mild cognitive impairment, MCI), призванное сравнить различные функции мозга у группы, употреблявшей продукты с содержанием ERGO, и у группы, не употреблявшей такие продукты (группа плацебо). В результате, помимо значительного увеличения вербальной памяти по сравнению с группой плацебо, наблюдалось значительное улучшение общей памяти, вербальной памяти, скорости когнитивных функций, времени реакции и устойчивого внимания после приема, по сравнению с показателями до начала приема. Другими словами, было высказано предположение, что и у людей тоже ERGO улучшает некоторые функции мозга. В последнее время много говорится о том, что концентрация ERGO в крови человека снижается с возрастом, при легких когнитивных нарушениях, болезни Паркинсона и пр. Подобные результаты позволяют предположить, что OCTN1 или ERGO могут играть важную роль в функционировании мозга и при нейродегенеративных заболеваниях. Предполагается, что, поступая с пищей, ERGO всасывается из желудочно-кишечного тракта и достигает гиппокампа головного мозга, где нейрогенез опосредуется действием фактора роста нервов, тем самым способствуя улучшению памяти и способности к обучению (рис. 12).
Заключение.
История эрготионеина, отправной точкой в которой стали исследования мембранных транспортеров, началась с вопроса о том, зачем человеческому организму нужны мембранные транспортеры для ERGO, который он не способен синтезировать самостоятельно. Одним из ответов на этот вопрос является введение в организм ERGO – водорастворимой аминокислоты, не способной без мембранного транспортера проникнуть в организм сквозь клеточную мембрану, воздействовать на очаг воспаления и контролировать его, а также воздействовать на мозг для улучшения его функционирования. Другими словами, можно считать, что ERGO действует как витамин, защищающий организм и улучшающий работу мозга. Мы считаем, что дальнейшие исследования способны доказать витаминное действие ERGO в мозге и других структурах, и в настоящее время продолжаем свои исследования.
22.08.2026