Кальций – один из важнейших элементов в организме человека и самый распространенный, связанный с обеспечением физиологического гомеостаза и нормального функционирования практически всех систем организма, содержится в составе соединений с белками, фосфолипидами, органическими кислотами, в виде солей, а также в ионизированной форме [119].
Именно свободный кальций принимает участие в регуляции внутриклеточных процессов, являясь одной из универсальных сигнальных молекул, регулирующих разнообразные биологические процессы – от мембранного потенциала до ионов-переносчиков, активности киназ и транскрипции [133], ее эпигенетической регуляции [47] и других молекулярных механизмов, обеспечивающих нормальное функционирование клетки. Ионы кальция инициируют процессы возбуждения, сокращения, роста, пролиферации, синаптогенеза, нейрогенеза, секреции гормонов и биологически активных веществ, апоптоза, некроза, аутофагии и других. Система кальциевой сигнализации высоко лабильна и обеспечивается сложными механизмами контроля над различными по продолжительности и динамике клеточными процессами.
Концентрация кальция внутри клетки мала, во внеклеточном пространстве – многократно выше [45]. Кальций может поступать в цитоплазму из межклеточного пространства через каналы плазматической мембраны или из внутриклеточных депо – митохондрий и эндоплазматического (саркоплазматического) ретикулума. И, напротив, внутриклеточный кальций выводится из цитоплазмы АТФазами и обменниками во внеклеточное пространство, либо во внутриклеточные депо кальция [2]. Баланс концентраций определяется энергозависимой работой мембранных каналов, насосов и обменников за счет реакций входа и выхода кальция. Cвязывание лиганда с рецептором, изменение потенциала и другие внешние стимулы индуцируют вход внеклеточного кальция в цитозоль и активацию вторичных посредников, которые запускают выход кальция из внутриклеточных депо [24, 33.] Тонкая регуляция кальциевого сигнала в клетке осуществляется различными молекулами-мишенями, индуцирующими и модифицирующими изменения концентрации Са2+ (помпы, каналы, Са2+-связывающие белки, Са2+-зависимые ферменты). При избыточности кальция в цитозоле клеток происходит аккумулирование ионов кальция в митохондриях при помощи кальциевого унипортера [11], а высвобождение кальция происходит посредством натрий/кальциевого и кальций/протонного обменников [110, 156]. Избыточное накопление кальция в митохондриях может приводить к генерации кислородных свободных радикалов, формированию пор высокой проницаемости, высвобождению цитохрома С, играющих важную роль в гибели клеток при многих патологических процессах. Кроме того, аккумуляция Са2+ митохондриями участвует и в поддержании биоэнергетического баланса клетки, что особенно важно для нервных клеток, где периоды клеточной активности и энергетических затрат тесно связаны с потенциалами действия и синаптической передачей сигнала.
Кальциевая сигнализация в нервной ткани имеет особое значение, так как участвует в деполяризации мембраны и синаптической активности, обеспечивая пластичность нейронов, а также контроле биохимических и физиологических процессов [36, 130]. Нейроны очень чувствительны к изменениям внутриклеточной концентрации Ca2+. Даже относительно небольшие нарушения Сa2+-сигнализации могут со временем привести к разрушительным последствиям [149]. В поддержании определенного уровня внутриклеточного Ca2+ задействованы различные Ca2+-связывающие белки цитоплазмы и эндоплазматического ретикулума (такие как кальбандин-D28, кальретинин, парвальбумин, кальретикулин, кальнексин) и Ca2+-зависимые структуры – белки, вовлеченные в слияние синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной, Ca2+-зависимые киназы и фосфатазы, сигнальные энзимы и транскрипционные факторы [1].
Многообразие Сa2+-зависимых элементов обеспечивает возможность тонкой Сa2+-зависимой регуляции нейрональных функций во времени. Эти Сa2+-зависимые процессы приводят к кратковременным и долговременным изменениям возбудимости нейронов и к изменениям в работе синапсов [1].
Известно, что нарушения гомеостаза кальция в центральной нервной системе могут являться основой для запуска патогенетических механизмов развития нейродегенеративных и нейропсихиатрических расстройств [8].
В соответствии с такими представлениями, причиной развития большого количества патологических состояний является изменение равновесной концентрации Ca2+ [133]. Значимой является роль Ca2+ в возбуждении клеток организма посредством влияния на мембраны нервных клеток. Снижение внеклеточной концентрации Ca2+ увеличивает возбудимость мембран, а ее повышение, напротив, влечет за собой снижение возбудимости [7].
Заболевания, вызванные нарушением использования кальция в клетке, называют кальциопатиями. Нарушения в работе кальциевых каналов, вызванные дисфункцией субъединиц ионного канала и/или регулирующих их белков, принято обозначать кальциевыми каналопатиями. Они составляют основу кальциопатий наряду с дисфункцией регуляторных путей и митохондрий [133]. В данной работе будут рассмотрены более подробно физиологические и генетические аспекты кальциевых каналопатий и кальциопатий в их взаимосвязи с различными психоневропатологиями, а также освещены подходы к их лечению на основе воздействия на процессы кальциевого обмена и гены кальциевого ответа.
Са2+-каналы представляют собой структуры в мембране клеток и внутриклеточных органелл, через которые проходит пассивный транспорт ионов кальция. Каналы непроницаемы для ионов в неактивном состоянии, тогда как при активации образуют ионоселективные поры, через которые ионы Са2+ проникают внутрь клетки. Кальциевые каналы являются рецепторами некоторых внеклеточных и внутриклеточных сигналов, имеют особые участки в своей структуре, необходимые для связывания лигандов или служащие сенсорами [6].
Кальциевые каналы плазматической мембраны делят по механизму их активации на: 1) потенциал зависимые Са2+-каналы (Voltage-gated Ca2+-channels; VGCC, или Voltage operated channels; VOC), 2) рецептор-управляемые Са2+-каналы (receptor-operated channels, ROC), 3) депо-управляемые Са2+-каналы (store-operated Ca2+ channels, SOC) [6, 10, 24, 33]. Деление условно, поскольку для многих потенциал-управляемых каналов известна прямая регуляция рецепторами, показана и возможность регуляции рецептор-управляемых каналов потенциалом мембран.
Представлена классификация и краткое описание основных типов кальциевых каналов, более подробно остановимся на потенциал-управляемых кальциевых каналах, с дисфункцией которых связано большинство кальциевых каналопатий.
Потенциал-управляемые каналы VOC были обнаружены впервые в электровозбудимых клетках. При потенциале покоя они находятся в неактивном состоянии, их активация происходит при деполяризации мембраны, сдвиге потенциала в положительную область. VOC находят не только в возбудимых, но и эндокринных клетках [3, 6]. Потенциал-зависимые кальциевые каналы, расположенные в мембранах нейронов и мышечных волокон, являются наиболее значимыми участниками кальциевой сигнализации и запускают множество различных процессов в клетке. В нейронах они участвуют в проведении электрических импульсов, процессах синаптической передачи, регулируют секреторные клеточные процессы, экспрессию генов [24, 36, 45].
Кальциевые каналы VOC различаются по чувствительности к мембранному потенциалу и фармакологическим веществам, а также по проводимости. Изначально были обнаружены каналы L-, T- и N- и P-типа. Названия L (Long-lasting)- и T (transient)-типов даны по длительности инактивации, N (neuron)- и P (Purkinje cells)- по типу клеток, где они были обнаружены. В дальнейшем выявили еще 2 дополнительных типа кальциевых каналов: каналы Q-типа, незначительно отличающиеся от каналов Р-типа (их стали часто группировать вместе и обозначать как кальциевые каналы P/Q-типа), а также каналы, которые остаются активны при блокировании L-, T-, N-, P/Q- типов, а сами блокируются ионами никеля; их назвали каналами R-типа.
Каналы L-, T-, N-, P/Q- и R-типов индуцируют выброс нейротрансмиттера из пресинаптического окончания нейрона. Выделяют две основные категории кальциевых каналов – высокопороговые и низкопороговые. Высокопороговые (HVA) состоят из каналов L-типа (CaV1.1, 1.2, 1.3 и 1.4, кодируются соответственно генами CACNA1S, CACNA1C, CACNA1D, CACNA1F), P/Q-типа (CaV2.1, ген CACNA1А), N-типа (CaV2.2, ген CACNA1B), а низкопороговые каналы (LVA) включают каналы T-типа (CaV3.1, CaV3.2, CaV3.3, гены CACNA1G, CACNA1Н, CACNA1I). Каналы R-типа имеют промежуточный порог активации (CaV2.3, ген CACNA1E). Все каналы HVA содержат несколько субъединиц, формирующих функциональный комплекс каналов. Эти субъединицы включают порообразующую субъединицу CaVα1 и вспомогательные субъединицы α2δ и β, а в некоторых случаях субъединицу γ. Напротив, для функционирования каналов LVA требуется только субъединица CaVα1. Субъединица α1 образует проводящий канал, несет сенсор потенциала и участок, связывающий дигидропиридин. Субъединицы CaVα1 – основные функциональные единицы, образующие поры, демонстрируют четыре повторяющихся домена, каждый из которых содержит шесть трансмембранных сегментов [65].
Потенциал-зависимые кальциевые каналы играют важную роль в обеспечении экспрессии генов в ответ на деполяризацию мембраны [18]. Происходит, например, активация таких факторов транскрипции как CREB (cAMP response element-binding protein), NFAT (Nuclear factor of activated T-cells), DREAM (Downstream regulatory element antagonist modulator), изменения экспрессии MEF2 (Myocyte enhancer factor-2), MeCP2 (methyl-CpG binding protein 2), SRF (serum response factor), NFκB (nuclear factor κB) [18].
К рецептор-управляемым каналам ROC относят Са2+-каналы, которые активируются исключительно по рецептор-опосредованному пути, – собственно кальциевые каналы и низкоселективные катионные каналы. Выделяют подгруппы ROC, участвующие в транспорте Са2+: истинные ROC каналы и Ca2+-каналы, активируемые вторичными мессенджерами (second messenger-operated channels – SMOC).
ROC активируются за счет связывания лиганда, например, нейромедиатора, с их внеклеточным доменом, что ведет к открытию ионного канала [6]. Основным возбуждающим нейромедиатором в мозге млекопитающих является L-глутамат, активирующий ионотропные и метаботропные рецепторы. Ионотропными глутаматными рецепторами являются NMDA и AMPA рецепторы. AMPA рецепторы опосредуют быструю возбуждающую синаптическую передачу, являются проводящими каналами ионов Na+ и K+, некоторые из них проницаемы и для Ca2+. NMDA рецепторы проницаемы для Na+ (постсинаптическая деполяризация) и для Ca2+, генерирующего кальциевый ответ и определяющего внутриклеточные процессы. Активация этих каналов требует не только связывания лиганда, но и деполяризации мембраны. При деполяризации удаляются внеклеточные ионы Mg2+, блокирующие каналы в неактивном состоянии [24, 33].
Подгруппа кальциевых каналов, активируемых вторичными посредниками SMOC, представлена каналами, сопряжение которых с рецепторами происходит при участии вторичных посредников. Известны кальциевые каналы плазматической мембраны, активируемые инозитол-1,4,5-трисфосфатом, инозитол-1,3,4,5-тетракисфосфатом, ионами Са2+ и циклическми нуклеотидами цГМФ и цАМФ. Из активируемых вторичными посредниками проводящих Са2+ каналов лучше всего исследованы цГМФ/цАМФ-чувствительные каналы.
Каналы, управляемые кальциевым депо (SOC), представлены семейством каналов с транзиторным рецепторным потенциалом TRPC (Transient receptor potencial canonical) (TRPC1, TRPC2, TRPC3, TRPC4, TRPC5, TRPC6 и TRPC7), каналами семейства Orai (Orai1, Orai2 и Orai3) и двумя кальциевыми сенсорами – каналами STIM1 и STIM2 ( STIM – stromal interaction molecule, молекула стромального взаимодействия), пронизывающими мембрану эндоплазматического ретикулума и отличающимися по своей чувствительности к концентрации кальция в депо [10]. Задача каналов SOC – постоянно пополнять запасы ионов Са2+ в саркоплазматическом (эндоплазматическом) ретикулуме при их снижении вследствие выхода по кальциевым каналам [10]. Молекулы, участвующие в сигналинге депо-зависимого кальциевого входа, представляют собой Ca2+-связывающие трансмембранные белки из семейства с EF-доменами (EF-hand family). Впервые каналы, активируемые выходом кальция из эндоплазматического ретикулума, были обнаружены в невозбудимых клетках, позже они были найдены также в нейронах и мышечных тканях [152].
TRPK каналы активируются высвобождением кальция и открываются в результате истощения внутриклеточных запасов кальция. По структуре их делят на белки первой группы – TRPK 1,4,5 и второй – TRPK 3,6,7, что определяет их способность взаимодействовать с сенсорами уровня ионов кальция STIM. Каналы из первой группы способны связываться с сенсорами STIM и работают как депо-управляемые. В головном мозге млекопитающих в основном представлены каналы TRPK 1,4,5, экспрессирующиеся в кортиколимбических областях. Каналы из второй группы могут работать независимо и активироваться производными каскада фосфолипазы С, диацилглицеролом и вне зависимости от опустошения депо [42].
Наиболее изученные к настоящему времени Orai1 каналы имеют низкую проводимость, играют ключевую роль в поддержании депо-управляемого входа кальция в клетку.
Кальциевые сенсоры STIM теряют связь с кальцием при уменьшении концентрации кальция в депо, происходит изменение их конформации и перемещение в область сближения плазматической мембраны и мембраны эндоплазматического ретикулума.
Действие кальция опосредовано рецепторами инозитол-трифосфата (IP3Rs) и рианодиновыми рецепторами (RyRs), которые могут играть роль сенсоров нарушенного внутриклеточного гомеостаза кальция [3, 79]. Выход кальция из эндоплазматического ретикулума осуществляется через эти рецепторы, в результате чего в цитоплазме запускается локальное повышение концентрации кальция, регулирующего различные внутриклеточные процессы.
Нарушения внутриклеточного гомеостаза кальция лежат в основе кальциопатий. Кальциопатии – общий термин, обозначающий нарушения использования кальция в клетке, вызванные дисфункцией субъединиц ионного канала и/или регулирующих их белков, включают отклонения в работе регуляторных путей и митохондрий, основных внутриклеточных депо кальция, которые участвуют в передаче сигналов кальция [68]. Через эти каналы Ca2+ во время потенциала действия попадает в клетку, влияя на самые разные внутриклеточные процессы. Так, кратковременное увеличение уровня Ca2+ в процессе потенциала действия приводит как к выбросу медиаторов в нервном окончании, так и к сокращению мышечного волокна.
Кальциевые каналопатии – разновидность кальциопатий, связанных с нарушением структуры и функции ионных каналов, что может приводить, учитывая важность кальция для внутриклеточной сигнализации, к значительным клеточным изменениям и серьезным заболеваниям нервной системы (как правило, это редкие моногенные формы заболеваний). Нейрональные кальциевые каналы участвуют в контроле высвобождения нейромедиаторов, регуляции экспрессии генов, интеграции и распространении постсинаптических сигналов и росте нейритов. Резкое повышение, либо снижение уровня кальция может быть цитотоксичным [102].
Каналопатии имеют генетическую или приобретенную природу, их проявление обусловлено преимущественно мутациями генов, кодирующих белки ионных каналов. Систематизация таких мутаций началась в 90-е годы [95, 72 ].
Неполная Х-сцепленная врожденная стационарная куриная слепота у человека связана с мутациями в гене, кодирующем субъединицу α1F ретинального канала L-типа, что приводит к измененной синаптической передаче от фоторецепторных клеток к нейронам сетчатки второго порядка и вызывает нарушения ночного и дневного зрения [102].
Обнаружены мутации в генах, кодирующих субъединицу кальциевого канала α1A, которые вызывают у человека изменение функции мозжечка при аутосомно-доминантных неврологических расстройствах, – семейной гемиплегической мигрени, эпизодической атаксии типа 2, спиноцеребеллярной атаксии 6 и эпизодической и прогрессирующей атаксии [72, 89, 102]. Существуют модели с мутациями в генах, кодирующих α1A у мышей (например, [66]).
Низкопороговые кальциевые каналы Т-типа (CaV3-каналы) играют существенную роль в регуляции физиологических функций в нервной системе. Они регулируют возбудимость нейронов, участвуют в сенсорной обработке, высвобождении гормонов и нейротрансмиттеров за счет своих электрофизиологических свойств. Выявлено, что мутации в генах, кодирующих CaV3-каналы (CACNA1G, CACNA1H и CACNA1I) связаны с СаV3 каналопатиями, вызывающими нарушения развития нервной системы, неврологическими и психическими заболеваниями. Именно генетические исследования внесли большой вклад в выяснение роли каналов CaV3, их свойств в протекании как физиологических, так и патологических процессов, в выявление патогенетических механизмов заболеваний нервной системы. К таким исследованиям можно отнести, в частности, изучение in vitro и in vivo мутантных каналов, de novo миссенс-мутаций с усилением функции, недавно обнаруженных в генах CACNA1G и CACNA1H [103].
Следует отметить, что во многих случаях мутации, лежащие в основе каналопатий, идентифицированы, но механизмы, способствующие формированию патологии, остаются недостаточно исследованными.
Исследование каналопатий дает возможность оценить молекулярные (генетические и нейрохимические) нарушения в работе центральной нервной системы у пациентов с нейропсихическими заболеваниями и позволяет расширить представления о степени важности кальциевой сигнализации в функционировании мозга.
В этиопатогенезе психоневрологических заболеваний роль кальциевой сигнализации рассматривается в качестве определяющей, поскольку это наиболее крупный сигнальный путь с наибольшим количеством взаимодействий с другими сигнальными путями [8, 107]. Ионы кальция играют важную роль в большинстве сигнальных путей и сетей взаимодействия сигнальных путей. Многие гены кальциевого сигнального пути связаны с различными формами психоневропатологии.
Кальциевая сигнализация играет основополагающую роль в различных нейрональных процессах – в контроле выхода нейромедиаторов из пресинаптической терминали, регуляции нейрональной возбудимости и синаптической пластичности, ответственной за обучение и память [26]. В связи с этим кальциопатии оказывают значительное влияние на функционирование головного мозга.
Известно, что нарушения кальциевой сигнализации характерны для таких нейропсихических заболеваний, как биполярное расстройство и шизофрения [26], депрессия [55, 60, 112], аутизм [8, 51]. Выявлена ключевая роль кальциевой дисрегуляции в нейродегенеративных заболеваниях [62] – болезни Альцгеймера [87, 150, 41 ], болезни Паркинсона, болезни Хантингтона [50], спиноцеребеллярных атаксий и др. [1].
Полногеномные исследования ассоциаций (GWAS), которые широко проводятся в последнее десятилетие, позволяют изучать миллионы генетических вариантов и являются мощным инструментом для выявления общих генетических факторов риска развития заболеваний человека, в том числе – нейропсихиатрических [9]. В рамках исследований Cross-Disorder Group of the Psychiatric Genomics Consortium проведен крупнейший полногеномный анализ пяти основных нейропсихических расстройств (расстройство аутистического спектра, синдром дефицита внимания с гиперактивностью, биполярное расстройство, большое депрессивное расстройство и шизофрения). Проанализированы данные об однонуклеотидных полиморфизмах (SNP) по всему геному, выявлена связь определенных SNP c исследуемыми заболеваниями [94].
Результаты клинических, эпидемиологических и молекулярно-генетических исследований позволяют предположить, что некоторые генетические факторы риска являются общими для нейропсихических расстройств.
В частности, изменения в передаче сигналов через кальциевые каналы, по-видимому, оказывают плейотропное влияние на психопатологию и могут рассматриваться в качестве фундаментального механизма, способствующего широкой предрасположенности к этим заболеваниям [94]. Так, например, для пяти исследованных заболеваний были выявлены два локуса, кодирующие субъединицы кальциевых каналов (CACNA1C и CACNB2), SNP для которых превышают пороговое значение в первичном анализе [94].
Субъединицы CaVα1, CaVα2δ и CaVβ потенциал-управляемых каналов L-типа уже являются относительно хорошо известными фармакологическими мишенями, продемонстрировано их участие в процессах развития и возбуждения нейронов, в формировании синапсов. Показано, что вариации в гене, кодирующем CaV, связаны с пятью основными психическими расстройствами (расстройство аутистического спектра, синдром дефицита внимания с гиперактивностью, биполярное расстройство, большое депрессивное расстройство и шизофрения) [14]. Однако главная проблема заключается в том, чтобы связать генетические вариации CaV с их патофизиологическими функциями при психиатрических расстройствах. Исследования SNP rs1006737 в CACNA1C являются ведущими в этом вопросе; несколько исследований были выполнены на молекулярном, клеточном и поведенческом уровнях, чтобы выяснить, как задействованы вариации этого гена в биполярном расстройстве [14].
Ключевая роль в патогенезе нейропсихических расстройств может принадлежать белку кальмодулину, как непосредственному участнику внутриклеточной кальциевой сигнализации [43, 143]. Кальмодулин (кальций-модулированный протеин, СаМ) – это многофункциональный кальций-связывающий белок, который экспрессируется во всех эукариотических клетках [142]. CаМ является внутриклеточной мишенью вторичного меcсенджера Ca2+. Cвязывание Са2+ активирует кальмодулин, который после активации действует как часть пути передачи кальциевого сигнала, вступая во взаимодействие с белками-мишенями – СаМ-киназами (СаМК) [43, 124].
С СаM связывают кальциевые эффекты возбуждения. Активность CaM-киназ наиболее выраженно регистрируется в тканях мозга. Эти киназы отвечают за целый ряд функций мозга – регулируют процессы синаптической пластичности, экспрессии генов и ремоделирования цитоскелета, что определяет их ключевую роль при формирования нейропсихиатрических расстройств [143]. В экспериментальных моделях на животных выявлены эффекты влияния СаMKII и CaMKIV, подобные антидепрессивному и анксиолитическому, и прокогнитивному [129]. Предполагается, что дисфункция CaMKII в мозге может лежать в основе ряда нервно-психических расстройств, таких как шизофрения, депрессия, эпилепсия, нарушения развития нервной системы. Это влияние может быть опосредовано нарушением глутаматной сигнализации и нейропластичности [127]. Разрабатываются фармакологические подходы, позволяющие проводить фармакологическое ингибирование CaMKK2 (кальций/кальмодулин-зависимая протеинкиназа киназа 2, принимает участие в каскаде кальций/кальмодулин-зависимых (CaM) киназ, фосфорилируя киназы CaMK1 и CaMK4) [163].
Остановимся более подробно на некоторых нейропсихиатрических заболеваниях, патогенез которых связан с нарушениями в системе кальциевой сигнализации.
Аутизм – это сложный синдром, который характеризуется целым рядом состояний и симптомов, определяющих его как спектр расстройств (расстройство аутистического спектра, РАС) [13, 105].
Расстройство аутистического спектра (РАС) – это группа расстройств, вызванных патологией развития нервной системы, приводящих к раннему нарушению психического развития. Заболевание характеризуется выраженным дефицитом социального взаимодействия, вербальной и невербальной коммуникации, повторяющимся стереотипным поведением и ограничением интересов [13, 93]. Сопутствующие симптомы включают раздражительность, тревожность, агрессию и др. [30].
РАС включает в себя группу полигенных расстройств многофакторного происхождения, развивающихся на сложном генетическом фоне. Известно о генетических мутациях, эпигенетических изменениях, однонуклеотидных полиморфизмах и вариациях числа копий (CNVs), которые вызывают аутизм или изменения его фенотипа [121, 147]. Один из основных факторов патогенеза аутизма – вариации числа копий (CNVs) нескольких генов, регулирующих синаптогенез и сигнальные пути. Этот процесс вызывает дисфункцию пластичности, которая, в сочетании с эпигенетическими модификациями и разнообразными провоцирующими факторами внешней среды, приводит к развитию РАС. В частности, нарушение глутаматергической сигнализации и баланса в возбуждающих и тормозных путях вызывает активацию глиальных клеток и высвобождение воспалительных медиаторов, которые отвечают за абберантное социальное поведение аутистов [30].
Среди сигнальных путей, влияющих на патогенез РАС, важная роль отводится кальциевой сигнализации [121]. Доказана роль генетических эффектов различных ионных каналов, в том числе кальциевых, в патогенезе РАС [133, 51 ]. Так, известно, что точечная мутация в гене CACNA1C, кодирующем потенциалзависимый Ca2+ канал L-типа Cav1.2, вызывает синдром Тимоти, сопровождающийся, в частности, аутистическими проявлениями [138]. Каналы этого типа играют важную роль в активации Ca2+-сигнальных путей и возбудимости нейронов [39]. После деполяризации мембраны каналы Ca2+ сначала открываются, но под влиянием механизмов отрицательной обратной связи закрываются и остаются в неактивированном состоянии. Под действием мутации инактивация Ca2+ каналов нарушается, что приводит к его длительному открытию и увеличению внутриклеточного потока Ca2+ у больных с синдромом Тимоти [138, 19 ]. У больных, имеющих симптомы РАС, также выявлены мутации в других генах, кодирующих потенциалзависимые кальциевые каналы – CACNA1D [118], CACNA1H [139], CACNB2 [34].
Понимание патогенеза РАС совершенствуется благодаря достижениям в области геномного секвенирования и создания генетических моделей. C помощью широкогеномныех ассоциативных исследований (GWAS) выявлено более 800 локусов с вариантами, имеющими повышенную восприимчивость к РАС (Коллаборация в открытом доступе: http://www.mindspec.org/autdb.html).
Выявлено большое количество вариантов генов, ассоциированных с РАС, кодирующих субъединицы кальциевых каналов и кальциевые сигнальные белки, с которыми они взаимодействуют. В частности, обнаружены варианты в локусах кодирующих альфа-субъединицы кальциевых каналов CACNA1C, CACNA1D, CACNA1H, CACNA1G, CACNA1I, CACNA1E и их вспомогательные субъединицы CACNB2, CACNA2D3, CACNA2D2 и CACNA2D4, а также в локусе GRIN2B, кодирующем субъединицу кальций-проницаемого NMDA-рецептора в возбуждающих синапсах по всему мозгу [109].
В работе Лиао и Ли [97] обобщены и проанализированы результаты генетических исследований, содержащиеся в трех базах данных, с целью выявления генетических ассоциаций между потенциал-зависимыми кальциевыми каналами и РАС. Обнаружены ассоциации с РАС для локусов, кодирующих α субъединицы кальциевых каналов (гены CACNA1A, CACNA1B, CACNA1C, CACNA1D, CACNA1E, CACNA1F, CACNA1G, CACNA1H и CACNA1I), а также их вспомогательные субъединицы (гены CACNB2, CACNA2D3 и CACNA2D4) [97]. По мнению авторов, полученные данные указывают на то, что Ca2+ сигнализация является наиболее значимым узлом “интегративной сетевой модели” [166] взаимодействия генов и среды в контексте РАС [97]. Полученные данные хорошо согласуются с ранее опубликованными, приведенными выше.
В дополнение к генам ионных каналов, связанным с риском развития РАС, получены данные, свидетельствующие об участии митохондриальных переносчиков и кальциевых насосов в патогенезе аутизма. Известно, что именно митохондрии, наряду с эндоплазматическим ретикулумом, являются ключевыми структурами, вовлеченными в кальциевую сигнализацию при РАС [121, 109 ].
В недавней работе 2022 г. [125] по изучению результатов мета-анализов 28 генетических исследований, посвященных поиску генов-кандидатов РАС, на основе анализа 41 однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) 9 генов выявлено 12 значимых SNP в пяти генах, в том числе в гене SLC25A12, кодирующем кальций-связывающий митохондриальный белок-носитель [99, 100]. Более высокий риск развития РАС выявлен у людей с мутантным аллелем rs2056202 или rs2292813 в гене SLC25A12 [15].
В другом исследовании выявлена повышенная транспортная активность продукта гена SLC25A12 в посмертной ткани мозга шести больных аутизмом по сравнению с тканями от пациентов контрольных групп. Установлено, что это связано с повышенным уровнем цитозольного кальция в тканях больных, страдающих этим заболеванием [115].
Результаты различных исследований подтверждают высокую степень наследуемости РАС, хотя механизмы с помощью которых выявленные гены приводят к фенотипам РАС, не установлены [109]. Предпринимаются попытки изучения роли этих генов в ключевых биохимических и биофизических путях патогенеза РАС [109].
Шизофрения – это тяжелое, социально значимое психическое заболевание, характеризующееся продуктивной, негативной симптоматикой и когнитивными нарушениями [101, 128].
В настоящее время особое внимание в исследованиях шизофрении уделяют когнитивному дефициту, так он связан с плохим ответом организма больного на терапию и с вероятностью рецидива [113]. Высокая наследуемость когнитивных нарушений в семьях пациентов с шизофренией (55–98%) инициировала интерес к исследованиям в области генетического картирования этих нарушений и других психических расстройств с помощью полигенных методов [158, 164].
На основании результатов GWAS – Полногеномных Ассоциативных Исследований общих когнитивных функций и шизофрении, сделаны выводы о том, что наследование заболевания носит в значительной степени полигенный характер. Ассоциации обнаружены, как правило, для генов, выраженно экспрессируемых в тканях мозга, что обеспечивает высокую биологическую достоверность полученных результатов [9]. Роль кальциевой сигнализации в этиологии этого заболевания не вызывает сомнения [25, 90, 94].
В полногеномных исследованиях выявлены ассоциации с генами CACNA1C, CACNB2 и CACNA1I, которые кодируют субъединицы потенциал-зависимых кальциевых каналов, что дополняет и подтверждает существующие представления о роли этого семейства белков в шизофрении и других психических расстройствах [64, 71, 94, 126]. Гены, которые кодируют кальциевые каналы, и белки, участвующие в глутаматергической нейротрансмиссии и синаптической пластичности, были выявлены независимым путем в исследованиях общей и редкой генетической изменчивости [67, 91, 123]. В cвязи с полученными результатами представляет интерес выявление участия генов кальциевого сигнального пути в нарушении исполнительной функции у пациентов, страдающих шизофренией [90].
Нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера (БА), болезнь Паркинсона, амиотропный латеральный склероз, болезнь Хантингтона и спинномозжечковые атаксии представляют собой важнейшую проблему фундаментальной науки и практической медицины. Для разработки эффективных методов лечения этих патологий необходимо ясное понимание их этиологии и патофизиологии [1].
Болезнь Альцгеймера (БА). Механизм, лежащий в ее основе, до конца не изучен [41]. В большинстве случаев БА носит спорадической характер с поздним проявлением симптомов (у людей старше 60 лет). Небольшая часть от всех случаев этого заболевания (1–2%) – семейная БА, характеризуется генетическим наследованием и ранним проявлением симптомов [74]. При болезни Альцгеймера наблюдается преимущественная гибель нейронов гиппокампа [132].
Cуществует несколько различных гипотез возникновения этой патологии. Первой была предложена холинергическая гипотеза, согласно которой болезнь вызывается сниженным синтезом нейромедиатора ацетилхолина [53]. Тау-гипотеза основывается на предположении о существовании механизма нейротоксичности, приводящего к деградации цитоскелета по причине потери стабилизирующего микротрубочки тау-белка [78].
“Амилоидная гипотеза”, принятая в качестве основной [70, 73, 74], постулирует, что накопление β-амилоидных бляшек запускает повреждение нейронов, образование нейрофибриллярных клубков с помощью тау-белка, что приводит к дисфункции нейронов и гибели клеток [31, 76, 134]. Наследственная форма БА вызвана мутациями в генах, кодирующих пресенилин 1 (PS1), пресенилин 2 (PS2) и белок-предшественник амилоида (APP) [22, 74]. Пресенилины вместе с ферментом секретазой образуют секретазный протеазный комплекс, который отвечает за расщепление белка APP и последующее образование токсичных пептидов – бета-амилоидов (Aβ). Производство Aβ требует двух последовательных расщеплений APP, индуцируемых бета- и гамма-секретазами. Измененная активность этих секретаз участвует в патогенезе БА. При поздней спорадической БА повышаются экспрессия и активность β-секретазы (BACE1) в головном мозге. Мутантный пресенилин 1 (PS1), основной генетический дефект ранней семейной (наследственной) БА, изменяет активность гамма-секретазы, приводя к увеличению продукции Aβ42 [146].
Однако попытки разработать препараты, снижающие выработку Aβ или усиливающие его выведение из мозга, не дают положительных результатов в клинических испытаниях БА [48, 85, 86]. Кроме того получены данные, свидетельствующие о том, что β-амилоид является антимикробным пептидом – компонентом врожденного иммунитета здорового организма, что было продемонстрировано как в модельных системах in vitro [7], так и на живых организмах [92, 106]. Результаты этих исследований не вполне согласуются с моделью Aβ-опосредованной патологии БА общепринятой амилоидной гипотезы и имеют важное значение для разработки стратегий лечения БА [137].
В качестве альтернативных по отношению к амилоидной гипотезе БА точек зрения предложены “Кальциевая гипотеза БА” [12, 29, 35, 88] и относительно новая “Иммунологическая теория болезни Альцеймера”, которая предполагает ключевую роль хронического воспаления (inflamm-aging) в патогенезе болезни Альцгеймера [4, 5].
Остановимся подробнее на “Кальциевой гипотезе”, в рамках которой в качестве ключевого патогенетического пути и характерной особенности БА рассматривается нарушение кальциевой сигнализации [12], влияющее на функционирование большинства клеточных компонентов нервной системы, на пластичность нейронов, на процессы обучения и памяти. Гипотеза основана на результатах многочисленных исследований, подтверждающих взаимосвязь кальциевого сигнального пути и патогенеза БА [17, 27, 29, 40, 150]. Она была изначально сформулирована в 80-х годах 20 в. в связи с изучением старения мозга и болезни Альцгеймера [88]. В 2004 г. гипотеза получила новое развитие в виде “Кальциевой гипотезы болезни Хантингтона” [27], а позднее была сформулирована как “Кальциевая гипотеза нейродегенеративных заболеваний” [1].
Известно, что при БА повышен уровень Са2+ в эндоплазматическом ретикулуме и в стареющих нейронах [29], что приводит к нарушениям в нейронной кальциевой сигнализации, смещающим баланс активности кальциневрина – Ca2+-зависимой фосфатазы (CaN) и Ca2+/кальмодулин-зависимой протеинкиназы II (CaMKII). Эти изменения блокируют долгосрочную потенциацию, вызывая долгосрочную депрессию, синаптические нарушения и ухудшение памяти, и в конечном счете – потерю синапсов и нейродегенерацию [23, 28, 120].
Причиной переизбытка внутриклеточного кальция при БА могут являться Ca2+-проницаемые поры в плазматической мембране, образуемые цитотоксичными пептидами Aβ [16, 17]. Кроме того, Aβ вызывает дисрегуляцию экспрессии и нарушение сигнализации NMDA-рецепторов – потенциальных источников внутриклеточного кальция, что приводит к нарушению синаптической пластичности и потере синапсов [135].
Получены данные, свидетельствующие о существенной роли в патогенезе БА нейронального пути входа кальция из запасов (SOCE), который активизируется после критического снижения уровня Са2+ в эндоплазматическом ретикулуме. Обнаружено снижение уровня экспрессии белка STIM2 – сенсора Ca2+ входа SOCE в экспериментах с фибробластами [32] и в образцах коры головного мозга пациентов с БА [144], а также в образцах гиппокампа мышей PS1-M146V-KI, моделирующих БА [144]. Снижение синаптической SOCE было показано на мышах с APP-мутацией и после введения пептидов Aβ [169]. Фармакологическая коррекция нейронального пути SOCE является одним из потенциальных направлений для разработки лекарств при БА [168].
БА является наиболее распространенной формой деменции, но ни один из методов лечения пока не приводит к улучшению когнитивных функций у пациентов [38]. Поэтому приобретает все большую актуальность разработка новых методов лечения, направленных на раннюю причину БА. Коррекция дисрегуляции внутриклеточных кальциевых процессов может являться перспективной терапевтической стратегией, которая может быть применима в сочетании с традиционными методами лечения и разрабатываемыми методами генной терапии для предотвращения развития БА [38].
Болезнь Хантингтона (БХ) – это прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, сопровождающееся моторными, когнитивными и психическими нарушениями. На начальных этапах болезни происходит поражение полосатого тела (стриатума) с симптомами поражения двигательных функций, но при прогрессировании могут значительно повреждаться и другие области головного мозга [154]. Для БХ характерна избирательная гибель ГАМК-ергических нейронов стриатума [153].
Эта патология наследуется по аутосомно-доминантному типу, вызвана мутацией в гене HTT, кодирующем белок хатингтин [104]. Мутация в гене приводит к переизбытку аминокислотного остатка глутамина в белке хантингтин. Патогенез БХ обусловлен токсичными свойствами мутантного белка хантингтина (mHtt) с одновременным нарушением функций нормального белка (Htt) [170]. Эти изменения запускают такие процессы, как транскрипционная дисрегуляция, синаптическая дисфункция, дисфункция митoхондрий, окислительный стресс, нарушение аксонального транспорта, гибель нейронов [82], вплоть до дегенерации стриатума в связи с нарушениями в регуляции транскрипции ряда генов, в том числе – генов, отвечающих за приток кальция (Ca2+) в клетку [50].
Дестабилизация Са2+-сигнализации в нейронах является результатом токсического действия мутантного белка хантингтина – mHtt [1]. Согласно “Кальциевой гипотезе БХ” mHtt влияет на кальциевую систему посредством изменения активности различных каналов, проницаемых для ионов кальция [27]. Так, показано, что экспрессия mHtt усиливает активность рецептора инозитол-1,4,5-трисфосфата InsP3R1 [148, 84 ], NR2B-содержащего NMDA-рецептора [167], приводя к притоку ионов кальция с клетку. Кроме того, мутантный хатингтин напрямую связывается с потенциал-зависимыми кальциевыми каналами [84, 145], изменяя ток Са2+ в клетку.
Доказана способность mHtt напрямую взаимодействовать с кальций-связывающими белками, в частности, с кальмодулином, препятствуя возможности выполнять его функции, связанные с инициированием внутриклеточных сигнальных процессов. Селективное нарушение взаимодействия CaM-хантингтин может послужить в качестве терапевтического вмешательства при БГ [58, 59].
Выявлено также взаимодействие между mHtt и другим кальций-связывающим белком – кальретинином, сверхэкспрессия которого ослабляет патологические изменения в Са2+-зависимой сигнальной системе клетки с одновременным снижением уровня внутриклеточного Са2+. Снижение экспрессии кальретинина, напротив, приводит к усилению процесса гибели нейронов. Авторы рассматривают кальретинин в качестве потенциальной терапевтической мишени для лечения БХ [56].
Известно, что ген NPY, кодирующий нейропептид Y, широко экспрессируется во всех отделах центральной нервной системы, играет важную роль при различных патологических состояниях, включая тревогу, эпилепсию, депрессию, посттравматическое стрессорное расстройство, а также нейродегенеративные заболевания – болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и болезнь Хантингтона. Показано, что вариации в экспрессии гена NPY, а также гена NPY2R, кодирующего рецептор нейропептида Y, способствуют нейропротекции и замедлению течения БХ, что позволяет рассматривать нейропептид в качестве возможного терапевтического средства от БХ [20, 54, 159].
Воздействие на трансгенных мышей YAC128 HD модулятора SK-каналов (кальций-активированные калиевые каналы малой проводимости) хлорзоксазона (CHZ) приводит к улучшению морфологии клеток мозжечка и к восстановлению двигательных симптомов в модели БХ на мышах. Результаты работы предполагают использование аналогичных подходов для лечения БХ у человека [61].
В работе Джакомелло с соавторами [69] проанализированы данные, полученные на людях с патологией БХ и на животных в экспериментах, моделирующих БХ. Представлены дифференциально экспрессируемые гены, связанные с кальциевой сигнализацией, 67 из которых снизили экспрессию, а 32 повысили в экспериментальных моделях по изучению данной патологии [69].
Недавние исследования показали, что один из основных сигнальных путей Ca2+, депо-управляемый вход Ca2+ (SOCE – Store-operated calcium entry), значительно активирован при БХ. Причиной прогрессирования заболевания является нарушение регуляции гомеостаза Са2+ в связи с аномальной активацией пути SOCE мутантным хантингтином. Взаимосвязь между патологией БХ и активацией SOCE продемонстрирована на различных моделях БХ [10, 50, 160, 161]. Препараты, ингибирующие SOCE, могут представлять собой потенциально новый подход к лечению БХ [117].
Большое депрессивное расстройство (БДР) – одно из наиболее распространенных психических заболеваний, вызванное взаимодействием различных факторов – социальных, психологических и биологических [96]. В настоящее время не существует точной теории, объясняющей его патогенез, но достигнут большой прогресс в разработке и применении новых антидепрессантов [96].
В последние годы активно проводится идентификация генов, ассоциированных с БДР. Но зачастую роль этих генов и их взаимодействие в этиологии и развитии этого заболевания остается не ясна [63]. В связи с этим особую актуальность приобретают подходы системной биологии, ориентированные на исследование функциональных взаимосвязей и взаимодействий генов-кандидатов БДР, что позволяет приблизиться к изучению молекулярно-генетических механизмов этого заболевания [63].
В работе Фан Т. c соавторами представлен список 255 генов-кандидатов БДР, составленный на основе результатов скрининга генетических исследований человека, размещенных PubMed (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed). Часть из этих генов ответственны за возникновение и развитие других нейропсихических и соматических заболеваний. Функциональный анализ показал, что этими генами обогащены биохимические пути, связанные с развитием нейронов, эндокринной системой, ростом клеток и/или выживанием, а также иммунологией [63].
В этом списке указаны, в том числе, гены, вовлеченные в биологические пути кальциевого сигналинга (PDE1C, AVPR1B, ADCY3, ADCY9, ITPR1, CACNA1A, CACNA1C, CACNA1D, CACNA1E, CACNA1S, DRD1, HTR2A, HTR2C, HTR4, HTR6, GRIN2A, P2RX7, PRKCG) [63]. Этот перечень может быть дополнен 4 генами потенциалзависимых кальциевых каналов – СACNA2D2, CACNA2D4, CACNA1S и СACNB2, перечисленными в работе в качестве генов-кандидатов БДР, вовлеченных в другие биологические пути, а также – геном GRIN2B, кодирующим глутаматный рецептор NMDA c высокой проницаемостью для Сa2+ (https://string-db.org).
В другом исследовании, посвященном поиску генов-кандидатов БДР, выявлены гены NPY и NPY2R, кодирующие белки NPY (нейропептид Y) и NPY2R (рецептор Y2 нейропептида Y), которые принимают участие в нейротрансмиссии через регуляцию активности кальциевых каналов [111]. Известно, что NPY связан с резистентностью к лечению при БДР [55]. Ген NPY также представлен в работе Фан T., но не в качестве вовлеченного в биологические пути кальциевого сигналинга [63].
Подчеркивается, что разнообразие генов-кандидатов БДР хорошо согласуется с тем фактом, что эта патология является сложным мульти- и гетерогенным заболеванием, включающим различные физиологические процессы [63, 111, 140].
Нами проведен полногеномный транскриптомный анализ гиппокампа мышей в депрессивноподобном состоянии, сформированном под влиянием хронического социального стресса в условиях негативного опыта поражений при межсамцовых взаимодействиях [116]. Цель работы – выявление дифференциально экспрессируемых генов из числа ассоциированных с кальциевым сигналингом. Из 75 исследованных генов выявлено 24, экспрессия которых значимо отличалась от аналогичных показателей у животных контрольной и/или альтернативной (с позитивным опытом социального взаимодействия) групп, а именно: Cacna1a, Cacna1b, Cacna1g, Cacna1h, Cacna1i, Cacna2d1, Cacnb1, Cacnb3, Cacng2, Cacng3, Cacng5 – кодируют белки потенциалзависимых кальциевых каналов; Calb1, Calcoco1, Calm2, Caln1, Ppp3r1 – кодируют кальций-связывающие белки; Caly – кодирует кальцион – нейрон-специфический белок, необходимый для максимального высвобождения Са2+; Camk1g, Camk2d, Camk2n2 – кодируют Са2+/кальмодулинзависимые протеинкиназы I гамма, II дельта и ингибитор протеинкиназы II; Slc24a2, Slc24a4 – кодируют транспортные белки-переносчики ионов Na/K/Ca; Grin2a, Grin2c – кодируют субъединицы 2A и 2С глутаматного рецептора NMDA c высокой проницаемостью для Са2+. На основе анализа полученных данных сделано предположение о развитии в гиппокампе мышей в депрессивноподобном состоянии, вызванном хроническим социальным стрессом – кальциопатии, в том числе – кальциевой каналопатии. Обсуждается участие в этом процессе генов кальмодулина, Са2+/кальмодулинзависимых протеинкиназ и ингибитора протеинкиназы II – в качестве ключевых [116].
Для этих 24 генов, связанных с кальциевыми процессами, выявленных в модели хронического социального стресса на животных, также обнаружена связь с нейродегенеративными и психическими заболеваниями у человека (на основе анализа сведений из генетических баз данных https://www.malacards.org/ и https://www.genecards.org/ и опубликованных материалов (табл. 1).
| Ген | Нейропсихических заболевания |
|---|---|
| CACNA1A | Эпилепсия. Аутизм. Болезнь Хантингтона. Расстройство аутистического спектра. Шизофрения. Болезнь Паркинсона. Большое депрессивное расстройство. Биполярное расстройство. Большое аффективное расстройство. Умственная отсталость и глобальная задержка развития. Спиномозжечковая атаксия. Мигрень. Эпилептическая энцефалопатия |
| CACNA1B | Шизофрения. Биполярное расстройство. Синдром Тимоти. Эпилепсия. Аутизм. Расстройство аутистического спектра. Большое депрессивное расстройство. Психоз. Спиномозжечковая атаксия. Эпилептическая энцефалопатия |
| CACNA1G | Эпилепсия. Синдром Тимоти. Расстройство аутистического спектра. Аутизм. Паркинсонизм. Шизофрения. Эпилепсия. Умственная отсталость и глобальная задержка развития, в том числе в тяжелой форме. Спиномозжечковая атаксия |
| CACNA1H | Эпилепсия. Аутизм. Расстройство аутистического спектра. Синдром Тимоти. Биполярное расстройство. Шизофрения. Психоз. Умственная отсталость и глобальная задержка развития. Семейная гемиплегическая мигрень |
| CACNA1I | Эпилепсия. Шизофрения. Расстройство аутистического спектра. Болезнь Хантингтона. Умственная отсталость и глобальная задержка развития. Аутизм |
| CACNA2D1 | Синдром Тимоти. Эпилепсия. Шизофрения. Расстройство аутистического спектра. Аутизм. Шизофрения. Биполярное расстройство. Большое депрессивное расстройство. Умственная отсталость и глобальная задержка развития |
| CACNB1 | Расстройство аутистического спектра. Аутизм. Большое депрессивное расстройство. Эпилепсия. Болезнь Хантингтона |
| CACNB3 | Биполярное расстройство. Синдром гиперактивности с дефицитом внимания |
| CACNG2 | Шизофрения. Эпилепсия. Биполярное расстройство. Большое депрессивное расстройство. Умственная отсталость. Нарушение умственного развития |
| CACNG3 | Эпилепсия. Расстройство аутистического спектра |
| CACNG5 | Шизофрения. Биполярное расстройство. Болезнь Паркинсона. Эпилепсия |
| CALB1 | Болезнь Хантингтона. Болезнь Альцгеймера. Болезнь Паркинсона. Шизофрения. Биполярное расстройство. Эпилепсия. Деменция. Расстройство аутистического спектра |
| CALCOCO1 | Шизофрения. Паническое расстройство |
| CALM2 | Болезнь Альцгеймера. Большое депрессивное расстройство |
| CALN1 | Шизофрения. Аутизм |
| CALY | Шизофрения. Синдром гиперактивности с дефицитом внимания. Большое депрессивное расстройство. Посттравматическое стрессорное расстройство. Ментальная депрессия. Маразм. Паническое расстройство. Аутизм. Деменция. Биполярное расстройство. Расстройство аутистического спектра. Эпилепсия |
| CAMK1G | Болезнь Альцгеймера. Болезнь Хантингтона. Шизофрения |
| CAMK2D | Большое депрессивное расстройство. Болезнь Паркинсона. Эпилепсия. Шизофрения. Биполярное расстройство |
| CAMK2N2 | Шизофрения. Боковой амиотрофический склероз |
| PPP3R1 | Болезнь Альцгеймера. Деменция. Болезнь Паркинсона. Большое депрессивное расстройство. Спиноцеребеллярная атаксия |
| SLC24A2 | Эпилепсия. Аутизм. Болезнь Альцгеймера. Расстройство аутистического спектра. Шизофрения |
| SLC24A4 | Болезнь Альцгеймера. Биполярное расстройство. Деменция |
| GRIN2A | Эпилепсия. Шизофрения. Биполярное расстройство. Болезнь Хантингтона. Болезнь Альцгеймера. Аутизм. Обсессивно-компульсивное расстройство. Психоз. Ментальная депрессия. Болезнь Паркинсона. Большое аффективное расстройство. |
| GRIN2C | Болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, депрессия, шизофрения. Aутизм, умственная отсталость |
В литературе рассматриваются некоторые модуляторы CaV для лечения психических расстройств (прежде всего, биполярного расстройства, шизофрении, расстройства аутистического спектра, тревожного расстройства, большого депрессивного расстройства и синдрома дефицита внимания и гиперактивности) [14]. Учитывая большое количество доказательств из многочисленных исследований, в которых говорится о причастности генов CaV к патофизиологии психических расстройств [52], рассматриваются возможности воздействия на CaVα1, CaVα2δ, и субъединицы CaVβ в качестве потенциальной терапевтической стратегии для лечения этих нарушений. Несколько препаратов, нацеленных на CaVα1и CaVα2δ субъединицы уже существуют, их назначают для лечения боли и эпилепсии [165]. Нимодипин, исрадипин, верапамил и дилтиазем- блокаторы CaV1 каналов и в настоящее время прописаны для лечения сердечно-сосудистых заболеваний, но ведутся исследования возможности их использования для лечения психических расстройств [114, 57 ].
Препараты с противоэпилептическим и обезболивающим действием, такие как габапентин и прегабалин, в настоящее время исследуются как новый подход к лечению тревоги [81]. Топирамат – препарат, имеющий несколько мишеней, включая каналы CaV2.2 и CaV2.3 – потенциальное средство для лечения посттравматического стрессового расстройства (ПТСР), сочетающегося с алкогольной зависимостью [136]. Такие блокаторы CaV2.2 каналов, как Z160 и CNV2197944, рассматриваются для лечения тревожности [118]. Ламотриджин, препарат, блокирующий каналы CaV2,3, используется для лечения биполярного расстройства и большого депрессивного расстройства [108, 122]. Известно, что проводятся испытания препаратов, нацеленных на CaV и их субъединицы (www.clinicaltrials.gov). Блокаторы каналов L-типа нимодипин и исрадипин оцениваются на предмет их влияния на когнитивные функции у пациентов с шизофренией [37].
Этосуксимид – препарат, блокирующий каналы CaV3, рассматривается в качестве препарата, направленного на лечение устойчивой депрессии [80]. Проверяется эффективность ламотриджина (препарат, нацеленный на каналы CaV2,3) при биполярном расстройстве, большом депрессивном расстройстве и шизофрении [141, 157]. Препарат, нацеленный на CaV, который показывает многообещающие результаты на животных моделях, это – усилитель канала CaV3, Sak3 (производное спироимидазопиридина). Было обнаружено, что этот препарат редуцирует депрессивно-подобное состояние у мышей за счет повышения уровня серотонина и дофамина [155, 162].
В терапевтических целях следует учитывать тканевую специфичность экспрессии генов, кодирующих CaV. Например, каналы CaV1.2 являются многообещающими мишенями при биполярном и большом депрессивном расстройствах; однако их значительная экспрессия в сердце и кровеносных сосудах представляют проблему для вмешательства. Существует мнение [14], что исследования должны быть направлены на поиск возможностей блокировки или активации определенных CaV именно в головном мозге. И здесь альтернативный сплайсинг – возможный путь для лекарственной специфичности, поскольку варианты сплайсинга CACNA1C в сердце существенно отличаются от такового в головном мозге [77, 98].
Рассматривается возможность использования генетических, молекулярных и фармакологических подходов для улучшения селективности, эффективности и переносимости антагонистов кальциевых каналов L-типа. Разработка селективных для мозга лигандов этих каналов может стать одним из многообещающих подходов к инновационной фармакотерапии биполярного расстройства [44].
Результаты, представленные в работе [21], служат подтверждением необходимости исследования кальциевой сигнализации в целом, не только концентрации ионов, для поиска эффективных терапевтических стратегий. Регулированием поступления в организм Ca2+ удавалось повлиять на выраженность симптоматики аутистического расстройства в экспериментальных моделях, однако на практике такой подход не оправдал себя. Многообещающим является подход, основанный на взаимодействии различных сигнальных путей. Разрабатываются новые методики регулирования уровней цитозольного Ca2+ [131].
Фармакологическая коррекция активности CREB и Ca2+ может способствовать лечению нейродегенеративных заболеваний, в частности за счет увеличения экспрессии гена митохондриальных переносчиков аспартата и глутамата, зависимой от активности CREB и Ca2+. На основе подхода, учитывающего разнообразный спектр кальциопатий и вовлеченных в эти патологии сигнальных путей, появилась возможность начать разработку и применение новых методов лечения пациентов с нейропсихиатрическими заболеваниями [83].
При лечении болезни Альцгеймера применяется мемантин в качестве антагониста рецепторов N-метил-D-аспартата с сильным потенциалом сродства. Основная функция этих рецепторов заключается в связывании глутамата – основного возбуждающего нейротрансмиттера, играющего решающую роль в нейропластичности и механизмах обучения, в поддержании физиологического состояние мозга в целом и отдельных его структур. Переизбыток передачи глутамата может вызывать увеличение токов ионов кальция и нейротоксичность, а недостаток — вызывать симптомы, подобные шизофрении. То есть патофизиологические состояния могут быть обусловлены модуляцией активности NMDA. Результаты исследований и клинических испытаний свидетельствуют о том, что мемантин имеет небольшое количество побочных эффектов и хорошо переносится пациентами. Предполагается, что мемантин может быть использован также при лечении других нейропсихических патологий, таких как шизофрения и депрессия [49].
В настоящее время роль кальция, кальциевого обмена, кальциевой сигнализации в этиопатогенезе нейропсихиатрических заболеваний не вызывает сомнений. Выявлены ассоциированные с ними гены кальциевых каналов и субъединиц кальциевых каналов, кальмодулина, протеинкиназ, других белков – участников внутриклеточных процессов – в масштабных полногеномных исследованиях на людях, определены и апробированы некоторые физиологические и генетические мишени для терапевтических воздействий.
Однако, несмотря на длительную историю попыток использования, например, блокаторов кальциевых каналов в терапии нейропсихических расстройств и дискуссий вокруг этого [46, 75], эффективных способов лечения этих заболеваний так и не существует, а терапевтический потенциал сохраняют именно селективные для мозга блокаторы кальциевых каналов.
Необходимо выявление именно в мозге (в разных его отделах) изменений активности кальциевых генов и соответствующих белков, ассоциированных с симптомами психоневропатологии, с применением комплексного подхода к анализу различных звеньев кальциевого сигналинга, а также поиск связей с другими сигнальными системами, что целесообразно осуществить с использованием экспериментальных моделей таких расстройств на животных и применением современной технологии транскриптомного анализа и ее широких возможностей.