Нейрохимия, 2022, T. 39, № 2, стр. 184-192

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия распространенность ожирения во всем мире неуклонно растет. Согласно анализу проведенному NCD-RisC, к 2025 г. до 18% мужчин и свыше 21% женщин могут иметь индекс массы тела (ИМТ) свыше 30 кг/м², что составит практически пятую часть населения Земли [1]. В связи с этим изучение патогенеза осложнений, наблюдаемых при ожирении, становится особенно актуальным. Одними из таких осложнений являются поражения нервной системы. Для ожирения характерно как поражение периферической, так и центральной нервной системы.

Развитие нейровоспаления в гипоталамусе – один из факторов формирования метаболического синдрома на фоне избыточного питания. Воспалительные процессы в ЦНС отличаются от событий на периферии за счет наличия гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), затрудняющего миграцию иммунных клеток и в большей степени связаны с активацией микроглии и астроцитов [2]. Thaler и соавт. (2012) обнаружили, что у пациентов с ожирением наблюдается усиление глиоза и активация микроглии в гипоталамусе [3]. Однако развивающиеся нейровоспаление затрагивает не только гипоталамус – центр регуляции пищевого поведения, но и другие структуры ЦНС [4]. Было показано, что активация глиальных клеток при ожирении может происходить под действием насыщенных и мононенасыщенных жирных кислот, которые через Толл-подобные рецепторы 4 типа запускают путь активации NF-κB и приводят к усилению синтеза провоспалительных цитокинов и реактивных форм кислорода [5, 6]. Кроме того на фоне ожирения усиливается проницаемость ГЭБ, что также вносит вклад в формирование нейровоспаления [7].

При ожирении головной мозг подвергается структурным и морфологическим изменения. Было показано, что повышение ИМТ связано с уменьшением объема мозга, атрофией серого вещества и нарушением целостности белого вещества в головном мозге [8]. Изменение архитектуры мозга приводит к функциональным нарушениям, проявляющимися в снижении когнитивных функций. Кроме того, на фоне ожирения повышается риск развития деменции [8].

Другое поражение нервной системы, ассоциированное с ожирением, – периферическая нейропатия, которая наблюдается у половины пациентов с сахарным диабетом 2 типа (СДII) и является одной из причин ивалидизации таких пациентов [9]. Также и метаболический синдром, одним из компонентов которого является ожирение, связывают с повышенным риском развития хронической сенсорной полинейропатией [10]. Callaghan B.C. и соавт. (2016) показали, что ожирение связано с развитием нейропатии даже при условии нормальной концентрации глюкозы в крови [11]. Ожирение и инсулинорезистентность как совместно, так и независимо друг от друга приводят к активации окислительного стресса, хронического воспаления, накоплению конечных продуктов гликирования, что повреждает микрососудистое русло и периферические нервные волокна [9].

В свете негативного влияния ожирения на нервную систему особый интерес представляют нейротрофины (нейротропные факторы) – белки, способствующие дифференцировке, функционированию и выживанию нейронов. К нейротрофинам относятся: фактор роста нервов (Nerve Growth Factor, NGF), нейротрофический фактор мозга (Brain-Derived Neurotrophic Factor, BDNF), а также нейротрофин 3 и нейротрофин 4 (также называемый нейротрофин 4/5 или нейротрофин 5).

NGF – первый, открытый еще в 1950 гг. Ритой Леви-Монтальчини, нейротрофин. NGF играет важную роль в выживании, регенерации и пластичности нейронов в центральной и периферической нервных системах (ЦНС и ПНС, соответственно), а также участвует в высвобождении нейромедиаторов и воспалении в ПНС [12, 13]. Интересно отметить, что действие NGF на нейроны неоднозначно и может стимулировать как их выживание, так и их апоптоз. Образование NGF происходит из более крупного белка-предшественника – proNGF, который также является сигнальной молекулой [14]. NGF и proNGF реализуют свой сигналинг связываясь с рецепторами на поверхности клеточной мембраны, к которым относятся киназа А тропомиозинового рецептора (tropomyosin receptor kinase A, TrkA), являющаяся также мишенью и для других нейротрофинов, например BDNF, и через рецептор нейротрофина p75 (p75 neurotrophin receptor, p75^NTR) [15]. Стимуляция TrkA стимулирует выживание нейронов, тогда как p75^NTR – их апоптоз [12]. При этом сродство NGF и proNGF не одинаково к разным типам рецепторов, зрелый NGF проявляет большую аффинность к TrkA, тогда как proNGF – к р75^NTR [16]. Кроме действия на нервную систему, было показано, что NGF обладает трофическим действием на клетки иммунной системы, эпителиоциты молочной железы и эндотелиальные клетки [17]. Помимо нервной системы NGF синтезируется адипоцитами (белыми и бурыми), миоцитами, эпителиоцитами, фибробластами, иммунными клетками и даже бета-клетками поджелудочной железы [18–21]. Ряд работ продемонстрировал, что для ожирения, метаболического синдрома и СДII характерно повышение концентрации NGF в плазме крови [22, 23].

Наиболее изученным является BDNF, который синтезируется не только в центральной нервной системе и периферических нейронах, но и в скелетных мышцах, сердце, печени и жировой ткани [24]. Помимо участия в выживании и поддержании пластичности нервной системы, BDNF играет значимую роль в энергетическом гомеостазе как в мозге, так и в периферических тканях. Среди влияния BDNF на нервную систему можно отметить его роль в регуляции циркадных ритмов, анорексигенный эффект, участие в улучшении когнитивных функций в ответ на бег и кратковременное голодание, а также усиление энергетического обмена в нейронах в том числе связанное с усилением поступления глюкозы в клетки [24]. Однако, взаимосвязь ожирения и циркулирующего в крови BDNF остается неясной. Так ряд работ показал отрицательную корреляцию между BDNF плазмы крови и ожирением, другие исследования показали, напротив, что у пациентов с ожирением плазменная концентрация BDNF выше или же корреляция между ожирением и концентрацией BDNF вообще отсутствует [25–27]. Проведенный в последние годы мета-анализ, указав на важность пробоподготовки при исследовании циркулирующего BDNF, оставил открытым вопрос взаимосвязи содержания этого нейротрофина и ожирения [28].

Риск развития осложнений при ожирении зависит от метаболического типа ожирения [29]. Принято выделять метаболически здоровый тип ожирения (МЗО) с низким риском развития осложнений, который характеризуется сохранением чувствительности к инсулину, нормальным липидным профилем, низким уровнем провоспалительных медиаторов и меньшим процентом висцерального жира, по сравнению с метаболически нездоровым типом ожирения (МНЗО). МНЗО связано с высоким риском осложнений и ассоциировано с развитием инсулинорезистентности и дислипидемии, а также системным вялотекущим воспалением [29]. На сегодняшний день отсутствуют работы, демонстрирующие влияние метаболического типа ожирения на концентрацию BDNF и NGF в сыворотке крови, что и стало целью нашей работы.

ПАЦИЕНТЫ, МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ

Было проведено когортное одномоментное исследование на базе центра цифровой и трансляционной биомедицины ООО “Центр молекулярного здоровья”, кафедры внутренних болезней № 3, ФГБОУ ВО РостГМУ Минздрава России и ФГАОУ ВО “Казанский (Приволжский) федеральный университет” в период 2018–2020 гг. Было обследовано 238 человек, из которых в последствии было сформировано две исследуемых группы: Группа 1 (контрольная группа, контроль) и Группа 2 (пациенты с ожирением). В Группу 1 были включены 134 пациента без ожирения с индексом массы тела (ИМТ) от 18.5 до 24.9 кг/м², при отсутствии метаболических нарушений (дислипидемия, гипергликемия, гиперурикемия) и без признаков артериальной гипертензии. Группа 2 была сформирована из 104 пациентов с ожирением (ИМТ ≥ 30 кг/м²) и с окружностью талии более 102 см у мужчин или 88 см у женщин. Также пациенты Группы 2 были разделены на две подгруппы: пациенты с МЗО и пациенты с МНЗО в соответствии с критериями NCEP-ATP III [30]. После разделения по типам ожирения в группу пациентов с МЗО вошло 40 человек, а в группу пациентов с МНЗО – 55 человек. Для ряда пациентов с ожирением (9 человек) не было получено убедительных данных для включения их в одну из подгрупп, поэтому результаты их исследований не были включены в сравнительный анализ влияния метаболического типа ожирения на концентрацию нейротрофинов сыворотки крови.

У всех пациентов проводился отбор венозной крови с последующим отделением сыворотки. В полученных образцах сыворотки проводилось определение концентрации нейротрофинов BDNF и NGF методом мультиплексного иммуноферментного анализа на анализаторе Magpix (BioRad, США) с использованием наборов Milliplex: Human Adipokine Magnetic Bead Panel 2 и Human Myokine Magnetic Bead Panel (Merck, Германия). Кроме этого, в полученных образцах изучали ряд показателей углеводного и липидного обмена, а также эндокринная функция жировой и мышечной тканей по концентрациям адипокинов (адипонектин, лептин, аспросин, резистин) и миокинов (ирисин, миостатин, FGF21, остеокрин), соответственно. Следует отметить, что задачей этой работы не являлась характеристика всех изучаемых показателей, полученные данные рассматривались в контексте выявления возможных связей с содержанием нейротрофинов.

Статистический анализ проводился с помощью программного обеспечения MedCalc (MedCalc Software Ltd, Бельгия). Все полученные массивы данных были проверены на нормальность распределения с использованием теста Д’Агостино-Пирсона. В зависимости от нормальности распределения данные были описаны с использованием среднего значения или медианы и их 95% доверительных интервалов. Если распределение данных носило нормальный характер, для характеристики различий использовались параметрические статистические методы: t-критерий Стьюдента (при условии равных дисперсий выборок) и t-критерий Уэлча (при неравных дисперсиях). Когда распределение данных не носило нормальный характер, использовался непараметрический критерий Манна–Уитни. Перед оценкой достоверности различий в содержании нейротрофинов между исследуемыми группами была проведена однократная проверка выбросов методом Тьюки с последующим исключением экстремальных выбросов из сравнительного анализа. Также в работе использовался корреляционный анализ по методу Пирсона для выявления взаимосвязи между изучаемыми параметрами. Коэффициенты корреляции принимались во внимания если они по модулю были более 0.3 (умеренная сила связи в соответствии со шкалой Чеддока) при уровне значимости р < 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование концентрации BDNF в сыворотке крови показало отсутствие различий в содержании этого нейротрофина между Группами 1 и 2. [28]. После разделения Группы 2 на подгруппы мы также не обнаружили различий в содержании BDNF, как между пациентами с МЗО и МНЗО, так и при сравнении их со здоровыми донорами (рис. 1а).

Рис. 1.

Содержание нейротрофинов в сыворотке у исследуемых групп. а – BDNF (пг/мл), б – NGF (пг/мл).

Для Группы 1, Группы 2 и пациентов с МЗО мы не обнаружили значимой корреляции (при r > 0.3) между содержанием BDNF и остальными исследуемыми параметрами. Однако для пациентов с МНЗО была выявлена умеренная связь между концентрациями BDNF и ирисина (r = 0.384, p < < 0.01).

При изучении содержания NGF в сыворотке у исследуемых групп мы обнаружили, что в сыворотке крови пациентов Группы 2 наблюдалось статистически значимое снижение концентрации этого нейротрофина по сравнению с Группой 1 (р < 0.0001) (рис. 1б). Разделение Группы 2 по метаболическому типу ожирения показало, что снижение сывороточной концентрации NGF характерно как для лиц с МЗО, так и для пациентов с МНЗО. При этом у пациентов с МНЗО уровень NGF был выше, чем у пациентов МЗО (р < 0.05).

Корреляционный анализ показал, что у пациентов Группы 1 присутствовала только близкая к умеренной связь между концентрациями NGF и VEGF (r = 0.298, p = 0.0005). У пациентов Группы 2 такой связи выявлено не было, однако присутствовала умеренная связь между концентрациями NGF и лептина (r = 0.368, p = 0.0001). У пациентов с МЗО сывороточная концентрация NGF заметно коррелировала с содержанием остеокрина (r = 0.55, p = 0.0002) и умеренно с концентрациями ирисина (r = 0.459, p < 0.01), инсулина (r = 0.373, p < 0.05), а также с индексом HOMA-IR (r = 0.406, p < 0.05). Как и в общей группе пациентов с ожирением у пациентов с МЗО наблюдалась умеренная связь между концентрациями NGF и лептина (r = 0.339, p < 0.05). Для пациентов с МНЗО была выявлена умеренная связь между содержанием NGF и адипокинов – лептина (r = 0.352, p < 0.01) и аспросина (r = 0.391, p < 0.05).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Отсутствие различий в содержании BDNF между Группами 1 и 2 согласуется с имеющимися литературными данными [28]. Появление взаимосвязи между содержанием BDNF и ирисина у пациентов с МНЗО не является неожиданной – и BDNF, и ирисин являются миокинами и синтезируются как жировой тканью, так и мышечной особенно при физической активности [24, 31]. Работа Huang L. и соавт. (2019) показала, что у мышей с сахарным диабетом ирисин регулирует экспрессию BDNF и улучшает метаболизм глюкозы [32]. Наши данные позволяют предполагать, что подобные взаимоотношения BDNF и ирисина возможны и в человеческом организме при метаболически нездоровом типе ожирения.

Неожиданным оказалось снижение содержания NGF у пациентов с ожирением. Все имеющиеся литературные данные свидетельствуют, что при ожирении отмечается повышение содержания NGF в плазме крови [22, 23]. На основании этого M. Hristova и L. Aloe (2006) даже сформулировали нейротрофическую гипотезу метаболического синдрома, основанную на нейро-иммунных взаимодействиях, в которой NGF отводилась значительная роль в патогенезе [23]. Согласно этой гипотезе, хронический психоэмоциональный и/или воспалительный стресс сопровождается повышением в крови провоспалительных цитокинов, что приводит к гиперпродукции NGF. Повышение концентрации этого нейротрофина опосредует развитие дисбаланса продукции нейромедиаторов, что приводит к активации вегетативной нервной системы (в частности n. vagus), стимуляции гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы, еще большей активации иммунной системы и избыточной продукции нейропептида Y. Нарушение регуляции пищевого поведения, гиперинсулинемия, гиперкортизолемия и увеличение уровня провоспалительных цитокинов приводят к гиперфагии, ожирению и, в конечном итоге, формированию инсулинорезистентности. Таким образом, согласно гипотезе M. Hristova и L. Aloe, дисбаланс нейромедиаторов вследствие повышенного содержания NGF является одним из ключевых аспектов в формировании инсулинорезистентности и развитии метаболического синдрома [23].

Противоречия с полученными нами данными могут быть объяснены тем, что в вышеупомянутых работах исследование концентрации NGF проводилось в плазме крови, тогда как в нашем исследовании определялась его концентрацию в сыворотке. Нейротрофины NGF и BDNF присутствуют в крови не только в плазме, но и захватываются тромбоцитами и хранятся в их гранулах [33]. В 1994 Ordoñez G. и соавт. на мышах показали, что при диабете происходит снижение NGF в сыворотке, что согласуется с полученными нами данными [34]. Еще раньше, в 1990 г. V. Faradji и J. Sotelo выявили, что при диабетической нейропатии снижается концентрация сывороточного NGF [35].

Таким образом, для ожирения характерно, с одной стороны, увеличение концентрации NGF в плазме и снижение его содержания в сыворотке. Причиной таких разнонаправленных изменений может быть нарушение захвата NGF тромбоцитами. На сегодняшний день нет убедительных данных о механизмах захвата NGF тромбоцитами, но можно предположить следующие варианты: поступление NGF через открытую канальцевую систему (ОКС) тромбоцитов или его связывание с TrkA и последующим эндоцитозом. Интернализация TrkA с NGF и образование “сигнальных эндосом” были описаны для нейронов, в которых эндосомы могут транспортироваться по отросткам нейрона к телу клетки [36]. TrkA экспрессируется на мегакариоцитах, и было показано, что действие NGF через TrkA подавляет мегакариопоэз и стимулирует тромбопоэз [37]. Однако не известно, присутствует ли TrkA на зрелых тромбоцитах. Поступление NGF в тромбоциты через ОКС представляется более вероятным. В своей работе K. Kniewallner и соавт. (2015) показали, что ультразвук способствует более эффективной “загрузке” гранул тромбоцитов NGF [38]. Несмотря на более чем 50-летнюю историю изучения открытой канальцевой системы тромбоцитов мы до сих пор не знаем, как осуществляется и регулируется захват биологически активных веществ через ОКС тромбоцитами [39]. Известно, что при ожирении наблюдается изменение функциональной активности тромбоцитов. Недавние работы Barrachina M. и соавт. показали, что при ожирении наблюдается гиперактивация сигнального пути GPVI [40, 41]. Скорее всего, дисфункция сигнальных путей – не единственное изменение тромбоцитов при ожирении. Возможно, ожирение сказывается и на ОКС тромбоцитов, что приводит к нарушению захвата NGF. Стоит отметить, что гемодинамика и гемореология значительно влияют на функционирование тромбоцитов. Изменение гемореологических характеристик и функциональной активности тромбоцитов наблюдается у пациентов с СДII и метаболическим синдромом и вносит свой негативный вклад в формирование клинической картины при ишемическом инсульте [42]. Ожирение также ассоциировано с изменением гемодинамики, а потеря веса – с улучшением гемодинамических показателей [43, 44]. Таким образом, изменение гемодинамических и гемореологических показателей при ожирении также может вносить свой вклад в снижение поступления NGF в тромбоциты.

Если принять гипотезу о снижении запасания NGF в тромбоцитах при ожирении, тогда становится понятно, почему сывороточная концентрация NGF гораздо выше у лиц с нормальной массой тела. Ростовые факторы обладают коротким периодом полужизни и быстро подвергаются протеолизу. Запасание NGF в тромбоцитах, по-видимому, защищает нейротрофин от действия пептидаз, тем самым увеличивая его период полужизни и, как следствие, сывороточную концентрацию, что характерно для пациентов с нормальной массой тела.

Так как снижение содержания NGF по сравнению с Группой 1 наблюдалось и у пациентов с МЗО и у пациентов с МНЗО, можно предполагать, что вне зависимости от метаболического типа у пациентов с ожирением нарушается “загрузка” тромбоцитов NGF. При этом у пациентов с МНЗО уровень NGF был выше, чем у пациентов МЗО. Подобные отличия могут быть опосредованы влиянием провоспалительных цитокинов на жировую ткань. Peeraully M.R. и соавт. (2004) показали, что фактор некроза опухоли альфа (tumor necrosis factor alpha, TNFα) повышает секрецию NGF белыми адипоцитами [19]. Учитывая, что “уровень” воспаления при МНЗО выше, чем при МЗО, более активная продукция NGF жировой тканью у пациентов с МНЗО представляется логичным следствием [29].

Выявленная для пациентов Группы 1 корреляция между концентрациями NGF и VEGF не является неожиданной – было показано, что стимуляция нейронов и глиальных клеток (клеток Мюллера) NGF приводит к усилению продукции VEGF, что, видимо, отражается и на сывороточных концентрациях этих ростовых факторов [45, 46]. У пациентов Группы 2 такой связи выявлено не было, однако присутствовала умеренная связь между концентрациями NGF и лептина. Наличие такой связи подразумевает бо́льший вклад жировой ткани в формирование пула сывороточного NGF, так как основным источником лептина являются адипоциты. Atanassova P. и соавт. (2014) продемонстрировали, что на фоне метаболического синдрома усиливается продукция лептина и NGF жировой тканью [47]. Наши данные показывают, что подобное “совместное” усиление секреции NGF и лептина происходит до формирования инсулинорезистентности и метаболического синдрома. Также объяснением подобной взаимосвязи уровней NGF и лептина является возможное влияние NGF на дифференцировку адипоцитов. Было показано, что рецепторы TrkA и р75^NTR экспрессируются в белой жировой ткани у мышей, что позволяет рассматривать жировую ткань не только как источник NGF, но и как одну из тканей-мишеней этого нейротрофина [19]. На линии клеток РС12 (модель нейрональной дифференцировки) было показано, что TrkA-сигнальный путь NGF приводит к активации рецептора, активируемым пероксисомным пролифератором γ (peroxisome proliferator-activated receptor γ, PPARγ) и стимулирует выживание и дифференцировку нейронов [48]. В свою очередь в жировой ткани активация PPARγ играет ключевую роль в терминальной дифференцировке преадипоцитов [49]. Если предположить, что NGF является одним из факторов, стимулирующих терминальную дифференцировку адипоцитов, становится понятной взаимосвязь концентрации NGF и лептина – синтез последнего активируется по мере продвижения адипоцитов к терминальной дифференцировке [50].

У пациентов с МЗО сывороточная концентрация NGF коррелировала не только с содержанием лептина, но и с концентрациями остеокрина, ирисина, инсулина, а также с индексом HOMA-IR. Следует отметить, что NGF синтезируется не только нервной и жировой тканями, но и скелетной мускулатурой [51]. Поэтому появление связи между содержанием NGF и миокинов (ирисин, остеокрин) у пациентов с МЗО свидетельствует о значительном вкладе скелетных мышц в формирование пула сывороточного NGF. Интересно, что при МЗО концентрация NGF коррелировала с содержанием инсулина и индексом HOMA-IR. Бета-клетки сами способны синтезировать NGF, хотя он и не высвобождается в достаточном объеме для его количественной оценки [21]. Таким образом, бета-клетки мало влияют на формирование пула сывороточного NGF, однако они экспрессируют на своей поверхности рецепторы к этому нейротрофину – TrkA и р75^NTR. Было показано, что NGF улучшает выживаемость и подавляет апоптоз бета-клеток поджелудочной железы [52, 53]. Кроме того, Attilio Pingitore и соавт. (2016) выявили, что ингибирование передачи сигнала NGF через TrkA и р75^NTR в бета-клетках, с одной стороны, приводит к увеличению базальной секреции инсулина, с другой стороны, нарушало секрецию гормона, индуцированную глюкозой [21]. Стоит отметить, что Pingitore A. и соавт. изучали аутокринный эффект NGF и неясно влияет ли циркулирующий в крови NGF на бета-клетки. Однако появление связи между NGF и инсулином, а также индексом HOMA-IR, демонстрирует возможность влияния сывороточного NGF на бета-клетки. Можно предполагать, что при метаболически здоровом типе ожирения NGF регулирует чувствительность бета-клеток к глюкозе и, возможно, способствует поддержанию нормогликемии у таких пациентов.

Для пациентов с МНЗО была выявлена корреляция между содержанием NGF и адипокинов – лептина и аспросина. Жировая ткань является основным источником аспросина в крови, при этом, ожирение ассоциировано с повышением концентрации этого адипокина [54]. Появление связи между содержанием NGF и адипокинов при МНЗО может указывать на общий источник этих сигнальных молекул – жировую ткань.

Интересно, что у пациентов с МНЗО, в отличие от лиц с МЗО, не было выявлено корреляции между содержанием NGF и миокинов (остеокрин, ирисин). Можно предполагать, что при метаболически нездоровом типе ожирения более значимым источником NGF является жировая ткань. Напротив, у лиц с метаболически здоровым ожирением NGF, по-видимому, активно синтезируется и скелетной мускулатурой, и жировой тканью. Также для пациентов с МНЗО не было выявлено связи между содержанием NGF и инсулина и/или с величиной индекса HOMA-IR. Является ли отсутствие подобной связи свидетельством дисрегуляции секреции инсулина при участии NGF неизвестно, однако такие различия в результатах корреляционного анализа интересны и требуют дальнейшего изучения.

ВЫВОДЫ

У пациентов с ожирением не наблюдается изменений в сывороточной концентрации BDNF, вне зависимости от метаболического типа ожирения. При этом у пациентов с МНЗО значительный вклад в формирование пула сывороточного BDNF вносит мышечная ткань, тогда как при МЗО подобной динамики не наблюдается. Однако концентрация NGF в сыворотке у пациентов с ожирением значительно ниже по сравнению со здоровыми донорами, что, по-видимому, объясняется нарушением депонирования данного нейротрофина в тромбоцитах. При этом для пациентов с МНЗО выявлено более высокое содержание NGF в плазме по сравнению с пациентами с МЗО, что может являться следствием хронического воспаления, характерного для метаболически нездорового ожирения. Также при МЗО значительный вклад в продукцию NGF вносит как мышечная, так и жировая ткани, тогда как в случае МНЗО эта роль в большей степени принадлежит жировой ткани.