Excitotoxicita v patogenezi poruch CNS

Excitotoxicita v důsledku nadmněrné stimulace glutamátem na NMDA receptorech

Glutamát a jeho excitotoxicita

Glutamát hraje důležitou roli ve vývoji nervové tkáně, její plasticitě a během přenosu excitačních signálů na synapsích. Pro funkci nervové tkáně je nepostradatelný, avšak ve velkých množstvích působí excitotoxicky jako nervový jed.

O excitotoxickém působení glutamátu se někdy hovoří v souvislostech s autismem. O jeho významu v etiopatogenezi této poruchy se však vedou spory.

Vliv hypoxie na mozek

 Podrobnější informace naleznete na stránce Hypoxie.

Příčin zvýšení hladiny glutamátu je více. Jako modelový příklad nám poslouží hypoxie, neboť je následována ději, jež vyúsťují v excitotoxické poškození nervové tkáně.

Mozek je závislý doslova „second to second“ na hladině kyslíku a glukózy v přicházející krvi. Tato závislost je dána vysokou metabolickou aktivitou nervové tkáně, malými energetickými intracelulárními zásobami a bezpodmínečnou závislostí na aerobním metabolismu glukózy. Pokles perfuze mozku způsobuje kritický nedostatek energetických zdrojů. Neurony potřebují více glukózy a kyslíku než se jim dostává. Zároveň jsou zaplavené glutamátem. Nedostatek energie vede k počínajícímu napěťovému selhávání, které trvá-li dostatečně dlouhou dobu, může vyústit v selhání životně důležitých funkcí buňky a v jeho důsledku až v buněčnou smrt.

Pokles energetických zdrojů vede k poklesu hladiny ATP, který omezí funkce iontových pump, jako je např. Na⁺/K⁺ pumpa, která je nezbytná pro udržení vysoké intracelulární koncentrace draslíku (155 mmol/l) a nízké intracelulární koncentrace sodíku (12 mmol/l). Výpadek funkce pumpy vede k poklesu elektrického gradientu na membráně, (depolarizaci) a otevření napěťově řízených iontových kanálů. Dochází k aktivaci kaskády dějů, které vyústí v buněčnou smrt. Podle typu postižení, případně zastoupení konkrétních buněk může dojít buďto k poškození konkrétních skupin neuronů, které jsou více zranitelné, či k poškození všech přítomných neuronů v dané oblasti, k cévní mozkové příhodě.

Okamžitě po ischemickém postižení mizí normální aktivita mozku v důsledku aktivace draslíkových kanálů a následně se šířící hyperpolarizace. Ta vzniká pravděpodobně otevřením draslíkových kanálů, které je ovlivněno lokální koncentrací ATP, H⁺ a Ca²⁺. Otevření může být také asociováno s alterací nehemových metaloproteinů a regulací specifických draslíkových kanálů. Tato pravděpodobně ochranná reakce nedokáže udržet hladinu „fosfátů bohatých na energii“ a hladina ATP i kreatinfosfátu v následujících minutách od vzniku ischemického poškození rychle klesá . Pokles pO₂ v průběhu ischemie vede ke zvýšené produkci laktátu a buňka prodělává Pasteurův shift ze závislosti na aerobním metabolismu na závislost na anaerobní glykolýze.

Výsledná laktátová acidóza snižuje pH ischemické tkáně z normálních 7,3 na hodnoty v rozmezí od 6,8 do 6,2. Tato hodnota závisí na výchozím stavu – množství glukózy, která může být přeměněna na laktát.

Vyplavení draslíku vede druhotně ke zvýšené extracelulární koncentraci draslíku a masivní postupné depolarizaci, která je také označována jako šířící se deprese. Rychlá inaktivace O₂-senzitivních draselných kanálů může představovat jeden z mechanismů, kterým nervová tkáň zamezuje narůstajícímu efluxu draslíku. Ostatní gradienty jsou rovněž ztraceny.

Změna koncentrací intracelulárních iontů:

• zvýšená je hladina Na⁺ a Ca²⁺;
• snížená je hladina Mg²⁺.

Zvýšená stimulace NMDA receptoru glutamátem vede ke zvýšení intracelulární hladiny vápníku, která stojí na počátku kaskády dějů vedoucích k zániku buňky

Extracelulární koncentrace mnoha transmitterů je v průběhu ischemie-hypoxie zvýšená. Depolarizací indukovaný influx Ca²⁺ napěťově řízenými Ca²⁺ kanály stimuluje vyplavení vezikulárního poolu buňky včetně excitační aminokyseliny glutamátu. Zvýšený příjem glutamátu je spojený s příjmem 2 Na⁺ (dle starších zdrojů 3 Na⁺) a vyloučením K⁺ a HCO₃⁻ / OH⁻.

S postupujícím poklesem gradientu na membráně je zvýšený příjem glutamátu zastaven.

Zajímavostí je, že tyto kanály (GLT-1, EAAT2, EAAT3) mohou být ovlivněny volnými radikály oxidací redox-strany transportéru. Díky narušenému gradientu může dojít až ke změně směru funkce transportéru . Výše zmíněné jevy jsou podstatou zvýšené koncentrace glutamátu v ischemickém mozku, která může dosahovat až tisícinásobku své normální hodnoty.

Glutamát akumulující se v synapsích vede k masivní stimulaci svých receptorů, která je zpravidla toxická. Glutamát aktivuje 3 třídy receptorů:

• NMDA;
• AMPA;
• Kainátový typ.

Tyto receptory mění propustnost pro vápenaté ionty v důsledku stimulace glutamátem (viz obrázek). Ionty pak spouštějí celou řadu letálních reakcí včetně nitrosativního stresu.

Patofyziologické mechanismy při iktu - YouTube video

Onemocnění a terapeutické vyhlídky

ALS – klinický obraz

Excesivní stimulaci glutamátových receptorů považujeme za první buněčnou reakci při cévní mozkové příhodě. Zvýšenou stimulaci NMDA receptorů nacházíme také u Alzheimerovy choroby, kde vede ke zvýšené produkci APP (amyloid precursor protein) a následné kumulaci beta-amyloidu. Tento receptor tak představuje zajímavý terapeutický cíl. Problémem však zůstává způsob, kterým by bylo možné selektivně blokovat s buněčnou smrtí spojené NMDA receptory a ostatní, fyziologicky nepostradatelné, vynechat . Jistou naději nabízí NR2B podjednotka, které se v poslední době věnuje zvýšená pozornost. Dnes se má za to, že tyto podjednotky jsou kombinovány s ostatními typy, a tak možnou terapii limitují . Jednou z možných příčin neúspěchu je také krátké terapeutické okno. S excitotoxickým poškozením se v neposlední řadě setkáváme u jedné z deseti známých forem amyotrofické laterální sklerózy, kdy dochází k mutaci genu pro tvorbu superoxiddismutázy (SOD1, 21q22.11, dědičné dominantně i recesivně). Výpadek funkce SOD1 pak vede ke zvýšenému oxidačnímu stresu, poruše funkcí mitochondrií, destabilizaci RNA, narušení synaptického přenosu a glutamátové excitotoxicitě.

Odkazy

Použitá literatura

• SIEGEL, George J. Basic Neurochemistry : Principles of Molecular, Cellular and Medical Neurochemistry. 8. vydání. Elsevier, 2012. 1093 s. sv. 1. ISBN 978-0-12-374947-5.

• GOLANOV, E, D REIS, Lisheng PENG, Xiaofen ZHONG, Wenfeng ZHANG, Mangala M. SOUNDARAPANDIAN, Cherine BELAL, Manqi WANG, Nali JIA, Wen ZHANG, Frank LEW, Sic Lung CHAN, Yanfang CHEN a Youming LU. Oxygen and Cerebral Blood Flow: implications for neurodegenerative disorders. Primer on Cerebrovascular Diseases. Elsevier, 1997, vol. 32, issue 12, s. 58. DOI: 10.1016/B978-012743170-3/50016-9. Dostupné z: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B9780127431703500169
• HARDINGHAM, Giles E., Hilmar BADING, Lisheng PENG, Xiaofen ZHONG, Wenfeng ZHANG, Mangala M. SOUNDARAPANDIAN, Cherine BELAL, Manqi WANG, Nali JIA, Wen ZHANG, Frank LEW, Sic Lung CHAN, Yanfang CHEN a Youming LU. Synaptic versus extrasynaptic NMDA receptor signalling: implications for neurodegenerative disorders. Nature Reviews Neuroscience. 2010-9-15, vol. 11, issue 10, s. 682-696. DOI: 10.1038/nrn2911. Dostupné z: http://www.nature.com/articles/doi:10.1038/nrn2911
• THOMAS, C. G., Hilmar BADING, Lisheng PENG, Xiaofen ZHONG, Wenfeng ZHANG, Mangala M. SOUNDARAPANDIAN, Cherine BELAL, Manqi WANG, Nali JIA, Wen ZHANG, Frank LEW, Sic Lung CHAN, Yanfang CHEN a Youming LU. Synaptic and Extrasynaptic NMDA Receptor NR2 Subunits in Cultured Hippocampal Neurons: implications for neurodegenerative disorders. Journal of Neurophysiology. 2006-03-01, vol. 95, issue 3, s. 1727-1734. DOI: 10.1152/jn.00771.2005. Dostupné z: https://www.physiology.org/doi/full/10.1152/jn.00771.2005?cookieSet=1