Гипербарическая оксигенация уменьшает васкулярную дисфункцию и амилоидную нагрузку в мышиных моделях болезни Альцгеймера и у пожилых пациентов

Авторы исследования: Ронит Шапира, Амос Гдалияху, Ирит Готтфрид (Тель-Авивский университет, Израиль), Эфрат Сасон, Амир Хадани (МЦ Асаф-ха-Рофэ, Израиль), Шай Эфрати, Пабло Блиндер, Ури Ашери (Тель-Авивский университет, Израиль).

Введение

В последние годы стало ясно, что васкулярная дисфункция взаимосвязана с патогенезом болезни Альцгеймера (БА) и снижением когнитивных функций вследствие старения. Факторы риска развития сосудистых нарушений одновременно являются существенными факторами риска развития БА. Сюда относятся ожирение, диабет, атеросклероз, курение и гипертензия.

Церебральная амилоидная ангиопатия (ЦАА) – отложение пептида бета-амилоида в стенках кровеносных сосудов головного мозга – это самая распространенная сосудистая патология при болезни Альцгеймера. И БА, и ЦАА связаны с уменьшением церебрального кровотока (CBF), которое, в свою очередь, предшествует клиническим проявлениям деменции и соотносится с тяжестью когнитивных нарушений при БА. Соответственно, эксперты предложили считать CBF маркером тяжести заболевания. В животных моделях БА также отмечались церебральная гипоперфузия и следующая за ней церебральная гипоксия.

Гипоперфузию связывают с несколькими механизмами, включая снижение плотности сосудов, стеноз церебральных артериол и нарушения нейроваскулярного взаимодействия. Церебральная гипоперфузия также имеет связь с ускоренным снижением когнитивных функций и повышенным риском деменции в общей совокупности населения. Таким образом, разработка методов лечения васкулярной дисфункции, равно как и других патологий, связанных с БА, может стать перспективным направлением в терапии заболевания и улучшении когнитивных навыков у здоровых пожилых людей, страдающих нарушениями когнитивных функций.

Гипербарическая оксигенация (ГБО) – медицинское применение 100% кислорода при абсолютном давлении выше одной атмосферы (ATA) – практикуется в лечении широкого спектра медицинских патологий. В настоящее время насчитывается всего лишь 13 показаний к ГБО, одобренных FDA, включая незаживающие ишемические поражения, лучевое поражение, декомпрессионную болезнь, коррекцию ожогов, отравление угарным газом и диабетические язвы. Кроме того, ГБО все чаще применяется неофициально в целях индукции нейропластичности и улучшения нейро-когнитивных функций при травмах головного мозга и после инсультов. Текущие клинические испытания и дополнительные фундаментальные научные исследования, посвященные механизму действия ГБО, по всей вероятности, поспособствуют расширению перечня показаний.

Повышая степень насыщенности крови растворенным кислородом, ГБО поддерживает жизнедеятельность тканей с минимальной перфузией. Данные, полученные из клинических испытаний, указывают на то, что ГБО индуцирует восстановление когнитивных функций у пациентов, перенесших травматическое повреждение головного мозга, за счет стимуляции церебрального ангиогенеза, увеличения церебрального кровотока и объема крови и улучшения микроструктур белого и серого вещества головного мозга. Повышение CBF и восстановление физических способностей и когнитивных функций также наблюдалось у пациентов, перенесших инсульт.

Вместе с тем наша способность к изучению основополагающих механизмов этих ГБО-опосредованных эффектов у пациентов сильно ограничена. В то же время использование животных моделей дает существенные преимущества и позволяет углубить наше понимание клеточных и молекулярных механизмов, ведущих к увеличению церебрального кровотока.

Недавно исследователи продемонстрировали, что ГБО улучшает не только когнитивную деятельность в животных моделях болезни Альцгеймера, но и метаболический статус и когнитивные процессы у пациентов с БА, амнезией и легкими когнитивными нарушениями. Тем не менее, неизвестно, снижает ли ГБО цереброваскулярную дисфункцию при БА. Таким образом, мы изучили воздействие ГБО на церебральный кровоток и сниженные когнитивные функции в мышиных моделях 5XFAD с болезнью Альцгеймера, характеризующейся агрессивным накоплением амилоидной нагрузки, цереброваскулярными аномалиями и когнитивными нарушениями, а также у пожилых людей со значительной потерей памяти.

Мы сообщаем, что ГБО улучшает церебральный кровоток и когнитивные функции и у мышей с БА, и у пожилых пациентов с тяжелыми нарушениями памяти. ГБО повысила CBF и уменьшила церебральную гипоксию за счет увеличения диаметра кровеносных сосудов. Более того: отслеживая одиночные бляшки in vivo на протяжении нескольких недель, мы впервые продемонстрировали, что ГБО уменьшает объем уже существующих отложений и снижает скорость формирования новых бляшек.

Ход исследования

ГБО снижает амилоидную нагрузку у мышей 5XFAD через уменьшение числа новых бляшек и снижение объема уже существующих отложений

Вначале мы задались вопросом о том, способствует ли усиленное снабжение головного мозга кислородом через ГБО снижению амилоидной нагрузки. Чтобы ответить на этот вопрос, мы использовали изготовленную по специальному заказу камеру ГБО для лечения 6 мышей 5XFAD и дикого типа (wt) в возрасте одного месяца при абсолютном давлении в 2 атмосферы. Сеансы лечения проводились по 60 минут в день, 5 дней в неделю на протяжении 4 недель (итого проведено 20 сеансов).

Чтобы оценить воздействие ГБО на амилоидную нагрузку у обработанных мышей 5XFAD, мы окрасили головной мозг таких мышей пан-антителами к бета-амилоиду (4G8, направленные против эпитопа 17-24). Мы зафиксировали существенное снижение амилоидной нагрузки в гиппокампе мышей 5XFAD, лечившихся в камере ГБО, что видно по существенному уменьшению процентного отношения площади гиппокампа с 4G8-иммунореактивностью (-54,32%, P=0,0353), уменьшению количества бляшек (-31,58%, P=0,0217) и меньшему размеру отложений (-18,94%, P=0,0125 по критерию Уэлча) в сравнении с контрольными мышами 5XFAD, подвергшимися нормобарической оксигенации.

Затем мы проанализировали уровни растворимых (фракция трис-буферного раствора, или TBS) и нерастворимых (фракция муравьиной кислоты) Aβ42 и Aβ40 методом твердофазного иммуноферментного анализа (ELISA). Спустя 1 месяц ГБО у мышей 5XFAD уровни нерастворимого Aβ42 снизились на ~56% (фракция МК: P=0,0292 по критерию Уэлча), в то время как уровни Aβ40 снизились на ~45% (фракция МК: P=0,0356) по сравнению с контрольными мышами 5XFAD. И напротив: уровни растворимых Aβ42 и Aβ40 не изменились (фракция TBS). В совокупности эти данные демонстрируют, что ГБО уменьшила амилоидную нагрузку в гиппокампе мышей 5XFAD.

Чтобы изучить динамику образования и роста бляшек in vivo, мы обратились к вопросу изменений в амилоидных бляшках до и после ГБО у одних и тех же мышей и произвели лонгитюдную двухфотонную визуализацию in vivo через краниальное окно над колончатой корой. Затем мы окрасили амилоидные бляшки in vivo метокси-X04 и визуализировали те же отложения бета-амилоида до и после месячного лечения в ГБО или в контрольных условиях. Изначально мы проверили, влияет ли ГБО на объем уже существующих бляшек путем отслеживания объема одиночных бляшек до и после каждого сеанса у одного и того же животного.

Мы разделили существующие бляшки на субпопуляции в соответствии с их начальным объемом и оценили воздействие ГБО на эти группы. Мы обнаружили, что без лечения маленькие старые бляшки объемом 2-800 мкм3 увеличивались в объеме существеннее (в 2,83 раза) по сравнению с более крупными старыми бляшками. Более крупные старые бляшки объемом 801-2000 мкм3 (бляшки среднего размера) увеличились только в 1,17 раз, в то время как размер бляшек объемом >2001 мкм3 (крупные бляшки) не изменился. Полученные данные соответствуют результатам прошлых исследований, согласно которым в моделях БА более мелкие бляшки увеличиваются в размере быстрее более объемных отложений.

Примечательно, что ГБО остановила существенное увеличение объема мелких старых бляшек (P=0,3387) и облегчила уменьшение объема средних (P<0,0001) и крупных бляшек (P<0,0000001). Важно отметить, что первоначальный усредненный объем старых бляшек был приблизительно одинаков во всех группах и при любом диапазоне, однако ГБО оказала разное воздействие на рост маленьких бляшек и распад крупных бляшек. Усреднив все размеры бляшек, мы выяснили, что у контрольных мышей 5XFAD старые отложения увеличились в объеме в среднем на 12,3% за 1 месяц (P=0,0499), в то время как старые бляшки у мышей 5XFAD, прошедших лечение методом ГБО, в среднем уменьшились на 40,05% (P<0,001, двухфакторный дисперсионный анализ с повторными измерениями).

Впоследствии мы проанализировали общее количество бляшек, чтобы получить информацию о старых и новых отложениях, и обнаружили, что у мышей 5XFAD количество бляшек за месяц выросло почти вдвое (1,96-кратное изменение). Это свидетельствует о частом и быстром синтезе новых отложений. Вместе с тем у мышей 5XFAD, перенесших лечение методом ГБО, количество бляшек за тот же период не увеличилось (1,03-кратное изменение). Оценив распределение объемов отложений, мы выяснили, что за месяц у контрольных мышей 5XFAD резко выросло количество бляшек объемом 2-400 мкм3. У мышей 5XFAD, прошедших лечение методом ГБО, распределение объемов отложений за месяц не изменилось.

В совокупности эти результаты указывают на то, что ГБО одновременно замедляет формирование новых бляшек и уменьшает объем уже существующих отложений.

ГБО снижает аномальную переработку предшественника бета-амилоида и повышает уровни распада и выведения Aβ

В целях изучения молекулярных механизмов, способствующих уменьшению амилоидной нагрузки, мы рассмотрели ключевые белки, участвующие в переработке предшественника бета-амилоида (APP), а также распад и выведение Aβ. Вначале мы измерили уровни расщепленного β-секретазой C-терминального фрагмента APP (β-CTF или C99) и расщепленного α-секретазой C-терминального фрагмента APP (α-CTF или C83). ГБО существенно снизила уровни C99 у мышей 5XFAD (-40,41%, P=0,0060) и не повлияла на уровни фрагмента C83 у мышей 5XFAD (P=0,7198). Из этого следует, что ГБО снижает β-секретаза (BACE1)-опосредованное расщепление APP. И действительно: у мышей, подвергшихся лечению методом ГБО, обнаружились сниженные уровни BACE1.

Как мы ранее продемонстрировали на мышиной модели 3xTg, уровни полноразмерного APP также не изменились после ГБО, в то время как уровни α-секретазы ADAM10 снизились. Более того: несмотря на то, что после ГБО у мышей 5XFAD значительно снизились уровни пресенилина-1 (PSE), компонента комплекса γ-секретазы, изменений в уровнях никастрина – еще одного компонента комплекса γ-секретазы – не обнаружилось.

Известно, что ГБО влияет на функцию микроглии и повышает выведение Aβ, способствуя таким образом нейропротекции. По результатам анализа микроглии, ассоциированной с амилоидными бляшками, обнаружилось, что после ГБО количество клеток микроглии на бляшку увеличилось. Это свидетельствует о том, что ГБО индуцирует рекрутмент микроглии к бляшкам и, вероятно, поддерживает деградацию бляшек.

Далее мы задались вопросом о том, влияет ли ГБО на инсулин-разлагающий фермент (IDE) – ключевой фермент, отвечающий за распад пептидов Aβ. Уровни IDE у мышей 5XFAD, прошедших лечение методом ГБО, существенно увеличились по сравнению с контрольной группой (+72,58%, P=0,009), из чего следует, что ГБО повышает распад Aβ. Связанный с рецепторами липопротеинов низкой плотности белок-1 (LRP1) играет определенную роль в выведении Aβ из головного мозга, через гематоэнцефалический барьер в циркулирующую кровь либо в выведении Aβ из паренхимы в нейроны и астроциты. В сравнении с мышами контрольной группы у мышей, подвергшихся ГБО, уровни LRP1 существенно увеличились (+65,16%, P=0,0008). Из этого следует, что ГБО способствует выведению Aβ.

В совокупности полученные результаты указывают на то, что ГБО облегчает амилоидную нагрузку за счет уменьшения синтеза Aβ через снижение уровней APP-расщепляющих ферментов и ускоренное устранение Aβ через повышенную активность путей распада и выведения.

ГБО нейтрализует уменьшение диаметра кровеносных сосудов, усиливает кровоток и увеличивает размер просвета артериол у мышей 5XFAD

Аномалии микрососудов, обнаруженные в области амилоидных бляшек у мышей 5XFAD, способствуют уменьшению церебрального кровотока. Чтобы оценить воздействие ГБО на церебральный кровоток, мы при помощи двухфотонной микроскопии in vivo изучили сосудистую сеть в коре головного мозга мышей до и спустя месяц ГБО и контрольных условий. По итогам такого анализа выяснилось, что у контрольных мышей 5XFAD диаметры кровеносных сосудов за месяц существенно снизились (-8,57%, P=0,0002, t-критерий Стьюдента для парных выборок). И напротив: у мышей 5XFAD, подвергшихся ГБО, существенного снижения диаметров кровеносных сосудов не наблюдалось (-0,53%, t-критерий Стьюдента для парных выборок). Кратность изменения в диаметрах сосудов отражает отрицательную динамику в контрольной группе по сравнению с группой ГБО (P=0,0601, t-критерий Стьюдента).

Чтобы измерить скорость кровотока в определенных кровеносных сосудах, мы пометили васкулярную сыворотку флуоресцентным красителем (FITC), конъюгированным с высокомолекулярным декстраном в целях предотвращения утечки красителя из сосудов. Мы отслеживали скорость нефлуоресцирующих эритроцитов на фоне флуоресценции через распознавание движения эритроцитов во времени и пространстве. Скорость эритроцитов повысилась спустя один месяц ГБО в сравнении с контрольными нормобарическими условиями, но незначительно (контрольная группа: -2,70%; группа ГБО: +54,89%; кратное изменение P=0,0652, t-критерий Стьюдента).

Вместе с тем в токе эритроцитов, по которому можно составить полное описание кровотока в каждом сосуде, отразилось существенное улучшение после ГБО (контрольная группа: -20,35%, группа ГБО: +82,82%; кратное изменение P=0,014, t-критерий Стьюдента). Полученные результаты непосредственно демонстрируют, что ГБО нейтрализует уменьшение диаметра кровеносных сосудов и тем самым способствует усилению кровотока у мышей 5XFAD.

Наконец, мы произвели двойное окрашивание сосудистой сети с использованием антител против a-гладкомышечного актина (антитела к α-SMA) и Aβ (антитела 4G8) и измерили толщину стенок артериол, диаметр просветов и область Aβ вокруг артериол в гиппокампе и коре головного мозга мышей, подвергшихся ГБО либо нормобарическим условиям. И в гиппокампе, и в коре SMA-окрашивание выявило, что у контрольных мышей 5XFAD отмечались уменьшенные диаметры просветов (гиппокамп: -11,22%, P=0,0107; кора: -17,14%, P=0,0407), увеличенная толщина стенок артериол (гиппокамп: +19,75%, P=0,0308; кора: +31,74%, P=0,0077) и значительные отложения бета-амилоида вокруг артериол в сравнении с мышами дикого типа.

Аналогичные изменения наблюдались у пациентов с болезнью Альцгеймера в сравнении с контрольной группой, не страдающей БА. В частности, эксперты предположили, что именно уменьшение диаметра просветов артериол способствует церебральной гипоперфузии при прогрессировании БА. После ГБО диаметр просветов существенно увеличился и в гиппокампе (+13,798%, P=0,016), и в коре головного мозга (+25,59%, P=0,0064) мышей 5XFAD, подвергшихся ГБО, в сравнении с мышами контрольной группы.

ГБО не изменила толщину стенок артериол в гиппокампе (P=0,4387), но при этом вызвала уменьшение толщины стенок сосудов у мышей 5XFAD, прошедших лечение методом ГБО, в сравнении с контрольными мышами (-16,56%, P=0,0477). Наконец, мы не обнаружили изменений в отложении Aβ вокруг артериол в гиппокампе или коре после ГБО. Эти данные подкрепляют результаты визуализации in vivo, по которым обнаружилось сужение кровеносных сосудов у мышей 5XFAD за месяц и по которым можно судить о благотворном воздействии ГБО на васкулярные параметры. В совокупности эти результаты указывают на улучшение кровообращения после ГБО.

ГБО уменьшает гипоксию и уровни гипоксией-индуцируемого фактора-1 (HIF-1) у мышей 5XFAD

Далее мы проверили, уменьшают ли изменения в CBF после ГБО гипоксию в гиппокампальной области головного мозга мышей 5XFAD. Через четырнадцать дней после последнего сеанса ГБО или контрольного лечения мы ввели мышам Гипоксипроб – метку, которая активируется и выявляется только в гипоксических клетках с парциальным давлением кислорода ниже 10 мм рт. ст. (<1%). У контрольных мышей 5XFAD обнаружилась повышенная реактивность Гипоксипроба в гиппокампальных областях CA3 (3,69-кратное повышение, P=0,0076) и CA1 (8,19-кратное повышение, P=0,0021) в сравнении с теми же областями у мышей дикого типа.

Примечательно, что ГБО существенно снизила реактивность Гипоксипроба в гиппокампальной формации мышей 5XFAD и в CA3 (3,11-кратное снижение, P=0,0145), и в CA1 (2,48-кратное снижение, P=0,0261) относительно контрольных мышей 5XFAD.

Чтобы подтвердить полученные результаты и идентифицировать молекулярный путь, на который воздействует ГБО, мы проверили уровни транскрипционного фактора HIF-1, зависимого от давления кислорода. В нормоксических условиях HIF-1α разрушается. В условиях гипоксии, однако, HIF-1α стабилизируется, и его уровни повышаются. Уровни HIF-1α повысились у мышей 5XFAD в сравнении с их однопометниками дикого типа (+55,17%, P=0,0003). ГБО значительно снизила уровни HIF-1α у мышей 5XFAD (-24,12%, P=0,0056).

В совокупности эти эксперименты указывают на высокую степень гипоксии в гиппокампальной области мышей 5XFAD притом, что ее можно значительно снизить с помощью ГБО. Более того: полученные результаты демонстрируют, что ГБО снижала гипоксию у мышей 5XFAD даже спустя 14 дней после последнего сеанса ГБО. Из этого следует, что ГБО дает длительный эффект за счет увеличения просвета артериол и усиления кровотока.

ГБО улучшает выполнение мышами 5XFAD бихевиоральных задач

Наконец, мы проверили, связано ли положительное воздействие ГБО на нарушения, характерные для БА, с улучшением выполнения мышами 5XFAD бихевиоральных задач. Мы обнаружили, что мыши 5XFAD, прошедшие ГБО, демонстрируют улучшенные навыки строительства гнезд: они строят гнезда более высокого качества и с более высокими стенками. Кроме того, мыши, прошедшие лечение, отличались улучшенным исследовательским поведением по сравнению с контрольными мышами 5XFAD.

Мы оценили пространственную память через тестирование естественного предпочтения мышей исследовать новые, а не знакомые пространственные контексты в Y-образном лабиринте. У контрольных мышей 5XFAD мы отметили сниженный временной индекс в ходе этого анализа в сравнении с их однопометниками дикого типа (контрольная группа дикого типа: 0,7367 ± 0,02168 против контрольной группы 5XFAD: 0,5596 ± 0,03382, P=0,00013); ГБО явно обратила данную тенденцию (5XFAD-ГБО: 0,6572 ± 0,03378 против 5XFAD-контроль: 0,5596 ± 0,03382, P=0,0362).

Далее мы протестировали воздействие ГБО на гиппокамп-зависимую контекстуальную память через условно-рефлекторное замирание. У контрольных мышей 5XFAD обнаружились нарушения контекстуальной памяти в сравнении с их однопометниками дикого типа, что видно по уменьшению замираний в тренировочной камере спустя 24 часа после обучения (контрольная группа дикого типа: 23,29 ± 3,140% против контрольной группы 5XFAD: 12,81 ± 2,516%, P=0,0377). Примечательно, что данное нарушение исправилось у мышей 5XFAD, подвергшихся ГБО (5XFAD-ГБО: 29,10 ± 4,321% против 5XFAD-контроль: 12,81 ± 2,516%, P=0,0019).

В совокупности полученные результаты указывают на то, что ГБО улучшает выполнение мышами 5XFAD бихевиоральных задач и задач на память.

ГБО увеличивает церебральный кровоток и улучшает когнитивные функции пожилых пациентов

Чтобы понять, действует ли способность ГБО изменять CBF и когнитивные функции и на пожилых людей, мы провели исследование с участием пациентов (NCT02790541), в котором шесть пожилых пациентов (возраст 70,00 ± 2,68 года) со значительными нарушениями памяти (индекс памяти <100) лечились методом ГБО (60 ежедневных сеансов ГБО за 3 месяца). Мы оценили церебральный кровоток и когнитивную функцию до и после ГБО. Оценка церебрального кровотока производилась методом последовательной визуализации МРТ с динамическим контрастированием, оценка когнитивных функций – методом компьютеризированных когнитивных тестов.

После ГБО отмечалось существенное повышение CBF в нескольких областях головного мозга, включая поля Бродмана 1, 2, 32, 34, 40, 42, 43 и 48. При измерении исходных параметров пациенты получили средний глобальный когнитивный индекс (102,4 ± 7,3), приблизительно соответствующий среднему индексу общей совокупности населения с поправкой на возраст и уровень образованности (100), в то время как индекс памяти оказался значительно ниже (86,6 ± 9,2).

Оценка когнитивных функций после ГБО выявила значительное повышение глобального когнитивного индекса (от 102,4 ± 7,3 до 109,5 ± 5,8, p=0,004), причем наибольшее улучшение наблюдалось в таких областях, как память, внимание и обработка информации. Более того: после ГБО средний индекс памяти повысился до среднего индекса (100,9 ± 7,8) с поправкой на возраст и уровень образованности (100). Повышения индексов соотносятся с улучшением кратковременной и рабочей памяти, ускорением мышления и реакций и улучшенной способностью выбирать релевантный стимул и концентрироваться на нем.

Учитывая, что применение мышиных моделей БА и лечение пациентов, перенесших инсульт и травматические повреждения головного мозга, методом ГБО дали схожие результаты, мы предполагаем, что ГБО опосредует такие структурные изменения в кровеносных сосудах, которые увеличивают церебральный кровоток, снижают гипоксию головного мозга и улучшают когнитивные функции.

Выводы

В последние десятилетия разработка препаратов против болезни Альцгеймера преимущественно концентрировалась на патологиях, вызываемых бета-амилоидом и тау-белком. Тем не менее, неудачные исходы недавних клинических испытаний подразумевают, что необходимо рассмотреть альтернативные стратегии лечения БА. Сосудистая дисфункция – это одна из перспективных альтернативных «мишеней». Она обнаруживается на ранних стадиях БА, коррелирует с прогрессированием патологии и влияет на ее исход. Улучшение функции сосудов и церебрального кровотока улучшает и когнитивную деятельность у пожилых людей.

В рамках представленного исследования мы изучили эту возможность через манипулирование уровнями кислорода в мышиной модели болезни Альцгеймера и в выборке пожилых пациентов. Судя по результатам, повышение доставки кислорода к головному мозгу через лечение методом ГБО улучшило несколько аспектов болезни Альцгеймера, включая васкулярную дисфункцию, амилоидную нагрузку и поведение. ГБО-индуцированные васкулярные изменения также привели к увеличению церебрального кровотока и уменьшению церебральной гипоксии, причем данный эффект сохранялся на протяжении нескольких недель после лечения.

В ходе исследования мы также продемонстрировали, что ГБО улучшает васкулярные параметры у мышей 5XFAD. За месяц диаметры кортикальных кровеносных сосудов у этих мышей уменьшились на ~8,5%, вследствие чего кровоснабжение уменьшилось на ~20%. Это соответствует модели Пуазейля, согласно которой даже минимальные изменения в диаметре сосудов могут оказать значительный эффект на скорость кровотока (например, сужение кровеносных сосудов на 6% снижает кровоснабжение на 22%). У мышей 5XFAD адгезия нейтрофилов привела к дисфункции капилляров и уменьшению церебрального кровотока. И действительно: сужение сосудов, согласно нашим наблюдениям, способно ускорить адгезию нейтрофилов и вызвать дисфункцию капилляров. ГБО замедлила процесс истончения кортикальных кровеносных сосудов и увеличила кровоток.

Более того: мы продемонстрировали, что ГБО-индуцированное увеличение кровоснабжения сопровождалось повышением диаметра просветов артериол и уменьшением гипоксии у мышей 5XFAD. Примечательно, что уменьшение гипоксии отмечалось даже спустя 14 дней после последнего сеанса ГБО. Из этого следует, что структурные изменения в кровеносных сосудах способствуют уменьшению церебрального кровотока у мышей 5XFAD и что ГБО может нейтрализовать данный процесс и, соответственно, уменьшить церебральную гипоксию. Таким образом, ГБО индуцирует такие изменения в базовой патофизиологии заболевания, которые сохраняются на протяжении как минимум двух недель после завершения ГБО.

Увеличение церебрального кровотока и повышение доставки кислорода могут улучшить или усилить функцию головного мозга. ГБО индуцирует когнитивные улучшения и у молодых, и у пожилых здоровых субъектов за счет регионарных изменений в CBF. ГБО также увеличивает церебральный кровоток и улучшает параметры ЭЭГ, глобальные когнитивные индексы и результаты ПЭТ у пациентов, перенесших инсульт или травматические повреждения головного мозга. Что касается болезни Альцгеймера, исследования на животных демонстрируют, что доставка дополнительного кислорода или ГБО улучшает когнитивную деятельность и увеличивает кровоснабжение головного мозга.

Более того: непосредственное увеличение CBF в связи со снижением количества дисфункциональных капилляров привело к быстрому улучшению выполнения мышами 5XFAD задач на пространственную и рабочую память. Недавние исследования с участием пациентов демонстрируют, что ГБО улучшает когнитивные функции пациентов с легкими когнитивными нарушениями и сосудистой деменцией. Она также нейтрализует уменьшение метаболизма головного мозга у пациентов с легкими когнитивными нарушениями и болезнью Альцгеймера.

В данной работе мы демонстрируем, что ГБО увеличивает церебральный кровоток и улучшает когнитивную функцию пожилых людей, страдающих значительной потерей памяти. Кроме того, она увеличивает CBF, уменьшает церебральную гипоксию и нормализует поведение мышей 5XFAD. И все же, учитывая сравнительно небольшое число пациентов-участников наших экспериментов с ГБО (n=6), увеличение масштаба исследования с включением более крупной когорты может подтвердить полученные результаты. В совокупности эти данные указывают на то, что кислород является скорость-лимитирующим фактором и в отношении нормальной когнитивной функции, и в отношении восстановления тканей при болезни Альцгеймера.

Отслеживание бляшек в соматосенсорной коре с течение времени позволило изучить динамику амилоидных отложений in vivo. Мы выяснили, что за месяц количество бляшек у мышей 5XFAD почти удвоилось, а их объем увеличился, что указывает на частый и быстрый синтез амилоидных бляшек в таких моделях. Более того: маленькие бляшки увеличивались в размере быстрее крупных. Это соответствует результатам других научных работ, но при этом противоречит работе Хефенделя и соавторов. Примечательно, что ГБО снизила частоту возникновения новых бляшек и способствовала уменьшению размеров уже существующих средних и крупных бляшек, из чего следует, что ГБО одновременно влияет и на синтез бета-амилоида, и на его распад и выведение. Данный вывод обосновывается и тем фактом, что ГБО уменьшила избыточную выработку Aβ42 и образование бляшек Aβ за счет снижения уровней BACE1 (β-секретазы) и пресенилина-1 (компонента γ-секретазы), что привело к снижению уровней C-терминального фрагмента Aβ (β-CTF, C99) и нерастворимой фракции Aβ42.

Кроме того, ГБО повысила уровни IDE и LRP1, способствуя таким образом распаду и выведению Aβ. Полученные результаты соответствуют данным о том, что повышение активности пути распада через изменение уровней IDE либо пути выведения через изменение уровней LRP1 приводит к снижению амилоидной нагрузки. Мы выяснили, что количество клеток микроглии на объем бляшки повышается после ГБО; это свидетельствует о рекрутменте микроглии к бляшкам и потенциально поддерживает вывод о деградации бляшек. Рассмотрев полученные данные в совокупности, можно сделать вывод о том, что ГБО воздействует на пути образования, накопления и распада Aβ42 и тем самым способствует уменьшению частоты возникновения новых бляшек и распаду существующих отложений.

Накопленная доказательственная база свидетельствует о том, что церебральная гипоперфузия и гипоксия приводят к образованию и накоплению бета-амилоида. Гипоксия индуцирует образование Aβ через облегчение расщепления APP β- и γ-секретазой. Она также облегчает накопление бета-амилоида через снижение уровней ферментов, отвечающих за распад Aβ, – например, неприлизина (NEP) и IDE. И действительно: у большинства пациентов отмечаются ЦАА и дегенеративные изменения, влияющие на состояние артериол и капилляров; у многих также наблюдаются ишемические аномалии паренхимы. Это следствие структурных поражений сосудов и/или уменьшения кровотока в критических областях головного мозга.

Выведение Aβ через сосудистую сеть – это настолько важный способ устранения Aβ из головного мозга, что нарушение данного процесса в связи с церебральной гипоперфузией приводит к накоплению Aβ, развитию васкулярного амилоидоза и образованию плотных бляшек. Такая положительная обратная связь, в рамках которой сосудистые факторы усиливают нейродегенеративные изменения и наоборот, облегчает прогрессирование болезни. В представленной работе мы продемонстрировали, что ГБО уменьшает гипоксию, увеличивает CBF и улучшает структуру артериол, а также способствует распаду и выведению Aβ, снижая тем самым амилоидную нагрузку. Полученные результаты подчеркивают тесную взаимосвязь между сосудистой патологией и нейродегенерацией и иллюстрируют способность ГБО бороться с неврологическими нарушениями, связанными с гипоксией, – в частности, с болезнью Альцгеймера.

В целом, мы продемонстрировали, что ГБО оказывает многоаспектное нейропротективное действие на комплексную патофизиологию болезни Альцгеймера и улучшает церебральный кровоток и когнитивную деятельность человека. Воздействие на различные сигнальные пути, участвующие в базовой патофизиологии БА, может оказаться более эффективной стратегией модификации прогрессирования болезни. В этом плане известно, что ГБО положительно воздействует на патологию и улучшает поведение трех мышиных моделей БА, а именно мышей 3xTg-AD, 5XFAD и APP/PS1.

Учитывая, что: ГБО считается безопасной и хорошо переносимой терапией и уже используется в медицинской практике; клинические испытания все чаще подтверждают то, что ГБО улучшает когнитивную функцию пациентов с хроническим поражением головного мозга; преклинические исследования позволяют изучить механизм действия ГБО; в настоящее время не существует эффективных вмешательств, показанных при БА, – ГБО следует рассматривать в качестве терапевтического подхода к замедлению прогрессирования БА и даже к улучшению патофизиологии, ответственной за развитие данного заболевания.

Другие актуальные исследования:

Дата публикации: 16.09.2021