Кетогенная диета как потенциальный метод лечения травматических повреждений головного мозга

Учёные Тель-Авивского университета выяснили, что довольно популярная в наше время кетогенная диета улучшает пространственную и зрительную память, снижает показатели давления в головном мозге, а также уменьшает гибель нейронов и замедляет скорость клеточного старения. Исследователи пришли к выводу, что диета полезна и для более быстрого восстановления после черепно-мозговых травм.

Авторы исследования: Мейрав Хар-Эвен, Вардит Рубович (Тель-Авивский университет, Израиль), Уитни А. Рэтлифф (Лаборатория молекулярной биологии, США), Бар Ричмонд-Хамам (Тель-Авивский университет, Израиль), Брюс А. Цитро (Медицинская школа Рутгерса, США), Хаим Г. Пик (Тель-Авивский университет, Израиль).

Травматическое повреждение головного мозга (ТПГМ) – это дисфункция головного мозга вследствие воздействия на него внешней силы (внешнего удара, пенетрации или быстрого движения головой). Самые распространенные причины ТПГМ – боевые травмы, дорожно-транспортные происшествия, падения, побои и спортивные травмы. Только в Соединенных Штатах на лечении в связи с ТПГМ находится приблизительно 2,8 млн. человек. Ежегодная стоимость такого лечения превышает 76 миллиардов долларов с учетом медицинского обслуживания, неспособности больных работать и дополнительных издержек.

Последствиями ТПГМ выступают физические, когнитивные, поведенческие, эмоциональные и социальные проблемы. ТПГМ приводит к различным патофизиологическим изменениям, прогрессирование которых делится на две фазы.

1. В первой фазе отмечается первичное повреждение головного мозга в результате приложения внешней силы; на данном этапе наблюдаются изменения и повреждения тканей, расположенных вблизи травмированной области. Кроме того, разрываются аксоны и мелкие кровеносные сосуды, в результате чего нейроны мгновенно умирают вследствие некроза.
2. Вторичный процесс начинается в первую фазу. На данном этапе отмечаются нейровоспаление, глутаматная эксайтотоксичность и окислительный стресс. Нейроны отмирают вследствие апоптоза.

Легкие травматические повреждения головного мозга (лТПГМ), на долю которых приходится свыше 80-90% от всех случаев ТПГМ, с трудом поддаются диагностике, так как стандартные исследования, включая визуализацию, не выявляют изменений в структуре головного мозга. Несмотря на это, у пациентов с лТПГМ зачастую наблюдаются кратко- и долговременные когнитивные, поведенческие и эмоциональные нарушения. К таким нарушениям в том числе относятся дефицит концентрации внимания и памяти, ухудшение исполнительных функций, депрессия и тревожные расстройства.

Кетогенная диета (КД) – это диета с высоким содержанием жиров и низким содержанием углеводов, изначально разработанная для стимуляции полезных биохимических изменений, наблюдающихся в состоянии голодания. КД назначают пациентам с трудно контролируемой эпилепсией с 1921 года. КД является одним из способов индукции кетоза – метаболического состояния, при котором организм использует в качестве источника энергии кетоновые тела, а не глюкозу – первичный субстрат для метаболизма энергии в теле и головном мозге. У грызунов на кетогенной диете быстро и надолго повышаются уровни кетоновых тел. Эффект длится до восьми недель.

В последних работах эксперты начали изучать потенциал кетогенной терапии в лечении других неврологических и психиатрических нарушений, включая болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера. Исследования на мышах все чаще указывают на то, что кетогенная диета оказывает противовоспалительное действие.

Эксперты сообщают, что КД и, в частности, кетоновый метаболит бета-гидроксибутират подавляют активацию NLRP3-воспаления в ответ на несколько структурно не связанных активаторов NLRP3 и улучшают ишемическую толерантность головного мозга. Доказано, что кетогенная диета также уменьшает экспрессию активированной микроглии. Несмотря на то, что ее механизм нейропротекции неизвестен, ранее исследователи уже сообщали о том, что КД повышает уровни глутатиона и разобщающего белка (UCP) в клетках после травм головного мозга и тем самым снижает уровни реактивных форм кислорода (РФК).

Возможно, что механизм индукции нейропротекторного эффекта КД действует через изменение экспрессии SIRT1. SIRT1 участвует в развитии гиппокампа через активацию Akt и ингибирование GSK3. Он также играет определенную роль в различных физиологических процессах, включая реакцию на окислительный стресс, сайленсинг генов, обеспечение стабильности генома и продление жизни клетки. Семейство белков сиртуинов участвует и в деятельности гипоталамуса, в котором оно способствует регулированию циркадных ритмов, эндокринных путей и аппетита.

По итогам нескольких недавних исследований обнаружилось, что SIRT1 играет существенную роль в индукции нейропротекции после ограничения в употреблении калорий. Ограничение калорий (ОК) также связывают с уменьшением гиперфосфорилирования тау-белка и поддержкой гиппокампальных нейронов. При этом известно, что соответствующая аномалия тау-белка присутствует и при других разновидностях ТПГМ. В то время как ОК повышает уровни кетоновых тел в крови, КД позволяет добиться того же, но на более высоком уровне. На это нужно обращать внимание, так как диета с высоким содержанием жира и повышенные уровни кетоновых тел в циркулирующей крови активируют SIRT1.

Таким образом, действие SIRT1 после КД, как в нашей модели, носит более выраженный характер по сравнению с предыдущими моделями, основанными на ограничении калорий. Представленное исследование на взрослых мышах ICR мужского пола не противоречит данным, полученным по результатам прошлых исследований SIRT1 на мышах.

В данной работе мы использовали мышиную модель закрытой черепно-мозговой травмы, нанесенной свободно падающим грузом, для тестирования когнитивных, клеточных и молекулярных эффектов кетогенной диеты в первые 30 дней после травмы. Мы отмечаем, что кетогенная диета, начатая после лТПГМ, уменьшила когнитивный дефицит пространственной и зрительной памяти и частично нейтрализовала вызванные травмой клеточные изменения в нейронах и глии. Кроме того, наша модель демонстрирует, что КД восстанавливает уровни экспрессии SIRT1, снизившиеся после травмы.

Односторонний многократный дисперсионный анализ позволил выявить существенный основной эффект времени [F (3,63) = 28,31, p = 0,000, η2 = 0,57] и группы [F (3,21) = 49,24, p = 0,000, η2 = 0,88], а также взаимодействие «группа-время» [F (9,63) = 9,81, p = 0,000, η2 = 0,58]. Последовательный анализ простых эффектов по методу Сидака указал на то, что уровни кетоновых тел в крови мышей на КД оказался существенно выше уровня кетоновых тел в группах лТПГМ и контроля на третий день (оба p = 0,000), седьмой день (оба p = 0,000) и тридцатый день (оба p = 0,001). Аналогичным образом, уровни кетонов в крови группы лТПГМ+КД стабильно находились на более высоких отметках, чем в группах лТПГМ и контроля на третий день (оба p = 0,000), седьмой день (оба p = 0,001) и тридцатый день (p = 0,022 и p = 0,018, соответственно).

Для оценки тревожного поведения применялся тест с приподнятым крестообразным лабиринтом. По результатам двустороннего дисперсионного анализа не обнаружилось ни существенного основного эффекта группы [F (3, 76) = 1,61, p = 0,194, η2 = 0,06] или времени после травмы [F (1, 76) = 3,33, p = 0,072, η2 = 0,04], ни взаимодействия между этими двумя факторами [F (3, 76) = 0,55, p = 0,649, η2 = 0,02].

Ни травма, ни лечение диетой не повлияли на тревожное поведение мышей.

Для оценки зрительного распознавания и памяти применялся тест на распознавание новых объектов. Двусторонний дисперсионный анализ выявил существенный основной эффект группы [F (3, 76) = 17,11, p = 0,000, η2 = 0,40]. По итогам ретроспективного анализа Габриэля выяснилось, что группа лТПГМ дала наихудшие результаты по сравнению с группами контроля, КД и лТПГМ+КД (все p = 0,000). Основного эффекта времени после травмы [F (1, 76) = 0,60, p = 0,442, η2 = 0,01] или взаимодействия «группа-время» [F (3, 76) = 2,30, p = 0,084, η2 = 0,08] не обнаружилось.

Для оценки пространственной памяти использовался Y-образный лабиринт. Двусторонний дисперсионный анализ выявил существенный основной эффект группы [F (3, 81) = 19,49, p = 0,000, η2 = 0,42]. По итогам ретроспективного анализа Габриэля выяснилось, что группа лТПГМ дала наихудшие результаты по сравнению с группами контроля, КД и лТПГМ+КД (все p = 0,000). Основного эффекта времени после травмы [F (1, 81) = 0,46, p = 0,498, η2 = 0,01] или взаимодействия «группа-время» [F (3, 81) = 0,75, p = 0,526, η2 = 0,03] не обнаружилось.

Односторонний дисперсионный анализ экспрессии SIRT1 в гиппокампе выявил значительные межгрупповые различия в экспрессии SIRT1 [F (3,21) = 5,45, p = 0,006, η2 = 0,44]. Ретроспективный анализ Габриэля позволил обнаружить существенно более низкие уровни SIRT1 в группе лТПГМ по сравнению с группами контроля (p = 0,009), КД (p = 0,038) и лТПГМ+КД (p = 0,025).

Односторонний дисперсионный анализ экспрессии SIRT1 в коре выявил значительные межгрупповые различия в экспрессии SIRT1 [F (3,21) = 6,26, p = 0,003, η2 = 0,47]. Ретроспективный анализ Габриэля позволил обнаружить существенно более низкие уровни SIRT1 в группе лТПГМ по сравнению с группой лТПГМ+КД (p = 0,002). Кроме того, в группе лТПГМ обнаружилась относительно существенная тенденция к снижению уровней SIRT1 по сравнению с группами контроля (p = 0,090) и КД (p = 0,077).

Односторонний дисперсионный анализ количества NeuN+нейронов в коре и зубчатой извилине выявил существенные межгрупповые различия в количестве NeuN+нейронов и в коре [F (3, 16) = 5,06, p = 0,012, η2 = 0,49], и в зубчатой извилине [F (3, 16) = 8,51, p = 0,001, η2 = 0,61]. По итогам ретроспективного анализа Габриэля общее количество NeuN+нейронов в коре в группе лТПГМ оказалось гораздо более низким, чем в группах контроля (p = 0,018) и лТПГМ+КД (p = 0,028). Общее количество NeuN+нейронов в зубчатой извилине в группе лТПГМ оказалось гораздо более низким, чем в группах контроля (p = 0,008), КД (p = 0,012) и лТПГМ+КД (p = 0,002).

Односторонний дисперсионный анализ интенсивности ГФКБ в коре и зубчатой извилине позволил выявить существенные межгрупповые различия в интенсивности ГФКБ в зубчатой извилине [F (3, 16) = 3,14, p = 0,055, η2 = 0,37], но не в коре [F (3, 16) = 2,60, p = 0,088, η2 = 0,33]. По итогам ретроспективного анализа Габриэля обнаружилась более высокая интенсивность ГФКБ в зубчатой коре в группе лТПГМ по сравнению с группой лТПГМ+КД (p = 0,043).

Односторонний дисперсионный анализ морфологии ГФКБ в коре и зубчатой извилине выявил существенные межгрупповые различия в морфологии ГФКБ в зубчатой извилине [F (3, 16) = 3,28, p = 0,048, η2 = 0,38], но не в коре [F (3, 16) = 0,52, p = 0,674, η2 = 0,09]. Ретроспективный анализ Габриэля позволил обнаружить явные изменения в морфологии астроцитов в зубчатой извилине мышей группы лТПГМ по сравнению с контрольной группой (p = 0,042).

Односторонний дисперсионный анализ экспрессии активированной микроглии в коре и зубчатой извилине не выявил существенных различий в группах по уровням активированной микроглии в коре [F (3, 16) = 2,37, p = 0,108, η2 = 0,31] или зубчатой извилине [F (3, 16) = 2,15, p = 0,134, η2 = 0,29].

ТПГМ – это основная причина смерти и длительной инвалидности в современном мире; ТПГМ ежегодно диагностируют более, чем у 10 миллионов человек. Большинство ТПГМ (80-95%) являются легкими. Иногда симптомы ТПГМ проходят в течение года после травмы, однако у 70-90% пациентов отмечается затяжная и зачастую перманентная нейрокогнитивная дисфункция. В свете участившихся сообщений о полезности кетогенной диеты при многих неврологических нарушениях первичной целью данного исследования стала оценка преимуществ КД при лТПГМ. Полученные результаты свидетельствуют о том, что КД можно считать эффективным методом лечения, так как она борется с ТПГМ-индуцированными когнитивными нарушениями, потерей нейронов и нейровоспалением в мышиной модели закрытой черепно-мозговой травмы.

Мы нанесли мышам легкие ТПГМ, после чего до 30 дней кормили их в соответствии с кетогенной либо стандартной диетой. Нам удалось подтвердить, что у мышей на КД (с ТПГМ или без такового) уровни кетоновых тел существенно повысились в сравнении с мышами на СД при проверке на 3, 7 и 30 день после начала диеты. Предыдущие исследования демонстрируют, что у мышей с лТПГМ отмечаются когнитивные нарушения, касающиеся зрительной и пространственной памяти. Работы, опубликованные нами ранее, как и данное исследование, исключают возможную роль тревожности (степень который мы оценили по итогам теста с приподнятым крестообразным лабиринтом) в нарушениях когнитивной функции травмированных мышей.

Результаты представленного исследования подкрепляют ранее полученные данные о зрительной и пространственной памяти и притом демонстрируют, что КД эффективно борется с этими когнитивными нарушениями. Результаты работы поддерживают выводы, сделанные по итогам предыдущих исследований преимуществ КД при травмах головного мозга в краткосрочной перспективе (7 дней). У крыс на КД после травмы головы отмечались признаки нейропротекции в коре и гиппокампе и улучшения в двигательной активности по результатам тестов Бима на ходьбу и равновесие. Кроме того, эксперты обнаружили, что КД уменьшает отек головного мозга и клеточный апоптоз через 72 часа после травмы и демонстрирует противоопухолевое действие внутри головного мозга в моделях грызунов.

Чтобы подробнее изучить молекулярные эффекты ТПГМ и КД, мы измерили уровни SIRT1 в коре и гиппокампе – двух областях головного мозга, играющих важнейшую роль в формировании памяти. ТПГМ снизило уровни SIRT1 в коре и гиппокампе на 30 день после травмы, однако КД восстановила этот показатель, что указывает на возможность существования механизма, влияющего на когнитивные нарушения и улучшение в когнитивных симптомах на КД.

С другой стороны, спустя 7 дней после травмы уровни SIRT1 не уменьшились ни в коре, ни в гиппокампе. Это соответствует результатам прошлых исследований, согласно которым уровни SIRT1 повышались за 1 день до ишемии, а затем постепенно снижались на протяжении 7 дней. Результаты нашего исследования также соответствуют итогам предыдущих работ, посвященных изучению интервального голодания и ограничения в количестве калорий в течение 30 дней после травмы, и не противоречат исследованиям влияния КД и SIRT1 на укрепление здоровья, старение, долголетие и нейродегенерацию в животных моделях.

Ранее мы сообщили о том, что в нашей модели лТПГМ выживаемость нейронов снижается спустя 3 недели после травмы. Аналогичным образом, в рамках представленного исследования мы продемонстрировали значительное повышение показателей смерти нейронов, сохраняющееся на протяжении 30 дней после травмы как в коре, так и в гиппокампе. КД предотвратила отмирание нейронов. Эти результаты соответствуют итогам исследования in vitro, в ходе которого выяснилось, что кетоновое тело бета-гидроксибутират уменьшает аксональную дегенерацию при диффузном аксональном повреждении головного мозга.

В дополнение нам удалось зафиксировать явное увеличение числа реактивных астроцитов в гиппокампе через 30 дней после травмы. КД частично нейтрализовала это явление. Ранее мы отмечали, что наша модель лТПГМ индуцирует фундаментальные нейровоспалительные изменения, включая повышение реактивности астроцитов, уровней провоспалительного цитокина ФНО-альфа и экспрессии генов, участвующих в воспалительных процессах в нескольких областях головного мозга. Можно заключить, что кетогенная диета предотвратила травма-индуцированное нейровоспаление, что соответствует результатам прошлых исследований, согласно которым КД ингибирует активацию инфламмасомы NLRP3 и тем самым оказывает нейропротекторный эффект.

Нашей мышиной модели легкого ТПГМ в результате закрытой черепно-мозговой травмы удалось воспроизвести когнитивные нарушения, наблюдающиеся у пациентов с ТПГМ, и продемонстрировать, что кетогенная диета, начатая после травмы, способна защитить от травма-индуцированной потери памяти. Мы продемонстрировали на клеточном уровне, что лТПГМ индуцирует смерть нейронов и активацию астроцитов и микроглии (нейровоспаление). Все эти явления у травмированных мышей удалось предотвратить с помощью КД.

Результаты нашего анализа изменений в SIRT1 указывают на существование действующего молекулярного механизма, обусловливающего восстановление когнитивных функций при соблюдении КД. Наши результаты дополняют массив доказательств того, что КД представляет собой эффективный нефармакологический метод лечения долгосрочных последствий лТПГМ на молекулярном и клеточном уровнях, способный в конечном итоге уменьшить когнитивные симптомы и повысить качество жизни пациентов с ТПГМ.