Сигнальный путь итаконата — терапевтическая мишень при травмах головного мозга

Пациенты, перенесшие травму головного мозга, склонны к развитию когнитивных нарушений и симптомов депрессии. В настоящее время не существует эффективных фармакологических препаратов для лечения такой травмы. Ингибирование гибели клеток нейронов показало свою эффективность на животных моделях, однако эта стратегия не смогла улучшить исходы в клинической практике. Авторы публикации в Science Translational Medicine предложили воздействовать на ключевых участников нейровоспаления при повреждении головного мозга — клетки микроглии — и перепрограммировать их метаболизм, чтобы ослабить негативные последствия травмы.

Метаболизм покоящихся клеток микроглии преимущественно опирается на окислительное фосфорилирование. Однако в ответ на инфекцию или повреждение мозга микроглия быстро переходит на гликолитический профиль. Чтобы оценить влияние травмы головного мозга на метаболизм микроглии, ученые провели опыты на мышах — они собирали образцы микроглиальных клеток в норме и после тяжелой или умеренной черепно-мозговой травмы (сбор проводился через 4 и 12 часов). Анализ подтвердил, что через 4 часа после полученного повреждения активность митохондрий в микроглии нарушалась, и в этих клетках усиливался гликолиз. Эффект был временным — к 12 часам энергетический профиль восстанавливался до исходного.

Ключевую роль в контроле метаболизма микроглии, как и других макрофагов, играет итаконатный путь — аконитатдекарбоксилаза (Irg1) синтезирует итаконат, который служит важным интермедиатом в цикле Кребса. Уровень мРНК Irg1 в клетках микроглии мышей возрастал через 4 и 12 часов после травмы, однако содержание самого итаконата в клетках, напротив, снижалось.

Чтобы изучить роль итаконатного пути при травме мозга, авторы специфично нокаутировали Irg1 в микроглии мышей. Оказалось, что повреждение изменяет метаболические пути в этих клетках, затрагивая метаболизм пуринов, аргинина и некоторых других аминокислот, а также гликолиз. Однако при дефиците Irg1 эти изменения были более выражены. Кроме того, нокаут Irg1 усиливал продукцию активных форм кислорода (АФК) в митохондриях микроглии после травмы.

Транскриптомный анализ выявил усиленную продукцию провоспалительных цитокинов и хемокинов (IL-6, IL-1β, Ccl2) при нокауте Irg1 в клетках микроглии. В долгосрочном периоде (до 28 дней наблюдений) полученный воспалительный фенотип микроглии нарушал когнитивные функции мышей, снижая их обучаемость в поведенческих тестах, например, водном лабиринте Морриса, и усиливая проявления тревожности.

Восстановить фенотип микроглии после травмы авторы попытались производным исследуемого регулятора метаболизма — 4-октил-итаконатом (OI). Было показано, что это соединение способно проникать в клетки и гидролизоваться до итаконата. Внутрибрюшинное введение OI значимо подняло его концентрацию в клетках микроглии через 12 часов после травмы головного мозга, а также повысило концентрацию интермедиатов цикла Кребса — цитрата и сукцината.

Более подробный анализ с применением изотопно-меченных метаболитов показал, что снижение уровня итаконата при травме уменьшает активность цикла Кребса и ослабляет митохондриальное дыхание. Это усиливает продукцию АФК и приводит к провоспалительной активации микроглии. Экзогенный итаконат, который вводили мышам, частично смягчил вызванные травмой нарушения. Как показало секвенирование РНК единичных клеток, добавка итаконата замедляла дифференцировку клеток микроглии в провоспалительный фенотип. На транскриптомном уровне это объясняется тем, что в микроглии мышей, получавших итаконат, усиливалось митохондриальное дыхание — несмотря на травму головного мозга, микроглия в таком случае не переключалась на гликолиз так же выраженно, как в отсутствие дополнительного итаконата. Соединение снижало выработку провоспалительных цитокинов и замедляло сборку инфламмасом.

В клетках мозга мышей, получавших итаконат, накапливалось меньше разрывов ДНК после травмы. Показатели в поведенческих тестах, проведенных через 48 часов после травмы головного мозга, улучшались у животных, которым вводили итаконат, а очаги повреждения в их мозге имели меньший объем.

Авторы заключают, что вмешательство в итаконатный путь уменьшает провоспалительную активацию микроглии, и это позволяет ослабить нейродегенерацию после травмы головного мозга. Они рассчитывают, что полученные ими сведения лягут в основу терапии и снизят уровень когнитивных нарушений, которые возникают у пациентов, перенесших черепно-мозговую травму.

Ближний инфракрасный свет предотвратил осложнения черепно-мозговой травмы у крыс