Semax i BDNF:Mechanizm

Czynnik neurotroficzny pochodzenia brainowego znajduje się w centrum niemal każdej rozmowy o neuroplastyczności, odporności poznawczej i długotrwałym zdrowiu mózgu - i z dobrego powodu. BDNF jest jednym z najobfitszych neurotrofiny w dorosłym ośrodkowym układzie nerwowym, bezpośrednio rządzącym wzmacnianiem synaptycznym, rozgałęzieniem dendrytycznym i przetrwaniem nowych neuronów w hipokampie. Kiedy rosyjscy badacze po raz pierwszy udokumentowali, że Semax - syntetyczny heptapeptyd pochodzący z fragmentu ACTH (4- 10) - może zwiększyć ekspresję BDNF mRNA przez separal- krotnie w tkance mózgowej szczurów, otworzyła ona linię dochodzenia, która obecnie obejmuje ponad dwie dekady badań przedklinicznych. Ten artykuł rozbija rzeczywistą drogę molekularną od podania Semax do upregulacji BDNF, jak wyglądają dane w różnych regionach mózgu, i gdzie badania stoją dziś.

Co to jest BDNF i dlaczego to ma znaczenie?

Czynnik neurotroficzny pochodzenia brainowego należy do rodziny neurotrofin, grupy wydzielonych białek, które regulują rozwój neuronów, utrzymanie i plastyczność. BDNF wiąże się z wysokim powinowactwem do receptora kinazy receptora tropomyozyny B (TrkB) i mniejszym powinowactwem do receptora p75NTR. Interakcja TrkB jest miejscem, gdzie większość neuroochronnego i proplastyczności sygnalizacji pochodzi.

Kiedy BDNF wiąże TrkB, wyzwala dimeryzację receptorów i autofosforylację, aktywując trzy główne wewnątrzkomórkowe kaskady sygnalizacyjne: szlak MAPK / ERK, szlak PI3K / Akt i szlak PLCγ. Każdy z nich przyczynia się do różnych efektów ubocznych - ERK signaling napędza transkrypcję genów dla białek synaptycznych, PI3K / Akt promuje przeżycie neuronów poprzez tłumienie sygnałów apoptotycznych, a PLCγ moduluje wewnątrzkomórkową dynamikę wapnia, która wpływa na transmisję synaptyczną.

Zmniejszone stężenia BDNF były związane w badaniach przedklinicznych i klinicznych z pogorszeniem funkcji poznawczych, zaburzeniami nastroju, schorzeniami neurodegeneracyjnymi i zaburzeniami regeneracji po uszkodzeniu mózgu. To sprawia, że każdy związek zdolny do wiarygodnego upregowania ekspresji BDNF jest celem o dużym znaczeniu badawczym.

Semax: Struktura i profil farmakologiczny

Semax (Met- Glu- His- Phe- Pro- Gly- Pro) jest syntetycznym analogiem fragmentu ACTH (4- 10), pierwotnie opracowanego w Instytucie Genetyki Molekularnej Rosyjskiej Akademii Nauk w latach 80. Peptyd zachowuje właściwości sygnalizacyjne neurotroficzne macierzystego fragmentu ACTH, ale nie wykazuje żadnej aktywności kortykotropowej (steroidogennej), co sprawia, że neurologicznie interesujące bez wywoływania kaskady hormonu nadnerczy.

Semax jest zarejestrowany jako lek farmaceutyczny w Rosji od 1994 r., głównie wskazany do zastosowań poznawczych i neurologicznych. Standardowy formularz jest podawany donosowo, co pozwala na ominięcie bariery krwi-mózgu przez węch i szlaki nerwu trójcewkowego. Podanie donosowe zapewnia szybki dostęp do ośrodkowego układu nerwowego, z wykrywalnymi stężeniami w mózgu zgłaszanymi w ciągu kilku minut po podaniu w badaniach farmakokinetyki u zwierząt.

Wersja zmodyfikowana - w szczególności NA- Semax (N- Acetyl Semax) i NA- Semax Amidate - wyposażone w modyfikacje chemiczne odpowiednio w N- terminus i C- terminus, mające na celu zwiększenie stabilności enzymatycznej i potencjalnie zwiększenie powinowactwa do wiązania receptorów. Te modyfikacje wydają się wydłużać okres półtrwania peptydu i mogą nasilać niektóre skutki uboczne, chociaż bezpośrednie porównawcze dane BDNF we wszystkich trzech formach pozostają ograniczone.

Semax → BDNF Signaling Pathway

Mechanizm, za pomocą którego Semax zwiększa ekspresję BDNF obejmuje kilka wzajemnie połączonych kroków. Chociaż nie wszystkie ogniwa łańcucha zostały w pełni wyjaśnione, istniejąca literatura przedkliniczna stanowi stosunkowo szczegółowy obraz drogi podstawowej.

Etap 1: Aktywacja receptora melanokortyny

Uważa się, że Semax wywiera początkowe działanie poprzez interakcję z receptorami melanokortyny, zwłaszcza MC4R, które są szeroko wyrażone w mózgu, w tym w hipokampie, podwzgórzu i korze mózgowej. Fragment ACTH (4- 10), z którego pochodzi Semax, udokumentował powinowactwo do podtypów receptorów melanokortyny. Aktywacja MC4R wyzwala sygnalizację związaną z proteiną Gs-, zwiększając wewnątrzkomórkowy cykliczny poziom AMP (cAMP).

Krok 2: caMP / PKA Cascade

Podwyższony cAMP aktywuje kinazę białkową A (PKA), która przenosi się do jądra. PKA fosforyluje białko wiążące żywicę odpowiedzi cAMP (CREB) w krytycznej pozostałości serine- 133. Fosforylowany CREB (pCREB) jest jednym z najbardziej dobrze charakteryzujących się czynników transkrypcyjnych w neurobiologii, a BDNF jest jednym z głównych celów genowych.

Krok 3: BDNF Gene Transcription

Gen BDNF ma złożoną strukturę z wieloma regionami promocyjnymi (co najmniej dziewięciu u gryzoni, z regionami homologicznymi u ludzi). pCREB wiąże się z miejscami CRE (element odpowiedzi cAMP) w kilku z tych promotorów - przede wszystkim promotorów I i IV, którzy są głównymi promotorami zależnymi od aktywności w neuronach korowych i hipokampowych. Wiązanie to inicjuje transkrypcję BDNF mRNA z odpowiednich exonów.

Krok 4: Przetwarzanie mRNA i tłumaczenie protein

Nowo transkrybowany BDNF mRNA jest przetwarzany, transportowany do dendrytów i somy, i przetłumaczony na białka pro- BDNF. Pro- BDNF jest następnie rozdzielany przez wewnątrzkomórkowe (furynę, PC7) lub pozakomórkowe (plazmin, MMP- 9) proteaz do dojrzałego BDNF. Co ważne, pro- BDNF i dojrzałe BDNF mają przeciwne skutki w niektórych miejscach receptorów - pro- BDNF preferencyjnie aktywuje p75NTR (które mogą promować apoptozę), a dojrzałe BDNF aktywuje TrkB (promowanie przetrwania i plastyczności).

Co przedkliniczne dane pokazuje

Kilka badań przeprowadzonych przez rosyjskie grupy badawcze, głównie w Instytucie Genetyki Molekularnej RAS, określiło odpowiedź BDNF na Semax w modelach gryzoni. Dane przedstawiają spójny obraz szybkiego, specyficznego dla regionu upregulacji.

Z tych zbiorów danych wyłania się kilka spójnych wzorców. Hipokampus wykazuje najsilniejszą i najszybszą odpowiedź BDNF, która dostosowuje się do wysokiej gęstości receptorów melanokortyny w tym regionie. Kora odpowiada w sposób znaczący, ale z nieco opóźnionym kursem czasowym. A wielkość upregulacji jest zależna od dawki, a wyższe stężenia Semax powodują większe zmiany foldów BDNF mRNA aż do efektu sufitu.

W szczególności upregulacja BDNF obserwowana w modelach niedokrwiennych urazów mózgu wydaje się nawet bardziej wyraźna niż w nieuszkodzonych mózgach. Naukowcy przypuszczają, że jest to spowodowane tym, że stres niedokrwienny prymuje pewne czynniki transkrypcyjne i modyfikacje epigenetyczne, które wzmacniają oś CREB- BDNF, gdy wprowadza się bodziec taki jak Semax.

Poza BDNF: Szeroki obraz neurotroficzny

Podczas gdy BDNF dostaje najwięcej uwagi, wpływ Semax na sygnalizację neurotroficzną wykracza poza jedną cząsteczkę. Badania profilowania ekspresji genów przy użyciu analizy mikromacierzy wykazały, że Semax moduluje ekspresję kilkudziesięciu genów biorących udział w sygnalizacji neurotroficznej i neuroochronnej.

Wśród genów upregowanych wraz z BDNF są czynnik wzrostu nerwów (NGF), neurotrofiny- 3 (NT-3) oraz czynnik neurotroficzny liniowo-glianowy (GDNF). Równoczesne upregulacja wielu neurotrofin sugeruje, że Semax aktywuje szeroki program neuroochronny zamiast po prostu przełączać pojedynczy gen. Jest to zgodne z mechanizmem początkowym - aktywacja CREB przez PKA nie dotyczy wyłącznie promotora BDNF, ale wiąże się raczej z elementami CRE na setkach promotorów genów.

Dodatkowo wykazano, że Semax moduluje ekspresję genów biorących udział w odpowiedzi immunologicznej w mózgu, w tym składników układu sygnalizacji chemokin i mediatorów zapalnych. Ta neuroimmunologiczna modulacja może uzupełniać działanie neurotroficzne, szczególnie w kontekście zapalenia neurologicznego, w którym cytokiny zapalne mogą tłumić ekspresję BDNF. Poprzez tłumienie sygnałów neurozapalnych, Semax może stworzyć bardziej dopuszczalne środowisko dla transkrypcji BDNF.

Specyfika regionu mózgu

Nie wszystkie regiony mózgu reagują jednakowo na administrację Semax, a zrozumienie różnic regionalnych jest niezbędne do prawidłowej interpretacji badań.

Hipokampus konsekwentnie pokazuje najsilniejszą odpowiedź BDNF. Jest to istotne, ponieważ hipokamp jest podstawowym miejscem dorosłej neurogenezy i krytycznej struktury konsolidacji pamięci, nawigacji przestrzennej i uczenia się kontekstowego. BDNF w hipokampie wspiera przetrwanie nowo urodzonych neuronów w gyrusie zębowym i wzmacnia połączenia synaptyczne poprzez długotrwałe wzmocnienie (LTP).

Kora przedczołowa wykazuje umiarkowane upregulację BDNF. Region ten jest centralnym elementem funkcji wykonawczych, pamięci roboczej i podejmowania decyzji - funkcji, które członkowie społeczności często kojarzą z subiektywnymi efektami zgłaszanymi podczas użytkowania Semax.

Bazalny przedmózg, w którym znajdują się neurony projekcji cholinergicznej, które innerwizują korę mózgową i hipokamp, wykazuje także aktywację genu neurotroficznego w odpowiedzi na Semax. Jest to szczególnie istotne, ponieważ neurony cholinergiczne są jednymi z pierwszych, które degenerują się w spadku funkcji poznawczych związanym z wiekiem, a sygnalizacja BDNF / NGF ma kluczowe znaczenie dla ich utrzymania.

Semax vs inne podejścia modelujące BDNF-

Semax nie jest jedynym związkiem lub interwencją badaną dla upregulacji BDNF. Umieszczenie go w kontekście innych podejść pomaga wyjaśnić jego potencjalną niszę w krajobrazie badawczym.

W tym porównaniu wyróżnia się szybkość i swoistość reakcji BDNF. Przewidywany czas do wykrycia zmian mRNA wynosi 1,5 godziny w porównaniu z większością innych interwencji, a efekt jest raczej farmakologicznie ukierunkowany niż zależny od zmian behawioralnych lub metabolicznych. Jednak ćwiczenia pozostają najbardziej ugruntowaną interwencją BDNF- podnoszącą poziom zarówno w badaniach przedklinicznych, jak i klinicznych, z dziesięcioleciami danych w wielu niezależnych grupach badawczych na całym świecie.

Praktyczne rozważania badawcze

Dla naukowców pracujących z Semax w kontekście badania BDNF, kilka czynników praktycznych wpływa na wyniki eksperymentalne.

Droga podania ma istotne znaczenie.Dostawa wewnątrzczaszkowa zapewnia najbardziej bezpośredni dostęp do OUN i jest drogą stosowaną w większości opublikowanych badań BDNF. Wstrzyknięcie podskórne lub dootrzewnowe może również dostarczyć Semax ogólnoustrojowo, ale bariera krew- mózg ogranicza przenikanie do OUN w porównaniu z drogą węchową. Naukowcy donoszą, że protokoły donosowe wytwarzają bardziej spójne i wyraźne odpowiedzi BDNF.

Czas pomiaru jest kluczowy.BDNF mRNA i BDNF szczyt białka w różnym czasie - zwiększenie mRNA jest wykrywalne w ciągu godzin, ale zmiany poziomu białka mogą zająć 12- 24 godziny, aby stać się istotne. Badania mierzące tylko jedno lub drugie w jednym punkcie czasowym mogą ominąć pełny obraz reakcji neurotroficznej.

Stan wyjściowy BDNF wpływa na wielkość odpowiedzi.Zwierzęta o niższych wyjściowych poziomach BDNF (ze względu na stres, starzenie się lub czynniki genetyczne) wykazują większe zmiany foldów w odpowiedzi na Semax. To doprowadziło niektórych naukowców do sugestii, że Semax może być najbardziej wpływowy w warunkach, w których BDNF jest już stłumiony - choć pozostaje to hipotezą wymagającą dalszych badań.

Przewlekłe kontra ostre protokoły dają różne wzory.Badania z pojedynczą dawką wykazały przemijające kolce BDNF, które wracają do wartości wyjściowych w ciągu 24- 48 godzin. Wielodniowe protokoły (5- 14 dni w opublikowanych badaniach) wydają się powodować bardziej trwałe zwiększenie zarówno BDNF mRNA, jak i białka, co sugeruje, że powtarzane podawanie może prowadzić do zmian epigenetycznych lub akumulacji czynnika transkrypcyjnego, które utrzymują zwiększoną ekspresję BDNF.

Ograniczenia i pytania otwarte

Pomimo mechanistycznej spójności historii Semax- BDNF, na uwagę zasługuje kilka ważnych ograniczeń.

Po pierwsze, jak zauważono wcześniej, baza badawcza jest geograficznie skoncentrowana. Większość opublikowanych badań pochodzi z niewielkiej liczby rosyjskich laboratoriów. Chociaż nie unieważnia to ustaleń - metodologia jest solidna, a wyniki są wewnętrznie spójne - brak powszechnej niezależnej replikacji ogranicza zaufanie, które może być umieszczone w skali zgłoszonych skutków.

Po drugie, tłumaczenie danych dotyczących gryzoni BDNF na wyniki badań na ludziach nie jest trywialne. Peripheral BDNF Pomiary u ludzi (surowicy lub osocza) są niedoskonałe proxy dla centralnego poziomu BDNF i żadne opublikowane badanie u ludzi nie wykazało bezpośrednio zmian w mózgu BDNF po podaniu Semax przy użyciu technik takich jak pobieranie próbek CSF lub obrazowanie PET za pomocą neurotrofinowych znaczników specyficznych.

Po trzecie, znaczenie funkcjonalne upregulacji BDNF zależy w dużym stopniu od kontekstu. Zwiększenie stężenia BDNF nie jest powszechnie korzystne - w pewnych warunkach, takich jak padaczka lub stany bólu, zwiększenie stężenia BDNF może nasilić patologię. Okno terapeutyczne i warunki, w których upregulacja BDNF jest korzystna w porównaniu do neutralnych w porównaniu ze szkodliwymi pozostają aktywne obszary badań.

Wreszcie, interakcja pomiędzy Semax a szerszym środowiskiem sygnalizującym w mózgu oznacza, że skutki obserwowane u zdrowych, młodych, niezestresowanych gryzoni mogą nie przewidywać w pełni skutków u starszych, zestresowanych lub chorych mózgów ludzkich. Różnica translacyjna pozostaje znaczna.

Często zadawane pytania