Посещений:
БОЛЕЗНЬ АЛЬЦГЕЙМЕРА



Пути и способы очистки от Aβ и tau

Clearance of Amyloid Beta and Tau in Alzheimer’s Disease: from Mechanisms to Therapy
• Shu-Hui Xin • Lin Tan • Xipeng Cao et al.
Neurotoxicity Research October 2018, Volume 34, Issue 3, pp 733–748|




Рисунки к статье

Alzheimer's disease (AD) может быть подразделена на два типа: early-onset AD (EOAD) и late-onset AD (LOAD), это объясняет значительную часть. AD является прогрессирующим и мультифакторным нейродегенеративным заболеванием, сопровождаемым потерей памяти (Alzheimer's 2015; Reitz and Mayeux 2014). Патологическими характеристиками AD преимущественно являются три части: внеклеточные старческие бляшки, обусловленные отложением пептида beta-amyloid (Aβ), внутриклеточные нейрофибриллярные клубочки, результат фосфорилирования tau и гибель нейронов. Кроме того, известно, что Aβ и tau могут действовать как биомаркеры в пре-клиническом состоянии AD (Tan et al. 2014a). Путем мониторинга их уровней и ингибируя их продукцию или увеличивая их удаление можно установить ранний диагноз, что способствует предупреждению и лечению AD. Кроме того, недавние исследования строго показали, что удаление Aβ скорее, чем их продукция, нарушено при LOAD (Mawuenyega et al. 2010). Следовательно, необходимо понять роль механизма очистки от белка при AD и понть вклад этих механизмов в удаление Aβ и tau.
Необходимо отметить, что некоторые белки элиминируются благодаря деградации, транспортированию из головного мозга на периферию и очистке периферии. Исследования показали, что Aβ и tau могут быть деградированы с помощью ubiquitin-proteasome system (UPS), autophagy-lysosome system (ALS), протеаз (Chesser et al. 2013; Miners et al. 2011; Vilchez et al. 2014) и фагоцитоза с помощью микроголии (Li et al. 2014). Кроме того, Aβ может быть экспортирован из головного мозга посредством кровтока через blood-brain barrier (BBB), arachnoid ворсинки и blood-cerebrospinal fluid barrier (BCSFB), или шейные лимфатические узлы с током лимфы, включая около-сосудистый дренаж, glymphaticпуть интерстициальной жидкости (ISF) через сосудистую базальную мембрану или лимфатический дренаж спинномозговой жидкости (CSF). Однако, tau не может транспортироваться через BBB и др. транспортные пути очистки, что используют Aβ (Tarasoff-Conway et al. 2015). Имеющиеся доказательства показывают, что Aβ и tau могут быть элиминированы на периферии, снижая их количество в головном мозге (Dugger et al. 2016; Liu et al. 2015).

The Protein Clearance Machinery


Аберрантные белки в головном мозге могут быть очищены с помощью разных механизмов, чтобы сохранять физиологическую функцию ЦНС (Fig. 1).

Fig. 1 Proteins in brain can be eliminated by various kinds of clearance mechanisms. Intracellular proteins are mainly degraded via UPS and autophagy-lysosome. Extracellular proteins can be degraded by glial phagocytosis and proteases secreted by neurons and astrocytes. Extracellular proteins in ISF can be transported into blood via the BBB or into lymph by perivascular drainage and glymphatic drainage. Extracellular proteins in CSF can be removed to blood via the blood-CSF barrier (BCSFB) or to lymph by lymphatic drainage via perineural space and meningeal lymphatic vessels. And then by CSF absorption, proteins in CSF can be transported into blood via arachnoid villi and the blood-CSF barrier (BCSFB), and also into cervical lymph nodes via meningeal lymphatic vessels as well as perineural and perivascular space. Proteins in blood can be cleared by the blood complement system and also through periphery tissues

Degradation in Brain


Внутриклеточная деградация белков осуществляется с помощью UPS и ALS (Wong and Cuervo 2010). При физиологических условиях, UPS, располагается в цитозоле и ядре клеток эукариот, как главная система внутриклеточной деградации коротко-живущих белков (Schwartz and Ciechanover 2009), она обеспечивает очистку неправильно упакованных белков или др. аномально модифицированных белков с помощью ubiquitin-activating enzyme (E1), ubiquitin-conjugating enzyme (E2), ubiquitin ligase (E3) и 26S proteasome для осуществления превентивных мер против накопления токсических субстанций (Shang and Taylor 2011). Кроме того, установлено, что 20S протеосомы может играть ключевую роль в переваривании белков непосредственно путем АТФ-независимого и biquitin-независимого пути (Jariel-Encontre et al. 2008). Аутофагия с помощью лизосом широко распространена в клетках эукариот, она может удалять цитоплазматические органеллы и длительно живущие белки. Завершение этого процесса зависит от формирования аутофагов и лизосом, которые содержат гидролазы. Активность autophagy-lysosomal индуцируется посредством двух сигнальных путей: mammalian target of rapamycin (mTOR)-зависимого пути и mTOR-независимого пути (Tan et al. 2014b).
Внеклеточные белки могут быть очищены с помощью протеаз, секретируемых нейронами или астроцитами (Guenette 2003), и деградируются с помощью фагоцитоза микроглией (Lee and Landreth 2010). Микроглия, одна из типичных клеток глии, эквивалентная макрофагам, которые находятся в головном и спинном мозге , это первая и главная линия иммунной защиты CNS. Активированная микроглия оказывает двойной эффект на прогрессирование AD (Li et al. 2014). С одной стороны, она может высвобождать некоторые про-воспалительный цитокины, стимулирующие реакцию воспаления и приводя в конечном итоге к повреждениям и гибели нейронов. С. др. стороны, она может обнаруживать благоприятные эффекты, способствуя очистке от аберрантных белков путем миграции микроглии к поврежденной, аберрантной области и фагоцитоза ненужного материала на ранних стадиях AD.

Transport into Periphery


Помимо деградации в головном мозге, несущественные внеклеточные растворы в ISF и CSF могут транспортироваться не только в кровь, но и в лимфу для очистки, чтобы снизить белки в головном мозге.

Blood Circulatory Clearance of Central Nervous System


В ЦНС белки ISF транспортируются из головного мозга главным образом через BBB (Wong et al. 2013), а белки CSF проникают в кровь путем абсорбции CSF, включая BCSFB и arachnoid ворсинки (Pascale et al. 2011; Pollay 2010). BBB состоит из непрерывного капиллярного эндотелия, межклеточных плотных соединений и полной базальной мембраны и глиальной мембраны, формируемых перицитами и foot отростками астроцитов (Wong et al. 2013). Транспортировка материалов через BBB избирательна, в зависимости от растворимости и размера белка. Почти все белки могут свободно проходить через глиальную мембрану. Однако, некоторые белки неспособны транспортироваться из головного мозга через межклеточные плотные соединения и могут быть транспортированы в кровь посредством транспортеров, экспрессирующихся в эндотелии капилляров. По сравнению с BBB, хороидное сплетение BCSFB обладает иными характеристиками. И капилляры обладают более значительной проницаемостью, обусловленной фенестрациями эндотелия в хороидном сплетении. До некоторой степени молекулы могут также очищаться из CSF посредством хороидного сплетения, благодаря специфическим транспортерам, которые также присутствуют на BBB (Pascale et al. 2011). Arachnoid ворсинки также, по-видимому, играют важную роль в очистке растворов. Большинство ворсинчатых проекций образуется вблизи superior sagittal sinus и проникают в dural sinus, и они называются поэтому arachnoid грануляциями, через которые CSF может проникать в синус твердой оболочки мозга и затем проникать в вены (Pollay 2010).

Lymphatic Clearance of Central Nervous System


Поскольку гистологически не обнаруживается лимфатическая система в ЦНС, то очистка с помощью лимфы в головном мозге считалась незначительной длительное время. К счастью, были представлены доказательства существования и важности гистологически идентифицируемой лимфатической системы и лимфатической очистки головного мозга.

Perivascular Drainage of ISF


Изучение направления тока ISF показало, что растворы ISF проникают в около-сосудистое пространство (perivascular space (PVS)) путем диффузии и оттока из головного мозга вдоль эндотелиальной глиальной базальной мембраны части капилляров в PVS, и затем вдоль базальной мембраны между гладкомышечными клетками артериол и артерий в PVS, и, наконец, оказывается в шейных лимфатических узлах, расположенных вдоль артерий на поверхности leptomeninx (Hawkes et al. 2014; Morris et al. 2016). Более того, растворы ISF в PVS могут быть также ассимилированы с помощью макрофагов и гладкомышечных клеток. Однако, периферические макрофаги не могут заменить роль микроглии в эффективной элиминации белков, таких как Aβ (Jay et al. 2015).

Glymphatic Drainage of ISF


Исследователи вводили пероксидазу хрена в субарахноидальное пространство или в боковые желудочки собак и кошек под наркозом и установили. что CSFиз субарахноидального пространства может свободно оттекать в PVS посредством Virchow-Robin пространств (Rennels et al. 1985). Кроме того, было установлено, что метки CSF могут перемещаться в том же самом направлении, что и кровоток в PVS головного мозга, окружающих pial-glial мембрану и эндотелиально-глиальную базальную мембрану и затем проникают в интерстициум путем обмена с ISF с помощью aquaporin 4 (AQP4)-зависимых каналов, экспрессирующихся в end feet астроцитов. Наконец, CSF-ISF могут оттекать в лимфу вдоль пространств, окружающих вены, которые считаются glymphatic путем для ISF (Iliff et al. 2013a; Iliff et al. 2012; Morris et al. 2016). К сожалению, glymphatic система может быть нарушена из-за потери AQP4 после травматического повреждения головного мозга (Iliff et al. 2014). Итак, glymphatic дренаж играет ключевую роль в удалении растворов из головного мозга.

Lymphatic Drainage of CSF


Всё больше накапливается доказательств, что субстанции CSF могут очищаться в лимфатические узлы посредством пространств, окружающих нервы. Напр., исследования на людях и животных предоставили прямые доказательства связи CSF и носовой лимфатической системы. CSF в субарахноидальном пространстве, окружающем решетчатую пластинку и обонятельные луковицы, проникает в лимфу шеи через обонятельные нервы (Bradbury and Westrop 1983; Johnston et al. 2004). Огромным сюрпризом стало открытие у взрослых животных и людей, что растворенные в CSF вещества могут транспортироваться в шейные лимфатические узлы путем дренажа лимфатической системой мозговой оболочки, это указывает, что существование менингеальных лимфатических сосудов открывает прямой путь очистки для лимфатического дренажа CSF (Louveau et al. 2015). Более того, было установлено, что ISF белки перемещаются в CSF в результате объемного тока ISF (Abbott 2004), и затем они очищаются путем лимфатического дренажа CSF.

Peripheral Clearance


Белки головного мозга могут транспортироваться на периферию разными путями. Помимо деградации с помощью UPS, ALS и протеаз, аберрантные белки могут удаляться с помощью иммунной системы, такой как моноциты и лимфатические железы. Моно-ядерные клетки, происходящие из medulla ossium, вут в течение нескольких дней в крови и транспортируются в печень, селезенку, лимфатические узлы и др. ткани, где моноциты трансформируются в макрофаги.

Protein Clearance in Alzheimer's Disease


Clearance of Amyloid-Beta


В нормальных условиях продукция Aβ в паренхиме головного мозга осуществляется в результате гидролиза амилоидных предшественников белка посредством beta-секретируемых и gamma-секретируемых энзимов и наиболее распространенным подтипом Aβ в теле человека являются Aβ1-40 и Aβ1-42. Внутриклеточная очистка Aβ может осуществляться с помощью UPS и ALS, а внеклеточные Aβ деградируют с помощью глиального фагоцитоза, т.е микроглией, астроцитами и протеазами из нейронов и астроцитов (Fig. 2). Кроме того, внеклеточные Aβ в ISF и CSF могут транспортироваться на периферию. ISF Aβ могут перемещаться в кровь через BBB (Fig. 2) или шейные лимфатические узлы посредством около-васкулярного дренажа и glymphatic пути (Fig. 3a). CSF Aβ могут удаляться в кровь посредством BCSFB (Fig. 2) и arachnoid ворсинок или в шейные лимфатические узлы посредством лимфатического дренажа (Fig. 3b). Aβ на периферии в основном устраняются с помощью компонентов крови, таких как эритроциты (RBCs) и моноциты, или некоторых тканей и органов, таких как печень и почки (Fig. 2).

Fig. 2

Blood circulatory clearance and periphery clearance of Aβ and tau in AD. Aβ and tau may be transported to blood via the BBB, which depends on a lot of transporters, such as effusion transporters LRP1, GLUT1, PICALM, P-gp, and ABCC1 as well as the influx transporter RAGE. Aβ in blood can be cleared by RBCs and monocytes, and can also bind to serum proteins. In addition, sLRP1-bound Aβ is removed by liver and kidney. Tau in blood can be detected in submandibular gland, sigmoid colon, liver, scalp, and abdominal skin, which gives us an inspiration that tau can be eliminated by these periphery tissues

Fig. 3

Lymphatic clearance of Aβ and tau in ISF and CSF. a Lymphatic clearance of ISF Aβ includes perivascular drainage and glymphatic drainage. Perivascular drainage in the direction opposite to blood flow can transport Aβ into cervical lymph nodes along perivascular space (located in endothelial-glial basement membrane in capillaries and basement membranes between smooth muscle cells of arterioles and arteries). Besides, Aβ can be cleared along astrocytic endfeet AQP4-mediated glymphatic drainage in perivascular space along pial-glial membrane in arteries, endothelial-glial basement membrane in capillaries, and perivenous space of veins with the direction of blood flow. At present, tau has been reported to be transported into cervical lymph nodes by astrocytic AQP4-mediated glymphatic drainage. b Aβ and tau in CSF in subarachnoid space surrounding the cribriform plate and olfactory bulbs enter the cervical lymph along the olfactory nerves. In addition, Aβ and tau in CSF in subarachnoid space can be transported into blood via arachnoid villi and dural venous sinus. In addition, Aβ and tau in CSF can also be transported into cervical lymph nodes through drainage of the meningeal lymphatic vessels in dura

Ubiquitin-Proteasome System and Autophagy-Lysosome


Пути внутриклеточной деградации Aβ это в основном UPS и ALS (Vilchez et al. 2014). Однако, их дисфункция при AD обусловлена несколькими факторами, которые снижают очистку от Aβ . Как известно, накопление frameshift ubiquitin-B (UBB) мутантного белка UBB (+1) может блокировать 26S протеосомы в клеточной линии и тем самым снизить очистку Aβ (Hope et al. 2003). Однако, наблюдается противоположный результат, существенное снижение отложений Aβ в амилоидных бляшках и уровней растворимого Aβ42 у APPPS1/UBB (+1) трансгенных мышей (van Tijn et al. 2012). Избыточные отложения Aβ вызывают также оксидативные стрессы и дисфункцию митохондрий, которые оказываются неспособными предоставить АТФ для деградации предназначенных для этого белков с помощью UPS у дрожжей (Chen and Petranovic 2015).
Кроме того, накапливаются доказательства, что Aβ могут очищаться с помощью ALS. Транскрипционный фактор EB подавляет уровни Aβ путем воздействия на аутофаги и лизосомы (Zhang and Zhao 2015). Xiao et al. также пришли к заключению, что транскрипционный фактор EB, главный регулятор биогенеза лизосом, улучшает функцию лизосом в астроцитах, которые могут способствовать устранению Aβ и ослаблению патогенеза бляшек (Xiao et al. 2014). Недавно было установлено, что аутофагия нарушена в астроцитах, это сопровождается экспрессией APOE4, который ослабляет деградацию Aβ (Simonovitch et al. 2016).

Proteases


Протеолитическая деградация также является значительным способом очистки от Aβ. Внеклеточные энзимы, деградирующие Aβ включают neprilysin (NEP), insulin-degrading enzyme (IDE), matrix metalloproteinases (MMPs), angiotensin converting enzyme (ACE), endothelin-converting enzyme (ECE) и plasmin (Baranello et al. 2015). Среди них наиболее тщательно изученными являются NEP и IDE. Помимо NEP и IDE, др. катаболические энзимы также играют ключевые роли в деградации Aβ, хотя они исследованы недостаточно. Их потеря или уменьшение также снижают устранение Aβ.
NEP, гликопротеин плазматической мембраны, является zinc metalloendopeptidase и наиболее эффективным гидролитическим энзимом в деградации Aβ in vitro (Shirotani et al. 2001). Имеющиеся данные подтверждают, что дефицит NEP приводит к отложениям Aβ в головном мозге (Madani et al. 2006). У APP трансгенных мышей длительная генотерапия с помощью NEP поведение путем снижения уровней Aβ (Spencer et al. 2008).
IDE, zinc endopeptidase, может деградировать внеклеточные Aβ (Vekrellis et al. 2000). Исследование популяций Xinjiang Han подтвердило, что существует связь между полиморфизмом гена IDE и LOAD (Wang et al. 2015a). Эксперименты на животных показали, что экспрессия IDE снижается с возрастом и при диабете, тем самым способствует отложению Aβ (Kochkina et al. 2015).
ECE является трансмембранной metalloprotease. ECE-1 и ECE-2 были исследованы у людей (Lorenzo et al. 2001; Xu et al. 1994). ACE, связанная с мембраной zinc metalloprotease, катализирует трансформацию angiotensin I в angiotensin II, это благоприятно для поддержания давления в жидкостях тела и крови и для поддержания баланса натрия. Кроме того, экспрессия ACE также усиливает очистку от Aβ, а уровни и активность ACE повышена в гое при AD (Barnes et al. 1991; Hemming and Selkoe 2005). Plasmin, сериновая протеаза, содержит plasminogen/plasmin, urokinase-type plasminogen activator и тканевой plasminogen активатор. Plasmin головного мозга деградирует Aβ. Однако, уровни и активность plasmin снижены в головном мозге при AD (Ledesma et al. 2000). MMPs являются zinc-зависимыми энзимами. После их синитеза клетками, MMPs высвобождаются во внеклеточное пространство, а активированные MMPs могут разлагать субстраты. MMP-2, -3 и -9, стимулируются с помощью Aβ, и играют важные роли в деградации Aβ (Wang et al. 2014).

Microglial Phagocytosis


Клетки микроглии, ключевые иммунные клетки головного мозга играют важную роль в фагоцитозе Aβ. Aβ устраняются с помощью рецепторами опосредованного микроглиального фагоцитоза и деградации, таких как рецепторы очистки (scavenger), chemokine-like receptor 1, toll-like receptors и G protein-coupled receptors, включая formyl peptide receptor 2 (Yu and Ye 2015). Кроме того, triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2), ATP-binding cassette transporter A7, and CD33 также выполняют ключевые роли в микроглиальном фагоцитозе. Кроме того, Aβ1-42 может повышать экспрессию TREM2,поверхностного сигнального рецептора микроглии, а активация TRME2 может облегчать микроглиальный фагоцитоз Aβ1-42. Однако, благодаря присутствию мутации R47H при AD, TREM2 не может эффективно распознавать липидные лиганды и поэтому неспособен активировать микроглию, а это приводит к отложению Aβ (Jiang et al. 2014a; Jiang et al. 2013). Исследование 5XFAD модельных AD мышей показало, что то же, что TREM2, ощущающий анионовые липиды, может обеспечивать взаимодействие с фибриллярными Aβ и поддеривает реакцию микроглии на Aβ бляшки, чтобы понизить отложения Aβ , а в случае TREM2 дефицита или TREM2 R47H мутации, происходит противоположное (Wang et al. 2015b). Недавнее исследование показало, что ABCA7, экспрессирующийся в основном в клетках микроглии человека, также регулирует функцию микроглиального фагоцитоза и снижает отложения Aβ (Zhao et al. 2015a). Однако, имеются доказательства, что дефицит ATP-binding cassette transporter A7 может увеличивать отложения Aβ в головном мозге, облегчая продукцию Aβ путем повышения уровней β-secretase 1 скорее, чем влияя на устранение Aβ у APP/PS1 мышей (Sakae et al. 2016). Помимо, CD33, большинство обильно экспрессирующихся в микроглие при AD, подавляет нормальную функцию иммунных клеток и нарушает обеспечиваемую микроглией очистку Aβ (Jiang et al. 2014b). Недавно, др. неблагоприятные факторы, затрагивающие микроглиальный фагоцитоз, были найдены, такие как медь (Kitazawa et al. 2016), CD200 (Varnum et al. 2015) и heparan sulfate proteoglycan (Christianson and Belting 2014).

Blood-Brain Barrier


Путем сборки в одно и то же время выборок крови из черепно-мозговых вен, бедренных вен и радиальный артерий у пациентов, измеряли концентрацию Aβ в каждой выборке крови и вычисляли её оборот от вен до артерий, было установлено, что транспорт Aβ из головного мозга в кровь через BBB и CSF абсорбцию составляет половину от общей очистки Aβ в ЦНС людей, и что скорость очистки Aβ посредством BBB и CSF абсорбции составляет ту же самую пропорцию (Roberts et al. 2014).
Транспорт Aβ из головного мозга в кровь посредством BBB нуждается в специфических белках транспортерах (Fig. 2). LRP1, efflux транспортный белок, экспрессируется главным образом в abluminal мембране BBB, а высокая экспрессия LRP1 может повышать величину очистки Aβ из головного мозга в кровь (Pflanzner et al. 2011). PICALM, в основном экспрессируется в эндотелиальных клетках стенок сосудов, вносит вклад в транспорт Aβ через BBB в кровь (Xu et al. 2015). В соответствии с этой идеей имеются доказательства, что PICALM может приводить к трасцитозу Aβ и к очистке через BBB с помощью PICALM/clathrin-зависимой интернализации Aβ, связанного с LRP1. При AD, снижение экспрессии PICALM в эндотелии головного мозга снижает очистку от Aβ (Zhao et al. 2015b). GLUT1, транспортер глюкозы, экспрессируется в BBB, регулирует LRP1-зависимую очистку Aβ путем увеличения экспрессии LRP1. Кроме того, транспорт GLUT1-обеспечиваемой глюкозы в головной мозг является благоприятным для поддержания целостности BBB, обеспечивая тем самым нормальный транспорт Aβ из головного мозга в кровь (Winkler et al. 2015). Тем временем, P-glycoprotein (P-gp), в качестве efflux транспортера, экспрессируется на высоком уровне на поверхности со стороны просвета BBB, он обеспечивает транспорт Aβ из головного мозга (van Assema et al. 2012; Wei et al. 2016). Однако, недавно было сообщено, что экспрессии и транспортная активность P-gp нарушена в случаях спорадической AD в результате его убиквитинирования, интернализации и зависимой от протеосом деградации Aβ40 (Chiu et al. 2015; Hartz et al. 2016), это должно приводить к отложениям Aβ. Помимо располагающегося в просвете рецептора для успешной glycation конечного продукта (RAGE) существует и Aβ influx транспортер (Deane et al. 2003).

Blood-Cerebrospinal Fluid Barrier


Известно, что Aβ может быть абсорбирован в кровообращение посредством spinal arachnoid ворсинок (Pollay 2010; Silverberg et al. 2003) или BCSFB (Pascale et al. 2011). В одном исследовании показано, что BCSFB является предпочтительным каналом удаления по сравнению с арахноидальными грануляциями, это связано с тем, что рецептор LRP1 экспрессируется в эпителиальных клетках хороидного сплетения в BCSFB (Fujiyoshi et al. 2011). В терминах BCSFB, продукция CSF, целостность BCSFB и транспортеры в BCSFB играют важные роли в очистке от Aβ. CSF продуцируется в основном хороидным сплетением. Установлено, что дисфункция хороидного сплетения, обусловленная снижением экспрессии эпителиального aquaporin-1, белка водного канала, может индуцировать продукцию CSF, это, в свою очередь, повреждает очистку от Aβ у тройных трансгенных мышей, моделирующих AD (Gonzalez-Marrero et al. 2015). Сходным образом, было показано, что приток воды в CSF достоверно снижен у пациентов с AD, это может нарушать очистку от Aβ (Suzuki et al. 2015). Кроме того, отложения Aβ в CP также блокируют продукцию CSF при AD (Serot et al. 2012). Транспортеры, экспрессирующиеся в BBB, включая LRP1, LRP2 и RAGE, также могут быть обнаружены в BCSFB (Erickson and Banks 2013). Однако, изменения в зависимой от возраста экспрессии транспортеров Aβ в BBB отличаются от таковых в BCSFB (Pascale et al. 2011). Напр., в CP, утечка транспортеров подобных LRP-1 и P-gp увеличивается, тогда как RAGE остается неизменным, это может действовать как компенсация дисфункции BBB. Более того, исследователи установили, что TTR, транспортный белок, синтезируемый в основном в CP головного мозга и секретируемый в CSF, может снижать содержание Aβ в головном мозге (Ribeiro et al. 2014), это подает надежду, что TTR, соединяясь с Aβ , может оказаться естественным механизмом очистки от Aβ в головном мозге.

Perivascular Drainage of Interstitial Fluid


Считается, что Aβ может быть удален из головного мозга посредством пути около-сосудистого дренирования (Hawkes et al. 2014) (Fig. 3). На сегодня неспособность пери-васкулярного дренирования Aβ подтверждается, связанным с артериальной пульсацией, старением, экспрессией аллеля APOE ε4, формированием иммунных комплексов, long-timeдлительной диетой с высоким содержанием жира и CAA. Неспособность пери-васкулярного дренирования подтверждается ассоциацией со снижением артериальных пульсаций (Arbel-Ornath et al. 2013). Пери-васкулярное дренирование Aβ должно нарушаться альтерациями, зависящими от возраста, в сосудистых базальных мембранах, таких как уровни фибронектина, ламинина и perlecan (Hawkes et al. 2011). Экспрессия APOE ε4 аллеля связана со снижением очистки от Aβ в головном мозге путем нарушений его пери-васкулярного дренирования, сопровождаемого изменениями в уровнях белков в цереброваскулярной базальной мембране (Hawkes et al. 2012). Иммунные комплексы могут откладываться в базальных мембранах стенки церебральных сосудов, препятствуя пере-васкулярному дренированию Aβ (Carare et al. 2013). Было также установлено, что в течение длительного времени диета, богатая жиром, также нарушает около-сосудистое дренирование Aβ через цереброваскулярные базальные мембраны (Hawkes et al. 2015). Кроме того, отложения Aβ в стенках сосудов приводят к CAA, а CAA, в свою очередь, может нарушать дренирование пери-васкулярных растворов из головного мозга (Hawkes et al. 2014).

Glymphatic Drainage of Interstitial Fluid


Jeffrey J. Iliff et al. продемонстрировали, что Aβ в интерстиции головного мозга могут быть элиминированы из паренхимы мощным током интерстициальной жидкости, что также зависит от водного канала aquaporin-4 (AQP4), экспрессируемого синаптическими нервными окончаниями астроцитов. Согласно выше приведенному заключению имеются доказательства, что glymphatic дренирование мощным током ISF, базирующееся на водном канале AQP4, может снижать уровни Aβ в головном мозге (Iliff et al. 2012). Исследования подтвердили эту идею, что дефицит AQP4 может снижать скорость очистки Aβ посредством glymphatic пути (Iliff and Nedergaard 2013). После травматических повреждений головного мозга (TBI), экспрессия и локализация AQP4 будут меняться, это вызывает их дисфункцию (Ren et al. 2013). Это подсказывает идею, что TBI может ускорять процесс AD патологии путем влияния на AQP4-обеспечиваемый путь пери-васкулярной glymphatic очистки. Недавно было показано. что др. факторы также могут влиять на glymphatic путь, такие как размер самих молекул, артериальные пульсации и сон. После инъекции флуоресцентных и радио-меченных трассеров в субарахноидальное пространство, малые молекулы трассеров проникали в паренхиму головного мозга значительно быстрее, чем крупные молекулы трассеров по glymphatic пути и растворимые Aβ могли проникать в паренхиму головного мозга посредством расщепов синаптических нервных окончаний астроцитов (Iliff et al. 2012). Путем использования двух-фотонной микроскопии in vivo у мышей наблюдали, что односторонняя перевязка сонной артерии снижает артериальные пульсации 0~50% , а адренергический агонист dobutamine могут усиливать артериальные пульсации 0~60%, повышая скорость обмена между CSF и ISF, всё это указывает на важность артериальных пульсаций при нормальном glymphatic массовом токе, чтобы обеспечивать очистку Aβ из головного мозга (Iliff et al. 2013b). Качественный и прочный сон у пожилых и старых людей может облегчать очистку Aβ из головного мозга посредством glymphatic пути, вообще-то благодаря экспансии интерстициальных объемов или усадке клеток астроглии при AD, особенно у носителей APOE*ε4 (Mendelsohn and Larrick 2013). Позднее в экспериментах на живых мышах с использованием специальных методов также было подтверждено, что естественный сон или сон в результате анестезии может увеличивать интерстициальные пространства на 60%, тем самым повышается скорость обмена CSF-ISF и в конечном итоге увеличивается элиминация Aβ (Xie et al. 2013).

Lymphatic Drainage of Cerebrospinal Fluid


Исследование подтверждает, что Aβ удаляется из CSF в шейные лимфатические узлы посредством perineural пространств обонятельного нерва (Picken 2001; Pollay 2010). Появляются доказательства, демонстрирующие существование менингеальной лимфатической системы в ЦНС (Louveau et al. 2015), это указывает на новые и прямые каналы очистки от Aβ. Однако, лимфатическое дренирование спинно-мозговой жидкости с возрастом уменьшается, и это является основным фактором риска LOAD (Pappolla et al. 2014).

Clearance in the Liver and Kidney


С помощью измерения уровней Aβ в superior vena cava и inferior vena cava, становится ясным, что уровни Aβ становятся всё ниже и ниже в направлении венозного кровотока и содержание Aβ40 и всех Aβ в артериях значительно меньше их содержания в венах, подтверждая, что часть Aβ40 и всех Aβ может очищаться с помощью периферических органов и тканей, таких как печень, почки, кожа и ЖКТ, хотя не наблюдается изменений концентраций для Aβ42 (Xiang et al. 2015). Среди этих периферических органов и тканей печень и почки рассматриваются как основные органы для очистки от Aβ на периферии (Ghiso et al. 2004).

Clearance in Red Blood Cells and Monocytes


Известно, что RBCs могут облегчать Aβ очистку с учетом зависимой от комплемента C3b слипчивости с complement receptor 1(CR1) на RBCs (Rogers et al. 2006). Моноциты периферической крови, как было установлено, играют важную роль в очистке от Aβ, которые диффундируют из головного мозга в кровь (Halle et al. 2015). В периферической крови одноядерные клетки пациентов с AD, E1 повышены, а E2 понижены, это препятствует процессу убиквитинирования белка и поэтому нарушает удаление белка (Ullrich et al. 2010). Недавно было показано, что в значительной степени Aβ в циркулирующей крови может быть скомбинирован с сывороточным альбумином (Stanyon and Viles 2012), это указывает на новый путь очистки на периферии.

Clearance of Tau



Белки Tau, ассоциированные с микротрубочками белки, участвуют в формировании микротрубочек, поддерживая их стабильность. Они в основном расположены во внеклеточных пространствах головного мозга. В то же время они могут служить в качестве биомаркеров CSF и периферии при AD (Olsson et al. 2016). Внутриклеточные tau были продемонстрированы, как деградируемые с помощью UPS и аутофагов-лизосом, а внеклеточные tau деградируются посредством протеаз и фагоцитоза микроглией или транспортируются в кровь для очистки посредством BBB, BCSFB (Fig. 2), и арахноидальных ворсинок (грануляций) (Fig. 3). Внеклеточные tau из ISF и CSF также могут транспортироваться в лимфу для лимфатической очистки (Fig. 3).

Ubiquitin-Proteasome System and Autophagy-Lysosome


Было установлено, что внутриклеточные tau белки также деградируются с помощью аутофгии и протеосом (Wang and Mandelkow 2012). Нарушения функции UPS вызывает отложения гиперфосфорилированных tau олигомеров в синапсах (Tai et al. 2012). Система аутофагов и лизосом выполняет двойную роль в формировании агрегатов и очистке от tau (Wang et al. 2009). С одной стороны, она благоприятна для очистки от агрегатов tau. С др. стороны, она вызывает фрагментацию tau в формы, способствующие агрегации, из-за неспособности F1 проникать в лизосомы. Однако, большинство исследований сосредоточено на ее позитивной роли. Напр., подобно Aβ, очистка от pTau/NFT также может регулироваться с помощью TFEB, который повышает активность аутофагии и лизосом (Polito et al. 2014).

Proteases


В головном мозге человека tau могут деградироваться с помощью протеаз, таких как cathepsin-D, amino peptidases, human high temperature requirement serine protease A1 (HTRA1), thrombin, caspases и calpains (Chesser et al. 2013; Kenessey et al. 1997). Однако, имеются исследования, показавшие, что calpain-обеспечиваемая очистка tau может возникать в результате генерации фрагментов tau, которые могут обладать нейротоксичность при AD (Ferreira and Bigio 2011).

Microglial Phagocytosis


Имеются прямые доказательства, что микроглиальный фагоцитоз играет жизненно важную роль в очистке от tau in vitro и in vivo (Bolos et al. 2015). Сходный результат наблюдается для усиленной обеспечиваемой микроглией интернализации и деградации патологических tau с помощью anti-tau моноклональных антител Fc-зависимым способом (Luo et al. 2015).

Blood Circulatory Clearance and Lymphatic Clearance


Внеклеточные растворимые tau белки могут транспортироваться из головного мозга в кровь посредством арахноидальных грануляций и BCSFB. Кроме того, внеклеточные tau могут удаляться с помощью лимфатической очистки. Сообщалось, что ISF tau могут устраняться с помощью glymphatic системы и что функция этого механизма очистки может быть нарушена из-за потери AQP4 после TBI, это в конечном счете ускоряет накопление tau (Iliff et al. 2014). CSF tau может транспортироваться в шейные лимфатические узлы по около-нейральным пространствам (Cserr et al. 1992) и около-сосудистым пространствам (Iliff et al. 2012). Подобно очистке от Aβ, менингиальные лимфатические сосуды также обеспечивают существенную очистку от tau в головном мозге (Louveau et al. 2015). Однако, необходимы дополнительные подтверждения.

Peripheral Clearance


Недавнее исследование подтвердило, что существуют виды tau в периферических тканях людей, таких как подчелюстные железы, сигмовидная толстая кишка, печень, скальп и кожа живота, это указывает на то, что tau могут также очищаться и на периферии (Dugger et al. 2016). Но действительно ли очистка от tau на периферии помогает снижению tau в головном мозге.

Therapeutic Targeting Amyloid-Beta and Tau Clearance in AD


Как известно, Aβ и tau выполняют критические роли в патологии AD. Но механизмы очистки Aβ и tau нарушены при AD. Пока существует немного лекарств, нацеленных на разного типа механизмы очистки, такие как ubiquitin-proteasome system, autophagy-lysosome system, proteases, microglial phagocytosis, BBB, and periphery clearance (Fig. 4).

Fig. 4

Therapy targeting Aβ and tau clearance. Targeting Aβ clearance: 1, 25(OH) 2D3 and oleocanthal can increase BBB clearance of Aβ by enhancing levels of LRP1 expressed in BBB. Late exercise also increases Aβ clearance via the BBB, but the specific mechanism is not known. Donepezil, rivastigmine, and 1, 25(OH) 2D3 improve Aβ clearance in the liver via the increased expression of LRP1. Withania somnifera also promotes clearance in liver by increasing lipoprotein receptor-related protein levels. Cilostazol increases vascular activities to improve perivascular drainage of Aβ. Dietary pre-administration of docosahexaenoic acid can enhance RBCs antioxidant status to promote Aβ clearance. Rosiglitazone and pioglitazone increase the expression of CD36 in microglia and enhance Aβ phagocytosis. Exercise training increases levels of NEP, IDE, and MMP9. Statin, EPA, DHA, and somatotatin increase IDE levels. Simvastatin, atorvastatin, and nobiletin increase NEP levels. They all improve levels of proteases to decrease Aβ. Tenuigenin acts on the 26S proteasome to improve Aβ degradation by UPS. Methylene blue, lithium, and trehalose can join in the formation of ALS to induce Aβ by ALS. Wogonin, rapamycin, temsirolimus, and protein phosphatase 2A agonists reduce Aβ by enhancing ALS in an mTOR-dependent way. Targeting tau clearance: aerobic exercise decreases tau levels by promoting ALS activity in an mTOR-dependent way. Proteasome inhibitors and trehalose improve Co-chaperone BAG3 levels to induce tau clearance by ALS. Electroacupuncture and small-molecule enhancer of rapamycin-28 can induce ALS to degrade tau. Epigallocatechin-3-gallate increases the mRNA expression of autophagy adaptor NDP52 and P62 to induce tau clearance. Anti-tau monoclonal antibody MC1 can promote tau clearance by microglial phagocytosis. Ginsenoside Rg1 granulocyte-colony stimulating factor increases NEP and cyclen-hybrid artificial 'hydrolase' MMP9I1-Cu (II) enhances levels of proteases, both of which degrade tau levels. Rolipram decreases tau levels via improving the activity of UPS through acting on the 26S proteasome



Targeting Ubiquitin-Proteasome System


Tenuigenin безусловно может снижать накопление внутри головного мозга Aβ1-40 в головном мозге AD мышей путем повышения содержания 26S протеосом (Chen et al. 2015). Нарушения 26S протеосом, индуцируемые tau, могут быть предупрежден в начале болезни посредством активации передачи сигналов cAMP-PKA и повышения уровней цАМФ с помощью rolipram, это усиливает деградацию tau (Myeku et al. 2016).

Targeting Autophagy-Lysosome System


Дисфункция протеосом при старении может вызывать повышенную зависимость от autophagy-lysosomal системы, которая действует как механизм очистки от белков в организме. Wogonin, rapamycin и temsirolimus считаются как улучшающие активность аутофагии, чтобы повысить очистку от Aβ и ингибировать фосфорилирование tau посредством целенаправленного воздействия на передачу сигналов mTOR (Caccamo et al. 2010; Jiang et al. 2014c; Jiang et al. 2014d; Spilman et al. 2010; Zhu and Wang 2015). Кроме того, аэробика (aerobic exercise), такая как упражнения на бегущей платформе, как сообщалось повышают очистку от tau путем понижения уровня экспрессии mTOR (Kang and Cho 2015). Агонисты protein phosphatase 2A, как полагают, активируют аутофагию путем воздействия на AMPK и mTORC1 сигнальные пути (Magnaudeix et al. 2013). Более того, большинство индукторов, mTOR-независимой аутофагии, как было установлено, играют жизненно важную роль в белковой очистке. Некоторые лекарства могут улучшать аутофагию путем воздействия на процесс формирования autophagy-lysosome системы и тем самым повышая очистку от tau, такие как methylene blue, lithium и trehalose (Congdon et al. 2012; Kruger et al. 2012; Shimada et al. 2012). Trehalose также может понижать уровни Aβ в гиппокампе (Du et al. 2013). Низкомолекулярный энхансер rapamycin-28, индуктор аутофагии с минимальным цитотоксическим эффектом снижает накопление Aβ и APP/C-терминального фрагмента в клетках N2a-APP нейробластомы (Tian et al. 2011). Epigallocatechin-3-gallate усиливает очистку связанных с AD фосфорилированых видов tau путем увеличения экспрессии мРНК autophagy adaptor белков NDP52 и p62 (Chesser et al. 2016). Некоторые исследователи утверждают, что электроакупунктурные воздействия могут усиливать деградацию Aβ за счет усиления пути аутофагии (Guo et al. 2016a). Ингибиторы протеосом и trehalose усиливают аутофагию и снижают содержание tau путем усиления экспрессии ко-шаперона BAG3 целенаправленно воздействующего на tau, направляя его на путь деградации (Lei et al. 2015). Нейрональный PAS domain protein 4, как было установлено, облегчает очистку с помощью аутофагии эндогенных всех и фосфорилированных tau в кортикальных нейронах крыс. Возможно лекарства, воздействующие на увеличение уровней нейронального PAS domain protein 4 , окажутся приемлемыми для очистки tau с помощью аутофагии (Fan et al. 2016).

Targeting Proteases


Физическая подготовка может повышать очистку от внеклеточного Aβ головном мозге Tg2576 мышей зависимым от дозы способом путем усиления NEP, IDE, MMP9, LRP1 и HSP70 (Moore et al. 2016). Statin может приводить ко внеклеточной секреции IDE из астроцитов посредством базирующегося на аутофагии необычного секреторного пути (Glebov and Walter 2012), усиливая тем самым удаление внеклеточного Aβ. Somatotatin также усиливает активность и секрецию IDE, усиливая тем самым очистку от Aβ (Tundo et al. 2012). Недавнее исследование показало, что omega-3 polyunsaturated жирные кислоты также усиливают деградацию Aβ с помощью протеаз. Напр., eicosapentaenoic acid (EPA) может индуцировать активность IDE и повышать экспрессию гена, а docosahexaenoic acid (DHA) также непосредственно повышает активность IDE и влияет на сортировку, помогая высвобождению экзосом с IDE (Grimm et al. 2016). Simvastatin и atorvastatin усиливают деградацию внеклеточного Aβ путем увеличения секреции NEP астроцитами, активируя MAPK/Erk1/2 (Yamamoto et al. 2016). Nobiletin, flavone из citrus depressa, приводит к экспрессии гена и повышению уровня белка и активности NEP в SK-N-SH клетках, тем самым снижая уровни Aβ (Fujiwara et al. 2014). А ginsenoside Rg1 и granulocyte-colony stimulating factor могут усиливать активность NEP в клетках сетчатки у AD модельных мышей, чтобы снижать патологический tau белок (He et al. 2014) (Doi et al. 2014). Anti-inflammatory mediator annexin A1 (ANXA1) может редуцировать содержание Aβ путем усиления деградации NEP (Ries et al. 2016). Недавно был продемонстрирован cyclen-hybrid artificial 'hydrolase' I1-Cu (II) как очищающий от tau in vitro (Chu et al. 2014).

Targeting Microglial Phagocytosis


Иммунотерапия, как полагают, является многообещающим способом лечения в соответствии с болезнями. Микроглия является одним из типов иммунных клеток ЦНС. Её обычная функция играет важную роль в очистке белков при AD. Minocycline не только супрессирует способствующие воспалению фенотипы микроглии, но и также способствует их фагоцитической очистке от Aβ (El-Shimy et al. 2015). Fractalkine может удерживать микроглию в правильном состоянии путем взаимодействия с CX3CR, внося тем самым вклад в очитку от Aβ. При дефиците CX3CR1 повышается фагоцитарная активность микроглии, тем самым снижаются уровни Aβ , чтобы предотвратить потери нейронов (Merino et al. 2016). Rosiglitazone, агонист высокого сродства для PPARγ, может очищать от Aβ путем активации микроглии и способствуя его фагоцитозу путем увеличения уровня CD36, рецептора в ней (Escribano et al. 2010). Более того, pioglitazone, по-видимому, является эффективным терапевтическим подходом очистки от Aβ посредством сходных механизмов с теми, что характерны для rosiglitazone (Mandrekar-Colucci et al. 2012). Anti-tau моноклональные антитела MC1 могут усиливать интернализацию и деградацию tau посредством микроглии с помощью Fc-зависимого пути (Luo et al. 2015). Было установлено, что cromolyn sodium, уже используемый для лечения астмы, может проникать в ЦНС и способствовать очистке от мономерных Aβ с помощью микроглиального фагоцитоза (Hori et al. 2015). N-terminal Aβ antibody 3D6 (mIgG2b) могут объединяться с растворимыми и нерастворимыми Aβ1-42. Однако, они не могут эффективно устранять уже существующие бляшки из-за насыщения растворимыми Aβ в ЦНС. Более того, они приводят к точечным кровоизлияниям. Anti-Aβp3-42 антитела высокой специфичности могут пересекать DDD и проникать в головной мозг, чтобы соединиться с отложенными Aβ чтобы очищать уже существующие бляшки, не вызывая точечных геморрагий (Demattos et al. 2012).Недавно сообщалось, что скорее чем классическая иммунизация они могут распознавать C-концы не ковалентно сцепленных Aβ и быстро устранять их независимым от микроглии способом, сравнимым с деградацией с помощью Aβ-связывающих IgG (Planque et al. 2015).

Targeting Blood-Brain Barrier Transporters


1,25(OH)2D3, активная форма витамина D, играет ключевую роль в усилении транспорта Aβ1-40 из головного мозга в кровь путем уменьшения уровней RAGE в BBB, а также внося вклад в периферическую очистку путем повышения уровней LRP1 in vitro и in vivo (Guo et al. 2016b). Oleocanthal, специальный компонент из extra-virgin оливкового масла увеличивает очистку головного мозга от Aβ через BBB путем усиления экспрессии важных efflux транспортных белков в BBB, содержащего LRP1 и P-gp, и активирующего APOE-зависимый путь очистки от Aβ в гое мышей (Qosa et al. 2015). Запоздалые упражнения, как было установлено, облегчают очистку от Aβ через BBB, но специфический механизм неизвестен (Herring et al. 2016).

Targeting Perivascular Drainage


Накопились доказательства, указывающие, что пери-васкулярное дренирование играет важную роль в очистке Aβ. Было продемонстрировано, что phosphodiesterase III ингибитор cilostazol может способствовать пере-васкулярному дренированию Aβ из спинномозговой жидкости путем восстановления сосудистой активности (Maki et al. 2014), которая обеспечивает усиление пери-васкулярного дренирования Aβ.

Targeting Peripheral Clearance


Withania somnifera обращает патологию AD путем усиления нзкой плотности, родственного липопротеиновому рецептору белка в печени (Sehgal et al. 2012), это усиливает очистку от Aβ. Cholinesterase ингибиторы donepezil и rivastigmine, усиливают транспорт белков P-glycoprotein и LRP1, тем самым улучшают очистку от Aβ в печени крыс (Mohamed et al. 2015). Принимаемая с пищей pre-administration docosahexaenoic acid предупреждает RBCs от оксидативных повреждений, вызываемых её антиоксидантными характеристиками и увеличивающих деградацию Aβ с помощью RBC зависимым от липидных платформ способом (Hashimoto et al. 2015).

Other Alternative Methods for Clearing Amyloid-Beta and Tau


Недавно предложены альтернативные методы очистки от Aβ и tau. Изучение APP/PS1 модельных мышей показало, что перитониальный диализ может понижать Aβ в головном мозге после снижения уровней Aβ в плазме и может также ослаблять гипер-фосфорилирование tau при AD (Jin et al. 2017). Кроме того, хроническая deep brain stimulation (DBS) entorhinal кортекса у AD мышей вызывало достоверное улучшение памяти за счет снижения уровней Aβ и tau (Mann et al. 2017). Тем временем трансплантации мезенхимных стволовых клеток представляют еще один путь терапии для предупреждения и/или лечения AD путем снижения в головном мозге Aβ и родственной патологии (Tachibana et al. 2018).

Concluding Remarks and Future Perspectives


In conclusion, intracellular protein clearance mechanisms mainly include proteasome-dependent and lysosome-dependent degradation pathways, especially UPS and autophagy-lysosome. Extracellular proteins can be purged via proteases secreted by neurons and astrocytes, microglial phagocytosis and transport from brain to blood and to lymph respectively via blood circulatory clearance and lymphatic clearance. Recently, scientists and researchers have transferred the line of sight to the periphery protein clearance (Liu et al. 2015). Aβ and tau can be degraded by UPS, autophagy-lysosome, proteases, and microglial phagocytosis. ISF and CSF Aβ and tau can be transported into periphery by blood circulatory clearance and lymphatic clearance. The difference is that Aβ can be transported from brain parenchyma into blood through the BBB and then be cleared by the liver, kidney, RBCs, and monocytes in periphery, while tau cannot pass through the BBB. Besides, tau can be detected in periphery, such as submandibular gland, sigmoid colon, liver, scalp, and abdominal skin. It still needs more studies to demonstrate tau clearance in periphery. Recent researches have supported the existence of meningeal lymphatic vessels (Louveau et al. 2015), which may be another lymphatic clearance pathway in the removal of Aβ and tau. However, it needs more clear proofs to confirm their role in Aβ and tau clearance. Microglial phagocytosis plays protective and destructive roles in AD. Activated microglia not only produces pro-inflammatory cytokine, giving rise to inflammatory reaction and ultimately leading to neuron death, but also migrates to Aβ and tau deposition areas and removes them by phagocytosis. Therefore, how to control microglia and let it play a positive role remains an aporia.
At present, lots of drugs targeting different protein clearance mechanisms have been researched and developed. Different drugs act on different links. In addition, the effects of their usage combined with other kinds of drugs need further research. However, lots of adverse effects have been found in clinical trials targeting Aβ clearance in brain, indicating that the discovery of drugs targeting periphery clearance may be a research hotspot (Liu et al. 2015). However, regarding the therapeutic effect targeting periphery clearance mechanisms, different people hold different views. Some people think that durable peripheral clearance of Aβ with neprilysin does not affect the levels of central Aβ (Henderson et al. 2014). On the contrary, others say that peripheral anti-Aβ antibody may change CNS and plasma Aβ clearance and decrease brain Aβ accumulation in an AD mouse model (DeMattos et al. 2001). More and more mechanical methods for clearing Aβ and tau have been put forward. In conclusion, the above-mentioned methods will play a promising role in preventing the development of AD.