ЭФФЕКТ РАЗЛИЧНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА УРОВЕНЬ МАРКЕРОВ НЕЙРОДЕГЕНЕРАЦИИ НА МОДЕЛЬНЫХ ЖИВОТНЫХ

АННОТАЦИЯ

Нейродегенеративные заболевания (НДЗ) характеризуются нарушением инсулиновой сигнализации, накоплением патологических белков (β амилоид, тау-белок) и снижением когнитивной функции. Целью работы явилось изучение влияния различных биологически активных веществ в липосомальной форме  на терапевтические мишени в ткани мозга животных с  моделью НДЗ и определение взаимосвязи изменений в биохимических и когнитивных показателях. Была создана спорадическая модель НДЗ с симптомами болезни Альцгеймера. Применение инсулина, метформина и антител к Aβ приводило к нормализации показателей инсулиновой сигнализации (инсулиновых рецепторов и транспортера GLUT4), снижению амилоидной нагрузки. Полученные данные указывают на то, что модуляция инсулиновой сигнализации и глюкозного транспорта в гиппокампе может рассматриваться как один из ключевых механизмов улучшения когнитивных функций при нейродегенеративных нарушениях.

ABSTRACT

Neurodegenerative diseases (NDDs) are characterized by impaired insulin signaling, accumulation of pathological proteins (amyloid β, tau protein) and decreased cognitive function. The aim of the work was to study the effect of various biologically active substances in liposomal form on therapeutic targets in the brain tissue of animals with a model of NDD and to determine the relationship between changes in biochemical and cognitive indicators. A sporadic model of NDD with Alzheimer's disease symptoms was created. The use of insulin, metformin and antibodies to Aβ led to the normalization of insulin signaling parameters (insulin receptors and GLUT4 transporter) and a decrease in the amyloid load. The obtained data indicate that modulation of insulin signaling and glucose transport in the hippocampus can be considered as one of the key mechanisms for improving cognitive functions in neurodegenerative disorders.

Ключевые слова: нейродегенеративные заболевания, β-амилоид, инсулиновый рецептор, GLUT4, липосомы, инсулин, метформин.

Keywords: neurodegenerative diseases, β-amyloid, insulin receptor, GLUT4, liposomes, insulin, metformin.

Введение. В настоящее время широко признано, что инсулин играет важную роль в жизнеспособности нейронов и функционировании головного мозга. Фактически, действие инсулина необходимо для синаптической пластичности нейронов и способствует обучению и памяти [1, 2].

Следовательно, изменения в метаболизме и передаче сигналов инсулина в центральной нервной системе могут способствовать развитию ряда заболеваний головного мозга. Нейродегенеративные заболевания (НДЗ) характеризуются нарушением инсулиновой сигнализации, накоплением патологических белков (β амилоид, тау-белок), дисрегуляцией липидов и снижением когнитивной функции. Изучение и разработка препаратов, влияющих на маркеры нейродегенеративных процессов, является перспективным и актуальным направлением, способным внести существенный вклад в раннюю диагностику и терапию нейродегенеративных заболеваний. При этом важной проблемой является доставка препаратов к мишени, в том числе преодоление гематоэнцефалического барьера. Перспективным направлением является интраназальная доставка препаратов в головной мозг с использованием липосом, поскольку данный подход позволяет обойти гематоэнцефалический барьер, обеспечить прямой транспорт активных веществ по обонятельному и тройничному нервам, повысить биодоступность препарата в тканях мозга и одновременно снизить системные побочные эффекты. Липосомальные носители дополнительно способствуют защите лекарственного вещества от деградации, пролонгированному высвобождению и повышению селективности доставки.

Целью работы явилось изучение влияния различных биологически активных веществ (БАВ) в липосомальной форме на предпологаемые терапевтические мишени в ткани мозга животных с моделью НДЗ и определение взаимосвязи изменений в биохимических и когнитивных показателях.

Материалы и методы. В наших экспериментах была создана спорадическая модель НДЗ с симптомами болезни Альцгеймера [3]. Мониторинг за воспроизведением модели производили периодическим измерением веса животных, проведением поведенческих тестов (открытое поле ОП, условная реакция пассивного избегания УРПИ, условная реакция активного избегания УРАИ, тест «Морриса») и определением отдельных биохимических параметров: уровней глюкозы, инсулина, гликированного гемоглобина, липидов и холестерина.  Животным с экспериментальной моделью СНДЗ в течение 7 дней вводили интраназально различные БАВ в липосомальной форме: инсулин, сукцинат, антитела к амилоиду β (анти-А β), кверцетин и метформин.

Содержание рецепторов инсулина (IR) было определено с помощью иммуноферментоного набора Rat IR  FineTest® (China) в гомогенате ткани  животных с моделью СНДЗ до и после введения БАВ.

Концентрация переносчика глюкозы GLUT4 была определена с помощью иммуноферментоного набора Rat GLUT4(Glucose Transporter 4) FineTest® (China) в гомогенате ткани экспериментальных животных с моделью НДЗ до и после введения БАВ.

Концентрация Aβ1-40 (Amyloid Beta 1-40) была определена с помощью иммуноферментоного набора Texas (США) Elabscience® Aβ1-40 ELISA в гомогенате ткани экспериментальных животных с моделью НДЗ до и после введения БАВ.

Результаты и обсуждение.  В данной работе представлены данные о влиянии интраназального введения липосомальной формы инсулина, сукцината, антител к Aβ, кверцетина и метформина на молекулярные маркеры НДЗ. Первым этапом исследований было изучение эффекта этих веществ на экспрессию инсулиновых рецепторов IR (рисунок 1).

Рисунок 1. Уровень IR-рецепторов в ткани гиппокампа. Корреляция с когнитивным индексом (R = 0.93).

Из рисунка видно, что  введение  БАВ вызывают  увеличение уровня IR-рецепторов в ткани гиппокампа, при этом  наибольший эффект обнаружен при применении инсулина, антител к  Aβ и метформина, который коррелировал с улучшением параметров когнитивного индекса при тестировании показателей условных рефлексов.

Введение биологически активных веществ сопровождалось увеличением уровня IR в ткани гиппокампа при применении инсулина, антител к Aβ и метформина. Данный эффект может быть обусловлен тем, что инсулин напрямую активирует инсулиновый сигнальный путь, стимулируя экспрессию и мембранную локализацию IR. Антитела к Аβ, снижая уровень Aβ и его токсическое влияние, способствуют восстановлению нарушенной инсулиновой сигнализации в нейронах гиппокампа. Метформин, в свою очередь, активирует AMPK-зависимые механизмы и повышает чувствительность тканей к инсулину, что также приводит к увеличению экспрессии и функциональной активности IR [4].

Совокупность этих механизмов объясняет более выраженное влияние указанных соединений на уровень IR в гиппокампе. Кроме того, была выявлена выраженная положительная зависимость между уровнем инсулиновых рецепторов (IR) в ткани гиппокампа и коэффициентом обучаемости животных в тестах УРПИ и УРАИ (R = 0,93). Данная корреляция свидетельствует о тесной связи инсулиновой сигнализации с когнитивными функциями, прежде всего с процессами обучения и памяти, за которые отвечает гиппокамп. Инсулин в центральной нервной системе участвует в регуляции синаптической пластичности, модулирует процессы долговременной потенциации и экспрессии NMDA- и AMPA-рецепторов, а также влияет на энергетический метаболизм нейронов [5].

Повышение уровня IR-рецепторов, вероятно, способствует восстановлению чувствительности нейронов к инсулину, что приводит к улучшению нейрональной коммуникации и, как следствие, к повышению когнитивных показателей. Высокое значение коэффициента корреляции указывает на то, что нарушения инсулиновой сигнализации могут играть ключевую роль в развитии когнитивных дефицитов, характерных для нейродегенеративных процессов.

Полученная корреляция подтверждает концепцию «инсулинорезистентности мозга», согласно которой снижение экспрессии и функции IR в гиппокампе ассоциировано с когнитивными нарушениями, характерными для болезни Альцгеймера.

Схожая картина наблюдается при исследовании влияния БАВ на другую терапевтическую мишень – переносчик  глюкозы GLUT4 в ткани гиппокампа (рисунок 2).

Наибольший эффект наблюдается при введении инсулина, антител к Aβ и метформина, при этом обнаружена положительная корреляция с когнитивной функцией (R = 0.96). Такой эффект этих веществ, вероятно, обусловлен их способностью восстанавливать инсулин-зависимый транспорт глюкозы в нейронах. Известно, что GLUT4 является ключевым переносчиком глюкозы, вовлечённым в обеспечение энергетических потребностей нейронов гиппокампа и регулируемым инсулиновой сигнализацией [6].

Рисунок 2. Уровень GLUT4 в ткани гиппокампа. Положительная корреляция с когнитивной функцией (R = 0.96).

Повышение уровня GLUT4 способствует улучшению утилизации глюкозы, активации синаптической пластичности и поддержанию процессов обучения и памяти. Обнаруженная также положительная корреляция между уровнем GLUT4 и когнитивной функцией животных (R = 0,96) подтверждает тесную связь энергетического метаболизма нейронов с когнитивными показателями и указывает на ключевую роль нарушений инсулиново-глюкозного обмена в развитии когнитивного дефицита при нейродегенеративных процессах.

Иная картина наблюдается в экспрессии Aβ₁₋₄₀ при введении БАВ, которая представлена на рисунке 3. Наиболее выраженное снижение уровня Aβ₁₋₄₀ отмечалось также при применении инсулина, антител к Aβ и метформина. Вероятно, данный эффект связан с тем, что антитела к Aβ непосредственно способствуют элиминации β-амилоидных пептидов, тогда как инсулин и метформин опосредованно влияют на амилоидный метаболизм за счёт улучшения инсулиновой сигнализации, активации путей клиренса Aβ и снижения нейровоспаления [7].

Рисунок 3. Уровень Aβ₁₋₄₀ в ткани гиппокампа. Обратная корреляция с когнитивным индексом (R = -0.95).

В данном случае была выявлена выраженная обратная корреляция между коэффициентом обучаемости животных и уровнем Aβ₁₋₄₀, что указывает на негативное влияние накопления β-амилоида на когнитивные функции (R=-0,95). Обратная корреляция между уровнем Aβ₁₋₄₀ и когнитивным индексом подтверждает ключевую роль амилоидной патологии в формировании когнитивных нарушений и согласуется с концепцией взаимосвязи амилоидного каскада и нарушений инсулиновой чувствительности мозга.

Выявленная обратная корреляция между уровнем Aβ₁₋₄₀ и коэффициентом обучаемости указывает на то, что снижение амилоидной нагрузки, наиболее выраженное при введении инсулина, антител к Aβ и метформина, сопровождается улучшением когнитивных функций.

Таким образом, на основании результатов данных экспериментов следует отметить, что возможно оказывать воздействие на основные маркеры СНДЗ с помощью липосомальных препаратов, при этом колебания уровня маркеров СНДЗ коррелирует с положительными изменениями параметров поведенческой активности и когнитивных функций.

Заключение

Применение инсулина, метформина и антител к Aβ приводило к нормализации показателей инсулиновой сигнализации (уровни IR и GLUT4), снижению амилоидной нагрузки (Aβ₁₋₄₀). Полученные данные свидетельствуют о том, что вещества, воздействующие как на инсулиновую сигнализацию, так и на амилоидный метаболизм, оказывают наибольшее нейропротекторное и прокогнитивное действие. Таким образом, препараты, оказывающие выраженное влияние на параметры инсулинорезистентности, демонстрируют наибольший нейропротекторный потенциал.

Результаты проведённой серии экспериментов свидетельствуют о возможности целенаправленного воздействия на основные маркеры нейродегенеративных заболеваний с использованием биологически активных веществ в липосомальной форме. Полученные данные указывают на высокий нейропротекторный потенциал липосомальных препаратов и обосновывают перспективность данного подхода для коррекции патогенетических механизмов нейродегенеративных нарушений.

Список литературы:

1. Волобуев А. Н., Пятин В. Ф., Романчук Н. П., Булгакова С. В., Давыдкин И. Л. Когнитивная дисфункция при перевозбуждении структур головного мозга // Врач. - 2018. - T.29, - N9. - С. 17-20. https://doi.org/10.29296/25877305-2018-09-04
2. Волобуев А. Н., Романчук П. И., Романчук Н. П., Давыдкин И. Л., Булгакова С. В. Нарушение памяти при болезни Альцгеймера // Врач. - 2019. -  T.30, - N6. - С. 10-13. https://doi.org/10.29296/25877305-2019-06-02
3. Исследование маркеров нейродегенерации при воспроизведении модели спорадического нейродегенеративного заболевания // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Ишанходжаев Т.М. [и др.]. 2025. 10(136). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/20822
4. Campbell J.M., Stephenson M.D., de Courten B., Chapman I., Bellman S.M., Aromataris E. Metformin Use Associated with Reduced Risk of Dementia in Patients with Diabetes: A Systematic Review and Meta-Analysis// J Alzheimers Dis. -2018. Vol.65. N4. – P.1225-1236. doi: 10.3233/JAD-180263.
5. Jayanarayanan S., Smijin S., Peeyush K.T., Anju T.R., Paulose C.S. NMDA and AMPA receptor mediated excitotoxicity in cerebral cortex of streptozotocin induced diabetic rat: ameliorating effects of curcumin// Chem Biol Interact. – 2013.  Vol.201. N1-3. – P.39-48. doi: 10.1016/j.cbi.2012.11.024.
6. Herman R., Kravos N.A., Jensterle M., Janež A., Dolžan V. Metformin and Insulin Resistance: A Review of the Underlying Mechanisms behind Changes in GLUT4-Mediated Glucose Transport// Int J Mol Sci. – 2022.  Vol.23.3. – P.1264. doi: 10.3390/ijms23031264.
7. Fluca A.L., Pani B., Janjusevic M., Zwas D.R., Abraham Y., Calligaris M., Beltrami A.P., Campos Corgosinho F., Marketou M., D'Errico S., Sinagra G., Aleksova A. Unraveling the relationship among insulin resistance, IGF-1, and amyloid-beta 1-40: Is the definition of type 3 diabetes applicable in the cardiovascular field? // Life Sci. – 2024. Vol.352. – P.122911. doi: 10.1016/j.lfs.2024.122911.