Дисфункция митохондрий

Свидетельства митохондриальной дисфункции при аутизме и методы лечения

Evidence of Mitochondrial Dysfunction in Autism and Implications for Treatment
Daniel A. Rossignol, J. Jeffrey Bradstreet
International Child Development Resource Center
http://www.scipub.org/fulltext/ajbb/ajbb42208-217.pdf 

Введение

Аутизм и связанный с ним спектр расстройств являются нарушениями развития, характеризующиеся значительным нарушением социального взаимодействия, трудностями в коммуникации, стереотипностью поведения. Однако, этот набор симптомов и нарушений поведения может быть результатом множества биологических механизмов и генетических уязвимостей во взаимодействии с фактором окружающей среды. Три тщательно проведенных исследования показывают, что распространенность аутизма увеличилась за последние годы. В настоящее время считается, что в США аутизм поражает 1 на 150 детей (67 на 10,000). Однако, поскольку аутизм встречается у мальчиков в 4 раза чаще, чем у девочек, этот обобщенный расчет преуменьшает распространенность аутизма у мальчиков. Соответствующий подсчет, примененный к приведенным данным, обнаруживает, что частота случаев аутизма у мальчиков 1 на 93 (54 из 10,000). Это говорит об очень высокой частоте аутизма и должно вызвать озабоченность факторами окружения, которые, по всей видимости, отрицательно влияют на мужчин.

Митохондриальные расстройства, когда-то считавшиеся редкими, сейчас стали одними из наиболее частых метаболических расстройств у детей. Классическая болезнь митохондрий обнаруживается в ряде случаев аутизма и обычно вызвана генетическими аномалиями или нарушениями дыхательного пути митохондрий. Эти заболевания часто вызывают серьезные симптомы, такие, как слабость конечностей, сердечные дефекты, атаксию. Также их часто связывают с регрессом в развитии и задержкой роста у детей с аутизмом. Однако, у значительного количества пациентов с аутизмом, исследования обнаружили свидетельства митохондриальной дисфункции (далее - МтД) без классических признаков, присущих митохондриальной болезни.

Например, исследование 25 детей с аутичными чертами, включая задержку развития, судороги, и гипотонию, не обнаружило структурных изменений митохондрий при мышечной биопсии. Эти дети не соответствовали ни одной из известных категорий митохондриальных энцефаломиопатий.

Предположение о МтД (митохондриальная дисфункция) было впервые подсказано пересекающимися симптомами обоих расстройств и привело Ломбарда к гипотезе, что  аутизм может быть вызван МтД. По сравнению с классической митохондриальной болезнью, МтД более распространена при аутизме, не имеет такой ярко выраженной симптоматики, и не проявляется какими-либо различимыми митохондриальными аномалиями на мышечной биопсии. Существуют, однако, лабораторные свидетельства снижения функционирования митохондрий. Эта МтД, по видимому, вызвана токсинами окружающей среды, и может давать вклад в ряд специфических симптомов и сопутствующих заболеваний аутизма, включая: когнитивные нарушения, отставание в речи, аномальный энергетический метаболизм, хронические проблемы ЖКТ,  нарушения в оксидации жирных кислот, и повышенный оскидативный стресс. Несмотря на то, что биомаркеры МтД идентифицированы, МтД часто игнорируется при аутизме, что приводит к неприменению потенциально полезных терапий. Интересно, что МтД также связывается с другими хроническими неврологическими заболеваниями, включая болезнь Альцгеймера, Паркинсона и другие. Причиной этого может быть тот факт, что потребность мозга в аэробном (кислородном) обмене очень высока, делая именно его особенно уязвимым к любому снижению эффективности митохондрий.

Митохондриальная Дисфункция и Аутизм.

Свидетельства МтД при аутизме

Одно из первых исследований, предположивших МтД при аутизме, использовало магнито-резонансную спектроскопию для исследования энергетического метаболизма в мозгу пациентов с аутизмом путем измерения уровней фосфокреатина, АТФ, АДФ и неорганических фосфатов и дальнейшего сравнения этих уровней с нейротипичными пациентами. Эксперимент показал, что фосфокреатин был ниже в группе с аутизмом, что согласуется с увеличенным расходом фосфокреатина для поддержки уровня АТФ (аденозин трифосфат) в мозгу, и эти данные коррелировали с речевыми нарушениями и нейрофизиологическими проблемами. Авторы предположили, что клинические нарушения при аутизме могут быть вторичными, проистекающими из обнаруженных «изменений  в мозговой биоэнергетике». Последующее исследование также подтвердило свидетельство «измененного энергетического метаболизма» в мозгу детей с аутизмом. Эти исследования подтверждают нарушение митохондриальной функции и документируют факт, что у некоторых пациентов с аутизмом снижены клеточная энергетика и запас энергии митохондрий, что может приводить к когнитивным нарушениям, проблемам с речью и аномальному энергетическому метаболизму.

Нарушения функции митохондрий может также снизить уровень глутатиона и привести к хроническим желудочно-кишечным проблемам, поскольку ЖКТ очень сильно зависит от нормального глутатиона. Несколько исследований продемонстрировали, что хронические ЖКТ проблемы распространены при аутизме, включая хронические запоры. Запоры часто наблюдаются у пациентов с митохондриальными расстройствами, и хронические запоры, обнаруживаемые у аутичных пациентов, могут быть проявлением МтД. Судороги и гипотония у аутистов могут также быть проявлением МтД. Аномалии в оксидации жирных кислот могут также отражать  МтД, как изначальную проблему у пациентов с аутизмом. Оксидация жирных кислот замечена при аутизме, также, как и нарушения бета-оксидации и окислительного фосфорилирования, связываемые с недостаточностью карнитина и сниженной выработкой фосфолипидов, содержащих 22:6n-3 жирных кислот (Докозагексаеновая кислота – Омега-3). Например, в одном случае, у ребенка с аутизмом и гипотонией, но с нормальной мышечной силой, были обнаружены повышенный лактат в крови, сниженный бикарбонат, и нарушенный ацил-карнитиновый профиль. У этого ребенка в конце концов была диагностирована дисфункция митохондриальной бета-оксидации. В другом исследовании из 15 аутичных детей, сравниваемых с 18 контрольными умственно-отсталыми детьми, в группе с аутизмом было обнаружено выраженное снижение уровней 22:6 n -3 жирных кислот. Рассматриваемые вместе, эти находки приводят к предположению, что МтД может часто встречаться при аутизме и что специфические изменения, описанные в данном разделе, могут быть проявлениями МтД.

МтД и оксидативный стресс при аутизме.

При дыхании митохондрий, неспособность нейтрализовать активные формы кислорода и свободные радикалы ведет к оксидативному стрессу. Оксидативное повреждение в организме человека вносит вклад в старение и неврологические заболевания. Внутренняя мембрана митохондрий содержит большое количество поглотителей свободных радикалов, включая глутатион, витамины С и Е, а также антиоксидантные ферменты, как супероксид дисмутаза (СОД). Исследования на животных продемонстрировали, что мыши, у которых был недостаток СОД, имели молекулярные дефекты в дыхании митохондрий, и при введении СОД были замечены улучшения. У некоторых детей с аутизмом также наблюдаются сниженные уровни восстановленного глутатиона (GSH) и СОД, что может вести к повреждению митохондрий и их дисфункции. Нарушение функций митохондрий ведет к еще большему оксидативному стрессу и дальнейшему снижению уровня глутатиона, в результате образуется порочный круг. Поскольку повышенный оксидативный стресс как правило наблюдают при аутизме, этот пагубный циклический процесс будет сохраняться. В одном фундаментальном исследовании уровень окисленного глутатиона (GSSG) в плазме, надежный маркер внутриклеточного оксидативного стресса, у детей с аутизмом был на 72% выше, чем у нормальных детей. Более того, у пациентов с аутизмом обнаруживается снижение активности определенных антиоксидантных ферментов, включая СОД, глутатион-пероксидазу, каталазу, и параоксоназу ( PON 1). У некоторых детей с аутизмом также повышена пероксидация липидов, включая повышенный малоновый диальдегид (МтДА - Malondialdehyde), являющийся маркером оксидативного стресса и пероксидации липидов. Группа исследователей предположила, что оксидативный стресс (внутренний или внешнего окружения) может вносить вклад в развитие и клинические проявления аутизма. Например, в одном исследовании, клинический регресс (потеря ранее приобретенных навыков) у некоторых аутичных детей был связан с пониженным уровнем антиоксидантных ферментов в сыворотке крови.

Оксидативный стресс может также играть роль в повышенном соотношении мальчиков по отношению к девочкам, наблюдаемом в аутизме. Из-за более низкого уровня восстановленного глутатиона, митохондрии мужчин более уязвимы к оксидативному стрессу, по сравнению с женщинами. В исследовании на животных было найдено, что в результате более низкой активности ферментов СОД и глутатион-пероксидазы оксидативное повреждение митохондриальных ДНК у мужчин в 4 раза выше, чем у женщин. Активность каталазы, антиоксидантного фермента, также выше у женщин, и эстроген усиливает активность глутатитон-пероксидазы. Эстроген также снижает формирование перекиси водорода, снижая этим оксидативный стресс. Таким образом, мужчины с повышенным оксидативным стрессом могут проявлять более значительную МтД (митохондриальную дисфункцию) и более серьезные клинические симптомы, по сравнению с женщинами.

Биомаркеры классической болезни митохондрий и МтД при аутизме.

Классическая болезнь митохондрий обычно ассоциируется с лабораторными аномалиями, включая: повышенный лактат, аммиак, аспартат-аминотрансфераза, пируват,  креатин киназа, и пониженный уровень карнитина. Эти маркеры могут быть полезны при диагностике болезней митохондрий. Однако многие из этих лабораторных отклонений также описываются и у аутистов с МтД, без каких-либо других свидетельств классической болезни митохондрий. Например, повышенный уровень лактатов в крови, характерный при МтД, был обнаружен у многих пациентов с аутизмом, до 43% детей. В одном исследовании, аутичным детям с повышенными лактатами была проведена биопсия дельтовидной мышцы и примерно у 35% (5 из 14) были обнаружены признаки классической болезни митохондрий. Это исследование весьма знаменательно, поскольку, хотя некоторые дети с аутизмом и повышенными лактатами имели действительную болезнь митохондрий, у большинства мышечная биопсия оказалась в норме, что, как мы считаем, указывает на МтД.

В нескольких исследованиях пациентов с аутизмом, но без классической болезни митохондрий, было обнаружено повышение аммиака, это приводило авторов к заключению о наличии МтД. Обычно уровни аммиака были далеко не так повышены, как это обнаруживается при некоторых расстройствах, которые могут приводить к аутизму, таких как нарушение цикла мочевины ( urea cycle ). Аммиак требует три молекулы АТФ (аденозинтрифосфат) для конвертации в мочевину, и в исследованиях на животных, повышение аммиака могло вести к снижению уровня АТФ в мозгу.  Таким образом, повышение аммиака, замеченное у пациентов с аутизмом, могло оказаться или совпадением или же причинно связаным со снижением АТФ. В исследовании 100 детей с аутизмом и историей клинического регресса, но без классической болезни митохондрий, были обнаружены свидетельства наличия МтД, выраженные значительно сниженными уровнями свободного и общего карнитина, и повышенными уровнями аммиака, аланина, и лактата в крови.

Другие маркеры МтД, повышенные при аутизме, без наличия классической болезни митохондрий, включают пируват и креатин киназу. Исследование 159 детей с аутизмом в сравнении с 94 здоровыми детьми продемонстрировало повышение аспартат-аминотрансферазы и креатин киназы, указывающие на возможные дефекты в окислительном фосфорилировании. Авторы заключают, что «дальнейший метаболический анализ необходим для пациентов с аутизмом и дефекты в окислительном фосфорилировании могут оказаться достаточно распространены. Они также комментируют, что МтД, возникшая в раннем детстве, может вести к дополнительному оксидативному стрессу, который может нарушить способность организма справляться с определенными инфекциями или к иммунной активации от прививок, полученных в это время.

Возможные причины МтД при аутизме

Причина МтД у некоторых пациентов с аутизмом неизвестна, но может быть вторичным проявлением в результате воздействия токсинов окружающей среды. Эти вещества могут непосредственно повреждать митохондрии и снижать их активность, или уменьшать функциональную активность посредством увеличения загрузки организма свободными радикалами и результирующего оксидативного стресса. Лекарства, такие, как вальпроевая кислота и талидомид, а так же воздействие вирусов, как краснуха и цитомегаловирус, являются примерами факторов окружения, которые известны как возможные причины аутизма. Однако, многие другие токсины окружения, включая пестициды, полихлорированный бифенил (PCB), промышленные химикаты, и токсичные металлы, как ртуть, свинец, кадмий, никель и жесть также связывают с аутизмом. Следует отметить, многие из этих токсинов, включая ртуть, мышьяк, кадмий, свинец, пестициды, и промышленные химикаты, подавляют функцию митохондрий. Фактически, митохондрии могут быть самым первым объектом поражения из-за нейротоксичности металлов. Другие вещества могут также поражать функцию митохондрий. Пропионовая кислота вырабатывается Клостридией в кишечном тракте и повреждает функцию митохондрий прямым подавлением окислительного фосфорилирования. Высокие количества Клостридии часто обнаруживаются в кишечном тракте у аутистов, и инъекции пропионовой кислоты крысам в недавнем исследовании вызывали у них аутичные симптомы. В результате повышения оксидативного стресса и снижения уровня глутатиона, МтД может фактически приводить к затруднению детоксикации загрязнений окружающей среды и, как следствие, увеличивать уязвимость к токсичности металлов.

Тестирование пациентов на Дисфункцию Митохондрий.

 Основываясь на этих находках, некоторые исследователи предположили, что митохондриальные расстройства могут быть одной из наиболее распространенных метаболических причин аутизма, и что МтД необходимо предполагать и тестировать у детей с аутизмом, у кого обнаружены связанные неврологические нарушения или семейная история митохондриальных проблем. Определенные биомаркеры могут оказаться полезными при  оценке возможности дисфункции митохондрий у пациентов с аутизмом. Некоторые исследователи предлагают измерять уровень пируватов. Однако, измерения уровня пируватов не всегда практично, поскольку доступно только в специализированных госпиталях. Соотношение аланина к лизину в плазме (нормальный уровень 1,5-2,5) может служить суррогатным маркером на пируваты, соотношение выше 2,5 указывает на повышение пируватов. Уровень лактатов это простой, недорогой метод для начальной диагностической оценки митохондриальных проблем. Митохондриальные проблемы также могут быть выявлены путем изучения теста на органические кислоты в моче. Оценка уровней карнитина, аммиака, и маркеров оксидативного стресса может также оказаться полезной. Проверка любого из этих показателей в тестах крови или мочи может помочь в обнаружении МтД.

Возможные методы лечения Митохондриальной Дисфункции при аутизме.

Биологически активные добавки и антиоксиданты. Лечение оксидативного стресса антиоксидантами и другими добавками может облегчить проявления МтД у некоторых детей с аутизмом. В исследованиях на животных, Ацетил-Л-Карнитин ( acetyl - Lcarnitine ) восстанавливал частично функцию митохондрий и мышечную активность. Добавка Коэнзима-Q10 крысам увеличивала концентрацию митохондрий, увеличивала время выживания, и оказывала нейрозащитный эффект. В исследованиях с людьми, Коэнзим-Q10 улучшал симптомы пациентов с МтД. Например, у одного пациента с митохондриальной болезнью и концентрацией Co-Q10 в крови всего 25% от нормы, ввод Co-Q10 привел к значительным улучшениям. В другом исследовании с двумя пациентами с митохондриальной энцефаломиопатией, ввод Co-Q10 и Идебеноне дало клинические улучшения, заметные на ЭЭГ и стандартных физиологических тестах. Уровни лактатов и пируватов также снизились после этого лечения. В одном исследовании из 8 пациентов с митохондриальной энцефаломиопатией Co-Q10 уменьшил  слабость и улучшил выносливость при физических нагрузках, также уменьшил уровень лактатов и пируватов в сыворотке. Тиамин (витамин В1), пиридоксин (витамин В6) и рибофлавин (витамин В2) также могут помочь улучшить функцию митохондрий. В одном исследовании, пиридоксин улучшил речь, эмоциональные привязанности, и поведение у 3 из 8 детей с МтД. Экстракт Гинкго Билоба также уменьшает оксидативный стресс митохондрий. Далее, лечение антиоксидантами с целью снижения оксидативного стресса может улучшить функцию митохондрий и выработку энергии. В сущности, лечение антиоксидантами у детей с аутизмом поднимало уровень восстановленного глутатиона ( reduced glutathione ) в сыворотке крови, и заметно улучшал симптомы. В другом испытании, применение витамина С в сравнении с плацебо, улучшало поведение аутичных детей. Когда МтД установлена, лечение рассмотренными добавками может привести к улучшениям митохондриальной функции и уменьшению негативных симптомов.

Баротерапия ( Hyperbaric oxygen therapy - HBOT )

 Несколько исследований описывают церебральную гипоперфузию (недостаточное кровоснабжение мозга) при аутизме и это уменьшение кровотока оказывается в определенном соотношении с основными симптомами при аутизме и также приводит к церебральной гипоксии. Несколько исследований продемонстрировали проявления гипоксии в мозгу некоторых пациентов с аутизмом, проявляющееся уменьшением в мозгу гена Bcl-2 и увеличением p53. Увеличение p53 вызывается гипоксией и снижение Bcl-2 связывают с повышенным апоптозом (естественная смерть клеток), вызванным гипоксией. Гипоксия может нарушить функцию митохондрий и снизить выработку АТФ. Поскольку лишь около 0,3% вдыхаемого кислорода доставляется к митохондриям, увеличение  доставки кислорода к митохондриям путем баротерапии может реально улучшить функцию митохондрий. Например, в модели с мышами с существенным нарушением комплекса IV митохондрий, баротерапия при 2 атмосферах значительно исправила дисфункцию митохондрий и задержала развитие болезни двигательных нейронов по сравнению с контрольными мышами. В исследованиях с животными, при баротерапии было отмечено увеличение работы, выполняемой митохондриями, улучшение функции митохондрий после ранений мозга, и предотвращение  ухудшения митохондрий, по сравнению с условиями при нормальном давлении и уровне кислорода. Более того, применение баротерапии предотвращало апоптоз и улучшало восстановление неврологии после мозговой ишемии благодаря открытию АТФ-чувствительных калиевых каналов. При исследовании на животных, гипоксия и ишемия приводили к уменьшению выработки АТФ и фосфокреатина. Применение баротерапии восстановило эти уровни почти до нормы и увеличило использование энергии по сравнению с условиями нормально давления и концентрации кислорода. Наконец, недавно было установлено, что баротерапия  активизирует транскрипцию и репликацию митохондрий ДНК митохондрий, и поднимает биогенез митохондрий в мозгу животных.

Заключение

Классическая болезнь митохондрий обнаруживается у небольшого числа пациентов с аутизмом и обычно случается из-за генетических аномалий и недостаточности дыхательной системы митохондрий. Однако, МтД, состояние не проявляющее классических черт митохондриальной болезни, тажке обнаруживается у ряда пациентов с аутизмом и связывается с аномальными биомаркерами функции митохондрий. Различные токсины окружающей среды могут разрушать структуру и функционирование митохондрий, и эти токсины должны рассматриваться при диагностике детей с аутизмом. МтД может вносить свой вклад в ряд симптомов и сопутствующих заболеваний, наблюдаемых при аутизме, включая: когнитивные нарушения,  отставание в языке, аномальный энергетический метаболизм, хронические ЖКТ проблемы, аномалии в оксидации жирных кислот, и повышенный оксидативный стресс. Дополнительно, поскольку мужчины наиболее подвержены этой дисфункции, МтД может объяснять, почему наблюдается такое превышение аутизма среди мальчиков по отношению к девочкам. МтД может диагностироваться на основании биомаркеров и потенциально излечима. Таким образом, следует проводить более активную проверку пациентов с аутизмом на наличие МтД. Потенциально, у значительного количества детей с аутизмом может быть МтД, и поэтому необходимо заниматься изучением методик для коррекции механизмов МтД.