Maistinių medžiagų jutimas ir TGL išlikimas sergant glaukoma
Glaukoma yra pagrindinė negrįžtamo apakimo priežastis visame pasaulyje, susijusi su akies tinklainės ganglijinių ląstelių (TGL) ir jų aksonų pažeidimu bei nykimu. Šios ląstelės siunčia vaizdinius signalus iš akies į smegenis, todėl jų sveikata yra gyvybiškai svarbi regėjimui. Dabartiniai glaukomos gydymo metodai mažina akispūdį, tačiau daugelis pacientų vis tiek praranda regėjimą, pabrėždami neuroprotekcinių strategijų, tiesiogiai palaikančių TGL, poreikį (www.sciencedirect.com) (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). Nauji tyrimai rodo, kad TGL gebėjimas jausti ir naudoti maistines medžiagas (pvz., aminorūgštis) gali paveikti jų išlikimą streso metu. Visų pirma, mechanistinis rapamicino taikinio (mTOR) kelias ir autofagija – ląstelės perdirbimo programa – atlieka pagrindinius vaidmenis TGL sveikatai. Šiame straipsnyje nagrinėjama, kaip aminorūgštys (ypač leucinas, baltymų statybinė medžiaga) veikia mTOR ir autofagiją TGL, patiriančiose glaukomos sukeltą stresą, ir kaip galėtume išbandyti dietines intervencijas, siekiant padėti apsaugoti regėjimą. Taip pat aptariame, kaip matuoti struktūrinius (OCT vaizdavimas) ir funkcinius (PERG, VEP) rezultatus kartu su maistinių medžiagų signalizacijos kraujo/likvoro biologiniais žymenimis bei svarstome augimo signalų ir baltymų valymo ląstelėse pusiausvyrą.
mTOR ir autofagija: pusiausvyra tarp augimo ir valymo
Ląstelės nuolat palaiko pusiausvyrą tarp struktūrų kūrimo ir pažeistų dalių perdirbimo. mTOR yra pagrindinis augimo jutiklis: kai maistinių medžiagų gausu, mTOR aktyvuoja baltymų gamybą ir ląstelių augimą (www.sciencedirect.com) (www.sciencedirect.com). Tokiomis sąlygomis mTOR slopina autofagiją (ląstelės „perdirbimo talpyklą“, kuri suskaido pažeistus komponentus) (www.sciencedirect.com). Priešingai, kai maistinių medžiagų ar energijos yra mažai (arba stresas didelis), mTOR aktyvumas sumažėja ir autofagija aktyvuojama, padedanti ląstelėms išgyventi valant atliekas ir tiekiant žaliavas energijai.
Sveikiems neuronams bazinis autofagijos lygis yra svarbus, norint pašalinti neteisingai susilanksčiusius baltymus ir susidėvėjusias mitochondrijas (pmc.ncbi.nlm.nih.gov) (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). TGL yra ypač pažeidžiamos, nes tai yra ilgai gyvenančios nervų ląstelės, kurios negali skiesti atliekų dalijimosi būdu. Tyrimai rodo, kad autofagija apsaugo TGL streso metu. Pavyzdžiui, vienas reikšmingas tyrimas nustatė, kad mTOR blokavimas vaistu rapamicinu (kuris skatina autofagiją) padėjo TGL išgyventi po regos nervo pažeidimo (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). Glaukomos modeliuose autofagijos sustiprinimas paprastai buvo neuroprotekcinis. Kaip aiškina Boya ir kolegos, streso paveiktos TGL naudoja autofagiją, kad sumažintų oksidacinę žalą ir perdirbtų maistines medžiagas, o tai gali prailginti ląstelių išlikimą (pmc.ncbi.nlm.nih.gov) (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). Trumpai tariant, autofagijos aktyvumo palaikymas padeda TGL išlikti sveikoms, ypač esant lėtiniam glaukomos stresui.
Tačiau per didelė ar netinkamu laiku vykdoma autofagija taip pat gali būti žalinga, todėl pusiausvyra yra trapi (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). Pernelyg didelis mTOR slopinimas (per didelis autofagijos aktyvinimas) galėtų turėti plačių padarinių. mTOR ir autofagijos sąveika TGL yra sudėtinga. Pavyzdžiui, mTOR išjungimas gali sumažinti baltymų sintezę, reikalingą atstatymui, o hiperaktyvus mTOR (dėl per didelio maistinių medžiagų kiekio) gali išsekinti perdirbimo sistemą. Ši pusiausvyra turi būti kruopščiai valdoma bet kokios intervencijos metu.
Leucinas ir aminorūgščių signalizavimas
Aminorūgštys yra ne tik baltymų statybinės medžiagos; jos taip pat yra pagrindiniai ląstelių metabolizmo reguliatoriai. Leucinas yra viena iš trijų šakotosios grandinės aminorūgščių (BCAA), kartu su izoleucinu ir valinu. Leucinas yra galingas mTORC1 (mTOR maistinių medžiagų jutimo komplekso) aktyvatorius (www.sciencedirect.com). Kai ląstelės aptinka leuciną, kaskada, apimanti tokius jutiklius kaip Sestrin2 ir Rag GTPazės, nukreipia mTORC1 į lizosomą ir jį aktyvuoja (www.nature.com) (pubmed.ncbi.nlm.nih.gov). Tai signalizuoja, kad yra maistinių medžiagų ir energijos, todėl ląstelė sustiprina baltymų sintezę ir augimo procesus.
Priešingai, žemas aminorūgščių lygis (kaip badavimo atveju) inaktyvuoja mTORC1, atlaisvindamas autofagijos stabdžius. Iš esmės ląstelės „suvalgo“ save, kad perdirbtų aminorūgštis į energiją. Naujas molekulinis tyrimas parodė, kad iš leucino gaunamas acetil-KoA lemia mTORC1 komponento raptoriaus modifikaciją, kuri aktyvuoja mTORC1 ir išjungia autofagiją (www.nature.com) (www.nature.com). Trumpai tariant, kai yra leucino, ląstelė tai interpretuoja kaip signalą augti, o ne perdirbti.
Leucinas taip pat veikia kitus maistinių medžiagų jutiklius. Pavyzdžiui, ląstelės energijos stresas aktyvuoja AMPK (AMP-aktyvuota proteinkinazė), kuri išjungia mTOR ir taupo energiją (www.sciencedirect.com). Didelis leucino (ir kitų maistinių medžiagų) kiekis gali susilpninti AMPK ir iš naujo aktyvuoti mTOR. Be to, insulinas – dar vienas anabolinis signalas – stipriai aktyvuoja mTORC1/2 per PI3K/Akt kelią (www.sciencedirect.com). TGL gausu insulino receptorių, o insulino signalizacija skatina ląstelių išlikimą ir regeneraciją (www.sciencedirect.com). (Intriguojančiai, intranazalinis insulinas bandomas kaip glaukomos gydymo metodas.) Taigi, TGL reaguoja į maistinių medžiagų signalų tinklą: aminorūgštys, tokios kaip leucinas, hormonai, tokie kaip insulinas, ir streso signalai, tokie kaip AMPK, visi konverguojasi į mTOR, kad nustatytų ląstelės likimą (www.sciencedirect.com) (www.sciencedirect.com).
Maistinių medžiagų jutimas sergant glaukoma: ikiklinikiniai įrodymai
Nauji ikiklinikiniai tyrimai pradėjo sieti maistinių medžiagų kelius su glaukoma. Gyvūnų modeliuose, kuriems pasireiškė akies hipertenzija arba genetinė glaukoma, TGL rodo energijos apykaitos sutrikimo požymius. Pavyzdžiui, padidėjęs akispūdis sukelia AMPK hiperaktyvaciją (badaujančią, stresinę būseną) ir ATP lygio kritimą TGL (www.sciencedirect.com). Nuolat aktyvus AMPK išjungia „didelės energijos“ procesus: TGL atitraukia dendritus, praranda sinapses, o mitochondrijų ir baltymų aksoninis transportas sustoja (www.sciencedirect.com). Vienas pagrindinis tyrimas nustatė, kad AMPK slopinimas tokiomis sąlygomis atkūrė mTOR aktyvumą ir apsaugojo TGL struktūrą bei funkciją (www.sciencedirect.com). Trumpai tariant, mTOR aktyvumo palaikymas (per maistinių medžiagų signalus) gali išgelbėti streso paveiktas TGL.
Daugybė eksperimentų nagrinėjo tiesioginį maistinių medžiagų tiekimą, siekiant padidinti TGL išlikimą. Hasegawa ir kolegos parodė, kad tinklainės ląstelių ar gyvūnų papildymas BCAA (ypač leucinu) žymiai pagerino energijos gamybą ir užkirto kelią ląstelių mirčiai (www.sciencedirect.com) (www.sciencedirect.com). Ląstelių kultūrose, patiriančiose stresą, leucino, izoleucino ir valino mišinio pridėjimas padidino ATP lygį ir sumažino ląstelių praradimą, o paprastas cukraus pridėjimas to nepadarė (www.sciencedirect.com). Pelės modeliuose, turinčiuose paveldimą tinklainės degeneraciją (įskaitant į glaukomą panašų TGL nykimą), kasdieniai BCAA papildai, pradėti net vėlyvos stadijos ligos metu, žymiai sulėtino TGL mirtį (www.sciencedirect.com) (www.sciencedirect.com). Viename glaukomos modelyje (GLAST geno inaktyvuotos pelės, kurios laikui bėgant praranda TGL), pelėms, kurioms buvo duodama BCAA su geriamuoju vandeniu, vienų metų amžiaus išliko storesni nervinių skaidulų sluoksniai ir daugiau išlikusių TGL (www.sciencedirect.com). Šios gydytos pelės, vidutiniškai, turėjo 15% daugiau TGL ir didesnį regos nervo plotą nei negydytos kontrolinės grupės pelės (www.sciencedirect.com). Kitaip tariant, BCAA (gausu leucino) gydymas apsaugojo TGL struktūrą glaukomos modelyje.
Biochemiškai, BCAA gydytų pelių tinklainėse streso buvo mažiau. Endoplazminio tinklo streso žymenys (pvz., CHOP) buvo sumažėję, o fosforilintos S6 kinazės (aktyvaus mTORC1 rodiklio) lygis buvo didesnis gydytose akyse (www.sciencedirect.com) (www.sciencedirect.com). Faktiškai, BCAA gydytos TGL linko atkurti mTOR aktyvumą iki normalaus lygio (www.sciencedirect.com). Kartu šie duomenys rodo, kad papildomas mitybinis leucinas padeda TGL išgyventi, maitindamas energijos apykaitą ir iš naujo aktyvuodamas mTOR valdomas augimo programas, tuo pačiu mažindamas streso reakcijas.
Kita vertus, kai kurie tyrimai įspėja, kad per didelis mTOR signalizavimas gali būti žalingas, jei blokuojamas reikalingas valymas. Diabetinės retinopatijos modeliuose per didelis BCAA kiekis iš tikrųjų pablogino uždegimą tinklainės palaikomosiose ląstelėse dėl pernelyg aktyvaus mTOR (pubmed.ncbi.nlm.nih.gov). Tai pabrėžia galimą kompromisą: nors leucinas gali maitinti TGL, chroniškai didelis mTOR gali sukelti toksinių baltymų kaupimąsi, jei autofagija per daug slopinama. Pavyzdžiui, manoma, kad kitose neurodegeneracinėse ligose (tokiose kaip Parkinsono ir Alzheimerio ligos) disbalansuota maistinių medžiagų signalizacija atlieka tam tikrą vaidmenį. Apskritai, ikiklinikiniai įrodymai rodo, kad maistinių medžiagų jutimas yra kritiškai svarbus regos nervo sveikatai: anabolinių signalų (mTOR) stiprinimas gali išgelbėti streso paveiktus neuronus, tačiau turi būti subalansuotas su proteostazės poreikiu.
Siūlomos leucino/aminorūgščių intervencijos
Remiantis šiais atradimais, viena potenciali strategija yra išbandyti kontroliuojamas leucino ar BCAA dozes glaukomos pacientams, siekiant palaikyti TGL išlikimą. Gyvūnų eksperimentuose buvo naudojamos gana didelės dozės: pelėms apie 1,5 gramo BCAA per kg kūno svorio per dieną (geriamajame vandenyje) buvo veiksminga (www.sciencedirect.com). Žmogui atitinkama dozė, atsižvelgiant į kūno svorį, reikštų kelis gramus leucino per dieną (įprastoje BCAA papildo tabletėje ar baltymų turtingame valgyje yra apie 1–5 g leucino). Dozės nustatymo tyrimai galėtų prasidėti nuo nedidelių kiekių (pvz., papildomai 2–4 gramų leucino kasdien) ir atsargiai didinti, stebint poveikį.
Kadangi pernelyg didelis mTOR aktyvinimas gali turėti neigiamų pasekmių, tokie tyrimai turėtų būti vykdomi atsargiai. Pavyzdžiui, nuolatinis didelio baltymų kiekio papildų vartojimas gali apkrauti inkstus arba išbalansuoti autofagijos pusiausvyrą. Todėl būtina stebėti saugumą ir biologinius žymenis. Pacientams, sergantiems kepenų ligomis, BCAA papildai (dažnai santykiu 2:1:1 leucino:izoleucino:valino) buvo vartojami kasdien be didelio toksiškumo (www.sciencedirect.com). Panašios formulės (pvz., LIVACT® mišinys, naudotas eksperimentuose (www.sciencedirect.com)) galėtų būti pritaikytos. Vienas tyrimo planas galėtų palyginti mažos dozės grupę (pvz., 1–2 g leucino kasdien) su didesnės dozės grupe (5–10 g leucino) ir placebo grupe per kelis mėnesius.
Viso tyrimo metu matuotume maistinių medžiagų suvartojimą ir aminorūgščių kiekį kraujyje, kad patvirtintume dozavimą. Taip pat gali būti naudinga netiesiogiai nustatyti mTOR aktyvumą: pavyzdžiui, fosforilintos S6 kinazės (p-S6K) ar kitų mTOR taikinių lygio matavimas periferiniuose kraujo mononukleariniuose ląstelėse/PBMC gali rodyti sisteminį mTOR aktyvavimą (nors tai yra netiesioginis metodas). Tiesiogiau, naujesni tyrimai galėtų bandyti matuoti aminorūgščių jutimo signalus serume ar likvore, jei tai įmanoma. Pavyzdžiui, insulino, IGF-1 ar net cerebrovaskulinio leucino variacijos galėtų būti naudojamos kaip intervencijos poveikio biologiniai žymenys.
Struktūrinių ir funkcinių galutinių taškų derinimas
Siekdami įvertinti, ar aminorūgščių papildai padeda TGL, būtų derinami įvairūs tyrimų tipai. Optinė koherentinė tomografija (OCT) leidžia matuoti tinklainės nervinių skaidulų sluoksnio ir ganglijinių ląstelių sluoksnio storį. OCT tyrimo metu nustatytas storėjimas arba lėtesnis plonėjimas laikui bėgant rodytų struktūrinį TGL išsaugojimą. Aukščiau minėtame pelių tyrime, gydytų akių histologiniuose tyrimuose buvo matomi storesni nervinių skaidulų sluoksniai (www.sciencedirect.com)); pacientams OCT gali atlikti panašų vaidmenį.
Funkciniai tyrimai, tokie kaip Šablono elektroretinografija (PERG) ir Vizualiniai sukeltieji potencialai (VSP), įvertintų TGL funkciją. PERG matuoja TGL elektrinį atsaką į vizualinius šablonus, o VSP matuoja signalą, pasiekiantį regos žievę. Kartu jie gali aptikti subtilius tinklainės funkcijos pagerėjimus, kurie atsiranda prieš regėjimo lauko praradimą. Pavyzdžiui, jei leucino papildymas tikrai apsaugo TGL, galima būtų pastebėti stabilizuotą ar pagerėjusią PERG bangos amplitudę arba trumpesnį VSP latentinį laiką, palyginti su kontrolinėmis grupėmis. Iš tiesų, PERG ir VSP naudojami klinikiniuose tyrimuose neuroprotekcinėms strategijoms įvertinti (clinicaltrials.gov).
Galiausiai, kraujo ar likvoro biologiniai žymenys padėtų susieti maistinių medžiagų lygius su rezultatais. Galima sudaryti plokštelę, apimančią plazmos leuciną, izoleuciną, valiną (BCAA), taip pat susijusius metabolitus (gliutaminą, gliutamatą) ir sisteminius signalus, tokius kaip insulinas ar IGF-1. Šių maistinių medžiagų pokyčių matavimas prieš ir po papildymo patvirtintų pasisavinimą. Paraleliai, streso žymenys (pvz., neurofilamentų lengvoji grandinė ar glijinis fibriliarinis rūgštinis baltymas kraujyje/likvore) ir metaboliniai žymenys (NAD+/NADH santykis, ATP lygiai) galėtų suteikti papildomų įrodymų apie pagerėjusią ląstelių sveikatą. Šių struktūrinių (OCT), funkcinių (PERG/VSP) ir biologinių žymenų duomenų derinimas suteiktų išsamų intervencijos poveikio TGL degeneracijai vaizdą.
Kompromisai: augimas prieš proteostazę
Pagrindinis aspektas yra pusiausvyra tarp anabolinės signalizacijos (augimo) ir proteostazės (baltymų homeostazės). mTOR aktyvinimas leucinu gali padidinti ląstelių energiją ir augimą, tačiau jis iš esmės slopina autofagiją. Ilgainiui tai galėtų leisti pažeistiems baltymams ar organelėms kauptis TGL. Iš tiesų, viena iš akcentuojamų hiperaktyvaus mTOR žalos senėjant yra tai, kad jis gali skatinti plokštelių susidarymą (kaip matoma Alzheimerio modeliuose), mažindamas autofaginį valymą. TGL atveju, sumažėjusi autofagija teoriškai galėtų pagreitinti neurodegeneraciją, jei ląstelių šiukšlės nėra pašalinamos.
Todėl bet kokia maistinių medžiagų pagrindu pagrįsta terapija turi atsižvelgti į šį kompromisą. Viena idėja yra naudoti pertraukiamą arba ciklinį dozavimą – pavyzdžiui, leucino papildymo dienos, po kurių seka „autofagijos atsistatymo“ dienos – kad sistema išliktų subalansuota. Kitas metodas – derinti leuciną su agentais, kurie selektyviai palaiko autofagiją (pavyzdžiui, mažos dozės rapamicino impulsais arba AMPK aktyvatoriais), kad būtų sumažintas kaupimasis. Nors tai spekuliacinė prielaida, dabartinės žinios rodo, kad vidutinis mTOR aktyvinimas (siekiant palaikyti TGL atstatymą ir energiją) gali būti naudingiausias, o ne nuolatinis maksimalus stimuliavimas.
Galų gale, individualizuotas stebėjimas bus raktas. Jei pacientas, vartojantis dideles aminorūgščių dozes, rodo sutrikusio valymo požymius (pvz., didėja baltymų neteisingo susilankstymo žymenys), režimas galėtų būti koreguojamas. Tikslas yra panaudoti apsauginį maistinių medžiagų poveikį, nepaverčiant pusiausvyros link žalingos baltymų agregacijos.
Išvada
Tinklainės ganglijinių ląstelių degeneracija sergant glaukoma yra susijusi su metaboliniu stresu ir energijos trūkumu. Ikiklinikiniai įrodymai rodo, kad maistinių medžiagų keliai – ypač mTOR/autofagijos pusiausvyra, kontroliuojama tokių aminorūgščių kaip leucinas – yra moduliuojamas veiksnys TGL išlikimui. Tyrimai su pelėmis rodo, kad aminorūgščių (BCAA) kiekio didinimas kraujyje gali išsaugoti TGL struktūrą ir funkciją (www.sciencedirect.com), tikėtina, didinant ATP gamybą ir iš naujo aktyvuojant augimo signalus. Šios informacijos pritaikymas gydant žmones pareikalaus kruopštaus dozės nustatymo ir stebėjimo. Klinikiniai tyrimai galėtų išbandyti leucino (arba BCAA) papildus, stebint OCT nervinių skaidulų storio vaizdus ir PERG/VSP atsakus kaip rezultatus, kartu su maistinių medžiagų ir mTOR žymenų kiekiu kraujyje.
Šis mitybos požiūris nepakeičia standartinės glaukomos priežiūros, tačiau siūlo papildomą strategiją. „Maitindami“ TGL joms reikalingomis maistinėmis medžiagomis, galime sustiprinti jų atsparumą ligos stresui. Vis dėlto turime užtikrinti, kad augimo signalų skatinimas nepakenktų ląstelės valymo sistemoms – tai kompromisas tarp anabolizmo ir proteostazės. Kruopščiai suprojektuoti tyrimai, derinantys vaizdavimą, elektrofiziologiją ir biocheminius tyrimus, gali padėti mokslininkams išaiškinti optimalų aminorūgščių dozavimą ir jo realų poveikį užkertant kelią regėjimo praradimui (www.sciencedirect.com) (www.sciencedirect.com). Tuo tarpu subalansuotos mitybos su pakankamu baltymų (ir ypač nepakeičiamųjų aminorūgščių) kiekiu palaikymas išlieka pagrįsta bendra rekomendacija pacientams, besirūpinantiems regėjimu ir sveikata.