Митохондрии присутствуют в каждой клетке человека, за исключением зрелых эритроцитов, живут в симбиозе внутри клетки, имеют собственную ДНК, независимо делятся. Они необходимы для жизни клетки, поскольку производят АТФ из продуктов, которые мы едим. Митохондрии имеют гораздо больше функций, которые менее обсуждаются, например, депонирование кальция (Са2+). При хорошем состоянии здоровья продукция активных форм кислорода (АФК) низкая, продукция АТФ высокая, свободного Са2+ в цитозоле (жидкой части клетки) мало, а запасы Са2+ в митохондриях высоки, но находятся под контролем. Различные патологии обеспечивают повышенный приток кальция в цитозоль, который позже транспортируется в митохондриальный матрикс. Когда приток Са2+в митохондрию превышает её вместительную способность, формируется "пора, изменяющая проницаемость мембраны митохондрий", позволяющая токсичным молекулам митохондриального матрикса проникнуть в цитозоль и запустить апоптоз. Это запускает каскад разрушения митохондрий, поскольку соседние митохондрии обязаны поглощать Ca2+.
Когда АФК образуются как побочный продукт дыхания в нормальных условиях, естественный механизм антиоксидантной защиты безопасно удерживает их на низком уровне. Когда происходит большое производство АФК, они атакуют все в клетке, включая белки, ДНК и липиды. Когда АФК атакуют липиды, образуется двойная связь, которую можно легко обнаружить в субпопуляции простагландиноподобных молекул, называемых изопростанами. Изопростаны служат маркером окислительного стресса и митохондриальной дисфункции, поэтому препараты, снижающие АФК, должны снижать содержание изопростана в моче/крови. Плохое функционирование митохондрий может быть причиной многих заболеваний известной и неизвестной этиологии, поскольку они влияют на очень многие клеточные пути.
Динитрофенол относится к классу митохондриальных разобщителей, которые изменяют мембранный потенциал, позволяя протону (катиону водорода) пройти через митохондриальную мембрану. Получившийся в результате этого прохождения протонный градиент используются не для выработки АТФ с помощью расположенного в мембране фермента АТФ-синтазы (реакция окислительного фосфолирования), а для производства тепловой энергии. Таким образом, разобщители снижают окислительное фосфорилирование и производства АТФ в угоду выработке тепла.
Митохондриальное разобщение повторяет натуральный феномен "утечки протона". Протоны, которые могли быть использованы для полезной работы (окислительного фосфорилирования и синтеза АТФ), "утекают" через мембрану и "исчезают" в виде тепла. Фактически, около 25% основной энергии организма теряется в результате этого механизма, и считается, что он замедляет старение за счет снижения производства АФК. DNP является переносчиком протона и способен внедрять протон в митохондриальный матрикс (более вязкую среду, чем цитозоль). После выхода из матрикса отрицательно заряженный DNP получает в кислотной среде цитозоля новый протон, чтобы снова доставить его туда. Окислительное фосфорилирование требует такое возвращение протона через АТФ-синтазу, а обход этого пути зовётся разобщением. Это изменение в протонном градиенте вызывает моментальный упадок потенциала, который ведёт к мгновенной компенсации через усиление процессов, связанных с транспортом электроннов, необходимых для окислительного фосфорилирования. Таким образом, митохондриальные разобщители являются не ингибиторами системы транспорта электронов, а усилителями.
На митохондриях дрозофила было показано, что физиология выработки АФК чувствительна к разобщителям. В другом эксперименте мышам до конца жизни, начиная с 18 недель, вводили с водой DNP в дозе 100мкг/день (эквивалентная доза для человека 0,45 мг/день, примерно в 600 раз ниже обычной суточной дозы при ожирении, составлявшей ~300 мг/день). В результате мыши, получавшие DNP жили дольше, чем мыши, получавшие только воду (плацебо). У этих мышей было значительно меньше циркулирующих триглицеридов, глюкозы и инсулина, а также меньше окисленных белков и ДНК в мозге, печени и мышцах из-за более низкого производства перекиси водорода (H2O2). Возможно, что небольшое митохондриальное разобщение при хроническом режиме может оказать большое влияние на здоровье и даже замедлить старение.
Помимо эффекта, связанного с АФК, DNP изменяя мембранный потенциал митохондрий, также влияет на канал притока Са2+ в митохондрии, «кальциевый унипортер». DNP снижает приток Са2+. Это было продемонстрировано на модели травматическое повреждения мозга. После травмы спустя 3 часа приток кальция вырос с ~800 мкМ до ~1200 мкМ, но с введением днп уровень поддерживался к близко к тому, что был до травматизации. В присутствии DNP уровни АФК и Ca2+ снижались, что приводило к сохранению анатомической ткани мозга в поврежденной области коры и даже к защите когнитивных функций, как было установлено с помощью нового теста распознавания объектов. Это демонстрирует мощные нейропротекторные ранние и немедленные эффекты всего лишь одной дозы DNP просто за счет снижения потенциала митохондриальной мембраны.
В результате того, что протоны обходят путь АТФ-синтазы, остаётся больше доступного аденозиндифосфата - предшественники АТФ, это заставляет митохондрию увеличить утилизацию энергии через усиление метаболизма как глюкозы через гликолиз, так и жиров через β-окисление. Хотя более низкий пул АТФ может быть вредным в краткосрочной перспективе, примечательно, что через 3 дня введения крысам DNP в дозе 16 мг/кг (эквивалентная человеческая доза 150 мг/день) не наблюдалось измеримых изменений во внутрипеченочном содержании АТФ. Разобщение динитрофенолом увеличивает именно окислительный метаболизм, апрегулируя гены COXIV и ANT3, отвечающие за окислительное фосфорилирование. Потребление глюкозы, выработка лактата и пирувата не изменились, что указывает на то, что метаболическая адаптация клеток, подвергающихся хроническому дыхательному разобщению, обеспечивает непрерывное и эффективное производство митохондриального АТФ без необходимости увеличения гликолитической активности. Таким образом, в совокупности вполне возможно, что конечным результатом будет более высокий пул АТФ за счет более эффективного функционирования митохондрий при постоянном введении DNP, чем это могло быть получено ранее без разобщителя.
Аденилатциклаза - фермент, превращающий АТФ в циклический аденозинмонофосфат, посредник для внутриклеточного распространения сигналов некоторых гормонов, не способных проходить через клеточную мембрану. Активация аденилатциклазы частично регулируется изменениями баланса Са2+ и магния. Показано, что DNP запускает выработку цАМФ в нейронах гиппокампа. Известно, что цАМФ активирует и подавляет множество генов. Например, в первичных нейронах гиппокампа крысы, культивированных с DNP, экспрессия 275 генов повышалась, а экспрессия 231 подавлялась, модулировался ряд путей, связанных с передачей сигналов цАМФ, аденилатциклазой и дофамином, которые участвуют в памяти, обучении и росте клеток. Fkhr, Lsamp и Pp2c активировались и непосредственно участвуют в синаптической пластичности. CREB (белок, связывающий элемент ответа цАМФ) и BDNF (нейротрофический фактор головного мозга) активировались в коре головного мозга; оба фактора участвуют в синаптической пластичности и адаптивных клеточных реакциях на стресс. В эксперименте мыш получала DNP в дозировке 0,5, 1, 5 и 10 мг/кг (для человека 2–45 мг/день), а затем в коре измеряли изменения экспрессии BDNF. Интересно, что BDNF вырабатывался примерно в 2,5 раза больше в коре головного мозга при дозе 1 мг/кг, но пик снижался при переходе от 5 до 10 мг/кг, что позволяет предположить, что «чем меньше, тем лучше». BDNF считается очень ценным фактором, имеющим решающее значение как для роста нейронов, так и для восстановления поврежденных нейронов. Интересно, но менее известно, что BDNF также является миокином вне мозга, важным для биологии мышц и силы, а также, по-видимому, обладает антидиабетическими свойствами. Однократной дозы DNP достаточно для немедленных изменений в выработке АФК и перегрузки Ca2+, но, вероятно, потребуется длительное введение, чтобы увидеть установления устойчивого повышения BDNF и других факторов для улучшения долгосрочных когнитивных функций.
DNP использовался примерно 80 лет назад в клинических исследованиях, проведенных в Стэнфордском университете, чтобы определить его преимущества как средства для снижения веса у пациентов с ожирением. DNP входил в состав боеприпасов, и было установлено, что, когда фабричные рабочие или солдаты подвергались пероральному или вдыхаемому воздействию высоких доз DNP, они впоследствии теряли вес. Это первоначальное наблюдение потери веса, связанной с DNP, побудило многих изучить это соединение в качестве средства лечения ожирения. Благодаря огромной привлекательности, в течение года после публикации первого клинического исследования DNP в 1933 году более 100 000 человек уже принимали этот неутвержденный препарат неизвестной чистоты, примесей или токсичности в качестве средства для снижения веса. Оказалось, что многие потребители препарата принимали его без рецепта, без знания дозировки и вообще без мониторинга. Желание похудеть было огромным. Продажи и распространение осуществлялись как врачами, так и предпринимателями без медицинского образования. Клинические исследования установили связь между дозой DNP и скоростью снижения веса. Например, 100 мг DNP в день приводили к потере веса примерно на 1 фунт (0.45кг) в неделю, тогда как более высокие дозы DNP приводили к большей потере веса за неделю. С самого начала была принята странная доктрина увеличения дозировки до тех пор, пока не будет достигнуто ~3 фунта (1.6кг) в неделю (дозировка ~100 мг три раза в день или ~300 мг/день), что рассматривается как «оптимальная» равновесная доза. Токсические явления, такие как сыпь (~7%) и катаракта (0,1–1%), начали появляться при более высоких дозах DNP. Сыпь, по-видимому, исчезала после отмены DNP, однако в большинстве случаев катаракта требовала хирургического вмешательства по замене хрусталика. Другие стремились к еще большей потере веса, и начали возникать случаи смерти. Поскольку DNP ранее использовался в промышленных целях в качестве пигмента (желтого цвета) для тканей, кожи и других целей, он не считался товаром чёрного рынка, поскольку на ранних этапах не существовало законов, регулирующих распространение этой молекулы в 1930-е годы. В 1938 году был принят Закон о пищевых продуктах, лекарствах и косметических средствах, и, наконец, распространение DNP между границами штатов было прекращено, а закупка стала незаконной. К сожалению, стандарты медицинской помощи 1930-х годов не требовали знания механизма действия препарата для предоставления пациентам лекарства, как это было примерно три десятилетия спустя (1961 год), когда нобелевский лауреат доктор Питер Митчелл установил как эта субстанция работает, изменяя окислительное фосфорилирование. Сегодня DNP покупается на черном рынке, но в первую очередь спортсменами, стремящимися "просушиться" и дать мышцам дефиницию непосредственно перед соревнованием. Эти целеустремленные люди стали встретили множества смертей, принимая высокие дозы за короткие промежутки времени, чтобы избавиться от последних кусочков жира. Хотя эти высокие дозы эффективны для уменьшения жировых отложений, они, вероятно, не эффективны для нейропротекции или когнитивных функций из-за полезных эффектов, наблюдаемых при очень низких дозах, которые, вероятно, теряются при высоких дозах. Учитывая этот багаж прошлого и риски, часто спрашивают, почему бы не найти новую молекулу, а не работать с DNP? Основное преимущество начала использования DNP в качестве лекарства для людей заключается в том, что токсичность широко известна и ее можно контролировать. Начало работы с новым химическим разобщителем отбрасывает огромное количество данных о людях (>100 000 человек), поскольку все новые молекулы имеют свои собственные неизвестные токсикологические риски для человека. Дозы, при которых наблюдались различные проявления токсичности, уже частично известны как из исследований на людях, так и на животных. На основе исследований на множестве нейродегенеративных моделей также прогнозируется, что терапевтическое окно для желаемого нейропротекторного эффекта намного ниже тех доз, при которых токсичность возникает впервые. Другое преимущество DNP заключается в том, что он является слабым разобщителем по сравнению с другими разобщителями, поэтому терапевтическое окно намного шире. Сильные разобщители можно использовать в доклинических моделях для демонстрации общих эффектов фармакологии этой уникальной группы, но они не подходят для людей в качестве терапии. С учетом вышесказанного, у DNP есть возможности для совершенствования. Некоторые лекарства модифицируются так, чтобы сначала быть неактивными, а затем становиться активными в кровотоке. Эти «пролекарства» обычно используются для того, чтобы помочь попасть в кровь лекарству, которое плохо всасывается в кишечнике. Это не относится к DNP, поскольку он быстро всасывается. DNP, вероятно, представляет собой молекулу класса I, аналогичную кетамину в том смысле, что для поглощения препарата не требуются транспортеры. Для того чтобы лекарство было полезным для лечения нейродегенеративных заболеваний, важно знать, что оно не только преодолевает гематоэнцефалический барьер (ГЭБ), но и хорошо проникает в ткани в диапазоне доз, предназначенных для достижения эффективности. Поэтому было исследовано распределения тканей. мышам давали перорально дозы 0,5, 1, 5 и 10 мг/кг, а затем через 4 часа определяли концентрации препарата в коре головного мозга по отношению к печени и мышцам. Было установлено, что DNP попадает в кору головного мозга в тех же концентрациях, что и в периферические органы (скелетные мышцы и печень), но в нисходящей концентрации: в печени, затем в мышцах и коре головного мозга соответственно.
DNP имеет плейотропный эффект и потому может иметь применение для широкого спектра нейродегенеративных заболеваний.
DNP показал эффективность при модели болезни Хантингтона у мышей, сохранив спиральные нейроны и объем мозга на уровне нетронутых мышей. Эффективными были дозировки 0.5 и 1 мг/кг, а при 5 мг/кг эффект терялся. 1 мг/кг на мышах эквивалентно 5 мг в день для человека, страдающего болезнью Хантингтона, что примерно в 60 раз меньше часто применяемой дозы от ожирения. DNP также обладает прямыми антиамилоидозными свойствами, предотвращая фибриллогенез бета-амилоидов и дезагрегацию ранее образовавшихся скоплений этого пептида, вовлеченного в патогенез болезни Альцгеймера, предотвращая клеточную смерть. DNP значительно предотвращает потерю дофаминергических нейронов, наблюдаемую при болезни Паркинсона. Рассеянный склероз - аутоиммунное заболевание, при котором повреждается миелиновая оболочка нейронов. На модели рассеянного склероза при введении DNP не наблюдались маркеры повреждения аксонов, но выросли маркер нормальной миелинизации и BDNF. В модели инсульта DNP снизил область инфаркта на ~40%. Одна доза DNP оказала ранний немедленный биофизический эффект, но объем инфаркта мог еще больше уменьшиться, если лечение продолжалось более чем одной дозой, возможно, в течение нескольких дней или недель. DNP может играть роль в континууме: от снижения острого повреждения в качестве нейропротекторного препарата до нейровосстанавливающего препарата как части реабилитации в течение года после инсульта, поскольку оставшиеся схемы мозга пытаются перестроиться и перепрофилироваться в сочетании с подкреплением из устойчивого производства взрослых нейральных стволовых клеток.
DNP, помимо нейродегенеративных заболеваний, может найти применение в терапии инсулинорезистентности, сахарного диабета 2 типа, различных воспалений, депрессии, сердечно-сосудистых заболеваний, давления, неалкогольной жировой болезни печени и рака благодаря модулированию митохондриальной физиологии.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6468406/
Последнее редактирование:
