Эндоканнабиноидная система: структура и потенциальные возможности в регуляции массы тела. Вступление. Часть 1.
Среди метаболических заболеваний в индустриально развитых странах ожирение по частоте встречаемости занимает лидирующую позицию. Распространенность ожирения, сопоставимая с эпидемией, а также социальная значимость сопутствующих ожирению заболеваний, прежде всего, патологии сердечно-сосудистой системы, явились причиной инициации широкомасштабных исследований, направленных на тщательное изучение патогенеза заболевания и поиск новых эффективных лекарственных препаратов.
В настоящее время в процессе доклинических и клинических испытаний проводится оценка эффективности и безопасности ингибиторов повторного захвата серотонина и нордреналина, агонистов лептина, ингибиторов гастро-интестинальной липазы, антагонистов нейропептида Y, агонистов адипонектина и т.д. На сегодняшний день свыше 100 молекул биологически активных веществ, принимающих участие в регуляции энергетического обмена, расцениваются исследователями как потенциальные мишени для терапевтического воздействия. Принципиально новым и перспективным направлением явилось изучение эндоканнабиноидной системы - ее структуры, рецепторов, экзогенных и эндогенных лигандов. Результаты этих исследований, в частности, легли в основу успешной разработки римонабанта – антагониста каннабиноидных рецепторов 1 типа, получившего в 2006 году одобрение Управления по контролю за пищевыми продуктами и лекарственными средствами США (Food and Drug Administration) для использования в качестве фармакотерапии ожирения и профилактики сердечно-сосудистой патологии. Основными представителями семейства эндогенных каннабиноидов являются производные арахидоновой кислоты – анандамид и 2-арахидонилглицерин. Эндоканнабиноиды взаимодействуют с располагающимися на мембране клеток рецепторами, которые также активируются под влиянием ∆9- тетрагидроканнабинола (∆9 – tetrahydrocannabinol, THC) – важнейшего компонента марихуаны. В США и Европе на сегодняшний день марихуана и другие дериваты конопли являются самыми распространенными нелегально используемыми наркотиками, представляющими собой экстракты растения Cannabis Sativa (Конопля посевная). В целом в состав марихуаны входит порядка 400 компонентов, 60 из которых относится к классу каннабиноидов.
Каннабис – род растений, относящихся к семейству коноплевых (Cannabaceae), включающих такие виды, как конопля посевная, либо полезная (Cannabis sativa), конопля индийская (Cannabis indica), конопля сорная (Cannabis ruderalis). С древних времен конопля культивировалась во многих европейских странах преимущественно с целью изготовления из волокон растения тканей, веревок, корабельных канатов. Технология подобной переработки конопляных волокон в Китае была известна уже 5000 лет назад. В некоторых арабских, африканских странах и Индии в основном использовалась переработка цветов конопли, содержащих ТНС. Пристальное внимание европейских медиков к психоактивным эффектам конопли появилось после возвращения войск Наполеона из Египта, где она традиционно использовалась в качестве наркотика. Курение марихуаны сопровождалось развитием эйфории, в ряде случаев – паническими реакциями, агрессией и тяжелой интоксикацией. В Китае как наркотическое вещество конопля никогда не пользовалась особой популярностью, поскольку господствующие в течение многих столетий идеи конфуцианства способствовали формированию пуританского образа жизни, в то время как марихуана могла нарушить «равновесие», «спокойствие» мозга и привести к «явлению дьявола». В то же время необходимо отметить, что еще в XVIII веке британские медики описывали и использовали в клинической практике анальгетические, спазмолитические и орексигенные эффекты марихуаны. Запрет на использование марихуаны, установленный в 1928 г. в США, а в последующем – в большинстве европейский стран, не ослабил научного интереса к изучению психотропных эффектов конопли; более того, широкая распространенность наркомании в определенной мере явилась побудительным стимулом к тщательному изучению нейрохимии эмоций. Несмотря на усилия многочисленных исследователей, идентификация активных компонентов конопли была чрезвычайно затруднена, она состоялась значительно позднее определения химической структуры, таких наркотических веществ растительного происхождения, как морфин, никотин, атропин, кокаин. Причина столь долгих поисков была вполне объективна: крайняя вариабельность индивидуальных ощущений при курении марихуаны и нестабильность используемых растительных экстрактов при воспроизведении экспериментов.
Наконец, в 1964 году удалось изолировать ∆9-тетрагидроканнабинол, в сжатые сроки были подробно изучены его психотропные эффекты. В эксперименте у человека применение ТНС вызывало эйфорию, состояние внутреннего благополучия и комфорта, изменение сенсорной чувствительности и когнитивных функций, нарушение ориентации во времени, оказывало обезболивающий и противорвотный эффект, а также способствовало повышению аппетита. Кроме того, ТНС оказывал заметное влияние на легкие (альвеолярная дилятация), сердце (тахикардия), сосуды (вазодилятация) и иммунную систему (подавление функции). У животных, помимо анальгезии, наблюдались гипотермия, каталепсия, нарушение координации – «каннабиноидная тетрада».
К 1986 году было синтезировано около 300 каннабиноидных аналогов ТСН, однако механизм их действия оставался неизвестным. Разработка мощного каннабиноида CP55940, оснащенного радиоактивной меткой, впервые позволило W. A. Devane в 1988 г. определить селективные и специфические места связывания препарата в головном мозге. Идентификация и клонирование соответствующих рецепторов, широко представленных в центральной нервной системе и названных каннабиноидными (КБ1), последовали двумя годами позже. Существование еще одного типа каннабиноидных рецепторов – КБ2 - было определено в 1993 г.. Наличие рецепторов к экзогенным каннабиноидам у млекопитающих свидетельствовало о существовании природных, эндогенных лигандов. Первый эндогенный каннабиноид был открыт в 1992 г.. К удивлению исследователей, по структуре он оказался не белком, как исходно предполагалось по аналогии с историей изучения морфина и энкефалинов, а липидом, и представлял собой амид арахидоновой кислоты и этаноламида. Первый эндоканнабиноид получил название анандамид (в переводе с Санскрита «ananda» – внутреннее блаженство). Второй природный лиганд каннабиноидных рецепторов, 2-арахидонилглицерин, был открыт через 3 года. Первые научные исследования по изучению антагониста каннабиноидных рецепторов римонабанта начинаются в 1993 году. Таким образом, открытие каннабиноидной системы состоялось благодаря интеграции результатов научных исследований в области молекулярной биологии, химии, структурной биологии, фармакологии, биохимии и нейрофизиологии.
Структура и основные биологические эффекты эндоканнабиноидной системы:
Сформировавшаяся на ранних этапах эволюции, эндоканнабиноидная система представляет собой универсальную сигнальную структуру, обеспечивающую контроль множества физиологических функций организма, включая регуляцию нервной и иммунной систем, энергетического обмена и репродукции, роста и дифференциации клеток. Основными составляющими эндоканнабиноидной системы являются каннабиноидные рецепторы КБ1 и КБ2, эндогенные каннабиноиды и ферменты, участвующие в процессе их биосинтеза и деградации. Все звенья системы присутствуют не только у человека и высокоорганизо-
ванных представителей царства животных, но и у самых примитивных организмов, населявших планету еще 700 млн. лет назад: моллюсков – Mytilus edulis, улиток – Aplisia californica, гидр – Hydra vulgaris, морских ежей – Paracentrotus lividus и т.д..
Рецепторы КБ1 локализованы в головном и спинном мозге, периферической нервной системе, а также многих других органах и тканях. В головном мозге концентрация рецепторов КБ1 выше, чем каких-либо иных рецепторов, участвующих в процессах нейромодуляции; основными местами сосредоточения являются кора, гиппокамп, базальные ганглии, подушка, прилежащие ядра (n. accumbens), мозжечок, миндалина, гипоталамус. Указанные отделы головного мозга ответственны за когнитивные функции, эмоции, двигательные реакции, обработку сенсорной информации, память и гомеостаз. В минимальных количествах рецепторы КБ1 находятся и в стволе головного мозга, однако они практически отсутствуют в дыхательных центрах, что объясняет крайне низкую частоту летальных исходов при передозировке марихуаны. Помимо нервной системы, КБ1 рецепторы обнаружены в сердце, легких, эндотелии, желудочно-кишечном тракте, простате, а также в костном мозге, миндалинах, селезенке и вилочковой железе. Этот вид рецепторов присутствует во всех органах эндокринной системы: гипоталамусе, гипофизе, щитовидной железе, надпочечниках, поджелудочной железе, гонадах; кроме того, отмечена высокая экспрессия рецепторов КБ1 в жировой ткани. Последовательность аминокислот КБ-1 рецепторов у человека, крыс и мышей идентична на 97–99%. Рецепторы КБ2 сосредоточены преимущественно в органах и тканях, обеспечивающих иммунную реакцию – в селезенке и ее макрофагах/моноцитах, вилочковой железе, миндалинах, костном мозге, лейкоцитах крови. Убедительных сведений о возможной локализации рецепторов КБ2 в нервной ткани на сегодняшний день не получено, тем не менее, их наличие установлено в микроглии головного мозга. Предположительно, помимо двух клонированных к настоящему времени типов, существуют и другие каннабиноидные рецепторы, структура которых пока не расшифрована – «ни КБ1, ни КБ2», или «КБ3». Так например, клетки мозга мышей с нокаутированным геном рецептора КБ1 продолжают реагировать, хотя и в меньшей степени, на введение каннабиноидного агониста WIN55212-2. Кроме того, у этих животных сохраняется характерная дилятация мезентериальных сосудов, индуцированная анандамидом. Эндоканнабиноиды образуются внутри нейронов и в ряде других клеток из мембранных фосфолипидов с участием фосфодиэстераз. Процесс образования новых молекул происходит при деполяризации мембраны и последующего увеличения уровня внутриклеточного Ca2+. С учетом высокой липофильности, эндоканнабиноиды не накапливаются в везикулах и после синтеза быстро высвобождаются в межклеточное пространство. Как правило, эндоканнабиноиды отдаляются от места синтеза на крайне небольшие расстояния – не более 1ηм. После связывания с рецепторами активируется система вторичных мессенджеров; проведение сигналов осуществляется либо путем снижения активности аденилатциклазы и (применительно к КБ1 рецепторам) блокадой кальциевых каналов, либо стимуляции калиевых каналов. Среди эндоканнабиноидов, к числу которых относятся анандамид, 2-арахидонилглицерин (2-АГ), эфир ноладина, O-арахидонил-этаноламин (виродгамин), N-арахидонил-дофамин и олеамид, важнейшими и на- иболее изученными на сегодняшний день являются анандамид и 2-арахидонилглицерин. Несмотря на схожесть структуры и основного спектра биологических эффектов, процессы метаболизма главных эндоканнабиоидов имеют существенные отличия. Анандамид образуется вследствие гидролиза его предшественника N-фосфатидилэтаноламина под воздействием фосфолипазы D. Расщепление анандамида до арахидоновой кислоты и этаноламида осуществляется с помощью гидролазы амидов жирных кислот (ГАЖК) – микросомального фермента, определяемого в постсинаптических нейронах и ряде других клеток. У мышей с нокаутированным геном ГАЖК определяется повышенный уровень анандамида и гиперчувствительность к его биологическому действию. Синтез 2-арахидонилглицерина происходит путем расщепления инозитол-1,2-диацилглицерина, катализатором является фосфолипаза С. Деградация 2-АГ происходит при участии моноацилгицерин-липазы, локализованной в пресинаптических терминалях. Анандамид является природным лигандом для КБ1 рецепторов, 2-АГ активирует оба типа каннабиноидных рецепторов.
Большой интерес у исследователей вызывает возможность функциональной взаимосвязи КБ1 рецепторов и рецепторов 5-гидрокситриптамина, дофамина, орексинов, а также взаимодействия анандамида с ваниллоидными рецепторами, располагающимися в ряде ноцицептивных нейронов. Необходимо отметить, что в целом эндоканнабиноидная система проявляет свои модулирующие эффекты лишь в тех органах и в тот момент, когда она востребована. Это определяет существенную разницу между эндоканнабиноидами и результатами экспериментальных работ с использованием экзогенных агонистов каннабиноидных рецепторов, не обладающих должной мобильностью и селективностью.
В реализации эффектов эндоканнабиноидов задействованы различные механизмы. В центральной нервной системе эндоканнабиноиды выступают в качестве нейротрансмиттеров и нейромодуляторов. Классические нейротрансмиттеры под воздействием нейронального импульса высвобождаются из везикул пресинаптических терминалей, диффундируют через синаптическую щель и взаимодействуют с расположенными на постсинаптических нейронах рецепторами. В отличие от них эндоканнабиноиды тотчас после синтеза высвобождаются из постсинаптических нейронов и направляются к пресинапическим терминалям, где локализованы КБ1 рецепторы (ретроградная сигнализация). Основное влияние заключается в подавлении продукции таких нейротрасмиттеров, как глютамат и гамма-аминомасляная кистота (ГАМК). Эндоканнабиноиды могут потенцировать аутокринные сигналы медиаторов, ингибирующие активность клеток нервной системы, как, в частности, было показано на примере ГАМК-эргических нейронов коры головного мозга. Эндоканнабиноиды способны оказывать пара- и аутокринное действие (без вовлечения синаптической трансмиссии). Такой эффект отмечается преимущественно в клетках глии, адипоцитах и печени. Поскольку эндоканабиноиды наряду с КБ1 рецепторами могут располагаться и внутриклеточно, нельзя исключить возможность существования соответствующих внутриклеточных сигналов.
Регуляция энергетического баланса:
Постоянство массы тела у здорового человека поддерживается благодаря взаимодействию множества центральных и периферических механизмов. Стимулирующее действие марихуаны на аппетит было известно с древнейших времен. С учетом того, что приоритетом первоначальных научных разработок являлось изучение головного мозга, предполагалось, что каннабиноиды обладают исключительно центральным действием на регуляцию массы тела. В исследовании D. Cota и соавт. (2003) убедительно показано, что эндоканнабиноидная система оказывает влияние на энергообмен как с помощью центральных орексигенных эффектов, так и путем периферической регуляции липогенеза.
Как установлено в настоящее время, эндогенные каннабиноиды регулируют энергетический баланс в организме на ключевых функциональных уровнях, в которых задействованы:
1) Лимбическая система (гедонистический эффект пищи), 2) Гипоталамус (интегративные функции) 3) Желудочно-кишечный тракт, 4) Жировая ткань.