Нарушение обмена железа как возможный механизм развития нейродегенерации после новой коронавирусной инфекции SARS-CoV-2

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Вовлечение нервной системы в патологический процесс, возникающий при инфицировании COVID-19, становится все более очевидным. Регулярно поднимается вопрос возможности дебюта или прогрессирования уже развившегося синдрома паркинсонизма у пациентов, перенесших COVID-19. Выдвигается большое количество гипотез, объясняющих данную взаимосвязь. Предполагается, что нарушение обмена железа в головном мозге может лежать в основе развития и прогрессирования нейродегенеративных заболеваний, в том числе после перенесенной новой коронавирусной инфекции SARS-CoV-2. Проведен анализ исследований по вопросу возможного влияния нарушения обмена железа на возникновение и механизм развития нейродегенеративных заболеваний после инфицирования SARS-CoV-2. Описаны процессы физиологического поддержания гомеостаза железа, а также влияния физиологического старения на накопление железа в центральной нервной системе. Обсуждается взаимосвязь гиперферритинемии, возникающей при COVID-19, и ферроптоза как основы нейродегенеративного процесса при болезни Паркинсона и болезни Альцгеймера. Описаны основные молекулярные механизмы, участвующие в ферроптозе. Приведены примеры вовлечения нарушения гомеостаза металлов в процесс изменения структуры α-синуклеина, синтеза β-амилоида, гиперфосфорилированного тау-белка. Обсуждаются причины избыточного накопления железа в определенных структурах головного мозга. Проанализирован вопрос возможности использования оценки изменения обмена железа в качестве нового биомаркера прогрессирования болезни Паркинсона (1 рис., библ.: 62 ист.)

Об авторах

Игорь Вячеславович Литвиненко

Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова

Email: litvinenkoiv@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-8988-3011
SPIN-код: 6112-2792
Scopus Author ID: 57202361039
ResearcherId: F-9120-2013

докт. мед. наук, профессор

Россия, Санкт-Петербург

Игорь Вячеславович Красаков

Всероссийский центр экстренной и радиационной медицины имени А.М. Никифорова

Автор, ответственный за переписку.
Email: ikrasakov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6092-0659
SPIN-код: 9891-8300
Scopus Author ID: 26642102200
ResearcherId: I-8865-2016

канд. мед. наук

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Merello M., Bhatia K.P., Obeso J.A. SARS-CoV-2 and the risk of Parkinson’s disease: facts and fantasy // Lancet Neurol. 2021. Vol. 20, No. 2. P. 94–95. doi: 10.1016/S1474-4422(20)30442-7
  2. Зайцев А.А., Чернов С.А., Стец В.В., и др. Алгоритмы ведения пациентов с новой коронавирусной инфекцией COVID-19 в стационаре: Методические рекомендации // Consilium Medicum. 2020. Т. 22, № 11. С. 91–97. doi: 10.26442/20751753.2020.11.200520
  3. Орлов Ю.П., Долгих В.Т., Верещагин Е.И., и др. Есть ли связь обмена железа с течением СOVID-19? // Вестник анестезиологии и реаниматологии. 2020. Т. 17, № 4. С. 6–13. DOI: 0.21292/2078-5658-2020-17-4-6-13
  4. Полушин Ю.С., Шлык И.В., Гаврилова Е.Г., и др. Роль ферритина в оценке тяжести COVID-19 // Вестник анестезиологии и реаниматологии. 2021. Т. 18, № 4. С. 20–28. doi: 10.21292/2078-5658-2021-18-4-20-28
  5. Vargas-Vargas M., Cortés-Rojo C. Ferritin levels and COVID-19 // Rev. Panam. Salud. Publica. 2020. No. 44. Р. 72. doi: 10.26633/RPSP.2020.72
  6. Цветаева Н.В., Левина А.А., Мамукова Ю.И. Основы регуляции обмена железа // Клиническая онкогематология. 2010. № 3. С. 278–283.
  7. Гордиенко А.В., Сахин В.Т., Крюков Е.В., и др. Значение обмена железа, гепцидина и растворимого рецептора трансферрина в патогенезе анемии у пациентов, страдающих злокачественными новообразованиями // Вестник Российской Военно-медицинской академии. 2018. № 3 (63). С. 91–94. doi: 10.17816/brmma12258
  8. Ward R.J., Zucca F.A., Duyn J.H., et al. The role of iron in brain ageing and neurodegenerative disorders // Lancet Neurol. 2014. Vol. 13, No. 10. P. 1045–1060. doi: 10.1016/S1474-4422(14)70117-6
  9. Lee P., Peng H., Gelbart T., Beutler E. The IL-6- and lipopolysaccharide-induced transcription of hepcidin in HFE-, transferrin receptor 2-, and beta 2-microglobulin-deficient hepatocytes // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2004. Vol. 101, No. 25. P. 9263–9265. doi: 10.1073/pnas.0403108101
  10. Urrutia P., Aguirre P., Esparza A., et al. Inflammation alters the expression of DMT1, FPN1 and hepcidin, and it causes iron accumulation in central nervous system cells // J. Neurochem. 2013. Vol. 126, No. 4. P. 541–549. doi: 10.1111/jnc.12244
  11. Farrall A.J., Wardlaw J.M. Blood-brain barrier: ageing and microvascular disease – systematic review and meta-analysis // Neurobiol. Aging. 2009. Vol. 30, No. 3. P. 337–352. doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2007.07.015
  12. Killilea D.W., Wong S.L., Cahaya H.S., et al. Iron accumulation during cellular senescence // Ann. N. Y. Acad. Sci. 2004. No. 1019. P. 365–367. doi: 10.1196/annals.1297.063
  13. Xu J., Jia Z., Knutson M.D., Leeuwenburgh C. Impaired iron status in aging research // Int. J. Mol. Sci. 2012. Vol. 13, No. 2. P. 2368–2386. doi: 10.3390/ijms13022368
  14. Ramos P., Santos A., Pinto N.R., et al. Iron levels in the human brain: a post-mortem study of anatomical region differences and age-related changes // J. Trace. Elem. Med. Biol. 2014. Vol. 28, No. 1. P. 13–17. doi: 10.1016/j.jtemb.2013.08.001
  15. House E., Esiri M., Forster G., et al. Aluminium, iron and copper in human brain tissues donated to the Medical Research Council’s Cognitive Function and Ageing Study // Metallomics. 2012. Vol. 4, No. 1. P. 56–65. doi: 10.1039/c1mt00139f
  16. Bilgic B., Pfefferbaum A., Rohlfing T., et al. MRI estimates of brain iron concentration in normal aging using quantitative susceptibility mapping // Neuroimage. 2012. Vol. 59, No. 3. P. 2625–2635. doi: 10.1016/j.neuroimage.2011.08.077
  17. Zecca L., Bellei C., Costi P., et al. New melanic pigments in the human brain that accumulate in aging and block environmental toxic metals // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008. Vol. 105, No. 45. P. 17567–17572. doi: 10.1073/pnas.0808768105
  18. Block M.L., Zecca L., Hong J.S. Microglia-mediated neurotoxicity: uncovering the molecular mechanisms // Nat. Rev. Neurosci. 2007. Vol. 8, No. 1. P. 57–69. doi: 10.1038/nrn2038
  19. Connor J.R., Menzies S.L., St Martin S.M., Mufson E.J. Cellular distribution of transferrin, ferritin, and iron in normal and aged human brains // J. Neurosci. Res. 1990. Vol. 27, No. 4. P. 595–611. doi: 10.1002/jnr.490270421
  20. Crichton R., Ward R., eds. Metal-Based Neurodegeneration: From Molecular Mechanisms to Therapeutic Strategies. 2nd ed. Chichester, West Sussex, U.K.: John Wiley & Sons Limited; 2014.
  21. Melis J.P., van Steeg H., Luijten M. Oxidative DNA damage and nucleotide excision repair // Antioxid. Redox. Signal. 2013. Vol. 18, No. 18. P. 2409–2419. doi: 10.1089/ars.2012.5036
  22. Kwok J.B. Role of epigenetics in Alzheimer’s and Parkinson’s disease // Epigenomics. 2010. Vol. 2, No. 5. P. 671–682. doi: 10.2217/epi.10.43
  23. Perluigi M., Coccia R., Butterfield D.A. 4-Hydroxy-2-nonenal, a reactive product of lipid peroxidation, and neurodegenerative di seases: a toxic combination illuminated by redox proteomics stu dies // Antioxid. Redox. Signal. 2012. Vol. 17, No. 11. P. 1590–1609. doi: 10.1089/ars.2011.4406
  24. Horowitz M.P., Greenamyre J.T. Mitochondrial iron metabolism and its role in neurodegeneration // J. Alzheimers. Dis. 2010. Vol. 20, No. 2. P. 551–568. doi: 10.3233/JAD-2010-100354
  25. Paris I., Martinez-Alvarado P., Cárdenas S., et al. Dopamine-dependent iron toxicity in cells derived from rat hypothalamus // Chem. Res. Toxicol. 2005. Vol. 18, No. 3. P. 415–419. doi: 10.1021/tx0497144
  26. Di Monte D.A., Schipper H.M., Hetts S., Langston J.W. Iron-mediated bioactivation of 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) in glial cultures // Glia. 1995. Vol. 15, No. 2. P. 203–206. doi: 10.1002/glia.440150213
  27. Yamamoto A., Shin R.W., Hasegawa K., et al. Iron (III) induces aggregation of hyperphosphorylated tau and its reduction to iron (II) reverses the aggregation: implications in the formation of neurofibrillary tangles of Alzheimer’s disease // J. Neurochem. 2002. Vol. 82, No. 5. P. 1137–1147. doi: 10.1046/j.1471-4159.2002.t01-1-01061.x
  28. Ott M., Gogvadze V., Orrenius S., Zhivotovsky B. Mitochondria, oxidative stress and cell death // Apoptosis. 2007. Vol. 12, No. 5. P. 913–922. doi: 10.1007/s10495-007-0756-2
  29. Dixon S.J., Lemberg K.M., Lamprecht M.R., et al. Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death // Cell. 2012. Vol. 149, No. 5. P. 1060–1072. doi: 10.1016/j.cell.2012.03.042
  30. Wu J.R., Tuo Q.Z., Lei P. Ferroptosis, a Recent Defined Form of Critical Cell Death in Neurological Disorders // J. Mol. Neurosci. 2018. Vol. 66, No. 2. P. 197–206. doi: 10.1007/s12031-018-1155-6
  31. Hirsch E.C., Brandel J.P., Galle P., et al. Iron and aluminum increase in the substantia nigra of patients with Parkinson’s disease: an X-ray microanalysis // J. Neurochem. 1991. Vol. 56, No. 2. P. 446–451. doi: 10.1111/j.1471-4159.1991.tb08170.x
  32. Gröger A., Berg D. Does structural neuroimaging reveal a disturbance of iron metabolism in Parkinson’s disease? Implications from MRI and TCS studies // J. Neural. Transm. (Vienna). 2012. Vol. 119, No. 12. P. 1523–1528. doi: 10.1007/s00702-012-0873-0
  33. Kortekaas R., Leenders K.L., van Oostrom J.C., et al. Blood-brain barrier dysfunction in parkinsonian midbrain in vivo // Ann. Neurol. 2005. Vol. 57, No. 2. P. 176–179. doi: 10.1002/ana.20369
  34. Conde J.R., Streit W.J. Microglia in the aging brain // J. Neuropathol. Exp. Neurol. 2006. Vol. 65, No. 3. P. 199–203. doi: 10.1097/01.jnen.0000202887.22082.63
  35. Литвиненко И.В., Красаков И.В., Бисага Г.Н., и др. Современная концепция патогенеза нейродегенеративных заболеваний и стратегия терапии // Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2017. Т. 117, № 6 (2). С. 3–10. doi: 10.17116/jnevro2017117623-10
  36. Faucheux B.A., Nillesse N., Damier P., et al. Expression of lactoferrin receptors is increased in the mesencephalon of patients with Parkinson disease // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1995. Vol. 92, No. 21. P. 9603–9607. doi: 10.1073/pnas.92.21.9603
  37. Salazar J., Mena N., Hunot S., et al. Divalent metal transporter 1 (DMT1) contributes to neurodegeneration in animal models of Parkinson’s disease // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008. Vol. 105, No. 47. P. 18578–18583. doi: 10.1073/pnas.0804373105
  38. Mastroberardino P.G., Hoffman E.K., Horowitz M.P., et al. A novel transferrin/TfR2-mediated mitochondrial iron transport system is disrupted in Parkinson’s disease // Neurobiol. Dis. 2009. Vol. 34, No. 3. P. 417–431. doi: 10.1016/j.nbd.2009.02.009
  39. Guerreiro R.J., Bras J.M., Santana I., et al. Association of HFE common mutations with Parkinson’s disease, Alzheimer’s disease and mild cognitive impairment in a Portuguese cohort // BMC Neurol. 2006. No. 6, P. 24. doi: 10.1186/1471-2377-6-24
  40. Uversky V.N., Li J., Fink A.L. Metal-triggered structural transformations, aggregation, and fibrillation of human alpha-synuclein. A possible molecular NK between Parkinson’s disease and heavy metal exposure // J. Biol. Chem. 2001. Vol. 276, No. 47. P. 44284–44296. doi: 10.1074/jbc.M105343200
  41. Connor J.R., Snyder B.S., Arosio P., et al. A quantitative analysis of isoferritins in select regions of aged, parkinsonian, and Alzheimer’s diseased brains // J. Neurochem. 1995. Vol. 65, No. 2. P. 717–724. doi: 10.1046/j.1471-4159.1995.65020717.x
  42. Castellani R.J., Siedlak S.L., Perry G., Smith M.A. Sequestration of iron by Lewy bodies in Parkinson’s disease // Acta Neuropathol. 2000. Vol. 100, No. 2. P. 111–114. doi: 10.1007/s004010050001
  43. Faucheux B.A., Martin M.E., Beaumont C., et al. Lack of up-regulation of ferritin is associated with sustained iron regulatory protein-1 binding activity in the substantia nigra of patients with Parkinson’s disease // J. Neurochem. 2002. Vol. 83, No. 2. P. 320–330. doi: 10.1046/j.1471-4159.2002.01118.x
  44. Faucheux B.A., Martin M.E., Beaumont C., et al. Neuromelanin associated redox-active iron is increased in the substantia nigra of patients with Parkinson’s disease // J. Neurochem. 2003. Vol. 86, No. 5. P. 1142–1148. doi: 10.1046/j.1471-4159.2003.01923.x
  45. Langston J.W., Forno L.S., Tetrud J., et al. Evidence of active nerve cell degeneration in the substantia nigra of humans years after 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine exposure // Ann. Neurol. 1999. Vol. 46, No. 4. P. 598–605. doi: 10.1002/1531-8249(199910)46:4<598:: aid-ana7>3.0.co;2-f
  46. Zhang W., Phillips K., Wielgus A.R., et al. Neuromelanin activates microglia and induces degeneration of dopaminergic neurons: implications for progression of Parkinson’s disease // Neurotox. Res. 2011. Vol. 19, No. 1. P. 63–72. doi: 10.1007/s12640-009-9140-z
  47. Lewis M.M., Du G., Kidacki M., et al. Higher iron in the red nucleus marks Parkinson’s dyskinesia // Neurobiol. Aging. 2013. Vol. 34, No. 5. P. 1497–1503. doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2012.10.025
  48. Yu X., Du T., Song N., et al. Decreased iron levels in the temporal cortex in postmortem human brains with Parkinson disease // Neurology. 2013. Vol. 80, No. 5. P. 492–495. doi: 10.1212/WNL.0b013e31827f0ebb
  49. Olivieri S., Conti A., Iannaccone S., et al. Ceruloplasmin oxidation, a feature of Parkinson’s disease CSF, inhibits ferroxidase activity and promotes cellular iron retention // J. Neurosci. 2011. Vol. 31, No. 50. P. 18568–18577. doi: 10.1523/JNEUROSCI.3768-11.2011
  50. Boll M.C., Sotelo J., Otero E., et al. Reduced ferroxidase activity in the cerebrospinal fluid from patients with Parkinson’s disease // Neurosci. Lett. 1999. Vol. 265, No. 3. P. 155–158. doi: 10.1016/s0304-3940(99)00221-9
  51. Hochstrasser H., Bauer P., Walter U., et al. Ceruloplasmin gene variations and substantia nigra hyperechogenicity in Parkinson disease // Neurology. 2004. Vol. 63, No. 10. P. 1912–1917. doi: 10.1212/01.wnl.0000144276.29988.c3
  52. Song N., Wang J., Jiang H., Xie J. Ferroportin 1 but not hephaestin contributes to iron accumulation in a cell model of Parkinson’s disease // Free Radic. Biol. Med. 2010. Vol. 48, No. 2. P. 332–341. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2009.11.004
  53. Miyake Y., Tanaka K., Fukushima W., et al. Dietary intake of metals and risk of Parkinson’s disease: a case-control study in Japan // J. Neurol. Sci. 2011. Vol. 306, No. 1–2. P. 98–102. doi: 10.1016/j.jns.2011.03.035
  54. Levenson C.W., Cutler R.G., Ladenheim B., et al. Role of dietary iron restriction in a mouse model of Parkinson’s disease // Exp. Neurol. 2004. Vol. 190, No. 2. P. 506–514. doi: 10.1016/j.expneurol.2004.08.014
  55. Maass F., Michalke B., Willkommen D., et al. Cerebrospinal Fluid Iron-Ferritin Ratio as a Potential Progression Marker for Parkinson’s Disease // Mov. Disord. 2021. Online ahead of print. doi: 10.1002/mds.28790
  56. Roberts B.R., Ryan T.M., Bush A.I., et al. The role of metallobiology and amyloid-β peptides in Alzheimer’s disease // J. Neurochem. 2012. No. 120, Suppl. 1. P. 149–166. doi: 10.1111/j.1471-4159.2011.07500.x
  57. Sayre L.M., Perry G., Harris P.L., et al. In situ oxidative catalysis by neurofibrillary tangles and senile plaques in Alzheimer’s disease: a central role for bound transition metals // J. Neurochem. 2000. Vol. 74, No. 1. P. 270–279. doi: 10.1046/j.1471-4159.2000.0740270.x
  58. Perry G., Nunomura A., Hirai K., et al. Is oxidative damage the fundamental pathogenic mechanism of Alzheimer’s and other neurodegenerative diseases? // Free Radic. Biol. Med. 2002. Vol. 33, No. 11. P. 1475–1479. doi: 10.1016/s0891-5849(02)01113-9
  59. Altamura S., Muckenthaler M.U. Iron toxicity in diseases of aging: Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease and atherosclerosis // J. Alzheimers. Dis. 2009. Vol. 16, No. 4. P. 879–895. doi: 10.3233/JAD-2009-1010
  60. Guillemot J., Canuel M., Essalmani R., et al. Implication of the proprotein convertases in iron homeostasis: proprotein convertase 7 sheds human transferrin receptor 1 and furin activates hepcidin // Hepatology. 2013. Vol. 57, No. 6. P. 2514–2524. doi: 10.1002/hep.26297
  61. Rogers J.T., Randall J.D., Cahill C.M., et al. An iron-responsive element type II in the 5’-untranslated region of the Alzheimer’s amyloid precursor protein transcript // J. Biol. Chem. 2002. Vol. 277, No. 47. P. 45518–45528. doi: 10.1074/jbc.M207435200
  62. Lei P., Ayton S., Finkelstein D.I., et al. Tau deficiency induces parkinsonism with dementia by impairing APP-mediated iron export // Nat. Med. 2012. Vol. 18, No. 2. P. 291–295. doi: 10.1038/nm.2613

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Основные молекулярные механизмы, участвующие в ферроптозе (адаптировано из [29]). CP — церулоплазмин; Tf — трансферрин; TfR — трансферриновый рецептор; DМТ-1 — транспортер двухвалентных металлов; ROS — актив- ные формы кислорода

Скачать (37KB)
Метаданные

© Литвиненко И.В., Красаков И.В., 2021

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».