Протективные свойства ксенона | ANEST-REAN

Протективные свойства ксенона

Экспериментальные исследования нейропротекторных и кардиопротекторных свойств ксенона проведены спустя много лет после первого клинического применения ксенона. Известно, что ксенон является ингибитором NMDA-рецепторов (Franks N.P., 1998), поэтому он может защитить нейрональные культуры клеток от повреждений, вызванных NMDA, глутаматом.
Повреждение головного мозга вследствие ишемического или геморрагического инсульта, остановки сердца или ЧМТ запускают ряд похожих типов патофизиологических реакций. В основе всех подобных повреждений лежит общий механизм эксайтотоксичности, посредством которого NMDA-рецепторы вносят вклад в патогенез нейродегенеративных нарушений. Механизмы, опосредующие повреждение нейронов, являются многофакторными, причем опосредованная NMDA-рецептором эксайтотоксичность является основным фактором.

Экспериментальные исследования свойств ксенона

NMDA-рецептор представляет собой тип проницаемого для катионов ионотропного рецептора, который обеспечивает быструю возбуждающую синаптическую передачу при помощи глутамата — основного возбуждающего нейромедиатора в центральной нервной системе млекопитающих. Физиологическая активность NMDA-рецептора необходима для многих важных неврологических функций, включая синаптическую пластичность, формирование памяти, контроль настроения, мотивацию вознаграждений, степень развития мозга и выживания нейронов.

NMDA-рецепторы также вовлечены в патофизиологию многочисленных неврологических и психиатрических расстройств, таких как ишемический инсульт, черепно-мозговая травма, болезнь Альцгеймера, эпилепсия, расстройства настроения и шизофрения. Сверхактивация NMDA-рецептора в патологических условиях может привести к гибели нейронов в процессе, известном как эксайтотоксичность.

На сегодняшний день открыта роль в реализации молекулярных механизмов нейропротекции ксеноном двупоровых калиевых каналов TREK-1, которые обеспечивают базовый ионный ток, ослабляющий нейрональную возбудимость, в свою очередь тем самым обеспечивая защиту нейронов от повреждения. В научной литературе обсуждается и роль аденозинтрифосфат (АТФ)-чувствительных калиевых каналов плазмалеммы в реализации защитных свойств ксенона. Было показано, что в условиях in vitro в культуре нейронов ксенон защищал их от повреждения, вызванного депривацией глюкозы и кислорода, путем активации АТФ-чувствительных калиевых каналов в плазмалемме.

Ксенон и НМДА-рецептор

Ксенон при черепно-мозговой травме

Исследования на животных, проведенные in vivo

Исследования in vivo показывают, что использование ксенона непосредственно или даже через 1–3 часа после травмы уменьшает объем повреждения и улучшает неврологические показатели у мышей. Увеличение длительности ингаляции до 3 часов кроме уменьшения зоны вторичных повреждений улучшает вестибуломоторную функцию и предотвращает развитие дефицита памяти в позднем периоде ЧМТ. Кроме того, отмечено уменьшение потери белого вещества в контралатеральном мозолистом теле и гибели нейронов в контралатеральном гиппокампе CA1 и зубчатой извилине через 20 месяцев. Показано, что долгосрочные нейропротекторные эффекты ксенона были связаны со значительным снижением нейровоспаления во множественных областях мозга, вовлеченных в ассоциативную память, включая уменьшение реактивного астроглиоза и пролиферации клеток микроглии Таким образом, можно говорить о стойкой нейропротекции, эффекты которой сохранялись даже спустя 20 месяцев после ЧМТ.

Моделирование ЧМТ в условиях in vitro

Экспериментальные модели черепно-мозговой травмы in vitro с использованием повреждения органотипических культур срезов гиппокампа мышей взрывным воздействием воздуха показало, что обработка препаратов 50% ксеноном через 1 час после травмы показывает снижение степени выраженности повреждения до 31– 47%, а максимально выраженные нейропротекторные эффекты проявляются до 72 часов после нанесения травмы. Кроме того, была установлена каспаз-зависимая гибель клеток в модели взрывной травмы.

В модели механического повреждения in vitro мы видим, что в обработанных 50% ксеноном препаратах органотипических культур срезов гиппокампа мышей наблюдается значительно более выраженное выживание клеток, отмечается и уменьшение развития вто- ричного повреждения. Кроме того, показано, что глицин ослабляет действие ксенона на NMDA-рецептор, что говорит о том, что нейропротекторный эффект ксенона опосредован ингибированием в глициновом сайте NMDA-рецептора.

Ксенон при инсульте

Ишемический инсульт возникает в результате тромботической или эмболической блокады мозговых артерий, что приводит к ограничению кровотока в пораженной мозговой ткани с последующим истощением энергии. Это вызывает ряд сложных патофизиологических событий, включая нарушение ионного гомеостаза, накопление синаптического и экстрасинаптического глутамата, нарушение функции ионных каналов, повреждение мембран и ДНК, воспаление и так далее, в конечном итоге приводящих к ишемическому повреждению головного мозга и гибели нейронов.

Во время внутримозгового кровоизлияния происходит накопление крови в паренхиме головного мозга, что приводит к повреждению анатомических структур и повышению местного давления. Первичное повреждение мозговой ткани происходит в течение нескольких минут или часов и является главным образом результатом механического воздействия на ткани, связанного с масс-эффектом. Вторичное повреждение может быть реализовано через множество патологических механизмов. К ним относятся цитотоксичность крови, гиперметаболизм, эксайтотоксичность, окислительный стресс и воспаление.

Нейропротекторный эффект ксенона

Нейропротекторный эффект ксенона при этих состояниях может иметь хорошие перспективы, поскольку согласно современным представлениям, при всех видах ишемического или геморрагического инсульта либо субарахноидального кровоизлияния в конечном итоге наблюдаются общие патогенетические механизмы гибели нейронов.

В модели ишемического инсульта in vivo путем введения аутологичного сгустка крови внутрипросветным методом с последующей ингаляцией ксенона во время ишемии и в постишемическом периоде показаны отчетливые нейропротективные свойства ксенона.

Кроме того, in vitro выявлено, что ксенон может изменять каталитическую эффективность тканевого активатора плазминогена (tPA). В этом исследовании установлено, что ксенон является ингибитором tPA; ксенон, который был использован во время ишемии, дозозависимо ингибирует tPA-индуцированный тромболизис и последующее уменьшение ишемического повреждения головного мозга; ингаляция ксенона после ишемии фактически подавляет ишемическое повреждение головного мозга и tPA-индуцированные кровоизлияния в мозг, а также разрушение гемато-энцефалического барьера. Взятые вместе, эти данные показывают, что ксенон не следует вводить до или в процессе терапии tPA; ксенон, возможно, может быть использован для лечения острого ишемического инсульта, если он применяется после tPA-индуцированной реперфузии.

Воздействие ксеноном после транзиторной ишемии у крыс приводит к уменьшению объема инфаркта мозга в зависимости от концентрации, времени экспозиции и улучшению неврологической функции через 7 суток после ишемического события. Хотя ксенон не улучшал неврологическую оценку через 28 суток после ишемии, однако его сочетание с легкой гипотермией улучшает неврологический исход, а сочетание его ингаляции с гипотермией улучшает исход при внутримозговом кровоизлиянии.

В последнее время появились интересные экспериментальные работы по изучению защитных свойств ксенона при субарахноидальном кровоизлиянии. Особый интерес вызывают данные в исследовании M. Veldeman et al. (2017), полученные на моделях субарахноидального кровоизлияния у крыс. У животных, получавших 50 об.% ксенона в течение 1 часа после субарахноидального кровоизлияния, отмечалось менее выраженное повреждение нейронов ипсилатеральных областей гиппокампа (область CA3) и зубчатой извилины по сравнению с контрольной группой. У животных, получавших ксенон, наблюдалось меньшее количество клеток микроглии, что свидетельствует об иммуномодулирующем эффекте, создаваемом ксеноном.

В работе Y.F. Miao et al. (2018) на модели САК у грызунов проведено интересное исследование по доставке ксенона в очаг повреждения ксенон-содержащими эхогенными липосомами (Xe-ELIP) посредством контролируемого ультразвуком высвобождения. Препарат вводили внутривенно в сочетании с ультразвуковым воздействием на общую сонную артерию, чтобы вызвать высвобождение ксенона из циркулирующих Xe-ELIP. В исследовании показано уменьшение апоптотической гибели нейронов и объема кровотечения. Авторы отмечают улучшение неврологической оцен- ки, уменьшение выраженности моторной дисфункции и снижение летальности в группе, получавшей лечение Xe-ELIP в сравнении с контрольной.

В исследовании Гребенчикова О.А. (2024) было показано, что ингаляция ксенона в концентрации 0,25 МАК при экспозиции 60 мин после моделирования открытой ЧМТ у крыс значимо уменьшает объем поражения головного мозга на 14-е сут посттравматического периода. Данная концентрация уменьшает неврологический дефицит на 7- и 14-е сутки. Увеличение концентрации ксенона в газовой смеси до 0,5 МАК не усиливает его нейропротекторные свойства на головной мозг крыс.

Можно предположить, что в клинической практике нейропротективный эффект ксенона при ЧМТ будет полезен в субанестетических концентрациях (0,25–0,5 МАК). Это позволит не только избежать критических инцидентов в отделениях реанимации, в частности угнетения сознания у пациентов с исходно тяжелой церебральной недостаточностью, но и добиться положительного эффекта при минимальных финансовых затратах, учитывая стоимость ксенона.

Ксенон при остановке сердца

Остановка сердца и последующая легочно-сердечная реанимация представляют собой классический пример ишемически-реперфузионного повреждения головного мозга с последующим развитием каскада реакций эксайтотоксичности, апоптоза и нейровоспаления.

Ранее проведенное исследование показало, что рецепторы N-метил-D-аспартата экспрессируются в миелине олигодендроцитов белого вещества и активируются во время ишемии, а ксенон является антагонистом N-метил-D-аспартатного рецептора и конкурентным ингибитором на сайте коактивации глицина этого рецептора. Объем белого вещества составляет 50% от общего объема мозга у людей и очень уязвим даже для кратковременной ишемии.

Использование ксенона в сочетании с гипотермией показало свою эффективность в модели остановки сердца на свиньях. В исследовании после 10-минутной остановки сердца и 6 минут сердечно-легочной реанимации животным выполняли гипотермию до 33°С и ингаляцию 70% ксенона в течение одного часа. Животные основной и контрольной групп показали значительно меньшее количество некротических поражений в коре головного мозга, хвостатого ядра, путамена и секторах гиппокампа CA1 и CA3/4. Однако только сочетание легкой терапевтической гипотермии и ингаляции ксенона привело к уменьшению астроглиоза в секторе СА1, микроглиоза и периваскулярного воспаления в путамене. Кроме того, только животные с легкой терапевтической гипотермией, получавшие ксенон, с течением времени демонстрировали значительно улучшенные показатели неврологического дефицита.

В исследовании, проведенном R. Laitio et al. (2016), впервые было изучено использование ксенона в сочетании с гипотермией в клинических условиях. У пациентов, перенесших остановку сердца вне больницы, ингаляция ксенона в концентрации 40 об.% в течение 24 часов, которая сочеталась с гипотермией по сравнению с группой, у которой была использована только гипотермия, приводила к меньшему повреждению белого вещества, что измерялось фракционной анизотропией диффузно взвешенной магнитно-резонансной томографии.

Это исследование не было достаточно мощным (110 пациентов), чтобы обнаружить разницу в функциональных конечных точках; 6-месячная летальность составила 27% в группе ксенона и гипотермии и 35% в группе гипотермии — но эта разница в летальности не достигла статистической значимости. Авторы отмечают, что степень повреждения белого вещества головного мозга была самым сильным предиктором 6-месячной летальности. Полученные результаты позволили инициировать большое многоцентровое международное исследование, которое включит 1436 пациентов после внегоспитальной кардиальной остановки сердца (Xenon for Neuroprotection During Post-Cardiac Arrest Syndrome in Comatose Survivors of an Out of Hospital Cardiac Arrest) для оценки эффективности и безопасности 24-часовой ингаляции ксенона в целях снижения летальности и улучшения функционального исхода у пациентов после успешных реанимационных мероприятий, но находящихся в коматозном состоянии.

В недавнем исследовании Кариты Холлмен и соавт. (Нейропротекторный эффект ксенона на структурные изменения серого вещества головного мозга после внебольничной остановки сердца, 2024) было показано, что применение ксенона после остановки сердца сохраняет серое вещество головного мозга лучше, по сравнению с контрольной группой пациентов.

Другие свойства ксенона

Кроме ситуаций острого повреждения нейронов, in vitro показано протекторное действие ксенона в условиях эксайтотоксического стресса низкого уровня.

Свойства ксенонаВ работе J. Lavaur еt al. (2017), в условиях in vitro, имитирующих эксайтотоксический стресс низкого уровня, показано значение нейропротекторных свойств для защиты дофаминовых рецепторов. Культура клеток среднего мозга, содержащая дофаминовые нейроны и астроглиальные клетки 15,5-суточных эмбрионов мышей, обрабатывалась синтетическим аналогом глутамата — L-транс-пирролидин-2,4-дикарбоновой кис- лотой (L-trans-pyrrolidine-2,4-dicarboxylic acid (PDC)). Было установлено, что ксенон защищает дофаминовые рецепторы от дегенерации через антагонизм рецепторам NMDA, предотвращая оксидантный стресс, а нейропротекция дофаминовых нейронов ксеноном является результатом репрессии глиально-зависимого механизма, а также обеспечивает протекцию спонтанной гибели дофаминовых нейронов.
Нейропротекторная способность ксенона показана и при повреждении спинного мозга в работе Y.W. Yang et al. (2018) на модели ишемически-реперфузионного повреждения спинного мозга у кроликов. Установлено, что ксеноновое посткондиционирование с задержкой улучшает неврологическую функцию и ослабляет опосредованную микроглией воспалительную реакцию, а немедленное ксеноновое посткондиционирование усиливает опосредованный микроглией воспалительный ответ.

Перспективы в исследованиях 

В 2022 году проведено пилотное исследование на базах ФНКЦ РР и НИИ СП им. Н.В. Склифосовского: открытое рандомизированное клиническое исследование ингаляционной седации ксеноном в сравнении с внутривенной седацией пропофолом выявило нейропротекторные свойства ингаляционного анестетика ксенона у пациентов с тяжелым течением ишемического инсульта. Ингаляционная седация ксеноном (40 об.%) значимо повышает уровень сознания у пациентов с тяжелым ишемическим инсультом, уменьшает неврологические нарушения, оцененные по шкале NIHSS на 7-е сутки, а также снижает уровень белка S100b на 3-и сутки после ишемического инсульта. Подробнее здесь

Проведено проспективное рандомизированное клиническое исследование влияния ингаляционной седации ксеноном на уровень сознания и спастической активности у пациентов с посткоматозными длительными нарушениями сознания (2022 год). Было показано, что ингаляция ксеноном по предложенной методике позволила благотворно повлиять на уровень сознания пациентов после черепно-мозговой травмы, однако это никак не влияло на конечный уровень спастической активности. Подробнее здесь

И сегодня, в 2024 году, интерес к свойствам ксенона как нейропротектора остается в центре внимания исследователей. Поиск новых механизмов действия может значительно расширить спектр клинического применения ксенона как эффективного средства защиты мозга — как в ситуации острого повреждения, так и в отдаленном периоде.