Układ glutaminergiczny jest jednym z głównych systemów przekaźnictwa nerwowego o właściwościach pobudzających. Odgrywa istotną rolę zarówno w regulacji osi stresu, jak i w procesach neuroplastyczności mózgu. Ścisła regulacja aktywności glutaminergicznej jest niezbędna dla zachowania homeostazy mózgu. Neurony układu glutaminergicznego stanowią najliczniejszą grupę w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN), a neuroprzekaźnikiem jest glutaminian. Glutaminian bierze udział w szybkiej transmisji synaptycznej i w tworzeniu neuroplastyczności. Odgrywa także istotną rolę w fizjologicznych procesach uczenia się i tworzenia śladów pamięciowych, głównie w mechanizmie długotrwałego wzmocnienia synaptycznego (ang. long-term potentiation, LTP).
1. Budowa układu glutaminergicznego
Układ glutaminergiczny obejmuje głównie korę mózgu. Znajdują się w niej skupiska glutaminergicznych komórek piramidowych. Ich aksony tworzą ogromną ilość połączeń zstępujących do niższych pięter mózgu. Dzięki temu kwas glutaminowy występuje w OUN w stężeniu dużo wyższym niż inne neuroprzekaźniki. [2]
2. Działanie układu glutaminergicznego
W odpowiedzi na depolaryzację neuronu dochodzi do uwolnienia glutaminianu z zakończeń presynaptycznych, a następnie do jego łączenia się z receptorami. Projekcje glutaminergiczne obejmują wiele struktur mózgowych. Wśród nich wyróżnia się szlaki eferentne biegnące z kory do wzgórza oraz jądra półleżącego przegrody i jądra migdałowatego. W procesie tym biorą udział głównie receptory NMDA, które cechują się łatwą przepuszczalnością dla jonów wapnia. Szczególne znaczenie mają projekcje z kory przedczołowej do jąder podstawy i hipokampa. [1]
Glutaminian nie przekracza bariery krew-mózg (BBB), dlatego jest on wytwarzany głównie w OUN przez komórki glejowe. Jego największe ilości powstają w cyklu Krebsa przy udziale zredukowanej formy fosforanu dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NADPH + H+) i jonów amonowych. Substratem dla glutaminianu w tej reakcji jest alfa-ketoglutaran. Proces katalizuje enzym dehydrogenaza glutaminianowa. Glutaminian powstaje również w reakcji transaminacji. Polega on na przeniesieniu grupy aminowej z dowolnego L-aminokwasu na alfa-ketoglutaran w obecności enzymu aminotransferazy glutaminianowej. Trzecim sposobem jest hydroliza glutaminy. Proces ten zachodzi pod wpływem działania glutaminazy przy współudziale cynku. [16,37]
Wchłanianie zwrotne glutaminianu ze szczeliny synaptycznej zachodzi przy współudziale specyficznych białek transportowych EAAT (ang. excitatory amino acid transporter). Białka te zlokalizowane są głównie w astrogleju i w mikrogleju. Zaburzenia ich aktywności prowadzą do akumulacji kwasu glutaminowego w przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Nadmiar glutaminianu działa toksycznie na tkankę nerwową. [15]
3. Receptory glutaminergiczne jonotropowe
Receptory glutaminergiczne jonotropowe (iGluR) działają poprzez kanały kationowe bramkowane napięciem. Pełnią funkcje kanałów jonowych dla jonów wapnia i sodu. Wyróżnia się trzy podklasy receptorów jonotropowych dla glutaminianu:
- receptory N-metylo-D-asparaginowe (ang. N-methyl-D-aspartate, NMDA)
- receptory kwasu alfa-amino-3-hydroksy-5-metylo-4-izoksazolopropionowego (ang. α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionate, AMPA)
- receptory kainowe (ang. kainic acid receptors, KARs) [16,17]
3.1. Receptory NMDA
Receptory NMDA zbudowane są z podjednostek NR1, NR2 i NR3. Podjednostki receptorów zawierają miejsca aktywne wiążące glicynę i serynę. [3,4] Największa ilość receptorów NMDA znajduje się w korze mózgowej, w hipokampie, w prążkowiu, w przegrodzie i w jądrach migdałowatych. [6] Receptory te odgrywają istotną rolę w procesie neuroprzekaźnictwa i rozwoju synaps. Przewodzą jony wapnia i sodu do wnętrza komórki oraz wyprowadzają kationy potasu na zewnątrz. Aktywacja receptora zachodzi pod wpływem depolaryzacji błony komórkowej i odłączeniu jonów magnezu. Przyłączanie glutaminianu zachodzi w obecności glicyny lub seryny. Nadmierna stymulacja receptorów NMDA prowadzi natomiast do niekontrolowanego napływu jonów wapnia do komórki, a w konsekwencji do uszkodzeń i śmierci neuronów. Zjawisko to określa się mianem ekscytotoksyczności (toksyczności z pobudzenia). [3,4]
3.2. Receptory AMPA
Receptory AMPA to receptory najczęściej występujące w ośrodkowym układzie nerwowym. Są rozmieszczone równomiernie w całym mózgu, a ich największe zagęszczenie stwierdzono w korze mózgowej, hipokampie i prążkowiu. [7] Zbudowane są z czterech podjednostek (GluR1, GluR2, GluR3 oraz GluR4) tworzących tetramery i połączonych ze sobą w różnych konfiguracjach. Pod wpływem wiązania ligandów receptory te stają się przepuszczalne dla jonów sodu, potasu i wapnia. Receptory AMPA biorą udział w szybkim przekaźnictwie synaptycznym. Odgrywają również ważną rolę w procesach LTP. Zapewniają stały poziom depolaryzacji błony konieczny do odblokowania receptorów NMDA. Napływ jonów wapnia przez receptor NMDA uruchamia postsynaptyczny receptor AMPA i nasila przekaźnictwo synaptyczne. [3,5]
3.3. Receptory kainowe
Receptory kainowe to receptory glutaminergiczne o właściwościach pobudzjących. Położone są postsynaptycznie w korze obręczy, jądrze ogoniastym, wzgórzu i podwzgórzu oraz presynaptycznie w rejonie CA3 hipokampa. Zbudowane są z podjednostek GluR5, GluR6, GluR7 oraz KA1 i KA2. Aktywacja receptorów kainowe prowadzi do długotrwałej depolaryzacji neuronów i napływu jonów wapnia do wnętrza komórek. Receptory kainowe kontrolują działanie kanałów jonowych przepuszczających jony sodu i potasu. Uczestniczą także w procesach integracji synaptycznej, plastyczności synaptycznej i uwalniania neuroprzekaźników. [3,8]
4. Receptory glutaminergiczne metabotropowe
Receptory metabotropowe (mGluR) to grupa receptorów umiejscowionych w błonie komórkowej i odpowiedzialna za regulację działania kanałów jonowych. Pojedynczy receptor metabotropowy składa się z jednego polipeptydu i dwóch głównych domen: zewnątrzkomórkowej i wewnątrzkomórkowej. Receptory metabotropowe są sprzężone z wewnątrzkomórkowymi białkami wychwytu GTP. Są aktywowane obecnością wtórnych przekaźników. Związanie neuroprzekaźnika powoduje uruchomienie kaskady sygnałów wewnątrz komórki, które oddziałują z kanałami jonowymi znajdującymi się w ich sąsiedztwie. [9,10] Receptory metabotropowe dzieli się na trzy podstawowe grupy:
- receptory mGluR I
- receptory mGluR II
- receptory mGluR III [14]
4.1. Receptory mGluR I
Do receptorów mGluR I zalicza się receptory mGluR1 i mGluR5. Pobudzają one fosfolipazę C i aktywują syntezę inozytolu-1,4,5-trifosforanu (IP3) i diacyloglicerolu (DAG). Cząsteczki IP3 biorą udział w uwalnianiu jonów wapnia, natomiast DAG aktywuje kinazę białkową C. Receptory grupy I są czynnikiem rozwoju neurotoksyczności wywołanej nadmiernym stężeniem glutaminianu w OUN. [11,12]
4.2. Receptory mGluR II i mGluR III
Do receptorów mGluR II należą receptory mGluR2 i mGluR3. Natomiast wśród receptorów mGluR III wymienia się receptory mGluR4,mGluR6, mGluR7 i mGluR8. Hamują one aktywację cyklazy adenylanowej oraz działają modulująco na wiązanie białek G. Pośrednio biorą również udział w oczyszczaniu kanałów jonowych. Ograniczają uwalnianie kwasu L-glutaminowego i hamują cytotoksyczność wywołaną jego nadmiernym stężeniem. Odpowiedni poziom receptorów glutaminergicznych metabotropowych zapewnia homeostazę całego układu. [13]
5. Funkcje glutaminianu
W warunkach fizjologicznych glutaminian reguluje proliferację, migrację i różnicowanie się niedojrzałych neuronów oraz innych komórek prekursorowych OUN w rozwijającym się mózgu. [16] Odgrywa także kluczową rolę w neurogenezie i synaptogenezie, bierze udział w modulacji wzrostu wypustek nerwowych i kontroluje przeżycie neuronów. [17] Presynaptyczne hamowanie uwalniania glutaminianu może być skuteczne w ochronie mózgu przed ekscytotoksycznością. Z drugiej strony, upośledzone wyładowania neuronalne mogą skutkować objawami neurologicznymi. [16]
6. Rola układu glutaminergicznego w patomechanizmie wybranych schorzeń
6.1. Zaburzenia obsesyjno-kompulsyjne
Model neurobiologiczny zaburzeń obsesyjno-kompulsyjnych zakłada, że przyczyną objawów jest toksyczne działanie nadaktywnego układu glutaminergicznego. W efekcie dochodzi do zaburzeń w połączeniach sieci korowo-prążkowiowej, zwłaszcza pętli korowo-prążkowiowo-wzgórzowo-korowej (CSTC). Jest ona odpowiedzialna za regulowanie emocji, a także kontrolę zachowań. Wyróżnia się dwa kierunki projekcji układu glutaminergicznego: pośredni i bezpośredni. [3]
Projekcja pośrednia zachodzi w kierunku od kory do prążkowia. Następnie biegnie do zewnętrznego obszaru gałki bladej i poprzez jądro niskowzgórzowe, by wrócić do części siatkowatej istoty czarnej. Tam impulsy przełączane są do szlaku prowadzącego do wzgórza i wracają do kory. Projekcja bezpośrednia przebiega natomiast od wewnętrznej części gałki bladej i części siatkowatej istoty czarnej, by następnie trafić do wzgórza i z powrotem do kory. Zbyt duże stężenie kwasu glutaminowego w płynie mózgowo-rdzeniowym powoduje nadczynność obwodu bezpośredniego i niedoczynność obwodu pośredniego, co zwiększa ryzyko schorzeń obsesyjno-kompulsyjnych. [3]
W rozwoju zaburzeń obsesyjno-kompulsyjnych biorą również udział jądra wzgórza (zwłaszcza brzuszne przednie), wysyłające projekcje glutaminergiczne do przedniego zakrętu obręczy i kory orbito-czołowej. Wzrost poziomu glutaminianu na szlaku korowo-wzgórzowym powoduje istotne zmiany strukturalne i funkcjonalne w mózgu. Działanie protekcyjne w stosunku do ekscytotoksyczności glutaminianu można natomiast osiągnąć stymulując receptory GABA-ergiczne. [3]
6.2. Depresja
W przebiegu depresji dochodzi do dysfunkji w przekaźnictwie glutaminergicznym. W mózgach pacjentów obserwuje się osłabienie ekspresji białek EAAT (głównie EAAT1, EAAT2 i EAAT4). Jednocześnie występuje nadekspresja receptorów NMDA. Zmiany te wiążą się z nieadaptacyjnym rozwojem mózgu. Dysfunkcje obejmują korę mózgu i struktury podkorowe (jądro migdałowate i prążkowie). Nieprawidłowa neurotransmisja glutaminergiczna ogranicza utrzymanie długotrwałego wzmocnienia synaptycznego. W normalnych warunkach efektem procesów LTP jest tworzenie nowych wypustek dendrytycznych. W przebiegu zaawansowanej depresji endocytoza receptorów AMPA prowadzi do ich dysocjacji, co skutkuje obkurczeniem się dendrytów. Osłabienie siły sygnału synaptycznego powoduje zaś nasilenie objawów choroby. Dodatkowo w depresji obserwuje się wzrost poziomu fosfataz. [15] Enzymy te są zaangażowane m.in w regulację rozwoju i śmierci komórek nerwowych. Zaburzenia ich działania są jednym z czynników rozwoju depresji. [38]
Zastosowanie leków przeciwdepresyjnych, będących selektywnymi inhibitorami wychwytu zwrotnego serotoniny (SSRI), powoduje osłabienie neurotransmisji glutaminergicznej w mózgu. Pod ich wpływem dochodzi do zmiany konfiguracji podjednostek receptora NMDA. W efekcie osłabieniu ulega ekspresja receptora. Jednocześnie podnosi się poziom neurotroficznego czynnika pochodzenia mózgowego (brain-derived neurotrophic factor, BDNF). Hamuje on ekspresję mRNA obu podjednostek receptora NMDA, powodując ograniczenie jego działania. Leki przeciwdepresyjne powodują również zmianę czynności i wszystkich trzech grup receptorów metabotropowych układu glutaminergicznego. Zwiększają one poziom receptorów AMPA w hipokampie, w prążkowiu i w korze mózgu oraz zmieniają konfigurację podjednostek i ilość poszczególnych receptorów mGluR w tkance nerwowej. [15]
Działanie leków przeciwdepresyjnych polega głównie na hamowaniu aktywności układu glutaminergicznego poprzez zmniejszenie uwalniania kwasu glutaminowego przez neurony. Leki przeciwdepresyjne hamują uwalnianie glutaminianu zarówno w korze przedczołowej, jak i w hipokampie. Mogą też zwiększać ekspresję i aktywność transportera glutaminianu. Wzrost ekspresji transportera glutaminianu typu 1 w pęcherzykach synaptycznych neuronów kory mózgowej może stanowić marker aktywności leków przeciwdepresyjnych. [15]
6.3. Zaburzenia poznawcze
Układ glutaminergiczny wpływa na funkcjonowanie poznawcze poprzez regulowanie plastyczności synaptycznej. Nieprawidłowa sygnalizacja glutaminianu w mózgu prowadzi do nieadekwatnych reakcji na stres i zaburzeń psychicznych, m.in. depresji. [18] Dysfunkcje receptorów glutaminianu i innych elementów tworzących układ glutaminergiczny prowadzą do upośledzenia funkcji i uszkodzenia struktury neuronów. Związane jest to z neurotoksycznością spowodowaną nadaktywnością układu glutaminergicznego. Wiele zaburzeń neuronalnych objawia się deficytami poznawczymi z leżącą u podłoża patofizjologią glutaminergiczną. Kaskady reakcji biochemicznych, w których bierze udział glutaminian wpływają także na powstawanie emocji. Kontrola transmisji glutaminergicznej mózgu i modyfikowanie funkcji receptorów dla glutaminianu są potencjalnymi strategiami terapeutycznymi w przypadku zaburzeń poznawczych. [16]
6.4. Afazja
Afazja to zaburzenie mowy współwystępujące z nabytymi schorzeniami neurodegeneracyjnymi, najczęściej spowodowane przebytym udarem mózgu. W afazji dochodzi do utraty równowagi pomiędzy receptorami dla glutaminianu (głównie NMDA) a receptorami GABA. [30] Receptory NMDA zostają nadmiernie pobudzone, a receptory GABA zablokowane. Wzmożona aktywność receptorów NMDA prowadzi do rozwoju ekscytotoksyczności w obszarach korowych mózgu. W efekcie działanie ośrodków językowych zlokalizowanych w korowo-podstawnych zwojach mózgu zostaje zablokowane. Obserwuje się także inne rozmieszczenie receptorów kainowe w tkance mózgowej w porównaniu do osób zdrowych. [31] Dysregulacja receptorów kainowe hipokampa może prowadzić do dysfunkcji językowych. Spośród receptorów metabotropowych to receptor mGluR1 kontroluje postsynaptyczną aktywację neuronów przekaźnikowych wzgórza. Stymulacja mGluR1 zwiększa odpowiedź receptora NMDA. [32]
6.5. Choroba Alzheimera
Choroba Alzheimera cechuje się stopniową utratą funkcji poznawczych i rozwojem neurodegeneracji. Objawy te spowodowane są w dużym stopniu zaburzoną plastycznością synaptyczną, a konkretnie utratą synaps. [19] W chorobie Alzheimera utracie synaps towarzyszą dysfunkcje receptorów NMDA i AMPA w hipokampie. [20] Jednocześnie dochodzi do odkładania się blaszek beta-amyloidowych w tkance nerwowej. Powodują one fosforylację podjednostek receptorów NMDA. [21] Natomiast nadmierna aktywacja receptorów NMDA zwiększa napływ jonów wapnia i innych kationów do neuronów postsynaptycznych, co nasila ekscytotoksyczność, a w konsekwencji upośledza normalne funkcjonowanie synaps i zwiększa procesy neurodegeneracji. [22] Beta-amyloidy biorą również udział w hamowaniu wychwytu i degradacji glutaminianu, zwiększając jego dostępność w szczelinie synaptycznej. Zmniejszony klirens glutaminianu i wychwyt glutaminianu wywołują ekscytotoksyczność, która w dużej mierze przyczynia się do patofizjologii choroby Alzheimera. [23]
W korze mózgowej osób zmagających się z chorobą Alzheimera obserwuje się niską ekspresję genu transportera glutaminianu EAAT2, szczególnie EAAT2b. Jest to jeden z czynników nieprawidłowej plastyczności synaptycznej obserwowanej w tej chorobie. [24] Jednocześnie dochodzi do zablokowania działania astrocytów. Nie zapewniają one wystarczającego wsparcia synaptycznego, co przyczynia się do rozwoju neurodegeneracji. [25]
6.6. Choroba Parkinsona
W przebiegu choroby Parkinsona dochodzi do gromadzenia glutaminianu w przestrzeniach pozakomórkowych. Glutaminian aktywuje receptory NMDA, powodując zwiększony napływ jonów wapnia do komórki i nasilone uwalnianie reaktywnych form tlenu (ROS). Reaktywne formy tlenu uszkadzają neurony dopaminergiczne, stopniowo prowadząc do ich całkowitej degradacji. [26] Glutaminian aktywuje również receptory AMPA i receptory kainowe. Zwiększa tym samym przepływ jonów sodu do komórki, co może prowadzić do ostrego obrzęku komórkowego. [27]
Przyczyną wzmożonego uwalniania glutaminianu jest obecność alfa-synukleiny. Jest to kluczowe białko biorące udział w rozwoju choroby Parkinsona. Gromadzenie się alfa-synukleiny w astrocytach wpływa na transport glutaminianu, zwiększając w ten sposób pozakomórkową ekscytotoksyczność glutaminergiczną. Ta z kolei nasila uszkodzenie neuronów dopaminergicznych. Ponadto alfa-synukleina wzmaga fosforylację receptorów NMDA i aktywuje kaskady sygnałowe zależne od receptorów AMPA. W chorobie Parkinsona obserwuje się również wzmożone gromadzenie i aktywację mikrogleju w istocie czarnej prążkowia. Zwiększa to stres oksydacyjny poprzez uwalnianie wielu mediatorów zapalnych. W obecności wysokiego poziomu glutaminianu dochodzi do neurotoksycznego oddziaływania czynnika martwicy nowotworów (TNF-alfa) na tkankę nerwową. Nadmierna aktywność neurotransmisji glutaminergicznej w jądrze prążkowia zwiększa ryzyko rozwoju i nasila objawy choroby Parkinsona. [16]
6.7. Zaburzenia ze spektrum autyzmu
Zaburzenia ze spektrum autyzmu (ASD) spowodowane są dysfunkcjami neurorozwojowymi. Objawiają się niemożnością skupienia uwagi, nadpobudliwością, trudnościami w komunikacji i innymi zaburzeniami poznawczymi. W przebiegu zaburzeń ze spektrum autyzmu zauważa się podwyższony poziom glutaminianu i obniżony poziom glutaminy. [28] Dodatkowo glutaminian i cytokiny prozapalne nasilają wzajemnie swoje uwalnianie. Powiązane ze sobą zjawiska dysfunkcji glutaminergicznej, ekscytotoksyczności i zapalenia tkanki nerwowej w dużej mierze przyczyniają się do patofizjologii tych zaburzeń. [29]
U osób zmagających się z zaburzeniami ze spektrum autyzmu obserwuje się zmiany w ekspresji receptorów glutaminergicznych. Ilość receptorów AMPA w móżdżku tych pacjentów jest zmniejszona, natomiast aktywność receptorów metabotropowych jest zwiększona. W przebiegu autyzmu dochodzi również do nadmiernej ekspresji EAATs, co prawdopodobnie wynika z prób organizmu poradzenia sobie z podwyższonym poziomem glutaminianu. [16]
6.8. Schizofrenia
Schizofrenia to zaburzenie psychiczne, w którym dysfunkcji ulega uwaga, refleks, czujność, pamięć robocza, zdolność uczenia się, zachowanie i umiejętności społeczne. W mózgach osób chorujących na schizofrenię obserwuje się nieprawidłowe rozmieszczenie receptorów dla glutaminianu w korze mózgowej, wzgórzu i płacie skroniowym wraz ze zmienionym składem podjednostek. [16] Glutaminian kontroluje aktywność neuronalną, która moduluje nastrój, poznanie i reakcje motoryczne. Zwiększone uwalnianie glutaminianu prowadzące do ekscytotoksyczności może skutkować wystąpieniem objawów schizofrenii. [33] Im większa ekscytotoksyczność glutaminergiczna i zmiany w regionach czołowo-obręczowych mózgu tym silniejsze procesy apoptozy neuronów. [34] Dodatkowo objawy schizofrenii są zaostrzane przez niedoczynność receptorów NMDA. Niedoczynność receptora NMDA przyspiesza bowiem degenerację neuronów piramidowych. [35] Ponadto geny GRIN2A i GRIN2B, które kodują podjednostki receptora NMDA, zostały zidentyfikowane jako geny związane ze schizofrenią. [36]
U pacjentów chorych na schizofrenię w niektórych rejonach mózgu występuje niedobór glutaminianu, natomiast w pozostałych obszarach dochodzi do nadmiernej aktywności glutaminergicznej. W przebiegu schizofrenii ekspresja EAAT2 jest podwyższona w korze przedczołowej, natomiast jej poziom zmniejsza się w korze grzbietowo-bocznej, przedniej korze zakrętu obręczy, hipokampie, górnym zakręcie skroniowym, wzgórzu i obszarze Brodmanna. Złożoność choroby zależy więc od poziomu aktywności glutaminergicznej w różnych obszarach mózgu. [16]
6.9. Choroby nowotworowe
Receptory glutaminianowe mogą występować również w komórkach nowotworowych. Komórki nowotworowe lokalizujące się w OUN wykazują zdolność wiązania receptorów glutaminergicznych jonotropowych. Ma to miejsce m.in. w przebiegu glejaka wielopostaciowego. Mięśniak gładkokomórkowy charakteryzuje się zaś 30-krotnie większą ekspresją receptorów iGluR w porównaniu do prawidłowego endometrium. Zwiększona ilość podjednostek i ich wzmożona aktywność koreluje z wielkością guza, obecnością przerzutów do węzłów chłonnych oraz krótszym przeżyciem pacjentów. Cząsteczki będące antagonistami receptorów glutaminianowych są powszechnie wykorzystywane w onkologii. [17]