1. Informacje wstępne
Układ cholinergiczny zaangażowany jest przede wszystkim w regulację wyższych funkcji korowych związanych z pamięcią, uczeniem się, koncentracją i uwagą. W obrębie układu cholinergicznego wyróżnia się neurony cholinergiczne, anatomiczne struktury cholinergiczne, neuroprzekaźnik acetylocholinę oraz receptory cholinergiczne.
2. Budowa układu cholinergicznego
2.1. Neurony cholinergiczne
Neurony cholinergiczne to komórki nerwowe, które syntetyzują i uwalniają acetylocholinę (ACh). Neurony cholinergiczne tworzą:
- liczne synapsy w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN)
- zakończenia wszystkich włókien przedzwojowych układu autonomicznego (przywspółczulnego i współczulnego)
- zakończenia wszystkich przywspółczulnych włókien zazwojowych
- synapsy nerwowo-mięśniowe w układzie somatycznym (ACh uwalniana z neuronów cholinergicznych, działając na płytkę nerwowo-mięśniową, pobudza mięśnie szkieletowe do skurczu).
Warto dodać, że w układzie współczulnym neurony cholinergiczne tworzą włókna zazwojowe unerwiające gruczoły potowe oraz włókna przedzwojowe pobudzające komórki chromochłonne rdzenia nadnerczy (rdzeń nadnerczy w tym przypadku pełni rolę „zwoju nerwowego” pozbawionego aksonów). W wyniku pobudzenia komórek rdzenia nadnerczy dochodzi do uwolnienia adrenaliny oraz noradrenaliny.
2.2. Anatomiczne struktury cholinergiczne
Jądra cholinergiczne ośrodkowego układu nerwowego zlokalizowane są w pniu mózgu oraz podstawnej części przodomózgowia. Neurony cholinergiczne pnia mózgu docierają do wielu obszarów mózgu. Wstępujące projekcje włókien cholinergicznych pnia mózgu docierają m.in. do kory przedczołowej, podwzgórza, podstawnej części przodomózgowia, wzgórza, ciała migdałowatego, hipokampu, substancji czarnej i jądra nakrywki. Z kolei zstępujące projekcje włókien cholinergicznych pnia mózgu docierają m.in. do móżdżku, rdzenia przedłużonego czy nerwów czaszkowych. Projekcje cholinergiczne rozpoczynające się w pniu mózgu regulują funkcje poznawcze, wzbudzenie oraz uwalnianie dopaminy (mechanizm uzależnień).
Ośrodki cholinergiczne podstawnej części przodomózgowia to jądro Meynerta (uważane za główne jądro cholinergiczne w mózgu) oraz jądro przegrody. Wstępujące projekcje włókien cholinergicznych przodomózgowia docierają m.in. do kory mózgowej, ciała migdałowatego, przedniego zakrętu obręczy oraz opuszki węchowej. Z kolei zstępujące projekcje włókien cholinergicznych przodomózgowia docierają m.in. do hipokampu, gdzie krzyżują się ze szlakami dopaminergicznymi, serotoninergicznymi i noradrenergicznymi. Projekcje cholinergiczne rozpoczynające się w przodomózgowiu regulują m.in. procesy pamięciowe, uwagę, selekcję, jak również są odpowiedzialne za przetwarzanie bodźców sensorycznych. Warto nadmienić, że degeneracja włókien cholinergicznych w przodomózgowiu przyczynia się do powstania choroby Alzheimera.
3. Neurotransmisja cholinergiczna
Głównym neuroprzekaźnikiem układu cholinergicznego jest ACh. Substraty do syntezy ACh stanowią cholina i acetylokoenzym A. Cholina powstaje głównie w wyniku hydrolizy i przemian lipidów (np. lecytyny) i jest dostarczana do ośrodkowego UN wraz z krwią. Do cytoplazmy neuronów cholina jest wchłaniana na drodze aktywnego transportu (swoisty transporter choliny zależny od jonów sodu). Warto podkreślić, że im bardziej nasilona jest aktywność układu cholinergicznego, tym więcej choliny jest pobierane do cytoplazmy neuronów. Acetylokoenzym A powstaje z pirogronianu w mitochondriach.
Reakcja syntezy ACh z jej substratów jest katalizowana przez acetylocholinotransferazę (AChT) – enzym obecny w wysokim stężeniu w zakończeniach nerwów cholinergicznych. Powstała acetylocholina jest magazynowana w pęcherzykach synaptycznych. W wyniku depolaryzacji błony presynaptycznej (przewodzenia impulsu nerwowego) dochodzi do uwolnienia ACh (na drodze egzocytozy) do szczeliny synaptycznej. Acetylocholina oddziałuje na receptory muskarynowe i nikotynowe obecne na błonie postsynaptycznej i wzbudza określone szlaki transdukcji sygnału (opisane poniżej). Po odłączeniu od receptora, ACh jest rozkładana do choliny i kwasu octowego przez acetylocholinoesterazę (AChE; enzym obecny w przestrzeni synaptycznej synaps cholinergicznych). Acetylocholina może być również hydrolizowana przez butyrylocholinoesterazę (BChE), enzym obecny głównie w wątrobie, ale także w osoczu krwi, jelitach, sercu, płucach, nerkach czy trzustce. Powstała cholina jest zwrotnie wchłaniana do zakończeń presynaptycznych neuronów. Hamowanie AChE zwiększa koncentrację ACh w synapsie i wyzwala odpowiedź zarówno z receptorów muskarynowych, jak i nikotynowych. Warto podkreślić, że również wiele nieneuronalnych komórek organizmu jest zdolnych do syntezy ACh. Obecność AChT wykazano m.in. w astrocytach, limfocytach T, komórkach skóry, oczu, nerek, wątroby czy łożyska.
4. Receptory cholinergiczne
W układzie cholinergicznym wyróżnia się dwa typy receptorów: muskarynowe oraz nikotynowe. Nazwa receptorów cholinergicznych wywodzi się od ich egzogennych ligandów tj. muskaryny (pobudzającej receptory muskarynowe) oraz nikotyny (pobudzającej receptory nikotynowe). Acetylocholina pobudza oba typy receptorów, tym samym może wykazywać działanie zarówno muskarynowe, jak i nikotynowe.
4.1. Receptory muskarynowe
Receptory muskarynowe (mAChRs) należą do grupy błonowych receptorów metabotropowych sprzężonych z białkiem G. Są one zbudowane z pojedynczego łańcucha aminokwasowego posiadającego siedem transbłonowych domen helikalnych. Koniec aminokwasowy receptora znajduje się na zewnątrz komórki, natomiast koniec karboksylowy wewnątrz komórki. W wyniku przyłączenia liganda (miejsce wiązanie liganda znajduje się w zewnątrzkomórkowej części receptora) dochodzi do zmiany konformacji receptora, a w efekcie aktywowane zostaje białko G. Aktywne białko G oddziałuje z właściwym sobie enzymem efektorowym, który z kolei reguluje stężenie wtórnych przekaźników. Do enzymów efektorowych zaliczane są m.in. cyklaza adenylowa oraz fosfolipaza A2, C i D. Białkami docelowymi dla aktywnego białka G mogą być również kanały potasowe oraz pompy wapniowe.
Dotychczas na podstawie sekwencji aminokwasowej zidentyfikowano pięć typów mAChRs: M1, M2, M3, M4 i M5. W zależności od szlaku transdukcji sygnału wzbudzanego w komórce wyróżnia się dwie grupy mAChRs: 1/ M1, M3 i M5 oraz 2/ M2 i M4. W wyniku związania liganda z receptorami należącymi do pierwszej grupy dochodzi do aktywacji typu Gq białka G. Aktywne białko G aktywuje fosfolipazę C, która odpowiada za hydrolizę obecnego w błonie komórkowej difosforanu fosfatydyloinozytolu. W efekcie powstają dwa wtórne przekaźniki: trifosforan inozytolu (IP3) i diacyloglicerol (DAG). IP3 stymuluje wzrost stężenia jonów wapnia w cytoplazmie. Jony wapnia łączą się z kalmoduliną, a kompleks Ca2+-kalmodulina aktywuje zależne od niego kinazy (CaMK). DAG przy udziale jonów wapnia aktywuje kinazę białkową C (PKC). CaMK oraz PKC fosforylują z kolei białka docelowe. W zależności od rodzaju białka efekt fosforylacji jest różny. Enzymy mogą ulegać aktywacji lub dezaktywacji, kanały białkowe otwarciu lub zamknięciu, a białka wiążące DNA mogą pobudzać lub blokować transkrypcję genów.
W wyniku związania liganda z receptorami należącymi do drugiej grupy dochodzi do aktywacji typu Gi/o białka G. Aktywne białko G hamuje aktywność cyklazy adenylowej, efektem czego jest spadek stężenia cyklicznego adenozynofosforanu (cAMP) w komórce. Obniżenie poziomu cAMP powoduje zwiększenie napływu jonów potasowych do wnętrza komórki. Na skutek zwiększenia poziomu jonów potasu w komórce dochodzi do zamykania kanałów wapniowych (zmniejszona pobudliwość komórki). Dodatkowo, związanie liganda przez mAChRs może również aktywować szlaki transdukcji sygnału związane z aktywacją fosfolipazy A2 i D (przemiany kwasu arachidonowego i choliny).
Receptory muskarynowe są zlokalizowane zarówno w ośrodkowym, jak i obwodowym układzie nerwowym. Ich obecność wykazano również w licznych narządach. Szlaki transdukcji sygnału wynikające z aktywacji mAChRs zaangażowane są przede wszystkim w regulację procesów korowych (zapamiętywanie, uczenie się), ale także regulację procesów autonomicznych, czuciowych czy motorycznych. Lokalizację mAChR oraz efekt fizjologiczny związany z ich aktywacją przedstawiono szczegółowo w Tabeli 1.
Do egzogennych agonistów mAChRs należą m.in. karbachol, betanechol czy metacholina. Z kolei do egzogennych antagonistów mAChRs zaliczyć można m.in. atropinę, hioscynę, tropikamid oraz pirenzepinę.
| Typ receptora | Lokalizacja | Obecność w mózgu (ilość receptorów) | Procesy |
| M1 |
| +++++ |
|
| M2 |
| +++++ |
|
| M3 |
| + |
|
| M4 |
| ++ |
|
| M5 |
| ++ |
|
4.2. Receptory nikotynowe
Receptory nikotynowe (nAChRs) należą do grupy błonowych receptorów jonotropowych bramkowanych ligandem. Są one zbudowane z pięciu podjednostek białkowych, których ściany tworzą centralnie zlokalizowany kanał jonowy wykazujący zdolność do kontrolowanego przepływu jonów. Każda podjednostka białkowa zbudowana jest z czterech segmentów transbłonowych o strukturze α-helisy. Koniec aminokwasowy receptora znajduje się na zewnątrz komórki, natomiast koniec karboksylowy wewnątrz komórki. Każdy receptor nikotynowy posiada co najmniej dwa miejsca wiązania ligandu, które znajdują się w zewnątrzkomórkowej części receptora. W wyniku przyłączenia liganda dochodzi do zmian konformacyjnych kanału jonowego, tj. jego zamknięcia lub otwarcia. Związanie agonisty (np. ACh) do nAChRs powoduje aktywację (otwarcie) kanału jonowego, którego efektem jest przepływ jonów sodu, potasu i wapnia. Wzrastające stężenie kationów wewnątrz komórek nerwowych powoduje ich pobudzenie (depolaryzację), a w konsekwencji aktywację lub dezaktywację enzymów katalizujących przebieg różnych reakcji zachodzących w komórkach. Szybki spadek stężenia liganda w szczelinie synaptycznej skutkuje zamknięciem kanału. Do zamknięcia kanału jonowego (a tym samym braku pobudzenia komórki) dochodzi również w wyniku związania antagonisty (np. kurary) z nAChRs. Receptory nikotynowe mogą również funkcjonować w stanie desensytyzacji (odczulenia), który definiowany jest jako okresowa utrata wrażliwości nAChRs na obecność liganda. Obniżenie lub utratę funkcji nAChRs może powodować przedłużająca się obecność wysokich stężeń ligandów w przestrzeni zewnątrzkomórkowej lub powtarzające się pobudzenie receptorów. Desensytyzacja ustępuje, gdy stężenie ligandu ulega znacznemu obniżeniu.
Wśród nAChRs wyróżnia się receptory typu mięśniowego (płytka nerwowo-mięśniowa) i neuronalnego (ośrodkowy układ nerwowy oraz zwoje autonomiczne). Receptory nikotynowe zbudowane są z podjednostek białkowych α (α2-α10), β (β2-β4), γ, ɛ oraz δ. U dorosłych osobników typ mięśniowy nAChRs zbudowany jest z dwóch podjednostek α i jednej β, δ i ɛ (w przypadku zarodków zamiast podjednostki ɛ występuje γ). Podjednostki β, γ, ɛ oraz δ (niezawierające cysteiny) nie wiążą ligandu, modulują natomiast właściwości fizjologiczne i farmakologiczne nAChRs.
Neuronalne nAChRs składają się z dwóch rodzajów podjednostek białkowych, tj. α i β. Ponadto wśród neuronalnych nAChRs wyróżnić można receptory homomeryczne oraz heteromeryczne. Pierwsze zbudowane są tylko z podjednostek α (α7-α9), natomiast drugie tworzą podjednostki α (α2-α6) i β (β2-β4). Poszczególne podjednostki nAChRs mogą łączyć się w różne kombinacje. To, z jakich podjednostek zbudowane są nAChRs, determinuje ich właściwości farmakologiczne i funkcje fizjologiczne. Do najczęściej występujących nAChRs w ośrodkowym układzie nerwowym zaliczyć można receptory zbudowane z dwóch lub trzech podjednostek α4 i dwóch lub trzech podjednostek β2 (charakteryzujące się wysokim powinowactwem do nikotyny) oraz pięciu podjednostek α7 (o niższym powinowactwie do nikotyny). Same podjednostki β nie są zdolne do tworzenia funkcjonalnych receptorów. Biorą jednak udział w stabilizacji struktury receptora oraz zwiększają jego powinowactwo do agonistów. Z kolei nAChRs zbudowane jedynie z podjednostek α2-α6 wiążą ligandy w niewielkim stopniu.
W ośrodkowym układzie nerwowym większość nAChRs zlokalizowanych jest na presynaptycznej błonie neuronalnej neuronów budujących m.in. korę mózgową, hipokamp, jądro podstawne, wzgórze, podwzgórze i móżdżek, gdzie biorą udział w regulacji uwalniania neuroprzekaźników. Ich obecność wykazano również w mięśniach, węzłach chłonnych oraz komórkach mikrogleju, astrocytach, a także makrofagach.
Wyniki licznych badań wskazują, że nAChRs są zaangażowane w procesy uczenia się i zapamiętywania (pamięć operacyjna, referencyjna), odczuwanie bólu oraz termoregulację. Dodatkowo uczestniczą w procesach wzrostu, rozwoju i starzenia się (poziom ekspresji receptorów nikotynowych zmienia się wraz z wiekiem – liczba nAChR jest większa we wczesnych stadiach rozwoju). Biorą także także w procesie rozwoju uzależnień. Ponadto szlaki transdukcji sygnału wynikające z aktywacji nAChRs regulują przebieg różnicowania, proliferacji i śmierci komórek nerwowych. Dysfunkcję nAChRs obserwuje się m.in. u chorych na chorobę Alzheimera, chorobę Parkinsona, epilepsję, schizofrenię czy autyzm.
Do egzogennych agonistów nAChR należą m.in. nikotyna czy tropisetron. Z kolei do egzogennych antagonistów nAChR zaliczyć można m.in. mekamylaminę, pankuronium czy suksametonium.
5. Funkcje układu cholinergicznego
Układ cholinergiczny reguluje wiele podstawowych funkcji organizmu. Zaangażowany jest on przede wszystkim w regulację wyższych funkcji korowych związanych z pamięcią, uczeniem się, koncentracją i uwagą. Pełni również zasadniczą rolę w organizacji ludzkiej świadomości, a także w mechanizmie powstawania uzależnień. Ponadto układ cholinergiczny jest odpowiedzialny za przetwarzanie bodźców sensorycznych, regulację procesów autonomicznych, czuciowych czy motorycznych, a także odczuwanie bólu oraz termoregulację. Dodatkowo bierze udział w procesach wzrostu, rozwoju i starzenia się komórek.
6. Zaburzenia funkcjonowania układu cholinergicznego
Zainteresowanie układem cholinergicznym wynika przede wszystkim z faktu, że dysfunkcje tego układu skutkują poważnymi zaburzeniami neurologicznymi, do których zaliczyć można m.in. chorobę Alzheimera, Parkinsona czy schizofrenię. Nieprawidłowości w pracy układu cholinergicznego zostały również powiązane z amnezją, demencją, epilepsją i autyzmem.
7. Cholinergiczna ścieżka przeciwzapalna
Układ nerwowy i immunologiczny są ze sobą ściśle powiązane. Zarówno komórki układu nerwowego, jak i immunologicznego są zdolne do syntezy różnych mediatorów (np. neuroprzekaźników, cytokin), a dodatkowo posiadają na swoich błonach komórkowych receptory dla tych mediatorów. Dzięki temu oba układy komunikują się ze sobą w celu regulacji pracy organizmu. W odpowiedzi na pojawienie się patogenu lub uszkodzenia tkanek, makrofagi uwalniają cytokiny prozapalne (m.in. czynnik martwicy nowotworów, interleukinę 1β, interleukinę 6). Zwiększone stężenie tych prozapalnych mediatorów prowadzi do zapoczątkowania miejscowej odpowiedzi zapalnej, której wynikiem jest usunięcie czynnika chorobotwórczego i powrót tkanek do stanu fizjologicznego. Warto jednak nadmienić, że niewłaściwie regulowana odpowiedź zapalna (np. osób w podeszłym wieku czy obciążonych chorobami współistniejącymi) może przerodzić się w przewlekły stan zapalny, który jest przyczyną bardzo wielu chorób (m.in. miażdżycy, zespołu jelita wrażliwego, zapalenia stawów, nowotworów czy depresji), a w skrajnych przypadkach może prowadzić do śmierci.
Odpowiedź układu odpornościowego jest koordynowana i modulowana przez autonomiczny układ nerwowy, który unerwia centralne oraz obwodowe narządy limfatyczne. Sygnały zapalne z organizmu docierają do mózgu i aktywują cholinergiczną ścieżkę przeciwzapalną, której głównym komponentem jest nerw błędny. Endogenna lub egzogenna (elektryczna) stymulacja nerwu błędnego prowadzi do zwiększonego uwalniania ACh (również syntetyzowanej przez limfocyty T). Acetylocholina wiążę się z receptorami nikotynowymi obecnymi na błonie komórkowej makrofagów i wzbudza szlak transdukcji sygnału, którego efektem jest zmniejszenie syntezy cytokin prozapalnych przez te komórki, a w konwekcji inhibicja stanu zapalnego. W praktyce klinicznej stosuje się agonistów receptorów cholinergicznych w celu ochrony przed chorobami, które związane są z nadmiernym wydzielaniem cytokin. Ponadto wyniki badań przeprowadzonych na modelach doświadczalnych wykazały, że egzogenna stymulacja nerwu błędnego zapobiega uszkodzeniom organizmu wywołanym przez zwiększone stężenie cytokin w chorobach zapalnych (m.in. w przypadku sepsy czy zapalenia stawów).
8. Wpływ substancji aktywnych zawartych w roślinach na funkcjonowanie układu cholinergicznego
Projekcje cholinergiczne w obszarach kory mózgowej oraz hipokampa odgrywają fundamentalną rolę w zakresie regulacji wyższych funkcji korowych, szczególnie tych związanych z procesem pamięciowym. Dlatego też leczenie chorób związanych z dysfunkcjami pamięci (np. amnezji, demencji, choroby Alzheimera) opiera się głównie na zwiększeniu stężenia ACh w mózgu. W praktyce klinicznej, w celu zwiększenia poziomu ACh, powszechnie stosuje się inhibitory cholinoesterazy (np. donepezil, takryna). Ponieważ leczenie farmakologiczne znacząco wpływa na funkcjonowanie całego organizmu (np. takryna wykazuje działanie hepatotoksyczne), coraz częściej rozważa się stosowanie naturalnie występujących substancji pochodzenia roślinnego w celu polepszenia funkcji pamięciowych. Wyniki badań in vitro oraz in vivo (model zwierzęcy) wskazują, że działanie na układ cholinergiczny (zwiększenie transmisji cholinergicznej) poprzez m.in. hamowanie aktywności acetylocholinoesterazy wykazują substancje aktywne zawarte w kokoryczu (Corydalis yanhusuo), miłorzębie dwuklapowym (Ginkgo biloba), ostropeście plamistym (Silybum marianum), soi warzywnej (Soybean, Glycine max), szałwii czerwonej (Salvia miltiorrhiza) i żeń-szeniu właściwym (Panax ginseng). W przeprowadzonych badaniach substancje aktywne zawarte w szafranie uprawnym (Crocus sativus) wykazywały działanie cholinomimetyczne, z kolei te zawarte w wiciokrzewie japońskim (Lonicera japonica) wzmacniały odpowiedź receptorów muskarynowych i nikotynowych.