Длительное время инсулин рассматривали исключительно с позиции его периферических эффектов на метаболизм глюкозы, жиров и белков. Однако уже в конце 70-х гг. XX века была установлена исключительно важная роль инсулина в функционировании центральной нервной системы (ЦНС). Инсулин в мозге способен регулировать такие процессы, как рост, дифференцировка и выживаемость нейронов, аксоногенез, обладает свойствами нейропротектора и нейротрансмиттера [1, 2]. В различных отделах мозга присутствуют инсулиновые рецепторы (ИРец) [3], воздействуя на которые, инсулин осуществляет свои регуляторные влияния на периферический метаболизм, аппетит, функции репродуктивной и тиреоидной систем, термогенез, углеводный и липидный обмен, а также контролирует активность нейротрансмиттерных систем, синтез фосфолипидов и холестерина и функции митохондрий в нейронах головного мозга [4]. Наряду с этим инсулин модулирует процесс фосфорилирования тау-белка, важнейшего биомаркера развития болезни Альцгеймера (БА) и ряда других нейродегенеративных заболеваний [5]. Снижение уровня инсулина и ослабление сигнальных механизмов его действия в мозге приводит к нарушению функциональной активности нейронов, снижает их выживаемость, нарушает нейро- и синаптогенез и энергетический статус нейронов.

Опираясь на данные исследований последних лет, можно предполагать, что дефицит инсулина и нарушение функциональной активности его сигнальной системы в мозге способствуют развитию как метаболического синдрома (МС) и сахарного диабета (СД) 2-го типа, так и нейродегенеративных заболеваний.

Нарушение действия инсулина в мозге может быть обусловлено несколькими причинами. Основной из них является дефицит гормона в ЦНС. Это может быть следствием: 1) дефицита инсулина в периферическом кровотоке; 2) ослабления опосредуемого рецепторами транспорта инсулина через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) в условиях периферической инсулинорезистентности (ИР); 3) усиления его деградации в мозге под действием инсулиназы и других протеаз [6]. Другой причиной нарушений действия инсулина в ЦНС является центральная инсулинорезистентность (ИР), развивающаяся в результате ослабления активности компонентов инсулиновой сигнальной системы в нейронах — в первую очередь ИРец и сопряженных с ним субстратов инсулинового рецептора (IRS2-белков), а также повышения активности негативных регуляторов инсулиновой сигнальной системы. Наиболее важным из них является протеинфосфотирозинфосфатаза 1В (PTP1B), которая дефосфорилирует активированные формы ИРец и IRS2-белков. Третьей причиной является нарушение взаимодействия инсулиновой системы с другими сигнальными системами мозга, которые способны контролировать и модулировать инсулиновый сигналинг в ЦНС [6].

Одним из возможных путей коррекции подобных нарушений служит применение интраназально вводимого инсулина (ИВИ), в результате чего концентрация гормона селективно повышается в ЦНС и вводимый гормон не оказывает заметного системного гипогликемического действия. Такой подход способен компенсировать дефицит инсулина в ЦНС в случае его недостаточности в структурах мозга или повысить концентрацию инсулина до уровня, достаточного для преодоления центральной ИР.

Историческая справка

Изучение терапевтического потенциала ИВИ началось в 1923 г., когда пытались разработать альтернативный способ введения инсулина с целью достижения устойчивого гипогликемического эффекта гормона [7]. Однако исследователи столкнулись с проблемой крайне низкой биодоступности ИВИ для периферических тканей, и дальнейшие работы в этом направлении были приостановлены.

Первые успехи в повышении биодоступности инсулина при интраназальном его введении были достигнуты в 1978 г. в экспериментах на собаках; использовали различные сурфактанты и среды для повышения всасывания инсулина в носовых ходах [8]. Однако для достижения достаточно выраженного гипогликемического эффекта требовались дозы гормона, в 10–20 раз превышающие таковые при инъекционном способе введения инсулина. Применение различных усилителей адсорбции при интраназальном способе введения инсулина пациентам с СД 2-го типа [9, 10] сопровождалось сильным раздражением слизистой оболочки полости носа [11, 12], развитием ринита, повышением числа слизистых желез, очаговым истончением стратифицированного плоского эпителия и повышением титра аутоантител к инсулину [13].

В 1979 г. в мозге крыс были впервые обнаружены ИРец, что указывало на функционирование в ЦНС инсулиновой сигнальной системы [14]. Однако изучению центральных эффектов инсулина тогда еще не уделялось должного внимания. ИРец у крыс присутствуют во многих областях мозга; наибольшая их экспрессия регистрируется в обонятельной луковице, коре головного мозга и гипоталамусе. Согласно результатам радиоиммунного анализа, концентрация инсулина в мозге крыс составляет в среднем 28 нг/г, что примерно в 10 раз выше, чем в плазме крови. При этом распределение инсулина в структурах мозга крайне неравномерно; наибольшие концентрации отмечены в гипоталамусе и обонятельной луковице, а также в стволе мозга, где высока плотность ИРец. Важно отметить, что у крыс со стрептозотоциновой моделью мягкого СД (дефицит инсулина в крови) и у мышей линии ob/ob с выраженной ИР и гиперинсулинемией не было обнаружено существенных изменений количества ИРец в мозге. Это свидетельствует о сохранении чувствительности инсулиновой сигнальной системы мозга к инсулину в условиях значительных колебаний уровня гормона в периферическом кровотоке и подчеркивает важность этой системы для реализации функций инсулина как нейротрансмиттера, нейромодулятора и ауто-/паракринного регулятора в ЦНС. Сходные данные были получены в ходе исследований паттерна ИРец в структурах мозга у людей [3].

В 1975 г. было показано, что введение инсулина в желудочки мозга собак способствует усилению его секреции поджелудочной железой, что свидетельствует о регулирующем влиянии инсулина в ЦНС на продукцию инсулина на периферии и на глюкозный гомеостаз [15]. Позднее было показано, что данный эффект не реализуется при атропиновой блокаде нервной передачи через блуждающий нерв или ваготомии [16]. В 1980 г. было выявлено, что внутривенное и внутрижелудочковое введение инсулина увеличивает активность орнитиндекарбоксилазы (ODC) во всех отделах мозгах новорожденных крыс [1]. В высоких дозах инсулин стимулировал активность ODC в 5–8 раз, и этот эффект не зависел от концентрации глюкозы в крови. Поскольку ODC является маркером интенсивности роста и развития нейронов, эти данные доказывают важную роль инсулина (и, возможно, других пептидов инсулиновой группы, таких как ИФР-1 и релаксин) в регуляции развития и функционирования мозга.

В настоящее время доказано, что инсулин в ЦНС регулирует пищевое поведение, массу тела, энергетический баланс, глюкозный и липидный гомеостаз, функции эндокринной системы [17, 18]. При длительном внутрижелудочковом введении инсулин дозозависимо уменьшает потребление пищи и массу тела, не влияя на гликемический статус [19]. Выяснилось также, что ИВИ восстанавливает нарушенные функции ЦНС, в частности при БА.

Исследования механизмов и мишеней действия инсулина в мозге в течение многих лет развиваются по двум основным направлениям. Первое включает изучение влияния ИВИ на когнитивные функции, нейропластичность, а второе — оценку влияния ИВИ на метаболические и гормональные показатели и энергетический обмен. Следует однако отметить, что эти направления тесно переплетаются, поскольку когнитивные функции играют важную роль в регуляции пищевого поведения, энергетического гомеостаза, функций эндокринной системы, вследствие чего их восстановление под влиянием ИВИ непосредственно сказывается на метаболических и гормональных показателях [20, 21].

Влияние ИВИ на когнитивные функции в норме и при болезни Альцгеймера

Предположение о влиянии инсулина на когнитивные функции у людей было впервые подтверждено исследованием на пациентах с БА [22]. Изначально это исследование имело целью уточнение результатов более ранних работ, в которых было показано улучшение памяти у пациентов с БА при повышении уровня глюкозы в крови. Так как гипергликемия увеличивает секрецию эндогенного инсулина, улучшение памяти могло быть связано с повышением концентрации именно инсулина [23]. Для подтверждения данной гипотезы были обследованы 23 пациента с БА и 14 лиц контрольной группы.

Все испытуемые в разные сроки были последовательно введены в различные метаболические состояния: 1) гиперинсулинемия в условиях эугликемии; 2) гипергликемия при уровне инсулина в плазме 57 пмоль/л, достигаемая путем инфузии глюкозы и аналога соматостатина — октреотида (150 мг/ч); 3) контроль с ведением изотонического раствора хлорида натрия (плацебо); 4) введение только одного октреотида (150 мг/ч). Было продемонстрировано улучшение памяти у пациентов с БА при гиперинсулинемии относительно плацебо (p<0,05) и относительно гипергликемии (p<0,005). При этом память не улучшалась в условиях гипергликемии при подавлении эндогенной продукции инсулина. У здоровых лиц существенных изменений в отношении памяти или внимания при гиперинсулинемии и гипергликемии не отмечалось. Следует отметить, что ИВИ без усилителей абсорбции не предполагает попадания инсулина в периферический кровоток. Именно это отличие и обусловливает безопасность применения ИВИ для коррекции когнитивных нарушений, так как исключает возможность развития гипогликемического эффекта.

Существует прямой путь доставки различных веществ (ионов, небольших органических молекул, полипептидов, белков) через носовую полость в ЦНС. Так, интраназально введенные ионы кадмия [24, 25], алюминия [26] и ртути [27], цефалексин [28] и даже значительные по размеру белковые молекулы [29, 30] сравнительно легко проникают через ГЭБ в ЦНС. Центральное действие нейропептидов при их интраназальном введении выражено значительно больше, чем при их внутривенном введении [31]. Инсулин при интраназальном введении также легко преодолевает ГЭБ, на что указывают многочисленные данные о распределенияи ИВИ в различных структурах мозга.

ИВИ используется в виде аэрозоля с применением стандартных медицинских спрейеров с дозатором. Доза равномерно распределяется в оба носовых хода. В ряде исследований для введения инсулина пациентам с БА применяли универсальную систему интраназальной доставки лекарственных препаратов — ViaNase, однако этот способ заметно не влиял на результаты.

Первое применение ИВИ у людей было осуществлено только в 1999 г. Предполагалось, что ИВИ без усилителей абсорбции в силу его низкой биодоступности для периферической крови не окажет заметного влияния на уровень гликемии и позволит оценить влияние гормона непосредственно на функции ЦНС [32]. В двойном слепом исследовании принимали участие 18 здоровых мужчин в возрасте от 18 до 34 лет. Каждый испытуемый проходил два этапа исследований — на одном из них интраназально вводили инсулин в дозе 20 Ед каждые 15 мин в течение 1 ч, на другом этапе вводили плацебо. Как и ожидалось, в ходе исследования не было выявлено изменений концентрации глюкозы и инсулина в крови. Действие инсулина на ЦНС оценивалось с помощью метода вызванных потенциалов в ответ на звуковые стимулы с применением эксцентричной парадигмы. Данный метод позволяет регистрировать положительные отклонения вызываемых потенциалов (P3), считающихся индикаторами целенаправленной мозговой деятельности. У лиц, получавших ИВИ, отмечали статистически значимое снижение амплитуды отклонений P3, особенно во фронтальной области. Несмотря на низкую специфичность результатов, данное исследование впервые показало прямое действие инсулина в ЦНС без влияния на уровень гликемии.

Отсутствие гипогликемического эффекта при использовании ИВИ открыло новые перспективы изучения его влияния на ЦНС. В 2003 г. было проведено специальное исследование безопасности ИВИ [33]. Испытуемые (9 мужчин, 11 женщин) в возрасте от 21 года до 43 лет получали последовательно плацебо или 60 Ед ИВИ в виде аэрозоля в течение 3 нед. В оба периода не было выявлено сколько-нибудь значимых различий в уровне гликемии. По данным риноскопии, не было раздражения слизистой полости носа, нарушений мукоцилиарного клиренса, проходимости дыхательных путей или сопротивления воздушному потоку. Некоторые испытуемые жаловались лишь на преходящее чувство покалывания в носу или неприятный запах. ИВИ не влиял на продукцию аутоантител к инсулину.

Положительное действие ИВИ на память и процессы обучения было подтверждено в исследованиях на животных [34–36] и у людей [37]. Улучшение памяти тесно ассоциировано с повышенной плотностью ИРец в лимбической и гиппокампальной областях мозга, ответственных за декларативную память [38, 39]. Это позволило предположить, что ИВИ восстанавливает функционирование нейронов гиппокампа и улучшает долгосрочную память. В 2004 г. было проведено исследование влияния ИВИ на когнитивные функции у 38 (24 мужчины, 14 женщин) здоровых добровольцев [40]. Испытуемым в течение 8 нед 4 раза в сутки интраназально вводили инсулин в дозе 40 Ед. Существенные отличия от контрольной группы по уровню гликемии отсутствовали. При этом в отличие от метаболических эффектов, для которых характерна гендерная специфичность [41–43], влияние ИВИ на когнитивные функции не зависело от пола испытуемых. Положительный эффект длительного применения ИВИ оказался специфичным для декларативной памяти. Помимо улучшения когнитивных функций, у испытуемых отмечали положительные изменения таких психологических показателей, как уверенность в себе, ощущение благополучия, уровни агрессии и депрессии. Различий во внимании, а также в недекларативной памяти между основной и контрольной группами испытуемых выявлено не было [40].

Данные о роли инсулина в патогенезе БА и других нейродегенеративных заболеваний [44–46] позволили предположить, что в основе когнитивных нарушений могут лежать изменения функциональной активности инсулиновой сигнальной системы мозга, ассоциированные с периферической ИР. Действительно, у крыс линии Zucker c генетическим ожирением обнаружена тесная взаимосвязь между периферической ИР и снижением количества связанного с ИРец инсулина в капиллярах головного мозга [47]. ИВИ способен восполнять дефицит инсулина в ЦНС, обусловленный нарушением опосредуемого рецепторами транспорта гормона через ГЭБ.

Известно, что у пациентов с БА часто отмечается периферическая ИР [44, 48]. Выявлены различия в индексах ИР и эффективности ИВИ в зависимости от генотипа АPОЕ-4 [49]. У пациентов с БА, которые не являлись гомозиготами по АPОE-ε4, была обнаружена более выраженная периферическая ИР. Кроме того, пациенты без аллеля АPОЕ-ε4 демонстрировали более выраженное улучшение памяти и снижение уровней прекурсора амилоидного белка (APP) в ответ на периферическую гиперинсулинемию. В исследовании принимали участие 35 здоровых добровольцев и 26 пациентов с умеренными когнитивными нарушениями или подтвержденным диагнозом БА. Каждому исследуемому в случайном порядке в разные дни интраназально вводили инсулин в дозе 20 и 40 Ед или плацебо. Когнитивный статус оценивали по словесной декларативной памяти (воспроизведение истории и списка слов с выборочным напоминанием), визуальной краткосрочной памяти (Self-Ordered Pointing Task) и избирательному вниманию (тест Струпа). Однократное применение ИВИ в дозах 20 и 40 Ед улучшало декларативную память, особенно у пациентов, отрицательных по аллелю АРОЕ-ε4. Необходимо отметить, что ни в одной из исследуемых групп ИВИ не влиял на концентрацию инсулина или глюкозы в плазме.

По мере накопления данных о положительном влиянии ИВИ на когнитивные функции и маркеры БА (бета-амилоид α-β-42 и тау-белок) возник вопрос о рациональном режиме дозирования ИВИ и о том, имеется ли значимая разница в эффектах различных препаратов инсулина при их интраназальном введении. В 2007 г. было показано, что аналог человеческого инсулина аспарт в сравнении с человеческим генно-инженерным инсулином более выраженно улучшает декларативную память после 8 нед применения [50]. Одним из возможных объяснений разной эффективности препаратов является способность человеческого инсулина образовывать ди-, тетра- и гексамерные комплексы [51], что может препятствовать проникновению гормона в ЦНС [52].

Для оптимизации применения ИВИ необходимо выяснить зависимость его влияния на когнитивные функции от дозы [53]. С этой целью обследовали пациетов, положительных или отрицательных по аллелю АРОЕ-ε4 [ε4(+) и ε4(–)]. В разные дни 33 пациента с БА или умеренными когнитивными расстройствами и 59 здоровых добровольцев получали либо 4 различных дозы ИВИ — 10, 20, 40 или 60 Ед, либо плацебо. Когнитивное тестирование проводили через 15 мин после применения ИВИ. На фоне ИВИ отмечали значительное улучшение декларативной памяти в группе ε4(–), причем максимальный положительный эффект достигался при использовании 20 Ед инсулина. Напротив, у группы ε4(+) наблюдали относительное снижение вербальной памяти. Влияние ИВИ на уровень β-амилоида (Aβ) в крови пациентов с БА и когнитивными нарушениями также зависело от генотипа АРОЕ-ε4 [53]. Неожиданное снижение памяти у пациентов группы ε4(+), возможно, связано с использованием сравнительно высоких доз ИВИ. Действительно, в более раннем исследовании улучшение памяти у пациентов группы ε4(+) регистрировалось при внутривенном введении очень низких доз инсулина [54]. В эпидемиологических исследованиях установлена взаимосвязь между БА и периферической ИР, наиболее выраженная в группе ε4(–) [55, 56]. Тем не менее вопрос о роли аллеля АРОЕ-ε4 в реализации эффектов инсулина в ЦНС до настоящего времени остается нерешенным.

Широкий спектр положительных эффектов инсулина в ЦНС, в том числе его синаптогенное действие [57], модулирующее влияние на уровень Aβ, а также защиту синапсов от токсического воздействия Aβ-олигомеров [57, 58], явился стимулом для разработки схемы применения ИВИ при БА [59]. В исследовании S. Craft и соавт. [60] принимали участие 104 пациента, из которых 64 имели умеренный когнитивный дефицит и 40 — умеренные проявления БА. Четырехмесячная терапия ИВИ (суточная доза — 20 Ед) улучшала декларативную память. Обе используемые дозы ИВИ (20 и 40 Ед) способствовали сохранению способности к самообслуживанию, а также базовых когнитивных функций, оцениваемых по шкале ADAS-cog для более молодых участников исследования и функциональных способностей по шкале ADAS-ADL для пациентов с длительно текущей БА (p<0,05). Более высокая концентрация амилоидного пептида Aβ-42 в спинномозговой жидкости, а также уменьшение соотношения тау-белок/Aβ-42 ассоциировались с лучшими эффектами ИВИ в отношении декларативной памяти и ежедневных функциональных способностей (шкала ADAS-ADL).

ИВИ в суточной дозе 20 Ед положительно влиял на декларативную память как у мужчин, так и у женщин. Однако при использовании 40 Ед/сут положительная динамика отмечалась только у мужчин. Для дозы 40 Ед/сут мужчины группы ε4(–) демонстрировали улучшение, тогда как у женщин отмечалось относительное ухудшение когнитивных функций. Авторы связывают этот феномен не с отрицательным действием ИВИ, а с естественным прогрессированием когнитивных нарушений на фоне БА. Все пациенты группы ε4(+) оставались когнитивно стабильными [61].

Одна из гипотез, объясняющих различия в действии ИВИ у мужчин и женщин, предложена M. Jensen и соавт. [62], которые показали, что клиренс инсулина у женщин выше, чем у мужчин. Это согласуется с эпидемиологическими данными, согласно которым риски нарушения толерантности к глюкозе и СД у мужчин выше, чем у женщин, хотя последние чаще страдают ожирением [63]. Мужчины более чувствительны и к когнитивным последствиям периферической ИР. Так, в эпидемиологическом исследовании у мужчин была выявлена более четкая взаимосвязь между гиперинсулинемией и когнитивными нарушениями, чем у женщин [64]. Если мужчины более чувствительны к отрицательным когнитивным последствиям нарушений инсулиновой системы в мозге, то и эффективность терапевтического применения ИВИ у них должна оказаться выше, чем у женщин.

В январе 2013 г. началось крупное мультицентровое исследование SNIFF (The Study of Nasal Insulin in the Fight Against Forgetfulness; https://www.nia.nih.gov/alzheimers/clinical-trials/study-nasal-insulin-fight-forgetfulness-sniff). В нем всесторонне рассматривается новый подход к лечению БА с использованием ИВИ, который продемонстрировал высокую эффективность в краткосрочных клинических испытаниях. Исследование предполагает выявление механизмов, посредством которых ИВИ оказывает свои положительные эффекты в ЦНС. В частности, будут изучаться ключевые биомаркеры в цереброспинальной жидкости пациентов с БА. Результаты должны иметь важное клиническое и научное значение. Еще одним важным аспектом данного исследования является выяснение влияния пола пациента, а также наличия аллеля APOE-ε4 на эффективность и отдаленные последствия применения ИВИ при БА.

Перспективы применения интраназального введения инсулина для коррекции когнитивных дисфункций при сахарном диабете

Первое клиническое исследование по оценке эффективности ИВИ при СД было осуществлено в 2013 г. Оценивалось влияние однократного применения ИВИ на когнитивные функции у пациентов с СД 2-го типа [65]. Как и ожидалось, ИВИ хорошо переносился и существенно не влиял на показатели гликемии. Исходно пациенты с СД 2-го типа имели худшие показатели декларативной памяти, скорости обработки информации и исполнительных функций, чем здоровые лица. Применение ИВИ улучшало декларативную память и беглость речи у всех испытуемых. В обеих группах улучшение когнитивных характеристик было связано с вазодилатацией в бассейне средней мозговой артерии, в частности в пределах правой островковой коры. Все анатомические и функциональные исследования проводились на высокопольном магнитно-резонансном томографе (МРТ) SignaHDxt 3.0T [65].

Дальнейшие исследования действия ИВИ при СД 2-го типа были сконцентрированы на состоянии сети пассивного режима работы мозга (default mode network, DMN), нейрональной сети, активной в период пассивного бодрствования, которая включает в себя многочисленные области мозга, связанные с когнитивными функциями, в том числе с речью и памятью [66]. Для оценки коннективности различных отделов DMN была использована методика функциональной МРТ покоя [67]. У пожилых людей с СД 2-го типа отмечается ухудшение функциональной связи этих областей мозга, а аномальная связь между нейронами может предшествовать клиническим проявлениям атрофии вещества головного мозга и когнитивным нарушениям [68–70]. После интраназального введения 40 Ед инсулина пациенты с СД демонстрировали повышение коннективности между гиппокампом и срединной лобной корой, чего не наблюдалось при введении плацебо. При использовании плацебо пациенты с СД 2-го типа имели более низкую коннективность по сравнению с контрольной группой, однако после применения ИВИ эти показатели сравнялись.

В последние годы в лаборатории молекулярной эндокринологии ИЭФБ РАН (зав. лаб. — д.б.н. А.О. Шпаков) было показано, что лечение ИВИ крыс с неонатальным СД 2-го типа приводило к улучшению их когнитивных способностей, существенно сниженных при диабете [71, 72]. Показатели долговременной пространственной памяти у животных оценивали с помощью водного теста Морриса. У крыс, леченных ИВИ, время на поиск платформы было сyщественно меньше, чем у животных, оставленных без лечения. Применение ИВИ улучшало показатели пространственной памяти и способность к обучению и у крыс контрольной группы.

Заключение

В последние годы получены многочисленные данные о функции инсулина в ЦНС, а также о роли нарушения этих функций в этиологии и патогенезе нейродегенеративных заболеваний и когнитивных расстройств. Учитывая терапевтическую эффективность ИВИ при когнитивных нарушениях у пациентов с БА, представляется перспективным применение ИВИ для коррекции подобных нарушений и при СД. Значительный интерес представляют также метаболические последствия использования ИВИ при СД.

источник