Исследователи из Ирландии и Швейцарии под руководством Андреа Кваковски (Andrea Kwakowsky) из Университета Голуэя и Томаса Невиана (Thomas Nevian) из Бернского университета опубликовали в журнале Pharmacological Research результаты серии экспериментов о влиянии кофеина на клетки гиппокампа при воздействии бета-амилоида. Учёные выяснили, что кофеин снижает гибель нервных клеток в питательной среде и возвращает пирамидным нейронам способность генерировать электрические сигналы в срезах ткани мозга.
Сбой торможения и электрическое молчание
Гиппокамп отвечает за сохранение воспоминаний и пространственную ориентацию. При развитии болезни Альцгеймера в этой области накапливаются растворимые цепочки белка бета-амилоида. Эти скопления нарушают работу межклеточных контактов задолго до гибели самих нейронов. Чтобы сеть клеток передавала информацию без искажений, в ткани должен сохраняться баланс возбуждающих и тормозных сигналов. Торможение в мозге обеспечивает гамма-аминомасляная кислота (ГАМК). Если тормозная система даёт сбой, нейроны теряют устойчивость и перестают нормально откликаться на внешнюю стимуляцию.
Работу синапсов тонко настраивает аденозин — регуляторная молекула, которая связывается со специальными рецепторами на мембранах клеток. Кофеин выступает природным блокатором этих рецепторов: молекула кофеина временно занимает посадочное место аденозина и не даёт ему передавать сигнал внутрь клетки. Наблюдения за людьми связывали регулярное употребление кофе со снижением риска деменции, однако клеточные механизмы этой связи оставались неясными. Авторы работы проверили, способен ли кофеин предотвратить функциональные сбои в нервных клетках при прямом контакте с токсичным пептидом.
Спасение нейронов и сохранение рецепторов
Первую часть работы биологи выполнили на культурах клеток гиппокампа новорождённых мышей. Исследователи добавили в питательную среду синтетический бета-амилоид в концентрации один наномоль на литр. Токсичный белок заметно ускорил гибель клеток уже через шесть часов, а через пять дней доля погибших нейронов оставалась повышенной. Одновременное введение кофеина в концентрациях от 0,1 до 50 микромолей на литр уменьшило токсический эффект. Наиболее выраженную защиту клетки получили при дозах один и 25 микромолей на литр.
Затем авторы оценили количество белков, управляющих торможением и связыванием аденозина. Общий объём переносчика ГАМК и аденозиновых рецепторов во всей массе клеток не изменился. Однако детальный микроскопический анализ показал, что бета-амилоид избирательно уменьшает плотность тормозных аденозиновых рецепторов первого типа непосредственно на телах нейронов. Кофеин помог сохранить эти рецепторы на мембране.
В экспериментах с радиоактивно меченой ГАМК учёные проследили за скоростью обмена медиатора. Бета-амилоид усиливал раннюю утечку ГАМК из клеток в первые пять минут после нанесения. В культуре, где амилоид присутствовал вместе с кофеином, выход тормозного вещества оставался стабильным и соответствовал уровню контрольных здоровых клеток.
Восстановление импульсов за десять минут
Электрические свойства живых клеток авторы изучили на срезах гиппокампа молодых мышей методом локальной фиксации потенциала. В этом эксперименте тончайший стеклянный микроэлектрод прижимают к мембране отдельного нейрона, чтобы регистрировать проходящие через неё ионные токи и генерацию нервных импульсов.
На срезы нанесли бета-амилоид в дозе 100 наномолей на литр. Уже с пятой минуты пирамидные нейроны зоны CA1 резко снизили частоту генерации разрядов в ответ на подачу электрического тока. В диапазоне умеренной стимуляции клетки вырабатывали меньше спайков, чем здоровые нейроны, и хуже усиливали ответ при росте входящего сигнала. Добавление 25 микромолей кофеина одновременно с амилоидом полностью предотвратило это угнетение.
В серии тестов с отложенным лечением кофеин добавили через полчаса после бета-амилоида, когда нейроны уже замолчали. За десять минут после введения кофеина клетки восстановили нормальную частоту разрядов. Измерения синаптических токов показали, что кофеин также предотвратил кратковременное нарушение соотношения возбуждения и торможения, возникавшее на десятой минуте действия амилоида.
Лабораторные границы и дозировки
Исследование описывает изолированные клеточные процессы и не даёт прямых рекомендаций по питанию или лечению деменции. Опыты проводились на искусственных культурах клеток и срезах мозга самцов мышей, поэтому результаты нельзя переносить на живой человеческий организм без поведенческих и доклинических тестов.
Условия двух частей исследования существенно различались. В культурах клеток выживаемость оценивали после пяти дней воздействия низкой дозы амилоида, а в срезах мозга нейроны подвергали часовому воздействию дозы, увеличенной в 100 раз. Связь между сохранением рецепторов в клеточной культуре и быстрым восстановлением электрических импульсов в срезах пока остаётся теоретической гипотезой: селективные блокаторы рецепторов во время записи электрических токов учёные не применяли.
Защитная концентрация кофеина в 25 микромолей на литр находится на верхней границе фармакологических доз. При обычном употреблении кофе содержание этого вещества в спинномозговой жидкости человека не превышает пяти-десяти микромолей на литр. Попытка поднять уровень кофеина в мозге до значений эксперимента опасна для сердца и сосудистой системы, поэтому авторы рассматривают полученные данные исключительно как основу для разработки будущих лекарственных соединений.
