Литий (от греч. «lithos» — камень) представляет собой мягкий, серебристый щелочной металл с порядковым номером 3 и атомной массой 6,941. В природе литий никогда не встречается в свободном состоянии и существует в виде моновалентного катиона (Li+) в составе различных минералов. Имеется два изотопа данного элемента: Li7 (92%) и Li6 (8%) [1]. В почве литий содержится в следовых количествах (7—200 г/кг). В пресной воде его концентрация составляет 1—10 г/л, в морской — около 0,18 г/л [2]. Включение лития в пищевую цепь происходит за счет поглощения его растениями из почвы и воды. До сих пор физиологическая роль лития изучена мало, также немного известно о его значимости как нутриента.
Первое применение лития как лекарственного препарата зарегистрировано в 1847 г. в качестве средства против подагры. В 1870-х годах датский невролог К. Ланг начал использовать литий для лечения депрессии, полагая, что он способен снижать уровень в крови мочевой кислоты, избыток которой приводит к развитию данного состояния. Начало изучению лития как нормотимика было положено работой австралийского психиатра J. Cade, опубликованной в 1949 г. [3]. В ходе экспериментов на животных им был обнаружен выраженный седативный эффект карбоната лития, который подтвердился и у пациентов с депрессией, манией и шизофренией.
Литий в терапии аффективных расстройств
В 1970 г. литий был одобрен Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) США для лечения острой мании и смешанных состояний при биполярном аффективном расстройстве (БАР), а позднее и для поддерживающего лечения БАР. В настоящее время доказано, что при лечении мании литий более эффективен, чем вальпроаты [4] и оланзапин [5].
Литий рекомендуется как препарат первой линии для лечения депрессии при БАР типа I. Он рекомендован как препарат первой линии для поддерживающей терапии БАР ввиду профилактической эффективности в отношении как мании, так и депрессии [6]. Также литий применяется для лечения униполярной депрессии как препарат аугментированной терапии при лекарственной резистентности, для предотвращения повторных эпизодов рекуррентного депрессивного расстройства и снижения риска суицида при данной психопатологии [7].
Дневная доза лития может варьировать от 900 до 1800 мг в зависимости от индивидуальных особенностей пациента. Обычно доза для острых состояний больше, чем для поддерживающей терапии. Вследствие узкого терапевтического диапазона в начале лечения и по прошествии не менее 5 дней необходим мониторинг его плазменной концентрации: нетоксичной является до 1,2 ммоль/л. Для поддерживающей терапии БАР оптимальной является концентрация 0,4—0,6 ммоль/л, для лечения острых состояний — 0,6—1,2 ммоль/л [8].
Побочные эффекты терапии литием могут наблюдаться уже при терапевтической концентрации. Ввиду этого до начала лечения и после 6 мес терапии рекомендуется оценка: а) функции почек (литий способен снижать реабсорбцию натрия, приводя к снижению почечной функции и повышению собственной концентрации в организме); б) функции щитовидной железы (при терапии часто наблюдается увеличение тиреоидных аутоантител с развитием как тиреотоксикоза, так и гипотиреоза) [9]; в) концентрации кальция в крови (литий способен вызывать гиперкальциемию, повышая реабсорбцию кальция в почках, с последующей активацией синтеза паратиреоидного гормона), г) массы тела и индекса массы тела (при терапии литием наблюдается увеличение массы тела); д) электрокардиограммы (длительная терапия литием способна приводить к увеличению интервала QT) [10].
К частым побочным эффектам также относят тошноту, диарею, тремор рук, жажду, повышенное мочеиспускание, сексуальную дисфункцию. При интоксикации литием наиболее тяжелыми проявлениями являются почечная недостаточность и нефрогенный несахарный диабет [11], аритмия, гипотензия и острая сердечная недостаточность, а также симптомы нарушения функции центральной нервной системы — ЦНС (полинейропатия, дизартрия, атаксия, миоклония, судороги, спутанность сознания). Смертельной является концентрация лития в плазме крови >2,0 ммоль/л. Смерть наступает в результате сильного угнетения ЦНС, в частности дыхательного центра [12].
Молекулярно-ионные взаимодействия лития
В этом разделе обзора обобщены данные литературы, касающиеся взаимодействия лития с ионами и белками живых систем, а также его роль в регуляции активности внутриклеточных сигнальных путей.
Ионные взаимодействия
Благодаря малому радиусу атома и высокой поляризующей способности литий может конкурентно взаимодействовать с ионами натрия, калия, магния и кальция. Это является основным механизмом внутри- и внеклеточного транспорта данного иона. Так как величина заряда иона лития близка к таковой у иона натрия, в живых системах он может вступать с ним в конкурентные взаимодействия, в частности при транспорте через клеточную мембрану. Считается, что основным потенциал-зависимым каналом для лития является Na+/H+-транспортер, несмотря на то, что скорость входа иона лития в клетку в таком случае в 2 раза ниже по сравнению с ионами натрия. Местом транспорта лития за счет вытеснения натрия являются и непотенциал-зависимые натриевые каналы эпителиального класса (ENaC) [13]. Литий способен взаимодействовать с калиевыми каналами, преимущественно блокируя их [14]. Основным механизмом транспорта лития из клетки считается его выход через протонно-натриевый канал, где он способен конкурировать с ионами водорода [15]. Литий способен входить в кальциевые каналы, ингибируя при этом транспорт ионов кальция. Этот момент особенно важен при транспорте ионов лития через митохондриальные мембраны. Взаимодействие с Na+/Ca2+-обменником приводит к снижению ионов кальция в митохондриях клеток мозга, что является защитным эффектом против эксайтотоксичности [16].
За счет близкого по значению атомного радиуса литий и магний способны вступать в конкурентные взаимодействия. В связи с этим, несмотря на большое различие в заряде ионов, они конкурируют за участки связывания в белках-ферментах, где магний выступает в роли естественного кофактора. Вытесняя магний из его сайта связывания, литий меняет конформацию белковой молекулы, снижая ферментативную активность [17].
Взаимодействие с белками
Из сказанного выше следует, что основными белками, с которыми взаимодействует литий, являются магний-зависимые ферменты, для которых этот ион необходим для связывания молекулы АТФ в активном центре. Такое конкурентное взаимодействие найдено для ряда ферментов, в том числе играющих важную роль в нейропротекции.
Первым обнаруженным из таких белков является киназа гликогенсинтазы 3β (GSK-3β). GSK-3β — важный регуляторный фермент, мишенями фосфорилирования которого являются >100 белков, принимающих участие в синтезе белка, метаболизме глюкозы, нейропротекции, нейрогенезе, синаптической пластичности, формировании нейрональной полярности. GSK-3β в значительной степени обеспечивает функцию многих внутриклеточных сигнальных путей, что является одним из факторов разнообразия биологических эффектов лития [18]. Помимо прямого взаимодействия с GSK-3β, литий способен ингибировать ее активность опосредованно, дестабилизируя белковый комплекс Akt/β-аррестин-2/РР2А, формирование которого, в частности, характерно для активации дофаминовых рецепторов типа 2. Активный фермент РР2А (фосфатаза 2A) дефосфорилирует и активирует GSK-3β. Литий, конкурируя с ионами магния, необходимыми для взаимодействия белков Akt и β-аррестина-2 и образования комплекса, в итоге снижает активность РР2А, сохраняя GSK-3β в неактивной фосфорилированной форме [19].
Показано, что в терапевтических концентрациях литий способен ингибировать ферменты инозитолмонофосфатазу (IMPA) и инозитол-фосфат-1-фосфатазу (IPP), участвующие в синтезе фосфатидилинозитол-1,4,5-трифосфата (IP3) — важной сигнальной молекулы [20]. Ингибирование активности GPCRs (рецепторы, сопряженные с G-белками: нейромедиаторные, в частности серотониновые) является еще одним из свойств ионов лития. Натрий вытесняется данными ионами из аллостерических сайтов GPCRs, что приводит к нарушению конформации рецепторов с последующим подавлением их способности проводить сигнал далее в клетку [21].
Влияние на внутриклеточные сигнальные пути
Сигнальные пути представляют собой объединения внутриклеточных молекул, для которых характерна каскадная активация, запускаемая при действии внеклеточных регуляторных стимулов. В основном это белки, относящиеся к классу протеинкиназ, а также мономолекулярные вторичные посредники [22]. Как было сказано выше, ионы лития способны менять конформацию GPCRs, ингибируя их активность. Измененная конформация данных рецепторов приводит к отсутствию активации связанных с ними Gs-белков, запускающих сигнальный путь вторичного посредника цАМФ. Наряду с этим происходит подавление Gs-зависимой активации фосфолипазы C (PLC), превращающей фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат в две сигнальные молекулы: фосфатидилинозитол-1,4,5-трифосфат (IP3) и диацилглицерол (DAG). Снижение IP3 в клетке приводит к инактивации кальций-зависимого сигнального пути, а снижение DAG — к отсутствию активации протеинкиназ класса С, важных регуляторных молекул. Помимо PLC-связанного механизма, литий подавляет IP3-зависимый сигналинг путем ингибирования инозитолмонофосфатазы и инозитол-фосфат-1-фосфатазы, как было упомянуто выше [23].
Wnt-сигнальный путь играет важную роль в функционировании стволовых клеток, регулируя их дифференцировку, пролиферацию, миграцию и гибель. Во взрослом организме он наиболее значим при нейрогенезе в гиппокампе. Данный путь регулирует метаболизм глюкозы, при активации повышая чувствительность клеток к инсулину [24]. Литий способен оказывать влияние на так называемый каноничный Wnt/β-катенин-сигнальный путь, где белок β-катенин является важным транскрипционным фактором. В отсутствии взаимодействия Wnt-лигандов со специфическими рецепторами на клеточной мембране β-катенин образует комплекс с белками Axin1, APC, CK1α и GSK-3β, в котором происходит его фосфорилирование с последующей деградацией. Активация рецепторов для Wnt-белков приводит к дестабилизации комплекса и сохранению β-катенина. По вышеописанному механизму литий ингибирует GSK-3β, делая невозможным фосфорилирование и деградацию β-катенина, тем самым «мимикрируя» действие Wnt-белков [25].
Влияние лития на клеточную физиологию
Взаимодействие лития с ключевыми регуляторными белками (GSK-3β), а также с белками внутриклеточных сигнальных путей (GPCRs, IMPA, IPP) обусловливает множественность эффектов данного иона в отношении клеточной физиологии. В настоящее время считается, что механизм регуляции литием основных клеточных процессов так или иначе будет зависеть от ингибирования GSK-3β, а также цАМФ-, IP3- и Ca2+-зависимых сигнальных путей [26].
Цитопротекция и апоптоз
Цитопротективные свойства лития изначально были изучены в отношении нервной ткани, что подробно будет описано далее. Позднее цитопротекторный эффект данного иона был обнаружен для клеток сердца [27], почек [28] и печени [29] в экспериментах по искусственной ишемии/реперфузии данных органов. Считается, что в основе этого явления лежат стабилизация митохондрий и предотвращение открытия митохондриальных пор повышенной проницаемости (mitochondrial permeability transition pore, mPTP) [30]. Продемонстрирован антиапоптотический эффект лития. Одним из уже названных механизмов является препятствие формированию mPTP и высвобождению из митохондриального матрикса проапоптотического белка цитохрома C. Помимо этого, показаны ингибирующий эффект лития в отношении проапоптотического транскрипционного фактора р53, активирующегося при повреждении ДНК, и стимуляция данным ионом экспрессии антиапоптотического белка Bcl-2 [31, 32].
Пролиферация и дифференцировка
Влияние лития на пролиферацию и дифференцировку доказано в отношении мезенхимальных стволовых клеток (MSC), являющихся предшественниками хондроцитов, остеобластов и адипоцитов. Главный механизм этого явления — активация Wnt/β-катенин-сигнального пути [33]. Показано, что при действии трансформирующего фактора роста β (TGF-β), активирующего дифференцировку MSC в хондроциты, литий в присутствии селективного ингибитора GSK-3β способен усиливать экспрессию специфических генов белков хрящевой ткани и синтез гликозаминогликанов [34]. Определено, что при терапии в MSC человека снижается экспрессия генов, связанных с функционированием адипоцитов и синтезом липидов, при одновременном усилении экспрессии белков, вовлеченных в процесс минерализации. N. Satija и соавт. [35] предположили, что эффект лития зависит от его концентрации и длительности действия. Литий также оказывает влияние на процессы миграции MSC.
В одном из исследований [33] было показано стимулирующее влияние лития на гемопоэз и иммунопоэз. При приеме лития обнаружено усиление гранулоцитопоэза и, как следствие, периферическая нейтрофилия, иногда сопровождаемая незначительным угнетением эритропоэза. Возможным механизмом данного процесса является повышение выработки гранулоцитарного колониестимулирующего фактора (G-CSF) и усиление его эффектов при применении лития. Антиоксидантные соединения лития также повышают фагоцитарную активность нейтрофилов человека in vitro [36]. Литий оказывает защитное действие на гемопоэтические стволовые клетки при токсическом воздействии противораковых препаратов и радиационном облучении. В работе M. Walasek и соавт. [37] была отмечена способность лития ингибировать дифференцировку гемопоэтических стволовых прогениторных клеток (HSPC), данный эффект авторы связывают с супрессией генов, участвующих в дифференцировке при одновременном сохранении экспрессии генов, связанных с поддержанием клетками стволового состояния.
Основным механизмом, объясняющим гемопоэз-индуцирующее действие лития, является ингибирование GSK-3β. В свою очередь GSK-3β фосфорилирует и тем самым инактивирует индуцированный гипоксией фактор 1 (HIF-1). HIF-1 запускает транскрипцию множества генов, связанных с адаптацией к гипоксии, среди которых CXCL12, который формирует важный градиент для возвращения стволовых клеток в трофическую нишу костного мозга. Усиливается функция трофической ниши, что в итоге приводит к увеличению продукции нейтрофилов, тромбоцитов и CD34+-клеток, наблюдаемому при воздействии лития [38].
Синтез белка
Литий способен влиять на процессы синтеза белка, тем самым затрагивая клеточный белковый гомеостаз. Однако этот эффект не однонаправленный и зависит от модели эксперимента. Так, в эксперименте in vitro на клеточной линии нейробластомы человека показан стимулирующий эффект данного иона на процесс элонгации в результате ингибирования GSK-3β-зависимого фосфорилирования белка eEF2 (эукариотический фактор элонгации 2) [39]. В экспериментах in vivo продемонстрирован ингибирующий эффект лития на белковый синтез, в том числе на моделях неврологических заболеваний [40, 41]. Точные механизмы этого процесса не изучены. Предполагается, что снижение активности синтеза белка литием позволяет клетке «перераспределить» энергию на поддержание гомеостаза одновременно с усилением процессов формирования третичной и четвертичной белковых структур, а также деградации «дефектных» белков [20].
Аутофагия
Вовлеченность лития в процесс аутофагии продемонстрирована в ряде исследований. Аутофагия — процесс, при котором часть цитоплазмы (вплоть до размеров органелл) «упаковывается» в так называемые аутофагосомы, которые затем сливаются с лизосомами и подвергаются деградации. В основном этот процесс, носящий протективный для организма характер, наблюдается при недостатке нутриентов либо факторов роста. Аутофагия также важна для элиминации патогенных белков, например β-амилоида, поэтому ее нарушение считается одним из факторов патогенеза нейродегенеративных заболеваний [42]. Индукция литием аутофагии осуществляется через ингибирование фермента IMPA и подавление IP3-сигнального пути в обход физиологического механизма, связанного с угнетением mTOR-сигнального пути. Исследования показали эффективность лития при лечении нейродегенеративных заболеваний, например болезни Альцгеймера, что связывают, в частности, с его способностью к индукции аутофагии [43].
Окислительный стресс
Подавление процессов окислительного стресса литием и снижение чувствительности клетки к действию активных форм кислорода было обнаружено in vivo в ряде экспериментальных моделей [44, 45]. Показано, что данный ион активирует экспрессию ряда антиоксидантных ферментов: каталазу, гемоксигеназу-1, хиноноксидоредуктазу 1, глутатионтрансферазы D1 и D2, а также повышает уровни НАДФ-Н и глутатиона [44, 46]. Одним из ключевых механизмов антиоксидантного эффекта лития является стимуляция экспрессии транскрипционного фактора Nrf2. Этот белок является своеобразным сенсором, активирующимся при окислительном стрессе и провоспалительных стимулах, и запускающим транскрипцию ряда генов, содержащих так называемые ARE (Antioxidant Response Element, фрагмент антиоксидантного ответа), для предотвращения гиперактивации окислительных процессов [47]. Перспективным направлением является использование органических солей лития, в которых анион солевого остатка, обладая антиоксидантными свойствами, потенцирует данный эффект иона лития [48—52].
Воспаление
Влияние лития на воспалительные процессы тесно связано с установленным действием на иммунную систему и пролиферацию клеток. Показано, что применение лития приводило к снижению экспрессии провоспалительных цитокинов в островках поджелудочной железы на модели диабета у крыс [53]. В экспериментах in vitro показано, что длительная инкубация с хлоридом лития в субтерапевтических концентрациях способна модифицировать секрецию про- и противовоспалительных интерлейкинов в совместных культурах нейронов коры и гиппокампа с глиальными клетками со сдвигом в сторону противовоспалительных [54]. В моделях септического воспаления на животных литий снижал продукцию фактора некроза опухолей α (TNF-α), а также интерлейкинов 1 и 6, нивелируя гистопатологические изменения в тканях [55].
Противовоспалительный эффект лития также осуществляется за счет регуляции процессов клеточного иммунитета. Показано, что использование лития в моделях на животных приводит к подавлению активности натуральных киллеров (NK), а также к снижению содержания цитотоксических CD8+ Т-лимфоцитов у пациентов. Редукция трансэпителиальной миграции макрофагов в очаг воспаления за счет регуляции Wnt/β-катенин-сигнального пути является еще одним противовоспалительным действием лития [56].
Исследования индуцированного нейровоспаления на крысах выявили, что противовоспалительное действие лития опосредуется также снижением продукции простагландинов. На возможность прямого влияния лития на развитие воспалительных процессов указывает ингибирование циклооксигеназы и образуемых при ее участии производных арахидоновой кислоты [57].
Роль лития в регуляции функции нервной ткани
В этом разделе рассматриваются нейропротекторные свойства лития, а также его эффекты на пролиферацию и дифференцировку нервных клеток и нейротрансмиссию.
Нейропротекция
Нейропротекторный эффект лития показан для культур клеток, животных моделей (нейродегенеративные заболевания, инсульт), а также в отношении пациентов с БАР. Данный ион оказывает свое защитное действие в нейрональных культурах клеток при различных стрессовых факторах: эксайтотоксичности, присутствии β-амилоида, действии колхицина, недостатке питательных веществ [58]. Воздействие лития улучшает адаптацию к стрессу на моделях in vitro и in vivo [59]. Нейропротекторное действие солей лития было показано M. Fan и соавт. [60]1 на модели инсульта на мышах. Клинические исследования подтверждают наличие нейропротекторных эффектов лития у пациентов после инсульта, что проявляется, в частности, ускорением восстановления моторных функций [61]. У больных БАР при терапии литием, по данным МРТ, наблюдаются такие структурные изменения в головном мозге, как уменьшение миндалины, увеличение объема серого вещества, уменьшение объема желудочков, нормализация структуры белого вещества, вероятной причиной которых считают нейропротекторное действие лития [62]. При этом обнаружена корреляция эффективности терапии литием с данными изменениями.
Наряду с общими для всех клеток защитными механизмами, описанными выше, нейропротекция литием связана с усилением экспрессии мозгового нейротрофического фактора (BDNF). Помимо экспериментальных моделей, данный эффект обнаружен и у больных БАР. Показано, что для этих пациентов характерна сниженная по сравнению со здоровыми концентрация BDNF в сыворотке крови, нормализующаяся при терапии литием [63]. Литий также способен повышать экспрессию таких защитных белков, как инсулиноподобный фактор роста (IGF) [64] и глиальный ростовой фактор (GDNF) [65]. Стоит отметить, что нейропротекторное действие лития может значительно варьировать в зависимости от вида соли, используемой в эксперименте [66].
Нейрогенез
Активация Wnt/β-катенин-сигнального пути — основной механизм стимуляции литием пролиферации и дифференцировки нейрональных клеток-предшественников. Длительное (от 7 до 28 дней) воздействие лития в экспериментах in vivo продемонстрировало стимуляцию нейрогенеза в зубчатой извилине гиппокампа как защитного эффекта против стрессовых факторов, таких как инсульт [67]. Позднее было показано, что литий стимулирует нейрогенез только в присутствии стрессовых факторов [68]. Помимо влияния на пролиферацию, литий оказывает стимулирующий эффект на миелинизацию нервных волокон за счет активации экспрессии липофилина (PLP) и основного белка миелина (MBP) [69—70], а также на процессы формирования цитоскелета зрелых нейронов, что обусловливает их рост и ветвление [71].
Нейротрансмиссия
Литий способен оказывать влияние на нейротрансмиссию. Речь идет в первую очередь о нейротрасмиссии, связанной с дофамином и серотонином. Как было продемонстрировано выше, литий способен блокировать проведение сигнала от D2-дофаминовых рецепторов через ингибирование формирования белкового комплекса Akt/β-аррестин-2/РР2А, необходимого для активации GSK-3β [19]. Наряду с этим данный ион подавляет функцию дофаминового транспортера. Предполагается, что данный эффект может быть одним из механизмов антиманиакального действия лития. Обнаружена стимуляция высвобождения серотонина из серотонинергических нейронов с одновременным ингибированием экспрессии триптофангидроксилазы 2 (ТРН2) [71] и активности серотонинового транспортера. В целом как исследователи, так и клиницисты сходятся на мысли, что влияние на моноаминовую нейротрансмиссию не является основополагающим компонентом в действии лития.
В экспериментах на культуре клеток было показано, что литий активирует экспрессию генов, вовлеченных в глутаматергическую нейротрансмиссию [72]. При терапии у пациентов с БАР данный ион способен снижать уровень глутамата в гиппокампе [73]. Постсинаптически литий снижает фосфорилирование субъединиц NMDA-рецепторов в префронтальной коре и вентральном стриатуме [74] и снижает NMDA-индуцированное повреждение цитоскелета нейронов [75]. Обнаружен долговременный эффект активации литием NMDA-рецепторов, заключающийся в стимуляции серотонинергической и подавлении дофаминергической нейротрансмиссии, в свою очередь приводящий к инактивации NMDA-рецепторов [76]. В целом сложно определить направленность эффекта лития на глутаматергическую нейротрансмиссию. Вероятно, он обладает неким стабилизирующим эффектом в ее отношении, активируя при кратковременном действии и ингибируя при длительном.
Влияние лития на другие типы нейротрансмиссии изучено мало. Показан стимулирующий эффект данного иона ГАМКергической трансмиссии. Вероятно, этот эффект не прямой, а опосредованный ингибированием нейротрансмиссии глутамата [77]. В работе J. van Enkhuizen и соавт. [78] найдено, что одним из механизмов антидепрессивного эффекта лития может быть усиление холинергической нейротрансмиссии.
Заключение
Таким образом, несмотря на узкий терапевтический диапазон, обилие побочных эффектов, а также вероятность тяжелой интоксикации, литий на сегодняшний день является одним из наиболее эффективных нормотимиков. Его эффективность для пациента как при острых состояниях, так и при поддерживающем лечении БАР в итоге перевешивает негативные эффекты. На данный момент накоплено большое количество информации, касающейся биологических эффектов лития (от молекулярного до органного) и механизмов их реализации. Однако найти корреляцию между экспериментальными данными и клиническими эффектами представляется проблематичным. В связи с этим важной проблемой для дальнейших исследований является разработка вопросов трансляции полученных фундаментальных данных о механизмах патогенеза БАР и действия лития в клиническую практику для оптимизации терапии данным препаратом: повышения эффективности и снижения частоты и выраженности побочных эффектов.
Наряду с этим важным остается развитие новых перспективных направлений терапевтического применения лития, в частности использование его нейропротекторных свойств при нейродегенеративных заболеваниях, а также при стимуляции гемопоэза в сочетанной терапии иммунодефицитов и радиотерапии и т.п.
Обзор подготовлен в рамках выполнения гранта РНФ №17-75-20045 «Действие органических солей лития на клетки и плазму крови больных с расстройствами аффективного спектра и синдромом зависимости».
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
1Такого рода данные имеются и в отечественных материалах. Патент РФ на изобретение №2675601/20.12.2018. Бюл. №35. Плотников Е.В., Литвак М.М. «Средство, обладающее противоинсультным действием».