Коэнзим Q10 и эмбриональное развитие: потенциальная роль в репродуктивной медицине

Введение / Introduction

Нарушения эмбриогенеза и течения беременности зависят от множества факторов, включая материнские факторы (например, дисплазия матки, репродуктивные инфекции, аллоиммунные нарушения, эндокринная дисфункция), факторы окружающей среды (физические, химические, вредные привычки и т. д.), а также генетические отклонения [1][2]. Среди них наследственные генетические дефекты, такие как генные мутации, могут привести к нарушению сперматогенеза, плохому качеству яйцеклеток, дефектам плаценты, задержке роста и другим нарушениям эмбрионального развития, которые являются основными причинами самопроизвольного аборта [3]. Поскольку аутофагия, вызванная оплодотворением, разрушает отцовские митохондрии, именно материнские митохондрии обеспечивают энергией эмбрион посредством окислительного фосфорилирования перед имплантацией бластоцисты [4][5]. После имплантации бластоцисты внутриклеточная энергия в основном поступает за счет гликолиза [6]. Таким образом, очевидна важная роль митохондрий в обеспечении энергией эмбриогенеза. Действительно, мутации в генах, участвующих в обеспечении эмбриона энергией, таких как CОQ10 (англ. coenzyme Q10; коэнзим Q10) [7], NRASG12D (англ. N-retrovirus associated DNA sequence; N-последовательность ДНК, ассоциированная с ретровирусом) [8] и RAB1a (англ. RAS-related protein Rab-1A; ассоциированный с RAS белок Rab-1A) [9], связаны с отклонениями в эмбриогенезе, приводящими к прерыванию беременности. Кроме того, митохондриальная дисфункция была связана с различными аномалиями развития у новорожденных и детей раннего возраста, вызванными генетическими нарушениями, такими как гломерулопатия, ассоциированная с геном ADCK4 (англ. AarF domain-containing kinase 4; киназа 4, содержащая домен AarF) [10], и синдромом ломкой Х-хромосомы (англ. fragile X syndrome, FXS) [11], что усиливает внимание к дальнейшему изучению взаимосвязи между митохондриями и эмбриогенезом.

Нарушения на любой из стадий эмбрионального развития могут быть причиной неблагоприятных репродуктивных исходов. На сегодняшний день роль CoQ10 в эмбриогенезе недостаточно полно освещена в литературе, что делает актуальным проведение дальнейших исследований в данной области. В настоящем обзоре обсуждается влияние CoQ10 на разных стадиях внутриутробного развития плода, включая созревание яйцеклеток и органогенез. Представленные данные помогут глубже понять патогенетические аспекты нарушения эмбриогенеза и потенциальную роль CoQ10 в улучшении репродуктивных результатов.

Физиология CoQ10 / CoQ10 physiology

Коэнзим Q10 – это липидная молекула, состоящая из бензохинонового кольца и изопреноидных цепей, которая широко распространена в клеточных мембранах всех эукариотических клеток. CoQ10 участвует в окислительно-восстановительных реакциях, принимая или отдавая 2 электрона или протона, и может присутствовать в окисленной форме (убихинон), восстановленной форме (убихинол) и свободнорадикальном промежуточном состоянии (убихиноновый радикал) [12][13]. CoQ10 считается ключевым переносчиком электронов в митохондриальной цепи переноса электронов (ЦПЭ) посредством переноса электронов в комплекс III из комплекса I или комплекса II [12]. Количество изопреновых единиц в CoQ варьирует у разных видов: 6 изопреновых единиц образуют CoQ6 у Saccharomyces cerevisiae, 8 изопреновых единиц CoQ8 – у Escherichia coli, а у человека CoQ10 содержит 10 изопреновых единиц [14].

Коэнзим Q10 в тканях в основном вырабатывается внутриклеточными биосинтетическими путями, которые включают по меньшей мере 11 генов CОQ. Изопреноидные цепи образуются по мевалонатному пути, который приводит к образованию фарнезилпирофосфата (ФПП) – субстрата для синтеза CoQ10. Головная группа CoQ представляет собой бензохиноновое кольцо, полученное из 4-гидроксибензоата (англ. 4-hydroxybenzoate, 4-HB), который преобразуется из тирозина. Гетеротетрамер, состоящий из субъединицы 1 пренилдифосфатсинтазы (англ. prenyldiphosphate synthase subunit 1, PDSS1) и субъединицы 2 декапренилдифосфатсинтазы (англ. decaprenyl-diphosphate synthase subunit 2, PDSS2), участвует в сборке хвостовых субъединиц в митохондриях. Все начинается с объединения головной и хвостовой субъединиц C3 во внутренней мембране митохондрий с помощью COQ2, последовательности модификации предложенных CoQ-групп в соответствии с химической логикой электрофильного ароматического замещения. Впоследствии гидроксилаза COQ6 вводит гидроксильную группу в субъединицу C5, которая дополнительно модифицируется метилтрансферазой COQ3. Затем в субъединице C1 образуется DDMQ10 (англ. 3-decaprenyl-5-methoxy-1,4-benzenediol; 3-декапренил-5-метокси-1,4-бензолдиол) после гидроксилирования неизвестными ферментами, за которым следует несколько дополнительных модификаций, включая метилирование в субъединице C2 с помощью COQ5, гидроксилирование в субъединице C6 с помощью COQ7 и окончательное О-метилирование в субъединице C6 с помощью COQ3 для получения полностью функциональной молекулы CoQ10 [15].

В дополнение к эндогенному синтезу организм также усваивает CoQ10 из различных животных белков, овощей и фруктов, особенно из куриных ножек и сердец [16]. Прием добавок, содержащих CoQ10, также является эффективной стратегией повышения уровня CoQ10 в плазме крови. Тонкий кишечник является основным местом всасывания CoQ10, где окисленная форма убихинона всасывается менее эффективно, чем восстановленная. Однако всасывание убихинона значительно повышается при совместном приеме с пищей, содержащей липиды. После всасывания в тонком кишечнике CoQ10 поступает в кровоток, связывается с липопротеидами плазмы и транспортируется в различные ткани организма человека. CoQ10 в основном содержится в сердце, почках, печени, мышцах и других тканях с высокой скоростью метаболизма и большим содержанием митохондрий [17].

Коэнзим Q10 играет важную роль в функционировании ЦПЭ, передавая электроны для создания электрохимического градиента в митохондриях, которые, в свою очередь, продуцируют АТФ в присутствии АТФ-синтазы. Примечательно, что помимо процесса окислительного фосфорилирования, CoQ10 получает электроны от митохондриальных дегидрогеназ для обеспечения энергией ЦПЭ во многих процессах. Таким образом, CoQ10 играет решающую роль в углеводном и липидном обмене. Он получает электроны от флавопротеиддегидрогеназы (ФПДГ) и митохондриальной глицерол-3-фосфатдегидрогеназы (ГФДГ) в процессе β-окисления жирных кислот. CoQ10 участвует в детоксикации сульфидов и помогает митохондриям вырабатывать АТФ, принимая электроны от сульфидхиноноксидоредуктазы (СХОР). Он также принимает электроны от пролиндегидрогеназы 1 (ПДГ1) и пролиндегидрогеназы 2 (ПДГ2) в процессе катаболизма аминокислот. Кроме того, CoQ10 получает электроны от дигидрооротатдегидрогеназы (ДГОДГ) и участвует в синтезе уридина [18].

В дополнение к вышеупомянутым функциям CoQ10 действует как антиоксидант, регулирующий количество активных форм кислорода (АФК) в митохондриях, выполняя протективную функцию в отношении окислительного стресса и перекисного окисления липидов. Также было высказано предположение, что CoQ10 оказывает протективное действие в процессе формирования сердца, ингибируя открытие поры, вызывающей переход мембраны митохондрий в состояние высокой проницаемости (англ. mitochondrial permeability transition pore, mPTP), для поддержания мембранного потенциала митохондрий и окислительного фосфорилирования [19].

Физиологические аспекты эмбриогенеза / Physiological aspects of embryogenesis

Эмбриогенез – это процесс, в ходе которого зигота развивается в новую особь путем ряда сложных преобразований. Оплодотворение завершается, когда мужской пронуклеус соединяется с женским. После оплодотворения зигота делится на двухклеточный эмбрион, четырехклеточный эмбрион и восьмиклеточный эмбрион, постепенно образуя морулу. Жидкость, выделяемая бластомером, скапливается в межклеточном пространстве и образует полость бластоцисты в центре эмбриона. По мере расширения полости бластоцисты скорость дифференцировки клеток снижается, и потенциал развития клеток у эмбриона на 16-клеточной стадии ограничен, что приводит к образованию двух клеточных линий – трофэктодермы (ТЭ) и внутренней клеточной массы (ВКМ) [20]. ТЭ участвует в формировании плаценты. Клетки ВКМ делятся и дифференцируются, образуя желточный мешок, аллантоис и амниотические складки, которые разделяют эмбрион и обеспечивают прямой путь обмена веществ между матерью и плодом [21]. Кроме того, клетки ВКМ развиваются в системы органов, такие как головной и спинной мозг, кости и кожа [22].

Адекватное энергообеспечение имеет решающее значение в процессе эмбрионального развития. Митохондрии могут вырабатывать АТФ с помощью ЦПЭ, обеспечивая энергией клеточную активность во время эмбрионального развития. Яйцеклеткам требуется высокий уровень энергии для прохождения мейоза и полного оплодотворения, что в значительной степени зависит от митохондрий. Во время развития яйцеклетки митохондрии группируются вокруг конденсированного хроматина и веретена и мигрируют в протопласт после оплодотворения посредством регуляции работы микротрубочек. Было обнаружено, что уровень АТФ в оплодотворенных зиготах выше, чем в неоплодотворенной яйцеклетке, что указывает на то, что нарушение окислительного фосфорилирования митохондрий и снижение синтеза АТФ могут привести к дефектному оплодотворению яйцеклетки [23].

Митохондрильная ДНК (мтДНК) может быть использована в качестве биомаркера оценки качества яйцеклетки и результатов ее оплодотворения. Неоплодотворенные яйцеклетки содержат примерно на 100 тыс. копий мтДНК больше, чем оплодотворенные яйцеклетки [24]. Учитывая, что аэробное дыхание эукариот полностью зависит от функции митохондрий, любая мутация в мтДНК или митохондриальных генах, кодируемых ядром, может вызвать митохондриальную дисфункцию, приводящую к различным патологическим последствиям, включая эмбриональную смертность.

Сдвиги мембранного потенциала митохондрий важны для системы дыхательной цепи и органелл, которые регулируют динамический кальциевый гомеостаз. Процесс переноса электронов в дыхательной цепи митохондрий также известен как транслокация протонов. В основном, протоны перекачиваются из митохондриального матрикса через внутреннюю митохондриальную мембрану, образуя протонный градиент для накопления энергии для последующего преобразования АДФ в АТФ ферментами дыхательной цепи [25]. Митохондриальная активность в яйцеклетках снижается с возрастом и потенциалом эмбрионального развития. Исследования показали, что в незрелых ооцитах митохондрии распределены диффузно со сниженной активностью, в то время как в зрелых ооцитах митохондрии высокоактивны и распределены по всей цитоплазме [26]. Далее было продемонстрировано, что митохондрии играют решающую роль в эмбриональном развитии.

Роль CoQ10 в эмбриональном развитии / Role of CoQ10 in embryonic development

Влияние CoQ10 на оогенез / CoQ10 effect on oogenesis

Было высказано предположение, что качество яйцеклеток является одним из наиболее важных факторов, влияющих на исход беременности при экстракорпоральном оплодотворении (ЭКО) и переносе эмбрионов. Снижение фертильности в основном связано со старением яичников в процессе роста и развития, что приводит к снижению количества и качества яйцеклеток. Большинство женщин постепенно истощают пул яйцеклеток, вырабатываемый в течение их жизни, с сопутствующим увеличением числа дефектных яйцеклеток – процесс, известный как физиологическое старение яичников, заключительной стадией которого является менопауза [27]. Однако у некоторых женщин наблюдается преждевременное снижение фертильности [28].

После овуляции яйцеклетка продолжает подвергаться мейозу I и остается во второй метафазе мейоза (MII) для формирования зрелой яйцеклетки, что является одним из основных факторов, влияющих на женскую фертильность. Цитоплазма яйцеклетки содержит белки, РНК, метаболиты и органеллы, особенно митохондрии, необходимые для оплодотворения яйцеклетки и эмбрионального развития [29][30]. Было продемонстрировано, что микроинъекции митохондрий в оплодотворенную яйцеклетку предотвращали апоптоз и улучшали рост эмбрионов у мышей [31].

Клетки кумулюса содержат факторы роста, липиды и даже метаболиты, которые поддерживают рост яйцеклеток в процессе их развития [32][33]. Недостаток питательных веществ, поступающих из клеток кумулюса, влияет на созревание яйцеклеток. Недавние исследования показали, что состав фолликулярной жидкости играет важную роль в росте яйцеклеток. Окислительный стресс во время старения изменяет микроокружение фолликулярной жидкости [34] и значительно нарушает процесс развития яйцеклеток. Это инициирует ряд каскадов, связанных с качеством яйцеклеток, что приводит к активации путей апоптоза [35][36]. С другой стороны, уровень CoQ10, содержащегося в фолликулярной жидкости, сильно коррелировал с качеством яйцеклеток. Уровень CoQ10 у самок млекопитающих снижался с возрастом [37]; однако препарат, содержащий CoQ10, улучшал качество яйцеклеток, функцию митохондрий и способствовал эмбриональному развитию [38][39].

Роль CoQ10 в созревании яйцеклеток / CoQ10 role in oocyte maturation

Фолликулярная жидкость содержит ряд компонентов, вырабатываемых в процессе метаболизма, которые содержат более 200 белков, необходимых для роста фолликулов. Эти белки способствуют созреванию яйцеклетки и защищают фолликул от оксидативного повреждения [40]. Исследования показали, что CoQ10 транспортируется в плазму с помощью липопротеинов. Повышенный уровень липопротеинов в фолликулярной жидкости значительно улучшает способность транспортировать CoQ10 и повышает его антиоксидантную активность. Пероральный прием добавок CoQ10 (200  мг/сут) в течение 30 дней значительно увеличивал успех оплодотворения зрелых яйцеклеток у пожилых (старше 35 лет) участниц, проходивших процедуру ЭКО: 88 % против 74 % в контрольной группе, не получавшей лечения. Статус зигот также значительно улучшился – 82 % в I классе, 18 % во II классе против 60 % в I классе, 25 % во II классе и 15 % в III классе. Кроме того, добавление CoQ10 повышало уровень липопротеидов высокой плотности и снижало содержание антиоксидантов, но увеличивало антиоксидантную способность фолликулярной жидкости, способствуя созреванию яйцеклеток и репродуктивному успеху [41]. C.H. Lee с соавт. продемонстрировали, что нанесение 50 мкмоль CoQ10 в процессе культивирования ооцитов мышей in vitro эффективно снижало уровень АФК в клетках; в то же время способность яйцеклеток к созреванию in vitro была увеличена с 48,9 до 75,7 % [42].

L. Yang с соавт. сообщили, что добавление в среду для созревания 50 мкмоль CoQ10 увеличивало созревание ядер и снижало уровень АФК и ранний апоптоз в ооцитах свиней. Дальнейшие исследования мембранного потенциала митохондрий и синтеза АТФ показали, что CoQ10 изменяет распределение митохондрий и способствует синтезу АТФ, тем самым улучшая функцию митохондрий и, в конечном счете, мейотическое созревание и последующее развитие яйцеклеток, особенно с дефектами [43]. Эти данные предполагают, что CoQ10 может воздействовать непосредственно на яйцеклетки, улучшая их качество, изменяя активность митохондрий и способствуя созреванию ядер. В соответствии с этими данными, A. Heydarnejad с соавт. сообщили, что зрелые овечьи яйцеклетки, обработанные умеренным количеством CoQ10, демонстрировали улучшение массы и распределения митохондрий [44]. Экспрессия трех основных маркеров апоптоза – BAX(англ. Bcl-2-associated X protein; Bcl-2-ассоциированный X-протеин), внутриклеточного белкового фактора BCL2(англ. B-cell leukemia/lymphoma 2; B-клеточная лейкемия/лимфома 2) и каспазы 3 была значительно снижена, тогда как экспрессия маркеров качества клеток GDF9 (англ. growth differentiation factor 9; фактор дифференцировки роста 9) и BMP15 (англ. bone morphogenetic protein 15; костный морфогенетический белок 15) была повышена в ооцитах или кумулюсных клетках, обработанных CoQ10, по сравнению с контрольной группой. Эти данные указывают на то, что CoQ10 может быть отличным кандидатом для улучшения качества яйцеклеток и таким образом способствовать развитию эмбриона [44][45].

Кроме того, стоит отметить, что дозировка добавок CoQ10 влияет на физиологические репродуктивные процессы у овец. Добавление 15–30 мкмоль CoQ10 в среду для созревания увеличивало способность ооцитов к развитию с точки зрения образования бластоцист и качества эмбрионов, которые были снижены при введении 50 мкмоль CoQ10 [44]. Это указывает на то, что чрезмерное потребление СоQ10 имеет определенные негативные последствия, и для благотворного влияния на развитие яйцеклеток требуется определенное количество CoQ10. M. Gendelman и Z. Roth также обнаружили, что добавление 50 и 100 мкмоль CoQ10 оказывало различное влияние на скорость образования бластоцист в разные времена года [46]. Введение 50 мкмоль CoQ10 повышало, в то время как введение 100 мкмоль CoQ10 снижало способность яйцеклеток к оплодотворению, делению и образованию бластоцист зимой. Кроме того, добавление 50 мкмоль CoQ10 не влияло на качество яйцеклеток, но улучшало поляризацию митохондрий в яйцеклетках класса I и повышало экспрессию генов, связанных с митохондриями, таких как MTND2P1 (англ. mitochondrially encoded NADH pseudogene 1; псевдоген 1, кодируемый митохондриями NADH), SDHD (англ. succinate dehydrogenase complex subunit D; комплексная субъединица D сукцинатдегидрогеназы), CYTB (англ. cytochrome B; цитохром B), MT-CO2 (англ. mitochondrially encoded cytochrome C oxidase II; митохондриально кодируемая цитохром С-оксидаза II) и ATP5B (англ. ATP synthase F1 subunit beta; бета-субъединица АТФ-синтазы F1). Эти данные также указывают на то, что дозировка CoQ10 имеет решающее значение для развития и созревания яйцеклеток и что благоприятный эффект может быть достигнут путем мониторинга окислительного статуса яйцеклеток [46].

Роль CoQ10 в старении ооцитов / CoQ10 role in oocyte aging

Существует 2 типа старения яйцеклеток: первый – постовуляторное старение, которое происходит, когда яйцеклетка не завершает оплодотворение в течение оптимального времени при MII [44]; и второй – репродуктивное или материнское старение, которое происходит, когда яйцеклетка находится в стареющей среде до овуляции [47].

Одной из основных оценок качества ооцитов является оценка морфологии и целостности ооцитов. Фрагментация клеток и потеря потенциала к развитию являются обычным явлением в стареющих ооцитах, а показатели фрагментации и смертности увеличиваются с возрастом [48]. Яйцеклетки с большей вероятностью подвергаются разрушению веретена во время постовуляторного мейоза. Актиновые микрофиламенты необходимы для позиционирования веретена во время мейоза и защищают материнские хромосомы от повреждения во время проникновения сперматозоидов [49]. Сообщалось, что обработка культивируемых ооцитов in vitro 50 мкмоль CoQ10 минимизирует потерю актиновой оболочки в старых ооцитах, тем самым улучшая их качество [50]. Это говорит о том, что CoQ10 улучшает постовуляторное качество в старых яйцеклетках, на которое может влиять распределение актиновых микрофиламентов.

Сиртуин 4 (англ. sirtuin 4, SIRT4), NAD⁺-зависимый фермент, регулирует функцию митохондрий и поддерживает клеточный метаболизм [51]. Уровень SIRT4 резко повышался во время старения яйцеклеток, что приводило к недостаточному перераспределению митохондрий и апоптозу, тогда как нокдаун SIRT4 значительно снижал скорость неправильного распределения митохондрий и генерации АФК [52]. CoQ10 (10 мкмоль) после 12-часового введения восстанавливал аномальную морфологию, вызванную старением ооцитов, тогда как сверхэкспрессия SIRT4 снижала эффективность CoQ10 [53]. Эти данные указывают на то, что CoQ10 может поддерживать функцию митохондрий в стареющих яйцеклетках, изменяя экспрессию SIRT4, тем самым задерживая старение яйцеклеток и улучшая эмбриональное развитие.

Экспрессия PDSS2 и CОQ6, которые связаны с синтезом CoQ10, была снижена в незрелых яйцеклетках пожилых мышей и женщин. Дальнейшие исследования показали, что дыхательный пул митохондрий, АФК и АТФ были значительно снижены, а в некоторых яйцеклетках даже наблюдалось смещение хромосом, что указывает на то, что нарушение пути биосинтеза CoQ10 может повлиять на потенциал развития яйцеклеток. Подкожное введение CoQ10 в дозе 22 мг/кг 3 раза в неделю в течение 12 недель обратило эти эффекты вспять, восстановило активность митохондрий в яйцеклетках и улучшило показатели овуляции и зачатия у женщин [54]. Кроме того, в кумулятивных клетках, окружающих яйцеклетки, наблюдалась сниженная экспрессия белков, участвующих в процессе окислительного фосфорилирования [55]. Экспрессия PDSS2 и CОQ6, которые участвуют в синтезе CoQ10, снижалась с возрастом как в ооцитах, так и в кумулюсных клетках, что свидетельствует о дефиците CoQ10 как в старых ооцитах, так и в кумулюсных клетках. Дефицит CoQ10 может привести к уменьшению количества кумулюсных клеток вокруг каждой яйцеклетки и снижению всасывания глюкозы у старых мышей. Еженедельное введение CoQ10 в дозе 0,084 мг/кг в течение 12 недель улучшало репродукцию и развитие пожилых мышей за счет снижения смертности яйцеклеток, увеличения количества окружающих клеток кумулюса и улучшения усвоения глюкозы за счет увеличения дыхательного пула митохондрий [56]. Однако неясно, влияет ли комбинация кумулюсных клеток и яйцеклеток или же каждый тип клеток в отдельности на увеличение способности к развитию при добавлении CoQ10.

Влияние CoQ10 на органогенез / CoQ10 effect on organogenesis

Помимо способности половых клеток к росту и созреванию, адекватное развитие различных систем органов является важной частью эмбриогенеза. Несколько недавних клинических исследований показали, что мутации в генах, связанных с синтезом CoQ10, таких как PDSS1, COQ2, COQ4, COQ6 и COQ9, приводят к дефициту CoQ10, что, в свою очередь, ведет к аномальному развитию различных органов и систем плода или даже к гибели эмбриона [57–61].

Роль CoQ10 в органогенезе мочеполовой системы / CoQ10 role in genitourinary system organogenesis

Почки являются органом гомеостаза, необходимым для поддержания баланса жидкости в организме. Органогенез мочевыделительной системы является относительно сложным процессом, и аномальный нефрогенез может привести к целому ряду заболеваний [62].

Сообщалось, что у 50 % младенцев с дефицитом COQ2 или COQ6 заболевание почек развилось в течение 15 месяцев жизни, в то время как у 50 % детей с дефицитом COQ8В заболевание протекало бессимптомно к 9 годам. Нефротическая протеинурия наблюдалась у 85,7, 86,1 и 71,7 % пациентов с дефектами CОQ2, CОQ6 и CОQ8B, соответственно. У 40 % детей с дефицитом CoQ6 наблюдалась хроническая болезнь почек (ХБП) средней степени тяжести, а у 20 % этих пациентов – терминальная стадия ХБП [63]. Эти данные демонстрируют тесную связь между CoQ10 и функцией почек.

Протеинурия является одним из наиболее распространенных симптомов нефропатии. У 3-летнего мальчика с изолированной протеинурией была диагностирована гломерулопатия, ассоциированная с ADCK4. Анализ с помощью световой микроскопии установил незначительные клубочковые аномалии в почечной ткани, а данные электронной микроскопии выявили гиперплазию и гипертрофию митохондрий. Протеинурия постепенно уменьшалась в течение 3 месяцев лечения CoQ10 в дозе 15 мг/кг массы тела в сутки, а скорость клубочковой фильтрации нормализовалась после 5-месячного лечения. Это открытие указывает на то, что поддержка CoQ10 может помочь в лечении пациентов с мутациями в ADCK4. Однако для точной оценки долгосрочного эффекта необходимо увеличить время наблюдения [64].

У молодого пациента с гломерулярным заболеванием было диагностировано патогенетическое изменение COQ6. Лечение CoQ10 уменьшило выраженность протеинурии и скорость прогрессирования заболевания. Интересно, что, несмотря на ремиссию заболевания клубочков, концентрация CoQ10 в плазме крови не повышалась после ежедневного введения 30 мг/кг CoQ10 и даже снижалась после 6 месяцев лечения. Точный механизм, лежащий в основе этого, неизвестен; однако это открытие дает потенциальное направление для дальнейших исследований механизма CoQ10, обеспечивая при этом лечение связанных с ним заболеваний [65]. В совокупности эти данные указывают на снижение уровня CoQ10 у пациентов, что может привести к раннему развитию аномалий развития почек и их дисфункции.

Роль CoQ10 в нейрогенезе / CoQ10 role in neurogenesis

Развитие нервной системы начинается с утолщения клеток перед примитивной полоской эктодермы, называемой нервной пластинкой, которые складываются и постепенно объединяются, образуя нервную трубку и развиваясь в центральную нервную систему (ЦНС). Этот процесс начинается с последовательности биологических активностей, таких как дифференцировка, пролиферация и миграция клеток, за которыми следует соединение дендритов и аксонов на поверхности клетки с соседними нейронами и глиальными клетками. Нарушения в любом из этих процессов приводят к нарушению работы нервной системы [66].

Синдром ломкой X хромосомы (FXS), наиболее частый генетический признак наследственной умственной отсталости и аутизма, характеризуется нарушением речевого развития, судорогами, импульсивностью и тревожностью. Митохондрии в переднем мозге мышей с мутацией гена FMR1 (англ. fragile X messenger ribonucleoprotein 1) демонстрировали отчетливые аномалии в критический период развития нервной системы. Анализ модульной динамики показал патологическую утечку протонов из митохондрий мышей-мутантов, что вызвало патологическое открытие канала, чувствительного к циклоспорину А (англ. cyclosporine A, CsA), выявленное по данным скрининга специфических ингибиторов утечки протонов. Уровни CoQ10 в переднем мозге мышей с нокаутом гена FMR1 были значительно снижены. Мышам на 9-й день после рождения была проведена перитонеальная инъекция CoQ10 (160 мг/кг). Через 24 часа наблюдалось уменьшение утечки протонов через мембрану митохондрий, а также повышение эффективности дыхания митохондрий и нормализация плотности дендритных корешков. У мышей FXS также улучшилось повторяющееся поведение [67].

Наследственная мозжечковая атаксия – генетически детерминированное неуклонно прогрессирующее поражение мозжечка, связанное с его дегенеративными изменениями, характеризующееся нарушениями походки, дизартрией, головокружением и дисфагией [68]. Исследования, проведенные на молодом пациенте с атаксией, микроцефалией и генерализованной эпилепсией, показали, что уровень CoQ10 в значительной степени связан с неврологическим развитием. Последующая биопсия мышц выявила нарушение комплекса III и существенный дефицит CoQ10 у исследуемого пациента. Затем авторы проанализировали клинические характеристики 6 детей с мозжечковой атаксией и обнаружили, что у всех пациентов были аномалии электроэнцефалограммы и атрофия мозжечка, причем аномалии развития начинались в раннем детстве. Активность комплекса ЦПЭ была недостаточной у 4 из этих пациентов, несмотря на отсутствие существенных изменений в пролиферации митохондрий. Пероральный прием добавок с CoQ10 (300–3000 мг/сут) через 12 месяцев уменьшил мышечную атрофию и улучшил функцию мозжечка у этих детей, при этом двигательная активность улучшилась у 5 из этих детей [69].

R. Rius с соавт. описали клинические случаи неврологических расстройств у новорожденных, ассоциированные с дефицитом CoQ10. Генерализованная эпилепсия была выявлена в возрасте 7 месяцев, легкая атрофия головного мозга – в возрасте 1 года, а уровень лактата в базальных ганглиях был повышен. В возрасте 3 лет были выявлены нарушения зрения и слуха, сопровождавшиеся, среди прочего, периодическими судорогами. Уровень АТФ в клетках повышался после введения 50 мкм CoQ10 [70]. Кроме того, сообщалось, что 2 брата-турка страдали нейросенсорной глухотой и атрофией зрительного нерва, вызванными мутациями в гене COQ6. На основании анализа толщины нейроретинальной оболочки в сочетании с оптическим исследованием у пациента 1 клинически наблюдались двусторонняя нейросенсорная глухота, тяжелые нарушения слуха в возрасте 6 лет, потеря зрения в 17 лет и двусторонний отек дисков зрительных нервов. В экзоне 9-го гена COQ6 была обнаружена чистая миссенс-мутация, основанная на этническом происхождении и характеристиках заболевания. После 2 месяцев приема идебенона, аналога CoQ10 в дозе 15 мг/кг/сут, острота зрения у этих пациентов улучшилась, а отек дисков зрительных нервов исчез. Однако у пациента 2, младшего брата пациента 1, у которого в возрасте 4 лет была диагностирована нейросенсорная глухота, не наблюдалось существенных изменений слуха в возрасте 7 лет после 13 месяцев приема идебенона в дозе 10 мг/кг в день, но при этом не отмечалось никаких новых офтальмологических или неврологических симптомов [71], хотя оба они в детстве страдали от первичной недостаточности CoQ10 из-за мутаций в COQ6. Механизм, лежащий в основе этого различия, неясен.

Те же клинические симптомы, что и при мутациях COQ6, также наблюдались у детей с генетическими дефектами PDSS1, COQ2 и COQ9 [57][58][61]. Эти исследования показывают, что недостаточная выработка CoQ10 нарушает развитие ЦНС эмбриона и приводит к серьезным клиническим симптомам, таким как послеродовая неврологическая дисфункция. Эти данные открывают новое направление для дальнейших исследований механизма влияния CoQ10 на эмбриональное развитие.

Роль CoQ10 в органогенезе сердечно-сосудистой системы и гемопоэзе / CoQ10 role in organogenesis of the cardiovascular system and hematopoiesis

Эритропоэз является важным физиологическим процессом на протяжении всего эмбрионального развития [72]. Промежуточный фактор транскрипции-1γ (англ. transcriptional intermediary factor-1γ, TIF-1γ) как транскрипционный медиатор необходим для эритропоэза человека [73]. Его отсутствие нарушает кроветворение, что приводит к неспособности эритроцитов транспортировать кислород и, в конечном счете, к гибели эмбриона [74]. M.P. Rossmann с соавт. обнаружили, что лефлуномид (ингибитор ДГОДГ) корректирует TIF-1γ-зависимые нарушения эритропоэза [75]. Нокдаун TIF-1γ у эмбрионов изменял экспрессию митохондриальных генов на 95 %, снижая соотношение сукцината и альфа-кетоглутарата, что отражает нарушение метаболизма в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК), и уровень потребления кислорода, что указывает на нарушение окислительного метаболизма. Добавление ротенона (ингибитора комплекса I ЦПЭ) обратило вспять эффект восстановления, вызванный лефлуномидом, что позволяет предположить, что лефлуномид может устранить дефицит эритропоэза за счет модификации ЦПЭ. Данные совместного осаждения иммунохроматина показали, что TIF-1γ связывает локусы нескольких генов пути CoQ, таких как PDSS1 и COQ2. Уровни мРНК этих генов были ниже в группе с нокдауном TIF-1γ, чем в контрольной группе. Эти данные убедительно свидетельствуют о том, что TIF-1γ непосредственно регулирует уровни CoQ в эритропоэзе, и CoQ может играть ключевую роль в эмбриональном развитии человека, особенно в эритропоэзе [75].

Сердце является первым функциональным органом, формирующимся в процессе эмбрионального развития, и играет решающую роль в обеспечении эмбриона питательными веществами и кислородом. Эмбриональное развитие сердца делится на 4 этапа: формирование полумесяца, формирование линейной сердечной трубки, формирование камеры сердца и формирование сердечного клапана. Каждый этап контролируется сложной и тонко настроенной регуляторной системой, любой сбой в работе которой может привести к деформации сердца и, в конечном счете, к гибели эмбриона [76]. На ранних стадиях развития сердца эмбриона основной источник энергии для клеток постепенно переключается с анаэробного гликолитического пути на путь окислительного фосфорилирования по мере увеличения сердечной деятельности, необходимой для роста эмбриона. Это изменение в основном определяется структурой и функцией митохондрий в процессе развития. Закрытие mPTP уменьшает окислительный стресс и способствует дифференцировке кардиомиоцитов, в то время как открытие mPTP приводит к нарушению структуры митохондрий и апоптозу или некрозу [77]. Предыдущие исследования выявили сайты связывания на mPTP для CoQ10 и другого аналога убихинона, экспрессия которых может ограничивать или активировать открытие каналов; однако неизвестно, влияет ли открытие каналов mPTP, регулируемых CoQ10, на развитие сердца эмбриона [78]. M. Barajas с соавт. разработали мышиную модель с делецией FMR1, которая индуцировала увеличение выработки CoQ10 и закрытие mPTP в развивающемся сердце, что является полезным инструментом для понимания роли CoQ10 в развитии сердца [79].

Ген COQ7 кодирует важнейший компонент биосинтеза CoQ, гомологичен гену долголетия CLK-1 (англ. CDC like kinase 1; CDC-подобная киназа 1). Дефицит CLK-1 вызывает замедление роста и нарушение сердечного ритма во время эмбрионального развития, что сопровождается нарушением функции митохондрий. С другой стороны, добавление экзогенного CoQ10 устраняло повреждения, вызванные дефицитом CLK-1. Эти данные свидетельствуют о том, что животные с дефицитом CLK-1 вырабатывают недостаточное количество CoQ10, что приводит к нарушению работы митохондрий, нарушению митохондриальной активности и сердечной функции в процессе эмбрионального развития [80].

Сообщалось о нескольких примерах мутаций COQ9, приводящих к первичному дефициту CoQ10 [81]. У одного из детей, чьи родители были близкими родственниками, вскоре после рождения развились респираторный дистресс, гипотония и распространенный цианоз. Результаты ультразвукового исследования черепа выявили у новорожденного заболевание, похожее на болезнь Ли, которое постепенно проходило после ряда процедур. С другой стороны, на 10-й день после рождения у пациентки внезапно начались судороги, и она умерла от сердечно-легочной недостаточности на 18-й день. В связи с выявленными симптомами митохондриального заболевания была проведена биопсия кожи для оценки активности окислительной фосфорилазы, которая указала на нарушение метаболизма CoQ10. Исследование активности митохондриальных ферментов выявило заметное снижение активности комплекса II/III. Секвенирование экзома выявило дефект в гене COQ9. В соответствии с ролью COQ9 в биосинтезе CoQ10, с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии было подтверждено значительное снижение общего содержания CoQ10. Эти данные указывают на то, что COQ9 и CoQ10 важны для внутриутробного развития [82]. В совокупности эти результаты позволяют предположить, что дефицит CoQ10, вызванный различными генетическими дефектами у мышей и человека, может влиять на активность митохондриального комплекса, снижая способность к энергообеспечению, тем самым влияя на функции кровеносной и кроветворной систем, и, следовательно, усугубляя нарушения эмбрионального развития.

Препараты, содержащие CoQ10 / CoQ10-containing drugs

За последние несколько лет стало популярным пероральное применение высоких доз CoQ10 или убихинола у пациентов с митохондриальными заболеваниями. Биодоступность различных форм CoQ10 различна, при этом убихинол усваивается лучше, чем убихинон. Что касается влияния перорального приема CoQ10 на эмбриональное развитие, E. Teran с соавт. сообщали, что CoQ10 снижает частоту преэклампсии за счет участия в формировании плаценты [83]. Прием препаратов CoQ10 также может улучшить качество яйцеклеток и гамет и уменьшить другие отклонения в развитии [84]. Хотя доказательств того, что CoQ10 может лечить конкретное заболевание, немного, клинические исследования показали, что пероральные препараты, содержащие CoQ10, безопасны и хорошо переносятся. К его негативным последствиям в основном относятся проблемы с желудочно-кишечным трактом, тошнота и рвота. Однако чрезмерное потребление CoQ10 может иметь противоположный эффект [44][46].

Перспективы / Prospects

Накопленные данные позволили идентифицировать CoQ10 как эндогенный антиоксидант, который необходим для активности дыхательной цепи митохондрий, поддержания уровня АФК и выработки АТФ. Использование CoQ10 в снижении окислительного стресса, усилении клеточного энергетического обмена, участии в регуляции генов и снижении воспаления может иметь важное значение для увеличения количества и качества яйцеклеток в стареющих яичниках, улучшения окислительного метаболизма фолликулярной жидкости, усиления митохондриальной функции яйцеклеток и увеличения вероятности беременности. Эти достижения позволят разработать новую терапию для женщин, страдающих бесплодием и невынашиванием беременности.

Тем не менее по-прежнему остается большое количество пробелов в знаниях, что требует проведения дальнейших исследований в данной области. Возможные направления для будущих исследований включают оценку безопасной дозы препаратов, содержащих CoQ10, для минимизации побочных эффектов, связанных с чрезмерным содержанием CoQ10; оценку фактического влияния дефицита CoQ10 в организме человека, а также определение эффективных мишеней для его коррекции; выявление патофизиологических механизмов, посредством которых аномалии в генах, связанные с синтезом CoQ10, вызывают нарушения эмбрионального развития; изучение метаболических изменений в процессе эмбриогенеза и возможность их коррекции с помощью CoQ10.

Заключение / Conclusion

Дефицит CoQ10 увеличивает риск нарушения эмбрионального развития; однако эта взаимосвязь по-прежнему остается неясной. Учитывая, что на уровень CoQ10 влияют ферменты, участвующие в его синтезе, трудно сказать, вызваны ли нарушения дефицитом CoQ10 или являются прямым результатом дефектов в целевом гене. В отсутствие CoQ10 происходит снижение синтеза АТФ и усиление окислительного стресса в митохондриях – двух биологических процессов, влияющих на эмбриональное развитие.

В совокупности все больше данных свидетельствуют о том, что CoQ10 играет важную роль в эмбриональном развитии, препараты, содержащие CoQ10, улучшают качество яйцеклеток. С другой стороны, хотя в литературе сообщалось о потенциале CoQ10 как антиоксиданта, снижающего окислительный стресс, еще предстоит провести соответствующие клинические исследования.