Neurologiczne mechanizmy działania i korzyści płynące z błękitu metylenowego – Chase Hughes
Applied Behavior Research, Frontiers – 11 maja 2023
Streszczenie
Błękit metylenowy (methylene blue), syntetyczny barwnik zasadowy, jest powszechnie stosowany jako barwnik i wskaźnik w biologii i chemii. Oprócz tradycyjnych zastosowań błękit metylenowy zyskał uznanie w medycynie, służy jako antidotum na zatrucia i jest badany jako potencjalny środek leczniczy w takich chorobach, jak malaria, choroba Alzheimera czy nowotwory. Szczególne zainteresowanie budzi jego zastosowanie w neurologii, zwłaszcza w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych oraz urazowych uszkodzeń mózgu (ang. Traumatic Brain Injury – TBI). Niniejsza praca przedstawia zwięzły przegląd neurologicznych korzyści płynących z błękitu metylenowego, ze szczególnym uwzględnieniem jego mechanizmów działania. Poprzez analizę istotnych badań podkreśla potencjał błękitu metylenowego jako środka terapeutycznego w neurologii, z implikacjami dla opracowywania nowych strategii leczenia zaburzeń i urazów neurologicznych.
Wprowadzenie
Błękit metylenowy to syntetyczny barwnik zasadowy należący do klasy barwników tiazynowych. Ma intensywnie niebieską barwę i jest powszechnie używany jako barwnik biologiczny oraz wskaźnik chemiczny w różnych zastosowaniach. W biologii błękit metylenowy stosuje się do barwienia komórek i tkanek w celu ich obserwacji pod mikroskopem. Może być używany do identyfikacji określonych struktur w komórkach oraz do rozróżniania różnych typów komórek.
W mikrobiologii błękit metylenowy stosuje się do różnicowania różnych rodzajów bakterii na podstawie ich właściwości barwienia. W chemii błękit metylenowy wykorzystywany jest jako wskaźnik w miareczkowaniu redoks, zmienia barwę z niebieskiej na bezbarwną, gdy ulega redukcji, co czyni go użytecznym w określaniu punktu końcowego reakcji biologicznej.
Błękit metylenowy ma również szerokie zastosowania medyczne. Może być stosowany jako antidotum w przypadku niektórych rodzajów zatruć, w tym cyjankami oraz methemoglobinemią. Ponadto badano go jako potencjalne leczenie różnych schorzeń, w tym malarii, choroby Alzheimera i nowotworów.
Błękit metylenowy został po raz pierwszy zsyntetyzowany w 1876 roku przez Heinricha Caro, niemieckiego chemika (Lee & Han, 2021). W tamtym czasie używano go jako barwnika anilinowego do tekstyliów. Jednak wkrótce odkryto, że może on być wykorzystywany do barwienia komórek poprzez wiązanie się z ich strukturami. Odkrycie to przygotowało grunt pod zastosowanie błękitu metylenowego w badaniach biologicznych i medycznych.
Błękit metylenowy znalazł również szerokie zastosowanie w neurologii, m.in. w leczeniu urazowych uszkodzeń mózgu (TBI). Celem niniejszej pracy jest omówienie korzyści płynących z błękitu metylenowego, ze szczególnym uwzględnieniem korzyści neurologicznych i mechanizmów działania z perspektywy neurologicznej.
Błękit metylenowy jako środek neuro ochronny
Błękit metylenowy wykazuje potencjalne działanie neuro ochronne [neuroprotekcyjne] w przypadku kilku chorób związanych z cytotoksycznością, w tym udaru mózgu, choroby Parkinsona oraz choroby Alzheimera. Jego mechanizm działania obejmuje liczne korzystne efekty na procesy komórkowe w mózgu.
Jedną z kluczowych właściwości błękitu metylenowego jest jego zdolność do działania jako przenośnik elektronów (Rojas i in., 2012). Ta cecha pozwala mu działać m.in. przeciwko takim stanom, jak malaria oraz methemoglobinemia. W sytuacjach cytotoksycznych w mózgu błękit metylenowy zwiększa zużycie tlenu przez komórki i zmniejsza glikolizę beztlenową. Dzięki temu może pomagać w utrzymaniu odpowiedniej produkcji energii w neuronach i chronić je przed uszkodzeniem.
Badania wykazały również, że błękit metylenowy może zmniejszać produkcję reaktywnych form tlenu (ang. reactive oxygen species – ROS) (Aldas, 2019). ROS to wysoko reaktywne cząsteczki, które mogą powodować uszkodzenia komórkowe i przyczyniać się do rozwoju chorób neurodegeneracyjnych. Ograniczając poziom ROS, błękit metylenowy pomaga chronić komórki przed stresem oksydacyjnym i toksycznością glutaminianu, która jest związana z takimi schorzeniami jak choroba Alzheimera.
Ponadto wykazano, że błękit metylenowy może łagodzić spadek potencjału błony mitochondrialnej, co ma kluczowe znaczenie dla utrzymania prawidłowej funkcji mitochondriów. Może także chronić przed pewnymi formami neurotoksyczności, takimi jak ta indukowana przez kwas indolooctowy (ang. indole-3-acetic acid – IAA).
W porównaniu z lekami przeciwpsychotycznymi, takimi jak fenotiazyna, błękit metylenowy wykazuje podobne efekty neuroprotekcyjne, jednak działa poprzez inny mechanizm (Aldas, 2019). Podczas gdy fenotiazyna i inne podobne leki działają jako zmiatacze wolnych rodników niezależnie od mitochondriów, błękit metylenowy funkcjonuje jako antyoksydant specyficzny dla mitochondriów. Jego ukierunkowane działanie na mitochondria może przyczyniać się do skuteczniejszego zachowania funkcji komórkowych i ograniczania uszkodzeń w chorobach neurodegeneracyjnych.
Dodatkowo błękit metylenowy wykazuje obiecujące właściwości w zapobieganiu oraz leczeniu uszkodzeń mózgu związanych z nowotworami. Niektóre leki alkilujące stosowane w leczeniu nowotworów, takie jak ifosfamid, mogą powodować poważne uszkodzenia mózgu. Błękit metylenowy wydaje się odgrywać rolę w utlenianiu NADH [Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy] oraz przywracaniu aktywności enzymów mitochondrialnych, co może tłumaczyć jego zdolność do łagodzenia uszkodzeń mózgu w takich przypadkach. Jednak dokładne mechanizmy leżące u podstaw tego działania ochronnego nie są jeszcze w pełni poznane.
Zastosowanie błękitu metylenowego w łagodzeniu bólu
Błękit metylenowy był badany pod kątem potencjalnych właściwości przeciwzapalnych i przeciwbólowych. Badanie przeprowadzone przez Zhang i in. (2016) wykazało, że stan zapalny jest ściśle powiązany z bólem i może przyczyniać się do rozwoju oraz progresji chorób bólowych.
Ponadto badania Harth i Nielson (2019) oraz Matsuda i in. (2019) analizowały związek między stanem zapalnym a reakcjami nocyceptywnymi (bólowymi). Wyniki tych badań wykazały, że błękit metylenowy zmniejsza tworzenie tlenku azotu (ang. nitric oxide – NO) poprzez bezpośrednie hamowanie ekspresji syntazy tlenku azotu śródbłonkowej (ang. endothelial nitric oxide synthase – eNOS). Tlenek azotu jest cząsteczką sygnałową biorącą udział w różnych procesach fizjologicznych, w tym w wazodylatacji (rozszerzaniu naczyń krwionośnych) i odpowiedzi zapalnej.
Matsuda i in. (2019) wykazali także, że błękit metylenowy hamuje konwersję trifosforanu guanozyny (ang. guanosine triphosphate – GTP) do cyklicznego monofosforanu guanozyny (ang. cyclic guanosine monophosphate – cGMP). Hamowanie to zachodzi poprzez ograniczenie ekspresji cyklazy guanylowej rozpuszczalnej (ang. soluble guanylate cyclase – sGC), enzymu odpowiedzialnego za produkcję cGMP. cGMP uczestniczy w licznych szlakach sygnalizacji komórkowej, m.in. związanych z wazodylatacją.
Łączne działanie błękitu metylenowego na ekspresję eNOS i sGC skutkuje wazokonstrykcją, czyli zwężeniem naczyń krwionośnych. Wazokonstrykcja może wpływać na przepływ krwi i mieć znaczenie dla różnych procesów fizjologicznych, w tym zapalenia i odczuwania bólu (Pan i in., 2019).
W kontekście uszkodzeń tkanek badania wykazały, że indukowalna syntaza tlenku azotu (ang. inducible nitric oxide synthase – iNOS) pełni rolę silnego mediatora zapalnego w różnych typach komórek (Pan i in., 2019). Hamuje ona aktywację deacetylazy sirtuinowej 1 (Sirt1 – sirtuin 1) poprzez proces S-nitrozylacji zależny od tlenku azotu. To zahamowanie aktywuje z kolei NF-κB (ang. nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells) oraz białko p53, co odpowiednio prowadzi do ekspresji cytokin prozapalnych i apoptozy (Zhang i in., 2016).
Aktywacja NF-κB nasila te procesy, aktywując szlak iNOS/NO/NF-κB. Błękit metylenowy bezpośrednio zmniejsza ekspresję iNOS oraz zakłóca wiązanie NF-κB z promotorem genu iNOS, przerywając tym samym ten szlak zapalny.
W przypadku uszkodzenia nerwów receptory NMDA (Kwas N-metylo-D-asparaginowy) ulegają aktywacji, co prowadzi do napływu jonów wapnia do wnętrza komórki. Nadmierny napływ wapnia powoduje zwiększoną ekspresję neuronalnej syntazy tlenku azotu (ang. neuronal nitric oxide synthase – nNOS) oraz aktywację szlaku sygnalizacyjnego nNOS/NO (Pan i in., 2019).
Podwyższona produkcja tlenku azotu stymuluje receptory NMDA, uruchamiając kaskadę NO/ cGMP/PKG (protein kinase G). Kaskada ta sprzyja zwiększonej ekspresji neurotroficznego czynnika pochodzenia mózgowego (ang. brain-derived neurotrophic factor – BDNF) oraz uwalnianiu neuroprzekaźników, co ostatecznie prowadzi do długotrwałej nadpobudliwości i centralnej sensytyzacji. BDNF oraz nadtlenoazotyn dodatkowo wzmacniają aktywność receptorów NMDA, co ponownie stymuluje ekspresję nNOS.
Błękit metylenowy osłabia te reakcje, hamując aktywację nNOS oraz sGC, co może zapobiegać rozwojowi przewlekłego bólu.
W swoim badaniu Nakazawa i in. (2017) ocenili wpływ błękitu metylenowego na szlak iNOS/NO–NF-κB i stwierdzili, że błękit metylenowy osłabia stan zapalny poprzez hamowanie szlaku iNOS/NO, który jest zaangażowany w patogenezę zapalenia jako mediator prozapalny. Szlak iNOS/NO aktywuje jądrowy czynnik kappa-light-chain-enhancer aktywowanych limfocytów B (NF-κB) oraz białko p53 (ang. tumor protein p53), dwa czynniki transkrypcyjne, które odgrywają ważną rolę odpowiednio w procesach zapalnych i śmierci komórki (Nakazawa i in., 2017). Regulator cichej informacji 1 (Sirt1), będący deacetylazą, pełni funkcję ochronną w warunkach stresu i inaktywuje NF-κB oraz p53 poprzez ich deacetylację. Jednak szlak iNOS/NO może inaktywować Sirt1 poprzez S-nitrozylację, a tym samym aktywować NF-κB i p53 (Zhang i in., 2016). Aktywacja NF-κB sprzyja ekspresji cytokin zapalnych oraz zwiększa ekspresję iNOS, co dodatkowo nasila sygnalizację zapalną. Z kolei aktywacja p53 indukuje śmierć komórki. Błękit metylenowy bezpośrednio hamuje ekspresję iNOS, a także osłabia wiązanie NF-κB z promotorem iNOS. W rezultacie szlak sygnalizacyjny iNOS/NO–NF-κB zostaje zablokowany, co zapobiega aktywacji NF-κB, ekspresji cytokin zapalnych i dalszym szkodliwym skutkom stanu zapalnego (Nakazawa i in., 2016).
W badaniu Cohena i in. (2000) „Zmniejszenie nagromadzenia tlenku azotu w chrząstce artretycznej pod wpływem błękitu metylenowego” stwierdzono, że w ludzkich eksplantach chrząstki błękit metylenowy powodował zależne od dawki zmniejszenie nagromadzenia tlenku azotu (NO) oraz ekspresji indukowalnej syntazy tlenku azotu (iNOS). Wyniki te sugerują, że błękit metylenowy może skutecznie hamować szlak iNOS/NO, który jest zaangażowany w degradację chrząstki. Ponadto badanie wykazało, że błękit metylenowy zwiększa ekspresję receptorów transformującego czynnika wzrostu beta (TGF-β), które są kluczowe dla syntezy macierzy chrząstki. Poprzez promowanie ekspresji receptorów TGF-β, błękit metylenowy może przyczyniać się do zachowania macierzy chrząstki i proteoglikanów, ostatecznie zapobiegając degradacji chrząstki (Cohen i in., 2000).
Inne badanie, mające na celu wykazanie wpływu błękitu metylenowego na hamowanie procesu zapalnego w zapaleniu okrężnicy wywołanym kwasem octowym w błonie śluzowej okrężnicy szczurów, wykazało, że błękit metylenowy znacząco zmniejszał produkcję tlenku azotu oraz poziom cytokin zapalnych, takich jak IL-1β, IL-6 i TNF-α (Dinc i in., 2015). Wynik ten wskazuje, że błękit metylenowy wykazuje właściwości przeciwzapalne w kontekście wrzodziejącego zapalenia jelita grubego. Ponadto zastosowanie błękitu metylenowego zmniejszało uszkodzenia tkanek i obrzęk w warstwie podśluzowej, prowadząc do istotnej poprawy przepuszczalności jelitowej. Wyniki te sugerują, że błękit metylenowy może ograniczać uszkodzenia tkanek i stan zapalny, a tym samym poprawiać stan funkcjonalny zapalnie zmienionych tkanek jelitowych (Dinc i in., 2015).
Yadav i Surolia (2019) wskazują, że w czasie uszkodzenia nerwu receptor Toll-podobny 4 (TLR4) odgrywa kluczową rolę w inicjowaniu aktywacji neuroimmunologicznej w układzie nerwowym. Aktywacja TLR4 (ang. toll-like receptor 4) prowadzi do aktywacji NF-κB, co sprzyja ekspresji cytokin prozapalnych i przyczynia się do rozwoju hiperalgezji zapalnej, czyli stanu charakteryzującego się zwiększoną wrażliwością na ból (Yadav i Surolia, 2019). Badania wykazały, że aktywacja TLR4 poprzez szlak TLR4/NF-κB jest kluczowym czynnikiem w patogenezie bólu neuropatycznego i przewlekłego. W związku z tym hamowanie szlaku TLR4/NF-κB zaproponowano jako potencjalną strategię terapeutyczną w łagodzeniu neurozapalnego bólu wywołanego uszkodzeniem nerwów. Hamując aktywację TLR4 i późniejszą aktywację NF-κB, można potencjalnie zmniejszyć odpowiedź zapalną i złagodzić ból związany z uszkodzeniem nerwu. Deng i in. (2015) stwierdzili, że TLR4 bierze udział w aktywacji indukowalnej syntazy tlenku azotu (iNOS), która odgrywa rolę w produkcji tlenku azotu. Biorąc pod uwagę, że błękit metylenowy hamuje ekspresję iNOS oraz aktywację NF-κB, można przypuszczać, że błękit metylenowy może być zaangażowany w tłumienie rozwoju i utrzymywania się bólu neuropatycznego. Blokując szlak iNOS/NO oraz osłabiając aktywację NF-κB, błękit metylenowy może potencjalnie łagodzić neurozapalny ból związany z uszkodzeniem nerwu (Deng i in., 2015). Badanie kliniczne wykazało, że podanie ogólnoustrojowe błękitu metylenowego poprawiło stan przewlekłego, opornego na leczenie bólu neuropatycznego u 10 pacjentów. Przypuszcza się, że poprawa ta może być wynikiem blokowania szlaku iNOS/NO przez błękit metylenowy (Miclescu i in., 2015).
Podawanie błękitu metylenowego w urazowym uszkodzeniu mózgu
Cruz-Haces i in. (2017) odnoszą się do urazowego uszkodzenia mózgu (TBI) jako do stanu charakteryzującego się uszkodzeniem mózgu powstałym w wyniku działania siły zewnętrznej lub urazu głowy. Jest to istotny problem zdrowotny ze względu na potencjalne poważne skutki medyczne, społeczne i ekonomiczne. Skutki urazowego uszkodzenia mózgu (TBI) mogą być bardzo zróżnicowane, w zależności od rozległości i lokalizacji urazu, od łagodnych wstrząśnień mózgu po ciężkie i długotrwałe upośledzenia. Jednym z istotnych aspektów związanych z urazowym uszkodzeniem mózgu jest zwiększone ryzyko rozwoju chorób neurodegeneracyjnych (Dewan i in., 2018). Badania wykazały, że osoby, które doznały urazowego uszkodzenia mózgu, zwłaszcza ciężkich lub powtarzających się urazów, mogą mieć podwyższone ryzyko rozwoju chorób takich jak choroba Alzheimera, choroba Parkinsona czy przewlekła encefalopatia pourazowa (CTE) (Dewan i in., 2018). Dokładne mechanizmy leżące u podstaw tego zwiększonego ryzyka nadal są badane, ale uważa się, że obejmują one różne procesy, w tym przewlekły stan zapalny, nagromadzenie nieprawidłowych białek (takich jak tau) oraz zakłócenia procesów komórkowych w mózgu. Długoterminowe konsekwencje TBI, w tym ryzyko rozwoju chorób neurodegeneracyjnych, sprawiają, że zrozumienie i skuteczne leczenie tego stanu jest niezwykle istotne. Strategie prewencyjne, wczesna diagnoza, odpowiednia opieka medyczna i programy rehabilitacyjne odgrywają kluczową rolę w minimalizowaniu skutków urazowego uszkodzenia mózgu i optymalizacji procesu powrotu do zdrowia osób dotkniętych tym urazem.
W kontekście urazu mózgu (TBI) liczne badania wykazały potencjał błękitu metylenowego jako środka neuroprotekcyjnego. Na przykład w modelu urazowego uszkodzenia mózgu u szczurów wykazano, że błękit metylenowy poprawia funkcje poznawcze oraz zmniejsza obrzęk mózgu, stres oksydacyjny i neurozapalny (Liu i in., 2017).
W innym badaniu stwierdzono, że podanie błękitu metylenowego po urazowym uszkodzeniu mózgu redukowało śmierć komórek nerwowych, poprawiało funkcjonowanie mitochondriów oraz zmniejszało stan zapalny i stres oksydacyjny (Zhou i in., 2019). Ponadto, niedawne badanie wykazało, że leczenie błękitem metylenowym może zmniejszać uszkodzenia neuronów wywołane toksycznością cynku w modelu TBI u szczurów (Genrikhs i in., 2021). Wspomniane badania pokazują skuteczność błękitu metylenowego w ograniczaniu neurodegeneracji i poprawie zaburzeń behawioralnych w modelach zwierzęcych różnych chorób neurodegeneracyjnych, w tym udaru, globalnego niedokrwienia mózgu, choroby Alzheimera, choroby Parkinsona oraz TBI. Czyni to błękit metylenowy obiecującym kandydatem do dalszych badań i potencjalnego zastosowania terapeutycznego (Tucker i in., 2018). Jednak pomimo wykazanej skuteczności, dokładne mechanizmy ochronnego działania błękitu metylenowego nie są jeszcze w pełni poznane.
Neuroprotekcyjne właściwości błękitu metylenowego mogą wynikać z jego zdolności do zwiększania autofagii, redukcji obrzęku mózgu, hamowania aktywacji mikrogleju oraz ograniczania stanu zapalnego i toksyczności cynku (Fenn i in., 2015). Dodatkowo, jako trójpierścieniowa fenotiazyna, błękit metylenowy może działać jako katalizator redoks w mitochondriach, które są znanym celem terapeutycznym po urazach mózgu (Yonutas i in., 2016). W specyficznym kontekście TBI leczenie błękitem metylenowym wykazało poprawę wyników funkcjonalnych, redukcję neurozapalną oraz zmniejszenie ekspresji białka S100 (markera uszkodzenia mózgu) i przepuszczalności bariery krew–mózg. Odkrycia te sugerują, że błękit metylenowy jest obiecującym związkiem farmakologicznym o właściwościach neuroprotekcyjnych w leczeniu urazowych uszkodzeń mózgu. Z tego powodu błękit metylenowy ma potencjał jako środek terapeutyczny w wielu chorobach neurodegeneracyjnych (Yonutas i in., 2016). Pomimo że jego dokładne mechanizmy działania nie są w pełni poznane, zdolność błękitu metylenowego do modulowania różnych procesów patologicznych oraz jego efekty neuroprotekcyjne czynią go przedmiotem trwających badań i obiecującym kandydatem do dalszych analiz oraz potencjalnych zastosowań klinicznych.
Błękit metylenowy a apoptoza neuronów po urazie mózgu (TBI)
Wykazano, że błękit metylenowy poprawia funkcjonowanie mitochondriów, działając jako alternatywny przenośnik elektronów. Omija on blokady w kompleksie I/III łańcucha transportu elektronów i skutecznie przenosi elektrony z NADH na cytochrom c (cyt c). Proces ten pomaga ograniczyć wyciek elektronów, zwiększyć produkcję ATP i zmniejszyć nadprodukcję reaktywnych form tlenu (ROS). W modelach zwierzęcych choroby Alzheimera, choroby Parkinsona, udaru niedokrwiennego mózgu i TBI stwierdzono, że błękit metylenowy łagodzi zmiany patologiczne oraz zaburzenia neurobehawioralne (Zhu i in., 2018). Po TBI leczenie błękitem metylenowym wykazało obiecujące efekty w ograniczaniu neurozapalnego procesu, objętości uszkodzeń i rozległości uszkodzeń neurologicznych.
Według Zhu i in. (2018) dysfunkcja mitochondriów odgrywa kluczową rolę w uruchamianiu kaskad prowadzących do wtórnego uszkodzenia mózgu. Uszkodzenie mitochondriów w TBI wiąże się z wieloma niekorzystnymi procesami, takimi jak przeciążenie wapniem, ekscytotoksyczność komórkowa, uwalnianie reaktywnych form tlenu (ROS) oraz apoptoza komórek (programowana śmierć komórkowa). Mitochondria odpowiadają za fosforylację oksydacyjną i wytwarzanie ATP, co jest niezbędne do dostarczenia energii potrzebnej do naprawy uszkodzonych komórek (Zhu i in., 2018). Kiedy mitochondria ulegają dysfunkcji, produkcja ATP spada, co może dodatkowo pogłębiać uszkodzenia komórek. Biorąc pod uwagę istotną rolę dysfunkcji mitochondriów w procesach patologicznych wtórnego uszkodzenia mózgu po TBI, ich ukierunkowanie w terapii może mieć potencjał poprawy rokowania po TBI.
W badaniu przeprowadzonym przez Shen i in. (2019) naukowcy badali wpływ błękitu metylenowego na funkcjonowanie mitochondriów, wykorzystując model niedotlenienia i pozbawienia glukozy (OGD) w komórkach PC-12 in vitro. Celem było sprawdzenie, czy leczenie błękitem metylenowym może złagodzić dysfunkcję mitochondriów wywołaną uszkodzeniem OGD. Wyniki badania wykazały, że leczenie błękitem metylenowym miało korzystny wpływ na funkcjonowanie mitochondriów in vitro, zmniejszało produkcję reaktywnych form tlenu (ROS) w neuronach, stabilizowało potencjał błonowy mitochondriów (MMP) oraz zwiększało produkcję adenozynotrójfosforanu (ATP) (Shen i in., 2019). Odkrycia te sugerują, że leczenie błękitem metylenowym ma potencjał do odwrócenia dysfunkcji mitochondriów wywołanej uszkodzeniem OGD. Jednak badanie to nie oceniało bezpośrednio funkcji mitochondriów w neuronach obecnych w próbkach tkanki z grupy TBI + sól fizjologiczna i TBI + błękit metylenowy. Trudność polega na odróżnieniu mitochondriów specyficznych dla neuronów od tych występujących w innych typach komórek w uszkodzonej tkance mózgowej. W rezultacie badacze nie byli w stanie bezpośrednio określić wpływu leczenia błękitem metylenowym na funkcjonowanie mitochondriów w neuronach w kontekście urazu mózgu (TBI).
Shen i wsp. (2019) stwierdzili również, że podawanie błękitu metylenowego myszom z urazowym uszkodzeniem mózgu (TBI) wykazuje działanie łagodzące apoptozę neuronów (programowaną śmierć komórki) oraz przepuszczalność bariery krew–mózg (BBB). Mitochondria odgrywają kluczową rolę w procesie apoptozy neuronów po TBI. W przypadku urazów niedokrwiennych i niedotlenieniowych dochodzi do uwolnienia cytochromu c z błony mitochondrialnej. Łączy się on z ATP oraz czynnikami aktywującymi proteazę apoptotyczną (Apaf-1), tworząc kompleksy apoptosomów. Kompleksy te rozcinają prokaspazy, prowadząc do aktywacji kaspazy 3, która wyzwala apoptozę neuronów (Ola i wsp., 2011). Arimoto-Matsuzaki i wsp. (2016) podają, że uwolnienie reaktywnych form tlenu (ROS) oraz spadek produkcji ATP również przyczyniają się do apoptozy neuronów w kontekście TBI. Błękit metylenowy, działając jako alternatywny przenośnik elektronów, może przekazywać elektrony z NADH do cytochromu c, zwiększając tym samym jego stabilność. Proces ten zwiększa produkcję ATP, a jednocześnie zmniejsza uwalnianie cytochromu c oraz wytwarzanie ROS (Wen i wsp., 2011). W konsekwencji leczenie błękitem metylenowym ma potencjał ograniczenia apoptozy neuronów po TBI.
Bariera krew–mózg (BBB) składa się z różnych elementów, takich jak perycyty, astrocyty, komórki śródbłonka oraz białka ścisłych połączeń. Po urazowym uszkodzeniu mózgu (TBI) uwalnianie reaktywnych form tlenu (ROS) może bezpośrednio obniżać ekspresję białek ścisłych połączeń, takich jak ZO-1, co zwiększa przepuszczalność BBB. Dodatkowo astrocyty mogą przekazywać swoje mitochondria uszkodzonym neuronom jako mechanizm ratunkowy (Tally Watts i wsp., 2014). Procesy te, wraz z apoptozą neuronów, mogą prowadzić do uszkodzenia BBB i zwiększenia jej przepuszczalności. Leczenie błękitem metylenowym wykazuje zdolność odwracania tych procesów i pomaga w utrzymaniu integralności BBB. Wykazano, że terapia błękitem metylenowym może łagodzić stan zapalny w TBI poprzez zwiększenie ekspresji przeciwzapalnej cytokiny IL-10 i zmniejszenie ekspresji prozapalnej cytokiny IL-1β w mikrogleju, co redukuje zapalne uszkodzenie BBB (Zhao i wsp., 2016). W modelach zwierzęcych TBI leczenie błękitem metylenowym przynosiło pozytywne efekty nie tylko w zakresie funkcji poznawczych i motorycznych, ale także ogólnej funkcji neurologicznej. Wcześniejsze badania wykazały, że błękit metylenowy może ograniczać degenerację neuronów, deficyty behawioralne oraz objętość uszkodzeń u zwierząt z TBI. Inne prace wskazują, że błękit metylenowy wywiera efekt neuroprotekcyjny w TBI poprzez hamowanie aktywacji mikrogleju, zmniejszenie obrzęku mózgu i wspieranie autofagii.
Podczas gdy wcześniejsze badania skupiały się na działaniu przeciwzapalnym błękitu metylenowego w TBI, Shen i wsp. (2019) w szczególności badali wpływ błękitu metylenowego na integralność BBB oraz apoptozę neuronów, co wyróżnia ich pracę. Biorąc pod uwagę zgromadzone dowody, błękit metylenowy wykazuje trzy główne działania w TBI: efekty przeciwzapalne, poprawę integralności BBB oraz redukcję apoptozy neuronów. Podkreśla to potencjał błękitu metylenowego jako leku poprawiającego rokowanie w TBI.
Poza wpływem na integralność BBB i apoptozę neuronów, dysfunkcja mitochondrialna po TBI ma także udział w innych wtórnych uszkodzeniach. Mitochondria synaptyczne są kluczowe dla utrzymania plastyczności synaptycznej i prawidłowego przewodnictwa nerwowego. Dysfunkcja mitochondriów synaptycznych może przyczyniać się do neurodegeneracji. Co więcej, badania wykazały, że mitochondria synaptyczne są bardziej podatne na uszkodzenia w TBI w porównaniu z mitochondriami niesynaptycznymi, co sugeruje, że błękit metylenowy może poprawiać pamięć przestrzenną u myszy z TBI częściowo poprzez poprawę funkcji mitochondriów synaptycznych. Ponadto mitochondria mogą oddziaływać z mikroRNA (miRNA) zaangażowanymi w odpowiedzi komórkowe na TBI, co wskazuje, że błękit metylenowy może także regulować miRNA w kontekście TBI.
Kulber i wsp. (2016) podają, że dysfunkcja mitochondrialna po urazowym uszkodzeniu mózgu (TBI) przyczynia się do różnych wtórnych uszkodzeń, w tym do zaburzeń synaptycznych, neurodegeneracji i upośledzenia przewodnictwa nerwowego. Mitochondria synaptyczne, które są kluczowe dla utrzymania plastyczności synaptycznej i prawidłowego przewodnictwa nerwowego, wykazują większą podatność na uszkodzenia w porównaniu z mitochondriami niesynaptycznymi w modelach TBI. Podkreśla to znaczenie funkcji mitochondriów synaptycznych w zaburzeniach poznawczych związanych z TBI. Leczenie błękitem metylenowym poprawia pamięć przestrzenną u myszy z TBI, prawdopodobnie poprzez wzmocnienie funkcji mitochondriów synaptycznych. Ponadto mitochondria mogą oddziaływać z mikroRNA (miRNA), które odgrywają rolę w kaskadach komórkowych reakcji na TBI. Sugeruje to, że błękit metylenowy może mieć zdolność regulowania miRNA zaangażowanych w patofizjologię TBI.
Współczesna farmakologia zaleca ponowne wykorzystanie już istniejących leków (ang. drug repurposing), takich jak błękit metylenowy (Wang i wsp., 2017). Błękit metylenowy ma długą historię stosowania klinicznego sięgającą niemal 130 lat, a jego profil bezpieczeństwa oraz działania niepożądane są dobrze znane. W porównaniu z opracowywaniem nowych leków przeznaczonych specjalnie do terapii TBI, ponowne wykorzystanie błękitu metylenowego oferuje korzyści w postaci oszczędności kosztów i czasu, a także potencjału szybkiego wdrożenia klinicznego. Jednak, mimo pozytywnych efektów błękitu metylenowego na rokowanie TBI w modelach zwierzęcych, dotychczasowe wyniki badań nie są wystarczające, aby bezpośrednio zalecić jego stosowanie u pacjentów z TBI (Tucker i wsp., 2018).
Konieczne są dalsze badania w celu pełnego poznania spektrum efektów terapeutycznych błękitu metylenowego w wtórnym uszkodzeniu mózgu. Pozwoli to stworzyć solidniejsze podstawy naukowe dla potencjalnego zastosowania klinicznego błękitu metylenowego w leczeniu TBI.
Podsumowanie
Błękit metylenowy ma potencjał jako środek neuroprotekcyjny w różnych chorobach związanych z cytotoksycznością, w tym w zaburzeniach neurodegeneracyjnych i stanach związanych z uszkodzeniem mózgu. Trwające badania mają na celu dalsze poznanie mechanizmów jego działania oraz możliwości terapeutycznych. Błękit metylenowy wykazuje również potencjał jako lek w chorobach neurodegeneracyjnych, w tym w TBI. Chociaż jego dokładne mechanizmy działania nie są w pełni poznane, zdolność błękitu metylenowego do modulowania różnych procesów patologicznych oraz jego właściwości neuroprotekcyjne czynią go przedmiotem ciągłych badań i obiecującym kandydatem do dalszej analizy oraz potencjalnego zastosowania klinicznego.
Źródło: Neurological Mechanisms of Action and Benefits of Methylene Blue