« НазадСвободнорадикальные механизмы повреждения при болезнях органов дыхания 25.10.2019 12:23Свободнорадикальное окисление и генерация активных форм кислорода (АФК) — процессы, свойственные метаболизму любых живых организмов. АФК образуются в ходе нормального аэробного дыхания митохондрий, при "дыхательном взрыве" фагоцитирующих клеток, в процессе метаболизма арахидоновой кислоты, аутоокисления катехоламинов и т. д. [1].
В норме АФК необходимы для реализации многих важнейших физиологических и метаболических процессов в организме, таких как регуляция внутриклеточных процессов, обмен веществ, аккумуляция и биотрансформация энергии, ферментативный катализ, передача информации, экспрессия генов, деление клеток, иммунный и адаптивный ответы и т. д. [2]. АФК, генерируемые фагоцитами, имеют ключевое значение в защите организма от чужеродных объектов, оказывая микробицидное действие [3]. Таким образом, генерация АФК является важным защитным механизмом, лежащим в основе неспецифического иммунитета. Также АФК принимают участие в реакциях детоксикации ксенобиотиков, биосинтеза биологически важных молекул и др. Общеизвестно, что АФК являются химически высокоактивными частицами, легко вступающими в реакции с самыми разнообразными классами веществ. Поэтому многие биологически значимые компоненты живых тканей — липиды, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы — могут легко подвергаться окислительной модификации. Показано, что в силу высокой реакционной способности АФК могут необратимо повреждать такие биологически важные молекулы, как ДНК, РНК, белки, липиды, что приводит к нарушению структуры и функции биомембран, разрушению различных клеток и тканей, в том числе альвеолярную ткань [2]. Таким образом, с одной стороны, кислород является основным участником метаболизма аэробных организмов, источником метаболической энергии. С другой стороны, кислород — источник АФК. По Образование АФК — тонкий процесс, регулируемый организмом. Живые системы располагают глубоко эшелонированной системой антиоксидантной защиты (АОЗ), которая поддерживает концентрацию АФК на стационарном безопасном уровне [1]. Функциональная недостаточность АОЗ ведет к прорыву лавины АФК, что вызывает нарушение защитных и регуляторных функций, процессов биоэнергетики, пролиферации клеток, а также индукции апоптоза. Кроме того, высокотоксичные АФК вызывают канцерогенные и мутагенные эффекты. Чрезмерная активация свободнорадикального окисления является типовым патологическим процессом, встречающимся при самых различных повреждающих воздействиях на организм и заболеваниях. Избыточная продукция АФК, особенно в сочетании с недостаточностью компенсаторных возможностей систем антиоксидантной защиты, способна приводить к развитию новых и / или усугублению уже существующих патологических изменений в организме. Следовательно, повреждающее действие АФК является значимым фактором развития и прогрессирования различных заболеваний. Дисбаланс в системе "оксиданты—антиоксиданты", обусловленый чрезмерным повышением продукции АФК и / или снижением активности АОЗ, способствует развитию оксидативного стресса (ОС) [1, 2]. Необходимо отметить, что на сегодняшний день ОС следует рассматривать как неспецифический патологический процесс, сопровождающий практически любое заболевание. Наиболее значимую роль ОС играет в молекулярных механизмах патогенеза заболеваний легких, что связано с анатомо-физиологическими особенностями органов дыхания, а также экзо- и эндогенными факторами активации свободнорадикальных процессов (СРП) в респираторных путях (рис. 1). С точки зрения возможности протекания процессов свободнорадикального окисления, респираторная система занимает особое место [4—6]. В легких непосредственно осуществляется контакт тканей с кислородом — инициатором и участником окисления, который проникает через мембраны альвеол. Легочная ткань богата ненасыщенными жирными кислотами, являющимися субстратом перекисного окисления липидов (ПОЛ). Альвеолярные макрофаги и другие фагоцитирующие клетки при воспалении, действии частиц пыли, поллютантов различной природы, активируются и вырабатывают АФК, инициирующие ПОЛ. Особенность функционирования легких состоит в постоянном прямом воздействии кислородной среды на элементы легочной ткани при наличии субстрата и инициаторов окисления [4—6]. Интенсификации СРП способствуют также воздействие экологически неблагоприятных факторов окружающей среды (табачный дым, радиационное и ультрафиолетовое излучение, загрязнение воздуха выбросами транспорта и промышленных предприятий), ксенобиотики (лекарства, анестетики, промышленные растворители, пестициды и др.), инфекционные агенты (вирусы, бактерии и паразиты), чрезмерная физическая нагрузка, стрессы и т. д. [4—6]. Большое значение придается митохондриальному и микросомальному окислению, ксантиноксидазе, метаболизму арахидоновой кислоты, мутации генов ферментов микросомальной монооксигеназной системы — цитохрома P450 1А1, 1А2, 1А6, 2Е1, микросо- мальной эпоксидгидролазы, антиоксидантной системы — экстрацеллюлярной супероксиддисмутазы (СОД), глутатион-Б-трансферазы, глутаматтрансфе- разы, глутатионпероксидазы и др., а также гена NO- синтазы. К основным типам реактивных молекул, генерируемых в клетках, относят АФК, активные формы азота (АФА) и их производные. К АФК относятся супероксид-анион радикал (О2-), гидроксильный радикал (ОН'), перокс ильный радикал (НО2') и алко- ксильный радикал (RO'). В процессе цепных реак Образование АФК является следствием неполного (1-, 2-, 3-электронного) восстановления молекулярного кислорода вместо полного, 4-электронного, приводящего к образованию воды. Процесс полного восстановления кислорода до Н2О является более энергозависимым, чем процессы неполного восстановления. Молекула кислорода может быть восстановлена последовательно 4 электронами по следующей схеме: О2 + е «■ О- + е «■ О2- + е «■ [О- + О2] + е «■ 2О2- Н+Н 2Н+Н 3Н+Н 4Н+Н НО2' Н2О2 НО' + Н2О 2Н2О На этой схеме в общем виде приведены пути образования АФК. В результате одноэлектронного восстановления молекулы кислорода посредством различных оксидаз (НАДФН-оксидазы, ксантинок- сидазы, цитохром-Р-450 оксидазы и др.) происходит генерация О-, дисмутация которого приводит к образованию пероксида водорода (H2O2). Пероксид водорода является источником высокореакционноспособных НО', которые генерируются в присутствии ионов железа в реакции Фентона [2]. Кроме того, гидроксильные радикалы образуются из гипохлорита, а также в реакциях пероксинитрита, который является продуктом реакции взаимодействия окида азота с супероксидом (рис. 2). Воспалительные клетки в легких выделяют О-, из которых посредством СОД или спонтанно, образуются Н2О2 (рис. 2). Эти АФК могут сами по себе принимать участие в модификации макромолекул. Кроме того, из них образуются более сильные окислители - НО, гипохлорит и пероксинитрит, которые способны повреждать белки, липиды, нуклеиновые кислоты. Окислительная модификация белков вызывает у них появление антигенных свойств, а окисление липидов приводит к появлению хематтрактантов, увеличивающих миграцию фагоцитов к месту их образования. Таким образом, активация фагоцитов обладает свойством лавинообразно самопроизвольно нарастать, и в очагах повреждения образуется "порочный круг". Схема формирования "порочного круга" ОС в респираторном тракте (РТ) представлена на рис. 3. В настоящее время исследования, посвященные изучению механизмов прогрессирования воспаления в РТ, демонстрируют активное участие молекул оксида азота (NO) и его метаболитов в развитии многих заболеваний органов дыхания [7—11]. У здорового человека молекулы NO, секретируе- мые эндотелиоцитами, вызывают дилатацию артерий, регулируют сосудистое сопротивление, процессы воспаления и реакции иммунной защиты, обладают прямым бронхорасширяющим действием за счет блокады высвобождения ацетилхолина, усиления активности реснитчатого эпителия и повышения скорости мукоцилиарного транспорта [9]. Эндогенный NO после сложного каскада превращений образует стабильные соединения — нитраты, нитриты, S-нитрозотиолы и нитротирозины (рис. 4). Оксид азота, являясь малым парамагнитным радикалом, не имеющим электрического заряда, легко проходит через клеточные мембраны, хорошо растворяется в воде и липидах, может вступать в реакции с другими молекулами на значительном удалении от места его образования. NO оказывает как ауто-, так и паракринное действие, т. е., будучи синтезированным в каких-либо клетках, способен влиять на метаболические процессы как в клетках синтеза, так и расположенных по соседству [12]. В организме человека NO вырабатывается ферментативным путем из L-аргинина (рис. 4). Этот процесс представляет собой комплексную окислительную реакцию, катализируемую ферментом NO-синтазой (NOS), которая присоединяет молекулярный кислород к конечному атому азота гуанидиновой группы L-аргинина [13]. Эффекты АФА, проявляющиеся in vivo в тканях, клетках и биомолекулах, различны. АФА способны окислять SH-группы аминокислоты цистеина в первичной структуре белков, разрывать ковалентную связь — S-S-, изменять третичную структуру протеинов и их функциональные свойства [16]. Помимо модификации белков, АФА, как и АФК, способны повреждать липиды, нуклеиновые кислоты. В бронхолегочной ткани NO синтезируется практически всеми типами клеток: эпителиоцитами, эндотелиальными клетками легочных и бронхиальных артерий и вен, тучными клетками, нейтрофилами, макрофагами, миоцитами гладкой мускулатуры бронхов и легочных артерий и др. [17. В процессе воспаления ключевую роль в образовании АФА играют фагоцитирующие клетки. Активация их сопровождается усилением экспрессии iNOS. При этом продуцируемый NO обеспечивает цитотоксичность макрофагов, быстро проникая в инфицированные клетки и ингибируя 3 жизненно важных процесса: синтез аденозинтрифосфорной кислоты, цикл Кребса и синтез ДНК [18]. В очаге воспаления высокая концентрация NO изменяет метаболическую и секреторную активность альвеолярных макрофагов с ингибированием 5-липооксигеназ и НАДФН-оксидаз [8]. В результате повышается синтез медиаторов воспаления, стимулируется активность циклооксигеназы и возрастает продукция лейкотриенов [19]. Избыточная генерация NO ингибирует пролиферацию лимфоцитов. Механизм антипролиферативного действия NO изучен недостаточно, однако предполагается, что в его основе может лежать инактивация FeS-ферментов, отвечающих за синтез АТФ и репликацию ДНК, либо повреждение последней [20]. Как межклеточный медиатор, NO способствует эозинофильной и ней- трофильной инфильтрации в дыхательных путях. В 1991 г. L.E.Gustafsson et al. обнаружили NO в выдыхаемом воздухе у животных и здоровых людей [23]. В дальнейшем были выявлены изменения содержания NO в выдыхаемом воздухе при ряде бронхолегочных заболеваний: бронхиальной астме (БА), бронхоэктатической болезни, туберкулезе легких, осложнениях после трансплантации легких, муко- висцидозе, хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ) [24—28]. NO может быть определен в выдыхаемом воздухе и воздухе полости носа (назальный NO) в концентрации от 1 до нескольких сотен ppb (часть на миллиард). В настоящее время установлено, что уровень NO является маркером атопического воспаления при БА, а также может иметь важное значение в диагностике ХОБЛ. Увеличение содержания NO в выдыхаемом воздухе зависит от наличия воспалительных процессов в РТ, которые влияют на активность NO- синтаз. Данное положение подтверждается данными о том, что при бронхоэктазах, инфекциях верхних и нижних дыхательных путей, туберкулезе может возрастать содержание NO в выдыхаемом воздухе [29, 30]. При воспалительных изменениях эпителия РТ и нарушении его целостности NO-синтаза в основном представлена индуцибельным пулом, интенсивно экспрессирующимся в воздухоносных путях и клетках воспаления [8, 11]. Доказано, что при ХОБЛ развитие нитрозивного стресса сопровождается ростом уровня NO в результате активации iNOS, увеличением концентрации нитритов / нитратов, а также повышением образования пероксинитрита, выявляемого в мокроте пациентов и усиливающего деструкцию бронхолегочной ткани [31—33]. В исследованиях S.A.Kharitonov, P.J.Barnes было зарегистрировано повышение уровня выдыхаемого NO во время обострения ХОБЛ [34]. Показано, что концентрация конечных метаболитов NO в сыворотке крови (NO2-, NO3-, NOx), а также уровень их спонтанной и индуцированной липополисахаридами продукции моноцитами крови в условиях культивирования клеток in vitro у больных ХОБЛ в период ремиссии значительно выше, по сравнению со здоровыми некурящими лицами [35]. Таким образом, широкий спектр биохимических и патофизиологических эффектов NO, влияющих на процессы клеточной регуляции, его высокая биологическая активность делают перспективными дальнейшие исследования информативности данного маркера при оценке состояния пациентов ХОБЛ в различные периоды и на различных стадиях заболевания. Кроме того, повышается интерес к изучению содержания метаболитов NO для оценки тяжести течения ХОБЛ и мониторинга эффективности проводимой терапии. Учитывая актуальность внедрения неивазивных методов диагностики, целесообразно оценивать изменение концентрации изучаемых метаболитов NO в конденсате выдыхаемого воздуха (КВВ) у больных ХОБЛ. Установлено, что уровень суммарной концентрации нитратов и нитритов (TNN) в КВВ является интегральным показателем синтеза оксида азота в респираторном тракте [38]. Обнаружено также, что этот показатель статистически значимо повышается при поллинозе и обострении БА [7, 39]. На основе оценки TNN в КВВ разработан метод выявления групп риска по атопии в ходе массовых скрининговых исследований среди школьников [40]. Немногочисленные научные публикации представляют данные о повышении уровня содержания выдыхаемого NO и его метаболитов (нитратов и нитритов) в КВВ, у больных с обострением ХОБЛ [41— 43]. Известно, что ХОБЛ является одним из наиболее распространенных респираторных заболеваний у ликвидаторов аварии на Чернобыльской АЭС. При этом происходит нарушение оксидативного статуса, которое проявляется, в частности, изменением метаболизма оксида азота в респираторном тракте. Коррекция этих нарушений возможна посредством препаратов с антиоксидантными (АО) свойствами. Наиболее изученным является N-ацетилцистеин (NAC) — препарат, обладающий как прямой, так и непрямой АО-активностью. NAC является предшественником глутатиона, с чем связан его непрямой АО-эффект. Глутатион –трипептид (–глутамил -цистеинил- глицин), признанный наиболее значимым из низкомолекулярных антиоксидантов, обеспечивает АО-защиту от эндогенных и экзогенных оксидантов посредством сульфгидрильной группы цистеина, а также выступает как кофермент и играет ведущую роль в функционировании ряда ферментов глутати- онового цикла — глутатионпероксидазы, глутатионредуктазы и глутатионтрансферазы. Глутион способен инактивировать большинство АФК и АФА, в т. ч. их наиболее токсичные формы — пероксинитрит, гипохлорит и гидроксильные радикалы. Глутион регулирует активность многих белков, учавствует в стабилизации клеточных мембран, синтезе ДНК, пролиферации клеток, учавствует в трансмембранном переносе органических веществ и тем самым способствует регенерации поврежденных альвеол и восстановлению функции дыхания. Уровень глутатиона сокращается при постоянных перенапряжениях иммунной системы, таких как: болезни, инфекции, неблагоприятные воздействия окружающей среды. И хотя глутатион нужен для продуктивной работы иммунной системы, ослабленная иммунная система сдерживает производство глутатиона, в результате получается пагубный цикл. Глутатион играет решающую роль в работе иммунной системы и напрямую связан с воспроизводством и ростом Т-лимфоцитов , которые помогают координировать реакцию организма , для распознавания чужеродного агента , а также уничтожают ( Т-киллеры ) возбудителей различных заболеваний. Низкий уровень глутатиона в антиген-презентирующих клетках способствует нарушению образования антигена и формирует неправильныйответ. Поэтому глутатион –важный фактор в регуляции эффективности антиген-презентирования ( Short,S,Eur. J.Immunol.1996,Dec,26(12):3015-3020). Следует заметить, что большинство антигенов –это белки с дисульфидными связями. Глутатион восстановленный GSH восстанавливает дисульфидныесвязи антигенов. Высокий уровень глутатиона также способствует продукции интерферона. Основные усилия лечащего врача при аллергических заболеваниях респираторного тракта должны быть направлены на снижение продукции IgE и увеличение синтеза IgG HlgA. т.е воздействие на иммунологическую стадию. Глутатион являясь иммунокорректором, уменьшает продукцию IgE,способствует снижению воспалительных цитокинов, в том числе лейкотриенов и ориентирует дифференциацию наивных хелперов. Таким образом, суммарная концентрация стабильных метаболитов оксида азота в КВВ может служить маркером эффективности действия антиоксидантной терапии, применяемой в качестве дополнения к традиционной терапии пациентов с ХОБЛ — ликвидаторов аварии на Чернобыльской АЭС, а NAC способствует коррекции нарушений метаболизма NO. Дальнейшее изучение метаболизма оксида азота в КВВ у пациентов ХОБЛ является перспективным и, несомненно, значимым для оценки активности хронического воспаления, а также мониторирова- ния эффективности проводимой терапии [44].
Неинвазивные методы исследования оксидатив- ного и нитрозивного стресса позволяют оптимизировать диагностику и лечение, а также способствуют выяснению молекулярных механизмов патогенеза заболеваний легких, в т. ч. ХОБЛ. На рис. 5 представлены эффекты оксидативного и нитрозивного стресса в респираторном тракте при ХОБЛ [45]. Учитывая рассмотренные выше механизмы инициации и особенностей развития СРП при различных болезнях легких, а также способы их коррекции, в целях эффективной патогенетической терапии необходимо определять оксидативный и нитрозивный статус пациента при каждом конкретном заболевании и назначать антиоксидантные средства, влияющие на конкретные звенья процессов свободнорадикального окисления, а также иммунокорректоры. Литература
|
В каждом лекарстве заложена частица жизни человека. Компания WELFAR VST является архитектором вашего здоровья, связующим эти важные частицы жизни человека.
