CC BY
84
ОБЗОРЫ И ЛЕКЦИИ
УДК 577.21:576.3
ИШЕМИЧЕСКОЕ ПОСТКОНДИЦИОНИРОВАНИЕ СЕРДЦА. ЧАСТЬ III
Л.Н. Маслов, Ю.Б. Лишманов
ФГБУ "НИИ кардиологии" СО РАМН, Томск E-mail: [email protected]
ISCHEMIC POSTCONDITIONING OF THE HEART. PART III L.N. Maslov, Yu.B. Lishmanov
Federal State Budgetary Institution "Research Institute for Cardiology" of Siberian Branch under the Russian Academy of Medical Sciences,
Томск
Авторы обзора анализируют данные о том, что G-белок-сопряженные рецепторы, фосфатидилинозитол-3-кина-за, Akt-киназа, эндотелиальная NO-синтаза, гуанилатциклаза, цГМФ, протеинкиназа G, митохондриальная проте-инкиназа Се, митохондриальные АТФ-чувствительные К+-каналы, активные формы кислорода, поры, регулирующие проницаемость митохондрий, участвуют в сигнальном каскаде посткондиционирования.
Ключевые слова: сердце, ишемическое посткондиционирование, сигнальный каскад.
The authors of the review analyze data that G-protein coupled receptors, phosphatidylinositol-3 kinase, Akt kinase, endothelial NO-synthase, guanylyl cyclase, cGMP, protein kinase G, mitochondrial protein kinase Се, mitochondrial ATP-sensitive K+-channel, reactive oxygen species, and mitochondrial permeability transition pore are involved in signaling cascade of postconditioning.
Key words: heart, ischemic postconditioning, signaling cascade.
В предыдущих статьях мы достаточно подробно изложили читателю сведения, касающиеся основных проявлений и триггерного механизма ишемического посткондиционирования. В данном обзоре мы анализируем публикации, посвященные сигнальному механизму посткондиционирования.
Основываясь на сходстве эффектов пре- и посткондиционирования, исследователи предположили, что в механизме посткондиционирования задействованы те же самые сигнальные системы, что и в прекондициониро-вании: Р13-киназа (PI3K), Akt-киназа (anti-apoptotic kinase), протеинкиназа С (ПКС), митоген-активируемая протеинкиназа (МАПК), ERK-киназа (extracellular signal regulated kinase), тирозинкиназа, p38-киназа (МАПК с молекулярным весом в 38 кДа), jNK-киназа (от c-Jun N-terminal kinase), митКАТф-каналы (митохондриальные АТФ-чувствительные К+-каналы), MPT-пора (mitochondrial permeability transition pore - пора, изменяющая проницаемость митохондрий) [1, 29]. Активные формы кислорода могут быть как триггерами посткондиционирования, так и медиаторами сигнального механизма, обеспечивающего повышение толерантности сердца к репер-фузионным повреждениям.
Исследователи из Лондона [23] установили, что ингибиторы PI3-киназы вортманнин и LY294002 в опытах на изолированном перфузируемом сердце крысы полнос-
тью ингибируют кардиопротекторный эффект посткондиционирования. Посткондиционирование сопровождалось фосфорилированием Akt-киназы (что обычно свидетельствует об активации фермента), эндотелиальной NO-синтазы (eNOS) и p70S6-киназы (70-kDA ribosomal protein s6 kinase - киназа с молекулярной массой 70 кДа, которая фосфорилирует рибосомальный белок). Фосфо-рилирования не отмечалось в условиях ингибирования PI3-киназы. Авторы пришли к заключению, что посткондиционирование связано с активацией PB-киназы, Akt-киназы, eNOS и p70S6-киназы. В 2005 г. X.M. Yang и соавт. [28] подтвердили данные британских коллег. В экспериментах на изолированном сердце кролика они показали, что ингибитор PB-киназы вортманнин полностью устраняет инфаркт-лимитирующий эффект посткондиционирования. Однако C.E. Darling и соавт. [9] не смогли подтвердить данные лондонских физиологов. Они показали, что кардиопротекторный эффект посткондиционирования сохраняется в условиях блокады PB-киназы препаратом LY294002, а фосфорилирования Akt после посткондиционирования не отмечается. Несколько неожиданный результат получили исследователи из Бетесды (США) [21]. Они установили, что посткондиционирование не влияет на размер инфаркта, но вызывает фосфорилиро-вание Akt-киназы и p70s6-киназы. Получается, что ограничение размеров очага некроза и активация названных
киназ - два невзаимосвязанных события. Вместе с тем в опытах на изолированном сердце крысы показано, что вортманнин и LY294002 ингибируют кардиопротектор-ный эффект посткондиционирования, и тем самым подтверждается факт участия PI3-киназы в посткондиционировании [4]. Сходные данные получили M. Zhu и соавт. [33]. В опытах на изолированном сердце крысы они установили, что LY294002 - ингибитор PB-киназы - устраняет защитный эффект посткондиционирования. Кроме того, авторы публикации обнаружили активацию Akt и фосфорилирование eNOS, GSK3P (glycogen synthase kinase Зр) и p70S6-киназы, что принято расценивать как ингибирование GSK3P и активацию eNOS и p70S6-киназы.
В 2004 г. X.M. Yang и соавт., выполняя эксперименты на изолированном сердце кролика, показали, что блокада киназ MEK-киназы и ERK-киназы полностью устраняет инфаркт-лимитирующий эффект посткондиционирования [26]. Годом позже в независимом исследовании, выполненном C.E. Darling и соавт., подтверждено участие ERK-киназы в посткондиционировании [9]. В 2006 г. физиологи из Бетесды установили факт фосфорилирования ERK-киназы, но не смогли обнаружить кардиопротекторный эффект посткондиционирования [21]. Эти результаты можно расценивать как доказательство отсутствия причинной взаимосвязи между активацией ERK-киназы и повышением устойчивости сердца к патогенному действию реперфузии. В то же время исследователи из Цюриха (Швейцария) не смогли подтвердить участие ERK-киназы в посткондиционировании [33].
физиологами из Университета Атланты получены данные об участии ПКС в механизме посткондиционирования [30]. В опытах in vivo на крысах показано, что неселективный ингибитор ПКС хелеритрин или селективный блокатор ПКСе KIE1-1 устраняют кардиопротекторный эффект посткондиционирования. Указанные ингибиторы не влияли на размер инфаркта у крыс с ишемией-реперфузией без посткондиционирования. Селективный блокатор ПКСд роттлерин у этих животных уменьшал соотношение размера инфаркта/области риска (РИ/ОР), но не влиял на инфаркт-лимитирующий эффект посткондиционирования [30]. Посткондиционирование способствовало двукратному увеличению фосфорилированной ПКСє в гомогенате сердца и вызывало двукратное уменьшение количества ПКСб, связанной с митохондриями [30]. Имеются литературные данные о том, что транслокация ПКС5 в митохондрии во время реперфузии способствует усилению продукции этими органеллами супероксидно-го радикала и нарушению функции митохондрий [5]. Активация ПКС5 и транслокация фермента в митохондрии способствует гибели кардиомиоцитов во время реперфузии в результате апоптоза [19]. Ингибирование ПКС5 способствует увеличению устойчивости сердца к реперфу-зионным повреждениям [14, 15]. Напротив, активация ПКСе обеспечивает повышение толерантности сердца к патогенному действию ишемии-реперфузии [15]. В опытах на изолированном перфузируемом сердце крысы показано, что селективная блокада ПКС5 имитирует феномен посткондиционирования [16]. Сопоставив эти данные, можно прийти к выводу, что отмеченные во время посткондиционирования активация ПКСе и уменьшение
количества ПКС5, связанной с митохондриями, способствуют повышению толерантности сердца к реперфузи-онным повреждениям.
В литературе приводятся данные о том, что в посткондиционировании участвуют так называемые “киназы смерти” (death kinases). К ним относится p38-киназа и JNK [32]. По мнению некоторых авторов, активация этих киназ способствует гибели клеток во время ишемии-реперфузии. В экспериментах на изолированных кардио-миоцитах показано, что гипоксическое посткондиционирование подавляет реоксигенационный апоптоз клеток сердца, одновременно снижается количество фосфорилированной p38-киназы и JNK [31]. Неспецифический активатор p38-киназы и JNK анизомицин устраняет защитный эффект посткондиционирования. На основании полученных результатов исследователи пришли к выводу о том, что дефосфорилирование p38-киназы и JNK имеет прямое отношение к цитопротекторному эффекту посткондиционирования [31]. Позже эти данные были подтверждены тем же коллективом авторов [22].
В 2004 г. в лаборатории проф. J.M. Downey получено подтверждение того, что в механизме посткондиционирования может быть задействована NO-синтаза [27]. Выполняя эксперименты на изолированном сердце кролика, американские физиологи показали, что кардиопротекторный эффект посткондиционирования не проявляется в условиях блокады NO-синтазы.
Гуанилатциклаза является одним из ключевых ферментов сигнальной цепи посткондиционирования. Американские физиологи [28], выполняя эксперименты на изолированном сердце кролика, показали, что блокада гуанилатциклазы препаратом ODQ приводит к исчезновению кардиопротекторного эффекта посткондиционирования.
Исследователи предполагают, что в цепи сигнальных событий во время посткондиционирования митохондриальные КАТф-каналы являются одним из конечных звеньев [24, 32]. Первая публикация об участии КАТф-каналов в механизме посткондиционирования появилась в 2004 г [27]. Тогда в экспериментах на изолированном сердце кролика было показано, что неселективный ингибитор КАТф-каналов глибенкламид и селективный блокатор митКАТф-каналов 5-гидроксидеканоат полностью устраняют инфаркт-лими-тирующий эффект посткондиционирования.
Гипотетическим конечным эффектором посткондиционирования является MPT-пора [10, 24]. Известно, MPT-пора находится в закрытом состоянии во время ишемии, а ее открытие во время реперфузии индуцирует апоптоз кардиомиоцитов [11, 17]. Первые данные об участии названной поры в механизме посткондиционирования получены в 2005 г. [2]. французские исследователи установили, что посткондиционирование блокирует открытие MPT-поры, а селективный ингибитор MPT-поры NIM811 имитирует инфаркт-лимитирующий эффект посткондиционирования [2]. Годом позже они подтвердили свои данные [4]. Блокатором MPT-поры является также белок Bcl-2 (B-cell lymphoma 2 protein) [17]. Исследователи из Милуоки (США) изучали его роль в механизме посткондиционирования [25]. Ими установлено, что внутрибрю-шинное введение кроликам селективного ингибитора Bcl-
2 HA14-1 полностью устраняло кардиопротекторный эффект посткондиционирования. Авторы сделали вывод, что защитный эффект посткондиционирования связан с блокадой MPT-поры белком Bcl-2 [25]. Открытие MPT-поры индуцирует другой белок - Bax [17]. Американские физиологи обнаружили, что посткондиционирование супрессирует экспрессию белка Bax [22]. Следовательно, защитный эффект посткондиционирования связан с модулирующим действием на MPT-пору белков Bcl-2 и Bax.
В настоящее время показано существование функциональной взаимосвязи между гуанилатциклазой (ГЦ), протеинкиназой G (ПКО), которые расположены в цитоплазме, и митохондриальной ПКСе (митПКСе), митКАТф-каналами и MPT-порой, локализованными в митохондриях. Так, например, установлено, что активация митКАТф-каналов диазоксидом блокирует открытие MPT-поры во время ишемии-реперфузии [12]. В 2008 г. A Kuno и соавт. [18] в опытах на изолированном сердце кролика показали, что фармакологическая активация пКо за 5 мин до начала реперфузии имитирует феномен посткондиционирования. Установлено, что из цитоплазмы цГМф и ПКС передают сигнал к расположенным на внутренней мембране митохондрий КАТф-каналам. Это ведет к открытию последних, генерации активных форм кислорода (АфК) и, в конечном итоге, к повышению толерантности сердца к ишемии-реперфузии [6, 20].
Оставалось неизвестным, что выступает в роли посредника между ПКО и митКАТф-каналами. Исследователи из лаборатории K.D. Garlid (А2Тф008) полагают, что в роли такого посредника выступает митохондриальная ПКСе [7]. Эти авторы обнаружили ПКСе в митохондриях и показали, что активация митКАТф-каналов диазоксидом приводит к закрытию MPT-поры. “Ловушка свободных радикалов” MPG (2-mercaptopropionyl glycine) и блокаторы ПКСе предотвращали названный эффект диазоксида. В ходе исследования установлено, что ПКО-опосредованное ингибирование MPT-поры блокируется MPG, селективными блокаторами митКАТф-каналов и ПКСе. Американские исследователи нашли, что активация ПКСе форбол-12-миристат-13-ацетатом или H2O2 ведет к митКАТф-канал-независимому ингибированию MPT-поры. В то же время активация ПКСе протеинкиназой G или пептидом ^RACK не приводит к прямому ингибированию MPT-поры, а требует активации митКАТф-каналов. Сопоставив эти данные, A.D. Costa и соавт. [7] постулировали существование в митохондриях двух пулов ПКСе. Первый фос-форилирует митКАТф-каналы, что ведет к открытию названных каналов, второй обеспечивает фосфорилирова-ние MPT-поры, что приводит к закрытию поры. Показано, что ПКСе связывается с VDAC (voltage-dependent anion channel), который является структурным компонентом MPT-поры, и фосфорилирует этот белок [3]. Полагают, что ПКО фосфорилирует на внешней мембране митохондрий неизвестный белок-рецептор (R1), который передает сигнал на ПКСе, связанную с внутренней мембраной митохондрий [8]. Кроме того, высказывается точка зрения, что на внешней мембране названных органелл присутствует неизвестный белок-рецептор (R2), который фосфорилируется цитоплазматической ПКСе и Src-киназой (тирозинкиназа) и передает сигнал на митПКСе [8].
Анализ представленных данных позволяет предполагать, что во время посткондиционирования выстраивается следующая цепочка событий: посткондиционирование ^ G-белок-сопряженные рецепторы ^ PB-киназа ^ Akt-киназа ^ eNOS ^ NO ^ ГЦ ^ цГМф ^ ПКО ^ R1 ^ митПКСе1 ^ митК.т-канал ^ АфК ^ митПКСе2
АТф
^ MPT-пора ^ супрессия апоптоза. Другой сигнальный путь, который включает посткондиционирование: ^ G-белок сопряженные рецепторы ^ белок Ras ^ MEK-киназа ^ ERкl/2-киназа ^ супрессия апоптоза [13] - не представляется бесспорным и требует дополнительного изучения.
Выше мы неоднократно отмечали сходство прекон-диционирования и посткондиционирования. Однако речь все же идет о двух разных феноменах, механизм которых должен быть различен. Таких различий пока найдено немного. Так, установлено, что прекондиционирова-ние вызывает активацию р38 МАПК и JNK [13]. В то же время посткондиционирование сопровождается ингибированием названных киназ [22, 34]. Видимо, различия в сигнальном механизме пре- и посткондиционирования будут выявлены в будущих исследованиях.
Таким образом, анализ литературных данных позволяет нам утверждать, что в посткондиционировании сердца ключевую роль играют PB-киназа, Akt-киназа, eNO-синтаза, NO, гуанилатциклаза, протеинкиназа G, белок R1, митПКСе 1, митКАТф-канал, АфК, митПКСе2, MPT-пора, белок Ras, MEK-киназа, ERK1/2-киназа. Вполне вероятно, что в недалеком будущем для профилактики реперфузион-ных повреждений сердца будут использоваться активаторы перечисленных звеньев сигнальной цепи.
Работа подготовлена при поддержке государственных контрактов №02.740.11.0714, контракт №11519-112016, № 11.519.11.2028, и РФФИ гранты: 1004-00288,11-04-00467,11-04-98001,11-04-98000,1104-98004, 12-04-91152. Авторы выражают признательность НА. Данильченко, РВ. Ужаченко, И.С. Хохловой, В. Ключарёву за техническую помощь при подготовке обзора.
Литература
1. Маслов Л.Н. Новые подходы к профилактике и терапии ишемических и реперфузионных повреждений сердца при остром инфаркте миокарда // Сибирский медицинский журнал (Томск). - 2010. - Т. 25, № 2, вып. 1. - С. 17-24.
2. Argaud L., Gateau-Roesch O., Raisky O. et al. Postconditioning inhibits mitochondrial permeability transition // Circulation. -
2005. - Vol. 111 (2). - P. 194-197.
3. Baines C.P., Song C.X., Zheng Y.T. et al. Protein kinase Cе interacts with and inhibits the permeability transition pore in cardiac mitochondria // Circ. Res. - 2003. - Vol. 92 (8). - P. 873-880.
4. Bopassa J.C., Ferrera R., Gateau-Roesch O. et al. PI 3-kinase regulates the mitochondrial transition pore in controlled reperfusion and postconditioning // Cardiovasc. Res. - 2006. -Vol. 69 (1). - P. 178-185.
5. Churchill E.N., Szweda L.I. Translocation of 8PKC to mitochondria during cardiac reperfusion enhances superoxide anion production and induces loss in mitochondrial function // Arch. Biochem. Biophys. - 2005. - Vol. 439 (2). -P. 194-199.
6. Costa A.D., Garlid K.D., West I.C. et al. Protein kinase G transmits the cardioprotective signal from cytosol to mitochondria // Circ.
Res. - 2005. - Vol. 97 (4). - P. 329-336.
7. Costa A.D., Jakob R., Costa C.L. et al. The mechanism by which the mitochondrial ATP-sensitive K+ channel opening and H2O2 inhibit the mitochondrial permeability transition // J. Biol. Chem. - 2006. - Vol. 281 (30). - P. 20801-20808.
8. Costa A.D., Pierre S.V., Cohen M.V. et al. cGMP signalling in pre-and post-conditioning: the role of mitochondria // Cardiovasc. Res. - 2008. - Vol. 77 (2). - P. 344-352.
9. Darling C.E., Jiang R., Maynard M. et al. Postconditioning via
stuttering reperfusion limits myocardial infarct size in rabbit hearts: role of ERK1/2 // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. -
2005. - Vol. 289 (4). - P. H1618-H1626.
10. Gateau-Roesch O., Argaud L., Ovize M. Mitochondrial permeability transition pore and postconditioning // Cardiovasc. Res. - 2006. - Vol. 70 (2). - P. 264-273.
11. Griffiths E.J., Halestrap A.P. Mitochondrial non-specific pores
remain closed during cardiac ischaemia, but open upon reperfusion // Biochem J. - 1995. - Vol. 307 (1). - P. 93-98.
12. Hausenloy D.J., Maddock H.L., Baxter G.F. et al. Inhibiting
mitochondrial permeability transition pore opening: a new paradigm for myocardial preconditioning? // Cardiovasc. Res.
- 2002. - Vol. 55 (3). - P. 534-543.
13. Hausenloy D.J., Yellon D.M. Preconditioning and postconditioning: united at reperfusion // Pharmacol. Ther. -2007. - Vol. 116 (2). - P. 173-191.
14. Inagaki K., Chen L., Ikeno F. et al. Inhibition of 8-protein kinase C protects against reperfusion injury of the ischemic heart in vivo // Circulation. - 2003a. - Vol. 108 (19). - P 2304-2307.
15. Inagaki K., Hahn H.S., Dorn G.W. et al. Additive protection of the ischemic heart ex vivo by combined treatment with 8-protein kinase C inhibitor and e-protein kinase C activator // Circulation. - 2003b. - Vol. 108 (7). - P. 869-875.
16. Kostyak J.C., Hunter J.C., Korzick D.H. Acute PKC8 inhibition limits ischaemia-reperfusion injury in the aged rat heart: role of GSK-3P // Cardiovasc. Res. - 2006. - Vol. 70. (2). - P. 325-334.
17. Kroemer G., Galluzzi L., Brenner C. Mitochondrial membrane permeabilization in cell death // Physiol. Rev. - 2007. - Vol. 87 (1). - P. 99-163.
18. Kuno A., Solenkova N.V., Solodushko V. et al. Infarct limitation by a protein kinase G activator at reperfusion in rabbit hearts is dependent on sensitizing the heart to A2b agonists by protein kinase C // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. - 2008. - Vol. 295 (3). - P. H1288-H1295.
19. Murriel C.L., Churchill E., Inagaki K. et al. Protein kinase C8 activation induces apoptosis in response to cardiac ischemia and reperfusion damage: a mechanism involving BAD and the mitochondria // J. Biol. Chem. - 2004. - Vol. 279 (46). - P. 47985-47991.
20. Oldenburg O., Qin Q., Krieg T. et al. Bradykinin induces mitochondrial ROS generation via NO, cGMP, PKG, and mitoKATP channel opening and leads to cardioprotection // Am. J. Physiol
- 2004. - Vol. 286 (1). - P. H468-H476.
21. Schwartz L.M, Lagranha C.J. Ischemic postconditioning during reperfusion activates Akt and ERK without protecting against lethal myocardial ischemia-reperfusion injury in pigs // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. - 2006. - Vol. 290 (3). - P. H1011-H018.
22. Sun H.Y., Wang N.P, Halkos M. et al. Postconditioning attenuates cardiomyocyte apoptosis via inhibition ofJNK and p38 mitogen-activated protein kinase signaling pathways // Apoptosis. -
2006. - Vol. 11 (9). - P 1583-1593.
23. Tsang A., Hausenloy D.J., Mocanu M.M. et al. Postconditioning: a form of “modified reperfusion” protects the myocardium by activating the phosphatidylinositol 3-kinase-Akt pathway // Circ. Res. - 2004. - Vol. 95 (3). - P. 230-232.
24. Vinten-Johansen J., Zhao Z.Q., Zatta A.J. et al. Postconditioning
- a new link in nature’s armor against myocardial ischemia-reperfusion injury // Basic Res. Cardiol. - 2005. - Vol. 100 (4).
- P. 295-310.
25. Wang C., Neff D.A., Krolikowski J.G. et al. The influence of B-cell lymphoma 2 protein, an antiapoptotic regulator of mitochondrial permeability transition, on isoflurane-induced and ischemic postconditioning in rabbits // Anesth. Analg. -
2006. - Vol. 102 (5). - P. 1355-1360.
26. Yang X.M., Krieg T., Cui L. et al. NECA and bradykinin at reperfusion reduce infarction in rabbit hearts by signaling through PI3K, ERK, and NO // J. Mol. Cell. Cardiol. - 2004a. -Vol. 36 (3). - P. 411-421.
27. Yang X.M., Proctor J.B., Cui L. et al. Multiple, brief coronary occlusions during early reperfusion protect rabbit hearts by targeting cell signaling pathways // J. Am. Coll. Cardiol. - 2004b.
- Vol. 44 (5). - P. 1103-1110.
28. Yang X.M., Philipp S., Downey J.M. et al. Postconditioning’s protection is not dependent on circulating blood factors or cells but involves adenosine receptors and requires PI3-kinase and guanylyl cyclase activation // Basic Res. Cardiol. - 2005. -Vol. 100 (1). - P. 57-63.
29. Yellon D.M., Downey J.M. Preconditioning the myocardium: from cellular physiology to clinical cardiology // Physiol. Rev. - 2003.
- Vol. 83 (4). - P. 1113-1151.
30. Zatta A.J., Kin H., Lee G. et al. Infarct-sparing effect of myocardial postconditioning is dependent on protein kinase C signalling // Cardiovasc. Res. - 2006. - Vol. 70 (2). - P. 315-324.
31. Zhao Z.Q., Sun H.Y., Wang N.P. et al. Hypoxic postconditioning attenuates cardiomyocyte apoptosis via inhibition JNK and p38 kinases pathway // J. Mol. Cell. Cardiol. - 2005. - Vol. 38 (5). -P. 870.
32. Zhao Z.Q., Vinten-Johansen J. Postconditioning: reduction of reperfusion-induced injury // Cardiovasc. Res. - 2006. - Vol. 70 (2). - P. 200-211.
33. Zhu M., Feng J., Lucchinetti E. et al. Ischemic postconditioning protects remodeled myocardium via the PI3K-PKB/Akt reperfusion injury salvage kinase pathway // Cardiovasc. Res. -
2006. - Vol. 72 (1). - P. 152-162.
Поступила 02.05.2012
Сведения об авторах
Маслов Леонид Николаевич, докт. мед. наук, профессор, руководитель лаборатории экспериментальной кардиологии фГБУ “НИИ кардиологии” СО РАМН. Адрес: 634012, г. Томск, ул. Киевская, 111а.
E-mail: [email protected].
Лишманов Юрий Борисович, докт. мед. наук, профессор, член-корреспондент РАМН, заместитель директора по НИР фГБУ “НИИ кардиологии” СО РАМН. Адрес: 634012, г. Томск, ул. Киевская, 111а.
E-mail: [email protected].
