CC BY
168
Нарушения окислительного метаболизма при заболеваниях респираторного тракта и современные подходы к антиоксидантной терапии
С.К. Соодаева, И.А. Климанов
Неотъемлемым атрибутом функционирования живых систем является образование активных форм кислорода (АФК). АФК играют ключевую роль во многих жизненно важных процессах в организме: они участвуют в обеспечении клеток энергией, поддержании гомеостаза, детоксикации экзогенных и эндогенных соединений, апоптозе и размножении клеток, защите от микроорганизмов и т.д.
В физиологических условиях образование АФК контролируется системой антиоксидантной защиты. При патологических состояниях баланс в системе оксиданты-антиоксиданты нарушается с усилением генерации АФК и активных форм азота (АФА) и/или ослаблением антиоксидантной защиты. Подобный дисбаланс в этой системе определяется как окислительный стресс (ОС). Нарушение окислительного метаболизма рассматривается в настоящее время как универсальный неспецифический механизм патогенеза различных заболеваний человека.
Практически любая патология респираторного тракта (РТ) сопровождается развитием ОС - это хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ), бронхиальная астма (БА), пневмония, рак легкого, респираторный дистресс-синдром, интерстициальные заболевания легких, саркои-доз, муковисцидоз, острые респираторные вирусные инфекции, радиационные пневмопатии, пневмокониозы и т.д.
Механизмы развития ОС в РТ
По сравнению с другими системами органы дыхания наиболее уязвимы для повреждений, вызываемых ОС, что связано с их анатомо-физиологическими особенностями. РТ обладает наибольшей площадью контакта с экзогенными оксидантами - атмосферным кислородом и загрязнителями воздуха (озоном, оксидами азота, серы и углерода, компонентами выхлопных газов, табачного дыма и т.д.). Эндогенная генерация оксидантов в легких связана
ФГУ НИИ пульмонологии ФМБА России.
Светлана Келдибековна Соодаева - профессор, зав. лабораторией клинической биофизики.
Игорь Александрович Климанов - канд. мед. наук, ст. научный сотрудник лаборатории.
с высоким содержанием в сурфактанте и мембранах клеток РТ ненасыщенных жирных кислот, которые легко вступают в процессы перекисного окисления липидов
(ПОЛ). Свою лепту вносят также оксиданты циркулирующей крови и АФК, генерируемые клетками РТ при воздействии различных активаторов (поллютантов, микроорганизмов, иммунных комплексов и др.).
К АФК относятся свободные радикалы - супероксид-ный анион-радикал (О2), радикалы гидроксила (НО') и монооксида азота (N0'), а также нерадикальные прооксиданты: пероксид водорода (Н2О2), синглетный кислород (1О2), гипохлорит (ОС!-), липогидропероксиды. АФА - относительно недавно изученный класс радикальных и нерадикальных соединений, родоначальником которых является синтезируемый посредством N0-синтазы оксид азота (N0). К АФА относят сам оксид азота, оксиды азота других валентностей, пероксинитрит ^N00) и ряд других.
Живые организмы располагают системой антиоксидантной защиты, которая поддерживает концентрацию АФК на безопасном уровне. Эту многокомпонентную систему представляют антиоксидантные ферменты - супер-оксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидазы, перок-сиредоксины и др.; низкомолекулярные антиоксиданты -глутатион, цистеин, рибоза, аскорбиновая кислота, а-то-коферол, каротиноиды, биофлавоноиды и др.; белки, связывающие ионы металлов переменной валентности (в первую очередь железа - ферритин, трансферрин).
При патологических состояниях одним из основных проявлений ОС становится лавинообразное нарастание генерации АФК при недостаточности антиоксидантной защиты, что приводит к развитию различных повреждений. АФК (в основном радикал гидроксила, пероксинитрит и гипохлорит) способны вызывать необратимые изменения важнейших компонентов клеток - белков, липидов, нуклеиновых кислот. Окислительная модификация белков придает им антигенные свойства, а ПОЛ (в первую очередь арахидоновой кислоты) усиливает выработку хемоаттрактантов с миграцией фагоцитов к зоне их образования. Активация фагоцитов обладает свойством самопроизвольно усиливаться, и в очагах воспаления может сформироваться порочный круг.
N
34 Атм/сферА. Пульмонология и аллергология 1*2009 www.atmosphere-ph.ru
Формирование дисульфидных связей и полимеризация / 1
S-S
пол —
Повреждение клеточных мембран
Повреждение клеточных мембран
Эффекты
• Г иперсекреция Т
• Повышение вязкости /
мокроты
• Экссудация, выделение
медиаторов воспаления
• Модификация активности
рецепторов, инактивация
ферментов, повреждение
тканей
Клинические
проявления
• Затруднение откашливания и риск инфицирования мокроты
• Г иперреактивность
бронхов
• Бронхоконстрикция
• Снижение легочных
объемов
АФК
Оксидативное повреждение протеинов и гликопротеинов
Повреждение клеточных мембран
Рис. 1. Основные этапы повреждающего действия АФК на РТ (схема).
Таким образом, эскалация ОС всегда сопряжена с развитием воспалительных изменений при заболеваниях РТ.
АФК и АФА способны инактивировать антипротеазы, формируя дисбаланс в системе протеолиз-антипротео-лиз. Оксиданты участвуют также в передаче межклеточных сигналов через ядерный фактор кВ и активирующий протеин-1. При этом индуцируются выработка цитокинов, процессы пролиферации, хемотаксиса и т.д. Свободнорадикальные процессы (СРП), задействованные в выработке цитокинов и образовании пероксинитрита (при взаимодействии оксида азота с супероксидом), способны привести к вазо- и бронхоконстрикции. Вызванные ОС повреждения возникают на всех этапах формирования заболеваний РТ и охватывают все его структуры - стенки воздухоносных путей, легочную ткань, микроциркуляторное русло, антипротеазы, фагоциты, жидкость, покрывающую эпителий (ЖПЭ), и альвеолярный эпителий.
На рис. 1 схематически изображены основные этапы повреждающего действия АФК в РТ. При воздействии АФК на ЖПЭ происходит формирование дисульфидных связей и полимеризация биомолекул, что приводит к гиперсекреции и повышению вязкости мокроты. Клинически
это выражается кашлем, затрудненным отделением мокроты и риском инфицирования. Дальнейшая экспозиция АФК способствует запуску ПОЛ с экссудацией и воспалением в дыхательных путях. Окислительное повреждение протеинов и гликопротеинов приводит к модификации активности рецепторов, инактивации ферментов, повреждению тканей. Клиническими проявлениями становятся вазо- и бронхоконстрикция, бронхиальная гиперреактивность, снижение легочных объемов.
Основные маркеры ОС в РТ
Многообразие свободнорадикальных форм и процессов диктует необходимость выбора специфичных, высокочувствительных, информативных маркеров для их выявления и мониторинга при бронхолегочных заболеваниях. Анализ неинвазивных маркеров ОС осуществляется в таких биосредах, как выдыхаемый воздух, индуцированная мокрота, конденсат выдыхаемого воздуха (КВВ). Процедуры забора и анализа индуцированной мокроты достаточно трудоемки и плохо стандартизованы. Напротив, КВВ представляет собой информативную биосреду, которая отражает состав ЖПЭ и процессы, происходящие в РТ
Атмосфер А. Пульмонология и аллергология 35
www. atmosphere- ph.ru
Определяя концентрации тех или иных веществ в КВВ, можно наблюдать за динамикой этих процессов. Среди интенсивно исследуемых соединений особое место занимают маркеры окислительного стресса - АФА и АФК. Так как радикальные формы АФА и АФК нестабильны и являются короткоживущими, то наиболее перспективная роль отводится стабильным метаболитам АФА и АФК.
Среди АФК наиболее стабильной и изученной формой является пероксид водорода (Н2О2), который в организме образуется в результате дисмутации супероксидного анион-радикала. Особенно велика концентрация Н2О2 в очагах воспаления, благодаря чему он может служить маркером наличия и течения воспаления. Содержание Н2О2 в КВВ увеличивается при БА, ХОБЛ, муковисцидозе, пневмонии и других заболеваниях, однако конечная концентрация Н2О2 зависит от многих факторов (антиоксидантный статус, концентрация ионов металлов переменных валентностей и др.). Высокая зависимость от концентрации других молекул, присутствующих в среде, обусловливает необходимость измерять наряду с содержанием пероксида водорода целый ряд параметров.
В КВВ обнаруживают также метаболиты арахидоновой кислоты, продукты ПОЛ, альдегиды и другие вещества, однако определение этих показателей является малоинформативным.
Оксид азота - еще одна молекула, которая активно изучается в контексте ОС. N0 измеряется в выдыхаемом воздухе в режиме реального времени с помощью хемилю-минесцентных газовых анализаторов. Оценить продукцию N0 в РТ можно также путем определения его стабильных метаболитов в КВВ, таких как нитрат- и нитрит-анионы ^О-^О2), 3-нитротирозин, нитрозотиолы. Нитраты и нитриты являются наиболее стабильными из них, причем целесообразна регистрация суммарной концентрации нитратов и нитритов (СКНН), так как содержание нитрит-аниона в КВВ невелико.
Увеличенный уровень выдыхаемого N0 является маркером аллергического воспаления при БА. Однако у ряда пациентов с обострением БА нами зарегистрировано низкое содержание N0 в выдыхаемом воздухе. В то же время у них наблюдалось усиление люминолзависимой индуцированной хемилюминесценции фагоцитов периферической крови. В результате выявлена отрицательная корреляционная связь между уровнем выдыхаемого N0 и люминолзависи-мой хемилюминесценцией, отражающей суммарную генерацию всех АФК активированными макрофагами. Эта зависимость подтверждает факт взаимодействия супероксида и N0 при развивающемся ОС и образования пероксинитри-та при обострении БА. При этом на фоне гиперпродукции АФК и сниженных значений выдыхаемого N0 мы наблюдали повышенные по сравнению с контролем СКНН в КВВ. Это связано с тем, что при распаде пероксинитрита образуются и стабильные метаболиты оксида азота - нитраты и нитриты. Таким образом, для выявления СРП и их мониторинга при различной патологии РТ использование суммар-
ной концентрации нитратов и нитритов в КВВ представляется нам наиболее информативным.
Механизмы антиоксидантного действия Флуимуцила
Первостепенное значение ОС в патогенезе болезней РТ требует применения антиоксидантных препаратов, снижающих интенсивность СРП. С позиций доказательной медицины наиболее изученным препаратом с антиоксидант-ными свойствами является Флуимуцил - N-ацетилцисте-ин (NAC). Имеются убедительные доказательства, что NAC является мощным антиоксидантом, обладающим как прямым, так и непрямым действием.
Прямой антиоксидантный механизм действия NAC обусловлен наличием свободной сульфгидрильной группы, которая взаимодействует с электрофильными группами АФК, образуя стабильный дисульфид NAC. Отметим, что при взаимодействии большинства известных антиоксидантов (аскорбиновая кислота, а-токоферол и др.) со свободными радикалами образуются радикалы антиоксидантов, которые при определенных условиях (изменение ионного окружения, концентраций антиоксидантов и оксидантов) могут сами вступать в СРП, тогда как дисульфид NAC образуется, минуя промежуточную радикальную форму. NAC является “ловушкой” для большинства АФК, инактивируя в том числе наиболее агрессивные формы - гипохлорит и гидроксильные радикалы, а также обладает свойствами сильного комплексона.
Непрямой антиоксидантный эффект Флуимуцила связан с механизмом действия в качестве предшественника глутатиона. Глутатион - наиболее значимый из низкомолекулярных антиоксидантов, он является субстратом для ферментов глутатионпероксидаз, обеспечивающих антиоксидантную защиту организма от эндогенных и экзогенных оксидантов. Снижение уровня глутатиона в ЖПЭ обнаружено при интерстициальных легочных заболеваниях, муковис-цидозе, респираторном дистресс-синдроме и других состояниях. Напротив, при применении Флуимуцила зарегистрировано повышение уровня глутатиона в бронхоальвеолярном лаваже. Кроме того, показано, что NAC подавляет образование супероксида альвеолярными макрофагами и продукцию АФК нейтрофилами в бронхоальвеолярном лаваже. NAC противостоит повреждениям эпителиальных клеток под действием пероксида водорода, уменьшает индуцированные оксидантами табачного дыма повреждения нейтрофилов, альвеолярных макрофагов и фибробластов, тормозит гиперплазию секреторных клеток и активность эластазы, предотвращает вызванную гипохлоритом инактивацию ингибитора агпротеиназы in vitro.
Благодаря этим свойствам NAC в последнее время находит применение не только в респираторной медицине, но и в кардиологии, нефрологии, интенсивной терапии, гепа-тологии, онкологии, токсикологии и вирусологии. В пульмонологии Флуимуцил применяется при терапии ХОБЛ, острых респираторных вирусных инфекций, интерстициальных
N
36 Атм/сферА. Пульмонология и аллергология 1*2009 www.atmosphere-ph.ru
Контроль Здоровые ХОБЛ ХОБЛ
курильщики бывшие курящие
курильщики
Рис. 2. Динамика генерации AФK (индуцированная хе-милюминесценция фагоцитов периферической крови) при ХОБЛ и у здоровых курильщиков на фоне применения Флуимуцила. * - динамика достоверна, p < O,O5.
■ До экспозиции аллергенов
Контроль БА без анти- БА,
оксидантной предсезонная терапии терапия NAC
Рис. 3. Динамика концентрации нитратов и нитритов в КВВ при применении Флуимуцила у больных БА и в группе контроля. * - динамика достоверна, р < 0,05.
заболеваний легких, респираторного дистресс-синдрома и муковисцидоза.
Влияние Флуимуцила на ОС у пациентов с ХОБЛ и курильщиков
Табачный дым, содержащий огромные концентрации свободных радикалов, является значимым источником экзогенных оксидантов и потенцирует повреждающий эффект ОС у курильщиков. В нашей лаборатории исследовалось влияние Флуимуцила на окислительный метаболизм у больных ХОБЛ (курильщиков и бывших курильщиков) и куриль-
щиков без явной патологии РТ. Было обследовано 45 человек, у которых маркеры ОС оценивали в крови и КВВ.
У курящих пациентов с ХОБЛ и здоровых курильщиков генерация АФК и АФА была достоверно повышена по сравнению с группой некурящих здоровых людей, причем в большей степени - у больных ХОБЛ (рис. 2). Увеличение уровня маркеров ОС у здоровых курильщиков говорит о развитии ОС в РТ даже в отсутствие клинических проявлений и может служить негативным прогностическим признаком. На фоне 10-дневного приема Флуимуцила в дозе 600 мг/сут наблюдалось значимое и достоверное снижение генерации АФК и АФА только в группе здоровых курильщиков (см. рис. 2).
Проведенная работа демонстрирует возможную эффективность применения Флуимуцила для профилактики развития ХОБЛ у курильщиков и диктует необходимость в проведении дальнейших, более продолжительных исследований.
Влияние Флуимуцила на ОС при БА
Эффективность антиоксидантной терапии Флуимуци-лом изучалась также у больных БА с гиперчувствительностью к пыльце деревьев. Для этого исследовали суммарную концентрацию нитратов/нитритов в КВВ до поллина-ции деревьев (в январе-феврале) и после экспозиции пыльцевых аллергенов (апрель-май). Было обследовано 99 человек. У 30 больных БА проводилась предсезонная антиоксидантная терапия Флуимуцилом в дозе 100 мг/сут в течение 30 дней, еще 34 пациента такой терапии не получали, в контрольную группу вошли 35 практически здоровых добровольцев.
У пациентов с БА содержание метаболитов ЫО в исходных пробах было повышено в 2 раза по сравнению с контролем (рис. 3). В период поллинации у больных, не получавших Флуимуцил, выявлен резкий прирост СКНН в КВВ. Предсезонное применение Флуимуцила уменьшало выраженность окислительного стресса - в этой группе больных БА не произошло достоверного увеличения СКНН в КВВ на фоне поллинации (см. рис. 3).
Таким образом, предсезонная антиоксидантная терапия Флуимуцилом у пациентов с пыльцевой БА препятствует лавинообразной генерации АФК и АФА в ответ на экспозицию аллергенов в сезон поллинации.
Заключение
Окислительный стресс играет важную роль при большинстве заболеваний органов дыхания. Полученные данные указывают на целесообразность использования Флуи-муцила в качестве антиоксидантного препарата при ряде воспалительных и экологически обусловленных болезней бронхолегочной системы. Новые экспериментальные и клинические данные о влиянии Флуимуцила на окислительный стресс позволяют заключить, что этот препарат в ближайшем будущем может занять одно из важных мест в лечении и профилактике многих заболеваний. >
N
38 Атм/сферА. Пульмонология и аллергология 1*2009 www.atmosphere-ph.ru
