CC BY
223
Обзор литературы
И.Ю. Смирнова, Л.М. Огородова, И.А. Деев
Сибирский государственный медицинский университет, Томск
Роль оксида азота в развитии заболеваний кожи
Контактная информация:
Смирнова Ирина Юрьевна, аспирант кафедры факультетской педиатрии с курсом детских болезней лечебного факультета Сибирского
государственного медицинского университета
Адрес: 634050, Томск, Московский тракт, д. 2, тел.: (382 2) 51-36-96
Статья поступила: 06.04.2009 г., принята к печати: 10.08.2009 г.
Эндогенно продуцируемый оксид азота оказывает разностороннее влияние на процессы, происходящие в коже, как в норме, так и при патологии. Конститутивные (нейрональная и эндотелиальная) и индуцибельная NO-cинтазы, отвечающие за синтез оксида азота, образуют неодинаковое его количество, что, в конечном итоге, и определяет степень их участия в процессах репарации кожи, а также развитии таких ее заболеваний как псориаз, меланома, атопический дерматит.
Ключевые слова: кожа, оксид азота, NO-синтазы.
Оксид азота (NO) является важным фактором, опосредующим многие физиологические и патологические процессы, включая вазодилатацию, нейротрансмиссию, противомикробный, противоопухолевый ответ, контролирует пролиферацию клеток (гладкомышечные клетки сосудов, кератиноциты, фибробласты) [1, 2]. Данный метаболит продуцируется в различных тканях организма человека, в том числе и в коже. Экспрессия NO осуществляется большим числом резидентных и воспалительных клеток в результате окисления аминокислоты L-аргинина до L-цитруллина посредством фермента NO-синтазы (NOS), который имеет три изоформы: индуцибельную — iNOS и две конститутивных: нейрональную — nNOS и эндотелиальную — eNOS [4]. Все конститутивные (nNOS, eNOS) NOS образуют NO в низких концентрациях (пикомолярных) через несколько секунд после стимуляции рецепторов одним из медиаторов (ацетилхолином, брадикинином, гистамином и др.). Таким образом осуществляется базальная регуляция тонуса сосудов, нейротрансмиссия. Активация iNOS осу-
ществляется на уровне транскрипции и обеспечивает в тысячи раз большую продукцию NO, в сравнении с конститутивными NOS. Высокие концентрации данного метаболита участвуют в противоопухолевой, антимикробной защите, оказывают влияние на эозинофильное воспаление и образование свободных радикалов [5]. Клетки организма не имеют рецепторов к NO, которые опосредовали бы его действие. Данный метаболит может воздействовать прямо, как биологический медиатор, либо косвенно, образуя реактивные формы азота и кислорода. Прямой путь состоит, главным образом, во взаимодействии NO и гем-содержащих белков, таких как гуанилатциклаза, оксигемоглобин, цитохром Р-450. Такой механизм действия обеспечивается работой конститутивных форм NOS. Непрямой путь действия NO реализуется при высоких концентрациях оксида азота, который образуется посредством iNOS, при этом образуются нитрозотиолы, пероксинитрит, индуцируется перекисное окисление липидов, повреждается цепь дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) [4, 6].
I.Yu. Smirnova, L.M. Ogorodova, I.A. Deyev
Siberian State Medical University, Tomsk
The role of nitric oxide in development of skin diseases
Endogenous nitric oxide (NO) influences on the processes taking place in skin by different ways as in norm, as in pathology. Constitutive (neuronal and endothelial) and inducible NO-syntases, responsible for NO synthesis, produce unequal volumes of it. This fact, finally, determine the degree of their participation in processes of skin reparation, and development of such diseases as psoriasis, melanoma, atopic dermatitis.
Key words: skin, nitric oxide, NO-syntases.
Постоянная экспрессия eNOS сосудистым эндотелием кожи обеспечивает продукцию NO для поддержания местного сосудистого тонуса. Экспрессия конститутивных NOS, необходимых для синтеза NO, участвующего в регуляции баланса пролиферация/гибель клеток, отмечена в кератиноцитах и меланоцитах [4].
Сегодня одним из наиболее изученных внешних активаторов экспрессии eNOS и nNOS в клетках кожи является ультрафиолетовое излучение, которое приводит к стимуляции меланогенеза и образованию эритемы [4]. Повышение экспрессии iNOS отмечается в различных клетках кожи под влиянием фактора некроза опухоли (ФНО) а, интерферона (ИФН) у, липополисахарида, интерлейкина (ИЛ) 8, ИЛ 1р при различных патологических процессах: воспалительных заболеваниях (псориаз, атопический дерматит, контактный дерматит), опухолевом процессе, при заживлении ран [2, 4, 7]. Ингибиторами транскрипции iNOS являются различные экзогенные и эндогенные вещества, такие как ингибиторы каль-ционеврина (циклоспорин, такролимус, пимекролимус), глюкокортикоиды, циклофиллины, ретиноиды, проста-гландины, ИЛ 4 и ИЛ 10 [7, 8].
Репаративные процессы в коже
Немаловажную роль в репаративных процессах кожи играет NO, обеспечивая межклеточные взаимодействия для таких клеток как макрофаги, фибробласты и кера-тиноциты [9]. Так, в исследовании на экспериментальных моделях отмечено, что в группе мышей, у которых нарушен синтез iNOS, заживление ран происходит намного медленнее, чем в контрольной. Одновременно с этим наблюдается более длительная репарация кожных повреждений при нарушении синтеза eNOS по сравнению с группой, дефицитной по iNOS [10]. Вероятно, малые количества NO в большей степени стимулируют пролиферацию клеток кожи, ускоряя тем самым процесс репарации.
В экспериментах in vivo и in vitro отмечена повышенная экспрессия eNOS в эндотелиоцитах сосудов, прорастающих в репарирующие ткани. Результат этого исследования предполагает участие NO в процессах миграции, пролиферации и дифференцировки эндотелиоцитов [11].
В фибробластах отмечается повышенная экспрессия iNOS, что приводит к образованию больших количеств NO, который стимулирует формирование коллагена [10]. При ингибировании активности iNOS замедляется аккумуляция коллагена, с чем связано торможение формирования механического каркаса раны и замедление репарации [12]. Другое влияние NO на фибробласты проявляется в его антипролиферативном действии, который наиболее выражен в тканях кожи. Отмечено, что увеличение митогенной активности фибробластов гипертрофированного кожного рубца ассоциируется со снижением активности eNOS [13].
Пролиферирующие кератиноциты, располагающиеся по краю раны, экспрессируют iNOS в большей степени, чем кератиноциты неповрежденных участков кожи. При этом образуется большое количество NO, что способствует их дифференцировке. Увеличение пролиферации происходит при низкой концентрации NO, которую обеспечивает активность конститутивных NOS. Этот регуляторный феномен реализуется при заживлении кожных повреждений [12].
Таким образом, в процессе регенерации поврежденной кожи NO оказывает влияние на различные стороны репа-ративного процесса. Действие NO на пролиферирующие клетки определяет его концентрация, которая зависит от активности различных NOS (рис. 1).
Псориаз
Эпидермальная гиперпролиферация при псориазе является следствием нарушения баланса между ростом и диф-ференцировкой кератиноцитов. В качестве потенциального регулятора этого процесса рассматривается NO, однако однозначно оценить имеющиеся научные данные относительно влияния NO на гиперпролиферацию кера-тиноцитов на сегодняшний день не представляется возможным [14].
Так, результаты, полученные G. Neeta и соавт. (2005), демонстрируют, что содержание NO в сыворотке крови больных псориазом позитивно коррелирует с активностью воспалительного процесса в коже, а неактивная фаза заболевания характеризуется низким уровнем NO. Эта же группа ученых установила, что NO стиму-
Рис. 1. Роль NO в репарации кожи
Примечание.
К — кератиноциты; Бм — базальная мембрана; Ф — фибробласты; С — сосуд; ТФР — трансформирующий фактор роста; ФРЭС — фактор роста эндотелия сосудов.
ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ ПЕДИАТРИИ /2009/ ТОМ 8/ № 4
Обзор литературы
лирует выработку эндотелиального ростового фактора эпителиальными клетками кожи, что способствует ангиогенезу и повышенной пролиферации кератино-цитов [15].
В другом исследовании (V. Krischel и соавт., 1998) было отмечено, что повышенная пролиферация кера-тиноцитов осуществляется при низких концентрациях NO [16]. Псориатические кератиноциты экспрессируют iNOS и потенциально способны синтезировать данный метаболит. Но точное количество NO, продуцируемое iNOS in vivo, определить сложно из-за наличия других изоформ NOS. Кроме того, присутствующие провоспали-тельные клетки также продуцируют оксид азота. Bruch-Gerharz D. и соавт., (2001) было проведено изучение экспрессии аргиназ, которые являются субстратными конкурентами NOS. Выявлена повышенная экспрессия аргиназы-I с коэкспрессией iNOS в клетках кожи, пораженных псориатическим процессом. Так, авторы объясняют низкий уровень продукции NO кератиноцитами, и, следовательно, гиперкератоз кожи при псориазе [17]. Таким образом, эти данные противоречат результатам, полученным G. Neeta и соавт., что, возможно, объясняется более сложными взаимодействиями между NOS, клетками и различными цитокинами. Однако, влияние NO на пролиферацию кератиноцитов при псориатическом поражении кожи — несомненно.
Меланома кожи
В развитии злокачественной опухоли предполагается наличие нескольких механизмов влияния NO на ДНК: во-первых, формирование канцерогенных нитрозаминов; во-вторых, прямая модификация ДНК метаболитами оксида азота путем дезаминирования или нитрозации нуклеиновых оснований; в-третьих, ингибирование систем, отвечающих за репарацию ДНК. Кроме того, вследствие оксидативного стресса образуется пероксинитрит, который индуцирует разрывы в молекуле ДНК.
Непосредственный вклад NO в развитие рака является разносторонним и противоречивым. С одной стороны, NO является медиатором опухолевого роста, что проявляется в его способности переключить метаболизм арахидоно-вой кислоты в сторону синтеза простагландина Е2 (ПГЕ2). Этот метаболит способен ограничивать противоопухолевую активность макрофагов. Кроме того, увеличивается сосудистая проницаемость и поступление веществ, необходимых для роста опухоли (глюкоза, кислород). Под влиянием NO активируется синтез фактора роста сосудистого эндотелия, поддерживающего ангиогенез, что улучшает васкуляризацию опухоли [19].
Одним из механизмов, способствующих развитию злокачественного процесса, является предотвращение лейкоцитарной инфильтрации. Образуемый в опухолевых клетках NO, предотвращает адгезию лейкоцитов в сосудах опухоли [22].
В исследовании in vivo, проведенном S. Mocellin и соавт. (2004), выявлено значительное увеличение продукции матричной рибонуклеиновой кислоты (мРНК) eNOS эндотелиальными клетками опухолевой ткани. При этом было выявлено, что чем выше экспрессия eNOS в ткани меланомы, тем чувствительнее эндотелий сосудов опухоли к противоопухолевому действию ФНО [27].
После цитокиновой стимуляции (ФНО а, ИФН у, липо-полисахарид, ИЛ 1р) в клетках меланомы повышается экспрессия iNOS. Причем, чем агрессивнее процесс злокачественного роста, тем выше экспрессия iNOS. С другой стороны, при повышении экспрессии iNOS в клетках
меланомы in vivo отмечено уменьшение пролиферации клеток меланомы и их метастазирования [18]. Такие противоречивые данные можно объяснить разным количеством N0, образуемым различными опухолевыми клетками. Например, клетки меланомы генерируют NO в 10 раз больше, чем клетки аденокарциномы толстого кишечника. Таким образом, NO при меланоме оказывает в большей степени туморсупрессирующий эффект. Приведенные данные сопоставлены с работами K. Xie и S. Huang (1995), в которых выявлено, что повышенное содержание N0 оказывает проапоптотическое действие на клетки меланомы [23].
Установлено, что в первичной опухоли экспрессия iNOS и содержание NO низкие, повышенная экспрессия iNOS и высокий уровень NO отмечен только в метастатических клетках меланомы. Это предполагает непосредственное участие NO в метастазировании опухоли. Исследование уровня нитритов в культуре клеток нормальных мела-ноцитов показало его значительно большее значение по сравнению с культурой клеток меланомы. Авторы объясняют эти результаты участием NO в процессах мелано-генеза [21].
Таким образом, в развитии рака кожи NO играет неоднозначную роль (рис. 2), с одной стороны, способствует метастазированию, улучшает васкуляризацию опухоли, ограничивает лейкоцитарную инфильтрацию, с другой — повышает продукцию оксида азота, уменьшает рост злокачественных клеток. Кроме того, увеличение экспрессии eNOS сопряжено с противоопухолевой чувствительностью к ФНО, что может быть использовано для прогноза ответа на противоопухолевое лечение.
Аллергические заболевания кожи
При аллергическом воспалении кожи стимулирующее влияние на синтез NO оказывает ИЛ 4, увеличивая экспрессию eNOS. Воздействие оксида азота на микро-циркуляторное русло приводит к нарастанию экссудации и тканевого отека. При значительном повышении NO образуется пероксинитрит, который приводит к нарастанию эозинофильного воспаления, и, следовательно, к прогрессированию заболевания. Иммуногистохимическое исследование пораженных участков кожи больных атопическим дерматитом (АтД) выявило экспрессию eNOS в эндотелии сосудов дермы. Кроме того, отмечается повышенная экспрессия iNOS в клетках пораженных участков кожи по сравнению с участками, не подверженными аллергическому воспалению [22]. Увеличение NO, образованное iNOS в эндотелии дермы и в периваскулярно расположенных клетках (макрофагах, фибробластах), приводит к вазодилатации при воспалении и изменениям иммунного ответа в коже (угнетение нейтрофильного ответа, увеличение числа Th-2 лимфоцитов) [24].
S. Taniuchi и соавт. (2002) установили, что степень поражения кожи у детей, больных АтД, значительно коррелирует с уровнем нитритов крови и числом эозинофилов в клиническом анализе крови. Под влиянием топических глюко-кортикоидов обнаружено уменьшение уровня нитритов/ нитратов в сыворотке крови [25]. Подобное исследование было проведено у взрослых пациентов, больных АтД, при этом авторы не обнаружили достоверных различий уровня нитритов в сыворотке крови и экспрессии iNOS у пациентов с обострением по сравнению с больными, находящимися в ремиссии, и контрольной группой [26]. Hamalainen M. и соавт. (2008) изучали влияние на продукцию NO одного из ингибиторов кальционеврина — пимекролимуса. Выявлено выраженное уменьше-
ние образования N0 и экспрессии iNOS в макрофагах и фибробластах, активированных воспалительными стимулами [8]. Основным механизмом действия данного лекарственного средства является предотвращение антиген/^Е-опосредованного высвобождения цитоки-нов и медиаторов воспаления из Т лимфоцитов и тучных клеток, подавление синтеза ИЛ 4, ИЛ 10, ИФН у. Низкая липофильность не позволяет проникать препарату через кожу, что ограничивает его системный эффект.
Другое аллергическое заболевание кожи — крапивница, — проявляется сосудистой и воспалительной реакцией кожи в ответ на аллерген. Обе эти реакции опосредует N0. Вовлеченная в развитие острой крапивницы ^Е-зависимая активация тучных клеток кожи ведет к высвобождению ИЛ 4. Этот цитокин индуцирует высокоаффинные рецепторы ^Е ^23) кератиноцитов. Лигация рецептора CD23/FceRII кератиноцитов является мощным индукционным стимулом для экспрессии iN0S, увеличи-
вающей количество NO, который, в свою очередь, повышает экспрессию ИЛ 6 и ФНО а. У здоровых пациентов мРНК iNOS либо отсутствует, либо слабо позитивна [22]. Таким образом, при аллергическом воспалении кожи NO оказывает вазодилатирующее действие на сосуды дермы, участвует в поддержании эозинофильного воспаления как за счет образования одного из метаболитов — пероксинитрита, так и самостоятельно, угнетая Thl-ответ и увеличивая образование Th2 лимфоцитов (рис. 3).
Заключение
Таким образом, оксид азота является универсальной молекулой, участвующей в регуляции многих процессов в коже человека. Наличие нескольких изоформ NOS обуславливает образование различных концентраций оксида азота в различных условиях, разными типами клеток. Сложность механизмов, реализующих действие N0 заключается в разнонаправленном действии NO в тече-
Рис. 2. Роль NO в развитии меланомы
Примечание.
ПГЕ2 — простагландин Е2.
Рис. 3. Роль NO в развитии аллергических заболеваний кожи
ИЛ 4
ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ ПЕДИАТРИИ /2009/ ТОМ 8/ № 4
Обзор литературы
нии патологических процессов. Регулирующим фактором является деятельность NO-синтаз, и, возможно, аргиназ, которая находится в сложных взаимодействиях с различными клетками и цитокинами.
Экспрессия конститутивных NOS необходима для функционирования кожи в норме для обеспечения распределения кровотока в дерме и поддерживания баланса обновления и старения клеток кожи. Отсутствие экспрессии iNOS в физиологических условиях указывает на необходимость малых доз NO для поддержания баланса. Однако в различных патологических процессах нет однозначного положительного или отрицательного действия N0 при его одинаковой концентрации. Например, при аллергическом воспалении высокое содержание NO способно поддерживать эозинофильное воспаление, отек тканей, с другой стороны — тормозит выделение гистамина тучными клетками.
Положительные эффекты оксида азота изучаются для возможного их использования с терапевтической целью. Например, местное применение глицирил тринитра-та уменьшает проявления кожного лейшманиоза [28], а топическое воздействие доноров N0 на экспериментальных моделях показало возможный протективный эффект в отношении отрицательного влияния ультрафиолетового излучения на клетки кожи, а также развития меланомы. При других болезнях, например, при АтД необходимо уменьшать патологическое действие N0, используя топические глюкокортикостероиды и ингибиторы кальционеврина [8].
Дальнейшие исследования роли N0 при различных заболеваниях кожи (псориаз, рак кожи, атопический дерматит, другие воспалительные процессы в коже) и репарации повреждений будут способствовать лучшему понимаю их патогенеза и поиску новых путей лечения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Метельская В. А., Гуманова Н. Г. Скрининг-метод определения уровня метаболитов оксида азота в сыворотке крови // Клиническая лабораторная диагностика. — 2005. — № 6. — С. 15 -18.
2. Bruch-Gerharz D., Kolb-Bachofen V., Ruzicka T. Nitric oxide and its implications in skin homeostasis and disease // Arch. Dermatol. Res. — 1998. — № 2. — R 643-651.
3. Michel Th., Feron O. Nitric Oxide Synthases: which, where, how, and why? // J. Clin. Invest. — 1997. — V. 100. — R 2146-2152.
4. Cals-Grierson M.-M., Ormerod A. D. Nitric oxide function in the skin // Nitric oxide. — 2004. — № 10. — R 179-193.
5. Ricciardolo F. L., Sterk R J., Gaston B. et al. Nitric oxide in health and disease of the respiratory system // Rhysiol. Rev. — 2004. — V. 84. — R. 731-765.
6. Nguen T., Branson D., Crespi C. L. et al. DNA damage and mutation in humane cells exposed to nitric oxide in vitro // Rroc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1992. — V. 89. — R 3030-3034.
7. Bruch-Gerharz D., Ruzicka T., Ruzicka T. et al. Nitric oxide in human skin: current status and future prospects // J. Invest. Dermatol. — 1998. — V. 110, № 1. — R. 80-89.
8. Hamalainen M., Korhonen R. Moilanen E. Calcineurin inhibito rs down-regulate iNOS expression by destabilising mRNA // Int. Immunopharmacol. — 2008. — № 8. — R 61-66.
9. Frank S., Kampfer H., Wetzler C. et al. Nitric oxide drives skin repair: Novel functions of an established mediator // Kidney International. — 2002. — V. 61. — R 882-888.
10. Yamasaki K., Edington H. D., McClosky C. et al. Reversal of impaired wound repair in iNOS-deficient mice by topical adenoviral-mediated iNOS gene transfer // J. Clin. Invest. — 1998. — V. 101. — R. 967-971.
11. Luo J. D., Chen A. F. Nitric oxide: a newly discovered function on wound healing // Act. Rharmacol. Sin. — 2005. — V. 26, № 3. — R. 59-64.
12. Schaffer M. R., Efron R A., Thornton F. J. Nitric oxide, an autocrine regulator of wound fibroblast synthetic function // J. Immunol. — 1997. — V. 158. — R. 2375-2381.
13. Wang R., Ghahary A., Shen Y. J. Nitric oxide synthase expression and nitric oxide production are reduced in hypertrophic scar tissue and fibroblasts // J. Invest. Dermatol. — 1997. — V. 108. — R. 438-444.
14. Sirsjo A., Karlsson M., Gidlof A. et al. Increased expression of inducible nitric oxide synthase in psoriatic skin and cytokine-stimulated cultured keratinocytes // J. Dermatol. — 1996. — V. 134. — R. 643-648.
15. Neeta G., Vasudha B., Dakshayani R et al. A study of serum nitric oxide levels in psoriasis // Indian J. Dermatol Venerol. Leprol. — 2005. — V. 71, № 3. — R. 198-203.
16. Krischel V., Bruch-Gerharz D., Suschek C. et al. Biphasic effect of exogenous nitric oxide (NO) on proliferation and differentiation in
skin-derived keratinocytes but not fibroblasts // J. Invest. Dermatol. — 1998. — V. 111. — P. 286-291.
17. Bruch-Gerharz D., Schnorr O., Suschek C. et al. Arginase 1 overexpression in psoriasis. Limitation of inducible nitric oxide synthase activity as a molecular mechanism for keratinocyte hyperproliferation // Amerian J. Pathol. — 2001. — V. 173. — P 2375-2381.
18. Xei K., Dong Z., Filder I. J. Activation of nitric oxide synthase genefor ingibition cancer metastasis // J. Leukoc. Biol. — 1996. — V. 59, № 5. — P 797-803.
19. Wink D. A., Vodovotz Y., Laval J. et al. The multifaceted roles of nitric oxide // Carcinagenes. — 1998. — V. 19, № 5. — P. 711-721.
20. Wu N. Z., Klitzmen B., Dodge R. et al. Diminished leukocyte-endothelium interaction in tumor microvessels // Cancer Res. — 1992. — V. 52. — P. 4265-4268.
21. Fecker L. F., Eberle J., Orfanos C. E. et al. Inducible nitric oxide synthase is expressed in normal human melanocytes but not in melanoma cells in response to tumor necrosis factor-a, interferon-y, and lipopolysaccharide // J. Invest. Dermat. — 2002. — V. 118. — P. 1019-1025.
22. Becherel P.-A., Chosidow O., Goff L. L. et al. Inducible nitric oxide sinthase and proinflammatory cytokine expression by human keratinicytes during acute urticaria // Molecular Medicine. — 1997. — V. 3, № 10. — P. 686-694.
23. Xie Q. W., Nathan C. The high-output nitric oxide pathway: role and regulation // J. Leukoc. Biol. — 1996. — V. 56. — P. 576-582.
24. Rowe A., Farrell A. M., Bunker C. B. Constitutive endothelial and inducible nitric oxide synthase in inflammatory dermatoses // Br. J. Dermatol. — 1997. — V. 136, № 1. — P 18-23.
25. Taniuchi S., Kojima T., Hara M. et al. Increased serum nitrate levels in infants with atopic dermatitis // Allergy. — 2001. — V. 56, № 7. — P. 693-695.
26. Guzik T. J., Adamek-Guzik T., Ccerniawska-Mysik G. et al. Nitric oxide metabolite levels in children and adult patients with atopic eczema/dermatitis syndrome // Allergy. — 2002. — V. 57. — P. 856-857.
27. Mocellin S., Provenzano M., Rossi C. R. et al. Induction of endothelial nitric oxide synthase expression by melanoma sensitizes endothelial cells to tumor necrosis factor-driven cytotoxicity // Clin. Cancer Res. — 2004. — V. 10, № 10. — P. 6879-6886.
28. Chaudhuri C., Paul A. K., Acharia A. et al. Treatment of chronic anal fissure with topical gliceril trinitrate: a double-blind, placebocontrolled trial Indian // J. Gastroenterol. — 2001. — V. 20. — P. 101-102.
29. Trikha P, Sharma N., Athar M. Nitroglycerin: a NO donor ingibits TPA-mediated tumor promotion in murine skin // Carcinogenes. — 2001. — V. 22. — P. 1207-1211.
