Erythropoietin as antihypoxic cytokine

Andrey V. Lyubimov; Любимов Андрей Владимрович; Diana D. Bykova; Быкова Диана Дмитриевна; Anton S. Tarachteev; Тарахтеев Антон Сергеевич; Evgeniy V. Ivchenko; Ивченко Евгений Викторович; Semen V. Efimov; Ефимов Семён Валерьевич

doi:10.17816/phbn624233

Erythropoietin as antihypoxic cytokine

Authors: Lyubimov A.V.¹, Bykova D.D.¹, Tarachteev A.S.¹, Ivchenko E.V.¹, Efimov S.V.¹
Affiliations:
1. Kirov Military Medical Academy
Issue: Vol 15, No 1 (2024)
Pages: 33-39
Section: Review
URL: https://journals.eco-vector.com/1606-8181/article/view/624233
DOI: https://doi.org/10.17816/phbn624233
ID: 624233

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription or Fee Access

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

This study analyzed the potential for the widespread use of erythropoietin, the main antihypoxic cytokine produced by renal parenchyma cells, and possible complications associated with its use. Erythropoietin is a glycoprotein heterodimer whose main function is the regulation of the formation and differentiation of erythroid germ cells and formation of the primary physiological response to hypoxia. The main effects of this cytokine are summarized, and the main points of application of the hormone, mechanisms of content regulation, and its use in medicine as a natural pharmacological agent in pharmacological preconditioning are highlighted. Attention is also drawn to the increasing role of hypoxia — one of the most dangerous typical pathological processes in the formation of life-threatening conditions, which has found its use in medicine, particularly as a physiological agent in combating vascular diseases, which are gaining enormous importance in our time.

Keywords

hypoxia, erythropoietin, pharmacological preconditioning, erythrocyte, hypoxia-inducible factor 1

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Дефицит кислорода является фундаментом для развития многих патологий при разнообразных заболеваниях и критических состояниях. Как правило, кислородная недостаточность служит основным патогенетическим звеном ишемического повреждения сердца [1–3], головного мозга, коллаптоидных и шоковых состояний. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), с 2000 г. число случаев смерти от сердечно-сосудистых заболеваний возросло более чем на 2 млн и в 2019 г. достигло почти 9 млн. На долю болезней сердца сегодня приходится 16 % всех случаев смерти в мире (данные ВОЗ) [4, 5]. Также дефицит кислорода является ключевым компонентом развития полиорганной недостаточности, многих инфекционных и неинфекционных заболеваний.

Гипоксия (греч. hypo — под, ниже, лат. оху от Oxygenium — кислород) представляет собой типовой патологический процесс, характеризующийся недостаточным снабжением тканей организма кислородом или сниженной его утилизацией в окислительно-восстановительных реакциях организма. Однако гипоксия может рассматриваться не только как патологическое явление: в физиологических процессах, в частности при интенсивной работе скелетной мускулатуры, в головном мозге при чрезмерной умственной нагрузке развивается быть гипоксия [6].

Общепринятая классификация гипоксии (рис. 1–3) основывается на различии в происхождении, патогенезе, степени тяжести и распространенности, а также скорости ее развития [7].

Рис. 1. Классификация гипоксии по патогенезу

Fig. 1. Classification of hypoxia according to the pathogenesis

Рис. 2. Классификация гипоксии по скорости развития (течения)

Fig. 2. Classification of hypoxia according to the speed of development

Рис. 3. Классификация гипоксии по степени тяжести

Fig. 3. Classification of hypoxia according to the degree of severity

КАРДИОПРОТЕКЦИЯ: ПРОГИПОКСАНТЫ ИЛИ АНТИГИПОКСАНТЫ?

Несмотря на свою «патологичность», такое явление, как гипоксия, нашло свое применение в медицине, в частности в качестве физического фактора в прекондиционировании. В целом прекондиционирование представляет собой предварительное воздействие на организм факторами умеренной интенсивности, приводящее к повышению его адаптационных возможностей. Безусловным условием прекондиционирования является именно его неповреждающее действие, определяемое либо подпороговой дозировкой патогенного фактора, либо его экспозицией. Ключевым механизмом данной методики является активация эндогенных защитных процессов, направленных на минимизацию повреждений, в случае возникновения последующих негативных воздействий бóльшей интенсивности. Отмечают два основных направления прекондиционирования: немедикаментозное — с применением физических факторов умеренной интенсивности (гипоксия, температурный стресс) и медикаментозное, или фармакологическое, — с применением фармакологических агентов — ингаляционных анестетиков, антибиотиков, опиоидов, а также агентов эндогенного и бактериального происхождения: липополисахариды, дефероксамин, тромбин, стероидные гормоны, эритропоэтин и др. [8].

Эритропоэтин (EPO) представляет собой гликопротеин, молекулярная масса которого достигает 30 400 дальтон, причем 40 % приходится на углеводы, также содержит до 14 % сиаловых кислот. В 1990 г. в исследованиях Bero N по воздействию хлорида кобальта на почечную паренхиму было выявлено 2 типа факторов, связывающихся с 5’-фланкирующей областью кодирующего эритропоэтин гена. Также исследованы 4 вида РНК, взаимодействующих с геном EPO. Идентифицировано 3 элемента регуляции гена: позитивный элемент, необходимый для индукции его экспрессии в печени, негативный элемент, а также регуляторный элемент, требующийся для индуцибельной экспрессии гена EPO в почках [9]. У здорового человека концентрация EPO в сыворотке крови составляет 5–25 мМЕ/мл. Основными продуцентами EPO в эмбриональном периоде являются клетки печени, в постнатальном — перитубулярные интерстициальные фибробласты коры и тубулярные клетки почек. EPO синтезируется в ответ на снижение кислорода в клетках, это происходит за счет активации чувствительных к кислороду пролилгидроксилаз, которые трансактивируют активный ингибитор транскрипции белковой гипоксии — гипоксия-индуцируемый фактор 1 (НIF-1) [10, 11].

HIF-1 представляет собой гетеродимер, который состоит из двух субъединиц — альфа (HIF-1α или HIF-2α) и бета (HIF-1β). При отсутствии гипоксии (наличии кислорода) альфа-субъединица разрушается. Экспериментальным путем обнаружено, что HIF-1α экспрессируется в большей степени эпителиальными клетками почек, а HIF-2α — фибробластами и эндотелиальными клетками [12, 13].

EPO лишен нервной и гуморальной регуляции [14]. Основная функция данного цитокина заключается в регуляции образования эритроцитов в организме посредством регуляции синтеза ДНК и РНК, делении клеток и образовании гемоглобина, также он участвует в формировании первичной физиологической реакции на гипоксию, однако основная задача EPO — контроль пролиферации и дифференцировки клеток эритроидного ростка, при этом значительно более выраженное влияние цитокин оказывает на клетки-предшественницы и менее выраженное — на морфологически идентифицируемые (проэритробласты и нормобласты ), не оказывая влияния на зрелые клетки ввиду отсутствия на них рецепторов к EPO. Другим механизмом регуляции эритроидного роста и дифференцировки эритроидных предшественников является подавление их фагоцитоза макрофагами.

Основной механизм регуляции уровня EPO в плазме крови — возрастающий уровень числа эритроцитов. Имеется обратная связь между содержанием гемоглобина и уровнем EPO в плазме крови [15]. При гипоксии или после кровопотери уровень EPO возрастает в 100–1000 раз.

Поскольку именно почечная ткань отвечает за синтез EPO, его можно рассматривать как маркер почечной патологии. Данный феномен был изучен в клиническом исследовании с пациентами, страдающими хронической болезнью почек (ХБП). В исследовании было доказано повышение уровня EPO в соответствии со стадией ХБП, что свидетельствует о вовлеченности исследуемого цитокина в выявлении ишемии почечной ткани [16].

ПОТЕНЦИАЛ КЛИНИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭРИТРОПОЭТИНА

Экспериментально было доказано, что EPO выступает в роли противовоспалительного модулятора. При исследовании крыс с дилатационной кардиомиопатией было выявлено, что введение им мезенхимальных стволовых клеток с трансфецированным геном EPO подавляло воспаление за счет снижения белка Р38 и димерного протеина NF-kB [15], а противовоспалительный эффект у животных с поврежденными ожогом нервами обусловлен подавлением активности микроглии, экспрессии синтазы оксида азота (iNOS) и циклооксигеназы-2 (COX-2) в спинном мозге [17].

Свойства EPO как тканезащитного и антиапоптотического гормона нашли применение в защите органов центральной и периферической нервной системы, что в свою очередь было рассмотрено в исследованиях на белых крысах, когда применение EPO в суммарной дозе 15 000 ЕД/кг (вес животного варьировал в среднем от 250 до 300 г) в экспериментальной ишемии спинного мозга приводило к восстановлению привычной поведенческой активности спустя несколько суток, это достигалось увеличением количества нормальных нейронов, кровеносных сосудов и глиальных клеток, снижением представительства нервных клеток с хроматолизом и клеток тканей; сетчатки, миокарда, легких, почек, поджелудочной железы, печени. Кроме того, рецепторы к EPO были обнаружены на клетках яичников, матки, гладкомышечных волокнах стенки сосудов, взаимодействие EPO с рецепторами в этих органах запускает ряд метаболических реакций, таких как ангиогенез, мобилизация внутриклеточного кальция, митогенез [19]. Некоторые из представленных клеток способны к самостоятельному синтезу EPOα [20, 21].

Таким образом, кроме регуляции эритропоэза EPO имеет множество плейотропных эффектов. Однако наиболее перспективной в отношении применения в медицине является его антигипоксическая функция, в частности, экспериментально доказано, что предварительное введение EPO в дозе 5000 ЕД за 30 мин до моделирования фокальной ишемии значительно уменьшало размеры очага инфаркта у экспериментальных крыс [22]. Кроме того, введение данного цитокина при трансплантации мобилизованных гемопоэтических стволовых клеток крови значительно снижало сердечную недостаточность при инфаркте миокарда [23], что достигалось помимо активации эритропоэза повышением скорости пролиферации и дифференцировки эндотелиальных колоний стимулирующих клеток, это также стимулировало увеличение плотности капилляров при экспериментальной ишемии конечностей [24]. Рассмотренный пример демонстрирует способность EPO предотвращать циркуляторную гипоксию. Рекомбинантный EPO оказывает цитопротективное действие посредством воздействия на АТФ-зависимые калиевые каналы, данный эффект рассматривается в эксперименте с белыми крысами, подвергшимися оперативным вмешательствам, а позднее моделированию на конечности изолированного кожного лоскута на питающей ножке. Таким образом, предполагается возможность использования фармакологического прекондиционирования с введением EPO для предотвращения проявлений циркуляторной гипоксии как следствие оперативных вмешательств в хирургической практике [25]. Эти опыты демонстрируют огромный потенциал применения исследуемого гормона для предупреждения угрожающих жизни гипоксических состояний в нервной, сердечно-сосудистой, дыхательной системах. Кроме того, EPO является разрешенным препаратом и его использование не связано с техническими и этическими проблемами. Применение EPO в качестве препарата, повышающего адаптационные возможности организма в естественных или искусственных гипоксических условиях, при повышенных физических нагрузках, в послеоперационном периоде с целью предупреждения ишемических процессов в тканях носит дискуссионный характер и требует адресных трансляционных исследований. Однако использование EPO сопряжено с рядом нежелательных для организма реакций, в частности, повышение уровня исследуемого гормона в крови увеличивает ее вязкость в связи с возрастанием количества преобладающих форменных элементов — эритроцитов, что является предпосылкой к образованию тромбов и развитию тромбоэмболий. Также необходимо помнить о косвенном негативном вазопрессорном эффекте. Стратегия применения данного гормона должна базироваться на балансе его положительных и отрицательных эффектов.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией. Вклад каждого автора: А.В. Любимов — разработка общей концепции; А.В. Любимов, Д.Д. Быкова, А.С. Тарахтеев, Е.В. Ивченко, С.В. Ефимов — написание статьи, анализ данных.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors contribution. Thereby, all authors made a substantial contribution to the conception of the study, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the article,final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the study. The contribution of each author: A.V. Lyubimov — general concept discussion; A.V. Lyubimov, D.D. Bykova, A.S. Tarakhteev, E.V. Ivchenko, S.V. Efimov — manuscript drafting, writing and pilot data analyses.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

The source of financing. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors