Pathogenetic and prognostic significance of molecular markers of myocardial remodeling in patients suffering from chronic heart failure

Abstract


It is known that there are features of myocardial remodeling in various heart diseases. However, the influence of signaling regulatory factors in its development and their significance in predicting a course of chronic heart failure remains unclear. The importance of key markers of apoptosis, extracellular matrix, p-38α in myocardium of patients with chronic heart failure of different etiology in the development of cardiovascular complications after cardiac surgery is considered. It has been established that the combination of heart failure with coronary heart disease, heart failure with valvular defects are specific phenotypes with a special reorganization of myocardium. With the combination of heart failure with coronary heart disease without cardiovascular complications in the myocardium, higher activity of caspase-9 and TIMP-1 was noted, and differences in morphometric data were revealed in comparison with the group of heart failure with valvular defects. In groups with an unfavorable outcome of cardiosurgical operations of different etiology of chronic heart failure, there were no differences in the morphological indices and activity of molecular markers of the myocardium. This fact allows one to consider the activation of caspase-9, MMP-9, p38α in the myocardium as prognostic markers of the unfavorable outcome of cardiac surgery in patients suffering from heart failure regardless of etiology. A higher percentage of cardiovascular complications in the combination of chronic heart failure with coronary heart disease is probably associated with a less favorable myocardial phenotype and requires a specific pharmacological correction before cardiac surgery.

Full Text

Введение. Ремоделирование миокарда включает комплекс молекулярных, клеточных и интерстици- альных изменений, характеризующийся нарушени- ем размера, формы и функции сердца в результате патологического воздействия [4]. Одним из наибо- лее ключевых негативных факторов реорганизации миокарда является гетерогенность электрического и структурного ремоделирования. Данный процесс может инициироваться ишемией, воспалением, ге- модинамической перегрузкой и нейрогормональной активацией. Морфологическим субстратом ремоде- лирования сердца являются клеточные и тканевые изменения: гипертрофия, некроз, апоптоз сердечных миоцитов, пролиферация фибробластов, увеличение фибриллярного коллагена и фиброз миокарда [4, 16]. В настоящее время активно изучаются механиз- мы, ответственные за переход от компенсаторной гипертрофии к декомпенсации сердца с развитием хронической сердечной недостаточности (ХСН). В ряде исследований показано, что в формировании гипертрофии миокарда участвуют несколько сиг- нальных путей и факторов: семейство протеинкиназ В, митоген-активируемых протеинкиназ (МАРК), фосфоинозитид-3-киназа (PI3K), инсулиноподобный фактор роста 1, гормон роста. При этом в развитии концентрической и эксцентрической гипертрофии миокарда центральная роль отводится семейству МАРК, а именно ERK и р38-киназам [11, 14, 15]. Дина- мические структурно-функциональные изменения во внеклеточном матриксе (ВМ) миокарда при ХСН также способствуют неблагоприятной миокардиальной ре- организации, включая увеличение количества стро- мальных клеток и нарушения в метаболизме коллагена I и III типа [7]. Матриксные металлопротеиназы (ММР) и их эндогенные тканевые ингибиторы (TIMP) играют важную роль в контроле ремоделирования ВМ. По- казано, что при ХСН наблюдается нарушение баланса между ММР и TIMP, чаще всего между коллагеназами (MMP-1 и -8), желатиназами (MMP-2 и -9), стромели- зином (MMP-3) и TIMP-1 и 2 [17]. При ХСН в миокарде одновременно наблюдаются активация апоптоза, некроза, аутофагии и воспалительных процессов, что приводит к потере массы сократительных миоцитов. Ключевыми участниками апоптоза являются митохон- дрии, про- и антиапоптотические белки семейства ка- спаз и bcl-2, апоптозиндуцирующий фактор, цитохром ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ 1 (61) - 2018 19 Клинические исследования С, эндонуклеазы, p53 и ряд других [10, 12]. Известно, что соотношение про- и антиапоптотических маркеров имеет важное значение и рассматривается как фактор структурного гомеостаза миокарда. В настоящее время существует мнение, что, не- смотря на общие закономерности ремоделирования сердца, существует ряд структурно-геометрических и молекулярных особенностей реорганизации миокар- да, зависящих от этиологии ХСН [4]. Неоднозначные эффекты регуляторных сигнальных молекул, получен- ные в многочисленных работах [4, 16], обусловливают целесообразность проведения новых исследований, направленных на изучение их патогенетической и прогностической роли при ХСН различной этиологии. Цель исследования. Оценить особенности ремоделирования миокарда (по данным эхокардио- графии и морфологических маркеров) и его влияние на прогноз у пациентов, страдающих ХСН различной этиологии, подвергшихся кардиохирургическим опе- рациям (КХО). Материалы и методы. Протокол исследования одобрен независимым этическим комитетом Воен- но-медицинской академии им. С.М. Кирова. В иссле- дование включены 43 мужчины, страдающие ХСН I-IIA стадией, I-III функциональным классом (ФК) по New York Heart Association (NYHA), госпитализированные в кардиохирургическое отделение для проведения плановой операции. В зависимости от этиологии ХСН пациенты были разделены на 2 группы. Первую груп- пу составил 31 больной, страдающий ишемической болезнью сердца (ИБС). Во вторую группу вошли 12 пациентов, страдающих клапанными пороками сердца (ПС). Всем пациентам до КХО проводились физикальный осмотр, определение клинико-функционального со- стояния (проба с 6-минутной ходьбой (ПШХ), оценка клинического состояния по шкале оценки клиниче- ского состояния (ШОКС) [5], эхокардиографическое исследование (ЭхоКГ) в одномерном, двухмерном и допплеровском режимах на аппарате «Acuson 128X10» (Япония) и стандартный объем лабораторно-инстру- ментальных методов исследования. Биоптаты миокарда ушка правого предсердия (УПП), полученные в процессе КХО, были изучены при помощи общегистологических, иммуногистохимиче- ских (оценка экспрессии синтеза белков caspase-9, bcl-2, ММР-9, TIMP-1 и р38α-митоген-активируемой протеинкиназы (р38α) с использованием моноклональ- ных антител и набора реактивов «Spring Bioscience» и «Sigma-Aldrich», Соединенные Штаты Америки - США) и морфометрических методов. Морфометрия осуществлялась в соответствии со сложившимися принципами системного количественного анализа [1] с применением программы «ImageJ 1,48v» (США). Экс- прессию caspase-3, bcl-2 определяли как число окра- шенных кардиомиоцитов (КМЦ), деленное на 1000 клеток в случайно выбранных 20 полях зрения. Оценку локализации и интенсивности иммунной реакции ММP-9, ТIMP-1 и р38α проводили полуколичественным методом +/+++ в 20 случайно выбранных полях зрения (100%) под микровизором «мVizo-101». Диагноз ХСН установлен согласно рекомендациям общества специ- алистов по сердечной недостаточности, Российского кардиологического общества и Российского научного медицинского общества терапевтов [5]. Все пациенты получали стандартную терапию согласно рекоменда- циям профессиональных сообществ [8]. У всех обследуемых на 10-14 сутки после операции оценивали частоту развития сердечно-сосудистых ос- ложнений (ССО). Наличие хотя бы одного из осложнений относили к проявлению неблагоприятного госпитального исхода. Изучали взаимосвязи послеоперационных осложнений с данными ЭхоКГ и морфологическими изменениями в миокарде УПП с учетом этиологии ХСН. В исследование не включались пациенты с со- путствующими острыми воспалительными, инфек- ционными, онкологическими, иммунокомплексными заболеваниями и хроническими заболеваниями в ста- дии обострения. В качестве контроля использовались биоптаты УПП, полученные от 7 мужчин, погибших трагически и не имеющих патологии сердечно-со- судистой системы и значимой патологии со стороны других органов. Статистическую обработку результатов проводили с помощью программы «Statistica 7.0». Во всех проце- дурах статистического анализа уровень значимости p принимался равным 0,05. Результаты и их обсуждение. Установлено, что обследуемые обеих групп достоверно не отличались по тяжести ХСН (табл. 1). ЭхоКГ-показатели пациентов до КХО позволили выявить значимые отличия в группах ИБС/ПС по толщине межжелудочковой перегородки 12,74±1,71/14,4±2,11 мм; массе миокарда (Мм) левого желудочка (ЛЖ) 312,30±85,06/389,14±97,5 г; КДО правого предсердия 45,62±5,89/54,72±10,87 мл; систолическому давлению в легочной артерии 29,04±7,03/37,6±15,58 мм рт. ст. При этом линейные и объемные размеры полости ЛЖ, фракция выброса (ФВ) ЛЖ, диастолическая функция достоверно в группах не отличались. У всех обследованных наблюдались нарушения геометрической адаптации: во 2-й группе в 100% случаев определялась эксцентрическая гипертрофия ЛЖ, при этом в 1-й группе встречались и другие типы ремоделирования ЛЖ (рис. 1). У пациентов после КХО имел место 1 (1,1%) леталь- ный исход в связи с развитием острой сердечно-сосу- дистой недостаточности в группе больных, страдающих ИБС. Также у больных, страдающих ИБС, отмечалась более высокая частота ССО по сравнению с больными, страдающими ПС (рис. 2). После КХО в группах ИБС/ ПС диагностированы следующие виды ССО: 4/1 случай пароксизмальной формы фибрилляции предсердий, 1/0 пароксизм фибрилляции желудочков, 1/0 полной АВ блокады с постановкой кардиостимулятора, 1/0 инфаркта миокарда, 0/1 тампонады сердца. При морфологическом исследовании миокарда УПП у пациентов обеих групп выявлялись структурно- 20 1 (61) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Клинические исследования Таблица 1 Клинико-анамнестические показатели пациентов с ХСН, подвергшихся кардиохирургической операции, абс (%); M±m Показатель Группа Показатель 1-я 2-я Возраст, лет 58,37±6,29 57,36±10,93 ИБС. Стенокардия: I ФК 2 (6,5) - II ФК 12 (38,7) - III ФК 16 (51,6) - IV ФК 1 (3,2) - ИМ в анамнезе 25 (58,1) - ФП постоянная форма 2 (6,5) 2 (16,6) ФП пароксизмальная форма 10 (32,2) 7 (58,3) АГ: 1 степени 6 (19,3) 8 (74,4) 2 степени 1 (3,2) 2 (16,6) 3 степени 24 (77,4) 2 (16,6) ХРБС - 3 (25) Пороки сердца: МС - 2 (16,6) МН - 6 (50) АН - 3 (25) КПС - 9 (75) ХСН: I стадия 11 (35,5) 0 II А стадия 20 (64,5) 12 (100) ХСН ФК по по NYHA: ФК I 5 (16,1) 0 ФК II 17 (54,8) 8 (72,7) ФК III 9 (29,03) 3 (27,3) ПШХ, м 335,4±78,1 329,7±90,9 ШОКС, балл 4,96±1,75 5,36±2,01 Примечание: ИМ - инфаркт миокарда; ФП - фибрилляция предсердий; АГ - артериальная гипертензия; ХРБС - хрониче- ская ревматическая болезнь сердца; МС - митральный стеноз; МН - митральная недостаточность; АН - аортальная недостаточ- ность; КПС - комбинированный порок сердца. функциональные изменения, выраженность которых достоверно не зависела от стадии и ФК ХСН. При этом во 2-й группе без ССО наблюдались достоверно более выраженная гипертрофия КМЦ, более высо- кая объемная плотность (ОП) капилляров и ОП КМЦ, меньшая степень миокардиального фиброза (табл. 2), что сопоставимо с данными ЭхоКГ. В 1-й группе без ССО отмечались достоверно более высокие ОП стромы, диаметр ядер КМЦ, индекс Керногана (от- ношение толщины сосудистой стенки артериол к радиусу их просвета) и более низкий трофический индекс (отношение удельного объема капилляров к удельному объему паренхимы). Чаще встречались участки мононуклеарной инфильтрации миокарда. В обеих группах с ССО выявлялись значимое уменьше- ние диаметра ядер КМЦ, ОП капилляров, увеличение индекса Керногана и ОП стромы. Морфологические изменения экспрессии белков caspase-9, bcl-2, ММР-9, ТIMP-1 и р38α в группах сопровождались разнородной иммуногистохимиче- ской (ИГХ) картиной миокарда УПП. Так, в 1-й группе с ССО отмечалось достоверное увеличение индекса апоптоза, высокая экспрессия ММР-9, ТIMP-1 и р38α по сравнению с больными без ССО. Внутри 2-й груп- пы наблюдалась похожая ИГХ картина. В 1-й группе с неблагоприятным исходом КХО индекс апоптоза сопровождался более высокой экспрессией р38α. По мнению В.А. Казакова [2], В.А. Казакова и др. [3], морфофункциональное состояние миокарда УПП полностью отражает морфологические и ИГХ измене- ния в миокарде ЛЖ, то есть является своеобразным «зеркалом» последнего. Результаты, полученные в нашем исследовании, согласуются с данными выше- указанных авторов. Значимая гипертрофия миокарда Таблица 2 Структурно-функциональные изменения миокарда УПП у пациентов обеих групп, M±m Показатель Контрольная группа, n=7 Благоприятный исход КХО Неблагоприятный исход КХО Показатель Контрольная группа, n=7 1-я группа, n=23 2-я группа, n=10 1-я группа, n=8 2-я группа, (n=2) Морфометрические показатели миокарда УПП в группах d КМЦ, мкм 12,14±3,52 15,09±3,88* 17,39±4,31^# 13,28±2,46 13,25±3,42 d ядра КМЦ, мкм 4,92±1,09 6,46±1,77* 6,04±1,73^# 5,03±1,15 5,37±1,58$ ОП КМЦ, объемные об.% 79,08±7,36 62,08±8,21* 67,08±7,95^# 51,93±10,78 56,75±6,66 ОП стромы, об.% 16,96±5,38 36,31±8,07* 29,58±7,29^# 48,06±10,78 43,25±6,53$ ПСО 3,96±0,98 1,69±1,08* 2,34±0,34^# 1,1±0,6 1,38±0,32$ ОП капилляров, об.% 27,75±2,26 16,49±4,59 19,15±3,47# 15,17±3,72 16,97±4,26$ Трофический индекс 0,56±0,08 0,36±0,04* 0,47±0,04^# 0,31±0,09 0,34±0,06 Индекс Керногана 0,51±0,66 1,02±0,5* 0,86±0,4^ 1,94±0,5 1,54±0,41$ Иммуногистохимические показатели миокарда УПП в группах Caspase-9, ‰ 0,01±0,001 2,11±0,24 1,65±0,32# 5,78±0,87* 5,21±0,64^$ Bcl-2, ‰ 0,03±0,001 0,26±0,29 0,32±0,26# 0,23±0,15 0,27±0,24^ ММP-9 ++/+++ (20/80%) +/++ (66/34%) +/++ (67/33%) ++/+++ (31/69%)* ++/+++ (30/70%)^ ТIMP-1 +/++ (20/80%) ++/+++ (43/57%) +/++ (39/61%)# ++/+++ (6/94%)* ++/+++ (2/98%)^ р38α ++/+++ (20/80%) ++/+++ (67/33%) ++/+++ (64/36%) ++/+++ (25/75%)* ++/+++ (35/64%)^$ Примечание: * - различия внутри 1-й группы с благоприятным и неблагоприятным исходом КХО; ^ - внутри 2-й группы с бла- гоприятным и неблагоприятным исходом КХО; # - между 1-й и 2-й группами с благоприятным исходом КХО; $ -между 1-й и 2-й группами с неблагоприятным исходом КХО. ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ 1 (61) - 2018 21 Клинические исследования Рис. 1. Сравнительная характеристика типов ремоделирования миокарда ЛЖ у пациентов, страдающих ХСН, до КХО: 1-й тип - концентрическое ремоделирование; 2-й тип - концентрическая гипертрофия; 3-й тип - эксцентрическая гипертрофия Рис. 2. Частота (%) ССО на 10-14 сут в обеих группах после КХО: а - больные, страдающие ИБС; б - больные, страдающие ПС у пациентов с клапанными ПС установлена как по данным ЭхоКГ, так и по показателям морфометрии миокарда УПП. Известно, что гипертрофия миокарда - это компенсаторно-приспособительный ответ на увеличивающуюся на него нагрузку, поддерживающую систолическую функцию сердца [4, 16]. При этом до- стоверное уменьшение доли гипертрофированных КМЦ и активация апоптоза в обеих группах с ССО сопровождались значимым увеличением ОП соеди- нительной ткани и снижением трофического индекса, отражающего критическое состояние микроциркуля- торного русла миокарда. Данные изменения свиде- тельствуют о развитии очагового кардиосклероза и регенераторно-пластической недостаточности мио- карда, способствующей переходу от компенсаторной гипертрофии к его дисфункции [6, 9]. Избыточную экс- прессию р38α, наблюдаемую в обеих группах с ССО, ряд авторов связывают с гипертрофией миокарда, ишемией/реперфузионным повреждением в сердце и патологическим ремоделированием [15]. Известно, что р38α индуцирует апоптоз и аутофагию, отрица- тельно влияя на сократимость миокарда [14, 15], что согласуется с результатами нашего исследования. В миокарде УПП пациентов с ССО происходила существенная реорганизация как КМЦ, так и немышечных клеток. В настоящее время ключевую роль в ремоделировании экстрацеллюлярного матрикса в сердце отводят семейству ММР/TIMP [16, 17]. Ис- следования L. Schirone et al. [16] показали, что ММР гидролизуют не только ключевые белки ВМ, но и многочисленные саркомерные и белки цитоскеле- та КМЦ. Дисбаланс активности MMP и TIMP может коррелировать со степенью гипертрофии и фиброза миокарда, что наблюдалось в миокарде у пациентов, страдающих ХСН. В обеих группах с ССО отмечалась активация экспрессии как ММР-9, так и TIMP-1. T. Morishita et al. [13] показали, что высокие значения ММР-9 и нарушение баланса ММР-9/TIMP-1 являют- ся независимыми предикторами неблагоприятных событий у пациентов, страдающих ХСН, что также согласуется с результатами нашего исследования. Заключение. Установлены явные отличительные особенности в ремоделировании миокарда ишемиче- ского и клапанного генезов у пациентов, страдающих ХСН. Пациенты, имеющие сочетание ИБС и клапанных ПС, вероятно, представляют собой специфические фенотипы с особенной реорганизацией миокарда. Больные, страдающие ИБС, с благоприятным исхо- дом КХО по сравнению с больными, страдающими 22 1 (61) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Клинические исследования ПС, характеризовались более высокой активностью проапоптотического маркера caspase-9 и TIMP-1, а также имели значимые отличия в морфометрических данных. Важным фактом является и то, что в обеих группах с неблагоприятным исходом КХО различия в морфологических и ИГХ характеристиках миокарда достоверно не определялись. При этом наблюдался неблагоприятный фенотип миокарда, характеризую- щийся для обеих групп высоким индексом апоптоза, высокой экспрессией ММР-9, TIMP-1 и р38α. Можно предположить, что более высокий процент ССО при ИБС связан c исходно менее благоприятным феноти- пом миокарда. Пациенты, страдающие ИБС, нужда- ются в специфической фармакологической коррекции до проведения КХО. Таким образом, продемонстрирована важность изучения этиологических особенностей в развитии ремоделирования и ХСН. Активация caspase-9, ММР- 9, р38α в миокарде УПП может рассматриваться в ка- честве прогностического маркера неблагоприятного исхода КХО у пациентов, страдающих ХСН независимо от этиологии.

About the authors

Yu V Liskova

Email: liskovaj@bk.ru

References

  1. Автандилов, Г.Г. Проблемы патогенеза и патологоанатомиче- ской диагностики болезней в аспектах морфометрии / Г.Г. Автандилов. - М.: Медицина. - 1984. - 285 с.
  2. Казаков, В.А. Морфологические аспекты послеоперационного ремоделирования левого желудочка у больных ишеми- ческой кардиомиопатией / В.А. Казаков // Артериальная гипертензия. - 2009. - Т. 15, № 3. - С. 376-383.
  3. Казаков, В.А. Корреляционные взаимосвязи гистоморфо- метрических показателей миокарда различных отделов сердца в норме и при хронической сердечной недостаточ- ности / В.А. Казаков [и др.] // Бюлл. сиб. мед. - 2009. - № 3. - С. 43-48.
  4. Калюжин, В.В. Ремоделирование левого желудочка: один или несколько сценариев? / В.В. Калюжин [и др.] // Бюлл. сиб. мед. - 2016. - Т. 15, № 4. - С. 120-139.
  5. Мареев, В.Ю. Национальные рекомендации ОССН, РКО и РНМОТ по диагностике и лечению ХСН (четвертый пересмотр) / В.Ю. Мареев [и др.] // Журн. серд. недостат. - 2013. - Т. 14, № 7. - С. 379-472.
  6. Непомнящих, Л.М. Регенераторно-пластическая недостаточ- ность сердца: морфологические основы и молекулярные механизмы / Л.М. Непомнящих, Е.Л. Лушникова, Д.Е. Се- менов. - М.: РАМН. - 1998. - 183 с.
  7. Осипова, О.А. Патоморфологические механизмы регуляции образования миокардиального фиброза у больных хрони- ческой сердечной недостаточностью на фоне ишемической болезни сердца / О.А. Осипова [и др.] // Журн. серд. недо- стат. - 2016. - Т. 17, № 5. - С. 357-364.
  8. Рекомендации ESC по диагностике и лечению острой и хро- нической сердечной недостаточности 2016 / Росс. кардиол. журн. - 2017. - Т. 141, № 1. - С. 7-81.
  9. Саликова, С.П. Морфологические аспекты ремоделирования сердца при хронической сердечной недостаточности / С.П. Саликова, А.А. Стадников, А.П. Семагин // Морфология. - 2002. - Т. 122, № 5. - С. 60-62.
  10. De Meyer, G.R. Role of autophagy in heart failure associated with aging / G.R. De Meyer, G.W. De Keulenaer, W. Martinet // Heart Fail. Rev. - 2010. - Vol. 15, № 5. - P. 423-430.
  11. Dorn, GW 2nd. Protein kinase cascades in the regulation of cardiac hypertrophy / G.W. 2nd Dorn, T. Force // J. Clin. Invest. - 2005. - Vol. 115, № 3. - Р. 527-537.
  12. Gerald, W. Apoptotic and non-apoptotic programmed cardiomyocyte death in ventricular remodeling / W. Gerald, I.I. Dorn // Cardiovas. Res. - 2009. - Vol. 81, № 3. - P. 465-473.
  13. Morishita, T. Association between matrix metalloproteinase-9 and worsening heart failure events in patients with chronic heart failure / T. Morishita [et al.] // ESC Heart Failure. - 2017. - Vol. 4, № 3. - Р. 321-330.
  14. Muslin, A.J. MAPK Signaling in Cardiovascular Health and Disease: Molecular Mechanisms and Therapeutic Targets / A.J. Muslin // Clin. Sci. (Lond). - 2008. -Vol. 115, № 7. - Р. 203-218.
  15. Nishida, K. p38α Mitogen-activated protein kinase plays a critical role in cardiomyocyte survival but not in cardiac hypertrophic growth in response to pressure overload / K. Nishida [et al.] // Mol. Cell. Biol. - 2004. - Vol. 24, № 24. - P. 10611-10620.
  16. Schirone, L.A Review of the Molecular Mechanisms Underlying the Development and Progression of Cardiac Remodeling / L.А. Schirone [et al.] // Oxidative Medicine and Cellular Longevity. - 2017. - Vol. 2017, ID 3920195. - Р. 1-16.
  17. Spinale F.G. Matrix Metalloproteinases: Regulation and Dysregulation in the Failing Heart / F.G. Spinale // Circ. Res. - 2002. - Vol. 90, № 5. - Р. 520-530.

Statistics

Views

Abstract - 71

PDF (Russian) - 54

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2018 Liskova Y.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies