Pathophysiological aspects of oxygen, hypoxia and free radical oxidation in critical conditions

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Мы не можем представить свою жизнь без кислорода (Oxygenium, О₂). До появления фотосинтезирующих организмов атмосфера практически его не содержала. С их появлением кислород стал побочным продуктом их жизнедеятельности, и теперь, когда организмы, способные окислять органические соединения при помощи О₂, получили преимущество, мы говорим, что кислород — наша жизнь. Однако вместе с преимуществом кислород принёс новую опасность для организма. Молекулярный кислород, который обладает высокой реакционной способностью в основном состоянии, способен образовывать высокоактивные формы, способные убивать живую клетку.

В последние 10–15 лет проблема патогенеза большого ряда заболеваний органов обогатилась знанием механизма повреждения клеточных структур. Основным фактором повреждения оказался кислород — тот самый кислород, из-за недостатка которого возникает гибель клеток. Выяснилось, что так называемые активные формы кислорода (АФК), имеющие неспаренный электрон, обладают биологическим эффектом, который в зависимости от концентрации АФК может быть регуляторным или, наоборот, токсическим. Соответственно, пробудился интерес и к соединениям, которые в обычных условиях предотвращают токсическое действие АФК, — антиоксидантам. Сегодня общепризнано, что окислительный стресс играет важную, если не ключевую роль в патогенезе критических состояний [1, 2].

КИСЛОРОД И СВОБОДНОРАДИКАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ

В процессе эволюции жизни на Земле всем живым существам пришлось искать пути приспособления к широкому (от 0 до 35%) диапазону окружающего уровня О₂. Периоды относительной гипероксии содействовали не только сохранению биоразнообразия и гигантизма, но и несли избыток окислительного стресса, что предусматривало усиление активности антиоксидантной защиты организма от избыточного количества активных радикалов кислорода [3]. Это очень важная деталь: так, увеличивая концентрацию кислорода пациентам, нельзя забывать, что при этом повышаются как число синтезируемых токсичных радикалов, так и напряжённость в системе антиоксидантной защиты. Свободный радикал, как известно, имеет один неспаренный электрон на внешней или внутренней орбите, что наделяет его высокой реакционной способностью. Однако, кроме этого, подобные реакции сопровождаются накоплением большого количества промежуточных продуктов окисления. Поскольку мы живём в кислородной среде, свободные радикалы образуются в организме всегда и являются запрограммированным элементом для защиты тканей от кислорода. Количество радикалов контролируется антиоксидантной системой, под контролем которой АФК инициируют реакции свободнорадикального окисления как ещё одну форму защиты организма от различного рода ксенобиотиков и бактериальных агентов [4].

Но нет ничего вечного, и система антиоксидантной защиты не является исключением. Свободных радикалов в состоянии декомпенсации синтезируется большое количество, и начинается трансформация защитного элемента в разрушительный. Происходит активация перекисного окисления липидов, что приводит к химической модификации и разрушению различных биомолекул и клеточных мембран. Избыточная продукция АФК и нарушение нормального функционирования антиоксидантной защиты лежат в основе развития окислительного стресса у больных, находящихся в критическом состоянии [2], и этот факт никем уже не оспаривается.

Таким образом, с одной стороны, избыточная продукция свободных радикалов рассматривается как одно из проявлений защитной реакции организма на воздействие различных факторов окружающей среды и условий жизнедеятельности (инфекции, травмы, токсины, ионизирующее излучение, физическое напряжение, переохлаждение, гипоксия, различного вида стрессы), с другой ― повышенная продукция свободных радикалов достаточно быстро приводит к необратимым повреждениям: разрушению мембраны эритроцитов с последующим их гемолизом, превращению гемоглобина в метгемоглобин, повреждению ДНК, десенситизации рецепторов плазматических мембран, инактивации различных гормонов и ферментов, в том числе ферментов антирадикальной и антиперекисной защиты [4].

Свободнорадикальное окисление

Природа целенаправленно использует цитотоксический эффект кислородных радикалов для уничтожения чужеродных микроорганизмов и собственных дефектных клеток. Трудно переоценить роль АФК в фагоцитозе, антибластомной резистентности, метаболизме арахидоновой кислоты, регенерации тканей и т.д. [4].

Вспомним, что кислород, транспортируемый эритроцитами к клеткам различных органов и тканей, используется только для внутреннего дыхания или сопряжённого окислительного фосфорилирования. В митохондриях при помощи ферментов дыхательной цепи происходит 4-валентное восстановление кислорода с образованием воды и высвобождением энергии, идущей на рефосфорилирование аденозиндифосфата (АДФ). Часть кислорода (около 5%) самопроизвольно восстанавливается одно-, двух- и трёхэлектронным путём, в результате чего образуются реактивные кислородные радикалы: супероксидный анион-радикал (O^2–), гидроксильный радикал (OH) и перекись водорода (H₂O₂), которые инициируют реакции перекисного окисления липидов. Это ферментативный путь генерации АФК, протекающий во всех клетках органов и тканей. При этом эндогенные ферменты антиоксидантной защиты успешно нейтрализуют указанные соединения.

В организме человека существуют два пути использования О₂: для нормальных условий — оксидазный, на случай гипоксии — оксигеназный.

Оксидазный путь связан с окислением в митохондриях энергетических субстратов и реализуется при участии цитохромоксидазы:

O₂ + 1ē → О₂•^- (1)

О₂•^-+ 1ē → О₂^-2 + 2Н⁺ → Н₂О₂ (2)

2OH• + 1ē + 2Н⁺ → 2Н₂О₂ + 2Н⁺ → Н₂О (3)

OH^- + 1ē → H₂O [4]

Оксигеназный путь, в противоположность оксидазному, протекает с включением одного или двух атомов кислорода в молекулу субстрата, чему способствуют оксигеназы. При этом происходит прямое восстановление кислорода одним или двумя электронами до супероксидного анион-радикала (О^2–) и далее с образованием достаточно токсичных продуктов супероксидного аниона и перекиси водорода:

О₂ → е^- → О₂•^- → е^- + 2Н⁺ → Н₂О₂ →

е^- + Н⁺ → ОН• → е^- + Н⁺ → Н₂О

В процессе реакции (2) одновалентное восстановление Н₂О₂ приводит к образованию гидроксильного радикала (ОН) и воды. Таким образом, образовавшиеся в результате реакции радикальные (ОН, О^2–) и нерадикальные (Н₂О₂) продукты могут трактоваться как АФК. Молекулярный же кислород, в отличие от продуктов предыдущих реакций, содержит два неспаренных электрона [5].

В настоящее время известны более 10 ферментов, локализованных в различных структурах клетки, которые могут катализировать эти реакции. Наиболее распространённым примером оксигеназного пути использования кислорода является система микросомального окисления, содержащая цитохром Р-450. Образование АФК, в частности О^2–, может происходить и в митохондриях, где по пути следования электронов к цитохромоксидазе может возникать сброс одного электрона [4].

Существует несколько факторов, которые способствуют переключению механизмов использования кислорода с оксидазного пути на оксигеназный [7]. В организме при определённых условиях включаются механизмы защиты, так или иначе связанные с изменением потребления кислорода, ведь как избыток, так и его недостаток опасны для клеток. Это важно понимать при проведении интенсивной терапии, когда становится очевидной тонкая грань свободнорадикального окисления.

Во-первых, накопление катехоламинов (поддерживающих спазм прекапилляров в период централизации кровообращения) и продуктов их неполного окисления при любом стрессе способствует интенсивному синтезу супероксидного радикала, необходимого для утилизации недоокисленных продуктов. С другой стороны, избыток супероксидного радикала блокирует катехоламиновые рецепторы и потенцирует синтез пироксинитрита, ведущего к вазодилатации [8]. Именно поэтому для сохранения перфузии тканей просто необходимо использовать антиоксиданты на фоне синтетических вазопрессоров.

Во-вторых, избыток восстановленных пиридиннуклеотидов (НАДФ⁺), которые являются донорами электронов при ишемии, гипоксии и реоксигенации, способствует переключению механизмов использования кислорода с оксидазного на более экономичный оксигеназный путь [9], при этом данный вариант также связан с избыточной продукцией свободных радикалов.

В-третьих, увеличение напряжения кислорода как акцептора электронов при гипербарической оксигенации является, наверное, самым грозным вариантом течения оксигеназного пути, т.к. в этом случае синтез свободных радикалов увеличивается в геометрической прогрессии (не сложно представить, что если в условиях нормального атмосферного давления в 750 мм рт.ст. и при дыхании 21% кислородом 5% используемого кислорода идёт на синтез радикалов, то при 2 атмосферах и 100% концентрации синтез радикалов увеличится более чем в 5 раз [7].

В-четвёртых, инактивация ферментных и неферментных антиокислительных систем, которые истощаются в условиях гипоксии или гипероксии в период реперфузии, прогрессирует особенно при критических состояниях [10, 11].

В-пятых, происходит накопление металлосодержащих комплексов переменной валентности (т.к. какой-то массив клеток погибает, увеличивается доступность кислорода к остаткам цитохромов, вернее к железу) [12].

Роль ионов железа в активации свободнорадикального окисления

К настоящему времени описаны и другие пути образования АФК, имеющие место при развитии, например, воспаления, — это генерация кислородных радикалов нейтрофильными лейкоцитами в процессе фагоцитоза, реакции превращения ксантина в гипоксантин, синтез простагландинов и лейкотриенов и ряд других. В норме нейтрализация активных форм кислорода происходит в виде цепи строго последовательных реакций:

• O^2– + O^- + 2Н⁺ → H₂O₂ + O₂ (катализируется супероксиддисмутазой);
• H₂O₂ + Cl^– → HClO + H₂O (образование гипохлорита HClO катализируется миелопроксидазой);
• H₂O₂ → O₂ + H₂O (разложение перекиси под действием каталазы);
• H₂O₂ + 2GSH → GSSG + 2H₂O (реакция катализируется под действием глутатионпероксидазы).

Это так называемый ферментный путь устранения, или инактивации, активных форм кислорода [4].

Однако, когда в строго регламентированную природой схему устранения свободных радикалов попадает свободное железо, процессы свободнорадикального окисления выходят из-под контроля антиоксидантной системы. В указанном контексте необходимо отметить фундаментальные работы академика РАМН Ю.А. Владимирова и его школы. В процессе изучения происхождения и сущности как первичных, так и вторичных радикалов была отмечена важная патогенетическая роль ионов свободного (несвязанного Fe²⁺) железа. Доказано, что если первичные радикалы являются физиологическими и выполняют такие жизненно важные функции, как перенос электронов в дыхательной цепи (убихинон), защита от микроорганизмов (супероксид), регуляция кровяного давления (оксид азота), то все вторичные радикалы оказывают только цитотоксическое действие, возможно, за счёт своего образования в биохимических реакциях при участии цитотоксичных свободных ионов железа. Это происходит по причине того, что реакции, протекающие в дыхательной цепи, осуществляются в митохондриях с участием металлосодержащих (в основном железа) ферментов (цитохромы). При повреждении структуры митохондрии (чаще всего при гипоксии и гипероксии) образование АФК, по мнению Ю.А. Владимирова [4], происходит в реакциях:

• Фентона (H₂O₂ + Fe²⁺ → Fe³⁺ + ОН^– + •ОН);
• Хабера–Вайса с ионом железа (Fe³⁺ + •O₂⁻ → Fe²⁺ + O₂);
• Осипова (Fe²⁺ + HClO → Fe³⁺ + Cl^– + •OH);
• с гидроперекисью липидов, где образуются радикалы гидроксила и липидов (Fe²⁺ + LOOH → Fe³⁺ + •OH^– + LO).

Как известно, все продукты вышеописанных реакций обладают разрушительной активностью по отношению к белкам, кислотам и клеточным мембранам. Ионы Fe³⁺, участвующие в указанных реакциях, обладают свойством быстро менять валентность в присутствии кислорода и превращаться в Fe²⁺, которые также обладают цитотоксическими свойствами, но уже более выраженными [12].

Таким образом, современные представления о процессах свободнорадикального окисления позволили констатировать, что тяжесть различных патологических состояний всегда зависит либо от выраженности защитных механизмов устранения токсичных радикалов, либо от степени дисфункции или декомпенсации антиоксидантной системы. Основная причина патологических процессов в человеческом организме, вызывающих преждевременное старение и развитие многих болезней, — избыточное накопление в организме кислородных свободных радикалов, т.е. оксидантный стресс [12]. За счёт вредного воздействия свободных радикалов повреждаются стенки сосудов, мембраны, окисляются липиды. Сегодня общепризнано, что концентрация свободных радикалов возрастает только за счёт снижения естественной антиоксидантной системы человека [12], что обусловлено следующим мнением: если человек кислородозависим, то тяжесть повреждения клетки, в свою очередь, будет зависеть от интенсивности кислородного обеспечения и состояния энергетического потенциала клетки. В данном случае можно говорить о необходимости использования антиоксидантной протекции, аналогично как и о любом виде протезирования утраченной функции. Более того, устранение дыхательной и сердечно-сосудистой недостаточности, сопряжённое с необходимостью использования высоких концентраций кислорода, и увеличение интенсивности кровотока в период реперфузии должны проводиться на фоне антиоксидантной терапии [13]. На сегодняшний день это должно стать аксиомой, в противном случае будет происходить неуправляемая активация синтеза разрушительных радикалов кислорода, природная суть которых — защита клетки.

Антиоксидантная защита

Исторически сложилось так, что жизнь на Земле зародилась в условиях экстремальной гипоксии. Земля сформировалась примерно 4,6 млрд лет назад, и самые ранние формы жизни, по одной из теорий, появились вскоре после периода тяжёлой бомбардировки планеты метеоритами 4 млрд лет назад. В то время атмосфера состояла из газов, выделяющихся из земной коры, в первую очередь азота, углекислого газа, водяного пара и водорода. Для примитивных анаэробных прокариот, которые сначала населяли Землю, даже следы кислорода были высокотоксичными. Через фотохимическое удаление паров воды, высвобождение кислорода и водорода, а затем с помощью фотосинтеза цианобактерий концентрация кислорода в атмосфере поднялась ещё выше, и все организмы были вынуждены приспосабливаться, чтобы оградить себя от его разрушительной силы [14].

В этих ситуациях и проявляет себя вторая система инактивации АФК — неферментативная, которая включает большое количество различных химических веществ: восстановленный глутатион, витамин С, витамин Е. Большое значение имеют мочевая кислота, аминокислота таурин и особенно белки, содержащие ионы металлов с переменной валентностью, — трансферрин, лактоферрин, ферритин, церулоплазмин. Связывая ионы металлов (исключительно Fe³⁺ и Fe²⁺), такие белки существенно снижают вероятность протекания радикалгенерирующих реакций. По мнению большинства исследователей, существующая в организме система антиоксидантной защиты может быть представлена в виде трёх уровней [4, 12].

Первый уровень защиты предусматривает устранение потенциально опасных АФК — супероксидного анион-радикала и перекиси водорода с участием супероксиддисмутазы и каталазы, предотвращая таким образом образование гидроксильного радикала в процессе реакций Фентона и Хабера–Вайса. Однако синтез супероксиддисмутазы тоже как-то лимитирован и рассчитан на определённое количество супероксидного анион-радикала. После её активации так или иначе наступает истощение активности фермента, но синтез радикала продолжается, если не устранена причина для его образования (например, гипоксия). На этом фоне продолжается гибель клеток и входящих в их состав митохондрий, выделяется свободное железо, что уже даёт возможность для реализации реакций Фентона и Хабера–Вайса и синтеза гидроксильного радикала. Таким образом, потенцируется патологический вариант свободнорадикального окисления, и начинается перекисное окисление липидов [4, 12].

Вторая линия защиты начинает действовать в том случае, если образовавшийся гидроксильный радикал индуцировал окисление полиеновых липидов, которые могут быть обезврежены при помощи природного антиоксиданта ― витамина Е ― или веществ, принимающих участие в регенерации α-токоферола (например, витамин С, убихинон, L-каротин, флавоноиды, производные витамина К). И, наконец, третья линия защиты представлена глутатионпероксидазой, глутатион-S-трансферазой и ферментными системами биорегенерации окисленного глутатиона. Глутатионпероксидаза может быть отнесена и к элементам первой линии обороны, т.к. обладает способностью утилизировать перекись водорода [4, 12]. В связи с этим ферменты антирадикальной защиты можно условно разделить на две группы ― прямой (супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза) и косвенной (дегидрогеназы) антирадикальной защиты. Другие авторы склонны делить антиоксидантные ферменты на 3 группы: первая группа включает супероксиддисмутазу и никотинамидадениндинуклеотид в восстановленной форме (HAДH), вторая ― каталазу, глутатионзависимые липопероксидазы и фосфолипазу А2; к третьей группе относят ферменты, необходимые для нормального функционирования основных компонентов вышеперечисленных линий антиоксидантной защиты, в том числе участвующих в регенерации витамина Е, аскорбиновой кислоты и глутатиона [4, 12].

Появление свободного железа в плазме крови вполне возможно как при наличии воспалительного процесса, так и в его отсутствие. Можно выделить три источника, из которых Fe²⁺ поступает в плазму крови. В первую очередь, это железо, которое всасывается в кишечнике и поступает в кровь. Во-вторых, это железо, которое попадает в кровь при разрушении клеток (эритроциты) и тканей в процессе физиологического старения и их гибели. В-третьих, имеются сообщения, что активированные нейтрофилы способны восстанавливать железо до Fe²⁺ из ферритина плазмы. Ионы железа присутствуют в биологических жидкостях, где их концентрация не превышает 10 мкмоль/л, а также в тканях — 30–40 мкмоль/кг массы ткани, если учесть, что ткань не подвергалась воздействиям, нарушающим целостность её внутриклеточных мембран [15]. Однако вопрос, в каком конкретно валентном состоянии находятся ионы железа в тканях, остаётся открытым.

В настоящее время не доказано, что цитотоксическим эффектом обладают ионы Fe²⁺, а не ионы Fe³⁺. Скорее всего, это несущественно — опасно любое свободное железо в присутствии кислорода. Существенно то, что повреждение биологических мембран и других компонентов клетки с участием ионов Fe²⁺ осуществляется в результате образования свободных радикалов в одной из трёх реакций ― Фентона, Хабера–Вайса, Осипова [15, 16].

В биологических системах широко распространены вещества, образующие с ионами железа водорастворимые комплексы, в составе которых железо сохраняет свою каталитическую активность. Примером таких комплексонов могут служить НАДФ, АДФ, AТФ, этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА), цитохром, ферритин, трансферрин. Крайне существенно, что образование субпродуктов цикла Кребса не обходится без участия железа [17]. К этому следует добавить, что большинство участников цикла нуждаются в присутствии железа. По данным J.W. Moffett и R.G. Zika [18], особенно быстро аутоокисление Fe²⁺ происходит в щелочной среде с образованием осадка Fe(OH)₃, и, напротив, в кислой среде Fe(OH)₃ не образуется, a растворы Fe²⁺ достаточно стабильны. Таким образом, метаболический ацидоз, присущий критическим состояниям, является потенцирующим фактором накопления ионов Fe²⁺ железа, а известный в клинической практике метод ощелачивания плазмы крови гидрокарбонатом натрия является патогенетически обоснованным даже при незначительном дефиците оснований.

В организме скрупулёзно создана структура белковых комплексов-антиоксидантов, или комплексонов, для связывания свободного железа. Главное антиоксидантное свойство комплексонов обусловлено тем, что в присутствии комплексообразователей ускоряется процесс окисления ионов Fe²⁺, и они «выходят из игры». Ю.А. Владимиров выделяет три типа влияния комплексонов на активность железа. Во-первых, это выведение ионов железа из сферы окислительно-восстановительных реакций. Во-вторых, образование комплексонов, не препятствующих участию железа в окислительно-восстановительных реакциях, но препятствующих образованию нерастворимых в воде гидроксилов. В-третьих, изменение восстановительного потенциала ионов железа приводит к ускорению или замедлению скорости окислительно-восстановительных реакций, где примером может служить восстановление молекулярного кислорода в присутствии Fe²⁺ и Десферала. Процесс окисления ионов железа, сопровождающий свободнорадикальные реакции, включает окисление Fe²⁺ кислородом с образованием O^2– (реакция Хабера–Вайса), окисление в результате взаимодействия с перекисями (с образованием гидроксильного и органического радикалов в реакции Фентона и Осипова), а также окисление Fe²⁺ ферментативным путём под действием церулоплазмина, но без образования свободных радикалов [4].

В заключение можно констатировать, что кислород в небольших количествах ещё может быть свободным, но железо всегда должно быть связанным, иначе возникает перспектива неуправляемого окисления и синтез губительных свободных радикалов. Все железосвязывающие белки находятся всегда в железодефицитном состоянии [17]. Это одна из причин, почему железо блокировано в организме мощной, легкодеформируемой мембраной эритроцита и мембранами клетки и митохондрий. Учитывая, что перечисленные выше реакции характерны для любого вида клеток и тканей, можно с большой долей вероятности предположить следующее. При критических состояниях, когда отмечаются спазм сосудов системы микроциркуляции и недостаток кислорода с последующим его избытком (следствие искусственной вентиляции лёгких, реоксигенация при реперфузии), а также некомпенсированный метаболический ацидоз и гибель жизнеспособных клеток, процесс образования свободных радикалов принимает катастрофические размеры. Причиной тому является избыток ионов Fe²⁺ и кислорода. Связь ионов железа с кислородом — взрывоопасная смесь, и природа строго следит за избытком одного и другого, исключая любую возможность сочетания этих двух элементов в свободном состоянии. Вот почему человеку всегда нужны антиоксиданты, тем более когда он находится в критическом состоянии, которое всегда сопровождается дефицитом антиоксидантов.

Гипоксия как типовой патологический процесс

Таким образом, антиоксидантные механизмы можно представить в виде каскада. На верхней ступени (в состоянии здоровья) системы иммунитета и антиоксидантной защиты справляются с различными агрессивными внешними факторами (в первую очередь, кислород) и потоком первого радикала, супероксидного О^2–. Состояние нормоксии всегда сопровождается появлением некоторого количества О^2–, которое нам просто необходимо в постоянной жизни, где траты ферментов (супероксиддисмутазы и каталазы) на устранение О^2–, Н₂О₂ и белков, связывающих ионы железа, до определённого уровня покрываются их синтезом в печени.

При критическом состоянии всегда развивается гипоксия в каком-либо из её вариантов, которая сопровождается расстройствами микроциркуляции или же является следствием этих расстройств, и здесь уже начинается защита — синтез повышенного количества ферментов и белков, т.к. синтез О^2– возрастает. Антиоксидантная система старается блокировать синтез АФК, в первую очередь О^2–, и не допустить образования гидроксильного радикала в реакциях Фентона и Хабера–Вайса, т.к. для этого есть условия ― появляется большое количество ионов железа, ведь часть клеточного массива погибает, и увеличивается гибель эритроцитов в сосудах микроциркуляции. Супероксиддисмутаза нейтрализует О^2–, каталаза — Н₂О₂, увеличивается синтез трансферрина и активность церулоплазмина [17]. Здесь уже равновесие в отношении антиоксиданты/прооксиданты нарушается, т.к. расход антиоксидантов увеличивается, и их пул в системном кровотоке и на уровне тканей уменьшается, как и увеличивается количество прооксидантов.

На этой степени каскада все будет зависеть от общего состояния организма и таких факторов, как возраст; состояние печени; частота стрессов, перенесённых ранее системой антиоксидантной защиты; время воздействия и мощности агрессии какого-либо патологического фактора [19]. Гипоксия и опосредованная ею клеточная гибель генерируют и воспалительный ответ, что ещё больше усиливает каскад критических событий на уровне клетки [20]. Кроме того, ткани в условиях гипоксии снижают свои функции, сокращая тем самым общий кровоток и приводя к дальнейшему обострению глобальной тканевой гипоксии. На этом фоне происходит увеличение вентиляции (т.е. больше кислорода идёт на производство О^2–), увеличивается скорость кровотока и возрастает расход кислорода на поддержание возросшей скорости метаболических процессов [12].

Процесс окисления в тканях идёт быстрее. По всей видимости, в данной ситуации возникает необходимость антиоксидантной протекции, т.к. начинается сочетанное воздействие двух мощных патогенетических факторов — кислорода и железа.

Уже в XVIII веке благодаря британскому естествоиспытателю Дж. Пристли было известно, что организм «боится» не только свободного железа, но и избыточного количества кислорода: «Как свеча сгорает гораздо быстрее в этом воздухе, чем в обычном, так и мы можем прожить нашу жизнь слишком быстро». Вполне возможно, что для продления жизни природа придумала и гипоксию, и условия жизни при 21% концентрации кислорода.

Как ни странно, но жизнь зародилась в аноксии [14]. Многие организмы, независимо от эволюционирующих разнообразий дыхательной системы с целью получения кислорода из окружающей среды, пришли к жёсткой зависимости от кислорода для своего выживания. Наверное, сегодня существует необходимость и в пересмотре отношения врачебного сообщества к гипоксии. На современном этапе гипоксия рассматривается как патология, сопровождающая критические состояния и обусловливающая активные мероприятия (повышение концентрации кислорода, дыхательного объёма и т.д.) у постели больного с клиническими признаками гипоксии [21]. При этом врачи забывают, что все процессы жизнедеятельности прямо связаны с гипоксией, которая является самым мощным потенцирующим фактором в организме человека и побуждает организм сначала адаптироваться к гипоксии, а только потом искать пути её нивелирования.

Гипоксемия является общим следствием или причиной любого критического состояния. Гипоксемия в критических состояниях может быть вызвана гиповентиляцией, вентиляционно-перфузионным несоответствием, шунтированием крови справа налево или ограничением диффузии через альвеолярно-капиллярную мембрану. Гипоксемия может также возникать в результате дыхания в условиях низкого напряжения кислорода, например на большой высоте. Тканевая гипоксия (снижение клеточных или митохондриальных объёмов кислорода) может возникнуть вследствие гипоксемии или снижения доставки кислорода, а также ввиду снижения сердечного выброса или снижения количества эритроцитов (анемия). Гипоксия тканей может возникать и в ассоциации с синдромом системной воспалительной реакции, что обусловлено снижением тканевой доставки кислорода, связанным с микроциркуляторной дисфункцией; может произойти за счёт изменений клеточных энергетических путей и дисфункции митохондрий, в результате чего снижается возможность использовать имеющийся кислород (клеточная дизоксия) [20].

Компенсация к гипоксемии и тканевой гипоксии может оказаться пагубной как в случае острой асфиксии, так и в долгосрочной перспективе. Например, при болезни Монге (хроническая горная болезнь) у туземцев или при длительном проживании на высоте свыше 2500 м чрезмерный эритроцитоз в сочетании с гипоксической лёгочной вазоконстрикцией может привести к высокому давлению в лёгочной артерии и правых отделах сердца, что обусловит развитие сердечной недостаточности [22].

Механизмы, с помощью которых происходит адаптация к гипоксии, мало изучены. Кроме того, исследовать эти механизмы в контексте критического заболевания крайне сложно. Тяжелобольные пациенты значительно различаются, т.к. образуют неоднородные по возрасту, физическому состоянию, сопутствующим заболеваниям и конкретно провоцирующей болезни (травма, инфекция, ишемические события и др.) группы. Кроме того, многие патологические и физиологические процессы возникают одновременно, и тогда отделить причины от последствий тканевой гипоксии бывает крайне сложно [20]. Именно поэтому можно предположить, что гипоксические адаптивные процессы, скорее всего, будут общими для гипоксии в любых тканях, независимо от причины, и у любых существ, зависимых от кислорода.

Тканевая гипоксия может инициировать и поддерживать многие аспекты критических состояний. Гипоксические эпителиальные клетки активируют фактор некроза опухоли альфа (TNF-α) и интерлейкин-8 (IL-8), в результате чего происходит патологическое увеличение проницаемости сосудов и высвобождение IL-6 ― основного цитокина острофазового ответа. Гипоксия и опосредованная ею клеточная гибель генерируют воспалительный ответ, что ещё больше усиливает каскад критических событий на уровне клетки. Кроме того, ткани миокарда в условиях гипоксии снижают свою сократительную функцию, сокращая тем самым общий кровоток и приводя к глобальной тканевой гипоксии [23]. Однако понимание врачом сути любого критического состояния должно учитывать ряд вопросов: знаком ли человеческий организм с этим состоянием, как долго оно ему известно, есть ли у организма какие-либо пути борьбы с этим состоянием? Суть этих вопросов и их актуальность далеко не философские. Опыт жизни человека, не говоря уже о других млекопитающих существах в «доврачебную эру», очень большой, и недооценивать его нельзя. Более того, нужно изучать все аспекты, относящиеся к гипоксии, что в течение длительного времени с успехом и делает наука патофизиология.

В начале XX в., после обширных исследований овечьего фетального кровообращения, Дж. Баркрофт (1872–1947) постулировал, что среда, в которой развивается человеческий зародыш, может быть сопоставима, скорее всего, с переживаемой гипоксией на вершине горы Эверест взрослым человеком. Британский физиолог назвал эту интригующую гипотезу «Эверест в период внутриутробного развития»: чтобы выжить в условиях гипоксической матки, плод должен разрабатывать сложные физиологические стратегии, сопоставимые с условиями, в которых альпинисты покоряют великие гималайские вершины [24].

Через 100 лет, в 2009 г., M.P. Grocott и соавт. [25] опубликовали сенсационный материал (статья «Газы артериальной крови и содержание кислородa у альпинистов на горе Эверест»), позволивший несколько по-другому посмотреть на проблему гипоксии и гипероксии. Так, в 2007 г. четверо альпинистов, спускаясь с вершины Эвереста (8848 м), сделали анализ газов артериальной крови друг у друга на высоте 8400 м над уровнем моря. Их среднее артериальное парциальное давление кислорода было 3,28 кПа (или 24,6 мм рт.ст.) при артериальной сатурации кислорода 54%, в то время как они дышали без дополнительного кислорода. Один человек в группе имел показатель напряжения кислорода 2,55 кПа (или 19,1 мм рт.ст.) ― самый низкий уровень РаО₂, когда-либо зарегистрированный у взрослого человека [25].

Этап адаптации к гипоксии как ступень эволюции человека

Адаптация к гипоксии — это эволюционно сформировавшаяся ответная реакция организма, направленная на сохранение его жизнедеятельности в условиях дефицита кислорода. Она контролируется как центральными, так и межклеточными и внутриклеточными регуляторными механизмами, необходимыми для поддержания внутриклеточного уровня кислорода, структуры и функции клетки, а также её метаболизма и в первую очередь синтеза энергии и энергозависимых процессов [26]. При этом различают две стадии формирования механизмов адаптации ― фазу индукции адаптации и фазу формирования геномзависимых реакций долгосрочной адаптации.

Фаза индукции адаптации — это период генерализованного ответа на первое действие раздражителя, включающий как неспецифическую стресс-реакцию (активация адренергической и гипофизарно-адреналовой систем), так и мобилизацию специфических для гипоксии срочных компенсаторных реакций, которые обеспечивают формирование срочной защитной реакции организма от гипоксического воздействия. Эта фаза характеризуется, как правило, увеличением срочной толерантности (резистентности) организма к гипоксии, которая в постгипоксический период сравнительно быстро возвращается к исходному уровню [26]. Тем не менее в зависимости от силы первичного воздействия в этот период активируются множественные соподчинённые сигнальные системы, отражающие срочные функциональные резервы организма и составляющие основу для формирования отсроченных геномзависимых защитных эффектов долгосрочной адаптации [27].

В отличие от этого периода, отсроченная или долговременная адаптация формируется при длительном или многократном гипоксическом воздействии на организм [26]. Она сопровождается экспрессией мРНК, специфических белков и генов и характеризуется переходом на новый уровень регуляции кислородного гомеостаза. Функциональными показателями завершения этого периода является формирование механизмов, обеспечивающих оптимизацию масс-переносящих свойств крови, увеличение мощности работы дыхательной и сердечно-сосудистой систем, экономию энергетического обмена и эффективность утилизации энергии в клетках. При этом происходят снижение вентиляции и температуры тела, потеря веса, увеличение показателя гематокрита. Кроме всего, понижается скорость дыхания, нарастает сродство гемоглобина к кислороду, увеличивается концентрация гемоглобина в результате активации эритропоэза. Биохимические трансформации на уровне клетки реализуются путём изменения кинетических свойств ферментов окислительного метаболизма, которым сопутствует увеличение эффективности окислительного фосфорилирования. В результате появляются новые популяции мелких митохондрий с набором ферментов, позволяющих им работать в этом новом режиме. Изменение качества доставки кислорода происходит путём ремоделирования сосудов, которое направлено на уменьшение расстояния между капиллярами (ангиогенез), а энергетическое обеспечение утилизации кислорода ― за счёт увеличения гликолиза и транспорта глюкозы (основного субстрата) через гистогематические барьеры [26].

Регуляция всех этих процессов осуществляется на транскрипционном уровне и модулируется индуцируемым при гипоксии специфическим белковым фактором — HIF-1 (hypoxia inducible factor), который выполняет функцию транскрипционного активатора и ключевого регулятора самых различных клеточных и системных ответов на гипоксию. Молекулярная структура HIF-1 достаточно хорошо изучена. Это гетеродимерный редоксчувствительный белок, состоящий из двух субъединиц: индуцибельно экспрессируемой в цитозоле практически всех клеток млекопитающих кислородчувствительной субъединицы HIF-1a и конститутивно экспрессируемой субъединицы HIF-1P [27]. Активность HIF-1 зависит от наличия субъединицы HIF-1a, которая синтезируется в реакциях, контролируемых сигнальными системами, активируемыми через рецептор тирозинкиназы, специфический сукцинатзависимый рецептор GPR-91 и др. Его агонистами являются тирозингидроксилаза, цитокины, в том числе факторы роста, например инсулиноподобный фактор, а также сукцинат [26].

В нормоксических условиях внутриклеточный уровень субъединицы HIF-1 низок, т.к. бÓльшая его часть подвергается протекающей в цитозоле протеасомной деградации. При гипоксии, напротив, создаются предпосылки инактивации, что способствует стабилизации и аккумуляции HIF-1a, индукции транскрипционных процессов, транслокации HIF-1a в ядро, экспрессии HIF-1-зависимых генов-мишеней и синтезу защитных адаптивных белков. Таким образом, активность HIF-1 регулируется путём гипоксической трансдукции сигнала, который основан на уникальной кислородозависимой посттрансляционной модификации [27].

Согласно одной из гипотез, во время гипоксического воздействия активируется генерация АФК, преимущественно митохондриального происхождения, связанная с их образованием в области II и III митохондриальных комплексов и подавлением электронтранспортной функции дыхательной цепи на терминальном её участке. Считается, что этот процесс может усиливаться в постгипоксический период и приводить к развитию постгипоксического окислительного стресса, инактивации пролил-гидроксилазных реакций, ответственных за протеасомальную деградацию HIF-1a, что и приводит к его стабилизации и аккумуляции [26].

В дальнейшем было раскрыто, что биохимическим эквивалентом гипоксии является изменение концентрации субстратов в основных метаболических путях клеток, а снижение энергопродукции в них есть следствие нарушения фосфорилирующих процессов и химических синтезов энергии.

АТФ образуется в митохондрии с помощью гликолиза в процессе окислительного фосфорилирования и осуществляется за счёт переноса электронов из цикла Кребса по цепи транспорта электронов через NADH и FADH2. Цепь состоит из четырёх ферментных комплексов (комплексы I–IV) и двух транспортёров (убихинон и цитохром С). В то время как электроны перемещаются вниз по цепочке, протоны перекачиваются по внутренней митохондриальной мембране, создавая электрический потенциал мембраны. Этот «хемиосмотический градиент» предоставляет энергию для АТФ-синтазы в комплекс V [28].

АТФ не синтезируется вне цикла Кребса и без кислорода. Кислород не усвоится без энергетического эквивалента. Это единый жизненный цикл.

Таким образом, субстрат для передачи электронов и последующей выработки АТФ синтезируется в основном из глюкозы (через гликолиз) или β-окисления жиров через цикл Кребса и при участии сукцината в электронтранспортной цепи. Но неполное восстановление кислорода (митохондрии используют приблизительно 98% общего объёма потребляемого кислорода) способствует увеличению производства супероксидного радикала (в основном на комплексе I, но также комплексе III) [26]. И чем больше задолженность клетки в кислороде, тем больше митохондрии продуцируют АФК, и больше требуют участия антиоксидантов (например, супероксиддисмутаза, глутатион), чтобы защититься от повреждений, вызванных АФК. Так формируется антиоксидантная недостаточность собственных митохондриальных ферментов.

На сегодняшний день установлено, что реализация срочной адаптации (которая длится от нескольких часов до нескольких суток) к гипоксии осуществляется только за счёт мобилизации энергоресурсов: их централизации, интенсификации катаболизма углеводов, жиров и белков, а также подавления анаболических процессов в тканях. Например, при тяжёлом шоке эти процессы не могут в полной мере компенсировать снижение общей энергопродукции и теплопродукции, что влечёт за собой развитие гипотермии ― последнего защитного механизма. Раньше считали, что аэробный синтез энергии является мишенью для гипоксии за счёт кинетических особенностей цитохромоксидазы, т.е. причина энергодефицита кроется в терминальном звене дыхательной цепи. Но сегодня уже доказано, что причиной снижения синтеза энергии при гипоксии являются изменения активности митохондриальных ферментов на субстратном (II) участке дыхательной цепи, где ведущую роль играет HIF-1 (гипоксия-индуцированный фактор), синтез которой начинается по сигналу от сукцинатзависимого рецептора GPR91. По мнению авторитетного исследователя в области гипоксии Л.Д. Лукьяновой, ключевым моментом в развитии гипоксии всегда является нарушение субстратного звена в дыхательной цепи митохондрий, а именно дефицит сукцината, который обеспечивает функционирование II участка дыхательной цепи [26]. И это уже не гипотеза, а аксиома, которая поддерживается многими исследователями.

Сегодня довольно широко освещена роль сукцината в поддержании функционирования клеток в структуре гипоталамуса — центра регуляции всех основных процессов жизнеобеспечения. Этой теме посвящён уникальный обзор T.T. Chen и соавт. «Поддержание гипоталамусом гомеостаза при старении: центральные и периферические роли сукцината» [29], где аргументированно говорится о месте сукцината в механизме старения человека. Старение, по мнению авторов, это фенотип в результате накопления генетических, клеточных и молекулярных повреждений. Старение — это необратимое явление, которое характеризуется прогрессирующим снижением всех физиологических функций. У обоих полов наблюдается потеря тонуса мышц и прочности костей, снижение уровня энергии, ослабление иммунитета, вырождение когнитивных способностей и увеличение жировых отложений, что вторично приводит к увеличению риска метаболических и сердечно-сосудистых заболеваний. Многие факторы определяются как причина или следствие возрастного снижения различных функций. Гипоталамус является не только источником этих факторов, но местом синтеза ряда гормонов, ответственных за общий гомеостаз в организме [29]. В обзоре постулируется, что сукцинат — это один из самых известных метаболитов цикла Кребса. Окисление сукцината в митохондриях обеспечивает максимально мощный выход энергии в единицу времени. Внутри митохондрий сукцинат синтезируется по команде триггера — сукцинатзависимого рецептора (SUCN1 или GPR91), осуществляющего опосредованный сигнальный путь во многих периферических тканях, включая гипоталамус. Одним из действий сукцината является стабилизация клеточных структур в условиях гипоксии и стресса путём индуцирования регулятора гипоксии (HIF-1α) [29], о котором речь уже шла выше.

Данные обзора дают возможность предположить, что сукцинат обладает мощным потенциалом для восстановления частично потерянных функций, связанных не только с механизмом клеточного, органного старения (другими словами, износом органа), но и системного старения. Считается, что старение является многофакторным и кумулятивным процессом с множеством участников, взаимодействующих друг с другом в каскаде, поэтому трудно определить одну специфическую причину. Но вполне возможно, что основная причина лежит на поверхности — это гипоксия и активация свободнорадикального окисления.

Обобщая представленный материал, можно сделать несколько выводов.

В ответ на острую гипоксию происходит активация сложных механизмов на уровне генов, берущих начало от сукцинатзависимого рецептора GPR91 и сигнальной молекулы «в лице» сукцината, посредством чего начинается формирование срочной резистентности и увеличение уровня HIF-1α. Активация сукцинатзависимого рецептора GPR91 и HIF-1α влечёт увеличение интенсивности окислительного фосфорилирования для синтеза АТФ. Синтез макроэргов происходит в условиях более экономных (укорочение комплексов в дыхательной цепи за счёт торможения работы I комплекса), т.к. при гипоксии дыхательная цепь митохондрий не может принять на себя водород от какого-либо иного субстрата, кроме как от молекулы янтарной кислоты, потому что при окислении янтарной кислоты водород поступает на значительно более близкий к кислороду участок дыхательной цепи [26–29]. Организму так удобно и экономно в энергетическом плане.

Торможение работы I комплекса обусловлено ещё и тем, что именно в нём происходит наиболее активный синтез супероксидного анион-радикала, что является эквивалентом защитной реакции в условиях гипоксии. Комплекс I, как опасный участок, как бы выпадает из обоймы дыхательной цепи, и опасность увеличивается в период реоксигенации и реперфузии [26]. Следствием «экономии» является увеличение интенсивности работы II комплекса в дыхательной цепи митохондрий, истощение резервов синтеза эндогенного сукцината. Это ключевая биохимическая «поломка», которая приводит не только к замедлению митохондриального синтеза АТФ, но и к расстройству всего обмена веществ в органелле в целом (митохондриальная дисфункция)» [30]. Она может быть локальной (повреждение гепатоцитов), но с увеличением опасности гипоксии сформируется полиорганная митохондриальная дисфункция [31, 32]. Возможно, что это и есть переход физиологической, или привычной, подконтрольной гипоксии в гипоксию патологическую.

Гипоксия путём различных механизмов способствует включению в первую очередь факторов защиты в виде увеличения синтеза и активности ферментов антиоксидантной защиты, т.к. главная задача для клетки — устранить О^2–, чтобы избежать синтеза более опасных радикалов кислорода, таких как гидроксильный радикал. По всей видимости, это второй механизм — истощение всех механизмов срочной адаптации ― приводит к развитию патологической гипоксии как типовому патологическому процессу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Гипоксия — вечный спутник человека, т.к. каждый его вдох потенцируется гипоксией. Наверное, количество вдохов, отпущенное природой, так или иначе связано с ролью сукцинатов в обеспечении процессов тканевого дыхания. Каждая клетка дышит, устаёт, умирает. Ей на смену приходит другая, которая, в принципе, и «рождается» от утечки кислорода в виде свободных радикалов. Поддержание тканевого дыхания — это энергозатратный процесс, требующий присутствия кислорода и определённого количества субстрата в виде сукцината, синтез которого также лимитирован. Можно представить, как идут траты сукцината у часто болеющих людей, т.к. любой воспалительный (острый или хронический) процесс потенцирует увеличение интенсивности метаболических процессов. Болеющий человек, таким образом, и «живёт» быстрее, т.к. тратит огромное количество энергии и кислорода для её синтеза на поддержание тканевого дыхания.

Но в чём существенная разница причинно-следственной связи, скажем, для врача, оказывающего неотложную медицинскую помощь? Важны ли для него суть и понимание биохимических трансформаций на уровне тканей, и будет ли такое понимание влиять на выбор той или иной лечебной тактики? Гипоксия всегда будет определяющим фактором, что, в свою очередь, будет требовать от врача её коррекции, и в каждом случае ― принятия решения о необходимости использования оксигенотерапии.

Оксигенотерапия может сыграть отрицательную роль, т.к. избыток кислорода приведёт к ещё более выраженной вазоконстрикции, т.к. уже включён механизм ранней адаптации к гипоксии, заблокирован I комплекс дыхательной цепи, интенсивно работает II комплекс и идёт интенсивный расход сукцината для синтеза АТФ в условиях гликолиза. В этих условиях любая концентрация кислорода выше привычного 21% будет реализовываться в ускоренном синтезе •О^2– и его трансформации при участи оксида азота в пироксинитрит, который приведёт к тотальной вазодилатации, артериальной гипотензии, снижению сердечного выброса, усугублению ишемии за счёт уменьшения кровенаполнения коронарных сосудов и углублению гипоксии миокарда. Наверно, с учётом этих событий и назначают как можно быстрее пациентам со спазмом коронарных сосудов препараты группы нитратов, как бы замещая эндогенный оксид азота (который связался с анион-радикалом с образованием пироксинитрита) на экзогенный. Так решается проблема ишемии. Однако, решает ли подобная тактика проблему гипоксии? Ведь механизм ранней адаптации уже запущен, включён механизм гликолиза, и митохондриальная дыхательная цепь работает в условиях дефицита кислорода без участия I комплекса, в отличие от условий нормоксии. Мы решили проблему доставки кислорода путём улучшения состояния сосудистых магистралей, изменив тонус сосудистой стенки. Мало того, мы запустили механизм реперфузии и реоксигенации. Таким образом, создавая избыток кислорода, мы «перенапрягаем» процессы ранней адаптации к гипоксии, потенцируем синтез радикалов (О^2–), расходуем эндогенные антиоксиданты. Для тканей, страдающих от недостатка кислорода, необходимо, чтобы поступающий кислород в большем, чем в период ишемии, количестве усвоился, но при этом им требуется столько кислорода, сколько им нужно, и не больше. Следовательно, необходимо создать условия в виде привычной энергетики, вернее, энергетического субстрата в виде сукцината, чтобы вернуть процесс на привычные рельсы аэробного окислительного фосфорилирования и снять нагрузку с «уставшего» II комплекса. Речь идёт о заместительной терапии, т.к. эндогенный сукцинат очень дорог. И цена его в условиях избытка кислорода только возрастает, т.к. возрастает и его расход, ведь кислород нужно ещё и усвоить.

Всё наше тело — сложный антиоксидантный механизм, адаптированный к постепенному увеличению концентрации кислорода в атмосфере (в течение 4 млрд лет) до 40% в палеозойскую эру. Человек жил в течение последних 300 000 лет, дыша атмосферой с концентрацией кислорода 21%. Только человек, находясь в отделении реанимации и интенсивной терапии, подвергается воздействию чистого кислорода и гипероксемии. Это приводит к увеличению количества свободных радикалов с системными эффектами (повреждение клеток и ДНК, сужение сосудов, микрососудов, повреждение лёгких и т.д.). Продолжать игнорировать кислородный избыток уже неэтично, учитывая количество доступных данных. Анестезиологам-реаниматологам пора, наконец, достичь понимания сути кислородной терапии и обеспечить правильную дозу кислорода для лечения гипоксемии с целью избежать гипероксемии и отлучить пациентов от кислорода.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Источник финансирования. Поисково-аналитическая работа проведена на личные средства авторского коллектива.

Конфликт интересов. Авторы данной статьи подтвердили отсутствие конфликта интересов, о котором необходимо сообщить.

Вклад авторов. Ю.П. Орлов, Е.Н. Какуля ― поиск и анализ литературных данных, написание текста статьи; С.В. Свиридов ― общее руководство и редактирование текста статьи. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

About the authors

Yurii P. Orlov

Omsk State Medical University

Email: orlov-up@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6747-998X
SPIN-code: 3811-7817

MD, Dr. Sci. (Med.), Assistant Professor

Russian Federation, Omsk

Sergey V. Sviridov

The Russian National Research Medical University named after N.I. Pirogov

Email: sviridov.ru@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9976-8903
SPIN-code: 4974-9195

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, Moscow

Evgeny N. Kakulya

Omsk State Medical University

Author for correspondence.
Email: vrach2248@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-2811-6051
SPIN-code: 5953-4315

к.м.н., ассистент кафедры анестезиологии и реаниматологии Омского государственного медицинского университета

 

Russian Federation, Omsk

References

Supplementary files