The role of nitrosative stress in the development of cardiovascular pathology, chronic obstructive pulmonary disease, liver pathology and Parkinson's disease

Full Text

Список сокращений:

RNS - реактивные формы азота

NO - оксид азота

PARP - поли(АДФ-рибоза)полимераза

HFpEF - сердечная недостаточность с сохраненной фракцией выброса

ХОБЛ - хроническая обструктивная болезнь легких

АФК - активные формы кислорода

О₂ – - супероксид анион радикал

Н₂О₂ - пероксид водорода

ПБЦ - первичный билиарный цирроз

БП - болезнь Паркинсона

Введение.

Нитрозативным стрессом называют повреждения, возникающие в организме вследствие воздействия реактивных форм азота. Поскольку RNS могут серьезно повредить важные биомолекулы, существуют эндогенные механизмы нейтрализации RNS. Однако вклад клеточного метаболизма в противодействие нитрозативному стрессу изучен недостаточно.

Оксид азота (NO) - это газообразный свободный радикал, которому в живых организмах отведено несколько важных ролей. NO участвует в широком диапазоне паракринных и молекулярных сетей межклеточной сигнализации: регуляции тонуса сосудов, межклеточной коммуникации, модуляции нейротрансмиссии, иммунной цитотоксичности, секреции медиаторов и гормонов, а также является важной сигнальной молекулой в регуляции процессов воспаления. Фармакологическая модуляция уровней NO в различных тканях имеет значительную терапевтическую ценность. NO генерируется синтазами в большинстве типов клеток путем ферментативных, а также неферментативных реакций. Измерение NO технически затруднено из-за его быстрых химических реакций с широким спектром молекул, таких как свободные радикалы, металлы, тиолы и др. NO является активным участником процессов пролиферации и апоптоза, обладая уникальной способностью его инициирования [3, 6].

Нитрозативный стресс возникает, когда выработка RNS превосходит способность организма нейтрализовать их. RNS способны повредить нуклеиновые кислоты, липиды и аминокислоты. Они разрушают белки, содержащие кластеры Fe-S, переходные металлы, гемы, тиолы и тирозильные группы. Инициируемые RNS модификации подавляют основной клеточный метаболизм, приводят к необратимым повреждениям и, в конечном итоге, к гибели организма. Следовательно, можно предположить, что нитрозативный стресс считается основной причиной множества заболеваний, предпатологических состояний, а также инициируется при стрессовых состояниях, что и позволяет говорить об актуальности темы исследования.

Целью обзора явилось установление роли нитрозативного стресса в развитии патологических состояний. В задачи литературного обзора включены: 1. оценить роль нитрозативного стресса в развитии заболеваний; 2. установить маркеры нитрозативного стресса; 3. выяснить взаимосвязь между нитрозативным и оксидативным стрессом в развитии различных патологических состояний.

В ходе данного исследования использовались теоретические методы сбора информации, а именно анализ научной литературы с использованием платформы eLibrary, базы данных Scopus, WoS.

Основная часть.

Нитрозативный стресс играет важную роль в развитии хронических и дегенеративных заболеваний, таких патологических состояниий как рак, артрит, аутоиммунные расстройства, сердечно-сосудистые и нейродегенеративные заболевания, старении [18, 20, 21], расстройствах психики [7, 13, 17, 19], атеросклерозе [15] и других патологических состояниях [14, 22, 23, 24].

Известно, что от интенсивности нитрозативного стресса зависят развитие и прогрессирование, а также тактика лечения опухолей. Он проявляет себя как отрицательный или положительный регулятор апоптоза. При нормальных показателях уровня NO происходит ингибирование многочисленных сигнальных путей в здоровых и опухолевых клетках. Высокие концентрации NO обычно способствуют апоптозу, т.е. проявляют цитотоксичность. Кроме того, микроокружение опухоли, в котором преобладают низкие уровни кислорода и глюкозы, может быть более чувствительным к высоким уровням NO, чем нормальные ткани. Известно, что индуцируемая изоформа синтазы оксида азота индуцируется цитокинами, а эндотелиальная форма приводит к вазодилатации. При этом предполагается, что в случае увеличения экспрессии индуцируемой изоформы синтазы оксида азота в сосудах эндометрия эти изменения следует объяснять влиянием цитокинов; в случае увеличения экспрессии эндотелиальная формы - суммарным эффектом вазодилатации сосудов.

При неактивной форме эндометриоза содержание синтазы оксида азота в крови и перитонеальной жидкости находится в пределах нормы, а при активной форме эндометриоза повышено в 4,2 раза в крови и в 8,03 раза в перитонеальной жидкости по сравнению с показателями у пациенток контрольной группы. Эти данные свидетельствуют о том, что наибольшее содержание синтазы оксида азота выявлено в перитонеальной жидкости при активной перитонеальной форме эндометриоза. Учитывая, что в перитонеальной жидкости наблюдается увеличение уровня интерлейкина IL-6 при перитонеальной форме эндометриоза, следует полагать, что данные процессы индуцированы повышенным содержанием IL-6.

Накопление синтаз оксида азота в перитонеальной жидкости и повышение экспрессии индуцируемой изоформы в сосудах эктопического эндометрия, несомненно, создают условия воздействия NO на предлежащие органы и ткани. К числу результатов такого воздействия следует отнести пролиферативную активность и апоптоз. В ходе исследования показано, что при активной перитонеальной форме эндометриоза в эутопическом и эктопическом эндометрии наблюдается превалирование ингибиторов апоптоза над активаторами, при неактивной форме — превалирование активаторов над ингибиторами. Учитывая, что активная форма эндометриоза характеризуется повышением индуцируемой изоформы синтазы оксида азота в эпителии желез и эндотелии сосудов, можно утверждать, что такое воздействие осуществляется не только на процесс апоптоза, но и на пролиферативный потенциал тканей [26].

В данном исследовании авторы посчитали доказанным предположение о роли накопления газотрансмиттера NO в перитонеальной жидкости за счет воспаления в микроокружении и увеличения содержания в тканях IL-6. В результате этих процессов усиливается пролиферативный потенциал и снижается апоптоз клеток эпителия желез эктопического эндометрия. Источником NO является повышенная экспрессия индуцируемой изоформы синтазы оксида азота в эндотелии сосудов эктопического эндометрия. Эти данные согласуются с исследованиями, демонстрирующими, что перитонеальная форма эндометриоза связана с повторными воспалительными изменениями в брюшной полости. Цитокины и синтазы оксида азота действуют совместно, способствуя поддержанию хронического воспаления.

Также авторы этого исследования посчитали возможным предположить, что повышенная экспрессия индуцируемой изоформы синтазы оксида азота при активной форме эндометриоза приводит к повышению уровня NO и усилению его цитотоксического воздействия. Следовательно, высокие концентрации оксида азота могут вызывать гибель клеток в эктопическом эндометрии при активной перитонеальной форме эндометриоза, несмотря на повышение пролиферативной активности и снижение показателей апоптоза. Эти данные согласуются с мнением D. Hirst и T. Robson о влиянии NO на эффективность лечения рака [10].

В современной литературе активно обсуждается роль нитрозативного стресса в патогенезе диабетической сосудистой дисфункции. Продемонстрировано образование нитротирозина в тканях больных диабетом [11, 12 29]. В 2002 году изучена взаимосвязь между активацией PARP, нитрозативным стрессом и эндотелиальной дисфункцией у людей с диабетом. Был проведен иммуногистохимический анализ образцов биопсии кожи предплечья пациентов с нарушенной толерантностью к глюкозе и пациентов с диабетом 2 типа. Результаты этого исследования продемонстрировали, что процент PARP-положительных ядер эндотелия был выше в группе пациентов с диабетом по сравнению с контрольной группой. Кроме того, наблюдались значительные корреляции между процентом PARP-положительных ядер эндотелия и уровнем глюкозы в крови натощак, кровотоком в коже в состоянии покоя, максимальной вазодилататорной реакцией кожи на ионофорез ацетилхолина (что указывает на эндотелий-зависимую вазодилатацию) и интенсивностью иммуноокрашивания нитротирозином. Иммунореактивность к нитротирозину была выше у больных сахарным диабетом по сравнению со всеми другими группами. Значительные корреляции наблюдались между интенсивностью иммуноокрашивания нитротирозином и уровнем глюкозы в крови натощак, HbA1c, молекулой внутриклеточной адгезии и молекулой адгезии сосудистых клеток. Не было обнаружено различий в экспрессии эндотелиальной синтазы оксида азота и рецептора AGE среди всех обследованных групп. Таким образом, активация PARP присутствует у здоровых субъектов с риском развития диабета, а также у пациентов с установленным диабетом 2 типа, и она коррелирует с нарушениями реактивности сосудов в микроциркуляции кожи. Важно отметить, что в контексте активации PARP и диабетических осложнений все большее количество клинической литературы демонстрирует повышенное повреждение ДНК в лейкоцитах периферической крови пациентов с диабетом - явление тесно связанное с повышенным нитрозативным стрессом [30].

Большое значение инициация нитрозативного стресса имеет при сердечно-сосудистой патологии [28]. Установлено, что нитрозативный стресс вызывает сердечную недостаточность с сохранением фракции выброса. Данная патология является существенной проблемой общественного здравоохранения, на которую приходится примерно половина госпитализаций лиц с сердечной недостаточностью. Сложный клинический фенотип, характеризующий этот синдром, обусловлен наличием множества сопутствующих заболеваний, включая ожирение, гипертонию и диабет. Клинические данные показывают, что системное воспаление и дисбаланс уровней NO имеют решающее значение для развития HFpEF. Однако окончательных экспериментальных данных, подтверждающих эти концепции не представлено из-за ограничений доклинических моделей, которые не сумели воспроизвести полный спектр особенностей синдрома. В результате основные патофизиологические механизмы остаются неясными, что ограничивает разработку научно обоснованных клинических методов лечения [27].

Ниже обсуждается роль нитрозативного и оксидативного стрессов при развитии ряда заболеваний органов дыхательной системы.

Описаны исследования нитрозативного стресса у пациентов с сочетанием астмы и ХОБЛ. Чрезмерное производство NO приводит к образованию различных RNS, включая пероксинитрит и диоксид азота. Избыточное производство RNS вызывает нитрозативный стресс, что приводит к воспалению дыхательных путей, повреждению тканей, их фиброзу и активации матриксных металлопротеиназ, а также инактивации гистондеацетилазы. В соответствии с предполагаемой ролью RNS в заболевании легких, в дыхательных путях / легких пациентов с ХОБЛ наблюдалась гиперпродукция 3-нитротирозина (3-NT), который является следом RNS.

Ученые оценили нитрозативный стресс в клетках мокроты испытуемых с патологией органов дыхания. В частности были исследованы клетки, которые были иммунопозитивными в отношении синтазы оксида азота в мокроте. Иммунореактивность к индуцируемой синтазе наблюдалась в основном в нейтрофилах и макрофагах. Процент iNOS-иммунопозитивных клеток был значительно увеличен у пациентов с патологией органов дыхания (P<0,0001) по сравнению с таковыми у здоровых субъектов. Исследование продемонстрировало увеличение образования 3-нитротирозина в дыхательных путях пациентов и снижение уровней реактивных персульфидов и полисульфидов в дыхательных путях пациентов с патологией органов дыхания по сравнению с другими группами. Значения окислительно-восстановительного маркера достоверно коррелировали с данными о функции легких и клиническом течении, включая частоту обострений и снижение функции легких, а также с количеством провоспалительных цитокинов. Известно, что нитрозативный стресс ответственен за воспаление, повреждение тканей и ремоделирование тканей в дыхательных путях [16].

При ХОБЛ результаты исследований уровня выдыхаемого NO противоречивы. Увеличение выдыхаемого NO зарегистрировано у пациентов, госпитализированных с обострением ХОБЛ. Также установлено, что курение и тяжесть течения заболевания являются наиболее важными факторами, влияющими на данный показатель.

Другие нарушения, связанные с активацией нитрозативного стресса, включают бронхоэктазы, активный легочный саркоидоз, активный фиброзирующий альвеолит и реакцию отторжения аллотрансплантата легких. При муковисцидозе в стадии ремиссии происходит увеличение содержания нитрит аниона.

Из активных форм кислорода наиболее стабильной и изученной формой является Н₂О₂, которая является продуктом дисмутации О2–. В биологических системах источниками таких радикалов служат реакции с участием ксантиноксидазы. Особенно велика концентрация Н₂О₂ в очагах воспаления, благодаря чему изменение содержания Н₂О₂ в биологических жидкостях служит одним из маркеров наличия и течения воспаления.

Сообщается, что значительное повышение содержания Н₂О₂, наблюдаемое при средней и тяжелой формах бронхоэктатической болезни, может служить информативным маркером степени тяжести воспаления, в отличие от уровня NO в выдыхаемом воздухе, который очень сильно зависит от проводимой терапии, в частности, приема глюкокортикостероидов. Показана возможность мониторинга течения бронхоэктатической болезни в ходе проводимой терапии по уровню Н₂О₂. При других воспалительных заболеваниях респираторного тракта, таких как ХОБЛ, пневмония также наблюдается увеличение содержания Н₂О₂. Выявлена положительная достоверная корреляция между уровнем Н₂О₂ и содержанием активных продуктов тиобарбитуровой кислоты в первый и третий дни течения болезни, а также между уровнем Н₂О₂ и концентрацией С реактивного белка и уровнем лейкоцитов в крови в первый день. В ходе проводимой терапии выявлено снижение показателей оксидативного стресса.

Подобная динамика содержания Н₂О₂ при указанных заболеваниях может свидетельствовать об увеличении генерации супероксида клетками, вовлеченными в процесс воспаления или о снижении антиоксидантной активности клеток и тканей при прогрессировании этих патологий. Однако в группе больных муковисицидозом в стадии ремиссии не обнаружено статистически значимого изменения указанного параметра в сравнении с группой практически здоровых лиц.

Окислительный и нитрозативный стрессы связаны с патофизиологическими механизмами хронических заболеваний человека [11], процессов старения и заболеваний, с ним связанных, а также повышают риск онкологических заболеваний [10]. Фактически, S- нитрозилирование и окисление белков признаны важными регуляторными механизмами, связанными с клеточной сигнализацией и ответной реакцией и, должно быть, имеют важное значение в качестве протеомного подхода к интерпретации тонких патофизиологических событий, происходящих при холестатическом поражении печени. Известно, что воспалительный ответ и активация врожденных иммунных клеток следуют за высвобождением молекулярных паттернов воспаления, активируя клетки Купфера и путем вербовки активированных нейтрофилов и моноцитов в печень.

Нитрозативный и окислительный стресс выступают как специфическое патогенетическое звено в развитии анемии у детей раннего возраста с острыми воспалительными бактериальными заболеваниями и проявляются активацией кислородсодержащих и азотсодержащих метаболитов на фоне инфекционно - воспалительного процесса [2].

Ниже описано значение оксидативного и нитрозативного стресса в развитии патологии пищеварительной системы. Такие нарушения в работе пищеварительной системы как запор или диарея сопровождаются инициированием окислительного / нитрозативного стресса. Было показано, что диарея, вызванная бактериальными инфекциями, сочеталась с окислительным повреждением.

Многие литературные исследования предполагают участие окислительного стресса в обострении различных нарушений, включая желудочно-кишечные инфекционные заболевания, вызванные патогенами. Результаты исследований показывают, что ротавирус вызывает образование активных форм кислорода и дефицит в соотношении восстановленный глутатион/окисленный глутатион. При сальмонеллезе также образуются активные формы кислорода, которые вызывают истощение глутатиона в эпителиальных клетках кишечника.

Другие исследования показали проявление оксидативного стресса при диарее, вызванной введением касторового масла. Однократное введение клещевины увеличивает образование малонового диальдегида в слизистой оболочке желудочно-кишечного тракта, что указывает на усиление перекисного окисления липидов. Современные научные данные показали, что гиперсекреция кишечника также сопровождается образованием Н₂О₂ в слизистой оболочке кишечника, следствием этого может быть образование более токсичных радикалов и истощение фонда глутатиона. Окислительное повреждение липидов вызывает изменение текучести мембран, нарушение ионного транспорта, потерю целостности мембраны и, наконец, нарушение клеточной функции. В нескольких исследованиях сообщалось об усилении окислительного стресса и дисбалансе антиоксидантных ферментов после введения противоопухолевых средств, вызывающих запор [25].

Показана роль оксидативного и нитрозативного стресса при ПБЦ. Окислительный стресс также активно участвует в вызванном холестазом повреждении гепатоцитов, о чем свидетельствует накопление продуктов окисления липидов и белков. В холестатической печени NO высвобождается индуцируемой NO-синтазой, что, вероятно, поддерживается за счет усиленного притока эндотоксинов кишечного происхождения. Избыточное образование NO, уже присутствующего на ранних стадиях заболевания, способствует образованию гиперреактивных производных, которые в конечном итоге приводят к отложению нитротирозина. Накопление этого соединения отражает избыточное образование высокореактивной молекулы пероксинитрита и поддерживает важную повреждающую роль NO при хроническом холестазе. Это мнение также подтверждается наблюдением, что сыворотка пациентов с ПБЦ содержит значительно более высокие уровни нитротирозина по сравнению с контрольными субъектами. Хронический холестаз приводит к ранним и значительным изменениям взаимодействия тиоредоксина и нитрозотиолов как на уровне циркуляции, так и в печени. Тесная взаимосвязь между уровнями этих молекул с гистологией печени у пациентов с ПБЦ может объяснить их активное участие в прогрессировании самого заболевания. [5, 8, 9].

Механизм дегенерации дофаминергических нейронов при болезни Паркинсона (БП) не совсем ясен, но считается, что окислительный и нитрозативный стресс играет важную роль в патогенезе БП. Это подтверждается различными исследованиями о повышении некоторых показателей окислительного и нитрозативного стресса у пациентов с БП. Выяснение тонких механизмов проявления окислительного стресса при БП, поможет сформулировать потенциальную терапию для лечения этого нейродегенеративного расстройства в будущем [4].

Заключение.

Нитрозативный стресс является типовым патологическим процессом, существенная роль которого доказана в патогенезе таких заболеваний как эндометриоз, диабетическая сосудистая дисфункция, сердечная недостаточность, хроническая обструктивная болезнь легких, первичный билиарный цирроз, болезнь Паркинсона и др. Маркерами нитрозативного стресса являются: оксид азота, диоксид азота, пероксинитрит, нитротирозин. Ранняя диагностика нитрозативного стресса по выявленным маркерам позволит своевременно начать терапию выявленной патологии. Нитрозативный и оксидативный стрессы являются многоуровневыми процессами, существующими и развивающимися в нераздельной связи с рядом физиологических и патофизиологических процессов. Изучение тонких механизмов нитрозативного и оксидативного стресса способствует улучшению качества диагностики и побуждает к разработке новых терапевтических подходов и агентов, воздействующих на отдельные звенья патогенеза различных патологических и предпатологических состояний.

About the authors

K. V. Lacerus

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Omsk State Medical University", Ministry of Health of the Russian Federation

Email: bbk_2007@inbox.ru
Russian Federation, 644099, Omsk, st. Lenina, 12

Vera Valerievna Kornyakova

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Omsk State Medical University", Ministry of Health of the Russian Federation

Author for correspondence.
Email: bbk_2007@inbox.ru

Professor of the Department of Life Safety and Disaster Medicine

Russian Federation, 644099, Omsk, st. Lenina, 12

References

Supplementary files