Antioxidant and prooxidant systems in patients with ischemic insult

Full Text

Инсульты занимают лидирующие позиции в заболеваемости, потере трудоспособности и смертности, особенно в пожилом возрасте. В 80–85 % случаев развивается ишемический инсульт (ИИ) [13]. Только у 10 % пациентов, перенесших острое нарушение мозгового кровообращения, отмечается полное восстановление функций мозга. В этой связи учет метаболических нарушений на разных сроках после острой церебральной ишемии и разработка методов их коррекции сохраняют свою актуальность.

Свободно-радикальное окисление и антиоксидантная система

Мозг — один из самых интенсивных потребителей кислорода (О₂) в организме. В процессе аэробного метаболизма в результате реакций внутриклеточного свободно-радикального окисления (СРО) при неполном восстановлении О₂ могут образовываться свободные радикалы — молекулы с одним или несколькими неспаренными электронами, которые участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Активные формы кислорода (АФК) являются результатом самоокисления малых молекул, гемоглобина и миоглобина, окисления в митохондриях, окисления ненасыщенных жирных кислот, активности окислительных ферментов, в том числе ксантиноксидазы, никотинамидадениндинуклеотидфосфатоксидазы (НАДФ-оксидазы) [24]. АФК образуются внутриклеточно в митохондриях и пироксисомах (внутриклеточных мембранных органеллах) [8]. В мозге АФК в основном генерируются микроглией и астроцитами [13]. К АФК относятся супероксид-анион (^•O₂^–), пероксид водорода (H₂O₂), гидроксильный радикал (^•OH), гидропероксильный радикал (HO₂).

Продуцирующиеся непрерывно как побочный продукт аэробного метаболизма, АФК проявляют двойственные эффекты, поскольку вовлечены как в физиологические, так и в патологические процессы. В норме АФК участвуют в регуляции метаболизма и образовании необходимой для жизнедеятельности энергии; в модуляции синаптической передачи и несинаптических связей между нейронами и глией; в процессах нейропластичности; в индукции клеточной адгезии, нейрогенезе, в иммунной защите, в физиологическом апоптозе [5, 7, 13, 14]. Например, H₂O₂ как вторичный мессенджер влияет на высвобождение дофамина, ангиотензина, индукцию ростовых факторов, активацию провоспалительных цитокинов, вазодилатацию магистральных церебральных артерий [14].

В процессе эволюции аэробной жизни сформировались защитные внутриклеточные механизмы, противостоящие СРО. Эндогенная система антиоксидантной защиты (АОЗ), контролирующая внутриклеточную продукцию АФК и свободных радикалов, ингибирующая перекисное окисление липидов (ПОЛ), включает ферментативные и неферментативные субстраты, жиро- и водорастворимые витамины [7]. К ферментативному звену АОЗ относятся внутриклеточные антиоксидантные ферменты, такие как супероксиддисмутаза (СОД), каталаза, глутатионпероксидаза (ГПО), глутатионредуктаза (ГР), глутатионтрансфераза (ГТ), к неферментативному звену — глутатион (GSH), каротиноиды, водорастворимый витамин С и жирорастворимые витамины Е и А [33, 35].

СОД, каталаза и ГПО регулируют содержание свободных радикалов путем их связывания или образования менее реактивных комплексов. СОД — антиоксидантный фермент, метаболизирующий супероксид-анион-радикал (O₂^–) в пероксид водорода (H₂O₂): 2^•O₂^– + 2H⁺ → H₂O₂ + O₂ [14]. Выделяют 3 изоформы СОД: внутриклеточную СОД1 (Cu, Zn-СОД), митохондриальную СОД2 (Mg-СОД), внеклеточную СОД3. Содержание СОД определяют в сыворотке крови, эритроцитах и мозге. Защитные свойства СОД при ишемии мозга связывают с блокадой активации каспаз в митохондриях [40]. Каталаза — внутриклеточный энзим, вызывающий дисмутацию H₂O₂ в молекулярный O₂ и воду (Н₂O₂): 2H₂O₂ → O₂ + 2H₂O [22, 23]. СОД и каталаза критически важны для нейтрализации непрерывно генерируемых АФК.

Глутатион (GSH) — часть внутриклеточной неферментативной системы АОЗ, акцептором свободных радикалов и донором протонов (субстратом) для ГПО [41]. GSH обеспечивает функциональную активность белков, в том числе и ферментов, защищает клетки от АФК, сохраняет активность мембран, участвует в обмене эйкозаноидов, влияет на синтез нуклеиновых кислот, участвует в метаболизме ксенобиотиков, повышает резистентность к вредным факторам, влияет на пролиферативные процессы [2]. Продукция GSH регулируется активностью ферментов антиоксидантной системы (СОД, каталазой, ГПО и ГР). ГПО — внутриклеточный и митохондриальный антиоксидантный фермент, который вместе с каталазой вовлечен в нейтрализацию Н₂O₂. ГПО катализирует реакцию: H₂O₂ + 2GSH → 2H₂O + GSSG, где GSH — глутатион, GSSG — окисленный глутатион [14]. При исследовании системы GSH определяют содержание восстановленного глутатиона (rGSH) — эндогенного антиоксиданта, субстрата ГПО, и окисленного глутатиона (GSSG) — субстрата для ГР [7]. ГР превращает GSSG в rGSH. Изменение соотношения rGSH/GSSG может означать изменения в клеточном окислительном балансе. Снижение rGSH отражает дисбаланс в ферментативном звене АОЗ, поскольку снижается активность ГПО в связи с дефицитом субстрата для этого фермента [7].

Избыточную продукцию АФК снижает водорастворимый витамин С [35]. АФК реагируют также с оксидом азота (NO), молекулой, которая может реализовывать как защитные, так и повреждающие эффекты. NO генерируется в биологических тканях посредством синтаз оксида азота (NOSs): нейрональной (nNOS), индуцибельной (iNOS) и эндотелиальной (eNOS) [3, 20]. NO в норме вовлечен в модуляцию взаимодействия между нейронами, в регуляцию цереброваскулярной гемодинамики и адгезии тромбоцитов, иммунный ответ [21]. NO, происходящий из eNOS, увеличивает региональный кровоток, способствует ангиогенезу и нейрогенезу, предотвращает адгезию лейкоцитов и ингибирует апоптоз, то есть проявляет вазоактивную, антиоксидантную, антикоагулянтную и противовоспалительную активность [15].

Окислительный стресс при ишемии/реперфузии мозга

Мозг чрезвычайно чувствителен к оксидативному повреждению по сравнению с другими тканями поскольку отличается высокой интенсивностью окислительного метаболизма: составляя лишь 2 % массы тела, потребляет около 20 % всего поступающего О₂; 90 % его энергетической потребности обеспечивается за счет аэробных процессов; для мозга характерно высокое содержание связанного железа, которое в патологических условиях действует как прооксидант; в мембранах нейронов содержится большое количество полиненасыщенных жирных кислот — субстрата для ПОЛ; мозг отличается относительно низкой активностью антиоксидантных систем; находящиеся в нем нейромедиаторы и нейрогормоны (адреналин, норадреналин, дофамин, глутамат) подвержены окислению [13, 42].

Окислительный стресс (ОС) — одно из основных неспецифических патофизиологических звеньев повреждения мозга. Показана связь между ОС и психоневрологической патологией у детей и взрослых [1, 12, 23]. ОС — состояние, при котором клетки подвергаются чрезмерному воздействию ^•O₂^–, других АФК или азота, негативные эффекты которых не нейтрализуются антиоксидантами [5, 7, 13]. В условиях ОС АФК активируют ПОЛ [6, 24].

Ишемический инсульт (ИИ) — это цереброваскулярное событие, в результате которого наблюдается транзиторная или перманентная редукция церебрального кровотока в бассейне кровоснабжения магистральной церебральной артерии. Патогенез и патофизиология инсульта достаточно сложны [4]. В большинстве случаев инсульту предшествуют долговременные и сложные изменения кровоснабжения и метаболизма в головном мозге. Факторы риска инсульта, такие как курение, сахарный диабет, гипертоническая болезнь, атеросклероз и собственно сам инсульт, вызывают повышение СРО в сосудистом русле и сосудистой стенке, что в конечном итоге приводит к ОС, ПОЛ, окислению белков, повреждению ДНК и аутоиммунным ответам в мозговой ткани [25].

При ишемии мозга и дефиците О₂ в нейронах накапливается молочная кислота, что приводит к ацидозу. Кислая среда способствует проокислительному эффекту за счет увеличения концентрации H⁺, повышения скорости преобразования ^•O₂^– в H₂O₂ или в более реактивные виды АФК [13, 38]. При ишемии и дефиците О₂ истощаются запасы высокоэнергетического фосфатного соединения аденозинтрифосфата (АТФ). Дефицит энергии вызывает инактивацию АТФ-зависимых ионных насосов. В результате Са²⁺ перемещается во внутриклеточное пространство. Активируются внутриклеточные протеазы и липазы, что вызывает повреждение клетки [13, 27].

Как ишемия, так и реперфузия сопровождаются повышением уровней АФК. Восстановление кровотока сразу после ишемии увеличивает оксигенацию тканей. Вместе с тем, возникающий избыток кровотока или постишемическая гиперемия (реперфузия) не соответствует метаболическим потребностям мозга и вызывает его дополнительное повреждение [44]. В этих условиях наблюдается стимуляция глутаматом NMDA-рецепторов, митохондриальная дисфункция и нарушение транспорта электронов, экспрессия прооксидантных ферментов, таких как НАДФ-оксидазы, NOs или циклооксигеназы-2, повышение метаболизма свободных жирных кислот, окисление катехоламинов, что вызывает повышение продукции АФК [17]. АФК активируют ПОЛ, вызывают денатурацию белка, инактивацию ферментов, повреждение нуклеиновых кислот и ДНК, высвобождение из внутриклеточных запасов Cа₂⁺, повреждение структуры цитоскелета [7, 13, 44]. Повреждающее действие АФК связано с активацией сигнальных путей, вызывающих эксайтотоксичность, апоптоз и некроз, таких как PI3K/Akt, ERK1/2, p53, p38, JNK, HSF-1 [5, 31, 38, 39].

Кроме ткани мозга при ишемии/реперфузии мишенью ОС становится церебральная сосудистая сеть. ОС, влияя на продукцию оксида азота (NO), вызывает эндотелиальную дисфункцию. Формированию эндотелиальной дисфункции способствуют факторы риска инсульта [42]. Воспаление при ОС повышает продукцию NO и ^•O₂^–, взаимодействие которых приводит к образованию окислителя пероксинитрита (ONOO^–): ^•O₂^– + NO → ONOO^– [25, 32]. ONOO^– индуцирует нитрозативный стресс, вызывающий повреждение белков, липидов и нуклеиновых кислот, что нарушает компоненты дыхательной цепи митохондрий, стимулирует апоптоз и некроз клеток. ONOO^– может вызывать дисфункцию eNOS, что снижает выработку NO, то есть ее биодоступность. Кроме того, ^•O₂^–, Н₂O₂ и ONOO^– вызывают расширение сосудов, агрегацию тромбоцитов, повышение проницаемости эндотелия, что изменяет реактивность сосудов к вазодилататорам и формирует очаговые повреждения эндотелия. Повышенное высвобождение ^•O₂^– из сосудистой стенки, дефицит NO и снижение антитромбоцитарных свойств эндотелия может косвенно влиять на активность тромбоцитов и повышать их агрегацию [13]. Возникает самоподдерживающий процесс, в котором ОС может быть начальным звеном формирования эндотелиальной дисфункции, которая в свою очередь, индуцированная другими факторами, запускает механизмы образования АФК, что поддерживает ОС в эндотелии сосудов мозга [3].

Токсические концентрации ^•O₂^– и H₂O₂ вызывают расширение церебральных микрососудов путем открытия калиевых каналов, нарушают сосудистую реактивность и проницаемость гематоэнцефалического барьера, что приводит к экстравазации высокомолекулярных соединений и отеку мозга [13]. Один из механизмов вторичного поражения мозговой ткани — это реакции локального воспаления. Ишемия вызывает активацию полиморфноядерных лейкоцитов (нейтрофилов), при стимуляции которых активируются мембранные фосфолипазы, миелопероксидазная система, высвобождается арахидоновая кислота, что поддерживает повышенную продукцию АФК [11].

Изменения показателей оксидативного стресса при ишемии/реперфузии мозга

Супероксиддисмутаза. Измерение АФК в мозге, ликворе и крови у людей затруднено из-за короткого периода их полураспада. В этой связи состояние ОС оценивают по содержанию ряда биологических веществ — периферических маркеров ОС. Данные литературы по динамике маркеров ОС у пациентов, перенесших ИИ, представлены в таблице.

В модели ишемии/реперфузии показано снижение активности СОД в мозге у грызунов [42]. В большинстве клинических исследований выявлено снижение активности СОД у больных ИИ: на 1, 5, 10-е сутки и через 3 нед. активность СОД в сыворотке крови была снижена (см. таблицу) [9, 33].

 

Таблица. Изменение показателей антиоксидантной защиты в крови и ликворе у пациентов, перенесших ишемический инсульт

Показатель, дата исследования	Отличие от контроля	Источник литературы
Супероксиддисмутаза (СОД)
1 сутки	Снижение	[9, 33]
	Повышение	[6, 26, 36, 46]
3 суток	Повышение	[6, 26, 36]
5 суток	Снижение	[33]
7 суток	Снижение	[18, 26]
	Повышение	[6, 36, 46]
10 дней	Снижение	[9]
3 недели	Снижение	[33]
	Повышение	[6]
3 месяца	Повышение	[46]
2–2,5 года	Снижение	[10]
Каталаза
1 сутки	Снижение	[9]
	Повышение	[6, 36, 46]
3 суток	Повышение	[6, 36]
5 суток	Снижение	[33]
	Повышение	[6]
7 суток	Повышение	[6, 46]
10 дней	Снижение	[9]
3 недели	Повышение	[6]
1 месяц	Повышение	[29]
3 месяца	Повышение	[46]
2–2,5 года	Снижение	[10]
Глутатион восстановленный (GSH)
1 сутки	Снижение	[9, 45]
10 дней	Снижение	[9]
2–2,5 года	Снижение	[10]
Глутатионпероксидаза (ГПО)
1 сутки	Снижение	[2, 45]
	Повышение	[46]
3 суток	Снижение	[9]
1 месяц	Повышение	[29]
Малоновый диальдегид (МДА)
1 сутки	Повышение	[6, 33, 37]
3 суток	Повышение	[6, 37]
5 суток	Повышение	[6, 33, 37]
7 суток	Повышение	[6, 37]
2 недели	Повышение	[6]
3 недели	Повышение	[6, 33]
1 месяц	Повышение	[29]
2–2,5 года	Повышение	[10]

 

Снижение активности СОД в эритроцитах через 1 нед. после ИИ коррелировало с неблагоприятным исходом заболевания [18]. У пациентов с отдаленными последствиями ИИ сохранялось снижение активности СОД в крови [10]. В других исследованиях показано повышение активности СОД в сыворотке крови и ликворе на 1, 3, 7-е сутки, через 3 мес. после ИИ [36, 46]; в тромбоцитах — на 1–3-е сутки у пациентов с разной тяжестью ИИ; на 5–7-е, 19–21-е сутки — у пациентов со средней тяжестью и тяжелым функциональным дефицитом [6].

Выявлена связь между повышением содержания СОД в сыворотке крови и инфекционными осложнениями вследствие острого ИИ [26]. Снижение активности СОД у пациентов, перенесших инсульт, отражает недостаточность системы АОЗ при ишемии/реперфузии; повышение активности СОД — об ее активации.

Каталаза. В модели ишемии/реперфузии у мышей выявлено снижение активности каталазы в мозге. Миметик СОД и каталазы проявлял нейропротективный эффект [42]. Активность каталазы была снижена в эритроцитах на 1, 5, 10-е сутки у пациентов с выраженными неврологическими нарушениями после ИИ (см. таблицу) [9, 33]. Снижение активности каталазы в крови у пациентов с отдаленными последствиями ИИ свидетельствовало о наличии у них хронического ОС, препятствующего восстановлению функций мозга [10].

По данным других авторов, активность каталазы была повышена в сыворотке крови на 1, 3, 5, 7-е сутки, через 3 нед. и 3 мес. после перенесенного ИИ [6, 36, 46]. Выявлена связь между наличием тревожных расстройств и повышением активности каталазы в сыворотке крови у больных через 1 мес. после перенесенного ИИ [29]. Повышение активности каталазы у больных ИИ отражало компенсаторную активацию АОЗ, снижение — недостаточность этой системы.

Глутатион и глутатионзависимые ферменты. Показано снижение содержания GSH и активности ГПО в сыворотке крови и эритроцитах на 1-е и 10-е сутки после ИИ (см. таблицу) [9, 45]. У лиц с отдаленными последствиями инсульта (до 2,5 лет) сохранялось снижение содержания GSH в крови [10].

Повышение активности ГПО в сыворотке крови на 1-е сутки ИИ ассоциировалось с наличием легких неврологических расстройств [2, 46]. Увеличение активности ГПО в сыворотке крови через 1 мес. после перенесенного ИИ коррелировало с наличием тревожных расстройств [29], легких неврологических нарушений, было хорошим прогностическим фактором для восстановления функций мозга [45].

Повышение содержания GSH, активности ГПО и ГР рассматривается как часть механизма нейропротекции при ОС, вызванном ИИ, отражает активацию системы АОЗ. Снижение содержания GSH и активности глутатионзависимых ферментов свидетельствует о дефиците АОЗ.

Малоновый диальдегид. ПОЛ чаще всего характеризуют по содержанию в средах вторичного продукта, МДА, который проявляет высокую химическую активность и токсичность, оказывает повреждающее действие на белки и фосфолипиды, что нарушает структурно-функциональное состояние биомембран; в митохондриях ингибирует дыхательные процессы, активность ферментов, вызывает дисфункцию мембраны; индуцирует повреждение ДНК; поддерживает прогрессирование повреждения ткани мозга, что может индуцировать нейродегенерацию [7, 43]. В эксперименте и клинике показано, что в первые часы и сутки после ишемии/реперфузии повышается содержание вторичных продуктов ПОЛ, реагирующих с тиобарбитуровой кислотой, в том числе и МДА [7, 19]. Содержание МДА было повышено на 1–3, 5–7 и 19–21-е сутки после ИИ в сыворотке крови, тромбоцитах, более выраженно у пациентов с тяжелыми инсультами (см. таблицу) [6, 33, 37]. Выявлена позитивная связь между содержанием МДА в плазме крови, объемом инфаркта мозга и выраженностью функциональных нарушений у лиц в острейшем периоде инсульта (1–7-е сутки) [37]; между повышением содержания МДА в сыворотке крови через 1 мес. после перенесенного ИИ и его тяжестью, наличием постинсультных депрессивных и тревожных расстройств [29, 30]. У пациентов с отдаленными последствиями ИИ сохранялись повышенные уровни МДА в крови, что связывают с длительно сохраняющейся активацией ОС и ПОЛ [10]. Вместе с тем в ряде случаев содержание МДА в сыворотке крови при острейшем периоде ИИ не изменялось [45]. Таким образом, у пациентов, перенесших ИИ, повышение содержания МДА в мозге и крови отражает активацию ОС и ПОЛ, отсутствие изменения — сохранение активности системы АОЗ.

Данные литературы свидетельствуют, что повышение в различных биологических средах маркеров ферментативного и неферментативного звеньев АОЗ, таких как СОД, каталаза, ГПО, ГР, GSH отражает наличие у больных ИИ, компенсаторных резервов, является благоприятным фактором для восстановления функций мозга, улучшает прогноз заболевания. Напротив, повышение содержания прооксидантов, в том числе МДА, даже в условиях повышенных уровней маркеров АОЗ, отражает ее недостаточность [7].

Методы коррекции оксидативного стресса

Учитывая тот факт, что при ишемии/реперфузии мозга активируется множество патофизиологических каскадов, вызывающих ОС и гибель клеток, эффективная профилактика и лечение этих состояний требует воздействия на разные пути повреждения. К фармакологическим средствам, предотвращающим развитие факторов риска ИИ, относятся статины, ингибиторы ангиотензинпревращающего фермента (АПФ) и блокаторы рецептора ангиотензина II типа 1 (рецепторы AT 1-го типа), бета-1-адреноблокаторы, полифенолы и антиоксиданты, нацеленные на митохондрии [25]. Статины кроме эффектов, снижающих холестерин, проявляют антиоксидантные свойства за счет ингибирования системы НАДФ-оксидазы, уменьшения индуцированного лейкоцитами окисления липопротеидов низкой плотности [13]. Ингибиторы АПФ блокируют образование ангиотензина II. Ингибирование АПФ снижает воспаление в сосудистой стенке, стимулирует выработку NO и предотвращает продукцию и последующие эффекты ^•O₂^–, H₂O₂ и ONOO^– [34]. Применение антагонистов рецепторов ангиотензина II (рецепторы AT 1-го типа) снижает риск развития и тяжесть инсульта [28].

C целью коррекции ОС при ИИ показано раннее применение антиоксидантов и их предшественников, которые рассматриваются как нейропротективные агенты, таких как Мексидол, Цитофлавин, тиоктовая кислота, Милдронат, Берлитион, Актовегин, Солкосерил, идебенон (Нобен), витамины А, Е, С и т. д. [10, 13]. При проведении антиоксидантной терапии перспективен мониторинг метаболических нарушений на разных стадиях инсульта.

Изучается возможность применения для коррекции ОС при ишемии/реперфузии мозга ингибиторов глутаматных AMPA рецепторов, ингибиторов матриксных металлопротеаз, поглотителей свободных радикалов; средств, ингибирующих ПОЛ и продукцию ксантиноксидазы; СОД, каталазы, ГПО и их миметиков; мочевой кислоты, миметиков GSH; ингибиторов NOs; ингибиторов поли-АДФ-рибоза-полимеразы (PARP); спиновых ловушек и поглотителей ONOO^–; антител к молекуле межклеточной адгезии-1 (ICAM-1), кальций-стабилизирующих средств и антиэксайтотоксических средств [14, 16, 24].

Учитывая вышеизложенное, можно сделать заключение, что ОС играет ключевую роль в патогенезе ишемического и реперфузионного повреждения мозга. Факторы риска инсульта, ишемия и в большей степени реперфузия повышают интенсивность СРО и активность ПОЛ, вызывают дисбаланс активности ферментативных и неферментативных звеньев АОС. Сложность, многокомпонентность и динамичность процессов СРО, развивающихся при ИИ, диктует необходимость комплексной оценки показателей, отражающих изменения антиоксидантных и прооксидантных систем. Повышение активности СОД и каталазы, содержания глутатиона и активности глутатионзависимых ферментов при ишемии/реперфузии мозга свидетельствует об активации системы АОЗ, наличии резервных возможностей, что является благоприятным прогностическим фактором для восстановления нарушенных функций мозга. Увеличение содержания маркеров ПОЛ даже в сочетании с повышением активности антиоксидантных систем отражает недостаточность системы АОЗ, может быть неблагоприятным прогностическим фактором для выздоровления. Оценка выраженности метаболических нарушений на разных стадиях ИИ позволит оценить роль ОС в его патогенезе и подобрать соответствующую терапию.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

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

About the authors

Svetlana G. Belokoskova

Institute of Experimental Medicine

Author for correspondence.
Email: belokoskova.sg@iemspb.ru
ORCID iD: 0000-0002-0552-4810

Dr. Sci. (Med.)

Russian Federation, 12, Academika Pavlova str., 197376, Saint Petersburg

Sergey G. Tsikunov

Institute of Experimental Medicine

Email: secikunov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7097-1940

Dr. Sci. (Med), Professor

Russian Federation, 12, Academika Pavlova str., 197376, Saint Petersburg

References