Beta-adrenergic and M-cholinergic receptor interactions in the pathogenesis of bronchial obstructive pulmonary diseases

Full Text

АКТУАЛЬНОСТЬ

Хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) и бронхиальная астма (БА) — две бронхообструктивные патологии, широко распространенные во всем мире. Основными препаратами для лечения ХОБЛ и БА являются М-холинолитики и β2-агонисты, которые зачастую применяются совместно.

Эти две группы препаратов действуют на различные рецепторные системы легких. Понимание механизма взаимодействия этих рецепторных систем даст возможность оптимизировать терапию и разработать новые методики лечения бронхообструктивных патологий.

β2-агонисты и М-холинолитики применяются как для купирования бронхоспазма в качестве «спасателей», так и для пролонгированного контроля над симптомами заболеваний. Необходимо учитывать, что в основе ХОБЛ лежит преимущественно нейтрофильное воспаление, тогда как в патогенезе астмы преобладает эозинофильное. Различные патофизиологические механизмы развития воспаления находят свое отражение на уровне рецепторных взаимодействий. Купирование эозинофильного компонента предполагает назначение ингаляционных глюкокортикостероидов (ИГКС), поэтому лечение БА требует назначения комбинации бета-агониста длительного действия и ИГКС. Систематический прием β2-агонистов пролонгированного действия без ИГКС достоверно увеличивает смертность пациентов с БА в сравнении с плацебо [1]. Именно поэтому в рекомендациях Глобальной инициативы по бронхиальной астме (Global Initiative for Asthma, GINA) [2] плановый прием бета-агонистов длительного действия рекомендован лишь на третьей ступени лечения и в комбинации с ИГКС. В настоящий момент фиксированные комбинации пролонгированных ИГКС и β2-агонистов с быстрым началом действия (например, формотерол и будесонид или бекламетазон) используются как в качестве базисной терапии, так и для облегчения симптомов. Применение же ИГКС в терапии ХОБЛ рекомендовано при обострениях болезни, а также при увеличении уровня эозинофилов в периферической крови. Согласно рекомендациям Глобальной инициативы по борьбе с хронической обструктивной болезнью легких (Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease, GOLD) [3], комбинированная терапия ХОБЛ β2-агонистами и М-холинолитиками рекомендована большинству пациентов и более эффективна в сравнении с монотерапией. При этом происходит более выраженное улучшение дыхательных объемов, снижается гиперинфляция, уменьшается количество обострений, увеличивается толерантность к физической нагрузке. Однако необходимо учитывать, что различные типы воспаления (эозинофильное или нейтрофильное) по-разному влияют на особенности рецепторного ответа. Для лучшего понимания механизмов рецепторных взаимодействий необходимо также учитывать расположение рецепторов. Известно о существовании трех типов бета-рецепторов (β2АР) и пяти типов М-холинорецепторов (MХР), характеристики которых представлены в табл. 1.

 

Таблица 1

Расположение бета и М-холинорецепторов в организме человека и примеры их специфических лигандов

Рецептор	Расположение	Пример специфического лиганда
Бета1-рецептор	Сердце, почки	Бисопролол, CGP 20712A, адреналин, лабеталол
Бета2-рецептор	Бронхиолы	Формотерол, салметерол, сальбутамол, ICI 118551, адреналин, вилантерол, фенотерол
М1-холинорецептор	Центральная нервная система, вегетативные ганглии	Тиотропиум, карбахол
М2-холинорецептор	Сердце, легкие	Метахолин, карбахол
М3-холинорецептор	Крупные бронхи, гладкая мускулатура	Тиотропия бромид, ипратропия бромид, карбахол

 

Бета2-адренорецепторы. Функция

Для того чтобы понимать механизм взаимодействия рецепторов, необходимо знать их строение и функции. β2АР, как и МХР, относятся к группе рецепторов, связанных с G-белком (G-protein-coupled receptors, GPCR), их также называют семиспиральными рецепторами, так как данная группа состоит из семи трансмембранных спиралей, которые пронизывают мембрану клетки. Бета2-адренорецепторы связаны с гетеротримерными G-белками Gs. Связывание агониста (например, эндогенного адреналина или экзогенного бета-агониста) с рецептором способствует активации субъединицы Ga Gs белка, что в свою очередь ведет к синтезу аденилатциклазы, которая гидролизует аденозинтрифосфат в циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Связывание цАМФ с регуляторными субъединицами цАМФ-зависимой протеинкиназы (протеинкиназа А, PKA) высвобождает каталитическую субъединицу PКА, а активированная PКА приводит к каскаду множественных биохимических реакций путем фосфорилирования многочисленных внутриклеточных белков. цАМФ-/PKA-зависимый механизм активации β2АР способен ограничивать активность M3-холинорецепторов на различных уровнях, препятствуя сокращению гладкой мускулатуры [4]. β2АР обладают также иммуномодулирующими свойствами как провоспалительного, так и противовоспалительного характера [5]. С одной стороны, доказана способность β2АР стимулировать экспрессию провоспалительного интерлейкина 6 (interleukin, IL). Результаты экспериментальной работы на тучных клетках мышей показали, что (S,S) форма формотерола усиливает выработку IL4, гистамина и простагландина D, т.е. увеличивает уровень эозинофильного воспаления. Известно, что β2-агонисты способствуют высвобождению тимусного стромального лимфопоэтина (thymic stromal lymphopoietin, TSLP), стимуляция экспрессии которого также приводит к повышению уровня сывороточного иммуноглобулина E и эозинофилов. С другой стороны, описаны и противовоспалительные свойства β2АР. Было установлено, что β2-агонисты длительного действия (салметерол и формотерол) подавляют эозинофильное и нейтрофильное воспаление, оказывая влияние на экспрессию множества медиаторов (табл. 2) [4].

 

Таблица 2

Регуляция эозинофильного и нейтрофильного воспаления β2-адренорецепторами

Тип воспаления	Провоспалительный механизм	Противовоспалительный механизм
Эозинофильное воспаление	Увеличение IL4, гистамина и простагландина D, TSLP	Уменьшение экспрессии эотаксина-1, pSTAT6
Нейтрофильное воспаление	-	Снижение экспрессии IP-10, секреции IL8, VEGF, GM-CSF, ICAM-1, VCAM-1

 

М3-холинорецепторы

M3-ацетилхолиновые рецепторы, которые расположены на поверхности гладкой мускулатуры, являются основными структурами, которые отвечают за сокращение и поддержание тонуса гладкой мускулатуры дыхательных путей. Мускариновые ацетилхолиновые рецепторы M3 соединены с гетеротримерным белком Gq. Связывание ацетилхолина с рецептором способствует изменению конформации рецептора, что приводит к активации Gq. Высвобожденная субъединица Ga Gq активирует фосфолипазу C, которая гидролизует фосфатидилинозитол в инозитолтрифосфат и диацилглицерин. Выделение диацилглицерина запускает синтез протеинкиназы, что ведет к каскаду множественных биохимических реакций. Активация инозитолтрифосфата приводит к выходу кальция из саркоплазматического (эндоплазматического) ретикулума, выделению Са-зависимой протеинкиназы и развитию сокращения. Возбуждение М3ХР активирует рецептор CD38 через не определенные пока еще механизмы, что способствует выработке циклической аденозиндифосфорной рибозы и высвобождению Ca²⁺ через каналы рианодиновых рецепторов. Высвобождение Ca²⁺ увеличивает свободный цитозольный Ca²⁺ и способствует кальмодулинзависимой активации киназы легкой цепи миозина (myosin light chain kinases, MLCK). MLCK приводит к фосфолированию легкой цепи миозина и сокращению гладкой мускулатуры бронхов. В то же самое время активированные протеинкиназы и Rho-киназа (нижестоящий эффектор RhoA), которые активируются не только M3ХР, но и другими Gq-связанными GPCR, расположенными в гладкой мускулатуре дыхательных путей, подавляют фосфатазу легкой цепи миозина (myosin light chain phosphatase, MLCP), что ведет к увеличению выраженности бронхоконстрикции. Путь данного взаимодействия можно описать следующим образом. Протеинкиназа и Rho-киназа активируют белок CPI-17, который блокирует выработку MLCP. MLCP же ограничивает сокращение, препятствуя MLCK-индуцированному фосфорилированию MLC. Таким образом, подавление выработки MLCP является ключевым механизмом, опосредующим «сенсибилизацию кальцием», что позволяет поддерживать сокращении гладкой мускулатуры дыхательных путей при снижении уровня внутриклеточного кальция и повышать чувствительность ткани к сократительным агентам (ключевой механизм, опосредующий гиперреактивность дыхательных путей у астматиков) (рис. 1) [6].

 

Рис. 1. Механизм сокращения гладкой мускулатуры бронхов, реализуемый через М3-холинорецептор

Примечание. RhoK — Rho-киназа, RhoА —трансформирующий белок RhoA, относящийся к группе Ras гомологичных белков А, PKC — протеинкиназа С, PLC — фосфолипаза С, CD38 — гликопротен массой ~45 кДа, PIP2 — фосфатидилинозитол, RyR — рианодиновые рецепторы, сADPR — циклическая АДФ рибоза, CPI-17 — ингибитор С-киназы потенцированной протеинфосфатазой-1, ИФ3 — инозитолтрифосфат, MLCP — фосфатаза легкой цепи миозина, MLCK — кальмодулинзависимая киназа легкой цепи миозина, MLC — легкая цепь миозина.

 

Описанное рецепторопосредованное «фармакомеханическое соединение» рассматривается в качестве основного пути, способствующего сокращению. Также было показано, что стимуляция M3ХР усиливает пролиферацию гладкой мускулатуры, индуцированную фактором роста, а также способствует высвобождению IL8 в ответ на фактор некроза опухоли альфа или сигаретный дым [7]. M3ХР также стимулирует высвобождение нейтрофильных хемокинов [8]. Стимуляция M3ХР приводит к гиперсекреции слизи, а также к гиперплазии бокаловидных клеток, что способствует повышению резистентности дыхательных путей [9].

М2-холинорецепторы. Строение и функция

М2-холинорецепторы (М2ХР) расположены преимущественно пресинаптически, тогда как М3ХР — постсинаптически. Изменение конформации М2ХР ведет к выделению Gi гетеротримерного белка, также М2ХР способны запускать синтез Gia-субъединицы и подавлять, активированную аденилатциклазой Gsa (рис. 2). Таким образом, активация М2ХР ограничивает бронхорелаксирующий эффект, вызванный β2АР. Также при возбуждении М2ХР через G_о-белки активируются К⁺-каналы, развивается гиперполяризация клеточной мембраны. Хотя М2ХР расположены пресинаптически на окончаниях парасимпатических волокон, их активация приводит к ограничению выделения ацетилхолина, ограничивая бронхоконстрикцию.

 

Рис. 2. Взаимодействие бета2-адренорецепторов, М2- и М3-холинорецепторов

 

Дисфункция пресинатически расположенных М2ХР лежит в основе патофизиологического механизма развития гиперреактивности при бронхиальной астме [10], что было доказано в ходе многочисленных исследований на животных. Стимулирование M2ХР в фибробластах приводит к увеличению пролиферации и синтезу коллагена, что способствует фиброзу дыхательных путей.

Влияние бета2-адренорецепторов на М3-холинорецепторы

Физиологическое взаимодействие β2АР и М3ХР в бронхиальном дереве можно охарактеризовать как функциональный антагонизм. Активация β2АР ограничивает M3-опосредованную продукцию инозитол-1,4,5-трифосфата несколькими различными механизмами, большинство из которых предположительно включают PKA. Активированный PKA может фосфорилировать M3ХР, Gq-субъединицу или фосфолипазу C, стимулируя десенсибилизацию рецепторов и снижая продукцию инозитол-1,4,5-трифосфата. Хотя M3ХР имеют сайт фосфорилирования PKA, исследование с использованием сверхэкспрессированного M3ХР в клетках яичников китайского хомячка не показало роль PKA в фосфорилировании M3ХР [11]. PKA ингибирует высвобождение Ca²⁺ из внутриклеточных депо, фосфорилируя инозитол-1,4,5-трифосфат и рианодиновые рецепторы, в то же время гиперполяризуя клетку посредством фосфорилирования KCa²⁺-каналов. Кроме того, PKA ограничивает сокращение, ингибируя активацию белка CPI-17, который способствует сенсибилизации Ca²⁺, опосредованной протеин- и Rho-киназами. Известно, что β2АР активирует PKA, и что многочисленные субстраты, способные запускать синтез PKA (например, рецепторы EP2/4, форсколин и фосфодиэстеразы), также могут расслаблять сокращенную гладкую мускулатуру дыхательных путей. Недавно был предложен другой эффектор цАМФ — обменный белок EPAC, непосредственно активируемый цАМФ. Две разные группы исследователей показали способность EРАС вызывать расслабление предварительно сокращенных тканей гладких мышц [12]. Тем не менее точно установить, в какой степени ЕРАС способствует релаксации, опосредованной β2АР или другими физиологическими индукторами цАМФ, достаточно трудно, поскольку фармакологические ингибиторы EРАC в настоящее время недоступны.

Влияние М3- и М2-холинорецепторов на β2-адренорецепторы

В нескольких исследованиях было показано, что активация M3ХР способствует десенситизации β2АР по протеинкиназа-зависимому механизму. Используя гладкую мускулатуру дыхательных путей быков, М. Boterman и соавт. продемонстрировали, что стимуляция M3ХР приводит к гетерологичной (т.е. независимой от бета-агонистов) [13], а также гомологичной (т.е. бета-агонист-индуцированной) десенситизации βАР, что снижает их способность расслаблять гладкую мускулатуру [14]. При проведении исследований на выделенных клеточных линиях, экспрессирующих М3ХР и βАР, авторами продемонстрирована гетерологичная десенситизация β2АР при активации М3ХР. Было показано, что прямая активация протеинкиназы аналогом диацилглицерина форбол-12-миристат-13-ацетатом ингибирует аденилатциклазу, однако до сих пор неизвестно, происходит ли это в ответ на стимуляцию M3ХР [15]. Инкубация с М2-селективным агонистом мускариновых рецепторов потенциирует бета-опосредованное расслабление гладкой мускулатуры дыхательных путей, предварительно сокращенных метахолином (но не тех, на которые действовал гистамин) [16]. Функциональный антагонизм, обусловленный M2ХР регулированием β2АР, также был продемонстрирован в опыте на мышах, при этом эффект становился более выраженным при выключенном GRK 5 (G-протеинсвязанная рецепторная киназа). Белок фосфорилирует активированные формы G-белоксвязанных рецепторов, приводя таким образом к их десенсебилизации у мышей [17]. Бронходилатация, вызванная воздействием на β2АР гладкой мускулатуры дыхательных путей, которые были предварительно сокращены карбахолом или калия хлоридом, была менее выраженной у мышей с выключенным GRK 5. Данное явление, вероятно, связано с увеличением синтеза Gi белка М2ХР, который подавляет активность ацетилхолина. Обработка же селективным антагонистом мускариновых рецепторов метокрамином нормализует функцию β2АР до уровней, наблюдаемых в тканях мышей без выключенного GRK. Также доказана роль GRK 3 (фосфорилирует агонистзанятую форму бета-адренергических и близкородственных рецепторов) в регуляции сокращения. Выключение GRK 3 приводит к увеличению сокращения, вызванного метахолином [18]. Интересно также, что короткое стимулирование М2ХР приводит к подавлению активности ацетилхолина, длительное (18 ч) — наоборот, ведет к увеличению выработки ацетилхолина [19]. Механизм данного явления не до конца понятен и требует дальнейших исследований. Противоположные действия М2ХР (стимулирующее) и β2АР (ингибирующее) на пролиферацию фибробластов легких и синтез коллагена могут играть определенную роль в антагонизме при фиброзе легких [20].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Взаимодействие М-холинергической и бета-адренергической системы является важным звеном патогенеза, которое определяет функциональное состояние легких в норме и патологии. Его можно охарактеризовать как функциональный антагонизм, оно осуществляется как через воздействие на сами G-белки, так и на вторичные мессенджеры, которые активируются при запуске G-белка. Доказана способность β2АР ограничивать действие М3ХР через PКА-опосредованный механизм. Подтверждена способность М3ХР вызывать десенситизацию β2АР, тем самым ограничивая бронходилатацию. Данный механизм может быть запущен как при «свободном» бета2-рецепторе, так и при «занятом». Механизм данных взаимодействий до конца не изучен, однако их необходимо учитывать при назначении препаратов.

Дальнейшие исследования в данной области помогут снизить риск развития побочных эффектов от назначения препаратов, дадут возможность выделить группы пациентов, которым предпочтительней назначать моно- или комбинированную терапию, а также позволят разработать новые, более эффективные препараты для лечения ХОБЛ и БА.

About the authors

Anna V. Eremenko

Research Institute of Pulmonology of the Federal Medical and Biological Agency of Russia

Author for correspondence.
Email: a_nn87@list.ru
ORCID iD: 0000-0001-9333-0022
SPIN-code: 2813-1638
Russian Federation, Moscow

Kirill A. Zykov

Research Institute of Pulmonology of the Federal Medical and Biological Agency of Russia; Moscow State University of Medicine and Dentistry named after A.I. Evdokimov

Email: kirillaz@inbox.ru
SPIN-code: 6269-7990

MD, PhD, Professor

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files