Apoptosis in vascular pathology: present and future

Roman E. Kalinin; Калинин Роман Евгеньевич; Igor’ A. Suchkov; Сучков Игорь Александрович; Еmma A. Klimentova; Климентова Эмма Анатольевна; Andrey A. Egorov; Егоров Андрей Александрович; Vladislav O. Povarov; Поваров Владислав Олегович

doi:10.23888/PAVLOVJ202028179-87

Апоптоз в сосудистой патологии: настоящее и будущее

Авторы: Калинин Р.Е.¹, Сучков И.А.¹, Климентова Э.А.¹, Егоров А.А.¹, Поваров В.О.¹
Учреждения:
1. ФГБОУ ВО Рязанский государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова Минздрава России
Выпуск: Том 28, № 1 (2020)
Страницы: 79-87
Раздел: Научные обзоры
Статья получена: 09.04.2020
Статья одобрена: 09.04.2020
Статья опубликована: 09.04.2020
URL: https://journals.eco-vector.com/pavlovj/article/view/26341
DOI: https://doi.org/10.23888/PAVLOVJ202028179-87
ID: 26341

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

В настоящее время роль апоптоза признана при ряде сосудистых заболеваний. Он представляет собой запрограммированную клеточную гибель, которая находится под контролем генетических механизмов и необходима для нормального существования организма. Главной его задачей является уничтожение дефектных или мутантных клеток. Частицы погибших клеток поглощаются макрофагами без развития воспалительной реакции. Апоптоз принимает активное участие в эмбриогенезе, клеточном гемостазе, уничтожении опухолевых клеток. Данный процесс можно разделить на три фазы: сигнальная, эффекторная и деградационная. Его основным компонентом являются цитоплазматические протеазы – каспазы. Каспазы находятся в цитоплазме в неактивном состоянии – в виде прокаспаз. При активации они расщепляются на субъединицы. Белки семейства Bcl-2 являются активными участниками митохондриального пути апоптоза. Они влияют на проницаемость наружной мембраны митохондрий. Нарушения в механизмах апоптоза лежат в основе многих заболеваний, включая ишемические повреждения, аутоиммунные расстройства, злокачественные новообразования. Способность влиять на выживаемость или смерть клетки известна своим огромным терапевтическим потенциалом. В настоящее время активно развиваются исследования, направленные на изучение сигнальных путей, которые контролируют клеточный цикл и апоптоз. В статье обобщены механизмы, участвующие в гибели эндотелия сосудистой стенки и гладкомышечных клеток, а также рассмотрена потенциальная роль апоптоза при атеросклерозе.

Ключевые слова

апоптоз, эндотелиальные клетки, рестеноз, атеросклеротическая бляшка, гладкомышечные клетки

Полный текст

В течение длительного периода времени исследователи были заинтригованы наблюдением гибели клеток сосудистой стенки при отсутствии их явного некроза [1]. В 1972 г. J.F. Кеrr и его коллеги описали новую форму гибели клеток отличную от некроза, которую назвали апоптозом (в переводе с древнегреческого «опадение» или «листопад») [2]. Он представляет собой запрограммированную клеточную гибель, которая находится под контролем генетических механизмов и необходима для нормального существования организма. Основная его роль – поддержание постоянства клеточного состава и уничтожение дефектных клеток [3]. Нарушения механизмов смерти клеток лежат в основе многих заболеваний, включая ишемические повреждения, аутоиммунные расстройства, злокачественные новообразования.

Молекулярные механизмы апоптоза

Апоптоз, с одной стороны, может быть активирован через систему внутренних сигналов. Клетки запускают внутреннюю программу самоуничтожения в ответ на изменения гемодинамических параметров или потерю контакта с соседними клетками. С другой стороны, он может быть инициирован через внешние стимулы, такие как цитокины, гормоны, окисленные липиды, ионизирующие или вирусные агенты, протекая при этом более остро и массивно. Некоторые пути гибели клеток предрасположены к повсеместному распространению (например, те, которые связаны с радиационным повреждением ДНК), тогда как другие присутствуют только в определенных клетках, что обеспечивает их эффективное удаление. Соотношение проапоптотических и антиапоптотических молекул определяет судьбу клетки в конкретный момент времени [4].

В запрограммированном каскаде гибели клетки выделяют несколько основных функциональных этапов.

В фазе инициации, или сигнализации, клетки получают индуцирующие сигналы. Это достигается путем присоединения определенных молекул (таких как фактор некроза опухоли α (ФНО-α), Fas-лиганд) к рецепторам гибели (TNFR1, Fas) на поверхности клетки с последующим набором белков домена смерти (например, FADD), необходимых для активизации каспазы-8 [5].

В контрольной, или эффекторной, фазе происходит активация каспаз с потерей митохондриального мембранного потенциала. Каспазы представляют собой семейство цистеиновых протеаз, которые участвуют в трансдукции и выполнении апоптотической программы. Они находятся в виде неактивных проферментов, которые активируются протеолитическим расщеплением. В центральных переходах на пути апоптоза расположены каспаза 3, 8 и 9.

Фаза выполнения находится под контролем семейства белков Bcl-2, которые ингибируют высвобождение цитохрома С или фактора индуцирующего апоптоз из митохондрий. Семейство белков Bcl-2 содержит как ингибиторы (Bcl-2, Bcl-xL и др.), так и индукторы (Bcl-xS, Bax, Bid, Bad, Bak и др.) смерти [6]. Соотношение между антиапоптотическими и проапоптотическими белками определяет, подвергнется клетка гибели или нет. После получения соответствующего сигнала Bax или Bak подвергаются конфирмационным изменениям и перемещаются в митохондриальную мембрану, где они вызывают выделение цитохрома С в цитозоль [7].

Фаза деградации геномной ДНК приводит к необратимой потере жизнеспособности клетки.

В фазе распознавания погибшие клетки удаляются из ткани в результате фагоцитоза соседними клетками с помощью различных механизмов (например, через фосфатидилсерин (ФС) или рецептор витронектина) [8].

Апоптоз эндотелиальных клеток

Эндотелий сосудистой стенки участвует в различных физиологических процессах, поэтому его гибель может представлять собой начальную стадию развития патологических состояний. Межклеточные контакты необходимы для поддержания и сохранения эндотелиальных клеток, а их потеря приводит к активации программы смерти. Внеклеточный матрикс может генерировать сигналы, направленные на подавление p53-регулируе-мого пути апоптоза. Например, взаимодействие с белками внеклеточного матрикса через интегрин αvβ3 ингибируется активность р53, снижается уровень Bax и активируется NF-κB путь, что способствует выживанию клеток. Другим механизмом является активация антиапоптотического пути посредством стимулирования активности белков семейства Bcl-2. Факторы роста (VEGF) ингибируют смерть клеток в ответ на различные стимулы, такие как ФНО-α, происходит разрушение внеклеточного матрикса. Это обусловлено стимуляцией сигнального пути протеинкиназы C или PI3K-Akt, активизации антиапоптотических белков Bcl-2 [9].

Фактор роста фибробластов (FGF-2) является еще одним внутрисосудистым фактором сохранения эндотелиальных клеток. Проведенное А. Karsan, et al. (1997) исследование показало, что FGF-2 специфически индуцирует Bcl-2, но не другие белки семейства Bcl. Однако другие Bcl-2-независимые механизмы, такие как фосфорилирование тирозина, могут также ингибировать гибель эндотелия с помощью FGF-2 [10].

Эндотелиальные клетки сосудов постоянно подвергаются воздействию ряда гемодинамических сил, которые оказывают большое влияние на их клеточную структуру и функцию [11]. Метаболиты оксида азота (NO), высвобождаемые в ответ на напряжение сдвига, ингибируют активацию каспазы-3 и предотвращают смерть клеток [12, 13]. Подавление как апоптоза, так и активации каспазы-3 физиологическими уровнями напряжения сдвига может быть предотвращено фармакологическим ингибированием синтазы NO [14].

Инкубация клеток эндотелия с ФНО-α заметно усиливает апоптоз через активацию каспазы-3. Данный процесс может быть полностью отменен ингибиторами каспаз [15]. С другой стороны, ФНО-α способен индуцировать белки семейства Bcl-2, а также активировать путь NF-κB. Следовательно, ФНО-α, может инициировать как проапоптотический, так и антиапоптотический пути [16]. Белки Bcl-2 и Bcl-XL способны подавлять активацию эндотелиальных клеток посредством специфического ингибирования NF-κB пути. Это доказывает, что данные белки обладают цитопротективными эффектами противодействия провоспалительным стимулам. Интересно, что интерлейкин-10 (IL-10) обладает антиапоптотическим действием, поэтому баланс между выживанием и гибелью клеток может зависеть от баланса между про- и противовоспалительными цитокинами.

Апоптоз гладкомышечных клеток

После проведения многочисленных исследований рост гладкомышечных клеток (ГМК) рассматривается как результат противоположных эффектов клеточной пролиферации и апоптоза. Как известно, многие факторы роста ГМК действуют как митогены, частично предотвращая апоптоз, поддерживая секрецию белков Bcl-2. Например, IGF-I стимулирует повышенную экспрессию неактивной фосфорилированной формы Bad посредством PI3-киназозависимого пути. Факторы роста и соответствующие им рецепторы синтезируются при многих сосудистых заболеваниях и могут предотвращать апоптоз ГМК в пределах артериальной стенки [17].

Механические факторы. M.J. Pollman, et al. (1999) показали, что чрескожная транслюминальная баллонная ангиопластика (ЧТБА) вызывает быструю гибель ГМК в пределах нормальной артериальной стенки [18]. Апоптоз ГМК связан с активацией стресс-активируемой протеинкиназы, а введение антиоксидантов ингибирует ее. Этот сигнальный путь не может быть активирован в неоинтимальных ГМК из-за активизации в них Bcl-xl [19]. Окисленные липопротеины низкой плотности (ЛПНП) способствуют апоптозу ГМК, частично за счет подавления Bcl-2 и активации каспазы-3.

Вазоактивные вещества

Локальная продукция высоких уровней NO в стенке артерии ингибирует рост клеток и образование неоинтимы после ЧТБА [19]. В свою очередь, ангиотензин II (АТ II) в стенке сосуда способствует росту ГМК и утолщению стенки [20]. NO-индуцированный апоптоз предотвращается ингибированием cGMP-зависимой протеинкиназы Iα, а также добавлением АТ II. Следует отметить, что проапоптотическое действие NO проявляется на супрафизиологическом (патологическом или воспалительном) уровне, тогда как его антиапоптотическое действие, наблюдается при физиологических (эндотелиальных) концентрациях [21]. Аналогично, AТ II предотвращает гибель ГМК посредством стимуляции рецептора AT1, но способствует апоптозу посредством стимуляции рецептора AT2 [22].

Онкогены и гены-супрессоры опухолей. Онкоген c-myc экспрессируется в ГМК атеросклеротических бляшек (АТБ) и эти клетки демонстрируют более низкую скорость роста в сравнении с ГМК, полученных из стенки нормальных артерий. В своей работе T. Jacob, et al. (2012) показали, что ГМК АТБ гиперчувствительны к апоптозу, опосредованному р53. Активация p53 временно увеличивает поверхностную экспрессию Fas и сенсибилизирует клетку к гибели [23].

Апоптоз при атеросклерозе

Во время развития АТБ происходит как гибель, так и пролиферация клеток. В настоящее время получены доказательства наличия апоптоза во всех клетках АТБ: ГМК, макрофагах, лимфоцитах и эндотелиальных клетках. Наиболее часто встречается в макрофагах, что позволяет предположить, участие этих клеток в его индукции. Запрограммированная гибель клеток почти не определяется в нормальных артериях, едва детектируется в жировых полосках и более распространенна в распространенных атеросклеротических поражениях [24]. ГМК погибают в АТБ, несмотря на присутствие факторов роста. Это связано с экспрессией онкогена c-myc в отсутствии белков Bcl-2 и повышенной чувствительностью к p53 [25]. Последние данные показали повышенную активность проапоптотического белка Bax в жировых полосах человека и распространенных АТБ. Bax не обнаруживался в нормальных артериях, где преобладала экспрессия белка Bcl-xl. Баланс между про- и антиапоптотическими белками при атеросклерозе благоприятствует первому, и подразумевает, что ГМК запрограммированы на гибель при наличии дополнительных проапоптотических стимулов [26].

Роль апоптоза в развитии атеросклероза двояка. Гибель ГМК может ослабить фиброзную покрышку бляшки за счет уменьшения синтеза внеклеточного матрикса, что приведет к ее разрыву. С другой стороны, смерть макрофагов ослабляет воспалительный ответ, уменьшает синтез металлпротеиназ с последующим разрушением внеклеточного матрикса, что в итоге способствует стабилизации бляшки. Уровень гибели клеток в бляшке составляет 2–10%, а уровень пролиферация менее 1%. На самом деле апоптоз связан с естественным прогрессированием атеросклеротического поражения через развитие липидного «некротического» ядра. Гибель макрофагов часто идентифицируется по краям липидного ядра, что позволяет предположить, что она может активно способствовать его образованию. Удаление апоптотических клеток из АТБ может быть неэффективным, поскольку они конкурируют с ЛПНП за удаление макрофагами. Не удаленные клетки подвержены вторичному некрозу, что приводит к развитию воспалительного ответа.

Одна из главных ролей апоптоза при атеросклерозе связана с его прокоагулянтным потенциалом. Воздействие ФС на клеточную поверхность значительно усиливает активность тканевого фактора, который определяет тромбогенность АТБ и способствует возникновению острых ише-мических событий [27].

Терапевтическая модуляция апоптоза при атеросклерозе

M.J. Pollman, et al. (1998) сообщили о регрессии бляшки у кроликов, после ингибирования экспрессии Bcl-xl с помощью антисмыслового олигонуклеотида с последующей индукцией апоптоза неоинтимы [28].

NO является мощной антиапоптотической молекулой для эндотелиальных клеток. B.Y. Wang, et al. (1999) также наблюдали регрессию атероматозных поражений у кроликов после введения L-аргинина для индукции апоптоза макрофагов через cинтез NO [29]. С другой стороны, может быть опасно индуцировать массовую гибель клеток атеросклеротических поражений без антикоагулянтной терапии, учитывая их протромбогенный потенциал. Погибающие эндотелиальные клетки преимущественно расположены в постстенотической зоне с низким напряжением сдвига. Следовательно, доставка NO, с добавлением L-аргинина или доставка эндотелиальных факторов роста может ограничить гибель, тромбоз клеток и изменить прогрессирование атеросклероза [30].

В свою очередь, антагонисты рецепторов АТ II, блокаторы кальциевых каналов являются сильными индукторами апоптоза. Антиоксиданты, такие как триметазидин, пробукол, витамины С и Е ингибируют апоптоз ГМК после хирургического вмешательства [31, 32]. Применение препаратов данных групп недостаточно исследовано в литературе, а полученные результаты противоречивы.

Наконец, возникновение смерти клеток в АТБ сильно зависит от воспалительного баланса. Введение IL-10 может быть разумной стратегией для уменьшения воспалительной реакции, апоптотической гибели клеток и, следовательно, стабилизации бляшки.

Апоптоз и рестеноз

В различных атеросклеротических и рестенотических поражениях апоптозу подвергаются от 2 до 50% клеток. На моделях с использованием различных животных по формированию неоинтимы после ЧТБА, было показано, что апоптоз происходит в разные моменты времени и на разных уровнях в процессе восстановления.

H. Perlman, et al. (1997) показали, что гибель ГМК наблюдается уже через 30 мин после ЧТБА и связана со снижением белка Bcl-x. После этого наблюдалась вторая волна апоптоза, которая связана с повышенной пролиферацией ГМК [33]. Гибель клеток на более поздних стадиях, в отсутствие пролиферации, участвует в регуляции утолщение интимы.

J.M. Isner, et al. (1995) показали более высокую частоту апоптоза в рестенотических поражениях в сравнении с первичным атеросклерозом коронарных артерий [34]. Однако, этот вывод был оспорен G. Bauri-edel, et al. (1998), которые наблюдали снижение уровня апоптоза в зоне рестеноза. Высокая плотность клеток является ключевой находкой при позднем развитии рестеноза области хирургического вмешательства и соответствуют парадигме, что более низкие показатели апоптоза приводят к гиперплазии. Это согласуется с обнаружением сниженной активности р53 в рестенотическом материале коронарных артерий [35].

R. Shibata, et al. (2003) отметили, что ЧТБА привело к незначительному увеличению актвиности белка Bax и значительному повышению уровня Bcl-xl через 14 дней после оперативного вмешательства. Применение ингибитора Rho-киназы в данном исследовании индуцировало неоинтимальный апоптоз ГМК за счет активизации Bax, что привело к снижению образования неоинтимы [36].

В своей работе P. Krishnan, et al. (2019) изучил рестенотические поражения после применения баллона с лекарственным покрытием во время ЧТБА. В них было значительно снижены количество клеток неоинтимы, ГМК, плотность фибробластов, увеличена активность каспазы 3 и определялись отложения коллагена типа III в сравнении поражениями при применении баллонов без покрытия [37].

Заключение

Дальнейшее изучение процессов гибели и пролиферации клеток необходимо для разработки вмешательств с целью предотвращения развития различных заболеваний.

Дополнительная информация [Additional Info]

Источник финансирования. Бюджет ФГБОУ ВО Рязанский государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова Минздрава России.

[Financing of stady. Budget of Ryazan State Medical University.]

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, о которых необходимо сообщить, в связи с публикацией данной статьи.

[Сonflict of interests. The authors declare no actual and potential conflict of interests which should be stated in connection with publication of the article.]

Участие авторов. Калинин Р.Е. – концепция литературного обзора, редактирование, Сучков И.А., Егоров А.А., Поваров В.О. – редактирование, Климентова Э.А., – сбор, перевод и анализ материала, написание текста.

[Participation of authors. R.E. Kalinin – concept of the review, editing, I.A. Suchkov, A.A. Egorov, V.O. Povarov – editing, E.A. Klimentova – collection, translation and analysis of material, writing the text.]