Метаболизм клеток эндотелия в норме и при патологии Учебное пособие

ГЭБ свободно пропускает кислород, двуокись углерода и небольшие липофильные вещества, но непроницаем для гидрофильных молекул, таких как глюкоза, аминокислоты и другие питательные вещества, необходимые для жизнедеятельности нейронов. Таким образом, одной из основных физиологических функций ГЭБ является регуляция транспорта питательных веществ и других молекул в и из головного мозга. Все другие вещества пересекают ГЭБ с помощью различных специфических транспортеров на апикальной или базолатеральной эндотелиальной мембране [39].

1.2Механизмы транспорта питательных веществ через клеточную мембрану

Особой формой диффузии через клеточную мембрану является облегчённая диффузия, которая при помощи транспортеров осуществляет перенос питательных веществ таких, как глюкоза и галактоза, аминокислоты, нуклеозиды, пурины, амины и витамины по градиенту их концентраций от крови к мозгу. Транспортировка этих веществ в целом регулируется метаболическими потребностями мозга и концентраций субстратов в плазме. Существуют также рецептор-опосредованные транспортные системы (трансцитоз) для белков и пептидов необходимых для транспортировки нейроактивных пептидов, хемокинов и цитокинов в мозг [41]. Активный транспорт при помощи транспортеров заключается в переносе веществ в пространство с большей концентрацией вещества для удаления молекул из мозга в кровь и требует больших затрат клеточной энергии, получаемой при распаде молекул АТФ. Кроме того, транспортеры ГЭБ участвуют в инактивации и обратного захвата нейротрансмиттеров [39].

Протективная роль эндотелиоцитов обусловлена уникальным набором рецепторного аппарата, транспортных белков, эффлюксных помп, таких как Pgp, SLC [40]. Также эндотелиоциты НВЕ секретируют вещества, регулирующие функциональную активность стволовых клеток ЦНС в постнатальном периоде (лейкемия-ингибирующий фактор (LIF), нейротрофический фактор мозга (BDNF), костный морфоген (BMP), фактор роста фибробластов (FGF)) [45] и формируют т.н. трансэндотелиальное

11

электрическое сопротивление (transendothelial electrical resistance – TEER) –

барьер для полярных веществ и ионов [3].

Существенным элементом такого рода регуляции являются астроцитэндотелиальные взаимодействия, опосредованные продукцией и транспортом лактата как основного продукта гликолиза в клетках астроглиальной природы и его рецепцией клетками микрососудистого церебрального эндотелия [27, 28].

Межклеточные взаимодействия в нейроваскулярной единице обеспечиваются за счет метаболических процессов в нейронах, астроцитах, эндотелиоцитах. Астроциты выступают в этом контексте как сенсоры метаболической активности нейронов и обеспечивают тонкую настройку метаболизма этих клеток к изменяющимся условиям их функционирования. Доминирование гликолиза в астроцитах и митохондриального дыхания в нейронах делает возможным их совместное сбалансированное участие в процессах энергетического обмена в функционально активных зонах мозга: активированные астроциты захватывают глюкозу, транспортируемую из крови транспортными белками эндотелиоцитов, дополнительно мобилизуют гликоген, и метаболизируют глюкозу до лактата, поступающего в межклеточное пространство для утилизации его нейронами [21].

Аккумуляция лактата в ткани способствует локальной вазодилятации, что обеспечивает дополнительное кровоснабжение активной зоны мозга (глиоваскулярный контроль). Эти процессы регулируются глутаматом, метаболитами арахидоновой кислоты, оксидом азота (NO), а также отношением НАД+/НАДН в астроцитах и нейронах, которые экипированы специализированными механизмами для внутриклеточного трансфера восстановленных эквивалентов (малат-аспартатный челночный механизм, глицерофосфатный челночный механизм). Работа этих челночных механизмов рассматривается как важный компонент поддержания отношения НАД+/НАДН в клетках, что определяет метаболизм глюкозы в сопряженных компартментах нейроваскулярной единицы [3].

Существенный вклад в регуляцию барьерогенеза вносит метаболическая активность клеток НВЕ, в частности, процессы утилизации и транспорта глюкозы, лактата, кетоновых тел. Гликолитическая активность важна для транспортных процессов и для барьерогенеза. Так, гликолиз и митохондриальная активность дополняют друг друга в ангиогенезе, гликолитическая активность в эндотелиальных клетках регулируется инсулином, HIF-1. В свою очередь, HIF-1–сопряженные механизмы в астроцитах и эндотелиоцитах контролируют процессы ангиогенеза и барьерогенеза, проницаемости ГЭБ [24]. Одним из самых мощных факторов, стимулирующих ангиогенез, в частности, при патологических состояниях, ассоциированных с необходимостью дополнительной васкуляризации ткани или восстановления поврежденных сосудов, является гипоксия, поэтому неудивительно, что HIF-1-контролируемые реакции энергетического обмена, находят свое отражение в изменении процессов гликолиза, аккумуляции лактата и изменении характера нейрон-астроглиального метаболического

12

сопряжения. В числе HIF-1 – контролируемых генов – гены, кодирующие VEGF, SDF-1, транспортеры глюкозы и лактата, ферменты гликолиза, что необходимо для обеспечения функционирования клеток в условиях острой или хронической гипоксии. Продукт анаэробного гликолиза – лактат, (ключевой регулятор глиоваскулярного контроля, обеспечивающего увеличение локального кровотока в функционально активных регионах мозга) способствует реализации программы ангиогенеза, действуя на клетки эндотелия, стимулирует циркулирующие стволовые васкулогенные клетки и увеличение экспрессии в них HIF-1-контролируемых ангиогенных факторов роста. Проангиогенная активность лактата очевидна в условиях, при которых добавление данного метаболита в матрицу для развития клеток сосудов существенно улучшает параметры ангиогенеза в зоне размещения имплантата [14].

Влияние межклеточных взаимодействий в пределах ГЭБ на формирование локального проили антиангиогенного микроокружения было представлено на рисунке 3 [26].

Рис. 3. Продукты гликолиза и их функциональная роль в гематоэнцефалическом барьере [28]

Таким образом, все клетки-компоненты НВЕ находятся в тесной связи между собой, что обеспечивает функционирование барьера.

Особое значение механизмы регуляции НВЕ/ГЭБ приобретают в пределах т.н. нейрогенных ниш головного мозга (в постнатальном периоде это субгранулярная зона гиппокампа, субвентрикулярная зона), где формируется локальное микроокружение, способствующее пролиферации и дифференцировке нейральных стволовых и прогениторных клеток в ответ на действие стимулов (когниция, репарация). Показано, что нейрогенез активируется в непосредственной близости от участков церебрального эндотелия с повышенной проницаемостью ГЭБ [36], а стимуляция нейрогенеза требует обязательного повышения проницаемости ГЭБ [37].

13

Примечательно, что процессы нейрогенеза в головном мозге тесно сопряжены с процессами ангиогенеза (не только при повреждении ткани, но и в физиологических условиях, например, при консолидации памяти, когда ангиогенез может быть даже более актуальным, чем собственно нейрогенез) [20], а воспроизведение структуры ткани головного мозга в моделях in vitro требует обязательного участия процессов нейрогенеза и ангиогенеза [32]. Некоторые авторы отдают главенствующую роль ангиогенезу, а не нейрогенезу, в реализации ключевых когнитивных функций, что дает право предполагать важный вклад процессов барьерогенеза в формирование сложных форм поведения [14].

14

ГЛАВА 2. Метаболизм клеток сосудистого эндотелия при патологии

2.1 Основные методы выявления и причины нарушения функции эндотелия

Внастоящее время сложности в ранней диагностике микроангиопатий возникающих на фоне дисфункции эндотелия, а также их патогенетическая лекарственная коррекция остаются в поле зрения многих исследователей как не до конца изученными, несмотря на успехи современной медицинской и биологической науки.

Как известно, причиной нарушения гомеостаза организма могут быть самые разнообразные причины. К ним, можно отнести патологические процессы, обусловленные изменением объема крови в сосудистом русле, пониженное содержание кислорода в организме или в отдельных органах и тканях, нефрогенная артериальная гипертензия, повышение уровня гомоцистеина в крови, активация процессов перекисного окисления липидов

[9].

Так, в 1990 г. А.Н. Шишкин и М.Л. Лындина охарактеризовали дисфункцию эндотелия на кровеносных сосудах предплечья человека при гипертонической болезни. Это дисфункция выявлялась при расслаблении гладкой мускулатуры в стенках кровеносных сосудов при воздействии на них ацетилхолином или брадикинином. Снижение вазодилатирующих свойств при дисфункции эндотелия, обусловлено уменьшением синтеза оксида азота, окислительным стрессом и сниженной продукцией эндотелиального гиперполяризующего фактора [17].

Впоследнее время большинство исследователей считают, что нарушение функции эндотелия является следствием дисбаланса между синтезирующимися вазодилатирующими, антипролиферативными, атромбогенными факторами, и, с другой стороны, сосудосуживающими, протромботическими, и факторами, стимулирующими пролиферацию. В клинической практике доказан случай нарушения кровообращения в организме по причине дисфункции эндотелия, обуславливающего образование тромбов в сосудах. И в то же время такие состояния как ишемия или венозный застой тоже могут служить причиной дисфункции эндотелия.

Причинами возникновения эндотелиальной дисфункции может выступать целый спектр разнообразных причин: нарушенный кровоток, возрастные особенности, перекисное окисление липидов, дисбаланс в липопротеиновом спектре крови, повышенная выработка цитокинов и гомоцистеина, а также интоксикация организма, вызванная различными токсическими веществами экзогенной или эндогенной природы [5]. Всё это может привести к активации таких процессов как апоптоз и некроз. Отмечают, что изначально нарушается функции эндотелия, а затем наступают морфологические изменения сосудов [19].

Оценка эндотелиальной дисфункции очень актуальна для постановки обоснованного клинического диагноза. Данная оценка включает:

15

–регистрацию изменения объема органа или части тела в фазы притока

иоттока крови или дыхательного цикла;

–рентгеноконтрастный метод исследования;

–магнитно-резонансную томографию (МРТ);

–ультразвуковое исследование периферических артерий с проведением

ианализом проб;

–исследование в плазме крови концентрации эндотелиальных медиаторов солей азотной кислоты – нитритов и нитратов;

–оценку количества белка в моче;

–оценку поврежденных (десквамированных) эндотелиоцитов как показатель повреждения эндотелия;

–определение концентрации оксида азота в выдыхаемом воздухе. Клиническая оценка данных методов исследования заключается в

оценке возможности клеток эндотелия вырабатывать NO в ответ на фармакологические (лекарственные) и физические стимулы. Анализ стимулов исследуют путем ангиографического и ультразвукового определения [2].

В настоящее время в медицинской практике используют циркулирующие маркеры эндотелиальной дисфункции. Сложность в выявлении NO связана с химическими особенностями полураспада. Концентрацию NO определяют по количеству в плазме крови и в моче продуктов метаболизма оксида азота – нитрита и нитрата. К маркёрам эндотелиальной дисфункции можно отнести – эндотелин-1, фактор Виллебранда, тканевой активатор плазминогена, тромбомодулина, С- реактивного белка. Эндотелин-1 это пептид, вызывающий сужение кровеносных сосудов, уменьшение кровотока в них, а также стимулирующий клеточное деление. Фактор Виллебранда – гликопротеин, содержание этого фактора соотносится со степенью проявления атеросклероза. Увеличение содержания данного фактора говорит о повреждении эндотелия [19]. Тканевой активатор плазминогена, ингибитор активатора плазминогена-1 повышаются при атеросклерозе и его осложнениях.

Таким образом, анализ литературных данных позволяет сформировать данные о наиболее информативных маркёрах эндотелиальной дисфункции. Многочисленные исследования подтверждают, что в патогенезе и клинике многих серьезных заболеваний, таких, например, как сахарный диабет и его осложнения, артериальная гипертензия, ишемическая болезнь сердца, атеросклероз большое значение имеет структурная и функциональная особенность организации клеток сосудистого эндотелия [4, 7]. Более того, десятки открытий доказали, что эндотелиальная дисфункция носит характер мультидисциплинарной проблемы. На схеме 1 показана эндотелиальная дисфункция в контексте рассмотрения различных заболеваний. Следовательно, исследование корреляции эндотелиальной дисфункции и процессов, увеличивающих сосудистый резерв, является достаточно актуальным для молекулярной и клинической медицины.

16

причиной развития тромбофилии и формирования тромбов внутри кровеносных сосудов. Ухудшение тромборезистентности наблюдается при атеросклерозе, артериальной гипертензии, сахарном диабете и некоторых других патологических состояниях [9].

Нарушение контактов между клетками эндотелия может приводит к нарушению адгезивных свойств между лейкоцитами и тромбоцитами и составляет третью форму дисфункции эндотелия – адгезивную. Это может иметь важное значение при таких патологических состояниях как воспаление, тромбоз, ишемия, шок. Процесс адгезии представляется как жизненно важный и в тоже время достаточно сложный поскольку обеспечивает поддержание целостности тканей, способствует миграции лейкоцитов и отвечает за реакции иммунного ответа [1]. Вариативность адгезивной формы нарушения клеток эндотелия обусловлена функционированием следующих пяти классов молекул:

1.Интегрины – представителями этого семейства являются CD29 (β1), CD18 (β2), CD61 (β3), CD49 (β7). По структуре это гетеродимерные молекулы, действие которых аналогично клеточно-субстратным и межклеточным адгезивным молекулам.

2.Иммуноглобулины ICAM-1, ICAM-2, VCAM-1, PECAM-1

представлены как адгезивные рецепторы участвующие в межклеточной адгезии.

3.Селектины – представлены L-, P- и E-селектинами. Важным структурным компонентом этих молекул является лектинподобный домен, отвечающий за адгезию лейкоцитов к клеткам эндотелия.

4.Кадгерины являются кальций-зависимыми молекулами белковой природы, способствующими адгезии лейкоцитов к клеткам эндотелия.

5.Хоминговые рецепторы представлены MAdCAM-1 (mucosaladressin cellular adhesion molecule – 1), CD34, GlyCAM-1 и отвечают данные рецепторы за проникновение лимфоцитов в лимфоидную ткань.

Причиной развития четвертой ангиогенной формы эндотелиальной дисфункции является сбой в регуляции ангиогенеза или его стимуляции. Данный процесс складывается из нескольких этапов: повышение проницаемости эндотелия, повреждение базальной мембраны, миграция эндотелиоцитов, затем их пролиферация, созревание и восстановление сосудов. Протекание этапов ангиогенеза возможно за счет участия различных факторов роста [42]. Так, васкулоэндотелиальный фактор роста (VEGF) является важнейшим регулятором процесса образования новых кровеносных сосудов в органе или ткани и синтезируется он клетками эндотелия и клетками, в которых нарушено кровоснабжение. В результате этого появляются новые обходные пути кровотока. Интенсивность ангиогенеза обеспечивает адаптацию организма к патологическому состоянию и репаративным процессам [16, 30].

На состояние клеток эндотелия оказывает также влияние тромбоцитарный фактор роста (bFGF), основной фактор роста фибробластов (bFGF) и трансформирующий фактор роста [18].

18

Таким образом, можно с уверенностью сказать, что нарушение эндотелиальной функции несомненно занимает важное положение при рассмотрении причин различных заболеваний.

Действие повреждающих факторов (различные яды, биологически активные вещества, пониженное содержание кислорода и др.) на эндотелиоциты имеет существенное значение при формировании патологического ответа, это может проявляться в виде сужения сосудов, особенно артерий, образования тромбов, повышения активности свертывающей кровяной системы с накоплением фибриногена. Продолжительность действия неблагоприятных факторов определяет степень хронизации процесса и устойчивость разрушительных действий. Следовательно, длительная активация клеток эндотелия опасна развитием «порочного круга» эндотелиальной дисфункцией.

2.3 Патобиохимические аспекты эндотелиальной дисфункции

Доказано, что эндотелиальная дисфункция развивается под влиянием оксидативного стресса, синтеза вазоконстрикторов, цитокинов и фактора некроза опухоли. Предполагают, что влияние указанных факторов на клетки эндотелия может приводить к серьезному дефекту клеточных мембран, сбою в регуляции клеточных процессов, дисфункции гипоталамо-гипофизарной системы, повышенному синтезу эндотелинов. Митохондриальная дисфункция представляет огромную угрозу для клетки и связана с нарушением выработки белков, обеспечивающих работу дыхательной цепи и отвечающих за снабжение энергией клетки. Возрастные особенности стареющей клетки характеризуются различными мутациями мДНК, следовательно, нарушается равновесие между выработкой и регуляторными механизмами, защищающими клетку от негативных воздействий [29].

При рассмотрении окислительного стресса важно отметить, что он возникает при большой концентрации свободных радикалов в клетке и недостаточной антиоксидантной защиты [29]. Также, доказано, что свободные радикалы могут подавлять оксид азота и таким образом напрямую действовать на развитие патологии эндотелия [15]. Следовательно, процесс окисления является достаточно сильным губительным сигналом для организма. С точки зрения липидного обмена, следует обратить более подробное внимание на процесс перекисного окисления липидов, в ходе которого образуются продукты, приводящие к повреждению эндотелиальных клеток, запуская в клетке свободно-радикальные реакции в клеточных мембранах. Отмечают, что NADH/NADPH-оксидаза фермент плазматической мембраны макрофагов является начальным звеном окислительного стресса. При повышенной концентрации холестерина в крови в сосудах снижается образование NO за счет усиления действия ингибиторов NO-синтетазы. К таким ингибиторам можно отнести L-глутамин, а также метилированное производное аминокислоты L-аргинина – асимметричный диметиларгинин.

19

Снижение образование NO также может развиваться при снижении содержания кофактора NO-синтазы – тетрагидробиоптерина [13].

Оксид азота образуется из аминокислоты L-аргинина, данная реакция протекает при участии кофакторов и кислорода, а также различных изоформ NO-синтазы. Основными формами данного фермента являются нейрональная, или мозговая (nNOS), индуцибельная (iNOS) и эндотелиальная (eNOS). Образовавшийся оксид азота проникает из эндотелия в гладкомышечные клетки сосудов и приводит к активации важного посредника внутриклеточной передачи сигналов – гуанилатциклазу. На следующем этапе увеличивается концентрация циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ), в то время как содержание кальция снижается. Дальше можно наблюдать расслабление гладкомышечных клеток сосудов и вазодилатацию.

С точки зрения прочности оксид азота, высвобождающийся клетками эндотелия это нестабильное вещество в химическом отношении. Биологическая активность NO может подавляться растворенным кислородом, супероксидными анионами и гемоглобином. Благодаря этому оксид азота является значимым метаболитом сосудистого русла. Интересным доказанным фактом, является тот факт, что оксид азота сам влияет на активность других метаболитов-регуляторов [19].

Математически обоснованно, что существует зависимость между маркёрами окислительного стресса и эндотелиальной дисфункцией. Развитие эндотелиальной дисфункцией может развиваться вследствие сниженного синтеза, высвобождения или подавления синтеза NO [13].

Обращает на себя внимание метаболическая цепочка образования пероксиазотистой кислоты которая переходит в двуоксид азота и активный гидроксильный радикал. Это приводит к эндотелий-зависимой дилатации, а гидроксильный радикал разрушительно действует на клетки и усиливает воспалительный процесс [15].

Анализ приведенных биохимических аспектов функционирования эндотелия позволяет утверждать, что сосудистый эндотелий это такая метаболически активная структура, регулирующая основные цепочки превращений веществ. Различные научно обоснованные факты о функциях эндотелия доказывают, что эндотелий создает определенную преграду на пути в интерстициальную ткань различных веществ из кровотока, а также и то, что эндотелий – это центральное звено в регуляции сосудистого тонуса.

20