Глава I. Биохимические механизмы развития
эндотоксикоза
Круг веществ, способных вызвать самоотравление организма, достаточно широк. В известном смысле понятие "эндотоксина" условно, поскольку любой нормальный метаболит при чрезмерном накоплении в организме начинает проявлять токсические свойства. В то же время, реальное практическое значение в качестве "эндотоксинов" имеет ограниченный круг веществ. К их числу относятся:
продукты распада тканевых белков - "средние молекулы" (Габриэлян Н.И.,1984),
низкомолекулярные токсины (мочевина, креатинин, билирубин и др.),
пероксиды и другие продукты свободнорадикального окисления (Владимиров Ю.А.,1998; Kelly et al,1998),
токсины микроорганизмов (Manthous et al, 1993; Brun-Buisson,1995),
биологически активные амины - гистамин, серотонин, брадикинин и др. (Гончарова В.А.,1983),
продукты гниения белков в кишечнике (индол, фенол, скатол) (West, 1990).
при ряде состояний, связанных с дефицитом глюкозы в тканях, токсические свойства начинают проявлять накапливающиеся в организме нормальные метаболиты - ацетон, ацетоуксусная и бета-оксимасляная кислоты, известные как кетоновые тела (Taylor et al, 1988).
Можно выделить несколько важнейших биохимических механизмов развития эндотоксикоза:
Активация тканевого протеолиза;
Активация процессов свободнорадикального окисления;
Действие бактериальных токсинов.
С рассмотрения этих механизмов мы и начнем свою книгу, уделяя особое внимание их вкладу в развитие эндогенной интоксикации при воспалительных заболеваниях легких.
Активация протеолиза. Связь с воспалительными заболеваниями легких.
Активация протеолиза - гидролитического распада белков, осуществляемого тканевыми протеазами (катепсинами), представляет одни из наиболее общих молекулярных механизмов повреждения тканей в условиях патологии (Веремеенко К.Н., 1988, Kos et al, 1998). Различают несколько классов катепсинов - B, D, E, G, H, K, L, O и S. Все они имеют оптимум рН в кислой области в пределах 4,0-6,0 (Berg et al, 1995) и сохраняются в клетке в неактивном состоянии в лизосомах, будучи стерически изолированы от контакта с цитоплазматическими белками лизосомальной мембраной (Knop et al, 1993). Наряду с катепсинами, в распаде тканевых белков принимают участие и некоторые другие протеазы, в частности, эластаза нейтрофилов, атакующая фибриллярные белки соединительной ткани легких (Оглоблина О.Г.,1984).
Химии протеолиза, классификации и механизму действия протеиназ, регуляции их активности посвящены многочисленные обзоры (Koeppel,1993, Румш Л.Д., 1994). С учетом цели и задач настоящей работы представляется оправданным ограничиться рассмотрением роли протеолиза в условиях физиологии и патологии, его регуляции и связи с развитием заболеваний легких. В условиях физиологии посредством протеолиза подвергаются посттрансляционным модификациям вновь синтезированные полипептидные цепи белков, обновляются тканевые структуры (Соловьева Н.И.,1995), перевариваются в желудочно-кишечном тракте пищевые белки (Локшина Л.А.,1994), функционирует система гемостаза (Кузник Б.И., 1981, Amiral,1995), образуются биологически активные пептиды (Ашмарин И.П.,1992), активируются неактивные предшественники биологически активных белков .
Активация протеолиза представляет важнейший биохимический механизм развития фундаментального патологического процесса - воспаления (Jochum et al, 1993). Смещение реакции среды в очаге воспаления в кислую сторону способствует лабилизации мембран лизосом, выходу в цитоплазму протеаз, их активации и протеолитической деструкции вовлеченной в процесс ткани (Knop et al, 1993). В результате действия протеаз микробных клеток и клеток макроорганизма активируются бактериальные токсины (Gordon et al, 1994). С помощью катепсинов патогенные простейшие, например Entamoeba histolytica, разрушают клетки, в которых паразитируют (Horstmann et al, 1992), а клетки злокачественных опухолей проникают в ткани в ходе метастазирования (Schwartz, 1995). Поэтому катепсины рассматривают как прогностические маркеры рака, увеличение которых указывает на высокую вероятность метастазирования (Lah et al, 1998). В частности, катепсин D - маркер рака груди, катепсин В - поджелудочной железы и толстого кишечника , катепсины B и L - желудка (Herszenyi et al, 1995).
В 1965г. Scribner установил, что за развитие уремической интоксикации ответственны вещества, проникающие через брюшину при перитонеальном диализе, но задерживаемые целлофановыми мембранами, т.е. обладающие средней молекулярной массой - от 300 до 5000 дальтон (Галктионов С.Г. и соавт, 1984). В последующем была подтверждена роль МСМ как уремических токсинов (Клепиков Ф.А. и соавт.,1990). Постепенно стало очевидным, что МСМ имеют самое непосредственное отношение к патогенезу интоксикационного шока (Galanos et al, 1993), острой ожоговой токсемии (Рябинин В.Е.,1979), инфаркта миокарда (Тупикова З.А.,1983), абсцессов легких (Гисак С.Н.,1998), онкологических заболеваний (Глинский Г.В. и соавт.,1980), воспалительных болезней легких (Бельских А.Н. и соавт.,1994). Они выполняют роль неспецифических маркеров интоксикации.
Приводимая ниже схема отражает современные представления о природе МСМ, накоплении их в организме при ряде заболеваний, механизмах токсического действия и последствиях этого действия, регуляции содержания в организме.
МСМ (молекулы средней массы - от 300 до 5000 а.е.м.) – вещества преимущественно пептидной природы, образующиеся в тканях в результате протеолитического распада белков и вызывающие состояние интоксикации в организме.
МСМ выполняют роль неспецифических маркеров интоксикации при:
почечной недостаточности
острой ожоговой токсемии
инфаркте миокарда
абсцессах легких
злокачественных новообразованиях
В состав МСМ входят около 30 биологически-активных пептидов, среди них: вазопрессин, окситоцин, глюкагон, кальциотонин, а также полиамины, многоатомные спирты, углеводы.
Токсический эффект МСМ обусловлен суммарным влиянием всех входящих в их состав соединений вследствие развития эффектов потенцирования и синергизма
Механизмы токсического действия МСМ:
суммарное действие высокоспецифических естественных пептидных биорегуляторов, присутствующих в аномально высоких количествах.
Блокирование рецепторов естественных пептидных биорегуляторов пептидами из группы МСМ, имеющими схожее строение
Неспецифическая модификация пептидами МСМ структурно-функциональных свойств клеточных мембран - мембранотропное действие
Связывание пептидов группы МСМ с транспортными белками с вытеснением переносимых метаболитов.
Биологические последствия действия МСМ:
Нарушение микроциркуляции и гемолиз эритроцитов
Угнетение эриторопоэза
Развитие вторичной иммунодепрессии
Угнетение синтеза белка
Нарушения энергетики клеток.
Стационарная концентрация МСМ в крови определяется:
Образованием в тканях
Разрушением в крови под действием пептидаз
Выведением из организма почками
По химической природе группа МСМ неоднородна. В их состав входят около 30 биологически-активных пептидов, среди них вазопрессин, окситоцин, глюкагон, кальциотонин, а также полиамины, многоатомные спирты (Гудим В.И. и соавт.,1985), углеводы (Тупикова З.А.,1997). Установлена химическая структура многих индивидуальных представителей МСМ, получены их синтетические аналоги и доказано наличие у них токсических свойств (Галактионов С.Г. и соавт.,1983).
Трудности в оценке токсического действия индивидуальных компонентов МСМ связаны с тем, что каждый из них, взятый в отдельности, не проявляет токсические свойства. Токсический эффект обусловлен суммарным влиянием всех компонентов МСМ вследствие развития эффектов потенцирования и синергизма. Совместное действие мочевины, креатинина, метилгуанидина и гуанидинсукцината приводит к уменьшению ударного объема и потребления кислорода изолированным сердцем. В отдельности эти вещества не оказывают подобного эффекта в аналогичных концентрациях (Тупикова З.А.,1997).
В.В.Николайчик, (1984) выделяет четыре механизма, объясняющих токсические свойства пептидов группы МСМ:
1. Суммарное действие высокоспецифических естественных пептидных биорегуляторов, присутствующих в аномально высоких количествах.
2. Блокирование рецепторов естественных пептидных биорегуляторов пептидами из группы МСМ, имеющими схожее строение.
3. Неспецифическая модификация пептидами МСМ структурно-функциональных свойств клеточных мембран - мембранотропное действие.
4. Связывание пептидов группы МСМ с транспортными белками с вытеснением переносимых метаболитов.
Биологические последствия действия МСМ весьма драматичны - нарушение микроциркуляции и гемолиз эритроцитов, угнетение эриторопоэза, развитие вторичной иммунодепрессии, угнетение синтеза белка, замедление тканевого дыхания и синтеза АТФ, сопровождающееся нарушениями активного транспорта ионов, исчезновением ионных градиентов на клеточных мембранах и активацией процессов деструкции клеток (Вальдман Б.В.,1991).
Среди МСМ особый интерес представляют пептиды - продукты деградации фибрина. Высокий уровень МСМ часто обусловлен интенсивными процессами тромбообразования и тромболизиса. Образующиеся при этом фибринопептиды А и Б ингибируют действие тромбина на фибриноген, оказывают сильный вазоконстрикторный эффект. В составе МСМ обнаружен аналог энкефалина - пентапептид из бета-цепи фибриногена. В протромбине найден фрагмент, эквивалентный молекуле ангиотензина (Галактионов С.Г. и соавт.,1984).
Результаты ряда исследований указывают на неравномерное распределение МСМ между плазмой кровью и эритроцитами с преобладанием МСМ в последних (Малахова М.Я. и соавт.,1993). Но это положение не подтверждается другими авторами (Костюченко А.Л. и соавт.,1995) и может быть обусловлено причинами методического характера.
Стационарная концентрация МСМ в крови определяется тремя факторами: 1) образованием в тканях; 2) разрушением в крови под действием экзопептидаз; 3) выведением почками.
В физиологических условиях 95% МСМ удаляется почками путем гломерулярной фильтрации. Внутри проксимальных тубул почек основная масса пептидов полностью или частично разрушается и освободившиеся аминокислоты реабсорбируются (Галактионов С.Г. и соавт.,1984). В условиях патологии накопление МСМ в крови развивается на фоне повышенной активности тканевых протеаз и не связано с нарушением экскреции МСМ почками. При этом активность экзопептидаз, осуществляющих расщепление пептидов в крови, оказывается недостаточной для их оперативного удаления (Тупикова З.А., 1997). Определенная роль в удалении из кровотока МСМ принадлежит легким. Уровень МСМ в артериальной крови ниже чем в венозной, т.е. существует шунт в содержании МСМ в крови притекающей к легким и оттекающей от них. Следовательно, легкие, удаляя из кровотока МСМ, выполняют детоксицирующую функцию, особенно важную в условиях эндотоксемии (Бельских А.Н. и соавт.,1994).
Активации протеолиза препятствуют антипротеазы - вещества белковой природы, образующие комплексы с протеазами, в составе которых последние утрачивают свою активность (Koeppel et al, 1993). Чрезвычайно широкое распространение антипротеаз в природе и обнаружение их практически во всех тканях животных и растений (Мосолов В.В.,1998) косвенно указывает на их важную биологическую роль. Сегодня антипротеазы рассматриваются как вещества, препятствующие развитию некоторых форм злокачественных новообразований (Kennedy,1998), атеросклероза (Potter,1995), гипертонической болезни (Okamoto et al,1995) и ряда других заболеваний (Messina,1995).
К важнейшим антипротеазам человека относятся ингибиторы сериновых протеаз альфа-1-АТ, альфа-1-антихимотрипсин и альфа-2-МГ, циркулирующие в плазме крови и тканевой жидкости, а также расположенные в цитоплазме клеток (Van Steenbergen,1993). В антипротеазную активность ткани легких вносят вклад секретируемые лейкоцитами низкомолекулярные ингибиторы протеаз, отличные от альфа-1-АТ (Nadziejko et al, 1995).
Важнейшая физиологическая роль альфа-1-АТ связана с защитой ткани легких от протеолитического разрушения эластазой нейтрофилов. Специфичность альфа-1-АТ к эластазе определяется остатком метионина в положении 358. Альфа-1-АТ синтезируется преимущественно клетками паренхимы печени и секретируется в кровь (Van Steenbergen,1993).
Врожденный дефицит альфа-1-АТ, при котором синтезируется его нормальный М-тип, но в недостаточных количествах, является наиболее общей генетической причиной развития эмфиземы легких во взрослом возрасте. Снижение содержания альфа-1-АТ в плазме крови менее 11 нмоль/л (80 мг/дл), что соответствует 35% от нормальных величин, ассоциируется с резким увеличением риска возникновения эмфиземы легких (Knight et al.,1997). С недостаточностью альфа-1-АТ связывается и возникновение бронхиальной астмы (Pina et al.,1997). Синтез патологического Z-мутанта альфа-1-АТ и его накопление в эндоплазматическом ретикулуме гепатоцитов сопровождается болезнями печени - от холестаза у новорожденных до цирроза печени и гепатоцеллюлярной карциномы у взрослых (Van Steenbergen,1993). На содержание ингибиторов протеаз в крови и тканях заметное влияние оказывают курение и некоторые химические и физические факторы окружающей среды (Lusuardi et al.,1994).
Дисбаланс протеаз и антипротеаз связывается с развитием острого бронхита (Степаньков С.С. и соавт.,1998), хронической обструктивной болезни легких (Великая О.В. и соавт.,1998), эмфиземы легких (Сardoso et al.,1993), бронхолегочной дисплазии (Watterberg et al.,1994), туберкулеза (Овчинникова Ю.Е. и соавт.,1995), ростом и метастазированием злокачественных опухолей (Оглоблина О.Г. и соавт.,1994). В бронхоальвеолярных лаважах больных бронхоэктатической болезнью выявлено пропорциональное тяжести течения заболевания возрастание активности эластазы и катепсина G. У лиц со среднетяжелым и тяжелым течением болезни также была снижена активность антипротеаз вследствие их окислительной или протеолитической модификации (Sepper et al.,1995).
Активация протеолиза сопутствует неспецифическим воспалительным заболеваниям легких (Колтуков В.А. и соавт.,1998). Ю.С.Ландышев и Г.П.Бородина (1993) указывают на повышение активности катепсина D при ОП, Е.А. Лихолат (1998) на повышение активности катепсинов L и B при ХБ. Выявлены различия антитриптической активности крови у больных ХБ, раком легких и здоровых людей, обусловленные характером патологического процесса и фенотипическими вариантами альфа-1-АТ (Сердюк Т.М. и соавт.,1994).
При исследовании факторов, ответственных за происхождение ХБ у некурящих людей установлено, что общий выход бронхоальвеолярной жидкости и содержание в ней клеток были одинаковы в группах здоровых людей и больных ХБ, но количество нейтрофилов было выше у больных. Общее содержание белка, а также содержание альбуминов, иммуноглобулинов классов G, A, M, C 43 0 и С 44 0, трансферрина и альфа-1-АТ, способность к генерации суперокиси практически не различалось между группами. Активность эластазы в супернатантах также не различалась, но в клеточных элементах была выше в группе больных ХБ. Таким образом, единственные различия заключались в нейтрофилии и, связанной с ней большей эластазной активности в БАЛ больных ХБ. Это характерно и для курильщиков, у которых показана связь между развитием ХБ и изменениями баланса протеазы - антипротеазы и оксиданты - антиоксиданты (Lusuardi et al.,1994).
В развитии повреждений легких при муковисцидозе, проявляющихся хроническим гнойным бронхитом, ведущая роль отводится действию эластазы, освобождаемой нейтрофилами на поверхность эпителия дыхательных путей. При исследовании активности этого фермента, а также специфичной к нему антипротеазы и альфа-1-АТ в смывах с респираторного эпителия у детей с муковисцидозом установлено, что несмотря на нормальное содержание антигенов альфа-1-АТ и секреторного ингибитора протеазы нейтрофилов у 25 из 27 обследованных больных детей, в легких выявлены признаки опосредованного нейтрофилами воспаления. У 20 детей, в том числе двух в возрасте до 1 года, определялась активная эластаза нейтрофилов, большая часть молекул альфа-1-АТ и секреторного ингибитора протеазы нейтрофилов была закомплексирована или разрушена (Birrer et al.,1994).
Активация протеолиза может развиваться на фоне нормального и даже повышенного содержания ингибиторов протеаз. Так уровень МСМ в крови детей с хирургической инфекцией увеличивается при одновременном возрастании протеолитической активности и активности антипротеаз (Миронов П.И. и соавт.,1997).