Реферат гипоксия и иммунитет

Обновлено: 04.07.2024

Иммунитет – способность иммунной системы избавлять организм от генетически чужеродных объектов. Иммунитет заложен в человеке с рождения. Эффективность иммунной системы зависит от наследственности, однако правильное питание и здоровый образ жизни могут значительно повысить ее активность.

Иммунная система – это система особых клеток и белков, защищающих организм от болезнетворных микроорганизмов (бактерий, вирусов, грибков, а также от определенных ядов). Иммунная система контролирует развитие раковых клеток, своевременно выявляя и уничтожая те, которые растут бесконтрольно.

Органы, входящие в иммунную систему: лимфатические узлы, миндалины, вилочковая железа (тимус) костный мозг, селезенка. Ученые установили, что большая часть клеток-защитников располагается в кишечнике – 80%.

Различают врожденный иммунитет и приобретенный (активный, пассивный). Иммунитет начинает формироваться еще до рождения человека – в материнской утробе. Пассивный иммунитет формируется в организме после введения вакцины.

Силы иммунитета на 50% зависят от образа жизни, который ведет человек.

Факторы, негативно воздействующие на иммунитет:

· нерациональное питание (голодание, переедание);

· дефицит витаминов и микроэлементов;

· перенесённые травмы, ожоги, операции;

· загрязнение окружающей среды;

бесконтрольное употребление лекарств.Частые простудные заболевания, герпес на губах, продолжительное повышение температуры, синдром хронической усталости, сонливость или бессонница, болевые ощущения в суставах и мышцах, нарушения сна, частые головные боли, появление высыпаний на коже – всё это признаки снижения иммунной активности.

Что необходимо человеку для поддержания иммунитета?

1. Полноценное здоровое питание.

2. Отказ от курения и употребления алкоголя.

3. Бережное отношение к своей психике.

4. Здоровый сон (не менее 8 часов в сутки в хорошо проветренном помещении).

5. Закаливание (обливания и контрастный душ, посещение бани и сауны). Рекомендовано чередование высоких и низких температур.

6. Регулярные занятия спортом, подвижный образ жизни. Доказано, что чрезмерные нагрузки могут негативно влиять на иммунитет.

По данным ВОЗ - всего 10% людей обладают иммунитетом, который защищает их практически от всех заболеваний. Еще 10% имеют врожденный иммунодефицит: они болеют очень часто. У оставшихся 80% сила иммунной системы зависит от условий и образа жизни.

Всемирный день иммунитета – это ещё одна возможность подчеркнуть важность и значимость здорового образа жизни. Своевременно корректируя нарушения иммунитета, можно предотвратить возникновение заболеваний многих органов и систем. Для хорошего самочувствия и правильной работы внутренних органов необходимо укреплять естественный иммунитет и проводить своевременную вакцинацию.

Обзор

Автор

Редактор

Обратите внимание!

Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

История открытия

Рисунок 1. Первооткрыватель HIF, профессор Грегг Семенза.

Как и многие истории, всё началось с пивных баров и, увы, весьма печально. В середине 1960-х годах по США, Бельгии и ряду других стран среди отчаянных любителей пива прокатилась необычная хворь — кардиомиопатия, имеющая по всем характеристикам признаки токсической, обусловленной накоплением неизвестного тяжелого металла. Довольно быстро виновник был найден: им оказался хлорид кобальта (II) — популярный среди ряда крупных пивоварен эффективный пеногаситель. Интересно, что помимо кардиомиопатии у бедняг-пьяниц наблюдался высокий уровень гемоглобина, который коррелировал с высоким уровнем эритропоэтина [1]. Да-да, именно того самого эритропоэтина, на выработку которого так уповают спортсмены, тренируясь в условиях высокогорной гипоксии. Означало ли это, что гипоксию можно заменить приемом двухвалентого пива кобальта? Похоже, что так!

Неизвестно, был ли знаком с этой историей молодой врач-педиатр Грегг Семенза из госпиталя Джонса Хопксинса (рис. 1). Задача постдока Грегга состояла в поиске фактора, регулирующего активность промотора гена эритропоэтина в условиях гипоксии. Постепенно, шаг за шагом, в 1992 году был найден фактор, в 1995 году стало ясно, что фактор представляет собой гетеродимер, в котором одна из субъединиц является кислород-зависимой, в 2001 году был определен механизм, благодаря которому происходит регуляция стабильности кислород-зависимой субъединицы — гидроксилирование с помощью пролилгидроксилаз. Фактору дали красноречивое название — hypoxia-induced factor, или, сокращенно, HIF [2].

Следует отметить, что во всех клеточных экспериментах Семензы гипоксия могла быть заменена добавлением хлорида двухвалентного кобальта. И это уже не просто совпадение, это научный факт.

Некоторые современные сведения о факторах HIF

Далее дорогой читатель будет вынужден простить мне несколько справочный раздел, суммирующий часть современных сведений о факторе HIF.

Рисунок 2. Принцип и сходство работы кислород-чувствительных систем прокариот и эукариот. Согласно статье [4] у бактерий Pseudomonas spp. в условиях нормоксии функционирует Fe 2+ -содержащий фермент PPHD, который гидроксилирует фактор элонгации EF-Tu, что модулирует трансляцию по крайней мере одного очень важного фактора патогенности бактерии — пиоцианина. У эукариот в условиях нормоксии активны Fe 2+ -содержащие пролилгидроксилазы PHD, регулирующие протеолитическое разрушение фактора транскрипции HIF.

Рисунок 4. Факторы транскрипции HIF 1-3 и классический кислород-зависимый путь регуляции их активности.

Рисунок 5. Различия HIF-1 и HIF-2.

Рисунок 6. Понятие переключения изоформ HIF-1 → HIF-2. По мере роста сосуда (а) опухолевой ткани (б) в след за изменением степени гипоксии от острой до умеренной происходит переключение с HIF-1 изоформы на HIF-2 (в) c экспрессией различного спектра факторов. Рисунок из [12] с изменениями.

Рисунок 7. Этапы моей дипломной работы, иллюстрирующие то, как негипоксическая активация HIF-2 может вносить свои коррективы в экспрессию хемокинов.

Итак, дорогой читатель, я надеюсь, что вы не сильно утомились ознакомлением первой части рассказа. Скорее перейдем к его иммунологическому разделу!

Роль факторов HIFs в иммунных клетках

И для начала несколько соображений общего характера [16, 17]:

Тема неимоверно интересная и обширная, поэтому я ограничусь парой историй.

История 1: Treg-лимфоциты vs. Th17-лимфоциты

Наивные CD4+ T клетки в зависимости от микроокружения способны дифференцироваться в различные субпопуляции с весьма отличающимися друг от друга функциями: Th1, Th2, Tfh, Th17 и iTreg. Огромное внимание в вопросах аутоиммунных заболеваний и противоопухолевого иммунитета обращено к двум не так давно открытым популяциям T лимфоцитов — Th17 и iTreg [17].

Th17-клетки дифференцируются из наивных CD4+ лимфоцитов под действием TGF-β и IL-6; критичным является активация транскрипционных факторов STAT3 и RORgt. Th17-лимфоциты обладают мощным бактерицидным и фунгицидным действием за счет секреции IL-17 и IL-22. Однако вследствие своего избыточного воспалительного потенциала, Th17 печально известны как участники многих аутоиммунных заболеваний.

Индуцированные iTreg дифференцируются из наивных CD4+ лимфоцитов под действием TGF-β и IL-2; критичным является активация транскрипционного фактора Foxp3. Treg вырабатывают IL-10, TGFβ, экспрессируют на своей поверхности много интересных молекул (типа рецептора к IL-2 СD25, ингибиторного корецептора CTLA-4), за счет которых проявляют свои иммуносупрессивные свойства.

Итого, мы имеем две субпопуляции лимфоцитов, обладающих диаметрально противоположными свойствами, не способными перепрограммироваться друг в друга и происходящие из единого предшественника — наивных CD4+ лимфоцитов. Часто говорят о балансе Treg и Th17, сдвиге баланса либо в иммуносупрессивную, либо в провоспалительную сторону при разных заболеваниях, и подчеркивают первостепенную важность механизмов, определяющих дифференцировку по одному из двух путей. Кратко рассмотрим механизмы и попытаемся понять, в чем соль.

Первое, на что внимательный читатель обратит внимание, это общий для двух субпопуляций индуктор TGFβ. Известно, что сами по себе высокие концентрации TGFβ способны поддерживать активацию Foxp3 и коммитировать образование iTreg. Однако для Th17 также характерна активация Foxp3, которая в обязательном порядке должна быть подавлена. Подавляется она за счет активации фактора STAT3 (под действием IL-6, IL-21 или IL-23), что, в свою очередь, активирует RORgt, который активно подавляет активность Foxp3 и определяет экспрессию Th17-специфичных хемокинов.

Теперь о роли HIF-1. Для немиелоидных клеток показано, что активация STAT3 может приводить к негипоксической активации HIF-1. HIF-1, в свою очередь, способен ингибировать Foxp3, причем, вероятно, за счет механизма активации полиубиквитинирования с последующей протеасомной деградацией, т.е. механизма по которому HIF-1 разрушается сам. Ингибируя Foxp3, HIF-1 способствует дифференцировке CD4+ наивных лимфоцитов в Th17 направлении. Что интересно, данную STAT3-зависимую негипоксическую активацию HIF-1 с последующим ингибированием Foxp3 можно заменить циклами периодической гипоксии-нормоксии, которая приводит к стабилизации и накоплению HIF-1 (рис. 8).

Рисунок 8. Роль HIF-1 в дифференцировке CD4+ наивных лимфоцитов в Treg и Th17.

Любопытно, что то же самое не случается в условиях длительной гипоксии. И виной здесь отрицательная обратная связь — длительная гипоксия повышает экспрессию HIF-зависимой микроРНК-210, которая способна подавлять трансляцию HIF-1α.

Приведенную выше концепцию особой роли HIF-1 в активации фактора RORgt (критичного для Th17) и ингибирования Foxp3 (критичного для Treg) подтверждает недавняя замечательная статья о роли фактора Deltex1 в поддержании стабильности Foxp3 за счет ингибирования его негативного регулятора HIF-1 [18].

Не так давно была открыта новая субпопуляция лимфоцитов — Tr1, обладающих иммуносупрессивными свойствами, при этом не экспрессирующих Foxp3 (маркер регуляторных T-лимфоцитов). Tr1 играют особую роль в супрессии воспаления в нервной системы и кишечнике [19].

Интересно, что гипоксия и повышенная концентрация внеклеточного АТФ — частые атрибуты воспаления — способны угнетать дифференцировку Tr1-лимфоцитов. Весьма красивым оказался механизм: критичным фактором для дифференцировки в Tr1 лимфоциты является фактор AHR, который при взаимодействии со своим ядерным переносчиком ARNT, переносится в ядро и активирует экспрессию IL-10, IL-21 и прочих факторов, определяющих иммуносупрессивные свойства Tr1-лимфоцитов. Однако ARNT хорошо известен нам как HIF-1β, кислород независимая субъединица, с которой димеризуется HIF-1α. Между HIF-1α и AHR в указанных условиях происходит конкуренция за ARNT и HIF-1α в этой конкуренции побеждает. Впрочем, если условия позволяют, и в схватке побеждает ARNT, ему есть чем ответить — активируясь, он способствует деградации HIF-1α, предположительно за счет повышения экспрессии пролилгидроксилаз PHDs по кислород-зависимому механизму (рис. 9).

Рисунок 9. Роль HIF-1 в дифференцировке иммуносупрессивных Tr1-лимфоцитов.

Хочется отметить также, что угнетающая роль HIF-1α на дифференцировку Tr1-лимфоцитов оказалась не столь уж однозначной — исследователи отмечают то, что активность HIF-1α важна на ранних стадиях дифференцировки, главным образом, за счет своей способности переключать метаболизм на гликолитический тип.

История 2: Врожденный иммунитет и макрофаги

Как в случае с провоспалительными Th17 и супрессорными Treg, между провоспалительными M1 и противоспалительными M2 в тканях наблюдается баланс, нарушение которого может приводить к различным заболеваниям. Так, например, сдвиг в сторону M1-макрофагов в жировой ткани патогенетически связан с развитием метаболического синдрома за счет постоянного хронического воспаления в жировой ткани, ее инсулинрезистентностью, секрецией в кровь провоспалительных хемокинов и адипокинов [22].

Вместо заключения

В настоящее время разработаны/разрабатываются методы селективного ингибирования HIF-1 и HIF-2; селективного ингибирования различных изоформ пролилгидроксилаз PHDs, за счет чего возможно активировать HIF-1 и HIF-2, причем также селективно; можно ингибировать фермент FIH-1и прочие участники пути регуляции кислород-зависимого пути деградации. При желании и достаточной фантазии можно пробовать воздействовать на кислород-независимые пути.

Все это, несомненно, должно найти и, я уверен, найдет применение в практической медицине. Но это потребует крайней обдуманности, многостадийного контроля и досконального изучения. Чем далеко ходить, лучше приведу пример.

Не так давно, в начале-середине 2000-х годов, наблюдался некоторый бум: для многих типов онкологических заболеваний была показана сверхэкспрессия HIF-1α, что вполне соответствовало понятиям об опухолевой биологии: быстрорастущая опухолевая масса в условиях жесткой гипоксии переходит на гликолитический анаэробный тип метаболизма [23], при этом активно секретируя вокруг себя многочисленные факторы роста сосудов, факторы инвазии и т.д. Что делать? Подавим экспрессию HIF-1α и дело в шляпе! Не тут-то было — реальность оказалась сложнее и запутанней.

Так, например, при применении siRNA против HIF-1α на культуре пигментного эпителия сетчатки и эндотелия сосудов, наблюдалось вполне закономерное снижение секреции таких ангиогенных факторов как VEGF, TGF-β (это очень хорошо), но росла секреция IL-8, мощного хемокина с ярко выраженными ангиогенными свойствами (это очень плохо) [24]. Позднее, группой профессора Лобода был раскрыт механизм — дело в том, что HIF-1 подавляет экспрессию IL-8, а HIF-2 — активирует. Подавляя HIF-1 в клетках, исследователи добивались реципрокной активации HIF-2 и экспрессии IL-8 [25]. Такая неоднозначная выходила терапия.

Также нужно быть аккуратными с иммунной системой. Системное подавление HIF-1 при аутоиммунных заболеваниях, возможно, и приведет к снижению популяции Th17 и росту числа Treg, что теоретически способно облегчить течение заболевания, но также способно привести к искусственному комбинированному иммунодефициту за счет дисфункции M1-макрофагов, нейтрофилов, Th1, Th2, Th17 и СD8+ T лимфоцитов.

Эпителий дыхательных путей – первый защитный барьер против факторов окружающей среды. В данной статье рассмотрены патогенетические механизмы нарушения работы этого барьера, приводящие к развитию синуситов.

Авторы Hyung-Ju Cho и Chang-Hoon Kim. Впервые опубликовано 02/2018 в журнале BMB Reports. Оригинал статьи доступен по ссылке.

Введение

Эпителий дыхательных путей представляет собой первую линию защиты от факторов окружающей среды, выступая в качестве механического барьера наряду с мукоцилиарным транспортом (MЦT) как составляющая врожденного иммунитета (1). Для поддержания этой физиологической роли необходимо постоянное производство энергии, которое обеспечивается адекватной оксигенацией (2). Некоторые патологические состояния могут привести к снижению уровня кислорода в эпителии дыхательных путей. При хронических заболеваниях дыхательных путей, таких как синусит, аллергический ринит, астма и хроническая обструктивная болезнь легких, снижение количества кислорода может происходить из-за патологических изменений в микрососудистых структурах или из-за увеличения метаболических потребностей (3). Эти заболевания обычно сопровождаются такими патологическими явлениями, как инфильтрация воспалительными клетками, реорганизация тканей или гиперсекреция слизи (4).

Хронический синусит является одним из заболеваний верхних дыхательных путей, связанных с гипоксией. Слизистая оболочка пазух состоит из ресничного столбчатого эпителия и бокаловидных клеток. Реснички эпителиальных клеток играют важную роль в транспортировке слизи из пазухи через соустье и поддержании нормального физиологического состояния гайморовых пазух. Нормальный мукоцилиарный транспорт необходим для поддержания врожденной защиты дыхательных путей, и показано, что при риносинусите происходит снижение эффективности мукоцилиарного транспорта. Дефект мукоцилиарного транспорта может развиться из-за изменений вязкости слизи или воздействия токсинов (5). Гипоксия является еще одним потенциальным фактором развития синусита, и в данном обзоре рассмотрен патогенез синусита, связанного с гипоксией.

Cвязанная с гипоксией гиперсекреция слизи, опосредованная HIF-1α

Механическая непроходимость пазухи снижает концентрацию кислорода внутри нее, что приводит к синуситу (6). Гиперплазия бокаловидных клеток является одним из основных гистопатологических изменений при хроническом риносинусите (7). В гипоксических условиях гипоксически-индуцируемый фактор-1 (HIF-1) необходим для транскрипционной экспрессии эритропоэтина (8), фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) (9), гемоксигеназы-1 (10) и трансферрина (11). HIF-1 состоит из гетеродимера, α и β-субъединиц (12), и активация HIF-1α служит проводником для сигнального пути ERK (extracellular signal-regulated kinase) (13). Хотя гипоксия является эффективным стимулятором воспаления (4), роль гипоксии в перепроизводстве слизи и связанных с этим механизмах не доказана однозначно. Элемент гипоксия-ответ (HRE — hypoxia-response element) обычно присутствует в проксимальном промоторе и включает в себя один или несколько участков связывания HIF-1 (14). Мутация в локусе HRE инактивирует транскрипционный ответ на гипоксию (15, 16). Промоторная область гена MUC5AC включает в себя последовательность, аналогичную HRE (17, 18). Поэтому мы провели исследование промоторной области гена MUC5AC, чтобы понять механизм действия индуцированного гипоксией гена MUC5AC в эпителии дыхательных путей. В основном мы использовали первичные человеческие назальные эпителиальные (HNE) клетки, которые были культивированы и дифференцированы в воздушно-жидкой системе, в экспериментах in vitro (19). В гипоксическом состоянии клетки HNE индуцировали экспрессию мРНК MUC5AC и белка MUC5AC (20). Было также зафиксировано повышение экспрессии HIF-1α в клетке HNE, вызванное гипоксией, и эксперимент с уменьшением или усилением функции подтвердил роль HIF-1α в экспрессии MUC5AC в гипоксической среде. Чтобы определить степень связывания ДНК HIF-1α с промотором MUC5AC при гипоксии, мы провели анализ иммунопреципитации хроматина (ChIP). Было показано, что регуляторная область HRE промотора MUC5AC играет важную роль в увеличении транскрипционной активности MUC5AC, вызванной гипоксией (20). Иммуногистохимическое окрашивание продемонстрировало значительную экспрессию MUC5AC и HIF-1α в эпителии слизистой оболочки пазухи. Эти данные свидетельствуют о том, что гипоксическое состояние в пазухе связано с синуситом через избыточное производство MUC5AC посредством HIF-1α-опосредованного механизма.

Эпителиальный барьер при гипоксии: VEGF-опосредованный механизм

Было изучено несколько аспектов патофизиологии повреждения эпителия. Было продемонстрировано, что гипоксия способствует разрушению эпителиального барьера посредством VEGFR-1 (рецептор фактора роста эндотелия сосудов — 1) в эпителии сетчатки (21). Действие IL-13 (интерлейкина — 13) приводит к нарушению плотного соединения в бронхиальном эпителии (22). Риновирусная инфекция является фундаментальным предрасполагающим фактором для последующей бактериальной инвазии, диссоциируя белки плотных контактов zona occludens-1 (23). Насколько нам известно, это первый отчет, который разъясняет роль оси гипоксия-HIF-VEGF в регуляции эпителиальной парацеллюлярной проницаемости в эпителии дыхательных путей.

Нарушение функции эпителиального барьера является важным гистологическим изменением, имеющим клиническое значение. Этот факт дает возможность разработки новых терапевтических средств для улучшения функции эпителиальных барьеров при различных заболеваниях дыхательных путей. Уязвимость к адгезии или инвазии патогенов может быть увеличена из-за повышенной проницаемости эпителиального барьера. Мы также подтвердили, что в гипоксических условиях бактериальная проницаемость назального эпителия растет по сравнению с проницаемостью при нормоксии.

Эпителиальный барьер при гипоксии: механизм, опосредованный белками плотных контактов

Функцию эпителиального барьера поддерживают плотные и адгезивные контакты. Плотные контакты находятся в апикальной зоне клеток и отделяют просвет, находящийся апикальнее, от базолатеральных структур. ZO-1 представляет собой компонент плотного контакта, который присутствует в верхней части эпителия (33). Адгезивные контакты также важны для межклеточной связи, поскольку они предоставляют сайт для стыковки сигнальных молекул (34, 35). Основным компонентом адгезивного контакта является E-кадгерин — трансмембранный белок, который образует кальций-зависимые гемофильные межклеточные связи между эпителиальными клетками (36). В слизистой оболочке носа человека вирусная инфекция приводит к нарушениям в комплексах плотных и адгезивных контактов, особенно ZO-1. Было показано, что это способствует увеличению интраназальной инокуляции бактерий у мышей (23). При аллергии в слизистой оболочке носа происходит снижение уровня мРНК ZO-1 (37). Снижение уровня ZO-1 в совокупности с повышением уровня E-кадгерина наблюдалось и в эпителии назального полипа (38). Следовательно, изменения уровня ZO-1 или E-кадгерина могут привести к нарушению эпителиального барьера при различных патологических состояниях (39).

Чтобы доказать влияние гипоксии на барьерную функцию, мы исследовали влияние гипоксии на уровни экспрессии ZO-1 и E-кадгерина (40). После 8 часов в гипоксических условиях экспрессия ZO-1 и E-кадгерина значительно уменьшалась. Факт нарушения эпителиального барьера было также подтвержден при измерении TEER. Уменьшенная экспрессия ZO-1 и E-кадгерина была также выявлена при хроническом синусите в эпителии пазух, который подвержен значительному влиянию гипоксии. Таким образом, гипоксия приводит к даунрегуляции молекул плотных контактов и увеличению TEER, что указывает на нарушение нормальной барьерной функции носового эпителия.

Воспаление при гипоксии: HMGB-1 опосредованный механизм

Амфотерин (HMGB1 — high-mobility group protein B1) представляет собой белок небольшого размера, который действует как шаперон ДНК. Амфотерин выделяется во внеклеточное пространство либо активно, либо пассивно. Высвобождение амфотерина после провоспалительной стимуляции является активным процессом. Его же высвобождение после апоптоза и некроза — пассивный процесс.

Амфотерин, который высвобождается во внеклеточное пространство, связывается с толл-подобным рецептором (TLR) 2 или TLR 4 и рецептором конечных продуктов гликирования (RAGE). Это приводит к активации провоспалительных сигнальных путей (41-43). Функция амфотерина, который перемещается из ядра в цитоплазму, зависит от посттрансляционных модификаций (фосфорилирования, ацетилирования и окисления). Важную роль в этом процессе играют активные формы кислорода (ROS — reactive oxygen species) (41, 42, 44, 45). Недавно мы сообщали об обнаружении повышенного количества амфотерина в назальном лаваже пациентов с хроническим риносинуситом (46). Существует вероятность того, что при гипоксии амфотерин может переместиться из ядра в цитоплазму и высвободиться во внеклеточное пространство. Тогда он будет служить характерным маркером повреждения ткани, связанного с гипоксией (47, 48). Поэтому мы исследовали роль амфотерина в прогрессировании воспалительных заболеваний верхних дыхательных путей в гипоксических условиях. Гипоксия индуцирует перемещение амфотерина из ядра во внеклеточное пространство клеток RPMI 2650 (среда для культур клеток и тканей) и клеток HNE (human nasal epithelial). Иммунофлуоресцентный анализ (ELISA и western blotting) выявил увеличение концентрации амфотерина в цитоплазме при гипоксии и в супернатанте клеток HNE (49). Гипоксия увеличивает локальный окислительно-восстановительный потенциал из-за изменений в производстве ROS (50). Производство ROS зависит от содержания кислорода: умеренная степень гипоксии стимулирует продукцию ROS, но тяжелая гипоксия ее ингибирует (50). Изменения концентрации кислорода по-разному влияют на окислительно-восстановительный потенциал структуры амфотерина, изменяя таким образом его функцию. В наших экспериментальных условиях гипоксия значительно повысила количество ROS. Это подтверждалось тем, что предварительное введение акцептора ROS, N-ацетилцистеина (NAC), подавляло индуцированный гипоксией рост концентрации ROS. Иммунофлуоресцентный анализ показал снижение перемещения амфотерина в цитоплазму, что подразумевает зависимость амфотерина от увеличения количества ROS.

Также был выявлен факт внеклеточной секреции амфотерина. Предварительная обработка ацетилцистеином уменьшала уровень амфотерина из собранных апикальных супернатантов при иммунофлюоресцентном анализе ELISA и western blotting (49). NADPH-оксидазы могут генерировать ROS и двойную оксидазу (DUOX) 1 и 2. Подтипы NADPH-оксидазных ферментов играют важную роль в производстве ROS при воспалении дыхательных путей (51). Нокдаун гена DUOX 2 с использованием короткой РНК, образующей шпильки, привел к (shDUOX2) снижению продукции ROS в клетках HNE, но при нокдауне гена DUOX 1 изменений не наблюдалось. Клетки HNE с внедренной shDUOX2 также демонстрировали снижение секреции амфотерина под воздействием гипоксии (49). Таким образом, очевидно, что именно DUOX2, а не DUOX1, играет важную роль в секреции амфотерина при гипоксии, и именно DUOX2 может приводить к ROS-активации TLR2 и TLR4 в эпителии верхних дыхательных путей (51).

Носовые выделения пациентов с хроническим риносинуситом могут содержать триптазу тучных клеток, эластазу нейтрофилов, эозинофильный катионный белок, метаболиты оксида азота, IL-1, IL-5 или IL-8, что предполагает, что эти молекулы участвуют в развитии хронического воспаления в верхних дыхательных путях (52-55). Амфотерин связывается с несколькими специфическими рецепторами клеточной поверхности, такими как RAGE или TLR, и действует как цитокиноподобный белок, индуцирующий хемотаксис и высвобождение цитокинов. Мы выявили амфотерин, TNF-α, IL-1β и IL-8 в носовых выделениях пациентов с хроническим риносинуситом и провели корреляционный анализ с использованием шкалы Ланда-Маккея — системы подсчета баллов, указывающую на тяжесть симптомов синусита.

TNF-α был обнаружен только у 21% пациентов, а IL-1β был обнаружен у 44% пациентов без корреляции с тяжестью симптомов (46). Впрочем, как амфотерин, так и IL-8 были обнаружены во всех пробах назальной жидкости у пациентов, и их уровень коррелировал с оценкой по шкале Ланда-Маккея. Интересно отметить, что уровень HMGB1 был связан и с уровнем IL-8 (46). Поэтому мы исследовали IL-8 в клетках HNE под гипоксией и обнаружили, что секреция IL-8 увеличивалась при гипоксии и снижалась при предварительной обработке ацетилцистеином. Это открытие позволяет предположить, что секреция IL-8 регулируется сигнальным механизмом ROS. Кроме того, введение рекомбинантного амфотерина (rHMGB1) млекопитающих индуцировало секрецию IL-8 в супернатантах культуры апикальных клеток. Применение анти-HMGB1 антительного блокатора для ингибирования функции секретируемого белка амфотерина прерывало производство IL-8 (49). Это наблюдение очень интересно, потому что амфотерин может быть связан с конкретными цитокинами, такими как IL-6, IL-8 и IL-33 в носовом эпителии (56, 57). Амфотерин также индуцирует высвобождение IL-1α, IL-1β, IL-6, IL-8 и TNF-α в макрофагах и TNF-α, IL-1β и IL-8 в нейтрофилах (58). В эндотелиальных клетках амфотерин может увеличить производство тканевого фактора — первоначального белка коагуляционного каскада, также участвующего в регуляции фибринолиза (59, 60).

Заключение

Анализ результатов вышеперечисленных исследований показал, что гипоксия играет важную роль в патогенезе воспаления верхних дыхательных путей, особенно при хроническом риносинусите (рис.1). HIF-1α является ключевым фактором гомеостаза кислорода в эпителии и опосредует избыточное производство MUC5AC. HIF-1α-опосредованная гиперэкспрессия VEGF и функциональные изменения белков контактов (ZO-1 и E-кадгерина) также являются важными аспектами, приводящими к нарушению эпителиального барьера при гипоксии. Кроме того, гипоксия индуцирует транслокацию амфотерина в цитоплазму и высвобождение IL-8 посредством ROS-зависимого механизма в эпителии дыхательных путей. Предполагается, что исследование патофизиологии гипоксии в эпителии дыхательных путей поможет в поиске новых путей лечения заболеваний верхних дыхательных путей.

Рис.1. Патофизиология гипоксия-индуцированного воспаления верхних дыхательных путей. При гипоксии HIF-1α служит ключевым фактором, опосредующим избыточную продукцию MUC5AC. Гипоксия стимулирует HIF-1α-зависимую гиперэкспрессию VEGF, приводящую к нарушению функции эпителиального барьера и функциональным изменениям белков связей (E-кадгерина и ZO-1). Кроме того, гипоксия индуцирует перемещение амфотерина (HMGB1) в цитоплазму и высвобождение IL-8 посредством ROS-зависимого механизма в эпителии дыхательных путей.

Гипоксия, или кислородное голодание — типический патологический процесс, развивающийся в результате недостаточного снабжения тканей кислородом или нарушения использования его тканями.

Причина: уменьшение парциального давления кислорода Р_O2 во вдыхаемом воздухе, что наблюдается при высоком подъеме в горы ("горная" болезнь) или при разгерметизации летательных аппаратов ("высотная" болезнь), а также при нахождении людей в замкнутых помещениях малого объема, при работах в шахтах, колодцах. в подводных лодках.

Основные патогенные факторы:

• гипоксемия (снижение содержания кислорода в крови);

• гипокапния (снижение содержания СO₂), которая развивается в результате увеличения частоты и глубины дыханий и приводит к снижению возбудимости дыхательного и сердечно-сосудистого центров головного мозга, что усугубляет гипоксию.

Респираторный (дыхательный) тип

Причина: недостаточность газообмена в легких при дыхании, что может быть обусловлено снижением альвеолярной вентиляции или затруднением диффузии кислорода в легких и может наблюдаться при эмфиземе легких, пневмое.

Основные патогенные факторы:

• артериальная гипоксемия. например при пневмое, гипертонии малого круга кровообращения и др.;

• гиперкапния, т. е. увеличение содержания СО₂;

• гипоксемия и гиперкапния характерны и для асфиксии — удушения (прекращения дыхания).

Циркуляторный (сердечно-сосудистый) тип

Причина: нарушение кровообращения, приводящее к недостаточному кровоснабжению органов и тканей, что наблюдается при массивной кровопотере, обезвоживании организма, нарушениях функции сердца и сосудов, аллергических реакциях, нарушениях электролитного баланса и др.

Основной патогенетический фактор — гипоксемия венозной крови, так как в связи с ее медленным протеканием в капиллярах происходит интенсивное поглощение кислорода, сочетающееся с увеличением артериовенозной разницы по кислороду.

Гемический (кровяной) тип

Причина: снижение эффективной кислородной емкости крови. Наблюдается при анемиях, нарушении способности гемоглобина связывать, транспортировать и отдавать кислород в тканях (например, при отравлении угарным газом или при гипербарической оксигенации).

Основной патогенетический фактор — снижение объемного содержания кислорода в артериальной крови, а также падение напряжения и содержания кислорода в венозной крови.

• нарушение способности клеток поглощать кислород;

• уменьшение эффективности биологического окисления в

результате разобщения окисления и фосфорилирования.

Развивается при угнетении ферментов биологического окисления, например при отравлении цианидами, воздействии ионизирующего излучения и др.

Основное патогенетическое звено — недостаточность биологического окисления и как следствие дефицит энергии в клетках. При этом отмечаются нормальное содержание и напряжение кислорода в артериальной крови, повышение их в венозной крови, снижение артериовенозной разницы по кислороду.

Причина: чрезмерная или длительная гиперфункция какого-либо органа или ткани. Чаще это наблюдается при тяжелой физической работе.

Основные патогенетические звенья:

• значительная венозная гипоксемия;

Причина: первичный дефицит субстратов окисления, как правило. глюкозы. Так. прекращение поступления глюкозы в головной мозг уже через 5—8 мин ведет к дистрофическим изменениям и гибели нейронов.

Основной патогенетический фактор — дефицит энергии в форме АТФ и недостаточное энергоснабжение клеток.

Причина: действие факторов, обусловливающих включение различных типов гипоксии. По существу любая тяжелая гипоксия, особенно длительно текущая, является смешанной.

Механизмы гипоксии и адаптации к ним

Как известно динамика формирования структурных и функциональных сдвигов в различных органах и тканях при гипоксии определяются в значительной мере темпами ее развития, локализацией патологии, характером этиологических факторов, инициирующих гипоксию, и особенностями компенсаторно-приспособительных реакций в том или ином органе.

В соответствии с данными литературы устойчивость тканей различных органов и систем к гипоксии широко варьируют. Наиболее чувствительной к гипоксии является нервная система: при полном прекращении кровотока признаки повреждения коры головного мозга обнаруживаются через несколько секунд. Снижение потребления кислорода на 20% структурами головного мозга вызывает потерю сознания. Через 5-6 мин. аноксии головного мозга возникают глубокие структурные изменения нейронов, а в продолговатом мозге - через 10-15 мин.

В сердечной мышце мелкие очаги некроза появляются через 3-5 мин. с момента развития ишемии, а крупноочаговый инфаркт миокарда формируется уже спустя 20-30 мин.

Недостаток кислорода в тканях приводит, прежде всего, к дефициту макроэргических соединений, образуемых в сопряженных с окислительно-восстановительными процессами реакциях фосфорилирования на внутренней мембране митохондрий.

Основным энергетическим субстратом для нервной системы, а также для клеток других органов и тканей, является глюкоза. Между тем, при нормальной оксигенации миокарда основным источником его энергетического обеспечения являются высшие жирные кислоты. Так, при окислении 1 молекулы пальмитиновой кислоты образуется 130 М АТФ. В условиях ишемии миокарда усиливается конкурентное ингибирование использования жирных кислот лактатом, что приводит к значительному снижению энергообеспечения миокарда. Так, в процессе анаэробных гликолитических реакций энергетический выход на 1 молекулу глюкозы составляет 2 М АТФ.

В то же время известно, что на каждую молекулу глюкозы, претерпевающую полное окисление до СО2 и воды в миокарде, печени, почках, т.е. в органах, где функционирует малат-аспартатная челночная система, образуется максимум 38 М АТФ.

Вышеизложенное свидетельствует о том, что независимо от характера этиологических факторов и механизмов развития гипоксии, наиболее ранними проявлениями нарушения оксигенации тканей являются сдвиги их энергетического обеспечения и связанные с ними нарушения углеводного, жирового и белкового метаболизма.

Одним из метаболических признаков гипоксии и соответственно недостаточности энергообеспечения нервной ткани, а также миокарда является снижение уровня креатинфосфата (КФ), выполняющего роль не только резервного источника макроэргических фосфатных связей, но и обеспечивающего их транспорт в клетках к местам энергетических трат. Так, уже через несколько секунд мозговая ткань теряет около 70% КФ, а через 40-45 сек. КФ полностью исчезает. Почти одновременно падает уровень АТФ, увеличивается концентрация продуктов распада, так называемых метаболитов изнашивания - АДФ, АМФ, НФ, что приводит к увеличению потенциала фосфорилирования, предоставляющего собой отношение:
АДФ + АМФ+НФ / АТФ
Как известно, процессы ресинтеза АТФ в митохондриях тесно связаны не только с окислительно-восстановительными реакциями, но и с реакциями гликолиза, липолиза, протеолиза, являющимися поставщиками Ац-СоА для цикла Кребса. Установлено, что регулирующими ферментами гликолиза являются фосфорилаза, гексокиназа, фосфофруктокиназа, пируваткиназа, поэтому их подавление в условиях гипоксии приводит к уменьшению образования свободной энергии и в ряде случаев носит необратимый характер. В то же время роль главного регуляторного фермента в последовательных реакциях гликолиза играет фосфофруктокиназа, которую ингибируют АТФ и цитрат, а стимулируют АМФ и АДФ.

Скорость гликолиза в условиях нормы согласована со скоростью функционирования цикла лимонной кислоты: ни пируват, ни лактат, ни ацетил-СоА обычно не накапливаются в клетках при нормальной оксигенации тканей. Согласованность между скоростью гликолиза и метаболизмом субстратов в цикле Кребса объясняется тем, что АТФ и НАД-Н являются общими компонентами для тех и других реакций. В то же время высокие концентрации АТФ и НАД-Н ингибируют реакции гликолиза. Продукт первой стадии цикла лимонной кислоты - цитрат является аллостерическим ингибитором ключевого фермента гликолиза - фосфофруктокиназы.

Таким образом, в условиях гипоксии, в случаях увеличения потенциала фосфорилирования, возникает активация ключевого фермента гликолиза - фосфофруктокиназы (ФФК) и соответственно возрастание пропускной способности реакции анаэробного гликолиза. При этом резко снижается запас гликогена в сердце, мозге, печени, почках, мышцах и других тканях и соответственно накапливаются продукты гликолитических реакций - молочная и пировиноградная кислоты.

Касаясь значения активации ключевого фермента гликолиза - ФФК в условиях гипоксии, необходимо отметить достаточно быструю трансформацию реакций адаптации в реакции дезадаптации, реализуемых при участии этого фермента.

Так активация ФФК на начальных этапах ишемического или гипоксического повреждения клеток приводит к усилению мобилизации гликогена, несколько улучшает энергообеспечение тканей. При этом истощаются запасы гликогена, усиливается ацидоз, приводящий на пике своего развития к подавлению ФФК, и соответственно полной блокаде энергообеспечения клетки.

Развитие метаболического ацидоза при гипоксических состояниях усугубляется также недостаточностью реакций окисления жирных кислот, аминокислот, чрезмерным накоплением кислых продуктов метаболизма указанных соединений.

Что касается окисления жирных кислот в митохондриях и их роли в энергетическом обеспечении тканей, в частности, миокарда, следует отметить две главных стадии. На первой стадии происходит последовательное отщепление двууглеродных фрагментов (в виде ацетил-СоА) от карбоксильного конца цепи жирной кислоты в результате цикла ферментативных реакций. При завершении таких 7 циклов в превращениях 16 - углеродной цепи пальмитиновой кислоты образуется 8 двууглеродных фрагментов в форме ацетил-СоА. На второй стадии окисления жирных кислот ацетильные остатки ацетил-СоА окисляются через цикл лимонной кислоты до СО2 и воды в митохондриях.

На обеих стадиях окисления жирных кислот атомы водорода или соответствующие им электроны передаются по митохондриальной цепи переноса электронов на кислород. С этим потоком электронов сопряжен процесс окислительного фосфорилирования АДФ до АТФ. Следовательно, в условиях гипоксии различного генеза блокируются процессы окисления жирных кислот в тканях, в избытке накапливаются кислые продукты, формируется метаболический ацидоз и соответственно развиваются дефицит АТФ, подавление всех энергозависимых реакций.

Как известно, большую часть метаболической энергии, вырабатываемой в тканях, поставляют процессы окисления углеводов и триацилглицеридов (в среднем 90% всей энергии). Лишь 10-15% энергии поставляется в процессе окисления аминокислот. Если аминокислоты, высвобождающиеся при обычном динамическом обновлении белков не используются для синтеза новых белков, то они подвергаются окислительному расщеплению. В случаях нарушения утилизации глюкозы возникает усиление катаболизма белков, при этом аминокислоты теряют свои аминогруппы, превращаются в α -кетокислоты. Последние в условиях нормальной оксигенации тканей вовлекаются в цикл Кребса с образованием СО2 и воды. Естественно, что в условиях гипоксии, когда нарушаются окислительно-восстановительные реакции в цикле Кребса, развитие метаболического ацидоза усугубляется и за счет избыточного накопления в тканях аминокислот, α-кетокислот.

Касаясь функциональной значимости метаболического ацидоза, закономерно развивающегося при гипоксии различного генеза, следует отметить ряд последующих неспецифических метаболических и функциональных расстройств, представляющих собой динамическую трансформацию реакций адаптации в реакции дезадаптации.

Как известно, типовой реакцией тучных клеток и тромбоцитов на развитие гипоксии и ацидоза является их дегрануляция с избыточным освобождением в окружающую среду высокоактивных соединений - гистамина, серотонина, ФАТ, ФХЭ, ФХН, лейкотриенов, интерлейкинов. В свою очередь, избыточное накопление ионов водорода, биологически активных соединений приводит к резкому увеличению проницаемости биологических мембран за счет структурных переходов в белках и липидах, и активации процессов свободно-радикального окисления.

Таким образом, среди механизмов, приводящих к повреждению биологических мембран при гипоксии различного генеза, необходимо выделить следующие:

1) развитие метаболического ацидоза,

2) выброс вазоактивных соединений тучными клетками,

3) активацию процессов липопероксидации,

4) высвобождение лизосомальных гидролаз при дезорганизации лизосомальных мембран с последующим усугублением метаболических сдвигов.

Очевидно, что развитие гипоксического некробиоза связано в значительной мере с дезорганизацией цитоплазматических, лизосомальных, митохондриальных, и др. биологических внутриклеточных мембран, формирующих отдельные функциональные и структурные компартменты.

Причем, наиболее ранние расстройства возникают у градиентсоздающих и сократительных систем клеток.

Важнейшим фактором повреждения клеток при гипоксии являются ионы кальция. Как известно внутриклеточная концентрация кальция в состоянии покоя поддерживается в среднем на уровне 10 -7 М, что в 100.000 раз меньше, чем в межклеточной жидкости. В период возбуждения кальций проникает из внеклеточной среды в клетку через потенциалзависимые кальциевые каналы. При этом возникают активация фосфолипазы С и образование липидных внутриклеточных посредников - диацилглицерина и инозинфосфамина. Цитоплазматический кальций взаимодействует с кальмодулином - внутриклеточным рецептором с последующей активацией кальмодулинзависимых протеинкиназ и включением тех или иных внутриклеточных реакций.

В условиях гипоксии, дефицита энергетического обеспечения клеток возникают недостаточность механизмов инактивации цитоплазматического кальция и удаления его из клеток в связи с подавлением активности АТФ-зависимого Са-насоса, натрий-кальциевого обменного механизма, дестабилизацией митохондриальных мембран и мембран эндоплазматического ретикулума, играющих в условиях нормы важную роль в поддержании баланса внутриклеточного кальция. При избытке внутриклеточного кальция усугубляются процессы набухания митохондрий, усиливается дефицит АТФ и подавление всех энергозависимых реакций в клетке. Избыток кальция активизирует ядерные эндонуклеазы, фрагментирующие ДНК, индуцирует апоптоз. При высоком уровне внутриклеточного кальция активизируются нейтральные протеазы - кальципаины, разрушающие цитоскелет клетки, в частности, белки фоурин и В-актин, лизирующие рецепторы и протеинкиназу С.

При гипоксическом некробиозе вокруг гибнущих клеток формируется кальцийзависимая активация системы комплемента, активация коагуляционного и тромбоцитарного звеньев гемостаза, а также фибринолиза и калликреин-кининовой системы.

Активация под влиянием кальция мембранных фосфолипаз приводит к дальнейшей дезинтеграции мембран клеток, активации циклооксигеназы и липооксигеназы с последующим образованием простагландинов, лейкотриенов, свободных радикалов с выраженным цитотоксическим действием.Чрезвычайно важна роль дезинтеграции митохондриальных мембран в механизмах гипоксического некробиоза клеток.Как известно, в клетках эукариот все специфические дегидрогеназы принимают участие в окислении пирувата и других субстратов, локализованных в митохондриальном матриксе. Во внутренней мембране митохондрий локализуются переносчики электронов, составляющие дыхательную цепь и ферменты, катализирующие синтез АТФ из АДФ и фосфата.В связи с этим очевидно, что продукты гликолиза, липолиза, протеолиза, вовлекаемые через ацетил-СоА в цикл Кребса, а также АДФ должны пройти через обе митохондриальные мембраны, в то время как новообразованные АТФ проникают из внутренней мембраны митохондрий в цитоплазму клетки и далее к местам энергетических трат. Установлено, что наружная мембрана легко проницаема для всех молекул и ионов небольшого размера, в то время как во внутренней мембране имеются специальные ферментативные транспортные системы, обеспечивающие трансмембранный перенос ионов и различных соединений.

Согласно хемиосматической гипотезе функция переноса электронов, происходящего на внутренней митохондриальной мембране, заключается в том, чтобы откачивать ионы Н + из матрикса митохондрий в наружную среду для создания градиента концентрации ионов Н + между двумя водными фазами, разделяемыми внутренней мембранной митохондрий, и соответственно накопления потенциальной энергии. Очевидно, что при нарушении целостности структуры митохондриальной мембраны в условиях гипоксии возникает утечка ионов Н + через мембраны, в процессе которой не исключается возможность образования активных форм кислорода с одной стороны, и недостаточность ресинтеза АТФ - с другой.

Таким образом, при избыточном накоплении ионов кальция в клетке, активации процессов липопероксидации при гипоксии различного генеза резко повышается проницаемость митохондриальных мембран, возникает набухание митохондрий, пространственная дезориентация ферментативных систем транспорта электронов, синтеза АТФ. В результате происходят разобщение окислительного фосфорилирования и дыхания и соответственно подавление всех энергозависимых систем клетки: синтеза белка, трансмембранного переноса ионов, сопряжения процессов возбуждения и сокращения в мышечных структурах и т.д. В процессе набухания митохондрий энергия потока электронов трансформируется в тепловую энергию.

Наряду с локальными и системными метаболическими сдвигами в тканях, обусловленными гипоксией, ацидозом, активизацией процессов липопероксидации при гипоксии различного генеза, возникает комплекс метаболических и функциональных сдвигов, обусловленных выбросом гормонов адаптации - катехоламинов, глюкокортикоидов.

Как известно, при чрезмерной активации симпатоадреналовой системы (САС) реакции адаптации довольно быстро трансформируется в дезадаптационные процессы. Во-первых, при активации освобождения норадреналина происходит спазм сосудов периферических органов и тканей и соответственно усугубление циркуляторной гипоксии. На фоне активации САС при участии постсинаптических β-адренорецепторов возможна активация процессов гликолиза, гликогенолиза, липолиза, что, безусловно, усугубляет развитие ацидотических сдвигов, свойственных гипоксии .

Усиление адренергических влияний закономерно сопровождается активацией процессов липопероксидации, что вносит весомый вклад в механизмы развития гипоксического некробиоза клеток органов и тканей, чувствительных к ишемии.

Синхронно с освобождением катехоламинов в условиях гипоксического стресса выбрасываются глюкокортикоиды, индуцирующие процессы лизиса и апоптоза в лимфоидной ткани, блокирующие процессы пролиферации и репаративной регенерации в ряде внутренних органов.

Читайте также: