Апоптоз - базовая причина неврологических и кардиоваскулярных патологий
|
"Аpoptosis" (буквально "листопад" - греч.) - широко распространенное биологическое явление ликвидации функционально "ненужных" клеток и тканей. Наиболее популярные примеры апоптоза - утрата хвоста у головастика; тканевой метаморфоз личинки, превращающейся в бабочку, и др. Явление апоптоза лежит в основе дифференцировки органов в онтогенезе, а также замены клеток и тканей, подвергшихся возрастным или патологическим воздействиям. Драматическим и пророческим оказывается образ А.Вертинского, который некогда пел: "Мадам, уже падают листья..."
МОЛЕКУЛЯРНАЯ МЕХАНИКА БОЛЕЗНИ Концепция апоптоза как явления "запрограммированной" гибели клеток приобретает в последнее время все больше фактов и вариантов ее приложения к базовым вопросам современной медицины. Термин "апоптоз" впервые был предложен в 1972 г. для обозначения генетически обусловленного процесса разрушения клетки и характеризуемого ее сжатием, агрегацией хроматина и деструкцией клеточного ядра. Апоптоз рассматривается как естественный биологический механизм, который способствует ликвидации "ненужных" клеток и тканей. Биологическая "цель" этого явления состоит в удалении нежелательных клеток в процессе индивидуального развития, при защитных реакциях, старении. Физиологическое назначение апоптоза состоит в селекции разновидностей и качества клеток внутри популяции, в том числе удалении клеток с генетическими дефектами, а также поддержании численности клеток тканевой популяции на функционально необходимом уровне. Эмбриональное и постэмбриональное развитие мозга сопровождается изменениями числа, структуры и функциональных "качеств" нервных клеток. Соотношение процессов возникновения новых структур и ликвидации "ненужных" клеток регулируется апоптическими процессами. Закономерный характер апоптозных реакций прослеживается как на субклеточном уровне (митоптоз - ликвидация митохондрий), так и в целом организме - в процессе индивидуального развития, когда наблюдаются регрессия рудиментарных органов, перестройка клеточного пула при росте и дифференцировке тканей. В "нормальной" ткани механизмы апоптоза пребывают под регулируемым генетическим контролем. Как было недавно установлено, ограничение апоптозного механизма в нейронах эмбрионального мозга, регулируемое нейротрофическими ростовыми факторами и особыми белками, ведет к увеличению числа синапс - образующих клеток нейрональной популяции в целом. Однако помимо общебиологического (общефизиологического) значения это явление оказывается значимым в процессах онкообразования, аутоиммунных патологиях, вирусных инфекциях, сердечно-сосудистых заболеваниях. Это представление получает также все большее число иллюстраций при изучении неврологических патологий. За последние пять лет, согласно информации Medline, по проблеме апоптоза опубликовано около 40 тыс. экспериментальных и клинических статей. НЕЙРОАПОПТОЗ Биохимические и морфоцитологические признаки апоптоза выявляются в большом спектре экспериментальных нейродегенеративных расстройств: транзиторной церебральной ишемии, вызванной окклюзией церебральной артерии; интрацеребральной геморрагии; на моделях эпилептогенных судорог, локальном термическом повреждении мозга. Апоптоз включается в патологии любых проявлений ишемических и травматических повреждений нервной ткани, включая нарушения спинного мозга, деменциальные изменения, связанные с развитием болезней Альцгеймера, Паркинсона, сенильной деменцией, врожденными патологиями мозга и др. Таким образом, можно говорить о нейроапоптозе как новом патобиохимическом механизме нейродегенеративных расстройств широкого спектра. Основное для понимания апоптоза как принципиально нового морфо-биохимического процесса, отличного от некроза, - включение специализированных биохимических механизмов, в результате которых происходит разрыв молекулы ДНК и уничтожение белоксинтезирующих структур. Апоптоз развивается как каскадный процесс, который сопровождается активацией (индукцией образования) специфических про- или антиапоптических белков, а также особых протеолитических ферментов - каспаз. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ АПОПТОЗА 1. Нарушение энергетического потенциала митохондрий. 2. Образование активных форм кислорода (АФК). 3. Запуск "специализированных" биохимических систем. 4. Деструкция ДНК. 5. Морфологическая гибель клетки, ткани, организма. Среди факторов запуска апоптоза следует отметить образование активных форм кислорода как "извращенного" пути окислительного метаболизма в клетке. Считается, что повреждения, развивающиеся в результате аноксии или ишемии ткани любого уровня, обязаны в первую очередь образованию АФК. Первичным источником АФК оказываются митохондрии, которые играют ключевую роль в энергетическом обеспечении клетки. Ныне существует обобщенное клиническое понятие "митохондриальная патология": повреждение мембран митохондрий ведет к образованию супероксидных радикалов, которые, реагируя с NO, образуют пероксинитриты, "повреждающие" молекулы АФК. В точных биохимических исследованиях было установлено, что нарушение "нормальной" аккумуляции Са++ митохондриями, высвобождение апоптогенных белков из поврежденных митохондрий в цитозоль служат механизмами, ответственными за индукцию апоптоза. В этом контексте существенна роль одного из нейротрофических факторов - фактора некроза опухоли (TNF-(), с которым связаны открытие пор в митохондриях, последующий разрыв их мембраны и высвобождение проапоптических белков в цитозоль клетки. Факторы, последовательно включающиеся в апоптоз: 1.Гиперпродукция экзайтоксических (excitoxic - возбуждающие) аминокислот и длительная активация глутаматных рецепторов, выраженные при нарушении функции нервных клеток вследствие возрастных нейродеструктивных процессов, болезни Альцгеймера, паркинсонизме, при остром нарушении мозгового кровообращения. 2.Образование АФК, которые стимулируют синтез провоспалительных цитокинов, включающихся в каскад апоптических процессов. 3. Экспрессия группы рецепторов и проапоптических белков (FAS, APO-1 и др.). Один из наиболее значимых в этой группе - белок p53. 4. Включение каскада протеолитических реакций, приводящих к расщеплению белков ядерного матрикса, дестабилизации структуры хроматина ядер, фрагментации ДНК, нарушению репликационной и метаболической функций клетки. Среди ферментов, причастных к разветвленной цепи апоптоза, ведущее место принадлежит каспазам, относящимся к семейству 1-интерлейкин-конвертирующих протеаз. 5. Участие специфических регуляторных белков, препятствующих реализации апоптозной программы. Один из них - белок bcl-2 оказывает защитное действие на многие типы клеток, пребывающие в неблагоприятных условиях. В исследованиях in vitro для оценки апоптоза используется отношение белков bcl-2/Bax; избыток первого способствует выживанию клетки, избыток второго - ее гибели. Баланс про- и антиапоптических механизмов связан с оксидом азота (NO), различные пути образования которого могут определять как цитотоксическое, так и цитопротекторное его действие. Длительная генерация NO провоцирует развитие апоптоза: усиливается синтез белка р53 и активируются протеазы из семейства каспаз. Принято считать, что каскад апоптозных процессов может быть спровоцирован либо прямым действием на геном клетки (вирусы), либо через нейромедиаторы (глутамат), либо причинами, связанными с ишемией клетки, ее физическим повреждением, реперфузией, токсическим воздействием. Биохимические процессы, сопровождающие апоптоз, проявляются экспрессией специфических генов и синтезом особых белков клетки, запускающих реакции апоптоза. Число таких "инициаторов", связанных с патологиями различной этиологии, оказывается значительным. Такая полиэтиологичность предопределяет инициацию апоптоза при многих патологических состояниях - как всего организма, так и отдельных его органов или клеточных популяций (см. рис.). Биохимические и цитоморфологические исследования апоптоза выявляют несколько стадий его развития в поврежденной нервной ткани: непосредственную и отсроченную. Как правило, исходное повреждение ткани не ограничивается областью воздействия разрушающей силы, а, продолжаясь во времени, захватывает первично интактные клетки и приводит к расширению очага повреждения. Поскольку апоптоз рассматривается в качестве патохимического механизма клеточной гибели, представляет собой фазный процесс и, следовательно, имеет обратимые этапы, возможно рассмотрение подходов к фармакологическому вмешательству в его регуляцию. Существенной оказывается оценка условий, благодаря которым, переходя необратимую грань, апоптоз приводит к тотальным последствиям, гибели большого массива функционально значимых клеток и смерти всего организма. К этим условиям относятся характер и величина травмирующего воздействия, степень сбалансированности клеточных биохимических систем, противостоящих необратимому развитию апоптоза, возможность своевременного применения реабилитационных мероприятий защиты структур мозга, кардиоваскулярной системы и организма в целом. РОЛЬ НЕЙРОПЕПТИДОВ И НЕЙРОТРОФИНОВ Существует определенная параллель между информацией об участии нейропептидов и нейротрофических факторов роста в патогенезе неврологических расстройств и причастностью этих химических регуляторов к нейроапоптозу. Среди нейротрофических ростовых факторов (см. "МГ" № 30 от 17.04.02) выявляются те, которые играют роль индукторов апоптических процессов или, наоборот, противодействующих развитию нейроапоптоза. Например, в исследованиях последних месяцев подтверждено участие фактора некроза опухоли (TNF-() в апоптозе глиальных и нейрональных клеток как следствии аутоиммунной нейропатологии и патологии мультисклероза. Ассоциируемое с болезнью Гентингтона образование свободнорадикальных продуктов, провоцируемое в эксперименте внесением дофамина, ингибировалось в нейронах стриатума нейротрофическим фактором мозга (BDNF). Новым направлением в исследовании нейропептидов стало определение их роли в регуляции апоптоза. Наряду с данными, свидетельствующими об участии вазоактивного пептида эндотелина-1 и его рецепторов (ЕТА) в ишемической патологии мозга, получена информация об антиапоптической активности этого пептида. На ряде моделей нейроапоптоза было также продемонстрировано защитное действие кальцитонинового нейропептида (CGRP) и пептидного фрагмента ангиотензина IV. В то же время было установлено, что сам ангиотензин II, также как и пептид кальцийнейрин, напротив, способствует индукции проапоптического каскада. Эти факты, демонстрирующие значимость нейропептидов и ростовых факторов в нормальной и патологической деятельности мозга, отражают организацию поливариантной системы химической регуляции, обеспечивающей как жизнеспособность и защиту нейронов от неблагоприятных влияний, так и программируемую гибель определенной части клеточной популяции в случае повреждения мозга. Открытие нейротрофических пептидных факторов побудило к формированию новой стратегии - пептидергической, или нейротрофной терапии нейродегенеративных патологий. Исходная идеология связывает нейродегенеративные патологии, включая болезнь Альцгеймера, с активностью различных нейротрофических факторов мозга и нейропептидов. На этой основе был разработан ряд препаратов, успешно применяемых в терапии большого спектра неврологических расстройств. Наибольший успех здесь выпал на долю церебролизина, уже в течение двух десятков лет успешно используемого в клинике неврологических и психиатрических заболеваний. АПОПТОЗ В КАРДИОВАСКУЛЯРНЫХ КЛЕТКАХ Признаки апоптоза выявляются также при различных формах сердечно-сосудистых патологий: дисфункции эндотелия, "чрезмерном" напряжении сосудистой стенки, ишемических и реперфузионных ее нарушениях, атеросклеротических изменениях, инфаркте миокарда, ишемическом инсульте и др. В перикардиальной жидкости пациентов с ишемической патологией миокарда обнаружен митогенактивирующий белок р38, участвующий в запуске апоптических процессов. Известно также, что при кардиоваскулярных расстройствах, сочетающихся с диабетом, в миоцитах и эндотелиоцитах обнаруживаются активированные апоптозные продукты. Недавно были опубликованы клинические результаты, согласно которым определенные белки апоптозного каскада могут быть использованы как маркеры повреждения миокарда при стадийной ИБС. Физиологически активные пептиды (ангиотензин II, эндотелин-1, брадикинин, адреномедуллин и натрийуретические факторы) вносят свой "вклад" в развитие процессов, связанных с дисфункцией эндотелия и развитием клеточного апоптоза. Очевидно, немаловажная роль принадлежит также нейротрофическим ростовым полипептидам (фактору опухолевого роста, трансформирующему ростовому фактору, фактору роста фибробластов, эндотелиальному фактору роста сосудов, инсулиноподобному фактору роста и др.), а также специфическим белкам клеточной адгезии и мембранного взаимодействия - интегринам и селектинам. Регуляторные пептиды и нейротрофические ростовые факторы могут выполнять функцию как проапоптических (провоцирующих, индуцирующих), так и антиапоптических агентов при кардиоваскулярной патологии. Их соотношение играет ключевую роль в стадийном формировании необратимых повреждений миоцитов, эндотелиальных и васкулярных клеток и превращения патологии в глобальный феноптический процесс. Как известно, патология "гипертонического сердца" сопровождается гипертрофией левого желудочка, ведущей к ремоделированию миокарда, недостаточной васкуляризации, фиброзу, уменьшению числа функциональных кардиомиоцитов и сократительной способности сердца в целом. За все эти явления ответствены апоптозные процессы, спровоцированные хронической ишемией и перегрузкой больного сердца. Исследования последнего периода показывают, что апоптозная гибель кардиомиоцитов служит решающим фактором в переходе к компенсаторной гипертрофии и нарушению насосной функции сердца при артериальной гипертензии. Условия, провоцирующие экспрессию химических механизмов апоптоза в "перегруженном" сердце, включают чрезмерное механическое напряжение миоцитов, гипоксию и окислительный стресс, активацию нейрогуморальных факторов и цитокинов. Все эти явления сопряжены между собой и составляют звенья единого патогенетического процесса. Особенно значимы исследования, связанные с ангиотензином II и образующим его ферментом АПФ. Исследования роли ангиотензина II в механизмах окислительного стресса и эндотелиальной дисфункции логично привели к рассмотрению роли этого пептида в индукции апоптоза кардиальных, васкулярных и эндотелиальных клеток. Принципиальным оказывается вывод, что повышенный уровень ангиотензина II сопряжен с активностью некротического и трансформирующего ростовых факторов, а также специфических апоптозных белков (bcl-2, p53), особых ферментов (каспаз), каскадная динамика которых приводит к деградации молекулы ДНК на фрагменты и последующей "запрограммированной" гибели клетки. Проапоптозный, патогенетический, эффект ангиотензина II может быть заблокирован использованием соответствующих препаратов. Рассматривая проблему апоптоза как сложный биологический и патохимический феномен, можно определить, что как нейропептиды, так и нейротрофические факторы представляют в данном случае показательный пример участия в поливариантной системе контроля функций на всех "этажах" физиолого-биохимической организации. Эти химические соединения служат элементами глобальной информационно-регуляторной сети организма, определяющей его жизнь и смерть. В настоящее время открыт, по сути, базовый биохимический механизм неврологических, кардиоваскулярных, онкологических и других патологий. Очевидно, последующие работы и исследования специфической роли систем химических регуляторов представят новые возможности диагностики и терапии этих заболеваний. Олег ГОМАЗКОВ, профессор. НИИ биомедицинской химии РАМН. |