Adaptation to hypoxia and ischemic preconditioning: pathophysiologic and clinical aspects of cardioprotection in patients with coronary disease

Full Text

Проблема повышения устойчивости сердца к ишемическим и реперфузионным повреждениям, несомненно, является одной из наиболее актуальных в современной клинической медицине. Необратимые повреждения кардиомиоцитов при ишемии/реперфузии возникают достаточно быстро и нередко - у больных с ишемической болезнью сердца при эндоваскулярной реканализации. В связи с этим изучение молекулярных механизмов адаптационных феноменов, повышающих устойчивость сердца к ишемии и реперфузии, приобретает особую актуальность, особенно в пред- и постоперационном периоде. Сегодня благодаря проведенным в последние десятилетия экспериментальным и клиническим исследованиям мы располагаем убедительной доказательной базой успешного применения протективного эффекта гипоксии в клинической практике. Адаптация к гипоксии и ишемическое прекондиционирование: этапы формирования В России к 1960-м годам гипоксия рассматривалась как важнейшее выражение общей патологии, приводящей к повреждению клеток, вызываемых разными физическими, химическими и биологическими факторами [1]. Проявления гипоксии существенно варьируют в зависимости от этиологического фактора, темпа нарастания и продолжительности гипоксического состояния, степени гипоксии, реактивности организма. Однако результаты экспериментальных исследований, проведенных в последующие годы по изучению гипоксии, показали, что кратковременное воздействие умеренных степеней гипоксии формирует новый функционально-метаболический статус организма, который не только обеспечивает его приспособление к недостатку кислорода, но и обладает широким спектром защитных эффектов, повышает общую неспецифическую резистентность организма, способствует развитию адаптации к разного рода неблагоприятным воздействиям [2-4]. Установлено, что развитие адаптации к условиям гипоксии и повышение общей неспецифической резистентности организма существенно ускоряются в том случае, когда гипоксическое воздействие разделяется на несколько отдельных повторных периодов гипоксической экспозиции, когда сила и продолжительность гипоксического воздействия ограничиваются той физиологической нормой, при которой еще возможны эффективная компенсация происходящих функциональных сдвигов и быстрое восстановление после прерывания гипоксии [5]. Однако чрезмерная по интенсивности и длительности гипоксия может быть стартовым процессом для возникновения ишемии - более грозного состояния. Как это ни кажется парадоксальным, многочисленными экспериментальными и клиническими исследованиями было доказано, что гипоксия, приводящая к кратковременным сублетальным ишемическим эпизодам, может оказывать адаптационное действие. Применительно к сердцу экспериментально установлено, что кратковременная ишемия миокарда в условиях гипоксии запускает каскад целого ряда биохимических процессов в кардиомиоцитах, которые приводят к активации внутриклеточных сигнальных систем, запускающих защитные адаптационные механизмы, позволяющие миокарду лучше адаптироваться к последующим эпизодам более продолжительной ишемии. В 1952 г. Г.Селье [6] показал, что адаптация к одному экстремальному воздействию может обеспечивать повышение толерантности организма и к другим экстремальным факторам, такой феномен получил название «перекрестный эффект адаптации». Эти данные были подтверждены многими исследователями. Так, например, адаптация к иммобилизационному стрессу обеспечивает повышение устойчивости организма крыс к холоду [7] и гипоксии [8]. Адаптация к иммобилизационному стрессу [8, 9] или холоду [10] повышает толерантность сердца к аритмогенному действию ишемии и реперфузии. Также установлено, что адаптация к периодической гипоксии обеспечивает повышение толерантности сердца к действию ишемии и реперфузии [11-13]. Установление длительного сохранения протективного эффекта адаптации к гипоксии [8, 12, 14-17] способствовало заметной активации исследований в этом направлении. В результате из экспериментальных лабораторий в клиническую кардиологию пришло представление об ишемических синдромах. Разные степени ишемии, сопровождающиеся последовательно совмещенными или разнесенными по времени адаптационно-дезадаптационными этапами, сегодня известны в кардиологии как «ишемическое прекондиционирование» (метаболическая адаптация), «гибернация миокарда» (функциональная адаптация), «оглушенность миокарда» (биологическая реабилитация) [18]. Ишемическое прекондиционирование применительно к континууму процесса ишемизации следует рассматривать как наиболее эффективное адаптивное состояние, которое при последующей длительной ишемии способствует лучшему «выживанию» кардиомиоцитов, уменьшению размеров миокардиального некроза, сохранению функциональной способности левого желудочка, снижению риска развития желудочковых аритмий, а также уменьшению реперфузионного повреждения миокарда и ослаблению станнировании и постишемической дисфункции эндотелия [19-21]. Таким образом, раннее представление о гипоксии только как о факторе повреждения претерпело существенные изменения - использование умеренной гипоксии или ее повторных кратковременных гипо-ксических воздействий является патогенетически обоснованным и клинически перспективным в целях увеличения адаптационного резерва организма, лечения и профилактики патологических состояний, обусловленных недостатком кислорода. Механизмы формирования протективного эффекта гипоксии и ишемического прекондиционирования Феномен адаптации к гипоксии много лет глубоко изучался и разрабатывался зарубежными и отечественными исследователями, особый вклад в развитие этого направления был сделан отечественной школой профессора Ф.З.Меерсона (1981 г.). Ф.З.Меер-соном и его учениками изучались механизмы и особенности адаптационных реакций разных органов, в том числе сердца, а также организма в целом, путем дробного стрессирования, повышение резистентности жизненно важных его систем к повреждающему действию ишемии с помощью тренирующих воздействий средне- и высокогорной гипоксии. В этих исследованиях изучался вопрос и о том, какие условия, возникающие к моменту повторного действия раздражителя, позволяют снизить его стрессогенный эффект. Описанное профессором [3, 4] повышение резистентности организма с целью профилактики стрессорных повреждений легло в основу сформулированной им концепции о механизме адаптации организма к разным факторам окружающей среды. По определению Ф.З.Меерсона, в начале воздействия на организм любого фактора среды закономерно возникает стресс-реакция. Ее роль состоит в том, что она потенцирует формирование системного структурного следа, составляющего основу специфической адаптации к конкретному фактору или ситуации среды [22]. В процессе развития адаптации к любому фактору среды определяются два основных этапа: начальный этап - «срочная», но несовершенная адаптация и последующий этап - «долговременная», устойчивая адаптация. Начальный этап адаптационной реакции - срочной - возникает непосредственно после начала действия раздражителя, который является стрессорным, так как предъявляет дополнительные требования к организму, вызывает потребность в адаптации, включении новых приспособительных механизмов. В результате возникают две цепи явлений: 1. Мобилизация функциональной системы, которая доминирует в адаптации к данному конкретному фактору, например к физической нагрузке, холоду, недостатку кислорода. 2. Совершенно неспецифическая, возникающая при действии любого нового или сильного раздражителя стандартная активация стресс-реализующей системы. Главными результатами активации стресс-реализующей системы являются. 1) мобилизация энергетических ресурсов организма и их перераспределение с избирательным направлением в органы и ткани функциональной системы адаптации; 2) потенциация работы самой этой системы; 3) формирование структурной основы долговременной адаптации. Ведущая роль в этих процессах принадлежит катехоламинам и кортикостероидам. В целом эта срочная стадия характеризуется максимальной по уровню гиперфункцией систем, ответственных за адаптацию, утратой функционального резерва систем, явлениями чрезмерной стресс-реакции и повреждения [8, 22]. Долговременный этап адаптации возникает постепенно и формируется на основе многократной реализации срочной адаптации. Переход срочной адаптации к долговременной характеризуется активацией в ответ на дефицит богатых энергией фосфорных соединений синтеза нуклеиновых кислот и белков. Активация синтеза нуклеиновых кислот приводит к формированию структурных изменений, которые принципиально увеличивают мощность систем, ответственных за адаптацию. Это составляет основу перехода от срочной адаптации к долговременной - решающий фактор формирования системного структурного следа. В процессе формирования долговременной адаптации увеличивается физиологическая функция клеток систем, ответственных за адаптацию, увеличивается скорость транскрипции РНК на структурных генах ДНК в ядрах этих клеток. Увеличение количества информационной РНК приводит к увеличению количества программированных этой РНК рибосом и полисом, в которых интенсивно протекает процесс синтеза клеточных белков, которые «делают структуры», а структуры «делают» функцию. Масса структур возрастает, и происходит увеличение функциональных возможностей клетки, а именно мощности структур, ответственных за управление, ионный транспорт, энергообеспечение, увеличиваются масса и функциональные возможности клеточных структур, лимитирующих интенсивность их работы. Повышение функциональной мощности модуляторных стресс-лимитирующих систем препятствует чрезмерной активации стресс-системы и, соответственно, реализации повреждающих эффектов избыточных концентраций стресс-гормонов. Стресс-лимитирующие системы могут быть подразделены на центральные, главная задача которых состоит в ограничении и активации центральных звеньев стресс-системы, и периферические, действие которых направлено на повышение устойчивости клеточных структур конкретных систем и органов к повреждениям [22, 23]. Ограничение активности стресс-реализующих механизмов прежде всего достигается за счет усиления выделения центральных тормозных медиаторов, таких как дофамин, серотонин, глицин и особенно g-аминомасляная кислота (Ф.З.Меерсон, 1980), что приводит к снижению повреждающего воздействия стресс-фактора на органном, клеточном и молекулярном уровне. Еще одним из механизмов ограничения стресс-индуцированных повреждений является активация синтеза высокоактивных защитных стресс-белков теплового шока, которые помогают клетке пережить стрессовые ситуации. Синтез белков теплового шока (heat-shock proteins - HSP) резко увеличивается в ответ на разнообразные повреждения клеток. Они участвуют в восстановлении, «ремонте» белков, поврежденных, с неправильной конформацией в результате неблагоприятных воздействий, ограничивают протеолиз, стабилизируют сигнальные рецепторы, способствуют работе репаразной системы, индуцируя программы, устраняющие повреждения в клетке или сами поврежденные клетки. В условиях стресса HSP взаимодействуют с рецепторами стероидных гормонов и блокируют избыточное воздействие этих гормонов на клетки [22]. Не менее важным компонентом естественной профилактики стрессорных повреждений является антиоксидантная система, непосредственно защищающая клеточные мембраны от повреждающего действия свободных радикалов. Главными элементами защиты организма от действия токсических факторов метаболизма кислорода являются антиоксидантные ферменты - супероксиддисмутаза, каталаза, глютатионпероксидаза, расщепляющие главные активные формы кислорода. Стимуляция антиоксидантных механизмов защиты организма способствует ограничению свободнорадикального окисления при стрессе. Таким образом, от степени выраженности стресс-реализующих и стресс-лимитирующих систем и характера их взаимодействия зависят развитие общего адаптационного синдрома и его исход, на основе сбалансированности этих систем организм имеет возможность противостоять длительному действию стрессорных факторов. Причины, непосредственно обусловливающие возникновение и развитие состояния гипоксии, могут быть как внешнего (изменение газового состава среды, подъем на высоту, затруднение легочного дыхания), так и внутреннего характера (функциональная недостаточность или патологические изменения жизненно важных органов, резкие изменения обмена веществ, сопровождающиеся увеличением кислородного запроса тканей, действие ядов и вредных продуктов обмена и т.д.) [5, 24]. Проявления гипоксии под воздействием разных этиологических факторов могут значительно варьировать в зависимости от темпа нарастания и продолжительности гипоксического состояния, степени гипоксии, реактивности организма. Возникающие в организме изменения представляют собой совокупность непосредственных последствий воздействия гипоксического фактора, вторично возникающих нарушений, а также развивающихся компенсаторных и приспособительных реакций. В ходе гипоксического воздействия может возникать нелетальная ишемия, которая способствует развитию адаптации к гипоксии на основе формирования состояния прекондиционирования. Состояние ишемического прекондиционирования можно представить как сложный каскад внутриклеточных событий, которые вызывают повышенную устойчивость миокарда к последующей, более выраженной ишемии. В последние годы протективный эффект ишемического прекондиционирования широко используется в клинической, кардиохирургической практике, а также на основе моделирования ишемического прекондиционирования появилась возможность использования его в программах восстановительной медицины. Когда действующий на организм этиологический фактор достигает чрезвычайной интенсивности и длительности, требуемая приспособительная реакция оказывается неосуществимой, эффективная функциональная система и системный структурный «след» в ней не формируются. В такой ситуации данная реакция приводит не к адаптации, а наоборот, к формированию патогенеза, следствием которого являются многочисленные стрессорные заболевания. Механизм повышения устойчивости к длительной ишемии после серии повторных кратковременных эпизодов нефатальной ишемии-реперфузии, индуцированных гипоксией, происходит в 2 периода: ранний (классическое прекондиционирование) и поздний, получивший название «второе окно защиты». Ранний - защищает миокард в интервале от нескольких минут до 2 ч. Поздний - развивается через 12-24 ч после адаптационного воздействия и длится до 72 ч [25, 26]. Основная причина снижения гибели прекондиционированных миоцитов - уменьшение энергетического запроса, который проявляется снижением скорости катаболизма макроэргических фосфатов, уменьшением осмотической перегрузки и внутриклеточного ацидоза. Замедление развития этих патогенных факторов ишемии, каждый из которых неизбежно сопровождает гибель клеток, хорошо согласуется с отсрочкой необратимого повреждения миокарда. В развитии феномена ишемического прекондиционирования основную роль играют АТФ-зависимые калиевые каналы, расположенные как на сарколемальной, так и на митохондриальной мембранах кардиомиоцитов. При возникновении ишемии АТФ-зависимые калиевые каналы в кардиомиоцитах открываются, это приводит к ряду внутриклеточных реакций и сложных механизмов, которые позволяют более длительно сохранять аденозитрифосфат (АТФ) в клетке, т.е. уменьшать потребление энергии, расходуя ее более экономно. Как следствие - кардиомиоциты могут более длительное время поддерживать жизнедеятельность в условиях ишемии [27, 28]. Другой причиной является образование свободнорадикальных форм кислорода (супероксид-аниона и гидроксильного радикала) и перекиси водорода во время коротких ишемических и реперфузионных стимулов. Предполагают, что их полезное, а не повреждающее действие связано с ингибированием активности АТФаз и ферментов, использующих АТФ, т.е. с энергосберегающими эффектами [29, 30]. Увеличение продукции активных форм кислорода, модифицирующих структуру белка, повышающих окислительную деструкцию, является одним из факторов, стимулирующих усиление синтеза ключевых ферментов антиоксидантной защиты (супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза), энергетического обмена (глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, креатинфосфокиназа), индуцибельной iNO-синтазы и HSP, которые удаляют модифицированные, необратимо поврежденные белки, способствуя их протеолизу, защищают структуру, участвуют в процессах репарации, таким образом обеспечивая конформационную стабильность клеточных белков. HSP и повышенная активность iNO-синтазы, которые обнаруживаются в миокарде даже спустя сутки после начала реперфузии, являются маркерами ишемического повреждения и посредниками прекондиционирования [31, 32]. Таким образом, короткие периоды ишемии и реперфузии вызывают заметные изменения в активности ферментов и метаболизме. Сохранение этих изменений увеличивает толерантность миокарда к последующему длительному ишемическому стрессу, обеспечивая лучшее выживание кардиомиоцитов в условиях сниженного обеспечения энергетическими субстратами и кислородом, что является важным для кардиологических больных. Существование «второго окна защиты», или позднего ишемического прекондиционирования - более медленного адаптационного ответа миокарда, отчасти можно объяснить теми же механизмами, которые являются ведущими в формировании долгосрочной адаптации. Быстро индуцируемые классическим прекондиционированием механизмы являются необходимым звеном для индукции отсроченных геномзависимых механизмов, благодаря которым развивается полноценный протективный эффект ишемического прекондиционирования. Механизмы этой формы ишемического прекондиционирования обязательно включают экспрессию генов, синтез HSP и iNO-синтазы. Активация HSP играет ключевую роль в повышении устойчивости миокарда к последующей длительной ишемии [33-35]. Таким образом, механизмы формирования защитного действия классического прекондиционирования очень схожи с процессами, происходящими при формировании адаптации к гипоксии, они связаны с изменениями внутриклеточного обмена, но сопровождаются более мощной активацией систем, ответственных за адаптацию, так как интенсивность стрессорного фактора индуцировала ишемию. HSP в механизмах формирования долгосрочной адаптации и ишемического прекондиционирования HSP играют существенную роль в работе клетки, отвечая за: 1) образование третичной и четвертичной структур некоторых вновь синтезированных белков; 2) транслокацию белков через мембраны разных органелл клеток; 3) разборку олигомерных белковых комплексов; 4) регуляцию протеолиза нестабильных белков; 5) контроль биологической активности регуляторных белков, в том числе транскрипционных факторов [28]. Характерным клеточным проявлением стресса являются активация свободнорадикальных процессов, нарушение структуры внутриклеточных и мембраносвязанных белков, агрегация и накопление денатурированных белков и кальциевая перегрузка. Как оказалось, HSP, и прежде всего HSP70, могут ограничивать эти сдвиги, дизагрегируя аномальные белковые агрегаты, участвуя в деградации необратимо поврежденных белков, повышая мощность антиоксидантных ферментов и ограничивая повреждающие эффекты кальциевой перегрузки за счет связывания рецептора кальция - кальмодулина. В условиях стресса синтез HSP70 резко увеличивается [26, 27]. При этом большинство HSP70 после стресса накапливаются в наиболее уязвимых участках клетки, а именно: в первые 4-5 ч - в ядре, а затем перинуклеарной, присарколеммальной зонах и вдоль актиновых филаментов (W.Welch, J.Suhan, 1986). Смысл накопления HSP в ядре после повреждения клетки заключается в защите генетического материала, в частности, нормализации формирования рибосом в поврежденном ядре, предупреждении агрегационных процессов при фолдинге белков в условиях значительного накопления первичных полипептидов, восстановлении нормальной структуры миофибриллярного аппарата в цитоплазме. В постстрессорный период HSP70 участвуют в дисагрегации комплекса с восстановлением нормальной структуры белка или с окончательной деградацией поврежденных полипептидов, являясь составной частью клеточной системы репарации, защищая процессы биосинтеза белка и структурную целостность клеточных пептидов [28]. Таким образом, HSP70 играют значительную роль в повышении устойчивости к повреждающим воздействиям клеточного аппарата биосинтеза белка, необходимого для быстрого восстановления мембранных белков, к которым, в частности, относятся белки ионных каналов, рецепторные белки, ферменты [29]. Высокая концентрация HSP связана с поддержанием активного состояния сенситизации ряда ферментов, таких как фосфолипаза С и аденилатциклаза, т.е. в процессе адаптации эти ферменты приобретают способность повышать свою активность не только в ответ на внешний стрессорный стимул, но и при действии внутриклеточных факторов. Таким образом, за счет внутриклеточного механизма самоусиления клетки приобретают способность отвечать на стрессорный сигнал многократной активаций генов и накоплением белков, что доказано в экспериментальных исследованиях [30]. Современный уровень лабораторной диагностики позволяет определять самые ранние и более чувствительные маркеры гипоксии и ишемии, к которым можно отнести и HSP. Уровень HSP возрастает очень быстро и достигает диагностически значимого уровня в течение короткого времени, что дает возможность оценить возникновение миокардиальной ишемии до момента развития необратимого повреждения клетки. Это особенно важно для клинической практики, когда можно использовать чувствительные маркеры для подтверждения гипоксического состояния у больных с кардиоваскулярной патологией, у которых степень гипоксии не всегда можно оценить клинически. Заключение Проведенные в последнее десятилетие экспериментальные и клинические исследования представили убедительную доказательную базу успешного применения протективного эффекта гипоксии в клинической практике. Большинство адаптивных стратегий гипоксической терапии используют одни и те же основные сочетающиеся процессы, направленные на поддержание кислородного гомеостаза с повышением устойчивости к недостатку кислорода, в том числе и путем снижения потребности в нем. Таким образом, сегодня благодаря экспериментальным и клиническим исследованиям по изучению внутриклеточных функционально-метаболических механизмов адаптации к гипоксии и ишемии появилась реальная возможность значительно шире использовать знания о механизмах формирования адаптационных синдромов в клинической практике, а также для разработки новых научно обоснованных эффективных медицинских технологий в лечебно-профилактических программах кардиореабилитации. Данное направление является перспективным и активно разрабатываемым, так как дает возможность расширения лечебно-профилактических программ.

About the authors

N. P Liamina

V.I.Razumovskiy Saratov State Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation

Email: lyana_n@mail.ru
410012, Russian Federation, Saratov, ul. Bol'shaia Kazach'ia, 112

E. V Kotelnikova

V.I.Razumovskiy Saratov State Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation

410012, Russian Federation, Saratov, ul. Bol'shaia Kazach'ia, 112

E. S Karpova

V.I.Razumovskiy Saratov State Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation

410012, Russian Federation, Saratov, ul. Bol'shaia Kazach'ia, 112

E. A Biziaeva

V.I.Razumovskiy Saratov State Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation

410012, Russian Federation, Saratov, ul. Bol'shaia Kazach'ia, 112

S. V Liamina

A.I.Evdokimov Moscow State Medical and Dental University of the Ministry of Health of the Russian Federation

127473, Russian Federation, Moscow, ul. Delegatskaia, d. 20, str. 1

References

Supplementary files