оксид азота для тренировок
Применение ингаляций оксида азота при первичной легочной гипертензии
*Пятилетний импакт фактор РИНЦ за 2020 г.
Читайте в новом номере
НИИ Пульмонологии МЗ РФ, Москва
Больная С., 43 лет, поступила в октябре 2000 г. в НИИ пульмонологии МЗ РФ с жалобами на одышку при умеренной физической нагрузке (ходьба до 200 м), сердцебиение, повышенную утомляемость, слабость.
Из анамнеза известно, что впервые небольшая одышка при физической нагрузке появилась в 1974 г., а с 1996 г. изредка стали возникать эпизоды синкопе. За медицинской помощью больная не обращалась, не обследовалась. С 1998 г. стали беспокоить приступы учащенного сердцебиения, сопровождающиеся давящей болью за грудиной, усилилось диспное, резко снизилась толерантность к физической нагрузке.
При осмотре: состояние тяжелое, цианоз губ, пастозность стоп. Границы легких перкуторно не изменены, при аускультации дыхание везикулярное, хрипы не выслушиваются, ЧДД 16 в минуту. Границы сердечной тупости несколько расширены влево (на 1,5 см), при аускультации выслушивается систолический шум вдоль левого края грудины, акцент II тона над точкой легочной артерии, ЧСС 86 в минуту, тоны ритмичные, АД 130/80 мм рт.ст. Живот мягкий, безболезненный при пальпации, печень не пальпируется.
Рентгенография органов грудной клетки: легочные поля прозрачные, легочный рисунок обеднен по периферии легочных полей, корни легких расширены, в прямой проекции по левому контуру выбухает II дуга, увеличение тени сердца за счет правого желудочка.
ЭКГ: синусовый ритм, резкое отклонение электрической оси сердца вправо, признаки перегрузки правого предсердия и гипертрофии правого желудочка.
ФВД: нормальная бронхиальная проходимость, небольшое снижение воздушного потока по мелким бронхам (MСВ25-75 = 66% от должного).
Исследование вентиляционно-перфузионного дисбаланса: P(A-a)O2 – 36 мм рт. ст., истинный шунт QS/QT (на фоне дыхания 100% О2) – 7%.
Допплерэхокардиография: систолическая регургитация в полость правого предсердия III cтепени; систолическое давление в легочной артерии повышено (расчет по скорости трикуспидальной регургитации) – 75 мм рт.ст.
Учитывая практически нормальные показатели ФВД при наличии клинических и инструментальных признаков высокой легочной гипертензии и при умеренных нарушениях газообмена, решено было применить более инвазивные методы диагностики для исключения пороков сердца и тромбоэмболической формы легочной гипертензии.
Ангиопульмонография: значительное расширение основного ствола легочной артерии и ее крупных ветвей, резкое сужение периферических ветвей легочных артерий с обеих сторон по типу синдрома “обгоревшего дерева”; данных за эмболию и пороки сердца не получено.
Катетеризация правых отделов сердца (Swan Ganz катетер): давление в легочной артерии 89/35 мм рт. ст. (в норме до 30/12 мм рт.ст.); среднее давление в легочной артерии 56 мм рт. ст. (в норме до 16 мм рт.ст.), давление в правом предсердии 4 мм рт.ст. (в норме 4-5 мм рт.ст.); давление заклинивания в легочной артерии 9 мм рт.ст. (в норме до 12 мм рт.ст.); сердечный индекс 4,2 л/мин (в норме 4-7 л/мин); легочное сосудистое сопротивление 895 дин/с/см5 (в норме 50-120 дин/с/см5), индекс ударной работы правого желудочка 24,9 г.м/м2 (в норме до 10 г.м/м2).
Гистологическое исследование ткани легких (торакоскопическая видеосопровождаемая биопсия): гипертрофия медии, пролиферация и фиброз интимы вплоть до полного сужения сосудов – признаки плексогенной легочной артериопатии (рис. 1).
Рис. 1. Гистологическая картина ткани легких
Учитывая данные проведенных исследований, был поставлен диагноз: Первичная легочная гипертензия, плексиформная артериопатия, НК II.
Для оценки ответа на терапию вазодилататорами был проведен тест с ингаляционным NO. Последовательно назначались дозы NO 5, 10, 20 и 40 ppm. Эффект терапии оценивался по динамике показателей систолического давления в легочной артерии и сердечного выброса, измеряемых при помощи эхокардиографического метода, показателей системного артериального давления и газового состава артериальной крови. Максимальный эффект от терапии NO был получен при использовании концентраций 10 и 20 ppm: снижение легочного систолического давления более 30%, повышение PaO2, при умеренном снижении сердечного выброса и неизменных значениях системного артериального давления (рис. 2).
Рис. 2. Применение NO при первичной легочной гипертензии
В дальнейшем больной в ходе стационарного лечения (14 дней) проводилась терапия оксидом азота через носовые канюли в дозе 20 ppm. Эффективность оказалась довольно высокой: значительно уменьшилась одышка, выросла толерантность к физическим нагрузкам, снизилось давление в легочной артерии (в конце курса терапии систолическое легочное АД 61 мм рт.ст.), повысилась оксигенация артериальной крови (перед выпиской 78 мм рт.ст.).
ПЛГ является редким заболеванием (заболеваемость 1 случай на 2 млн в год), которым чаще страдают женщины молодого возраста, хотя оно может наблюдаться у мужчин, детей и у пожилых. Причиной повышенного давления в легочной артерии становятся изменения мелких сосудов легких, что приводит к повышению сопротивления кровотоку в этих сосудах [8]. Повышенное легочное сопротивление, в свою очередь, ведет к повышению нагрузки на правый желудочек, с его последующей гипертрофией, дилатацией, и в конечном итоге, развитию сердечной недостаточности.
При первичной легочной гипертензии описано несколько гистологических типов сосудистых изменений: гипертрофия медии, фиброз интимы, плексиформные, тромботические и вено-окклюзионные изменения. Данная патология не специфична для ПЛГ, так как может наблюдаться и при многих формах вторичной легочной гипертензии [4]. Часто перечисленным изменениям сопутствуют гипертрофия и гиперплазия гладких мышц легочных артерий, что также вносит существенный вклад в повышение легочного сосудистого сопротивления.
ПЛГ является очень сложным заболеванием как с точки зрения диагностики, так и лечения, что отражает недостаточно изученные механизмы заболевания. Кроме того, данное заболевание ассоциировано с крайне плохим прогнозом: средняя выживаемость больных через 5 лет от момента диагностики ПЛГ составляет около 21% [4].
К основным клиническим симптомам заболевания относятся прогрессирующая одышка при физическом напряжении, загрудинные ангинозноподобные боли, также чаще всего связанные с физической нагрузкой, изредка – кровохарканье. Появление синкопальных состояний считается неблагоприятным прогностическим признаком, свидетельствующем о снижении церебрального кровотока.
Следует подчеркнуть, что для постановки диагноза ПЛГ необходимо исключить вторичные причины легочной гипертензии, такие как тромбоэмболическая болезнь, врожденные пороки сердца, паренхиматозные заболевания легких, синдромы нарушения дыхания во время сна, системные заболевания соединительной ткани, легочные васкулиты, применение различных препаратов и субстанций (анорексигенные препараты, L-триптофан, токсическое рапсовое масло, кокаин), ВИЧ-инфекция, портальная гипертензия [10].
Выбор лекарственных препаратов, доступных для терапии ПЛГ, в настоящее время довольно ограничен. Системные вазодилататоры, такие как антагонисты кальция (АК), могут приводить к снижению артериального давления в легочной артерии и улучшению функции правого желудочка. У больных, “отвечающих” на прием антагонистов кальция снижением легочного давления, прогноз значительно лучше, чем у больных, не реагирующих на данный класс препаратов [4]. При ПЛГ используются очень высокие дозы АК: 40-180 мг нифедипина или 120-360 мг дилтиазема [1]. К сожалению, лишь 20-30% больных имеют положительный ответ на вазодилататоры. Серьезным препятствием для подбора эффективной дозы АК при ПЛГ является развитие значительных побочных эффектов: системной гипотензии и тахикардии. Для неотвечающих больных необходим подбор других препаратов.
Одним из наиболее мощных и эффективных препаратов для терапии больных ПЛГ является простациклин (PGI2), который назначается в виде длительной (годами!) внутривенной инфузии. Кроме снижения давления в системе легочной артерии, препарат обладает также антипролиферативным и антиагрегантным эффектами, что препятствует развитию ремоделирования сосудистой стенки. Длительная терапия простациклином приводит к улучшению клинических симптомов, увеличению толерантности к физическим нагрузкам, повышению качества жизни и выживаемости больных [2]. Однако простациклин обладает большим количеством побочных эффектов (диарея, головокружение, сыпь, боли в конечностях, гипотензия). Внутривенный путь введения препарата также существенно затрудняет его широкое использование: наличие центрального катетера часто ведет к развитию таких осложнений, как инфекции и тромбозы. Еще одним недостатком препарата является его высокая стоимость: годовой курс терапии простациклином стоит около 25 тыс долларов США.
В связи с перечисленными недостатками простациклина все большее значение придается альтернативным методам терапии легочной гипертензии, к числу которых относится и оксид азота.
Мощный вазодилатирующий эффект и возможность обеспечения селективного действия на сосуды малого круга при ингаляционном пути введения NO очень быстро привлекли внимание исследователей к данной молекуле. В настоящее время как селективный вазодилататор NO активно используется при таких состояниях, как острый респираторный дисстресс-синдром, легочная гипертензия новорожденных, легочная гипертензия после операций на сердце, эмболия легочной артерии, первичные и вторичные формы легочной гипертензии.
Изначально при ПЛГ NO отводилась роль агента, позволяющего оценить реактивность сосудов легких, т.е. выявить больных, положительно отвечающих на вазодилататоры, что, как уже подчеркивалось, имеет важное прогностическое значение. Снижение тонуса сосудов легких может наблюдаться через несколько секунд от начала ингаляции NO. В нескольких исследованиях было показано, что острые тесты с ингаляционным NO позволяют выявить больных, которые реагируют на пероральные антагонисты кальция с точностью до 90% [9]. В то же время тест с NO более безопасен по сравнению с нифедипином или дилтиаземом (частота развития побочных эффектов при остром тесте с АК достигает 38%: системная гипотензия, шок и даже летальные исходы!). Кроме того, острый тест с NO занимает гораздо меньше времени (10-40 мин) по сравнению с пробой с АК ( до 6-8 часов). При проведении теста с NO обычно используют возрастающие концентрации 5, 10, 20, 40 ppm, время ингаляции во время каждого этапа не превышает 10 минут [8]. В нашем случае максимальный эффект наблюдался при концентрации NO 20 ppm, по данным ранее проведенных исследований чаще всего используются дозы от 10 до 40 ppm.
Другим перспективным направлением использования ингаляционного NO при ПЛГ является длительное назначение данного газа с лечебной целью. Число таких исследований пока очень мало. В нашем случае ингаляционная терапия NO в течение 14 дней привела к выраженному положительному клиническому эффекту, что позволяет в перспективе рекомендовать данный вид терапии больным с ПЛГ в условиях стационара. Техника назначения NO довольна проста, возможно назначение газа через носовые канюли, либо через лицевую маску, однако для точного титрования дозы необходимо использование мониторинга вдыхаемой смеси при помощи анализаторов NO/NO2. Необходимо также обратить внимание на такие технические детали, как использование регуляторов давления из нержавеющей стали и калибровка флоуметра для NO, а также на меры безопасности при терапии NO: контроль метгемоглобина крови пациента в первые дни лечения и контроль в контуре системы и в окружающем воздухе концентрации NO2 (токсичного метаболита реакции взаимодействия NO и O2), которая не должна превышать 2 ppm.
Имеются сообщения о длительном амбулаторном назначении NO больным ПЛГ: описано двое пациентов, получавших данный вид терапии в течение 9 месяцев и 1,5 лет. В обоих случаях ингаляция NO оказалась безопасным и высокоэффективным методом терапии больных ПЛГ [3, 6]. В настоящее время в нескольких центрах США и Европы планируется проведение долгосрочных исследований эффективности длительной терапии NO.
Литература:
1. Чазова И.Е. Современные подходы к лечению легочного сердца. //Рус Мед Журн, 2000; 8(2): 83-6.
2. Barst RJ, Rubin LJ, McGoon MD, et al. Survival in primary pulmonary hypertension with long-term continuous intravenous prostacyclin. //Ann Intern Med 1994; 121:409-15
3. Channick RN, Newhart JW, Johnson FW, et al. Pulsed delivery of inhaled nitric oxide to patients with primary pulmonary hypertension. An ambulatory delivery system and initial clinical tests. //Chest, 1996; 109: 1545-9.
4. Groechenig E. Cor pulmonale. Treatment of pulmonary hypertension. Blackwell Science, Berlin- Vienna, 1999; 146.
5. Ignarro LJ. Biological actions and properties of endothelium-derived nitric oxide formed and released from artery and vein. //Circ Res, 1989; 65: 1-21
6. Koh E, Niimura J, Nakamura T, et al. Long-term inhalation of nitric oxide for a patient with primary pulmonary hypertension. //Jpn.Circ.J., 1998; 62: 940-2.
7. Rubin LJ. ACCP Consensus Statement: primiry pulmonary hypertension. //Chest, 1993; 104: 236-50.
8. Sitbon O, Brenot F, Denjean A, et al. Inhaled nitric oxide as a screening vasodilator agent in primary pulmonary hypertension. //Am J Respir Crit Care Med, 1995; 151: 384-9
9. Sitbon O, Humbert M, Jagot J, et al. Inhaled nitric oxide as a screening agent for safely identifying responders to oral calcium-channel blockers in primary pulmonary hypertension. //Eur Respir J, 1998; 12: 265-70.
10. Voelkel NF, Tuder RM. Severe pulmonary hypertensive diseases: a perspective. //Eur Respir J, 1999; 14: 1246-50.
Оксид азота для тренировок
Научно-исследовательский институт скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, Москва
Российский научный центр восстановительной медицины и курортологии Минздравсоцразвития, Москва
Некоторые молекулярные эффекты физических упражнений
Журнал: Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры. 2014;91(6): 62-67
Долгов И. М., Бадтиева В. А. Некоторые молекулярные эффекты физических упражнений. Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры. 2014;91(6):62-67.
Dolgov I M, Badtieva V A. Certain molecular effects of physical exercises. Voprosy kurortologii, fizioterapii, i lechebnoi fizicheskoi kultury. 2014;91(6):62-67.
Научно-исследовательский институт скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, Москва
Научно-исследовательский институт скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, Москва
Российский научный центр восстановительной медицины и курортологии Минздравсоцразвития, Москва
В многочисленных исследованиях, например таком крупном, как исследование Aerobics Center Longitudinal Study (более 25 тыс. мужчин и 7 тыс. женщин, прослеженных в среднем в течение 8 лет), подтверждено, что физическая активность является основой снижения влияния всех факторов риска и уменьшения летальности, в том числе и от сердечно-сосудистых причин [2].
Регулярные аэробные упражнения улучшают функцию сердечно-сосудистой системы не только у здоровых субъектов, но и у пациентов с ИБС [3, 4]
В последние 15-20 лет выясняются генные и молекулярные механизмы, лежащие в основе этих влияний, и то, каким образом физические нагрузки модифицируют ход этих процессов.
Физические тренировки и дисфункция эндотелия
В условиях недостаточного количества субстрата (L-аргинина), повышения уровня асимметричного диметиларгинина (ингибитора синтеза) либо снижения уровня кофакторов (тетрагидробилптерин) результатом деятельности eNOS вместо молекул NO становятся активные формы кислорода (супероксид). Очевидно, что такое изменение направления синтеза приводит к нарушению контроля сосудистого тонуса. В экспериментах показано, что физические нагрузки увеличивают содержание тетрагидробиоптерина, снижают концентрацию асимметричного диметиларгинина [9] и восстанавливают нормальную функцию eNOS.
Биодоступность NO также зависит от количества активных форм кислорода. В экспериментальных и клинических исследованиях установлено, что физические тренировки увеличивают сосудистую экспрессию антиоксидантных энзимов (таких, как супероксиддисмутаза, глютатионпероксидаза) [11] и уменьшают экспрессию энзимов, связанных с продукцией активных форм кислорода (НАДФ-оксидаза, ксантиноксидаза) [12]. Физические нагрузки в течение четырех недель снижают экспрессию рецепторов к ангиотензину II, которые, в частности, регулируют активность НАДФ-оксидазы [13].
Влияние физических нагрузок на функцию эндотелия коронарных артерий подтверждено в клинических исследованиях: тренировки на выносливость в течение четырех недель вызывали существенный (до 80%) прирост кровотока по коронарным артериям в ответ на введение ацетилхолина [17, 18].
Физические тренировки и регуляция сосудистого тонуса
В настоящее время выявлен ряд механизмов, участвующих в регуляции сосудистого тонуса, в том числе эндотелий-зависимая потокиндуцированная вазодилатация, миогенный контроль и метаболическая вазодилатация. Вклад каждого из этих механизмов в вазодилатацию коронарных артерий различен и зависит от диаметра сосуда. Эндотелий-зависимая дилатация наиболее выражена в артериях диаметром до 150 мкм, миогенный и метаболический контроль доминирует в резистивных артериях меньшего диаметра [19, 20].
Метаболическая регуляция сосудистого тонуса обеспечивает соответствие коронарной перфузии (концентрации кислорода) метаболизму миокарда. Предполагается, что имеются кислородные (метаболические) сенсоры, сопряженные с эффекторными механизмами, влияющими на тонус сосудов [24]. Основную роль в метаболической вазодилатации отводят аденозину. Установлено, что содержание аденозина в межклеточной жидкости является необходимым условием адекватного кровоснабжения здорового сердца [25]. Аденозин легко проходит через мембрану кардиомиоцита в межклеточное пространство и вызывает расслабление мышечных клеток в стенках коронарных артерий. При регулярных физических нагрузках увеличивается содержание и активность фермента нуклеотидазы, участвующей в гидролизе АМФ, что ведет к образованию дополнительного количества аденозина и возрастанию защитного «дилатационного» потенциала коронарного русла [26].
Миогенная регуляция сосудистого тонуса (эффект Бейлиса-Остроумова) основана на реакции гладкомышечных клеток сосудов на растяжение. Колебания АД изменяют растяжение стенки и гладкомышечных клеток сосудов. При повышении АД растяжение гладкомышечных клеток возрастает, но в ответ на растяжение происходит их сокращение и тонус артерий возрастает, они суживаются, сосудистое сопротивление увеличивается. Благодаря этому механизму повышение АД сопровождается сокращением гладкой мускулатуры артериол органов, в результате чего не допускается гиперперфузия органов. Напротив, при снижении АД растяжение стенки сосудов ослабевает, гладкие мышцы сосудов расслабляются, что позволяет поддерживать региональное кровообращение в этих условиях. В физиологических условиях миогенный тонус определяется кальциевыми каналами L-типа и активностью протеинкиназы С [27]. Повышенный миогенный тонус у тренированных животных обусловлен изменением экспрессии протеинкиназы С, что в итоге увеличивает количество внутриклеточного кальция [28].
Влияние физических тренировок на ангиогенез и артериогенез
Происходит протеолиз эластических компонентов сосудистой стенки, внесосудистого матрикса и неделящихся гладкомышечных клеток. Такая контролируемая деструкция структурных препятствий обеспечивает предпосылки к росту коллатеральных сосудов [38]. Вырабатываемые эндотелиальными клетками компоненты увеличивают мобилизацию и привлечение прогениторных клеток костного мозга в зону артериогенеза.
Физические нагрузки увеличивают диаметр больших и малых артериол. Эксперименты на животных и клинические наблюдения показывают значительную корреляцию между регулярностью нагрузок и увеличением диаметра коронарных артерий. В экспериментальных исследованиях показано, что физические нагрузки значимо увеличивают поперечное сечение коронарного русла. Аналогичные эффекты наблюдаются и в скелетных мышцах. Хорошо известно, что тренировки на выносливость увеличивают капиллярные русла у животных и человека [39, 40].
Физические тренировки и микроциркуляция
Оксид азота в организме образуется четырьмя изоформами нитроксидсинтазы, одной из которых является эритроцитарная нитроксидсинтаза (RBC-NOS). В экспериментах было показано, что постоянная деформация сдвига активирует RBC-NOS и увеличивает продукцию NO [41].
Влияние физических нагрузок на репаративные процессы в миокарде
Взрослое сердце млекопитающих долгое время рассматривалось как постмитотический орган, который имеет относительно постоянное число кардиомиоцитов, прекращающих деление после рождения. В ответ на функциональный стресс сердце может лишь увеличивать свою мышечную массу (миокард) за счет клеточной гипертрофии.
Работами последних лет показано, что принципиально существуют две возможности реализации репаративных процессов в миокарде: за счет эндогенных стволовых клеток сердца и ЭПК, мобилизуемых из костного мозга.
Обнаружение в миокарде взрослых особей резидентных стволовых/прогениторных клеток стало новым шагом в биологии сердца. Подтверждается гипотеза о том, что эти клетки, трансформируясь в кардиомиоциты, участвуют в процессе гипертрофии миокарда при физических нагрузках [44].
Положительное влияние физических упражнений заключается не только в снижении факторов риска, но и в прямом воздействии на структуру и функцию сердца, в том числе образование кардиомиоцитов [45]. Показано, что физические тренировки на тредмиле приводят к активации стволовых/прогениторных клеток с формированием новых кардиомиоцитов и микрокапилляров, т.е. физиологическая адаптация сердца к стрессу, обусловленному физическими нагрузками, является комбинацией гипертрофии и гиперплазии кардиомиоцитов [46].
Заключение
Конфликт интересов отсутствует.
Концепция и дизайн: В.Б., И.Д.
Сбор и обработка материалов, написание текста: И.Д.
Эндотелий и оксид азота
Дина Гайнуллина, Светлана Софронова, Ольга Тарасова
«Природа» №9, 2014
Об авторах
Дина Камилевна Гайнуллина — кандидат биологических наук, научный сотрудник кафедры физиологии человека и животных биологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, специалист в области физиологии кровообращения. Область научных интересов — особенности регуляции сосудистой системы в раннем постнатальном онтогенезе.
Светлана Ивановна Софронова — аспирант той же кафедры, занимается проблемами гормональной регуляции синтеза эндотелиального оксида азота.
Ольга Сергеевна Тарасова — доктор биологических наук, профессор той же кафедры и ведущий научный сотрудник лаборатории физиологии мышечной деятельности ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем РАН», специалист в области кровообращения и автономной нервной системы. Область научных интересов — взаимодействие системных и локальных механизмов регуляции сердечно-сосудистой системы.
Тонус кровеносных сосудов и уровень артериального давления в организме регулируются слаженной работой многих систем и механизмов, среди которых важную роль играет эндотелий сосудов. Секреция оксида азота (NO) — одна из ключевых функций эндотелиальных клеток, а их дисфункцию при различных заболеваниях врачи часто связывают с уменьшением продукции NO. Каковы же современные представления о работе этой системы? Попытаемся ответить на этот вопрос в нашей статье.
История вопроса
Слой клеток, выстилающий все кровеносные и лимфатические сосуды, а также сердечные полости, впервые описал в 1847 г. Т. Шванн как «отчетливо различимую мембрану», которую спустя 18 лет В. Гис назвал эндотелием. В сравнительно крупных сосудах (артериях и венах) этот слой служит барьером между кровью и гладкомышечными клетками, а стенки мельчайших сосудов, капилляров, целиком построены из эндотелиальных клеток. Их общее количество очень велико: в теле взрослого человека суммарная масса превышает 1 кг!
В 50–60-х годах XX в. ученые, вооружившись электронным микроскопом, в деталях описали строение эндотелия, однако его роль в регуляции функций сердечно-сосудистой системы оставалась неясной. Вплоть до 1980 г. эндотелий считался лишь селективно проницаемым барьером между кровью и сосудистой стенкой, хотя уже в то время было известно, что он способен выделять вещества, препятствующие свертыванию крови.
Начало современным представлениям о функциях эндотелия было положено в 1980 г., когда Р. Фарчготт и Дж. Завадски обратили внимание на его роль в регуляции тонуса сосудов [1]. В элегантных экспериментах исследователи доказали, что такое вещество, как ацетилхолин, вызывает расслабление препаратов аорты, изолированных из организма кролика, только при наличии эндотелия. Это наблюдение оказалось столь важным, что впоследствии Фарчготт стал одним из лауреатов Нобелевской премии (1998). В наше время зависимая от эндотелия реакция сосудов в ответ на ацетилхолин и другие вещества описана в огромном количестве научных работ, выполненных на самых различных артериальных сосудах — не только крупных, но и мелких, регулирующих кровоснабжение органов (рис. 1).
Рис. 1. Кривые, иллюстрирующие эксперименты на двух сегментах мелкой артерии, приносящей кровь к коже задней конечности мыши. Как и в опытах Фарчготта и Завадски [1], препараты предварительно сокращали норадреналином, а затем добавляли ацетилхолин. Видно, что норадреналин вызывает сокращение сосудов вне зависимости от наличия эндотелия. Однако добавление ацетилхолина приводит к расслаблению сегмента только с интактным эндотелием, на сегмент же с поврежденным эндотелием оно влияния не оказывает
К 1986 г. выяснилось, что расслабление гладкой мышцы сосудов вызывает именно оксид азота (NO), который выделяется из эндотелия под действием ацетилхолина. Как же за такое короткое время (всего шесть лет) удалось вычленить NO из длинного ряда других претендентов на роль посредника между эндотелием и гладкой мышцей сосудов? Дело в том, что еще за 10 лет до знаменитой работы Фарчготта и Завадски было изучено сосудорасширяющее действие NO. Ведь к тому времени уже 100 лет нитроглицерином (он служит источником молекул NO) лечили стенокардию, возникающую из-за спазмов сосудов сердца. Идентичность эндотелиального расслабляющего фактора и NO установили и по таким показателям, как чрезвычайная нестабильность (особенно в присутствии активных форм кислорода), инактивация при взаимодействии с гемоглобином и родственными белками, а также способность вызывать сходные биохимические изменения в гладкомышечных клетках сосудов.
Кроме оксида азота в клетках эндотелия синтезируются и другие вещества, влияющие на тонус сосудов, кровоснабжение тканей и артериальное давление [3]. Так, помощниками NO в расслаблении сосудов могут быть простациклин (простагландин I2) и эндотелиальный гиперполяризующий фактор. Доля их участия зависит от пола и вида животного, типа сосудистого русла и размеров сосуда. Например, действие NO сильнее проявляется в сравнительно крупных сосудах, а гиперполяризующего фактора — в более мелких.
В эндотелии образуются не только сосудорасширяющие вещества, но и сосудосуживающие: некоторые простагландины, тромбоксан, пептиды эндотелин-1 и ангиотензин II, супероксиданион. В здоровом организме секреторная активность эндотелия направлена на продукцию сосудорасширяющих факторов. Но при различных заболеваниях (системной или легочной гипертензии, ишемии миокарда, сахарном диабете и т. д.) или в здоровом организме при старении секреторный фенотип эндотелия может меняться в сторону сосудосуживающих влияний [3].
Несмотря на многообразие регуляторных механизмов, зависимых от эндотелия, его нормальную функцию чаще всего связывают со способностью секретировать NO. Когда при заболеваниях эндотелий изменяет свои свойства, врачи называют такое состояние дисфункцией эндотелия, подразумевая при этом уменьшение продукции NO. В связи с такой важностью NO мы рассмотрим современные представления о его регуляторной роли, сначала в норме, а затем при некоторых формах сосудистой патологии.
Синтез и регуляция NO в эндотелии
В природе синтез оксида азота может протекать по различным путям. Так, в тропосфере он образуется из O2 и N2 под действием грозовых разрядов, в растениях — благодаря фотохимической реакции между NO2 и каротиноидами, а в организме животных — при взаимодействии нитритов и нитратов с белками, содержащими атомы металлов (например, с гемоглобином). Все перечисленные реакции идут без участия биологических катализаторов — белков-ферментов, поэтому контролировать скорость сравнительно трудно. Однако в организме животных основное количество NO как регулятора физиологических процессов образуется под действием специальных ферментов NO-синтаз (NOS), а источником атома азота служит аминокислота L-аргинин [4, 5].
Существует несколько разновидностей (изоформ) NO-синтаз, которые кодируются разными генами. В 1990 г. из мозга крысы выделили нейрональную форму фермента (nNOS). Чуть позже в клетках иммунной системы (макрофагах) обнаружили индуцибельную NOS (iNOS), а в эндотелии — эндотелиальную NOS (eNOS). Еще одна изоформа NOS локализуется в митохондриях, она регулирует процессы клеточного дыхания. Поскольку в синтезе NO участвует большое число кофакторов, все изоформы фермента имеют для них специфические участки связывания. Каждая молекула NOS состоит из двух одинаковых половинок. Для их объединения в димер необходим кофактор тетрагидробиоптерин. При его недостатке eNOS переключается на продукцию активных форм кислорода (супероксид-аниона и Н2О2), что может приводить к повреждению эндотелия и других клеток сосудистой стенки.
Две изоформы фермента — eNOS и nNOS — называют конститутивными, потому что они всегда присутствуют в клетках и синтезируют NO в относительно небольших (по сравнению с iNOS) количествах, причем активность этих изоформ регулируется физиологическими стимулами. В отличие от них, iNOS постоянно синтезируется лишь в некоторых клетках, например в макрофагах, а в эндотелиальных, нервных и многих других появляется лишь в ответ на внешние, в основном воспалительные, стимулы (например, элементы клеточных стенок бактерий — бактериальные липополисахариды). Активная iNOS продуцирует NO в 1000 раз быстрее, чем eNOS и nNOS. Макрофаги используют такие большие количества NO для умерщвления возбудителей перед тем, как их уничтожить.
Таким образом, основная NO-синтаза в сосудистой стенке — eNOS, и содержится она преимущественно в эндотелии. Транскрипцию гена eNOS в гладкомышечных клетках предотвращают специальные механизмы, например метилирование «стартового» участка. Синтаза связывается с наружной мембраной эндотелиальной клетки в особых впячиваниях, кавеолах, где сосредоточено большое количество регуляторных молекул (различных ионных каналов и рецепторов). Такая «фиксация» фермента обеспечивает его функциональную связь с рецепторами и каналами, что облегчает регуляцию активности eNOS. В кавеолах локализуется белок кавеолин, который тормозит активность фермента в отсутствие побуждающих стимулов.
Фосфорилирование по сайту Thr495 уменьшает активность фермента. Такое негативное влияние может усиливаться при некоторых патологических состояниях — окислительном стрессе, сахарном диабете и др. Напротив, при некоторых нормальных физиологических воздействиях фосфат удаляется (т. е. происходит дефосфорилирование Thr495), благодаря чему повышается сродство eNOS к Са 2+ и, следовательно, увеличивается ее активность. Таким образом, интенсивность работы eNOS в эндотелиальных клетках может динамично регулироваться уровнем Са 2+ и фосфорилированием / дефосфорилированием под действием разных протеинкиназ. Это в конечном счете обеспечивает тонкую регуляцию синтеза оксида азота и, соответственно, его физиологических эффектов на сердечно-сосудистую систему.
Механизмы расслабления гладкомышечных клеток
Каким же образом NO, секретируемый эндотелиальными клетками, вызывает расширение сосудов? Сокращение всех типов мышечных клеток обеспечивается взаимодействием двух белков — актина и миозина, причем моторная активность последнего в гладкомышечных клетках проявляется только после его фосфорилирования. Это подразумевает наличие большого числа регуляторных механизмов, влияющих на сократительную активность гладкомышечной клетки, к числу которых относится и оксид азота [7].
Протеинкиназа G активирует некоторые типы калиевых каналов, что вызывает гиперполяризацию (сдвиг мембранного потенциала в сторону более отрицательных значений) гладкомышечных клеток, закрывает управляемые потенциалом кальциевые каналы наружной мембраны и тем уменьшает вход Ca 2+ в клетку. Кроме того, этот фермент в активном состоянии подавляет выброс Са 2+ из внутриклеточных депо, а также способствует его удалению из цитоплазмы. Это тоже уменьшает концентрацию Са 2+ и расслабляет гладкие мышцы.
Физиологическая регуляция продукции NO
Рис. 3. Схема влияния фосфорилирования молекул eNOS на активность этого фермента. Под действием нормальных стимулов (напряжения сдвига, многих гормонов, физиологической гипоксии и др.) такие протеинкиназы, как Akt, АМФ-активируемая (АМПК) и протеинкиназа А (ПКА), осуществляют фосфорилирование по серину-1177 (Ser117; левая часть схемы). В результате эндотелиальная NO-синтаза активируется, что приводит к синтезу NO. С другой стороны, гипергликемиия, активные формы кислорода, окисленные липопротеиды или медиаторы воспаления действуют на протеинкиназу С (ПКС), которая фосфорилирует треонин-495 (Thr495). При этом активность eNOS уменьшается, а следовательно, сокращается и продукция оксида азота. Таким образом, интенсивность работы eNOS в эндотелиальных клетках может регулироваться разными протеинкиназами
Важную роль в чувствительности эндотелия к напряжению сдвига играет гликокаликс. Это покрывающий клетки слой полимерных молекул углеводной природы, толщина которого может составлять несколько микрометров и даже превышать толщину самого эндотелия [8]. Поскольку «кустики» гликопротеидов растут внутрь просвета сосуда, именно они в первую очередь испытывают действие потока крови. Деформируясь, волокна гликокаликса передают сигнал мембранным белкам и далее — eNOS. Хотя этот механизм пока изучен мало, о его важности говорит тот факт, что нарушение реакции сосудов на напряжение сдвига при различных заболеваниях (атеросклерозе, сахарном диабете и др.) сопряжено с «облысением» эндотелия, т. е. с уменьшением толщины и изменением структуры гликокаликса.
Повышение скорости кровотока ведет к активации эндотелиальной NO-синтазы и к расширению сосудов, а подобные длительные или многократные воздействия увеличивают содержание этого фермента в эндотелии. На этом основано благотворное влияние физических упражнений: известно, что с помощью тренировки можно значительно улучшить работу эндотелия без применения лекарств! Однако следует отметить, что такое полезное влияние оказывают не любые упражнения. Во-первых, нагрузка должна сопровождаться повышением скорости кровотока в работающих мышцах, как это происходит при быстрой ходьбе, беге или езде на велосипеде, а силовые упражнения с гирями такого влияния не оказывают. Во-вторых, нельзя тренироваться через силу: при чрезмерных нагрузках резко повышается секреция основного гормона стресса, кортизола, который снижает активность eNOS.
Дополнительную активацию эндотелиальной NO-синтазы при физической нагрузке обеспечивает протеинкиназа, активируемая аденозинмонофосфатом (АМФ), которая содержится почти во всех клетках нашего организма, в том числе и в эндотелиальных. Этот фермент называют «сенсором энергетического статуса клеток», потому что он активируется, когда в цитоплазме клетки повышается отношение АМФ / АТФ, т. е. расход энергии начинает превышать ее образование. В эндотелии артерий, расположенных внутри интенсивно сокращающихся скелетных мышц, это может происходить в результате гипоксии — мышечные клетки потребляют много О2, и его не хватает эндотелию сосудов. Кроме того, недавно было показано, что активация этой протеинкиназы в эндотелиальных клетках возможна при увеличении напряжения сдвига, т. е. при усилении притока крови к работающим мышцам. Активированная протеинкиназа фосфорилирует eNOS по сайту Ser1177, продукция NO увеличивается и сосуды расширяются.
Врачи-кардиологи хорошо знают, что путем регулярных физических тренировок можно улучшить функцию эндотелия не только в скелетных мышцах и сердце, которые при работе интенсивно снабжаются кровью, но и в органах, напрямую не задействованных в тренировке, — в головном мозге, коже и т. д. Это говорит о том, что помимо влияния потока крови на эндотелий имеются и другие механизмы регуляции эндотелиальной NO-синтазы. Среди них ведущая роль принадлежит гормонам, которые продуцируются железами внутренней секреции, транспортируются кровью и распознают клетки-мишени в различных органах по наличию специальных белков-рецепторов [9].
Из гормонов, которые могут влиять на функцию эндотелия при физической нагрузке, отметим гормон роста (соматотропный гормон), который секретируется гипофизом. Как сам по себе, так и через свои посредники, инсулин-подобные факторы роста, гормон роста увеличивает образование эндотелиальной NO-синтазы и ее активность.
Наиболее известный пример гормональной регуляции функций эндотелия — это влияние женских половых гормонов, эстрогенов. Исходно такое представление сформировалось благодаря эпидемиологическим наблюдениям, когда выяснилось, что по какой-то причине женщины детородного возраста по сравнению с мужчинами меньше страдают от сосудистых нарушений, связанных с дисфункцией эндотелия. Более того, у женщин его способность продуцировать NO меняется в течение менструального цикла, причем в первой половине, когда концентрация эстрогенов в крови высокая, расширение сосудов, зависимое от эндотелия, более выражено. Эти наблюдения послужили толчком к проведению многочисленных экспериментов на животных. Так, удаление яичников у самок крыс уменьшало содержание и активность эндотелиальной NO-синтазы в артериях разных органов (головного мозга, сердца, скелетных мышц, почек, кишечника и др.), а введение таким самкам эстрогенов способствовало нормализации нарушенной функции. Влияние эстрогенов на активность eNOS связано с активацией протеинкиназы Akt, а повышение синтеза eNOS — с их воздействием на геном эндотелиальных клеток.
Интересно, что нарушение реакций артерий мозга обнаружили и в экспериментах с удалением половых желез у самцов, хотя семенники секретируют не эстрогены, а андрогены, мужские половые гормоны. Этот парадокс стал понятным, когда в эндотелии артерий мозга обнаружили ароматазу — фермент, превращающий андрогены в эстрогены. Таким образом, защитное влияние эстрогенов на эндотелий сосудов может иметь место и у особей мужского пола. Однако в данном случае следует говорить о локальной регуляции, которая обеспечивается эстрогенами, образующимися непосредственно в сосудистой стенке.
Известно, что гормоны щитовидной железы играют ключевую роль в дифференцировке тканей в развивающемся организме. Но их влияние не сводится лишь к ускорению или замедлению протекающих процессов, а зачастую имеет программирующий характер. Это означает, что при недостатке гормонов щитовидной железы в определенном критическом возрасте клетки не смогут превратиться в полноценно функционирующие, даже если вводить гормоны на последующих этапах жизни (у человека гормональная терапия эффективна лишь в течение первых месяцев после рождения). Механизмы программирующего влияния гормонов щитовидной железы подробно изучены лишь для нервной системы, а для остальных систем — значительно хуже. Вместе с тем хорошо известно, что гипотиреоз у матери во время беременности служит, помимо прочего, фактором риска развития у ребенка сердечно-сосудистых заболеваний. Интересно, что в артериях детенышей крыс в первые недели после рождения выявляются повышенные уровни рецепторов тиреоидных гормонов, а также фермента дейодиназы, который превращает тироксин (тетрайодтиронин) в более активный трийодтиронин. На основании этих наблюдений заманчиво предположить, что гормоны щитовидной железы могут оказывать программирующее влияние и на эндотелий сосудов. Насколько это верно, покажут будущие исследования.
Механизмы нарушения секреции NO эндотелием
К сожалению, возможности эндотелия наших сосудов обеспечивать продукцию NO не безграничны. Активность регуляторных систем организма высока в молодом и зрелом возрасте, но снижается при старении под влиянием целого ряда факторов. Во-первых, лишь немногие пожилые люди могут примерить к себе высказывание древнегреческого философа Аристотеля: «Жизнь требует движения». Во-вторых, с возрастом угасает деятельность многих гормональных систем: снижается секреция гормона роста и половых гормонов, «засыпает» щитовидная железа. В-третьих, происходят изменения в метаболизме всех клеток. В частности, энергетические станции клетки, митохондрии, начинают в большом количестве продуцировать активные формы кислорода, которые инактивируют NO, а также подавляют активность и снижают содержание эндотелиальной NO-синтазы. Видимо, возрастные изменения эндотелия нельзя предотвратить, но их можно замедлить, увеличивая подвижность, ограничив потребление высококалорийной пищи (это также повышает активность протеинкиназы, активируемой АМФ), используя заместительную гормональную терапию (например, у женщин после наступления менопаузы) или антиоксиданты, разработка которых была и остается приоритетным направлением геронтологии [10].
Почему же синтез NO в эндотелии сосудов нарушается при различных патологиях? Здесь возможны два типа изменений: быстрые (снижение активности NO-синтазы в эндотелии), и долговременные — уменьшение ее содержания в клетках. Мы не будем рассматривать различные заболевания в отдельности, а перечислим общие для них механизмы зловредного влияния на работу eNOS. Снижение активности этого фермента при заболеваниях, как правило, связано с повышением его фосфорилирования по сайту Thr495, обусловленным увеличением активности протеинкиназы С. Ее мощный активатор — диацилглицерол. В норме он — вторичный посредник в передаче сигнала от многих мембранных рецепторов [6], но его чрезмерное накопление в эндотелиальных клетках ведет к патологии.
Ярким примером подобных изменений может быть такое заболевание, как сахарный диабет, при котором нарушение синтеза или же действия инсулина на клетки приводит к повышенной концентрации глюкозы в крови [11]. Поскольку транспорт глюкозы в эндотелий не регулируется инсулином (в отличие от клеток скелетных мышц, сердца, жировой ткани и некоторых других), сахар там накапливается и становится субстратом для синтеза диацилглицерола, который и активирует протеинкиназу С.
Маркером многих сердечно-сосудистых патологий служит уже упоминавшийся окислительный стресс. Повышенное образование активных форм кислорода характерно и для сахарного диабета, и для атеросклероза, и для многих форм артериальной гипертензии. При этих состояниях часто наблюдается высокая активность ренин-ангиотензиновой системы, а ангиотензин II — мощный провокатор окислительного стресса, который, с одной стороны, снижает активность eNOS (например, окисленные липопротеиды низкой плотности могут активировать протеинкиназу С), а с другой, уменьшает экспрессию гена eNOS, что также сокращает продукцию NO. Применение антиоксидантов или веществ, препятствующих образованию или действию ангиотензина II (ингибиторов ангиотензин-превращающего фермента или блокаторов ангиотензина II), почти всегда усиливает образование NO. Надо сказать, что уменьшение продукции оксида азота при заболеваниях может быть связано не только с прямым влиянием на eNOS. Так, действие глюкокортикоидов на эндотелий снижает содержание не только самого фермента, но и его кофактора, тетрагидробиоптерина.
Нарушение работы эндотелиальной NO-синтазы может быть связано с недостатком ее основного субстрата — L-аргинина. Как правило, эта аминокислота поступает в организм с пищей в достаточном количестве и, кроме того, может непосредственно синтезироваться во взрослом организме. Однако аргинин помимо NO-синтаз служит субстратом для многих других ферментов, в частности аргиназы, которая располагается в различных типах клеток, в том числе и в эндотелии сосудов. При сахарном диабете, окислительном стрессе, а также при воспалительных процессах под действием секретируемых клетками иммунной системы цитокинов (фактора некроза опухоли и др.) содержание аргиназы в эндотелии повышается.
Наконец, в организме людей и других животных могут появляться ингибиторы эндотелиальной NO-синтазы, например диметиларгинин. Этот «ложный субстрат» эндотелиальной NO-синтазы конкурирует с истинным субстратом, L-аргинином, за активный центр фермента. В норме диметиларгинин образуется в организме лишь в небольших количествах (у взрослого человека
60 мг/сут), однако при самых различных патологиях кровообращения (артериальной гипертензии, атеросклерозе, коронарной недостаточности и т. д.) его продукция существенно растет, а активность эндотелиальной NO-синтазы, соответственно, снижается.
Итак, оксид азота — это важный регуляторный фактор, посредством которого эндотелий оказывает расслабляющее действие на соседствующие с ним гладкомышечные клетки, вызывая расширение сосудов и сглаживая нежелательные повышения артериального давления на системном уровне. Пока эндотелий сохраняет способность секретировать NO в достаточном для решения этих задач количестве, о состоянии сосудистой системы можно не беспокоиться.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект НК 14-04-31377 мол-а.
Литература
1. Furchgott R. F., Zawadzki J. V. The obligatory role of endothelial cells in the relaxation of arterial smooth muscle by acetylcholine // Nature. 1980. V. 288. P. 373–376.
2. Мелькумянц А. М., Балашов С. А. Механочувствительность артериального эндотелия. Тверь, 2005.
3. Медведева Н. А., Гаврилова С. А., Графов М. А. и др. Секреторная функция эндотелия как фактор регуляции сосудистого тонуса в норме и при патологии сердечно-сосудистой системы // Росс. физиол. журн. им. И. М. Сеченова. 2001. Т. 87. № 11. С. 1518–1526.
4. Ванин А. Ф. Оксид азота — регулятор клеточного метаболизма // Соросовский образовательный журн. 2001. № 11. С. 7–12.
5. Bruckdorfer R. The basics about nitric oxide // Mol. Aspects Med. 2005. V. 26. № 1–2. P. 3–31.
6. Балезина О. П. Многоликий кальций // Природа. 2012. № 9. С. 14–21.
7. Гайнуллина Д. К., Кирюхина О. О., Тарасова О. С. Оксид азота в эндотелии сосудов: ругуляция продукции и механизмы действия // Успехи физиол. наук. 2013. Т. 44. № 4. С. 88–102.
8. Мелькумянц А. М. О роли эндотелиального гликокаликса в механогенной регуляции сопротивления артериальных сосудов // Успехи физиол. наук. 2012. Т. 43. № 4. С. 45–58.
9. Duckles S. P., Miller V. M. Hormonal modulation of endothelial NO production // Pflugers Arch. 2010. V. 459. P. 841–851.
10. Скулачев В. П. Попытка биохимиков атаковать проблему старения: «Мегапроект» по проникающим ионам. Первые итоги и перспективы // Биохимия. 2007. Т. 72. № 12. С. 1572–1586.
11. Болеева Г. С., Мочалов С. В., Тарасова О. С. Функциональные изменения артериальных сосудов при экспериментальном сахарном диабете 1 типа // Успехи физиол. наук. 2014. Т. 45. № 2. С. 20–36.
* Кальцитонин-ген-родственный пептид (Calcitonin Gene Related Peptide) образуется из того же гена, что и кальцитонин, при альтернативном мРНК-сплайсинге в мозге и периферической нервной системе.
** Номера остатков приведены в соответствии с расположением в молекуле eNOS человека.