[174]
Глава 9.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ГИБЕЛИ И ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТКИ
Мы обсудили механизмы и последствия повреждения некоторых частей программного и исполнительного аппарата клетки.
Перейдем теперь к интегральному рассмотрению процесса повреждения клетки.
И здесь, прежде всего, надо договориться о терминах, связанных с описанием этого процесса.
Согласно точке зрения, принятой большинством современных патофизиологов, функционирование живых клеток представляет собой реализацию определенных генетических программ применительно к ограничивающим условиям, связанным с влиянием внешней среды и микроокружения. В многоклеточном организме этот процесс контролируется различными местными и системными биорегуляторами (см. выше). Интактная клетка находится в неком стабильно-динамическом состоянии гомеореза, поддерживая оптимальный метаболический уровень, соответствующий текущим требованиям среды.
При стимуляции различными сигналами (рис.33) клетка может перейти на новый уровень интенсивности своего функционирования, не снижая своей жизнеспособности. При этом ее функциональные резервы уменьшаются, но остаются достаточно существенными. Интенсивность метаболизма и функционирования клеточных структур увеличивается. Если это не сопровождается ограничением поставки или относительной нехваткой необходимых метаболитов, то гомеорез сохраняется на новом стабильно-динамическом уровне и повреждений не возникает. В общем виде, такой ответ может быть назван клеточной адаптацией. Включаются новые программы и происходит учащенное считывание старых. Это приводит к увеличению синтеза и сборки органоидов. Результатом является увеличение размера клетки и числа функционирующих структур в ней — то есть адаптация в форме гипертрофии. Примером может служить увеличение массы миокарда и диаметра кардиомиоцитов при гиперфункции сердца, сопровождаемое внутриклеточным увеличением числа миофибрилл, митохондрий и других исполнительных элементов, полиплоидизацией клеточных ядер.
В ряде случаев управляющий сигнал позволяет клетке включить программу деления и происходит адаптация в форме пролиферации клеток с увеличением их числа — гиперплазии. Так, при дефиците йода и пониженном синтезе гормонов щитовидной железы тиреотропный гормон гипофиза, секретируемый в ответ на гипотиреоз, стимулирует пролиферацию тиреоцитов и развитие зоба (Т.Кохер, 1909). Если адаптационные возможности недостаточны или, если применяемые для адаптации и защиты программы, вследствие своего несовершенства, сами порождают вторичные нарушения, следует повреждение клетки.
Судьба клетки, претерпевающей повреждение, может быть различной.
Процессы, предшествующие гибели клетки, и представляющие собой начальные, обратимые [175] стадии ее повреждения именуются паранекрозом. Паранекроз рассматривают как начальный этап повреждения клетки. Некоторые изменения, свойственные паранекрозу, например, повышение сорбционных свойств цитоплазмы, отмечаются и при адаптации клеток к действию физиологических раздражителей.
Понятие «паранекроз» введено в цитопатологию в 1940 году Д.Н.Насоновым и В.Я.Александровым. Авторы указывали на ряд неспецифических признаков паранекроза, включая внутриклеточный ацидоз, исчезновение гранул гликогена, набухание клеток и потерю ими калия и фосфатов, усиленную люминесценцию клеточных ядер, диффузное распределение суправитальных красителей в цитоплазме и ядре. По современным представлениям, последний признак отражает повышение проницаемости лизосомальной мембраны и вряд ли может во всех случаях трактоваться, как ранний. Тем не менее, положения о паранекрозе, как обратимой ранней стадии более длительного и глубокого процесса клеточного повреждения сохраняют свою значимость и поныне. Иногда паранекроз характеризуют как «преднекроз» (Е.Ц.Лушнинов 1981). Глубокая, частично необратимая стадия повреждения клетки, непосредственно предшествующая моменту ее смерти именуется некробиозом. Некробиоз иногда отождествляется с собственно процессом гибели клетки. По И.В.Давыдовскому: некробиоз — это процесс отмирания клеток.
Некробиоз, по сути, острый процесс. Для обозначения затяжного течения некробиоза, которое наблюдается в клетках, относительно устойчивых к гипоксии, применяется предложенный Хюбнером термин «патобиоз». Примером патобиоза могут служить изменения тканей при индуративном отеке и при «траншейной стопе». По цитологическим критериям клетку принято считать погибшей, если в ней отмечены конденсация ядра (кариопикноз) с последующим его растворением (кариолизис) или распадом на конденсированные глыбки (кариорексис). Указанные изменения ядра не всегда стадийны, и могут быть альтернативны. По биохимическим критериям клетка считается погибшей с момента полного прекращения производства свободной энергии (А.Ленинджер, 1978).[176]
Посмертные изменения необратимого характера, заключающиеся в постепенном ферментативном разрушении клетки и денатурации ее белков, называются некрозом. Некроз, впервые описанный Р.Вирховом в 1859г., это результат процесса умирания, деструкция клетки после полного прекращения ее жизнедеятельности (И.В.Давыдовский, 1967; Р.Котран и соавт. 1995). Соотношение понятий некробиоз и некроз может быть демонстративно показано на примере огнестрельных ран. В военно-полевой хирургии принято различать вокруг раневого канала зону первичного некроза — умершие к моменту первичной хирургической обработки ткани, подлежащие иссечению, а также более обширную и локализованную периферийнее «зону молекулярного сотрясения», клеточные элементы которой, по существу, находятся в некробиозе и жизнеспособны, но впоследствии могут частично формировать очаги вторичного некроза, если некробиотический процесс прошел точку необратимости. Ю.А.Владимиров употребляет термин «некроз» как синоним «гибели клеток или такого их повреждения, которое в условиях организма необратимо» (1994). Это расходится с трактовкой некроза, как посмертных изменений, принятой в большинстве руководств, и при таком подходе понятие некробиоза «повисает в воздухе». Поэтому, Ю.А.Владимиров использует термин некробиоз только по отношению к надклеточным системам для обозначения жизни органа, в котором «часть клеток погибла окончательно, а другие продолжают функционировать».
Некоторые вещества, известные в гистологии как фиксаторы, блокируют ферменты, участвующие в реализации некроза и обезвоживают клетку. Это препятствует некротической деструкции и делает клетки мертвыми, но лишенными морфологической картины некроза. Подобные изменения наблюдаются не только при консервации тканей в лаборатории, но и, частично, при естественной мумификации. Символично, что древние египтяне, стараясь остановить умирание, нашли средства, тормозящие посмертный некроз. Но консервация не есть бессмертие, так как некроз это процесс, относящийся к морфологическим изменениям, регистрируемым после гибели клетки, а не механизм самой гибели.
Выделяют две основные разновидности некроза — коагуляционный и колликвационный. При коагуляционномили сухом некрозе в клетке развивается выраженный ацидоз и идет коагуляция белков и выраженное накопление кальция с агрегацией элементов цитоскелета. Очаги такого некроза легко кальцифицируются. Ядро удаляется, а протеолиз блокируется или носит ограниченный характер, касаясь предшественников воспалительных медиаторов, вокруг возникает воспаление с выраженным отложением фибрина и фибриноидным набуханием межклеточного вещества. Данный тип некроза — самый частый. Он провоцируется тяжелой гипоксией в клетках миокарда при инфаркте, моделируется при действии концентрированной кислоты и высокой температуры на ткани. Считается, что этот тип некроза характерен для богатых белком и кальцием тканей и предусматривает ранние и серьезные повреждения митохондрий. Разновидность бактериального некроза с преобладанием коагуляции носит название сухой гангрены.
При колликвационном некрозе доминируют гидролитические процессы лизосомального аутолиза или гетеролиза при участии фагоцитов. Ткань размягчается, процессы коагуляции и фибринообразования менее выражены, отмечается значительное накопление активных гидроксильных радикалов и эндогенное омыление клеток, разрушающее мембраны. Не исключено, что данный тип некроза сопровождается менее значительным избытком кальция в клетках. Он отмечается в ткани мозга при инсульте, в тканях, богатых липидами, где может принимать характер жирового некроза (как при травме жировой клетчатки или панкреатогенном перитоните). Колликвационный некроз моделируется действием сильных щелочей, его элементы отмечаются при отморожениях. Бактериальные очаги некроза также часто дают колликвационную картину, так как лейкоциты [177] вызывают выраженные цитолитические процессы. Очаги колликвационного некроза являются основой для формирования кист и пустот. Разновидностью бактериального некроза с преобладанием колликвационного процесса является влажная гангрена.
Границы этих типов некроза не абсолютны, так как их механизмы, во многом, общие. Творожистый (казеозный) некроз при туберкулезе некоторые авторы считают комбинацией обоих типов некроза. Колликвационный элемент, по мнению Роббинса, вносится из-за богатства туберкулезных бугорков гидролазами лейкоцитов и липидами микобактерий. Как колликвационный процесс, казеоз может закончиться формированием каверн. Однако, классическая точка зрения относит казеоз к коагуляционному некрозу из-за плотного характера детрита и тенденции к кальцификации (И.В.Давыдовский). Казеозный некроз, как и близкий к нему гуммозный тип некроза, характерны для центральной части гранулём, обусловленных хроническим продуктивным воспалением в ходе гиперергических реакций замедленного типа (туберкулез, лепра, гистоплазмоз, коккцидиоз, сифилис). В центре гранулём происходит как аутолиз и гетеролиз клеток, так и отложение коагулятов и белковых депозитов, например, иммунных комплексов, что придает казеозу его двойственную специфику (см. раздел «Аллергия»).
Некробиоз с последующим некрозом — не единственный путь, приводящий к разрушению клеток в живом организме.
Рассматривая проблему клеточной гибели, можно использовать судебно-медицинскую терминологию, в частности, понятия естественной (рис.34) и насильственной смерти.
Все случаи клеточной гибели могут быть отнесены к одной из двух основных категорий, обозначаемых как насильственная и естественная (программируемая) клеточная гибель.
Насильственная гибель возникает как следствие лишения клеток источников питания и кислорода или необратимого подавления важнейших метаболических путей химическими и физическими факторами. Многообразие патогенных факторов, провоцирующих паранекроз и некробиоз, кажется безграничным. Неоценимое значение имеет тот факт, что вне зависимости от природы повреждающего фактора молекулярно-клеточные изменения, обнаруживаемые при гибели, в значительной степени стандартны. Убийственные для клеток факторы поддаются классификации и, на наш взгляд, принципиально важно различать гипоксическое повреждение клетки, механизм которого запускается любыми воздействиями, вызывающими более или менее продолжительное кислородное голодание и свободно-радикальное повреждение клетки, при котором она может подвергаться разрушению без первичной гипоксии, иногда даже в условиях избытка кислорода.
Указанные механизмы могут комбинироваться и взаимопроникать — так например, реперфузия или восстановление кровоснабжения [178] ишемизированного участка миокарда сопровождается продукцией активных кислородных радикалов в поврежденных на стадии ишемической гипоксии митохондриях. Эти радикалы вызывают деструкцию клеточных мембран и вносят вклад в некробиотические процессы, спровоцированные гипоксией.
При остром отравлении кислородом основным механизмом повреждения считается действие активных кислородных радикалов на мембраны. Однако, в финальной стадии повреждения деструкция митохондрий приводит к невозможности утилизовать кислород и развитию сопутствующей глубокой тканевой гипоксии. Хота между двумя основными паттернами насильственной гибели клетки нет никакой строго разделяющей «китайской стены», во многих случаях тот или иной механизм резко преобладает. Так, повреждение гепатоцитов четыреххлористым углеродом имеет, по преимуществу, свободно-радикальный механизм, а их некроз при шоковой печени — гипоксический.
При аутоиммунных процессах в организме насильственная гибель клеток может происходить и по механизму аутофагоцитоза с последующим гетеролизом клеток-мишеней внутри фагоцитов.
Физиологическая (программируемая) гибель интактной клетки имеет более сложную природу, чем смерть в результате дезинтеграции, так как она реализуется, по-видимому, путем индукции генной активности и синтеза специфических белков (факторов), способных выступать в качестве триггеров клеточной гибели. Соотношение паттернов клеточной смерти, затронутых в этом разделе, представлено на рис.34. Механизмы программируемой гибели клеток вкратце освещены ниже (см. раздел «Механизмы апоптоза»).
МЕХАНИЗМЫ ГИПОКСИЧЕСКОГО НЕКРОБИОЗА
Не будет преувеличением отметить, что самый частый и распространенный типовой патологический процесс — это гипоксия. В самом деле, если смерть организма, по определению, является стойким прекращением спонтанного кровообращения и дыхания, значит в конце любой смертельной болезни наступает, независимо от ее причин, острая гипоксия.
Стресс, как механизм неспецифической адаптации, увеличивает выживаемость при действии самых разных причин — от механической травмы до облучения и снижает неспецифически риск острой гибели, каковы бы ни были ее причины.
Откуда такой универсализм этого защитного процесса и на каких метаболических изменениях он основан? Внимательно рассматривая гормонально-метаболические сдвиги в фазу адаптации при стрессе, мы приходим к выводу, что данный процесс увеличивает транспорт кислорода и глюкозы в жизненно важные инсулинонезависимые ткани и органы. Это означает, что стресс защищает от крайне широкого круга патогенных факторов путем защиты от острой гипоксии (см. ниже раздел «Стресс».). Но это было бы невозможно, не будь последняя обязательным компонентом действия любого из этих патогенных факторов! Широкое применение глюкокортикоидов при лечении экстремальных состояний тоже обусловлено именно их антигипоксическим действием, хотя клиническая литература нередко избегает столь прямой характеристики и маскирует ее под традиционными эвфемизмами: дезинтоксикация, стабилизация мембран, повышение неспецифической резистентности. Трудно себе вообразить что-нибудь более неспецифическое в мире патологических процессов, чем острое кислородное голодание.
Авторы берут на себя ответственность за рискованное утверждение, что острая гипоксия присутствует чуть ли не при любом другом патологическом процессе, многих повреждениях клетки и, практически, при самом широком круге болезней (хотя бы для каких-то органов или клеток, и, если не в начале и не в середине процесса, то в конце-то уж точно).
Споря с этой точкой зрения, читатель может прибегнуть к парадоксальному вопросу — а как же смерть от избытка кислорода? [179]
И будет прав, в том смысле, что свободнорадикальное поражение клетки, действительно, отличается рядом особенностей (почему и рассматривается ниже отдельно). Однако, как уже указывалось ранее, деструкция клетки свободными кислородными радикалами при гипероксии все равно предусматривает на определенном этапе нарушение ими структуры и функции митохондрий и... тканевую гипоксию на фоне гипероксии.
Значение острой гипоксии для повреждения клетки усиливается тем фактом, что любой из ее многочисленных видов (коих, по классификации И.Р.Петрова и С.Н.Ефуни, имеется ровно 8: гипоксическая, дыхательная, гемическая, циркуляторная, гипероксическая, гипербарическая, тканевая, смешанная) при длительном существовании имеет тенденцию переходить в тканевую. Понятие «смешанная гипоксия» чаще всего расшифровывается как смешанная с тканевой.
Дело в том, что само длительное отсутствие кислорода нарушает работу митохондрий (см. раздел «Повреждение митохондрий») и делает их неспособными к тканевому дыханию.
Рассмотрим типовые особенности некробиоза при острой гипоксии клетки.
На начальном этапе (рис.35), при кислородном голодании любой этиологии в митохондриях снижается скорость аэробного окисления и окислительного фосфорилирования. Это ведет к понижению количества АТФ и возрастанию содержания аденозиндифосфата (АДФ) и аденозинмонофосфата (АМФ). Уменьшается коэффициент АТФ\ АДФ+АМФ. Снижаются функциональные возможности клетки, например, сократимость кардиомиоцитов, но для клетки это еще не смертельно.
При низком соотношении АТФ\ АДФ + АМФ активируется фермент фосфофруктокиназа (ФФК).
Это позволяет резко увеличить пропускную способность реакций анаэробного гликолиза. Клетка расходует гликоген, обеспечивая себя энергией за счет бескислородного распада глюкозы. [180]
Происходит адаптация к гипоксии и поставка энергии стабилизируется. Однако, это сопровождается истощением запасов гликогена в клетке. Морфологически, на этой стадии процесса в клетках отмечается исчезновение гликогеновых гранул и цитоплазма перестает прокрашиваться реактивом Шиффа — периодной кислотой.
На системном уровне в организме гипоксия провоцирует стресс и гормоны стресса — катехоламины и глюкокортикоиды — усиливают гликолиз, гликогенолиз, глюконеогенез и транспорт экзогенной глюкозы в наиболее жизненно важные органы и ткани.
Цена данной адаптации высока не только вследствие меньшей энергетической эффективности анаэробного пути (35%), по сравнению с аэробным (45%). Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. Если кислород доступен, то лактат можно окислить до конца. Острая гипоксия создает условия, когда содержание лактата и свободного фосфата в клетках (и в крови) значительно возрастает. Это вызывает в клетке ацидоз, и рН цитоплазмы понижается. Считается, что ацидоз, сам по себе, не разрушает клеточных мембран. Более того, его можно рассматривать а качестве защитной реакции клетки, т. к. снижение рН оказывает стабилизирующее действие на клеточные мембраны.
Однако, прогрессирующий ацидоз внутриклеточной среды может вызвать денатурацию некоторых белков и формирование в цитоплазме зерен, что, как считается, проявляется в появлении при гипоксии помутнения цитоплазмы (ср. термины «мутное набухание,» «зернистая дистрофия» применяемые в патологической анатомии для обозначения начальных степеней острой гипоксии органа). Изменение внутриклеточного рН по-видимому, лежит также в основе образования хроматиновых глыбок, формирование которых происходит достаточно быстро и легко обратимо. Усиленное освобождение лактата при гипоксии дает метаболический лактацидоз. Но наиболее фундаментальное значение для клетки имеет влияние ацидоза на ФФК. В зрелых клетках ФФК — кислотоугнетаемый фермент. Это лимитирует адаптацию: гипоксия усиливает гликолиз, гликолиз порождает ацидоз, ацидоз тормозит гликолиз! В этой стадии гипоксии, в клетке формируется настоящий дефицит АТФ, поскольку аэробный механизм не работает из-за кислородного дефицита, а анаэробный — из-за ацидоза.
В незрелых клетках ФФК представлена иными изоферментами, которые куда менее чувствительны к ацидотическому ингибированию. Именно это лежит в основе повышенной устойчивости эмбриональных и фетальных тканей к острой гипоксии и обуславливает большую выживаемость маленьких детей, по сравнению со взрослыми, при экстремальных состояниях, сопровождаемых острым кислородным голоданием. Известны многочисленные случаи из акушерской практики, когда роженица погибает от гипоксии, а плод остается жив; Показано, что срок клинической смерти у детей больше, чем у взрослых.
Так или иначе, но при значительном дефиците АТФ процессы клеточного повреждения углубляются.
Наибольшие проблемы возникают у главных клеточных потребителей энергии — градиентсоздающих и сократительных систем клетки. Как уже неоднократно упоминалось выше, наиболее энергоемким ферментом в клетках является калий-натриевая АТФаза. Дефицит энергии не даег этому ферменту нормально работать, и результат выражается в утрате нормального калий — натриевого градиента. Это порождает несколько последствий. Клетки утрачивают ионы калия, а вне клеток возникает его избыток. Выходом калия из клеток, отчасти, обусловлена гиперкалиемия, наблюдаемая при многих экстремальных гипоксических состояниях, например, при шоке.
Утрата калий-натриевого градиента для клетки означает уменьшение потенциала покоя. Вследствие этого положительный поверхностный заряд, свойственный нормальным клеткам, уменьшается и может меняться на отрицательный. Приобретая отрицательный поверхностный заряд, многие клетки, например, [181] форменные элементы крови, делаются менее устойчивы к агрегации и адгезии. На тканевом уровне это способствует таким процессам, как сладж эритроцитов, формирование белых тромбов и краевое стояние лейкоцитов, развивающимся в очаге повреждения (см. ниже «Воспаление»).
Частичная утрата потенциала покоя делает клетки менее возбудимыми. Это способно нарушить коммуникацию между ними, что и происходит при глубокой гипоксии. Так например, при глубокой тканевой гипоксии клеток головного мозга, чем бы она ни была вызвана (барбитуровым отравлением, судорогами, кетоацидозом, уремией, рассмотренной выше гипераммониемией, гиперосмолярным состоянием, ишемией, механической травмой и т.д.), развивается глубокое торможение нейронов, внешне проявляющееся синдромом комы с потерей сознания и утратой рефлексов, вплоть до отсутствия ряда базальных рефлексов. Патогенетическая суть этого процесса — в утрате калий-натриевой разности потенциалов и, следовательно, возбудимости нейронов. Именно из-за своей гипоксической сути комы разной этиологии так схожи по клиническим проявлениям.
Важнейшим из прямых последствий повреждения калий-натриевого насоса является проникновение избытка натрия в клетку. Из-за осмотической активности натрия возникает гипергидратация клеток. На этой стадии картина прогрессирующей гипоксии характеризуется морфологически как «мутное набухание» или, при дальнейшем образовании вакуолей «баллонная дистрофия».
Хотелось бы подчеркнуть, что употребляемый иногда термин «клеточный отек» не вполне строг с общепатологической точки зрения. Отеком (см. ниже раздел «Типовые патологические процессы в системе микроциркуляции») в патофизиологии называется лишь внеклеточный избыток жидкости и натрия. Для описываемого типового проявления клеточной гипоксии применяется название «набухание клетки». Образная характеристика этого процесса, как клеточного отека, вероятно восходит к незабываемой исторической последней фразе умирающего И.П.Павлова. Великий ученый, по свидетельству современников, умер, мужественно наблюдая за развитием гипоксии собственного мозга со словами: «Это отек... это — отек коры!»
Одним из проявлений набухания клетки служит расширение цистерн эндоплазматического ретикулюма. Возможно, в развитие внутриклеточной гипергидратации известный вклад вносит и накопление осмотически активных продуктов разрушения и усиленного катаболизма полимерных клеточных молекул. но это, скорее, относится к более глубоким стадиям баллонной дистрофии.
Дефицит энергии при клеточной гипоксии расстраивает работу цитоскелета. Нарушаются процессы сборки микротрубочек, что отражается на форме клеточной поверхности. Клетки могут утрачивать микроворсинки или наоборот, развивать поверхностные выступы-вздутия. Слабость цитоскелета может способствовать дезинтеграции некоторых надмолекулярных комплексов в клетке. Так, происходит отсоединение рибосом от мембран ШЭР и насыщение цитоплазмы утратившими свой адресный маршрут белковыми молекулами. Белковые молекулы денатурируют. Происходит, в частности, разборка липопротеидных частиц и уменьшается их растворимость. Мембраны могут формировать миелиновые фигуры, а денатурация и сшивка элементов цитоскелета — промежуточных филаментов — способна вызвать внутриклеточный гиалиноз. Процессы денатурации, декомпозиции и коагуляции придают набуханию «мутный» вид. Таким образом, мы рассмотрели патофизиологические механизмы обоих компонентов понятия «мутное набухание».
Внутриклеточная гипергидратация служит наиболее частым и типичным, но не единственным сценарием обратимой стадии некробиоза. При гипоксии некоторых клеток, которым свойственны активные процессы липолиза и липогенеза, ранние стадии некробиоза сопровождаются накоплением липидов, особенно, нейтральных жиров, в клетках. Этот [182] [183] процесс носит название жировой трансформации. В отличие от жирового перерождения, при котором в строме органа появляются истинные адипоциты, жировая трансформация сопровождается накоплением жировых вакуолей в цитоплазме паренхиматозных нежировых клеток.
В миокарде данный тип некробиоза происходит при нарушении митохондриальной утилизации жирных кислот. Типичным примером служит упоминавшийся выше (с.171) дифтерийный миокардит, при котором экзотоксин бациллы Леффлера блокирует кофактор митохондриального окисления жирных кислот — карнитин.
Подобные изменения могут происходить в миокарде и при глубокой гипоксии (например, перифокально по отношению к очагам некроза), а также при некоторых гликогенозах и т.д. — то есть, являются неспецифическими.
Жировая трансформация гепатоцитов также может быть вызвана многими механизмами: сниженным синтезом апопротеинов (при отравлении четыреххлористым углеродом и квашиоркоре), нарушением экскреции липопротеидов очень низкой плотности (при недостатке липотропных веществ и избытке ниацина и оротовой кислоты), усиленным притоком жирных кислот в печень (при голодании), увеличением синтеза и ускорением этерификации жирных кислот и замедлением их распада (при алиментарном ожирении), а также комбинацией этих факторов.
Ведущая причина, приводящая к повреждению гепатоцитов по типу жировой трансформации — алкоголизм. Шведские авторы в опытах на добровольцах показали, что ежесуточный прием 400-500 грамм 40% алкоголя за 21 день ведет к возникновению обязательной выраженной жировой трансформации печени. Механизм этого явления комбинированный — имеет место и усиление транспорта жира в печень, и возрастание этерификации жирных кислот за счет избытка глицерофосфата, и сниженное окисление жирных кислот, и нарушение экскреции липопротеидов.
Принципиально важно, что этот процесс ныне трактуется не как «дистрофия», а как вариант течения некробиоза, относительно благоприятный для клетки, так как даже далеко зашедшая жировая трансформация полностью обратима. Если накопление жирных кислот сопровождается накоплением натрия и кальция, то происходящий эффект омыления может разрушать мембранные структуры клетки и приводить к некрозу. Некротизируются, формируя жировые кисты, также и клетки, накопившие очень много жировых вакуолей, и претерпевшие процессы разрыва и слияния. Поэтому, при всей своей относительной благоприятности, жировая трансформация тоже гипоксический процесс и может иметь некроз своим исходом. Не случайно, зачастую некроз и стеатоз наблюдаются в печени совместно.
Рассматривая механизмы гипоксического некробиоза, патологи пришли к мнению о ключевой роли избытка ионизированного внутриклеточного кальция в этом процессе, особенно, на его глубоких стадиях (рис.36).
Кальций в данном случае выступает не просто как электролит, а как мощный модулятор клеточных функций, избыток которого токсичен для клетки. Внутриклеточная концентрация кальция поддерживается на уровне 10-7 М, что в 10000 раз меньше, чем в межклеточной жидкости. При функционировании здоровых клеток прием внешних химических или электрических сигналов сопровождается кратковременным повышением внутриклеточной концентрации кальция, что необходимо для ответа на стимул. Кальций проникает внутрь через потенциал-зависимые входные кальциевые каналы. Кроме того, раздражение кальциймобилизующих рецепторов ведет к активации фосфолипазы С и продукции липидных внутриклеточных посредников — диацилглицерина и инозитолтрифосфата (см. выше раздел «Нарушения функционирования пострецепторных посредниковых механизмов»).
Последний взаимодействует с мембранами кальцисом и вызывает выход депонированного [184] там кальция в цитоплазму. Эти явления описываются, как функция рецепторзависимых кальциевых каналов.
Цитоплазматический кальций переходит в активную форму путем взаимодействия со своим белковым внутриклеточным рецептором — кальмодулином. Комплекс кальций-кальмодулин активирует кальмодулинзависимые протеинкиназы, которые, вместе с протеинкиназойС, активизируемой диацилглицерином, осуществляют включение тех или иных клеточных ферментов.
Характерно, что сами кальций-зависимые посредники, в частности, кальмодулин, усиливают при накоплении внутриклеточного кальция работу уравновешивающих механизмов.
Мощные механизмы инактивации цитоплазматического кальция (АТФ-зависимый кальциевый насос, натрий-кальциевый обменный механизм) быстро стабилизируют при ответе на внешние раздражения его уровень, выбрасывая этот катион из клетки, связывая и секвестрируя его в кальцисомах и митохондриях. Один из классических вопросов, поставленных еще в ранний период развития учения о повреждении клетки — это вопрос о грани между реактивным раздражением и повреждением. Где для клетки, подвергнутой внешнему воздействию, кончается одно и начинается другое? Пытаясь найти ответ, и чувствуя общее между этими процессами, И.М.Сеченов писал о «повреждающем раздражении», а Д.Н.Насонов и В.Я.Александров даже предположили, что процессы физиологического возбуждения представляют собой прообраз изменений, вызванных повреждением ткани. Согласно современным патохимическим данным, важное отличие между ответом клетки на раздражение и повреждением заключено в том, что при реактивном раздражении стабилизация уровня кальция возможна, а при повреждении емкость стабилизирующих механизмов недостаточна и концентрация внутриклеточного кальция продолжает расти и сохраняется повышенной долго.
Увеличение внутриклеточной концентрации кальция вначале обусловлено нехваткой энергии для работы кальций-магниевого насоса. Затем, при углублении гипоксии, кальций попадает в клетку не только через входные кальциевые каналы наружной мембраны, но и — особенно массивным потоком — из его внутриклеточных резервуаров — митохондрий и цистерн гладкого ЭПР, а также через поврежденные клеточные мембраны. Это приводит к критическому нарастанию его концентрации.
Показательно, что яд тапсигарджин, высвобождающий кальций из ЭПР в цитоплазму, индуцирует гибель клеток (путем апоптоза), а протоонкоген bcl-2, защищающий клетку от гибели, кодирует онкобелок, присущий цитозольной стороне мембраны ЭПР, комплексу ядерных пор и митохондриям, который удерживает кальций внутри ЭПР и перинуклеарного пространства. Блокаторы входных кальциевых каналов, а также перфторуглеродные эмульсии тормозят накопление кальция в цитоплазме поврежденных клеток и таким способом продлевают выживание клеток в условиях гипоксии.
Избыток кальция активирует ядерные эндонуклеазы, фрагментирующие ДНК в межнуклеосомных участках. Это является важным элементом апоптоза, придающим процессу запрограммированной гибели клеток необратимость. Ионы цинка служат антагонистом кальция и блокируют этот фермент, оказывая цитопротекторный эффект.
При избытке кальция нарушается синтез АТФ и усиливается продукция активных кислородных радикалов в митохондриях. При высоком уровне кальция в клетке активируется нейтральные протеазы — кальпаины. Активность кальпаинов, до известной степени, может сдерживаться их блокаторами кальпстатинами, запас которых небезграничен. Длительный избыток кальция в цитоплазме ведет к прогрессирующему цитоплазматическому протеолизу. Кальпаины способны разрушать цитоскелет, в частности, его белки фодрин и в-актин, что ведет к формированию поверхностных выступов («blebs») на мембране гибнущей клетки. Кальпаины нарушают передачу информации в клетке, лизируя рецепторы и протеинкиназуС. [185]
Участие кальция в активации внеклеточного каскадного протеолиза хорошо известно и убедительно показано на примере сторожевой полисистемы плазмы Крови. Вокруг гибнущих клеток при гипоксическом некробиозе происходит кальцийзависимая активация системы фибрина, комплемента, фибринолиза и кининов. Не исключено, что и внутриклеточные каскадные протеолитические системы, такие как система ICE и гранзимВ, известные своим участием в механизмах апоптоза и некроза, могут активироваться избытком кальция.
Кальцийзависимый фермент трансглутаминаза может при избытке кальция осуществить сшивку белков цитозоля, что способствует формированию апоптотических телец и механизмам коагуляционного некроза, а также, вероятно, формированию внутриклеточного гиалина.
Активация кальцием мембранных фосфолипаз способствует дезинтеграции клеточных мембран и выработке липидных медиаторов воспаления — производных арахидоновой кислоты. Этот механизм вносит вклад в развитие перифокального воспаления в очаге некробиоза.
При необратимом повреждении клетки митохондрии захватывают значительные количества кальция, это приводит к инактивации их ферментов, денатурации белков, стойкой утрате способности к продукции АТФ даже при восстановлении притока кислорода, образованию в этих органоидах аморфных электронноплотных хлопьев. Наряду с набуханием митохондрий, обусловленным проникновением в них калия, фосфата и воды и рассмотренным выше, эти процессы делают гипоксию тканевой. Такая стадия некробиоза уже не может быть обращена путем простого восстановления притока кислорода или при реперфузии.
Глубоко поврежденные митохондрии перестают быть акцепторами кислорода и субстратов. Из-за неспособности митохондрий окислять жирные кислоты их ацилы остаются в цитоплазме, где и формируют эндогенные мыла с натрием и кальцием. Омыление приводит к возрастанию детергентной активности цитозоля, который в буквальном смысле, растворяет липидные мембраны. Эндогенный детергентный эффект замыкает цепь фатальных событий, ведущих к «точке необратимости» некробиоза. Мыла разрушают мембраны органоидов и на клетку обрушивается удар гидролаз, активных радикалов и других метаболитов, изолированных до этого момента в различных отсеках клетки.
С этого момента, по-видимому, можно считать клетку мертвой, а процесс некротического аутолиза — начатым.
Таким образом, длительное повышение цитоплазматической концентрации активного кальция — это центральное звено клеточной гибели. Из-за этого нарушения запускаются несколько перечисленных выше патогенных механизмов, актуальных для гипоксического и свободнорадикального некробиоза, а также апоптоза.
Митохондрии погибших клеток продолжают быть кальциевыми ловушками и нередко становятся первичными центрами формирующегося кальциноза. Дистрофическая кальцификация происходит на месте некроза при нормальном уровне кальция в плазме.
МЕХАНИЗМЫ СВОБОДНОРАДИКАЛЬНОГО НЕКРОБИОЗА
Частично восстановленные (активные) кислородсодержащие радикалы (АКР) — это высокотоксичные химически реакционноспособные молекулы с нечетным количеством электронов, способные повреждать клеточные мембраны, хроматин и белки. Отнимая электроны у различных органических молекул, например, арахидоновой кислоты, свободные кислородные радикалы могут превратить их в перекисные соединения с неспаренными электронами и запустить своего рода цепные реакции внутри клетки.
АКР — физиологические метаболиты и образуются в клетке при нормальном обмене веществ. Они вырабатываются в ЭПР ходе работы микросомальной окислительной системы цитохрома P450, при функционировании [186] митохондрий с участием так называемого убисемихинона, в лизосомах и пероксисомах под действием мембранных НАДФН-зависимых оксидаз. Многие важные процессы, например генерация конечных продуктов пуринового обмена и распад дофамина, обязательно сопровождаются выработкой АКР. В ряде случаев рецепторно-опосредованная стимуляция клеток сопровождается усилением продукции АКР. Многофункциональный паракринный сигнал — окись азота — сама является свободным радикалом и усиливает образование других АКР (см. выше). Наконец, умирающие клетки аутоокисляются и могут воздействовать АКР на живых соседей.
Адренэргическая стимуляция физиологически приводит к усилению, а холинэргическая — к ослаблению продукции эндогенных АКР, противоположно изменяет редокс-потенциал клетки и создает условия для пермиссивного эффекта, когда один и тот же сигнал вызывает различный ответ клеток, в зависимости от их редокс-состояния. Так например, фактор некроза опухолей ФНОα вызывает либо гибель клеток, либо их пролиферацию, так как зависимый от него фактор транскрипции NF-кв срабатывает только при определенном сдвиге окислительного потенциала клеток‑мишеней.
АКР способны взаимодействовать с сульфгидрильными группами в составе белков, например, с остатками цистеина в их активных центрах, изменяя биологические функции ферментов и рецепторов. Благодаря этому АКР могут изменять активность факторов транскрипции и тирозиновых протеинкиназ, влиять на скорость связывания цитоплазматического кальция с кальмодулином и на активность кальциевой АТФазы, на чем и основана их способность модулировать клеточные ответы на различные сигналы. Редокс-состояние клетки, по А.Я.Кульбергу, играет важную роль в управлении фазами клеточного цикла. Редокс-статус клеток находится, как и все механизмы реактивности, под генетическим контролем. Ген bcl-2, ранее упоминавшийся, как блокатор повышения цитоплазматичекой концентрации кальция, кодирует белок, присутствующий в местах основной продукции АКР и понижающий их выработку. Белок АРО-1, известный как индуктор клеточной гибели, наоборот, обладает прооксидантным действием.
Осуществляя защитные реакции, клетки, особенно, специализированные мезенхимальные элементы — макрофаги и гранулоциты — могут многократно усиливать продукцию АКР. При фагоцитозе происходит так называемый «метаболический взрыв» в фагоцитах, то есть многократное усиление потребления энергии фагоцитирующей клеткой (Балдридж, Герард; 1933). Значительная часть этой энергии расходуется НАДФН-зависимыми оксидазами на образование супероксидного радикала:
АКР осуществляют бактерицидный (цитоцидный) эффект в фаголизосомах. Так как, в отличие от лизосомальных гидролаз, АКР способны разрушать неповрежденные клеточные стенки бактерий и интактные мембраны клеток, кислородзависимый механизм завершающей стадии фагоцитоза, по современным представлениям (Бабёр, 1982), намного более важен, чем гидролитический.
Миелопероксидаза фагоцитов (в частности, нейтрофилов и моноцитов крови) превращает перекись водорода и ионы хлора в высокобактерицидный гипохлорит-анион:
АКР также секретируются вовне в процессе экзоцитоза, в расчете на их способность разрушать причинный агент первичной альтерации и, путем перекисного окисления мембран соседних клеток, осуществляют вторичное самоповреждение и способствуют выработке эйкозаноидных медиаторов воспаления. Врачи, с давних времен применяющие для дезинфекции йод, перекись водорода, щелок и хлорную известь — фактически, воспроизводят эволюционно сложившийся естественный бактерицидный механизм усиленной генерации таких соединений, как Н2О2, ОН—, гипохлорит и оксийодиды, доступный любому фагоциту! [187] Через АКР опосредуют свое действие фактор некроза опухолей и другие агенты, осуществляющие цитотоксические эффекты.
Поистине, индукторы цепных реакций АКР — это атомное оружие клеток в борьбе с носителями чужеродной генетической информации, проникающей в организм. Но длительное и значительное увеличение продукции АКР ведет к самоповреждению клеток.
Важнейший из АКР—супероксидный анион О2—. Он образуется при неполном одноэлектронном восстановлении кислорода в ходе митохондриального аутоокисления, а также в микросомах из О2 под влиянием ксантиноксидазы, цитохрома Р450 и других оксидаз, как показано выше.
Фермент супероксиддисмутаза превращает О2 в перекись водорода, используя протоны НАДФН:
Тот же процесс протекает и спонтанно, но медленнее.
Перекись водорода возникает не только из супероксида, но и из воды и кислорода под действием каталазы в пероксисомах.
В присутствии меди или двухвалентного железа, образуемого при действии супероксида на Fe+3, перекись водорода распадается с образованием гидроксильного радикала (реакция Фентона):
Гидроксилы формируются и при действии супероксида на перекись водорода (реакция Хабера-Вейсса):
Радиолиз и фотолиз воды служат важным дополнительным источником гидроксилов при облучении клеток. При определенных условиях образуются и другие АКР, в частности, [188] синглетный кислород и оксигалиды (гипохлорит и оксийодид). Они служат главными микробицидными агентами фагоцитов.
Оксид азота, сам относящийся к АКР, реагируя с О2 дает супероксидный анион и перекись водорода. Окислительный стресс, вызванный избытком N0, участвует в гибели нейронов при инсульте.
Основными направлениями повреждающего действия АКР являются:
•Перекисное окисление липидов плазматической и внутриклеточных мембран, приводящее к освобождению медиаторов воспаления и токсинов (например, малональдегида, эпоксидов, эндопероксидов)
•Сшивка мембранных, внеклеточных и внутриклеточных липидов и белков через сульфгидрильные группы с инактивацией ферментов и рецепторов и образованием сульфид-радикалов, дисульфидов и сульфоновых кислот Процесс ведет к формированию белковых агрегатов (например, при катарактах хрусталика).
•Повреждение ДНК, остановка ее репликации и мутагенез, что может вызвать тератогенный или канцерогенный, а также цитостатический эффект.
Особенно патогенно цепное перекисное окисление мембранных липидов.
Под воздействием АКР формируется инициирующий радикал липида:
Липидный радикал и кислород дают липоперекись:
Липоперекись атакует соседнюю молекулу липида, формируя гидроперекись липида и новый липидный радикал и т.д.:
Двухвалентное железо может превращать гидроперекиси липидов в алкоксильные свободные радикалы в молярном соотношении 1:2, разветвляя цепную реакцию на два радикадообразующих пути:
Принято считать, что АКР — универсальные участники любых видов клеточной гибели, по крайней мере, на ее конечных этапах, когда происходит деструкция внутриклеточных мембран и освобождение АКР из компартментов клетки.
Однако, их относительный вклад при разных типах повреждения клеток неодинаков. При гипоксическом некробиозе АКР, хотя и образуются, например, вследствие кальций-зависимого повреждения митохондрий, но количество их не так велико, чтобы считать АКР-опосредованную альтерацию главным механизмом гипоксической смерти клетки.
Правда, необходимо, вслед за Котраном и Кумаром (1994) отметить, что если в ходе развития гипоксии произошло восстановление притока кислорода к некробиотическим клеткам, поврежденные митохондрии начинают вырабатывать АКР в значительных количествах. Именно это лежит в основе так называемого реперфузионного повреждения, которое хорошо известно кардиологам. Кардиомиоциты гибнут не на высоте ишемии, а после полного или частичного восстановления коронарного кровоснабжения, будучи не в состоянии устоять перед окислительным ударом АКР. Реперфузионные нарушения диктуют необходимость комплексного лечения при остром инфаркте миокарда: врач не ограничивается мерами, направленными на лизирование тромба и вазодилатацию, а комбинирует их с введением средств, эффективных при тканевой гипоксии.
Разрушающее действие АКР является ранним и мощным и выходит на первый план в механизмах некробиоза в ряде специальных случаев, когда гибель клеток имеет определенную этиологию.
Прежде всего, это ситуации, когда резко ускоряется собственная продукция АКР — воспаление, инфекционное повреждение клеток, иммунопатологический цитолиз, разрушение опухолевых, микробных и зараженных вирусами клеток иммунной системой, трав матическии шок и синдром длительного раздавливания, а также другие состояния с активным распадом пуринов.[189]
Затем, это ситуации, когда повреждающий агент сам превращает воду и органические молекулы в свободные радикалы (радиационное поражение клеток, действие иприта и люизита, отравление кислородом и озоном, включая гипербарическую оксигенацию, гемохроматоз и отравление двухвалентным железом).
Наконец, это химическое повреждение клеток, при котором свободные радикалы формируются из молекул токсина или лекарства при их метаболизме (например, отравление четыреххлористым углеродом).
АКР особенно токсичны для клеток, богатых ненасыщенными липидами.
Генерация АКР всегда участвует в запрограммированной гибели клеток — вызванной самыми разными причинами (например, в апоптозе лимфоцитов под действием как глюкокортикоидов, так и вируса СПИДа). Пути патогенного действия АКР представлены на рисунке37.
Легко заметить, что при всех вышеназванных процессах, когда гибель клетки идет с активным участием свободных радикалов отсутствует первичная гипоксия или она не является глубокой. Показано что высокие концентрации АКР могут индуцировать некробиоз, но средние и малые концентрации тех же АКР (например, перекиси водорода) способны включать программу апоптоза. Прооксидант 2,3-диметокси-1,4-нафтодхинон в малых концентрациях стимулирует пролиферацию клеток, в средних — запускает апоптоз, а в высоких — вызывает некроз.
По-видимому, свободнорадикальная гибель клетки, до известной степени, альтернативна описанному выше гипоксическому некробиозу, хотя имеет с ним много общего, включая почти идентичные финальные стадии.
Как и в случае с кальцием, грань между стимуляцией и повреждением — временная и количественная, и судьба клетки при активации АКР — это вопрос баланса. Таким образом, равновесие между генерацией и инактивацией АКР в клетке может устанавливаться на разном уровне — и это фундаментальная неспецифическая составляющая клеточной реактивности, модулирующая клеточные ответы на разнообразные конкретные стимулы. Биорегуляторы, перечисленные выше в таблице 4, все без исключения так или иначе затрагивают баланс прооксидантных и антиоксидантных систем клетки.
АНТИОКСИДАНТНЫЕ МЕХАНИЗМЫ КЛЕТОК
Антиоксиданты — это молекулы, обладающие лабильным водородным атомом с неспаренным электроном:
где АН — антиоксидант, А-А его стабильный несвободнорадикальный продукт.
Множество антиоксидантов, вырабатываемых клетками и поглощаемых извне в качестве полностью, либо частично незаменимых соединений сдерживают клеточное «атомное оружие», препятствуя длительному существованию высоких концентраций АКР. Кроме того, избыток АКР может секвестрироваться в пероксисомах. Антиоксиданты — не просто набор веществ. Они способны восстанавливать друг друга и представляют собой антиоксидантные системы клеток.
Основными разрушителями АКР служат ферменты каталаза, супероксиддисмутаза, глютатионпероксидаза, фосфолипид-глютатионпероксидаза и глютатионредуктаза.
По П.Хорнсби и Дж.Кривелло, имеются три класса антиоксидантов (1983):
Каталаза и глютатионпероксидаза — это энзимы предупредительного действия поскольку они восстанавливают АКР (перекись водорода), провоцирующую цепной свободно-радикальный процесс, до неактивного состояния, Супероксиддисмутаза — фермент-прерыватель цепной реакции. Она превращает при [190] наличии восстановительных эквивалентов, супероксидный анион, способный, как показано выше, формировать наиболее активные АКР, в менее активную перекись водорода, разрушаемую каталазой. Субстратами — прерывателями цепной реакции служат фенолы (например, токоферол) и амины (например, цистамин).
Третья разновидность антиоксидантов — хелатирующие агенты, способные связывать железо и другие металлы-катализаторы и разветвители цепных свободнорадикальных реакций (например, десферол и унитиол).
Все упомянутые энзимы и их изоэнзимы являются металлоферментами. В состав их активных центров входят микроэлементы.
Глутатионпероксидаза и фосфолипид-глутатионпероксидаза, утилизующие этот метаболит для инактивации перекиси водорода и липоперекисей с образованием спиртовой группы — это селеносодержащие ферменты. Различные тканевые изоферменты супероксиддисмутазы содержат цинк, или марганец и медь. Митохондриальная изоформа использует марганец, а цитозольные — цинк и медь.
Каталаза является пероксисомальным железозависимым металлоферментом.
Главные антиоксидантные субстраты клеток — это тиоловые соединения.
К ним относятся глютатион, цистеин, Д-пеницилламин.
Глютатион — важнейший компонент антиоксидантных систем печени, сердца, мозга, легких и клеток крови. Показана его защитная роль для эритроцитов — при гемолизе, для нейронов — при инсульте и нейродегенеративных заболеваниях, для альвеоцитов — при отравлении озоном, для кардиомиоцитов — при миокардиодистрофиях. Глютатион обладает радиопротекторными свойствами.
Для образования глютатиона необходима аминокислота цистеин, при работе глутатионовых пероксидаз он превращается в дисульфид.
Другая группа веществ, используемых клетками нашего организма для защиты от окислительного стресса — это витамины. Реактивирует глутатиондисульфид фермент глутатионредуктаза, зависимый от НАДФН и аскорбиновой кислоты. Следовательно, для восстановления и реактивации глютатиона из [191] дисульфида нужны не только микроэлементы, но и витамины РР и С, а, по некоторым сведениям — также Е и В2 Однако, аскорбиновая кислота амбивалентна в окислительно-восстановительных реакциях и способна оказать и прооксидантные эффекты, в частности, ускоряя восстановление железа, усиливающего свободнорадикальные процессы. По Хорнсби и Кривелло, прооксидантные эффекты витамина С преобладают при его малых дозах, а антиоксидантные — при больших, что, в какой-то степени, оправдывает рекомендации Л.Полинга замедлять старение и предупреждать повреждение клеток, в частности, при вирусных инфекциях и атеросклерозе, мегадозами аскорбиновой кислоты (1983). Интересно, что, по мнению Б.Н.Эймса и соавторов (1981), у приматов таким же, как витамин С, амбивалентным действием на редокс-состояние клеток обладает мочевая кислота (см. также выше «Диатезы»).
Особенно тесная взаимозависимость существует между селеном и витамином Е, которые оба служат для инактивации липоперекисей. Витамин Е является сильнейшим антиоксидантом, так как ловит свободный электрон и не участвует в дальнейшей цепи. Протективное действие токоферола особенно выражено в отношении клеточных мембран. Классические эксперименты Дж.Блэнда с человеческими эритроцитами показали, что 10-дневный прием 600 ME α-токоферола ежесуточно делает плазматические мембраны 95% красных кровяных телец испытуемых резистентными к тому окислительному стрессу , который до курса лечения вызывал стопроцентный гемолиз.
Активность токоферолов восстанавливается витамином С, как и активность системы глютатиона.
Таким образом, в системе глутатиона взаимодействуют витамины, микроэлементы и серосодержащие аминокислоты. Упомянутые витамины и микроэлементы, а также полифенолы (биофлавоноиды), б-липоевая кислота и в-каротин действуют в комплексе и составляют антиокислительный резерв клеток, определяющий их резистентность к свободно-радикальному повреждению.
Многие пищевые продукты содержат значительные количества этих ингредиентов и способны насыщать ими организм.
Поэтому, питание, оптимально обеспечивающее потребности клеток в антиоксидантах, является в настоящее время предметом наиболее интенсивных разработок в диетологии.
Аутоокисление липопротеидов является одним из механизмов атерогенеза, а свободнорадикальное повреждение ДНК способно вызывать канцерогенез, поэтому антиоксиданты проявляют протективное действие в отношении атеросклероза и опухолевых заболеваний.
Дефицит незаменимых соединений, относящихся к этой системе, связан с развитием многих заболеваний, сопровождаемых клеточным окислительным повреждением.
Так, область, эндемичная по геохимическому дефициту селена в провинции Жэньсу (КНР) отличается повышенной частотой особой миокардиодистрофии (болезнь Кишэн), а Восточная Финляндия имеет самое низкое в мире геохимическое содержание селена и рекордно малую продолжительность предстоящей жизни сорокалетних мужчин.
Американский автор Уоллак обнаружил связь между муковисцидозом и дефицитом селена у беременных и новорожденных.
Тиоловыми антиоксидантами служат и богатые сульфгидрильными группами цитозольные белки (тиоредоксин), а также сывороточные белки макрофагального происхождения, такие как церулоплазмин, С-реактивный белок, гаптоглобин, α2-микроглобулин, амилоид А. Перечисленные белки синтезируются макрофагами различной локализации в ответ на интерлейкин-1 и ряд других медиаторов воспаления. Таким образом, осуществляется попытка предохранить организм хозяина от негативных последствий собственного окислительного удара, наносимого по агентам, вызвавшим воспаление.
Именно вследствие усиления синтеза сывороточных глобулинов — антиоксидантов происходит хорошо известное каждому медику [192] увеличение скорости реакции оседания эритроцитов (СОЭ). В связи с универсальным характером рассматриваемых механизмов, СОЭ ускоряется при широком круге инфекций, воспалений и иммунопатологических процессов разной этиологии.
Белки, усиленно синтезируемые при воспалении объединяют под названием «положительные глобулины острой фазы» (см. ниже разделы «патофизиология Воспаления» и «Преиммунный ответ»). Типичный представитель этой группы протеинов — церулоплазмин является феррооксидазой и окисляет двухвалентное железо до трехвалентного без образования свободных радикалов.
Особую роль в антиоксидантной защите играет трансферрин — отрицательный глобулин острой фазы, содержание которого в крови при воспалениях и инфекциях снижается.
Он захватывает трехвалентное железо и может переносить его в клетки.
Как уже отмечалось выше, адаптивная ценность гипоферремии при остром ответе на инфекцию экспериментально доказана и связана с каталитической ролью двухвалентного железа в системе генерации АКР.
Эта форма железа чрезвычайно цитотоксична, поскольку участвует в реакции Фентона и в реакциях разветвления цепей окисления мембранных липидов. При лихорадке изменения в синтезе глобулинов острой фазы ограничивают аутоокислительный эффект железа.
Кора надпочечников обладает очень высокой активностью цитохром-Р-450-зависимых оксидаз, и поэтому продукция АКР в этих органах крайне активна, особенно, в условиях стресса. Именно поэтому надпочечник обладает исключительно высокими потенциями антиоксидантных механизмов (рекордные количества аскорбиновой кислоты и витамина Е, очень высокий уровень супероксиддисмутазы). Хорнсби и Кривелло считают редокс-состояние адренокортикоцитов важным фактором, влияющим на интенсивность стероидогенеза и на морфогенез коры надпочечников, в частности, на апоптотическую гибель и эскалаторное перемещение клеток из зоны в зону, а также на смену паттерна синтезируемых клетками различной локализации кортикоидов. Следовательно, АКР влияют не только на клеточные процессы и тканевой ответ на повреждение — воспаление. Они существенны и для развития системных ответов на повреждение — реакции острой фазы и стресса (см. ниже соответствующие разделы).
Итак, свободные радикалы всегда играют определенную роль при клеточной гибели. В ряде случаев, особенно, при радиационной травме, отравлениях хлорорганическими соединениями и воспалении их вклад в механизмы повреждения клеток является определяющим. Окислительно-восстановительный баланс клеток зависит от экспрессии генов и поставки субстратов и незаменимых компонентов диеты и представляет собой одну из главных неспецифических составляющих клеточной реактивности (рис.38).
МЕХАНИЗМЫ АПОПТОЗА
Явления запрограммированной клеточной гибели известны уже более 100 лет (В.Флеминг, 1885), но оставались «в тени» некробиотических процессов, которые на протяжении десятилетий изучались намного более активно, чем программируемая гибель.
Этот вид клеточной гибели представляет собой важнейший интегральный компонент эмбриогенеза, морфогенеза и роста тканей, а также гормонозависимой инволюции. Он, наряду с лизосомальной аутофагией (см. выше) участвует в механизмах таких клеточных адаптации, как атрофия (уменьшение размеров клеток и числа функционирующих структур в них при сохранении жизнеспособности клетки) и гипоплазия (уменьшение органа вследствие уменьшения числа клеток в нем при сохранении его жизнеспособности).
Так например, одним из авторов этой книги было показано, что инволютивные изменения в коре надпочечников после гипофизэктомии тормозятся актиномицином Д, а значит, представляют собой активный процесс реализации [193] некой программы саморазборки клеток (А.Ш.Зайчик, 1978).
Для обозначения процесса запрограммированной клеточной гибели, морфологически и патохимически отличного от некробиоза, Н.Уолкер в 1968 году предложил термин «апоптоз». Основатели учения об апоптозе, в частности, Дж.Керр и соавт., считали понятия «запрограммированная клеточная гибель» и «апоптоз» равнозначными. В последнее время имеется тенденция применять первый термин к процессам устранения клеток в раннем онтогенезе, а понятие апоптоз относить только к программируемой гибели зрелых дифференцированных клеток. Так, указывают на наличие аутофагии и отсутствие разрывов ДНК при эмбриональной клеточной гибели, в отличие от апоптоза зрелых клеток.
Вопрос о соотношении некробиоза и апоптоза и о приуроченности этих механизмов к естественной либо насильственной гибели клеток нуждается в обсуждении.
Было бы упрощением сказать, что апоптоз это, исключительно, процесс естественной гибели клеток, а некробиоз — насильственной. Деление на эти два процесса далеко не абсолютно. Выше, обсуждая паттерны некробиоза, мы уже много раз вынуждены были упоминать об апоптозе, так как между этими процессами много общего. Дело в том, что в ответ на минимальное повреждение или повреждение, не вызывающее быстрого развития глубокой гипоксии и выраженного энергодефицита, клетки могут включать специальную программу самоуничтожения и реагировать апоптозом. В этом случае, например, при действии ионизирующего излучения или вируса СПИДа, смерть клетки насильственна, но механизм ее не некробиотический, а апоптотический. Тельца Каунсильмена обнаруживаемые при вирусном гепатите в печени, представляют собой результат апоптоза гепатоцитов под воздействием вирус-индуцированного повреждения. Это — также насильственная гибель, но механизм ее не связан с быстропрогрессирующей гипоксией и позволяет клетке успеть включить программу саморазборки. Не подлежит сомнению насильственный характер гибели клеток-мишеней под воздействием фактора некроза опухолей. Однако, несмотря на свое категоричное название, данный биорегулятор вызывает в таргетных клетках не только некроз, но и апоптоз. При реализации некробиоза и апоптоза функционируют многие общие механизмы, например, увеличение цитоплазматической концентрации ионизированного кальция и образование свободных активных кислородных радикалов. Более того, при большей силе [194] Рис.39. Механизмы апоптоза. [195] и интенсивности действия апоптогенный стимул может вызвать некробиоз, очевидно, вследствие того, что прогрессирующий энергодефицит не дает возможности клеткам реализовать энергетически «дорогую» динамику апоптоза.
Авторам представляется принципиально важным, что апоптоз, в противоположность некробиозу, это разновидность клеточной гибели, если можно так выразиться, без сопутствующего скандала.
Если некробиоз всегда сопровождается освобождением в окружающую ткань, а при массивном поражении — и в системный кровоток, медиаторов воспаления, в частности, липидных продуктов деструкции клеточных мембран, то апоптоз протекает без лейкоцитарной демаркации и перифокального воспаления, так как его механизм позволяет избежать значительного выделения медиаторов клеточного повреждения. Издание в 1996 году всеобъемлющей монографии, посвященной апоптозу («Программированная клеточная гибель» под ред. профессора В.С.Новикова) облегчает нашу задачу и делает возможным охарактеризовать в данной книге лишь наиболее общие и патофизиологически важные аспекты этой проблемы.
В.С.Новиков и соавторы выделяют следующие основные процессы, при которых доминирует гибель по типу апоптоза:
•Устранение клеток в раннем онтогенезе
•Физиологическая инволюция и уравновешивание митозов в зрелых тканях и клеточных популяциях
•Реализация процессов атрофии и регрессия гиперплазии
•Альтруистический суицид мутантных и пораженных вирусами клеток
•Клеточная гибель после слабого воздействия агентов, вызывающих при массированном поражении некроз.
Чтобы более наглядно представить отличия некробиоза и апоптоза, авторы предлагают подробно изучить таблицу 5, приводимую ими на с.193.
Важно отметить, что некроз происходит после насильственной гибели клетки в результате каких-либо причин, вызывающих глубокую тканевую гипоксию и всегда содержит литический компонент в виде либо лизосомального аутолиза, либо гетеролиза, вызываемого гидролазами фагоцитов. По современным представлениям, аутолиз при гибели клетки носит посмертный характер, а не является элементом некробиоза.
Тем не менее, раннее и значительное повреждение клеточных мембран — неотъемлемая часть процессов некробиоза, и, практически, не наблюдается при апоптозе.
Апоптоз — генетически управляемый процесс, который может быть включен различными пусковыми сигналами без какого — либо существенного предварительного повреждения исполнительного аппарата клетки, хотя может и включиться после умеренного повреждения как альтруистическое самоубийство. Устранение клеток без повреждения возможно и при экспрессии антигена стареющих клеток (см. выше — о морфогенетической роли аутофагоцитоза). Возможно, что эти механизмы «ухода без скандала» комбинируются и\или взаимодействуют.
Принципиально важно, что при неспособности вступить в апоптоз возникает неограниченно пролиферирующий клон клеток, что ведет к серьезным нарушениям в многоклеточном организме и наблюдается, например, при онкологических заболеваниях. До сих пор в данной книге мы часто упоминали об относительной полезности и потенциальной патогенности различных запрограммированных защитных процессов и приводили примеры такой «вредной полезности» или по Э.Геккелю — «опасного приспособления». В данном случае мы видим основное противоречие патофизиологии, как бы, в обратном ракурсе. Иными словами, апоптоз в клеточном цикле выступает как минимальное запрограммированное зло и также иллюстрирует основное положение наших рассуждений, так как является приспособительной смертью, гибелью по программе и своего рода «полезным вредом» [196] в чистом виде. В любом случае, наблюдения за злокачественными клетками, утратившими под действием онкогенов способность к апоптозу, доказывают, что для клеток утрата способности вовремя умереть — большое зло.
Апоптоз может начаться как ответ генов, программирующих клеточную саморазборку, на рецепторно-опосредованный сигнал (например, при стимуляции соответствующими биорегуляторами рецепторов ФНОα или глюкокортикоидного рецептора лимфоцитов).
Не только ФНО и глюкокортикоиды, но и почти все цитокины, включая 13 интерлкейкинов и 3 интерферона могут быть кодовыми сигналами апоптоза, причем в одних клетках они его запускают, а в других — ингибируют. Тканеспецифические факторы роста и гемопоэтины являются ингибиторами апоптоза для своих клеток-мишеней. Тропные гормоны гипофиза оказывают свой трофический эффект на железы-мишени также путем ингибирования апоптоза.
Сигнал может оказывать на клетку разнонаправленное в отношении апоптоза действие, в зависимости от исходного состояния мишени, как это описано выше для ФНО.
В роли генетических индукторов апоптоза, срабатывающих в ответ на рецепторный сигнал, могут выступать гены Fas/APO-1, c-мус, мах, р53, ced-З и другие. Подавление экспрессии некоторых генов, например, вс1 -2, также вызывает апоптоз. Детальное изучение механизмов, с помощью которых продукты этих генов запускают или сдерживают апоптоз, только начато. Однако, уже выяснено, что они могут усиливать образование активных кислородных радикалов (как белок АРО-1, гомологичный рецептору фактора некроза опухолей) регулировать перенос кальция в цитоплазму (как продукт гена вс1 -2), запускать нейтральные протеазы цитозоля (как продукт гена ced-З), связываться с ДНК (как димер белков мус-мах).
Принципиально важно, что апоптоз может быть индуцирован даже в безъядерных постклеточных структурах. Следовательно, первичным звеном апоптоза могут быть не только ядерные события, но и определенные метаболические изменения в цитоплазме или активация долгоживущих матричных РНК, как в случае с антигеном стареющих клеток.
Г.А.Софронов и соавторы полагают, что инициировать апоптоз могут активные кислородные радикалы (АКР). При умеренных повреждениях клетки в отсутствие гипоксии происходит редукция трансмембранного потенциала митохондрий и генерация ими АКР. Если антиоксидантные системы клетки не компенсируют сдвига редокс-потенциала, процесс прогрессирует. При условии отсутствия выраженного энергодефицита и сохранности генетического аппарата реализуется апоптоз, но глубокая гипоксия и выраженные повреждения ДНК инициируют некробиоз. При развитии апоптоза АКР изменяют условия взаимодействия кальция с кальмодулином и способствуют нарастанию цитоплазматической и внутриядерной активности (а при блокаде гена вс1-2 — и росту внутриклеточной концентрации) кальция.
Кальций-зависимое звено механизма апоптоза активирует кальпаины, что ведет к протеолизу белков цитоскелета, образованию цитоплазматических выпячиваний, разрушению межнуклеосомных связей в ядре.
Активируется кальцийзависимая эндонуклеаза. Это провоцирует упорядоченные межнуклеосомные разрывы хроматина и фрагментацию ядра. Кальций-зависимая трансглютаминаза агрегирует цитозольные белки. Конечным этапом процесса служит распад клетки на апоптотические тельца и их аутофагоцитоз (см. рис.39)
Основные патохимические механизмы апоптоза частично охарактеризованы также в предыдущих разделах книги, при сравнении с некробиозом.