| начало :: поиск :: подписка :: издатели :: карта сайта | |
| Том 02/N 2/2007 | ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ |
Цель работы. Изучение взаимодействия активных форм
кислорода с динитрозильными комплексами железа (ДНКЖ) в опытах in vitro и in
vivo.
Материалы и методы. Действие ДНКЖ и пероксида водорода (H2O2)
изучали на изолированных полосках аорты, изолированных сердцах крыс, а также на
наркотизированных крысах. В отдельной серии у крыс изучали действие ДНКЖ на
размер инфаркта миокарда после перевязки коронарной артерии.
Результаты. В опытах in vitro показано образование ДНКЖ в среде,
содержащей ферритин (источник железа) и доноры оксида азота (NO). Скорость
реакции определялась соотношением свободных субстратов. Супероксид в присутствии
избытка оксида азота стимулировал образование ДНКЖ, а при низкой концентрации NO
вызывал распад этих комплексов. Распад ДНКЖ замедлялся при наличии в среде
флавоноидов или антиоксидантных ферментов. На полоске аорты пероксид водорода
уменьшал и укорачивал вазодилататорный эффект ДНКЖ. Введение H2O2
в коронарные сосуды изолированного сердца или же внутривенно наркотизированным
крысам сопровождалось отчетливым снижением артериального тонуса. Введение ДНКЖ
непосредственно перед лигированием коронарной артерии, сочетавшееся с обычным
продолжительным снижением срАД, уменьшало и риск развития аритмии, и
реперфузионное повреждение миокарда.
Заключение. Величина и длительность гипотензивного эффекта ДНКЖ в
значительной степени определяются уровнем активных форм кислорода.
Ключевые слова: cупероксид, пероксид водорода, оксид азота, артериальное
давление, инфаркт миокарда.
K.B. Shumayev, A.F. Vanin*, V.L. Lakomkin, V.P. Mokh, L.I. Serebryakova,
O.V. Tskitishvili, A.A. Timoshin, A.V. Maksimenko, O.I. Pisarenko, E.K. Ruuge,
V.I. Kapelko, E.I. Chazov
С
реди известных доноров оксида азота (NO, нитроксида) в последнее время значительное внимание привлекают низкомолекулярные или связанные с белками комплексы железа. Динитрозильные комплексы железа (ДНКЖ, общая формула {(RS-)2 Fe+(NO+)2}) являются одной из форм депонирования NO [1]. Однако в крови они распадаются в пределах 1 ч с выделением нитроксида, оказывающего длительное гипотензивное действие [2, 3]. Предполагают, что ДНКЖ разрушаются под действием супероксида и других активных окислителей аналогично мононитрозильным комплексам железа с дитиокарбаматом [4]. Очевидно, что накопление активных форм кислорода (АФК) в крови или сосудистых клетках может оказать существенное влияние на эффективные концентрации NO. В связи с этим первой задачей данной работы было изучение взаимодействия ДНКЖ и АФК в модельных системах in vitro и выяснение влияния АФК на эффекты ДНКЖ на изолированном сосуде.Материалы и методы
Динитрозильные комплексы синтезировали по разработанному А.Ф.Ваниным
способу [3]. Методика измерения ДНКЖ с помощью электронно-парамагнитного
резонанса (ЭПР) была аналогична изложенной в указанной статье. Белковые
динитрозильные комплексы получали, добавляя низкомолекулярные ДНКЖ с фосфатными
лигандами в растворы альбумина и гемоглобина. Использовали следующие реагенты:
аскорбат натрия, тиосульфат натрия, восстановленный L-глутатион, H2O2,
донор оксида азота PAPA/NONO, ксантин и ксантиноксидазу, супероксиддисмутазу
(СОД) и TIRON (все производства “Sigma”), терт-бутил гидропероксид (“Aldrich”),
5-диэтоксифосфорил-5-метил-1-пирролин-N-оксид (“Oxis”).
Опыты на изолированных полосках аорты крыс проводили в растворе Кребса при
37о. Регистрировали изометрическое напряжение полосок преобразователем UC-2 при
предварительном сокращении, вызванном стандартной концентрацией норадреналина
(10-7 М).
Опыты с введением Н2О2 in vivo проводили на самцах крыс
Вистар массой 300–350 г, находившихся под кетаминовым наркозом (100 мг/кг).
Вводили катетеры в сонную артерию и яремную вену. Регистрировали частоту
сердечных сокращений (ЧСС) и среднее АД (срАД) при помощи усилителя
“BIOGRAPH-4” (Санкт-Петербургский университет аэрокосмического приборостроения)
и аналого-цифрового преобразователя “NIUSB 6009” (США). H2O2
(0,8%) вводили внутривенно со скоростью 0,4 мл/мин в течение 5 мин дважды с
20-минутным интервалом, в промежутке (10 мин) выполняли контрольное введение
физиологического раствора в том же объеме или введение биферментного конъюгата
антиоксидантных ферментов – супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы в дозе 1,3–1,6
мг/кг. Метод получения биферментного конъюгата описан нами ранее [14],
содержание белка в конъюгате составляло 5%, а его специфическая (удельная)
активность по СОД – 56 Ед/мг, а по каталазе – 145 Ед/мг препарата.
Изучение кардиопротекторных свойств ДНКЖ проводили на крысах-самцах Вистар
массой 300–450 г, находившимися под кетаминовым наркозом (100 мг/кг веса
внутрибрюшинно). Искусственную вентиляцию легких осуществляли комнатным воздухом
с добавлением кислорода, с частотой 60–80 в 1 мин, под постоянным контролем
кислотно-щелочного баланса (“ABL-30”, “Radiometer”, Копенгаген). Регистрировали
давление в сонной артерии (“Мингограф-804”, “Siemens Elema”). Инфаркт миокарда
моделировали 40-минутной окклюзией ветви передней нисходящей коронарной артерии
и последующей 60-минутной реперфузией по методу Kitakaze и соавт. [15]. В
опытной серии непосредственно перед началом региональной ишемии внутривенно
болюсом вводили ДНКЖ с цистеиновым лигандом (1:20), растворенный в 0,5 мл
физиологического раствора, в дозе 81,6 мг/кг. В предварительных опытах было
выяснено, что такая доза ДНКЖ вызывает продолжительное снижение срАД,
указывающее на вазодилататорный эффект образующегося NO. В контроле перед
началом ишемии внутривенно вводили физиологический раствор без ДНКЖ в
эквивалентном объеме. В конце опыта в яремную вену вводили болюсом 2% раствор
Эванса синего для идентификации интактной зоны левого желудочка (ЛЖ).
Гистохимическую локализацию зоны риска (ЗР) и ИМ проводили, окрашивая срезы ЛЖ
2-, 3-, 5-трифенилтетразолий хлоридом. Площади ИМ и ЗР определяли методом
компьютерной планиметрии с помощью программы “Imagecal”. В каждой группе
рассчитывали (в %) отношение ЗР/масса ЛЖ (ЗР/ЛЖ) и ИМ/ЗР [16].
Статистическую обработку данных проводили с помощью t-критерия Стьюдента.
Результаты представлены как M±m.
Результаты
Образование и стабильность комплексов. Комплексы образуются при
смешивании естественных компонентов метаболизма клеток – источников железа и
нитросоединений, однако весьма важным является вопрос, могут ли они
образовываться в естественных условиях в клетках. В опытах in vitro при наличии
источника железа – ферритина, источника NO – GSNO (нитрозоглутатиона) и
глутатиона в качестве лиганда происходит образование ДНКЖ, о чем
свидетельствовало увеличение сигнала ЭПР (рис. 1). Добавление к среде PAPA/NONO
гораздо более эффективного донора NO, чем GSNO, существенно не повлияло на
кинетику образования ДНКЖ, что указывает на ионы железа как на наиболее
вероятный фактор, лимитирующий в этих условиях скорость формирования ДНКЖ.
Супероксид, образуемый при добавлении к смеси ксантина и ксантиноксидазы,
практически не влиял на образование ДНКЖ с участием GSNO, но значительно
(приблизительно в 3 раза) увеличивал скорость образования ДНКЖ в присутствии
PAPA/NONO, т.е. при избытке NO (см. рис. 1).
В той же среде, но при сниженной скорости образования ДНКЖ из-за очень
низкого содержания глутатиона (в 15 раз меньше, чем в среде, соответствующей
кривой 1 на рис. 1), добавление к среде энергизированных митохондрий (в
присутствии сукцината) как генератора супероксида в 2 раза повышало скорость
образования ДНКЖ (рис. 2). В этих условиях добавление антимицина А – ингибитора
bc1-сегмента (комплекса III) митохондриальной дыхательной цепи, блокирующего
перенос электрона от цитохрома b566 на окисленный коэнзим Q и резко
усиливающего образование супероксида, на порядок повышало скорость образования
ДНКЖ (см. рис. 2).
В то же время при усиленном образовании АФК при отсутствии доноров нитроксида
распад ДНКЖ значительно ускорялся (рис. 3). Особенно быстро распад происходил
при наличии в среде хелатора железа ДТПА (см. рис. 3, а). Участие супероксида в
разрушении комплексов подтверждается резким замедлением распада при добавлении в
указанную среду СОД, нейтрализующей супероксид (см. рис. 3, а и 4, б), или
каталазы, нейтрализующей образующийся при дисмутации супероксида H2O2
(см. рис. 4, б). Применение ловушки TIRON позволяет проследить за кинетикой
снижения уровня супероксида (см. рис. 4, а). Кроме того, распад комплексов в
присутствии супероксида может быть значительно замедлен низкомолекулярными
антиоксидантами – кверцетином в микромолярных концентрациях (см. рис. 3, б) или
аскорбатом в миллимолярных концентрациях (см. рис. 4, б).
Попавшие в кровоток ДНКЖ быстро связываются с белками, что значительно
повышает их устойчивость к аутоокислению (см. рис. 4, б). Однако генерация
супероксида тоже усиливала распад комплексов, связанных с гемоглобином или
альбумином. Влияние антиоксидантов на устойчивость связанных с белками ДНКЖ
оказалось избирательным – аскорбат замедлял распад ДНКЖ, связанных с
гемоглобином (рис. 4, б) или альбумином, в то время как кверцетин оказывал
подобное действие только на комплексы, связанные с альбумином, но не с
гемоглобином. Эти результаты продемонстрировали различия в эффективности
антиоксидантов в водной и белковой среде, что предоставляет экспериментатору
возможность выбора соответствующего антиоксиданта в зависимости от условий и
задачи введения ДНКЖ.
Действие Н2О2. Далее влияние АФК на реализацию
эффекта ДНКЖ было изучено на изолированном сосуде, предварительно сокращенном
норадреналином. На этом объекте ДНКЖ с цистеином (1:2) вызывали зависимое от
дозы расслабление, имевшее двухфазный характер (рис. 5). Добавление Н2О2
(100 мкМ) повышало исходный тонус сосуда, на этом фоне эффект тех же доз ДНКЖ
был ослаблен и значительно укорочен. При добавлении к исходному раствору СОД (25
Ед/мл) – фермента, трансформирующего нативный супероксид в Н2О2,
продолжительность вазодилататорного ответа увеличивалась, а скорость
восстановления тонуса снижалась примерно в 2 раза. Сочетание СОД и каталазы еще
больше удлиняло время гипотензивного эффекта.
В связи со способностью Н2О2 изменять тонус сосуда и
модулировать эффект ДНКЖ, действие Н2О2 в широком
диапазоне концентраций было испытано на изолированном сердце, работавшем в
изоволюмическом режиме. Низкие концентрации H2O2 (до 100
мкМ) снижали тонус коронарных артерий, степень снижения зависела не только от
концентрации, но и от исходного срАД. При повышенном срАД
(около 100 мм рт. ст.) введение H2O2 снижало срАД
примерно на 20 мм рт. ст, в то время как при низком срАД (55 мм рт.
ст.) оно снижалось всего на 5 мм рт. ст. Более высокие концентрации Н2О2
– выше 200 мкМ – всегда повышали срАД.
Первое введение Н2О2 наркотизированным крысам вызывало
двухфазную реакцию срАД (рис. 6). Повышение срАД в первой
фазе происходило при неизменной ЧСС. Второе введение Н2О2
вызывало быстрое и глубокое снижение срАД, останавливавшееся только с
прекращением введения H2O2 (рис. 6). Восстановление срАД
происходило медленно, и исходный уровень не достигался даже через 40 мин.
Промежуточное введение физраствора не оказывало влияния на срАД, а
введение конъюгата СОД и каталазы значительно уменьшало величину и длительность
последующего гипотензивного эффекта Н2О2.
Ишемия и реперфузия миокарда in vivo. В исходном состоянии срАД
составляло 95±7 мм рт. ст., а ЧСС – 225±7 уд/мин-1. Введение ДНКЖ
наркотизированным животным сопровождалось быстрым и глубоким снижением срАД,
начинавшимся через 14±1 с и достигавшим минимального значения (57±4 мм рт. ст.)
через 36±4 с (рис. 7). Далее происходило довольно быстрое повышение срАД,
и уже через 2 мин оно достигало 87±3 мм рт. ст. Вторая фаза снижения срАД
начиналась через 5 мин, и к концу ишемии, а также в период реперфузии срАД
оставалось достоверно ниже, чем в контроле. В большинстве случаев (кроме двух) у
животных после введения ДНКЖ снижению срАД предшествовала другая
кратковременная (длительностью 1–4 с) реакция – повышение срАД на
8–20 мм рт. ст. с одновременным снижением ЧСС в среднем на 10%. В контрольной
группе введение физиологического раствора не повлияло на срАД и ЧСС.
В обеих группах на 8–15-й мин региональной ишемии наблюдались нарушения
сердечного ритма. Их длительность была существенно меньше на фоне введения ДНКЖ
и составила в среднем 170±10 против 445±30 с в контроле (p<0,001).
Морфометрический анализ срезов ЛЖ после реперфузии не выявил отличий в ЗР
между группами (см. таблицу). Однако размер ИМ был достоверно меньше в группе
животных, получивших ДНКЖ непосредственно перед наложением лигатуры. Таким
образом, использованная доза ДНКЖ, оказывавшая обычное вазодилататорное
действие, достоверно уменьшала и риск развития аритмии, и реперфузионное
повреждение миокарда.
Рис. 1. а – кинетика формирования ДНКЖ в среде, содержащей 30 мМ восстановленного глутатиона (GSH), 150 мМ фосфатного буфера и 0,2 мкг/мл ферритина; б – типичный спектр ЭПР ДНКЖ с глутатионовым лигандом.

Рис. 2. Образование ДНКЖ в реакционной среде.

Рис. 3. Ингибирование распада цистеиновых ДНКЖ в условиях ферментативной генерации супероксида под действием CОД (а) или кверцетина (б).

Рис. 4. а – генерация радикала TIRON супероксида в системе ксантин–ксантиноксидаза при постоянной аэрации (спектры 1–3).

Рис. 5. Влияние Н2О2 (100 мкМ, пунктирная кривая) на гипотензивный эффект ДНКЖ (сплошная кривая) в концентрациях 1 мкМ (-6) и 10 мкМ (-5) на изолированной полоске аорты крысы.

Рис. 6. Действие Н2О2 на срАД у наркотизированной
крысы.
Показаны два введения Н2О2, между которыми вводили
физраствор (ФР) или конъюгат СОД и каталазы (COD-КАТ).

Рис. 7. Влияние ДНКЖ (81,6 мг/кг), введенных внутривенно крысам перед 40-минутной окклюзией передней нисходящей коронарной артерии и последующей 60-минутной реперфузией на срАД (n=12).

Таблица. Влияние введения ДНКЖ крысам перед окклюзией передней коронарной артерии на размеры зоны риска и инфаркта миокарда левого желудочка.
|
ЗР/ЛЖ, % |
ЗИ/ЗР, % |
|
|
Контроль |
38,7±6,3 |
48,0±3,9 |
|
ДНКЖ |
37,7±2,9 |
36,9±1,1* |
|
Представлены M±m для серий из 8 опытов.
Размеры зоны риска (ЗР) выражены в % к весу левого желудочка (ЗР/ЛЖ), а
размер зоны инфаркта миокарда (ЗИ) – в % к зоне риска (ЗИ/ЗР). |
||
Обсуждение
Полученные результаты свидетельствуют о том, что действие АФК на эффект
ДНКЖ является неоднозначным. Супероксид выступает не только как необходимый
элемент образования ДНКЖ, но и как его регулятор. С одной стороны, супероксид,
генерируемый ксантиноксидазой либо энергизованными митохондриями, стимулирует
образование ДНКЖ, особенно при высокой концентрации свободного нитроксида.
Поскольку указанные компоненты являются естественными метаболитами, полученный
результат означает, что ДНКЖ могут образовываться в клетках при умеренном
окислительном стрессе и, тем самым, формировать собственный внутриклеточный пул
NO. Эти данные согласуются с концепцией А.Ф.Ванина [1, 4], рассматривающего ДНКЖ
как форму запасания NO в клетках. Преимущество ДНКЖ перед NO в этом плане,
очевидно, состоит в увеличении длительности эффекта, поскольку NO представляет
собой молекулу с кратким периодом жизни (3 с). В процессе образования ДНКЖ в
клетках, по-видимому, участвует и стимулируемое супероксидом высвобождение ионов
железа из его внутриклеточных депо [17]. С другой стороны, вполне вероятно, что
наряду с синтезом ДНКЖ происходит их деструкция под действием O-2, проявляющаяся
особенно при низком уровне NO. Из этого следует, что для образования ДНКЖ
необходим определенный баланс между интенсивностью генерации супероксида,
содержанием NO и “свободного” железа.
Образующиеся в крови ДНКЖ легко связываются с белками, что сильно замедляет
выход нитроксида и обеспечивает длительное вазодилататорное действие in vivo [2,
3]. Наличие подобного эффекта на изолированном сосуде или сердце позволяет
предположить, что при отсутствии белков плазмы ДНКЖ могут связываться и с
белками эндотелиальных клеток или/и действующим началом могут быть соединения,
находящиеся в динамическом равновесии с ДНКЖ, в частности нитрозотиолы. Как
показали наши данные, длительность жизни ДНКЖ в крови в высокой степени зависит
от уровня АФК. Низкомолекулярные антиоксиданты – флавоноиды, аскорбат, а также
антиоксидантные ферменты замедляют распад ДНКЖ и пролонгируют их
вазодилататорный эффект, а H2O2 укорачивает его. Таким
образом, концентрация высоко- и низкомолекулярных динитрозильных комплексов
железа может регулироваться АФК и, в свою очередь, влиять на них.
Действие H2O2 на сосудистый тонус оказалось сложным. Он
уменьшал сосудорасширяющий эффект ДНКЖ на изолированном сосуде, но повышал
исходный тонус. Это согласуется с наличием повышенного уровня пероксида в крови
у крыс с гипертонией, индуцированной большим потреблением соли [18], и у больных
артериальной гипертонией, причем между концентрацией пероксида и уровнем АД
существует положительная корреляция [19]. В опытах на изолированном сердце он в
умеренных концентрациях, как правило, оказывал гипотензивное действие, которое
было в прямой зависимости от исходного уровеня срАД. Данный эффект
реализуется через высвобождение нитроксида, и блокада образования последнего
сочетается с ухудшением сократительной функции сердца в условиях окислительного
стресса [8]. Однако снижение тонуса коронарных артерий под влиянием H2O2
происходило плавно и достигало пикового значения примерно через 10 мин, после
чего развивалось еще более медленное восстановление. Такая динамика отличается
от действия нитратов или ДНКЖ. Возможно, что в данной ситуации, когда из-за
высокой скорости перфузии сердца образование нитроксида и так уже близко к
максимуму [20, 21], включается другой механизм – образование зависимого от
эндотелия гиперполяризующего фактора. Показано, что H2O2,
образующийся в эндотелиальных клетках, вызывает расслабление гладкомышечных
клеток, связанное с открытием зависимых от Са2+ К+-каналов [22].
Еще более сложным оказывается эффект H2O2 в опытах in
vivo. Разница между первым и вторым введением Н2О2 может
быть связана с симпатической активацией, возникающей при первом введении и
сопровождающейся подъемом срАД и ЧСС [6]. Снижение срАД
при втором введении можно объяснить активацией эндотелиальной NO-синтазы [7].
Вместе с тем динамика срАД при втором введении напоминала действие
ДНКЖ [3]. Применение антиоксидантных ферментов значительно уменьшало эффект.
Аналогичным наблюдавшемуся в наших опытах эффектом обладает FeSOD, преобразующий
нативный супероксид в пероксид [10].
Способность ДНКЖ взаимодействовать с супероксидом и, тем самым, снижать
окислительный стресс послужила одной из причин применения ДНКЖ при ишемии и
реперфузии сердца, когда процесс образования АФК значительно усиливается.
Введение ДНКЖ снижало частоту нарушений ритма во время региональной ишемии и
значительно уменьшало размеры ИМ при реперфузии у крыс in vivo. Ранее в
клинических исследованиях было показано, что внутривенное введение нитратов
снижает размеры ИМ и смертность пациентов с острым коронарным синдромом [23,
24]. Цитопротекторные свойства доноров NO – L-аргинина и SPM-5185
(нитропроизводного цистеина) – были изучены при проведении кардиохирургических
операций [25, 26]. Включение этих соединений в состав раствора для кровяной
кардиоплегии ограничивало размеры ИМ и улучшало восстановление сократительной
функции сердца.
Уменьшение ишемического и реперфузионного повреждения сердца под действием
фармакологических доноров NO может быть обусловлено комплексом защитных
механизмов. Во-первых, NO способен обратимо ингибировать цитохромоксидазу
(комплекс IV дыхательной цепи) и, тем самым, снижать поглощение кислорода [11,
12]. Во-вторых, стимуляция NO растворимой гуанилатциклазы, сопровождающаяся
образованием цГМФ, снижает Са2+ ток L-типа и уменьшает концентрацию
цАМФ [27]. В-третьих, введение ДНКЖ сопровождалось значительным снижением срАД,
что уменьшало нагрузку на сердце. Все эти механизмы снижают потребление
кислорода и потребность в энергии ишемизированных миоцитов, что является
физиологически значимым во время ишемии и ранней реперфузии [12, 28].
В-четвертых, недавно было показано, что NO, вызывая деполяризацию внутренней
митохондриальной мембраны, способен уменьшать повреждения кардиомиоцитов
благодаря снижению перегрузки митохондрий ионами Са2+ [29]. Эти
данные свидетельствуют о том, что NO способен воздействовать на критический
компонент ишемического-реперфузионного повреждения миокарда – дисбаланс между
сниженным производством энергии и ее потреблением в ишемизированных
кардиомиоцитах. Наконец, митохондрии способны регенерировать NO из продуктов
окисления ДНКЖ (вероятнее всего, из нитрита), что может повышать концентрацию NO
в зоне ишемического поражения и способствовать восстановлению кровотока.
Гибель миоцитов при реперфузии может быть вызвана не только их некрозом, но и
активацией их запрограммированной смерти – апоптоза. Известны несколько
механизмов, посредством которых NO ингибирует апоптоз миоцитов. Один из них
обусловлен S-нитрозилированием каспаз-1 и -3, приводящим к снижению их
активности, другой сопряжен с образованием цГМФ и сопутствующим уменьшением
перегрузки миоцитов Са2+, опосредующей апоптоз, третий включает
индукцию цитопротекторных белков теплового шока (HSP 70 и 32) [13]. Таким
образом, образующийся из ДНКЖ нитроксид способен блокировать оба основных пути
гибели клеток.
Защитный эффект ДНКЖ при реперфузии может также быть связан с другими
компонентами комплекса. Благодаря наличию сульфгидрильной (-SH) группы в
структуре цистеина этот компонент ДНКЖ способен проявлять антиоксидантные
свойства и уменьшать ишемическое и реперфузионное повреждение сердца [30]. Кроме
того, входящий в состав ДНКЖ полисахарид декстран при реперфузии может
восполнять функцию белков плазмы, поддерживая осмотическое давление в
интерстиции, и, тем самым, предохранять ишемизированные кардиомиоциты от
осмотического шока [31]. Вклад каждого из них в уменьшении гибели клеток от
ишемии и реперфузии предстоит выяснить в дальнейшем.
Работа частично поддержана (РФФИ гранты №06-04-48203а, №06-04-08002-офи, 06-08-00011, №05-04-49751).
Литература
|
|
| © Издательство Media Medica, 2000. Почта :: редакция, webmaster |