Оксид азоту, еритропоетин і гемічна гіпоксія

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДУ «Інститут гематології та трансфузіології НАМН України»

Оксид азоту, еритропоетин і гемічна гіпоксія

І.І. Лановенко

Київ

Резюме

Ключові слова: оксид азоту, еритропоетин, кисневотранспортна функція крові, гемічна гіпоксія, анемія.

Резюме

И.И. Лановенко

Ключевые слова: оксид азота, эритропоэтин, кислородтранспортная функция крови, гемическая гипоксия, анемия.

Summary

І.І. Lanovenko

Keywords: nitric oxide, erythropoietin, oxygen blood transport function, haemic hypoxia, аnemia.

Гемічна гіпоксія є головним патогенетичним ланцюгом анемії будь якого походження. Дослідження ролі важливіших ендогенних фізіологічно активних речовин - оксиду азоту (NO) і еритропоетину (ЕРО) - в ґенезі гемічної гіпоксії при анеміях з позицій оцінки кисневих режимів організму, функціонального стану і механізмів регуляції кисневотранспортної системи (КТС), на нашу думку, надає можливість виявити невідомі закономірності та механізми, обґрунтувати і розробити нові шляхи та методи корекції гіпоксичного синдрому з метою оптимізації лікувальних і реабілітаційних програм [1, 4-5].

В роботі сформовано сучасний погляд на патогенез гемічної гіпоксії з позицій біомедицини і молекулярної патології. Представлено аналіз, обґрунтування положень та теоретичні узагальнення результатів власних експериментальних і клініко-фізіологічних досліджень щодо характеристики стану і взаємодії систем NO, ЕРО і кисневотранспортної функції (КТФ) крові при залізодефіцитних, гемолітичних і апластичних анеміях (ЗДА, ГА, АА).

При виконанні досліджень нами застосовано оригінальний алгоритм, який включає комплекс необхідних методів і показників визначення NO, ЕРО і КТФ крові людей і лабораторних тварин, а також опрацьовані експериментальні моделі для цілеспрямованого впливу на метаболізм NO, ЕРО і стан КТФ крові. Ефекти регуляції метаболізму NO визначали за допомогою активації (введення донатору NO L-аргініну) та пригнічення (введення інгібітору конститутивної NO-синтази L-NNA) його утворення; метаболізму ЕРО - також шляхом стимуляції (крововтрата - гіпоксичний стимул, фенобарбітал, кобальт) та пригнічення (дихання чадним газом - СО) його утворення. Як модель функціонального (фізіологічного) впливу насамперед на КТС (та поєднаного впливу на NO, ЕРО та КТФ крові) застосовували варіант адаптації до гіпоксії - інтервальне гіпок- сичне тренування (ІГТ) [2-3, 8, 11].

В дослідах на моделях анемії різного генезу та при клініко - фізіологічному обстеженні хворих на анемію визначені найбільш інформативні критерії розвитку гемічної гіпоксії за показниками КТФ крові: зменшення показників вмісту кисню в артеріальній і змішаній венозній крові (СаО2, CVO2), а також об'ємної швидкості кисню артеріальною і венозною кров'ю (УаО2, VVO2) в 1,2-1,5 рази в порівнянні з контролем; при недостатності компенсаційних механізмів - зменшення споживання кисню тканинами ^О₂) на 20-30% відносно норми, зменшення співвідношення доставка/споживання кисню (SCR - <2,5) і розвиток метаболічного ацидозу. Установлені загальні закономірності і механізми порушень КТФ крові (розвитку і компенсації гемічної гіпоксії), викликані залізодефіци- том, гемолізом і гіпоплазією кровотворення: пошкодження периферичного еритрону, зменшення кисневої місткості крові, артеріальна і венозна гіпоксемія, гіпоциркуляція, зменшення швидкості транспорту кисню артеріальною і змішаною венозною кров'ю та споживання кисню, енерго- дефіцит, метаболічний ацидоз, який перетворюється в ацидоз змішаного типу. Виявлені специфічні прояви і механізми порушень КТФ крові: при ЗДА - збільшення утворення дериватів і зниження кисневозв'язуючих властивостей Hb; при ГА - гемореологічні і мікроциркуляторні порушення; при АА - двофазний характер змін (первинна гіперфункція з перетворенням у недостатність в разі виснаження компенсаційних резервів та приєднання системних та метаболічних ускладнень) [6, 9-11].

Узагальнюючи наведені дані, закономірності і механізми розвитку ге- мічної гіпоксії при ЗДА, ГА і АА ми визначаємо як гіпофункцію киснево- транспортної системи, зокрема, як недостатність КТФ крові [4, 6, 11].

Показано, що залізодефіцит призводить до значного зменшення (в 2-3 рази) в еритроцитах (Ер) і плазмі вмісту кінцевих метаболітів NO, гіпоплазія кровотворення - до помірного зменшення (в 1,2-1,5 рази) вмісту метаболітів NO, гемоліз - до збільшення вмісту в плазмі (майже у 3 рази) при нормальному вмісті в Ер. Тобто, встановлено наявність якісних розбіжностей реактивності системи оксиду азоту при анеміях різного генезу: при ЗДА - значне зниження; при АА - помірне обмеження; при ГА - підвищення. Гемоліз супроводжується збільшенням утворення ЕРО, залізо- дефіцит, в залежності від ступеня: помірний - стимуляцією утворення ЕРО, значний - пригніченням [7, 9-11].

На моделях ЗДА, ГА та АА визначені ефекти цілеспрямованої регуляції метаболізму NO, ЕРО та КТФ крові при гемічній гіпоксії. Встановлено, що стимуляція утворення NO (за допомогою L-аргініну) сприяє відновленню показників NO, ЕРО і КТФ крові; після пригнічення утворення NO (за допомогою L-NNA) ефекти щодо NO, ЕРО та КТФ крові не відрізняються від змін у контрольних тварин з тенденцією до поглиблення порушень; стимуляція утворення ЕРО (кобальт, фенобарбітал) має помірний позитивний вплив на відновлення КТФ крові; застосування ІГТ викликає найбільш сприятливий ефект щодо відновлення показників NO, ЕРО та КТФ крові - відносне усунення гемічної гіпоксії і нормалізацію кисневих режимів організму. Найбільш потужний відновлювальний вплив надавало ІГТ у превентивному режимі на моделях ЗДА та АА, помірний позитивний - донатор NO і стимулятор ЕРО. Важливе значення має встановлення факту адаптивного (регулюючого) впливу донатору оксиду азоту L- аргініну на функціонування системи NO в умовах анемії: в разу її пригнічення він її активує - це відбувається при ЗДА та АА; в разі гіперфункції або підвищенні реактивності системи він її знижує або обмежує за ступенем проявів - це відбувається при ГА [3, 7, 9-10].

Отримані дані щодо існування прямих сильних кореляційних зв'язків між показниками NO і КТФ крові (СаО2, УаО2, УО2), обернених - між показниками ЕРО і КТФ крові (Hb, УО2). Опрацьовані математичні регре- сійні моделі залежностей між показниками КТФ, стабільних метаболітів NO і активності ЕРО крові в умовах норми і при анеміях. Таким чином, закономірності функціональних взаємозв'язків і взаємодії систем NO, ЕРО і КТФ крові підтверджені за допомогою кореляційного і регресійного аналізів. Загальна закономірність взаємодії систем NO, ЕРО і КТФ крові при гемічній гіпоксії полягає в наступному: індуковане стимуляцією утворення збільшення вмісту NO та активності ЕРО в крові призводить до відновлення КТФ та кисневого режиму крові, після пригнічення утворення NO та ЕРО відбуваються переважно негативні ефекти щодо КТФ крові, а зміни КТФ крові при гіпоксії призводять до адаптивних змін систем NO та ЕРО в крові, зокрема, в залежності від ґенезу анемії та режиму гіпоксичного тренування [4, 6-7, 9-10].

Аналіз літератури і власних даних свідчать, що взаємодія систем NO, ЕРО і КТФ крові при гемічній гіпоксії визначається не тільки кількісними показниками власне цих систем, але й і реологічними властивостями крові, наявністю інтоксикації, ступенем розладу загального гомеостазу [5, 11-12].

Стосовно механізмів дії і ролі оксиду азоту. Встановлено, що NO є універсальним месенджером регуляції клітинних функцій [5]. Основна роль NO пов'язана з вазодилатацією і гальмуванням процесу агрегації та адгезії тромбоцитів. Тим самим NO надає нормалізуючий вплив на мікроциркуляцію за рахунок розслаблення гладких м'язів судин і поліпшення реологічних властивостей крові. Визначені впливи фундаментальних механізмів NO на ефек- торні елементи серцево-судинної та інших систем організму в фізіологічних і патологічних умовах, зокрема, за умов гіпоксії [5].

В аспекті ґенеза гемічної гіпоксії важливе значення має той факт, що система NO може брати участь у формуванні КТФ крові. NO в реакції з гемоглобіном (Hb) створює метгемоглобін, нітрозилгемоглобін, S-нітрозо- гемоглобін. Біологічна функція NO-похідних Hb достатньо широка (транспорт NO, його депонування, елімінація та інші), вони беруть участь в ґенезі багатьох патологічних станів. Присутність різноманітних сполук Hb з NO по-різному впливає на спорідненість гемоглобіну до кисню (СГК): нітрозилгемоглобін СГК підвищує, а S-нітрозо-гемоглобін знижує. На рівні капілярів малого кола кровообігу це може бути додатковим механізмом, що сприяє оксигенації крові, а на рівні мікроциркуляції великого колу - оптимізуючим десатурацію крові та, відповідно, доставку кисню в тканини. Таким чином, кисневозв'язуючи властивості крові впливають на стан системи NO. В той же час система NO може змінювати СГК через внутрішньоеритроцитарні механізми регуляції, кисневозалежний характер утворення NO, дію його кінцевих метаболітів, зокрема, пероксинітриту, регуляцію судинного тонусу [5].

Надзвичайно важливе значення має з'ясування механізмів взаємодії систем оксиду азоту і еритропоетину. Як відомо, ЕРО - головному фактора росту для еритроїдних клітин - віддають провідну роль в механізмах гіпоксичної стимуляції кровотворення. Визначено існування білкового фактора, індукованого гіпоксією (HIF), - кисневого сенсора, який за участю NO здійснює сигнальну трансдукцію для регулювання продукції EPO у відповідь на гіпоксичний стимул [1, 12].

Продукція як ниркового, так і позаниркового ЕРО залежить від ступеня анемічної, гіпоксичної або гістотоксичної гіпоксії. Гіпоксична регуляція експресії гену ЕРО проявляється елементом механізму оберненого зв'язку, який контролює продукцію еритроцитів. Анемія або гіпоксія призводить до підвищеного синтезу всіх класів РНК, а також біологічно активного ЕРО в кортикальних інтерстіціальних клітинах в нирках. До О2-сенсорного механізму залучений гемовий білок - субодиниця HIF-1 фактора HIF, яка локалізується в клітинній мембрані і утворюється в залежності від РО2. HIF-1 знайдено в ядерних екстрактах цілої нирки після гіпоксії. Місця зв'язування HIF-1 ідентифіковані в галузі гену ЕРО промотора [12].

Запропонована модель шляхів сигнальної трансдукції для регуляції ЕРО мРНК через шляхи кіназ А, G і С. Згідно цієї моделі, кіназні білки мають важливе значення для продукції ЕРО і мРНК через фосфорилюван- ня HIF-1.

Визначено механізми сигнальної трансдукції, які позв'язані з NO цГМФ-системою продукції ЕРО. Найважливіше значення в реалізації цих механізмів має активність NO-синтази. Коли NO-синтаза активується через рецептор, або через кальцій, L-аргінін конвертується в L-цитрулін і NO. Саме NO (наявність) активує розчинну гуанілатциклазу, збільшує вміст цГМФ, який викликає вазодилатацію, агрегацію тромбоцитів і передачу нервових імпульсів. Встановлено, що цГМФ також бере участь на рівні транскріпції, збільшуючи мРНК і ЕРО. Докази отримані при визначенні ЕРО в дослідах у тварин, перфузії ізольованих нирок і на клітинних лініях, які утворюють ЕРО.

Функції ЕРО трансдуцируються через специфічний поверхневий рецептор - ЕРО-Р. Клонування гену ЕРО-Р значно полегшало молекулярний аналіз структури рецептору і забезпечило фундаментальний зв'язок с більш ранішими біохімічними і клітинними дослідженнями еритропоезу. Важливе значення мають відомості про участь ЕРО в регуляції нервових функцій і про його поліпротекторні властивості [1, 12].

Результати досліджень, їх аналіз і теоретичні узагальнення свідчать, з однієї сторони, про можливість регуляції КТФ крові за допомогою цілеспрямованого впливу на метаболізм NO і ЕРО, а з іншої, - про можливість регуляції утворення NO і ЕРО шляхом керованих фізіологічними впливами змін стану КТФ крові, тобто кисневого балансу організму [1, 5, 11].

Надане теоретичне і експериментальне обґрунтування корекції гемічної гіпоксії при анеміях шляхом впливу на метаболічний гомеостаз (застосування антиоксидантів, фізіологічно активних речовин), утворення оксиду азоту (застосування донорів NO) і еритропоетину (усунення залізодефіциту, фармпре- парати) та інтервального гіпоксичного тренування. З'ясовані механізми коригуючої дії запропонованих засобів і методів [3, 5, 11]. гемічний гіпоксія оксид азот

Донор оксиду азоту, стимулюючи утворення NO, викликає відновлення стану систем NO, EPO і КТФ крові, мобілізуючи молекулярні механізми утворення ЕРО, кисневозалежні механізми гемоглобіну, ендотелійзалежні і гемореологічні механізми. Це визначає можливість регуляції КТФ крові шляхом регуляції метаболізму NO, підтримуючи фізіологічний рівень його метаболітів в крові і тканинах організму [5, 15]. Фармакологічні дози кобальту призводять до швидкого накопичення мРНК для ЕРО і до підвищеного синтезу всіх класів РНК в нирках - дія на рівні геному [12]. Фенобарбітал є потужним антиоксидантом та індуктором цитохрому Р450, який підвищує продукцію ЕРО за рахунок мобілізації молекулярних механізмів його утворення [3, 12].

Інтервальне гіпоксичне тренування, мобілізуючи механізми адаптації до гіпоксії, впливає на всі системи і функції організму на тканинному, клітинному і молекулярних рівнях [3, 11]. ІГТ усуває гострий пошкоджуючий гіпоксичний стимул, але стимулює підгострий коригуючий гіпокси- чний стимул. Саме тому відбувається досить значне збільшення утворення ЕРО. За механізмами дії на КТФ крові відбуваються: активація ери- тропоезу, компенсаторне збільшення показників периферичного еритро- ну, оптимізація кисневого балансу крові, перебудова тканинного метаболізму - реалізація механізмів довгострокової, переважно біохімічної, адаптації. Аналіз системних, клітинних і молекулярних ефектів ІГТ виявляє поєднання механізмів фізіологічної і біохімічної адаптації до гіпоксії; шляхом ІГТ формуються ефективні механізми регуляції життєво важливих функцій організму, в тому числі завдяки нормалізації стану систем NO і EPO та їх взаємодії з КТС. Застосування ІГТ при анеміях реалізується обмеженням ступеня проявів або усуненням гемічної гіпоксії [3, 11].

На підставі системного аналізу результатів досліджень нами надані теоретичні узагальнення і обґрунтована концепція щодо ролі NO і ЕРО в механізмах розвитку і компенсації гемічної гіпоксії при анеміях.

Роль NO і ЕРО в ґенезі гемічної гіпоксії при анеміях визначається функціями, які вони виконують в організмі, механізмами дії та функціональними взаємозв'язками між системами NO і ЕРО і КТФ крові [1, 3-10, 12]. Недостатність системи NO (внаслідок гіпопродукції NO) призводить до зростання порушень кисневозалежних функцій організму завдяки можливої реалізації наступних механізмів дії: пригнічення цГМФ-залежних молекулярних механізмів NO на шляхах трансдукції утворення ЕРО; обмеження механізму NO-залежної вазодилатації та поліпшення мікроциркуляції; обмеження механізму гальмування процесу агрегації та адгезії тромбоцитів, а також поліпшення реологічних властивостей крові; обмеження механізму газообміну і транспорту кисню на рівні аерогематичного і гематопаренхиматозного бар'єрів; обмеження механізмів, які забезпечують кисневозв'язуючи властивості гемоглобіну; обмеження регуляторних механізмів нервової і гуморальної систем. Недостатність утворення ЕРО вносить вклад у розвиток гемічної гіпоксії за рахунок: обмеження еритропоезу, зниження підтримки кисневозв'язуючих властивостей гемоглобіну, порушення взаємодіі з NO, усунення можливих кардіопротекторного і регуляторного ефектів. Гіперпродукція NO і, відповідно, гіперфункція системи мають компенсаторне значення для усунення або обмеження проявів і ускладнень гемічної гіпоксії за NO-залежними механізмами: утворення ЕРО, вазодилятацн, мікроциркуляції, гемореології, КТФ крові, системної і тканинної регуляції. Надмірна гіперпродукція NO надае пошкоджуючий вплив на КТФ крові за рахунок збільшення утворення токсичних метаболітів. Гіперпродукція ЕРО є адекватною відповіддю на гіпоксичний стимул і спрямована на компенсацію гемічної гіпоксії за механізмами: активації еритропоезу, взаємодіі з NO, реалізації можливих кардіопротекторного і регуляторного ефектів. Реакції системи NO, в умовах гемічної гіпоксії, на нашу думку, мають не тільки патогенетичне, а також адаптивне і компенсаторне значення. В разі значної гіпопродукції (при ЗДА) це одночасно є фактором обмеження утворення токсичних метаболітів; в разі гіперпродукції (при ГА) - як можливий механізм запобігання внутрішньо- судинного тромбоутворення. Виключне значення має встановлення факту адаптивного впливу донатору оксиду азоту L-аргініну на функціонування системи NO в умовах анемії: в разі пригнічення він її активує - це відбувається при ЗДА та АА; в разі гіперфункції він її обмежує за ступенем проявів - це відбувається при ГА. Компенсація гемічної гіпоксії за умов недостатності антиоксидантного захисту еритроцитів відбувається, переважно, системою оксиду азоту за механізмами: активації взаємодії з ЕРО, реалізації можливих поліфункціональних протекторних і регуляторних ефектів, особливо - дезагрегаційних відносно еритроцитів і тромбоцитів. На нашу думку, цей механізм має надзвичайне значення для запобігання внутрішньосудинного тромбоутворення при масивному гемолізі еритроцитів.

Література

1. Березюк О.М. Поліфункціональні властивості еритропоетину / О.М. Березюк, О.С. Захаренко, І.І. Лановенко // Збірник наукових праць співробітників НМАПО ім. П.Л. Шупика. - 2010. - Вип. 19, Кн. 3. - С. 37-54.

2. Корреляционный и регрессионный анализ при исследовании генеза гемической гипоксии / А.М. Гупал, И.И. Лановенко, Т.Я. Грачева, А.С. Воробьев // Комп'ютерні засоби, мережі та системи: збірник наукових праць. - 2008. - № 7. - С. 47-57.

3. Лановенко І.І. Застосування біологічно активних речовин і гіпоксичного тренування для корекції пошкоджень кисневотранспортної системи при анеміях / І.І. Лановенко // Гематологія і переливання крові: міжвідомчий збірник. - 2004. - Вип. 32, Ч. 1. - С. 233-238.

4. Лановенко И.И. Современные представления о транспорте и утилизации кислорода в организме и кислородных режимах организма / И.И. Лановенко // Новое в гематологии и трансфузиологии: межд. науч.-практ. рецензируемый сб. - 2007. - Вып. 6. - С. 26-38.

5. Лановенко І.І. Оксид азоту - універсальний регулятор клітинних функцій / І.І. Лановенко // Гематологія і переливання крові: міжвідомчий збірник. - 2008. - Вип. 34, Т. I. - С. 227-234.

6. Лановенко І.І. Реактивність кисневотранспортної системи та генез гіпоксії при гіпоплазії кровотворення / І.І. Лановенко, Г.П. Гащук // Доповіді національної академії наук України. - 2011. - № 11. - С. 160-168.

7. Зміни і взаємодія оксиду азоту і кисневотранспортної функції крові при ге- мічній гіпоксії, спричиненій залізодефіцитом / І.І. Лановенко, Г.П. Гащук, А.В. Коцюруба, М.Ю. Яцульчак // Гематологія і переливання крові: міжвідомчий збірник. - 2008. - Вип. 34, Т. І. - С. 234-242.

8. Лановенко И.И. Алгоритм исследования взаимодействия оксида азота и кислородтранспортной функции крови в экспериментальных условиях / Лановенко И.И., Коцюруба А.В. // Новое в гематологии и трансфузиологии: межд. науч.- практ. рецензируемый сб. - 2007. - Вып. 7. - С. 101-109.

9. Лановенко И.И. Взаимодействие оксида азота и кислородтранспортной функции крови при гемической гипоксии гемолитического генеза / И.И. Лановенко, А.В. Коцюруба, А.П. Гащук // Доповіді національної академії наук України. - 2009. - № 8. - С. 189-193.

10. Лановенко И.И. Взаимодействие оксида азота и кислород-транспортной функции крови при гемической гипоксии гипопластического Генеза / И.И. Лановенко, А.В. Коцюруба, А.П. Гащук // Гематологія і переливання крові: міжвідомчий збірник. - 2012. - Вип. 36. - С. 129-138.

11. Механизмы развития и компенсации гемической гипоксии / М.М. Середен- ко, В.П. Дударев, И.И. Лановенко [и др.]. - К.: Наук. думка,1987.- 200 с.

12. Fisher J.W. Erythropoietin: Physiology and Pharmacology Update / J.W. Fisher // Exp. Biol. and Med. - 2003. - Vol. 228. - P. 1-14.

Размещено на Allbest.ru