Лизосомальные ферменты при воспалении
Содержание | Следующая статья | Предыдущая статья
О.В. Цыганкова, Л.А. Руяткина, З.Г. Бондарева
Лизосомальные ферменты играют одну из главных ролей в патофизиологии системного воспаления, в т. ч. за счет широкого представления в полиморфноядерных лейкоцитах. С детальным изучением их биогенеза могут быть связаны определенные перспективы в области изучения механизмов формирования и точек терапевтического купирования артериальной гипертонии, ишемической болезни сердца, дислипидемий. Влияние чрезвычайного раздражителя, в роли которого могут выступать гипоксия/ишемия, эндогенные продукты распада тканей или микроорганизмов, усиленный синтез глюкокортикоидов, повышение тонуса симпато-адреналовой, ренин-ангиотензин-альдостероновой систем, снижение содержания инсулина, активизация процессов оксидативного стресса, ведет к нарушению целостности лизосомальных мембран с последующим развитием цепного цитолитического процесса и целого каскада метаболически неблагоприятных событий. (Цитокины и воспаление. 2009. Т. 8, № 4. С. .)
Ключевые слова: лизосомы, ферменты, полиморфноядерные лейкоциты.
Концепция лизосомального аппарата, предложенная в 1955 году К. де Дювом, как и всякая новая идея, была использована в самых разных областях науки для обоснования важной роли этих структур в механизмах исследуемых ими явлений. Однако важнейшая роль лизосом в процессах воспаления и до сегодняшнего дня является неоспоримой. Характер и объем вторичной альтерации при воздействии флогогенного агента определяется вовлеченностью лизосомальных гидролаз. При повреждении лизосом освобождаются заключенные в них ферменты, способные расщеплять все вещества, входящие в состав клетки (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды). Далее эти ферменты, при наличии этиологического фактора или уже без него, продолжают процесс альтерации, а также деструкции, в результате чего образуются биологически активные вещества – медиаторы воспаления. По этой причине лизосомы называют «стартовой площадкой» воспаления.
При воспалении любого генеза лабилизирующим действием на лизосомы могут обладать продукты «респираторного взрыва», следствием которого является активация процессов свободнорадикального окисления липидов, провоспалительные медиаторы (гистамин, лейкотриены, факторы агрегации тромбоцитов и др.), снижение соотношения цАМФ/цГМФ, повышенное внутриклеточное содержание кальция [20, 27, 28, 32, 49, 58]. Повышенную активацию лизосомального аппарата может вызвать и метаболический ацидоз как следствие гипоксии и гликолитических процессов, протекающих в анаэробных условиях [9, 14, 15]. Нарушение соотношения протеиназы/ингибиторы протеиназ коррелирует со степенью воспаления, приводя в крайнем случае к неконтролируемому протеолизу [1, 4, 8, 12, 25], но при этом без лизосомальных ферментов (ЛФ) невозможны процессы обновления и репарации [9, 12, 31].
Гидролитический потенциал лизосом реализуется в зависимости от функционального состояния организма, в покое — лишь частично. Под влиянием стрессорных факторов быстро увеличиваются размеры и количество лизосом в клетке с повышением проницаемости их мембран, изменяется локализация. Влияние факторов умеренной интенсивности приводит к активации лизосомального аппарата клеток без сопутствующего повреждения лизосом [14, 15, 36]. С увеличением силы и длительности раздражения нарушается структурная целостность лизосомальных мембран с выходом кислых гидролаз в цитоплазму и циркулирующую кровь и последующим развитием цепного цитолитического процесса с повреждением тканей [32, 33, 39, 44, 50].
Лизосомальная активация может быть избирательной в зависимости от силы, характера и длительности воздействия. Вероятно, это связано с различной локализацией ферментов в лизосомах (связанные с мембраной и растворимые), а также их определенной субстратной специфичностью, развернутой по времени и неодинаковой по степени выраженности. Этот процесс идет постепенно и до определенного момента обратим [11, 14, 38]. В этой связи логично, что активность лизосомальной гиперферментемии отражает динамику клинического течения патологического процесса, его прогностическое значение и уровень клеточной деструкции [40]. Подобные корреляции выявлены при атопическом дерматите: более высокая активность ЛФ, особенно в период стихания обострения, и низкие резервные возможности полиморфноядерных лейкоцитов (ПМЛ) коррелируют с его более тяжелым, непрерывно-рецидивирующим течением [8].
Лизосомы принимают участие практически во всех «стратегических» процессах жизнедеятельности клетки. В клеточном метаболизме им принадлежит центральное место, они участвуют в процессах фагоцитоза, иммуногенеза, реализации гормонального эффекта, репарации и реконструкции внутриклеточных структур, сегрегационных функциях клетки, катаболизме вне- и внутриклеточных белков, биосинтезе и секреции ряда гормонов (инсулина, соматотропина, гормонов щитовидной железы) [6, 8, 13, 14, 15, 41, 45]. В процессах оплодотворения, спермато- и оогенеза, метаморфоза, дифференцировки, деления и старения клеток, формирования лекарственной устойчивости лизосомальный аппарат также играет значимую роль [27, 51, 56]. Более того, в современных зарубежных исследованиях изучалась роль лизосомальных гидролаз, в частности, катепсина D в становлении умственных способностей, формировании интеллекта, а также его снижении [28, 37].
Существование постоянной связи лизосом с внутренней средой организма, опосредованной механизмами эндоцитоза, экзоцитоза и диацитоза, позволяет смотреть на лизосомально-вакуолярный аппарат клеток как на сложную высокоспециализированную систему организма, имеющую представительство во всех тканях. Лизосомальная система крайне динамична, что подтверждается не только ее реакцией на любые изменения гомеостаза, но и наличием сезонных ритмов активности ЛФ: повышение активности кислых гидролаз и проницаемости мембран лизосом в весенне-летнее время года и снижением указанных показателей в осенне-зимний период [20].
Интересны изменения лизосомального пейзажа в зависимости от характера питания. Активация ферментов, участвующих в деградации углеводных субстратов (кислая фосфатаза), в большей степени выражена у животных, содержащихся на углеводистом рационе. Белково-липидная диета стимулирует выработку катепсина D. Можно предположить, что принципы лечебного питания, основанные на продолжительном поступлении в организм определенных нутриентов, связаны с изменением химической структуры лизосомальных мембран, что изменяет их композицию и увеличивает проницаемость для специфического субстрата; причем эти изменения носят системный характер [14, 55].
Работа Тутельяна В.А. и др. (1993) демонстрирует правоту этой гипотезы и обосновывает необходимость соблюдения лечебной диеты, обогащенной ω-3 полиненасыщенными жирными кислотами, для коррекции нарушений обмена липидов и липопротеинов при ишемической болезни сердца (ИБС), в том числе за счет восстановления активности лизосомальных липолитических ферментов [23].
Количество уже известных ЛФ приближается к 100, причем существует ферментная гетерогенность энзимов не только в одних и тех же клетках, но и в клетках различных тканей. Например, в ПМЛ преобладают окислительно-восстановительные ферменты лизосом, внося существенный вклад в высокую бактерицидную активность лейкоцитов и макрофагов [26, 38, 52, 58] и даже принимая участие в процессах клеточной дифференцировки [30]. Кислая фосфатаза, хотя и присутствует в кардиомиоцитах, все же более характерна для интерстициальных клеток, макрофагов и лейкоцитов крови, являясь их постоянным маркерным ферментом, локализованным повсеместно: в матриксе лизосом, в их мембране и даже в цитозоле. Катепсин D — основной, если не единственный, энзим кардиомиоцитов, сконцентрированный в лизосомальном матриксе [29, 47], ДНКаза также сосредоточена в матриксе лизосом и, частично, в ядре клетки [46, 50].
Происхождение лизосомальных энзимов в сыворотке крови остается спорным. Одним из наиболее вероятных источников являются ПМЛ крови и повреждение тканей [18, 19, 56]. Нейтрофильный гранулоцит играет одну из главных ролей в системе гуморально-клеточного взаимодействия, что делает его универсальной мишенью и, соответственно, индикатором различных нарушений гомеостаза [4, 7, 11, 16, 38]. Показано, что ПМЛ и макрофаги представляют собой своеобразное депо лизосомальных гидролаз, определяющих кислород-независимую профессиональную биоцидность фагоцитов и служащих основным источником плазменных энзимов [21, 35, 49].
Лизосомальная дисфункция и соматическая патология человека
Современная цитология активно изучает нарушения биогенеза лизосом в развитии приобретенных заболеваний человека. Масса публикаций последних лет посвящена проблемам взаимосвязи катепсина D и болезни Альцгеймера, однако однозначных данных на сегодняшний день нет [28, 37]. Увеличение плазменной концентрации лизосомальных катепсинов при неопластических процессах также неоднократно упоминалось в литературе [33, 48, 59]. Лизосомальная гиперферментемия является весьма чувствительным маркером клеточного «неблагополучия» [7, 41], что может быть использовано для ранней диагностики и определения степени тяжести ряда серьезных, жизненно опасных состояний, в том числе, ДВС-синдрома [54].
Любое повышение функциональной активности ткани приводит к усилению процессов аутофагоцитоза. При гипертрофии миокарда, обусловленной различными вмешательствами, данные об активности гидролаз в сердце противоречивы, вероятно, потому, что сама гипертрофия имеет разный характер в зависимости от этиологического фактора. В исследовании Yamamoto S. et al. (2000) было выявлено повышенное количество лизосомальных структур в кардиомиоцитах ремоделированного гипертрофированного миокарда желудочков. Причем в образцах эксцентрично гипертрофированного миокарда было найдено большее количество кардиомиоцитов, содержащих деградированную ДНК, чем в образцах концентрически гипертрофированного миокарда [57].
Это может свидетельствовать о различных стадиях сердечной недостаточности, поскольку она была выраженной, вплоть до фатальной, при эксцентрической гипертрофии и незначительной при концентрической. Высокая лизосомальная и аутофагоцитарная активность, наблюдаемая в пораженных кардиомиоцитах, свидетельствует о наличии саморазрушающегося процесса цитоплазматической дегенерации, осуществляемого под контролем запрограммированного аутолиза.
Содержание | Следующая статья | Предыдущая статья
Начата подписка на 2016 год!
Обновление на книжной полке: компакт-диск Цитокины и воспаление, 2008 год.
Появление воспалительных процессов в ответ на действие патологического фактора является адекватной реакцией организма. Воспаление – комплексный процесс, который развивается на местном или общем уровне, возникающий в ответ на действие чужеродных агентов. Основная задача развития воспалительной реакции направлена на устранение патологического влияния и восстановление организма. Медиаторы воспаления являются посредниками, принимающими непосредственное участие в этих процессах.
Кратко о принципах воспалительных реакций
Иммунная система – охранник человеческого здоровья. При появлении необходимости она вступает в бой и уничтожает бактерии, вирусы, грибы. Однако при усиленной активизации работы процесс борьбы с микроорганизмами можно увидеть визуально или прочувствовать появление клинической картины. Именно в подобных случаях развивается воспаление как защитный ответ организма.
Различают острый процесс воспалительной реакции и хроническое ее течение. Первый возникает в результате внезапного действия раздражающего фактора (травма, повреждение, аллергическое влияние, инфекция). Хроническое воспаление имеет затяжной характер и не столь выраженные клинические признаки.
В случае местного ответа иммунной системы в зоне травмы или ранения появляются следующие признаки воспалительной реакции:
- болезненность;
- припухлость, отечность;
- гиперемия кожи;
- нарушение функционального состояния;
- гипертермия (подъем температуры).
Стадии развития воспаления
Процесс воспаления основан на одновременном взаимодействии защитных факторов кожи, крови и иммунных клеток. Сразу после контакта с чужеродным агентом организм отвечает местным расширением сосудов в зоне непосредственной травматизации. Происходит увеличение проницаемости их стенок и усиление местной микроциркуляции. Вместе с током крови сюда поступают клетки гуморальной защиты.
Во второй стадии иммунные клетки начинают борьбу с микроорганизмами, оказавшимися в месте повреждения. Начинается процесс, имеющий название фагоцитоз. Клетки-нейтрофилы изменяют свою форму и поглощают патологических агентов. Далее выделяются специальные вещества, направленные на уничтожение бактерий и вирусов.
Параллельно с микроорганизмами нейтрофилы уничтожают и старые мертвые клетки, располагающиеся в зоне воспаления. Таким образом, начинается развитие третьей фазы реакции организма. Очаг воспаления как бы ограждается от всего организма. Иногда в этом месте может ощущаться пульсация. Клеточные медиаторы воспаления начинают продуцироваться тучными клетками, что позволяет очистить травмированную область от токсинов, шлаков и других веществ.
Общие понятия о медиаторах
Медиаторы воспаления – это активные вещества биологического происхождения, выделением которых сопровождаются основные фазы альтерации. Они отвечают за возникновение проявления воспалительных реакций. Например, усиление проницаемости стенок сосудов или местное повышение температуры в зоне травматизации.
Основные медиаторы воспаления выделяются не только при развитии патологического процесса. Их выработка происходит постоянно. Она направлена на регуляцию функций организма на тканевом и клеточном уровнях. В зависимости от направленности действия, модуляторы оказывают эффект:
- аддитивный (добавочный);
- синергетический (потенцирующий);
- антагонический (ослабляющий).
При появлении повреждения или в месте действия микроорганизмов медиаторное звено контролирует процессы взаимодействия воспалительных эффекторов и смену характерных фаз процесса.
Виды медиаторов воспаления
Все воспалительные модуляторы разделяются на две большие группы, в зависимости от их происхождения:
- Гуморальные: кинины, производные комплемента, факторы свертывающей системы крови.
- Клеточные: вазоактивные амины, производные арахидоновой кислоты, цитокины, лимфокины, лизосомальные факторы, активные метаболиты кислорода, нейропептиды.
Гуморальные медиаторы воспаления находятся в организме человека до воздействия патологического фактора, то есть организм имеет запас этих веществ. Их депонирование происходит в клетках в неактивном виде.
Вазоактивные амины, нейропептиды и лизосомальные факторы также являются предсуществующими модуляторами. Остальные вещества, относящие к группе клеточных медиаторов, вырабатываются непосредственно в процессе развития воспалительной реакции.
Производные комплемента
К медиаторам воспаления относятся производные комплимента. Эта группа биологически активных веществ считается самой важной среди гуморальных модуляторов. К производным относятся 22 различных белка, образование которых происходит при активации комплемента (образовании иммунного комплекса или иммуноглобулинов).
- Модуляторы С5а и С3а отвечают за острую фазу воспаления и являются либераторами гистамина, продуцируемого тучными клетками. Их действие направлено на усиление уровня проницаемости клеток сосудов, что осуществляется прямым способом или опосредственно через гистамин.
- Модулятор С5а des Arg повышает проницаемость венул в месте воспалительной реакции и привлекает нейтрофильные клетки.
- С3Ь способствует фагоцитозу.
- Комплекс С5Ь-С9 отвечает за лизис микроорганизмов и патологических клеток.
Эта группа медиаторов продуцируется из плазмы и тканевой жидкости. Благодаря поступлению в патологическую зону, происходят процессы экссудации. При помощи производных комплемента высвобождаются интерлейкин, нейромедиаторы, лейкотриены, простагландины и факторы, активирующие тромбоциты.
Кинины
Эта группа веществ является вазодилататорами. Они образуются в тканевой жидкости и плазме из специфических глобулинов. Основными представителями группы являются брадикинин и каллидин, эффект действия которых проявляется следующим образом:
- участвуют в сокращении мускулатуры гладких групп;
- за счет сокращения сосудистого эндотелия усиливают процессы проницаемости стенки;
- способствуют увеличению артериального и венозного давления;
- расширяют мелкие сосуды;
- вызывают появление боли и зуда;
- способствуют ускорению регенерации и коллагенового синтеза.
Действие брадикинина направлено на открытие доступа плазмы крови к очагу воспаления. Кинины – медиаторы боли воспаления. Они раздражающе действуют на местные рецепторы, вызывая дискомфорт, болезненное ощущение, зуд.
Простагландины
Клеточными медиаторами воспаления являются простагландины. Эта группа веществ относится к производным арахидоновой кислоты. Источниками простагландинов являются макрофаги, тромбоциты, гранулоциты и моноциты.
Простагландины – медиаторы воспаления, проявляющие следующую активность:
- раздражение болевых рецепторов;
- расширение сосудов;
- увеличение экссудативных процессов;
- усиление гипертермии в очаге поражения;
- ускорение передвижение лейкоцитов в патологическую зону;
- увеличение отечности.
Лейкотриены
Биологически активные вещества, относящиеся к вновь образующимся медиаторам. То есть в организме в состоянии покоя иммунной системы их количество недостаточно для немедленного ответа раздражающему фактору.
Лейкотриены провоцируют усиление проницаемости сосудистой стенки и открывают доступ лейкоцитам в зону патологии. Имеют значение в генезе воспалительной боли. Вещества способны синтезироваться во всех кровяных клетках, кроме эритроцитов, а также в адвентиции клеток легких, сосудов и тучных клетках.
В случае развития воспалительного процесса в ответ на бактерии, вирусы или аллергические факторы лейкотриены вызывают спазм бронхов, провоцируя развитие отечности. Эффект схожий с действием гистамина, однако более длительный. Орган-мишень для активных веществ – сердце. Выделяясь в большом количестве, они действуют на сердечную мышцу, замедляют коронарный кровоток и усиливают уровень воспалительной реакции.
Тромбоксаны
Эта группа активных модуляторов образуется в тканях селезенки, мозговых клетках, легких и кровяных клетках тромбоцитах. Оказывают спастическое воздействие на сосуды, усиливают процессы тромбообразования при ишемии сердца, способствуют процессам агрегации и адгезии тромбоцитов.
Биогенные амины
Первичные медиаторы воспаления — гистамин и серотонин. Вещества являются провокаторами первоначальных нарушений микроциркуляции в зоне патологии. Серотонин – нейромедиатор, который вырабатывается в тучных клетках, энтерохромаффинах и тромбоцитах.
Действие серотонина меняется в зависимости от его уровня в организме. В обычных условиях, когда количество медиатора является физиологическим, он усиливает спазмированность сосудов и повышает их тонус. При развитии воспалительных реакций количество резко увеличивается. Серотонин становится вазодилататором, повышая проницаемость сосудистой стенки и расширяя сосуды. Причем его действие в сотню раз эффективнее второго нейромедиатора биогенных аминов.
Гистамин – медиатор воспаления, имеющий разностороннее действие на сосуды и клетки. Действуя на одну группу гистаминчувствительных рецепторов, вещество расширяет артерии и угнетает передвижение лейкоцитов. При воздействии на другую – сужает вены, вызывает повышение внутрикапеллярного давления и, наоборот, стимулирует движение лейкоцитов.
Действуя на нейтрофильные рецепторы, гистамин ограничивает их функциональность, на рецепторы моноцитов – стимулирует последние. Таким образом, нейромедиатор может оказывать воспалительное противовоспалительное действие одновременно.
Сосудорасширяющий эффект гистамина усиливается под влиянием комплекса с ацетилхолином, брадикинином и серотонином.
Лизосомальные ферменты
Медиаторы иммунного воспаления вырабатываются моноцитами и гранулоцитами в месте патологического процесса в ходе стимуляции, эмиграции, фагоцитоза, повреждения и смерти клеток. Протеиназы, которые являются основным компонентом лизосомальных ферментов, обладают действием противомикробной защиты, лизируя чужеродные уничтоженные патологические микроорганизмы.
Кроме того, активные вещества способствуют повышению проницаемости сосудистых стенок, модулируют инфильтрацию лейкоцитов. В зависимости от количества выделенных ферментов, они могут усилить или ослаблять процессы миграции лейкоцитарных клеток.
Воспалительная реакция развивается и держится на протяжении долгого времени за счет того, что лизосомальные ферменты активируют систему комплемента, высвобождают цитокины и лимокины, активируют свертывание и фибринолиз.
Катионные белки
К медиаторам воспаления относятся белки, содержащиеся в нейтрофильных гранулах и имеющие высокую микробицидность. Эти вещества действуют непосредственно на чужеродную клетку, нарушая ее структурную мембрану. Это вызывает гибель патологического агента. Далее происходит процесс уничтожения и расщепления лизосомальными протеиназами.
Катионные белки способствуют высвобождению нейромедиатора гистамина, повышают проницаемость сосудов, ускоряют адгезию и миграцию лейкоцитарных клеток.
Цитокины
Это клеточные медиаторы воспаления, продуцируемые следующими клетками:
- моноцитами;
- макрофагами;
- нейтрофилами;
- лимфоцитами;
- эндотелиальными клетками.
Действуя на нейтрофилы, цитокины повышают уровень проницаемости сосудистой стенки. Также они стимулируют лейкоцитарные клетки к умерщвлению, поглощению и уничтожению чужеродные поселившихся микроорганизмов, усиливают процесс фагоцитоза.
После умерщвления патологических агентов цитокины стимулируют восстановление и пролиферацию новых клеток. Вещества взаимодействуют с представителями из своей группы медиаторов, простагландинами, нейропептидами.
Активные метаболиты кислорода
Группа свободных радикалов, которые вследствие наличия у себя непарных электронов, способны вступать во взаимосвязь с другими молекулами, принимая непосредственное участие в развитии воспалительного процесса. К метаболитам кислорода, которые входят в состав медиаторов, относятся:
- гидроксильный радикал;
- гидроперекисный радикал;
- супероксидный анион-радикал.
Источником этих активных вещества служат внешний слой арахидоновой кислоты, фагоцитозный взрыв при их стимуляции, а также окисление малых молекул.
Метаболиты кислорода повышают способность фагоцитозных клеток к уничтожению чужеродных агентов, вызывают окисление жиров, повреждение аминокислот, нуклеиновых кислот, углеводов, что усиливает сосудистую проницаемость. В качестве модуляторов метаболиты способны увеличивать воспалительные явления или оказывать противовоспалительное действие. Большое значение имеют при развитии хронических заболеваний.
Нейропептиды
К этой группе относятся кальцитонин, нейрокинин А и вещество Р. Это наиболее известные модуляторы из нейропептидов. Эффект действия веществ основывается на следующих процессах:
- привлечение нейтрофилов в очаг воспаления;
- повышение проницаемости сосудов;
- помощь при воздействии других групп нейромедиаторов на чувствительные рецепторы;
- усиление чувствительности нейтрофилов к венозному эндотелию;
- участие в формировании болевых ощущений в процессе воспалительной реакции.
Помимо всех перечисленных, к активным медиаторам также относятся ацетилхолин, адреналин и норадреналин. Ацетилхолин принимает участие в процессе формирования артериальной гиперемии, расширяет сосуды в очаге патологии.
Норадреналин и адреналин выступают в роли модуляторов воспаления, угнетая рост уровня сосудистой проницаемости.
Развитие воспалительной реакции не является нарушением со стороны организма. Наоборот, это показатель того, что иммунная система справляется с поставленными задачами.