Роль апоптозу в розвитку атеросклерозу, ішемії міокарда та серцевої недостатності.

Апоптоз, або програмована клітинна загибель, вперше був описаний J. Kerr і його співробітниками в 1972 р. [1]. Цей процес являє собою еволюційно розвинений, фізіологічний на відміну від некрозу механізм клітинної загибелі, який регулює клітинну масу і архітектуру багатьох тканин. Відомі чотири основні характеристики апоптозу: зменшення обсягу апоптотірующей клітини; конденсація і фрагментація хроматину на ранніх стадіях апоптозу з формуванням так званих апоптотичних тілець; зміна мембрани апоптотірующей клітини, що приводить до розпізнавання її фагоцитами; спряженість апоптозу з активним білковим синтезом.
Таким чином, апоптоз є загибеллю клітини, що включає в себе генетичну або опосередковану програму, не залежну від природи пускового сигналу. Іншими словами, апоптозу властива експресія генів de novo, а пускові сигнали самі по собі не є летальними для клітини.
Апоптоз привернув до себе увагу кардіологів як потенційний патогенетичний фактор при різних серцево-судинних захворюваннях. Морфологічні ознаки апоптозу виявлені як в судинах, так і в самому міокарді у відповідь на вплив гіпоксії, окислювального стресу, реперфузії при ішемії міокарда, постінфарктних зміни і при розвитку серцевої недостатності.
Таблиця 1. Перелік основних індукторів (активаторів) апоптозу
Фізіологічний актіваторІндуктори, пов'язані з пошкодженням клеткіПрепарат
1. Сімейство TNF: (FAS-ліганд, TNFa) 1. Білки теплового шокаЦісплатіна
2. Нейротрансміттери2. ВірусиДоксірубіцін
3. Видалення ростових факторов3. Онкогени: (c-myc, rel) Блеоміцин
4. Ca2 +4. Супресор пухлин p53Цітозін арабінозід
5. Глюкокортікостероіди5. Цитотоксичні Т-лімфоцітиАзотістий іприт
6. NO6. ОксідантиМетотрексат
7. Ангіотензін7. Вільні радікалиВінбластін
8. АТФ8. УФ-і рентгенівське облученіеМорфін
9. Каспази9. Токсини
Програмована клітинна загибель бере участь у постнатальному морфогенезі провідної системи серця: синусового і атріовентрикулярного вузла, пучка Гіса; у розвитку пароксизмальних аритмій і порушень провідності [2]. Апоптоз пейсмейкерних клітин може грати роль в генезі раптової коронарної смерті. В даний час інтенсивно досліджуються процеси апоптозу в патогенезі дилатаційною та ішемічної кардіоміопатій, аритмогенної дисплазії правого шлуночка, відторгнення трансплантата при аортокоронарне шунтування. Найбільш вивченими є апоптотичні процеси при формуванні коронарного атеросклерозу.
Таблиця 2. Перелік основних інгібіторів апоптозу
Фізіологічний інгібіторПрепарат
1. Ростової фактор1. Інгібітори кальпаіна
2. Екстрацелюлярний матрікс2. Інгібітори цистеїнових протеаз
3. Нейтральні амінокіслоти3. Інгібітори каспаз
4. Естрогени4. Ракові промотори (РМА)
5. Андрогени5. Фенобарбітал
6. IL-96. Нікотин
7. Прововоспалітельние цитокіни
8. Bcl-2
Масивна клітинна загибель поряд з накопиченням ліпідної і колагенової маси, скупченням пінистих клітин, гладком'язових елементів і макрофагів є однією з основних морфологічних характеристик атеросклеротичної бляшки. У центрі бляшки виділяють так зване некротичне ядро, яке при виразці бляшки є джерелом тромбоутворення з подальшою ішемією та інфарктом. До недавніх пір вважалося, що причиною загибелі клітин усередині атеросклеротичної бляшки є пряма токсична дія на клітини, наприклад, вільних радикалів, що утворюються при перікісних окисленні ліпідів [3]. Проте в даний час можна з певною упевненістю стверджувати, що основний внесок у сумарну клітинну загибель при атеросклерозі вносить апоптоз. Усі клітинні елементи, які виявляються в атеросклерозних бляшках, піддаються програмованої загибелі [4-6].
За допомогою поєднання імуногістохімічного методу ідентифікації морфологічної належності клітин і специфічних тестів на фрагментацію ДНК був виявлений дуже високий відсоток апоптотичних клітин в атеросклерозних бляшках людини in situ [ 7]. В областях апоптотичних бляшок, збагачених макрофагами, апоптотичних індекс коливався від 10 до 40%. Гладком'язові клітини піддавалися програмованої загибелі в 10-15%. Дуже невеликий відсоток апоптотичних клітин припадав на T-і B-лімфоцити, і апоптоз повністю був відсутній серед нейтрофілів. Як відомо, атеросклеротична бляшка є складною структурою, що зазнає при своєму розвитку значні метаболічні, клітинні і морфологічні зміни. Тому, природно, були зроблені спроби провести оцінку апоптозу на рівні окремих морфологічних компонентів атероми. Виявилося, що апоптотичних індекс медіа нормальних коронарних судин дорівнює 3 +1%, в інтимі - 8 +1%. У атерома апоптотичних індекс медіа статистично значуще не змінювався (5 +1%), у той час як в інтимі він зростав майже в 4 рази (34 +5%) [8]. Гладком'язові клітини, що піддаються програмованої загибелі, в основному локалізувалися в фіброзної частині бляшки, у той час як апоптотірующіе макрофаги переважали в ліпідобогащенном ядрі атероми. Це дозволило зробити висновок про те, що апоптоз гладком'язових клітин та інших компонентів атеросклеротичної бляшки в умовах гіпоксичного пошкодження міокарда регулюється як продуктами специфічних генів, так і локальної цитокінового мережею. Основні активатори та інгібітори апоптозу представлені в табл. 1 і 2.
Останнім часом особлива увага дослідників у розвитку апоптозу в умовах гіпоксії міокарда залучив протоонкогена c-myc.
Протоонкогена c-myc. Цей онкоген бере участь в проліферації як нормальних гладком'язових клітин, так і, очевидно, вносить істотний внесок в патологію. Зокрема, розподіл гладком'язових елементів у процесі розвитку атеросклерозу є c-myc-залежним. У ряді випадків одній експресії c-myc достатньо для виходу клітин Go-спокою в проліферативний цикл [9-11]. У гладком'язових клітинах, виділених з атеросклеротичних бляшок, зміст c-myc м-РНК виявилося вищим, ніж у нормальних гладком'язових клітинах [12].
При ішемії/реперфузії, особливо на ранніх стадіях реперфузії, коли має місце депресія скорочувальної функції міокарда, відзначається більш ніж 600% приріст H2O2 [13]. Крім того, самі кардіоміоцити [14], а також макрофаги [15, 16] продукують оксид азоту та інші активні форми кисню, які, як відомо, є індукторами апоптозу. При цьому відбувається гальмування супероксиддисмутази, кателази, глютатіонпероксидази, знижується рівень токоферолу, підвищується перікісних окислення ліпідів [17]. Іншими словами, відзначається різкий дефіцит в організмі антиоксидантів, що може служити пусковим моментом у розвитку апоптозу кардіоміоцитів. Для пояснення природи апоптозу кардіоміоцитів необхідно врахувати деякі результати дослідження в області ренін-ангіотензинової системи людини. Був ідентифікований, в тому числі і на тканинах передсердь людини, другий тип рецепторів до ангіотензину-II [18]. Цей тип рецепторів експресувати в ембріональному періоді, але відсутній у постнатальному періоді [19]. При дисфункції міокарда відбувається реекспрессія другого типу рецепторів до ангіотензину-II [20]. Останні є медіаторами апоптозу [21, 22]. Ще однією ймовірною причиною розвитку апоптозу кардіоміоцитів є підвищення концентрації вільного цитозольного кальцію.
Нарешті, в якості пракрінного індуктора апоптозу кардіоміоцитів не можна виключити TNF-a. Підвищення рівня TNF-a відповідально за негативний інотропний ефект, кардиомиопатию, набряк легенів. З іншого боку, TNF-a є класичним індуктором апоптозу. Тому не можна виключити, що існує зв'язок між TNF-a-апоптозом та дисфункцією міокарда, спричиненої цим цитокіном [23].
Для клітин, що мають термінальну диференціювання, а до таких належать кардіоміоцити, апоптоз не є характерним. Однак при кардіоміопатіях, гіпертрофії міокарда та хронічної серцевої недостатності різної етіології часто відбувається прогресивне зниження скоротливої ??здатності лівого шлуночка. Причому нерідко цей процес протікає у відсутності будь-яких ознак ішемії міокарда. Тому в якості робочої гіпотези, що пояснює механізм розвитку хронічної серцевої недостатності, був використаний апоптоз кардіоміоцитів. Ультраструктурні дослідження кардіоміоцитів у хворих з кардіоміопатією, гіпертрофією серця та хронічну серцеву недостатність, а також експериментальні моделі недостатності лівого шлуночка чітко показали наявність дегенеративних змін кардіоміоцитів при цій патології [24, 25].


Елементи апоптотичній загибелі кардіоміоцитів були констатовані в онкологічних хворих, яких лікували кардіотоксичності цитостатиками [26]. У культурі неонатальних кардіоміоцитів щурів програмована загибель клітин розвивалася під впливом гіпоксії [27]. Причому апоптоз в цих умовах поєднувався з гіперекспрессіей Fas-рецептора. При використанні методу мікроемболізація коронарних артерій у собак з хронічною серцевою недостатністю (величиною фракції викиду 27 +1%), за допомогою електронної мікроскопії та імуногістохімічного дослідження було виявлено, що апоптотичних тип клітин було зафіксоване не тільки на кордоні вогнищ інфаркту, але й у віддалених від них ділянках міокарда. Проте в зоні некрозу загальна зустрічальність апоптотичних клітин незалежно від гістохімічне приналежності в 3-4 рази перевищувала фоновий рівень. У нормі серед кардіоміоцитів апоптоз взагалі не був зареєстрований. При мікроемболізація в зоні осередкових поразок зустрічальність апоптозу кардіоміоцитів була в 20 разів вище, ніж у віддалених ділянках міокарда [28]. На моделі ішемії (30 хв) і подальшої реперфузії протягом години серця у кроликів R. Gottlieb і співавт. показали, що у відповідь на реперфузії, але не на ішемію, розвивається програмована загибель кардіоміоцитів [29]. Клінічне значення цих даних полягає в тому, що, очевидно, пізня постінфарктна загибель кардіоміоцитів має не некротичну, а апоптичних природу.
Природа клітинної смерті в умовах ремоделювання гіпертрофованого міокарда має ряд специфічних особливостей, що стосуються морфологічної картини. У нещодавно проведеному дослідженні S. Yamamoto та співавт. було виявлено підвищену кількість лізосомальних структур в кардіоміоцитах шлуночків [30]. Висока лізосомальних та аутофагоцітарная активність, яка спостерігається в уражених кардіоміоцитах, свідчить про наявність саморуйнуючої процесу цитоплазматичної дегенерації, здійснюваного під контролем самоконтролюючий запрограмованого аутолізу. Було показано, що хронічний саморуйнується протеоліз в уражених кардіоцитами, хоча і не пов'язаний з типовою апоптозної морфологією ядер або цитоплазми, але може привести до контрольованої смерті кардіоцитами гіпертрофованого міокарда. Витік лізосомальних ензимів (катепсинів) і підсилилася окислювальний стрес були здатні індукувати цитоплазматичну деградацію і також виступати в ролі тригерів апоптозної деградації ядер. Незрозумілим залишається відповідь на питання про кількісному співвідношенні уражених кардіоміоцитів, що знаходяться на ранній стадії цитоплазматичної дегенерації і насправді втрачають свої ядра до настання її кінцевої стадії. У зразках ексцентрично гіпертрофованого міокарда було знайдено велику кількість кардіоміоцитів, що містять деградованих ДНК, ніж у зразках концентрично гіпертрофованого міокарда. Це може свідчити про різних стадіях серцевої недостатності, оскільки вона була вираженою і фатальною при ексцентричної гіпертрофії і незначною при концентричної гіпертрофії. Можна говорити про пряму залежність між вираженістю серцевої недостатності і кількістю загиблих кардіоміоцитів. Авторам дослідження не вдалося виявити апоптозну деградацію ядер при електронній мікроскопії. Ймовірно, апоптозних деградація ядер зустрічалася рідко і/або протікала і завершувалася дуже швидко.
В даний час інтенсивно вивчається роль каспаз в процесах програмованої клітинної загибелі в умовах розвитку серцевої недостатності. H. Yaoita і співавт. продемонстрували, що Z-VAD-fmk, загальний інгібітор каспаз, здатний інгібувати процеси апоптозу кардіоміоцитів і площа інфаркту міокарда у щурів, які зазнали реперфузії in vivo [31]. Ряд досліджень свідчить про участь каспаз в процесі вивільнення цитохрому С при гіпоксії та індукції апоптозу кардіоміоцитів [32-34]. У нещодавно проведених роботах було показано підвищення рівня каспаз і TNFa в кардіоміоцитах хворих із серцевою недостатністю, у тому числі і при кардіоміопатіях [35-37].
Фармакологічна корекція апоптозу при серцевій недостатності. В даний час є фармакологічні агенти, здатні ефективно інгібувати апоптоз кардіоміоцитів, індукований різними стимулами: ішемією/реперфузією, H2O2, TNFa та ін Однак ці речовини (ZVAD-fmk, SB 203580, PD 98059, інсуліноподібний ростової фактор, N-ацетил-цистеїн ) застосовуються в основному в експериментальних умовах. У зв'язку з цим певні перспективи пов'язані з подальшим клінічним дослідженням карведилолу (1 - [9H-carbazol-4-yloxy] -3 - [- (metho-xyphenoxy) ethyl-2-propanol), зареєстрованим фармацевтичною фірмою "SmithKleine Beecham Pharmaceuticals" під торговим назвою "Coreg (r)". Препарат являє собою b-блокатор нового покоління з вираженою антиоксидантною та помірною судинорозширювальну активність. У проведених клінічних дослідженнях карведилол продемонстрував значне зниження рівня смертності у хворих із серцевою недостатністю. Механізмом антіапоптотіческого дії препарату є пригнічення експресії Fas-рецептора на кардіоміоцитах [38].
На закінчення огляду можна зробити окремі узагальнення і висунути ряд гіпотез щодо ролі апоптозу в кардіопатологій. Якщо апоптоз розглядати як якусь альтернативу клітинного ділення, що забезпечує клітинний гомеостаз в судинній стінці, то, навіть виходячи з загальних міркувань, необхідно допустити, що апоптоз бере участь у патогенезі атеросклерозу коронарних судин серця. При цьому апоптоз повинен "працювати" практично на всіх рівнях процесу: він повинен елімінувати пошкоджені ендотеліальні клітини судин, видаляти мігрували в інтиму гладком'язові клітини, усувати навантажені ліпідами пінисті клітини і т.д. І дійсно, на фінальних стадіях еволюції атероми, особливо в ядрі атеросклеротичної бляшки, стан гіперплазії змінюється гіпоплазією. Проте на початкових етапах розвитку атеросклерозу цього не відбувається. Іншими словами, можна запідозрити загальну неспроможність апоптозу як ключового фактора в патогенезі атеросклерозу. Звідси логічним продовженням буде допущення того, що існує якийсь єдиний механізм, що контролює апоптоз всіх клітин всередині органу або організму в цілому. І цей механізм дає збій при атеросклерозі. Також ці дефекти мають місце і при розвитку серцевої недостатності в умовах гіпертрофованого міокарда. Можна припустити, що в основі цього лежать порушення мікрооточення клітин, що призводять до гальмування апоптозу у всіх або більшості структурних елементів судинної стінки і міокарда. Однак і в цьому випадку необхідно допустити наявність єдиного універсального механізму, який контролює апоптоз у клітин різної гістологічної приналежності. Певні перспективи в подальшій корекції неспроможності апоптозу при кардіопатологій можуть бути пов'язані із застосуванням низькомолекулярних інгібіторів каспаз.
Література:
1. Kerr J.F.R., Wyllie A.H., Curne A.R. Apoptosis: a basic biological phemomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics//Br J Cancer 1972; 26 (2): 239-57.
2. James T.N. Normal and abnormal consequences of apoptosis in the human heart: from postnatal morphogenesis to paroxismal arrythmias//Circulation 1994; 90: 556-73.
3. Esterbauer H., Wang G., Puhl H. Lipid peroxidation and its role in atherosderosis//Br Med Bull 1993; 49: 566-76.
4. Araki S., Shimada Y., Kaji K. et al. Apoptosis of vascular endothelial cells by fibroblast growth factor deprivation//Biochem Biophys Res Commun 1990; 168: 1194-200.
5. Bennet M.R., Evan G.I., Newby A.C. Deregulated c-myc oncogene expression blocks vascular smooth muscle cell inhibition mediated by heparin, interferon mitogen depletion and cyclic nucleotide analogues induces apoptotu cell depth//Circ Res 1994; 74: 525-36.
6. Reed V.C., Hardwick S.J., Mitchinson M.S. Fragmentation of DNA in P388D1 macrophages exposed to oxidised low-density lipoproteins//FEBS Lett 1993; 332: 218-20.
7. Han D.K.M., Haudenschild C.C., Hong U.K. et al. Evidence for Apoptosis in Human Atherogenesis and in a Rat Vascular Injury Model//Am J Pathol 1995; 147 (2): 267-77.
8. Geng Y.J., Ubby P. Evidence for Apoptosis in Advanced Human Atheroma. Colocalization with Interleukin-Ip-Converting Enzyme//Am J Pathol 1995; 147 (2): 251-66.
9. Evan G.I., Wyllie A.H., Gilbert C.S. et al. Induction of apoptosis in fibroblasts c-myc protein//Cell 1992; 69: 119-28.
10. Evan G., Littlewood T. Role c-myc in cell growth//Curr Opin Gouct Dev 1993; 3: 44-9.
11. Kretzner L., Blackwood E., Eisenman R. et al. et al. et al. et al. et al. et al. et al. et al. et al. et al. et al. et al. et al. et al. et al.