16.2. Адаптивные реакции миокарда в ответ на ишемию-реперфузию
Гибернация миокарда. Полная ишемия миокарда обладает исключительно высокой патогенностью и неизбежно приводит к гибели кардиомиоцитов. С другой стороны, в условиях неполной ишемии миокард способен формировать компенсаторный ответ, позволяющий сохранить жизнеспособность за счет резкого ограничения сократительной функции. Этот механизм получил название гибернации миокарда.
Гибернация миокарда – стойкое угнетение сократимости жизнеспособного миокарда левого желудочка, возникающее вследствие его гипоперфузии. Термин «гибернация» заимствован из зоологии и обозначает адаптивное снижение потребления энергии в условиях сниженного ее поступления. В 1982 году американский исследователь С. Рахимтула, проанализировав результаты реваскуляризации миокарда у больных с ИБС, пришел к выводу, что у ряда больных имевшаяся сократительная дисфункция левого желудочка не являлась проявлением необратимого ишемического повреждения миокарда, а представляла адаптивное угнетение сократимости в ответ на снижение кровотока. Существенным моментом является то, что характерного для ишемии дисбаланса между потребностью миокарда в кислороде и возможностями его кровоснабжения при гибернации не возникает. Таким образом, снижение кровотока в гибернирующем миокарде не может расцениваться как состояние ишемии. В данном случае правильнее говорить не об ишемии, а о гипоперфузии миокарда. С другой стороны, не исключено, что процесс перехода миокарда в «спящее» состояние в результате ограничения коронарного кровотока включает кратковременную инициальную фазу относительной ишемизации. Восстановление полноценного кровотока к участку миокарда в состоянии гибернации приводит к полному восстановлению его сократимости.
Несмотря на значительный интерес к данной проблеме, механизмы гибернации миокарда изучены недостаточно. Гибернация миокарда возникает в двух вариантах – остром (краткосрочном) и хроническом.
Механизмы гибернации. Краткосрочная гибернация возникает в случае, когда степень снижения притока крови составляет не более 75 %. Таким образом, при сохранении 25 % объема притекающей крови, кардиомиоциты могут сохранить жизнеспособность и не погибнуть в течение достаточно длительного времени (до нескольких суток) при условии сокращения их метаболических потребностей, прежде всего из-за снижения сократимости миокарда в участке с ограниченной коронарной перфузией. В качестве возможных механизмов снижения сократимости миокарда при острой ишемии в настоящее время рассматривают следующие:
нарушение захвата кальция саркоплазматическим ретикулумом;– снижение чувствительности миофибрилл к кальцию; – накопление неорганического фосфата.
Каждый из перечисленных механизмов отчасти объясняет ограничение сократительной активности миокарда при снижении притока крови. Таким образом, краткосрочную гибернацию миокарда можно рассматривать как адаптивную реакцию, направленную на сохранение жизнеспособности миокарда в условиях ограничения притока крови.
Хроническая гипоперфузия, длящаяся в течение нескольких месяцев, также приводит к гибернации миокарда. В отдельных клинических исследованиях показано, что зоны гибернирующего миокарда могут существовать у пациентов с ИБС в течение нескольких лет. В кардиомиоцитах хронически гибернирующего миокарда регистрируются характерные ультраструктурные изменения:
уменьшение содержания сократительных белков;
повышение содержания гликогена;
появление признаков дедифференцировки кардиомиоцитов (эмбрионального фено-типа клеток).
Важнейшим проявлением хронической гибернации является сохранение жизнеспособности кардиомиоцитов при критическом понижении коронарного кровотока. В основе этого явления лежат три основных механизма: 1) метаболическая адаптация миокарда, проявляющаяся усиленным захватом глюкозы; 2) активация генетической программы выживания кардиомиоцитов; 3) феномен аутофагии.
Показано, что миокард в зоне гибернации усиленно захватывает глюкозу, практически не утилизируя жирные кислоты. Интенсивность поглощения глюкозы гибернирующими кардиомиоцитами дополнительно усиливается после инотропной стимуляции. Примечательно, что захват глюкозы кардиомиоцитами гибернирующего миокарда превышает их метаболические потребности, и избыток глюкозы накапливается в саркоплазме в форме гликогена. Гибернирующий миокард претерпевает метаболическую перестройку, в соответствии с которой глюкоза становится основным источником энергии. Предполагается, что такой метаболический паттерн наиболее целесообразен в условиях значительной гипоперфузии, поскольку обеспечивает быструю мобилизацию необходимого количества глюкозы для анаэробного гликолиза.
Последние исследования проливают свет на некоторые особенности геномного ответа, возникающего в гибернирующем миокарде. В частности, установлено, что в гибернирующем миокарде происходит усиление экспрессии генов белка теплового шока 70 (HSP70), индуцируемого гипоксией фактора-1α (HIF-1α), сосудистого эндотелиального фактора роста (VEGF) и транспортера глюкозы 1 (GLUT1). Все перечисленные белки обладают выраженными цитопротективными свойствами, поэтому их активация в гибернирующем миокарде объясняет его парадоксальную устойчивость к ишемии. Интересным механизмом гибернации миокарда является аутофагия – усиление деградации белков и органелл кардиомиоцитов в лизосомах. Некоторые авторы полагают, что аутофагия может способствовать поддержанию жизнеспособности гибернирующего миокарда за счет удаления нефункционирующих клеток и перераспределения пула аминокислот в пользу клеток, сохраняющих метаболическую активность.
Взаимосвязь станнирования и гибернации. Хотя станнирование миокарда исходно было описано как краткосрочный феномен, теоретически возможно существование «хронического» варианта угнетенной сократимости. С клинической точки зрения принципиальное значение имеет вопрос о том, могут ли повторные короткие эпизоды станнирования приводить к возникновению хронической формы гибернации. Экспериментальные работы свидетельствуют о том, что эффекты многочисленных повторных эпизодов ишемии-реперфузии на сократимость могут кумулироваться и вызывать состояние, близкое по проявлениям к гибернации. Различие между хронической формой гибернации и эффектами повторного многократного станнирования состоит в отсутствии при станнировании дефицита кровотока в миокарде, в то время как при гибернации отмечается стойкое ограничение кровотока (табл. 16.2). Несомненно, что в реальной клинической ситуации феномены станнирования и гибернации могут сосуществовать у одного и того же больного.
С. Рахитула назвал миокард в состоянии гибернации «умным сердцем», образно подчеркнув важное адаптивное значение этого состояния. Однако структурно-функциональные изменения миокарда при гибернации, особенно в условиях длительной выраженной гипоперфузии, не позволяют однозначно отнести этот феномен к механизмам адаптации, поскольку снижение сократимости клеток возникает параллельно с их повреждением и остановить процесс гибели кардиомиоцитов может только своевременная реваскуляризация.
Таблица 16.2
Сравнительная характеристика краткосрочной гибернации и станнирования
Примечание: ↑ – увеличение показателя, ↓ – снижение показателя; число стрелок пропорционально степени увеличения (снижения).
Прекондиционирование и посткондиционирование миокарда. Феномен прекондиционирования миокарда (ПКМ) убедительно демонстрирует существование эндогенных механизмов, обеспечивающих значительное повышение устойчивости сердечной мышцы к ишемии. Ишемическое ПКМ было впервые описано С. Е. Мерри и соавт. в 1986 г. Проведенные ими эксперименты показали, что выполнение четырех 5-минутных эпизодов регионарной ишемии миокарда, разделенных 5-минутными эпизодами реперфузии, перед продолжительной (40-минутной) ишемией приводит к уменьшению размера формирующегося инфаркта в несколько раз. Инфаркт-лимитирующий эффект ПКМ был позднее подтвержден в многочисленных экспериментальных исследованиях, выполненных на различных видах животных и моделях ишемии-реперфузии. К настоящему времени описаны цитопротективные эффекты прекондиционирования головного мозга, тонкой кишки, печени, легкого, почки, скелетной мышцы и кожи. Таким образом, ишемическое ПКМ – это феномен уменьшения выраженности ишемического и реперфузионного повреждения миокарда, возникающий после одного или нескольких коротких эпизодов ишемии-реперфузии.
В последующие годы было показано, что ПКМ обеспечивает не только выраженный инфаркт-лимитирующий эффект, но и ослабляет проявления постишемической сократительной дисфункции левого желудочка и обладает антиаритмическим действием в отношении ишемических и реперфузионных тахиаритмий, а также улучшает функциональное состояние эндотелия. Принципиальным моментом является способность ПКМ замедлять формирование необратимого ишемического повреждения миокарда, но не предотвращать его наступление. Как уже упоминалось выше, относительно короткие эпизоды ишемии-реперфузии могут вызывать станнирование миокарда. Условия возникновения станнирования и ПКМ показаны на рис. 16.3.
Выделяют раннее и позднее ПКМ. Раннее ПКМ характеризуется более выраженным инфаркт-лимитирующим действием и возникает в том случае, когда серия кратковременных эпизодов ишемии-реперфузии осуществляется за 5 – 30 мин до начала продолжительной ишемии (рис. 16.4). Позднее ПКМ формируется в ситуации, когда прекондиционирующие эпизоды выполняются за 24 – 72 ч до тестовой ишемии.
Факторы, вызывающие прекондиционирование . В последние годы стало очевидно, что кардиопротективный ответ, характерный для ПКМ, может быть индуцирован с помощью целого ряда факторов, оказывающих слабое повреждающее действие на сердце или организм в целом. Все стимулы, вызывающие ПКМ, можно разделить на две большие группы – ишемические и неишемические. В свою очередь, ишемическое ПКМ подразделяется на локальное и дистантное. Последнее возникает при выполнении перед ишемией миокарда кратковременной ишемии-реперфузии органов, анатомически удаленных от сердца (почки, тонкой кишки, скелетной мышцы).
Рис. 16.3. Условия возникновения станнирования и ишемического прекондиционирования
Рис. 16.4. Раннее (классическое) прекондиционирование и второе окно защиты
Наибольший интерес, с клинической точки зрения, представляет неишемическое ПКМ. Оно может быть индуцировано с помощью фармакологических препаратов определенных групп, вводимых до начала тестовой ишемии и воспроизводящих эффект коротких эпизодов ишемии-реперфузии. Своеобразную разновидность ПКМ, описанную в эксперименте, представляет собой метаболическое ПКМ, имеющее место при хронических нарушениях обмена веществ (экспериментальный сахарный диабет, гипо- и гипертиреоз).
Кардиопротективный фенотип может быть индуцирован путем воздействия на организм некоторых физических факторов, в частности гипероксии и гипертермии. Кроме того, устойчивость сердца к ишемии-реперфузии возрастает после транзиторного растяжения миокарда, облучения сердца низкоинтенсивным лазерным излучением и воздействия малоинтенсивного ультразвука.
Длительное повышение устойчивости миокарда к ишемии было достигнуто путем доставки генов, кодирующих цитопротективные белки (супероксиддисмутаза, NO-синтаза), в геном кардиомиоцитов с помощью аденовирусных векторов.
Молекулярные механизмы прекондиционирования . В настоящее время имеется большой массив данных относительно механизмов ПКМ. Повышение устойчивости миокарда к ишемии при раннем ПКМ не связано с синтезом в клетке белков de novo. В качестве возможного механизма раннего ПКМ рассматривается только посттрансляционная модификация белков, включая фосфорилирование/дефосфорилирование протеинкиназ. Напротив, ключевую роль в реализации позднего ПКМ (или «второго окна защиты») играет синтез в клетке белков с цитопротективными свойствами. К таким белкам относятся супероксиддисмутаза, циклооксигеназа-2, индуцибельная NO-синтаза и различные белки теплового шока. Ниже дается более подробная характеристика механизмов развития раннего ПКМ. Традиционно механизмы раннего ПКМ рассматриваются в виде сложного сигнального каскада, включающего три последовательных этапа: триггерный, медиаторный и эффекторный (рис. 16.5).
Рис. 16.5. Упрощенная схема механизмов прекондиционирования миокарда
Триггерный этап характеризуется накоплением в миокарде в ходе ишемии ряда биологически активных веществ, способных активировать внутриклеточные ферменты рецепторным и нерецепторным путем. Важнейшие рецепторно-зависимые триггеры – это аденозин, опиоидные пептиды и брадикинин. Участие этих веществ в инициации ПКМ подтверждается двумя группами фактов. Во-первых, введение антагонистов соответствующих G-белоксвязанных рецепторов частично или полностью устраняет протективный эффект ишемического ПКМ. Во-вторых, введение самих рецепторно-зависимых триггеров или агонистов их рецепторов перед продолжительной ишемией воспроизводит эффекты ПКМ. Имеется три рецепторно-независимых триггера ПКМ: моноокись азота (NO), активные формы кислорода
(АФК) и ионы кальция (Са2+).
Медиаторный этап включает активацию нескольких семейств внутриклеточных киназ (протеинкиназы С, тирозинкиназы, митоген-активируемых протеинкиназ и др.) и сложные взаимодействия между ними, в конечном итоге приводящие к активации эффектора (ов) ПКМ. Наконец, эффекторный этап подразумевает активацию внутриклеточных мишеней, непосредственно ответственных за уменьшение потребности миокарда в энергии. До последнего времени важнейшим конечным эффектором ПКМ считались митохондриальные АТФ-чувствительные калиевые (КАТФ) каналы. Было установлено, что ПКМ приводит к открытию митохондриальных КАТФ каналов в ходе последующей длительной ишемии, что, в свою очередь, обеспечивает ослабление перегрузки митохондрий Са2+ и защиту миокарда от ишемического повреждения. Кроме того, было установлено, что открытие митохондриальных КАТФ каналов приводит к дополнительной «утечке» электронов из дыхательной цепи и образованию АФК, необходимых для дальнейшей передачи сигнала. Наконец, в ряде работ предполагалось, что активация митохондриальных КАТФ каналов изменяет объем матрикса митохондрий, что оптимизирует образование АТФ. Необходимо подчеркнуть, что молекулярная структура КАТФ каналов так и не была полностью установлена. Таким образом, данные об участии КАТФ каналов в ПКМ базируются исключительно на том, что некоторые ингибиторы этих каналов (глибенкламид, 5-гидроксидеканоат) устраняют эффект ПКМ, а некоторые их активаторы (диазоксид) воспроизводят эффекты ПКМ, уменьшая степень некроза и апоптоза.
В последние годы многие авторы сходятся во мнении, что ПКМ может иметь несколько различных конечных эффекторных механизмов. Один из этих эффекторов – это активация сарколеммальных КАТФ каналов, которая была зафиксирована после осуществления практически всех известных видов ПКМ. Активация сарколеммальных КАТФ каналов сопровождается уменьшением продолжительности потенциала действия и, следовательно, ослаблением внутриклеточной Ca2+ перегрузки. Кроме того, вызванное ПКМ ограничение образования АФК в ходе продолжительной ишемии-реперфузии также может рассматриваться как эффекторный механизм, учитывая, что высокие концентрации АФК вызывают нарушение работы электронно-транспортной цепи митохондрий, а оксидативный стресс, возникающий в начальные моменты реперфузии, ведет к тяжелому повреждению миокарда. Таким образом, можно предполагать, что ПКМ ослабляет массивное образование АФК в ходе реперфузии после длительной ишемии, но в то же время малые количества АФК, образующиеся в ходе самого ПКМ, играют первостепенную триггерную роль. Наконец, считается, что ключевое значение в ослаблении реперфузионного повреждения под действием ПКМ могут иметь поры, регулирующие проницаемость внутренней мембраны митохондрий. Открытие митохондриальных пор происходит в раннем периоде реперфузии и несет целый ряд опасных для клетки последствий, в частности взрывообразное набухание матрикса митохондрий, уменьшение продукции АТФ и активацию апоптоза. Таким образом, ингибирование митохондриальных пор в начальном периоде реперфузии может рассматриваться в качестве перспективного подхода к уменьшению реперфузионного повреждения.
Прекондиционирование миокарда у человека. Результаты экспериментальных исследований, показывающие высокую кардиопротективную эффективность ПКМ, естественным образом заставляют задуматься над вопросом о том, возможно ли возникновение ПКМ у пациентов с ИБС. На сегодняшний день мы располагаем данными о том, что в определенных клинических ситуациях ПКМ действительно возникает у человека и может играть защитную роль.
Предшествующая возникновению инфаркта миокарда стенокардия может представлять собой клиническое подтверждение ПКМ у человека. В настоящее время установлено, что ангинозные приступы предшествуют наступлению инфаркта миокарда у 25 – 50 % пациентов. Исследования, выполненные до широкого внедрения в клиническую практику тромболитиков, однозначно свидетельствовали о худшем течении инфаркта миокарда и большей частоте его осложнений у пациентов с предынфарктной стенокардией. Однако в эру тромболитиков интерес к клинической значимости предынфарктной стенокардии как одного из возможных аналогов наблюдаемого в эксперименте ПКМ возникает вновь. Отдаленный прогноз у больных с предшествующей инфаркту стенокардией всегда хуже, по-видимому, изза большего объема атеросклеротического поражения. Тем не менее, ближайший прогноз у таких больных, как правило, оказывается лучше, чем у пациентов, перенесших инфаркт миокарда без предынфарктного периода. У больных с предынфарктной стенокардией реже формируется инфаркт с патологическим зубцом Q, реже развиваются аритмии после инфаркта, снижается вероятность возникновения таких осложнений, как кардиогенный шок и сердечная недостаточность.
Достаточно наглядно ПКМ проявляется при повторных раздуваниях баллончика в ходе чрескожной баллонной ангиопластики. По сравнению с первым раздуванием уже при втором у пациентов уменьшается выраженность ангинозных болей, становится меньше депрессия сегмента ST, снижается продукция лактата и среднее давление в легочной артерии.
Таким образом, ПКМ представляет собой неспецифический адаптивный ответ, проявляющийся повышением устойчивости сердца к ишемическому и реперфузионному повреждению.
Посткондиционирование миокарда . Наиболее эффективным – из описанных к настоящему времени способов предотвращения реперфузионного повреждения – является феномен ишемического посткондиционирования миокарда, впервые описанный З. К. Зао [и др.] в 2003 г. Посткондиционирование обеспечивает защиту сердца от реперфузионного повреждения за счет создания коротких эпизодов ишемии-реперфузии, выполненных в раннем реперфузионном периоде после длительной ишемии. В настоящее время описаны инфаркт-лимитирующий, антиаритмический и эндотелиопротективный эффекты ишемического посткондиционирования.
Рассматриваются две группы механизмов посткондиционирования – активные и пассивные. Пассивные механизмы включают ослабление образования активных форм кислорода и «сглаживание» трансмембранных градиентов осмолярности и pH за счет временного возвращения условий ишемии. Активные механизмы посткондиционирования уникальны для данного феномена и связаны с активацией специфических молекулярных мишеней внутри клетки. В настоящее время выделяют два важнейших активных механизма, а именно: активацию киназ, ослабляющих реперфузионное повреждение (RISK киназ), и ингибирование митохондриальной поры, регулирующей проницаемость (мПРП). Семейство RISK (англ. reperfusion injury salvage kinases) киназ включает фосфатидилинозитол-3-ОН-киназу, протеинкиназу В и киназу, активируемую внеклеточными сигналами (рис. 16.6).
Рис. 16.6. Роль RISK киназ в механизмах пре- и посткондиционирования:
PI3K – фосфатидилинозитол-3-OH-киназа; PKB – протеинкиназа В; Akt – сигнальный фактор Akt
Фармакологическая активация RISK пути в ходе реперфузии приводит к антиапоптотическому эффекту и ограничению размера некроза, а его ингибирование в начальном периоде реперфузии устраняет эффект посткондиционирования. Таким образом, активация RISK пути в ходе реперфузии может представлять собой мишень для терапевтических воздействий. В этой связи в последние годы была обоснована концепция «фармакологического посткондиционирования», согласно которой некоторые фармакологические агенты, включая инсулин, брадикинин, трансформирующий фактор роста β, аторвастатин и глюкагоноподобный пептид 1 могут обеспечивать защиту от острого реперфузионного повреждения за счет активации RISK пути.
Активация RISK пути в конечном итоге приводит к уменьшению вероятности открытия мПРП в начальном периоде реперфузии. Ингибирование открытия мПРП приводит к таким положительным эффектам, как уменьшение накопления Ca2+ в митохондриях, ослабление отека матрикса митохондрий и ограничение выхода проапоптотических белков (например, цитохрома C) из межмембранного пространства митохондрий. Изучение механизмов посткондиционирования находится на начальном этапе. В то же время, посткондиционирование имеет несомненное преимущество перед различными вариантами прекондиционирования, так как может быть использовано после наступления продолжительной ишемии миокарда, тогда как попытка реализовать прекондиционирование осложняется непредсказуемостью времени развития инфаркта. Результаты первых клинических исследований в области посткондиционирования подтвердили его инфаркт-лимитирующий эффект у пациентов с острым инфарктом миокарда. Широкое внедрение чрескожных методов экстренной реваскуляризации миокарда при остром коронарном синдроме позволило добиться значительного уменьшения смертности и вероятности возникновения осложнений. В то же время, у значительной части пациентов со своевременно выполненной реваскуляризацией миокарда диагностируется низкий индекс жизнеспособности миокарда, что подчеркивает необходимость поиска новых способов защиты миокарда от ишемического и, в особенности, реперфузионного повреждения. Мишенью для подобных кардиопротективных воздействий является летальное реперфузионное повреждение и феномен no-reflow. Обнаруженные в последние годы молекулярные механизмы ишемического и реперфузионного повреждения миокарда позволяют разрабатывать новые фармакологические подходы к его эффективному предотвращению.