Роль оксиду нітрогену в регуляції судинного тонусу в легеневому руслі
pages: 42-44
Низький опір в легеневому судинному руслі встановлюється при народженні людини і модулюється балансом вазоконстрикторів та вазодилататорів, які синтезуються легеневим ендотелієм (H.W. Farber, J. Loscalzo, 2004). Особливістю легеневих судин є реакція звуження у відповідь на гостру гіпоксію, тоді як судини системного русла на цей подразник відповідають периферичною вазодилатацією. Така фізіологічна реакція легеневих судин є критичною щодо механізмів вентиляції та перфузії. Дисбаланс вазорегулюючих активних субстанцій внаслідок тривалої гіпоксії або ендотеліальної дисфункції може призвести до легеневої вазоконстрикції, проліферації судинних гладеньком’язових клітин, місцевого тромбозу, що в результаті зумовлює розвиток легеневої гіпертензії.
Оксид нітрогену (NO), головний фактор регуляції судинного тонусу, є вільним радикальним газом, який дифундує з місця свого синтезу в ендотеліальних клітинах до своєї мішені – розчинної гуанілатциклази (рГЦ) в судинних гладеньком’язових клітинах. У такому класичному механізмі дії NО активація рГЦ підсилює продукцію циклічного гуанозинмонофосфату (цГМФ), що викликає вазодилатацію. Альтернативним шляхом дії NО вважається його окиснення до нітритів (D.B. Kim-Shapiro, A.N. Schlechter, M.T. Gladwin, 2006) або реакції NО з білками тіолів з утворенням активних вазодилатувальних нітрозотіольних сполук (D.T. Hess et al., 2005). Цікавим та інтригуючим є той факт, що нітрит та нітрозотіоли взаємодіють з гемоглобіном, використовуючи його алостеричну природу всередині еритроцитів, та транспортують молекулу NO на периферію, де судинорозширювальний потенціал використовується для доставки оксигенованої крові до гіпоксичних тканин.
Відкриття синтезу NО в клітинах ссавців та його ролі в розширенні кровоносних судин стало найбільш неочікуваним та парадоксальним відкриттям в біології та медицині, і 1998 року це було відзначено Нобелівською премією. Роль NО в підтриманні гомеостазу в легеневих судинах та в розвитку серцево-легеневої патології була встановлена на моделях легеневих ушкоджень та гіпертензії в малому колі кровообігу в генетично модифікованих мишей (I.N. Mungrue et al., 2003).
Регуляція синтезу NO
Біосинтез молекули NО в організмі відбувається при окисненні аргініну – природної амінокислоти, що входить до складу білків, – за допомогою ферментів з сімейства NО-синтаз (NОSs). Ізоформи NОS відрізняються між собою не лише за місцями їх найбільшої експресії, але й за регуляцією їх активності. Відомі 3 типи ізоферментів NОS: NОS3 (ендотеліальна), NОS2 (індуцибельна, або макрофагальна) та NОS1 (нейрональна). Початкові дослідження щодо вивчення ролі NО в легенево-судинній фізіології були основані на застосуванні NОS-інгібіторів. Повне розуміння значення кожної ізоформи NОS для розвитку судинної патології стало можливим після створення генетично модифікованих мишей з дефіцитом кожного типу NО-синтаз, приклади чого наведено нижче.
Домінуючим ферментом в синтезі NО в легеневому кровоносному руслі є ендотеліальна NО-синтаза (NОS3). NОS3 – це конституційний мембранозв’язувальний фермент, експресія якого відбувається в ендотеліальних клітинах судин і регулюється концентрацією іонів кальцію (Ю.И. Головченко, М.А. Трещинська, 2008; D.M. Dudzinski, J. Igarashi et al., 2006).
Нейрональна та індуцибельна NО-синтази в малих кількостях локалізуються на епітелії дихальних шляхів та в судинних гладеньком’язових клітинах. Основним джерелом індуцибельної NО-синтази (NОS2) є макрофаги (що і зумовило її другу назву – макрофагальна NО-синтаза). Активність індуцибельної форми NOS не залежить від внутрішньоклітинної концентрації іонів кальцію, що уможливлює гіперпродукцію NO до цитотоксичних рівнів, а це може мати велике патофізіологічне значення. Цікавим є той факт, що ендотоксини та прозапальні цитокіни можуть індукувати експресію NОS2 практично в усіх легеневих клітинах (А.Ф. Ванин, 2000).
NО-синтаза є активною лише у вигляді гомодимеру: кожна субодиниця складається з редуктазного та оксигеназного домену, розділених кальмодуліновим комплексом. Оксигеназний домен є активною ділянкою для синтезу NО і має сайти для зв’язування з гемом та L-аргініном. Перенос електрону з редуктазного домену призводить до активації молекулярного кисню зв’язаного із залізом гему. Другим кроком є окиснення гуанідин-нітрогенового комплексу L-аргініну, внаслідок чого утворюються оксид нітрогену та L-цитрулін. Надлишок синтезованого NО, за принципом зворотного зв’язку, інгібує активність NОS (M.P. Coggins, K.D. Bloch, 2007).
Виділяють два рівні секреції NО – базальна, яка підтримує фізіологічний тонус судин в спокої та забезпечує неадгезивність ендотелію до формених елементів крові, та стимульована – у відповідь на різноманітні стимули, такі як динамічне напруження м’язових волокон, циркулюючі гормони (норадреналін, вазопресин і брадикінін), різноманітні аутакоїди (ацетилхолін, гістамін, серотонін) і компоненти каскаду коагуляції (тромбін) (Ю.І. Головченко, М.А. Трещинська, 2008).
цГМФ-залежний механізм дії NO
Класичним сигнальним механізмом дії NO є вплив на рГЦ, яка є гетеродимером і має 2 субодиниці – α та β. Для серцево-судинної системи важливим є ізомер α1β1. Реакція оксиду нітрогену з рГЦ призводить до підвищеної продукції цГМФ (D.P. Ballou, Y. Zhao et al., 2002). У гладеньком’язових клітинах судин ефекти цГМФ опосередковуються через активацію специфічних білків – цГМФ-залежної протеїнкінази та цГМФ-пропускних іонних каналів, а також через регуляцію активності клітинних фосфодіестераз. Розслаблення гладеньких м’язових волокон може відбуватись декількома шляхами, включаючи гіперполяризацію клітинної мембрани та інгібіцію надлишкового входження кальцію в клітину. Деякі автори вважають, що цГМФ знижує чутливість міофіламентів до іонів кальцію (T. Munzel, R. Feil et al., 2003). рГЦ-залежний шлях обмежується швидким руйнуванням циклічного нуклеотиду фосфодіестеразами, серед яких особливе місце посідає фосфодіестераза 5-го типу, що в надлишковій кількості локалізується в легеневих судинах та міокарді правого шлуночка (S.D. Rybalkin, C. Yan et al., 2003). Після звільнення від зв’язку з гуанілатциклазою NO, перетворений на нітрит (NO2), потрапляє в плазму і потім в еритроцити крові. У них нітрит перетворюється на нітрат (NO3) після реакції з гемоглобіном. Деяка частина оксиду нітрогену дифундує прямо в кровотік з ендотелію. NO негайно захоплюється та утримується еритроцитами та перетворюється на нітрат при додаванні кисню від оксигенованого гемоглобіну. Нітрат далі знову потрапляє в кров та екскретується нирками.
цГМФ-незалежний, альтернативний механізм дії NO
S-нітрозилювання може модулювати функції широкого спектру білків з високим ступенем субстратної специфічності (J.S. Stamler, S. Lamas, F.C. Fang, 2001; D.T. Hess et al., 2005). Наприклад, в ендотеліальних клітинах аорти великої рогатої худоби NOS3 у спокої є нітрозильованою. Судинний ендотеліальний фактор росту викликає денітрозилювання молекули та її активацію з наступним поверненням ферменту до нітрозильованого стану в спокої. Крім того, джерелом NO-груп для реакцій S-нітрозилювання можуть бути нітрити, інші нітрозотіоли, NO-окиснені продукти або комплекси метал-NO. Всі ці стабільні сполуки здатні транспортувати сигнальну молекулу оксиду нітрогену на більш значні відстані, ніж вона могла би дифундувати як вільний газ із місця свого утворення.
NО, який утворюється з аргініну під дією NОS, є досить нестабільною молекулою (середній час життя NО в організмі людини становить менше 5 секунд), тому він може залучатись до безлічі хімічних реакцій: утворювати комплекс кисню з гемоглобіном (Hb-О2) та іншими гемовмісними білками, де окиснюється до нітрату (NО3-); при взаємодії з супероксидним радикалом він утворює пероксинітрит (ООNО-); невеликі кількості оксиду нітрогену відновлюються до N2О і навіть до амонію. NО також може окиснюватись до діоксиду NО2, який може утворювати суміші інших оксидів нітрогену (ізомери N2О3 та N2О4). Оскільки всі вищі оксиди нітрогену реакційно активні, то вони також вступають і в реакції S-нітрозування з тіольними білками з утворенням тіонітритів (нітрозотіольних сполук) та іонів нітриту (NО2-); вони мають більш довгий період життя порівняно з вільною молекулою NO. Окиснення плазмового NO до нітриту каталізується ферментом церулоплазміном. Згодом нітрит може відновлюватись до NO при зниженні рН крові або за наявності відновлювального ферменту (D.B. Kim-Shapiro, A.N. Schlechter, M.T. Gladwin, 2006). Найкраще вивчені реакції нітрозилювання SH-груп залишків амінокислоти цистеїну, в результаті чого утворюються нітрозотіольні сполуки. Тривалість життя молекул нітрозотіолів залежно від радикалу становить десятки хвилин і навіть години (А.А. Недоспасов, Н.В. Беда, 2005). Оскільки молекула оксиду нітрогену є нестійкою, то основна маса NО, залученого до кругообігу, припадає не на NО, а на продукти його окиснення, які утворюють депо оксиду нітрогену в організмі людини.
Роль NO в фізіології легеневого судинного тонусу
Перші дослідження ролі NO в малому колі кровообігу були основані на використанні загальних інгібіторів NO-синтаз. З відкриттям ізоформ цих ферментів виник диференційований підхід до їх застосування та розуміння важливої ролі кожної з них у легеневій судинній біології. Наприклад, делеція гену NОS3 у дорослих мишей викликала системну гіпертензію та помірну легеневу гіпертензію без ознак ремоделювання легеневих судин (W. Steudel et al., 1997). Використовуючи ізольовану перфузію легеневого комплексу мишей з дефіцитом кожної з трьох лізоформ, K.A. Fagan et al. оцінили важливість кожної з ізоформ NОS у підтриманні вазомоторного тонусу легеневих судин та встановили, що саме ендотеліальна NОS відіграє найбільшу роль у регуляції легеневої циркуляції (K.A. Fagan et al., 1999). У звичайних умовах нейрональна та індуцибельна NO-синтази мають невелике значення для підтримання низького опору в легеневому руслі. Проте за патологічних умов, у разі тривалої гіпоксії, саме надмірна експресія та активність індуцибельної NОS в судинних гладеньком’язових клітинах сприяє ендотелій-залежній вазоконстрикції (M.E. Ward et al., 2005).
Останніми роками увагу дослідників привертає також ендогенний інгібітор NОS – асиметричний диметиларгінін. Використовуючи модель легеневої артеріальної гіпертензії (ЛАГ) за умови хронічної гіпоксії, у щурів виявили підвищений рівень асиметричного диметиларгініну та знижену активність специфічного ферменту диметиларгінін-диметиламіногідролази, що чітко корелювало з підвищеним тиском в легеневій артерії (L.G. Millat et al., 2003).
Отже, такі багатовекторні аспекти метаболізму NO створюють значні труднощі для оцінки концентрацій його активних сполук в крові хворих та їх інтерпретації у клінічних умовах. Інколи виникають протиріччя між низькими рівнями метаболітів NO та функціональним поліпшенням судинного тонусу, зокрема у хворих на ішемічну хворобу серця (О.А. Яковлева, Н.П. Савченко, 2004), або, навпаки, між ефективністю застосування препаратів-донаторів NO у хворих на системний червоний вовчак та проявами ЛАГ на фоні початкового високого рівня нітратів та нітритів у сироватці крові (О.О. Клекот, 2011).
На основі отриманих даних щодо важливості NO в легенево-судинній фізіології протягом довгих років розроблялася та впроваджувалася в практику нова стратегія лікування ЛАГ із використанням засобів, які могли б впливати на синтез оксиду нітрогену в організмі людини. Першим таким агентом став інгаляційний NO, застосування якого з 1999 року дозволено FDA (Food and Drug Administration – Управління з контролю харчових продуктів і лікарських засобів США) для терапії ЛАГ у новонароджених. Набули популярності також інгібітори фосфодіестерази 5-го типу, зокрема силденафіл, ефективність якого при ідіопатичній ЛАГ досліджено в подвійних сліпих плацебо-контрольованих дослідженнях. У стадії доклінічних досліджень знаходиться новий клас препаратів – активатори та інгібітори рГЦ.
| Оксид нітрогену відіграє важливу роль у фізіології та патофізіології легеневої циркуляції. Безперечно, участь NO в респіраторному циклі дає можливість вважати його «третім газом», який необхідний для життєдіяльності людини. Деталізація біології цього регулятора дає змогу розробляти перспективні напрямки фармакологічної корекції порушень гемодинаміки в легенях, зумовлених дисбалансом у системах його утворення, депонування та руйнування. |
1. Ванин А.Ф. Оксид азота в биомедицинских исследованиях // Вестн. РАМН. – 2000. – № 4. – С. 3-5.
2. Головченко Ю.И., Трещинская М.А. Обзор современных представлений об эндотелиальной дисфункции // Consilium medicum Ukraina. – 2008. – № 11. – C. 38-40.
3. Недоспасов А.А., Беда Н.В. Биогенные оксиды азота // Природа. – 2005. – № 7. – С. 35-42.
4. Клекот О.О. Ефективність Кораргіну при лікуванні легеневої гіпертензії у хворих на системний червоний вовчак // Вісник Вінницького національного медичного університету. – 2011. – Т. 14. – № 1. – С. 86-89.
5. Яковлева О.А., Савченко Н.П. Медикаментозная коррекция эндотелиальной дисфункции у больных ИБС // Biomedical and Biosocial Anthropology. – 2004. – № 3. – C. 145-148.
6. Ballou D.P., Zhao Y., Brandish P.E. et al. Revisiting the kinetics of nitric oxide (NO) binding to soluble guanylate cyclase: the simple NO-binding model is incorrect // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 2002. – Vol. 199. – P. 12097-12101.
7. Coggins M.P., Bloch K.D. Nitic oxide in the pulmonary vasculature // Arterioscler. Thromb. And Vasc. Biol. – 2007. – P. 1877-1885.
8. Dudzinski D.M., Igarashi J., Greif D. et al. The regulation and pharmacology of endothelial nitric oxide synthase // Ann. Rev. Pharmacol. Toxicol. – 2006. – № 46. – P. 232-276.
9. Fagan K.A., Tyler R.C., Sato K. et al. Relative contributions of endothelial, inducible and neuronal NOS to tone in the murine pulmonary circulation // Am. J. Physiol. Lung Cell Physiol. – 1999. – Vol. 277. – P. L472-L478.
10. Farber H.W., Loscalzo J. Pulmonary arterial hypertension // N. Engl. J. Med. – 2004. – Vol. 351. – P. 1655-1665.
11. Hess D.T., Matsumoto A., Kim S-O. et al. Protein S-nitrosylation: purview and parameters // Nat. Rev. Mol. Cel. Biol. – 2005. – Vol. 6. – P. 150-166.
12. Kim-Shapiro D.B., Schlechter A.N., Gladwin M.T. Unraveling the reactions of nitric oxide, nitrite and hemoglobin in physiology and therapeutics // Arterioscler. Thrombosis. Vasc. Biol. – 2006. – Vol. 26. – P. 697-705.
13. Millat L.J., Whitley G.S., Li D. et al. Evidence for dysregulation of dimethylarginine dimethylaminohydrolase I in chronic hypoxia-induced pulmonary hypertension // Circulation. – 2003. – Vol. 108. – P. 1493-1498.
14. Munzel T., Feil R., Mulsch A. et al. Рhysiology and pathophysiology of vascular signaling controlled by cyclic guanosine 3,5-cyclic monophosphate-dependent protein kinase // Circulation. – 2003. – Vol. 108. – P. 2172-2183.
15. Rybalkin S.D., Yan C., Bornfeldt K.E. et al. GMP phosphodiesterases and regulation of smooth muscle function // Circ. Res. – 2003. – Vol. 93. – P. 280-291.
16. Stamler J.S., Lamas S., Fang F.C. et al. Nitrosylation: the prototypic redox-based signaling mechanism // Cell. – 2001. – Vol. 106. – P. 675-683.
17. Steudel W., Ichinose F., Huang P.L. et al. Pulmonary vasoconstriction and hypertension in mice with targeted disruption of the endotheial nitric oxide synthase (NOS3) gene // Circ. Res. – 1997. – Vol. 81. – P. 34-41.
18. Ward M.E., Toporsian M., Scott J.A. et al. Hypoxia induces a functionally significant and translationally efficient neuronal NО synthase mRNA variant // J. Clin. Invest. – 2005. – Vol. 115. – P. 3128-3139.
/thumbs/widget_RFT2011_04_21_9abfaad1ce858eba7abdcd53604c9a3b.jpg)
/thumbs/widget_RFT2011_03_92e5f95fa6cbb282cb6ae68f861ff60a.jpg)
/thumbs/widget_RFT2011_02_96a985ad3475b615b4176c7c2a6eba65.jpg)
/thumbs/widget_RFT2011_01_07e9f2a1b57e3f5c817688d0a66ff8a0.jpg)
