Терапия-роль апоптоза в развитии атеросклероза, ишемии миокарда и сердечнойнедостаточности

Резюме
В обзоре рассматривается роль процессов программируемойклеточной гибели в формировании атеросклероза, ишемии миокардаи развитии сердечной недостаточности. Приводятся данные, свидетельствующиео развитии несостоятельности апоптоза при данной патологии. Обсуждаютсяпусковые механизмы, лежащие в основе индукции апоптоза кардиомиоцитови основные пути фармакологической коррекции.

Видео: Патогенез ХСН.Эволюция взглядов как основа формирования новых методов лечения. Арутюнов Г П. 2013

Role of apoptosis in the development of atherosclerosis, myocardialischemia and heart failure
Storozhakov G.I., Uteshev D.B.

Summary



The review considers a role of programmed cell death processesin the formation of atherosclerosis and myocardial ischemia anddevelopment of cardiac insufficiency. Evidence for the developmentof apoptosis failure in this pathology is presented. The triggermechanisms underlying the induction of apoptosis in cardiomyocytesand the principal ways of pharmacological correction are underdiscussion.

Апоптоз, или программируемаяклеточная гибель, впервые был описан J.Kerr и его сотрудникамив 1972 г. [1]. Этот процесс представляет собой эволюционно развитый,физиологический в отличие от некроза механизм клеточной гибели,который регулирует клеточную массу и архитектуру многих тканей.Известны четыре основные характеристики апоптоза:

  • уменьшение объема апоптотирующейклетки-
  • конденсация и фрагментацияхроматина на ранних стадиях апоптоза с формированием так называемыхапоптотических телец-
  • изменение мембраны апоптотирующейклетки, приводящее к распознаванию ее фагоцитами-
  • сопряженность апоптозас активным белковым синтезом.


Таким образом,апоптоз является гибелью клетки, включающей в себя генетическуюили опосредованную программу, не зависящую от природы пусковогосигнала. Другими словами, апоптозу присуща экспрессия генов denovo, а пусковые сигналы сами по себе не являются летальными дляклетки.
Апоптоз привлек к себе внимание кардиологов как потенциальныйпатогенетический фактор при различных сердечно-сосудистых заболеваниях.Морфологические признаки апоптоза обнаружены как в сосудах, таки в самом миокарде в ответ на воздействие гипоксии, окислительногостресса, реперфузии при ишемии миокарда, постинфарктных измененияхи при развитии сердечной недостаточности.
Таблица 1. Перечень основных индукторов(активаторов) апоптоза

Видео: EACVI webinar on Radiotherapy

Физиологический активаторИндукторы, связанные с повреждением клеткиПрепарат
1.Семейство TNF: (FAS-лиганд, TNFa)1.Белки теплового шокаЦисплатина
2.Нейротрансмиттеры2.ВирусыДоксирубицин
3.Удаление ростовых факторов3.Онкогены: (c-myc, rel)Блеомицин
4. Ca2+4.Супрессор опухолей p53Цитозинарабинозид
5.Глюкокортикостероиды5.Цитотоксические Т-лимфоцитыАзотистыйиприт
6. NO6.ОксидантыМетотрексат
7.Ангиотензин7.Свободные радикалыВинбластин
8.АТФ8.УФ- и рентгеновское облучениеМорфин
9.Каспазы9.Токсины

Программируемаяклеточная гибель участвует в постнатальном морфогенезе проводящейсистемы сердца: синусного и атриовентрикулярного узла, пучка Гиса-в развитии пароксизмальных аритмий и нарушений проводимости [2].Апоптоз пейсмейкерных клеток может играть роль в генезе внезапнойкоронарной смерти. В настоящее время интенсивно исследуются процессыапоптоза в патогенезе дилатационной и ишемической кардиомиопатий,аритмогенной дисплазии правого желудочка, отторжения трансплантатапри аортокоронарном шунтировании. Наиболее изученными являютсяапоптотические процессы при формировании коронарного атеросклероза.
Таблица 2. Перечень основных ингибиторовапоптоза

Физиологический ингибиторПрепарат
1.Ростовой фактор1.Ингибиторы кальпаина
2.Экстрацеллюлярный матрикс2.Ингибиторы цистеиновых протеаз
3.Нейтральные аминокислоты3.Ингибиторы каспаз
4.Эстрогены4.Раковые промоторы (РМА)
5.Андрогены5.Фенобарбитал
6. IL-96.Никотин
7.Прововоспалительные цитокины
8. Bcl-2

Массивная клеточнаягибель наряду с накоплением липидной и коллагеновой массы, скоплениемпенистых клеток, гладкомышечных элементов и макрофагов являетсяодной из основных морфологических характеристик атеросклеротическойбляшки. В центре бляшки выделяют так называемое некротическоеядро, которое при изъязвлении бляшки является источником тромбообразованияс последующей ишемией и инфарктом. До недавних пор считалось,что причиной гибели клеток внутри атеросклеротической бляшки являетсяпрямое токсическое воздействие на клетки, например, свободныхрадикалов, образующихся при перикисном окислении липидов [3].Однако в настоящее время можно с определенной уверенностью утверждать,что основной вклад в суммарную клеточную гибель при атеросклерозевносит апоптоз. Все клеточные элементы, обнаруживаемые в атеросклеротическихбляшках, подвергаются программированной гибели [4-6].
С помощью сочетанияиммуногистохимического метода идентификации морфологической принадлежностиклеток и специфических тестов на фрагментацию ДНК был обнаруженочень высокий процент апоптотических клеток в атеросклеротическихбляшках человека in situ [7]. В областях апоптотических бляшек,обогащенных макрофагами, апоптотический индекс колебался от 10до 40%. Гладкомышечные клетки подвергались программированной гибелив 10-15%. Очень небольшой процент апоптотических клеток приходилсяна T- и B-лимфоциты, и апоптоз полностью отсутствовал среди нейтрофилов.Как известно, атеросклеротическая бляшка является сложной структурой,претерпевающей при своем развитии значительные метаболические,клеточные и морфологические изменения. Поэтому, естественно, былипредприняты попытки провести оценку апоптоза на уровне отдельныхморфологических компонентов атеромы. Оказалось, что апоптотическийиндекс медиа нормальных коронарных сосудов равен 3+1%, в интиме- 8+1%. В атероме апоптотический индекс медиа статистически значимоне менялся (5+1%), в то время как в интиме он возрастал почтив 4 раза (34+5%) [8]. Гладкомышечные клетки, подвергающиеся программированнойгибели, в основном локализовались в фиброзной части бляшки, вто время как апоптотирующие макрофаги преобладали в липидобогащенномядре атеромы. Это позволило сделать вывод о том, что апоптоз гладкомышечныхклеток и других компонентов атеросклеротической бляшки в условияхгипоксического повреждения миокарда регулируется как продуктамиспецифических генов, так и локальной цитокиновой сетью. Основныеактиваторы и ингибиторы апоптоза представлены в табл. 1 и 2.
В последнее время особое внимание исследователей в развитииапоптоза в условиях гипоксии миокарда привлек протоонкоген c-myc.
Протоонкоген c-myc. Этот онкоген участвуетв пролиферации как нормальных гладкомышечных клеток, так и, очевидно,вносит существенный вклад в патологию. В частности, деление гладкомышечныхэлементов в процессе развития атеросклероза является c-myc-зависимым.В ряде случаев одной экспрессии c-myc достаточно для выхода клетокGo-покоя в пролиферативный цикл [9-11]. В гладкомышечных клетках,выделенных из атеросклеротических бляшек, содержание c-myc м-РНКоказалось выше, чем в нормальных гладкомышечных клетках [12].
При ишемии/реперфузии,особенно на ранних стадиях реперфузии, когда имеет место депрессиясократительной функции миокарда, отмечается более чем 600% приростH2O2[13]. Кроме того, сами кардиомиоциты [14], а также макрофаги [15,16] продуцируют оксид азота и другие активные формы кислорода,которые, как известно, являются индукторами апоптоза. При этомпроисходит торможение супероксиддисмутазы, кателазы, глютатионпероксидазы,снижается уровень токоферола, повышается перикисное окислениелипидов [17]. Другими словами, отмечается резкий дефицит в организмеантиоксидантов, что может служить пусковым моментом в развитииапоптоза кардиомиоцитов. Для объяснения природы апоптоза кардиомиоцитовнеобходимо учесть некоторые результаты исследования в областиренин-ангиотензиновой системы человека. Был идентифицирован, втом числе и на тканях предсердий человека, второй тип рецепторовк ангиотензину-II [18]. Этот тип рецепторов экспрессирован в эмбриональномпериоде, но отсутствует в постнатальном периоде [19]. При дисфункциимиокарда происходит реэкспрессия второго типа рецепторов к ангиотензину-II[20]. Последние являются медиаторами апоптоза [21, 22]. Еще однойвероятной причиной развития апоптоза кардиомиоцитов является повышениеконцентрации свободного цитозольного кальция.
Наконец, в качестве пракринного индуктора апоптоза кардиомиоцитовнельзя исключить TNF-a. Повышение уровня TNF-a ответственно за отрицательныйинотропный эффект, кардиомиопатию, отек легкого. С другой стороны,TNF-aявляется классическим индуктором апоптоза. Поэтому нельзя исключить,что существует связь между TNF-a-апоптозом и дисфункцией миокарда, вызываемой этим цитокином[23].
Для клеток, имеющихтерминальную дифференцировку, а к таковым относятся кардиомиоциты,апоптоз не является характерным. Однако при кардиомиопатиях, гипертрофиимиокарда и хронической сердечной недостаточности различной этиологиичасто происходит прогрессивное снижение сократительной способностилевого желудочка. Причем нередко этот процесс протекает в отсутствиикаких-либо признаков ишемии миокарда. Поэтому в качестве рабочейгипотезы, объясняющей механизм развития хронической сердечнойнедостаточности, был использован апоптоз кардиомиоцитов. Ультраструктурныеисследования кардиомиоцитов у больных с кардиомиопатиями, гипертрофиейсердца и хронической сердечной недостаточностью, а также экспериментальныемодели недостаточности левого желудочка четко показали наличиедегенеративных изменений кардиомиоцитов при этой патологии [24,25]. Элементы апоптотической гибели кардиомиоцитов были констатированыу онкологических больных, леченных кардиотоксичными цитостатиками[26]. В культуре неонатальных кардиомиоцитов крыс программированнаягибель клеток развивалась под влиянием гипоксии [27]. Причем апоптозв этих условиях сочетался с гиперэкспрессией Fas-рецептора. Прииспользовании метода микроэмболизации коронарных артерий у собакс хронической сердечной недостаточностью (величиной фракции выброса27+1%), с помощью электронной микроскопии и иммуногистохимическогоисследования было обнаружено, что апоптотический тип клеток былзафиксирован не только на границе очагов инфаркта, но и в отдаленныхот них участках миокарда. Однако в зоне некроза общая встречаемостьапоптотических клеток вне зависимости от гистохимической принадлежностив 3-4 раза превышала фоновыйуровень. В норме среди кардиомиоцитов апоптоз вообще не был зарегистрирован.При микроэмболизации в зоне очаговых поражений встречаемость апоптозакардиомиоцитов была в 20 раз выше, чем в отдаленных участках миокарда[28]. На модели ишемии (30 мин) и последующей реперфузии в течениечаса сердца у кроликов R.Gottlieb и соавт. показали, что в ответна реперфузию, но не на ишемию, развивается программированнаягибель кардиомиоцитов [29]. Клиническое значение этих данных состоитв том, что, очевидно, поздняя постинфарктная гибель кардиомиоцитовимеет не некротическую, а апоптическую природу.
Природа клеточной смерти в условиях ремоделированиягипертрофированного миокарда имеет ряд специфических особенностей,касающихся морфологической картины. В недавно проведенном исследованииS.Yamamoto и соавт. было выявлено повышенное количество лизосомальныхструктур в кардиомиоцитах желудочков [30]. Высокая лизосомальнаяи аутофагоцитарная активность, наблюдаемая в пораженных кардиомиоцитах,свидетельствует о наличии саморазрушающего процесса цитоплазматическойдегенерации, осуществляемого под контролем самоконтролируемогозапрограммированного аутолиза. Было показано, что хроническийсаморазрушающий протеолиз в пораженных кардиоцитах, хотя и несвязан с типичной апоптозной морфологией ядер или цитоплазмы,но может привести к контролируемой смерти кардиоцитов гипертрофированногомиокарда. Утечка лизосомальных энзимов (катепсинов) и усилившийсяокислительный стресс были способны индуцировать цитоплазматическуюдеградацию и также выступать в роли триггеров апоптозной деградацииядер. Неясным остается ответ на вопрос о количественном соотношениипораженных кардиомиоцитов, находящихся на ранней стадии цитоплазматическойдегенерации и в действительности теряющих свои ядра до наступленияее конечной стадии. В образцах эксцентрично гипертрофированногомиокарда было найдено большое количество кардиомиоцитов, содержащихдеградированную ДНК, чем в образцах концентрически гипертрофированногомиокарда. Это может свидетельствовать о различных стадиях сердечнойнедостаточности, поскольку она была выраженной и фатальной приэксцентричной гипертрофии и незначительной при концентрическойгипертрофии. Можно говорить о прямой зависимости между выраженностьюсердечной недостаточности и количеством погибших кардиомиоцитов.Авторам исследования не удалось обнаружить апоптозную деградациюядер при электронной микроскопии. Вероятно, апоптозная деградацияядер встречалась редко и/или протекала и завершалась очень быстро.
В настоящее время интенсивно изучается роль каспазв процессах программированной клеточной гибели в условиях развитиясердечной недостаточности. H.Yaoita и соавт. продемонстрировали,что Z-VAD-fmk, общий ингибитор каспаз, способен ингибировать процессыапоптоза кардиомиоцитов и площадь инфаркта миокарда у крыс, подвергшихсяреперфузии in vivo [31]. Ряд исследований свидетельствует об участиикаспаз в процессе высвобождения цитохрома С при гипоксии и индукцииапоптоза кардиомиоцитов [32-34]. В недавно проведенных работахбыло показано повышение уровня каспаз и TNFa в кардиомиоцитахбольных с сердечной недостаточностью, в том числе и при кардиомиопатиях[35-37].
Фармакологическая коррекция апоптоза при сердечной недостаточности.В настоящее время имеются фармакологические агенты, способныеэффективно ингибировать апоптоз кардиомиоцитов, индуцированныйразличными стимулами: ишемией/реперфузией, H2O2, TNFa и др. Однакоэти вещества (ZVAD-fmk, SB 203580, PD 98059, инсулиноподобныйростовой фактор, N-ацетил-цистеин) применяются в основном в экспериментальныхусловиях. В этой связи определенные перспективы связаны с дальнейшимклиническим исследованием карведилола (1-[9H-carbazol-4-yloxy]-3-[-(metho-xyphenoxy)ethyl-2-propanol),зарегистрированным фармацевтической фирмой "SmithKleine BeechamPharmaceuticals" под торговым названием "Coreg®". Препарат представляетсобой b-блокатор нового поколения свыраженной антиоксидантной и умеренной сосудорасширяющей активностью.В проведенных клинических исследованиях карведилол продемонстрировалзначительное снижение уровня смертности у больных с сердечнойнедостаточностью. Механизмом антиапоптотического действия препаратаявляется подавление экспрессии Fas-рецептора на кардиомиоцитах[38].
В заключение обзора можно сделать отдельные обобщения ивыдвинуть ряд гипотез в отношении роли апоптоза в кардиопатологии.Если апоптоз рассматривать как некую альтернативу клеточному делению,обеспечивающую клеточный гомеостаз в сосудистой стенке, то, дажеисходя из общих соображений, необходимо допустить, что апоптозучаствует в патогенезе атеросклероза коронарных сосудов сердца.При этом апоптоз должен "работать" практически на всех уровняхпроцесса: он должен элиминировать поврежденные эндотелиальныеклетки сосудов, удалять мигрировавшие в интиму гладкомышечныеклетки, устранять нагруженные липидами пенистые клетки и т.д.И действительно, на финальных стадиях эволюции атеромы, особеннов ядре атеросклеротической бляшки, состояние гиперплазии сменяетсягипоплазией. Однако на начальных этапах развития атеросклерозаэтого не происходит. Другими словами, можно заподозрить общуюнесостоятельность апоптоза как ключевого фактора в патогенезеатеросклероза. Отсюда логическим продолжением будет допущениетого, что существует некий единый механизм, контролирующий апоптозвсех клеток внутри органа или организма в целом. И этот механизмдает сбой при атеросклерозе. Также эти дефекты имеют место и приразвитии сердечной недостаточности в условиях гипертрофированногомиокарда. Можно предположить, что в основе этого лежат нарушениямикроокружения клеток, приводящие к торможению апоптоза во всехили большинстве структурных элементов сосудистой стенки и миокарда.Однако и в этом случае необходимо допустить наличие единого универсальногомеханизма, контролирующего апоптоз у клеток различной гистологическойпринадлежности. Определенные перспективы в дальнейшей коррекциинесостоятельности апоптоза при кардиопатологиях могут быть связаныс применением низкомолекулярных ингибиторов каспаз.

Литература:
1. Kerr J.F.R., Wyllie A.H., Curne A.R. Apoptosis:a basic biological phemomenon with wide-ranging implications intissue kinetics//Br J Cancer 1972- 26 (2): 239-57.
2. James T.N. Normal and abnormal consequencesof apoptosis in the human heart: from postnatal morphogenesisto paroxismal arrythmias//Circulation 1994- 90: 556-73.
3. Esterbauer H., Wang G., Puhl H. Lipid peroxidationand its role in atherosderosis//Br Med Bull 1993- 49: 566-76.
4. Araki S., Shimada Y., Kaji K. et al. Apoptosisof vascular endothelial cells by fibroblast growth factor deprivation//BiochemBiophys Res Commun 1990- 168: 1194-200.
5. Bennet M.R., Evan G.I., Newby A.C. Deregulatedc-myc oncogene expression blocks vascular smooth muscle cell inhibitionmediated by heparin, interferon mitogen depletion and cyclic nucleotideanalogues 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 oxidisedlow-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 aRat Vascular Injury Model//Am J Pathol 1995- 147 (2): 267-77.
8. Geng Y.J., Ubby P. Evidence for Apoptosisin Advanced Human Atheroma. Colocalization with Interleukin-Ip-ConvertingEnzyme//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 cellgrowth//Curr Opin Gouct Dev 1993- 3: 44-9.
11. Kretzner L., Blackwood E., Eisenman R. Mycand Max possess distinct transcriptionfl activities//Nature 1992-359: 426-9.
12. Parkes J.L., Cardell R.R., Hubbard F.C.et al. Cultured human atherosclerotie plague smooth muscle cellsretain transforming potential and display enhanced expressionof the myc protooncogene//Am J Pathol 1991- 138: 765-75.
13. Siezak J., Tribuiova N., Pristacova J. etal. Hydrogen Peroxide Changes in Ischemic and Reperfused Heart.Cytochemistry and Biochemical and X-Ray Micro analysis//Am J Pathol1995- 147 (3): 772-81.
14. Shindo T., Ikeda U., Ohkawa F. et al. Nitricoxide synthesis in cardiac myocytes and fibroblast by inflammatorycytokines//Cardiovasc Res 1995- 29 (6): 813-8.
15. Albina J.E., Cui S., Mateo R.B. et al. NitricOxidi - Medeated Apoptosis in Murine Peretoneal Macrophages//JImmunol 1993- 150 (II): 5080-5.
16. Beckerman K.P., Rogers H.W., Corbett J.A.et al. Release of Nitric Oxide during the T-Cell-Independent Pathwayof Macrophage Activation//J Immunnol 1993- 150 (3): 888-95.
17. Hill M.F., Singal P.K. Antioxidant and oxidativestress changes Failure Subsequent to Myocardial Infarction inRats//Am J Pathol 1996- 148 (1): 291-300.
18. Yamada T., Horilichi M., Dzau V.S. AngiotensinII type 2 - receptor mediates programmed cell death//Proc NatAcad Sci (USA) 1996- 93 (1): 156-60.
19. Dzau V.J., Horiucbi M. Differentiai expressionoi andiotensin receptor subtypes in the myocardium: a hypothesis//EuropHeart J 1996- 17: 978-80.
20. Massaeri H., Pierce G.N. Involvement oflipoprotein, free radicals and calcium in cardio vascular diseaseprocess//Cardiovasc Res 1995- 29 (5): 597-603.
21. Oral N., Kapadia S., Nakano M. et al. Tumornecrosis Factor alfa and Falling Human Heart//Clin Cardiology1995- 18 (Suppl. IV): 20-7.
22. Herskowitz A., Choi G., Ansari A.A. et al.Cytokins mRNA Expression in Postischemic Reperfusion Myocardium//AmJ Pathol 1995- 146(2): 419-28.
23. Watschinger B., Sayegh M.N., Hancock W.W.et al. Up-Regulation of Endothelin-1 mRNA and Peptide Expressionin Rat Cardiac Allografts With Rejection and atherosclerosis//AmJ Pathol 1995- 146 (5): 1065-72.
24. Sabbah H.N., Sherov V.G., Riddle J.M. etal. Mitichondrial abnormalities in myocardium of dogs with chronicheart failure//J Mol Cell Cardiol 1992- 24: 1333-47.
25. Sharov V.G., Sabbah H.N., Shimoyama H. etal. Abnormalities of contractile structures in miable myocytesof the failing//J Mol Cell Cardiol 1994- 43: 287-97.
26. Hickman J.A. Apoptosis induced by anticancerdrugs//Cancer Metastasis Rev 1992- II: 121-39.
27. Tanaka U., Ito H., Adachi S. et al. Hypoxiainduces with engances expression of Fas antigen messenger RNAin cultured neonatal rat cardiomyocytes//Circul Res 1994- 75 (3):426-33.
28. Sharov V.G., Sabbah H.N., Shimoiama H. etal. Evidence of Cardiocyte Apoptosis in Myocardium of Dogs withChronic Heart Failure//Am J Pathol 1996- 148 (1): 41-9.
29. Gottlieb R.A., Burleson K.O., Kjoner R.A.et al. Reperfusion injiury induces apoptosis in rabbit cardiomyocytes//JClin Invest 1994- 94: 1621-8.
30. Yamammoto S., Sawada K., Shimomura H., KawamuraK., James T.N. On the nature of cell death during remodeling ofhypertrophied human myocardium//J Mol Cell Cardiol 2000- 32: 161-75.
31. Yaoita H., Ogawa K., Maehara K., MaruymaY. Attenuation of ischemia/reperfused injury in rats by caspaseinhibitors//Circulation 1998- 97: 276-81.
32. De Moissac D., Guervich R.M., Zheng H.,Singal P.K., Kirshbaum L.A. Caspase activation and mitochondrialcytochrome C release during hypoxia-mediated apoptosis of adultventricular myocytes//J Mol Cell Cardiol 2000- 32: 53-63.
33. Malhotra R., brosius FC III. Glucose uptakeand glycolises reduce hypoxia-induced apoptosis in cultured neonatalrat cardiac myocytes//J Biol Chem 1999- 274: 12567-75.
34. Yue T.L., Ohlstein E.H., Ruffolo R.R. Jr.Apoptosis: a potential target for discovering novel therapiesfor cardiovascular diseases//Current opinion in chemical biology1999- 3: 474-80.
35. Bristow M.R. Tumor necrosis factor and cardimyopathy//Circulation1999- 97: 1340-1.
36. Colucci W.S. Apoptosis in the heart//NewEngl J Med 1996- 335: 1224-6.
37. Olivetti G., Abbi R., Quaini F. et al. Apoptosisin failling human heart//New Engl J Med 1997- 336: 1131-41.
38. Yue T.L., Ma X.L., Wang X. et al. Possibleinvolvement of stress-activates protein kinase signalling pathwayand Fas receptor expression in prevention of ischemia-inducedcardiomyocute apoptosis by carvedilol//Circ Res. 1998- 82: 166-74.


Похожее