Введение
Данная статья является продолжением серии предыдущих публикаций, посвященных нозоспецифическим особенностям антиоксидантной системы при заболеваниях органов дыхания.
Муковисцидоз
У больных муковисцидозом наблюдается повышение уровня маркеров оксидантного стресса, которые свидетельствуют об усилении перекисного окисления липидов, окисления белков и деградации ДНК [23, 24]. В экспериментальных условиях установлено, что в бронхоальвеолярной жидкости респираторного тракта мышей с нокаутом гена трансмембранного регуляторного протеина муковисцидоза (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator — CFTR/ABCC7) отмечаются биохимические и морфологические признаки оксидантного стресса. В цитоплазматическом пространстве эпителиоцитов клеточной линии с делецией гена CFTR/ABCC7 отмечается очень высокий уровень генерации супероксида аниона радикала (O2–) и концентрации перекиси водорода (H2O2), по всей вероятности, митохондриального генеза, так как муковисцидоз ассоциирован с низкой экспрессией DUOX2 [17]. У больных муковисцидозом высокая генерация активированных кислородсодержащих метаболитов (АКМ) в респираторном тракте обеспечивается преимущественно нейтрофилами, выраженный и стойкий приток которых в просвет дыхательных путей в ответ на действие хемоаттрактантов является характерной особенностью процесса воспаления при данном заболевании [26, 35].
Показано, что мыши с нокаутом гена Cybb высоко восприимчивы к определенным штаммам Burkholderia cepacia, которые часто поражают больных муковисцидозом [26, 29].
Отличительной особенностью воспаления слизистой оболочки бронхиального дерева при муковисцидозе от других хронических воспалительных заболеваний органов дыхания является снижение экспрессии iNOS [7, 8, 28]. Данная особенность воспалительного процесса, наблюдаемая при муковисцидозе, вероятно, обусловлена высокой продукцией асимметричного NG,NG-диметил-L-аргинина (ADMA), который является естественным ингибитором активности ферментов nNOS и eNOS [1]. По всей вероятности, при муковисцидозе ADMA играет определенную роль не только в снижении генерации NO, но и в увеличении продукции O O2– и пероксинитрита. Снижение продукции NO сопряжено с дефицитом образования S-нитрозотиолов, которые, как известно, обладают антимикробными свойствами. S-нитрозотиолы усиливают биение реснитчатого эпителия, расслабляют гладкие мышцы респираторного тракта и предотвращают развитие тахифилаксии к β2-агонистам. Терапия S-нитрозотиолами при муковисцидозе способствует оксигенации крови [9, 16].
Снижение уровня генерации NO у больных муковисцидозом коррелирует с риском инфицирования Pseudomonas aeruginosa и со степенью внешнесекреторной недостаточностью поджелудочной железы. Также низкий уровень генерации NO способствует формированию обструкции дыхательных путей [30]. С другой стороны, высокий уровень нитритов и нитратов в бронхоальвеолярной жидкости больных муковисцидозом является важным фактором, определяющим колонизацию денитрифицирующих микроорганизмов — Pseudomonas, Aspergillus и других (рис. 1) [22].
Одним из самых распространенных белков в бронхоальвеолярной жидкости является муцин, который не только определяет вязкость мокроты, но и выполняет антиоксидантные функции. В настоящее время у человека идентифицировано 20 муциновых генов (MUC1, MUC2, MUC3A, MUC3B, MUC4, MUC5AC, MUC5B, MUC6, MUC7, MUC8, MUC9, MUC11, MUC12, MUC13, MUC15, MUC16, MUC17, MUC18, MUC19, MUC20) [11]. Увеличение генерации АКМ сопровождается повышением экспрессии гена муцина и увеличением секреции муцина, в результате чего повышается уровень антиоксидантной защиты респираторного тракта. В физиологических условиях основную ответственность за вязкость слизи респираторного тракта несут гелеобразующие муцины — MUC5AC, продуцируемого бокаловидными клетками, и MUC5B, секретируемого подслизистыми железами бронхиального дерева. При хронических инфекционно-воспалительных заболеваниях эту функцию в основном выполняют ДНК и F-актин. Несколько групп исследователей показали, что у больных муковисцидозом наблюдается достоверное снижение содержания MUC5AC и MUC5B [19, 31]. Концентрация муцина в мокроте у больных муковисцидозом соответствует возрастной норме, и только при инфицировании респираторного тракта бактериями Pseudomonas aeruginosa происходит постепенное и быстрое снижение содержания муцина [33]. Markus O. Henke и соавт. [33] предполагают, что снижение уровня содержания муцина обусловлено его деградацией за счет увеличения активности сериновых протеаз, а не подавления продукции муцина. У больных муковисцидозом именно за счет дегидратации муцина наблюдается высокая вязкость мокроты, которая определяет снижение эффективности дренажной функции респираторного тракта [2, 32]. Anatilde M. González-Guerrico и соавт. [37] продемонстрировали наличие положительной связи между недостаточностью функционирования CFTR и гиперсекрецией MUC1 в респираторном тракте при муковисцидозе. Вполне вероятно, что индуцированное фосфорилирование транспортного хлоридного канала CFTR может привести к конформационным изменениям других белков мембраны, которые участвуют в индукции сигнальных MUC1-ассоциированных путей. Также муцин защищает патогенные бактерии, в частности Pseudomonas aeruginosa, от нейтрофильного киллинга. Предлагают использовать фармакологическое ингибирование синтеза муцина в качестве нового направления лечения больных с муковисцидозом [2, 10, 14, 32].
Протеин CFTR является цАМФ-активируемым анионным трансмембранным каналом, который представлен на апикальной поверхности мембраны различных эпителиальных клеток. Данный канал является основным проводником ионов Cl–, но также участвует в процессах трансмембранного перехода аниона SCN–, глутатиона [4, 15]. Протеин мутированного гена CFTR/ABCC7 теряет способность транспортировать из клетки в люмен анионы SCN–, что приводит к снижению пула SCN– на апикальной наружной поверхности цитоплазматической мембраны эпителиоцитов слизистой оболочки бронхов. Особенно низкий уровень концентрации SCN– отмечается у детей, больных муковисцидозом (28–56 мкмоль). Согласно математической модели, нарушение функционирования DUOX и дефицит анионов SCN– у больных муковисцидозом не может компенсироваться даже гиперпродукцией лактопероксидазы (lactoperoxidase — LPO). Нарушение LPO-ассоциированного образования тиоцианита (OSCN–) сопровождается достоверным снижением уровня неспецифической защиты респираторного тракта у больных муковисцидозом [4, 36].
В мокроте больных муковисцидозом также наблюдается высокое содержание миелопероксидазы (myeloperoxidase — MPO), которая, как известно, используя H2O2, катализирует образование мощной бактерицидной хлорноватистой кислоты (HOCl). Фермент MPO также, участвуя в окислении тирозиновых аминокислотных остатков протеинов, обусловливает образование 3-нитротирозинов, дитирозинов и 3-хлортирозинов в просвете респираторного тракта больных муковисцидозом. Установлено, что MPO приводит к снижению активности eNOS, также способствуя уменьшению объема генерации NO [20, 21].
Для больных муковисцидозом характерен низкий уровень экспрессии всех трех изоформ супер–оксиддисмутазы (superoxide dismutase — SOD) в эпителиальных клетках трахеи и поджелудочной железы [30].
При муковисцидозе наблюдается низкий уровень концентрации GSH в бронхоальвеолярной жидкости, сыворотке крови, нейтрофилах. Основная причина, определяющая низкое содержание восстановленной сульфгидрильной формы глутатиона (GSH), до настоящего времени остается неизвестной. Предполагается, что мальабсорбция, сопровождающая муковисцидоз, обусловливает уменьшение всасывания белков и может способствовать снижению содержания GSH. Однако вполне вероятно, что снижение уровня GSH в бронхоальвеолярной жидкости респираторного тракта больных муковисцидозом связано с нарушением функционирования CFTR/ABCC7. В 1989 году John R. Riordan и соавт. [12] впервые определили, что нарушение функционирования CFTR/ABCC7, представляющего хлоридный канал, лежит в основе развития муковисцидоза. Протеин CFTR является представителем семейства протеинов мультилекарственной резистентности (Multidrug-Resistance like Protein — MRP), которые принимают участие в трансмембранном перемещении GSH. Глутатион, ингибируя CFTR АТФазу, переключает функционирование протеина CFTR с транспорта ионов хлора на транслокацию GSH [18]. Ограничение функциональных возможностей CFTR сопровождается нарушением транспортировки GSH. С другой стороны, высокие уровни окисленного глутатиона (GSSG), наблюдаемые у больных муковисцидозом, ингибируют активность CFTR. По всей вероятности, ингибирование активности CFTR связано с его глутатионированием [6]. Снижение внеклеточного содержания GSH обусловлено не только нарушением его транспорта через CFTR, но и ускорением глутатионового цикла, о чем свидетельствует повышение активности g-глутамилтрансферазы (gamma-glutamyltransferase — GGT) у детей с муковисцидозом. Одним из механизмов повышения концентрации GGT в мокроте является перенос данного фермента рекрутированными нейтрофилами в очаг воспаления [2, 5]. Известно, что GSH ингибирует деградацию ингибирующего комплекса IκBα, в связи с чем низкий уровень GSH в клетках больных муковисцидозом предопределяет пролонгированную активацию фактора транскрипции NF-κB и, как следствие, длительность воспалительного процесса слизистой оболочки бронхиального дерева. Трансактивность NF-κB является одним из молекулярных компонентов, определяющих хронический характер воспалительного процесса респираторного тракта у больных с муковисцидозом. Введение внутрь или ингаляционно GSH достоверно снижает активность клинических проявлений воспалительного процесса бронхиального дерева у больных муковисцидозом [30]. Развитие инфекционно-воспалительного поражения респираторного тракта при муковисцидозе не сопровождается повышением уровня содержания GSH в бронхоальвеолярной жидкости [25, 27, 34].
Нозоспецифические особенности редокс-процессов, происходящих в просвете респираторного тракта при муковисцидозе, в целом представлены на рис. 2.
Изменения редокс-процессов способствуют развитию воспаления и существенно снижают потенциал неспецифической защиты слизистой оболочки бронхиального дерева у больных муковисцидозом [3, 13].
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии какого-либо конфликта интересов при подготовке данной статьи.
Список літератури
1. Asymmetric dimethylarginine contributes to airway nitric oxide deficiency in patients with cystic fibrosis / H. Grasemann, S. Al-Saleh, J.A. Scott et al. // Am. J. Respir. Crit. Care Med. — 2011. — Vol. 183, № 10. — P. 1363-1368. — doi: 10.1164/rccm.201012-1995OC. Epub 2011 Jan 28.
2. Antioxidants in cystic fibrosis. Conclusions from the CF antioxidant workshop, Bethesda, Maryland, November 11-12, 2003 / A.M. Cantin, T.B. White, C.E. Cross et al. // Free Radic. Biol. Med. — 2007. — Vol. 42, № 1. — P. 15-31. — DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2006.09.022.
3. Cohen T.S. Cystic fibrosis: a mucosal immunodeficiency syndrome / T.S. Cohen, A. Prince // Nat. Med. — 2012. — Vol. 18, № 4. — P. 509-519. — doi: 10.1038/nm.2715.
4. Concentration of the antibacterial precursor thiocyanate in cystic fibrosis airway secretions / D. Lorentzen, L. Durairaj, A.A. Pezzulo et al. // Free Radic. Biol. Med. — 2011. — Vol. 50, № 9. — P. 1144-1150. — doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2011.02.013. Epub 2011 Feb 18.
5. Contribution by polymorphonucleate granulocytes to eleva–ted gamma-glutamyltransferase in cystic fibrosis sputum / A. Corti, M. Franzini, S. Cianchetti et al. // PLoS One. — 2012. — Vol. 7, № 4. — P. e34772. — doi: 10.1371/journal.pone.0034772. Epub 2012 Apr 4.
6. Cooper A.J. Reversible and irreversible protein glutathionylation: biological and clinical aspects / A.J. Cooper, J.T. Pinto, P.S. Callery // Expert. Opin. Drug Metab. Toxicol. — 2011. — Vol. 7, № 7. — P. 891-910. — doi: 10.1517/17425255.2011.577738. Epub 2011 May 11.
7. Darling K.E. Effects of nitric oxide on Pseudomonas aeruginosa infection of epithelial cells from a human respiratory cell line derived from a patient with cystic fibrosis / K.E. Darling, T.J. Evans // Infect. Immun. — 2003. — Vol. 71, № 5. — P. 2341-2349. — PMID: 12704103.
8. Gotoh T. Nitric oxide and endoplasmic reticulum stress / T. Gotoh, M. Mori // Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. — 2006. — Vol. 26, № 7. — P. 1439-1446. — DOI: 10.1161/01.ATV.0000223900.67024.15.
9. Grasemann H. Nitric oxide and L-arginine deficiency in cystic fibrosis / H. Grasemann, F. Ratjen // Curr. Pharm. Des. — 2012. — Vol. 18, № 5. — P. 726-736. — PMID: 22229575.
10. Haley C.L. Characterization of biofilm-like structures formed by Pseudomonas aeruginosa in a synthetic mucus medium / C.L. Ha–ley, J.A. Colmer-Hamood, A.N. Hamood // BMC Microbiol. — 2012. — Vol. 12, № 1. — P. 181. — doi: 10.1186/1471-2180-12-181.
11. Hauber H.P. Mucin overproduction in chronic inflammatory lung disease / H.P. Hauber, S.C. Foley, Q. Hamid // Can. Respir. J. — 2006. — Vol. 13, № 6. — P. 327-335. — PMID: 16983448.
12. Identification of the cystic fibrosis gene: cloning and characterization of complementary DNA / J.R. Riordan, J.M. Rommens, B. Kerem et al. // Science. — 1989. — Vol. 245, № 4922. — P. 1066-1073. — PMID: 2475911.
13. Innate immunity in cystic fibrosis lung disease / D. Hartl, A. Gaggar, E. Bruscia et al. // J. Cyst. Fibros. — 2012. — Vol. 11, № 5. — P. 363-382. — doi: 10.1016/j.jcf.2012.07.003. Epub 2012 Aug 20.
14. Lambiase A. Anaerobic bacteria infection in cystic fibrosis airway disease / A. Lambiase, M.R. Catania, F. Rossano // New Microbiol. — 2010. — Vol. 33, № 3. — P. 185-194. — PMID: 20954436.
15. Livraghi A. Cystic fibrosis and other respiratory diseases of impaired mucus clearance / A. Livraghi, S.H. Randell // Toxicol. Pathol. — 2007. — Vol. 35, № 1. — P. 116-129. — DOI: 10.1080/01926230601060025.
16. Marozkina N.V. Nitrogen balance in the ecosystem of the cystic fibrosis lung / N.V. Marozkina, B. Gaston // Am. J. Respir. Crit. Care Med. — 2011. — Vol. 183, № 10. — P. 1290-1292. — doi: 10.1164/rccm.201102-0288ED.
17. Mitochondrial oxidative stress in the lungs of cystic fibrosis transmembrane conductance regulator protein mutant mice / L.W. Velsor, C. Kariya, R. Kachadourian, B.J. Day // Am. J. Respir. Cell. Mol. Biol. — 2006. — Vol. 35, № 5. — P. 579-586. — DOI: 10.1165/rcmb.2005-0473OC.
18. Molecular mechanisms of reduced glutathione transport: role of the MRP/CFTR/ABCC and OATP/SLC21A families of membrane proteins / N. Ballatori, C.L. Hammond, J.B. Cunningham et al. // Toxicol. Appl. Pharmacol. — 2005. — Vol. 204, № 3. — Р. 238-255. — DOI: 10.1016/j.taap.2004.09.008.
19. MUC5AC and MUC5B Mucins Are Decreased in Cystic Fibrosis Airway Secretions / M.O. Henke, A. Renner, R.M. Huber et al. // Am. J. Respir. Cell. Mol. Biol. — 2004. — P. 31, № 1. — P. 86-91. — DOI: 10.1164/rccm.200607-1011OC.
20. Myeloperoxidase and protein oxidation in cystic fibrosis / A. Van Der Vliet, M.N. Nguyen, M.K. Shigenaga et al. // Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. — 2000. — Vol. 279, № 3. — P. L537-L546. — PMID: 10956629.
21. Myeloperoxidase-dependent oxidative metabolism of nitric oxide in the cystic fibrosis airway / A.L. Chapman, B.M. Morrissey, V.T. Vasu et al. // J. Cyst. Fibros. — 2010. — Vol. 9, № 2. — P. 84-92. — doi: 10.1016/j.jcf.2009.10.001. Epub 2010 Jan 15.
22. Nitrogen redox balance in the cystic fibrosis airway: effects of antipseudomonal therapy / B. Gaston, F. Ratjen, J.W. Vaughan et al. // Am. J. Respir. Crit. Care Med. — 2002. — Vol. 165, № 3. — P. 387-390. — DOI: 10.1164/ajrccm.165.3.2106006.
23. Oxidative stress and antioxidant therapy in cystic fibrosis / F. Galli, A. Battistoni, R. Gambari et al. // Biochim. Biophys Acta. — 2012. — Vol. 1822, № 5. — P. 690-713. — doi: 10.1016/j.bbadis.2011.12.012. Epub 2011 Dec 28.
24. Oxidative stress in stable cystic fibrosis patients: Do we need higher antioxidant plasma levels?/ A. Lezo, F. Biasi, P. Massarenti et al. // J. Cyst. Fibros. — 2013 Jan. — № 12(1). — Р. 35-41. — doi: 10.1016/j.jcf.2012.06.002. Epub 2012 Jul 9.
25. Plasma membrane glutathione transporters and their roles in cell physiology and pathophysiology / N. Ballatori, S.M. Krance, R. Marchan, C.L. Hammond // Mol. Aspects Med. — 2009. — Vol. 30, № 1–2. — P. 13-28. — doi: 10.1016/j.mam.2008.08.004. Epub 2008 Aug 26.
26. Potential role of the “NADPH oxidases” (NOX/DUOX) fa–mily in cystic fibrosis / N. Pongnimitprasert, J. El-Benna, M.J. Foglietti et al. // Ann. Biol. Clin. (Paris). — 2008. — Vol. 66, № 6. — P. 621-629. — doi: 10.1684/abc.2008.0285.
27. Prodrug approach for increasing cellular glutathione le–vels / I. Cacciatore, C. Cornacchia, F. Pinnen et al. // Molecules. — 2010. — Vol. 15, № 3. — P. 1242-1264. — doi: 10.3390/molecules15031242.
28. Reduction of neuronal and inducible nitric oxide synthase gene expression in patients with cystic fibrosis / J. Dötsch, J. Puls, T. Klimek, W. Rascher // Eur. Arch. Otorhinolaryngol. — 2002. — Vol. 259, № 4. — P. 222-226. — PMID: 12064512.
29. Role of Nox2 in elimination of microorganisms / B. Rada, C. Hably, A. Meczner et al. // Semin. Immunopathol. — 2008. — Vol. 30, № 3. — P. 237-253. — doi: 10.1007/s00281-008-0126-3. Epub 2008 Jun 24.
30. Rottner M. Mechanisms of the noxious inflammatory cycle in cystic fibrosis / M. Rottner, J.M. Freyssinet, M.C. Martínez // Respir. Res. — 2009. — Vol. 10. — P. 23. — doi: 10.1186/1465-9921-10-23.
31. Rubin B.K. Mucus structure and properties in cystic fibrosis // Paediatr. Respir. Rev. — 2007. — Vol. 8, № 1. — P. 4-7. — DOI: 10.1016/j.prrv.2007.02.004.
32. Rubin B.K. Mucus, phlegm, and sputum in cystic fibrosis // Respir. Care. — 2009. — Vol. 54, № 6. — P. 726-732. — PMID: 19467160.
33. Serine proteases degrade airway mucins in cystic fibrosis / M.O. Henke, G. John, C. Rheineck et al. // Infect. Immun. — 2011. — Vol. 79, № 8. — P. 3438-3444. — doi: 10.1128/IAI.01252-10. Epub 2011 Jun 6.
34. Systemic deficiency of glutathione in cystic fibrosis / J.H. Roum, R. Buhl, N.G. McElvaney et al. // J. Appl. Physiol. — 1993. — Vol. 75, № 6. — P. 2419-2424. — PMID: 8125859.
35. The cystic fibrosis neutrophil: a specialized yet potentially defective cell / E. Hayes, K. Pohl, N.G. McElvaney, E.P. Reeves // Arch. Immunol. Ther. Exp. (Warsz.). — 2011. — Vol. 59, № 2. — P. 97-112. — doi: 10.1007/s00005-011-0113-6. Epub 2011 Feb 11.
36. The lactoperoxidase system links anion transport to host defense in cystic fibrosis / G.E. Conner, C. Wijkstrom-Frei, S.H. Randell et al. // FEBS Lett. — 2007. — Vol. 581, № 2. — P. 271-278. — DOI: 10.1016/j.febslet.2006.12.025.
37. Tyrosine kinase c-Src constitutes a bridge between cystic fibrosis transmembrane regulator channel failure and MUC1 overexpression in cystic fibrosis / A.M. González-Guerrico, E.G. Cafferata, M. Radrizzani et al. // J. Biol. Chem. — 2002. — Vol. 277, № 19. — P. 17239-17247. — DOI: 10.1074/jbc.M112456200.