Свободнорадикальное окисление, антиоксиданты и диабетические ангиопатии

Ведущей патологией в эндокринологии является сахарный диабет, для которого характерна большая частота инвалидности и высокая смертность населения. По данным А. Г. Мазовецкого [35], к 2000 г. по сравнению с 1985 г. ожидается увеличение числа больных сахарным диабетом в 2,9 раза. Частота поражения сосудов при сахарном диабете составляет 68—91,3% [18, 45]. Результаты D. Greene [60] свидетельствуют, что поражение периферических сосудов у данной группы больных наблюдается в 30 раз чаще, чем у лиц аналогичного возраста без сахарного диабета.

Свободнорадикальная патология

Исследования последних лет отечественных и зарубежных авторов свидетельствуют о важной роли неферментативного свободнорадикального окисления (СРО) липидов в патогенезе многих хронических заболеваний современного человека. Перед анализом роли свободнорадикальных механизмов в патогенезе сахарного диабета и диабетических ангиопатий необходимо кратко познакомиться с общими представлениями о сущности СРО липидов и систем его ингибирования.

В связи с спиновыми свойствами триплетного кислорода при взаимодействии его с парой электронов донора высока вероятность образования свободных радикалов. Одноэлектронная форма восстановленного кислорода может быть протонированной — НО 2 (гидропероксильный радикал) и анионной — О^ (супероксидный радикал) [7]. Некоторые ферменты (ксантиноксидаза, липоксигеназа, циклооксигеназа и др.) могут служить источниками супероксидного радикала [56]. Кроме индукции СРО, О^ способен вступать в реакции дисмутации с образованием перекиси водорода, которая может также инициировать СРО. Взаимодействие О^ и Н₂О₂ приводит к появлению самого активного внутриклеточного инициатора СРО — радикала гидроксила ‘ОН. Одноэлектронные переносы могут происходить в ферментативных и неферментативных биохимических процессах. Ферментативные реакции характеризуются строгой структурно-пространственной организацией в клеточных органеллах, а также постоянной регуляцией разного уровня; возможно как ингибирование, так и активирование этих процессов [15]. Неферментативные реакции контролируются системой антиоксидантной защиты (САЗ), причем только путем ингибирования [9, 15].

Избыточное усиление неферментативного СРО в тканях животного организма приводит к характерным изменениям — синдрому пероксидации, включающему повреждение мембран, инактивацию или трансформацию ферментов, нарушения процессов деления и дифференцировки клеток и накопление инертных биополимеров типа липофусцина [15]. Периодически повторяющийся синдром пероксидации является патогенетическим фактором при ряде заболеваний, что Ттослужило основанием для выделения их в группу свободнорадикальной патологии [7, 15]. Учитывая возможность участия общих (свободнорадикальных) механизмов в генезе разных по локализации и характеру проявлений патологических процессов, необходимо четко и однозначно выделить критерии определения свободнорадикальной патологии. Ими могут быть: участие СРО в начальных стадиях патогенеза заболевания, моделирование патологии индукцией СРО в соответствующем органе, выявление протекторных свойств антиоксидантов (АО).

Выделяют следующие основные причины, обусловливающие активацию СРО в тканях: снижение поступления в организм экзогенных АО алиментарным путем (токоферол, аскорбиновая кислота, биофлавоноиды и др.); стресс разного происхождения; поступление в организм прооксидантов (пестициды, лекарства-окислители, фотохимические продукты смога и др.); избыточное поступление жиров и углеводов при недостаточном их расходовании; гипокинезия с ее низким уровнем биологического окисления; физические факторы (радиоактивный фон, УФ-облучение, электромагнитное поле); снижение активности антиоксидантных ферментов (возрастное, врожденное) [7, 15].

Система антиоксидантной защиты сосудистой стенки

Торможение процессов аутоокисления в клетке осуществляется САЗ. Эта система включает АО, ингибирующие СРО на инициальной стадии образования свободных радикалов (токоферол, полифенолы) или активных форм кислорода — су- пероксиддисмутаза (СОД) в мембранах. При этом образующиеся в ходе восстановления частицы с неспаренным электроном, радикалы токоферола или полифенолов регенерируются аскорбиновой кислотой, содержащейся в гидрофильном слое мембраны. Окисленные формы аскорбата в свою очередь восстанавливаются тиоловыми АО, получающими атомы водорода от НАДФ и НАД. Таким образом, радикальное ингибирование осуществляется цепью глутатион -> аскорбат -> токоферол (полифенол), транспортирующей электроны (в составе атомов водорода) от пиридиннукле- отидов к свободным радикалам. Это гарантирует стационарный, крайне низкий уровень свободнорадикальных состояний липидов и биополимеров в клетке. Наряду с цепью АО в системе ингибирования СРО в живой клетке участвуют ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные превращения глутатиона и аскорбата — глу- татионзависимые редуктаза и дегидрогеназа, а также расщепляющие перекиси — каталаза и пероксидазы. Следует отметить, что эффективность функционирования двух механизмов защиты — цепи биоантиоксидантов и группы антиперекис- ных ферментов — зависит от фонда атомов водорода (НАД • Н и НАДФ • Н). Этот фонд пополняется в процессах биологического ферментативного окисления — дегидрирования энергетических субстратов. Срыв антиоксидантной защиты харак-

П лаз ма

ESH                  ДАК ПФН                                   ТФН

цикл пентоз, цикл Кребса,/з-окисле- ние жирных кислот

Рис. 1. САЗ сосудистой стенки.

1 — эндотелий; 2 — эластическое волокно; 3 — соединительнотканная оболочка сосудов; 4 — мембрана миоцита; 5 — цитозоль; ТФ и ТФН — восстановленный и окисленный токоферол; УХ и УХН — восстановленный и окисленный убихинол; АК и ДАК — восстановленный и окисленный аскорбат; ПФН и ПФХ — восстановленный и окисленный полифенол; ESH и ESSE — восстановленный и окисленный эр- готионеин.

теризуется развитием свободнорадикальных повреждений органов и тканей. Поливалентность проявлений свободнорадикальной патологии в разных органах и тканях, разная чувствительность структур клетки к воздействию продуктов СРО свидетельствуют о неодинаковой обеспеченности органов и тканей биоантиоксидантами, по- видимому, их САЗ имеют существенные отличия, т. е. они специфичны для каждого органа или ткани.

Сосудистая стенка (ангиопатии — наиболее частое осложнение сахарного диабета) представляет наиболее уязвимый объект индуцирования СРО липидов, что обусловлено высоким уровнем кислорода в крови и низкой его утилизацией. Существование обширных, метаболически инертных гидрофобных (эластические волокна, мембраны миоцитов и т. п.) и гидрофильных (мукополисахаридный матрикс) областей в сосудистой стенке требует надежных механизмов торможения реакций СРО как в гидрофильных, так и в гидрофобных фазах неклеточного вещества. Наши предыдущие исследования [9] показали, что в сосудистой стенке относительно высок уровень СРО — выше, чем в плазме и миокарде. Результаты исследования компонентов САЗ в стенке сосудов показали наличие большинства антирадикальных ингибиторов и систем их регенерации. В стенке сосудов достаточно высока активность СОД, каталазы, глутатионпероксидазы. Анализ полученных результатов и данных литературы позволяет следующим образом представить структуру САЗ сосудистой стенки (рис. 1). Наличие антирадикаль- ного звена и системы антиоксидантных ферментов способствует эффективному торможению процессов СРО лишь в условиях достаточного поступления экзогенных алиментарных АО. При токофероловой и полиантиоксидантной недостаточности в первую очередь поражаются неклеточные структуры сосудистой стенки, наблюдаются деструкция и фрагментация эластических волокон, свободнорадикальная деполимеризация мукопо-

Дуалуробая                                        L_Аллоксановая

кислота----------------- ► Аллоксан—I кислота

Окисление^                +н_гО

Н_гОг Ог W

Рис. 2. Схема окислительно-восстановительных превращений аллоксана в организме [39].

лисахаридов и появление "сшивок” коллагена, обусловленных СРО липидов [14, 41].

Инициирующее значение неферментативного аутоокисления липидов и биополимеров позволяет отвести пусковую роль в патогенезе синдрома пероксидации недостаточности САЗ организма. Функциональная активность САЗ зависит от ряда факторов. К их числу относятся: 1) уровень ферментативного катаболизма (дегидрирования) — продукции фонда НАД • Н + НАДФ • Н; 2) степень расходования фонда НАД • Н и НАДФ • Н в биосинтетических процессах; 3) уровень реакций ферментативного митохондриального окисления; 4) поступление незаменимых компонентов САЗ — токоферола, аскорбата, биофлавоноидов, селена и др. С другой стороны, активность САЗ зависит от выраженности воздействий индуцирующих СРО липидов, при их чрезмерной активности происходят срыв ингибирования и повышение продукции свободных радикалов и перекисей.

Состояние аутоокисления при экспериментальном сахарном диабете и у больных с диабетическими ангиопатиями

Свободнорадикальная теория патогенеза атеросклероза позволяет предположить единство перекисных механизмов в развитии диабетических ангиопатий и атеросклеротических изменений сосудистой стенки. Усиление СРО липидов установлено у животных с экспериментальными моделями сахарного диабета [10, 14, 33, 34, 51]. По данным Л. К. Корязовой и А. К. Гулевского [28], избыточное образование свободных радикалов, накопление первичных и вторичных продуктов СРО нарушает гидрофобные связи макромолекул сосудистой стенки, а также островков Лангерганса, при этом наблюдаются разобщение окислительного фосфорилирования, лябилизация лизосом, что в конечном итоге приводит к нарушению синтеза проинсулина и гибели р-клеток. Эти результаты подтверждают и ультрамикроскопические исследования поджелудочной железы [32]. Работы лаборатории К. Г. Карагезяна [23, 24] свидетельствуют о резкой деструкции мембран при аллоксановом диабете за счет нарушения мембранных липидов. Ряд авторов [55, 66] указывают на усиление СРО липидов и нарушение энзимного звена САЗ при аллоксановом диабете.

Многие исследователи механизм токсического воздействия аллоксана связывают с его повреждающим действием через образование свободных радикалов (рис. 2). Экспериментально доказано, что способность аллоксана к окислительно-восстановительным превращениям связана с потреблением восстановительных эквивалентов и молекулярного кислорода [51, 64]. В результате этих превращений накопившийся вследствие аффинитета в р-клетках аллоксан генерирует О^, ‘ ОН, Н₂О₂. Это приводит к повышению расхода восстановительных эквивалентов и их истощению. С другой стороны, образовавшиеся свободные радикалы и перекись инициируют развитие СРО с последующим повреждением структур сосудистой стенки и р-клеток. Следует отметить, что р-клет- ки обладают весьма слабой антиокислительной активностью, что было показано с помощью ре- докс-статметрии [39, 40].

При экспериментальном сахарном диабете выявлено резкое усиление индуцированной хемилюминесценции эритроцитов на фоне снижения устойчивости эритроцитарных мембран к перекисному гемолизу. При инфракрасной спектроскопии обнаружены нарушения структуры белковых молекул, степени белоклипидных взаимодействий. ЭПР-спектроскопия выявила сигнал в виде узкой синглетной линии, концентрация парамагнитных центров в 1,5 раза превышала показатели контрольной группы [6]. Авторы рассматривают повышение активности свободнорадикальных процессов как фактор, индуцирующий повреждение не только липидных молекул, но и белков. Результаты наших исследований свидетельствуют о повышении интенсивности сигнала ЭПР от свободных радикалов поджелудочной железы у крыс с аллоксановым диабетом. Введение аллоксана крысам, помимо гипергликемии, привело к развитию умеренной гиперлипидемии, в генезе которой, кроме нарушений гликолиза, существенна роль СРО липидов. Перекиси липидов, уровень которых у крыс с аллоксановым диабетом повышен, способны ингибировать активность ключевого фермента катаболизма холестерина — 7-а- гидроксилазы, что в конечном итоге приводит к развитию гиперлипидемии [31].

Анализ механизмов диабетогенного действия аллоксана в условиях хронической полиантиокси- дантной недостаточности позволяет заключить, что снижение обеспеченности организма алиментарными АО усиливает диабетогенный эффект [9]. Сопоставление интенсивности сигнала ЭПР от свободных радикалов поджелудочной железы у крыс с аллоксановым диабетом и животных, предварительно содержавшихся в условиях сниженного поступления алиментарных АО, показывает его достоверное нарастание [9]. Содержание продуктов СРО липидов в сосудистой стенке животных с аллоксановым диабетом достоверно превышало величины интактных животных. Эти результаты дают основание считать, что выявленные структурные изменения в сосудах обусловлены воздействием избыточного СРО липидов и биополимеров. Аналогичные гуморальные и локальные изменения выявлены и при стрептозотоциновом диабете [52, 78]. Механизм развития стрептозото- цинового диабета Н. Yamamoto и Н. Okamoto [78] связывают со способностью его снижать концентрацию НАД в островках Лангерганса за счет повышения активности поли-(АТФ-рибозо)-син- тетазы, известной как эффект Корзона [77]. Возможный механизм воздействия интермедиантов СРО на структуры сосудистой стенки при диабетических ангиопатиях можно представить следующим образом: активные формы кислорода (супер- оксиданионрадикал, синглетный кислород) и пе-

Повреждение

/з - клеток

Повреждение индулиновысс рецепторов

Абсолютный дефицит инсулина

Относительный дефицит инсулина

Неферментативное гликозилирование белков

ткани

Распад и повышение

Свободнорадикальная деполимеризация мукополисаха

Ридов

Угнетение простациклин- -синтетазь/

Усиление синтеза тромбоксана

Повреждение эндотелия

Повышение агрегации тромбоцитов

Гиперкоагуляция

Рис. 3. Перекисные механизмы патогенеза диабетических ангиопатий.

рекиси, образующиеся при метаболизме аллоксана, а также индуцируемые дефицитом экзогенных АО, воздействуют на эндотелий сосудов, вызывая его десквамацию. В образующиеся дефекты проникают компоненты плазмы, в том числе атерогенные фракции липопротеидов. Одновременно свободные радикалы атакуют эластические и коллагеновые волокна сосудистой стенки, вызывая образование поперечных "сшивок", деструкцию и фрагментацию. Вследствие воздействия протеаз и лизосомальных ферментов возникают отек (преимущественно в мелких сосудах) и утолщение базальной мембраны в магистральных сосудах (артерии). Все это приводит к развитию очагов деструкции, инфильтрации липидами, иногда кальцинозу. Усиление СРО липидов способствует развитию гиперкоагуляции и микроцир- куляторным расстройствам (рис. 3).

Представленные механизмы развития диабетических ангиопатий подтверждены данными отечественной и мировой литературы. По данным R. Gryglewski [61], повреждение эндотелия в основном обусловлено воздействием Оу. Дефицит АО, наблюдаемый у больных сахарным диабетом [36], ингибирует освобождение простациклина и усиливает образование фактора активации тромбоцитов эндотелиальными клетками [20, 63]. К. Tokoro [75] приводит данные о торможении образования простациклина под действием перекисей. В то же время у больных сахарным диабетом резко усиливается экскреция метаболитов тромбоксана [54], введение токоферола способствует нормализации процесса [59]. Показано участие перекисей липидов в повреждении эндотелиальных клеток [65]. По мнению К. Arfors [50], полиморфные лейкоциты за счет генерации супероксиданионрадика- ла способствуют повреждению эндотелия. В модельных экспериментах показана возможность свободнорадикальной деструкции эластических волокон [8]. При диабетических ангиопатиях продемонстрировано накопление так называемых "желтых пигментов" [69]. Деструкция коллагена может происходить под действием активных форм кислорода, впоследствии этот механизм может индуцировать деградацию коллагена за счет действия протеаз и лизосомальных ферментов [70, 71]. Анализируя полученные результаты, V. Моп- nier и соавт. [71] прямо указывают на участие неферментативных процессов в возникновении "сшивок" коллагена и появлении его окисленных "потемневших" форм при диабете.

Клинические наблюдения подтвердили усиление СРО липидов у больных инсулинзависимым и инсулиннезависимым сахарным диабетом [4, 10, 11, 17, 18, 22, 67]. Усиление СРО липидов показано также у больных ишемической болезнью сердца с сопутствующим сахарным диабетом [25]. Индукция аутоокисления при сахарном диабете с сосудистыми осложнениями может быть обусловлена несколькими причинами. По данным Н. Oci и соавт. [72], нарушение функционирования антиоксидантной ферментативной защиты у больных сахарным диабетом может играть существенную роль в его патогенезе. Показано резкое увеличение уровня продуктов аутоокисления у больных сахарным диабетом, коррелирующее с тяжестью сосудистых осложнений [19]. Многие авторы выявили усиление СРО липидов уже в начальных стадиях заболевания, происходящее на фоне компенсаторного повышения ферментативного звена САЗ [16, 73]. У больных сахарным диабетом выявлено снижение обеспеченности витаминами антиоксидантного действия [46]. Дефицит ретинола и каротиноидов, по данным Б. А. Зелинского и С. Ц. Зелинской [21], выявлен у 36% больных инсулинзависимым сахарным диабетом и 74% больных инсулиннезависимым сахарным диабетом, витамина Е — соответственно у 54 и 67,3%. Снижение обеспеченности аскорбиновой кислотой наблюдалось у 71,4% больных и имело тенденцию к увеличению по мере прогрессирования сосудистых осложнений. Дефицит инсулина, имеющийся у больных сахарным диабетом, приводит к снижению активности пентозного цикла, являющегося основным источником восстановительных эквивалентов, и тем самым к снижению антирадикал ьного звена САЗ. Подтверждает недостаточность САЗ у больных сахарным диабетом снижение обеспеченности организма гидрофильными (глутатион, аскорбиновая кислота) и гидрофобными (токоферол) АО; развитие сахарного диабета коррелирует с дефицитом в организме аскорбиновой и никотиновой кислот [49, 57]. Исследованиями В. Hagglof и соавт. [62] показано снижение активности энзимного звена САЗ. Представленные данные подтверждают предположение о ведущей роли алиментарной недостаточности АО в срыве САЗ поджелудочной железы и сосудистой стенки и вследствие этого активации перекисных механизмов [11], в результате которых повреждаются клетки островкового аппарата поджелудочной железы, снижая продукцию инсулина (возможный механизм трансформации II типа сахарного диабета в I тип).

М. Ф. Тымочко и соавт. [47] считают, что повышение уровня триглицеридов у больных сахарным диабетом и изменение липидного состава мембран способствует нарушению метаболизма, снижению антиоксидантной функции, усилению СРО, что в конечном итоге приводит к повреждению мембранных структур при сахарном диабете.

Существенный интерес представляют исследования В. Г. Баранова [5] и S. Cooperstein [53], которые указывают на возможность присутствия в крови человека эндогенного аллоксана, который за счет генерации супероксиданионрадикала способен повреждать (3-клетки поджелудочной железы.

Представленные результаты литературных и собственных данных, на наш взгляд, убедительно подтверждают участие процессов СРО липидов и биополимеров в патогенезе экспериментального диабета и диабетических ангиопатий в клинике.

Антиоксиданты в комплексной терапии сахарного диабета и его сосудистых осложнений

Использование препаратов антиоксидантного действия при экспериментальных моделях сахарного диабета, по данным большинства авторов, оказывает выраженное протекторное действие в отношении гуморальных и локальных проявлений патологии. По данным М. И. Агаджанова и соавт. [1], витамин Е тормозит СРО липидов, стабилизирует мембраны эритроцитов, оказывает гипогликемическое действие и снижает гликозилирование белков при аллоксановом диабете. Введение животным с аллоксановым диабетом витамина Е и никотинамида снижало дозу экзогенного инсулина и вызывало стойкую ремиссию заболевания; при длительном использовании никотинамида наблюдалось образование новых [3-клеток [27]. В экспериментах цитотоксическое действие аллоксана снижается при введении никотинамида и СОД, in vitro аналогичный эффект наблюдался при действии указанных препаратов и эмокси- пина [26]. По данным Н. Н. Великого и соавт. [12, 13], при аллоксановой и стрептозотоциновой моделях диабета наблюдалось снижение окислительно-восстановительных состояний никотинамидных коферментов и фосфорилирования аде- нин-нуклеотидной системы; никотинамид в этих условиях оказывал гипогликемическое действие, снижая на 25—40% уровень гликемии, обусловливал ингибирование глюконеогенеза при инсулинзависимом сахарном диабете и липогенеза при инсулиннезависимом диабете. Наши исследования свидетельствуют о выраженных защитных свойствах антиоксидантных ферментов — СОД и церулоплазмина. Препараты не только тормозили процессы СРО липидов, повышали антиоксидантную обеспеченность, но и оказывали гипогликемическое действие и снижали смертность от острой фазы аллоксанового диабета. Аналогичные защитные свойства АО проявляли и при стрепто- зотоциновом диабете. По данным Р. Е. Садыковой и соавт. [43], у экспериментальных животных наблюдается повышенная экскреция рибофлавина с мочой, что способствует снижению активности ряда антиоксидантных ферментов (глутатионре- дуктаза, сукцинатдегидрогеназа и др.). Введение больших доз никотинамида животным со стрепто- зотоциновым диабетом практически полностью предупреждало развитие биохимических изменений, свойственных этой модели [48].

Как и в экспериментальных исследованиях, использование АО в комплексной терапии сахарного диабета и его сосудистых осложнений способствовало снижению интенсивности СРО, повышению антиоксидантной обеспеченности и улучшению клинического состояния больных [2, 3, 11, 22, 30, 44, 58].

Введение витамина Е и никотинамида, особенно при микроангиопатиях, способствовало снижению интенсивности СРО, повышению активности антиоксидантных ферментов и положительной динамике реовазографии [17, 27, 74]. Аналогичные результаты приводит А. М. Приступюк [42], указывая на способность АО стабилизировать показатели углеводного обмена. По данным Ю. Ф. Крылова и соавт. [29], никотинамид в дозе 60 мг на 1 кг массы тела в течение 15 дней предупреждал развитие симптоматики сахарного диабета. По результатам G. Mendola и соавт. [68] и Р. Vague и соавт. [76], никотинамид благоприятно влияет на функцию (3-клеток у больных сахарным диабетом. Аналогичный эффект дает введение токоферола [37]. Исследования А. А. Нелаева и Э. А. Кашубы [38] свидетельствуют, что применение эмоксипина у больных инсулинзависимым сахарным диабетом оказывает антиоксидантное, мембраностабилизирующее действие, существенно снижая при этом частоту сосудистых осложнений у больных. Введение компламина в комплексе с антиагрегантами больным с сосудистыми осложнениями сахарного диабета, по результатам И. И. Дедова и соавт. [17], способствовало стабилизации процесса у большей части обследованных больных.

Таким образом, результаты экспериментальных и клинических исследований свидетельствуют о повышении уровня СРО липидов, снижении антиоксидантной обеспеченности и активности ферментативного звена САЗ. Итогом недостаточности САЗ является индукция СРО, токсичные продукты которого способны повреждать макромолекулы сосудистой стенки, [3-клетки поджелудочной железы, что приводит к снижению продукции инсулина. Применение препаратов антиоксидантного действия в комплексной терапии сахарного диабета и его сосудистых осложнений оказывает протекторное действие.

Полученные результаты и данные литературы свидетельствуют о перспективности исследований перекисных механизмов в патогенезе сахарного диабета и разработке новых способов лечения и профилактики заболевания с включением в комплексную терапию препаратов антиоксидантного действия.