Введение

Сегодня можно утверждать, что любое критическое состояние начинается и завершается в условиях гипоксии, типового патологического процесса, для которого характерны стереотипность, универсальность, относительный полиэтиологизм и аутохтонность (аутохтонность в той или иной мере свойство всех типовых патологических процессов, основные элементы которых запрограммированы природой и не изменяются с течением времени), а также эквифинальность [1]. Заметьте, что эквифинальность — это переход при разных начальных условиях (полиэтиологизм) в одно и то же финальное состояние, наличие различных путей и разных начальных условий при достижении одного и того же конечного состояния.

Поэтому, говоря об этиологии гипоксии и путях ее патогенеза, а также с учетом путей доставки кислорода от верхних дыхательных путей, альвеол, сосудистой артериальной сети, капилляров, клетки и митохондрий можно выделить ключевое звено, в котором начинается реализация гипоксического эквивалента. Этим звеном всегда будет являться микроциркуляция.

Одной из наиболее важных особенностей дисфункции микроциркуляции является неоднородность регионарной перфузии в пределах нескольких микрон, где создаются условия для ишемии, гипоксии и окислительного стресса [2]. Поэтому тканевая гипоксия не обязательно улучшается в условиях нормального или повышенного транспорта кислорода [3]. Основной причиной этого явления может быть не столько неадекватный системный транспорт кислорода, сколько недостаточное его потребление из-за нарушений микроциркуляторной перфузии, вызванное функциональным шунтированием в микроциркуляции [3]. Нарушения микроциркуляции в критическом состоянии могут сохраняться даже при улучшении перфузии макроциркуляторного русла, подтверждая потерю гемодинамической согласованности между макроциркуляцией и микроциркуляцией.

Действительно, лечение с учетом микроциркуляции может улучшить прогноз у пациентов в критическом состоянии. Безусловно, развитие гипоксии, независимо от первоначальной причины (недостаток кислорода в воздушной среде, потеря носителей кислорода в виде эритроцитов, расстройства микроциркуляции и другие), в конечном счете приведет к недостатку кислорода в конечном звене — на уровне митохондрий, где будет нарушен синтез аденозинтрифосфата (АТФ) — энергетического потенциала клетки [4]. Поэтому уповать на улучшение доставки кислорода путем устранения расстройств микроциркуляции — значит противоречить канонам физиологии и патофизиологии.

Поэтому в критическом состоянии, например при шоке, гипоксия со свойственной ей гипоксемией будет играть ведущую роль в танатогенезе [3], приводя к развитию митохондриальной дисфункции. Не случайно микроциркуляцию и митохондрии объединили в концепцию под названием «критическая единица», которая является ключевым звеном в возникновении и развитии критических состояний [5].

Концепция «критической единицы» позволяет несколько по-другому посмотреть на роль эндотелиальных клеток и митохондрий в их структуре с учетом громадной площади эндотелия, тем более что эндотелиальные клетки являются наиболее важными функциональными клетками в микроциркуляции. Эндотелиальные клетки есть во всех кровеносных сосудах, они опосредуют и регулируют многие важные физиологические функции микроциркуляции, включая перфузию, проницаемость, местную коагуляцию и иммунный ответ [6]. Многими исследованиями подтверждено, что повреждение эндотелиальных клеток является основным патогенетическим фактором микроциркуляторной дисфункции у критически больных пациентов. Гибель эндотелиальных клеток, как и повреждение эндотелиального барьера, является важным патогенетическим фактором многих воспалительных заболеваний, включая острое повреждение легких и ишемическое реперфузионное повреждение миокарда [7]. Следовательно, сохранение функции эндотелия также должно быть целью реанимации. Эндотелиальная дисфункция включает в себя не только нарушение эндотелийзависимой вазодилатации, но и повреждение гликокаликса, увеличение количества активных форм кислорода (АФК) [8], что может привести к апоптозу эндотелиальных клеток, при этом ключевую роль играет опять же гипоксия, приводящая к потере целостности сосудов [9].

Таким образом, гипоксия в конечном итоге является основным патогенетическим фактором критических состояний. Не случайно дыхательная недостаточность является первичной и наиболее распространенной причиной заболеваний и смерти. Смертность от дыхательной недостаточности составляет почти 20% и обходится примерно в 54 млн долларов [10].

Совершенно обоснованным в данном случае будет назначение такому пациенту дополнительного кислорода с различными вариантами его доставки, начиная от банальных носовых канюль, маски и заканчивая искусственной вентиляцией легких и экстракорпоральной мембранной оксигенацией. Однако применение кислородных добавок без показаний превышает даже чрезмерное применение антибиотиков! Это часто не осознается и считается полезным. Ежегодная потребность в кислородных добавках, по прогнозам, скоро будет составлять около 800 тыс. человек в год, что обойдется в 1,8 млрд долларов [11]. Выбор концентрации подаваемого кислорода в данном случае будет зависеть от тяжести гипоксемии, интерпретируемой нами по данным анализа газов крови и показателям пульсоксиметрии (SpO₂), отражающим не только обеспечение организма кислородом, но и тяжесть гипоксии как типового патологического процесса. И в этом контексте следует отметить, что кислород не просто «палочка-выручалочка», а химический элемент с присущей ему и давно известной токсичностью, которая может проявляться при его высоких концентрациях на различных уровнях, от органного до клеточного [12].

Цель исследования — осуществить поиск материалов, подтверждающих гипотезу, что использование природного механизма функционирования комплекса «сукцинатдегидрогеназа — сукцинат» позволяет нивелировать токсические эффекты кислорода в условиях его высоких концентраций за счет реализации антиоксидантных и антигипоксических свойств, характерных для функционирования уникального II участка дыхательной цепи митохондрий.

Материал и методы

Поиск источников литературы проведен в электронных ресурсах российской научной электронной библиотеки eLIBRARY.ru с использованием ключевых слов «антиоксиданты, антигипоксанты, гипероксемия, токсические эффекты кислорода, цикл Кребса, сукцинат, сукцинатдегидрогеназа, критические состояния» и в англоязычной текстовой базе медицинских и биологических публикаций PubMed с использованием аналогичных ключевых слов «antioxidants, antihypoxants, hyperoxemia, toxic effects of oxygen, Krebs cycle, succinate, succinatedehydrogenase, critical conditions».

Результаты

Гипероксия как один из патогенетических факторов активации окислительного стресса

Гипероксия (hyperoxia; греч. hyper сверх + лат. ox[ygenium] кислород) — комплекс физиологических реакций и патологических изменений, развивающихся при повышенном давлении (напряжении) кислорода в тканях организма вследствие увеличения его содержания во вдыхаемой газовой смеси или в окружающей газовой среде [13]. Вспомните свое состояние, когда вы оказались в сосновом бору!

С точки зрения W.J. Mach и соавт. (2011), гипероксия — это состояние избыточного поступления O₂ в ткани и органы при нормальном (нормобарическая гипероксия) атмосферном давлении [11]. Механизмы гипероксического повреждения понятны. Это повышенный уровень O₂, который вызывает образование супероксидного радикала с последующей дисмутацией в H₂O₂ под действием супероксиддисмутазы. В присутствии Fe²⁺ H₂O₂ катализируется в высокореактивный гидроксильный свободный радикал посредством реакции Фентона и служит проницаемой для мембраны сигнальной молекулой [14]. Окислительный стресс может привести к перекисному окислению липидов клеточных мембран, дисфункции белков и инактивации важнейших клеточных ферментов, причем все они способствуют клеточной дисфункции, аутофагии и гибели клеток [15, 16]. Концепция окислительного стресса введена для исследований в области окислительно-восстановительной биологии и медицины в 1985 г. в книге под названием «Окислительный стресс» (Oxidative Stress) [2], где впервые были представлены знания о прооксидантах и антиоксидантах, их эндогенных и экзогенных источниках и метаболических поглотителях. С тех пор окислительно-восстановительная биология как область исследований получила бурное развитие в широком спектре дисциплин, начиная с химии и радиационной биологии, через биохимию и клеточную физиологию, вплоть до общей биологии и медицины. Сегодня под окислительным стрессом подразумевают «нарушение баланса прооксидантов и антиоксидантов в пользу первых», а причиной дисбаланса может быть как гипоксия, так и гипероксемия.

Кислородная токсичность (как проявление гипероксемии) может проявляться в центральной нервной системе, легких и глазах, особенно у недоношенных детей. Начало и степень токсичности варьируют в зависимости от концентрации кислорода и продолжительности введения кислорода. Для профилактики и при раннем выявлении кислородной токсичности требуется симптоматическое лечение [17]. Во внутриклеточных и внеклеточных системах повышение уровня АФК происходит из-за чрезмерного воздействия O₂, тем самым нарушается баланс между оксидантами и антиоксидантами. Это нарушение гомеостаза может привести к повреждению клеток и тканей [18]. Значит, основа симптоматической терапии, направленной против гипероксических состояний, должна быть представлена антиоксидантами.

Реальность практической медицины

Однако сегодня в практической медицине критических состояний отсутствуют как критерии оценки токсичности кислорода, так и конкретные показатели напряжения кислорода в крови, превышение которых будет сопряжено с развитием токсических эффектов. Более того, как показывают отдельные публикации, у медицинского персонала нет «страха» перед кислородом в высоких концентрациях, а также понимания гипероксии и гипероксемии. Многие респонденты, по данным аналитического обзора Perceptions of Hyperoxemia and Conservative Oxygen Therapy in the Management of Acute Respiratory Failure, не признавали термин «гипероксемия», другие проявили плохое его понимание, а некоторые вообще утверждали, что они никогда не сталкивались с гипероксемией в клинике [19]. Безусловно, при этом будет страдать и мониторинг проводимой терапии, что отражено в исследовании O. Joean и соавт. (2022). Из 343 пациентов, включенных в это исследование, 20% получали терапию O₂. Из них 29% пациентов подвергались повышенному риску гиперкапнии, так как полный мониторинг жизненно важных параметров проведен только у 41% пациентов, получавших O₂-терапию. При этом у 64% пациентов выявлена нормоксемия, у 17% — гипероксемия и у 19% пациентов — гипоксемия, несмотря на дополнительный O₂ [20]. В ретроспективном исследовании A.E. de Graaff и соавт. (2011) обнаружили, что гипероксия (определяемая как PaO₂ >16 кПа или 120 мм рт. ст.) часто набюдалась у пациентов, но в большинстве случаев не приводила к изменению настроек аппарата искусственной вентиляции легких (ИВЛ). Если FiO₂ составляла 0,4 или ниже, то гипероксия принималась в большинстве случаев как данность [21]. Вполне разумно, что E.P. Gomes и соавт. (2023) предложили протокол ведения пациентов в условиях ИВЛ, в соответствии с которым уровень SpO₂ каждый час оценивался медсестрой, корректировавшей FiO₂ на основе SpO₂. Если SpO₂ превышала 96%, FiO₂ снижали на 10% (абсолютное значение). Если SpO₂ составляла от 93% до 96%, FiO₂ сохраняли, а если SpO₂ была ниже 93%, то вызывали лечащего врача [22]. Дополнительное введение кислорода может увеличить доставку кислорода у пациентов с гипоксемией, тем самым поддерживая функцию клеток и метаболизм и ограничивая дисфункцию органов, но у пациентов без гипоксемии дополнительное введение кислорода увеличивает концентрацию кислорода до нефизиологических уровней гипероксемии и может быть связано с вредными последствиями, которые давно известны.

Суть токсических эффектов кислорода

Токсические эффекты кислорода были известны еще задолго до его использования в практической медицине. Со времен Джона Пристли, Поля Берта, Юстуса фон Либиха, Джеймса Лоррейна Смита известны клинические токсические проявления кислорода, суть которых выражается в «общем протоплазматическом» эффекте, описанном П. Бертом в 1878 г., существенно сокращающем период жизнедеятельности организма в целом. В 1899 г. Дж. Лоррейн Смит, пытаясь воспроизвести «эффект Берта», заметил смертельную пневмонию у крыс после 4 дней воздействия 73%-м кислородом при 1 АТ. Это ознаменовало открытие легочной токсичности кислорода, «эффекта Смита» [18].

Во всеобъемлющем обзоре в 70-х годах XX века перечислено более 50 лабораторных исследований с участием 9 видов животных (мышей, крыс, цыплят, морских свинок, кроликов, кошек, собак, обезьян, бабуинов) и более 1300 отдельных животных, которые вдыхали кислород (FiO₂ от 0,9 до 1,0) до смерти [23]. В целом у этих животных развивался прогрессирующий респираторный дистресс, и они обычно умирали от дыхательной недостаточности в период от 3 до 6 дней. Эти исследования проводились в основном в 50-х и 60-х годах прошлого века, полученные результаты соответствовали данным других многочисленных исследований XIX и начала XX веков, описанным в более ранних всеобъемлющих обзорах [24, 25]. Но биохимическая сущность токсичности кислорода была выяснена только в конце XX века, когда была сформулирована свободнорадикальная теория, объяснившая роль свободных радикалов кислорода и дальнейшую активацию перекисного окисления липидов при участии свободных ионов железа в реакциях Фентона, Хабера—Вайса и других. В дальнейшем было выяснено, что «родина» свободных радикалов — это дыхательная цепь электронов, где до 5% поступающего кислорода реализуется в свободный супероксидный радикал (O^2–) и далее в перекись водорода. При избытке кислорода и недостатке антиоксидантов в виде супероксиддисмутазы, каталазы и глутатионредуктазы продукция O^2– становится крайне чрезмерной, что при наличии свободного железа создает условия для продукции гидроксильного радикала (ОН^–), от которого защиты на уровне клетки нет [14].

Какие есть перспективы для купирования токсических эффектов кислорода?

Складывается впечатление, что активация процессов избыточного синтеза свободных радикалов, несущих катастрофу для клеток, в условиях избыточного поступления кислорода и дефицита антиоксидантной защиты, является задачей, решить которую сегодня невозможно. Вместе с тем ряд фундаментальных и клинических исследований дает небольшую, но перспективу. Сегодня является фактом утверждение, что процессы развития воспаления тесным образом связаны именно с гипоксией и активацией синтеза АФК на фоне недостаточности антиоксидантной системы, истощение которой является следствием прогрессивного синтеза радикалов [26]. Оксигенотерапия, проводимая в данном случае с использованием избытка кислорода, является фактором, подтверждающим «двуликость кислорода», особенно в период реперфузии в сочетании с реоксигенацией, когда разрешается воспаление и восстанавливается кровоток после периода гипоперфузии, что приводит к избыточному поступлению кислорода в «изголодашиеся» по нему ткани. Неужели в процессе эволюции в организме не отработана система адаптации и защиты?

Упомянутая ранее антиоксидантная система, представленная ферментативными и неферментативными молекулами, изношенная в период воспаления, будет лишена возможности полностью реализовать свои функции в период реперфузии и реоксигенации — в более агрессивный периоде синтеза АФК. Использование при критических состояниях известных антиоксидантов в виде витаминов C, E и D вполне закономерно, но пресловутые рандомизированные исследования не подтверждают обоснованность их использования при критических состояниях [27]. Странно!

Предпринимаемые нами усилия по повышению оксигенации тканей, например во время тяжелого сепсиса, оказались неэффективными, и появляется все больше доказательств того, что митохондрии вносят значительный вклад в патогенез сепсис-индуцированных органных расстройств. В дополнение к дисрегуляции метаболизма кислорода сепсис-индуцированная митохондриальная дисфункция обусловливает травму органа за счет ускоренного производства окислителей и гибели клеток. Прогресс в нашем понимании механизмов повреждения митохондрий может революционизировать управление этой разрушительной болезнью [28]. Но если обратиться за помощью к структуре, синтезирующей АФК, оказывается, можно найти «слабое» звено и попытаться решить проблему токсичности кислорода с помощью самих органелл, митохондрий или, говоря более точно, дыхательной цепи, а именно II участка, где сукцинатдегидрогеназа (СДГ) окисляет сукцинат (рис. 1).

Рис. 1. Структура дыхательной цепи митохондрий.

Сегодня в ряде фундаментальных экспериментальных исследований доказано, что конкретным местом синтеза O^2– при гипоксии и тем более при гипероксии являются I и III участки дыхательной цепи митохондрий, а II участок обеспечивает раннюю адаптацию в условиях гипоксии за счет активности СДГ при участии янтарной кислоты (сукцината) [29]. Природная сущность защитного действия СДГ в большей степени реализуется, во-первых, за счет того, что активное окисление сукцината способно поддерживать высокую степень восстановленности коэнзима Q, предупреждая накопление его семихинонной (полувосстановленной) формы, которая является генератором O^2–, а во-вторых, за счет включенных в структуру фермента трех кластеров железа в виде гема [30] (рис. 2).

Рис. 2. Структура фермента сукцинатдегидрогеназы.

Первый электрон, поступающий к убихинону через [3Fe-4S], может быстро перемещаться вперед и назад между гемом и связанным убихиноном. Таким образом, гем играет роль стока электронов, предотвращая взаимодействие железа с молекулярным кислородом, которое привело бы к образованию АФК. К этому следует добавить, что СДГ всегда находится в железодефицитном состоянии, а делеция генов этого фермента из генома вообще летальна [30]!

СДГ — II комплекс дыхательной цепи, является единственным комплексом, который связан с циклом Кребса и встроен во внутреннею мембрану митохондрий. Ни один субстрат цикла Кребса, кроме СДГ, не используется в работе дыхательной цепи! Управляемый поток электронов II комплекса является единственным средством, с помощью которого митохондриальная мембрана поляризуется (создает митохондриальный мембранный потенциал ΔΨm) в условиях гипоксии. ΔΨm является ключевым показателем активности митохондрий, поскольку он отражает процесс переноса электронов и окислительного фосфорилирования, движущей силы производства АТФ [31].

Оказывается, что метаболиты, которые раньше рассматривались исключительно как участвующие в катаболизме или анаболизме, обладают ключевыми регуляторными функциями. Сукцинат эволюционировал как сигнальный механизм, поскольку его концентрация отражает окислительно-восстановительное состояние пула кофермента Q (CoQ), центральной окислительно-восстановительной пары, ограниченной внутренней мембраной митохондрий. Сукцинат обладает уникальной способностью действовать как мобильный датчик поступления электронов в митохондрии и спроса на них в процессе окислительного фосфорилирования. Сукцинат действует как вездесущий страж клеточной биоэнергетики, способный интегрировать основные метаболические параметры для контроля локальной и системной адаптации посредством различных эффекторных механизмов [32].

Очень показателен результат эксперимента, в котором у новорожденных поросят в условиях асфиксии определяли уровни метаболитов митохондрий (лактата, альфа-кетоглутарата, сукцината и фумарата), увеличение которых составило соответственно 850%, 266%, 8000% и 587%. Но в условиях реанимации 100%-м кислородом наиболее высокий уровень концентрации отмечался со стороны сукцината, а при реанимации 21%-м кислородом сукцинат имел наибольший уровень снижения из всех исследуемых метаболитов. Но более интересен факт уровней концентрации исследуемых метаболитов после реанимации, то есть в период реперфузии, когда выявлен факт быстрого снижения концентрации сукцината в условиях реанимации 100%-м кислородом и практически не измененный уровень субстрата в условиях реанимации 21%-м кислородом [33]. Данный эксперимент подтверждает ранее проведенный опыт использования сукцината для купирования токсических эффектов кислорода, в частности в исследовании G.B. Hill, в котором продемонстрированы защитные эффекты сукцината при использовании гипербарической оксигенации при экспериментальной гангрене [34]. Приведенные примеры позволяют предположить, что механизм работы II участка дыхательной цепи, где работает «союз» СДГ и сукцината, является эволюционно созданным механизмом, когда-то защищавшим организмы на Земле от избыточного влияния кислорода, он, по всей видимости, носит антиоксидантный характер и защищает нас до сих пор.

Сегодня перевязка и пункция слепой кишки — «золотая» стандартная модель полимикробного сепсиса. Например, доказано, что во время экспериментального сепсиса большая часть АФК вырабатывается в митохондриях, и считается, что это связано с потерей электронов, которая имеет место при их передаче от комплекса I к комплексу III митохондриальной цепи. Вместе с тем, по мнению A. Protti и соавт., разобщение цепи также происходит между комплексом I и комплексом II [35]. Электроны, которые восстанавливают комплекс I, поступают из восстановленных коферментов, никотинамидадениндинуклеотида, в то время как дигидрофлавинадениндинуклеотид, который образуется в результате окисления сукцината в цикле Кребса, окисляется в комплексе II, причем электроны поступают через указанный комплекс [35]. В этом эксперименте у крыс, подвергшихся пункции слепой кишки, но получавших сукцинат в условиях абдоминального сепсиса, системный уровень АФК был ниже, чем у крыс без лечения сукцинатом, при высоком уровне статистической значимости (p=0,007). В различных исследованиях продемонстрировано, что сукцинат улучшал потребление кислорода мышцами у крыс с сепсисом [35], продлевая выживаемость указанных животных с сепсисом [36] и улучшая метаболический профиль печени [37], что говорит о наличии антиоксидантного эффекта и параллельно антигипоксантного, покольку улучшалось потребление кислорода.

Факт адекватного потребления кислорода на уровне клетки недавно подтвержден и в клинических исследованиях. В частности, использование сукцината в программе лечения пациентов с COVID-19 позволило в короткие сроки устранить индуцированную гипоксией эндотелиальную дисфункцию [38]. Например, купирование ацидоза вследствие тяжелой гипоксии или кетоацидоза на фоне сахарного диабета эффективно решалось с использованием опять же растворов, включающих в свою структуру сукцинат [39, 40]. По данным другого исследования, включение 1,5% раствора меглюмина натрия сукцината в состав терапии у пациентов с тяжелым течением COVID-19 позволяет сократить продолжительность метаболических нарушений, что оказало положительное влияние на степень респираторной дисфункции, депрессии экскурсии диафрагмы и сроки лечения после перевода из отделения реанимации и интенсивной терапии [41].

Заключение

Представленный материал указывает на факты, подтверждающие гипотезу, что при гипоксии и активации процессов избыточного синтеза свободных радикалов, несущих катастрофу для клеток в условиях избыточного поступления кислорода и развивающегося дефицита антиоксидантной защиты, использование сукцината является решенной задачей. Представленная гипотеза подтверждена на уровне не только фундаментальных, но и клинических исследований, и спорить с этим фактом сегодня крайне сложно.

Конфликт интересов. Статья подготовлена при поддержке ООО «НТФФ «Полисан», Санкт-Петербург, Россия.