Гипергликемия является ведущим метаболическим фактором, приводящим к развитию сосудистых осложнений сахарного диабета (СД) [1—4]. Изменения в микрососудистом русле при длительной гипергликемии приводят к гемодинамическим нарушениям в тканях и органах больных с декомпенсированным СД 1-го типа [3]. Генерализованное поражение сосудов у больных с длительной декомпенсацией СД 1-го и 2-го типов нарушает кровоснабжение органов репродуктивной системы [2, 4].

По данным М. Brownlee [5], токсическое действие гипергликемии проявляется в активации биохимических изменений, способствующих повреждению сосудистой стенки на клеточном и мембранном уровнях.

Механизм повреждающего действия гипергликемии связан с инициацией полиолового пути метаболизма глюкозы, накоплением в тканях ранних и конечных продуктов гликирования (КПГ), активации протеинкиназы С. Патологические процессы гликирования приводят к необратимому перекрестному связыванию белков, потере структуры и функции белка с последующим апоптозом клетки.

Гипергликемия как главный фактор усиленного гликирования белков — основная причина спонтанного нарушения структуры внутриклеточных и внеклеточных белков различных физиологических систем. Неферментативное гликирование белков является ключевым механизмом повреждения тканей при СД. КПГ, образующиеся при неферментативном гликировании и окислении белков, являются биомаркерами метаболического стресса у больных СД 1-го типа [6]. Формирование и накопление КПГ происходит во время процесса нормального старения организма, но ускоряется при гипергликемии, инсулинорезистентности (ИР), дислипидемии, окислительном стрессе и активации ренин-ангиотензиновой системы при СД [7]. В физиологических условиях реакция протекает медленно, поэтому наиболее подвержены гликированию такие белки, как коллаген и кристаллин [8]. КПГ представляют собой гетерогенную по химическому составу группу соединений (более 20 веществ), к которым относятся: глиоксаль, метилглиоксаль, N-карбоксиметил-лизин (CML), пентозидин, гидроимидазолон и предшественники 1,2-дикарбонильных соединений. Пентозидин (наиболее часто определяемый конечный продукт гликирования белков) представляет собой продукт поперечной «сшивки» между продуктом Амадори и остатком аргинина в любом положении белка. В коже и плазме крови больных СД, а также в тканях мозга пациентов с болезнью Альцгеймера обнаружен пентозидин [8]. В экспериментальных работах показано, что накопление пентозидина и аргпиримидина в клетках эмбриона является результатом развития СД у матери [9].

Химическое взаимодействие глюкозы и белков впервые описал L. Camille Maillard в 1910 г. Известны два пути образования КПГ.

Первый путь — реакция гликирования (реакция Майяра) включает несколько этапов. Конденсация: реакция соединения глюкозы с аминокислотой приводит к дегидратации глюкозы с образованием воды. Продукт конденсации быстро теряет воду и образуется ранний продукт гликирования — нестабильные основания Шиффа. Перегруппировка Амадори: основание Шиффа приобретает кольцевидную структуру с образованием продуктов Амадори. Полимеризация: результатом этого этапа является образование конечных продуктов гликирования.

Второй путь — образование КПГ при действии гликотоксинов сразу, минуя две первые стадии. Формирование более быстрого пути образования КПГ происходит в реакции с гликотоксинами (глиоксалем и метилгиоксалем). Карбонильные соединения диальдегида глиоксаля, метилглиоксаля и 3-дезоксиглюкозона являются активными диальдегидами, образующимися при гликолизе триозофосфатов и перекисном окислении липидов [7]. Взаимодействуя с аминокислотными остатками лизина и аргинина, глиоксаль и метилглиоксаль образуют КПГ. Глиоксаль, метилглиоксаль и 3-дезоксиглюкозон обладают выраженной способностью к повреждению и гликированию белков [6]. Метилглиоксаль, пентозидин и аргпиримидин — маркеры интенсивности карбонильного стресса, способствующего повреждению клеток и развитию воспаления. Возможность синтеза глиоксалазы, фермента, разрушающего метилглиоксаль, относят к цитопротективным свойствам некоторых клеток [10, 11]. КПГ могут повреждать клеточные структуры в результате образования поперечных связей между ключевыми молекулами в базальной мембране внеклеточного матрикса и взаимодействия с рецепторами на клеточных поверхностях, тем самым изменяя клеточную функцию и инициируя развитие стресса эндоплазматического ретикулума [12].

Принято считать, что гипергликемия активирует полиоловый путь метаболизма глюкозы с образованием вторичных продуктов — спиртов полиолов [4], нарушающих биодоступность оксида азота с формированием пероксинитрита и инициирующих образование активных форм кислорода. Полиолы являются осмолитическими веществами, накопление которых в цитозоле приводит к выраженному увеличению объема клеток и дисфункции митохондрий и пероксисом в самой клетке [13]. Установлено, что повреждающее действие КПГ связано со следующими патологическими процессами: ингибированием связывания регуляторных молекул, поперечной «сшивкой» гликированных белков и нарушением их пространственной структуры, снижением чувствительности к протеолизу, инактивацией ферментов, повышением проницаемости сосудов, снижением эластичности артерий, подавлением вазодилатации через образование связей КПГ с монооксидом азота, окислением липопротеинов низкой плотности, усилением свободно-радикального окисления, изменением заряда на поверхности белка, аномальным функционированием нуклеиновых кислот и усилением образования иммунных комплексов [13, 14].

Проведенное в 2007 г. исследование in vitro показало, что КПГ могут значительно увеличить экспрессию мРНК трансформирующего фактора роста бета 1-го типа TGF-β1, фактора роста соединительной ткани CTGF и экспрессию мРНК фибронектина Fn в клетках NRK-49 °F посредством усиления окислительного стресса. Авторы [15] предположили, что антиоксидантная терапия может предотвратить накопление КПГ и вызванное ими повреждение.

КПГ непосредственно связываются с белками мембраны, изменяют ее отрицательный заряд и повышают проницаемость для других белков. Гликированный гемоглобин HbA_1c широко используется как кумулятивный ретроградный показатель гликемии в предшествующие 3 мес до исследования. HbA_1c и гликоальбумин (фруктозамин), показатели компенсации углеводного обмена, по химической структуре являются промежуточными продуктами Амадори. В организме нет ферментов, способных гидролизировать соединения КПГ, в результате чего модифицированные белки являются необратимыми продуктами. Важно отметить, что изменения структуры белков носят необратимый характер и не уменьшаются при коррекции гипергликемии у больных СД [6, 7].

Повреждающее действие КПГ проявляется как самостоятельно (рецепторнезависимое), так и посредством связывания с рецепторами КПГ (RAGE — receptor for advanced glycation end products). Известно, что рецепторы для КПГ являются мультилигандами трансмембранного гликопротеина I типа и принадлежат к суперсемейству иммуноглобулинов [16]. Рецепторы для КПГ способны связывать несколько лигандов, вовлеченных в различные хронические воспалительные состояния [17]. Рецепторы для КПГ связывают молекулы DAMPs (damage associated molecular patterns), молекулярные структуры, ассоциированные с повреждением и инициирующие неинфекционный воспалительный ответ. К специфическим лигандам рецепторов для КПГ относятся конечные продукты гликирования белков, HMGB (highmobility group box — амфотерин), члены семейства S100/кальгранулинов, кальпопротектин, амилоидный β-пептид и амилоид А. Кроме того, рецепторы для КПГ также связаны с патоген-ассоциированными фрагментами молекул PAMPs (pathogen associated molecular patterns), инициирующих воспалительный ответ на микробные и вирусные патогены, бактериальные эндотоксины, микробные и вирусные ДНК [18]. Известно, что полный рецептор для КПГ состоит из 5 доменов: цитозольного домена (отвечающего за передачу сигнала), трансмембранного домена (закрепляющего рецептор в клеточной мембране), вариабельного домена (связывающего лиганды) и двух константных доменов [16].

В нормальных физиологических условиях биосинтез рецепторов для КПГ низкий, исключение составляет легочная ткань. Программируемый биосинтез рецепторов для КПГ отмечается в клетках крови. Однако при различных патологических состояниях и при гипергликемии в ответ на увеличение количества лигандов к рецепторам к КПГ биосинтез последних может значительно усилиться. Существует несколько изоформ рецепторов к КПГ: одни могут быть продуктами альтернативного сплайсинга матричной РНК (мРНК), кодирующей полноценные рецепторы к КПГ, другие образуются за счет протеолитического отщепления экстраклеточной части рецептора для КПГ под действием дезинтегрина и металлопротеиназы 10 (ADAM10). Установлено, что ADAM10 является протеазой семейства белковых пептидаз, отщепляющих внеклеточный фрагмент мембранных белков. Изоформа рецепторов к КПГ, образующаяся в результате альтернативного сплайсинга (es-RAGE) и изоформа, которая образуется в результате протеолитического отщепления экстраклеточной части рецепторов для КПГ (cRAGE), являются растворимыми изоформами и обозначаются как растворимый рецептор для КПГ (sRAGE) [19].

Вероятно, рецепторы для КПГ могут опосредовать физиологические функции, связанные с ростом и регенерацией нейронов, участвовать в провоспалительных реакциях [17, 20]. Рецепторы для КПГ экспрессируются в центральной нервной системе, в клетках эндотелия, в гладкомышечных клетках, в мононуклеарных фагоцитах, перицитах, нейронах, кардиомиоцитах, гепатоцитах [16, 20]. Кроме того, рецепторы для КПГ обнаружены на клетках гранулезы и теки яичников здоровых женщин [21, 22]. Взаимодействие конечных продуктов гликирования белков и рецепторов для КПГ на мембране клеток приводит к активации транскрипционного ядерного фактора κB (NF-κB), что вызывает развитие провоспалительного процесса и способствует повреждению клеток [16, 20]. В исследованиях показано, что при активации внутриклеточного действия КПГ и рецепторов для КПГ индуцируется синтез реактивных форм кислорода и активируются различные протеиновые киназы (SAPK/JNK, фосфоинозитол-3киназа, p21ras, erk½, p38, JAK/STAT-сигнального пути [23, 24]. NF-κB является универсальным фактором транскрипции, контролирующим экспрессию генов иммунного ответа, апоптоза и клеточного цикла, таких как гены циклооксигеназы 2-го типа (COX-2), фактора некроза опухоли альфа (TNF-α), интерлейкинов IL-1 и IL-6, гены, индуцирующие синтазу оксида азота (iNOS), а также гены антиапоптотических белков — Х-сцепленного ингибитора апоптоза (XIAP), антиапоптотического белка В-клеточной лимфомы 2-го типа (BcL-2), антиапоптотического белка В-клеточной лимфомы очень большого размера (Bc-ХL) и проангиогенных цитокинов (фактора роста эндотелия сосудов — VEGF). Кроме того, NF-κB подавляет гены, стимулирующие апоптоз (p53, Bax и Bad) [24]. Нарушение регуляции NF-κB может инициировать воспалительный аутоиммунный процесс. Известно, что рецепторы для КПГ действуют как эндотелиальные адгезионные рецепторы для лейкоцитарных интегринов и усиливают миграцию лейкоцитов [23, 24]. Патологическое состояние (гипергликемия), при котором присутствует большое количество лигандов к рецепторам для КПГ, формирует цикл положительной обратной связи, способствующей развитию хронического воспаления. Принято считать, что длительный воспалительный процесс изменяет состояние микро- и макрососудистой системы и приводит к повреждению различных органов [25].

При этом внеклеточная растворимая изоформа рецептора КПГ sRAGE циркулирует в крови и считается благоприятным фактором, способным нейтрализовать КПГ до взаимодействия с клеточной мембраной [16, 17]. Следует отметить, что sRAGE может служить рецептором-ловушкой для лигандов к рецептору КПГ, тем самым блокируя их взаимодействие с рецепторами. Этот механизм способствует предотвращению неблагоприятных последствий взаимодействия лигандов с рецепторами к КПГ.

Установлено, что метаболический и окислительный стресс изменяют перифолликулярную васкуляризацию яичников [3, 4]. Длительная гипергликемия способствует накоплению в тканях яичников КПГ [26]. Эти изменения способны нарушать рост и созревание фолликулов [22, 26]. КПГ, взаимодействуя с их клеточными рецепторами, участвуют в патогенезе аномального развития фолликулов в яичниках [21, 22]. M. Jinno и соавт. [27] провели количественную оценку уровней токсичных КПГ — (ТКПГ) (TAGE — это КПГ, производные от глицеральдегида или глицер-AGE), пентозидина и карбоксиметил лизина (CML) в крови и фолликулярной жидкости у 157 пациентов во время протоколов экстракорпорального оплодотворения. Результаты исследования показали, что накопление ТКПГ, пентозидина и CML в фолликулярной жидкости и накопление ТКПГ в сыворотке отрицательно коррелируют с ростом фолликулов, оплодотворением и эмбриональным развитием (p<0,05). Более низкие концентрации пентозидина в фолликулярной жидкости и ТКПГ в сыворотке крови являются наиболее значимыми предикторами прогрессирующей беременности, не связанными с возрастом обследованных женщин и уровнем фолликулостимулирующего гормона (ФСГ). По мнению исследователей, повышение в сыворотке крови уровня ТКПГ (выше 7,24 Ед/мл) указывает на дисфункцию яичников, ассоциированную со снижением фертильности у женщин моложе 40 лет, имеющих нормальный уровень ФСГ (менее 10 МЕ/л). Авторы предполагают, что избыточное накопление продуктов гликирования белков отрицательно влияет на процессы фолликулогенеза в яичниках. Потенциальное накопление КПГ в тканях яичников связано с активацией реакции окислительного стресса.

Принято считать, что sRAGE связывают циркулирующие ТКПГ вне клетки, предотвращая неблагоприятное внутриклеточное действие КПГ во всех органах, включая яичники [28, 29]. В нескольких исследованиях [21, 29, 30] установлено, что sRAGE находились в фолликулярной жидкости. Кроме того, обнаружена положительная корреляция между уровнем антимюллерова гормона (AMГ) и содержанием sRAGE в фолликулярной жидкости [21]. Показано, что уровень sRAGE в фолликулярной жидкости положительно коррелирует с количеством извлеченных ооцитов при проведении процедуры вспомогательных репродуктивных технологий (ВРТ). Авторы предположили, что уровень sRAGE в фолликулярной жидкости является важным биологическим маркером, характеризующим овариальный резерв [21]. Принято считать, что AMГ экспрессируется клетками гранулезы с митотической активностью, взаимодействуя с митогенными факторами роста во время развития фолликула (эпидермальным фактором роста EGF, TGF-β и инсулиноподобным фактором роста IGF 1-го типа). КПГ участвуют в ингибировании клеточной пролиферации и усиливают апоптоз гранулезных клеток. Связывание sRAGE с КПГ вне клетки предотвращает неблагоприятное действие КПГ на внутриклеточные процессы растущего фолликула. Исследователи предположили, что высокий уровень sRAGE в фолликулярной жидкости является благоприятным прогностическим признаком для оценки овариального резерва [21, 28]. Напротив, низкий уровень sRAGE указывает на сниженный овариальный резерв у женщин репродуктивного возраста [31]. Ранее показано, что избыточное накопление конечных продуктов гликирования белков может ассоциироваться с синдромом преждевременной недостаточности яичников [22]. КПГ способствуют активации воспалительного и окислительного стресса в яичниках, что приводит к аутоиммунному повреждению яичников и прогрессивному снижению уровня АМГ.

Принято считать, что синдром поликистозных яичников (СПКЯ) ассоциирован с метаболическими нарушениями, такими как ожирение, ИР, нарушение толерантности к глюкозе, СД [32]. ИР играет важную роль в патогенезе СПКЯ. Известно, что ИР связана как с процессами естественного старения организма, так и со стрессом, депрессией, ожирением, с малоподвижным образом жизни. Исследования последних лет показали, что патологический процесс гликирования белков участвует в патогенезе СПКЯ [21, 26, 31, 33]. Предполагают, что ИР индуцирует накопление КПГ, что в свою очередь повышает ИР, приводя к порочному циклу эскалации дисфункции яичников и бесплодия. В результатах исследования E. Diamanti-Kandarakis и соавт. [26] представлены данные о негативном влиянии избыточного накопления КПГ белков на фолликулогенез у женщин с СПКЯ. Ранее показано, что в клетках теки и гранулезы яичников женщин с СПКЯ увеличивалась экспрессия КПГ и рецепторов к КПГ. Кроме того, в других работах [34, 35] продемонстрировано, что КПГ белков нарушают действие лютеинизирующего гормона и инсулина на клетки гранулезы. Эти изменения могут частично объяснить индуцированный КПГ аномальный фолликулогенез у женщин с СПКЯ.

КПГ способствуют снижению чувствительности клеток гранулезы к глюкозе, потенцируя развитие ИР и ановуляцию при СПКЯ. В ряде исследований [31, 33] установлено, что у молодых женщин с СПКЯ, имеющих нормальный уровень гликемии, значения КПГ в сыворотке крови выше, чем у здоровых женщин без СПКЯ. Известно, что уровень sRAGE снижается при гипергликемии и ожирении [36]. Исследования показали, что система КПГ— рецепторы для КПГ (AGE—RAGE) тесно связана с инсулинорезистентностью и гиперандрогенемией, которые являются основными патофизиологическими процессами при СПКЯ. У женщин с ожирением в сыворотке крови повышен уровень КПГ белков, тогда как уровень sRAGE снижен у пациенток с СПКЯ и ожирением. Кроме того, отмечено, что сывороточные уровни растворимых рецепторов для КПГ понижены у пациентов с более выраженными ИР и гиперандрогенемией, оцененной по индексу свободных андрогенов (FAI) [37]. Таким образом, показатели уровня КПГ белков и уровня sRAGE могут быть потенциальными биомаркерами и многообещающими терапевтическими мишенями при лечении СПКЯ.

Доказано, что КПГ напрямую связаны с физиологией адипоцитов. Так, в работе с использованием жировой клеточной линии продемонстрировано, что КПГ метилглиоксаль стимулирует адипогенез. В модели на животных выявлено, что у нокаутных по RAGE мышей (RAGE–/–) имелось ускоренное увеличение веса по сравнению с мышами дикого типа (RAGE+/+) [38].

G. Antoniotti и соавт. [39] установили, что связанное с ожирением избыточное накопление КПГ белков негативно влияет на функцию эндометрия и способность к имплантации эмбрионов. В обследовании приняли участие 33 женщины с разным индексом массы тела (ИМТ). Исследовали уровень КПГ и клеточный состав в смыве из полости матки. С помощью иммуногистохимического метода оценивали количество рецепторов для КПГ и NF-kB (p65 NFκB) в тканях эндометрия. У женщин с высоким ИМТ отмечено повышенное количество рецепторов для КПГ в пролиферативную фазу менструального цикла по сравнению с женщинами, имеющими нормальную массу тела. Авторы предположили, что причиной нарушенной имплантации эмбрионов у женщин с ожирением явилось избыточное накопление КПГ в эндометрии. Высокие уровни КПГ при ожирении активируют воспалительную передачу сигналов (p65 NFκB) в эпителиальных клетках эндометрия и изменяют их функцию, вызывая метаболический и окислительный стресс эндоплазматического ретикулума в стромальных клетках эндометрия, а также нарушают децидуализацию эндометрия и имплантацию бластоцисты, ингибируют инвазию трофобласта. Ассоциированные с ожирением КПГ белков отрицательно влияют на функцию эндометрия и способность к имплантации эмбрионов [39].

По данным I. Sharma и соавт. [40], накопление КПГ связано с развитием и прогрессированием эндометриоза, дисменореей, хронической тазовой болью, дизурическими расстройствами. В ткани эндометриоидных очагов значительно усилена экспрессия мРНК и протеина RAGE. В исследовании Ю.С. Анциферовой и соавт. [41] установлено, что уровень экспрессии мРНК RAGE моноцитами и сывороточное содержание рецептора для КПГ значительно повышены у пациенток с эндометриозом и бесплодием. Авторы предположили, что именно повышенный сывороточный уровень рецептора для КПГ ассоциирован с нарушением репродуктивной функции у женщин с эндометриозом.

Согласно результатам исследования K. Walter и соавт. [42], увеличение уровня КПГ приводит к фосфорилированию α-рецепторов эстрогенов, в результате чего развивается резистентность к терапевтическому действию тамоксифена и происходит прогрессирование опухолевого процесса в молочной железе.

В коррекции нарушений, вызванных избыточным накоплением КПГ белков, предполагается использовать методы, направленные на предотвращение образования КПГ и развития вызываемых ими негативных эффектов. К соединениям, которые ингибируют образование КПГ in vitro, относят витамин С, бенфотиамин, пиридоксамин, альфа-липоевую кислоту, таурин, пимагедин, аспирин, карнозин, метформин, пиоглитазон и пентоксифиллин. Исследования на животных показали, что природные фенолы, такие как ресвератрол и куркумин могут предотвращать негативное воздействие КПГ. Изучена роль витамина D в физиологии яичников и в репродукции [43, 44]. В исследовании Е.И. Абашовой и соавт. [44] выявлено, что устранение дефицита витамина D способствовало восстановлению регулярного менструального цикла у 20% пациенток с СПКЯ и избыточной массой тела. В другом исследовании [43] показано, что в результате применения витамина D₃ в дозе 50 000 ЕД еженедельно в течение 8 нед у женщин с дефицитом витамина D и СПКЯ значительно повысился уровень sRAGE в сыворотке крови. Кроме того, при коррекции дефицита витамина D отмечено снижение аномально повышенного уровня AMГ в сыворотке крови у женщин с СПКЯ, чего не было у женщин без СПКЯ. У женщин с СПКЯ применение витамина D связано с увеличением уровня sRAGE (p=0,03) и снижением уровня AMГ в сыворотке крови (p<0,001). Увеличение уровня sRAGE положительно коррелировало с повышением уровня витамина D в сыворотке крови после применения холекальциферола у женщин с СПКЯ (r=0,6, p=0,01) [45]. Таким образом, у женщин с СПКЯ применение витамина D может способствовать защите от негативного действия КПГ путем увеличения уровня sRAGE. Нормализация уровня AMГ, индуцированная приемом витамина D, отражает возможную аллостерическую и эпигенетическую роль витамина D и предполагает улучшение фолликулогенеза у больных с СПКЯ [43].

Существует ли прямая причинно-следственная связь между уровнями продуктов конечного гликирования белков, растворимого рецептора конечных продуктов гликирования и веществами, способными изменять действие этих соединений на процессы репродукции, еще предстоит установить. Поэтому необходимо проведение дальнейших исследований для определения эффективности перечисленных соединений в клинической практике. Изучение влияния конечных продуктов гликирования на женскую репродуктивную систему является актуальным направлением в современной медицине.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflict of interest.

Сведения об авторах

Абашова Е.И. — к.м.н., старший научный сотрудник отдела эндокринологии репродукции ФГБНУ «Научно-исследовательский институт акушерства, гинекологии и репродуктологии имени Д.О. Отта» Министерства науки и высшего образования РФ, Санкт-Петербург, Россия, e-mail: abashova@yandex.ru;

Ярмолинская М.И. — д.м.н., проф. РАН, руководитель отдела эндокринологии репродукции ФГБНУ «Научно-исследовательский институт акушерства, гинекологии и репродуктологии имени Д.О. Отта» Министерства науки и высшего образования РФ, Санкт-Петербург, Россия, профессор кафедры акушерства и гинекологии ФГБОУ ВО «Северо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова» Минздрава России, Санкт-Петербург, Россия, e-mail: m.yarmolinskaya@gmail.com;

Булгакова О.Л. — клинический ординатор ФГБНУ «Научно-исследовательский институт акушерства, гинекологии и репродуктологии им. Д.О. Отта» Министерства науки и высшего образования РФ, Санкт-Петербург, Россия, e-mail: o.bulgakova1310@gmail.com

КАК ЦИТИРОВАТЬ:

Абашова Е.И., Ярмолинская М.И., Булгакова О.Л. Роль конечных продуктов гликирования в репродукции. Проблемы репродукции. 2019;25(4):-20. https://doi.org/10.17116/repro20195041