Введение

Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) до настоящего времени остаются ведущей причиной заболеваемости и смертности в мире [1]. Медико-социальная значимость ССЗ обусловила насущную необходимость разработки более продуктивной тактики их профилактики. В ХХ веке выделен комплекс метаболических, гормональных и клинических нарушений, объединенных в понятие метаболического синдрома (МС) и определяющих прогноз кардиоваскулярной патологии [2]. Распространенность МС в мировой популяции колеблется от 5 до 45%, что позволяет говорить о МС как глобальной проблеме XXI века [3].

Следует отметить, что в патогенезе МС важную роль играет избыточное накопление продуктов липидного (неэстерифицированные жирные кислоты (НЭЖК), триацилглицеролы, моноацилглицеролы) и углеводного (глюкоза и ее ключевые метаболиты пируват, лактат) обмена, что в свою очередь вызывает нарушение устойчивого баланса между прооксидантами и компонентами системы антиоксидантной защиты и приводит к развитию окислительного стресса (ОС). Изменения в организме, связанные с ОС, чрезвычайно важны, о чем свидетельствуют многочисленные как отечественные, так и зарубежные научные исследования, в которых рассматриваются различные аспекты влияния активных форм кислорода (АФК), активных форм азота и свободных радикалов на формирование ОС и возможности его коррекции при различных заболеваниях [4].

Основными участниками ОС являются свободные радикалы, которые, реагируя с НЭЖК, запускают процессы перекисного окисления липидов (ПОЛ). Усиление реакций ПОЛ приводит к поражению мембран и ферментативных систем, выступая в качестве пускового фактора генетически детерминированных изменений. Установлено, что активизация свободнорадикальных процессов в клетках и тканях внутренних органов вызывает усиление образования в них эндогенных альдегидов, в частности малонового диальдегида (МДА), и прогрессирование карбонильного стресса [5].

Физиологическими мишенями свободных радикалов служат белковые тиол/дисульфидные связи, которые являются ключевыми в каталитических и регуляторных ферментах, а также в рецепторах, каналах и переносчиках, факторах транскрипции, киназах и фосфатазах. В патологических состояниях, таких как воспаление, атеросклероз, ишемия, сахарный диабет (СД), ОС играет одну из важнейших ролей, так как индукторы воспаления активируют биологические реакции в клетках, стимулируя дисбаланс между прооксидантной и антиоксидантной системами, что приводит к необратимому окислению белков, липидов и нуклеиновых кислот. Это несбалансированное окислительно-восстановительное равновесие запускает изменение клеточной сигнализации, приводя к потере основных клеточных функций, старению и апоптозу [6, 7].

Следует отметить, что митохондриальная дисфункция также влечет за собой активацию стрессовых путей, которые снижают клеточную чувствительность к инсулину, ограничивают приток питательных веществ, что ведет к прогрессирующему повреждению клеточных структур. Наиболее активно эти процессы повреждения проявляются в клетках печени, скелетных мышц, а также в адипоцитах. Кроме того, в эпителиальных и эндотелиальных клетках митохондриальная дисфункция угнетает синтез NO, приводя к ОС [8].

Окислительный стресс и ожирение

Согласно последним данным Всемирной организации здравоохранения, в мире насчитывается почти 2 млрд взрослых с избыточной массой тела или ожирением. В России в 2019 г. с диагнозом «ожирение» были зарегистрированы около 2,2 млн человек, причем распространенность ожирения в России за 40 лет наблюдения возросла в 4 раза среди мужчин и в 1,5 раза среди женщин [9]. Этиология и патогенез ожирения включают множество факторов, в том числе наследственность, неблагоприятное влияние внешней среды и проблему алиментарного гедонизма в сочетании с гиподинамией, что негативно влияет на основные звенья жирового и энергетического обменов. Ожирение представляет собой один из ключевых факторов развития ряда хронических заболеваний, включая ССЗ, онкологические заболевания и СД.

У больных ожирением развивается хроническое воспаление, которое характеризуется повышением уровня циркулирующих интерлейкинов (ИЛ), таких как ИЛ-6, ИЛ-1, ИЛ-8, ИЛ-18, гамма-интерферона (ИФН-γ) и фактора некроза опухоли-α (ФНО-α), а также НЭЖК, что стимулирует продукцию супероксид-анион-радикала. Отмечается повышение в плазме крови и моче уровня простагландина F2α — биомаркера ОС [10].

Известно, что при ожирении формируется сигнальный путь стимуляции иммунных рецепторов — TLRs, которые усиливают активность NF-κB — транскрипционного фактора для молекул адгезии (Е-селектин, фактор межклеточной адгезии-sICAM-1) и вазоактивных факторов (эндотелин-1, гомоцистеин и фактор фон Виллебранда), провоспалительных цитокинов (ФНО-α, ИЛ-6), индуцибельной NO-синтазы, микроРНК, соответственно его активация приводит к стимуляции воспаления и усилению ОС [11].

Исследования последних лет показали, что ОС является одним из ключевых патогенетических механизмов метаболических заболеваний, связанных с высоким потреблением макронутриентов (рис. 1 на цв. вклейке). Выраженность системного ОС позитивно коррелирует с величиной индекса массы тела (ИМТ). В здоровом организме АФК физиологически задействованы в активации нейронов зон гипоталамуса, участвующих в регуляции пищевого поведения. Однако при ожирении за счет усиления окислительных процессов возникает гиперпродукция АФК и активируется центр голода. Появление в адипоците избыточного количества АФК запускает несколько сигнальных путей. Например, обратимое окисление специфических цистеинов может вызывать либо активацию фосфатазы с двойной субстратной специфичностью (PTEN) и ядерного транскрипционного фактора (Nrf2), либо ингибирование белка cdc25, которые модулируют клеточную пролиферацию.

Рис. 1. Схема патогенеза метаболического синдрома [адаптировано из 12].

СЖК — свободные жирные кислоты; ТГ — триглицериды; ЛПОНП — липопротеины очень низкой плотности; ЛПНП — липопротеины низкой плотности; ЛПВП — липопротеины высокой плотности; СРБ — С-реактивный белок; TNF-α — фактор некроза опухоли-α, IL — интерлейкины; PAI-1 (plasminogen activator inhibitor-1) — ингибитор активатора плазминогена-1.

Под влиянием АФК инициируется патологически усиленная секреция провоспалительных цитокинов макрофагами, которые инфильтрируют гипертрофированную жировую ткань, что в конечном итоге обусловливает формирование системного хронического воспаления. Кроме того, ОС активирует дифференцировку преадипоцитов и гипертрофию зрелых жировых клеток [12, 13].

Можно выделить ряд сопряженных с ожирением факторов, стимулирующих ОС, — это гипергликемия и инсулинорезистентность, дислипидемия, хроническое воспаление, гиперлептинемия и гипоадипонектинемия, повышенная активность мышечной ткани для поддержания избыточной массы тела при ожирении, эндотелиальная дисфункция, нарушение дыхательной функции митохондрий и др. Далее ОС и хроническое воспаление взаимно усиливаются, формируя порочный круг. Усиление процессов ПОЛ, гиперпродукция АФК преимущественно в аккумулированной висцеральной жировой ткани приводят далее к индукции ОС в кровеносном русле, что способствует распространению ОС на системном уровне и формированию воспаления. Доказано, что ожирение связано с повышением активности ренин-ангиотензин-альдостероновой системы (РААС), при этом последняя в составе висцеральной жировой ткани выражена в большей степени, чем в подкожной [14].

Дополнительным фактором ОС при ожирении является вынужденная усиленная мышечная активность, сопровождающаяся прогрессией потребления кислорода, депонированием гипоксантина в плазме и гиперпродукцией супероксид-анион-радикала [15].

Установлено, что в жировой ткани мышей с ожирением активность NADPH-оксидазы (NOX) повышена, что сочетается с повреждением антиоксидантной системы: снижением экспрессии Cu/Zn-зависимых супероксиддисмутаз (СОД), глутатионпероксидазы (ГП) и каталазы. Кроме того, в ряде исследований, выполненных на культуре адипоцитов, установлено, что нарастание концентрации НЭЖК в жировой ткани также приводит к гиперактивации NOX. В результате клинических исследований у пациентов, страдающих ожирением, отмечено значительное снижение активности ферментов редокс-системы (СОД, ГП) и общего антиоксидантного статуса.

Существующий при ожирении дефицит витаминов и минералов вносит немаловажный вклад в развитие ОС. Так, высокое значение соотношения в плазме крови содержания альфа-токоферола и бета-каротина к уровню липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) рассматривается как маркер антиоксидантной защиты [7].

Следует отметить, что дополнительной ферментной системой, тесно связанной с АФК жировой ткани, является система ксантин-дегидрогеназа/оксидоредуктаза. Мочевая кислота активно секретируется из адипоцитов, потенциально как механизм избавления клетки от избытка азота, полученного в результате метаболизма аминокислот с разветвленной цепью. Адипоциты используют аминокислоты с разветвленной цепью в качестве анаплеротических субстратов для синтеза цитрата митохондрий и последующего липогенеза de novo. Атомы углерода аминокислот с разветвленной цепью используются для образования триглицеридов, атомы азота используются пуриновым путем для получения инозина и в конечном счете через ксантин-оксидоредуктазу — мочевой кислоты. Превращение ксантина в мочевую кислоту приводит к образованию H₂O₂ и супероксидного аниона. В отличие от супероксидного аниона, пероксидный анион является более стабильным. Это свойство делает его эффективным мессенджером для передачи изменений окислительно-восстановительного статуса, поскольку он может действовать как сигнальная молекула и/или инициировать повреждение путем окисления реактивных тиолов. Ферменты, ответственные за H₂O₂ детоксикацию до O₂ и H₂O, повсеместно экспрессируются и локализуются в различных клеточных участках. Каталазы и пероксиредоксины относятся к числу ферментов, катализирующих эту реакцию. Недооцененным источником АФК в адипоцитах является эндоплазматический ретикулярный оксидоредуктин 1 (ERO1). ERO1 катализирует один из двух тиоредоксиноподобных доменов протеин-дисульфид изомеразы для нового цикла окислительного свертывания белка путем переноса электронов в кислород и последующего получения H₂O₂. Таким образом, ERO1 можно считать важным источником внутриклеточных АФК [16, 17].

Окислительный стресс и адипокины

Ключевую роль в развитии каскада патологических процессов, развивающихся на фоне ожирения, отводят именно адипокинам (рис. 2 на цв. вклейке).

Рис. 2. Роль адипокинов в формировании кардиоваскулярной патологии [адаптировано из 18].

ХСН — хроническая сердечная недостаточность; ГМК — гладкомышечные клетки; ИБС — ишемическая болезнь сердца; ФП — фибрилляция предсердий; ЛПВП — липопротеины высокой плотности.

В 1994 г. Дуглас Колман и Джеффри Фридман подробно описали ген ob, кодирующий лептин. Лептин — это белковый адипокин, продуцируемый в жировой ткани. Основная физиологическая роль лептина — регулирование энергетического и жирового обменов путем влияния на пищевое поведение и жировое депо. Объем продукции и секреции лептина прямо пропорционален количеству и размерам адипоцитов. За счет гипертрофии адипоцитов при висцеральном ожирении возникает гиперлептинемия, тогда как при ожирении лептин не оказывает анорексигенного эффекта в связи с тем, что возникает нарушение взаимодействия лептина со своим рецептором, что приводит к лептинорезистентности. Доказано, что при сочетании ожирения, дислипидемии и гиперлептинемии лептин потенцирует запуск ОС с выработкой АФК. Гиперлептинемия также приводит к повреждению эндотелия сосудов за счет стимуляции синтеза ФНО-α, ИЛ-6, АФК и ускоряет эндоваскулярные атеросклеротические процессы с кальцификацией [18].

В экспериментах на культуре преадипоцитов мышей линии 3T3-L1 показано, что ОС вызывает снижение секреции адипонектина. Адипонектин является противовоспалительным адипоцитокином, одна из его точек приложения — ингибирование TNF-α-индуцированной активации NF-κB-сигнализации с экспрессией молекул эндотелиальной адгезии. Кроме того, показано, что он подавляет активность NOX [19].

Еще одним важным адипоцитокином является апелин, открытый в 1998 г., являющийся основным звеном регуляторной апелинергической системы. Доказано, что апелин, благодаря своему взаимодействию с апелиновым рецептором (APJ), подавляет выработку и высвобождение АФК в адипоцитах, активируя механизмы экспрессии антиоксидантных ферментов через пути MAPK/ERK-киназ. Апелин способствует усвоению глюкозы через MAPK-путь и iNOS. За счет регулирования процессов фосфорилирования гормончувствительной липазы апелин угнетает липолиз, уменьшая секрецию НЭЖК в кровоток, способствуя повышению чувствительности тканей к инсулину [20, 21]. Кроме того, показано, что апелин ингибирует активность NF-κB путем взаимодействия между APJ и рецепторами ангиотензина II (АТ II). На модели культивированных адипоцитов показано, что апелин приводит к уменьшению продукции ИЛ-6, АФК [22].

Исследования последних лет показали, что адипокин резистин вовлечен в широкий спектр патологических процессов, таких как атеросклероз, ССЗ, нарушения обмена веществ, СД 2-го типа и ряд других. Резистин обнаружен в 2001 г. группой ученых Пенсильванского университета. Его уровень повышается при увеличении массы жировой ткани. В макрофагах человека резистин индуцирует продукцию воспалительных цитокинов и способствует экспрессии молекул клеточной адгезии 1-го типа (VCAM-1), межклеточной адгезии 1-го типа (ICAM-1), моноцитарного хемоаттрактантного белка 1-го типа (MCP-1), способствующих хемотаксису и рекрутированию лейкоцитов в места воспаления. В свою очередь повышение уровня резистина также стимулирует продукцию провоспалительных цитокинов ИЛ-6, ИЛ-1, ФНО-α посредством активации NF-kB, белков сигнальной трансдукции p38, JNK и ERK, формируя порочный круг хронического воспаления. Кроме того, резистин участвует в активации передачи сигналов MAPK и ингибировании экспрессии генов iNOS, индуцируя пролиферацию гладкомышечных клеток сосудов и вызывая эндотелиальную дисфункцию [23—25].

В 1994 г. выявлено, что висфатин синтезируется в тканях костного мозга, печени, мышц, сердца, плаценты, легких, жировой ткани, при этом его уровень возрастает пропорционально степени ожирения. Он вызывает инсулиномиметическое действие, и, следовательно, его уровень в плазме тесно связан со многими метаболическими заболеваниями, включая ожирение и сахарный диабет. Доказано, что висфатин стимулирует высвобождение многих медиаторов воспаления. Кроме того, показано, что он индуцирует продукцию MCP-1 и экспрессию матриксных металлопротеиназ (MMPs) [26]. Висфатин участвует в активации многих воспалительных путей с участием NF-κB, MAPK и фосфатидилинозитол-3 киназы (PI3). Висфатин также может действовать как цитокин, опосредующий ремоделирование сосудов, активируя фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) и фактор роста фибробластов 2 (FGF-2). Есть данные, что висфатин путем повышения продукции оксида азота и адгезии моноцитов к эндотелиальным клеткам участвует в формировании эндотелиальной дисфункции. Таким образом, ясно, что висфатин обладает широким спектром функций, помимо иммуномодуляции [27].

Оментин-1 является еще одним адипокином, патогенетическая роль в антиоксидантной системе которого заключается в снижении активации NF-κB, что в свою очередь приводит к ингибированию ФНО-α-зависимой инсулинорезистентности. Отмечено его супрессорное влияние на липополисахарид-индуцированное воспаление и вызванное окисленными ЛПНП (oxLDL) образование пенистых клеток в макрофагах. При этом следует отметить роль лектиноподобных рецепторов (LOX-1) как ключевых рецепторов для oxLDL на эндотелиоцитах и сосудистых миоцитах. При повышении концентрации АФК, oxLDL и провоспалительных цитокинов начинается избыточная экспрессия LOX-1 на этих клетках, что стимулирует еще большую продукцию АФК за счет активации NOX с последующей стимуляцией редокс-зависимых белков, например MAPK и транскрипционного фактора NF-κB, а также способствует биосинтезу многих белков, участвующих в атерогенезе [28, 29].

Подавляя передачу сигналов NF-κB, оментин-1 действует на дифференцировку макрофагов в сторону M2-противовоспалительного фенотипа [30].

Окислительный стресс и инсулинорезистентность

Инсулинорезистентность (ИР) — эволюционно выработанный защитный механизм, препятствующий избыточному усвоению пищевых компонентов [31]. Известно, что облегченную диффузию глюкозы внутрь миоцитов, адипоцитов и других клеток, чувствительных к инсулину, осуществляет транспортер глюкозы 4-го типа (GLUT-4). В условиях ОС нарушается фосфорилирование остатков серина/треонина в молекуле эндогенного субстрата рецептора инсулина, что приводит к утрате способности этого белка как взаимодействовать с рецептором к инсулину, так и активировать нижележащие сигнальные молекулы в клетке. В итоге GLUT-4 транслоцируется в лизосомы, а не в сарколемму, и транспорт глюкозы в клетки прекращается. Жировая, а затем и мышечная ткань становится резистентной к внутриклеточному сигнальному каскаду инсулина, что приводит к многочисленным нарушениям метаболизма [32].

Отмечено, что ИР сопряжена с увеличением содержания в крови и тканях НЭЖК, накоплением свободных радикалов, развитием ОС, транслокацией массы липидов в печень и другие органы с развитием ПОЛ. В исследованиях показано, что степень ПОЛ мембран эритроцитов in vitro прямо коррелировала с концентрацией глюкозы в крови in vivo. Индуцированный гипергликемией ОС связан как с активацией реакций образования АФК, так и с нарушением редокс-гомеостаза клетки. Описаны два ключевых источника АФК в клетках: повышение образования H₂O₂ в дыхательной цепи митохондрий и избыточная активация NOX. При этом дисфункция NOX приводит к дисрегуляции многих других оксидаз, что ведет к увеличению образования АФК и активных форм азота [33].

В исследованиях показано, что митохондрии из-за переизбытка глюкозы — субстрата, доступного для производства АТФ, становятся гиперактивными и производят значительно больше естественного побочного продукта — АФК, которые повреждают инфраструктуру клетки. При этом избыточное количество АФК негативно воздействует на ряд молекул, опосредующих внутриклеточную трансдукцию сигнала, что дополнительно приводит к резистентности инсулин-зависимых клеток к действию этого гормона.

Стрессовые белки, индуцируемые митохондриальной дисфункцией, изучены на предмет их стимулирующей роли в апоптозе и клеточном цикле. В ряде исследований на клеточной культуре показано, что ИР можно предотвратить, ограничив избыточную активацию митохондрий. Следует отметить, что и усиленная активация РААС, воспаление, как и ОС, усугубляют состояние инсулинорезистентности: АТ II — важнейший элемент РААС, при связывании с рецептором индуцирует гиперактивацию NOX, которая продуцирует супероксидный анион-радикал в ходе окисления NADPH [34].

Окислительный стресс и сахарный диабет

СД представляет собой важную медико-социальную проблему в связи с высокой распространенностью, хроническим течением и высокой инвалидизацией больных. ОС вызывает дисфункцию β-клеток островков Лангерганса поджелудочной железы в двух направлениях: с одной стороны, это снижение секреции инсулина посредством открытия АТФ-чувствительных K⁺-каналов и ингибирования транскрипции гена инсулина, с другой — стимулирование апоптоза β-клеток путем активации циклин-зависимой киназы p21, JNK, p38 MAPK и транскрипционного фактора NF-κB [35].

Роль АФК и активации ПОЛ в патогенезе осложнений СД 2-го типа является неоспоримой. Индуцированная гипергликемией избыточная продукция АФК участвует в дисфункции эндотелия сосудов путем четырех основных механизмов: увеличением внутриклеточного гликирования органелл и рецепторов; повышением метаболизма глюкозы через полиоловый путь; активацией протеинкиназ и повышением активности гексозаминового пути [36]. В контексте осложнений СД следует отметить, что конечные продукты гликирования (КПГ) являются токсичными молекулами, накапливающимися в организме человека с возрастом и вызывающими прогрессирование многих заболеваний, включая нейродегенеративные, СД и ССЗ. Связывание КПГ со своими рецепторами (RAGE) в различных типах клеток (например, в эндотелиальных клетках, гладкомышечных клетках, макрофагах, моноцитах и лимфоцитах) способствует индуцированной NOX генерации АФК, что приводит к активации NF-κB, которая индуцирует воспаление эндотелия путем дальнейшей активации транскрипции генов эндотелина-1 (ET-1), VCAM-1, ICAM-1, VEGF, тканевого фактора, ИЛ-1, ИЛ-6 и ФНО-α. Кроме того, уровень iNOS в клетках эндотелия сосудов снижается при высоком показателе глюкозы, ингибируя активацию транскрипционного фактора HIF-1α (фактор, индуцируемый гипоксией). В связи с этим снижается уровень NO, который является одним из вазодилататоров. Исследования показали, что у пациентов с СД наблюдается дисбаланс редокс-чувствительной сигнальной системы Keap1/Nrf2/ARE, одним из проявлений которого является низкий уровень фактора ядерной транскрипции Nrf2, координирующего активацию защитных антиоксидантных генов. Предполагается, что в будущем Nrf2 может стать потенциальной мишенью в профилактике осложнений, обусловленных ОС у больных СД [37, 38].

Окислительный стресс и артериальная гипертензия

Артериальная гипертензия (АГ) является одним из составляющих МС, однако механизмы, лежащие в основе развития АГ при МС, очень сложны и остаются до сих пор не до конца ясными. Не вызывает сомнения, что в патогенезе АГ существенную роль играют окислительные реакции и воспаление. ОС выступает центральным элементом порочного круга, являясь как причиной сосудистого и почечного воспаления, так и следствием воспалительных реакций [39, 40].

Повышенное образование АФК приводит к снижению доступности NO и, как следствие, к сужению сосудов, что способствует прогрессированию АГ. Отмечено влияние перегрузки миокарда давлением на воспалительные процессы путем стимуляции T-хелперов, активирующих каскадный синтез провоспалительных цитокинов, таких как ФНО-α, ИЛ-6, ИЛ-17 и ИФН-β. Роль макрофагов при гипертонии и атеросклерозе тесно связана с NOX, которых много как в моноцитах, так и в макрофагах. NOX опосредует поляризацию макрофагов и регулирует их участие в повреждении сосудов, воспалении и фиброзе. Взаимодействие между NOX и индуктором апоптоза, подобным ФНО-α, регулирует повреждение сосудов, стимулируя выработку АФК [41].

Недавние исследования выявили новые регуляторы функции NOX, включая адипокины; так, например, химерин посредством активации NOX и MAPK, чувствительной к окислению/восстановлению, оказывает проапоптотическое, провоспалительное и пролиферативное действие на эндотелиальные клетки человека. Эти процессы связаны с нарушением образования NO. В нескольких исследованиях отмечено влияние рецепторов TLR4 на регуляцию функции антигенпрезентирующих клеток при гипертонии. Их стимуляция приводит к активации NFκB, важного участника повреждения сердца и почек и потенциального регулятора артериального давления. Более того, адипокины, такие как резистин, могут вызывать гипертензию TLR4-зависимым образом. У больных АГ наблюдается повышение активности МДА, который индуцирует развитие субклинического воспаления сосудистой стенки, а также отражает пероксидные изменения структуры ЛПНП, стимулируя развитие атеросклероза [42].

Еще одни важным механизмом развития АГ при МС является стимулированная ОС задержка натрия вследствие снижения чувствительности к соли [43]. Немаловажную роль в формировании АГ играет ИР, которая вызывает нарушение передачи сигналов, сопряженных с PI3, которая в свою очередь в эндотелии может вызывать дисбаланс между выработкой NO и секрецией ET-1, что приводит к эндотелиальной дисфункции. Эпидемиологические исследования убедительно подтверждают взаимосвязь между эндотелиальной дисфункцией, которая способствует развитию АГ, и ИР [44, 45].

Заключение

За последние годы в медицинской науке ясно определилось значение окислительного стресса как одного из ключевых патофизиологических механизмов при многих состояниях: воспалении, эндотелиальной дисфункции, ССЗ, ожирении, дисбалансе адипоцитокинов, ИР, СД, играющих важную роль в развитии «смертельного квартета». С учетом сказанного, безусловно, перспективным является изучение механизмов развития, разработка методов диагностики и коррекции ОС при МС с целью подбора эффективных схем лечения и профилактики развития СД 2-го типа, ССЗ, вносящих существенный вклад в структуру смертности населения.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.