До настоящего времени нет удовлетворительного ответа на вопрос о механизме аномальной гиперсекреции внутриглазной жидкости (ВГЖ) и повышения уровня внутриглазного давления (ВГД) при глаукоме. В соответствии с существующей концепцией [1], продукция ВГЖ является результатом комбинации ультрафильтрации и активной секреции. Согласно законам гидродинамики, пассивная ультрафильтрация происходит в результате разницы между гидростатическим давлением, создаваемым кровью в капиллярах цилиарных отростков, и гидростатическим давлением жидкости в задней камере глаза. Нужно учесть, что ультрафильтрация может обеспечить продукцию только базового количества ВГЖ, поскольку в тот момент, когда ВГД достигает значений, соответствующих давлению в капиллярах цилиарного тела (8—12 мм рт.ст.), этот механизм перестает работать [2].

Дальнейшая продукция ВГЖ происходит за счет активной секреции, которая, по своей сути, является энергозатратным процессом и осуществляется уже против градиента гидростатического давления. При этом под влиянием транспортных АТФаз вначале происходит трансмембранное перемещение осмотически активных веществ, которые в свою очередь приводят в действие механизм трансмембранного переноса воды [2—6]. Чем больше уровень ВГД превышает таковой гидростатического давления в капиллярах цилиарного тела, тем бо́льшая работа необходима для переноса жидкости из капиллярного русла в заднюю камеру глаза и тем более энергозатратным является процесс секреции ВГЖ [2, 7].

Помимо этого, необходимо учитывать существование онкотического давления, создаваемого белками крови, которое препятствует перемещению жидкости из капилляров внутрь глазного яблока и является антагонистом секреции ВГЖ [8].

Между тем при изучении интенсивности глазного кровотока методами ультразвуковой допплерографии и флоуметрии [2, 9, 10] было выявлено, что по мере повышения уровня ВГД происходит нарастающее угнетение интрабульбарного кровотока, очевидно за счет усиления компрессии на интрабульбарные сосуды со стороны внутриглазных жидких сред [2]. Угнетение кровотока существенно ухудшает доставку энергетических субстратов (столь необходимых для активной секреции ВГЖ) в секреторные структуры цилиарных отростков.

Исходя из этого, можно предположить, что при значительном повышении уровня ВГД активная секреция ВГЖ должна уменьшаться. Тем не менее известно, что ВГД при глаукоме может повышаться до цифр, многократно превышающих величину давления в капиллярах цилиарного тела. При попытке объяснить гиперсекрецию ВГЖ на фоне уже высокого уровня ВГД при помощи только ультрафильтрации и нормальной активной секреции возникает ряд серьезных вопросов, не имеющих в настоящие время однозначных ответов.

Поскольку в основе механизма активной секреции ВГЖ лежат процессы, связанные с осмотическими механизмами [1, 2], мы предположили, что изучение разницы концентраций химических элементов между сывороткой крови (СК) и влагой передней камеры (ВПК) глаза позволит более подробно исследовать данный вопрос.

В доступной нам литературе мы встретили мало работ, посвященных изучению элементного химического состава ВПК.

G. Koliakos и соавт. (1996) выявили повышенную концентрацию железа (Fe) в ВПК у пациентов с первичной открытоугольной глаукомой (ПОУГ), которая коррелировала с повышенным содержанием в ВПК железосодержащего белка трансферрина. Учитывая свойства данного белка, его повышенная концентрация ухудшает течение обменных процессов, активирует перекисное окисление липидов, разрушение клеточных органелл и мембран клетки [11].

R. Bruhn и соавт. (2009) провели сравнительное исследование уровня селена (Se) в СК и ВПК пациентов с ПОУГ и в контрольной группе. Авторы получили достоверную разницу между показателями групп. Ими было выдвинуто предположение, что патогенез глаукомы связан с дисбалансом Se [12]. Учитывая, что данный химический элемент участвует в биосинтезе коллагена, фибриллообразовании и механизме антиоксидантной защиты, его сниженная концентрация может иметь существенную роль в развитии ПОУГ [13].

Также было выявлено пониженное содержание магния (Мg) в ВПК у пациентов с ПОУГ. Это является косвенным подтверждением низкой устойчивости ВГЖ к окислительному стрессу, поскольку Mg участвует в угнетении процессов перекисного окисления липидов [14].

Цель работы — выявить норму химического элементного состава ВПК глаза по данным энергодисперсионного спектрометра (ЭДС), интегрированного в сканирующий электронный микроскоп (СЭМ). Изучить влияние градиента концентраций химических элементов между ВПК глаза и СК на секрецию ВГЖ при нормальном и повышенном уровне ВГД.

Исследованы две группы пациентов, каждая по 33 человека (33 глаза). В 1-ю группу вошли пациенты с катарактой и нормальным уровнем ВГД, которые были использованы нами для выявления «условно» нормальных показателей химического элементного состава ВПК, а также как группа контроля. Несомненно, наличие катаракты является косвенным признаком метаболического дисбаланса и такие глаза можно считать только «условно» здоровыми. В связи с этим выбор глаз с катарактой в качестве «условной» нормы был вынужденным, поскольку получить образец ВПК человека in vivo возможно только в случаях, когда это диктуется хирургической целесообразностью и необходимостью. Во 2-ю группу включены пациенты с ПОУГ с декомпенсированным ВГД на насыщенном гипотензивном режиме. В процессе операций взяты образцы биологических жидкостей (ВПК и СК) и изучены их сухие остатки с помощью ЭДС Oxford X-Max⁵⁰, интегрированного в СЭМ EVO LS10. Метод подготовки и изучения проб биологических жидкостей, а также метод реконструкции исходных (расчетных) содержаний химических элементов в исходной пробе были опубликованы ранее [15]. На основании данной информации проведено сравнительное исследование концентраций химических элементов в ВПК и СК, изучено влияние разницы концентраций на процессы нормальной секреции и анормальной гиперсекреции ВГЖ.

Поскольку все выбранные данные в двух группах не согласовались с нормальным распределением по критерию Колмогорова—Смирнова, было принято решение проводить описание групп на основе медианы и межквартильного размаха, а сравнение групп — с использованием непараметрических критериев. Для определения достоверности различий между полученными данными образцов биологических жидкостей в 1-й и 2-й группах был применен критерий знаковых рангов Уилкоксона для зависимых выборок. Достоверность различий между показателями 1-й и 2-й групп получали по критерию Манна—Уитни. В данном исследовании для проверки статистических гипотез был принят критический уровень значимости меньше 0,05.

В проведенных исследованиях, результаты которых были опубликованы ранее [15], нами были выявлены нормальные показатели химического элементного состава ВПК, а также изучены концентрации химических элементов в ВПК и СК и соотношение между этими параметрами в группах с нормальным уровнем ВГД и с ПОУГ с декомпенсированным ВГД на насыщенном гипотензивном режиме. Полученные результаты, а также данные достоверности различий между образцами биологических жидкостей у пациентов с нормальным уровнем ВГД (1-я группа) представлены в табл. 1, а

Таким образом, опираясь на имеющиеся данные литературы, а также на наши результаты и не вдаваясь в подробности физико-химических процессов, механизм активной секреции ВГЖ схематично может быть представлен как двухэтапный процесс. На первом этапе под влиянием транспортных АТФаз происходит активное трансмембранное перемещение осмотически активных веществ из капилляров цилиарного тела внутрь глазного яблока, что на втором этапе приводит к перемещению воды внутрь передней камеры глаза.

Среди химических элементов, входящих в состав изученных биологических жидкостей, наше внимание привлекли натрий (Na), калий (K) и азот (N), поскольку они присутствуют в химических соединениях с высокой осмотической активностью, способных влиять на процессы трансмембранного перемещения жидкости и секрецию ВГЖ [16, 17]. Примененный в работе метод анализа содержания химических элементов в исходных биологических жидкостях предполагает исключение хлора (CI) из перечня химических элементов, для которых оценивались концентрации, так как его условная постоянная концентрация служила основой для вычисления содержания остальных химических элементов, что более подробно было описано ранее [15].

Натрий является главным катионом внеклеточной жидкости организма, способным при перемещении сквозь биологическую мембрану увлекать за собой воду [18]. Переход ионов Na из кровяного русла в полость глазного яблока является важным фактором в секреции ВГЖ [19].

Калий в организме является преимущественно катионом внутриклеточной жидкости, в противоположность Na, поэтому внутри клетки его содержание выше, чем во внеклеточной жидкости. Истощение внутриклеточных ресурсов К приводит к внеклеточному алкалозу [18]. Поддержание баланса Na—K по разные стороны биологических мембран является активным энергозатратным процессом, а разность концентраций этих элементов по разные стороны мембраны является неотъемлемым свойством живого организма.

Остаточный (небелковый) N входит в состав таких веществ, как: мочевина (на ее долю приходится 46—60% остаточного N), аминокислоты (до 25%), креатинин (5—7%), мочевая кислота (4%) и др. Мочевина (карбамид или диамид угольной кислоты) является конечным продуктом белкового катаболизма. Она способна свободно проходить через мембраны клеток, но с трудом проходит гематоэнцефалический и гематоофтальмический барьеры. Мочевина в течение долгого времени использовалась в клинической практике как сильный осмотический диуретик, способный эффективно снижать уровень внутриглазного и ликворного давления [20]. Будучи осмотически активным веществом, оказавшись в избыточном количестве в пространстве, ограниченном полупроницаемой мембраной, мочевина активно участвует в трансмембранном перемещении молекул воды внутрь замкнутого пространства, что приводит к его гипергидратации [21].

Механизм накопления осмотически активного вещества внутри глазного яблока, а вслед за этим избыточного накопления жидкости и повышения уровня ВГД до настоящего момента непонятен. Гипотетически могут быть представлены две модели данного процесса.

Первая из возможных моделей связана с кинетикой трансмембранной миграции осмотически активного вещества при его диффузном проникновении внутрь замкнутого объема (внутрь глазного яблока) с его последующим накоплением.

В общих чертах, гипотетически, схема реализации этого механизма может быть представлена следующим образом: в процессе жизнедеятельности в организме возникают временные перепады концентраций продуктов метаболических процессов, которые периодически могут выходить за рамки физиологической нормы (например, на фоне избыточных физических перегрузок, обильного приема какой-либо пищи, внешнего воздействия и др.). В частности, начало наших исследований по данному вопросу было заложено при наблюдении пациентов с почечной недостаточностью и уремией, у которых на фоне проведения гемодиализа в глазах с терминальной стадией глаукомы возникали сильные боли, прекращавшиеся в междиализном периоде, и в дальнейшем после проведенной антиглаукомной операции в витреальном содержимом было выявлено повышение концентрации мочевины по сравнению с таковой в СК [22].

В большинстве случаев существующие гомеостатические механизмы устраняют запредельные повышения содержания осмотически активных метаболитов, в результате чего концентрации этих веществ приходят в рамки допустимых значений. При наличии в организме обменных нарушений и метаболических сбоев такое повышение концентраций может быть длительным и значительным и нередко может быть ликвидировано только при проведении соответствующих лечебных мероприятий.

Рефрактерные формы глаукомы, наиболее тяжелые в лечении, как правило, имеют вторичное происхождение и возникают на фоне какого-либо основного заболевания организма (метаболические расстройства на фоне почечных нарушений, системные заболевания, нарушения свертываемости крови, сахарный диабет, дисфункции печени и др.). По этой причине некоторые проблемы, возникающие в процессе лечения, и сама тяжесть протекания таких глауком в той или иной мере обусловливается течением основного заболевания.

Для иллюстрации данного процесса предположим, что у пациента возникает временное повышение в крови концентрации осмотически активного вещества X с длиной цикла изменения концентрации t. При этом скорость и количество диффузного проникновения этого вещества внутрь глазного яблока (сквозь стенки интрабульбарных сосудов или транссклерально) обеспечивают соизмеримое с длиной цикла время трансмембранного пассивного перемещения вещества Х внутрь глазного яблока (рис. 1).

В случае нормальной гидродинамики глаза эти вещества будут своевременно выводиться из глазного яблока вместе с оттекающей жидкостью по функционирующим путям оттока. При этом нормальный естественный баланс концентрации вещества Х между жидкими средами глаза и СК будет сохраняться в допустимых соотношениях.

В случае глаукомы при нарушениях в дренажных структурах глаза и при ухудшении оттока жидкости выведение вещества Х, оказавшегося внутри глазного яблока, будет нарушено. Притом что в кровеносной системе организма (благодаря работе гомеостатических механизмов или приему необходимых медикаментов) концентрация вещества Х будет периодически приводиться в норму, внутри глаза на фоне возникшей повышенной концентрации осмотически активного вещества Х (по сравнению с концентрацией в циркулирующей крови) будут возникать условия для избыточного аномального транспорта внутрь глазного яблока и для удержания воды. Результатом этого будет возникновение осмотической регидратации вещества X, что в конечном итоге приведет к накапливанию избыточного количества воды в глазном яблоке и повышению уровня ВГД.

Если предположить, что источник вещества Х находится вне оболочек глаза, необходимо допустить, что внутрь глазного яблока это вещество может попадать только в дегидратированном состоянии и только внутри глаза оно начинает проявлять свою осмотическую активность. В таком случае необходимо допустить существование механизма, дегидратирующего это вещество до или непосредственно в процессе его переноса внутрь оболочек глазного яблока (иными словами, допустить, что перенос вещества Х происходит без воды, связанной с веществом). И только внутри глазного яблока происходит присоединение к нему воды. При несоблюдении этого условия осмотическое перемещение избытка воды вслед за перемещаемым веществом X будет невозможно. Однако как химически, так и энергетически существование такого механизма не выгодно и потому — маловероятно.

Вторая из возможных моделей может быть связана с патологическим повышением концентрации вещества X при условии его продукции непосредственно внутри глаза и при ограниченной скорости его выведения вовне. В этом случае будет сохраняться постоянное превышение его концентрации по сравнению с таковой в сыворотке циркулирующей крови C’(X)>C (X), что будет приводить к возникновению устойчивых предпосылок для гипергидратации и устойчивого повышения уровня ВГД с участием механизма осмоса (рис. 2).

В ранее проведенных исследованиях [22, 23] было выявлено, что в глазах с рефрактерными глаукомами в терминальной стадии заболевания на фоне высокого уровня ВГД в содержимом витреальной полости имеется значительное повышение концентрации мочевины и превышение ее концентрации по сравнению с концентрацией в СК, что является аномальным. Можно предположить, что мочевина является одним из тех азотсодержащих веществ, которые могут быть причиной стойкого повышения уровня ВГД при рефрактерных глаукомах, хотя пути формирования ее высокой концентрации внутри глазного яблока пока полностью не ясны.

В результате исследования было обнаружено, что средняя концентрация Na и К в ВПК была выше, чем в СК, в обеих группах независимо от уровня ВГД. Мы трактовали это как косвенное подтверждение того, что Na и К активно участвуют в процессе нормальной секреции ВГЖ. Отсутствие значительной разницы между концентрациями Na и К в ВПК независимо от уровня ВГД мы рассматривали как косвенный показатель того, что эти элементы не принимают активного участия в патологической гиперсекреции ВГЖ.

Вопрос о роли N в процессе секреции ВГЖ нам представляется более сложным. Независимо от уровня ВГД концентрация N в СК в норме всегда значительно выше, чем в ВПК, поскольку в крови в большом количестве содержатся разнообразные азотсодержащие органические и неорганические химические вещества (белки, креатинин, мочевина и т. д.). Необходимо учесть, что концентрация азотсодержащих соединений в СК является многофакторной характеристикой и зависит от множества причин: от качества работы печени, почек, от предшествующих физических нагрузок, от выраженности мышечной массы, пола, а также от количества съеденной накануне белковой пищи и др. По этой причине мы не стали придавать большого значения разнице между концентрациями N в ВПК и СК, но предположили, что для патологической гиперсекреции влаги может иметь значение разница между концентрациями N в ВПК глаз с нормальным и декомпенсированным ВГД.

Для уточнения возможного влияния азотсодержащих веществ на гидродинамические процессы в глазном яблоке и на ход патологической гиперсекреции было проведено сравнительное исследование концентраций N в образцах ВПК глаз, взятых при нормальном уровне ВГД и при ПОУГ с декомпенсированном ВГД. Разница составила 0,960/1,151 ммоль/л в пользу группы с ПОУГ.

Выявлено, что различие концентраций N в ВПК между группами имеет низкую степень достоверности (p=0,042). Мы предположили, что это связано с недостаточным объемом выборки.

Это позволило предположить, что N входит в состав осмотически активных веществ, участвующих в патологической гиперсекреции ВГЖ и повышении уровня ВГД. ВГЖ скапливается внутри глазного яблока на фоне изменений в дренажной системе глаза, ухудшения оттока и снижения трансбульбарной циркуляции жидкости, что в конечном итоге приводит к гипергидратации внутриглазного содержимого и повышению уровня ВГД. Азот, обнаруженный при наших исследованиях, может входить в состав мочевины — вещества, обладающего высокой осмотической активностью. Это согласуется с результатами ранее проведенных исследований [22, 23], выявивших значительное превышение концентрации мочевины в жидких средах витреальной полости глаз с рефрактерными формами глаукомы со стойкой офтальмогипертензией (ВГД ≥35 мм рт.ст.).

Другим элементом, концентрация которого в ВПК была значительно больше в группе с ПОУГ при декомпенсированном ВГД по сравнению с концентрацией в группе с нормальным уровнем ВГД, была сера (S) (p<0,001).

Одной из возможных причин повышения концентрации как N, так и S при ПОУГ с декомпенсированным ВГД является то, что эти элементы входят в состав значительного количества гипотензивных капель, которые пациенты с глаукомой активно применяли перед операцией [24]. Данные результаты нуждаются в дальнейшем изучении.

Помимо этого, были выявлены статистически значимые повышения концентраций фосфора (P) и Mg в ВПК в группе с ПОУГ с декомпенсированным ВГД. Как известно, Mg и P участвуют во многих метаболических реакциях в организме человека [18, 25—27]. Учитывая это, нам до конца не ясна роль P и Mg в патологической гиперсекреции ВГЖ.

Были выявлены статистически значимые различия в концентрациях кремния (Si), Mg и кальция (Ca) в СК между группами. Концентрация этих элементов была выше в группе у пациентов с декомпенсированным ВГД.

Выявленное стабильное превышение концентрации Na и K в ВПК по сравнению с их концентрацией в СК можно рассматривать как признак активного участия этих осмотически активных химических элементов в процессе нормальной секреции ВГЖ.

Отсутствие значимых различий в концентрациях этих элементов в ВПК как при нормальном, так и декомпенсированном ВГД дает основание предполагать, что Na и K не принимают активного участия в процессе патологической гиперсекреции ВГЖ.

Превышение концентрации N в ВПК глаз с декомпенсированным ВГД по сравнению с аналогичным показателем в ВПК глаз с нормальным уровнем ВГД с большой долей вероятности позволяет утверждать, что при декомпенсированном ВГД в ВПК глаз присутствуют азотсодержащие осмотически активные вещества, которые могут принимать участие в патологической гиперсекреции ВГЖ.

Полученные данные могут косвенно подтверждать гипотезу о том, что одной из причин стойкого повышения уровня ВГД является накопление в жидких средах глаз осмотически активных веществ, которые не могут покинуть глазное яблоко на фоне деградации путей оттока. Предположительно, таким веществом может быть мочевина, избыточное количество которой ранее было обнаружено в витреальном содержимом у пациентов со стойким повышением уровня ВГД при вторичных резистентных глаукомах [22, 23].

1. Концентрация Na и K, входящих в состав основных электролитов, способных влиять на процессы активной секреции жидкости, в ВПК глаза стабильно выше, чем в СК того же пациента, что указывает на участие этих элементов в процессе активной секреции ВГЖ.

2. Концентрации Na и К в ВПК как при нормальном, так и при декомпенсированном ВГД близки к эквивалентности. Соотношение концентраций в ВПК при нормальном и декомпенсированном ВГД составляет для Na 1,472/1,424 ммоль/л, для K 0,106/0,114 ммоль/л. Можно предположить, что данные химические элементы не принимают активного участия в механизме патологической гиперсекреции ВГЖ.

3. Соотношение концентраций N в ВПК глаз с нормальным ВГД и при ПОУГ с декомпенсированным ВГД составляет 0,960/1,151 ммоль/л. Это позволяет предположить, что в патологической гиперсекреции ВГЖ и в механизме повышения уровня ВГД участвуют азотсодержащие осмотически активные вещества. Таким веществом может быть мочевина.

4. Выявлена повышенная концентрация S в ВПК в группе с ПОУГ, что может быть связано с применением пациентами гипотензивных капель, содержащих S.

5. Показатели разницы концентраций Si и Са позволили предположить, что данные химические элементы не принимают активного участия в процессе секреции ВГЖ.

5. Выявлена повышенная концентрация в ВПК P и Mg у пациентов с декомпенсированным ВГД. Учитывая, что данные химические элементы участвуют во многих метаболических реакциях, их роль в гиперсекреции ВГЖ до конца не ясна.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования: A.Е., И.Н., Л.М.

Сбор и обработка материала: И.Н., Л.М.

Статистическая обработка: И.Н., Л.М.

Написание текста: А.Е., И.Н., Л.М.

Редактирование: А.Е., И.Н.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Сведения об авторах

Ермолаев Алексей Павлович — д.м.н., вед. науч. сотр. отд. глаукомы e-mail: ermolaeff127@yandex.ru