Нарушения минерального обмена при заболеваниях роговицы

Соединительная ткань является морфологической основой роговицы, образуя ее строму и пограничные мембраны. Строма (собственное вещество) роговицы составляет около 90% всей ее толщины, включает клеточные элементы (в основном кератоциты) и межклеточное вещество (внеклеточный матрикс). Межклеточное вещество состоит из основного вещества и волокнистых структур: коллагеновые волокна пространственно организованы в пластины и погружены в бесструктурное основное вещество. Основное вещество высоко гидратировано и сформировано молекулами гликозаминогликанов (мукополисахариды), протеогликанов и гликопротеинов (гликопротеиды). Передняя и задняя пограничные мембраны, боуменова и десцеметова мембраны представлены преимущественно коллагеновыми фибриллами [1—3]. Известно, что функциональное состояние и биофизические характеристики соединительнотканных структур, а соответственно, и роговицы, во многом зависят от некоторых минеральных химических элементов и их метаболизма.

Биологически значимые минеральные элементы (макро-, микро- и ультрамикроэлементы) играют ключевую роль в нормальной физиологии соединительных тканей и образованных ими органов и структур. Эссенциальные и условно эссенциальные минеральные элементы, в том числе ионы металлов, являются ингибиторами или кофакторами ферментов, модулирующих метаболизм основного вещества, коллагеновых и эластиновых волокон. Прежде всего к таким элементам относят магний, кальций, медь, цинк, марганец и бор — наличие, концентрация и биологическая доступность которых определяют скорость ферментативных реакций за счет активирования или ингибирования соответствующих энзимов [4, 5].

В обмене коллагена участвуют такие металлозависимые ферменты ката- и анаболизма, как коллагеназы и металлопротеиназы, а также гидроксилазы, лизилоксидаза и гликозилтрансферазы. Цинк содержится в активном центре тканевой коллагеназы и матриксных металлопротеиназ, ферментирующих лизис белков межклеточного вещества, в том числе коллагена. Железо входит в состав активного центра гидроксилаз пролина и лизина, участвующих в посттрансляционных модификациях препропептидов коллагена. Медь содержится в структуре лизилоксидазы, необходимой для стабилизации внеклеточного матрикса за счет формирования «поперечных» ковалентных связей между молекулами тропоколлагена. Марганец является кофактором гликозилтрансфераз, участвующих в посттрансляционной модификации коллагена (гликозилирование гидроксилизина в молекулах коллагена), обеспечивающей формирование дисульфидных мостиков между α-цепями коллагена. Медь и железо выступают в роли ингибиторов гиалуронидаз, под действием которых снижается вязкость гликозаминогликанов межклеточного вещества; известно, что за счет изменения физико-химических свойств гликозаминогликанов основного аморфного вещества осуществляется модулирование биомеханических свойств и транспорта веществ в основном веществе соединительной ткани. Медь, цинк и марганец являются кофакторами супероксиддисмутаз — основных факторов антиоксидантной защиты, которые предотвращают развитие окислительного стресса в тканях и защищают их от токсического действия активных форм кислорода. В отсутствие перечисленных минеральных элементов происходит нарушение синтеза, распада и функционирования коллагена и соединительной ткани в целом [5—7].

К настоящему времени о физиологической роли биологически значимых минеральных компонентов, входящих в состав тканей роговицы, известно немногое. Относительно минерального состава ранее сообщалось только о том, что из ионов металлов роговица человека содержит цинк [8]. С развитием методов элементного анализа еще несколько металлов определены в здоровых тканях роговицы мелких млекопитающих (крысы), преимущественно кальций и цинк, а также железо и медь [9].

О непосредственной роли минеральных элементов в патофизиологии роговицы также известно относительно немного. Вместе с тем стало очевидным, что нарушения минерального обмена на системном уровне являются причиной патологических изменений роговицы, а на местном — проявляются симптоматически при некоторых ее заболеваниях.

В литературе имеются немногочисленные данные об изменениях роговицы при нутритивной недостаточности минеральных элементов. Так, при нехватке магния в пище у крыс ученые наблюдали повышение концентраций кальция в плазме крови, патологические изменения эпителиоцитов и эндотелиоцитов роговицы, отложения депозитов высокой плотности и макрофагоподобные клетки в субэпителиальных слоях стромы роговицы, истончение и фрагментацию клеточных мембран, дегенерацию клеток и коллагеновых волокон, увеличение размеров митохондрий, нарушение синтеза белков [10, 11]. При алиментарной недостаточности цинка у крыс выявлены изменения эпителия роговицы, а также неоваскуляризация передних слоев стромы и увеличение количества миелинизированных волокон роговицы [12—14]. Существенно сниженная по сравнению с нормой концентрация цинка обнаружена в плазме крови пациентов с резистентной формой язвы роговицы [15].

Лентовидная кератопатия — заболевание роговицы, при котором происходит отложение солей кальция под эпителием в боуменовой мембране, в базальной мембране эпителия и в передних слоях стромы; ассоциирована с гиперкальциемией, вызванной системными состояниями, такими как гиперпаратиреоз, интоксикации витамином D, метастатическое поражение костей и саркоидоз [16—18].

Некоторые разновидности дистрофии Фукса вызваны мутацией гена ZEB1, ответственного за синтез белков-доменов типа «цинковые пальцы» («цинк-пальцевые» белки) [19, 20]. Мутации гена ZNF469, кодирующего синтез белков-доменов типа «цинковые пальцы», выявлены в 23% случаев кератоконуса (КК). Мутации этого гена являются причиной развития наследственного «синдрома ломкой роговицы», проявляющегося истончением и спонтанной перфорацией роговицы [21].

В результате нарушения обмена меди при болезни Вильсона—Коновалова (и при других состояниях, сопровождающихся гиперкупремией) ее избыточное накопление в тканях приводит к формированию кольца Кайзера—Флейшера — отложению меди в периферической части десцеметовой мембраны. Случаи отложения меди на границе десцеметовой мембраны и эндотелия на средней периферии роговицы зарегистрированы при применении эстроген-содержащих оральных контрацептивов, а в центральной оптической зоне — при выраженной гиперкупремии [17, 22—24].

При анализе пигментаций роговицы особую роль отводят обмену железа, с которым в основном и связывают пигментацию роговицы [25, 26]. Отложение железа в эпителии на границе средней и нижней трети роговицы наблюдают у пожилых лиц в виде линии Хадсона—Стэли [27, 28]. Имеются сообщения о формировании пигментированной дуги в пределах эпителия центральной оптической зоны роговицы в результате оптической коррекции аметропии ночными ортокератологическими контактными линзами [29—31]. Характерным проявлением птеригиума является линия Стокера в эпителии роговицы, прилежащая к птеригиуму в зоне его роста [32]. Эпителиальное отложение железа в зоне роговицы, смежной с фильтрационной подушкой, формируемой при антиглаукомных хирургических вмешательствах, именуют линией Ферри [33]. Образование пигментированных отложений в эпителии также может происходить в результате хирургических вмешательств на роговице: имплантации интрастромальных роговичных колец, радиальной кератотомии, фоторефракционной кератэктомии (PRK) и лазерного кератомилеза (LASIK) [34—37].

КК является одним из клинических вариантов эктатических заболеваний роговицы. В основе патофизиологии КК лежат морфологические и гистологические изменения роговицы дегенеративно-дистрофического характера, наблюдаемые преимущественно в ее соединительнотканной строме. При КК нарушено ортогональное расположение пластин в строме, число пластин уменьшено, снижена объемная доля волокнистых структур и увеличены межфибриллярные промежутки; развиваются иррегулярность, уплотнение, происходит нарушение организации и архитектоники коллагеновых волокон, изменяются их тинкториальные свойства, снижается количество «кросс-сшивок» между фибриллами коллагена и/или эластина. Среди характерных для КК изменений роговицы отмечено снижение объемной доли основного вещества, неравномерное распределение протеогликанов и гликопротеинов [38, 39].

В результате многочисленных исследований выявлена ассоциация КК с заболеваниями, вызванными патологическими изменениями соединительной ткани и ее метаболизма, что позволяет предполагать: перечисленные выше патологические состояния — разнообразные клинические проявления нарушений обмена коллагена. В пользу нарушения обмена веществ в соединительнотканной строме роговицы при КК свидетельствуют признаки нарушения окислительных процессов и реакций энергообразования, ферментативного дисбаланса процессов ката- и анаболизма коллагена и основного вещества роговицы [38, 40].

В ряде исследований при КК выявлено изменение активности энзимов (глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы, лизосомальных ферментов, энзимов антиоксидантной системы и лизилоксидазы), коферментами и ингибиторами многих из них являются ионы металлов и другие минеральные элементы [39—44].

О взаимосвязи КК с системными нарушениями метаболизма металлов свидетельствуют результаты ряда исследований. Недостаточность магния в организме приводит к молекулярным и цитологическим изменениям в роговице, характерным для КК [10]. В плазме крови у пациентов с КК зафиксировали увеличенное содержание титана и свинца и уменьшенное — алюминия, никеля, цинка и селена [42, 45—48]. При содержании собак и крыс на диете с низким содержанием кальция и витамина D наблюдали развитие КК [49, 50].

В 1906 г. в Мюнхенском медицинском еженедельнике появилась статья «О кератоконусе и об особом пигментном образовании в роговице» немецкого врача Бруно Флейшера. Автор связывал появление пигментного кольца с эпителиальными отложениями соединения железа (гемосидерин) вследствие нарушения сферичности роговицы и последующего аномального неравномерного распределения слезной пленки в основании эктазии [51].

Как правило, пигментное кольцо Флейшера располагается в основании конуса (парацентральная зона роговицы) [51, 52]. Согласно данным литературы, пигментное кольцо встречается в 57% случаев КК и является наиболее часто обнаруживаемым при биомикроскопии симптомом в средней или развитой стадии КК; некоторые авторы этот симптом считают признаком прогрессирования заболевания [51, 53, 54]. В ряде случаев пигментное кольцо может образовываться и на начальной стадии КК, даже если по данным кератотопографии роговица еще не изменена.

При гистологическом исследовании в сочетании с качественной химической реакцией на железо с «берлинской лазурью» доказано присутствие этого элемента в зоне пигментного кольца — депозиты синего цвета, расположенные в базальных клетках эпителия кератоконусной роговицы [55]. В дальнейшем при КК в тканях роговицы обнаруживали дисбаланс концентраций цинка, железа и меди [41, 56].

В настоящее время применение современных методов аналитической химии позволило картировать ряд биологически значимых минеральных элементов в зоне пигментного кольца Флейшера — избыточное накопление элементов халькофильной группы с одновременным их отсутствием в центральной зоне роговицы [57].

Рентгенофлюоресцентный анализ позволил провести сравнительный анализ содержания химических элементов в норме и при КК в центральной и периферической зонах роговичных дисков. В здоровой роговице содержание железа, меди и цинка оказалось примерно одинаковым в центральном и периферическом сегментах. При КК выявлено накопление этих химических элементов на периферии роговичных дисков и полное отсутствие в центральной зоне. Кроме того, на периферии роговичных дисков при КК обнаружены микроконцентрации никеля и свинца. При КК выявлено накопление кальция в центральной и периферической зоне роговичных дисков в сопоставимых концентрациях [57].

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия со сканирующей электронной микроскопией позволила построить карты распределения химических элементов в норме и при КК в соответствии с послойной структурой роговицы. Карты распределения показали, что в здоровой роговице железо, медь и цинк достаточно равномерно распределены в толще роговицы. В роговичных дисках, удаленных по поводу КК, выявлено аномальное избыточное накопление железа, меди и цинка в передних слоях периферической зоны роговичных дисков (в зоне видимого пигментного кольца Флейшера). Кроме этого, как в норме, так и при КК в роговичных дисках обнаружены микроконцентрации марганца и алюминия. При КК во всех слоях как в центральной, так и в периферической зоне роговичных дисков обнаружены кальций и магний (микроконцентрации); в периферической зоне роговичных дисков при КК также выявлены «следовые» концентрации кремния [57].

Выявленный дисбаланс минеральных элементов в роговице при КК позволил выдвинуть новую гипотезу этиопатогенеза этого заболевания. Осаждение железа, меди и цинка на периферии роговицы в виде кольца Флейшера может приводить к ферментативной недостаточности в строме центральной зоны роговицы, что, в свою очередь, вызывает нарушение метаболизма соединительной ткани и биомеханических свойств роговицы при КК [57].

Дальнейшие разработки в этом направлении привели к созданию медьсодержащих препаратов в виде растворов для местного медикаментозного лечения КК. Пилотные исследования показали эффективность глазных капель с сульфатом меди in vivo: результатом четырехнедельного применения экспериментального препарата у кроликов стало уменьшение преломляющей силы роговицы и повышение модуля упругости роговицы. По мнению авторов, инстилляции медьсодержащих капель активизируют в тканях роговицы фермент лизилоксидазу, который индуцирует «фармакологический кросслинкинг роговичного коллагена». Безопасность и эффективность лекарственного средства, подтвержденные экспериментальными испытаниями, позволили начать клинические исследования с участием пациентов с КК [58, 59].

Представленные в настоящем обзоре данные свидетельствуют о том, что ряд заболеваний и патологических состояний роговицы сопровождаются нарушениями минерального метаболизма. Принимая во внимание непосредственное участие биологически значимых минеральных элементов в нормальных физиологических процессах межклеточного матрикса, можно предполагать их существенную роль в развитии некоторых дегенеративно-дистрофических заболеваний роговицы. К настоящему времени доказано, что в основе развития кератоконуса лежат патологические изменения соединительнотканного межклеточного вещества стромы роговицы, а также выявлены специфические изменения химического состава роговицы при этом заболевании. Дальнейшее детальное изучение in vivo и in vitro конкретных патофизиологических механизмов развития кератоконуса может способствовать перспективным разработкам патогенетически ориентированной терапии.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.