Одним из основных факторов, определяющих степень повреждения мозга при гипоксически-ишемическом состоянии, является гипергликемия [1—3]. Цереброваскулярные заболевания, возникающие на фоне сочетания ишемии и сахарного диабета (СД), требуют активного медикаментозного вмешательства. Для нормального функционирования ионного транспорта в нервной клетке необходима энергия, которая запасается в АТФ. Основным субстратом для ее продукции является глюкоза, которая преобразуется в пируват. В митохондриях пируват окисляется в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК) с образованием АТФ, при утилизации одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ, формируя комплекс сопряжения окисления и фосфорилирования.

В условиях гипоксии пируват метаболизируется в лактат, при утилизации которого образуются только 2 молекулы АТФ, что способствует развитию внутриклеточного ацидоза, ведущего к повышению осмолярности цитозоля и усилению поступления воды в нейроны. Дальнейшее нарушение трансмембранного транспорта ионов ведет к развитию деполяризации и повреждению мембран, способствует формированию условий для выхода во внеклеточное пространство такого токсичного соединения, как глутамат, избыточное появление которого способствует формированию цитотоксического отека мозга. В результате выхода протеаз из клеточных органелл развивается повреждение мембран нейронов.

Одновременно происходит запуск оксигеназного механизма утилизации кислорода с акцепцией 4 электронов и образованием воды. Это приводит к появлению активных форм кислорода (АФК). Наиболее активно АФК взаимодействуют с молекулами, формирующими нейрональные и внутриклеточные мембраны, которые состоят из ненасыщенных жирных кислот, что приводит к повышению вязкости мембран нейронов и утрате ими пластичности. В результате реперфузии ишемизированных участков мозга происходит многократное повышение парциального давления кислорода, что способствует дальнейшей активизации образования АФК. Наряду с описанными событиями повреждение, вызванное АФК, приводит к снижению ауторегуляции мозгового кровообращения и формированию областей гиперемии в зоне пенумбры, создавая условия для развития вазогенного отека [4, 5].

Часто развитие цереброваскуляных заболеваний происходит на фоне сочетания ишемии и СД [2, 3]. При этом развитие и протекание процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) в условиях гипергликемии имеет некоторые особенности.

Гипергликемия сопровождается сложным взаимодействием между гормонами-антагонистами, цитокинами, изменением чувствительности к инсулину, отрицательно влияет на баланс жидкости (через глюкозурию и дегидратацию), иммунную и эндотелиальную функции, окислительный стресс и воспаление [6]. Следствием гипергликемии является повышенное образование АФК, связанное с тем, что расщепление метаболитов в ЦТК превышает способность электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) усваивать получаемые электроны [7].

Образование митохондриальных АФК является нормальным следствием окислительного фосфорилирования, важного процесса митохондриального комплекса. Этот процесс связан с окислениeм восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) или сукцината в дыхательной цепи митохондрий с целью синтеза АТФ. Субстраты НАДН и сукцинат доставляют электроны в митохондриальную дыхательную цепь, состоящую из четырех комплексов (с I по IV), которые транспортируют электроны ступенчатым образом, чтобы в итоге восстановить О₂ и образовать воду (рис. 1).

Известно, что некоторые электроны высвобождаются из комплексов I и/или III и преобразуют молекулы кислорода в O₂^–, который незамедлительно превращается в H₂O₂ под действием супероксиддисмутаз (СОД) [8] (см. рис. 1), в то время как супероксид (O₂^–) оказывает свой эффект вблизи места образования H₂O₂ и является более устойчивым соединением. Пероксид водорода способен диффундировать из одной клетки и оказывать действие в другой, вдали от места его образования. Эти данные подтверждают мнение, что, несмотря на компартментализацию продукции АФК, электроны, производимые в результате избыточного метаболизма митохондрий, могут быть использованы для регулирования внутриклеточного сообщения не только в месте своего образования, но и в других клетках и областях мозга [9]. В присутствии железа O₂^– и H₂O₂ могут образовывать высокореактивный гидроксильный радикал ОН· в ходе реакции Фентона. Радикалы OH· способны инициировать цепные реакции ПОЛ, производя при этом промежуточные продукты — пероксильные и алкоксильные радикалы [10]. Митохондриальные супероксиды могут вступать в реакции с окисью азота с образованием пероксинитрита (ONOO—), сильного окислителя, способного вызывать окислительные и нитрозативные повреждения [11].

АФК могут переноситься через мембраны клеток посредством аквапориновых и анионных каналов. Молекулы H₂O₂ могут переноситься через аквапориновые каналы в плазматической мембране и вызывать ответ внутриклеточной сигнальной системы. Внеклеточный O₂^– может запускать активацию внутриклеточных сигнальный путей, проникая в клеточную мембрану через анионные каналы (канал-3 для ионов хлора, ClC-3) [12]. Нейроны и другие клетки имеют разнообразные защитные механизмы для удаления АФК. Супероксид превращается в H₂O₂ под действием двух внутриклеточных СОД — Cu-Zn СОД (СОД1) и MnCОД (СОД2); затем H₂O₂ трансформируется в H₂O при помощи каталазы или глутатион-пероксидазы (ГП). Нейроны и другие клетки также содержат такие неферментативные акцепторы АФК, как аскорбат и глутатион, способствующие инактивации АФК [13]. Последствия окислительного повреждения могут быть устранены механизмами репарации, поэтому причиной окислительных повреждений макромолекул могут быть как гиперпродукция АФК, так и ослабленная коррекция аддуктов (макромолекул подвергшихся окислению АФК).

При активации НАДФН-оксидазы в плазматических мембранах образуется супероксидный радикал путем одноэлектронного восстановления кислорода, используя НАДФH в качестве донора электронов. При образовании O₂^– в условиях гипергликемии in vivo ингибируется активность глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы (ГАФДГ) путем модифицирования фермента полимерами АДФ-рибозы (рис. 2) [14].

Специфические ингибиторы поли (АДФ-рибоза)-полимеразы (ПАРП) предотвращают подавление активности ГАФДГ. В состоянии гипергликемии повреждение ДНК, обусловленное АФК, приводит к активации ПАРП в ядре. ПАРП расщепляет молекулу НАД⁺ на никотиновую кислоту и АДФ-рибозу. Глюкоза метаболизируется до глицеральдегид-3-фосфата (Г3Ф) в результате гликолиза. После этого под действием ГАФДГ Г3Ф превращается в 1,3-дифосфоглицерат, а в дальнейшем Г3Ф метаболизируется в пируват. В условиях гипергликемии инсулинорезистентность подавляет ГАФДГ, замедляя общий метаболизм глюкозы и повышая ее трансформацию по полиольному пути с участием альдозоредуктазы [15—17].

Предполагаются три потенциальных механизма, с помощью которых полиольный путь способствует развитию окислительного стресса. Во-первых, при гипергликемии около 30% глюкозы направляется на альдозоредуктазазависимый полиольный путь, при котором существенно расходуется НАДФН и уменьшается содержание восстановленного глутатиона (GSH) [18]. Во-вторых, при окислительном стрессе сорбитол превращается во фруктозу под действием сорбитолдегидрогеназы, что сопровождается трансформацией НАД⁺ в НАДН. В свою очередь НАДН является субстратом для НАДН-оксидазы, содействующей образованию супероксид-анионов [19, 20]. В-третьих, в ходе полиольного пути глюкоза превращается во фруктозу, которая может быть метаболизирована до фруктозо-3-фосфата и 3-деоксиглюкозона, которые являются намного более сильными неферментативными агентами гликирования, чем глюкоза [21, 22]. Расходование глюкозы по полиольному пути повышает выход конечных продуктов гликирования (КПГ), что, в конечном счете, приводит к продукции АФК. Альдозоредуктаза катализирует восстановление таких конъюгатов глутатиона, как 4-гидроксиноненаль и акролеин. Предполагается, что фермент вовлечен в метаболизм и удаление КПГ и конечных продуктов окисления липидов (ПКОЛ). Таким образом, альдозоредуктаза замедляет повреждение тканей и воспаление, связанные с накоплением ПКОЛ и КПГ. Ее фармакологическое ингибирование обеспечивает значительное преимущество в предотвращении развития диабетических осложнений in vivo [23, 24].

Гипергликемия также приводит к образованию продуктов ускоренного гликирования, которые формируются в результате неферментативных реакций белков с глюкозой и ее производными. Образование КПГ происходит при реакции α-дикарбонильных соединений и оксоальдегидов со свободными аминами или аминогруппами белков, c образованием неустойчивого основания Шиффа (реакция Майларда). Впоследствии образуются КПГ, которые состоят из необратимых поперечно сшитых гетерогенных белковых скоплений.

Продукты ускоренного гликирования взаимодействуют с КПГ-рецепторами, которые найдены у макрофагов, клеток эндотелия сосудов, гладкомышечных клеток сосудов, нейронов, астроцитов и микроглиальных клеток. В результате запускается продукция АФК, которые в свою очередь активируют плейотропный транскрипционный ядерный фактор NF-κB. Это инициирует многочисленные патологические изменения в экспрессии генов, участвующих в провоспалительных процессах [25—27] (рис. 3).

Таким образом, опосредованная гипергликемией инсулинорезистентность представляет собой ключевой компонент различных патологических состояний [28], в том числе метаболического синдрома, болезней сердечно-сосудистой системы, цереброваскулярных заболеваний, болезни Альцгеймера [29, 30].

Индуцированное гипергликемией образование свободных радикалов на митохондриальном уровне считается основным фактором порочного круга при развитии окислительного стресса. При развитии гипоксии и дефицита энергии нарушается переработка кислорода оксидазами, в ходе которой происходит акцептирование 4 электронов и образование Н₂О, в результате чего запускается оксигеназный механизм утилизации кислорода, но полного восстановления по 4 электронам не происходит и на молекулярной орбите кислорода остается неспаренный электрон [31, 32]. Поскольку увеличение в клетках глюкозы приводит к обилию доноров электронов (НАДН + Н⁺, сукцинат), образующихся при функционировании ЦТК, происходит значительный рост потенциала внутренней мембраны митохондрий (за счет увеличения Н⁺ на поверхности мембраны), который связан с развитием митохондриальной дисфункции и увеличением образования АФК. При гипергликемии в ходе ускоренного гликолиза значительно повышается образование пирувата, который способен «затопить» митохондрии электронами, которые не смогут пройти по электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) и тем самым способствовать формированию АФК на уровне комплекса ΙΙ дыхательной цепи [33].

Поскольку мозг утилизирует до 25% получаемого организмом кислорода, трансформация нейронами даже 0,05% метаболизируемого кислорода в АФК является токсичным количеством для нервной ткани, так как в мембранах нервных клеток содержатся полиненасыщенные жирные кислоты и ионы металлов переменной валентности. Это способствует активации процессов ПОЛ при снижении активности антиоксидантных ферментных систем и дефиците эндогенных низкомолекулярных антиоксидантов. Наиболее ярко это проявляется в нейронах гиппокампа [34].

При критической гипоксии происходит нарушение функционирования эндогенной антиоксидантной системы. Выходом из этой ситуации может служить использование антиокислительных соединений, способных снижать уровень свободных радикалов в нервной ткани. Более 30 лет назад в Научно-исследовательском институте неврологии РАМН на моделях ишемического инсульта было исследовано действие отечественного антиоксиданта эмоксипина (2-этил-6-метил-3-оксипиридин). Его применение достоверно уменьшало развитие локальной и общемозговой неврологической симптоматики, увеличивало латентный период развития выраженных клинических проявлений in vivo. Эмоксипин ингибировал свободнорадикальное окисление мембранных липидов, достоверно снижал уровень продуктов ПОЛ (диеновые, триеновые конъюгаты и основания Шиффа) в веществе мозга, а также регулировал активность фосфодиэстеразы циклических нуклеотидов, способствуя увеличению содержания в мозговой ткани цАМФ и повышению активности антиокислительных ферментов [35, 36].

С 1987 г. в Фармакопею СССР был включен универсальный внутриклеточный метаболит сукцината аммония — янтарная кислота (ЯК), являющаяся катализатором в ЦТК и субстратом клеточного энергетического обмена. В нервной ткани ЯК образуется из гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) через промежуточную стадию янтарного альдегида (цикл Робертса), а также в ходе реакции дезаминирования α-кетоглутаровой кислоты, протекающей в гепатоцитах при окислительном стрессе. Успешное применение эмоксипина и ЯК в качестве антиоксидантов способствовали созданию в Научно-исследовательском институте фармакологии им. В.В. Закусова РАМН мексидола (2-этил-6-метил-3-оксипиридинасукцинат), представляющего собой молекулу эмоксипина с введенной ЯК [37—40]. Благодаря структурному сходству мексидола с пиридоксином (В₆) происходит проникновение ЯК в клетку и доставка аминоацильной группы на α-кетоглутарат, реализуя тем самым восстановление функционирования ЦТК и энергосинтезирующей функции митохондрий, в результате чего активируется синтез белка и нуклеиновых кислот (рис. 4).

Установлено, что препарат обладает антиоксидантными и мембранопротективными свойствами, свободно проникает через гематоэнцефалический барьер [39]. Он ингибирует свободнорадикальное окисление клеточных мембран, повышает до нормальных значений резистентность липопротеиновых комплексов к перекисному окислению, что указывает на восстановление активности эндогенной антиоксидантной системы [41]. Мексидол дозозависимо подавляет развитие глутамат-индуцируемой нейротоксичности, о чем свидетельствуют значительное снижение содержания малонового диальдегида (МДА) в гомогенатах мозга, инкубируемых с мексидолом. В конечной концентрации от 10 до 0,1 мМ мексидол снижал уровень МДА в гомогенатах мозга, подвергнутого воздействию L-глутамата, а также подавлял как аскорбатзависимое — неферментативное, так и НАДФН₂-зависимое — ферментативное железо-индуцируемое ПОЛ. Данные эффекты указывают не только на прямое антиоксидантное действие мексидола, но и на его способность связывать свободные радикалы и повышать активность антиоксидантных ферментов. Мексидол не влиял на активность 1-изофермента глутатион-SH-трансферазы и каталазы, но значительно повышал активность Se-зависимой глутатионпероксидазы и умеренно — СОД [42]. In vivo было выявлено достоверное снижение уровня продуктов ПОЛ в мозге животных под влиянием мексидола, что происходило параллельно с восстановлением поведенческих реакций при судорожном приступе, вызванном бемегридом [36, 39].

В последующем было показано, что мексидол повышает активность СОД, тормозит свободнорадикальную стадию синтеза простагландинов, способствует повышению соотношения простациклин/тромбоксан А₂, а также снижает образование лейкотриенов, уменьшает соотношение холестерин/фосфолипиды, оказывая липидрегулирующее влияние, повышает содержание полярных фракций липидов (фосфатидилсерина и фосфатидилинозита), вызывает перемещение структурных переходов в область низких температур, т. е. уменьшение вязкости мембраны и увеличение ее текучести, повышает соотношение в ней липид/белок [36, 38, 43]. Благодаря этим эффектам мексидол модулирует активность таких мембраносвязывающих ферментов, как фосфодиэстераза, аденилатциклаза, ацетилхолинэстераза, способствует усилению связывания нейромедиаторов с рецепторными комплексами клеточных мембран нейронов, в частности бензодиазепинового, ГАМКергического и ацетилхолинового [43—45]. Мексидол оказывает стабилизирующее действие на клеточные мембраны, в том числе эритроцитов и тромбоцитов, а также уменьшает вязкость крови, снижает агрегацию тромбоцитов и способствует деформируемости эритроцитов, приводит к стабилизации сосудистой стенки [35].

Положительный клинический эффект был выявлен у 77,2% больных с цереброваскулярными расстройствами, причем на результат лечения влияли форма и тяжесть цереброваскулярного заболевания, а также осложнения со стороны сердечно-сосудистой системы [35, 43, 45]. Так, больные с тяжелой артериальной гипертонией плохо переносили лечение мексидолом [45]. Был выявлен дозозависимый эффект препарата — частота положительных результатов лечения мексидолом в суточной дозе 300—400 мг оказалась выше по сравнению с дозой 200 мг [45]. Наибольший эффект мексидола был показан при вестибуломозжечковом, кохлеовестибулярном и астеническом синдромах, а также при расстройствах в эмоционально-волевой сфере. В первую очередь уменьшались выраженность головокружения, нарушения статики и походки, снижалась выраженность депрессивных реакций, восстанавливался сон [43].

Отмечено положительное влияние на процессы обучения и памяти в виде улучшения фиксации и воспроизведения информации, а также препятствование «гашению памятного следа» [38, 43, 45, 46]. Применение мексидола в дозах 50—100 мг/кг предупреждало и устраняло амнезию у мышей и крыс в условиях применения методики условного рефлекса пассивного избегания максимальным электрошоком или введением холинолитика скополамина. Мексидол обладает выраженным противогипоксическим действием, что было показано в условиях модели гипобарической гипоксии, в ходе которой осуществлялся подъем животных на высоту около 11 000 м. При введении мексидола отмечалось увеличение продолжительность их жизни в 2 раза, число выживших возрастало в 2,4 раза [47, 48]. Можно предположить, что механизм антигипоксического действия мексидола обусловлен входящей в его состав ЯК, которая при поступлении во внутриклеточное пространство окисляется дыхательной цепью митохондрий [49]. При морфологических исследованиях на моделях ишемического и гемморагического инсультов наблюдалось уменьшение зоны поражения мозга, восстановление его функциональной активности, что выражалось в улучшении когнитивных функций и регрессе неврологического дефицита [50].

Единственным путем метаболизма мексидола в организме человека является глюкуроноконъюгация [51, 52]. Степень биотрансформации препарата имеет индивидуальные отличия [52]. Идентифицированы 5 основных метаболитов [52]. Один из них — фосфат 3-оксипиридина, который под действием щелочной фосфатазы подвергается расщеплению на фосфорную кислоту и 3-оксипиридин. Второй — 2-метил-6-метил-3-оксипиридин, в большом количестве содержащийся в моче в 1-е и 2-е сутки после введения препарата, обладает спектром психотропной активности, близким к мексидолу. Третий — 6-метил-3-оксипиридин. Метаболиты 4-й и 5-й представляют собой глюкуроноконъюгаты 2-этил-6-метил-3-оксипиридина и фосфата 2-этил-6-метил-3-оксипиридина, это соединение наиболее быстро выводится из мозга крыс. При исследовании связывающей способности мексидола с мембранами эндоплазматического ретикулума печени и мозга крыс было показано, что он в значительных количествах определяется в эндоплазматическом ретикулуме на протяжении 72 ч, что указывает на мембранотропные свойства мексидола [52].

Результаты изучения влияния эмоксипина и мексидола на когнитивные функции и аффективный статус больных с ишемией мозга на фоне СД показали, что их применение приводит к коррекции соматогенных депрессивных расстройств, а также сопровождается достоверным увеличением IQ [51, 53, 54].

Получены результаты, указывающие на уменьшение проявлений гипергликемии, опосредованной инсулинорезистентностью, при применении мексидола и эмоксипина [55,56]. Антигликемический эффект усиливался при комбинированном применении производных 3-оксипиридина и ЯК с α-липоевой кислотой [56]. Полученные результаты можно объяснить с точки зрения гипотезы о происхождении инсулинорезистентности при гипергликемии [57], согласно которой одной из главных ее причин, как и развития СД 2-го типа, является снижение окислительного митохондриального потенциала. Таким образом, восстановление последнего путем увеличения «митохондриальной массы» является основой стратегии для лечения инсулинорезистентности.

Мексидол, используемый в комплексной терапии осложненных форм диабетической стопы, не только усиливает тромболитический потенциал урокиназы, но и улучшает регионарный кровоток, течение раневого процесса, снижает выраженность эндогенной интоксикации, процессов свободнорадикального окисления, что в конечном итоге отражается на результатах хирургического лечения [58, 59].

Таким образом, наличие в молекуле мексидола ЯК обеспечивает усиление компенсаторной активации аэробного гликолиза и снижение угнетения окислительных процессов в ЦТК, в условиях гипоксии приводящих к увеличению содержания АТФ и креатинфосфата, активации энергосинтезирующих функций митохондрий. Мексидол повышает активность СОД и других антиоксидантных ферментов, сочетает антиоксидантные свойства основания с антигипоксической активностью сукцината. Мексидол хелатирует (связывает и удаляет) или переводит в трехвалентное состояние ионы таких переходных металлов, как Fe₂ и Cu₂, которые способны инициировать окислительные реакции, а также связывает свободные радикалы, как это осуществляют низкомолекулярные антиоксиданты глутатион, мочевая кислота, α-липоевая кислота, витамины А, Е и C и высокомолекулярные антиокислительные ферменты — СОД, каталаза, трансферрин и глутатион-пероксидаза (рис. 5) [60].

Мексидол, модулируя активность мембраносвязанных ферментов (кальцийнезависимая фосфодиэстераза, аденилатциклаза, ацетилхолинэстераза), рецепторных комплексов (бензодиазепиновый, ГАМК, ацетилхолиновый), способствует сохранению структурно-функциональной организации биомембран, транспорту нейромедиаторов и улучшению синаптической передачи. Вызывает усиление компенсаторной активации аэробного гликолиза и снижение степени угнетения энергосинтезирующих функций митохондрий, стабилизацию клеточных мембран.

С точки зрения практической медицины, производные 3-оксипиридина, в том числе мексидол, являются наиболее применяемыми в клинической практике в связи с полиморфизмом действия и высоким профилем безопасности. В настоящее время данный препарат не имеет зарубежного аналога. Исходя из своей химической структуры и механизма действия, каждый антиоксидант более или менее эффективно влияет на отдельные звенья свободнорадикальных процессов, не являясь при этом универсальным средством, поскольку соединения, блокирующего все пути генерации АФК и способного обрывать все виды реакций ПОЛ, не существует. Даже такие обнадеживающие в эксперименте зарубежные препараты, созданные на основе СОД, выделяемые из природного материала (онтосеин, оксодрол, пероксинорм), и синтезированные, как редокс-модуляторы на основе порфирина и саморазлагающиеся полимерные наночастицы, имеют существенные недостатки: они являются нестабильными, быстро инактивируются и сопряжены с множеством побочных эффектов [61]. А препараты, созданные на основе α-липоевой кислоты, витаминов А, Е и C и N-ацетилцистеина, являясь жирорастворимыми соединениями, эффективно перехватывают АФК только в липидной фазе и практически не осуществляют перехват в водной (см. рис. 5) [60]. В отличие от них мексидол осуществляет свои функции как в водной, так и в липидной фазе, хотя в последней слабее, что является его преимуществом [60].

Все вышесказанное свидетельствует о том, что поиск оптимального антиоксидантного средства, несмотря на более чем 30-летнюю историю изучения роли радикальных процессов в патогенезе различных заболеваний, продолжается. Многочисленные экспериментальные и клинические исследования свидетельствуют о большей терапевтической эффективности комплексного применения нескольких антиоксидантов с различными механизмами действия [62]. Практика применения в неврологии показала целесообразность их включения в схемы лечения для восстановления когнитивных функций при острых и хронических расстройствах мозгового кровообращения, при тревожных расстройствах, диабетической нейропатии, метаболическом синдроме.