Автор: В.И. Капелько
Кардиомиоциты
В настоящее время утвердилась парадигма, постулирующая наличие тесной структурной связи между сарколеммой (Т-тубулами), контактным саркоплазматическим ретикулумом (СР) и митохондриями.
Транспорт Ca++
Лектор J.Lederer (Baltimore, USA) обратил внимание на механизмы, определяющие выход Ca++ из СР. Лаборатория лектора работала на изолированных кардиомиоцитах. Причём установка позволяла растягивать как целый кардиомиоцит, так и его небольшую часть.
Возникающие в разных частях кардиомиоцитов «вспышки» (sparks), обусловленные спонтанным выходом малых порций Ca++ из СР, усиливаются при растяжении, причём только в растягиваемых участках саркомеров. Выяснилось, что их частота не меняется ни при блокаде Ca++-каналов, ни Na+-Ca++обменника, ни при блокаде образования нитроксида. Но этот феномен полностью исчезает при блокаде NOX2 – встроенного в мембрану фермента, образующего супероксид с трансформацией NADH в NAD+. Скорость образования активных форм кислорода (АФК) максимальна уже сразу после начала быстрого растяжения. Причём есть соответствие между степенью растяжения и величиной или скоростью образования АФК. Авторы полагают, что образование АФК в кардиомиоцитах в ответ на растяжение – постоянный и обязательный компонент физиологической реакции, позволяющей синхронизировать выброс Ca++ из СР и модулировать его величину. Но в патологических условиях избыточное образование АФК может запускать аритмогенные Ca++-волны.
Susan Howlett (Halifax, Canada) нашла гендерные различия в механизме сопряжения возбуждения и сокращения кардиомиоцитов. Изучая кардиомиоциты крыс и мышей с применением техники фиксации напряжения, регистрации входящего Ca++ тока, колебаний Ca++ в миоплазме (фура-2) и регистрации ненагруженного укорочения кардиомиоцитов, она установила, что у самок спонтанное высвобождение Ca++ из СР (Ca++ спарки), сокращение кардиомиоцитов и Ca++ сигнал были меньше, чем в кардиомиоцитах от самцов. При этом величина входящего Ca++ тока и содержание Ca++ в СР были одинаковы. Кардиомиоциты самок отличались сниженным уровнем отношения цАМФ к протеинкиназе А и повышенной активностью фосфодиэстеразы 4, разрушающей цАМФ. Ингибирование протеинкиназы А устраняло различия. Таким образом, механизм сопряжения возбуждения и сокращения в кардиомиоцитах самок работает на сниженном уровне. Задавшись вопросом о причине такого различия, автор предположила участие эстрогена. Для проверки гипотезы выполнена операция по удалению яичников. У оперированных все показатели Ca++ транспорта повышались по сравнению с ложнооперированными, и различие снималось ингибированием протеинкиназы А. Следовательно, эстроген подавляет цАМФ-индуцированное повышение проницаемости RyR2, сохраняя кальций-транспортную активность на сниженном уровне. Выключение данного механизма при менопаузе создаёт условия для повышенного спонтанного высвобождения Ca++ из СР и тем самым повышает риск сердечных заболеваний.
J-S. Hulot (Paris, France) представил данные о новом белке, участвующем в транспорте Ca++ – STIM-1 (stromal interaction molecule). Белок встроен в мембрану СР и может активировать образование в плазматической мембране чувствительных к Ca++ каналов (Orai 1-3). Полагают, что таким образом при снижении запасов Ca++ в СР может быть активировано их пополнение извне.
D.Bers (Davis, USA) обратился к мало изученному действию Ca++ на ядро кардиомиоцитов. Выяснил, что вход Ca++ в ядро пропорционален диастолической концентрации Ca++. В ядре Ca++ активирует транскрипцию через кальциневрин и CAMKII и таким образом участвует в процессе развития гипертрофии. Пул Ca++ в ядре изменяется медленно и не подвержен колебаниям при изменении величины Ca++ пиков.
Сигнальные пути
L.Bertrand (Brussel, Belgium) осветил роль АМР киназы (АМРК) в регуляции метаболизма кардиомиоцитов. АМРК участвует в регуляции процессов синтеза, аутофагии, клеточной дифференцировки и инсулиновой резистентности.
В процессах внутриклеточной сигнализации, когда требуется локализовать внутриклеточные мессенджеры в данном участке, видную роль играют А-киназные якорные белки (D.Diviani, Losanne, Switzerland). В реализации ряда полезных для организма эффектов, таких как ограничение питания или действие ресвератрола, содержащегося в красном вине, принимает активное участие сиртуин1 – член семьи гистон / белковых ацетилаз (A.Garnier, Chatenay-Malabrie, France).
Митохондрии
Митохондрии в кардиомиоцитах содержат около 1000 белков и отличаются друг от друга по метаболизму и функции в зависимости от места их локализации.
Ультраструктурные исследования выявили: митохондрии тесно контактируют с мембранами СР и ядра. Наиболее высокое содержание белков (около 50% всего пула) и высокая скорость их синтеза у субсарколеммальных митохондрий (R.Schulz, Giessen, Germany). Некоторые белки, например коннексин43, экспрессированы только в них. Эти митохондрии отличаются повышенной чувствительностью к физическим нагрузкам и окислительному стрессу (T.Doenst, Iena, Germany).
Интерфибриллярные митохондрии отличаются наиболее высокой скоростью дыхания и синтеза АТФ, что вполне объяснимо необходимостью поставлять большие количества АТФ в саркомеры. Поэтому они в большей степени изменяются при большинстве патологий, в частности, при гипертрофии сердца.
Тесный контакт этих митохондрий с СР облегчает возможность ионам Ca++ регулировать синтез АТФ и образование АФК (M.Ruiz-Meana, Barselona, Spain) через посредство кальциевого унипорта МСU (E.Murphey, Bethesda, USA). Образование АФК определяется в первую очередь потребностью клеток в энергии и мембранным потенциалом (D.Detaillet, Bordeaux, France), который в свою очередь зависит от редокс-состояния клетки. Нитрозилирование белков митохондрий снижает образование АФК и способствует кардиопротекции. Напротив, при старении снижается поглощение Ca++ митохондриями и усиливается выработка АФК.
Открытое Л.Е. Бакеевой и В.Г. Цыплёнковой слияние митохондрий с образованием гигантских митохондрий [1] было встречено с изрядным скепсисом, но сейчас не вызывает удивления. Выяснен механизм слияния внешних мембран, в нём принимают участие два белка – митофузины (MFN1 и MFN2). Искусственное устранение этих белков сопровождается уменьшением выработки АТФ, развитием ДКМП. A.Mourier и коллеги из нескольких стран выяснили, что устранение MFN2 снижает содержание коэнзима Q и вызывает нарушение работы электронно-транспортной цепи.
Митохондрии также могут запускать процесс апоптоза в случае большого накопления АФК или фатальных повреждений ДНК. Регулятор состояния проницаемости внешней мембраны митохондрий, повышение которой ведёт к их гибели, - белки BCL-2, а противодействуют им и являются антиапоптотическими белки MCL-1 (A.Gustaffson, San-Diego, USA).
Миофибриллы
Сокращение миофибрилл регулируется концентрацией Ca++ в миоплазме и чувствительностью кальций-рецептивного белка тропонина С к Ca++. Обнаружены молекулы, способные повысить кальциевую чувствительность миофибрилл и названные «кальциевыми сенситайзерами».
C.Maack (Gamburg, Germany) сообщил: в опытах на изолированном волокне кальциевый сенситайзер EMD 57033 уменьшил диастолическую длину саркомера всего на 2%, но увеличил систолическое укорочение в 2,5 раза. Это соответствует известному феномену облегчения развития силы при повышении диастолической упругости. Параллельно наблюдали увеличение окисления NADPH на 20%. Ещё большее окисление NADPH вместе с возрастанием уровня Н2О2 наблюдали при стимуляции волокна с возрастающей частотой вкупе с добавлением изопротеренола. Источником этого был попадающий в митохондрии Ca++, потому что ингибитор Na+- Ca++, транспорта предотвращал эти изменения.
Известно, что кальциевая чувствительность миофибрилл повышается при мутациях тропонина Т или С, что ведёт к гипертрофической кардиомиопатии. Соответственно облегчается развитие силы, но возрастает диастолическая упругость миокарда, затрудняющая наполнение желудочка – возникает диастолическая дисфункция. При этом, как показала J.van der Velden (Amsterdam, Netherlands), на единицу развития силы миофибриллами требуется повышенный расход АТФ, т.е. снижается эффективность работы миокарда.
Кальциевая чувствительность также повышается, если в миофибриллах снижается уровень АТФ. При этом концентрация АДФ в миофибриллах растёт (V.Seguiera, Utrecht, Netherlands). В результате часть актомиозиновых мостиков остаются неразомкнутыми, что может выражаться в контрактуре миокарда. В реальных условиях такое повышение возможно либо при ограничении синтеза АТФ, либо при блокаде креатинфосфокиназы, преобразующей АДФ в АТФ в миофибриллах. Последний аспект был детально исследован более 20 лет назад в опытах на миокардиальных волокнах с гиперпроницаемой сарколеммой [2], в которых было показано, что именно наличие достаточного количества фосфокреатина, а не АТФ является фактором расслабления волокон. Новинкой в докладе Seguiera стали сведения о повышении уровня АДФ в миокарде больных с ХСН на 80%, при этом содержание АТФ было снижено приблизительно на 20%, в то время как содержание фосфокреатина – на 80%. Таким образом, нарушение энергетического обмена закономерно ведёт к повышению диастолической упругости миокарда, что облегчает развитие силы, но затрудняет расслабление и растяжение миокарда.
Все большее внимание экспериментаторов привлекает титин – наибольший белок кардиомиоцитов. Его пружиноподобная структура располагается в каждой половине саркомера между линиями Z и M, сжимается при укорочении саркомера, а после завершения сокращения титин распрямляется и восстанавливает прежнее расстояние между линиями Z и M, поддерживая ширину диска I. Титин определяет пассивное сопротивление саркомеров при растяжении. Как известно, титин экспрессируется в двух формах - N2В и N2ВА. Первая присутствует в скелетных мышцах и отличается повышенной упругостью. В миокарде преобладает менее упругая форма 2ВА, и соотношение N2BA/N2B положительно. Превалирование формы N2BA объясняется необходимостью обеспечить растяжение саркомеров миокарда, что в скелетной мышце излишне, т.к. эти мышцы не изменяют свою исходную длину. Более подробные сведения изложены в обзоре [3]. Известно также, что фосфорилирование титина протеинкиназами А или G увеличивает податливость миокарда.
Схема саркомера сердечной мышцы и ионных потоков, участвующих в сокращении
W.A.Linke (Gottingen, Germany), являющийся лидером по изучению титина, продемонстрировал новые данные: фосфорилирование титина происходит не только под влиянием протеинкиназ А и G, но также и кальций-кальмодулин киназы (CaMKII). Дефосфорилирование титина осуществляется протеинфосфатазами. Под влиянием окисления (0,1 мМ Н2О2) в молекуле титина образуются дисульфидные связи, в результате упругость молекулы возрастает, а глутатионилирование молекулы снижает её.
Наряду с титином диастолическая упругость миокарда определяется содержанием коллагена. Как показал J.Dias (Pamplona, Spain), важно не просто количество коллагена в миокарде, но и его качественный состав. Под влиянием гликированных продуктов молекулы коллагена образуют между собой ковалентные связи, и они становятся очень стойкими, резистентными к действию металлопротеиназ.
Дефосфорилирование титина и/или повышение содержания коллагена в миокарде (фиброз) – необходимые признаки диастолической сердечной недостаточности (ДСН). Дилатационная кардиомиопатия значительно отличается от ДСН по параметрам титина и фиброза (I.Bollen, Amsterdam, Netherlands) – соотношение N2BA/N2B, характеризующее преобладание более растяжимой формы титина, было повышено при ДКМП, что способствует растяжению камеры желудочка, но степень фиброза была гораздо больше, что очевидно необходимо для предотвращения чрезмерного растяжения.
Известно, что у бегунов, переносящих длительные тяжёлые нагрузки, нередко возникает ДСН. O.Cazorla (Montpellier, France) и A.Kleindienst из той же лаборатории представили модель для исследования этого феномена. Крыс заставляли бегать со скоростью 65% от максимальной в течение 3 часов 5 дней в неделю. В результате таких чрезмерных нагрузок при ЭхоКГ исследовании было установлено, что соотношение Е/А, характеризующее скорость быстрого наполнения ЛЖ, снижалось вдвое, что свидетельствует о повышенной диастолической упругости ЛЖ. Фракционное укорочение желудочка сохранялось нормальным. Эти изменения сохранялись и при изоляции сердца – развиваемое давление и максимальная скорость его развития были нормальны, но скорость падения давления была снижена, а константа скорости падения давления повышена. На изолированных ненагруженных кардиомиоцитах наблюдали повышенное укорочение при нормальном удлинении. При этом амплитуда Ca++ сигнала была снижена, но диастолический уровень Ca++ и константа его удаления из миоплазмы были нормальны. Причина усиленного укорочения - повышенная кальциевая чувствительность миофибрилл. Реакция на изопротеренол была нормальной – снижение кальциевой чувствительности, одинаковый прирост силы.
Подводя итог исследованию причин повышенной диастолической упругости миокарда, следует перечислить основные определяющие её факторы: кальциевая чувствительность миофибрилл, концентрация АДФ в миофибриллах, степень фосфорилирования титина, и повышение содержания коллагена (фиброз миокарда). Все эти факторы могут в той или иной степени превалировать в различных патологических ситуациях (гипоксия, гипертрофия, постинфарктный кардиосклероз, кардиомиопатия), но в физиологических условиях основной детерминант диастолической упругости миокарда - состояние фосфорилирования молекул титина.
Сердце
S.Lehnart (Gottingen, Germany) применил электронную микроскопию с повышенной разрешающей способностью для изучения механизма сопряжения возбуждения с сокращением в мышце предсердий. Обнаружена инвагинации сарколеммы внутрь волокна, но, в отличие от миокарда желудочка, в предсердии эти инвагинации расположены не поперёк, а вдоль волокна, причём в центральной его части. К этим тубулам тесно примыкает контактный СР, отличающийся от СР в других участках клетки повышенной активацией протеинкиназы А, это облегчает высвобождение Ca++ в ответ на деполяризацию мембраны. Но при действии изопротеренола протеинкиназа А активируется повсеместно, и это синхронизирует выброс Са++ и усиливает сокращение предсердия.
Ценная в методологическом плане работа выполнена в Kings College (London) и представлена D.Aksentievic. Произведение развиваемого давления и частоты сокращений (т.н. «двойное произведение») часто используют как детерминант поглощения кислорода миокардом, и это справедливо для сердец крупных млекопитающих, в т.ч. человека. Но для миокарда крыс и мышей, наиболее часто используемых в физиологических опытах, эта ситуация оказывается иной в связи с наличием «обратной лестницы» - снижения силы сокращений при увеличении их частоты. В работе на изолированном изоволюмическом сердце крыс убедительно показано, что, хотя поглощение кислорода возрастает при увеличении частоты, оно не соответствует приросту двойного произведения. Вариации субстратов и добавление изопротеренола только немного модулировали это соотношение, но принципиально не изменили его. Таким образом, интерпретация результатов, получаемых в опытах на сердцах крыс и мышей, должна быть осторожной в плане перехода от физиологических данных к метаболическим.
Ценная в практическом плане – работа из этого учреждения, представленная M.Shattock. Ежегодно в мире регистрируется около полумиллиона смертей, связанных с нырянием, и при этом 21% из них приходится на людей, регулярно занимающиеся плаванием и нырянием. Причины смерти – тахисистолия и фибрилляция желудочков, обусловленные конфликтом влияний симпатической и парасимпатической систем. Дело в том, что физическая работа при нырянии и погружение тела, а особенно лица, в холодную воду вызывают симпатическую активацию – учащение ритма сердца и сужение периферических сосудов, в то время как необходимость задержки дыхания и экономного расходования энергоресурсов при нырянии связана с активацией парасимпатической системы. В результате тахикардия быстро сменяется брадикардией, но у человека не происходит соответствующего удлинения интервала QT – он остаётся укороченным. Возникающие при этом эпизоды более частых возбуждений на фоне укороченного рефрактерного периода создают условия для развития аритмий, которые действительно возникают у 60-80% здоровых добровольцев, внезапно погружённых в холодную воду. Интересно отметить, что у дельфинов, генетически приспособленных к длительному нырянию, интервал QT изменяется пропорционально частоте возбуждений, хотя аритмии у них всё равно возникают в периоды усиленной работы. Очевидно, не сам факт возникновения аритмии, а наличие сопутствующих отягчающих факторов – гипертрофии, ИБС, приёма некоторых лекарств, алкоголя и прочих факторов, снижающих адаптивные возможности сердца, может спровоцировать летальную аритмию. Эти материалы ещё раз подтверждают справедливость давних рекомендаций, запрещающих нырять в «разгорячённом» состоянии.
Клеточную основу таких аритмий представляет нарушения Ca++ транспорта – хаотичное высвобождение Ca++ из СР, обусловленное, в частности, избыточной активацией протеинкиназы А и CaMKII, а также развитием окислительного и нитрозильного стресса при симпатической активации (E.Niggli, Bern, Switzerland). Именно катехоламинэргическая полиморфная желудочковая тахикардия – частая причина внезапной смерти у молодых людей. В её основе лежит мутация воротного кальциевого белка RyR2 (A.M.Gomez, Chatenay-Malabrie, France). Аритмия возникает при мутации этого белка, причём мутации могут возникать как в С-, так и в N-конце белка. В результате Са++ хуже удерживается в СР, происходит его утечка, увеличивается количество Са++, выделяемого при спарке, и это создаёт очаги спонтанного возбуждения. Исследования с применением техники пэтч-клампа показали высокую частоту задержанных постдеполяризаций при адренергической стимуляции.
Адренергический стресс лежит в основе 80% внезапной смерти у мужчин (S.Harding, London, England). У женщин в период менопаузы при адренергическом стрессе также возникают аритмии и развивается синдром Takotsubo, получивший название из-за своеобразной формы левого желудочка, характеризующейся расширением верхушечной части вследствие её гипокинезии. Показано вовлечение бета2-адренорецепторов, причём блокада прекращает аритмии и устраняет риск внезапной смерти. Выяснилось, что развитие синдрома у женщин, вышедших из детородного возраста, обусловлено выключением эстроген-зависимых защитных механизмов.
Аквапорины – класс белков с повышенной проницаемостью к воде – играют существенную роль в почках, головном мозге, различных железах. Они также присутствуют в миокарде, выделено несколько белков (аквапорин-1, -4, -7). Их роль состоит в проведении молекул воды через эндотелиальную мембрану (A.Rutkowsky, Oslo, Norway). Их состояние регулируется факторами окружающей среды, оно изменяется при ишемии-реперфузии миокарда. Но искусственное устранение этих белков не вызвало заметных изменений структуры и функции сердца, что вероятно объясняется высокой адаптивной способностью растущего сердца.
Экспериментальная терапия
ДСН с сохранённой фракцией выброса – частое проявление таких заболеваний как гипертония, диабет и ожирение. Предпринимаются попытки воздействия на перечисленные выше факторы, определяющие диастолическую упругость миокарда.
В работе на изолированном волокне S.J. Sollie c коллегами (Oslo, Norway) выяснила: натрийуретические пептиды BNP и CNP, действуя через разные рецепторы, повышают активность цГМФ и фосфорилирование титина, причём CNP действовал сильнее. В отличие от предшествовавшей работы фосфорилирование титина не изменялось при ингибировании фосфодиэстеразы различными ингибиторами. В условиях электрической стимуляции и умеренного растяжения кардиомиоцитов только CNP достоверно снижал пассивное напряжение примерно на 25%. Авторы полагают: использование CNP для терапии диастолической сердечной недостаточности перспективно.
Попытки использовать нитрит или нитрат для снижения токсичности антрациклинов применили H.Jansova с коллегами (Prague, Chech Republic). Ни нитрат, ни нитрит в низкой дозе не смогли повлиять на кардиотоксичность, лишь нитрит в высокой дозе способствовал дожитию всех животных до контрольного срока, но кардиопротективный эффект был минимален. Основываясь на том, что дексразоксан - единственное клинически эффективное средство снижения кардиотоксичности доксорубицина, A.Jirkowska-Vavrova из того же коллектива использовали его метаболит ADR925, обладающий ЭДТА-подобными свойствами, для уменьшения кардиотоксичности даунорубицина на культуре неонатальных кардиомиоцитов. Хотя ADR925 успешно проникал черезсарколемму и связывал ионы Fe++, он не оказал защитного действия, в отличие от дексразоксана.
Общепризнана роль АФК в формировании патологии сердца и в частности ДСН. N.Kaludercic (Padova, Italy) сообщила: один из производителей АФК - моноамиоксидаза – фермент, локализующийся во внешней мембране митохондрий и окисляющий биогенные амины с образованием Н2О2. При диабетической кардиомиопатии с помощью обработки МРТ сканов выявили отчётливое повышение диастолической упругости миокарда в сочетании с повышенным накоплением АФК, а ингибирование активности моноаминооксидазы уменьшало оба параметра. Применение известного антиоксиданта NАС также снизило диастолическую упругость и улучшило расслабление изолированного сердца (O.Cazorla). Forkink (Glasgo, Scotland) сообщил о предотвращении развития ДСН при экспериментальном диабете под влиянием антигликирующего средства MitoGamide – дикарбонильного скэвенджера, проникающего в митохондрии благодаря наличию в молекуле иона трифенилфосфония. Этот препарат, даваемый ежедневно (1-20 мг/кг) в течение 3 месяцев, не повлиял на вес мышей, уровень глюкозы, количество гликированного гемоглобина и функциональные параметры сердца, но достоверно снизил диастолическую упругость миокарда, рассчитываемую по МРТ-сканам.
Содержание коллагена в миокарде больных ДСН повышено. В некоторых клинических исследованиях показано, что петлевые диуретики фуросемид и торасемид способны уменьшить степень фиброза, но только торасемид снижал диастолическую упругость миокарда и количество ковалентных связей в коллагене. При острой сердечной недостаточности или обострении ХСН способом терапии могут быть кальциевые синсетайзеры (Z.Rapp, Debrecen, Hungary). К числу таких веществ относится левосимендан, однако их применение при ХСН нежелательно в виду усугубления ДСН.
P.Kleinbongard (Essen, Germany) сообщил о применении удалённого прекондиционирования при подкожной или хирургической коронарной реваскуляризации. Но должный эффект возникал не всегда. Например, смена наркоза с изофлурана на пропофол значительно уменьшала защитное действие удалённого прекондиционирования. Также некоторые препараты могут изменить эффект, так, применение бета-адреноблокаторов или сульфонилмочевины снижает эффект прекондиционирования, в то время как статины увеличивают его, а нитроглицерин не влиял на эффект. Одним из потенциальных медиаторов эффекта может быть нитроксид, обильно выделяемый эндотелиальной синтазой при реперфузии конечности. В миокард он попадает в виде нитритов, где он может превращаться в нитроксид миоглобином, и последующее нитрозилирование белков митохондрий снижает интенсивность дыхания, уменьшает образование АФК и размер инфаркта (T.Rassaf, Dusseldorf, Germany). Плазма волонтёров, подвергнутых кратковременной ишемии руки, оказывала защитный эффект при ишемии-реперфузии изолированного сердца крысы.
Литература
1. Бакеева Л.Е., Цыплёнкова В.Г., Бескровнова Н.Н. Ультраструктура межмитохондриальных контактов кардиомиоцитов человека при алкогольной кардиомиопатии и ишемической болезни сердца. Архив патологии 1996, 58(2): 48-54.
2. Векслер В.И., Капелько В.И. Способность системы фосфокреатин-миофибриллярная креатинкиназа предотвращать ригорное напряжение миокардиальных волокон. Биофизика 1985, 30, 301-305.
3. В.И. Капелько. Диастолическая дисфункция. Кардиология 2011, 51 (1): 89-100.
Источник: журнал «Кардиологический Вестник», № 3, 2015.