CC BY
27
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМНОГО ВОСПАЛЕНИЯ ПРИ КАРДИОХИРУГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЯХ
Ю.Л. Шевченко, О.А. Азизова, Ю.И. Гороховатский, М.Н. Замятин УДК 616^02^16.12-089
Национальный медико-хирургический Центр им. Н.И. Пирогова
Изложены молекулярные механизмы развития системного воспалительного синдрома при кардиохирургических операциях. Представлена этиология и патогенез полиорганной недостаточности после вмешательств в условиях искусственного кровообращения.
MOLECULAR MECHANISMS OF SYSTEMIC INFLAMMATION IN CARDIOVASCULAR SURGERY
Yu.L. Shevchenko, O.A. Azizova, Yu.I. Gorokhvatsky, M.N. Zamyatin
Molecular mechanisms of systemic inflammation syndrome in cardiac surgery are presented. Etiology and pathogenesis of multi-organ failure after surgery in CPB conditions are discussed.
Воспаление - сложная реакция организма, возникающая в ответ на действие различных повреждающих факторов, в том числе и патогенных. Воспаление представляет собой защитно-приспособительную реакцию организма, которая сопровождается развитием как патологических, так и адаптивных реакций. При воспалении наблюдаются повреждение тканей, нарушения кровообращения, нервной системы, активируются процессы фагоцитоза и пролиферации.
Кардиохирургические операции инициируют развитие системного воспалительного синдрома (СВС) - неспецифической генерализованной воспалительной реакции организма на оперативное вмешательство. Следует отметить, что СВС является ответом организма на повреждение, инициируемое самой операцией. Его развитие не зависит от присутствия инфекции. Последнее вызывает утяжеление процесса.
Системный воспалительный синдром вызывает нарушение функции различных органов и может, в зависимости от интенсивности его протекания, привести к развитию послеоперационных осложнений - дисфункции миокарда, лёгких, почек, нервной системы, а также полиорганной недостаточности. Разработка методов защиты от развития системной воспалительной реакции и последующих послеоперационных осложнений вызвало необходимость исследования механизма протекания этих процессов. Рассмотрим современные представления на клеточно-молекулярном уровне о механизме развития СВС [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8].
СВС - сложный процесс. Он инициируется различными стимулами, которые в результате активируют факторы и клетки крови, а также клетки сосудов (рис. 1).
Стимулы, компоненты и медиаторы воспаления
Основными стимулами воспаления являются: контакт крови с чужеродной поверхностью; операционная травма; ишемия и реперфузия; эндотоксемия.
Эти факторы активируют компоненты крови: факторы свёртывания крови; комплемент; клетки крови (моноциты, лейкоциты, тромбоциты, эндотелиальные клетки).
Активированные клетки крови выделяют цитокины, активные формы кислорода и другие биологически активные соединения, которые наряду с компонентами комплемента С3а, С5а являются медиаторами последующих событий, которые регулируют процессы воспаления. Так, активированные моноциты секретируют фактор некроза опухоли (TNF), интерлейкины (IL-1, IL-8, IL-6), активные формы кислорода, нейтрофилы - активные формы кислорода, фактор некроза опухоли, интерлейкин-8 (IL-8), миелопероксидазу, протеазы, тромбоциты - серотонин, тромбоксан, фактор роста тромбоцитов (PDGF).
Стимулы
Контакт крови с чужеродной поверхностью Операционная травма Ишемия и реперфузия Эндотоксемия
Клетки крови
Моноциты Нейтрофилы Тромбоциты
\
Плазма
Свертывающая система Комплемент
Эндотелиальные клетки
АФК
*
Системный воспалительный синдром
Рис. 1. Схема инициирования и развития системного воспалительного синдрома. АФК - активные формы кислорода; 1-8 - интерлейкин 8; PDGF - фактор роста тромбоцитов; 1-1 - интерлейкин 1; Т^-а - фактор некроза опухоли а
Эндотелителиальные клетки при ишемии продуцируют активные формы кислорода, которые инициируют экспрессию на поверхности клеток молекул клеточной адгезии, с которыми взаимодействуют тромбоциты и лейкоциты. Экспрессия молекул клеточной адгезии происходит также под действием цитокинов и эндотоксинов.
Рассмотрим более подробно механизмы активации различных компонентов крови эндотелиальных клеток.
Система свертывания
Контактная система состоит из фактора XII (фактора Хагемана), прекалликреина, высокомолекулярного кининогена. Фактор XII при контакте с чужеродной поверхностью активируется с образованием фактора XIIa (рис. 2-2). Последний активирует прекалликреин с образованием калликреина. Калликреин расщепляет высокомолекулярный кининоген в брадикинин. Калликреин активирует фактор XII, комплемент, а также нейтрофилы. Фактор ХПа взаимодействует с фактором XI, что приводит к инициированию свёртывания по внутреннему пути (рис. 2), в результате чего образуются активированные факторы Х!а, IXa, тромбин, и превращение фибриногена в фибрин. Кроме того, из повреждённых тканей выделяется тканевой фактор TF, который принимает участие в активации внешнего пути свёртывания, и в комплексе с фактором VIIa активирует фактор Ха, образование тромбина и фибрина.
Активация комплимента
Комплемент при кадиохирургических операциях активируется в различные промежутки времени: при контакте крови с искусственной поверхностью; после введения протамина и образования протамин-гепари-нового комплекса; при ишемии и реперфузии.
Калликреин J Высоюмдтарный j фактор XIIa J
♦ —
Фактор Ха J
Фибриновыйтромб ) Коагуляция }
Рис. 2. Схема инициирования внутреннего пути свертывания с участием калликреина
Активаторами комплемента являются также эндотоксин, С-реактивный белок, апоптотические клетки.
Наблюдается активация комплемента по двум путям: классическому и альтернативному. Классический путь активируется несколькими факторами: контактом крови с искусственной поверхностью, ишемией и реперфузией, комплексом протамина с гепарином, С- реактивным белком. Активированный компонент комплемента С1 последовательно активирует С2 и С4 с последующим образованием комплекса С4Ь2а, который является С-конвертазой и расщепляет С3 на С3а и С3Ь. Альтернативный путь активируется контактной системой при ишемии и реперфузии, а также компонентом комплемента С3Ь. Последний с участием факторов В, D и пропердина участвует в реакциях расщепления С3 на С3а и С3Ь. На следующих этапах С3Ь, образующийся при активации классического и альтернативного путей, расщепляет С5 на С5а и C5b. С5Ь - первый компонент, инициирующий образование комплекса, включающего С6, С7, С8, С9, обозначающегося как комплекс С5Ь-С9.
Этот комплекс при взаимодействии с клетками образует поры в мембранах, что приводит к нарушению проницаемости для ионов и воды, их набуханию, лизису и в конечном итоге к гибели.
Компоненты комплемента действуют также на клетки крови: С3а, С5а являются анафилотоксинами, С5а активирует нейтрофилы и моноциты, С3Ь является опсонином, C5b-C9 активирует тромбоциты.
Моноциты
Моноциты активируются в процессе операции несколькими соединениями: компонентом комплемента С5а; брадикинином; тромбином; фактором 4 тромбоцитов; эндотоксином.
Активация моноцитов приводит к генерации и секреции из них ряда биологически активных соединений и ферментов. Моноциты являются источником цитокинов: фактора некроза опухоли -TNF; интерлейкина-1 ß - IL-1ß; интерлейкина-6 - IL-6; интерлейкина-8 - IL-8; интерлейкина-10 - IL10.
Цитокины взаимодействуют с нейтрофилами, эн-дотелиальными клетками сосудов и принимают таким образом участие в процессах воспаления. Кроме того, при активации моноциты генерируют активные формы кислорода: супероксидный радикал; гидроксильный радикал ОН-; перекись водорода; оксид азота NOv
Моноциты являются источником ряда ферментов: протеаз (эластаза, коллагеназа); миелопероксидазы; ли-зоцима; лактоферрина.
Выделяемые соединения взаимодействуют с клетками крови и эндотелиальными клетками, что приводит к их активации и изменениям в их метаболизме и развитию воспаления.
Тромбоциты
Тромбоциты являются активными участниками процессов свёртывания, которые активируются при опе-
рациях. Тромбоциты активируются различными соединениями, которые образуются при операции и выделяются другими клетками: тромбином; комплексом комплемента С5Ь-9; катепсином G; тромбоцитактивирующим фактором - PAF; АДФ.
Активация тромбоцитов этими соединениями инициирует каскад внутриклеточных реакций, которые приводят к выделению тромбоцитами ряда веществ: АДФ; серотонина; тромбоксана А2; фактора 4; фактора роста тромбоцитов PDGF; интерлейкина 1, интелейкина - 8.
АДФ, серотонин, тромбоксан вызывают дальнейшую агрегацию тромбоцитов и в присутствии фибриногена - агрегатов тромбоцитов, которые нарушают кровоток в микроциркуляторном русле. Фактор роста тромбоцитов и интерлейкин 1 (IL-1), интерлейкин 8 (IL-8) активируют нейтрофилы и эндотелиальные клетки, усиливая воспалительные процессы. Активированные тромбоциты экспрессируют Р-селектин, который имеет рецепторы на моноцитах и нейтрофилах- PSGL-1. Взаимодействие Р-селектина с рецепторами на нейтрофилах и моноцитах приводит к образованию агрегатов, которые нарушают микроциркуляцию.
Эндотелий
Эндотелий сосудов не является простым барьером, отделяющим клетку от внеклеточной среды, а имеет важное значение в функционировании клеток и органов. Эндотелий участвует в различных физиологических и патологических процессах. Эндотелий контролирует проницаемость клеток, вазодилатацию сосудов, регулирует свёртывание и тромбоз, проникновение лейкоцитов в очаг воспаления.
Оперативное вмешательство вызывает дисфункцию эндотелия. В этот период эндотелий подвергается действию ряда факторов: ишемии и реперфузии, которые стимулируют образование активных форм кислорода, генерируемых моноцитами и нейтрофилами; фактора С5а комплемента; тромбина; эндотоксина; фактора некроза опухоли TNF; интерлейкина-lß, IL-1 ß.
Это проявляется в уменьшении содержания фактора релаксации NO и продукции эндотелиальными клетками:
- вазоконстриктора эндотелина-1;
- факторов, активирующих свёртывание - тканевого фактора TF;
- ингибитора активатора плазминогена PAI-1;
- фактора, активирующего тромбоциты PAF;
- факторов, инициирующих воспаление - цитоки-нов- IL-1, IL-6, IL-8;
- молекул клеточной адгезии, участвующих во взаимодействии эндотелия с лейкоцитами и тромбоцитами (ICAM-1, VCAM-1, MCP-1, PECAM-1).
Известно, что эндотелий генерирует оксид азота NO, вызывающий эндотелийзависимую релаксацию сосудов. Активные формы кислорода, генерируемые при ишемии и реперфузии, а также поступающие из моно-
цитов и нейтрофилов, взаимодействуют с оксидом азота, уменьшая его содержание. В свою очередь, это приводит к нарушению процессов эндотелийзависимой релаксации (уменьшению способности сосудов к расслаблению). Кроме того, активные формы кислорода инициируют в эндотелиальных клетках клеточную сигнализацию - каскад реакций, активирующий ядерные факторы, вызывающие в ядре синтез факторов свёртывания и про-воспалительных цитокинов и молекул клеточной адгезии, о которых говорилось выше.
Следует отметить, что под действием цитокинов, освобождающихся из моноцитов и нейтрофилов, таких как IL-1 ß, фактор некроза опухоли TNF, компонентов комплемента С5а, тромбина и эндотоксина, в эндотелиальных клетках также происходит генерация молекул клеточной адгезии и цитокинов. Эти соединения также вызывают клеточную сигнализацию и генерацию активных форм кислорода, которые принимают участие в экспрессии молекул клеточной адгезии и цитокинов.
Нейтрофилы
Активация нейтрофилов и взаимодействие их с эндотелием являются процессами, играющими основную роль в развитии воспаления и повреждении тканей. В процессе операции лейкоциты активируются многими факторами: калликреином; фактором XIIa; компонентами комплемента С5а, C5b-9; гепарином; гистамином; фактором активации тромбоцитов-PAF; тромбоксаном А2; лейкотриеном В4; фактором некроза опухоли TNF; интерлейкинами - IL-1 ß, IL-8. При активации этими факторами нейтрофилы экспрессируют рецепторы CD-11b/CD18 (Mac-10), CD11a/CD18, которые связываются с молекулами клеточной адгезии, а также CD11c/CD18, связывающие фибриноген и компонент комплемента L-селектин.
Активированные нейтрофилы взаимодействуют с активированными эндотелиальными клетками. Этот процесс занимает центральное место в развитии воспаления и повреждении тканей. Как отмечалось выше, активированные эндотоксинами, ишемией, тромбином, цитоки-нами, комплементом, активными формами кислорода эндотелиальные клетки экспрессируют на своей поверхности молекулы, которые способствуют взаимодействию нейтрофилов с эндотелиальными клетками - Р-селектин, Е-селектин, молекулы клеточной адгезии - ICAM-1, VCAM-1, а также хемоаттрактант IL-8.
Процесс взаимодействия нейтрофилов с эндотелиаль-ными клетками протекает в несколько стадий (рис. 3).
1. Под действием хемоаттрактанта IL-8 лейкоциты начинают передвигаться к эндотелиальным клеткам.
2. После приближения к эндотелиальным клеткам нейтрофилы взаимодействуют с Р-селектином и Е-селектином на эндотелиальных клетках. Эти селектины взаимодействуют с лигандами PSGL-1 на нейтрофилах. Этот тип взаимодействия является слабым, что позволяет нейтрофилам перемещаться по поверхности эндотелиальных клеток.
3. На следующем этапе нейтрофилы с помощью своих рецепторов CD11b/CD18 присоединяются к молекулам клеточной адгезии на эндотелиальных клетках- 1САМ-1, ^АМ-1.Этот более сильный тип связывания позволяет нейтрофилам прочно присоединиться к эндотелиальным клеткам и мигрировать внутрь межэндотелиального пространства.
4. Связывание нейтрофилов с молекулами клеточной адгезии активирует лейкоциты, что приводит к генерации активных форм кислорода (супероксидного радикала, гидроксильного радикала, перекиси водорода), лейкотриенов, простагландинов. Кроме того, нейтрофилы секретируют протеазы-эластазы, коллагеназы, кислые гидролазы, ферменты (лизоцим, миелопероксидазу, которая генерирует гипохлорит). В результате выделяемые нейтрофилами вазоактивные и цитотоксические субстанции и протеолитические ферменты инициируют процессы воспаления и повреждение тканей. Циркуляция этих соединений в кровотоке может привести к развитию системного воспалительного ответа.
Иетерстициальное пространство
Рис. 3. Схема взаимодействия нейтрофилов с эндотелиальными клетками
Гипоксия и реперфузия при кардиохирургических операциях
Гипоксия - состояние, которое возникает вследствие недостаточного обеспечения тканей кислородом. Гипоксия развивается при нарушении доставки кислорода тканям или при нарушении его усвоения дыхательными системами клеток.
Гипоксия и последующая реоксигенация являются патофизиологическим процессом, который возникает при сердечно-сосудистых заболеваниях, инфарктах, инсультах, хирургических вмешательствах. Развитие гипоксии и последующая реоксигенация вызывают существенные изменения в метаболизме клеток - активируют ряд патологических процессов, приводящих к нарушению функции органов. Следует отметить, что при кардиохирургических операциях ишемическому и реперфузионному повреждению подвергаются все органы. Поэтому эти процессы вносят существенный вклад в развитие СВС.
Основные стадии развития патологического процесса при гипоксии и регенерации
Основные события, которые протекают при ишемии и реперфузии и приводят к нарушению функционирования клеток и органов [9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]. В общем виде они выглядят так:
1. Недостаток кислорода приводит к угнетению синтеза АТФ в митохондриях. В результате этого наблюдается торможение цикла трикарбоновых кислот и дефицит богатых энергией соединений. Эти явления приводят к активации гликолиза, накоплению молочной кислоты, что приводит к понижению рН среды, ацидозу.
2. Дефицит АТФ вызывает снижение ^-окисления жирных кислот, торможение ресинтеза липидов, что сопровождается накоплением жирных кислот.
3. Следствием уменьшения содержания АТФ является нарушение функционирования транспортных систем: Са2+-АТФ-азы, удаляющей ионы Са2+ из цитоплазмы, №+, К+-АТФ-азы, регулирующих содержание ионов №+ и К+ в клетке. В свою очередь, это вызывает деполяризацию мембраны, нарушение распределения ионов в клетке: повышение содержания ионов Са2+, №+, снижению содержания К+.
4. При ацидозе и повышенном содержании ионов Са2+ происходит активация протеаз и фосфолипаз, разрушающих белки и липиды клетки.
5. Гипоксия инициирует генерацию активных форм кислорода и интенсификацию свободнорадикальних процессов, играющих ключевую роль в развитии нарушений в организме при гипоксии.
6. Ишемия и реперфузия вызывают дисфункцию эндотелия сосудов: наблюдается уменьшение эндотелий-зависимой релаксации.
7. В клетках происходит активация факторов транскрипции АР-1, ОТ-кВ, приводящая к синтезу цитокинов и экспрессии молекул адгезии (1САМ-1, ^АМ-1), Р-се-лектина.
8. При реперфузии лейкоциты, за счёт взаимодействия с молекулами адгезии присоединяются к эндотелию, что вызывая их активацию и генерацию активных форм кислорода.
9. В итоге наблюдается нарушение функции клеток, развиваются процессы апоптоза и некроза.
Гипоксия и реперфузия инициируют образование свободных радикалов, играющих ключевую роль в формировании патогенетической цепи ишемического повреждения органов [9, 10].
Источники образования активных форм кислорода при гипоксии и реперфузии
Ишемия и последующая реперфузия приводят к активации систем, образующих активные формы кислорода в клетках. В результате этого развивается «оксидативный стресс».
Источниками АФК являются ксантиноксидаза, митохондрии, НАФН-оксидаза, NO-синтаза, соединения,
содержащие ионы железа, такие как феррилгемоглобин, ферритин, окисление катехоламинов. Возникшие активные радикалы, будучи реакционноактивными частицами, взаимодействуют с компонентами клеток: белками, липидами, нуклеиновыми кислотами, что приводит к нарушению структуры и функции клеток. Следует отметить, что свободные радикалы играют ключевую роль в нарушении функции клеток, развитии последующих воспалительных реакций, апоптозе и некрозе, которые развиваются при гипоксии и реоксигенациии.
C5b-C6-C9 - компоненты комплемента; PDGF - фактор роста тромбоцитов; TGF - трансформирующий фактор роста; IL - интерлейкин; MPO - миелопероксидаза; PAF - тромбоцитактивирующий фактор; TNF - факто некроза опухоли; NO - оксид азота; ICAM-1 - молекула адгезии; АДФ - аденозиндифосфат; АФК - активные формы кислорода.
Таким образом, при действии факторов, возникающих при кардиохирургических операциях (контакт крови с чужеродной поверхностью, травма, ишемия и реперфузия, эндотоксемия), происходит активация свёртывания и комплемента и клеток крови. Клетки крови-тромбоциты, нейтрофилы, моноциты активируются также компонентами комплемента и свёртывания. Клетки крови выделяют биологически активные соединения, вызывая различные реакции в клетках сосудов. Тромбоциты выделяют серотонин, тромбоксан А2, фактор роста, нейтрофилы - активные формы кислорода, миелоперок-сидазу, протеазы, фактор, активирующий тромбоциты, моноциты - фактор некроза опухоли, интерлейкины 1 и 8 (рис. 4).
В клетках сосудов при действии ишемии и репер-фузии генерируются активные формы кислорода. В эндотелиальных клетках активные формы кислорода взаимодействуют с оксидом азота с образованием перок-синитрита. Уменьшение содержания оксида азота за счёт
его взаимодействия с активными формами кислорода приводит к вазоконстрикции и нарушению кровообращения. Кроме того, под действием активных форм кислорода и цитокинов и факторов роста, выделяемых клетками крови, на эндотелиальных клетках экспрессиру-ются молекулы клеточной адгезии, способствуя проникновению моноцитов, нейтрофилов и в эндотелиальные клетки и вызывая их дальнейшее повреждение. В итоге перечисленные выше процессы приводят к дисфункции эндотелия, нарушению кровообращения и развитию СВС.
Литература
1. Edmunds L.H. Inflammatory response to cardiopulmonary bypass // Ann. Thorac. Surg. - 1998. - Vol. 66, № 1. - P. 12-16.
2. Nieman G., Searles B., Carney D. et al. Systemic inflammation induced by cardiopulmonary bypass: a review of pathogenesis and treatment // J. Exra-Corporeal Technol. - 1999. - Vol. 31, № 4. - P. 12-18.
3. Paparella D., Yau T.M., Young E. Cardiopulmonary bypass induced inflammation: pathophysiology and treatment. An update //Eur. J. Cardio-thoracic Surg. - 2002.
- Vol. 21, № 2. - P. 232-244.
4. Wartier D.C., Laffey J.G., Boylan J.F. et al. The systemic inflammatory response to cardiac surgery. Implications for the anesthesiologist // Anesthesiology. - 2002.
- Vol. 97, № 1. - P. 215-252.
5. Menasche P., Edmunds L.H. The inflammatory response // Extracorporeal circulation / Ed. By Cohn L.H., Edmunds L.H. - New York: McGraw-Hill., 2003. - P. 349-360.
6. Asimakopoulos G. Mechanisms of the systemic inflammatory response // Perfusion. - 1999. - Vol. 14, № 2. - P. 269-277.
7. Mentzer R.M. Myocardial protection // Extracorporeal circulation / Ed. By Cohn L.H., Edmunds L.H. - New York: McGraw-Hill., 2003. - P. 413-438.
8. Asimakopoulos G., Smith P.L., Ratnatunga C.P., Taylor K.M. Lung injury and acute respiratory distress syndrome after cardiopulmonary bypass // Ann. Thorac. Surg. - 1999. - Vol. 68, № 4. - P. 1107-1115.
9. Меерсон Ф.З. Патогенез и предупреждение стрессорных и ишемических повреждений сердца. М.: «Медицина», 1984.
10. Биленко М.В. Ишемическое и реперфузионное повреждение органов. М.: «Медицина», 1989.
11. Kourie J.I. Interaction of reactive oxygen species with ion transport mechanisms // Amer. J. Physiol Cell Physiol. - 1998. - Vol. 275, № 1. - P. 1-24.
12. Coppock E.A., Martens J.R., Tamkun M.M. Molecular basis of hypoxia-induced pulmonary vasoconstriction: role of voltage-gated K+ channels // Amer. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol. - 2001. - Vol. 281, № 1. - P. 1-12
13. Domingos C.K., Deshpande S.S., Irani K., Alevriadou B.R. Adhesion of flowing monocytes to hypoxia-reoxygenation-exposed endothelial cells: role of Rac1, ROS, and VCAM-1 // Amer. J. Physiol. Cell Physiol. - 2002. - Vol. 283, № 1. - P. 93-102.
14. Cooper D., Chitman K.D., Williams M.C., Granger D.N. Time-dependent platelet-vessel wall interactions induced by intestinal ischemia-reperfusion // Amer. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. - 2003. - Vol. 284, № 6. - P. 1027-1033.
15. Salter J.W., Krieglstein C.F., Issekutz A.C., Granger D. N. Platelets modulate ischemia/reperfusion-induced leukocyte recruitment in the mesenteric circulation // Amer. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 2001. - Vol. 281, № 6. - P. 14321439.
16. Cytokines and Cell Adhesion Molecules in Cerebral Ischemia. Experimental Bases and Therapeutic Perspectives // Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Bio.
- 1998. - Vol. 18, № 3. - P. 503-513.
17. Seema O Brij, Andrew J Peacock Cellular responses to hypoxia in the pulmonary circulation. Occasional review // Thorax. - 1998. - Vol. 53, № 6. - P. 1075-1079.
18. Li C., Jackson R.M. Reactive species mechanisms of cellular hypoxia-reoxygenati-on injury // Amer. J. Physiol. Cell Physiol. - 2002. - Vol. 282, № 2. - P. 227-241.
19. Semenza G.L. Oxygen-regulated transcription factors and their role in pulmonary disease // Respir. Res. - 2000. - Vol. 1, № 3. - P. 159-162.
Рис. 4. Схема развития системного воспалительного синдрома
