БРОНХОЛЕГОЧНЫЕ ПАТОЛОГИИ I БРОНХОЛЕГОЧНЫЕ ПАТОЛОГИИ
Многие бронхолегочные патологии (пневмонии, астма, эмфизема, саркоидоз и др.) в той или иной степени связаны с развитием окислительного стресса. Особое положение, которое занимает эпителий легкого в отношении организма с насыщенной кислородом внешней средой, делает его объектом токсического действия радикалов экзогенного и эндогенного происхождения.
Острые респираторные заболевания являются главной причиной детской смертности: от пневмонии ежегодно в мире умирает более 4 млн детей. В последние десятилетия наблюдается рост числа хронических неспецифических заболеваний легких, в настоящее время они занимают 3-е место среди причин смертности, в северных регионах на них приходится 2/3 всех дней нетрудоспособности [192]. Заболеваемость прямо коррелирует с загрязнением атмосферы сильными окислителями (NO, NO2, CO, О3, альдегиды), пылевыми частицами, аллергенами, а также с воздействием экстремальных климатических факторов [58, 207, 1186]. Развитие окислительного стресса и деструктивное воздействие свободнорадикального окисления может являться важной причиной хронизации патологического процесса в легких [143] (рис. 24).Источниками образования АКМ в легких могут выступать как внешние факторы, так и внутриклеточные метаболические процессы (табл. 15).
Ингаляция атмосферных прооксидантных поллютантов, таких как озон, окислы азота, автомобильный или сигаретный смог, индуцирует окислительные процессы как в поверхностном слое бронхоальвеолярного секрета, так и в эпителии легкого [1783]. Поллютанты могут быть также источником каталитически активных ионов металлов переменной валентности. Так, воздействие асбестовой пыли на альвеолярные макрофаги крыс приводит к Fe-зависимой (ингибируется хелаторами) индукции синтеза цитокинов (интерлейкин-1 и ФНО), при этом источником ионов железа выступают частицы асбеста [1519]. Протеазы и эластаза из микроорганизмов семейства Pseudomonas модифицируют трансферрин в железосодержащий комплекс, способный разлагать Н2О2 с образовани-
Рис.
24. Механизмы возникновения дисбаланса в системе «прооксиданты — антиоксиданты» в легких [143]Таблица 15
Источники наработки АКМ в легких
| Экзогенные | Эндогенные |
| Атмосферные поллютанты: | Альвеолярные макрофаги |
| Альдегиды | Гранулоциты |
| Озон | Внутриклеточные органеллы: |
| Окислы азота | Микросомы |
| Сигаретный дым | Пероксисомы |
| Аэробные бактерии | Митохондрии |
| Ксенобиотики |
ем ОН-радикала, такие комплексы могут индуцировать повреждение эндотелия сосудов в легких при инфекциях [1150]. Целый ряд экзогенных агентов становятся токсичными в результате появления радикалов в процессе их метаболизма, такие агенты также могут выступать причиной повреждения легких. Классическими радикал-повреждающими ксенобиотиками являются гербицид паракват, противоопухолевый антибиотик блеомицин, противомикробный препарат нитрофурантоин [1102].
Прооксидантные поллютанты могут индуцировать или обострять развитие воспалительного процесса в легких. Гидроперекиси и кислородные радикалы активируют в легких фосфолипазу А и синтез эйкозаноидов [431, 1131], а также хемотаксических пептидов и цитокинов, которые вызывают выход и активацию фагоцитирующих клеток [299]. Повреждение клеток эпителия озоном также индуцирует развитие воспаления [1330]. Супероксидный анион и перекись водорода постоянно образуются во внутриклеточных метаболических процессах, таких как окислительное фосфорилирование в митохондриях, микросомальное окисление или работа оксидаз в пероксисомах. В условиях гипероксии или воздействия атмосферных поллютантов клеточные органеллы митохондрии и микросомы становятся эффективными источниками АКМ [1271, 1661].
В эпителиальных клетках легких у человека и животных выявляется высокое содержание ксантиндегидрогеназы [927]. В условиях действия на легкие сильных прооксидантов, таких как озон, происходит окисление сульфгидрильных групп фермента, и ксантиндегидрогеназа переходит в оксидазную форму, которая также может быть достаточно мощным источником АКМ [1271]. При действии гипероксии и внешних газообразных прооксидантов в первую очередь повреждаются эпителиальные клетки (пневмоциты I типа), которые тонким слоем выстилают поверхность легких [614, 1358].У больных с неспецифическими заболеваниями легких (бронхиты, пневмонии, бронхиальная астма) наблюдается усиление радикальных окислительных процессов в легочной ткани, интенсификация процессов ПОЛ в сыворотке крови и снижение антиокислительной активности. Это проявляется в усилении спонтанной и индуцированной хемилюминесценции сыворотки крови [143], увеличении в клетках крови и плазме продуктов ПОЛ: диеновых конъюгатов, МДА, шиффовых оснований [55]. У больных с диффузными фиброзными альвеолитами показано повышение в бронхоальвеолярном лаваже содержания окисленных остатков метионина, которое коррелировало с содержанием в лаваже нейтрофилов [316]. Активность процессов ПОЛ, по-видимому, увеличена и в тканях легкого, что выявляется при анализе газообразных продуктов. Так, у больных рецидивирующим бронхитом детей в 2,3 раза повышена индуцированная перекисью водорода хемилюминесценция конденсата выдыхаемого воздуха [215]; с помощью газовой хроматографии также выявляется повышение содержания газообразных продуктов ПОЛ (пентана) [1680].
При воспалительных процессах в легких продукты ПОЛ влияют на липидный состав и структурные свойства клеток, а также на их энергетику посредством прямого действия на процессы окислительного фосфорилирования в митохондриях [190]. В организме человека легкие являются основным местом секвестрации и элиминации зрелых гранулоцитов, кроме того, в защитную систему слизистой поверхности легких вовлечен обширный пул макрофагов.
Поэтому в развитии окислительного стресса и окислительных повреждений при бронхолегочных заболеваниях важная роль принадлежит фагоцитирующим клеткам [141, 614, 711]. В легких выделяют три класса макрофагов [141]: первый, наиболее обширный класс — альвеолярные макрофаги, находящиеся на поверхности и в полости альвеол; в полости бронхов присутствуют макрофаги воздухоносных путей; третья разновидность клеток — макрофаги интерстиции легкого. Альвеолярные макрофаги — гетерогенная популяция, состоящая главным образом из непролиферирующих клеток — потомков моноцитов крови, прошедших дифференцировку в интерстиции легкого. Вместе с тем показано, что небольшая часть (около 0,5 %) альвеолярных макрофагов, которая при экстремальных и патологических состояниях (курение, воспаление) может увеличиваться в десятки раз, обладает способностью к делению и может служить источником поддержания пула альвеолярных клеток при моноцитопениях [337, 1513]. При цитологических исследованиях среди альвеолярных макрофагов обнаруживаются как малодифференцированные, похожие на моноциты, клетки диаметром около 12 мкм, так и большие многоядерные клетки диаметром более 40 мкм; по своим функциональным показателям клетки также очень сильно различаются [141, 1513].Считается, что альвеолярные макрофаги «адаптированы» к кислородным условиям, результатом такой адаптации является низкий уровень (в среднем на порядок меньше, чем у нейтрофилов, моноцитов и перитонеальных макрофагов) генерации АКМ в ответ на стимуляцию бактериями, неорганическими частицами или биологически активными соединениями [37, 60, 683]. Так, при действии ФМА (25 нг/мл) альвеолярные макрофаги человека продуцируют 3 ± 1,8 нмоль/(106 клеток х 60 мин) перекиси водорода, моноциты — 13 ± 2,8 нмоль/(106 клеток х 60 мин), а гранулоциты — 17 ± 3,1 нмоль/(106 клеток х 60 мин) [645]. При стимуляции бактериями интенсивность хемилюминесценции альвеолярных макрофагов кролика составляла 2 · 103 импульсов, перитонеальных макрофагов — 5 · 104 импульсов, а нейтрофилов — 105 импульсов [246].
При этом макрофаги содержат мало миелопероксидазы, ответственной за образование реакционных гипогалогенитов. Кроме того, в экспериментальных исследованиях было показано, что в условиях окислительного стресса, индуцированного гипероксией или действием химических соединений, таких как паракват, трет-бутилгидропероксид, оксиды ванадия, наблюдается «адаптация» и снижение метаболической активности альвеолярных макрофагов и наработки O2 в ответ на стимул [614, 1588]. В то же время основную часть энергии альвеолярные макрофаги получают за счет окислительного фосфорилирования и имеют хорошо развитый аппарат митохондрий, которые в отсутствие стимуляторов являются основным источником АКМ в данных клетках, при этом гораздо более мощным, чем в перитонеальных макрофагах [590, 704].Несмотря на то, что среди фагоцитирующих клеток альвеолярные макрофаги обладают самой низкой активностью NADPH-оксидазы, тем не менее их считают одним из основных источников образования АКМ в легких, так как в нормальных условиях клетки бронхоальвеолярной жидкости на 90 % представлены макрофагами, что примерно на два порядка выше содержания гранулоцитов (около 2 %), обладающих значительно большим окислительным потенциалом [992]. Низкое содержание гранулоцитов в ла- важной жидкости определяется их малым временем полужизни, около 2 часов [478], в то время как время жизни альвеолярных макрофагов более 30 дней.
Активация фагоцитов в легких может быть вызвана воздействием целого ряда внешних факторов, таких как пыль, табачный дым или другие загрязнители атмосферы [58, 1126, 1358]. Исследованиями было установлено, что в верхних дыхательных путях человека задерживаются пылинки размером до 150 мкм, в трахеях — до 20 мкм, эти частицы удаляются преимущественно за счет мукоцеллюлярного клиренса; частицы менее 7 мкм проникают в альвеолы и накапливаются там, их секвестрация осуществляется бронхоальвеолярными фагоцитами [1186, 1513]. Наличие в легких от 2 до 5 г кварцевой пыли вызывает силикоз, а для развития прогрессирующего массивного фиброза необходимо от 20 до 50 г угольной пыли.
Попадая в легкие, частицы пыли активируют фагоцитирующие клетки и индуцируют высвобождение цитотоксических форм АКМ, при этом большое значение имеет химическая природа частиц. Так, кварцевая пыль размером до 5 мкм индуцировала в макрофагах преимущественно быстрое (5—10 минут) образование O2 [100], в то время как асбестовая пыль — крокидолит — индуцировала главным образом наработку ОН-ра- дикала и обладала большей цитотоксичностью и мутагенностью [199]. Фагоцитоз пыли альвеолярными макрофагами приводит к значительному усилению миграции грануло- цитов в легкие, активация последних, помимо образования O2 и H2O2, сопровождается высвобождением миелопероксидазы и образованием высокореакционных гипогалоге- нитов [59, 909]. Усиление наработки АКМ в легких может быть вызвано эндогенными иммунными комплексами или цитокинами. Так, воздействие на альвеолярные макрофаги крыс и эпителиоциты II типа интерферона-γ, ФНО-α, ИЛ-1, липополисахаридов и иммунных комплексов приводит к индукции индуцибельной NO-синтазы и синтезу NO-радикала [1723]. У людей с хроническими обструктивными заболеваниями существенно повышено содержание NO-радикалов в выдыхаемом воздухе [491].
Под действием прооксидантных факторов загрязнения атмосферы в организме, как правило, наблюдаются изменения, характерные для окислительного стресса. При этом поллютанты оказывают как прямое токсическое действие на клетки [248, 1213] и ткань легкого в целом [1287, 1358] и активируют процессы ПОЛ [468], так и опосредованно, индуцируя прооксидантные изменения внутренней среды организма [467, 1360]. Так, показано, что двуокиси серы (SO2) и азота (NO2) индуцируют повреждение эпителиальных клеток легкого и снижают мукоцеллюлярный транспорт у собак [1085, 1086]. У курильщиков в 2 раза повышена спонтанная биохемилюминесценция плазмы крови [1821], увеличено содержание продуктов ПОЛ в сыворотке (уровень МДА повышен в 1,5—2 раза) и снижено содержание антиоксидантов [847, 1351] (так же как и у пассивных курильщиков [1647]), показана интенсификация внутри- и внеклеточного образования АКМ гранулоцитами крови в ответ на хемотаксические факторы, определяемого по хемилюминесценции с люцигенином [259], а также двукратное повышение зимозан-индуцированной хемилюминесценции с люминолом [847]; сигаретный дым усиливает адгезию лейкоцитов к эндотелию [1003]. Причиной активации нейтрофилов периферической крови под действием токсичных соединений табачного дыма, по-видимому, является активация С5 фракции белков системы комплемента [847, 1003]. У курильщиков, а также при бактериальных инфекциях значительно (в 10 раз) увеличивается содержание альвеолярных макрофагов, повышается их метаболическая активность и, соответственно, роль в окислительных повреждениях [337, 598, 1029]. Аналогичное усиление окислительного потенциала альвеолярных макрофагов и моноцитов наблюдается у больных бронхиальной астмой в течение 48 часов после провокации антигеном [401, 477].
В отличие от альвеолярных макрофагов созревание гранулоцитов и формирование их микробицидного потенциала происходит в костном мозге. Гранулоциты являются инициаторами воспалительного процесса: первыми проникая в очаг повреждения, они вызывают усиление радикальных окислительных процессов за счет высокого уровня генерации АКМ, а также высвобождают большое количество протеолитических ферментов. Деструктивная роль гранулоцитов особенно ярко проявляется при воспалительных процессах в легких, являющихся основным местом их секвестрации [99, 141, 711]. Кроме того, в легких гранулоциты работают в условиях высокого содержания кислорода, и метаболическая активность клеток не лимитируется содержанием О2 [570]. Считается, что гранулоциты выполняют ключевую деструктивную роль в развитии экссудативно-деструктивных воспалительных процессов в легких и в формировании «порочного круга» (см. рис. 24) [99, 143]. Макрофаги, гранулоциты и моноциты в легких находятся во взаиморегуляторных отношениях [992]: так, альвеолярные макрофаги синтезируют нейтро- фил-активирующий фактор с молекулярной массой около 6 кДа [1304], а нейтрофилы синтезируют вещества, усиливающие метаболическую активность макрофагов [550].
Исследование активности дыхательного «взрыва» клеток альвеолярного лаважа (по хемилюминесценции с люминолом при стимуляции опсонизированным зимоза- ном) у больных с бронхиальной астмой выявило существенное увеличение спонтанной и индуцированной хемилюминесценции, которое коррелировало с содержанием в лаваже эозинофилов [477] и частотой приступов удушья [512, 833]. У больных с хроническим бронхитом продукция O2 альвеолярными макрофагами была снижена в 100 раз при стимуляции ФМА и в 25 раз — при стимуляции зимозаном [1079]. При саркоидозах хемилюминесценция гранулоцитов, моноцитов и альвеолярных макрофагов, выделенных из бронхоальвеолярного лаважа, была повышена [304]. Причины изменения метаболической активности альвеолярных фагоцитов во многом неясны; в качестве таких причин может выступать примирование клеток в результате действия целого ряда факторов [366, 550], их деактивирование в условиях окислительного стресса [614, 1588], или под действием сурфактанта, ингибирующего дыхательный «взрыв» в фагоцитах [414, 645, 1732].
Изучение метаболической активности гранулоцитов периферической крови показало 3—10-кратное увеличение спонтанного свечения с люминолом выделенных гранулоци- тов крови и в образцах цельной крови при острых пневмониях [17], повышение интенсивности дыхательного «взрыва» полиморфноядерных лейкоцитов в ответ на зимозан [143, 396], возрастание хемилюминесценции эозинофилов, индуцированной фактором активации тромбоцитов и форболмиристатацетатом [439]. Вместе с тем в экспериментальных исследованиях было выявлено, что в условиях гипероксии интенсивность дыхательного «взрыва» гранулоцитов крови в ответ на зимозан, определяемая по хемилюминесценции с люминолом, не изменяется [145], в то же время спонтанное свечение полиморфноядерных лейкоцитов было снижено [320]. Интересно отметить, что воздействия, усиливающие метаболическую активность гранулоцитов [320] и макрофагов [1079] в бронхоальвеолярном лаваже, защищали ткань легкого от окислительного повреждения — очевидно, индуцируя некую ригидность фагоцитирующих клеток, благодаря которой они выходят в альвеолы и бронхи, не реализовав свой окислительный потенциал [320].