Окислительный стресс – глобальная проблема медицины критических состояний. Часть 1

Часть первая: Патофизиология окислительного стресса. Антиоксиданты-антигипоксаты

Профессор, академик РАЕН и МАНЭБ Назаров. И.П.

Перейти ко второй части (собственные исследования)

Окислительный стресс определяется как неустойчивое состояние в организме между прооксидантами и антиоксидантами. Прооксидантные факторы включают все элементы, которые играют активную роль в повышенном образовании свободных радикалов или других реактивных видов кислорода. В этих процессах участвуют как клеточные механизмы (специфические ферменты, дефекты в митохондриальном дыхании), так и экзогенные факторы (радиация, курение, загрязнение воздуха, заболевания, травмы, операции, лекарства и другое). Поскольку образование производных кислорода и уровень антиоксидантной защитной системы организма приблизительно сбалансированы, то легко сдвинуть баланс в пользу производных кислорода и нарушить биохимию клетки. Эта диспропорция называется окислительным стрессом.

Окислительный стресс является патогенетической основой критических состояний, изменения проницаемости клеточных мембран, функционирования мембраносвязанных ферментов и, в конечном итоге, приводит к тяжелым нарушениям клеточного метаболизма (С.С.Белоусов с соавт., 1998).

Фотоизображение клеток при помощи конфокального микроскопа

Здоровая клетка  Белковые агрегаты, образующиеся в клетках

при окислительном процессе

Рис. 1. Патологическая роль окислительного стресса 

Причиной развития окислительного стресса (ОС) является накопление в организме избытка свободных радикалов. Короткоживущие нестабильные радикалы это небольшие молекулы ОН гидроксил радикал 02– – и большие радикальные молекулы, несущие так называемый центрированный радикал, в котором неспаренный электрон локализован около какого-либо атома этой молекулы (углерод-центрированные радикалы R-CH2-СН -CН2... или углерод-кислород-центрированные радикалы R-00 ) кислорода. Долгоживущие стабильные радикалы, когда неспаренный электрон делокализован между многими атомами (аскорбат-радикал, радикалы коэнзима Q, токофероксил-радикал).

Стабильность центрированного радикала зависит от положения окружающих его химических групп в молекуле. Так, например, некоторые нитроксильные радикалы, хотя и имеют не делокализованный электрон у атома кислорода, но стабильны благодаря наличию СН3-групп, которые «экранируют» радикальный центр от контакта с другими молекулами.

Сталкиваясь с молекулой, свободный радикал отрывает от нее атом водорода (рис.2). Образуется валентно насыщенная молекула, которая превращается в свободный радикал. Он может оторвать атом водорода от другой молекулы или прореагировать с другим радикалом или молекулой кислорода. Пероксидный радикал ROO отрывает атом водорода от другой молекулы и образуется органический пероксид ROOH. Эта вырожденная цепная реакция называется ПРОЦЕССОМ АВТООКИСЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ ИЛИ СВОБОДНО-РАДИКАЛЬНЫМ ОКИСЛЕНИЕМ (СРО).

Рис. 2. Свободно-радикальное окисление

Базисными механизмами патологии при любых критических состояниях являются свободно-радикальные процессы и изменения свойств биомембран клеток. При ишемии тканей, особенно мозга и миокарда, главная патологическая роль свободных радикалов заключается в том, что они активно взаимодействуют с молекулами, формирующими нейрональные и внутриклеточные мембраны. Повышается вязкость мембран, утрачивается их пластичность и функциональное состояние.

Восстановление кровотока в ранее ишемизированных тканях также представляет определенную опасность. Реперфузия обуславливает многократное повышение парциального давления кислорода с дальнейшим повышением свободно-радикальных процессов. При этом повреждается эндотелий капилляров, антикоагулянтная активность которых трансформируется в прокоагулянтную.

Лейкоциты и тромбоциты вследствие увеличивающейся адгезии закупоривают церебральные капилляры. Усугубляется этот процесс и увеличением ригидности эритроцитов, что резко усиливает нарушение оксигенации тканей, особенно мозга. Угнетаются процессы фибринолиза крови, расширяется зона повреждения тканей, инфаркта мозга, усиливается отек мозга. Имеется прямая зависимость между накоплением продуктов ПОЛ и тяжестью поражения мозга и других тканей. Наряду с этим активируются гены, ответственные за программированную гибель клетки – апоптоз.

Универсальные патогенетические механизмы патологических состояний:

1. Чрезмерное, неконтролируемое эндогенной антиоксидантной системой (АОС) усиление процессов ПОЛ.

2. ГИПОКСИЯ – недостаточное снабжение или потребление кислорода клетками и тканями организма. При этом гипоксия и ПОЛ усиливают взаимно друг друга, что ведет к нарушениям энергетических и метаболических процессов в клетках и тканях (рис.3).

Причины инициации (усиления) ПОЛ:

1. Стресс (любого происхождения);
2. Ишемия;
3. Гипоксия;
4. Реперфузия тканей (реперфузионный синдром);
5. Воспаление (асептическое или бактериальное);
6. Недостаточная активность физиологической антиоксидантной системы (относительная или абсолютная).

Основные патологические процессы, инициируемые чрезмерной активацией ПОЛ:

I. КЛЕТОЧНО-ТКАНЕВОЙ УРОВЕНЬ:

1. Ишемия;

2. Гипоксия;

3. Мембранопатия:

• нарушение проницаемости клеточной мембраны и мембран клеточных органелл
• чрезмерное накопление свободных радикалов внутри клетки;
• выход лизосомальных ферментов внутрь клетки;
• накопление внутри клетки ионов Са++;

4. Апаптоз и некроз клеток;

5. Нарушение клеточной рецепции;

6. Энергетические и метаболические нарушения.

II. ОРГАНЫ И СИСТЕМЫ:

1. Функциональные нарушения;

2. Органическая патология.

Рис. 3. Окислительный стресс при гипоксии

Конечно, в организме существует эндогенная антиоксидантная система, но при критических уровнях гипоксии и ПОЛ она несостоятельна. Антиоксидантнаясистема (АОС) организма состоит из ферментов и водорастворимых, и жирорастворимых субстратов. Главным механизмом антиоксидантной защиты в естественных условиях является фермент супероксиддисмутаза (СОД), оксидность которой позволяет инактивировать свободные радикалы в месте образования, не допуская их диффузии.

Большинство клеток может переносить умеренную степень окислительного стресса благодаря тому, что они обладают репаративной системой, выявляющей и удаляющей поврежденные окислением молекулы, которые затем заменяются. Кроме того, клетки могут повысить свою антиоксидантную защиту в ответ наокислительный стресс. Однако при выраженном окислительном стрессе все молекулы живых организмов (липиды, белки, нуклеиновые кислоты и углеводы) могут быть потенциальными мишенями окислительного повреждения.

Поскольку формирование тканевой гипоксии, ПОЛ, митохондриальная дисфункция признаны пусковым звеном развития типового патологического процесса, использование антигипоксантов и антиоксидантов патогенетически обосновано при любой острой патологии.

Термин "антиоксиданты" появился ещё в 60-х годах XX века благодаря исследованиям Б. Н. Тарусова (1954), Н. М. Эмануэля (1963). Б. Н.Тарусов установил роль липидов, особенно ненасыщенных жирных кислот, как одного из основных субстратов биохимических процессов, провел скрининг радиозащитного влияния цистеина, глутатиона, тиомочевины. Н. М. Эмануэль и его ученики не только определили механизм действия антиоксидантов, но также дали определение антиоксидантов как соединений, угнетающих развитие свободнорадикального окисления.

Препараты антиоксиданты – это лекарственные средства различного химического строения, тормозящие или блокирующие процессы свободнорадикального окисления и/или способствующие увеличению в организме уровня веществ с антиокислительным действием (рис. 4).

По своим химическим свойствам антиоксиданты (АО) подразделяются на 2 группы: “ловушки радикалов”, непосредственно взаимодействующие сосвободными радикалами и “скавенжеры” (уборщики), разлагающие продуктысвободно – радикального окисления (СРО) с их последующей инактивацией и утилизацией.

Рис. 4. Механизм действия антиоксидантов

Разработано и изучается в настоящее время большое количество препаратов с антигипоксантными-антиоксидантными свойствами (мексидол, цитофлавин, танакан, актовегин, кортексин, цитофлавин, ПК-мерц, аминалон, цераксон, эспалипон, церебро и др.). Многие из них уже показали свою высокую эффективность у реанимационных больных, особенно в нейрореаниматологии (это отдельная тема). Однако в научном плане ОС, его значимость в критических состояниях и коррекция антиоксидантами (ОИМ, ЧМТ, кровопотеря, операции, анестезии и т.д.) изучены крайне, мало. А в практическом приложении мониторинг степени ОС и эффективность его коррекции антиоксидантами в больницах вообще не проводится.

Причинами такого положения, прежде всего, являются низкие знания врачей по ОС. Читая лекции на курсах повышения квалификации, мы убедились в том, что анестезиологи-реаниматологи слабо ориентируются в это проблеме. Уместно вспомнить слова В.И.Вернадского: «Нет неизлечимых заболеваний, есть недостаток знаний». Сдерживается применение антиоксидантов в практическом здравоохранении полным отсутствием в лабораториях и отделениях больниц аппаратуры, измеряющей и мониторирующей изменения АОС и ОС больных, не включение в «стандарты» лечения (за исключением терапии инсультов) данных препаратов. Между тем эмпирическая медицина уже опережает научные разработки и «стандарты» в лечении критических состояний. Так в Красноярской краевой больнице уже накоплен многолетний положительный опыт использования антиоксидантов-антигипоксантов в лечении тяжелой ожоговой и черепно-мозговой травмы, гнойно-септических состояний, операциях на головном мозге и сердце, комах различной этиологии.

На примере только одного препарата мексидола, из обширной группы антиоксидантов, можно понять насколько полезны и необходимы в интенсивной терапии критических состояний эти средства.

Мексидол – международное название оксиметилэтилперидина сукцинат. Обладает высокой биодоступностью и липофильностью. Быстро переходит из кровеносного русла в органы и ткани и быстро элиминируется из организма. Благодаря наличию в его составе производного 3-оксипиридина, являющегося активным носителем, проникает внутрь клетки и митохондрий (Дюмаев К.Н., 1995). Препарат практически не токсичен.

Рис. 5. Особенности реакции цикла Кребса, связанной с сукцинатом

1. Окисление сукцината – обязательное условие каталитического действия интермедиата на усвоение клеткой кислорода.

2. Для пополнения пула органических кислот достаточно введения одного сукцината.

3. Активность сукцинатдегидрогеназы не зависит от концентрации НАД и НАДхН.

4. Мощность системы энергопродукции, использующей ЯК, в сотни раз превосходит все другие системы.

5. Феномен быстрого окисления сукцината в цитоплазме клеток с восстановлением динуклеотидов.

Производные 3-оксипиридинов (как составная часть мексидола):

1. Играют большую роль в обмене веществ.
2. Необходимы для нормального функционирования ЦНС.
3. Входят в состав ферментов, осуществляющих декарбоксилирование и периаминирование аминокислот.
4. Участвуют в обмене триптофана, метионина, цистеина, гистамина, глутаминовой и других аминокислот.
5. Участвуют в процессах липидного обмена.

Проведенные экспериментальные и клинические исследования показали эффективность применения антиоксидантов в лечении ОИМ И ОНМК. При ишемии миокарда возникает ограничение зоны некроза в миокарде (рис.6); усиление биоэлектрической активности сердца; улучшение гемодинамики и толерантности сердца к нагрузкам.

Рис. 6. Ограничение зоны некроза миокарда мексидолом

Рис. 7. Влияние антиоксидантов на продолжительность жизни

Таблица 1

Патогенетическое обоснование применения антиоксидантов в критической медицине

Безусловно, полезны в интенсивной терапии критических состояний и другие клинико-фармакологические эффекты антиоксидантов (табл.1). При этом необходимо помнить, что различные препараты из группы антиоксидантов не однородны по своим эффектам, показаниям и противопоказаниям. Например, при гипертензии не следует использовать цитофлавин, при отеке мозга с гипернатриемией – реамбирин и т.д.

Выше сказанное диктует необходимость дальнейших исследований по данной проблеме и организации лечебной помощи, больным в критических состояниях. Пора медицине критических состояний догонять спортивную медицину уже достаточно давно с успехом использующей антиоксиданты для восстановления спортсменов при больших физических и психологических нагрузках.

Перейти ко второй части (собственные исследования)