31 августа 2017г.
Бронхиальная астма (БА) это гетерогенное заболевание, которое в значительной степени зависит от факторов окружающей среды. В последние десятилетия доказано, что атмосферные поллютанты вызывают рост числа обострений бронхиальной астмы, но не влияют на рост распространенности заболевания. У детей реакция на атмосферные загрязнители более выраженная, т. к., их дыхательная и иммунная системы находятся в развитии, кроме того, большая физическая активность детей и склонность к гипервентиляции могут способствовать получению более высоких доз атмосферных загрязнителей [7].
Эпителиальные клетки являются первой линией врожденного иммунитета, тграют решающую роль в защите от повреждающего действия поллютантов. Некоторые из них (озон, диоксид азота, частички дизельного топлива) вызывают повышение проницаемости культуры клеток бронхиального эпителия человека в эксперименте, подавляют подвижность цилиарных ресничек, что может приводить к замедлению очищения от аллергенов и ирритантов. Повышенная проницаемость дыхательных путей способствует проникновению данных агентов в подслизистый слой, где они могут взаимодействовать с резидентными клетками, такими, как клетки гладких мышц, фибробластами, тучными клетками, эозинофилами, лимфоцитами и нейтрофилами [7].
Озон обладает сильной оксидативной активностью, вызывает повышение синтеза воспалительных медиаторов в легочных клетках. Изучение В-лимфоцитарных клеток человека показало, что продукты дизельного топлива (DEP- diesel exhaust particles, PAN- polyaromatic hydrocarbons) стимулируют продукцию IgE в присутствии IL-4 и CD40- моноклональных антител. Т. е., данные поллютанты могут потенцировать чувствительность к большинству аллергенов [7] .
Вызванное действием озона повышенное освобождение воспалительных медиаторов (PAF- фактор активации тромбоцитов, IL-8, GM-CSF- гранулоцитарный макрофаг- колонестимулирующий фактор, TNF- a- тумор некротизирующий фактор альфа и – растворимая молекула межклеточной адгезии) в культуре клеток бронхиального эпителия человека подавляется натуральным антиоксидантом глютатионом .
Диоксид азота может регулировать активацию Т- лимфоцитов через повышенную секрецию таких медиаторов как: LTC4, GM-CSF, TNF- a, IL-8.
DEP провоцирует освобождение IL-8, GM-CSF, sICAM-1 клетками бронхиального эпителия человека, представляющими антиген Т- клеткам, с помощью экспрессии специфических молекул, синтез которых подавляется DEP и антигеном домашней пыли у пациентов с бытовой сенсибилизацией [7].
Эпителиальные клетки астматиков в отличие от таковых у пациентов без БА, наиболее предрасположены к повреждающему эффекту поллютантов, под действием которых в стандартных условиях культура бронхиального эпителия продуцирует огромное количество медиаторов. Ингалируемые поллютанты обладают мощной оксидативной способностью и могут активировать сигнальные пути в эпителиальных и резидентных альвеолярных воспалительных клетках путем активации транскрипционного ядерного фактора, который транслоцируется в ядро, соединяется с ДНК, промоцирует провоспалительные гены, кодирующие синтез воспалительных цитокинов и хемокинов. Привлекаемые цитокинами нейтрофилы и адгезивные молекулы, в свою очередь, повышают рекруцию воспалительных клеток в дыхательную и легочную паренхиму и активируют синтез медиаторов повреждения тканей.
Гены, отвечающие за синтез различных антиоксидантных медиаторов (супероксид-дисмутаза, глютатион-пероксидаза, оксидоредуктаза, глютатион-S- трансфераза) подвержены полиморфизму. Полиморфизм глютатион -S- трансферазы M1 (GSTM1), глютатион -S- трансферазы P1 (GSTP1) и TNF-a ассоциирован с наличием бронхиальной астмы и с действием атмосферных загрязнителей. Диоксид азота, хотя и в меньшей степени, чем озон, также может активизировать оксидативные процессы.
DEP вызывает нитрозативный стресс в эпителиальных клетках и резидентных макрофагах [4]. Таким образом, актуальным направлением терапевтического воздействия с целью укрепления эпителиальных барьеров и уменьшения оксидантной агрессии является локальное использование содержащихся в альвеолярной жидкости антиоксидантов (мочевая кислота, альбумин, восстановленный глютатион, витамин С, витамин Е).
Обсуждается также возможность применения с терапевтическим эффектом, направленным на уменьшение последствий оксидативного стресса, таких субстанций как селен, серосодержащие аминокислоты, витамины группы В, глютамин и глицин [1].
Кратковременное воздействие поллютантов вызывает острое повреждение тканей с активацией эпидермального ростового фактора (EGFR) и провокацией восстановительных процессов. При непрерывном продолжении циклов повреждения и восстановления происходит эпителиально-слизистая метаплазия как результат длительного воспаления [10].
Поллютанты вызывают клеточную токсичность и модифицируют клеточную смерть и клеточный цикл. Так, действие озона вызывает клеточную смерть фибробластов, хотя низкие дозы поллютантов стимулируют пролиферацию макрофагов мышей. Органические экстракты DEP вызывают оксидативный стресс в эпителиальных клетках мышей, что приводит к повышенной экспрессии молекул, индуцирующих цитотоксичность.
Итак, влияние атмосферных поллютантов на органы дыхания сводится к следующим моментам: ослабление активности клеток ресничного эпителия; повышение проницаемости эпителиальных клеток; инициирование и потенциирование воспалительных изменений в клетках дыхательных путей и легочной паренхимы; модулирование клеточного цикла и гибели клеток дыхательной системы.
Сможет ли профилактическое назначение антиоксидантов повлиять на уменьшение распространенности БА? На сегодняшний день нет продолжительных наблюдений о влиянии добавления антиоксидантов или витаминов в диету матери на развитие астмы и аллергии у детей.
Поскольку внедрение широкомасштабных проектов по снижению уровня загрязнения воздушной среды трудно осуществимо, профилактическая стратегия должна основываться на индивидуальной защите наиболее чувствительных индивидов. Так, повышенные дозы витаминов С, Е, глютатиона необходимо прежде всего назначать лицам с генетическим риском антиоксидантной недостаточности [4].
Роль эпителиальных клеток в развитии повреждения, управлении своеобразным динамическим равновесием между повреждающими и защитными факторами трудно переоценить. Эпителиальные клетки первыми встают на пути различных экзогенных и эндогенных факторов. В ответ на внешнюю агрессию эпителий привлекает огромное количество иммунных клеток через активацию цитокинов: IL-25, IL-33, IL- 13, тимический стромальный лимфопоэтин. Повреждение эпителия у астматиков во многом зависит от митохондриальных функций. Митохондриальная дисфункция альвеолярного эпителия усиливает повреждающее действие факторов внешней среды. Так, повреждение бронхиального эпителия, вызванное воздействием IL-13, обусловлено митохондриальной дисфункцией вследствие активизации фермента 12/15 LOX ( 12/15 липоксигеназы) [12].
12/15 LOX это фермент, способный окислять липопротеины мембран клеток даже без участия фосфолипазы А2. Его активность повышена при воспалении и при многих хронических заболеваниях, таких как, атеросклероз, диабет и болезнь Альцгеймера. Клетки бронхиального эпителия экспрессируют 12/15 LOX под действием IL-4, IL-13. В свою очередь, 12/15 LOX выступает как инициатор оксидативного стресса, продуцирует жирные ацигидропероксидазы, которые активируют окислительные молекулы митохондрий, генерируют окислительный потенциал и митохондриальную деполяризацию путем формирования проницаемых отверстий в мембране, тем самым стимулируя эпителиальное повреждение [12].
Повреждение эпителия - отличительный признак многих респираторных заболеваний, хотя механизм данного повреждения остается плохо понятным и может отличаться при различных заболеваниях. У пациентов с тяжелой БА определенная роль в развитии эпителиального повреждения и обострений заболевания отводится метаболитам линоленовой кислоты [3]. Роль липидных метаболитов во многих воспалительных заболеваниях хорошо известна. 13-S- гидроксиоктадекадиеновая кислота (13-S- HODE)- образуется в высоких концентрациях во время митохондриальной деградации в ретикулоцитах. Являясь производным линоленовой кислоты (важнейшей полиненасыщенной кислоты, образующейся из различных энзиматических, таких как, 15- липоксигеназа, циклооксигеназа, и неэнзиматических, таких как, аутоокисление, источников, 13- гидроксилиноленовая кислота теснейшим образом связана с бронхиальной гиперреактивностью (БГР). Внеклеточная 13-S- HODE вызывает апоптоз эпителиальных клеток. Связывают повышенный уровень 13-S- HODE в воздушных путях, что имеет место у астматиков, с митохондриальной дисфункцией и повреждением эпителия. 13-S- HODE вызывает нарушение кальциевого гомеостазиса, структурное митохондриальное повреждение и повреждение бронхиального эпителия [11, 13].
Как следует из последних исследований, 13-S- HODE – это своеобразный ключ к пониманию стероидной устойчивости, природы нейтрофильного воспаления при БА и повышения уровня IL-17, что может являться потенциальной целью терапии [13].
Таким образом, митохондриальная дисфункция- важнейший аспект патогенеза многих респираторных заболеваний и она безусловно связана с гомеостатической функцией бронхиального эпителия, потенциируя повреждение эпителия в ответ на воздействие различных антигенов, поллютантов и т. д.
Рассматривается существенная роль глюкокортикоидных и эстрогеновых рецепторов митохондрий в координации энергетического обмена клеток, в ферментативных процессах окислительного фосфорилирования, биосинтеза, генерации реактивных форм кислорода и апоптоза. На мышиной модели было показано, что в легочной ткани есть митохондриальные глюкокортикоидные (mtGR) и эстрогеновые (mtER) рецепторы. Аллергическое воспаление вызывает угнетение этих рецепторов, процессов биосинтеза в митохондриях клеток легких и особенно бронхиального эпителия. Это сопровождается уменьшением митохондриальной массы в легких и индукцией апоптоза, подобные изменения были обнаружены при аутопсии людей, умерших от фатальной БА. Возможно, эти рецепторы играют ключевую роль а редукции митохондриальной функции у пациентов с БА, вовлечены в патофизиологию данного заболевания [6].
Повреждение легких, обусловленное оксидативным стрессом у детей с БА, зависит от генетических особенностей. TIMI/HAVCR1 – один из многочисленных генов, «подозрительных» в отношении возникновения БА, определяющий ответ клеток врожденного иммунитета на апоптотические сигналы бронхиального эпителия развитием воспаления и бронхиальной гиперреактивности. Данная не Th-2 опосредованная модель формирования БА объясняет неэозинофильное воспаление, связанное с оксидативным стрессом и нейтрофилией. TIMI –экспрессирующие клетки врожденного иммунитета отвечают только на сигналы апоптотических, но не здоровых эпителиальных клеток. Нарушение естественных механизмов очищения эпителиальных клеток и апоптоз могут инициироваться под действием озона, гипероксии, инфекции, экспозиции атмосферных частиц. Таким образом, индуцированный триггерами апоптоз эпителиальных клеток через TIMI –экспрессирующие клетки врожденного иммунитета инициирует воспаление и бронхиальную гиперреактивность через активацию врожденного клеточного иммунитета, минуя адаптивный гуморальный иммунитет. У одного и того же пациента могут присутствовать оба механизма индукции как врожденного, так и адаптивного иммунитета [8].
Современное понимание токсического влияния активных форм кислорода и реактивного азота на дыхательные пути подразумевает изменение концепции оксидативного стресса. Традиционная концепция под оксидативным стрессом подразумевает глобальное нарушение оксидантно-антиоксидантного баланса, в результате которого возникает болезнь. Модифицированная концепция объясняет оксидативный стресс разрушением окислительно-восстановительных сигналов и контроля за ними [6]. Наиболее мощным антиоксидантом, согласно данной концепции, является глютатион в его тиол-восстановленной форме, содержание которого в жидкости бронхиального эпителия существенно выше, чем в плазме. Первая ступень синтеза глютатиона регулируется принципом отрицательной обратной связи, однако, когда он потребляется в значительных количествах, данный принцип не срабатывает, и главным лимитирующим фактором для синтеза глютатиона в условиях большого потребления становится доступность цистеина [1, 2].
Распределение глютатиона в органах и тканях неравномерное, в биологических жидкостях его содержание меньше, чем в клетках. Любое заболевание, сопровождаемое воспалением, протеиново- энергетической недостаточностью приводит к потерям глютатиона [1, 9]].
Глютатион - самый мощный детоксикант ксенобиотиков, в результате процессов конъюгации ксенобиотики переводятся в наименее реактивную форму, освобождается меркаптопуриновая кислота, которая экскретируется почками. Глютатион также является мощным защитником от окисления свободными радикалами.
Концентрация глютатиона в дыхательных путях у детей с тяжелой неконтролируемой БА в 2 раза ниже, чем у детей с более легкими контролируемыми формами БА. Имеются данные, что у детей с тяжелым неконтролируемым течением БА имеет место тиоловый дисбаланс в дыхательных путях, что сопровождается снижением цистеиновых резервов для дополнительного синтеза глютатиона. Данный факт может служить одним из объяснений рефрактерности тяжелой БА, при которой воспаление персистирует, несмотря на высокие дозы ИГКС [1, 9].
В последние десятилетия в литературе появилось достаточно много указаний на возможность определения различных воспалительных маркеров в индуцированной мокроте и в конденсате выдыхаемого воздуха, однако исследования среди детей немногочисленны и не всегда достоверны.
По результатом 2-х исследований, у детей с легкой и среднетяжелой БА снижена концентрация глютатиона в конденсате выдыхаемого воздуха по сравнению со здоровой популяцией, и повышена концентрация малондиальдегида — маркера липидной пероксидации. После 5 дневного курса системными кортикостероидами концентрация глютатиона восстанавливалась, а малондиальдегида — снижалась. Данные исследования обосновывают возможность оценивать эффект фармакологической терапии БА на основе измерения в выдыхаемом воздухе концентрации глютатиона, 8- изопростана — специфического маркера липидной пероксидации, содержание которого коррелирует со степенью БГР и повышенной тяжестью БА [1].
Таким образом, оксидативный стресс может играть существенную роль в модуляции тяжести БА и влиять на эффективность противоастматической терапии.
Факторы окружающей среды в виде атмосферных поллютантов и вирусов могут влиять и на реализацию так называемых молекулярных фенотипов или эндотипов БА. Так, экпрессия IL-25 клетками бронхиального эпителия ассоциирована с выраженной экспрессией генов Th-2 ответа, что связано с определенной клинической характеристикой и ответом на ИГКС [5]. Т. е., экспрессия IL-25 эпителиальными клетками — главная детерминанта Th-2 статуса при БА, а уровень IL-25 в плазме коррелирует с экспрессией IL-25 эпителиальными клетками и ответом на ИГКС у детей с БА. Следовательно, измерение уровня содержания IL-25 в плазме может быть информативным для фенотипирования БА и прогноза ответа на терапию [5].
Однако, на сегодня мало известно о том, как реализация генетически опосредованной экспрессии IL-25, IL-33, тимического стромального лимфопоэтина у больных БА зависит от воздействия факторов внешней среды, таких как атмосферные поллютанты и респираторные вирусы.
Список литературы
1. Anne M. Fitzpatrick, Dean P. Jones, Lou Ann S. Brown. Glutathione Redox Control of Asthma: From Molecular Mechanisms to Therapeutic Opportunities. Antioxid Redox Signal. 2012 Jul 15; 17(2): 375–408.
2. Amy S. Feldman, Yuan He, Martin L. Moore, et. al. Toward Primary Prevention of Asthma. Reviewing the Evidence for Early-Life Respiratory Viral Infections as Modifiable Risk Factors to Prevent Childhood Asthma. Am J Respir Crit Care Med. 2015 Jan 1; 191(1): 34–44.
3. Ariane H. Wagener, Aeilko H. Zwinderman, Silvia Luiten, et. al. The Impact of Allergic Rhinitis and Asthma on Human Nasal and Bronchial Epithelial Gene Expression. PLoS One. 2013; 8(11): e80257.
4. Brian D. Modena, John R. Tedrow, Jadranka Milosevic, et. al. Gene Expression in Relation to Exhaled Nitric Oxide Identifies Novel Asthma Phenotypes with Unique Biomolecular Pathways. Am J Respir Crit Care Med. 2014 Dec 15; 190(12): 1363–1372.
5. Dan Cheng, Zheng Xue, Lingling Yi, et. al. Epithelial Interleukin-25 Is a Key Mediator in Th2-High, Corticosteroid-Responsive Asthma. Am J Respir Crit Care Med. 2014 Sep 15; 190(6): 639–648.
6. Davina C. M. Simoes, Anna-Maria G. Psarra, Thais Mauad, et. al. Glucocorticoid and Estrogen Receptors Are Reduced in Mitochondria of Lung Epithelial Cells in Asthma. PLoS One. 2012; 7(6): e39183.
7. Gennaro D’Amato, Stephen T. Holgate, Ruby Pawankar, et. al. Meteorological conditions, climate change, new emerging factors, and asthma and related allergic disorders. A statement of the World Allergy Organization. World Allergy Organ J. 2015; 8(1): 25.
8. Hye Young Kim, Ph.D., Ya-Jen Chang, Ph.D, Ya-Ting Chuang, Ph.D, et. al. TIM-1 deficiency eliminates airway hyperreactivity triggered by the recognition of airway cell death. J Allergy Clin Immunol. 2013 Aug; 132(2): 414–425.
9. Jie Zhu, MD, PhD, Simon D. Message, MD, PhD, Yusheng Qiu, MD, PhD, et. al. Airway Inflammation and Illness Severity in Response to Experimental Rhinovirus Infection in Asthma. Chest. 2014 Jun; 145(6): 1219–1229.
10. Jae Youn Cho. Recent Advances in Mechanisms and Treatments of Airway Remodeling in Asthma: A Message from the Bench Side to the Clinic. Korean J Intern Med. 2011 Dec; 26(4): 367–383.
11. Mohib Uddin, Laurie C. Lau, Grégory Seumois, et. al. EGF-Induced Bronchial Epithelial Cells Drive Neutrophil Chemotactic and Anti-Apoptotic Activity in Asthma. PLoS One. 2013; 8(9): e72502.
12. Ulaganathan Mabalirajan, Rakhshinda Rehman, Tanveer Ahmad, et. al. 12/15-lipoxygenase expressed in non-epithelial cells causes airway epithelial injury in asthma. Sci Rep. 2013; 3: 1540.
13. Ulaganathan Mabalirajan, Rakhshinda Rehman, Tanveer Ahmad, et. al. Linoleic acid metabolite drives severe asthma by causing airway epithelial injury. Sci Rep. 2013; 3: 1349.
