Патобиология на усложненията на диабета – обединяващ механизъм



01/03/2006
Хипергликемията е основен фактор, който предизвиква увреждане на тъканите при диабет. Две проучвания – DCCT (Diabetes Control and Complications Trial) и UKPDS (U.K. Prospective Diabetes Trial) показаха, че именно хипергликемията има ключова роля за развитие на усложненията при заболяването. Този процес се модифицира от влиянието на генетично детерминираната индивидуална чувствителност към действието на високите концентрации на кръвна глюкоза и от независими фактори като хипертония и хиперлипидемия. Преобладаващата част от клетките са в състояние да ограничат вътреклетъчния транспорт на глюкоза в условията на хипергликемия. Определени клетъчни типове като ендотелните клетки на ретината, мезангиалните клетки на гломерула, невроните и Швановите (Schwann) клетки в периферните нерви, не могат да контролират транспорта на глюкозата, което ги прави лесно уязвими за хипергликемията. Има четири основни вътреклетъчни механизма, които са ангажирани с увреждането на посочените клетки: първият от тях, описан още през 1966, включва повишена активност на полиоловия метаболитен път десетина години по-късно е открит вторият механизъм, свързан с повишена продукция на AGE метаболити (advanced glycation end products, крайни продукти на ускореното гликиране) в началото на 90-те е установен третият механизъм – хипергликемия-индуцирано активиране на изоформите на протеинкиназа С (PKC) последният механизъм, открит наскоро, е свързан с увеличена активност на хексозаминовия обменен път Повишена активност на полиоловия метаболитен път Основен ензим в полиоловия метаболитен цикъл е алдозоредуктазата. В нормални условия, тя редуцира токсичните алдехиди в клетката до неактивни алкохоли. В условията на хипергликемия, ензимът редуцира глюкозата до сорбитол, който впоследствие се окислява до фруктоза. Кофактор в процеса се явява NADPH (продукт на пентозо-фосфатния път). Той участва като кофактор и в процеса на възстановяване на есенциалния за клетките антиоксидант – редуциран глутатион. Чрез намаляване на количеството на редуциран глутатион, полиоловият метаболитен път прави клетката уязвима на оксидативен стрес. Участието на този метаболитен път в уреждането на клетките при диабет се доказва от резултатите от изследвания върху животински модели. При кучета с диабет, лекувани в продължение на пет години с инхибитори на алдозоредуктазата, се възпрепятстват неврологичните усложнения, като се запазва непроменена скоростта на провеждане на нервните импулси. Повишена вътреклетъчна продукция на AGE прекурсори AGE прекурсорите увреждат клетките по няколко механизма. Те модифицират протеините, особено тези, които са свързани с контрола на транскрипцията на гените. Прекурсорите могат да напуснат клетката, да навлязат в извънклетъчното пространство, където променят матриксните молекули и така нарушават взаимодействията между извънклетъчния матрикс и клетката, което води до клетъчна дисфункция. Те могат да взаимодействат с циркулиращите протеини, например албумините. Променените белтъчни молекули се свързват с AGE рецепторите, активират ги и така включват процеса на синтезиране на инфламаторни цитокини и растежни фактори, които от своя страна са отговорни за съдовата патология. Ролята на AGE прекурсорите в клетъчното увреждане при диабет също се потвърждава от животински модели. В експериментални модели на диабетна ретинопатия е установено, че инхибиторите на AGEs предотвратяват появата на структурни нарушения. Активиране на протеинкиназа С (PKC) Увеличената концентрация на глюкоза вътре в клетката повишава синтезата на диацилглицерол, който се явява ключов кофактор за класическите изоформи на протеинкиназа С (-бета, -делта и –алфа). Активирането на РТС упражнява различни ефекти върху генната експресия, например води до увеличен синтез на ТGF-beta (transforming growth factor-beta, трансформиращ растежен фактор-бета) и PAI-1 (plasminogen activator inhibitor-1, инхибитор на плазминогеновия активатор-1), което от своя страна е свързано с развитието на съдова патология. Значимостта на този патологичен механизъм отново се потвърждава от резултатите от изследвания при животни, които показват, че потискането на PKC възпрепятства ранните структурни нарушения в ретината и бъбрека. Повишена активност на хексозаминовия метаболитен път При увеличена вътреклетъчна концентрация на глюкоза, тя се метаболизира чрез гликолиза първоначално до глюкозо-6-фосфат, след което до фруктозо-6-фосфат. Част от фруктозо-6-фосфатът се включва в отделен метаболитен път, в който участва ензимът глутамин-фруктозо-6-амидотрансфераза (GFAT). Той метаболизира фруктозо-6-фосфата до глюкозамин-6-фосфат. Крайният продукт е уридин дифосфат (UDP) N-ацетилглюкозамин. Свързването му със сериновите и треониновите аминокиселинни остатъци на транскрипционните фактори води до нарушения на генната експресия. Например модификацията на транскрипционния фактор Sp1 е свързана с повишена експресия на ТGF-beta и PAI-1, което е водещ фактор в съдовата патология. В клетъчни култури е установено, че този механизъм има ключова роля както в нарушенията на генната експресия при гломерулните клетки на бъбреците, така и при индуцираната от хипергликемията дисфункция на кардиомиоцитите. Обединяващият механизъм Посочените различни патогенетични механизми са обединени от един процес и това е свръхпродукция на супероксидни аниони от транспортната дихателна верига в митохондриите. Обединяващият механизъм е установен благодарение на откритието, че клетките, които се увреждат от хипергликемията при диабет, притежават една обща характеристика, а именно повишена продукция на ROS (reactive oxygen species, свободни кислородни радикали). Как хипергликемията увеличава продукцията на супероксидни аниони от митохондриите? Дихателната верига в митохондриите е изградена от четири комплекса: I, II, III и IV. При метаболизирането на глюкозата се генерират донори на електрони, основен от които е NADH. Той отдава електрони на комплекс I. Друг донор е FADH2, който отдава електрони на комплекс II. Електроните от двата комплекса преминават към коензим Q, след което се транспортират до комплекс III, цитохром С, комплекс IV и накрая достигат до молекула кислород, която редуцират до H2O. Дихателната транспортна верига е организирана по този начин с цел прецизна регулация на нивата на ATP (аденозинтрифосфат). При транспортирането на електроните по отделните комплекси, част от генерираната енергия се използва от протонните помпи за извеждане на протоните през митохондриалната мембрана. Енергията от градиента в електричния заряд от двете страни на мембраната се използва за произвеждане на ATP с помощта на ензима ATP синтаза. От друга страна UCPs (uncoupling proteins) могат да намалят електричния заряд като генерират топлина с цел запазване на постоянно ниво на ATP. Описаният механизъм е валиден за нормалните клетки. При увредените от диабета клетки, повишената концентрация на глюкоза вътре в клетката, води до генериране на по-голямо количество донори на електрони (NADH, FADH2). Градиентът в електричния заряд през митохондриалната мембрана нараства до достигането на критичния си праг. В този момент, трансферът на електрони се блокира до нивото на комплекс III. Електроните се връщат обратно към коензим Q, който ги отдава на молекула кислород, като се формира супероксиден анион. Митохондриалната изоформа на ензима супероксид-дисмутаза (SOD) разгражда свободния кислороден радикал до водороден пероксид, който впоследствие се разпада до вода и кислород. Фактът, че транспортната система на митохондриите участва чрез генерирането на свободни кислородни радикали се потвърждава и след изследване на ефектите от свръхекспресията на ензимите UCP-1 или MnSOD върху хипергликемия индуцираната продукция на ROS. Състоянието на хипергликемия води до повишен синтез на ROS. От друга страна, високата концентрация на глюкоза не е свързана с увеличена продукция на ROS в случаите, когато се постигне намаляване на градиента в електричния заряд на митохондриалната мембрана чрез свръхекспресия на UCP. Хипергликемията не води до патологични промени и в случаите на разграждане на свободните кислородни радикали посредством свръхекспресия на MnSOD. Индуцираната от хипергликемията митохондриална продукция на супероксидни аниони активира четирите патологични клетъчни механизма чрез инхибиране на GAPDH Инхибирането на ензима глицералдехид-3-фосфат-дехидрогеназа (GAPDH) е свързано с нарастване на концентрацията на глицералдехид-3-фосфат, фруктозо-6-фосфат, глюкозо-6-фосфат и глюкоза. Високата концентрация на глицералдехид-3-фосфата активира два от четирите патологични механизма. От една страна метаболитът активира AGE метаболитния път, тъй като основният вътреклетъчен AGE прекурсор – метилглиоксал произхожда от глицералдехид-3-фосфат. От друга страна, се активира класическият PKC метаболитен път – активаторът на протеинкиназа С, диацилглицеролът, също произхожда от глицералдехид-3-фосфат. Високите стойности на фруктозо-6-фосфат активират хексозаминовия метаболитен път, в който фруктозо-6-фосфат се трансформира до UDP-N-ацетилглюкозамин (UDP-GlcNAc) чрез ензима GFAT. Повишените стойности на глюкоза активират полиоловия метаболитен път. Индуцираната от хипергликемията митохондриална продукция на супероксидни аниони инхибира GAPDH чрез активиране на Poly(ADP-Ribose) Polymerase (PARP) Супероксидните аниони потискат активността на GAPDH чрез модифицирането на ензима под действието на PARP [Poly(ADP-Ribose) Polymerase, поли(аденозихдифосфат-рибозо) полимераза]. PARP се намира в ядрото в неактивна форма. Той се активира при наличие на увреждане на ДНК. В условията на хипергликемия, повишената продукция на ROS в митохондриите води до накъсване на двойноверижната ДНК от свободните радикали, което от своя страна активира ензима PARP. Той разгражда молекулата на NAD+ до никотинова киселина и ADP-рибоза. Ензимът също катализира и процеса на полимеризация на ADP-рибозата. Формираните полимери се натрупват и акумулират върху ядрените протеини, между които и GADPH. Доскоро се считаше, че GADPH се намира предимно в цитоплазмата на клетките, но вече се знае, че ензимът циркулира между ядрото и цитоплазмата, тъй като играе ключова роля във възстановяването на ДНК. Елементите на обединяващия патогенетичен механизъм са представени на фигура 9. Високите стойности на глюкоза в таргетните за диабетните усложнения клетки водят до повишена митохондриална продукция на ROS. Te от своя страна „накъсват“ ядрената ДНК, което е свързано с активирането на PARP. Впоследствие PARP модифицира GADPH. Инхибирането на последния активира четирите патологични клетъчни механизма. Как механизмът обяснява диабетните макроваскуларни усложнения До момента представеният патогенетичен механизъм може да обясни микросъдовите усложнения на диабета. Данните от UKPDS показват, че хипергликемията не е основен рисков фактор за развитието на увреждане на големите съдове при диабет. Вероятността за поява на микросъдови усложнения нараства почти 10 пъти при увеличаване на HbA1c от 5.5% на 9.5%. В същото време рискът за патология на големите съдове нараства само два пъти. Проучването San Antonio Heart Study проследява мъже без данни за диабет и нарушен глюкозен толеранс. То установява, че наличието на инсулинова резистентност е свързано с увеличаване на сърдечносъдовия риск 2.5 пъти. След изключване на влиянието на 11 фактори като тютюнопушене, високо систолно артериално налягане, LDL, HDL, триглицериди, участниците с инсулинова резистентност все още са имали висок риск за развитие на сърдечносъдова патология. Тези данни предполагат участието на някаква последица на инсулиновата резистентност, която до момента не е взета под внимание. По-късно се установява, че вследствие на инсулиновата резистентност, нараства преминаването на свободни мастни киселини (СМК, FFA – free fatty acid) от адипоцитите към ендотелните клетки на големите артерии. Това води до окисление на FFA в митохондриите. Процесът се наблюдава само в ендотелните клетки на големите артерии, но не и в тези на малките съдове. Тъй като бета-окислението на мастните киселини генерира същите донори на електрони (NADH, FADH2), както при окислението на глюкозата, то повишеното окисление на свободни мастни киселини води до увеличено отделяне на свободни радикали по същия механизъм, който е описан и при хипергликемията. В експериментални модели на животни с инсулинова резистентност, без диабет, потискането на освобождаването на FFA от адипоцитите или инхибирането на FFA окислението в ендотелните съдови клетки предотвратява повишеното отделяне на ROS и последващите неблагоприятните ефекти. Фиг. 10Инсулиновата резистентност е свързана с повишена продукция на ROS в митохондриите на ендотелните клетки на големите съдове посредством увеличено окисление на FFA Нови терапевтични възможности Активатори на транскетолазата Както вече беше посочено, инхибирането на ензима GAPDH е свързано с нарастване на концентрацията на междинните метаболити в гликолитичния обменен път, което води до активиране на четирите патологични клетъчни механизма. Два от тези метаболита, фруктозо-6-фосфат и глицералдехид-3-фосфат, са крайни продукти от действието на транскетолазата, която се явява ключов ензим на пентозо-фосфатния път. Тъй като при диабет концентрацията на междинните метаболити на гликолитичния път е висока, то активирането на транскетолазата би могло да я намали, като ги отклони от патологичните метаболитни пътища. Кофактор на транскетолазата е тиаминът. Добавянето на тиамин в клетъчни култури на артериални ендотелни клетки, повишава активността на транскетолазата с 25%. В същото време използването на benfotiamine, производно на тиамина, увеличава активността на ензима с близо 250%. Въз основа на тези данни са проведени изследвания върху експериментални модели на животни с диабет, лекувани в продължение на девет месеца с benfotiamine. В края на проучването, при контролите е наблюдавано трикратно повишаване на активността на хексозаминовия обменен път, докато в терапевтичната група активирането на посочения обменен път е напълно предотвратено. Нещо повече, лечението с benfotiamine възпрепятства развитието на структурните нарушения, характерни за диабетната ретинопатия. Инхибитори на PARP В клетъчни култури, добавянето на специфичен инхибитор на PARP, предотвратява индуцираното от хипергликемията активиране на PKC и хексозамин-обменния път, както и синтезата на AGE прекурсори. В експериментални животински модели, продължителната терапия с инхибитори на PARP възпрепятства развитието на структурните нарушения, характерни за диабетната ретинопатия. Антиоксиданти Ексцесивната продукция на супероксидни аниони потиска директно някои от ендотелните ензими, като ендотелна синтаза (еNOS – endothelial nitric oxide synthaze) и простациклин синтаза, които са ключови за биологията на съдовата стена и притежават антиатерогенни функции. За да се предотврати инактивацията на посочените ендотелни ензими, е необходимо да се редуцира количеството на супероксидните аниони. Прилагането на конвенционални антиоксиданти не е особено ефективно, тъй като те неутрализират свободните кислородни радикали един по един, докато отделянето на супероксидните аниони в условията на хипергликемия е непрекъснат процес. Ето защо се изисква прилагането на нов клас антиоксиданти, например супероксид-дисмутаза/каталаза миметици. Индуцираната от хипергликемията свръхпродукция на свободни кислородни радикали намалява активността на еNOS с близо 65%, а на простациклин синтаза – с над 95%. В експериментални модели на животни с диабет, прилагането на супероксид-дисмутаза/каталаза миметик напълно възпрепятства инактивирането на ендотелните ензими. Всичко това показва, че тези няколко терапевтични възможности могат да дадат началото на нов подход в лечението на усложненията на диабета. Д-р Кремена ДИМИТРОВА Използван източник: 1.Brownlee M. The pathobiology of diabetic complications.Diabetes 2005; 54(6): 1615-1625 http://diabetes.diabetesjournals.org