Фармакологични антиоксидантни стратегии в лечението на ХОББ



01/06/2015

Ефектът на антиоксидантните терапевтични стратегии върху системния и локален белодробен оксидативен стрес и ролята му за модулирането на клетъчните и биохимични аспекти при хронична обструктивна белодробна болест (ХОББ)* са разгледани в обзорна статия, публикувана в списание Biochimica et Biophysica Acta (1).

В резултат на богатото си кръвоснабдяване и голяма повърхност, белите дробове са особено податливи на оксидативен стрес - от една страна, инхалираните от външната среда екзогенни замърсители/токсини (озон, азотен диоксид, дизелови изпарения, тютюнев дим) водят до тъканна увреда, а от друга - белодробният епител е в постоянна експозиция на ендогенно образуваните при различните метаболитни реакции оксиданти (например при митохондриална електронна транспортна активация на фагоцитите).

Образуването на реактивни кислородни видове (ROS) като супероксидния анион и хидроксилния радикал се асоциира пряко с оксидативното модифициране на протеини, липиди, въглехидрати и дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) и се свързва с прогресирането на ХОББ.

Патогенезата на ХОББ е тясно свързана със системния и белодробен оксидативен стрес, които водят до: клетъчно увреждане и некроза, апоптоза, автофагия, ремоделиране на екстрацелуларния матрикс и кръвоносните съдове, ендотелна дисфункция, деактивиране на антипротеазите, преждевременно клетъчно стареене, повишена секреция на мукус, стероидна резистентност, клетъчна пролиферация, епигенетични промени, автоимунитет и скелетномускулна дисфункция.

Образуваните оксиданти влияят и на възпалителните отговори в белите дробове чрез активиране на транскрипцията на нуклеарния фактор капа-бета (NF-KappaB), митоген-активираните протеинкиназни (MAPK) сигнални пътища, ремоделиране на хроматина и транскрипция на проинфламаторните медиаторни гени.

Други вредни газове/частици от околната среда като алдехиди/карбонили, азотен диоксид, серен диоксид, пасивното тютюнопушене и димът от изгарянето на биогорива могат също да причинят оксидативен стрес и да отключат възпалителни отговори в белите дробове на предразположените хора.

Тютюнев дим и оксиданти

Всички клетки образуват ROS в резултат на метаболитните процеси в митохондриите. Допълнително те се отделят от възпалителните клетки и фагоцитите (макрофаги и неутрофили), както и по време на имунния възпалителен отговор срещу патогените.

Никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфат (NADPH) оксидазният ензимен комплекс (във фагоцитите и епителните клетки), ксантин/ксантин оксидазната система, миелопероксидазата и хем пероксидазите, които са основните генератори на ROS, са повишени при пациентите с ХОББ.

Подобно, азотен оксид (NO) синтазата произвежда реактивни водородни видове (RNS) под формата на NO. Той може да се свърже със супероксидния анион и да се образува по-агресивния пероксинитритен анион (ONOO-), което води до формирането на нитротирозин.

Счита се, че физиологичното действие на оксидантите зависи от произхода им. Така например, тези, получени от NADPH оксидазата, участват основно в клетъчното сигнализиране, а митохондриалните оксиданти предизвикват клетъчно увреждане/смърт.

Образуването на ROS от фагоцитите може да се увеличи от оксидантите в цигарения дим, което води до отделянето на възпалителни медиатори. Някои от тях са химиотаксични фактори и водят до привличането на неутрофили и други инфламаторни клетки в белите дробове.

Пушачите и пациентите с ХОББ имат по-голяма миграция на макрофаги и неутрофили към белите дробове в сравнение с непушачите. Тези клетки могат да произвеждат ROS чрез активирането на NADPH оксидазната ензимна система, което води до по-нататъшното увеличаване на оксидативния стрес в белите дробове на тези пациенти.

Цигареният дим е най-голямият рисков фактор за развитие на ХОББ. Той съдържа на вдишване около 1015-1017 оксиданти/свободни радикали и повече от 4700 високореактивни химични съединения като алдехиди/карбонили.

Газовата фаза на цигарения дим съдържа супероксиден анион и NO, които са с кратък живот и веднага взаимодействат, при което се образува високореактивният и токсичен ONOO-. Много високият дифузионен коефициент на ONOO- му позволява да дифундира на значително разстояние, като така причинява по-голяма тъканна увреда в белодробния интерстициум.

Катранената фаза на тютюневия дим съдържа органични радикали като дългоживеещите семиквинон и квинон, които могат да взаимодействат с молекулярния кислород по редокс-зависим начин и така да се образуват различни ROS, като супероксиден анион, OH и H2O2.

Водната фаза на цигарения дим/кондензат може да претърпи редокс преобразуване за значителен период от време в епителната покривна течност (ELF) на пушачите. Катранената фаза е също и ефективен метален хелатор, като желязото се хелира и образува катран-семиквинон и катран- Fe2+, които могат да образуват продължително време H2O2.

Смята се, че системното и белодробно формиране на протеинови карбонили в отговор на получените от цигарения дим липидни пероксиди/карбонили (алдехиди) играе роля в патогенезата на ХОББ. Нивата на продуктите на липидната пероксидация, като 8-isoprostane/F2-isoprostanes са повишени при пушачите и при пациентите с ХОББ и корелират с бронхиалната обструкция.

4-hydroxy-2-nonenal (4-HNE) е специфичен, високореактивен краен продукт на липидната пероксидация. 4-HNE образува адукти** с цистеиновите, лизинови и хистидинови остатъци на протеините - протеинови карбонили.

Повишените им нива се срещат в епителните клетки на дихателните пътища, в алвеолите и ендотела, както и в неутрофилите на пушачите с бронхиална обструкция, за разлика от тези без обструктивен синдром.

Повишението на 4-HNE адуктите е в обратно пропорционална зависимост с белодробната функция (измерена чрез форсиранния експираторен обем за една секунда, ФЕО1), което предполага участието им в патогенезата на ХОББ.

Алфа,бета-несатурираните алдехиди (4-HNE и acrolein), които се съдържат в тютютневия дим, предизвикват също оксидативен стрес и водят до отделяне на интерлвкин-8 (IL-8) в белодробните клетки чрез активация на MAPK (митоген-активираната протеин киназа).

При пушачите и пациентите с ХОББ е намален и системният антиоксидантен капацитет, в резултат на понижените плазмени нива на антиоксиданти и протеинови сулфхидрили.

Това е транзиторно нарушение по време на тютюнопушенето, което изчезва бързо след преустановяването му. Въпреки това, нискостепенният оксидативен стрес персистира и при бившите пушачи, които развиват ХОББ.

Намаленият антиоксидантен капацитет е резултат от повишеното отделяне на ROS от периферните кръвни неутрофили и моноцити. Няколко проучвания доказаха дефицита на антиоксиданти в плазмата и белите дробове на пациентите с ХОББ, което потвърждава ролята на оксидантите в патогенезата на заболяването.

Има данни и за това, че антиоксиданти като пикочна киселина, глутатион (GSH), витамин E и аскорбат са понижени при пушачите, което се асоциира с екзацербациите (периодите на изостряне на симптомите) при ХОББ.

Цигареният дим модифицира необратимо глутатионовите нива до GSH-конюгати в епителните клетки на дихателните пътища и епителните покривни течности, което води до антиоксидантен дефицит и увреждане на белите дробове.

Тютюнопушенето блокира също така и протективната експресия на Nrf2***/ антиоксидантния (antioxidant response element - ARE) път в периферните мононуклеарни клетки при младите, активни пушачи, което също благоприятства възпалението.

Терапевтични стратегии при ХОББ

Значима терапевтична възможност при ХОББ са от една страна антиоксидантните продукти, които неутрализират прекомерния оксидативен стрес, инхибират пероксидацията на липидите и последващия възпалителен отговор, но също така е важно и да се определи източникът на оксидантите и да се намали продукцията им.

Антиоксидантният подход може да бъде осъществен по два начина - чрез увеличаване на ендогенната антиоксидантна ензимна защита или чрез повишаване на неензимните защити чрез диетични или фармакологични средства.

Има данни за това, че антиоксидантните средства като тиолови съединения/донори и аналози - GSH и муколитиците (N-acetyl-L-cysteine, nacystelyn, erdosteine, fudosteine и carbocysteine lysine salt), както и ergothioneine намаляват нивата на свободни радикали/оксиданти, увеличават вътреклетъчните тиолови нива, контролират активацията на NF-KappaB и следователно инхибират експресията на възпалителните гени.

Други антиоксидантни съединения са супероксид дисмутазните (SOD) миметици, инхибиторите на NADPH оксидазите и миелопероксидазата и синтетичните редокс модулиращи агенти, чиито полезни и/или профилактични ефекти потенциално могат да бъдат използвани като фармакологични средства в лечението на ХОББ.

Антиоксидантите в храната - антиоксидантните витамини и каротеноиди (витамин С, токоферол, бета-каротен), натуралните продукти, съдържащи полифеноли/флаваноиди и други активни съединения (куркумин, ресвератрол, катехини в зеления чай, кверцетин), ликопен, акай, гинко билоба, полиненаситени мастни киселини/омега-3 мастни киселини, токотриеноли и алфа-липоева киселина - са също важни за преодоляването на оксидативния стрес при пушачите и пациентите с ХОББ.

Антиоксидантни ензимни миметици

Експресията и действието на антиоксидантите като SOD, каталаза и глутатион пероксидаза, които са важни за неутрализацията на свободните радикали в клетките са променени в белите дробове на пушачите и пациентите с ХОББ.

Тази нарушена антиоксидантна ензимна активност може да бъде преодоляна от малки съединения с каталитични свойства, които наподобяват активността на по-големите ензимно-базирани молекули и са известни като ензимни миметици:

- Миметици на SOD

- Миметици на глутатион пероксидазата (GPx)

- Катализатори на пероксинитритното разграждане

- Spin traps - химични съединения, които захващат и неутрализират свободните радикали, като образуват с тях стабилни крайни продукти, които могат да бъдат измерени

- Активатори на Nrf2

Редокс сензори - ензимни и неензимни

Вътреклетъчното редокс състояние е динамична система, която се влияе периодично от енергийния статус на клетката и може да бъде променено от различни външни и вътрешни фактори. Най-честите редокс сензори на клетката са NADP/NADPH, NAD+/NADH и глутатионните системи (GSH/GSSG).

GSH е най-разпространеният цитозолен тиолов редокс сензор, а NADP/NADPH системата действа като буфер срещу редокс промените в митохондриите.

Допълнително NADP/NADPH е кофактор в няколко ензимни реакции и в липидния метаболизъм:

- тиоредоксин

- пероксиредоксини

- глутаредоксин

Тиолови антиоксиданти

Acetylcysteine (N-acetyl-L-cysteine, NAC) е ацетилово производно на цистеина и е силен редуктор. Използва се като муколитично средство, което намалява мукусния вискозитет и така подобрява мукоцилиарния клирънс.

В гастроинтестиналния тракт NAC се деацетилира до цистеин и служи също и за прекурсор на GSH в клетките. Способността му да разкъсва дисулфидните връзки го прави добър редуктор и му позволява да неутрализира оксидантните видове. В клетките NAC се редуцира до цистеин и това може да е важен механизъм за увеличаване на интрацелуларния GSH in vivo в белите дробове.

Клиничните проучвания за положителния ефект на NAC и на другите тиоли при пациентите с ХОББ дават смесени резултати. Докато системен Cochrane обзор показва значимо намаляване с 29% на броя на екзацербациите, някои малки изследвания не успяват да демонстрират категорична клинична полза. Въпреки това, няколко мета-анализа показват малък, но значим клиничен ефект при пациентите с ХОББ.

NAC се използва основно за повишаване на нивата на белодробния GSH при болните с ХОББ.

Резултатите от рандомизирано, двойно-сляпо, плацебо контролирано фаза II проучване с перорален прием на 600 mg NAC два пъти дневно за шест месеца показват, че това лечение намалява значимо количеството на различни оксидативни биомаркери в плазмата и бронхоалвеоларния лаваж (BAL) на пушачите.

Друго изследване показва, че пероралният прием на NAC (600 mg двукратно дневно за два месеца) води до бързо понижаване на оксидативния товар в дихателните пътища на стабилни пациенти с ХОББ и се асоциира с намаляване на бронхиалната мукусна хиперсекреция, спада на ФЕО1 и екзацербациите на заболяването.

Резултатите от BRONCUS****, фаза III мултицентрово проучване, не показват ефект върху спада на ФЕО1, но се наблюдава намаляване на екзацербациите на пациентите с тежка ХОББ, които не са на лечение с инхалаторни кортикостероиди.

В скорошно изследване върху модел на A549 алвеоларни епителни клетки, инфектирани с грипни вируси, се установява, че ацетилцистеин инхибира индукцията на MUC5AC, IL-8, IL-6 и TNF-alpha, както и вирусната репликация.

За да се потвърди терапевтичното значение на NAC в лечението на ХОББ, са необходими допълнителни проучвания с по-високи дози (1200 или 1800 mg/ден и дори по-високи), както и с други тиолови съединения с по-голяма бионаличност. Счита се, че NAC ще е от полза най-много при пациентите с мукусна хиперсекреция и тези с емфиземен фенотип.

N-acystelyn (NAL)-лизинова сол на NAC, е също муколитично и антиоксидантно тиолово съединение. За разлика от NAC, обаче, тъй като е с неутрално pH в разтворено състояние, може да бъде доставена в аерозолна форма до белите дробове, без значими странични ефекти.

Резултатите от сравнително проучване между NAL и NAC показват, че и двете съединения увеличават интрацелуларния GSH в белодробните алвеоларни епителни клетки и инхибират отделянето на H2O2 и супероксиден анион от човешките кръвни полиморфонуклеарни левкоцити на пушачи и пациенти с ХОББ. Данните показват също, че NAL може да инхибира и продукцията на ROS.

NAL може да бъде потенциално терапевтично средство в лечението на ХОББ, тъй като може да действа и като противовъзпалително средство, инхибирайки оксидант-медиираното отделяне на IL-8 в моноцитите, като допълнително е подходящо и за приложение в аерозолна форма.

Procysteine (L-2-oxothiazolidine-4-carboxylate или cysteine l-2-oxothiazolidine-4-carboxylic acid) е цистеин-освобождаващо съединение, което увеличава нивата на интрацелуларния цистеин, има по-голяма бионаличност от NAC, толерира се добре и повишава митохондриалните нива на GSH в алвеоларните тип II клетки и може да бъде използвано като допълваща терапия за подобряване функцията на макрофагите при пушачите и пациентите с ХОББ.

Erdosteine е тиолов антиоксидант с мукоактивни свойства, който намалява бактериалната адхезия и се използва като муколитично следство за лечение на хронични белодробни заболявания.

Той разкъсва дисулфидните връзки на мукусните гликопротеини и води до повишен кашличен клирънс. Има също така и антиоксидантна, противовъзпалителна и антибактериална активност.

Резултатите от рандомизирано, плацебо контролирано проучване показаха, че пероралното приложение на 300 mg erdosteine два пъти дневно за осем месеца води до значимо намаляване на екзацербациите в сравнение с плацебо и подобрение на качеството на живот, без странични ефекти върху белодробната функция.

Друго изследване, с прием на 300 mg erdosteine два пъти дневно за 7-10 дни, показа подобряване на симптомите и намаляване на продължителността на острите екзацербации на пациентите с хроничен бронхит и ХОББ. Продължителното лечение с erdosteine на болни със стабилна ХОББ намалява и честотата на хоспитализациите и острите екзацербации.

Проучване на Dal Negro и сътр. показа, че приемът на ердостеин в доза от 600 mg/ден ефективно намалява нивата на ROS в периферната кръв на пушачи със стабилна ХОББ, както и нивата на някои химиотаксични проинфламаторни цитокини (IL-6 и IL-8) в бронхиалните им секрети.

Carbocysteine (S-carboxymethyl-cysteine, S-CMC) е тиолово производно на L-cysteine, което е налично в перорални форми като S-CMC и неговата лизинова сол (S-CMC-lys), която се активира в гастроинтестиналния тракт до S-CMC. Carbocysteine е мукоактивно лекарство, което е с доказани in vitro противовъзпалителни и намаляващи свободните радикали свойства.

Carbocysteine е с различен от другите муколитици механизъм на действие, като мукусът, който се образува в негово присъствие, е с повишено съдържание на сиаломуцин, който повлиява реологичните свойства на мукуса чрез инхибиране на кинините и така намалява или профилактира бронхиалното възпаление и бронхоспазъма.

Carpagnano и сътр. доказват, че приемът на S-CMC-Lys за шестмесечен период при пациентите с ХОББ води до значимо намаляване на издишания 8-isoprostane и IL-6, което доказва противовъзпалителните и антиоксидантните свойства на медикамента. Carbocysteine увеличава също и скоростта на мукоцилиарния клирънс, особено при пациентите с хроничен бронхит и със забавено изчистване преди лечението.

Медикаментът има и потенциал за намаляване на бактериалните инфекции на респираторния тракт. In vitro проучвания показаха, че carbocysteine в сравнение с плацебо редуцира значимо адхезията на Moraxella catarrhalis към фарингеалните епителни клетки, както при здрави хора, така и при болни с хроничен бронхит. Подобни са резултатите и по отношение на in vitro адхезията на Streptococcus pneumoniae към епителните фарингеални клетки на здрави индивиди.

Наблюдава се и намаляване на честотата на грип и асоциираните с него екзацербации на ХОББ, което се дължи най-вероятно на способността на carbocysteine да намалява експресията на ICAM-1 в респираторния тракт.

Резултатите от проучването PEACE***** (включва 709 китайски пациенти с ХОББ), което изследва ефекта на трикратния дневен прием на карбоцистеин 250 mg върху честотата на екзацербациите показват, че болните, приемали медикамента, са с по-малко изостряния годишно, при много малко странични ефекти, основно стомашен дискомфорт при предозиране.

Fudosteine е (r)-2-amino-3-(3-hydroxypropylthio) пропионова киселина, която увеличава нивата на цистеина в клетките, има по-голяма бионаличност от NAC, инхибира муциновата хиперсекреция чрез понижаване на експресията на MUC5AC гена и се използва като мукоактивен агент в лечението на хроничните белодробни болести (бронхиална астма, хроничен бронхит, емфизем, ХОББ и бронхиектазии).

Получените от проучванията данни показват, че fudosteine може да е от полза за контролиране на оксидативно-медиираната мукусна секреция, но са необходими допълнителни изследвания за доказване на клиничната му ефективност.

Ergothioneine (2-mercaptohis-tidine trimethylbetaine) е естествен антиоксидант, който се открива в повечето растения и животински тъкани. Той увеличава клетъчната бионаличност на NAC и има доказана в белодробните епителни клетки роля за инхибиране на медиираните от оксидативния стрес трансдукционни механизми, участващи в клетъчните възпалителни отговори (NF-KappaB и IL-8).

Блокери на липидната пероксидация и белтъчното карбонилиране

Edaravone (3-methyl-1-phenyl-2-pyrazolin-5-one) е с мощно антиоксидантно действие, като понижава нивата на свободните радикали чрез инхибиране на липидната пероксидация и белтъчното карбонилиране.

Проучван е при редица заболявания като остър мозъчен инфаркт, при белодробно увреждане в резултат на интестинална исхемия или остър панкреатит, bleomycin- и рaraquat-индуцирано белодробно засягане и фиброза.

Счита се, че може да повлияе протеиновото карболиниране, което се появява в резултат на цигарения дим и при пациентите с ХОББ, но са необходими допълнителни проучвания за доказване на ефективността му.

Лазароиди (21-аминостероиди или trilizad mesylate) са група нестероидни аналози на метилпреднизолона, които могат да пенетрират през хидрофобните участъци на клетъчната мембрана, за да предотвратят пероксидацията на мембранните липиди.

В различни in vitro човешки и животински модели лазароидите са показали ефект при инхибирането на образуването на свободни радикали и TNF-alpha в алвеоларните макрофаги при индуцирано от цигарения дим увреждане на белите дробове, за протектиране на ендоксин-медиираната увреда, антиген-индуцираната бронхоконстрикция и бронхоалвеоларна еозинофилия... Необходими са, обаче още изследвания за ефекта им при ХОББ, особено при стероид-резистентните форми.

Заключение

Антиоксидантната терапия може да повлияе значително някои аспекти на ХОББ като преодоляването на стероидната резистентност, мукусната хиперсекреция, възпалението и екстрацелуларното ремоделиране на матрикса.

Много е важно, обаче, да се определи основният източник на оксиданти при всеки отделен фенотип на ХОББ и според това да се избере конкретната адекватна антиоксидантна терапия, както и съответният режим на приложение.

Антиоксидантите може да се комбинират помежду си, както и с други противовъзпалителни средства, бронходилататори и кортикостероиди, и да се използват като допълваща терапия в лечението на ХОББ. (ЕП)

* ХОББ е значим глобален здравен проблем и е четвъртата най-честа причина за смърт в развитите страни. Това е инвалидизиращо състояние, което се асоциира с прогресивен задух и бавно намаляване на белодробната функция. На ХОББ се дължат повече от шест милиона смъртни случая годишно и се очаква да бъде на трето място като водеща причина за смъртност през 2020 година.

Глобалната инициатива за хронична обструктивна белодробна болест (GOLD) (2) разделя ХОББ на няколко класа по тежест според нарушението на белодробната функция, както и на отделни фенотипове - емфизем, хроничен бронхит с бронхиална обструкция и болест на малките дихателни пътища, като повечето пациенти са с комбинация от различните припокриващи се подтипове:

- Емфиземът се свързва с разрушаване на алвеоларните септи, загуба на еластична тъкан, разширяване на въздушното пространство и оттук загуба на дифузионния капацитет

- Хроничният бронхит засяга по-големите дихателни пътища и се асоциира с възпаление (струпване на неутрофили, макрофаги и други имунни възпалителни клетки), хиперплазия на Гоблетовите клетки и мукусна хиперсекреция

- Болестта на малките дихателни пътища засяга основно бронхиолите и се свързва с възпаление и метаплазия на бронхиоларните екзокринни клетки (клетки на Clara)

Заболяването се асоциира с оксидативен стрес и възпаление и ускорена загуба на белодробна функция когато антиоксидантната защита на организма намалее или отпадне. Пациентите с ХОББ са с намалено качество на живот и със сърдечносъдови, скелетномускулни и неврологични придружаващи заболявания (които също са свързани с повишения оксидативен стрес).

** Фрагменти на ковалентно свързани вещества

*** Nrf2 - Nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2. Nrf2 се задържа в цитоплазната от Kelch like-ECH-associated protein 1 (Keap1) и Cullin 3

**** Bronchitis Randomized on NAC Cost-Utility Study

***** Effect of carbocisteine on acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease

Използвани източници:

1. Rahman I. Pharmacological antioxidant strategies as therapeutic interventions for COPD. Biochimica et Biophysica Acta 1822 (2012) 714-728 www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925443911002547

2. www.goldcopd.com