Механизмы гипоксического некробиоза

Не будет преувеличением отметить, что самый частый и распространенный типовой патологический процесс — это гипоксия. В самом деле, если смерть организма, по определению, является стойким прекращением спонтанного кровообращения и дыхания, значит в конце любой смертельной болезни наступает, независимо от ее причин, острая гипоксия.

Стресс, как механизм неспецифической адаптации, увеличивает выживаемость при действии самых разных причин — от механической травмы до облучения и снижает неспецифически риск острой гибели, каковы бы ни были ее причины.

Откуда такой универсализм этого защитного процесса и на каких метаболических изменениях он основан? Внимательно рассматривая гормонально-метаболические сдвиги в фазу адаптации при стрессе, мы приходим к выводу, что данный процесс увеличивает транспорт кислорода и глюкозы в жизненно важные инсулинонезависимые ткани и органы. Это означает, что стресс защищает от крайне широкого круга патогенных факторов путем защиты от острой гипоксии (см. ниже раздел «Стресс».). Но это было бы невозможно, не будь последняя обязательным компонентом действия любого из этих патогенных факторов! Широкое применение глюкокортикоидов при лечении экстремальных состояний тоже обусловлено именно их антигипоксическим действием, хотя клиническая литература нередко избегает столь прямой характеристики и маскирует ее под традиционными эвфемизмами: дезинтоксикация, стабилизация мембран, повышение неспецифической резистентности. Трудно себе вообразить что-нибудь более неспецифическое в мире патологических процессов, чем острое кислородное голодание.

Авторы берут на себя ответственность за рискованное утверждение, что острая гипоксия присутствует чуть ли не при любом другом патологическом процессе, многих повреждениях клетки и, практически, при самом широком круге болезней (хотя бы для каких-то органов или клеток, и, если не в начале и не в середине процесса, то в конце-то уж точно).

Споря с этой точкой зрения, читатель может прибегнуть к парадоксальному вопросу — а как же смерть от избытка кислорода? [179]

И будет прав, в том смысле, что свободнорадикальное поражение клетки, действительно, отличается рядом особенностей (почему и рассматривается ниже отдельно). Однако, как уже указывалось ранее, деструкция клетки свободными кислородными радикалами при гипероксии все равно предусматривает на определенном этапе нарушение ими структуры и функции митохондрий и... тканевую гипоксию на фоне гипероксии.

Значение острой гипоксии для повреждения клетки усиливается тем фактом, что любой из ее многочисленных видов (коих, по классификации И.Р.Петрова и С.Н.Ефуни, имеется ровно 8: гипоксическая, дыхательная, гемическая, циркуляторная, гипероксическая, гипербарическая, тканевая, смешанная) при длительном существовании имеет тенденцию переходить в тканевую. Понятие «смешанная гипоксия» чаще всего расшифровывается как смешанная с тканевой.

Дело в том, что само длительное отсутствие кислорода нарушает работу митохондрий (см. раздел «Повреждение митохондрий») и делает их неспособными к тканевому дыханию.

Рассмотрим типовые особенности некробиоза при острой гипоксии клетки.

На начальном этапе (рис.35), при кислородном голодании любой этиологии в митохондриях снижается скорость аэробного окисления и окислительного фосфорилирования. Это ведет к понижению количества АТФ и возрастанию содержания аденозиндифосфата (АДФ) и аденозинмонофосфата (АМФ). Уменьшается коэффициент АТФ\ АДФ+АМФ. Снижаются функциональные возможности клетки, например, сократимость кардиомиоцитов, но для клетки это еще не смертельно.

При низком соотношении АТФ\ АДФ + АМФ активируется фермент фосфофруктокиназа (ФФК).

Это позволяет резко увеличить пропускную способность реакций анаэробного гликолиза. Клетка расходует гликоген, обеспечивая себя энергией за счет бескислородного распада глюкозы. [180]

Происходит адаптация к гипоксии и поставка энергии стабилизируется. Однако, это сопровождается истощением запасов гликогена в клетке. Морфологически, на этой стадии процесса в клетках отмечается исчезновение гликогеновых гранул и цитоплазма перестает прокрашиваться реактивом Шиффа — периодной кислотой.

На системном уровне в организме гипоксия провоцирует стресс и гормоны стресса — катехоламины и глюкокортикоиды — усиливают гликолиз, гликогенолиз, глюконеогенез и транспорт экзогенной глюкозы в наиболее жизненно важные органы и ткани.

Цена данной адаптации высока не только вследствие меньшей энергетической эффективности анаэробного пути (35%), по сравнению с аэробным (45%). Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. Если кислород доступен, то лактат можно окислить до конца. Острая гипоксия создает условия, когда содержание лактата и свободного фосфата в клетках (и в крови) значительно возрастает. Это вызывает в клетке ацидоз, и рН цитоплазмы понижается. Считается, что ацидоз, сам по себе, не разрушает клеточных мембран. Более того, его можно рассматривать а качестве защитной реакции клетки, т. к. снижение рН оказывает стабилизирующее действие на клеточные мембраны.

Однако, прогрессирующий ацидоз внутриклеточной среды может вызвать денатурацию некоторых белков и формирование в цитоплазме зерен, что, как считается, проявляется в появлении при гипоксии помутнения цитоплазмы (ср. термины «мутное набухание,» «зернистая дистрофия» применяемые в патологической анатомии для обозначения начальных степеней острой гипоксии органа). Изменение внутриклеточного рН по-видимому, лежит также в основе образования хроматиновых глыбок, формирование которых происходит достаточно быстро и легко обратимо. Усиленное освобождение лактата при гипоксии дает метаболическийлактацидоз. Но наиболее фундаментальное значение для клетки имеет влияние ацидоза на ФФК. В зрелых клетках ФФК — кислотоугнетаемый фермент. Это лимитирует адаптацию: гипоксия усиливает гликолиз, гликолиз порождает ацидоз, ацидоз тормозит гликолиз! В этой стадии гипоксии, в клетке формируется настоящий дефицит АТФ, поскольку аэробный механизм не работает из-за кислородного дефицита, а анаэробный — из-за ацидоза.

В незрелых клетках ФФК представлена иными изоферментами, которые куда менее чувствительны к ацидотическому ингибированию. Именно это лежит в основе повышенной устойчивости эмбриональных и фетальных тканей к острой гипоксии и обуславливает большую выживаемость маленьких детей, по сравнению со взрослыми, при экстремальных состояниях, сопровождаемых острым кислородным голоданием. Известны многочисленные случаи из акушерской практики, когда роженица погибает от гипоксии, а плод остается жив; Показано, что срок клинической смерти у детей больше, чем у взрослых.

Так или иначе, но при значительном дефиците АТФ процессы клеточного повреждения углубляются.

Наибольшие проблемы возникают у главных клеточных потребителей энергии — градиентсоздающих и сократительных систем клетки. Как уже неоднократно упоминалось выше, наиболее энергоемким ферментом в клетках является калий-натриевая АТФаза. Дефицит энергии не даег этому ферменту нормально работать, и результат выражается в утрате нормального калий — натриевого градиента. Это порождает несколько последствий. Клетки утрачивают ионы калия, а вне клеток возникает его избыток. Выходом калия из клеток, отчасти, обусловлена гиперкалиемия, наблюдаемая при многих экстремальных гипоксических состояниях, например, при шоке.

Утрата калий-натриевого градиента для клетки означает уменьшение потенциала покоя. Вследствие этого положительный поверхностный заряд, свойственный нормальным клеткам, уменьшается и может меняться на отрицательный. Приобретая отрицательный поверхностный заряд, многие клетки, например, [181] форменные элементы крови, делаются менее устойчивы к агрегации и адгезии. На тканевом уровне это способствует таким процессам, как сладж эритроцитов, формирование белых тромбов и краевое стояние лейкоцитов, развивающимся в очаге повреждения (см. ниже «Воспаление»).

Частичная утрата потенциала покоя делает клетки менее возбудимыми. Это способно нарушить коммуникацию между ними, что и происходит при глубокой гипоксии. Так например, при глубокой тканевой гипоксии клеток головного мозга, чем бы она ни была вызвана (барбитуровым отравлением, судорогами, кетоацидозом, уремией, рассмотренной выше гипераммониемией, гиперосмолярным состоянием, ишемией, механической травмой и т.д.), развивается глубокое торможение нейронов, внешне проявляющееся синдромом комы с потерей сознания и утратой рефлексов, вплоть до отсутствия ряда базальных рефлексов. Патогенетическая суть этого процесса — в утрате калий-натриевой разности потенциалов и, следовательно, возбудимости нейронов. Именно из-за своей гипоксической сути комы разной этиологии так схожи по клиническим проявлениям.

Важнейшим из прямых последствий повреждения калий-натриевого насоса является проникновение избытка натрия в клетку. Из-за осмотической активности натрия возникает гипергидратация клеток. На этой стадии картина прогрессирующей гипоксии характеризуется морфологически как «мутное набухание» или, при дальнейшем образовании вакуолей «баллонная дистрофия».

Хотелось бы подчеркнуть, что употребляемый иногда термин «клеточный отек» не вполне строг с общепатологической точки зрения. Отеком (см. ниже раздел «Типовые патологические процессы в системе микроциркуляции») в патофизиологии называется лишь внеклеточный избыток жидкости и натрия. Для описываемого типового проявления клеточной гипоксии применяется название «набухание клетки». Образная характеристика этого процесса, как клеточного отека, вероятно восходит к незабываемой исторической последней фразе умирающего И.П.Павлова. Великий ученый, по свидетельству современников, умер, мужественно наблюдая за развитием гипоксии собственного мозга со словами: «Это отек... это — отек коры!»

Одним из проявлений набухания клетки служит расширение цистерн эндоплазматического ретикулюма. Возможно, в развитие внутриклеточной гипергидратации известный вклад вносит и накопление осмотически активных продуктов разрушения и усиленного катаболизма полимерных клеточных молекул. но это, скорее, относится к более глубоким стадиям баллонной дистрофии.

Дефицит энергии при клеточной гипоксии расстраивает работу цитоскелета. Нарушаются процессы сборки микротрубочек, что отражается на форме клеточной поверхности. Клетки могут утрачивать микроворсинки или наоборот, развивать поверхностные выступы-вздутия. Слабость цитоскелета может способствовать дезинтеграции некоторых надмолекулярных комплексов в клетке. Так, происходит отсоединение рибосом от мембран ШЭР и насыщение цитоплазмы утратившими свой адресный маршрут белковыми молекулами. Белковые молекулы денатурируют. Происходит, в частности, разборка липопротеидных частиц и уменьшается их растворимость. Мембраны могут формировать миелиновые фигуры, а денатурация и сшивка элементов цитоскелета — промежуточных филаментов — способна вызвать внутриклеточный гиалиноз. Процессы денатурации, декомпозиции и коагуляции придают набуханию «мутный» вид. Таким образом, мы рассмотрели патофизиологические механизмы обоих компонентов понятия «мутное набухание».

Внутриклеточная гипергидратация служит наиболее частым и типичным, но не единственным сценарием обратимой стадии некробиоза. При гипоксии некоторых клеток, которым свойственны активные процессы липолиза и липогенеза, ранние стадии некробиоза сопровождаются накоплением липидов, особенно, нейтральных жиров, в клетках. Этот [182][183] процесс носит название жировой трансформации. В отличие от жирового перерождения, при котором в строме органа появляются истинные адипоциты, жировая трансформация сопровождается накоплением жировых вакуолей в цитоплазме паренхиматозных нежировых клеток.

В миокарде данный тип некробиоза происходит при нарушении митохондриальной утилизации жирных кислот. Типичным примером служит упоминавшийся выше (с.171) дифтерийный миокардит, при котором экзотоксин бациллы Леффлера блокирует кофактор митохондриального окисления жирных кислот — карнитин.

Подобные изменения могут происходить в миокарде и при глубокой гипоксии (например, перифокально по отношению к очагам некроза), а также при некоторых гликогенозах и т.д. — то есть, являются неспецифическими.

Жировая трансформация гепатоцитов также может быть вызвана многими механизмами: сниженным синтезом апопротеинов (при отравлении четыреххлористым углеродом и квашиоркоре), нарушением экскреции липопротеидов очень низкой плотности (при недостатке липотропных веществ и избытке ниацина и оротовой кислоты), усиленным притоком жирных кислот в печень (при голодании), увеличением синтеза и ускорением этерификации жирных кислот и замедлением их распада (при алиментарном ожирении), а также комбинацией этих факторов.

Ведущая причина, приводящая к повреждению гепатоцитов по типу жировой трансформации — алкоголизм. Шведские авторы в опытах на добровольцах показали, что ежесуточный прием 400-500 грамм 40% алкоголя за 21 день ведет к возникновению обязательной выраженной жировой трансформации печени. Механизм этого явления комбинированный — имеет место и усиление транспорта жира в печень, и возрастание этерификации жирных кислот за счет избытка глицерофосфата, и сниженное окисление жирных кислот, и нарушение экскреции липопротеидов.

Принципиально важно, что этот процесс ныне трактуется не как «дистрофия», а как вариант течения некробиоза, относительно благоприятный для клетки, так как даже далеко зашедшая жировая трансформация полностью обратима. Если накопление жирных кислот сопровождается накоплением натрия и кальция, то происходящий эффект омыления может разрушать мембранные структуры клетки и приводить к некрозу. Некротизируются, формируя жировые кисты, также и клетки, накопившие очень много жировых вакуолей, и претерпевшие процессы разрыва и слияния. Поэтому, при всей своей относительной благоприятности, жировая трансформация тоже гипоксический процесс и может иметь некроз своим исходом. Не случайно, зачастую некроз и стеатоз наблюдаются в печени совместно.

Рассматривая механизмы гипоксического некробиоза, патологи пришли к мнению о ключевой роли избытка ионизированного внутриклеточного кальция в этом процессе, особенно, на его глубоких стадиях (рис.36).

Кальций в данном случае выступает не просто как электролит, а как мощный модулятор клеточных функций, избыток которого токсичен для клетки. Внутриклеточная концентрация кальция поддерживается на уровне 10^-7 М, что в 10000 раз меньше, чем в межклеточной жидкости. При функционировании здоровых клеток прием внешних химических или электрических сигналов сопровождается кратковременным повышением внутриклеточной концентрации кальция, что необходимо для ответа на стимул. Кальций проникает внутрь через потенциал-зависимые входные кальциевые каналы. Кроме того, раздражение кальциймобилизующих рецепторов ведет к активации фосфолипазы С и продукции липидных внутриклеточных посредников — диацилглицерина и инозитолтрифосфата (см. выше раздел «Нарушения функционирования пострецепторных посредниковых механизмов»).

Последний взаимодействует с мембранами кальцисом и вызывает выход депонированного [184] там кальция в цитоплазму. Эти явления описываются, как функция рецепторзависимых кальциевых каналов.

Цитоплазматический кальций переходит в активную форму путем взаимодействия со своим белковым внутриклеточным рецептором — кальмодулином. Комплекс кальций-кальмодулин активирует кальмодулинзависимые протеинкиназы, которые, вместе с протеинкиназойС, активизируемой диацилглицерином, осуществляют включение тех или иных клеточных ферментов.

Характерно, что сами кальций-зависимые посредники, в частности, кальмодулин, усиливают при накоплении внутриклеточного кальция работу уравновешивающих механизмов.

Мощные механизмы инактивации цитоплазматического кальция (АТФ-зависимый кальциевый насос, натрий-кальциевый обменный механизм) быстро стабилизируют при ответе на внешние раздражения его уровень, выбрасывая этот катион из клетки, связывая и секвестрируя его в кальцисомах и митохондриях. Один из классических вопросов, поставленных еще в ранний период развития учения о повреждении клетки — это вопрос о грани между реактивным раздражением и повреждением. Где для клетки, подвергнутой внешнему воздействию, кончается одно и начинается другое? Пытаясь найти ответ, и чувствуя общее между этими процессами, И.М.Сеченов писал о «повреждающем раздражении», а Д.Н.Насонов и В.Я.Александров даже предположили, что процессы физиологического возбуждения представляют собой прообраз изменений, вызванных повреждением ткани. Согласно современным патохимическим данным, важное отличие между ответом клетки на раздражение и повреждением заключено в том, что при реактивном раздражении стабилизация уровня кальция возможна, а при повреждении емкость стабилизирующих механизмов недостаточна и концентрация внутриклеточного кальция продолжает расти и сохраняется повышенной долго.

Увеличение внутриклеточной концентрации кальция вначале обусловлено нехваткой энергии для работы кальций-магниевого насоса. Затем, при углублении гипоксии, кальций попадает в клетку не только через входные кальциевые каналы наружной мембраны, но и — особенно массивным потоком — из его внутриклеточных резервуаров — митохондрий и цистерн гладкого ЭПР, а также через поврежденные клеточные мембраны. Это приводит к критическому нарастанию его концентрации.

Показательно, что яд тапсигарджин, высвобождающий кальций из ЭПР в цитоплазму, индуцирует гибель клеток (путем апоптоза), а протоонкоген bcl-2, защищающий клетку от гибели, кодирует онкобелок, присущий цитозольной стороне мембраны ЭПР, комплексу ядерных пор и митохондриям, который удерживает кальций внутри ЭПР и перинуклеарного пространства. Блокаторы входных кальциевых каналов, а также перфторуглеродные эмульсии тормозят накопление кальция в цитоплазме поврежденных клеток и таким способом продлевают выживание клеток в условиях гипоксии.

Избыток кальция активирует ядерные эндонуклеазы, фрагментирующие ДНК в межнуклеосомных участках. Это является важным элементом апоптоза, придающим процессу запрограммированной гибели клеток необратимость. Ионы цинка служат антагонистом кальция и блокируют этот фермент, оказывая цитопротекторный эффект.

При избытке кальция нарушается синтез АТФ и усиливается продукция активных кислородных радикалов в митохондриях. При высоком уровне кальция в клетке активируется нейтральные протеазы — кальпаины. Активность кальпаинов, до известной степени, может сдерживаться их блокаторами кальпстатинами, запас которых небезграничен. Длительный избыток кальция в цитоплазме ведет к прогрессирующему цитоплазматическому протеолизу. Кальпаины способны разрушать цитоскелет, в частности, его белки фодрин и в-актин, что ведет к формированию поверхностных выступов («blebs») на мембране гибнущей клетки. Кальпаины нарушают передачу информации в клетке, лизируя рецепторы и протеинкиназуС. [185]

Участие кальция в активации внеклеточного каскадного протеолиза хорошо известно и убедительно показано на примере сторожевой полисистемы плазмы Крови. Вокруг гибнущих клеток при гипоксическом некробиозе происходит кальцийзависимая активация системы фибрина, комплемента, фибринолиза и кининов. Не исключено, что и внутриклеточные каскадные протеолитические системы, такие как система ICE и гранзимВ, известные своим участием в механизмах апоптоза и некроза, могут активироваться избытком кальция.

Кальцийзависимый фермент трансглутаминаза может при избытке кальция осуществить сшивку белков цитозоля, что способствует формированию апоптотических телец и механизмам коагуляционного некроза, а также, вероятно, формированию внутриклеточного гиалина.

Активация кальцием мембранных фосфолипаз способствует дезинтеграции клеточных мембран и выработке липидных медиаторов воспаления — производных арахидоновой кислоты. Этот механизм вносит вклад в развитие перифокального воспаления в очаге некробиоза.

При необратимом повреждении клетки митохондрии захватывают значительные количества кальция, это приводит к инактивации их ферментов, денатурации белков, стойкой утрате способности к продукции АТФ даже при восстановлении притока кислорода, образованию в этих органоидах аморфных электронноплотных хлопьев. Наряду с набуханием митохондрий, обусловленным проникновением в них калия, фосфата и воды и рассмотренным выше, эти процессы делают гипоксию тканевой. Такая стадия некробиоза уже не может быть обращена путем простого восстановления притока кислорода или при реперфузии.

Глубоко поврежденные митохондрии перестают быть акцепторами кислорода и субстратов. Из-за неспособности митохондрий окислять жирные кислоты их ацилы остаются в цитоплазме, где и формируют эндогенные мыла с натрием и кальцием. Омыление приводит к возрастанию детергентной активности цитозоля, который в буквальном смысле, растворяет липидные мембраны. Эндогенный детергентный эффект замыкает цепь фатальных событий, ведущих к «точке необратимости» некробиоза. Мыла разрушают мембраны органоидов и на клетку обрушивается удар гидролаз, активных радикалов и других метаболитов, изолированных до этого момента в различных отсеках клетки.

С этого момента, по-видимому, можно считать клетку мертвой, а процесс некротического аутолиза — начатым.

Таким образом, длительное повышение цитоплазматической концентрации активного кальция — это центральное звено клеточной гибели. Из-за этого нарушения запускаются несколько перечисленных выше патогенных механизмов, актуальных для гипоксического и свободнорадикального некробиоза, а также апоптоза.

Митохондрии погибших клеток продолжают быть кальциевыми ловушками и нередко становятся первичными центрами формирующегося кальциноза. Дистрофическая кальцификация происходит на месте некроза при нормальном уровне кальция в плазме.

123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: