Оксидативен стрес и ХОББ

Хроничната обструктивна белодробна болест (ХОББ) е обект на интензивни проучвания през последните десетилетия. Терминът ХОББ е въведен в началото на 60-те години на миналия век с оглед на това, че болестта засяга не само дихателните пътища, но и белодробния паренхим и микроциркулация.

Основна характеристика на болестта е хроничното ограничение на въздушния поток, което е ненапълно обратимо и в по-голямата част от пациентите, резултат от два различно застъпени патологични процеса – възпаление на малките дихателни пътища (ДП) (обструктивен бронхиолит) и деструкция на белодробния паренхим (емфизем). ХОББ е болест на белия дроб със значими екстрапулмонални ефекти, които могат да допринесат за тежестта на болестта².

ХОББ е значим проблем за общественото здравеопазване. Заболеваемостта и смъртността варират в различните страни и сред отделните групи в популацията, като общата заболеваемост е с тенденция да нараства през следващите десетилетия. Според последните актуализирани данни на СЗО от 2008 г. ХОББ е четвъртата причина за смърт в световен мащаб, отговорна 5,1% (3,02 млн.) от всички смъртни случаи. Сред известните етиологични фактори за развитие на болестта водеща роля има тютюнопушенето, въпреки че има все повече данни за други фактори, като замърсяване на околната среда, изгаряне на биогорива и генетична предиспозиция. Честотата на ХОББ се увеличава с възрастта, като болестта е по-често срещана сред мъжкия пол и се асоциира с нисък социално-икономически статус^2,3.

В патогенезата на ХОББ се открояват три основни механизма⁴:

Хронично възпаление, присъстващо в малките ДП при всички болни, особено при пушачи.

Дисбаланс на протеази и антипротеази, обуславящи деструкцията на белодробния паренхим.

Дисбаланс на оксиданти и антиоксиданти с развитие на оксидативен стрес (ОС).

Ролята на ОС за развитието на ХОББ е недостатъчно изучена и е обект на интензивно изследване през последните години. ОС настъпва при увеличена продукция на оксиданти и/или намаляване на антиоксидантите.

Оксидантите са няколко основни вида – реактивни видове кислород (РВК), реактивни видове азот (РВА), въглероден оксид и продукти на липидната пероксидация – изопростани, и реактивни субстанции на тиобарбитуровата киселина. Повишеното им образуване в организма се осъществява по два начина⁵:

Увеличена продукция от клетъчните елементи, участващи в патогенезата на болестта. При ХОББ се установява активиране на епителни клетки и макрофаги (МА) в белия дроб, като едновременно с това се активират и преразпределят още неутрофили (НТ), еозинофили, моноцити и лимфоцити. Веднъж попаднали в белия дроб тези инфламаторни клетки се активират от възпалителните медиатори и започват да генерират супероксидни аниони (О₂), които се конвертират бързо до водороден пероксид под действието на ензима супероксид дисмутазата (СОД). РВК и РВА също могат да бъдат генерирани вътреклетъчно от няколко източника като митохондриалното окисление, NADPH оксидазната система и системата ксантин/ксантин оксидаза.

Цигарен дим и оксиданти от вдишвания въздух. Цигареният дим е сложна смес от над 4700 химични съединения, съдържаща високи концентрации на оксиданти и свободни радикали (над 10¹⁵ молекули за едно вдишване). В газовата фаза на цигарения дим  се намират основно оксиданти с кратък полуживот, като супероксидния анион и азотния оксид, които реагират и формират високореактивен пероксинитрит. Радикалите в катрановата фаза на цигарения дим са основно органични като семиквинон. Замърсителите на атмосферния въздух, газове – озон, SO₂, NO₂ или прахови частици, също могат директно да увредят белия дроб или да стимулират възпалителен отговор.

Друг важен момент в развитието на ОС е намаляването на антиоксидантите в организма и общия антиоксидантен капацитет на плазмата.

Локално в надепителната течност се съдържат нискомолекулярни антиоксиданти – муцин, пикочна киселина, албумин, церулоплазмин, редуциран глутатион и аскорбинова киселина. Последните два са в по-висока концентрация в надепителната течност в сравнение с плазмата и представляват първата линия на защита срещу инхалираните оксиданти и тези продуцирани от клетките във въздушните пространства.

Тютюнопушенето и екзацербациите на ХОББ водят до намален антиоксидантен капацитет на плазмата. Това може отчасти да се обясни с увеличената продукция на РВК от неутрофилите в периферната кръв. Проучвания показват наличие на понижен тотален антиоксидантен капацитет при хронични пушачи, което се асоциира с намаление в серумните нива на основните антиоксиданти – аскорбинова киселина, витамин Е, β-каротен⁶. При млади пушачи нивата на антиоксидантните ензимни системи – СОД, и каталаза са по-високи, сравнено с по-възрастни пушачи, при които се генерират хронично супероксиди и други оксиданти⁷.  

ОС участва в редица патогенетични и патофизиологични  механизми за развитие на ХОББ:

Директно увреждане на белодробната тъкан. РВК като О₂^-  и OH ^–, генерирани близо до клетъчните мембрани, окисляват мембранните фосфолипиди, процес, който може да продължи като верижна реакция. Много от ефектите на РВК във въздухоносните пътища могат да бъдат медиирани от вторичното отделяне на възпалителни медиатори като 4-хидрокси-2-ноненал (4-HNE). Той е силно реактивен и дифундиращ краен продукт на липидната пероксидация и се приема, че регулира много от клетъчните процеси, като пролиферация, апоптоза и активиране на МАП-киназните сигнални пътища. Скорошни проучвания показват увеличени нива на 4-HNE-модифицираните протеини във въздухоносните пътища, алвеоларните епителни клетки и НТ при пациенти с бронхиална обструкция в сравнение с такива без обструкция⁸.

Дисбаланс протеази/антипротеази. Концепцията, че дисбалансът протеази/антипротеази играе роля в патогенезата на емфизема в белите дробове на пушачи, е развита вследствие изследванията на пациенти с α₁-антитрипсинов (α₁-АТ) дефицит. При случаи с нормален α₁-АТ еластазата може да бъде повишена в резултат на увеличеното преразпределение на левкоцити в белия дроб и може да е налице функционален дефицит на α₁-АТ, дължащ се на инактивирането му в белия дроб от оксиданти⁹. Ранни проучвания показват, че функцията на α₁-АТ в лаважна течност е редуцирана с около 40% при пушачи в сравнение с непушачи¹⁰.

Въздухоносните пътища при пушачи съдържат повече чашковидни клетки в сравнение с непушачи и тяхното активиране води до мукусна хиперсекреция и образуване на запушалки. Цигареният дим може да активира рецепторите на епидерамалния растежен фактор (EGF) чрез тирозиново фосфорилиране, което води до индукция на муциновата синтеза в епителните клетки на белите дробове при повишена експресия на гена MUC5AC. Доказва се, че селективни инхибитори на рецепторите на тирозинкиназата, както и антиоксиданти инхибират експресията на MUC5AC гена, което предполага участието на оксидантите в повишаване на генната експресия¹⁰.

Благодарение на директния си контакт с околната среда въздухоносният епител на белите дробове е особено раним от ефектите на ОС, произведен от цигарения дим. Уврежданията на епитела могат да са резултат от няколко процеса: а) директно токсично взаимодействие със съставките на цигарения дим (вкл. свободни радикали), които са преминали през защитния слой на надепителната течност; б) увреждане на клетките от токсични реактивни продукти, генерирани от взаимодействието на цигарения дим с надепителната течност; в) реакции, настъпващи след активиране на възпалително-имунни процеси, инициирани от предходните два процеса⁵.

Неутрофилна миграция и инфлукс на неутрофили в белите дробове.

Белият дроб съдържа голям брой нециркулиращи НТ, които са задържани там или се движат бавно в белодробната микроциркулация. Това е резултат от по-големия среден диаметър на НТ спрямо размера на белодробните капиляри, което ги кара да се деформират и така да се движат бавно. Този механизъм на неутрофилна секвестрация в пулмонарното легло им осигурява време да взаимодействат и да се прикрепят към капилярния ендотел преди последващата миграция към интерстициалното пространство през алвеоло-капилярната мембрана. По време на пушене е налице транзиторно увеличение на неутрофилната секвестрация в белите дробове, поради намалена способност за деформиране на циркулиращите НТ ¹².

2.   Апоптоза.

Програмираната клетъчна смърт – апоптоза е физио­логична програма за отстраняване на увредени или нежелани клетки in vivo. Съществуват проучвания, които показват, че вследствие на тютюнопушене настъпва апоптоза на клетките на алвеоларните стени, което резултира в прогресивна загуба на клетки и развитие на емфизем. ОС е уличен в медиирането на апоптични процеси, особено в алвеоаларните епителни клетки⁷. Данни от проучвания in vitro и in vivo при хора разкриват, че апоптоза настъпва при изложени на цигарен дим клетки – МА, въздухоносен епител и белодробни фибробласти¹³.

3.   Развитие на бронхиална обструкция.

Смята се, че НТ са клетките, които играят основна роля в патогенезата на ХОББ. Епидемиологични проучвания показват връзка между броя на циркулиращите НТ и ФЕО₁. Нещо повече, доказва се и връзка между промяна в броя на НТ в периферната кръв и развитие на бронхиална обструкция с течение на времето. ОС, измерен чрез продуктите на липидната пероксидация в плазмата, също корелира обратно пропорционално с ФЕО₁.⁹ 

4.   Оксидативен стрес и хронично възпаление.

Съществуват голям брой доказателства, че ХОББ се асоциира с развитие на възпаление в ДП, като ОС е механизъм, който амплифицира този процес¹⁴ . ОС има фундаментална роля за активиране на множество редокс-сензитивни транскрипционни фактори, като нуклеарен фактор капа-бета (NF-kB), който съществува като хетеродимерен комплекс, състоящ се обикновено от p50 и p65 субединици, и регулира множество инфламаторни гени, като тези за продукция на цитокини, IL-8, TNF-α и азотен оксид (iNOS). При нестимулирани клетки NF-kB се открива в неактивна форма в цитоплазмата, свързан с инхибиторния протеин IkB, който предотвратява навлизането на NF-kB в ядрото. Много стимули, включително цитокини и оксиданти, предизвикват отделяне на инхибитора и активиране на NF-kB. Отделеният NF-kB димер може да се транслоцира в ядрото и да активира таргетните гени, като се свързва за техния протомер. Проучване на Di Stefano et al. демонстрира увеличена експресия на p65 протеина на NF-kB в бронхиалния епител на пушачи и пациенти с ХОББ, която корелира със степента на ограничаване на въздушния поток при пациенти с ХОББ¹⁵. Активирането на NF-kB при моноцитите и МА отключва отделянето на проинфламаторни медиатори в надепителната белодробна течност, което амплифицира възпалителната каскада в епителните белодробни клетки и преразпределянето на НТ.

5.   Ремоделиране на хроматина.

Друг важен процес, който се индуцира от ОС е ремоделирането на хроматина. При нормални обстоятелства ДНК е здраво увита около хистоново ядро, като тази конфигурация предпазва от ексцесивна транскрип­ция на фактори като NF-kB и редуцира достъпа на РНК-полимеразата до ДНК. Това довежда до потискане на транскрипцията на гените. Под влияние на хистон-ацетилтрансферазите хистоновите остатъци се ацетилират, което предизвиква промяна в техния заряд и разплитане на ДНК, което позволява достъп на NF-kB и РНК-полимеразата до транскрипционните механизми и увеличава генната експресия. Този процес се обръща от хистон-деацетилазите (HDAC), които деацетилират хистоновите остатъци и по този начин предизвикват увиване на ДНК и потискане на гените. Ацетилирането на хистона настъпва след експозиция на цигарен дим и се предотвратява от антиоксиданта N-ацетилцистеин¹⁶. Изследвания при животински модели доказват, че експозицията на цигарен дим води до увеличение на ацетилирания хистон в белите дробове и намалява активността на HDAC. В макрофаги от белите дробове на пушачи активността на HDAC също е понижена¹⁷. Скорошни проучвания при хора показват, че ацетилираните хистонови остатъци присъстват в по-голяма степен при пушачи и при пушачи с ХОББ при асоциирано намаление на HDAC. Ацетилираният хистон-3 е увеличен също и при бивши пушачи с ХОББ, и може да бъде механизъм на персистиращо възпаление дори и след спиране на активното пушене¹⁸.При болни с ХОББ важен проблем е и резистентността към лечение с кортикостероиди. Това се асоциира с намалената под влияние на оксидативния стрес активност на HDAC, необходима за действието на кортикостероидите при тези пациенти¹⁹.

Налице са все повече доказателства за повишен локален и системен ОС при болни с ХОББ, което поставя извън съмнение важната роля на оксидантите и ОС в патогенезата на болестта. Маркерите за повишен ОС като пероксинитрит, продукти на липидната пероксидация в издишвания въздух, нива на антиоксидантни ензими все още не се използват рутинно, което налага бъдещи проучвания в тази насока. През последните години се изследват и различни вещества с потенциален антиоксидантен ефект и възможност за повлияване и редуциране на оксидативния стрес в различните нива на неговото действие. Въпреки интензивните проучвания никое от тези вещества – витамин С, витамин Е, миметици на антиоксидантни ензимни системи, N-ацетилцистеин, суплементарен глутатион, не е показало значителен ефект в редуциране на ОС. В процес на разработка са нови молекули, за които се предполага, че могат да намалят оксидативния стрес на генетично ниво – активатори на сиртуина (протеин, съдържащ се в хистондеацетилазите) и активатори на главния транскрипционен фактор активиращ антиоксидантните гени – Nrf2²⁰.   

Литература:

1. Костов К. ХОББ. Aко има такава болест. Изд. АНКОС, София 2004 г.
2. Global strategy for the diagnosis, management, and prevention of Chronic Obstructive Pulmonary Disease (GOLD). Updated 2009. http://www.goldcopd.com/WHO, Fact sheet No 310, November 2008. http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs310_2008.pdf  
3. MаcNee W. ABC of chronic obstructive pulmonary disease. Pathology, pathogenesis, and pathophysiology. BMJ, 2006; 332: 1202-1204
4. Rahman I. COPD-Cellular and molecular mechanisms. Part XI. Ed. Peter J. Barnes. Imperial College School of Medicine, London, England, 2005, pp279-316
5. Mezzetti A, Lapenna D, Pierdomenico SD, et al. Vitamins E, C and lipid peroxidation in plasma and arterial tissue of smokers and non-smokers.Atherosclerosis, 1995; 112:91–99
6. Rahman I, MacNee W. Role of oxidants/antioxidants in smoking-induced airways diseases. Free Radic Biol Med, 1996; 21:669–681
7. Aoshiba K, Koinuma M, Yokohori N, Nagai A. Immunohistochemical evaluation of oxidative stress in murine lungs after cigarette smoke exposure. Inhal Toxicol 2003; 15:1029–1038.
8. MacNee W. Oxidants/antioxidants and COPD. Chest, 2000;117:303S–317S.-4
9. Stockley RA. Antielastases in lung lavage from patients with emphysema. In: Taylor JC, Mittman C, eds. Pulmonary emphysema and proteolysis. Orlando, FL: Academic Press,1986; 277–282.
10. Takeyama K, Jung B, Shim JJ, et al. Activation of epidermal growth factor receptors is responsible for mucin synthesis induced by cigarette smoke. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2001; 280:L165–L172
11. MacNee W. Pulmonary and Systemic Oxidant/Antioxidant Imbalance in Chronic Obstructive Pulmonary Disease. Proc Am Thorac Soc, 2005; 2: 50–60
12. Carnevali S, Petruzzelli S, Longoni B, et al. Cigarette smoke extract induces oxidative stress and apoptosis in human lung fibroblasts. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2003; 284:L955–L963
13. MacNee W. Oxidative stress and lung inflammation in airways disease. Eur J Pharmacol,  2001;429:195–207
14. Di Stefano A, Caramon G, Oates T, et al. Increased expression of nuclear factor-kB in bronchial biopsies from smokers and patients with COPD. Eur Respir J, 2002; 20:556–563
15. Anderson C, Kilty I, Marwick JA, et al. Cigarette smoke and H2O2-mediated decrease in histone deacetylase activity is attenuated by N-acetyl-L-cysteine but not be I-
    B kinase inhibition in A549 cells. Am J Respir Crit Care Med, 2004;169:A424
16. Ito K, Lim S, Caramori G, et al. Cigarette smoking reduces histone deacetylase 2 expression, enhances cytokine expression, and inhibits glucocorticoid actions in alveolar macrophages. FASEB J, 2001;15:1110–1112
17. Szulakowski P, Drost E, Jimenez LA, et al. Role of histone acetylation in transcriptional regulation and promotion of inflammatory process in patients with chronic obstructive pulmonary disease. Am J Respir Crit Care Med, 2004;169:A275
18. Adcock IM, Barnes PJ. Molecular mechanisms of corticosteroid resistance. Chest, 2008; 134: 394-401

19. Barnes PJ, Future treatment for Chronic Obstructive Pulmonary Disease and its comorbidities. Proc Am Thorac Soc Vol 5. pp 857–864, 2008