Параметры функционирования митоКАТФ у животных с различной устойчивостью к гипоксии, а также у крыс, адаптированных к кислородному голоданию (стр. 4 из 13)
Рисунок 4. Активация УДФ целого митоКАТФ канала в нативных МХ [Mironova et al., 2004]
Ранее на моделях тотальной и регионарной ишемии изолированных перфузируемых сердец крыс было показано, что уридин и УМФ проявляют антиаритмическую активность в отношении реперфузионных аритмий, предупреждают развитие миокардиального станинга при постишемической реперфузии, препятствуя депрессии сократительной функции миокарда и предотвращая развитие контрактуры [Eliseevetal., 1989].
В представленной работе была предпринята попытка определить, обладают ли уридиновые нуклеотиды кардиопротекторным действием и связано ли их влияние с активацией цито- и митоКАТФ каналов на модели искусственного острого инфаркта миокарда.
2.2 Функциональная роль митоКАТФ
Являясь одним из компонентов калиевого цикла МХ, митоКАТФ участвует в поддержании объема МХ матрикса и мембранного потенциала [Garlid, 1998]. В лаборатории проф. Мироновой показано, что активация митоКАТФ играет важную роль при выходе животных из состояния зимней спячки [Fedotchevaetal., 1985; Миронова и др., 1986]. МитоКАТФ участвует также в ингибировании процесса апоптоза клетки, блокируя высвобождение цитохрома С, предотвращая снижение мембранного потенциала и чрезмерное увеличение концентрации Ca2+, сохраняя, таким образом, функции МХ, что было показано на b-клетках поджелудочной железы [Akaoetal., 2001], а затем и на церебральных нейронах [Teshimaetal., 2003]. Кроме того, митоКАТФ является посредником в процессе регуляции транскрипции некоторых генов. Его активация вызывает небольшое увеличение продукции активных форм кислорода (АФК) [Chandeletal., 1998].
При патологии активация митоКАТФ частично востанавливает мембранный потенциал, стимулируя дальнейший перенос протонов, ингибируя накопление внутримитохондриального кальция и предотвращая распад энергетических фосфатов путем создания оптимального для синтеза АТФ электрохимического градиента [Szewczyk, 1996; Xuetal., 2001]. Активация митоКАТФ способствует разобщению электронного транспорта, ускоряя, таким образом, дыхание, что приводит к окислению проксимальных переносчиков электронов дыхательной цепи [Liuetal., 1998]. Согласно данным Гарлида, активация канала приводит к набуханию МХ, что способствует поддержанию архитектуры внутренней мембраны и сохранению активности дыхательной цепи. Это позволяет поддерживать уровень клеточного АТФ и, таким образом, способствует восстановлению функций миокарда во время реперфузии [Garlid, 2000]. Как было показано ранее, набухание матрикса увеличивает скорость окислительного метаболизма, активирует как окисление жирных кислот, так и дыхание и синтез АТФ [Halestrap, 1989].
2.2.1 Активация митоКАТФ в развитии устойчивости организма к гипоксии
В 1983 г. был открыт феномен прерывистой гипоксии, важную роль в котором играет активация митоКАТФ [Murryetal., 1983; Liuetal., 1998].
Феномен прерывистой гипоксии был назван «preconditioning» или «ишемической толерантностью» [Murry et al., 1986; Kitigawa, 1990]. Позднее он получил название «феномен ишемической адаптации» (ФИА) [Yellon et al., 1998; Петрищев и др., 2001], и в настоящее время признан наиболее эффективным способом уменьшения размера инфаркта миокарда [Kloner et al., 1998]. Справедливости ради надо отметить, что адаптация, создаваемая кратковременной гипоксией, была обнаружена ранее [Poupa et al.,1966; Meerson et al., 1973].
Клеточные механизмы ФИА в настоящее время широко изучаются. Считается, что защитный эффект является трехступенчатым и включает в себя последовательные триггерные и конечные эффекторные механизмы, причем наиболее вероятным эффектором является митоКАТФ [Garlid et al., 1997; Yellon et al., 1998; Grover and Garlid., 2000; Петрищев и др., 2001].
ФИА развивается в виде двух волн: первая волна проявляется в течение нескольких часов, затем исчезает и снова появляется в виде второй волны [Yellon et al., 1998], которая длится в течение недели, а иногда и месяца [Carroll et al., 2000]. Установлено, что во второй стадии адаптации к гипоксии также участвует митоКАТФ [Wang et al., 2001]. В развитии толерантности к ишемии мозга [Lacza et al., 2003], и в дистанционной ишемической адаптации сердца к гипоксии при создании коротких эпизодов окклюзии почечной артерии также задействован митоКАТФ [Pell et al., 1998].
Установлено, что специфические модуляторы митоКАТФ (см. таблицу 1) влияют на ФИА. Так активатор митоКАТФ, диазоксид, и неселективный активатор КАТФ каналов, кромакалим, имитируют «preconditioning», увеличивая время сокращения миокарда и способствовуя восстановлению функций изолированных сердец крыс, подвергавшихся общей ишемии миокарда с последующей реперфузией. Кi диазоксида для митоКАТФ (0.8 мкМ в МХ сердца быка) в 1000 раз превышала Кi для цитоКАТФ [Grossetal., 1992]. Кромакалим проявлял аналогичный эффект в тех же концентрациях. Глибенкламид и 5-ГД блокировали действие диазоксида и кромакалима, следовательно, эффект активаторов на ФИА опосредован через КАТФ каналы [Auchampach, 1992; Garlid, 1997; Tsaietal., 1998; VandenHoek, 2000]. Активирующе действие диазоксида на митоКАТФ показано также на изолированных МХ сердца крысы, что доказывает роль МХ канала в кардиопротекции [Grossetal., 1992]. Полученные данные подтверждают также результаты исследований, по изучению флуоресценции флавопротеинов на изолированных кардиомиоцитах желудочков сердца кроликов [Liuetal., 1998; Satoetal., 1998]. Однако поскольку было обнаружено, что диазоксид снижает мембранный потенциал на МХ, независимо от активации митоКАТФ канала, его кардиопротекторный эффект вызывает сомнение.
Показано, что потенциальный медиатор сигнального пути, ответственного за формирование ишемической адаптации, протеинкиназа С, [Satoetal., 1998; Liuetal., 1994; Sasakietal., 2000] модулирует активность митоКАТФ. 5-ГД полностью блокирует этот кардиопротекторный эффект, подтверждая участие митоКАТФ в защите миокарда от ишемических повреждений. Следует отметить, что сами по себе глибенкламид и 5-ГД не оказывают никакого влияния [GrossandFryer, 1999]. Неспособность специфического ингибитора цитоКАТФ, HMR-1883, ингибировать анти-ишемический эффект активаторов митоКАТФ [Fryeretal., 2000], также говорит в пользу участия в защитном механизме МХ канала.
Следует отметить, что неселективные активаторы КАТФ каналов, такие как пинацидил, оказывая кардиопротекторное действие, вызывали побочный проаритмический эффект и приводили к существенному понижению давления у подопытных животных [Grover, 1997]. Подобные нежелательные последствия способны свести на нет кардиопротекторное действие данных препаратов. Использование селективных активаторов МХ или цитоплазматического КАТФ каналов позволило бы избежать таких побочных явлений. Можно ожидать, что селективные активаторы цитоКАТФ, такие как HMR-1883, оказывая антиаритмическое действие, не будут негативно влиять на ишемическую адаптацию, вызванную активацией митоКАТФ. Так, показано, что HMR-1883 является потенциальным антифибрилляторным агентом при острой ишемии на модели собаки [Billmanetal., 1998]. И наоборот, сайт-специфичные активаторы митоКАТФ не будут оказывать проаритмического действия [GrossandFryer, 1999].
2.2.2 Механизмы защиты сердца при гипоксии, опосредованные активацией митоКАТФ
Несмотря на то, что роль митоКАТФ в адаптации организма к гипоксии доказана, остается неясным, каким образом открытие канала приводит к защите сердца от ишемических повреждений. Недавно были предложены три различных механизма защиты сердца при гипоксии, которые могут проявляться при открытии митоКАТФ: 1) механизм, при котором усиление входа К+ в МХ ведет к набуханию матрикса, что предупреждает распад АТФ; 2) механизм, основанный на снижении концентрации Са2+ в МХ, что уменьшает вероятность открытия митохондриальной поры и предупреждает гибель кардиомиоцитов; 3) механизм, связанный с изменением уровня активных форм кислорода (АФК), повышенная концентрация которых, с одной стороны, активирует ряд ферментов, а с другой, необратимо повреждает мышечную ткань при гипоксии.
Известно, что при набухании МХ усиливается окисление жирных кислот и увеличивается продукция АТФ [Grover, 2000; Halestrap, 1989]. Хотя ранее было продемонстрировано, что набухание МХ является следствием открытия митоКАТФ, вопрос о связи этого эффекта непосредственно с сохранением целостности МХ после ишемии и реперфузии остается открытым [Lim et al., 2002]. Идея о том, что потребление К+ митохондриями и сопутствующее ему набухание этих органелл оказывает кардиопротекторный эффект, подтверждается тем, что активация других митохондриальных К+ каналов, например, Ca2+-активируемого К+ канала, также предупреждает ишемические повреждения [Xu et al., 2002]. Однако, этот эффект не блокируется ингибитором митоКАТФ, что наблюдается при «preconditioning». Следовательно, именно митоКАТФ задействован в формировании феномена «preconditioning».
Согласно второй гипотезе [Liu et al., 1999; Murata et al., 2001; Korge et al., 2002; Holmuhamedov et al., 1999], в состоянии аноксии МХ мембрана деполяризуется, скорость электрофоретического входа кальция снижается и, соответственно, уменьшается количество Са2+ в МХ. Это, в свою очередь, предупреждает образование Ca2+-активируемой митохондриальной поры, открытие которой ведет к развитию апоптоза и некроза ткани [Szabo et al., 2004]. Полученные данные согласуются с результатами исследований о предотвращении апоптоза при активации митоКАТФ [Takashi et al., 1999], возможно, путем ингибирования митохондриальной поры [Akao et al., 2003]. Однако, как показано в лаборатории проф. Гарлида, при открытии митоКАТФ снижение потенциала настолько мало [Carreira et al., 2005], что не может существенно отразиться на скорости входа Ca2+ в МХ.
Третий механизм, в настоящее время наиболее обсуждаемый, основан на обнаружении изменений уровня АФК, как во время прекондиции [Ozcan et al., 2002], так и в условиях реперфузии [Vanden Hoek et al., 2000]. Стимуляция образования АФК короткими эпизодами гипоксии или при введении активаторов митоКАТФ, предотвращаемая 5-ГД, оказывает защитное действие, ингибируемое антиоксидантами [Forbes et al., 2001; Vanden Hoek et al., 1998]. Этот эффект связан, вероятно, с активацией протеинкиназ, активируемых АФК, что ведет к инициированию целого ряда реакций, приводящих к кардиопротекции [Takashi et al., 1999]. Однако ингибиторы протеинкиназ не всегда устраняют кардиопротекторное действие активатора, как это наблюдалось в случае диазоксида [Krenz et al., 2002]. В противоположность этому АФК, образуемые при реперфузии после продолжительной ишемии, могут быть причиной необратимого клеточного повреждения. Предварительная обработка активаторами митоКАТФ подавляет образование АФК при реперфузии [Pain, et al., 2000; Zweier et al., 1987]. Следовательно, митоКАТФ может способствовать продукции «защитных» АФК при адаптации к гипоксии и уменьшать образование «повреждающих» АФК при реоксигенации.