Роль оксиду азоту в розвитку фізіологічних та патологічних процесах організму

Відкриття властивостей оксиду азоту (NO) як поліфункціонального фізіологічного регулятора стало одним із багатьох видатних досягнень кінця ХХ століття. Наукова зацікавленість унікальними і різнополярними властивостями NC) була настільки великою, що в 1992 році NO був проголошений Молекулою Року.

Оксид азоту являє собою унікальний за своєю природою і механізмом дії вторинний месенджер у більшості клітин організму. Вільно проникаючи через біологічні мембрани і легко реагуючи з іншими молекулами, він бере участь не тільки у реалізації численних фізіологічних процесів, а також зумовлює багато патологічних станів живого організму. Часто фізіологічні та патологічні ефекти оксиду азоту проявляється одночасно.

Оксид азоту (II)-NO є важливим біологічним медіатором фізіо­логічних процесів організму людини. Сьогодні важко визначити функцію організму, у якій не брав би участь NО, адже він регулює кров'яний тиск,

відіграє важливу роль в антимікробному захисті та у внутрішньоклітинній сигнальній трансдукції (Каштанов С.И., Звягинцева М.А., 2000).

У механізмі утворення NO основну роль відіграє амінокислота L- аргінін у присутності оксидазотних синтетаз (Nitric Oxide Synthase - NOS) NOS. Існує кілька NOS. Під впливом великої кількості кальцію активується ендотеліальна NOS (e-NOS), завдяки якій проходить синтез ендотеліального NО, що дифундує у гладком'язові судинні клітини, де зв'язує гемрозчинної гуанілатциклази, активуючи її.

У цитоплазмі клітин постійно знаходиться конститутивна NOS (c- NOS), значна інактивація якої проходить при низьких концентраціях вільного кальцію c-NOS-основний фактор захисту організму від інфекції, ішемії, збільшеного тромбоутворення та багатьох інших пошкоджень, а NO, який синтезується під впливом c-NOS є переносником фізіологічних відповідей в організмі (Пікас О.Б., Петренко В.І., 2006).

Не завжди є присутньою в клітинах індуцибельна NOS (i-NOS), вона не працює постійно як c-NOS, а синтезується тільки при патологічних станах під впливом ендотоксинів, цитокінів та активує при цьому процеси перекисного окислення ліпідів.

Механізм пригнічення гіперпродукції NO і пов'язані з цим порушення лежать в основі процесів адаптації, оскільки адаптація стимулює синтез NO в організмі, а при збільшенні кількості NO його роль у процесах адаптації втрачаються, і стає основним у патогенезі патологіч­ного стану та важливим пошкоджувальним фактором для організму. У гіперпродукції NO може відігравати роль також с-NOS, а при надлишку NO за принципом негативного оберненого зв'язку інактивуються залізовмісні білки, до складу яких входять дихальні ферменти мітохондрій та пригнічується ріст і розмноження клітин.

Внаслідок швидкого переходу в нітрати і нітрити вільний радикал NО має короткий період напівжиття (5-30 сек), що пояснює важкість його виявлення в біологічних рідинах, а фізіологічні процеси, пов'язані з NO, здійснюються в результаті циклічних перетворень великої кількості нітро- і нітрозосполук та проміжних речовин.

Існує кілька шляхів метаболізації NO: утворення нітрозотіолів, пероксинітриту та зв'язування газу із гемовмісним ферментом гуаніл- атциклазою, утворюючи NО (нітрити) і NО (нітрати). При порушенні метаболізму NO пероксинітрит розпадається утворюючи диоксид азоту і гідроксильні радикали (Пікас О.Б., Петренко В.І., 2006).

Пероксинітрит є надзвичайно токсичною речовиною, яка окислює сульфгідрильні групи цитоплазматичних білків, ліпопротеїди і ДНК та

виявляє цитотоксичний і мутагенний ефекти. Нітрити також токсично діють на організм людини, де вони можуть перетворюватися в NO, який окислюючись переходить в NO і може взаємодіяти з білками, до складу яких входять SH-групи (цистин, цистеїн) і ОН-групи (тирозин) та з ненасиченими жирними кислотами, які є структурними елементами клітинних мембран. При гіпоксії синтез NO підвищується, ініціюючи апоптоз, а при адаптації до гіпоксії збільшується депо ЫО в судинній стінці у вигляді двох форм: динітрозильних комплексів заліза і Б- нітрозотіолів.

Значне накопичення NО в організмі порушує тонус судин і пошкоджує їх при цукровому діабеті, що відіграє важливу роль у розвитку ускладнень цієї хвороби, у виникненні багатьох запальних та автоімунних захворювань, пухлин, шоку. При цьому пригнічується проліферація та збільшується апоптоз лімфоцитів і макрофагів, що веде до виникнення вторинних імунодефіцитів.

Важливе значення у виконанні багатьох функцій організму відіграють легені, а саме - респіраційної, не респіраційної та бар'єрної, основною з яких є респіраційна, яку ще називають газообмінною і яка забезпечує перенесення кисню і вуглекислого газу між зовнішнім і внутрішнім середовищем (кров'ю). Нереспіраційна функція легень полягає у біосинтезі ліпідів та біогенних речовин, виділенні метаболітів, у регуляції водного та жирового обміну, кислотно-основної рівноваги крові і гемостазу. У процесі дихання людина виділяє численну кількість газоподібних продуктів (аміак, кетони, альдегіди, сірководень, жирні кислоти, оксид азоту (ІІ), більшість з яких визначається у конденсаті видихнутого повітря (КВП).

NO - є важливим медіатором дихальної системи (Малышев И.Ю., 2000). За повідомленнями літератури у здорових людей NO утворюється у верхніх дихальних шляхах, причому у носовій порожнині його утворюється більше - до 90%, якого біля 50-70% газу самопоглинається і потрапляє у легені. У дихальних шляхах встановлено три типи NOS: і- NOS, с- NOS та е- NOS.

імунокомпетентних клітинах (макрофагах, нейтрофілах, опасистих клітинах), в ендотелію і в міоцитах.

При фізіологічних умовах завдяки і NO, який синтезується c-NOS підтримується тканинна рівновага між його синтезом і перетворенням у метаболіти, а NО, який синтезується i-NOS посилює запальні зміни в дихальних шляхах.

На синтез NО у дихальній системі впливають цитокіни та ендотоксини, в результаті дії яких пригнічується активність c-NOS та активність розчинної гуанілатциклази, що приводить до зменшення продукції ц-ГМФ, збільшення внутрішньоклітинного вмісту кальцію та веде, відповідно, до спазму дихальних шляхів. Концентрація NО залежить від кліренсу в альвеолах, причому в різних респіраційних відділах його кількість неоднакова: в носовій порожнині, в носоглотці та у навколоносових пазухах кількість газу значно вища, ніж в інших дихальних відділах.

У літературі існують відомості проте, що в бронхах концентрація NO становить приблизно 7 (від 3 до 11) ppb (part per billion - молекул на 1млрд молекул води), а концентрація його у порожнині носа і в носоглотці дорівнює 1000 ppb. У здорових осіб є вікові особливості рівня метаболітів NO (нітритів/нітратів) у КВП. У дітей концентрація їх вища на 89% порівняно з дорослими (у дітей - 2,8 мкмоль/л, у дорослих - 1,5 м к моль/л (Пікас О.Б., Петренко В.І., 2006).

При запальних процесах в органах дихання внаслідок активації i- NOS накопичується надлишок NO у видихаючому повітрі, що призводить до збільшення його продуктів метаболізму у КВП - пероксинітритного аніону пероксинітритної кислоти, які утворюють гідроксильний радикал. Накопичення токсичних вільних радикалів у легенях викликає реакцію переокислення ліпідів у клітинних мембранах, посилення та поширення запального процесу у дихальних шляхах внаслідок збільшеної проникності судин.

Згідно з повідомленнями літератури багато вчених вивчали метаболічні перетворення NО при бронхолегеневих захворюваннях. Було встановлено, що накопичення NО призводить до розслаблення бронхів і підтвердилося експериментами на ізольованих трахеї і бронхах. У дітей при бронхіальній астмі синтез NO у видихнутому повітрі знижений, а у дорослих встановлена велика кількість NO порівняно із здоровими особами. За вислідами інших авторів при бронхіальній астмі і хронічному бронхіті синтез NO знижений, що пов'язується із слабкістю NOS і сприяє бронхообструкції.

При бронхіальній астмі NO синтезується епітеліальними клітинами, у яких при загостренні захворювання підвищується також і-NOS, що призводить до збільшення високотоксичного пероксинітриту, який є проміжним продуктом метаболізму. У хворих, які не отримували інгаляції з глюкокортикоїдами кількість NO дорівнювала 280 частин на більйон, а на фоні призначення кортикостероїдів його кількість практично дорівнює кількості у здорових людей (~100 частин на більйон).

У літературі відзначено, що у дітей з важким перебігом бронхіальної астми без попередньої глюкокортикоїдної терапії рівень метаболітів NО у КВП істотно вищий, ніж при їх застосуванні. Чим важчий перебіг захворювання, тим більший рівень NО. Відомо, що під час загострення бронхіальної астми і хронічного бронхіту підвищується рівень NО в бронхоальвеолярній речовині (БАP), а в період ремісії зменшується секреція NO в БАP.

Встановлено також, що оксид азоту (II) бере участь у забезпеченні синхронного руху війок у верхніх дихальних шляхах та необхідний для підтримання повітропровідності кондуктного відділу легень.

Останнім часом оксид азоту визнають одним із найбільш різносторонніх факторів, які проявляють свій регулюючий вплив на імунну систему, маючи дію як між, так і внутрішньоклітинної молекули, що запускає імунну відповідь.

Продукуючись цілим рядом клітин, які втягуються в імунні та запальні реакції (макрофаги, дендритні клітини, лімфоцити, нейтрофіли, еозинофіли, моноцити, клітини Купфера, гепатоцити, мікроглія, ендотеліоцити, епітеліоцити, фібробласти, шванівські клітини та ін.), оксид азоту відіграє роль ефектора в імунокомпетентних клітинах, впливаючи на процеси їх дозрівання, диференціювання, проліферації та апоптоз. Згідно даних автора (Ванин А.Ф., 2000), NO може активно впливати на: процеси селекції і розвитку Т-лімфоцитів в тімуса; міграцію та рециркуляцію лімфоцитів і рівновагу їх популяційно-клонального складу; підтримання балансу Т-хелперно-супресорної ланки імунної системи; сповільнення процесів вікової інволюції тимусу; сприяння продукції NR- клітинами ІФНу' і підтримання їх цитолітичних властивостей; зменшення або збільшення синтезу цитокінів, тим самим стимулюючи або пригнічуючи цитотоксичну функцію імунокомпетентих клітин. Питання синтезу первинними Т- і В- лімфоцитами NO8- ізоформ на даний час є відкритим. Алергічні та запальні процеси, обумовлені дією цитокінів, індукують підвищений

NOS-залежний синтез NО в цілому організмі з переважанням індуцибельної ізоформи NOS .

Загальновідомим є той факт, що основою ушкодження ендотелію різної етіології є запальний процес. Активований за цих умов ендотелій виділяє медіатори запалення, що веде до припливу молекул клітинної адгезії. Багатостадійний етап адгезії є можливим завдяки експресії на ендотеліальних клітинах рецепторів для селектинів та інтегринів, які присутні у всіх імунокомпетентних клітинах. Саме ця здатність ендотеліальних клітин під впливом їх активованого рецепторного апарату призводить до посилення експресії молекул клітинної адгезії і забезпечує процес міграції імунокомпетентних клітин через ендотеліальний бар’єр у тканини, в яких розвивається запальний процес. Ендотеліоцити під дією ФНПа виділяють ІЛ-1, який, зв’язуючись з ендотеліальною мембраною, посилює активацію Т- лімфоцитів, що взаємодіють з ендотелієм у вогнищі запалення. Наявність на ендотеліальних клітинах НLА-DR детермінант дозволяє експресувати на поверхні Іа-детермінанту, яка є сигнальною молекулою для Т- лімфоцитів при розпізнаванні антигену, особливо при зростанні антигенного навантаження та динамічній зміні їх складу. При надмірно тривалій та інтенсивній активації ендотеліоцити втрачають ангиагрегаційні і протизапальні якості, створюють протромбогенну поверхню і сприяють прогресуванню запалення, що в подальшому веде до розвитку дистрофічних та некротичних змін.

Дефіцит ендотеліальної NOS в умовах запального процесу пригнічує здатність прозапальних медіаторів подавляти експресію прозапальних генів, а саме транскрипційного фактора NF-кВ, ініціюється взаємодія адгезивних молекул (ІСАМ-1, уСАМ-1 і Е-селектину) із лігандами, що унеможливлює протистояння розвитку запалення. Крім того, ФНГ α може пригнічувати, або ж перекручувати судинні реакції за допомогою деяких механізмів: підвищення продукції супероксид аніону і активацію експресії проапоптозних генів, зменшення експресії субодиниць NO- синтази, що пов'язано із збільшенням iNOS в ендотелії і гладеньком’язових клітинах.

Хронічне пригнічення синтезу NO (у експерименті) провокує ранні прояви запальних змін у судинній стінці з різним ступенем вираженості і подальшим розвитком атеросклерозу (Манухина Е.Б., 2000).

Основним фактором запалення, що пошкоджує систему eNOS є оксидантний стрес. Збільшення за цих умов продукції вільних радикалів призводить до зниження синтезу NО і розвитку ендотелійної дисфункції. Вільні радикали, особливо пероксиди, збільшуючи вміст внутрішньо­клітинного кальцію, тим самим активуючи NOS, що приводить до синтезу високого рівня NO і, як наслідок до утворення ONOO^-, і здатності індукувати апоптоз. Високі концентрації ONOO^-активуючи окислення

Л11НЩ, тим самим запускають ще один механізм пошкодження системи ендотеліальної NOS.

Суттєвим фактором ризику при атеротромботичних захворюваннях є обмежена доступність важливого для NOS кофактора - тетрагідробіо- протерину (ВН4), за відсутності достатньої концентрації якого міняються функції NO-синтаз у судинах.

Механізм впливу NO на протікання алергічного запального процесу включає його дію на ліберизацію гістаміну із опасистих клітин, гістаміннезалежний та гістамінзалежний судинні ефекти. Дія оксиду азоту на опасисті протеїни, що призводить до пригнічення викликаної антигеном дегрануляції клітини може бути обумовлена хімічною модифікацією протеїнів, що призводить до пригнічення викликаної антигеном дегрануляції і вивільненням медіаторів і цитокінів, включаючи гістамін. Стосовно судинного ефекту гістаміну, NО є вторинним месенджером, який впливає і на супутні розлади гемостазу при алергічному запальному процесі (пригнічення стимульованого гістаміном синтезу ендотеліальними клітинами фактору Віллебранда).

Збільшення продукції NO, маючи важливе адаптативне значення для організму, може перетворюватись із ланки адаптації в патогенетичну і стати небезпечним пошкоджувальним фактором для організму.

Відомо, що в умовах окисного стресу оксид азоту взаємодіє з супероксидним аніоном, у результаті чого утворюється пероксинітрит. Саме з ним пов’язана покоджуюча дія NO на біологічні макромолекули. Зокрема, білки та ліпіди, що у свою чергу, призводить до зрушення рівноваги між процесами інактивації активних форм кисню, яке зумовлює порушення структури і функції клітинних мембран та закінчується загибеллю клітини.

3.7.