Прескочи към главното съдържание на страницата

Архив


БРОЙ 9 2011

Роля на ензима хемоксигеназа-1 в патогенезата и прогнозата на ССЗ

виж като PDF
Текст A
К. Витлиянова



Съвременните изследователски усилия са насочени към търсенето на нови и нестандартни методи и средства за лечение и подобряване на прогнозата на пациентите със сърдечно-съдови заболявания (ССЗ). В последните години усилено се разработват възможностите, свързани с промяна в генната активност на ключови от патогенетична гледна точка ензими. Водеща роля в тази насока от изследвания се заема от антиоксидантните ензими, участващи в предотвратяването на процесите на оксидативен стрес (ОС) и в частност антиоксидантният ензим хемоксигеназа-1 (НО-1).

Редица експериментални доказателства (проучвания invitro, лабораторни експерименти с животни) подкрепят хипотезата, че сърдечно-съдовите заболявания (сърдечна недостатъчност, атеросклероза и миокарден инфаркт) могат да бъдат разглеждани като състояния на оксидативен стрес (ОС). В потвърждение, при тези състояния се наблюдават промени в механизмите на антиоксидантна защита в миокарда, както и специфична за оксидативен стрес миокардна увреда. Продукцията на свободни радикали, част от нормалната клетъчна активност, определя водещата роля на широкия и разнообразен спектър от вътреклетъчни антиоксидантни ензими в неутрализиране на вредните им ефекти и осигуряване на нормалното функциониране на отделните органи и системи в човешкия организъм.

Биохимия и генетика на НО-1
Хемоксигеназа-1 е индуцируема изоформа на контролиращия разграждането ензим на хем до желязо, въглероден окис (СО) и биливердин, който от своя страна се метаболизира до билирубин (BR). Действието на НО-1 се осъществява чрез крайните продукти от индукцията на ензима. Механизмите на протекция се основават на антиоксидантна активност на билирубина, секвестрация на желязото от феритина и антифибринолитичен и вазодилататорен ефект на СО. Ензимът НО-1 е открит от Tenhugenи сътр. и притежава 3 изоформи. Първата изоформа на ензима НО-1 е белтък с големина 32 кDa, който се активира от редица стимули, катализиращи и регулиращи разграждането на протопорфириновия пръстен на тетрапироловия хем от загиващите червени кръвни клетки, водещ до образуването на ексвимоларни количества биливердин, фактор IXa, CO и желязо. Биливердинът под действие на ензима биливердинредуктаза се конвертира до BR, а желязото се разгражда до феритин. Втората и третата изоформи на ензима (НО-2 и НО-3) нямат съществено значение в патогенезата на ССЗ предвид факта, че НО-2 не се индуцира от индуктори на НО-1, а НО-3 също катализира разграждането на хема, но в много по-ниска степен в сравнение с НО-1. Групата от индуктори на НО-1 е разнообразна с водеща роля на хема. В тази група се включват също ендотоксини, тежки метали, растежни фактори, азотен окис, оксидирани LDL, ултравиолетова радиация, тиолови остатъци, оксиданти и хипоксия. Обща черта на всички индуктори на НО-1 е тяхната способност да генерират свободни радикали.

Продукти от действието на хемоксигеназа-1
Всеки от трите елемента на хемоксигеназната система е със специфичен ефект в сложната верига от механизми, определящи риска от възникване на ССЗ (Фиг. 1). Установено е, че високите нива на BR са обратнопропорционални на атерогенния риск, като възможните обяснения са инхибиторен ефект върху протеинкиназа С и процесите на фосфорилиране на протеините с последваща инхибиция на проатерогенни фактори. Билирубинът осигурява също кардиопротекция спрямо възникването на реперфузионни лезии, като потиска оксидирането на липидните мембрани. Хипотезата за протекция на BR върху исхемичния миокард се потвърждава от описаната обратна корелация между нивата на плазмения BR и риска от исхемична болест на сърцето, както и от установената намалена антиоксидантна активност на BR в атеросклеротичните лезии. Антиоксидантната активност на билирубина е в съответствие с антиатерогенните му свойства – протекция на LDL от оксидиране.Увеличаването на вътреклетъчния BR, следствие от индукцията на НО-1, води до паралелно увеличаване на продукцията на СО. Според Moritaи сътр. факторите, увеличаващи продукцията на BR са част от адаптивен механизъм срещу окислителни атаки, така че действието на НО-1 при повишаване на ендогенния билирубин може да представлява допълнителна опция в неутрализирането на ОС при ССЗ.

Вторият елемент от хемоксигеназната система СО е с установен вазодилатативен и регулиращ съдовия тонус ефект, наподобяващ действието на NO. Експериментални модели при животни доказват, че механизмът на действие на СО е свързан с повишаване на вътреклетъчния цикличен гуанозин монофосфат (cGMP). Свръхпродукцията на СО, като резултат от НО-1 генна свръхекспресия, може да осигури протекция при остро възникнала хипертония. СО може да предотврати развитието на съдови заболявания, опосредствано от ефект върху пролиферацията и загиването на гладко-мускулните клетки. Липсата на НО-1 при експерименти с животни води до пулмонална хипертония.

За разлика от описаните вече два елемента на НО-1 системата (BR и CO), които са с протективен патогенетичен ефект, третият елемент - желязото е с установен цитотоксичен ефект. Железният йон представлява донор на електрони при образуването на СР. Процесът на неутрализация на неблагоприятния ефект на желязото включва действието на феритина, добре известен желязосвързващ белтък. Феритинът може да действа като индиректен антиоксидант при разграждане на желязото. Повишението на вътреклетъчния феритин под действие на НО-1 намалява цитотоксичния ефект на хема и водородния пероксид в съдовите ендотелни клетки. Повишението на феритина има протективен ефект и спрямо реперфузионните лезии, дължащо се на цитопротекция върху ендотела и на способността му да поддържа лабилното желязо в ниски количества, като редуцира липидната пероксидация.
В сложната система от регулативни връзки протективните ефекти на билирубина и/или СО надхвърлят неблагоприятния ефект на желязото. Необходимо е да се отбележи също, че независимо от факта, че физиологично ниските концентрации на хем са цитопротективни по механизма на активация на НО-1, ексцесивно високите патологични концентрации на хем не могат да бъдат ефективно метаболизирани от НО-1. Излишният хем в тези случаи, който е източник на свободно желязо може да осъществи прооксидантен и проинфламаторен ефект.

Патофизиологични процеси с участие на HO-1
НО-1, притежавайки антиоксидантни функции, участва активно и в предотвратяване на процесите на възпаление и апоптоза. Механизмите, чрез които се осъществява антивъзпалителният ефект на HO-1 са обект на значителни изследователски усилия, но остават все още неизяснени, въпреки съществуващите доказателства от експерименти с животни за наличие на връзка между НО-1 и цитокините. Свръхекспресията на НО-1 от кобалт-протопорфирин намалява продукцията на цитокини (хемокини) CXCL-10 (Interferon inducable protein 10), участващи в осигуряването на имунитет както спрямо различни бактерии, така и спрямо туморни клетки.

НО-1 играе роля в намаляването на проапоптозния ефект на тумор некротизиращия фактор (TNF), хипергликемията и желязото, като в някои случаи това се осъществява с участието на CO. На вътреклетъчно ниво тези процеси включват експресия на p38 митоген-активирани протеинкиназни ензими, както и възможна активация на NF-kВ. Аденовирус-медиирана инфекция с НО-1 ген в сърца на плъхове води до редукция на размера на инфарцираните зони, придружена от намаляване на липидната пероксидация и проапоптозния Bax, повишаване на провъзпалителния интерлевкин – 1-β протеин, паралелно на повишаване на нивата на антиапоптозния Bcl-2 протеин. Различни модели на трансплантация, хипергликемия и тъканни култури подкрепят твърдението, че НО-1 инхибира апоптозата чрез супресия на цитотоксичните, възпалителните и сигнални цитокини.

Експериментални проучвания с животни описват ролята на НО-1 при хипоксични състояния и по-специално в патогенезата на исхемия/реперфузионни лезии.При експерименти с плъхове монотерапията с СО и биливердин не повлиява преживяемостта при плъхове с трансплантирани сърца, докато терапията едновременно с двете субстанции повишава преживяемостта до 80% при значително намаляване на миокардната лезия и подобряване на сърдечната функция. Тези наблюдения са свързани с очаквания, че вероятно подобен тип терапия може да бъде успешна и при посттрансплантирани пациенти, дискутирано от Chen и сътр.[17].

Връзката между НО-1 и процесите на ангиогенезата се дискутира относително отскоро. Инфекцията на клетки от зайци с човешки НО-1 ген води до двукратно повишаване на новообразуваните кръвоносни съдове. Други изследователи използват трансфекцията с ген на НО-1, за да докажат повишение на кръвния ток и връзка със съдовия ендотелен растежен фактор (VEGF). Jozkowicz и сътр. установяват, че СО може да повиши експресията на VEGF. Bussolati и сътр. свързват процесите на възпаление с ангиогенезата, основавайки се на двойния ефект на НО-1 като антивъзпалителен и повишаващ експресията на VEGF-ензим.

 

Клинични аспекти на НО-1
Доказателства за протективната роля на НО-1 при ССЗ съществуват както от експериментални проучвания върху тъканни култури и модели с животни, така и от клинични проучвания при пациенти със ССЗ. Преобладават основно проучванията, изследващи генната експресия на ензима.

Exner и сътр. установяват, че броят на повторенията на глутатион тимидин динуклеотид (GT) в усилващия регион на НО-1 гена модулират нивото на генна транскрипция. Наличието или съответно липсата на къси/дълги повторения има определящо значение върху възникването на рестеноза след феморопоплитеална балонна дилатация.

Съществуват допълнителни данни, че полиморфизмът на НО-1 гена има отношение към аневризмите на коремната аорта, а така също и бъбречните (но не и сърдечни) алографтове. Проследяване в продължение на 21 месеца на 472 пациенти с периферна съдова болест потвърждава значението на вида на НО-1 гентотипа в осигуряването на протекция, спрямо коронарни инциденти при тези пациенти. Полиморфизмът на НО-1 гена е определящ за повишената склонност на пациентите със захарен диабет към развитие на коронарна болест. Други генетични варианти на НО-1 гена се асоциират с повишена честота на АX при жени, както и с прогнозата на пациенти след бъбречна трансплантация.

Ролята на НО-1 е относително по-добре проучена при пациенти съсзахарен диабет.Повишението на моноцитната експресия на HO-1 гена при диабетици намалява при подобряване на метаболитния профил. Левкоцитната експресия на гена на НО-1 е значително понижена при пациенти с диабетна микроангиопатия, в сравнение със здрави контроли и корелира негативно с маркерите на ОС, гликирания хемоглобин и продължителността на диабета, а нормализирането на кръвнозахарните нива води до понижаване на НО-1 антигена в цитоплазмата на мононуклеарните левкоцити. Установено е също така, че НО-1 играе значима роля за регулиране на патологичните процеси при пациенти смозъчно-съдова болест на базата на наблюдения за интензивно натрупване наHO-1 - положителни микроглия/макрофагислед фокален мозъчен инфаркт при липса на подобни процеси на натрупване в останалите региони. Счита се, че продължителната експресия на HO-1 в глиални клетки от човешка мозъчна тъкан след мозъчна травма и мозъчен инфаркт подпомага възстановяването на невронната тъкан. Повишената НО-1 регулация е с протективен ефект и по отношение на развитието на интракраниални аневризми.

Според Immenschuh и Ramadori терапевтичните подходи, целящи умерено повишение на експресията на НО-1 в тъканите могат да са успешно средство за лечение при редица заболявания със съдово засягане.

В съответствие с потенциалните ползи вече съществуват данни, че някои съвременни фармакологични субстанции индуцират НО-1. Пример в това отношение е фактът, че някои статини повишават нивата на ендотелната HO-1 mRNA по начин, зависим от концентрацията и продължителността на прием на медикамента. Подобен ефект се наблюдава при прием на Aspirin (30-300 µM).

В заключение, независимо от огромния интерес към ензима точната взаимовръзка на HO-1 и отделните ССЗ остават неизяснени, което определя необходимостта от допълнителни проучвания по проблема. Проучванията в тази насока представляват предизвикателство от научна гледна точка предвид възможностите за разработването на нов подход в лечението на ССЗ, включваща медикаментозна индукция на генно ниво, с произтичащите от това положителни протективни сърдечно-съдови ефекти.

КНИГОПИС:

1. Idriss NK, Blann AD, Lip GYH. Hemoxygenase-1 in Cardiovascular Disease. J Am Coll Cardiol, 2008; 52:971-978.
2. Morita T. Hemeoxygenase and atherosclerosis Arterioscler Thromb Vasc Biol 2005;25:17861-17881.
3. Clark JE, Foresti R, Sarathchandra P, Kaur H, Green CJ, Motterlini R. Heme oxygenase-1 derived bilirubin ameliorates postischemic myocardial dysfunction Am J Physiol 2000;278:643-651.
4. Hopkins PN, Wu LL, Hunt SC, James BC, Vincent GM, Williams RR. Higher serum bilirubin is associated with decreased risk for early familial coronary artery disease Arterioscler Thromb Vasc Biol 1996;16:250-255.
5. Schwertner HA, Jackson WG, Tolan G. Association of low serum concentration of bilirubin with risk of coronary artery disease Clin Chem 1994;40:18-23.
6. Mayer M. Association of serum bilirubin concentration with risk of coronary artery disease Clin Chem 2000;46:1723-1727.
7. Kajimura M, Shimoyama M, Tsuyama S, et al. Visualization of gaseous monoxide reception by soluble guanylate cyclase in the rat retina FASEB J 2003;17:506-508.
8. Motterlini R, Gonzales A, Foresti R, Clark JE, Green CJ, Winslow RM. Heme oxygenase-1-derived carbon monoxide contributes to the suppression of acute hypertensive response in vivo Circ Res 1998;83:568-577.
9. Liu XM, Chapman GB, Peyton KJ, Schafer AI, Durant W. Carbon monoxide inhibits apoptosis in vascular smooth muscle cells Cardiovasc Res 2002;55:396-405.
10. Fogg S, Agarwal A, Nick HS, Visner GA. Iron regulates hyperoxia-dependent human heme oxygenase 1 gene expression in pulmonary endothelial cells Am J Respir Cell Mol Biol 1999;20:97-804.
11. Balla J, Vercellotti GM, Jeney V, et al. Heme, heme oxygenase, and ferritin: how the vascular endothelium survives (and dies) in an iron-rich environment Antioxid Redox Signal 2007;9:2119-2137
12. Selmeci L, Antal M, Horkay F, et al. Enhanced accumulation of pericardial fluid ferritin in patients with coronary artery disease Cor Artery Dis 2000;11:53-56.
13. Wagener F, Volk HD, Willis D, et al. Different faces of the heme-heme oxygenase system in inflammation Pharmacol Res 2003;55:551-571.
14. Tsuchihashi S, Zhai Y, Bo Q, Busuttil RW, Kupiec-Weglinski JW. Heme oxygenase-1 mediated cytoprotection against liver ischemia/reperfusion injury: inhibition of type-1 interferon signaling Transplantation 2007;83:1628-1634.
15. Petrache I, Otterbein LE, Alam J, Wiegand GW, Choi AM. Heme oxygenase-1 inhibits TNF-alpha-induced apoptosis in cultured fibroblasts Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 2000;278:L312-L319.
16. Zhen-Wei X, Jian-Le S, Qi Q, Wen-Wei Z, Xue-Hong Z, Zi-Li Z. Heme oxygenase-1 improves the survival of discordant cardiac xenograft through its anti-inflammatory and anti-apoptotic effects Pediatr Transplant 2007;11:850-859.
17. Bussolati B, Mason JC. Dual role of VEGF-induced heme-oxygenase-1 in angiogenesis Antioxid Redox Signal 2006;8:1153-1163.
18. Idriss NK, Blann AD, Lip GYH. Hemoxygenase-1 in Cardiovascular Disease. J Am Coll Cardiol, 2008; 52:971-978.
19. Exner M, Schillinger M, Minar E, et al. Heme oxygenase-1 gene promoter microsatellite polymorphism is associated with restenosis after percutaneous transluminal angioplasty J Endovasc Ther 2001;8:433-440.
20. Idriss NK, Blann AD, Lip GYH. Hemoxygenase-1 in Cardiovascular Disease. J Am Coll Cardiol, 2008; 52:971-978.
21. Adaikalakoteswari A, Balasubramanyam M, Rema M, Mohan V. Differential gene expression of NADPH oxidase (p22phox) and hemoxygenase-1 in patients with type 2 diabetes and microangiopathy Diabet Med 2006;23:666-674.
22. Dick P, Schillinger M, Minar E, et al. Haem oxygenase-1 genotype and cardiovascular adverse events in patients with peripheral artery disease Eur J Clin Invest 2005;35:731-737.
23. Immenschuh S, Ramadori G. Gene regulation of hemeoxygenase-1 as a therapeutic target Biochem Pharmacol 2000;60:1121-1128.