Роль апоптоза в развитии атеросклероза, ишемии миокарда и сердечной недостаточности

Г.И. Сторожаков, Д.Б. Утешев, Кафедра госпитальной терапии N2 РГМУ, Москва

Апоптоз, или программируемая клеточная гибель, впервые был описан J.Kerr и его сотрудниками в 1972 г. [1]. Этот процесс представляет собой эволюционно развитый, физиологический в отличие от некроза механизм клеточной гибели, который регулирует клеточную массу и архитектуру многих тканей. Известны четыре основные характеристики апоптоза: уменьшение объема апоптотирующей клетки; конденсация и фрагментация хроматина на ранних стадиях апоптоза с формированием так называемых апоптотических телец; изменение мембраны апоптотирующей клетки, приводящее к распознаванию ее фагоцитами; сопряженность апоптоза с активным белковым синтезом.

Таким образом, апоптоз является гибелью клетки, включающей в себя генетическую или опосредованную программу, не зависящую от природы пускового сигнала. Другими словами, апоптозу присуща экспрессия генов de novo, а пусковые сигналы сами по себе не являются летальными для клетки.

Апоптоз привлек к себе внимание кардиологов как потенциальный патогенетический фактор при различных сердечно-сосудистых заболеваниях. Морфологические признаки апоптоза обнаружены как в сосудах, так и в самом миокарде в ответ на воздействие гипоксии, окислительного стресса, реперфузии при ишемии миокарда, постинфарктных изменениях и при развитии сердечной недостаточности.

Таблица 1. Перечень основных индукторов (активаторов) апоптоза

Программируемая клеточная гибель участвует в постнатальном морфогенезе проводящей системы сердца: синусного и атриовентрикулярного узла, пучка Гиса; в развитии пароксизмальных аритмий и нарушений проводимости [2]. Апоптоз пейсмейкерных клеток может играть роль в генезе внезапной коронарной смерти. В настоящее время интенсивно исследуются процессы апоптоза в патогенезе дилатационной и ишемической кардиомиопатий, аритмогенной дисплазии правого желудочка, отторжения трансплантата при аортокоронарном шунтировании. Наиболее изученными являются апоптотические процессы при формировании коронарного атеросклероза.

Таблица 2. Перечень основных ингибиторов апоптоза

Массивная клеточная гибель наряду с накоплением липидной и коллагеновой массы, скоплением пенистых клеток, гладкомышечных элементов и макрофагов является одной из основных морфологических характеристик атеросклеротической бляшки. В центре бляшки выделяют так называемое некротическое ядро, которое при изъязвлении бляшки является источником тромбообразования с последующей ишемией и инфарктом. До недавних пор считалось, что причиной гибели клеток внутри атеросклеротической бляшки является прямое токсическое воздействие на клетки, например, свободных радикалов, образующихся при перикисном окислении липидов [3]. Однако в настоящее время можно с определенной уверенностью утверждать, что основной вклад в суммарную клеточную гибель при атеросклерозе вносит апоптоз. Все клеточные элементы, обнаруживаемые в атеросклеротических бляшках, подвергаются программированной гибели [4-6].

С помощью сочетания иммуногистохимического метода идентификации морфологической принадлежности клеток и специфических тестов на фрагментацию ДНК был обнаружен очень высокий процент апоптотических клеток в атеросклеротических бляшках человека in situ [7]. В областях апоптотических бляшек, обогащенных макрофагами, апоптотический индекс колебался от 10 до 40%.

Гладкомышечные клетки подвергались программированной гибели в 10-15%. Очень небольшой процент апоптотических клеток приходился на T- и B-лимфоциты, и апоптоз полностью отсутствовал среди нейтрофилов. Как известно, атеросклеротическая бляшка является сложной структурой, претерпевающей при своем развитии значительные метаболические, клеточные и морфологические изменения. Поэтому, естественно, были предприняты попытки провести оценку апоптоза на уровне отдельных морфологических компонентов атеромы. Оказалось, что апоптотический индекс медиа нормальных коронарных сосудов равен 3+1%, в интиме - 8+1%. В атероме апоптотический индекс медиа статистически значимо не менялся (5+1%), в то время как в интиме он возрастал почти в 4 раза (34+5%) [8]. Гладкомышечные клетки, подвергающиеся программированной гибели, в основном локализовались в фиброзной части бляшки, в то время как апоптотирующие макрофаги преобладали в липидобогащенном ядре атеромы. Это позволило сделать вывод о том, что апоптоз гладкомышечных клеток и других компонентов атеросклеротической бляшки в условиях гипоксического повреждения миокарда регулируется как продуктами специфических генов, так и локальной цитокиновой сетью.

Основные активаторы и ингибиторы апоптоза представлены в табл. 1 и 2.

В последнее время особое внимание исследователей в развитии апоптоза в условиях гипоксии миокарда привлек протоонкоген c-myc.

Протоонкоген c-myc. Этот онкоген участвует в пролиферации как нормальных гладкомышечных клеток, так и, очевидно, вносит существенный вклад в патологию. В частности, деление гладкомышечных элементов в процессе развития атеросклероза является c-myc-зависимым. В ряде случаев одной экспрессии c-myc достаточно для выхода клеток Go-покоя в пролиферативный цикл [9-11]. В гладкомышечных клетках, выделенных из атеросклеротических бляшек, содержание c-myc м-РНК оказалось выше, чем в нормальных гладкомышечных клетках [12].

При ишемии/реперфузии, особенно на ранних стадиях реперфузии, когда имеет место депрессия сократительной функции миокарда, отмечается более чем 600% прирост H2O2 [13]. Кроме того, сами кардиомиоциты [14], а также макрофаги [15, 16] продуцируют оксид азота и другие активные формы кислорода, которые, как известно, являются индукторами апоптоза. При этом происходит торможение супероксиддисмутазы, кателазы, глютатионпероксидазы, снижается уровень токоферола, повышается перикисное окисление липидов [17]. Другими словами, отмечается резкий дефицит в организме антиоксидантов, что может служить пусковым моментом в развитии апоптоза кардиомиоцитов.

Для объяснения природы апоптоза кардиомиоцитов необходимо учесть некоторые результаты исследования в области ренин-ангиотензиновой системы человека. Был идентифицирован, в том числе и на тканях предсердий человека, второй тип рецепторов к ангиотензину-II [18]. Этот тип рецепторов экспрессирован в эмбриональном периоде, но отсутствует в постнатальном периоде [19].

При дисфункции миокарда происходит реэкспрессия второго типа рецепторов к ангиотензину-II [20]. Последние являются медиаторами апоптоза [21, 22]. Еще одной вероятной причиной развития апоптоза кардиомиоцитов является повышение концентрации свободного цитозольного кальция.
Наконец, в качестве пракринного индуктора апоптоза кардиомиоцитов нельзя исключить TNF-a. Повышение уровня TNF-a ответственно за отрицательный инотропный эффект, кардиомиопатию, отек легкого. С другой стороны, TNF-a является классическим индуктором апоптоза. Поэтому нельзя исключить, что существует связь между TNF-a-апоптозом и дисфункцией миокарда, вызываемой этим цитокином [23].

Для клеток, имеющих терминальную дифференцировку, а к таковым относятся кардиомиоциты, апоптоз не является характерным. Однако при кардиомиопатиях, гипертрофии миокарда и хронической сердечной недостаточности различной этиологии часто происходит прогрессивное снижение сократительной способности левого желудочка. Причем нередко этот процесс протекает в отсутствии каких-либо признаков ишемии миокарда. Поэтому в качестве рабочей гипотезы, объясняющей механизм развития хронической сердечной недостаточности, был использован апоптоз кардиомиоцитов.

Ультраструктурные исследования кардиомиоцитов у больных с кардиомиопатиями, гипертрофией сердца и хронической сердечной недостаточностью, а также экспериментальные модели недостаточности левого желудочка четко показали наличие дегенеративных изменений кардиомиоцитов при этой патологии [24, 25]. Элементы апоптотической гибели кардиомиоцитов были констатированы у онкологических больных, леченных кардиотоксичными цитостатиками [26]. В культуре неонатальных кардиомиоцитов крыс программированная гибель клеток развивалась под влиянием гипоксии [27]. Причем апоптоз в этих условиях сочетался с гиперэкспрессией Fas-рецептора.
При использовании метода микроэмболизации коронарных артерий у собак с хронической сердечной недостаточностью (величиной фракции выброса 27+1%), с помощью электронной микроскопии и иммуногистохимического исследования было обнаружено, что апоптотический тип клеток был зафиксирован не только на границе очагов инфаркта, но и в отдаленных от них участках миокарда.

Однако в зоне некроза общая встречаемость апоптотических клеток вне зависимости от гистохимической принадлежности в 3-4 раза превышала фоновый уровень. В норме среди кардиомиоцитов апоптоз вообще не был зарегистрирован. При микроэмболизации в зоне очаговых поражений встречаемость апоптоза кардиомиоцитов была в 20 раз выше, чем в отдаленных участках миокарда [28]. На модели ишемии (30 мин) и последующей реперфузии в течение часа сердца у кроликов R.Gottlieb и соавт. показали, что в ответ на реперфузию, но не на ишемию, развивается программированная гибель кардиомиоцитов [29]. Клиническое значение этих данных состоит в том, что, очевидно, поздняя постинфарктная гибель кардиомиоцитов имеет не некротическую, а апоптическую природу.

Природа клеточной смерти в условиях ремоделирования гипертрофированного миокарда имеет ряд специфических особенностей, касающихся морфологической картины. В недавно проведенном исследовании S.Yamamoto и соавт. было выявлено повышенное количество лизосомальных структур в кардиомиоцитах желудочков [30]. Высокая лизосомальная и аутофагоцитарная активность, наблюдаемая в пораженных кардиомиоцитах, свидетельствует о наличии саморазрушающего процесса цитоплазматической дегенерации, осуществляемого под контролем самоконтролируемого запрограммированного аутолиза. Было показано, что хронический саморазрушающий протеолиз в пораженных кардиоцитах, хотя и не связан с типичной апоптозной морфологией ядер или цитоплазмы, но может привести к контролируемой смерти кардиоцитов гипертрофированного миокарда. Утечка лизосомальных энзимов (катепсинов) и усилившийся окислительный стресс были способны индуцировать цитоплазматическую деградацию и также выступать в роли триггеров апоптозной деградации ядер.

Неясным остается ответ на вопрос о количественном соотношении пораженных кардиомиоцитов, находящихся на ранней стадии цитоплазматической дегенерации и в действительности теряющих свои ядра до наступления ее конечной стадии. В образцах эксцентрично гипертрофированного миокарда было найдено большое количество кардиомиоцитов, содержащих деградированную ДНК, чем в образцах концентрически гипертрофированного миокарда. Это может свидетельствовать о различных стадиях сердечной недостаточности, поскольку она была выраженной и фатальной при эксцентричной гипертрофии и незначительной при концентрической гипертрофии. Можно говорить о прямой зависимости между выраженностью сердечной недостаточности и количеством погибших кардиомиоцитов. Авторам исследования не удалось обнаружить апоптозную деградацию ядер при электронной микроскопии. Вероятно, апоптозная деградация ядер встречалась редко и/или протекала и завершалась очень быстро.

В настоящее время интенсивно изучается роль каспаз в процессах программированной клеточной гибели в условиях развития сердечной недостаточности. H.Yaoita и соавт. продемонстрировали, что Z-VAD-fmk, общий ингибитор каспаз, способен ингибировать процессы апоптоза кардиомиоцитов и площадь инфаркта миокарда у крыс, подвергшихся реперфузии in vivo [31]. Ряд исследований свидетельствует об участии каспаз в процессе высвобождения цитохрома С при гипоксии и индукции апоптоза кардиомиоцитов [32-34]. В недавно проведенных работах было показано повышение уровня каспаз и TNFa в кардиомиоцитах больных с сердечной недостаточностью, в том числе и при кардиомиопатиях [35-37].

Фармакологическая коррекция апоптоза при сердечной недостаточности. В настоящее время имеются фармакологические агенты, способные эффективно ингибировать апоптоз кардиомиоцитов, индуцированный различными стимулами: ишемией/реперфузией, H2O2, TNFa и др. Однако эти вещества (ZVAD-fmk, SB 203580, PD 98059, инсулиноподобный ростовой фактор, N-ацетил-цистеин) применяются в основном в экспериментальных условиях. В этой связи определенные перспективы связаны с дальнейшим клиническим исследованием карведилола (1-[9H-carbazol-4-yloxy]-3-[-(metho-xyphenoxy)ethyl-2-propanol), зарегистрированным фармацевтической фирмой "SmithKleine Beecham Pharmaceuticals" под торговым названием "Coreg(r)". Препарат представляет собой b-блокатор нового поколения с выраженной антиоксидантной и умеренной сосудорасширяющей активностью. В проведенных клинических исследованиях карведилол продемонстрировал значительное снижение уровня смертности у больных с сердечной недостаточностью. Механизмом антиапоптотического действия препарата является подавление экспрессии Fas-рецептора на кардиомиоцитах [38].

В заключение обзора можно сделать отдельные обобщения и выдвинуть ряд гипотез в отношении роли апоптоза в кардиопатологии. Если апоптоз рассматривать как некую альтернативу клеточному делению, обеспечивающую клеточный гомеостаз в сосудистой стенке, то, даже исходя из общих соображений, необходимо допустить, что апоптоз участвует в патогенезе атеросклероза коронарных сосудов сердца. При этом апоптоз должен "работать" практически на всех уровнях процесса: он должен элиминировать поврежденные эндотелиальные клетки сосудов, удалять мигрировавшие в интиму гладкомышечные клетки, устранять нагруженные липидами пенистые клетки и т.д. И действительно, на финальных стадиях эволюции атеромы, особенно в ядре атеросклеротической бляшки, состояние гиперплазии сменяется гипоплазией. Однако на начальных этапах развития атеросклероза этого не происходит.

Другими словами, можно заподозрить общую несостоятельность апоптоза как ключевого фактора в патогенезе атеросклероза. Отсюда логическим продолжением будет допущение того, что существует некий единый механизм, контролирующий апоптоз всех клеток внутри органа или организма в целом. И этот механизм дает сбой при атеросклерозе. Также эти дефекты имеют место и при развитии сердечной недостаточности в условиях гипертрофированного миокарда. Можно предположить, что в основе этого лежат нарушения микроокружения клеток, приводящие к торможению апоптоза во всех или большинстве структурных элементов сосудистой стенки и миокарда. Однако и в этом случае необходимо допустить наличие единого универсального механизма, контролирующего апоптоз у клеток различной гистологической принадлежности. Определенные перспективы в дальнейшей коррекции несостоятельности апоптоза при кардиопатологиях могут быть связаны с применением низкомолекулярных ингибиторов каспаз.


Литература:

1. Kerr J.F.R., Wyllie A.H., Curne A.R. Apoptosis: a basic biological phemomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics//Br J Cancer 1972; 26 (2): 239-57.
2. James T.N. Normal and abnormal consequences of apoptosis in the human heart: from postnatal morphogenesis to paroxismal arrythmias//Circulation 1994; 90: 556-73.
3. Esterbauer H., Wang G., Puhl H. Lipid peroxidation and its role in atherosderosis//Br Med Bull 1993; 49: 566-76.
4. Araki S., Shimada Y., Kaji K. et al. Apoptosis of vascular endothelial cells by fibroblast growth factor deprivation//Biochem Biophys Res Commun 1990; 168: 1194-200.
5. Bennet M.R., Evan G.I., Newby A.C. Deregulated c-myc oncogene expression blocks vascular smooth muscle cell inhibition mediated by heparin, interferon mitogen depletion and cyclic nucleotide analogues induces apoptotu cell depth//Circ Res 1994; 74: 525-36.
6. Reed V.C., Hardwick S.J., Mitchinson M.S. Fragmentation of DNA in P388D1 macrophages exposed to oxidised low-density lipoproteins//FEBS Lett 1993; 332: 218-20.
7. Han D.K.M., Haudenschild C.C., Hong U.K. et al. Evidence for Apoptosis in Human Atherogenesis and in a Rat Vascular Injury Model//Am J Pathol 1995; 147 (2): 267-77.
8. Geng Y.J., Ubby P. Evidence for Apoptosis in Advanced Human Atheroma. Colocalization with Interleukin-Ip-Converting Enzyme//Am J Pathol 1995; 147 (2): 251-66.
9. Evan G.I., Wyllie A.H., Gilbert C.S. et al. Induction of apoptosis in fibroblasts c-myc protein//Cell 1992; 69: 119-28.
10. Evan G., Littlewood T. Role c-myc in cell growth//Curr Opin Gouct Dev 1993; 3: 44-9.
11. Kretzner L., Blackwood E., Eisenman R. Myc and Max possess distinct transcriptionfl activities//Nature 1992; 359: 426-9.
12. Parkes J.L., Cardell R.R., Hubbard F.C. et al. Cultured human atherosclerotie plague smooth muscle cells retain transforming potential and display enhanced expression of the myc protooncogene//Am J Pathol 1991; 138: 765-75.
13. Siezak J., Tribuiova N., Pristacova J. et al. Hydrogen Peroxide Changes in Ischemic and Reperfused Heart. Cytochemistry and Biochemical and X-Ray Micro analysis//Am J Pathol 1995; 147 (3): 772-81.
14. Shindo T., Ikeda U., Ohkawa F. et al. Nitric oxide synthesis in cardiac myocytes and fibroblast by inflammatory cytokines//Cardiovasc Res 1995; 29 (6): 813-8.
15. Albina J.E., Cui S., Mateo R.B. et al. Nitric Oxidi - Medeated Apoptosis in Murine Peretoneal Macrophages//J Immunol 1993; 150 (II): 5080-5.
16. Beckerman K.P., Rogers H.W., Corbett J.A. et al. Release of Nitric Oxide during the T-Cell-Independent Pathway of Macrophage Activation//J Immunnol 1993; 150 (3): 888-95.
17. Hill M.F., Singal P.K. Antioxidant and oxidative stress changes Failure Subsequent to Myocardial Infarction in Rats//Am J Pathol 1996; 148 (1): 291-300.
18. Yamada T., Horilichi M., Dzau V.S. Angiotensin II type 2 - receptor mediates programmed cell death//Proc Nat Acad Sci (USA) 1996; 93 (1): 156-60.
19. Dzau V.J., Horiucbi M. Differentiai expression oi andiotensin receptor subtypes in the myocardium: a hypothesis//Europ Heart J 1996; 17: 978-80.
20. Massaeri H., Pierce G.N. Involvement of lipoprotein, free radicals and calcium in cardio vascular disease process//Cardiovasc Res 1995; 29 (5): 597-603.
21. Oral N., Kapadia S., Nakano M. et al. Tumor necrosis Factor alfa and Falling Human Heart//Clin Cardiology 1995; 18 (Suppl. IV): 20-7.
22. Herskowitz A., Choi G., Ansari A.A. et al. Cytokins mRNA Expression in Postischemic Reperfusion Myocardium//Am J Pathol 1995; 146(2): 419-28.
23. Watschinger B., Sayegh M.N., Hancock W.W. et al. Up-Regulation of Endothelin-1 mRNA and Peptide Expression in Rat Cardiac Allografts With Rejection and atherosclerosis//Am J Pathol 1995; 146 (5): 1065-72.
24. Sabbah H.N., Sherov V.G., Riddle J.M. et al. Mitichondrial abnormalities in myocardium of dogs with chronic heart failure//J Mol Cell Cardiol 1992; 24: 1333-47.
25. Sharov V.G., Sabbah H.N., Shimoyama H. et al. Abnormalities of contractile structures in miable myocytes of the failing//J Mol Cell Cardiol 1994; 43: 287-97.
26. Hickman J.A. Apoptosis induced by anticancer drugs//Cancer Metastasis Rev 1992; II: 121-39.
27. Tanaka U., Ito H., Adachi S. et al. Hypoxia induces with engances expression of Fas antigen messenger RNA in cultured neonatal rat cardiomyocytes//Circul Res 1994; 75 (3): 426-33.
28. Sharov V.G., Sabbah H.N., Shimoiama H. et al. Evidence of Cardiocyte Apoptosis in Myocardium of Dogs with Chronic Heart Failure//Am J Pathol 1996; 148 (1): 41-9.
29. Gottlieb R.A., Burleson K.O., Kjoner R.A. et al. Reperfusion injiury induces apoptosis in rabbit cardiomyocytes//J Clin Invest 1994; 94: 1621-8.
30. Yamammoto S., Sawada K., Shimomura H., Kawamura K., James T.N. On the nature of cell death during remodeling of hypertrophied human myocardium//J Mol Cell Cardiol 2000; 32: 161-75.
31. Yaoita H., Ogawa K., Maehara K., Maruyma Y. Attenuation of ischemia/reperfused injury in rats by caspase inhibitors//Circulation 1998; 97: 276-81.
32. De Moissac D., Guervich R.M., Zheng H., Singal P.K., Kirshbaum L.A. Caspase activation and mitochondrial cytochrome C release during hypoxia-mediated apoptosis of adult ventricular myocytes//J Mol Cell Cardiol 2000; 32: 53-63.
33. Malhotra R., brosius FC III. Glucose uptake and glycolises reduce hypoxia-induced apoptosis in cultured neonatal rat cardiac myocytes//J Biol Chem 1999; 274: 12567-75.
34. Yue T.L., Ohlstein E.H., Ruffolo R.R. Jr. Apoptosis: a potential target for discovering novel therapies for cardiovascular diseases//Current opinion in chemical biology 1999; 3: 474-80.
35. Bristow M.R. Tumor necrosis factor and cardimyopathy//Circulation 1999; 97: 1340-1.
36. Colucci W.S. Apoptosis in the heart//New Engl J Med 1996; 335: 1224-6.
37. Olivetti G., Abbi R., Quaini F. et al. Apoptosis in failling human heart//New Engl J Med 1997; 336: 1131-41.
38. Yue T.L., Ma X.L., Wang X. et al. Possible involvement of stress-activates protein kinase signalling pathway and Fas receptor expression in prevention of ischemia-induced cardiomyocute apoptosis by carvedilol//Circ Res. 1998; 82: 166-74.

Источник: