Группа специалистов из Школы медицины при Вашингтонском университете (Сент-Луис, штата Миссури) впервые описала молекулярный механизм гиперсекреции трахеобронхиальной слизи при таких тяжёлых респираторных заболеваниях, как хроническая обструктивная болезнь лёгких (ХОБЛ), астма или кистозный фиброз. На основе полученных результатов авторы работы разработали серию лекарственных препаратов, блокирующих этот процесс. Работа опубликована 26 ноября в журнале Journal of Clinical Investigation.
Как было установлено ранее, в начале сигнальной цепочки, приводящей к гиперэкспрессии гена MUC5AC, отвечающего за секрецию слизи эпителиальными клетками дыхательных путей, стоит перепроизводство иммунными клетками, в ответ на попадание в дыхательные пути аллергена или вируса, белка интерлейкин 13 (IL-13). Однако до сих пор не было понятно, каким именно образом IL-13 индуцирует гиперэкспрессию MUC5AC.
Команда под руководством профессора Майкла Хольцмана (Michael J. Holtzman) установила, что ключевую роль в этом механизме играет ген CLCA1, который активируется IL-13. Этот ген отвечает за выработку одноимённой сигнальной молекулы, которая, в свою очередь, проникает через клеточные мембраны и активирует ген MAPK13. Происходит выделение одноименного фермента, непосредственно стимулирующего экспрессию MUC5AC.
Вся работа по установлению звеньев цепи была проведена на изолированных человеческих эпителиальных клетках, так как у обычно используемых лабораторных животных механизм выработки трахеобронхиальной слизи оказался иным, чем у человека. Подтверждением полученных результатов стало изучение образцов легочной ткани пациентов с тяжёлой формой ХОБЛ. В них, помимо переизбытка слизи, был обнаружен повышенный уровень содержания молекул CLCA1 и фермента MAPK13.
Авторы пришли к выводу, что основной мишенью потенциального лекарственного препарата, призванного прекратить гиперсекрецию мокроты, должен стать ген MAPK13, продукт экспрессии которого регулирует ее выделение. Ингибиторы MAPK13 были разработаны авторами работы на основе BIRB-796 - уже известного блокатора гена MAPK14, которому MAPK13 на 60 процентов гомологичен. Для повышения эффективности этого вещества в отношении MAPK13 была проведена соответствующая корректировка на молекулярном уровне.
Тестирование серии новых препаратов-ингибиторов MAPK13 in vitro показало, что они почти в сто раз снижают выработку слизи клетками эпителия. Как отмечают авторы, столь высокая эффективность этих веществ также косвенно доказывает правильность определения лежащего в основе процесса секреции механизма.
Помимо ХОБЛ, астмы и кистозного фиброза - заболеваний, при которых гиперсекреция слизи, блокирующей дыхательные пути, является главным фактором риска, разработанные препараты также могут применяться и при вирусных респираторных инфекциях и аллергиях, полагает Хольцман. "Наши исследования показывают, что в этих случаях действует аналогичный механизм. Поскольку ингибиторы MAPK13 активны и в верхних, и в нижних дыхательных путях, они подходят для терапии широкого спектра респираторных заболеваний", - отметил он.
Хронические заболевания дыхательных путей, сопровождающиеся обильной мокротой, в особенности ХОБЛ, стоят на третьем месте среди причин преждевременной смерти в США и других странах мира. В настоящее время эффективных лекарственных средств, направленных на снижение секреции трахеобронхиальной слизи, в медицинской практике не существует.
В 1963 году Laurell и Eriksson привели наблюдение, что лица с дефицитом α1-антитрипсина, ингибирущим ряд сывороточных протеиназ, таких как нейтрофильная эластаза, имеют повышенный риск развития эмфиземы, так как нейтрофильная эластаза разрушает эластин, который является основным компонентом стенки альвеол. Помимо этого, фрагменты эластина, воздействуя на макрофаги и нейтрофилы, поддерживают воспаление. Хотя на сегодня дефицит α1-антитрипсина разграничен с понятием ХОБЛ, дисбаланс ферментной системы имеет место при ХОБЛ в настоящем понимании этого термина. Известно, что макрофаги, нейтрофилы и эпителиоциты выделяют комбинацию протеаз. Активность антипротеазной системы снижается из-за окислительного стресса, воздействия табачного дыма и других факторов. Вероятно нейтрофильная эластаза не имеет значения при ХОБЛ, в патогенезе которой из протеаз играют роль нейтрофильный катепсин G, нейтрофильная протеиназа-3, катепсины макрофагов (особенно катепсины B, L и S), и различные матриксные металлопротеиназы.
Окислительный стресс
О роли окислительного стресса свидетельствуют маркеры, обнаруживаемые в жидкости на поверхности эпителия, выдыхаемом воздухе и моче курильщиков и больных ХОБЛ -пероксид водорода (Н 2 О 2) и оксид азота (NO), образующиеся при курении или высвобождаемые из лейкоцитов и эпителиоцитов при воспалении. Н 2 О 2 появляется в повышенном количестве в выдыхаемом воздухе у больных как в ремиссии, так и при обострении, а содержание NO повышается в выдыхаемом воздухе при обострении. Концентрация изомерапростагландина изопростана F2α-III - биомаркера окислительного стресса в легких in vivo, образующегося при свободнорадикальном окислении арахидоновой кислоты, повышается в конденсате выдыхаемого воздуха и моче у больных ХОБЛ в сравнении со здоровыми людьми и повышается ещё больше при обострении.
Оксиданты разрушают биологические молекулы: белки, жиры, нуклеиновые кислоты, что приводит к дисфункции и смерти клеток, разрушению внеклеточного матрикса. Также благодаря окислительному стресссу усугубляется дисбаланс протеиназы-антипротеиназы за счет инактивации антипротеиназ и путем активации протеиназ, таких как металлопротеиназы. Оксиданты усиливают воспаление благодаря активации фактора NF-кВ, который способствует экспрессии воспалительных генов, таких как ИЛ-8 и ФНО-α. Наконец оксидативный стресс может вызывать обратимую обструкцию бронхов: Н 2 О 2 приводит к сокращению гладкомышечных клеток in vitro, а изопростан F2α-III у человека является агентом, вызывающим выраженную бронхиальную обструкцию.
Течение патологического процесса
Патофизиологические изменения при ХОБЛ включают следующие патологические изменения:
гиперсекреция слизи,
дисфункция ресничек,
бронхиальная обструкция,
деструкция паренхимы и эмфизема легких,
расстройства газообмена,
легочная гипертензия,
легочное сердце,
системные проявления.
Гиперсекреция слизи
Гиперсекреция слизи вызвана стимуляцией секретирующих желез и бокаловидных клеток лейкотриенами, протеиназами и нейропептидами.
Дисфункция ресничек
Реснитчатый эпителий подвергается плоскоклеточной метаплазии, что приводит к нарушению мукоцилиарного клиренса (нарушению эвакуации мокроты из легких). Эти начальные проявления ХОБЛ могут сохраняться в течение многих лет, не прогрессируя.
Патофизиологические изменения при ХОБЛ включают следующие патологические изменения:- гиперсекреция слизи,
- дисфункция ресничек,
- бронхиальная обструкция,
- деструкция паренхимы и эмфизема легких,
- расстройства газообмена,
- легочная гипертензия,
- системные проявления.
Гиперсекреция слизи
Гиперсекреция слизи вызвана стимуляцией секретирующих желез и бокаловидных клеток лейкотриенами, протеиназами и нейропептидами.Дисфункция ресничек
Реснитчатый эпителий подвергается плоскоклеточной метаплазии, что приводит к нарушению мукоцилиарного клиренса (нарушению эвакуации мокроты из легких). Эти начальные проявления ХОБЛ могут сохраняться в течение многих лет, не прогрессируя.Бронхиальная обструкция
Выделяют следующие причины бронхиальной обструкции:- Необратимые:
- Ремоделирование и фиброз дыхательных путей,
- Потеря эластической тяги легкого в результате разрушения альвеол,
- Разрушение альвеолярной поддержки просвета мелких дыхательных путей;
- Обратимые:
- Накопление клеток воспаления, слизи и экссудата плазмы в бронхах,
- Сокращение гладкой мускулатуры бронхов,
- Динамическая гиперинфляция при физической нагрузке.
Лёгочная гиперинфляция
Лёгочная гиперинфляция (ЛГИ) - повышение воздушности лёгочной ткани, образование и увеличение «воздушной подушки» в лёгких. В зависимости от причины возникновения подразделяется на два вида:Статическая ЛГИ: вследствие неполного опорожнения альвеол на выдохе вследствие снижения эластической тяги легких
Динамическая ЛГИ: вследствие уменьшения времени выдоха в условиях выраженного ограничения экспираторного воздушного потока С точки зрения патофизиологии, ЛГИ является адаптационным механизмом, так как приводит к снижению сопротивления воздушных путей, улучшению распределения воздуха и повышению минутной вентиляции в покое. Однако ЛГИ приводит к следующим неблагоприятным последствиям:
Слабость дыхательной мускулатуры. Происходит укорочение и уплощение диафрагмы, что делает её сокращения малоэффективными.
Ограничение нарастания дыхательного объёма при физической нагрузке. У здоровых людей при нагрузке происходит увеличение минутного объёма дыхания за счет увеличения частоты и глубины дыхания. У больных ХОБЛ во время нагрузки увеличивается легочная гиперинфляция, так как увеличение ЧДД при ХОБЛ ведет к укорочению выдоха, и ещё большая часть воздуха задерживается в альвеолах. Увеличение «воздушной подушки» не позволяет значительно увеличить глубину дыхания.
Гиперкапния при физической нагрузке. Вследствие снижения отношения ООЛ к ЖЁЛ за счёт уменьшения ЖЁЛ вследствие ЛГИ происходит увеличение PaCO2 в артериальной крови.
Повышение эластической нагрузки на лёгкие.
Легочная гипертензия. В конечном итоге ЛГИ приводит к лёгочной гипертензии.
Эмфизема лёгких
Деструкция паренхимы ведет к снижению эластической тяги лёгких, и поэтому имеет прямое отношение к ограничению скорости воздушного потока и увеличению сопротивления воздуху в лёгких. Мелкие бронхи, теряя связь с альвеолами, до этого находившимися в расправленном состоянии, спадаются и перестают быть проходимыми.Расстройства газообмена
Обструкция дыхательных путей, деструкция паренхимы и расстройства легочного кровотока уменьшают легочную способность к газообмену, что приводит сначала к гипоксемии, а затем к гиперкапнии. Корреляция между значениями функции легких и уровнем газов артериальной крови слабо определяется, но при ОФВ1 более 1 л редко возникают существенные изменения газового состава крови. На начальных стадиях гипоксемия возникает только при физической нагрузке, а по мере прогрессирования болезни - и в состоянии покоя.Лёгочная гипертензия
Лёгочная гипертензия развивается на IV стадии - крайне тяжёлое течение ХОБЛ, при гипоксемии (РаО2 менее 8 кПа или 60 мм рт. ст.) и часто также гиперкапнии. Это основное сердечно-сосудистое осложнение ХОБЛ связано с плохим прогнозом. Обычно у больных с тяжёлой формой ХОБЛ давление в лёгочной артерии в покое повышено умеренно, хотя может увеличиваться при нагрузке. Осложнение прогрессирует медленно, даже без лечения. К развитию легочной гипертензии имеют отношение сужение сосудов лёгких и утолщение сосудистой стенки вследствие ремоделирования лёгочных артерий, деструкция лёгочных капилляров при эмфиземе, которая ещё больше увеличивает давление, необходимое для прохождения крови через лёгкие. Сужение сосудов может возникать из-за гипоксии, которая вызывает сокращение гладкой мускулатуры лёгочных артерий, нарушения механизмов эндотелий-зависимой вазодилатации (снижение продукции NO), патологической секреции вазоконстрикторных пептидов. Ремоделирование сосудов - одна из главных причин развития лёгочной гипертензии в свою очередь происходит за счёт выделения факторов роста или вследствие механического стресса при гипоксической вазоконстрикции.Лёгочное сердце
Лёгочная гипертензия определяется как «гипертрофия правого желудочка в результате заболеваний, поражающих функцию и/или структуру лёгких, за исключением тех расстройств лёгких, которые являются результатом заболеваний, первично поражающих левые отделы сердца, как при врожденных заболеваниях сердца». Лёгочная гипертензия и редукция сосудистого ложа вследствие эмфиземы ведут к гипертрофии правого желудочка и его недостаточности лишь у части больных.Системные проявления
При ХОБЛ наблюдается системное воспаление и дисфункция скелетной мускулатуры. Системное воспаление проявляется наличием системного окислительного стресса, повышенной концентрацией циркулирующих цитокинов и активацией клеток воспаления. Проявлением дисфункции скелетных мышц являются потеря мышечной массы и различные биоэнергетические расстройства. Эти проявления ведут к ограничению физических возможностей пациента, снижают уровень здоровья, ухудшению прогноза заболевания.Группа специалистов из Школы медицины при Вашингтонском университете (Сент-Луис, штата Миссури) впервые описала молекулярный механизм гиперсекреции трахеобронхиальной слизи при таких тяжелых респираторных заболеваниях, как хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ), астма или кистозный фиброз. На основе полученных результатов авторы работы разработали серию лекарственных препаратов, блокирующих этот процесс. Работа опубликована 26 ноября в журнале Journal of Clinical Investigation.
Как было установлено ранее, в начале сигнальной цепочки, приводящей к гиперэкспрессии гена MUC5AC, отвечающего за секрецию слизи эпителиальными клетками дыхательных путей, стоит перепроизводство иммунными клетками, в ответ на попадание в дыхательные пути аллергена или вируса, белка интерлейкин 13 (IL-13). Однако до сих пор не было понятно, каким именно образом IL-13 индуцирует гиперэкспрессию MUC5AC.
Команда под руководством профессора Майкла Хольцмана (Michael J. Holtzman) установила, что ключевую роль в этом механизме играет ген CLCA1, который активируется IL-13. Этот ген отвечает за выработку одноименной сигнальной молекулы, которая, в свою очередь, проникает через клеточные мембраны и активирует ген MAPK13. Происходит выделение одноименного фермента, непосредственно стимулирующего экспрессию MUC5AC.
Вся работа по установлению звеньев цепи была проведена на изолированных человеческих эпителиальных клетках, так как у обычно используемых лабораторных животных механизм выработки трахеобронхиальной слизи оказался иным, чем у человека. Подтверждением полученных результатов стало изучение образцов легочной ткани пациентов с тяжелой формой ХОБЛ. В них, помимо переизбытка слизи, был обнаружен повышенный уровень содержания молекул CLCA1 и фермента MAPK13.
Авторы пришли к выводу, что основной мишенью потенциального лекарственного препарата, призванного прекратить гиперсекрецию мокроты, должен стать ген MAPK13, продукт экспрессии которого регулирует ее выделение. Ингибиторы MAPK13 были разработаны авторами работы на основе BIRB-796 - уже известного блокатора гена MAPK14, которому MAPK13 на 60 процентов гомологичен. Для повышения эффективности этого вещества в отношении MAPK13 была проведена соответствующая корректировка на молекулярном уровне.
Тестирование серии новых препаратов-ингибиторов MAPK13 in vitro показало, что они почти в сто раз снижают выработку слизи клетками эпителия. Как отмечают авторы, столь высокая эффективность этих веществ также косвенно доказывает правильность определения лежащего в основе процесса секреции механизма.
Помимо ХОБЛ, астмы и кистозного фиброза - заболеваний, при которых гиперсекреция слизи, блокирующей дыхательные пути, является главным фактором риска, разработанные препараты также могут применяться и при вирусных респираторных инфекциях и аллергиях, полагает Хольцман. "Наши исследования показывают, что в этих случаях действует аналогичный механизм. Поскольку ингибиторы MAPK13 активны и в верхних, и в нижних дыхательных путях, они подходят для терапии широкого спектра респираторных заболеваний", - отметил он.
Хронические заболевания дыхательных путей, сопровождающиеся обильной мокротой, в особенности ХОБЛ, стоят на третьем месте среди причин преждевременной смерти в США и других странах мира. В настоящее время эффективных лекарственных средств, направленных на снижение секреции трахеобронхиальной слизи, в медицинской практике не существует.
Loading...