Modern possibilities for correction of disturbances of cellular energetics in ophthalmology

Full Text

В последнее время в медицине интенсивно развивается так называемое «метаболическое» направление, рассматривающее изменения клеточного энергетического обмена на различных уровнях как основу или фон многих заболеваний, в том числе и офтальмологических [2, 3, 5, 8, 10]. Ключевыми органеллами, ответственными за клеточную энергетику, служат митохондрии, основная функция которых - аэробное биологическое окисление (тканевое дыхание) с накоплением энергии в виде макроэргических фосфатных соединений (аденозинтрифосфата, креатинфосфата и др.), то есть окислительное фосфорилирование. Открытие в последние годы ведущей роли митохондрий в чувствительности к лекарственным средствам, их ключевой роли в старении, апоптозе и нейродегенеративных расстройствах привело к созданию «митохондриальной медицины» [2, 3, 6, 8, 10, 18, 29]. Среди заболеваний органа зрения с доказанной митохондриальной дисфункцией особо выделяется атрофия зрительного нерва Лебера [7, 27]. Заболевание начинается, как правило, в возрасте от 18 до 30 лет, передаётся по материнской линии и проявляется быстро или постепенно развивающимся двусторонним снижением центрального зрения. Данное заболевание развивается в результате точечных мутаций в генах митохондриальной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), субъединиц кодирования комплекса ферментов окислительного фосфорилирования [4, 26, 29]. Митохондрии служат главным источником супероксидных анионов в клетках. В ходе транспорта электронов к молекулярному кислороду от 1 до 5% электронов в цепи дыхания теряются, участвуя в формировании супероксид-аниона. Количество супероксидов и перекисное окисление липидов увеличиваются в ходе апоптоза [6, 14, 18, 26]. Современные возможности антиоксидантной терапии В 2003 г. группа академика В.П. Скулачёва начала разработку нового митохондриально-адресованного антиоксиданта. Тестируемые ими ранее соединения - липофильные катионы (например, ионы фосфония), способные адресно проникать в митохондрии, движимые электрическим полем на митохондриальной мембране. В 1974 г. такие соединения были названы известным американским биохимиком Д. Грином «ионами Скулачёва». Было сконструировано и синтезировано вещество SkQ1, эффективность которого оказалась выше предыдущих аналогов в сотни раз [24, 33]. Исследования влияния SkQ1 при глазных заболеваниях проводили на крысах линии OXYS, страдающих от постоянного окислительного стресса. К 3-му месяцу жизни у этих животных развивается катаракта и проявляются признаки патологии сетчатки. SkQ1 не только препятствовал дистрофии сетчатки, но также улучшал её функциональное состояние, которое определяли с помощью электроретинографии. В отсутствие SkQ1 сетчатка старых (24-месячных) крыс линии OXYS не отвечала электрическим сигналом на вспышку света, что указывало на практически полную слепоту животного. В то же время животные, получавшие с пищей SkQ1, показывали гораздо лучший ответ сетчатки на вспышку света, близкий к результатам молодых (3-месячных) крыс [1, 24]. Для изучения действия SkQ1 при воспалительных заболеваниях глаз, которые сопровождаются сильнейшим окислительным стрессом, в эксперименте был воспроизведён увеит. Его вызывали иммунизацией кролика арестином - белком фоторецепторных клеток. Заболевание приводило к слепоте, после чего в один глаз инстиллировали 250 нМ SkQ1 4 раза в день. Спустя несколько дней признаки воспаления нивелировались, животные начинали видеть, но только тем глазом, в который инстиллировали SkQ1. Та же процедура предотвращала развитие увеита, если капли давали в период иммунизации. При этом успеха достигали в 100% случаев - как при предотвращении увеита, так и при лечении уже развившейся болезни [1, 24]. В литературе сообщают о применении антиоксидантов [ретинол, витамин Е, аскорбиновая кислота, витамин Е + ретинол (аевит), метилэтилпиридинол (эмоксипин)] для лечения глаукомной нейрооптикопатии. Также было показано, что естественные антиоксиданты, содержащие супероксиддисмутазу (эрисод), играют ключевую роль в антиоксидантной защите организма, предотвращают развитие адреналин-индуцированной глаукомы у кроликов. Иностранные же авторы не спешат применять антиоксиданты в лечении нейродегенеративных расстройств [11, 30]. На первом месте стоит задача защиты митохондрий как основного источника активных форм кислорода [21, 22]. Повышение уровня ферментов антиоксидантной защиты Неврит зрительного нерва сопровождается окислительным стрессом [15, 19]. Для повышения уровня антиоксидантной защиты было апробировано экзогенное введение ферментов (каталазы) при воспалении зрительного нерва в эксперименте. Однако был выявлен ряд неудобств. Во-первых, вводить каталазу необходимо ежедневно, учитывая период полураспада. Во-вторых, молекула фермента с высоким молекулярным весом проходит через гематоэнцефалический барьер только в активный период воспаления [15]. В связи с этим был найден способ повысить синтез эндогенных антиоксидантных ферментов с помощью доставки в клетку вирус-опосредованной комплементарной ДНК (кДНК), кодирующей синтез каталазы. В эксперименте in vitro было продемонстрировано, что в эндотелиальных клетках человека через 1 день после ведения комплекса вирусной кДНК каталазы её количество увеличивается в 4 раза по сравнению с исходным [16]. Кроме того, продемонстрировано увеличение уровня антиоксидантной защиты вирус-опосредованной передачей человеческих генов каталазы in vivo у животных с воспалением зрительного нерва на фоне экспериментального аллергического энцефалита. Рекомбинантный аденоассоциированный вирус, содержащий человеческий ген каталазы, вводили в головку зрительного нерва правого глаза мышей с невритом. Через 1 мес активность каталазы увеличивалась приблизительно в 2 раза. После инъекций отмечали уменьшение демиелинизации на 38%, отёка зрительного нерва - на 29%, клеточной инфильтрации - на 34%, нарушения гематоэнцефалического барьера - на 64%, содержания Н2О2 - на 61% [17]. Для длительной защиты зрительного нерва от демиелинизации необходим перенос гена, кодирующего синтез фермента антиоксидантной защиты. С этой целью морским свинкам с индуцированным экспериментальным аллергическим энцефалитом вводили рекомбинантный ген AAВ, штамм 13, трансдуцированный с репортёром LacZ-SV40 полиА гена и гуманизированный зелёным флюоресцирующим белком (GFP) репортёрного гена [17]. Сохранение активности каталазы в головке зрительного нерва было высоким с 1-й недели после однократной внутриглазной инъекции и сохранялось в течение 1 года, однако уже со 2-12-й недели эксперимента прослеживалось снижение количества фермента. Генная терапия мутаций митохондриальной ДНК (митДНК) Разработка патогенетических методов лечения митохондриальной дисфункции, связанных с накоплением мутантной митДНК, в частности генной терапии, ещё находится в стадии экспериментов [11, 13]. Одно из наиболее перспективных направлений генной терапии - попытка изменить уровень гетероплазмии путём или селективного ингибирования репликации митохондрий, или разрушения мутантной митДНК [13, 19, 32]. Гены митохондрий кодируют две группы признаков - работу дыхательных систем и устойчивость к антибиотикам и токсинам [31]. Экспрессию белков в митохондрии исследуют уже более 15 лет [13]. Сообщают об успешных попытках внедрения GFP в митохондрии культивируемых клеток и первичных гепатоцитов с применением вирусного вектора [28]. Если этот метод работает в условиях эксперимента in vivo, то он может в последующем дать возможность исправления патологических состояний путём генной терапии в митохондриях при болезни Лебера, связанной с мутациями митДНК. Возможности контроля апоптоза Множество ключевых этапов апоптоза происходит в митохондриях, включая высвобождение активаторов каспазы (таких, как цитохром С), синтез про- и антиапоптических белков семейства Bcl-2 [11, 14, 18]. На сегодняшний день накоплены доказательства апоптоза ганглионарных клеток сетчатки при глаукоме [9, 23]. Апоптоз происходит в аксонах зрительного нерва у животных с экспериментальной глаукомой [9, 34]. Также продемонстрированы доказательства апоптоза нейроцитов сетчатки глаза у больных первичной открытоугольной глаукомой [12, 34]. Возможность применения генной терапии для контроля основных звеньев апоптозного каскада изучали при экспериментальной глаукоме у крыс. При интравитреальном введении векторов AAВ с антиапоптическим геном его белок Bcl-XL был обнаружен в клетках сетчатки: фоторецепторах, пигментном эпителии сетчатки, ганглионарных волокнах [20]. AAВ вектор-опосредованная экспрессия Bcl-XL в ганглионарных волокнах сетчатки у крыс привела к мощной нейропротекции зрительного нерва при повышенном внутриглазном давлении [12]. Исследована возможность контроля активации каспаз. Для этого использовали рекомбинантный аденоассоциированный вирус, несущий ген BIRC4, продукт которого является мощным ингибитором каспаз. Это привело к выраженной защите аксонов зрительного нерва в условиях длительного воздействия повышенного внутриглазного давления у крыс [12]. Считают, что антагонисты NMDA-рецепторов снижают эксайтотоксичность путём стабилизации клеточных мембран [25]. В эксперименте на обезьянах при длительном повышении внутриглазного давления отмечено замедление гибели аксонов зрительного нерва при введении мемантина (антагониста медиаторов NMDA-рецепторов). У животных длительно сохранялись зрительные функции, при регистрации электроретинограммы были выявлены лишь незначительные изменения [35]. Основные препараты, применяемые при митохондриальных нарушениях Лечение метаболических расстройств - одна из сложных проблем современной медицины. Важная характеристика энерготропной терапии - её комплексность. В нашей стране такие комплексы активно разрабатывают в Московском научно-исследовательском институте педиатрии и детской хирургии (Николаева Е.А.). Лекарственные компоненты, как правило, включают группы препаратов: переносящие электроны в дыхательной цепи (витамины К1 и К3, коэнзим Q10, янтарная кислота, цитохром С), кофакторы энергообмена (витамины РР, В1, В2, липоевая кислота, биотин, карнитин), уменьшающие степень лактат-ацидоза (димефосфон), антиоксиданты. При этом на первое место по значимости выдвигаются такие препараты, как L-карнитин, коэнзим Q10, цитохром С и их комплексы с другими вышеперечисленными лекарственными средствами [5]. Из изложенного можно заключить, что нарушение функций митохондрий, отвечающих за энергетический метаболизм клетки, играет определённую роль в развитии многих заболеваний органа зрения. Самым перспективным направлением в коррекции нарушений клеточной энергетики в офтальмологии мы считаем генную терапию дисфункции митохондрий.

About the authors

I R Gazizova

Bashkir State Medical University, Ufa, Russia

Email: ilmira_ufa@rambler.ru

References

Supplementary files