54 B io m e d ic a l S c ie n c e S iSSn 2413-6077. iJmmR 2016 Vol. 2 issue 1 doi 10.11603/ijmmr.2413-6077.2016.1.6387 ПАТОГЕНЕТИЧНІ МЕХАНІЗМИ ЛЕГЕНЕВИХ УРАЖЕНЬ М. І. Марущак, І. Я. Криницька, Г. Г. Габор, О. З. Яремчук Тернопільський державний медичний універсиТеТ імені і. Я. ГорбачевськоГо Вступ. на сучасному етапі розвитку медико-біологічної науки увага більшості дослідників прикута до ключових механізмів багатьох захворювань людини, які тісно пов’язані з порушенням клітинної смерті. однією з провідних причин дисрегуляції танатогенної програми клітин є активація біологічних ефектів фактора некрозу пухлин альфа. Мета. узагальнити існуючі наукові дані щодо внеску метаболітів кисню і монооксиду нітрогену в механізми легеневого ураження. Методи. аналіз літературних даних щодо механізму легеневого ураження. Результати й висновки. у зв’язку з вищесказаним, актуальною є проблема розуміння сигналів та механізмів, відповідальних за регулювання процесів вільнорадикального окиснення і системи антиок- сидантного захисту, роль про- та протизапальних молекул, вплив активних метаболітів на процеси репарації і виживання клітин респіраторного тракту при гострих ураженнях легень. розуміння суті даних процесів дозволить поглибити існуючі й отримати нові знання при легеневій патології. КЛЮЧОВІ СЛОВА: легеневе ураження, патогенез. Вступ На сучасному етапі розвитку медико- біологічної науки увага більшості дослідників прикута до ключових механізмів багатьох захворювань людини, які тісно пов’язані з порушенням клітинної смерті. Однією з про- відних причин дисрегуляції танатогенної про грами клітин є активація біологічних ефек тів фактора некрозу пухлин альфа (ФНП-α) [1]. Метою даної роботи було узагальнити існуючі наукові дані щодо внеску метаболітів кисню і монооксиду нітрогену в механізми легеневого ураження. Проведений аналіз наукових джерел по- казав, що ФНП-α, або кахектин, – плейотроп- ний прозапальний цитокін з молекулярною масою 17 400 кДа, переважно макрофагаль- ного походження, який у сироватці крові людей практично не визначається. ФНП-α може діяти як незалежно, так і разом із ши- роким спектром інших факторів, порушува- ти фенотип і метаболізм клітин у кожної тка нини організму. На даний час ФНП-α ви- знають центральним медіатором серед ши- ро кого спектра фізіологічних та імуно логіч- них функцій. Ця молекула проявляє різні біологічні ефекти, в тому числі індукує ци- тотоксичні ефекти на ендотеліальні кліти ни, підсилює до них адгезію нейтрофілів шляхом підвищення вироблення хемокінів та адге- зивних молекул, збільшує судинну проник- ність через активацію нейтрофілів, а також стимулює продукування інших прозапаль- них цитокінів (інтерлейкінів 1, 6, 8) [2, 3]. Респіраторний відділ легень є важливим компонентом системного гомеостазу, який при багатьох патологічних станах, незважаю- чи на ряд деструктивних і дистрофічних змін у своєму складі, проявляє широкі ком пен са- торні властивості. Провідне значення в роз- витку ускладнень і летальних наслідків на- лежить тяжким прогресуючим респіра торним порушенням, що є одним із компо нен тів синдрому поліорганної недостатності [4]. Основні чинники легеневого ураження поділяють на прямі та непрямі. До легеневих факторів належать ті, які безпосередньо ура- жають легеневий епітелій (віруси, бактерії, гриби, токсичний газ, аспірація шлункового вмісту) [5]. Позалегеневі чинники є більш поширеними і зустрічаються при багатьох захворюваннях (цироз печінки, травма, сеп- сис, панкреатит) внаслідок циркуляції в крові Corresponding author: Marya Marushchak, Department of Functional Diagnostics and Clinical Pathophysiology, �. �or-�. �or- bachevsky Ternopil State Medical University, 1 Maidan Voli, Ternopil, Ukraine, 46001 Tel.: +380979901202 e-mail: marushchak@tdmu.edu.ua М. І. Марущак та ін. International Journal of Medicine and Medical Research 2016, Volume 2, Issue 1, p. 54–58 copyright © 2016, TSMU, All Rights Reserved 55 B io m e d ic a l S c ie n c e S iSSn 2413-6077. iJmmR 2016 Vol. 2 issue 1 системних запальних факторів, які мають пошкоджувальну дію на легені. Так, локаль- на дія хімічно активного травмувального чинника на легеневу паренхіму зумовлює вибуховий викид біологічно активних речо- вин, зокрема ФНП-α та інших цитокінів. За умов портальної гіпертензії порушується бар’єрна функція печінки, що зумовлює на- копичення в крові ендотоксинів. Ендотоксемія стимулює продукування макрофагами пе- чінки і легень вазоактивних субстанцій (ок- сиду азоту, ендотеліну-1) та цитокіну макро- фагального походження – ФНП-α [6–8]. Отже, в основі респіраторного порушення лежить безпосереднє або опосередковане пошко- дження епітеліального й ендотеліального бар’єрів, що зумовлює надмірне виділення медіаторів запалення в кровотік, і, як наслі- док, ініціюється, активується і поширюється системна запальна відповідь. Сироваткові цитокіни, зокрема ФНП-α, у свою чергу, є важливими гуморальними регуляторами апоптозу і можуть контролю- вати дані процеси на генетично детерміно- ваному рівні, а порушення їх апоптотичної активності може призводити до прогресу- вання патологічних станів [9]. Фундаментальні та клінічні дослідження вказують на унікальну здатність ФНП-α ініціювати і апоптотичну загибель клітин, і некроз клітин парен хіма- тозних органів за умов гіперпродукування ФНП-α [10]. Метаболізм клітини в більшості випадків залежить від характеру інформації, яку не- суть первинні месенджери – цитокіни. ФНП-α, як і IL-1β, активує НАДФН-оксидази нейтрофільних гранулоцитів, які окиснюють НАДФН до НАДФ+ за рахунок відновлення О2 до супероксидного аніон-радикала. Фермен- тативна генерація супероксидного аніон- радикала в організмі людини здійснюється також ксантиноксидазою, цитохромом Р450, альдегідоксидазою, ліпоксигеназою, цикло- оксигеназою нейтрофілів і моноцитів [10, 11]. У результаті виникає так званий кисневий спалах, зумовлений активними формами кисню, серед яких мієлопероксидаза каталі- зує реакцію утворення гіпохлориту з аніона хлору і пероксиду водню, а також відбувається утворення гідроксильного радикала з перок- сиду водню і гіпохлориту за наявності іонів заліза (рис. 1) [12, 13]. Дисмутація су пероксид- аніон-радикалів під дією супероксиддисму- таз у біологічних тканинах спричиняє утво- рення пероксиду водню, який здатний легко проникати через мембрани клітин [14, 15]. Активні форми кисню продукуються та- кож при активації такого ферменту, як NO- синтаза (NOS). Оксид азоту (NO) відіграє важливу роль у регуляції функцій легень і в патофізіології захворювань системи дихання [16–19]. У легенях NO виробляється під впли- вом конститутивної NOS (cNOS) в ендоте- ліальних клітинах легеневої артерії та вени. У ряді клітин, наявних у легенях і здатних виробляти NO, включаючи макрофаги, ней- трофіли, гладкі клітини, ендотеліальні, глад- ком’язові, епітеліальні клітини та, можливо, клітини інших типів, представлена експресія індуцибельної NOS (iNOS). Дослідження, проведені пізніше, показали, що в дихальних шляхах cNOS характеризується високою гомологічністю до iNOS та міститься в епі- теліальних клітинах [17]. Утворення ендогенного NO можна роз- глядати як механізм, який підтримує сталість стану гладких міоцитів у легеневій циркуляції, і, відповідно, недостатність синтезу або ж вивільнення NO зумовлює надмірну їх про- ліферацію. Проведені наукові дослідження вказують на те, що в нормальному легене- вому руслі NO не лише сприяє адекватній вазодилатації, але й перешкоджає вазокон- стрикторній дії гіпоксії та ендотеліну [17, 19]. Втрата ендотелієзалежної релаксації судина- ми під час гіпоксії спричиняє підвищення їх тонусу, утворення тромбів, порушення мік- ро циркуляції, що призводить до проліферації гладких міоцитів [7, 8]. Літературні дані останніх років свідчать про те, що при запальних захворюваннях органів дихання зростає утворення NO в епітелії дихальних шляхів людини [16]. Син- тез NO підвищується за рахунок активації iNOS під впливом макрофагальних цитокінів, що включають й інші клітинні структури в активне утворення медіаторів запалення, а також ендотоксемії. Запальні медіатори, що виділяються мастоцитами, і гіперпродуку- вання NO сприяють збільшенню проникності судинної стінки з формуванням інтерсти- ційного та альвеолярного набряку [17]. Метаболізм NO відбувається таким чи- ном (рис. 1). Основний шлях – реакція з гемопротеїнами: клітинні ефекти NO здій с- ню ються при зв’язуванні з гемовмісним ферментом гуанілатциклазою, NO реагує з гемоглобіном еритроцитів з утворенням метгемоглобіну. Внаслідок цього NO пере- творюється в іон нітриту (NO2 -), а за наявності гемового заліза NO2 - переходить у стабільний іон нітрату (NO3 -). Також NO при взаємодії з М. І. Марущак та ін. 56 B io m e d ic a l S c ie n c e S iSSn 2413-6077. iJmmR 2016 Vol. 2 issue 1 супероксид-аніоном утворює пероксинітрит і гідроксил-радикал. Утворені сполуки на- лежать до активних форм кисню і мають деструктивну дію відносно білків та ліпідів. Метаболізм NO теж відбувається шляхом утворення нітрозотіолів та динітрозольних комплексів негемового заліза, що є депом NO [18, 19]. Інактивація вільних радикалів здійсню- ється антиоксидантною системою, яка вклю- чає в себе активні антиокиснювачі та анти- оксидантні ферменти, що розривають лан цю ги молекул під час реакції віль но ра- дикального окиснення [16]. У надепітеліальній рідині респіраторного тракту є неферментні антиоксиданти: церулоплазмін, трансферин, вітаміни, амінокислоти, іони металів. До основних ферментів антиоксидантної сис- теми, що містяться в надепітеліальній рідині дихальних шляхів, належить супер оксид- дисмутаза, яка дисмутує супероксидний радикал, глутатіонпероксидазу, що інактивує пероксид ліпідів, каталазу, яка руйнує пероксид водню. Зміни структури і функції субстратів, на які діють активні форми кисню та азоту, залежать загалом від співвідношення активності вільних радикалів та анти окси- дантів. Потрібно зауважити, що при гострих легеневих ураженнях антиоксидантні сис- теми швидко виснажуються, а надмірне продукування активних метаболітів кисню може мати руйнівний вплив на епітеліоцити й інші клітини легеневої тканини, що є одним з основних факторів тяжкості захворювань органів дихання [6, 11, 21]. Активні форми кисню та азоту впливають на про- й антиапоптичні механізми клітин респіраторного тракту безпосередньо або через внутрішньоклітинні редоксзалежні сигнальні системи [20, 22]. Так, альвеолоцити I і II типів є чутливими до проапоптичної дії активних метаболітів кисню, які здатні активувати каспазу-3, посилювати експресію проапоптичного протеїну Bax [23, 24]. Моно- оксид азоту також є регулятором апоптозу, зокрема низька концентрація NO пригнічує, а висока – індукує програмовану клітинну смерть. Пошкодження ДНК активними ради- калами азоту зумовлює накопичення р53, що вважають індикатором NO-опосеред- кованого апоптозу [25, 26]. Висновок У зв’язку з вищесказаним, актуальною є проблема розуміння сигналів та механізмів, відповідальних за регулювання процесів вільнорадикального окиснення і системи антиоксидантного захисту, роль про- та про- тизапальних молекул, вплив активних мета- болітів на процеси репарації і виживання клітин респіраторного тракту при гострих ураженнях легень. Розуміння суті даних процесів дозволить поглибити існуючі й отримати нові знання, а також намітити по- дальші напрямки корекції патологічних змін при легеневій патології. Рис. 1. Шляхи цитотоксичної дії активних форм кисню та азоту. М. І. Марущак та ін. 57 B io m e d ic a l S c ie n c e S iSSn 2413-6077. iJmmR 2016 Vol. 2 issue 1 Література 1. Parsons PE, Matthay MA, Ware LB, Eisner MD. National Heart, Lung, Blood Institute Acute Res- piratory Distress Syndrome Clinical Trials Network. Elevated plasma levels of soluble TNF receptors are associated with morbidity and mortality in patients with acute lung injury. Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. 2005; 288: 426–431. 2. Locksley RM, Killeen N, Lenardo MJ. The TNF and TNF receptor superfamilies: integrating mam- malian biology. Cell 2001; 104: 487–501. 3. Lundblad LK, Thompson-Figueroa J, Leclair T. TNF-alpha over-expression in lung disease: a single cause behind a complex phenotype. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2005; 171:1363–1371. 4. Marshall JC. Inflammation, coagulopathy, and the pathogenesis of multiple organ dysfunction syndrome. Crit. Care Med. 2001; 29: S99-S106. 5. Ware LB, Matthay MA. The acute respiratory distress syndrome. N. Engl. J. Med. 2000; 342: 1334– 1349. 6. Varghese J, Ilias-basha H, Dhanasekaran R et al. Hepatopulmonary syndrome – past to present. Ann Hepatol. 2007; 6: 135–142. 7. Huffmyer JL, Nemergut EC. Respiratory dys- function and pulmonary disease in cirrhosis and other hepatic disorders. Respir. Care. 2007; 52: 1030–1036. 8. Zhang HY, Han DW, Wang XC et al. Experimen- tal study on the role of endotoxin in the development of hepatopulmonary syndrome. World J. Gastro- entеrol. 2005; 11: 567–572. 9. Maianski NA, Maianski AN, Kuijpers TW, Roos D. Apoptosis of neutrophils. Acta Haematol. 2004; 111: 56–66. 10. De Dooy JJ, Mahieu LM, Van Bever HP. The role of inflammation in the development of chronic lung disease in neonates. Eur. J. Pediatr. 2001; 160: 457–463. 11. Lee WL, Downey GP. Neutrophil activation and acute lung injury. Curr. Opin. Crit. Care. 2001; 7: 1–7. 12. Asai T, Ohno Y, Minatoguchi S. The specific free radical scavenger edaravone suppresses bleo- mycin-induced acute pulmonary injury in rabbits. Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 2007; 34: 22–26. 13.Tamagawa K, Taooka Y, Maeda A. Inhibitory effects of a lecithinized superoxide dismutase on bleomycin-induced pulmonary fibrosis in mice. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2000; 161: 1279–1284. 14. Glosli H, Tronstad KJ, Wergedal H. Human TNF-alpha in transgenic mice induces differential changes in redox status and glutathione-regulating enzymes. FASEB J. 2002; 16: 1450–1452. 15. Ishii Y, Partridge CA, Del Vecchio PJ, Malik AB. Tumor necrosis factor-alpha-mediated decrease in glutathione increases the sensitivity of pulmonary vascular endothelial cells to H2O2. J. Clin. Invest. 1992; 89: 794–802. 16. Shiloh MU, MacMicking JD, Nicholson S. Phe-Shiloh MU, MacMicking JD, Nicholson S. Phe- notype of mice and macrophages deficient in both phagocyte oxidase and inducible nitric oxide syn- thase. Immunity. 1999; 10: 29–38. 17. Sittipunt C, Steinberg KP, Ruzinski JT. Nitric oxide and nitrotyrosine in the lungs of patients with acute respiratory distress syndrome. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2001; 163: 503–510. 18. Tracey WR, Xue C, Klinghofer V. Immuno- chemical detection of inducible NO synthase in hu- man lung. Am. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol. 1994; 266: 722–727. 19. de Andrade JA, Crow JP, Viera L. Protein nitra- tion, metabolites of reactive nitrogen species, and inflammation in lung allografism. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2000; 161: 2035–2042. 20. Hiwari BS, Belenghi B, Levine A. Oxidative stress increased respiration and generation of reac- tive oxygen species, resulting in ATP depletion, open- ing of mitochondrial permeability transition, and programmed cell death. Plant Physiol. 2002; 128: 1271–1281. 21. Ware LB, Matthay MA. Alveolar fluid clearance is impaired in the majority of patients with acute lung injury and the acute respiratory distress syndrome. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2001; 163: 1376–1383. 22.Melley DD, Evans TW, Quinlan GJ. Redox regulation of neutrophil apoptosis and the systemic inflammatory response syndrome. Clin. Sci. 2005; 108: 413–424. 23. Mikhailov V, Mikhailova M, Degenhardt K. Association of Bax and Bak homo-oligomers in mi- tochondria. Bax requirement for Bak reorganization and cytochrome c release. J. Biol. Chem. 2003; 278: 5367–5376. 24.Choi IW, Sun-Kim, Kim YS. TNF-alpha induces the late-phase airway hyperresponsiveness and airway inflammation through cytosolic phospholi- pase A (2) activation. J. Allergy Clin. Immunol. 2005; 116: 537–543. 25. Степовая ЕА, Жаворонок ТВ, Стариков ЮВ. Регуляторная роль оксида азота в апоптозе ней- трофилов. Бюл. эксперим. биологии и медицины. 2008; 146: 646–650. 26. Choi BM, Pae HO, Jang SI, Chung HT. Nitric oxide as a pro-apoptotic as well as anti-apoptotic modulator. J. Biochem. Mol. Biol. 2002; 35: 116– 126. М. І. Марущак та ін. 58 B io m e d ic a l S c ie n c e S iSSn 2413-6077. iJmmR 2016 Vol. 2 issue 1 Pathogenetic MechanisMs of Lung injury M. I. Marushchak, I. Ya. Krynytska, G. G. Gabor, O. Z. Yaremchuk �. �orbaC�eVSky TernoP�l STaTe MeD�Cal Un�VerS�Ty Background. �n contemporary life science research development most attention is paid to mechanisms of many human diseases that are associated with the violation in cell death. one of the main causes of cell thanatologic disregulation program is the changes in their production and activation of the biological effects of tumor alpha necrosis factor. Objective is to summarize current scientific data about role of activated oxygen and nitric metabolites in the system of lung pathogenetic injuries. Methods: analysis of the research data on mechanisms of lung injury. Results and conclusions. The topical issue of lung pathogenetic injury is to understand the signs and mechanisms responsible for regulation of free radical oxidation and antioxidant defense system, the role of pro- and anti-inflammatory molecules, the influence of active metabolites on the process of restoration and survival of the respiratory tract cells in cases of acute lung injury. The studies of this processes will help to obtain more knowledge on lung pathology. KEY WORDS: lung injury, pathogenesis. М. І. Марущак та ін. received: 2016-03-10