РАСШИРЕНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЕХАНИЗМАХ ДЕЙСТВИЯ СУКЦИНАТСОДЕРЖАЩИХ ДИАЛИЗИРУЮЩИХ РАСТВОРОВ

Опубликованная в данном номере журнала «Нефрология» статья Матеуса де Кастро Фонсеки и соавт. «GPR91: расширение представлений о ме­таболитах цикла Кребса» является лаконичным, но достаточно полным обзором современных зна­ний об эффектах стимуляции сукцинатом рецеп­торов GPR91 и, безусловно, заслуживает внима­ния читателя. Однако физиологические функции сукцината далеко не ограничиваются ролью ли­ганда GPR91. Поэтому кажется целесообразным дополнить картину сведениями о других биологи­ческих процессах, в которых важную роль играет сукцинат, тем более что на протяжении последних лет в НИИ нефрологии ПСПбГМУ им. И.П. Пав­лова были проведены ряд исследований, касаю­щихся применения сукцинатсодержащих диализирующих растворов у больных на хроническом гемодиализе. Некоторые результаты, полученные нами, могут послужить практическим подтверж­дением экспериментальных данных из литератур­ных источников. Ввиду того, что многие аспекты биохимического действия сукцината были рас­смотрены в наших предыдущих публикациях [1­5], в этом сообщении хотелось бы прежде всего остановиться на взаимоотношениях сукцината и фактора, индуцируемого гипоксией.

В соответствии с современными представления­ми, сукцинат является метаболитом стресс-сигнала, в первую очередь - гипоксического [6-8]. Схема биохимических процессов, приводящих к увели­чению продукции сукцината в условиях гипоксии, представлена в статье де Кастро Фонсеки и соавт. Данный механизм адаптации клеток к гипоксии является, по всей видимости, эволюционно древним и присутствует, к примеру, в гетеротрофных тка­нях растений, где при недостатке кислорода также происходит альтернативный приток метаболитов в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл Кребса), а сам цикл претерпевает бифуркацию на «восстано­вительную» и «окислительную» части [9].

К этому необходимо добавить, что в организ­ме человека и животных увеличение продукции сукцината в митохондриях в условиях гипоксии, вероятно, обусловлено не только частичным об­ращением ЦТК и неферментативным декарбоксилированием α-кетоглутарата, но и активиза­цией части цикла Кребса в «прямом» направле­нии, а именно, стимуляцией ферментативного превращения α-кетоглутарата в сукцинат. Как справедливо указано в статье де Кастро Фонсе­ки, при недостатке кислорода возникает дефицит окисленного никотинамидадениндинуклеотида (НАД+), необходимого для целого ряда ключевых биохимических процессов, в том числе, для функ­ционирования ЦТК [10]. Однако в этих условиях α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс может производить сукцинил-КоА, используя НАД+ , который образуется в результате превращения ок- салацетата в малат (см. схему обращения цикла Кребса в статье Фонсеки), а также генерируется митохондриальными ферментами из группы диафораз [6, 11]. Далее сукцинил-КоА-лигаза ката­лизирует реакцию, в которой из сукцинил-КоА и АДФ (или ГДФ) образуется АТФ (ГТФ), сукцинат и КоАSH (так называемое субстратное фосфори- лирование). Данный процесс частично компенси­рует торможение окислительного фосфорилиро- вания, обеспечивая потребности митохондрии в АТФ в условиях гипоксии [6, 11].

Вышеуказанные предположения отчасти ги­потетичны, однако важно подчеркнуть, что к на­стоящему времени общепринятым стало понятие того, что структура и функционирование цикла Кребса не являются жестко запрограммирован­ными, но могут существенно модулироваться для приспособления к меняющимся метаболическим потребностям.

В организме животных и человека появились дополнительные сукцинат-зависимые механизмы приспособления к стрессу. Сукцинат участвует в ответе на гипоксическое воздействие путем акти­вации GPR91, чему и посвящена статья де Кастро Фонсеки. Но не менее важным механизмом явля­ется стабилизация сукцинатом фактора, индуци­руемого гипоксией (HIF).

HIF - гетеродимер, состоящий из субъединиц HIFa (существуют изоформы HIF-1a, -2α и -3α, несколько различающиеся по структуре и функ­циям) и HIFβ [12,13]. В условиях нормоксии HIFg быстро инактивируется ферментами из группы пролилгидроксилаз (prolyl hydroxylase domains,

PHDs), из которых в тканях организма человека наиболее широко представлена изоформа PHD2. Гидроксилирование HIFα требует присутствия кислорода и α-кетоглутарата; при этом проис­ходит образование СО₂ и сукцината. Гидроксилированный HIFa связывается с убиквитиновым комплексом фон Гиппеля-Линдау (pVHL-E3- убиквитинлигаза) и далее подвергается протеасомальной деградации [12-14].

При недостатке кислорода замедляется захват HIFa убиквитинлигазой, в результате чего содер­жание HIFa в клетке возрастает. HIFa поступает в ядро клетки, где связывается с субъединицей HIFβ. Данный димер активирует целый ряд (по некоторым данным, более тысячи) генов, ответ­ственных за продукцию сосудистых факторов роста (VEGF) и ангиогенез, метаболизм глюкозы, пролиферацию эритроцитов и других клеток [6, 8]. Так, HIF активирует гликолиз, индуцируя гены, кодирующие транспортеры глюкозы (GLUT1, GLUT3), апрегулирует лактатдегидрогеназу А, которая конвертирует пируват в лактат и регене­рирует NAD+ , необходимый для гликолиза, а так­же монокарбоксилатный транспортер 4 (MCT4), переносящий лактат за пределы клетки [14, 15].

HIF ингибирует пируватдегидрогеназу, замед­ляя тем самым конверсию пирувата в ацетил-КоА и увеличивая шунтирование пирувата из клетки. Вследствие этого происходит подавление цик­ла Кребса и окислительного фосфорилирования. [14]. Снижение интенсивности митохондриально­го дыхания понижает потребности митохондрий в кислороде и уменьшает образование активных форм кислорода (АФК), которые могут оказывать повреждающее действие на клеточные структуры.

Активация HIF приводит к торможению липолиза и, соответственно, к ограничению утилизации свободных жирных кислот [14]. При гликолизе на синтез одной молекулы АТФ расходуется на 35­-40% меньше кислорода, чем при окислении жир­ных кислот, поэтому в условиях гипоксии предпо­чтительным является процесс окисления глюкозы [16, 17]. Аналогичный механизм действия имеет из­вестный препарат триметазидин из группы p-FOX- ингибиторов, который тормозит бета-окисление жирных кислот в митохондриях, блокируя фермент 3-кетоацил-КоА-тиолазу, что сопровождается отно­сительным возрастанием роли гликолиза в миокар­де с соответственным увеличением эффективности синтеза АТФ и одновременным уменьшением об­разования свободных радикалов [3, 18, 19].

HIF увеличивает экспрессию цитохрома b (DcytB), восстанавливающего трехвалентное же­лезо до двухвалентного, и транспортера дивалент­ных ионов металлов (DMT1), усиливая тем самым всасывание железа в кишечнике [20, 21].

Кофактором PHD2 является α-кетоглутарат. В ходе реакции гидроксилирования HIFa происхо­дит, как было указано выше, образование сукцината в результате окисления и декарбоксилирования α-кетоглутарата. Сукцинат по механизму обратной связи ингибирует пролилгидроксилазы, способ­ствуя стабилизации HIF [12]. Таким образом, по­вышение концентрации сукцината в тканях, в том числе за счет его экзогенного поступления, приво­дит к развертыванию всех многочисленных эффек­тов, обусловленных HIF (рисунок). Подтвержде­нием этого могут послужить полученные нами ре­зультаты. Так, во всех проведенных исследовани­ях, посвященных изучению эффектов применения сукцинатсодержащих диализирующих растворов (СДР), было отмечено достоверное, хотя и умерен­ное, повышение концентрации гемоглобина в кро­ви пациентов, получающих лечение хроническим гемодиализом, а также гипохолестеринемический эффект [1-4]. Имеющий большое клиническое зна­чение для этой группы пациентов гипонатриемический эффект СДР, как нам представляется, также может быть HIF-опосредованным. В организме че­ловека значительные количества натрия депониру­ются в соединительной ткани (преимущественно, в интерстиции кожи) путем связывания с глюкозоаминогликанами [22-24].

Стабилизация сукцинатом HIF приводит к ак­тивации ангиогенеза, в том числе, новообразова­нию лимфатических капилляров в интерстиции, что способствует выведению натрия из интерсти­циального депо в кровоток и улучшает эквилибра­цию натрия в крови и межклеточной жидкости во время сеанса гемодиализа [4, 23, 24].

Помимо этого, применение СДР можно рас­сматривать как своего рода гипоксическое или, точнее, псевдогипоксическое прекондиционирование. Около 30 лет назад было показано, что ко­роткие повторные эпизоды гипоксии уменьшают клеточный ответ на недостаток кислорода и ока­зывают протективное в отношении последующих эпизодов ишемии действие на миокард и головной мозг [25, 26]. Различные методики гипоксического прекондиционирования (гипобарическое, нормо­барическое, гипоксическое) широко используются, в частности, в спортивной медицине [27]. Данный феномен хорошо укладывается в рамки одного из базовых принципов физиологии - гормезиса, под которым понимают стимулирующее влияние ма­лых доз различных стрессорных факторов при на­личии ингибирующего эффекта в высоких дозах [28]. Наиболее известный пример гормезиса - по­зитивное действие малых доз радиации (радоно­вые ванны и проч.), в то время как высокие дозы вызывают лучевую болезнь. Одним из ключевых механизмов реализации протективного действия гипоксического прекондиционирования считают активацию HIF. При этом существует предположе­ние, что ответ на длительную гипоксию отличается от такового при кратковременной преходящей ги­поксии, поскольку в этих двух ситуациях индуци­руются разные наборы генов [29].

Таким образом, необходимыми условиями для проявления защитного эффекта являются кратков­ременность и повторность эпизодов гипоксии, т.е. чередование состояний гипоксии и реоксигенации, а также надлежащая (не низкая и не чрезмер­ная) интенсивность воздействия [27]. Эти усло­вия соблюдаются при использовании СДР, когда больной подвергается воздействию умеренных доз сукцината (по нашим данным, за сеанс гемо­диализа в кровоток поступает в среднем около 1 г сукцината [5]) три раза в неделю по 4-5 ч во время сеансов гемодиализа. Феномен гипоксического прекондиционирования может дополнять описан­ные нами ранее механизмы противоишемическо- го (уменьшение суммарной длительности эпизо­дов депрессии сегмента ST по данным 24-часово­го кардиомониторирования) и антиаритмического действия СДР [1, 2, 5].

Необходимо также помнить, что одни и те же молекулярные механизмы могут обусловливать как защитные, так и патогенные эффекты. Так, в настоящее время продолжаются клинические ис­следования нового класса противоанемических лекарственных препаратов (роксадустат, дапродустат, молидустат и др.), механизм действия кото­рых основан на стабилизации HIF [8]. Уже полу­ченные данные не только показали эффективность этих препаратов в отношении коррекции анемии, но и продемонстрировали ряд прогнозируемых преимуществ, таких как улучшение биодоступ­ности железа и положительное влияние на липид­ный профиль, перед используемыми с этой целью другими медикаментозными средствами [13, 30, 31]. В то же самое время проходят испытания ин­гибиторы HIF уже в качестве противоопухолевых препаратов, поскольку HIF-зависимые механизмы принимают непосредственное участие в процес­сах канцерогенеза и метастазирования злокаче­ственных опухолей [32, 33].

Молекулярные механизмы, лежащие в основе гипоксического прекондиционирования, во мно­гом соответствуют имеющим место при синдро­ме обструктивного ночного апноэ, который четко ассоциирован с развитием сердечно-сосудистой патологии [29, 34].

Сукцинат, накопившийся в клетке во время эпизода ишемии, в условиях реоксигенации по­сле восстановления перфузии активно окисля­ется с образованием большого количества АФК. «Взрывная» продукция АФК митохондриями счи­тается одним из основных патогенных факторов ишемическо-реперфузионного повреждения [35]. Негативные последствия оксидативного стресса хорошо известны, однако само по себе повышение образования АФК не является его синонимом. В соответствии с современными представлениями, оксидативный стресс - не просто отклонение от нейтрального баланса между продукцией и ути­лизацией АФК. Концепция оксидативного стресса на сегодняшний день обязательно включает в себя дополнительные сведения о преимущественной локализации АФК (субклеточной или тканевой), химической природе АФК (свободнорадикальные или нерадикальные, такие как перекись водорода, гипохлорит, пероксинитрит и др.), данные о кине­тике образования и деградации АФК [36]. Состоя­ние восстановительного стресса, могущее возни­кать в том числе и при гипоксии, не менее (а воз­можно, и более) опасно для организма, чем оксидативный стресс [37]. АФК являются естественными и необходимыми сигнальными метаболитами орга­низма [38]. К примеру, показано, что при гипоксии митохондрии - один из главных источников АФК в организме - образуют кластер вблизи ядра; при этом содержание АФК в ядре увеличивается, что является необходимым условием для связывания HIF1a с VEGF-промоутером и экспрессии VEGF [39]. Физические упражнения являются зачастую недооцениваемым, но доказанно эффективным ме­тодом профилактики и лечения десятков болезней [40]. Так, регулярные физические нагрузки сни­жают резистентность к инсулину и увеличивают продолжительность жизни больных с сахарным диабетом 2-го типа, несмотря на то, что при физи­ческих упражнениях происходит усиленная выра­ботка АФК [28]. Более того, назначение антиокси­дантов ослабляет или даже полностью исключает этот протективный эффект [41]. Таким образом, кратковременное увеличение продукции АФК за счет окисления накопившегося во время эпизода ишемии сукцината может являться не только не­избежной платой за выживание клеток в условиях гипоксии, но и адаптационным механизмом.

Сукцинат (точнее, сукцинил-КоА) принимает активное участие в процессах посттрансляционной модификации белков (реакции сукцинили- рования). Сукцинилирование нужно отличать от сукцинирования, т.е. образования 2-сукциноцистеина из цистеина и фумарата. Образующаяся при этом тиоэфирная связь является весьма ста­бильной в отличие от обратимых реакций сук- цинилирования и ацетилирования по лизиновым остаткам белков [42]. Биологические и клиниче­ские эффекты сукцинилирования протеинов нахо­дятся в стадии изучения. Имеющиеся на данный момент свидетельства неоднозначны: с одной стороны, высокий уровень сукцинилирования обнаружен в раковых клетках [6, 43], с другой - выявлено гипосукцинилирование протеинов в различных тканях головного мозга при болезни Альцгеймера [44]. По-видимому, можно провести аналогию с более хорошо изученным феноменом ацетилирования белков, за счет которого регули­руется множество процессов в клетках, в том чис­ле, экспрессия генов, и сукцинилирование также является важным регуляторным механизмом. Об этом свидетельствует, например, то, что уровень сукцинилирования, также как и ацетилирования, контролирует фермент из группы гистоновых деацетилаз - сиртуин 5, а также широкая распро­страненность сукцинилирования: по имеющимся данным, сукцинилировано около 25% митохон­дриальных белков в клетках животных [45].

Таким образом, сукцинат - не только лиганд GPR91. Сукцинат-зависимый ответ на гипоксию реализуется с помощью целого ряда биохимических процессов. Сукцинат - стабилизатор фактора, инду­цируемого гипоксией. Сукцинат - субстрат сукцинатдегидрогеназы, одного из ключевых ферментов цикла Кребса и компонента дыхательной цепи ми­тохондрий, и продукт реакции субстратного фосфо- рилирования. Тем самым сукцинат является непо­средственным участником процессов синтеза АТФ, продукции активных форм кислорода, ана- и катаплероза. Множественность биологических функций и общность молекулярных механизмов, обеспечи­вающих положительные и негативные эффекты сукцината, обусловливает необходимость учета воз­можных неблагоприятных последствий при исполь­зовании сукцината в качестве лекарственного сред­ства. Краеугольный камень успешного медикамен­тозного лечения - дать нужное лекарство в нужной дозе в нужное время. Это в полной мере относится и к сукцинатсодержащим растворам для гемодиализа, причем в последнем случае количество сукцината, поступающее в организм за конкретный промежу­ток времени, определяется главным образом факто­ром диффузии через диализную мембрану.