Материал: Метаболизм клеток эндотелия в норме и при патологии Учебное пособие

ГЭБ свободно пропускает кислород, двуокись углерода и небольшие липофильные вещества, но непроницаем для гидрофильных молекул, таких как глюкоза, аминокислоты и другие питательные вещества, необходимые для жизнедеятельности нейронов. Таким образом, одной из основных физиологических функций ГЭБ является регуляция транспорта питательных веществ и других молекул в и из головного мозга. Все другие вещества пересекают ГЭБ с помощью различных специфических транспортеров на апикальной или базолатеральной эндотелиальной мембране [39].

1.2Механизмы транспорта питательных веществ через клеточную мембрану

Особой формой диффузии через клеточную мембрану является облегчённая диффузия, которая при помощи транспортеров осуществляет перенос питательных веществ таких, как глюкоза и галактоза, аминокислоты, нуклеозиды, пурины, амины и витамины по градиенту их концентраций от крови к мозгу. Транспортировка этих веществ в целом регулируется метаболическими потребностями мозга и концентраций субстратов в плазме. Существуют также рецептор-опосредованные транспортные системы (трансцитоз) для белков и пептидов необходимых для транспортировки нейроактивных пептидов, хемокинов и цитокинов в мозг [41]. Активный транспорт при помощи транспортеров заключается в переносе веществ в пространство с большей концентрацией вещества для удаления молекул из мозга в кровь и требует больших затрат клеточной энергии, получаемой при распаде молекул АТФ. Кроме того, транспортеры ГЭБ участвуют в инактивации и обратного захвата нейротрансмиттеров [39].

Протективная роль эндотелиоцитов обусловлена уникальным набором рецепторного аппарата, транспортных белков, эффлюксных помп, таких как Pgp, SLC [40]. Также эндотелиоциты НВЕ секретируют вещества, регулирующие функциональную активность стволовых клеток ЦНС в постнатальном периоде (лейкемия-ингибирующий фактор (LIF), нейротрофический фактор мозга (BDNF), костный морфоген (BMP), фактор роста фибробластов (FGF)) [45] и формируют т.н. трансэндотелиальное

11

электрическое сопротивление (transendothelial electrical resistance – TEER) –

барьер для полярных веществ и ионов [3].

Существенным элементом такого рода регуляции являются астроцитэндотелиальные взаимодействия, опосредованные продукцией и транспортом лактата как основного продукта гликолиза в клетках астроглиальной природы и его рецепцией клетками микрососудистого церебрального эндотелия [27, 28].

Межклеточные взаимодействия в нейроваскулярной единице обеспечиваются за счет метаболических процессов в нейронах, астроцитах, эндотелиоцитах. Астроциты выступают в этом контексте как сенсоры метаболической активности нейронов и обеспечивают тонкую настройку метаболизма этих клеток к изменяющимся условиям их функционирования. Доминирование гликолиза в астроцитах и митохондриального дыхания в нейронах делает возможным их совместное сбалансированное участие в процессах энергетического обмена в функционально активных зонах мозга: активированные астроциты захватывают глюкозу, транспортируемую из крови транспортными белками эндотелиоцитов, дополнительно мобилизуют гликоген, и метаболизируют глюкозу до лактата, поступающего в межклеточное пространство для утилизации его нейронами [21].

Аккумуляция лактата в ткани способствует локальной вазодилятации, что обеспечивает дополнительное кровоснабжение активной зоны мозга (глиоваскулярный контроль). Эти процессы регулируются глутаматом, метаболитами арахидоновой кислоты, оксидом азота (NO), а также отношением НАД+/НАДН в астроцитах и нейронах, которые экипированы специализированными механизмами для внутриклеточного трансфера восстановленных эквивалентов (малат-аспартатный челночный механизм, глицерофосфатный челночный механизм). Работа этих челночных механизмов рассматривается как важный компонент поддержания отношения НАД+/НАДН в клетках, что определяет метаболизм глюкозы в сопряженных компартментах нейроваскулярной единицы [3].

Существенный вклад в регуляцию барьерогенеза вносит метаболическая активность клеток НВЕ, в частности, процессы утилизации и транспорта глюкозы, лактата, кетоновых тел. Гликолитическая активность важна для транспортных процессов и для барьерогенеза. Так, гликолиз и митохондриальная активность дополняют друг друга в ангиогенезе, гликолитическая активность в эндотелиальных клетках регулируется инсулином, HIF-1. В свою очередь, HIF-1–сопряженные механизмы в астроцитах и эндотелиоцитах контролируют процессы ангиогенеза и барьерогенеза, проницаемости ГЭБ [24]. Одним из самых мощных факторов, стимулирующих ангиогенез, в частности, при патологических состояниях, ассоциированных с необходимостью дополнительной васкуляризации ткани или восстановления поврежденных сосудов, является гипоксия, поэтому неудивительно, что HIF-1-контролируемые реакции энергетического обмена, находят свое отражение в изменении процессов гликолиза, аккумуляции лактата и изменении характера нейрон-астроглиального метаболического

12

сопряжения. В числе HIF-1 – контролируемых генов – гены, кодирующие VEGF, SDF-1, транспортеры глюкозы и лактата, ферменты гликолиза, что необходимо для обеспечения функционирования клеток в условиях острой или хронической гипоксии. Продукт анаэробного гликолиза – лактат, (ключевой регулятор глиоваскулярного контроля, обеспечивающего увеличение локального кровотока в функционально активных регионах мозга) способствует реализации программы ангиогенеза, действуя на клетки эндотелия, стимулирует циркулирующие стволовые васкулогенные клетки и увеличение экспрессии в них HIF-1-контролируемых ангиогенных факторов роста. Проангиогенная активность лактата очевидна в условиях, при которых добавление данного метаболита в матрицу для развития клеток сосудов существенно улучшает параметры ангиогенеза в зоне размещения имплантата [14].

Влияние межклеточных взаимодействий в пределах ГЭБ на формирование локального проили антиангиогенного микроокружения было представлено на рисунке 3 [26].

Рис. 3. Продукты гликолиза и их функциональная роль в гематоэнцефалическом барьере [28]

Таким образом, все клетки-компоненты НВЕ находятся в тесной связи между собой, что обеспечивает функционирование барьера.

Особое значение механизмы регуляции НВЕ/ГЭБ приобретают в пределах т.н. нейрогенных ниш головного мозга (в постнатальном периоде это субгранулярная зона гиппокампа, субвентрикулярная зона), где формируется локальное микроокружение, способствующее пролиферации и дифференцировке нейральных стволовых и прогениторных клеток в ответ на действие стимулов (когниция, репарация). Показано, что нейрогенез активируется в непосредственной близости от участков церебрального эндотелия с повышенной проницаемостью ГЭБ [36], а стимуляция нейрогенеза требует обязательного повышения проницаемости ГЭБ [37].

13

Примечательно, что процессы нейрогенеза в головном мозге тесно сопряжены с процессами ангиогенеза (не только при повреждении ткани, но и в физиологических условиях, например, при консолидации памяти, когда ангиогенез может быть даже более актуальным, чем собственно нейрогенез) [20], а воспроизведение структуры ткани головного мозга в моделях in vitro требует обязательного участия процессов нейрогенеза и ангиогенеза [32]. Некоторые авторы отдают главенствующую роль ангиогенезу, а не нейрогенезу, в реализации ключевых когнитивных функций, что дает право предполагать важный вклад процессов барьерогенеза в формирование сложных форм поведения [14].

14

ГЛАВА 2. Метаболизм клеток сосудистого эндотелия при патологии

2.1 Основные методы выявления и причины нарушения функции эндотелия

Внастоящее время сложности в ранней диагностике микроангиопатий возникающих на фоне дисфункции эндотелия, а также их патогенетическая лекарственная коррекция остаются в поле зрения многих исследователей как не до конца изученными, несмотря на успехи современной медицинской и биологической науки.

Как известно, причиной нарушения гомеостаза организма могут быть самые разнообразные причины. К ним, можно отнести патологические процессы, обусловленные изменением объема крови в сосудистом русле, пониженное содержание кислорода в организме или в отдельных органах и тканях, нефрогенная артериальная гипертензия, повышение уровня гомоцистеина в крови, активация процессов перекисного окисления липидов

[9].

Так, в 1990 г. А.Н. Шишкин и М.Л. Лындина охарактеризовали дисфункцию эндотелия на кровеносных сосудах предплечья человека при гипертонической болезни. Это дисфункция выявлялась при расслаблении гладкой мускулатуры в стенках кровеносных сосудов при воздействии на них ацетилхолином или брадикинином. Снижение вазодилатирующих свойств при дисфункции эндотелия, обусловлено уменьшением синтеза оксида азота, окислительным стрессом и сниженной продукцией эндотелиального гиперполяризующего фактора [17].

Впоследнее время большинство исследователей считают, что нарушение функции эндотелия является следствием дисбаланса между синтезирующимися вазодилатирующими, антипролиферативными, атромбогенными факторами, и, с другой стороны, сосудосуживающими, протромботическими, и факторами, стимулирующими пролиферацию. В клинической практике доказан случай нарушения кровообращения в организме по причине дисфункции эндотелия, обуславливающего образование тромбов в сосудах. И в то же время такие состояния как ишемия или венозный застой тоже могут служить причиной дисфункции эндотелия.

Причинами возникновения эндотелиальной дисфункции может выступать целый спектр разнообразных причин: нарушенный кровоток, возрастные особенности, перекисное окисление липидов, дисбаланс в липопротеиновом спектре крови, повышенная выработка цитокинов и гомоцистеина, а также интоксикация организма, вызванная различными токсическими веществами экзогенной или эндогенной природы [5]. Всё это может привести к активации таких процессов как апоптоз и некроз. Отмечают, что изначально нарушается функции эндотелия, а затем наступают морфологические изменения сосудов [19].

Оценка эндотелиальной дисфункции очень актуальна для постановки обоснованного клинического диагноза. Данная оценка включает:

15