Известна физиологическая роль красных кровяных клеток (эритроцитов) в транспортировке газов (O 2 , CO 2 ) от легких к тканям. Кроме того, эритроциты хорошо оснащены антиоксидантными системами, которые существенно способствуют их функции и целостности. Было показано, что нарушение целостности эритроцитов, определяемое как гемолиз, способствует развитию серьезных нарушений, включая дисфункцию эндотелия. Последние клинические и экспериментальные данные указывают на то, что эритроциты могут быть непосредственно вовлечены в защиту тканей и регуляцию сердечно-сосудистого гомеостаза, проявляя дополнительные неканонические функции, включая метаболизм оксида азота (NO) и контроль реологии крови, а также эритрокринной функции (т.е. путем высвобождения биологически активных молекул, включая NO, метаболиты NO и АТФ). Выдвинуто много гипотез о роли неканонических функций эритроцитов в сердечно-сосудистом гомеостазе, и накапливается доказательство центральной роли эритроцитов в защите сердечно-сосудистой системы. Тем не менее, многие аспекты RBC-опосредованного контроля метаболизма NO и высвобождения АТФ все еще являются спекулятивными.
Анемия
Анемия является патологическим состоянием, характеризующимся снижением количества циркулирующих эритроцитов и определяемым концентрациями гемоглобина (Hb) в цельной крови ниже 12 г / дл для женщин и 13 г / дл для мужчин. Существуют клинические данные, свидетельствующие о том, что анемия также связана с рядом тяжелых осложнений сердечно-сосудистых заболеваний , таких как тромбоэмболические осложнения ( например , венозный тромбоз и инсульт). Однако терапевтические методы, направленные на увеличение циркулирующего количества эритроцитов ( например , переливанием крови или введением эритропоэз-стимулирующих агентов для стимуляции выработки эритроцитов костным мозгом - ESA), не всегда были эффективными. Одно из возможных объяснений состоит в том, что эти виды лечения имеют побочные эффекты и, следовательно, могут вносить свой вклад в отрицательный результат, например, лечение с помощью ESA было связано с усилением тромбоэмболических осложнений.
Интерпретация крупных когортных исследований может быть очень сложной и требует признания многих взаимодействующих признаков заболевания и нормальной физиологии. Это особенно верно для исследований, оценивающих взаимосвязь между анемией и сердечно-сосудистыми осложнениями, которые могут включать различные аспекты, в том числе изменения количества или функции эритроцитов, реологических свойств крови, системной гемодинамики и общей физиологии и патологии сердечно-сосудистой системы.
Эритроциты и окислительно - восстановительный баланс
Основная функция эритроцитов заключается в транспортировке кислорода из легких в ткани, где он используется в качестве источника электронов и синтеза АТФ в митохондриях. Кроме того, эритроциты транспортируют углекислый газ (CO 2 ), который образуется в результате катаболических процессов в тканях, от периферии к легким, чтобы затем выйти с выдохом. CO 2 может транспортироваться в эритроцитах Hb посредством реакции аминогрупп цепей Hb и образования карбаминогемоглобина. Однако большая часть CO 2 в циркуляции транспортируется в виде бикарбонат-ионов (HCO 3 - ) при катализируемой карбоновой ангидразой реакции CO 2 с H 2 O, за которой следует H 2 CO 3 депротонирование в воде. Эти функции тесно связаны друг с другом: аффинность связывания O 2 с железистым гемом (Fe 2+ ) Hb регулируется парциальным давлением кислорода (pO 2 ), кислотно-щелочным равновесием (pH) и уровнями 2, 3-ДФГ; с другой стороны, транспорт СО 2 зависит от активности карбоангидразы и непосредственно участвует в контроле рН и буферной способности эритроцитов. Если железо- гем (Fe 2+ ), содержащееся в протезной группе Hb, окисляется до трехвалентного железа (Fe 3+) для образования метгемоглобина (metHb) сродство белка к кислороду резко снижается. Чтобы сохранить свою функциональность, Hb (который также является наиболее распространенным цитоплазматическим белком в эритроцитах) должен поддерживаться в восстановленном состоянии. Три основные проблемы здесь следующие: во-первых, эритроциты содержат многочисленные источники окислителей (включая высокие уровни молекулярного O 2, связанного с Hb); во-вторых, эритроциты несут высокие уровни железа в протезной группе Hb , которая в своей свободно растворимой форме является мощным катализатором производства АФК по реакции Фентона; и в-третьих, эритроциты обладают ограниченной способностью восстанавливать поврежденные элементы из-за потери экспрессии белка во время эритропоэтического созревания.
Каждые 24 часа 3% Hb подвергается автоокислению с образованием аниона metHb и супероксидного радикала . Учитывая обилие Hb в эритроцитах ( что соответствует 10 м М гема), реакция автоокислении Hb , следовательно , является наиболее распространенным источником АФК в эритроцитах. Однако только 1% Hb присутствует в состоянии metHb (Fe 3+ ). Hb-Fe 3+ может быть восстановлен до Hb-Fe 2+ в реакции, катализируемой цитохром-b5-редуктазой с использованием NADH в качестве донора электронов. Мутация гена для редуктазы цитохрома b5 вызывает цианоз и серьезные неврологические проблемы из-за нарушения миелинизации нейронов и увеличения смертности в детском возрасте.
Другим источником окислителей является свободное железо (Fe 3+ ), которое может диссоциировать от metHb. В присутствии свободного железа известной протекающей реакцией является реакция Хабера – Вейсса , которая включает реакцию Фентона с образованием гидроксильных радикалов. Присутствие ферритина в эритроцитах способствует удалению свободного железа и, следовательно, ограничивает возникновение реакции Хабера-Вейса в эритроцитах ( Kuhn,V., et.al, 2017). Другим важным окислительным путем является реакция между H 2 O 2 и железом и железом Hb, приводящая к разложению гема и выделению свободного железа. Эти реакции приводят к образованию сильных окисляющих частиц ferrylHb, а также вторичных радикалов в результате реакции между H 2 O 2 и oxyHb или metHb. Предполагается, что этот путь также важен для лечения гемолитического повреждения. Наряду с аутоокислением , другим важным окислительным путем является реакция между H 2 O 2и железо, и железо Hb, что приводит к разложению гема и высвобождению свободного железа. Важно отметить, что антиоксидантные системы, в изобилии присутствующие в эритроцитах, включая Prx и GPx, а также metHb, также являются мощными акцепторами пероксинитрита.
Антиоксидантные системы
Антиоксидантные системы эритроцитов основаны как на ферментативных, так и на неферментативных механизмах. Эритроциты содержат (I) высокие концентрации молекул антиоксидантов, включая глутатион (GSH) и витамины, такие как аскорбиновая кислота (витамин C) и α-токоферол (витамин E), (II) источники редуцированных эквивалентов, такие как NADH и NADPH, и ( III) антиоксидантные ферменты, включая SOD1, Cat, GPx и систему тиоредоксина (Trx), как подробно описано ниже. Антиоксидантные системы в эритроцитах вносят значительный вклад в поддержание очень низкого уровня содержания окислителей (включая O 2 • - , H 2 O 2 и другие химически активные вещества. Молекулами антиоксидантов, богатыми эритроцитами, являются окислительно-восстановительная пара GSH / GSSG, аскорбат и альфа-токоферол. GSH представляет собой трипептид, состоящий из L-глутамина, L-цистеина и L-глицина, синтезированных γ-глутамин-цистеинлигазой и глутатион-синтазой. В эритроцитах здорового человека 90–95% глутатиона присутствует в восстановленной форме GSH, которая может быть использована для восстановления аскорбата, окисленных белков и окисленных липидов. Ферментами, использующими GSH в качестве восстанавливающего эквивалента, являются глутаредоксин (GRx) и GPx. Фермент, ответственный за рециркуляцию GSH, представляет собой глутатионредуктазу, которая восстанавливает глутатион дисульфид (GSSG) обратно в уменьшенный GSH посредством потребления NADPH .
Было показано, что гемолиз в кровообращении оказывает глубокое патологическое воздействие, особенно на сердечно-сосудистую систему. Последствия гемолиза особенно очевидны при гемолитической анемии, где хрупкость эритроцитов в основном обусловлена окислительно-восстановительным дисбалансом или гемоглобинопатиями, например, серповидно-клеточной анемией (SCD). Основным последствием разрыва эритроцитов является высвобождение внутриклеточного содержимого, в частности Hb и аргиназы 1. Потеря компартментализации Hb может привести к системной очистке от NO и может повлиять на функцию эндотелия.
Оксигенация тканей и вывоз СО 2 являются основными целями системы кровообращения. Чтобы выполнить эту роль, кровообращение строго контролируется сердечно-сосудистой системой ( т.е.посредством модуляции сердечной функции и тонуса сосудов), а также биофизическими свойствами самой крови. Будучи основным клеточным компонентом крови, эритроциты играют центральную роль в определении биофизики реологии крови, а также эффективности перфузии тканей и газообмена. В этом разделе мы суммируем (i) внутренние биофизические характеристики эритроцитов, которые определяют их механические свойства и их способность к деформации, такие как геометрия эритроцитов, внутриклеточная вязкость и гибкость цитоплазматического белка; (ii) как эти свойства значительно способствуют реологическим характеристикам крови, таким как вязкость крови; и (iii) что известно о биохимических путях, регулирующих механические свойства эритроцитов.
Нормальные эритроциты имеют несколько возможных режимов изменения своей формы. При высоких скоростях сдвига наблюдается удлинение главной оси эллипсоида. Это классическое определение деформируемости клеток и измеряется с помощью эктацитометрии. Другими способами движения в ответ на изменения потока являются также сквозное кувыркание и периодическое колебание, которые не являются изменениями формы для отдельного эритроцита, но могут влиять на общие условия потока и вязкость цельной крови.
Характеристики эритроцитов, позволяющие им подвергаться необходимым деформациям, включают в себя (i) общую геометрию клетки, характеризующуюся дискоидной пончиковидной формой, увеличивающей гибкость ячейки и создающей высокое отношение площади поверхности к объему ячейки для эффективного газообмена; (ii) цитоплазматическая вязкость, определяемая внутриклеточными концентрациями Hb и ионного / H 2 O, определяющими внутреннюю устойчивость клетки к внешним воздействиям; и (iii) гибкость мембраны / цитоскелета и механические свойства.
Ранние работы по гидродинамике эритроцитов определили, что форма деформации сильно зависит как от внутренней вязкости клетки, так и от вязкости мембраны. Соотношение цитоплазматической и внешней вязкости (часто называемое лямбда, λ) определяет режим деформации с большей деформацией при более низких значениях λ.
Текучесть мембран была связана с деформируемостью эритроцитов. Повышенное соотношение холестерина и фосфолипидов в мембранах эритроцитов коррелирует с уменьшением деформируемости эритроцитов. Нарушение нормального липидного состава наружной оболочки мембранного бислоя эритроцитов наблюдается у пациентов с диабетом и предположительно способствует нарушению деформируемости и последующим нарушениям кровотока. Таким образом, цитоплазматическая и мембранная вязкость эритроцитов может влиять на системный поток эритроцитов через физические показатели клеточной деформируемости. Собственная способность эритроцитов изменять свою форму в основном определяется их гибкостью, а также стабильностью цитоскелета, прикрепленного к внутренней мембране. В эритроцитах цитоскелетные белки (в основном спектрин, актин, полоса 3 и анкирин) образуют псевдогексагональную структуру. Эта структура создает динамический каркас, который поддерживает целостные мембранные белки и способствует целостности клеток при постоянном стрессе. Гибкость мембраны эритроцитов зависит от взаимодействия белков цитоскелета, спектрина и актина, а также от внутренней пластичности молекулы спектрина, которая обусловлена его специфической макромолекулярной структурой. Гибкость эритроцитов также обеспечивается переменной олигомеризацией молекул спектрина в условиях напряжения сдвига и плавления вторичной структуры спектрина, что позволяет использовать широкий диапазон длин цитоскелета эритроцитов . Кроме того, спектрин обеспечивает стабильность при различных усилиях сдвига путем сшивания актина с другими мембранными белками RBC.
С биофизической точки зрения кровь можно рассматривать как суспензию гибких и эластичных частиц (клеток крови) в вязкой жидкости (плазме). Эритроциты являются основным клеточным компонентом этой клеточной суспензии и занимают 40–45% объемного процента (определяемого как гематокрит) у женщин и мужчин, соответственно. Используя допущения о ламинарном потоке, которые не полностью учитывают свойства крови, вязкость плазмы ( η ) можно рассматривать как постоянную, то есть реологические свойства плазмы подчиняются закону Ньютона.
Существуют различные формы анемии, которые в основном классифицируются по изменениям морфологии эритроцитов, концентрации Hb и этиопатологии.
Существует несколько способов классификации анемических состояний, из которых наиболее распространенными являются морфология / размер циркулирующих эритроцитов ( т.е. нормоцитарная, макроцитарная и микроцитарная анемия), концентрация Hb в эритроцитах ( т.е. нормохромная, гипохромная, гиперхромная) или по этиопатологии, то есть из-за (I) дефектов эритропоэза; (II) повышенный гемолиз или поглощение эритроцитов ретикулоэндотелиальной системой селезенки; (III) кровотечение; или (IV) нарушение распределения клеток. Эритропоэз может быть нарушен из-за недостатка субстратов, необходимых для синтеза Hb ( например , железа) или для деления клеток ( например , витамина В12 или фолиевой кислоты), отсутствия эритропоэтина (ЭПО) для стимуляции эритропоэза или из-за костного мозга нарушения / аплазия. Кроме того, снижение количества циркулирующих эритроцитов может быть связано с повышенным гемолизом или истощением эритроцитов.
Нарушение внутренних гомеостатических механизмов в эритроцитах может привести к анемическим состояниям как у людей, так и у мышей. Ряд различных состояний анемии обусловлен дисфункцией эритроцитов, вызванной генетическими дефектами, которые наблюдаются как у людей, так и у трансгенных мышей. К ним относятся (I) гемоглобинопатии, такие как SCD и талассемия, которые являются хорошо описанными генетическими дефектами человека; (II) дефекты белков цитоскелета, в основном описанные у трансгенных мышей; и (III) окислительно-восстановительная дисрегуляция, связанная с генетическими дефектами, приводящими к увеличению выработки окислителей и / или снижению антиоксидантной способности, что в конечном итоге приводит к гемолитической анемии. Примерами генетических дефектов, вызывающих окислительно-восстановительную дисрегуляцию и гемолитическую анемию, являются генетический дефицит G6PDH (хорошо охарактеризованное заболевание человека) и генетический дефицит антиоксидантных ферментов, включая SOD1 и 2, Prx1 и 2 и ядерный фактор E2, связанный с фактором 2 (Nrf2, транскрипционный фактор, контролирующий экспрессию множества антиоксидантных и детоксифицирующих ферментов). Кроме того, недостаток селенопротеинов (например , GPx или Trx редуктаза) путем удаления тРНК [Sec] (Trsp), необходимой для утилизации селеноцистеина, может привести к снижению окислительно-восстановительной способности .
Существуют убедительные доказательства того, что пожилые пациенты - в возрасте 65 лет и старше - имеют на 10% более высокий риск развития анемии, который увеличивается до 20% у лиц в возрасте 85 лет и старше .
Введение EPO или ESA - это общий терапевтический подход, применяемый для стимуляции и поддержки эритропоэза, особенно у пациентов с анемией, связанной с терминальной стадией почечной недостаточности, пациентов с немиелоидным раком, получающих химиотерапию, пациентов с ВИЧ, получавших зидовудин или пациенты, перенесшие плановую несердечную не сосудистую операцию, чтобы уменьшить потребность в аллогенных переливаниях крови. Однако этот терапевтический подход имеет свои ограничения. По оценкам, 10% пациентов имеют неадекватные ответы на EPO или ESA. ЭПО-терапия может быть эффективной только в том случае, если чувствительность к ЭПО в костном мозге все еще не повреждена, ЭПО не выводится из кровообращения ( черезопосредованный рецептором эндоцитоз с последующей деградацией в лизосомах), или если EPO может достичь своего рецептора в костном мозге и могут ли рецепторы и сигнальные пути вниз по течению могут быть активированы. Кроме того, отрицательная корреляция между уровнями Hb и маркерами воспаления была обнаружена у плохих респондеров EPO, что указывает на то, что тяжесть анемии коррелирует с состоянием воспаления.
Важно учитывать, что рецепторы ЭПО обнаружены не только в эритроидных клетках, но и в клетках других типов, включая кардиомиоциты, сосудистые клетки и зрелые эритроциты. Фактически было показано, что ЭПО оказывает нецелевое воздействие, особенно на сердце и сосуды. Действительно, было показано, что введение ЭПО пациентам с нормоволемической анемией повышает системное сосудистое сопротивление и артериальное давление, а также снижает сердечный выброс из-за снижения частоты сердечных сокращений и венозного возврата. Острые гемодинамические реакции при введении ЭПО могут приводить к нарушению перфузии / снабжения кислородом тканей и способствовать острым неблагоприятным явлениям, таким как усиление агрегации PLT, тромбоэмболия и ишемия миокарда.
Литература
Kuhn V., et.al., , Red Blood Cell Function and Dysfunction: Redox Regulation, Nitric Oxide Metabolism, Anemia. Antioxid Redox Signal. 2017 May 1; 26(13): 718–742.
Добавить комментарий