В настоящее время роль повышенного образования свободных радикалов (СР) установлена в патогенезе более чем 100 заболеваний и патологических состояний, большинство из которых возникают при неблагоприятном воздействии факторов внешней среды или связаны с процессом естественного старения организма [7].
Развитие многих глазных заболеваний: возрастной макулярной дегенерации (ВМД), глаукомы, катаракты, псевдоэксфолиативного синдрома, диабетической ретинопатии, увеитов, ишемического поражения зрительного нерва, гемофтальма также связывают с активацией процессов свободнорадикального окисления (СРО) [1, 10, 12, 16].
Характерным признаком веществ, относящихся к классу СР, является наличие на их внешней орбите атома или молекулы свободного неспаренного электрона, который обусловливает выраженную тенденцию вступать в химическую реакцию с целью достижения стабильности. В условиях живого организма большое значение имеет способность СР взаимодействовать с молекулами клеточных мембран и разрушать их путем развития цепных реакций СРО [5].
СР участвуют в ключевых моментах трансмиссии сигналов внутри и вне клетки, а также влияют на важнейшие внутриклеточные процессы, включая фосфорилирование белков, передачу генетической информации, активацию факторов транскрипции ДНК и клеточной пролиферации. Доказана неоднозначная роль СР в регуляции сосудистого тонуса, направленном действии фагоцитов против чужеродных агентов [36]. При повышенном накоплении СР активируется синтез некоторых факторов роста, металлопротеинов и простагландинов [22]. В настоящее время подробно изучены образование и биологические свойства основных СР: супероксидного радикала (супероксид анион-радикал, диоксид), гидроксильного радикала, синглетного кислорода и перекиси водорода. Установлено, что в норме до 5 % от всего потребляемого организмом кислорода превращается в супероксидные радикалы [35].
В настоящее время установлено, что некоторые продукты естественного метаболизма, в частности, оксид азота (NO), могут проявлять свойства как про-, так и антиоксидантов [31]. Оксид азота является свободным радикалом, образующимся в результате преобразования гуанидиновой группы L-аргинина под действием фермента NO-синтазы. В присутствии супероксидного радикала NO превращается в пероксинитрит (ONOO-), который обладает выраженными окислительными свойствами [44]. Способность оксида азота отдавать неспаренный электрон и участвовать в реакциях восстановления обусло в реакции хелатного соединения со СР [27]. Усиленная продукция оксида азота наблюдается при избыточном накоплении в тканях глутамата, а также при нарушениях распада глутамата, например, при тканевой ишемии. Исследованиями установлено повышение уровней глутамата, аргинина и цитруллина в стекловидном теле (СТ) при пролиферативной диабетической ретинопатии (ПДР) и регматогенной отслойке сетчатки [26].
Источником эндогенного оксида азота в глазном яблоке являются роговица, конъюнктива, эпителий хрусталика, эндотелий сосудов цилиарного тела и сетчатки [20]. Оксид азота играет большую роль в сетчатке как в нормальных, так и в патологических условиях. Доказано, что в сетчатке оксид азота является мощным антиоксидантом за счет стабилизации клеточных мембран астроцитов и митохондрий, обладает сосудорасширяющими, антиагрегационными, антитромбогенными свойствами, а также влияет на иммунитет, повышая активность макрофагов и нейтрофилов, обладает антимикробной, противоопухолевой активностью и улучшает проводимость нервных импульсов [41]. При избытке NO оказывает повреждающее действие на ганглиозные клетки, а также нарушает процессы фагоцитоза наружных сегментов фоторецепторов клетками ретинального пигментного эпителия [24].
Экспериментально доказано, что резкие изменения концентрации некоторых ионов (железа, меди, кальция) и сдвиги рН среды могут оказывать значительный катализирующий эффект на процессы СРО [45].
В живом организме процессы СРО адекватно регулируются системой антиоксидантной защиты, которая функционирует на уровне молекул, клеток, тканей, органов и организма в целом, поддерживая равновесие гомеостаза [5, 7].
Антиоксиданты (антиокислители) – это ингибиторы окисления, природные или синтетические вещества, способные замедлять процессы окисления органических соединений [11].
В систему антиоксидантной защиты аэробного организма входят как ферментативные, так и неферментативные антиоксиданты [7].
К числу наиболее распространенных ферментативных антиоксидантов относятся: супероксиддисмутаза (СОД), каталаза, глутатионпероксидазы (ГПО) и трансферазы [38].
Супероксиддисмутаза (СОД) относится к металлопротеинам, катализирует превращение высокоактивного супероксидного радикала в менее активную перекись водорода. Выделяют три разновидности фермента в зависимости от содержания ионов железа, меди, цинка или магния. СОД является одним из самых активных ферментов, содержащихся в тканях глаза, и определяется в максимальных концентрациях в эпителии и эндотелии роговицы, эндотелии радужки, эпителии цилиарного тела и хрусталика, пигментном эпителии и внутренних слоях сетчатки [39].
Каталаза является гемопротеином, участвует в расщеплении перекиси водорода на воду и молекулярный кислород, а также в процессах тканевого дыхания, окисления и восстановления гемоглобина, заживления поверхностных дефектов роговицы. По данным иммуногистохимических методов, максимальная активность каталазы (в 6 раз выше средней) определяется в ретинальном пигментном эпителии [33].
ГПО восстанавливает перекись путем переноса водорода от глутатиона, при этом глутатион окисляется, превращаясь в глутатиондисульфид. Система глутатиона, включая ГПО, также является одним из основных факторов антиоксидантной защиты как в естественных условиях, так и при повышенном образовании СР [40]. ГПО локализуется преимущественно в эпителии и эндотелии роговицы, хориоидее, внутреннем сегменте фоторецепторного слоя и ретинальном пигментном эпителии [30].
Таким образом, ферментативные антиоксиданты проявляют наибольшую активность в тех структурах глаза, которые подвергаются интенсивному воздействию кислорода в обычных условиях [21].
К числу неферментативных антиокислительных систем организма относятся витамины (Е, С, А, К, РР, В6), флавоноиды, каротиноиды, убихинон, SH-содержащие соединения, хелаторы ионов переменной валентности, а также некоторые гормоны [7].
Витамин Е является комплексом различных (α, β, γ, δ) токоферолов, из которых наибольшей антиокислительной активностью обладает α-токоферол. Витамин С – активный синергист витамина Е. Доказано, что при усилении процессов СРО в первую очередь снижается концентрация витамина С, а затем витамина Е [5, 7].
Исследования, проведенные в течение последних десятилетий, показали ведущую роль изменений СТ в патогенезе многих заболеваний сетчатки. Большое количество работ, посвященных хирургической анатомии витреального пространства и биохимии СТ, в настоящее время предоставили возможность более глубокого понимания тонких механизмов витреоретинальных расстройств и привели к значительному улучшению качества диагностики и терапии, а также открыли новую эру в истории витреоретинальной хирургии [37].
Еще в 80-х гг. прошлого века Н. Hofmann и О. Schmut [28] изучили возможность деполимеризации гиалуроновой кислоты СТ крупного рогатого скота под действием супероксид-радикалов. Методом вискозиметрии было установлено, что под воздействием супероксидных радикалов, генерируемых в системе ксантин/гипоксантин, наблюдается распад гиалуроновой кислоты, который подавлялся при добавлении СОД, каталазы и пероксидазы. В то же время на модели деполимеризации гиалуроновой кислоты в окислительно-восстановительной системе с участием аскорбата или ионов железа была показана положительная роль каталазы и пероксидазы, в то время как СОД не показала достоверного эффекта.
В настоящее время активно изучается роль различных микроэлементов при патологии СТ и сетчатки. Так, полагают, что ионы Fe и Cu легко вступают в реакции окисления-восстановления и являются индукторами окислительного стресса, а также принимают участие в процессах избыточного гликирования. Цинк, входящий в состав одного из основных ферментов антиоксидантной защиты – СОД, противодействует развитию СРО. Установлено, что болезнь Илза характеризуется повышением уровня железа и снижением уровня цинка в СТ, что подтверждает важную роль СРО в патогенезе данного заболевания. При ПДР и внутриглазном инородном теле в витреальной ткани отмечается увеличение концентрации железа. Концентрация меди при различных витреоретинальных заболеваниях (ПДР, макулярный отек, болезнь Илза, внутриглазное инородное тело и др.) не изменяется [32].
In vivo был исследован эффект добавления Fe2+ и Cu2+ на интактное СТ теленка в присутствии или в отсутствии экзогенной аскорбиновой кислоты. Разжижение стекловидного тела наблюдалось при добавлении любого из ионов. Нарушение нормальной структуры геля в большей степени отмечалось в присутствии экзогенной аскорбиновой кислоты, чем при ее отсутствии. Как показали результаты высокоэффективной жидкостной хроматографии, разжижение СТ сопровождается деполимеризацией гиалуроновой кислоты, которая разлагается под влиянием гидроксильных радикалов. Гидроксильные радикалы генерируются в окислительно-восстановительной системе, катализируемой ионами металлов, и оказывают максимальное цитотоксическое действие при активации процессов СРО. Роль гидроксильных радикалов в процессе возрастной инволюции СТ также наглядно подтверждает значительное снижение концентрации специфического хелатора ОН-ионов – маннита, наблюдаемое при разжижении СТ [25].
В силу своего анатомического положения сетчатка постоянно подвергается сочетанному воздействию света и кислорода, что создает идеальные условия для синтеза СР. Ретинальная ткань содержит в большом количестве полиненасыщенные жирные кислоты, которые максимально подвержены окислению. Кроме того, сетчатка, как производное нервной ткани, особенно чувствительна к развитию гипоксических состояний, связанных с локальными нарушениями кровотока. Все вышеперечисленное предопределяет повышенную чувствительность сетчатки к СР и продуктам развития окислительного стресса [23].
В настоящее время развитие макулярной дегенерации расценивают как результат сочетанного взаимодействия 2 факторов – активации процессов СРО и местных изменений гемодинамики [146]. Среди пусковых механизмов развития дегенеративных изменений особое значение придают нарушению функционирования системы естественных антиоксидантов. Воздействие СР на клеточную мембрану приводит к изменению распределения фосфолипидов и жирных кислот, нарушению транспорта липидов к клеткам и метаболизма арахидоновой кислоты, что вызывает нарушения структурно-функционального состояния мембран. Это, в свою очередь, определяет повышение проницаемости мембраны Бруха и усиление синтеза вазоконстрикторов. Развивается ангиоспазм и гипоксия, усиливающие процессы СРО [29].
Многочисленными исследованиями доказана определяющая роль пигментного эпителия в протекции сетчатки от развития окислительного стресса [9]. Целостность пигментного эпителия имеет большое значение в сохранении высокой остроты зрения, поскольку он осуществляет барьерную и транспортную функции, абсорбцию световой энергии, фагоцитоз наружных сегментов фоторецепторов, метаболизм витамина А [9,33]. Исследование пациентов различных возрастных групп показало, что активность СОД в пигментном эпителии при старении организма практически не изменяется, а активность каталазы снижается весьма значительно и коррелирует с развитием дегенеративных изменений сетчатки при ВМД [33].
Диабетическая ретинопатия остается одной из ведущих причин невозвратимой утраты зрительных функций, в том числе и в результате развития различной витреоретинальной патологии. Усиление СРО при сахарном диабете прежде всего обусловлено общими нарушениями гомеостаза: увеличением содержания в крови всех фракций липидов, нарушением реологических свойств крови, белкового и ионного обмена, заметным угнетением активности ферментных систем, повышением уровня свободной глюкозы. Избыточная продукция СР при сахарном диабете изменяет проницаемость капилляров и строму базальной пластинки, что приводит к развитию диабетической ретинопатии [42]. В ряде исследований показано, что применение при сахарном диабете антиоксидантных препаратов (витаминов Е, С) улучшает состояние эпителия роговицы и конъюнктивы, повышает остроту зрения и нормализует функциональные показатели сетчатки [3].
При окклюзии центральной вены сетчатки (ЦВС) увеличение интенсивности СРО является пусковым механизмом развития витреоретинальной пролиферации и изменений системы гемостаза посредством активации синтеза индукторов агрегации эндоперекисей, простагландинов и тромбоксана. Отмечают взаимосвязь усиления СРО и развития неоваскуляризации, а также наличия сопутствующей патологии почек и сахарного диабета [8].
В случае развития ретинопатии недоношенных повышенное образование СР начинается уже в момент послеродового перехода новорожденного от относительной гипоксии внутриутробной среды к состоянию гипероксии. При этом на фоне недоразвития систем антиоксидантной защиты происходит повышенное разрушение клеточных мембран и веретенообразных клеток сетчатки. Гипероксия приводит к развитию спазма сосудов, который в свою очередь еще больше активирует СРО. В ретинальной ткани в результате ишемизации происходит разрастание соединительной ткани, наблюдается запустевание сосудов. Несмотря на то, что роль активации СРО в развитии ретинопатии недоношенных доказана в ряде исследований, и у детей в сыворотке крови достоверно выявлен дефицит витамина Е, дополнительный прием витамина Е у недоношенных не привел к значимым клиническим эффектам [17].
В настоящее время возникновение изменений в СТ при внутриглазном кровоизлиянии оценивается с позиций общебиологической реакции организма в ответ на травму, которая приводит к активации трех основных звеньев развития патологического процесса: СРО, локального гемостаза и иммунной системы организма [18].
По данным отечественных авторов, усиление интенсивности СРО и выработки СР при внутриглазном кровоизлиянии определяются объемом излившейся крови и ее локализацией, реактивностью организма, наличием общесоматической патологии, возрастом пациента и видом применяемой терапии [14, 18].
При выходе кровяного сгустка в витреальную полость происходит активация процессов СРО по типу цепных реакций с самоускорением, в результате которых в большом количестве образуются СР, повреждающие клеточные мембраны. Повреждение мембран эритроцитов приводит к их разрушению, распаду гемоглобина и накоплению ионов железа. В витреальном содержимом в высоких концентрациях присутствует перекись водорода, которая является естественным метаболитом клеток лейкоцитарного ряда (макрофагов, нейтрофилов), мигрирующих к патологическому очагу. При взаимодействии ионов железа с перекисью водорода образуются СР, в частности, гидроксильный, который еще больше ускоряет процессы СРО и оказывает повреждающее действие на окружающие ткани, особенно на сетчатку [4].
После кровоизлияния в витреальную полость развитие СРО происходит сначала в местах скоплениях крови, после чего активные формы кислорода приводят к усилению образования СР во всем СТ. При преретинальном расположении крови отмечается наиболее быстрое накопление СР [4].
Процесс распада излившейся крови сопровождается резким увеличением потребления кислорода и усугублением гипоксии. Развитие метаболического ацидоза и гипоксии приводит к уменьшению количества бикарбоната и изменению нормальной буферной системы СТ. Под влиянием нарушения состава среды в СТ происходит изменение структуры протеинов, активируется переход фибрина-мономера в фибрин-полимер, происходит разрастание соединительной ткани, развивается фиброз [18, 19].
При возникновении внутриглазного кровоизлияния усиление процессов СРО наблюдается не только в СТ, но и в сетчатке, особенно в рецепторном слое и пигментном эпителии. Отсутствие прямого контакта СТ с сетчаткой приводит к изоляции антиоксидантной системы СТ от сетчатки, и ускоренному ее повреждению [15]. В развитии процессов окислительного стресса на уровне сетчатки ведущее значение придают реакции превращения гемоглобина в метгемоглобин. Метгемоглобин способен активировать СРО с разрушением клеточных мембран сетчатки как непосредственно, так и путем высвобождения ионов железа [34].
В исходе внутриглазного кровоизлияния последовательно развиваются два типа помутнений. Ранний вид образуется на 7–10 день и состоит в основном из фибрина, эритроцитов и макрофагов, при этом хорошо поддается консервативной терапии. Поздний тип помутнений формируется в среднем через 1 месяц, состоит из фибробластов и волокон коллагена, консервативная терапия при этом неэффективна [12, 13].
Болезнь Илза – заболевание, характеризующееся развитием рецидивирующих кровоизлияний в СТ, которое вызывается кровотечением из патологически измененных сосудов сетчатки. Многие авторы связывают болезнь Илза с туберкулезным процессом, эндокринными расстройствами, вирусными инфекциями, токсоплазмозом. В исследовании Sulochana KN. с соавт. [43] сравнивались биохимические показатели СТ (ТБК-активные продукты, глутатион, СОД, ГПО), полученные при проведении витрэктомии у пациентов с болезнью Илза, и при сахарном диабете. При болезни Илза наблюдалось повышение ТБК-активных продуктов в 6 раз по сравнению с диабетическим гемофтальмом на фоне снижения активности СОД на 95,9 % и ГПО на 84,2 %. Достоверная разница в биохимических показателях объяснялась авторами сочетанием процессов воспаления, повреждения и неоваскуляризации сетчатки у пациентов с болезнью Илза и обосновывало дополнительное проведение антиоксидантной терапии, в частности, витамином Е и С [43].
В работах О.Н. Воскресенского [2] и А.И. Журавлева [6] были определены основные критерии заболеваний, связанных с активацией СРО: повышенное содержание в тканях и биологических жидкостях СР и продуктов СРО; снижение содержания естественных антиоксидантов; наличие характерных клинических признаков – преобладание дистрофических процессов над регенеративными, снижение скорости роста и преждевременное старение, сниженная гемолитическая устойчивость эритроцитов; возможность моделирования патологии в эксперименте под воздействием СР, выраженный лечебный и профилактический эффект применения препаратов антиоксидантного действия [2, 6].
Наличие одного или нескольких из перечисленных критериев характерно практически для всех основных видов витреоретинальной патологии. Однако невозможность в чистом виде исследовать патологический процесс, поскольку отсутствуют прямые способы регистрации СР, создает для подобной классификации нозологий определенные трудности. Усиление деструктивных процессов в результате развития окислительного стресса может явиться патогенетическим фактором заболевания, но не обязательно лежит в основе его возникновения. Вместе с тем общность патологических проявлений окислительного стресса при различных болезнях может быть причиной их сочетания: например, диабет часто сопровождается атеросклеротическим поражением сосудов. Из этого следует, что при разных заболеваниях требуется проведение единой антиоксидантной терапии, направленной против деструктивных явлений активации СРО.
Рецензенты:
Янченко С.В., д.м.н., доцент кафедры глазных болезней, ГБОУ ВПО КубГМУ Минздрава России, г. Краснодар;
Туманова А.Л., д.м.н., профессор, академик РАЕ, профессор кафедры «Физиология», Сочинский институт (филиал) Фгбоу впо «Российский университет дружбы народов», г. Сочи.
Работа поступила в редакцию 31.05.2013.