Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

РОЛЬ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ В РЕГЕНЕРАЦИИ ЭПИТЕЛИЯ РОГОВИЦЫ

Щулькин А.В. 1 Колесников А.В. 1, 2 Николаев М.Н. 2 Баренина О.И. 1
1 ГБОУ ВПО «Рязанский государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова Минздрава России»
2 ГБУ РО «КБ им. Н.А. Семашко»
В обзоре представлены современные данные о роли свободных радикалов в жизнедеятельности клеток. Описывается их участие в регуляции редокс-статуса и гибели клеток. Регенерация роговичного эпителия – важный процесс, обеспечивающий постоянное обновление верхнего слоя роговицы и тем самым защиту нижележащих тканей. Последние исследования показывают, что важную роль в нем играют низкие концентрации свободных радикалов. При этом само повреждение роговичного эпителия может происходить при чрезмерной продукции свободных радикалов под действием ультрафиолетового излучения и мигрирующих лейкоцитов. На основе данных литературы делается вывод о том, что применение антиоксидантов в комплексной терапии должно быть дифференцированным и зависеть как от стадии патологического процесса, так и от выраженности окислительного стресса.
свободные радикалы
перекисное окисление липидов
пролиферативный процесс
язва роговицы
фоторефракционная кератэктомия
1. Оксидативный стресс в генезе акушерских осложнений / Л.В. Ванько [и др.] – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. – 264 с.
2. Владимиров Ю.А. Свободные радикалы и антиоксиданты // Вестн. РАМН. – 1998. – № 7. – С. 43–51.
3. Свободнорадикальные процессы в биосистемах: учебное пособие / Т.Н. Попова [и др.]. – Воронеж: ИПК «Кириллица», 2008. – 192 с.
4. Antioxidant therapy in the treatment of experimental acute corneal inflammation / J.L. Alio [et al.] // Ophthalmic. Res. – 1995. – Vol. 27(3). – P. 136–143.
5. Alio J.L. Effect of topical antioxidant therapy on experimental infectious keratitis / J.L. Alio et al. // Cornea. – 1995. – Vol. 14(2). – P. 175–179.
6. Amanso A.M. Differential roles of NADPH oxidases in vascular physiology and pathophysiology / A.M. Amanso, K.K. Griendling // Front. Biosc. – 2012. – Vol. 1(4). – P. 1044–1064.
7. Ando E. Inhibition of Corneal Inflammation by an Acylated Superoxide Dismutase Derivative / E. Ando [et al.] // Inves. Ophthal. Visual. Sc. – 1990. – Vol. 31, Is.. 10. – P. 1963–1967.
8. Behndig A. Superoxide dismutase isoenzymes in the normal and diseased human cornea / A. Behndig [et al.] // Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. – 2001. – Vol. 42, № 10. – P. 2293–2296.
9. Brancato R. Prevention of corneal keratocyte apoptosis after argon fluoride excimer laser irradiation with the free radical scavenger ubiquinone Q10 / R. Brancato [et al.] // Eur. J. Ophthalmol. – 2000. – Vol. 10, Is. 1. – P. 32–38.
10. CantoreM. Pirenoxine prevents oxidative effects of argon fluoride excimer laser irradiation in rabbit corneas: biochemical, histological and cytofluorimetric evaluations / M. Cantore [et al.] // Photochem. Photobiol. – 2005. – Vol. 14, Is. 78(1). – P. 35–42.
11. Carubelli R. Role of active oxygen species in corneal ulceration. Effect of hydrogen peroxide generated in situ / R. Carubelli, R.E. Nordquist, J.J. Rowsey // Cornea.– 1990. –Vol. 9, № 2. – P. 161–169.
12. Corbett M.C. Effect of collagenase inhibitors on corneal haze after PRK / M.C. Corbett [et al.] // Exp. Eye Res. – 2001. – Vol. 72, Is. 3. –P. 253–259.
13. Costagliola C. ArF 193 nm excimer laser corneal surgery and photo-oxidation stress in aqueous humor and lens of rabbit: one-month follow-up. / C. Costagliola [et al.] // Curr. Eye Res. – 1996. –Vol. 15(4). – P. 355–361.
14. Ascorbic Acid as a free radical scavenger in porcine and bovine aqueous humor / C. Erb [et al.] // Ophthalmic. Res. – 2004. – Vol. 36 (1). – P. 38–42.
15. Reactive oxygen species (ROS) are essential mediators in epidermal growth factor (EGF)-stimulated corneal epithelial cell proliferation, adhesion, migration, and wound healing / Y. Huo [et al.] // Exp. Eye Res. – 2009. – Vol. 89, Is. 6. –P. 876–886
16. Klyce S.D. Transport processes across the rabbit corneal epithelium: A review / S.D. Klyce, C.E. Crosson // Curr. EyeRes. – 1985. – Vol. 4. – P. 323–331.
17. Loo A.E.K.. Effects of hydrogen peroxide in a keratinocyte-fibroblast co-culture model of wound healing / A.E.K. Loo, B. Halliwell // Biochem. Biophys. Res. Commun. – 2012. – Vol. 423, Is. 2. – P. 253–258
18. The physiological role of reactive oxygen species (ROS) in lens and corneal epithelial cells / M. Lou [et al.] // Act. Ophthalmol. – 2011. – Vol. 89. – P. 248–257.
19. Ma J.J. Mechanisms of corneal ulceration / J.J. Ma, C.H. Dohlman // Ophthalmol. Clin. North. Am. – 2002. – Vol. 15, Is. 1. – P. 27–33.
20. Matsumoto K. Lecithin-bound superoxide dismutase in the prevention of neutrophil-induced damage of corneal tissue / K. Matsumoto [et al.] // Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. – 1998. – Vol. 39, Is. 1. – P. 30–35.
21. Low levels of hydrogen peroxide stimulate corneal epithelial cell adhesion, migration, and wound healing / Q. Pan [et al.] // Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. – 2011. – Vol. 25, Is. 52(3). – P. 1723–1734.
22. Park W.C. Modulation of acute inflammation and keratocyte death by suturing, blood, and amniotic membrane in PRK / W.C. Park, S.C. Tseng // Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. – 2000. –Vol. 41(10). – P. 2906–2914.
23. Oxygen: from the benefits of inducing VEGF expression to managing the risk of hyperbaric stress / V. Patel [et al.] // Antioxid. Redox Signal. – 2005. – Vol. 7. – P. 1377–1387.
24. Piatigorsky J. Enigma of theabundan twater-solublecytoplasmicproteins of the cornea: the «refracton» hypothesis // Cornea. –2001. – Vol. 20. – P. 853–858.
25. Comparison of 18 % ethanol and mechanical debridement for epithelial removal before photorefractive keratectomy / S. Shah [et al.] // Refract. Surg. – 1998. – Vol. 14. – P. 212–214.
26. Protective Effect of Ascorbic Acid Against Corneal Damage by Ultraviolet B Irradiation: A Pilot Study / M.H. Suh [et al.]// Cornea. – 2008 – Vol. 27, Is. 8 – P. 916–922.
27. A randomised, double masked, clinical trial of high dose vitamin A and vitamin E supplementation after photorefractive keratectomy / M. Vetrugno [et al.] // Br. J. Ophthalmol. – 2001. –Vol. 85, Is. 5. –P. 537–539.

Роговица – это верхний слой глаза, состоящий из многослойного плоского эпителия, боуменовой мембраны, стромы, содержащей толстые волокна коллагена, протеогликаны, гликозаминогликаны и кератиноциты, и слоя эндотелиальных клеток. Она выполняет две основные функции: защищает внутренние ткани глазного яблока от воздействия агрессивных факторов внешней среды и участвует в проведении и преломлении света на поверхность сетчатки [24].

Защитная функция роговицы реализуется за счет плотных межклеточных контактов многослойного плоского эпителия и его способности к непрерывному обновлению [16]. Нарушение синхронности пролиферации клеток базального слоя с дифференциацией клеток в супрабазальных слоях многослойного плоского эпителия может приводить к развитию помутнения роговицы и соответственно к снижению остроты зрения [16].

Регенерация эпителия играет важную роль в процессе заживления роговицы при язвах, а также при фоторефракционной кератэктомии (эксимер-лазерная операция коррекции зрения). Данный обзор посвящен роли свободных радикалов в процессах регенерации роговицы при данных состояниях.

Роль свободных радикалов в жизнедеятельности клеток

Свободные радикалы – это молекулы, имеющие на внешней орбитали неспаренный электрон. Так как для устойчивого состояния молекулам на внешних орбиталях необходимы парные электроны, свободные радикалы активно стремятся отнять недостающий электрон у других молекул, что придает им высокую реакционную способность [2, 3].

Взаимодействуя с молекулами белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот, свободные радикалы вызывают их окисление, что приводит к развитию мутаций и повреждению клеток [3]. Поэтому долгое время считалось, что продукция свободных радикалов является нежелательным процессом, участвующим в патогенезе большинства заболеваний.

Однако в последнее время показано, что свободные радикалы, окисляя тиоловые группы сигнальных молекул, могут выполнять и регуляторную роль, участвуя в редокс-регуляции (reduction – «восстановление», oxidation – «окисление»). Важными сигнальными каскадами, активируемыми при окислительном стрессе, являются рецепторы с тирозинкиназной активностью (рецепторы инсулина, инсулиноподобного фактора роста-1, ростовых факторов), митоген-активируемые протеинкиназы (Mitogen-Activated Protein Kinases – MAPK), зависимый от фосфатидилинозит-3-киназы и протеинкиназы В (Akt/PKB-зависимый путь) [1].

Роль свободных радикалов в регенерации эпителия роговицы в опытах invitro

Для изучения влияния свободных радикалов на регенерацию роговицы был проведен ряд исследований in vitro.

Было показано, что окислительный стресс, вызванный повышением концентрации кислорода в культуре клеток, может снижать пролиферацию кератиноцитов, а применение антиоксидантов нормализует данный процесс [23].

С другой стороны, в исследовании на культуре клеток роговичного эпителия выявлено, что Н2О2 в концентрациях 10–50 мкмМ повышает жизнеспособность, адгезию и миграцию клеток с активацией рецептора EGF (эпидермального фактора роста), причем данный процесс подавляется антиоксидантом N-ацетилцистеином (Y845). В то время как Н2О2 в концентрациях 60 и 70 мкмМ снижает их жизнеспособность [18, 21].

В другом исследовании установлено, что низкие концентрации Н2О2, образующиеся после повреждения эпителия роговицы, могут стимулировать его пролиферацию и миграцию и индуцировать фосфорилирование ERK 1/2 через рецептор EGF. p38 MAPK также фосфорилируется после воздействия H2O2, но это существенно не влияет на миграцию клеток [17].

Показано, что EGF (5 нг/мл) индуцирует продукцию свободных радикалов. Данный процесс подавляется N-ацетилцистеином, маннитолом, ингибиторами НАДФН-оксидазы или липоксигеназы. Генерация свободных радикалов, вызванная EGF, коррелирует с клеточным ростом и активацией Акt (протеинкиназы В) и MAPK сигнальным путем [15].

Также выявлено, что кератиноциты более устойчивы к воздействию H2O2 (250 и 500 μM), чем фибробласты. На совместной культуре кератиноцитов и фибробластов показано, что Н2О2 увеличивает реэпителизацию, в то время как антиоксидант N-ацетилцистеин задерживает ее [17].

Роль свободных радикалов в регенерации роговицы при гнойной язве

При бактериальном кератите в роговице можно выделить две основные группы источников свободных радикалов: ультрафиолетовое излучение солнечного света [8] и мигрирующие в роговицу нейтрофилы и макрофаги (в результате функционирования НАДФН2-оксидазного комплекса и миелопероксидазы) [6].

Активные формы кислорода вызывают непосредственное повреждение стромальных гликозаминогликанов с последующим нарушением их свойств[11], что приводит в конечном итоге к разрушению роговицы и язвообразованию [19]. Поэтому в комплексном лечении язвы роговицы патогенетически оправдано применение антиоксидантов. При проведении таких исследований были получены следующие результаты.

При закапывании 0,2 % раствора супероксиддисмутазы (СОД) при кератите, вызванном аппликацией 1 н раствора гидроксида натрия, происходило ускорение заживления повреждения роговицы, что дало возможность авторам сделать вывод о положительном влиянии [4].

Однако использование теми же авторами 0,2 % раствора супероксиддисмутазы при экспериментальной гнойной язве, вызванной Staphylococcus aureus, на фоне снижения выраженности оксилительного стресса, определяемого по хемилюминесценции люминола, приводило к усилению инфильтрации роговицы и существенно не влияло на клиническое течение репаративных процессов [5]

C другой стороны, в исследовании [20] применение препаратов СОД в течение первых 6 дней улучшало у морских свинок течение кератита, вызванного Pseudomonas aeruginosa, предотвращая пенетрацию роговицы и уменьшая повреждение эпителия под воздействием полиморфноядерных лейкоцитов.

Аналогичные результаты получены и в исследовании [7] по применению препаратов СОД и ацетилированной СОД (дольше удерживается на поверхности клеток) при экспериментальном кератите, вызванном липополисахаридом. На фоне введения антиоксидантов происходило снижение воспаления только в течение 6 дней эксперимента, в остальные сроки данный показатель от значений контроля не отличался.

Роль свободных радикалов в регенерации роговицы при фоторефракционной кератэктомии

Фоторефракционная кератэктомия (ФРК) является первой эксимер-лазерной операцией коррекции остроты зрения. Она включает в себя два этапа: первый – удаление эпителия (механическим или химическим путем), второй – воздействие эксимерным лазером (в УФ-спектре) на строму роговицы с формированием новой поверхности [25].

Рядом авторов показано, что эксимер-лазерная абляция роговицы ассоциируется с развитием хирургически вызванного окислительного стресса в тканях роговицы. Это ухудшает течение посттравматической воспалительной реакции и является одной из основных причин развития дисрегенеративных послеоперационных осложнений [14].

Среди причин окислительного стресса основной является продукция свободных радикалов и активных форм кислорода под действием эксимерного лазера. Кроме того, влияние эксимерного лазера ведет к ингибированию глутатион-зависимых ферментов антиоксидантной системы защиты роговицы [13].

В исследовании на кроликах показано, что ФРК сопровождается образованием свободных радикалов и развитием окислительного стресса в поверхностных слоях роговицы, что в свою очередь приводит к повреждению кератоцитов даже в отсутствии воспаления. Механическое выскабливание приводит к апоптозу также без участия воспаления. Гибель кератоцитов по механизму некроза наблюдается в более глубоких слоях роговицы и коррелирует с выраженностью воспаления [22].

В другом исследовании установлено, что сразу после воздействия фтор-аргонового лазера не отмечается достоверного повышения образования супероксидного-анион радикала, диеновых конъюгатов, ТБК-реактивных продуктов и гибели кератоцитов, однако в отсроченном периоде происходит увеличение данных показателей [10].

При использовании антиоксидантов в послеоперационном периоде были получены следующие результаты.

В исследовании на 8 кроликах установлено, что внутривенное введение аскорбиновой кислоты перед УФ-облучением (6,84 ДЖ/см2 306 нм 17 минут в течение 7 дней) уменьшало повреждение эпителиальных клеток, корнеальный хейз и неоваскуляризацию [26].

В двойном слепом рандомизированом исследовании на 40 пациентах показано, что пероральный прием 250000 МЕ ретинола пальмитата и 230 мг альфа токоферола никотината в дополнение к стандартной терапии глюкокортикостероидами в течение 90 дней приводит к ускорению реэпителизации (р = 0,029) [27].

В исследовании на кроликах установлено, что при ФРК (–6,00 ОД 5 мм) отмечается тенденция к улучшению заживления раны при применении цистеина и тенденция к ухудшению при использовании ЭДТА [12].

В исследовании на культурируемых кератоцитах кролика изучено влияние эксимерного лазерного излучения (12 и 45 мДж/см2) на развитие апоптоза. Показано, что данное излучение вызывает дозозависимую индукцию апоптоза, а предварительная обработка кератоцитов убихиноном Q10 значительно его уменьшает. При этом отмечается снижение концентрации конечного продукта пероксидации – малонового диальдегида [9].

Заключение

Согласно современным представлениям, продукция свободных радикалов может оказывать двоякую роль в жизнедеятельности клеток. Их умеренное образование играет регуляторную роль, модулируя редокс-статус клеток, а повышенная продукция приводит к повреждению белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот, развитию окислительного стресса и, в конечном итоге, к гибели клетки по апоптотическому или некротическому механизмам.

Регенерация роговичного эпителия – важный процесс, обеспечивающий постоянное обновление верхнего слоя роговицы и тем самым защиту нижележащих тканей. Последние исследования показывают, что важную роль в нем играют низкие концентрации свободных радикалов. При этом повреждение роговичного эпителия может происходить при чрезмерной продукции свободных радикалов под действием ультрафиолетового излучения и мигрирующих лейкоцитов. Бесконтрольное применение антиоксидантов при повреждении эпителия роговицы далеко не всегда оказывается полезным, а зачастую даже замедляет процесс регенерации.

Таким образом, исходя из двойственной роли свободных радикалов в физиологии клеток и эпителия роговицы в частности, применение антиоксидантов в комплексной терапии должно быть дифференцированным и зависеть как от стадии патологического процесса, так и от выраженности окислительного стресса.

Работа поддержана грантом президента РФ № МК-4993.2012.7.

Рецензенты:

Боринский Ю.Н., д.м.н., профессор кафедры химии и биохимии, ГБОУ ВПО «Тверская ГМА» Минздрава России, г. Тверь;

Кунин В.Д., д.м.н., профессор, зав. глаукомным кабинетом поликлинического отделения, ГБУ РО «КБ им. Н.А. Семашко», г. Рязань.

Работа поступила в редакцию 07.06.2013.


Библиографическая ссылка

Щулькин А.В., Колесников А.В., Колесников А.В., Николаев М.Н., Баренина О.И. РОЛЬ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ В РЕГЕНЕРАЦИИ ЭПИТЕЛИЯ РОГОВИЦЫ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 7-2. – С. 451-455;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31859 (дата обращения: 27.11.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074