Таким образом, апоптоз является гибелью клетки, включающей в себя генетическую или опосредованную программу, не зависящую от природы пускового сигнала. Другими словами, апоптозу присуща экспрессия генов de novo, а пусковые сигналы сами по себе не являются летальными для клетки.
Апоптоз привлек к себе внимание кардиологов как потенциальный патогенетический фактор при различных сердечно-сосудистых заболеваниях. Морфологические признаки апоптоза обнаружены как в сосудах, так и в самом миокарде в ответ на воздействие гипоксии, окислительного стресса, реперфузии при ишемии миокарда, постинфарктных изменениях и при развитии сердечной недостаточности.
Таблица 1. Перечень основных индукторов (активаторов) апоптоза
Физиологический активаторИндукторы, связанные с повреждением клеткиПрепарат
1. Семейство TNF: (FAS-лиганд, TNFa)1. Белки теплового шокаЦисплатина
2. Нейротрансмиттеры2. ВирусыДоксирубицин
3. Удаление ростовых факторов3. Онкогены: (c-myc, rel)Блеомицин
4. Ca2+4. Супрессор опухолей p53Цитозин арабинозид
5. Глюкокортикостероиды5. Цитотоксические Т-лимфоцитыАзотистый иприт
6. NO6. ОксидантыМетотрексат
7. Ангиотензин7. Свободные радикалыВинбластин
8. АТФ8. УФ- и рентгеновское облучениеМорфин
9. Каспазы9. Токсины
Программируемая клеточная гибель участвует в постнатальном морфогенезе проводящей системы сердца: синусного и атриовентрикулярного узла, пучка Гиса; в развитии пароксизмальных аритмий и нарушений проводимости [2]. Апоптоз пейсмейкерных клеток может играть роль в генезе внезапной коронарной смерти. В настоящее время интенсивно исследуются процессы апоптоза в патогенезе дилатационной и ишемической кардиомиопатий, аритмогенной дисплазии правого желудочка, отторжения трансплантата при аортокоронарном шунтировании. Наиболее изученными являются апоптотические процессы при формировании коронарного атеросклероза.
Таблица 2. Перечень основных ингибиторов апоптоза
Физиологический ингибиторПрепарат
1. Ростовой фактор1. Ингибиторы кальпаина
2. Экстрацеллюлярный матрикс2. Ингибиторы цистеиновых протеаз
3. Нейтральные аминокислоты3. Ингибиторы каспаз
4. Эстрогены4. Раковые промоторы (РМА)
5. Андрогены5. Фенобарбитал
6. IL-96. Никотин
7. Прововоспалительные цитокины
8. Bcl-2
Массивная клеточная гибель наряду с накоплением липидной и коллагеновой массы, скоплением пенистых клеток, гладкомышечных элементов и макрофагов является одной из основных морфологических характеристик атеросклеротической бляшки. В центре бляшки выделяют так называемое некротическое ядро, которое при изъязвлении бляшки является источником тромбообразования с последующей ишемией и инфарктом. До недавних пор считалось, что причиной гибели клеток внутри атеросклеротической бляшки является прямое токсическое воздействие на клетки, например, свободных радикалов, образующихся при перикисном окислении липидов [3]. Однако в настоящее время можно с определенной уверенностью утверждать, что основной вклад в суммарную клеточную гибель при атеросклерозе вносит апоптоз. Все клеточные элементы, обнаруживаемые в атеросклеротических бляшках, подвергаются программированной гибели [4-6].
С помощью сочетания иммуногистохимического метода идентификации морфологической принадлежности клеток и специфических тестов на фрагментацию ДНК был обнаружен очень высокий процент апоптотических клеток в атеросклеротических бляшках человека in situ [7]. В областях апоптотических бляшек, обогащенных макрофагами, апоптотический индекс колебался от 10 до 40%. Гладкомышечные клетки подвергались программированной гибели в 10-15%. Очень небольшой процент апоптотических клеток приходился на T- и B-лимфоциты, и апоптоз полностью отсутствовал среди нейтрофилов. Как известно, атеросклеротическая бляшка является сложной структурой, претерпевающей при своем развитии значительные метаболические, клеточные и морфологические изменения. Поэтому, естественно, были предприняты попытки провести оценку апоптоза на уровне отдельных морфологических компонентов атеромы. Оказалось, что апоптотический индекс медиа нормальных коронарных сосудов равен 3+1%, в интиме - 8+1%. В атероме апоптотический индекс медиа статистически значимо не менялся (5+1%), в то время как в интиме он возрастал почти в 4 раза (34+5%) [8]. Гладкомышечные клетки, подвергающиеся программированной гибели, в основном локализовались в фиброзной части бляшки, в то время как апоптотирующие макрофаги преобладали в липидобогащенном ядре атеромы. Это позволило сделать вывод о том, что апоптоз гладкомышечных клеток и других компонентов атеросклеротической бляшки в условиях гипоксического повреждения миокарда регулируется как продуктами специфических генов, так и локальной цитокиновой сетью. Основные активаторы и ингибиторы апоптоза представлены в табл. 1 и 2.
В последнее время особое внимание исследователей в развитии апоптоза в условиях гипоксии миокарда привлек протоонкоген c-myc.
Протоонкоген c-myc. Этот онкоген участвует в пролиферации как нормальных гладкомышечных клеток, так и, очевидно, вносит существенный вклад в патологию. В частности, деление гладкомышечных элементов в процессе развития атеросклероза является c-myc-зависимым. В ряде случаев одной экспрессии c-myc достаточно для выхода клеток Go-покоя в пролиферативный цикл [9-11]. В гладкомышечных клетках, выделенных из атеросклеротических бляшек, содержание c-myc м-РНК оказалось выше, чем в нормальных гладкомышечных клетках [12].
При ишемии/реперфузии, особенно на ранних стадиях реперфузии, когда имеет место депрессия сократительной функции миокарда, отмечается более чем 600% прирост H2O2 [13]. Кроме того, сами кардиомиоциты [14], а также макрофаги [15, 16] продуцируют оксид азота и другие активные формы кислорода, которые, как известно, являются индукторами апоптоза. При этом происходит торможение супероксиддисмутазы, кателазы, глютатионпероксидазы, снижается уровень токоферола, повышается перикисное окисление липидов [17]. Другими словами, отмечается резкий дефицит в организме антиоксидантов, что может служить пусковым моментом в развитии апоптоза кардиомиоцитов. Для объяснения природы апоптоза кардиомиоцитов необходимо учесть некоторые результаты исследования в области ренин-ангиотензиновой системы человека. Был идентифицирован, в том числе и на тканях предсердий человека, второй тип рецепторов к ангиотензину-II [18]. Этот тип рецепторов экспрессирован в эмбриональном периоде, но отсутствует в постнатальном периоде [19]. При дисфункции миокарда происходит реэкспрессия второго типа рецепторов к ангиотензину-II [20]. Последние являются медиаторами апоптоза [21, 22]. Еще одной вероятной причиной развития апоптоза кардиомиоцитов является повышение концентрации свободного цитозольного кальция.
Наконец, в качестве пракринного индуктора апоптоза кардиомиоцитов нельзя исключить TNF-a. Повышение уровня TNF-a ответственно за отрицательный инотропный эффект, кардиомиопатию, отек легкого. С другой стороны, TNF-a является классическим индуктором апоптоза. Поэтому нельзя исключить, что существует связь между TNF-a-апоптозом и дисфункцией миокарда, вызываемой этим цитокином [23].
Для клеток, имеющих терминальную дифференцировку, а к таковым относятся кардиомиоциты, апоптоз не является характерным. Однако при кардиомиопатиях, гипертрофии миокарда и хронической сердечной недостаточности различной этиологии часто происходит прогрессивное снижение сократительной способности левого желудочка. Причем нередко этот процесс протекает в отсутствии каких-либо признаков ишемии миокарда. Поэтому в качестве рабочей гипотезы, объясняющей механизм развития хронической сердечной недостаточности, был использован апоптоз кардиомиоцитов. Ультраструктурные исследования кардиомиоцитов у больных с кардиомиопатиями, гипертрофией сердца и хронической сердечной недостаточностью, а также экспериментальные модели недостаточности левого желудочка четко показали наличие дегенеративных изменений кардиомиоцитов при этой патологии [24, 25]. Элементы апоптотической гибели кардиомиоцитов были констатированы у онкологических больных, леченных кардиотоксичными цитостатиками [26]. В культуре неонатальных кардиомиоцитов крыс программированная гибель клеток развивалась под влиянием гипоксии [27]. Причем апоптоз в этих условиях сочетался с гиперэкспрессией Fas-рецептора. При использовании метода микроэмболизации коронарных артерий у собак с хронической сердечной недостаточностью (величиной фракции выброса 27+1%), с помощью электронной микроскопии и иммуногистохимического исследования было обнаружено, что апоптотический тип клеток был зафиксирован не только на границе очагов инфаркта, но и в отдаленных от них участках миокарда. Однако в зоне некроза общая встречаемость апоптотических клеток вне зависимости от гистохимической принадлежности в 3-4 раза превышала фоновый уровень. В норме среди кардиомиоцитов апоптоз вообще не был зарегистрирован. При микроэмболизации в зоне очаговых поражений встречаемость апоптоза кардиомиоцитов была в 20 раз выше, чем в отдаленных участках миокарда [28]. На модели ишемии (30 мин) и последующей реперфузии в течение часа сердца у кроликов R.Gottlieb и соавт. показали, что в ответ на реперфузию, но не на ишемию, развивается программированная гибель кардиомиоцитов [29]. Клиническое значение этих данных состоит в том, что, очевидно, поздняя постинфарктная гибель кардиомиоцитов имеет не некротическую, а апоптическую природу.
Природа клеточной смерти в условиях ремоделирования гипертрофированного миокарда имеет ряд специфических особенностей, касающихся морфологической картины. В недавно проведенном исследовании S.Yamamoto и соавт. было выявлено повышенное количество лизосомальных структур в кардиомиоцитах желудочков [30]. Высокая лизосомальная и аутофагоцитарная активность, наблюдаемая в пораженных кардиомиоцитах, свидетельствует о наличии саморазрушающего процесса цитоплазматической дегенерации, осуществляемого под контролем самоконтролируемого запрограммированного аутолиза. Было показано, что хронический саморазрушающий протеолиз в пораженных кардиоцитах, хотя и не связан с типичной апоптозной морфологией ядер или цитоплазмы, но может привести к контролируемой смерти кардиоцитов гипертрофированного миокарда. Утечка лизосомальных энзимов (катепсинов) и усилившийся окислительный стресс были способны индуцировать цитоплазматическую деградацию и также выступать в роли триггеров апоптозной деградации ядер. Неясным остается ответ на вопрос о количественном соотношении пораженных кардиомиоцитов, находящихся на ранней стадии цитоплазматической дегенерации и в действительности теряющих свои ядра до наступления ее конечной стадии. В образцах эксцентрично гипертрофированного миокарда было найдено большое количество кардиомиоцитов, содержащих деградированную ДНК, чем в образцах концентрически гипертрофированного миокарда. Это может свидетельствовать о различных стадиях сердечной недостаточности, поскольку она была выраженной и фатальной при эксцентричной гипертрофии и незначительной при концентрической гипертрофии. Можно говорить о прямой зависимости между выраженностью сердечной недостаточности и количеством погибших кардиомиоцитов. Авторам исследования не удалось обнаружить апоптозную деградацию ядер при электронной микроскопии. Вероятно, апоптозная деградация ядер встречалась редко и/или протекала и завершалась очень быстро.
В настоящее время интенсивно изучается роль каспаз в процессах программированной клеточной гибели в условиях развития сердечной недостаточности. H.Yaoita и соавт. продемонстрировали, что Z-VAD-fmk, общий ингибитор каспаз, способен ингибировать процессы апоптоза кардиомиоцитов и площадь инфаркта миокарда у крыс, подвергшихся реперфузии in vivo [31]. Ряд исследований свидетельствует об участии каспаз в процессе высвобождения цитохрома С при гипоксии и индукции апоптоза кардиомиоцитов [32-34]. В недавно проведенных работах было показано повышение уровня каспаз и TNFa в кардиомиоцитах больных с сердечной недостаточностью, в том числе и при кардиомиопатиях [35-37].
Фармакологическая коррекция апоптоза при сердечной недостаточности. В настоящее время имеются фармакологические агенты, способные эффективно ингибировать апоптоз кардиомиоцитов, индуцированный различными стимулами: ишемией/реперфузией, H2O2, TNFa и др. Однако эти вещества (ZVAD-fmk, SB 203580, PD 98059, инсулиноподобный ростовой фактор, N-ацетил-цистеин) применяются в основном в экспериментальных условиях. В этой связи определенные перспективы связаны с дальнейшим клиническим исследованием карведилола (1-[9H-carbazol-4-yloxy]-3-[-(metho-xyphenoxy)ethyl-2-propanol), зарегистрированным фармацевтической фирмой "SmithKleine Beecham Pharmaceuticals" под торговым названием "Coreg(r)". Препарат представляет собой b-блокатор нового поколения с выраженной антиоксидантной и умеренной сосудорасширяющей активностью. В проведенных клинических исследованиях карведилол продемонстрировал значительное снижение уровня смертности у больных с сердечной недостаточностью. Механизмом антиапоптотического действия препарата является подавление экспрессии Fas-рецептора на кардиомиоцитах [38].
В заключение обзора можно сделать отдельные обобщения и выдвинуть ряд гипотез в отношении роли апоптоза в кардиопатологии. Если апоптоз рассматривать как некую альтернативу клеточному делению, обеспечивающую клеточный гомеостаз в сосудистой стенке, то, даже исходя из общих соображений, необходимо допустить, что апоптоз участвует в патогенезе атеросклероза коронарных сосудов сердца. При этом апоптоз должен "работать" практически на всех уровнях процесса: он должен элиминировать поврежденные эндотелиальные клетки сосудов, удалять мигрировавшие в интиму гладкомышечные клетки, устранять нагруженные липидами пенистые клетки и т.д. И действительно, на финальных стадиях эволюции атеромы, особенно в ядре атеросклеротической бляшки, состояние гиперплазии сменяется гипоплазией. Однако на начальных этапах развития атеросклероза этого не происходит. Другими словами, можно заподозрить общую несостоятельность апоптоза как ключевого фактора в патогенезе атеросклероза. Отсюда логическим продолжением будет допущение того, что существует некий единый механизм, контролирующий апоптоз всех клеток внутри органа или организма в целом. И этот механизм дает сбой при атеросклерозе. Также эти дефекты имеют место и при развитии сердечной недостаточности в условиях гипертрофированного миокарда. Можно предположить, что в основе этого лежат нарушения микроокружения клеток, приводящие к торможению апоптоза во всех или большинстве структурных элементов сосудистой стенки и миокарда. Однако и в этом случае необходимо допустить наличие единого универсального механизма, контролирующего апоптоз у клеток различной гистологической принадлежности. Определенные перспективы в дальнейшей коррекции несостоятельности апоптоза при кардиопатологиях могут быть связаны с применением низкомолекулярных ингибиторов каспаз.
Литература:
1. Kerr J.F.R., Wyllie A.H., Curne A.R. Apoptosis: a basic biological phemomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics//Br J Cancer 1972; 26 (2): 239-57.
2. James T.N. Normal and abnormal consequences of apoptosis in the human heart: from postnatal morphogenesis to paroxismal arrythmias//Circulation 1994; 90: 556-73.
3. Esterbauer H., Wang G., Puhl H. Lipid peroxidation and its role in atherosderosis//Br Med Bull 1993; 49: 566-76.
4. Araki S., Shimada Y., Kaji K. et al. Apoptosis of vascular endothelial cells by fibroblast growth factor deprivation//Biochem Biophys Res Commun 1990; 168: 1194-200.
5. Bennet M.R., Evan G.I., Newby A.C. Deregulated c-myc oncogene expression blocks vascular smooth muscle cell inhibition mediated by heparin, interferon mitogen depletion and cyclic nucleotide analogues induces apoptotu cell depth//Circ Res 1994; 74: 525-36.
6. Reed V.C., Hardwick S.J., Mitchinson M.S. Fragmentation of DNA in P388D1 macrophages exposed to oxidised low-density lipoproteins//FEBS Lett 1993; 332: 218-20.
7. Han D.K.M., Haudenschild C.C., Hong U.K. et al. Evidence for Apoptosis in Human Atherogenesis and in a Rat Vascular Injury Model//Am J Pathol 1995; 147 (2): 267-77.
8. Geng Y.J., Ubby P. Evidence for Apoptosis in Advanced Human Atheroma. Colocalization with Interleukin-Ip-Converting Enzyme//Am J Pathol 1995; 147 (2): 251-66.
9. Evan G.I., Wyllie A.H., Gilbert C.S. et al. Induction of apoptosis in fibroblasts c-myc protein//Cell 1992; 69: 119-28.
10. Evan G., Littlewood T. Role c-myc in cell growth//Curr Opin Gouct Dev 1993; 3: 44-9.
11. Kretzner L., Blackwood E., Eisenman R. Myc and Max possess distinct transcriptionfl activities//Nature 1992; 359: 426-9.
12. Parkes J.L., Cardell R.R., Hubbard F.C. et al. Cultured human atherosclerotie plague smooth muscle cells retain transforming potential and display enhanced expression of the myc protooncogene//Am J Pathol 1991; 138: 765-75.
13. Siezak J., Tribuiova N., Pristacova J. et al. Hydrogen Peroxide Changes in Ischemic and Reperfused Heart. Cytochemistry and Biochemical and X-Ray Micro analysis//Am J Pathol 1995; 147 (3): 772-81.
14. Shindo T., Ikeda U., Ohkawa F. et al. Nitric oxide synthesis in cardiac myocytes and fibroblast by inflammatory cytokines//Cardiovasc Res 1995; 29 (6): 813-8.
15. Albina J.E., Cui S., Mateo R.B. et al. Nitric Oxidi - Medeated Apoptosis in Murine Peretoneal Macrophages//J Immunol 1993; 150 (II): 5080-5.
16. Beckerman K.P., Rogers H.W., Corbett J.A. et al. Release of Nitric Oxide during the T-Cell-Independent Pathway of Macrophage Activation//J Immunnol 1993; 150 (3): 888-95.
17. Hill M.F., Singal P.K. Antioxidant and oxidative stress changes Failure Subsequent to Myocardial Infarction in Rats//Am J Pathol 1996; 148 (1): 291-300.
18. Yamada T., Horilichi M., Dzau V.S. Angiotensin II type 2 - receptor mediates programmed cell death//Proc Nat Acad Sci (USA) 1996; 93 (1): 156-60.
19. Dzau V.J., Horiucbi M. Differentiai expression oi andiotensin receptor subtypes in the myocardium: a hypothesis//Europ Heart J 1996; 17: 978-80.
20. Massaeri H., Pierce G.N. Involvement of lipoprotein, free radicals and calcium in cardio vascular disease process//Cardiovasc Res 1995; 29 (5): 597-603.
21. Oral N., Kapadia S., Nakano M. et al. Tumor necrosis Factor alfa and Falling Human Heart//Clin Cardiology 1995; 18 (Suppl. IV): 20-7.
22. Herskowitz A., Choi G., Ansari A.A. et al. Cytokins mRNA Expression in Postischemic Reperfusion Myocardium//Am J Pathol 1995; 146(2): 419-28.
23. Watschinger B., Sayegh M.N., Hancock W.W. et al. Up-Regulation of Endothelin-1 mRNA and Peptide Expression in Rat Cardiac Allografts With Rejection and atherosclerosis//Am J Pathol 1995; 146 (5): 1065-72.
24. Sabbah H.N., Sherov V.G., Riddle J.M. et al. Mitichondrial abnormalities in myocardium of dogs with chronic heart failure//J Mol Cell Cardiol 1992; 24: 1333-47.
25. Sharov V.G., Sabbah H.N., Shimoyama H. et al. Abnormalities of contractile structures in miable myocytes of the failing//J Mol Cell Cardiol 1994; 43: 287-97.
26. Hickman J.A. Apoptosis induced by anticancer drugs//Cancer Metastasis Rev 1992; II: 121-39.
27. Tanaka U., Ito H., Adachi S. et al. Hypoxia induces with engances expression of Fas antigen messenger RNA in cultured neonatal rat cardiomyocytes//Circul Res 1994; 75 (3): 426-33.
28. Sharov V.G., Sabbah H.N., Shimoiama H. et al. Evidence of Cardiocyte Apoptosis in Myocardium of Dogs with Chronic Heart Failure//Am J Pathol 1996; 148 (1): 41-9.
29. Gottlieb R.A., Burleson K.O., Kjoner R.A. et al. Reperfusion injiury induces apoptosis in rabbit cardiomyocytes//J Clin Invest 1994; 94: 1621-8.
30. Yamammoto S., Sawada K., Shimomura H., Kawamura K., James T.N. On the nature of cell death during remodeling of hypertrophied human myocardium//J Mol Cell Cardiol 2000; 32: 161-75.
31. Yaoita H., Ogawa K., Maehara K., Maruyma Y. Attenuation of ischemia/reperfused injury in rats by caspase inhibitors//Circulation 1998; 97: 276-81.
32. De Moissac D., Guervich R.M., Zheng H., Singal P.K., Kirshbaum L.A. Caspase activation and mitochondrial cytochrome C release during hypoxia-mediated apoptosis of adult ventricular myocytes//J Mol Cell Cardiol 2000; 32: 53-63.
33. Malhotra R., brosius FC III. Glucose uptake and glycolises reduce hypoxia-induced apoptosis in cultured neonatal rat cardiac myocytes//J Biol Chem 1999; 274: 12567-75.
34. Yue T.L., Ohlstein E.H., Ruffolo R.R. Jr. Apoptosis: a potential target for discovering novel therapies for cardiovascular diseases//Current opinion in chemical biology 1999; 3: 474-80.
35. Bristow M.R. Tumor necrosis factor and cardimyopathy//Circulation 1999; 97: 1340-1.
36. Colucci W.S. Apoptosis in the heart//New Engl J Med 1996; 335: 1224-6.
37. Olivetti G., Abbi R., Quaini F. et al. Apoptosis in failling human heart//New Engl J Med 1997; 336: 1131-41.
38. Yue T.L., Ma X.L., Wang X. et al. Possible involvement of stress-activates protein kinase signalling pathway and Fas receptor expression in prevention of ischemia-induced cardiomyocute apoptosis by carvedilol//Circ Res. 1998; 82: 166-74.
