3 курс / Патологическая физиология / Патофизиология_органов_пищеварения

Секреция жидкости в кишечнике также регулируется секрецией солей клетками, расположенными в криптах. Термин "секреторная диарея" является следствием того факта, что бактериальные токсины и другие агенты могут вызывать повышенную стимуляцию секреции солей в просвет кишечника с соответствующим объемом секреции воды. Причина этого — нарушение молекулярных механизмов контроля, которые в норме регулируют кишечную секрецию.

Поверхностные клетки и клетки крипт специализированы для абсорбции и секреции

Абсорбция и секреция солей, приводящие к перемещению воды через стенку тонкой кишки, осуществляются специализированными клетками эпителия. Абсорбция осуществляется эпителиальными клетками ворсинок, которые активно абсорбируют Na+. Секреция производится клетками, расположенными в криптах, которые активно перемещают Cl–. Несмотря на то, что эти клетки активно транспортируют столь разные ионы, параллельно осуществляется и котранспорт: абсорбция Na+ не может происходить без абсорбции Cl–, а секреция Cl– происходит с параллельным перемещением Na+. Активный транспорт является основой перемещения ионов, а перемещение ионов с противоположным зарядом — также неотъемлемая часть этого процесса.

На Рис. 5-6 показаны молекулярные механизмы транспорта солей клетками ворсинок и крипт в тонкой кишке. В обоих типах клеток вектор транспорта ионов связан с выраженным полярным распределением мембранных белков, которые способствуют транспорту ионов через апикальные и базолатеральные участки мембраны клеток. В настоящее время найдены и специальные гены, ответственные за синтез этих белков.

Особой структурой как в абсорбирующих, так и в секретирующих клетках является Na+,K+-ATФaзa. Этот транспортный белок расположен исключительно на базолатеральных участках мембраны клеток кишечника и связывает непосредственно процессы ионного транспорта и энергетические процессы в клетках. Na+,K+-АТФаза поддерживает низкий уровень внутриклеточного Na+ и высокую концентрацию внутриклеточного К+ за счет гидролиза АТФ. Na+,K+-ATФaзa создает градиенты концентраций Na+ и K+, необходимые для поддержания абсорбционной и секреторной активности в эпителиальных клетках кишечника.

Абсорбирующие клетки

Мембрана щеточной каемки абсорбирующих клеток специализирована в отношении пассивного транспорта Na+ в клетки из просвета кишки. В тонкой кишке это происходит преимущественно двумя путями. Первый путь: антипорт Na+/H+, специализирующийся на катализе обмена этих ионов в соотношении 1:1. При этом ионы натрия входят в клетку, а протоны водорода выходят из клетки. Второй механизм — котранспортер Na+/глюкоза, переносящий внутрь клетки ионы Na+ и молекулы глюкозы в соотношении 1:1, либо в соотношении 2:1. Таким образом, в присутствии глюкозы Na+ поступает в клетку вместе с ней. В этом механизме свободная энергия натриевого градиента способствует абсорбции глюкозы. Однако необходимо отметить, что наличие глюкозы в просвете кишки резко повышает абсорб

Рис. 5-6. Молекулярные механизмы транспорта веществ клетками ворсинок и крипт в тонкой кишке. Показаны некоторые мембранные белки, участвующие в транспорте солей через апикальные и базолатеральные участки мембраны. Разница электрических потенциалов (Vm) между апикальными и базолатеральными участками мембран абсорбирующих и секретирующих клеток ориентирована таким образом, что клетки относительно экстрацеллюлярной жидкости имеют отрицательный заряд. Величина Vm на базолатеральном участке мембраны больше, чем Vm апикального участка мембраны, поэтому трансэпителиальный электропотснциал, измеренный через слой эпителиальных клеток, является отрицательным со стороны просвета кишки

цию натрия, усиливая его проникновение в клетки. Этот механизм лежит в основе использования растворов глюкозы перорально для регидратации больных с диареей, так как глюкоза повышает абсорбцию Na+ и воды. Растворы, содержащие только необходимые электролиты, менее эффективны, поскольку они не стимулируют глюкозозависимый транспорт Na+ в клетки.

Na+,K+-ATФaзa базолатерального участка мембраны и белки-переносчики Na+ в апикальных отделах мембраны клеток отвечают за трансцеллюлярный перенос Na+ из просвета кишки в кровь; поэтому активный транспорт Na+ — основной механизм абсорбции солей и воды. Абсорбция Сl–, соответствующая абсорбции натрия, происходит двумя путями. Часть Сl– абсорбируется из межклеточного пространства благодаря слабому электрическому потенциалу, отрицательному со стороны просвета кишки. Кроме этого, существует и трансцеллюлярный механизм абсорбции Сl–, обеспечиваемый Сl–/НСО3–-антипортом в апикальном участке мембраны. Механизм транспорта хлора через базолатеральный участок мембраны пока не совсем понятен: это может быть либо Сl–-селективный канал, либо Сl–,K+-котранспортер. Образование Н+ и НСО3– из угольной кислоты с помощью карбоангидразы способствует сочетанному транспорту Na+ и Сl–.

Секреторные клетки

Транспортные белки в секреторных клетках отличаются от транспортных белков в клетках ворсинок (рис. 5-6). Содержание Na+ в клетках регулируется белками базолатерального участка мембраны, в то время как проницаемость для Na+ в апикальных отделах клеток относительно мала. Натрий поступает в клетку через базолатеральный участок мембраны посредством механизма сочетанного транспорта; в каждом цикле в клетку переносится по одному иону Na+ и К+ и по два иона Cl–. Так как суммарный заряд при таком переносе ионов равен нулю, скорость транспорта зависит не от мембранного потенциала, а от концентрации этих трех ионов. Суммарный эффект направленных внутрь градиентов Na+ и Cl– и направленного наружу градиента 1C приводит к перемещению всех трех ионов внутрь клетки. Натрий, который входит в клетку и выходит из нее, рециркулирует за счет Nа+,К+-АТФазы. Таким образом, поддерживается высокий градиент Na+ вне клетки. Транспортный белок в этих клетках сходен с белком апикальной мембраны клеток почечных канальцев, переносящих натрий. Фармакологический эффект некоторых диуретиков (фуросемида, буметанида) основан на их влиянии именно на этот белок.

Ионы хлора, которые проникают в клетку через базолатеральные участки мембраны, выходят из клетки через селективные Cl–-каналы в апикальных участках мембраны. Хлор выходит из клетки пассивно. Концентрация Cl–

муковисцидозе (кистозном фиброзе) обнаружена мутация гена, кодирующего именно этот белок. Ген кодирует белок , состоящий из 1480 аминокислот и названный муковисцидозным трансмембранным регулятором (cystyc fibrosis transmembrane conductance regulator [CFTR]), который действует в качестве Cl–-селективного ионного канала. Он активируется цАМФ и имеется в клетках поджелудочной железы, кишечника, дыхательных путей, половых органов. Мутация этого гена приводит к нарушению секреции Cl–, что является причиной многих симптомов при муковисцидозе. Нарушение транспорта Cl– может быть прямым следствием дисфункции CFTR Cl–-канала. Мутация может приводить: (1) к образованию неполной цепочки белка, который быстро разрушается в клетке, (2) к синтезу белка с нормальной длиной цепочки, но не встраивающегося в апикальный участок мембраны, (3) к синтезу белка с полной (нормальной) длиной цепочки, но функционально дефектного, который встраивается в апикальный участок мембраны. Наиболее частая мутация — это потеря фенилаланина в положении 508 (ДР508), приводящая к образованию цепочки белка с почти полной длиной, не встраивающейся в мембрану клетки.

Молекулярные механизмы активации CFTR были изучены при анализе его аминокислотного состава (см. Рис. 5- 8). Большой цитоплазматический домен (R-домен) содержит много участков, подвергающихся фосфорилированию проте

Рис. 5-7. Схема действия вторичного мессенджера сигнальной системы (цАМФ), обнаруженного в большинстве клеток. Связывание гормона (или нейротрансмиттера) с его рецептором образует активированный комплекс, взаимодействующий со стимулирующим G-белком (G;)

Рис. 5-7 (продолжение). Активированный G-белок освобождается от гуанозиндифосфата (ГДФ), с которым он связан в неактивированном состоянии, и соединяется с гуанозинтрифосфатом (ГТФ). Это приводит к образованию С;д и Gp у-субъединиц, после чего Gsa связывается с аденилатциклазой, которая катализирует образование цАМФ из АТФ. Циклическая АМФ образует связи с регуляторными субъединицами протеинкиназы А, от которой отсоединяются каталитические субъединицы, регулирующие фосфорилирование соответствующих участков белков. (По: DarnellJ., Lodish H., Baltimore D. Molecular Cell Biology, 2nd ed. New York Scientific American Books, W. H. Freeman, 1990.)

Рис. 5-8. Вероятное строение CFTR. Белок состоит из 1480 аминокислот, образующих около пяти доменов: два мембранно-соединенных домена (MSD1 и MSD2), каждый из которых содержит шесть сегментов, организованных таким образом, что формируют хлорный канал; и три цитоплазматических домена (NBF-1, NBF-2 и R), регулирующих активность канала

инкиназой А (ПКА). Было установлено, что удаление этих участков снижает активность хлорных каналов при повышении концентрации цитоплазматической цАМФ. Эти каналы имеют также два других цитоплазматических регуляторных домена, которые называются нуклеотидсвязывающими, так как они почти гомологичны семейству белков, связывающих и гидролизующих АТФ. Повышение концентрации цАМФ в цитоплазме активирует CFTR следующим образом: цАМФ связывается с каталитической субъединицей протеинкиназы А и освобождает активную каталитическую субъединицу, которая способствует фосфорилированию одной или нескольких сериновых структур R-домена CFTR. Затем нуклеотидсвязывающие участки присоединяют и гидролизуют АТФ, что в результате открывает каналы. Затраты энергии при этом необходимы для изменения конформационной структуры канала, что ведет к его открытию, после чего происходит пассивный транспорт ионов и затрат АТФ для этого процесса не требуется.

В секреторных клетках кишечника CFTR является единственным хлорным каналом, в то время как в секреторных клетках других тканей (дыхательные пути и слюнные железы) имеется еще и кальцийзависимый Сl–-канал в апикальном участке мембраны. Поэтому у больных с муковисцидозом эпителий кишечника не способен секретировать Сl–. Исследования распределения матричной РНК, проведенные с помощью гибридизации клеток показали, что информация для синтеза CFTR реализуется в клетках крипт кишки, где и происходят секреторные процессы.

Энтеротоксины бактерий активируют систему вторичных мессенджеров в клетках

Большинство данных о внутриклеточных механизмах абсорбции и секреции получены при изучении эффектов бактериальных энтеротоксинов, вызывающих тяжелую диарею. Наиболее показательно исследование холерного экзотоксина Vibrio cholerae — инфекции, вызывающей эпидемии в Азии и Южной Америке. Кишечная секреция под действием холерного токсина является следствием длительной активации аденилатциклазы и увеличения концентрации цитоплазматической цАМФ. Экзотоксин представляет собой пептид с массой 84 кД и состоит из одной А и пяти В субъединиц. Субъединица А является простым полипептидом массой 29 кД, в свою очередь, она состоит из двух компонентов — Al (23 кД) и А2 (6 кД), соединенных дисульфидным мостиком. После связывания холерного токсина через свои В субъединицы с поверхностью апикальной мембраны субъединица А проникает в клетку, где высвобождается компонент Al. В цитоплазме он действует как белок, катализирующий ковалентную модификацию G-протеина для активации аденилатциклазы. АДФ-рибоза присоединяется к аргининовому остатку -субъединицы Gs, после чего модифицированная -субъединица отсоединяется от - и -субъединиц и активирует аденилатциклазу, что приводит к повышению цАМФ и стимуляции апикальных Cl–-каналов в секреторных клетках и к снижению активности абсорбирующих клеток. В конечном счете это завершается тяжелой секреторной потерей солей и воды, опасной для жизни. Предполагается, что наличие у больного мутации гена CFTR, вызывающей у гомозигот тяжелые проявления муковисцидоза, у гетерозигот (с потерей только одного гена) сопровождается меньшей чувствительностью к некоторым факторам, способствующим секреторной диарее. Естественными стимуляторами секреции, опосредованными цАМФ, являются секреторные нейротрансмиттеры и, прежде всего, вазоактивный интестинальный полипептид.

Другим важным способом оценки механизмов нарушения секреторного процесса явилось исследование действия термостабильного энтеротоксина Escherichia coli (группа из 18-19-аминокислотных пептидов), активирующего гуанилатциклазу щеточной каемки. Эти секретируемые пептиды связываются с рецепторами гормона гуанидина на апикальном участке мембраны. По-видимому, данные рецепторы сами являются гуанилатциклазой, а связывание с ними стимулирует секрецию и угнетает абсорбцию через механизм цитоплазматической цГМФ.

Пероральная регидратация

Дегидратация организма может быть очень опасной. При острых нарушениях водно-солевого обмена наиболее часто применяется внутривенное введение воды и электролитов. В качестве альтернативного метода

можно использовать пероральную регидратацию с применением растворов, содержащих смесь солей и глюкозы для максимальной стимуляции абсорбции солей и воды ворсинками тонкой кишки. Механизм такой регидратации основан на том, что при секреторной диарее, вызванной, например, холерным токсином, общее повышение секреции солей и воды обусловлено не только стимуляцией самой секреции, но и угнетением абсорбции, вероятно, за счет нарушения сочетанного транспорта ионов Na+ и С1 в апикальном участке мембраны клеток ворсинок. В то же время активность транспортера Na+/глюкоза не изменяется, поэтому даже при холере введение глюкозы в кишечник стимулирует абсорбцию ионов Na+. Действие глюкозы не влияет на секрецию, но может компенсаторно усилить абсорбцию ионов Na+ и воды, что суммарно снижает общую потерю солей и воды.

Наследственные нарушения электролитного транспорта

Наследственные нарушения транспорта электролитов весьма редко являются причиной диареи, но на их примере хорошо видна роль мембранных белков в механизме кишечного транспорта электролитов. В частности, нарушения всасывания глюкозы, галактозы и лактозы приводят к тяжелой диарее у новорожденных, которая исчезает при исключении этих веществ из диеты. У таких больных выявлена неспособность клетки кишечных ворсинок накапливать глюкозу и галактозу из-за дефекта функции котранспортера Na+/глюкoзa. Обнаружено, что при этой патологии в гене, кодирующем мембранный котранспортер Na+/глюкoзa, происходит единственная замена гуанина на аденин. В результате чего в кодируемом белке происходит замещение аспарагиновой кислоты в позиции 28 на аргинин.

При наследственных нарушениях абсорбции электролитов также могут повреждаться два других транспортных белка апикального отдела мембраны — Cl–/НСО3– и Na+/H+ антипорты, что в обоих случаях приводит к диарее. При врожденной хлоридорее тонкая и толстая кишки не способны активно абсорбировать СГ, поэтому происходит нарушение обмена Cl–/НСО3–, из-за чего стул имеет низкий рН. При этом обмен Na+/H+ не страдает, а степень абсорбции Na+ и НСО3–, наблюдаемая у таких больных, может быть смоделирована у здоровых людей перфузией подвздошной кишки солевым раствором, не содержащим хлориды. Исследования ионного транспорта показали, что при врожденной натриевой секреторной диарее нарушается обмен Na+/H+, тогда как сочетанный транспорт Na+-глюкoзa не изменен. У больных с таким врожденным нарушением развивается метаболический ацидоз, в фекалиях повышена концентрация Na+ и НСО3–. Перфузия кишки раствором, не содержащим глюкозу, позволяет выявить фоновую секрецию Na+ и Сl–.

Диарея в клинике

В этом разделе будут рассмотрены клинические состояния, приводящие к диарее. Причин диареи очень много, и они обычно группируются по принципам "острая и хроническая диарея", "осмотическая и секреторная", "инфекционная и неинфекционная", "воспалительная и невоспалительная". В каждом разделе главной целью будет изучение патофизиологии диареи, поскольку диарея является осложнением многих заболеваний. Так, диарея, связанная с мальабсорбцией и мальдигестией, может быть следствием заболеваний кишечника, а может возникнуть и при абсолютно здоровом кишечнике из-за патологии поджелудочной железы. Эти состояния рассматриваются в главе 6.

Острая и хроническая диарея

Острая диарея

Диарея считается острой, если ее продолжительность не превышает 2—3 нед, а хронической — если она длится 4—6 нед и более. Важно отметить, что хотя многие факторы могут вызвать диарею (например, изменение кишечной флоры, прием лекарственных препаратов, бег на длинные дистанции), основной

причиной острой диареи остается инфекция. Острая диарея редко привлекает внимание исследователей, как правило, в случаях, когда возникает интоксикация или иммунодефицит, например после приема стероидов и других иммуносупрессоров (пациенты после трансплантации или с синдромом приобретенного иммунодефицита). Инфекционные диареи по большей части проходят самостоятельно и не ведут, за редким исключением (паразитарные заболевания, вызванные Giardia или Entamoeba hystolitica), к хронической диарее (табл. 5-1).

Хроническая диарея

Хроническая диарея изучена лучше, поскольку она нередко является следствием других, более тяжелых заболеваний. Кроме того, больные, желающие избавиться от этого недуга, охотно обследуются. У таких пациентов необходимо особенно тщательно собрать анамнез, подробно расспросить о количестве, частоте и характере стула, и если диагноз хронической диареи подтвердится, то выработать тактику действий по установлению причины заболевания. Например, свежие кровянистые выделения в стуле свидетельствуют о воспалении или ишемии, причем, скорее, толстой кишки, поскольку кровь из тонкой кишки не будет красного цвета. Тенезмы свидетельствуют о патологии ректосигмоидного отдела толстой кишки. Частый стул малого объема — признак патологии толстой кишки, в то время как более редкий стул большого объема — признак поражения тонкой кишки. Диарея, уменьшающаяся при голодании, имеет осмотический механизм развития. Если диареей страдают и другие члены семьи, то наиболее вероятная ее причина — инфекция. Семейный анамнез важен, поскольку близкие родственники больных с воспалительными заболеваниями кишечника в 10 % случаев имеют те же симптомы. Большинство перечисленных признаков бывают преимущественно при хронической диарее.

Осмотическая и секреторная диарея

При диарее вода может поступать в просвет кишки либо по осмотическому механизму (осмотическая диарея), либо в результате активного транспорта ионов в просвет кишки (секреторная диарея) (табл. 5-2 и 5-3). Осмотическая диарея возникает при поступлении в пищеварительный тракт таких неабсорбируемых веществ, как гидроксид магния или лактулоза, или при нарушении всасывания некоторых веществ, например лактозы у больных с дефицитом лактазы. Любое состояние, сочетающееся с мальабсорбцией (панкреатическая недостаточность, спру, болезнь Крона), может вызывать переполнение кишки осмотически активными веществами и приводить к диарее. В отличие от секреторной, осмотическая диарея прекращается при голодании (табл. 5-4). Она также сопровождается "осмотической разницей" в электролитном составе кала. При осмотической диарее концентрация электролитов в кале значительно ниже реальной осмоляльности, поскольку основными осмотическими веществами, способствующими развитию диареи, являются не электролиты, а неабсорбируемые осмотически активные вещества. При секреторной же диарее основную часть осмотически активных веществ составляют электролиты. Необходимо не только понимать механизмы развития осмотической и секреторной диареи, но и знать механизмы, приводящие к угнетению этих процессов. Некоторые виды диареи являются только осмотическими, например при действии лактулозы, или только секреторными, например при холере. В большинстве же случаев в развитии диареи участвуют оба механизма. Например, при повреждении слизистой оболочки тонкой кишки диарея вызывается осмотическими компонентами из-за развития мальабсорбции вследствие повреждения ферментов щеточной каемки и самих энтероцитов. Но при этом же имеются и признаки секреторной диареи из-за повреждения ворсинчатых эпителиальных клеток и относительного увеличения активности секреторных клеток крипт. Кроме того, цитокины, высвобождающиеся при воспалении слизистой оболочки кишечника, могут стимулировать секреторные процессы.

Таблица 5-1. ПРИЧИНЫ ОСТРЫХ и ХРОНИЧЕСКИХ ИНФЕКЦИЙ тонкой кишки

Острые инфекции