Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_1449_Библиотеки_им_академика_М_И_Перельмана
.pdf
41
как отдельную структурно-функциональную единицу органов, называемую
микроциркуляторно-тканевой системой (МцТС) [59,60]. Перфузионно-
метаболические функции выполняются на уровне артериол (сосуды,
регулирующие кровоток), капилляров (первичные обменные сосуды) и венул
(обменные и собирающие сосуды).
Основная функция МЦК – обеспечение баланса между потребностью и
доставкой кислорода к паренхиматозным клеткам [61]. Напряжение
кислорода в тканях (tPO
2
) – парциальное давление кислорода в
интерстициальном пространстве биологической ткани. Это мера баланса
между доставкой кислорода по капиллярам и потреблением кислорода
биологическими тканями. Cреднее насыщение крови кислородом в
определенном участке ткани, отражающее баланс между локальным
снабжением кислородом и его потреблением можно охарактеризовать
тканевой сатурацией (S
t
O
2
) (рисунок 1.6) [62].
Рисунок 1.6 – Схема, показывающая место измерения напряжения
кислорода в тканях и насыщения тканей кислородом [63]
Когда доставка кислорода снижается, а потребление сохраняется или
падает в меньшей степени, то показатели tPO
2
и S
t
O
2
уменьшаются. С другой
стороны, если доставка кислорода увеличивается, а потребление кислорода
сохраняется или увеличивается в меньшей степени, то эти показатели
увеличиваются. Определение несоответствия доставки и потребления
42
кислорода по уровню S
t
O
2
может дать представление о локальных
патологических нарушениях в МцТС.
Окислительный метаболизм генерирует большую часть клеточной
АТФ (аденозинтрифосфорная кислота, своеобразный «клеточный
аккумулятор» энергии), которая используется в качестве источника энергии
для обеспечения большинства клеточных функций [58]. Объем потока через
капилляры регулируется для поддержания адекватной оксигенации тканей.
Регуляция кровотока осуществляется путем координации нескольких
различных механизмов, влияющих на поток крови через прекапиллярные
сосуды [64]. Локальные регуляторные механизмы кровотока присущи
различным тканям и могут действовать независимо от нейрогуморальных
влияний [59,65,66]. Они дают каждой ткани организма некоторую степень
автономии для удовлетворения ее текущих требований в отношении
кровотока. Метаболические сдвиги, связанные с изменениями оксигенации,
инициируют механизмы регуляции кровотока в МцТС как в краткосрочном,
так и в долгосрочном масштабе.
Для объяснения локальных регуляторных явлений в
микроциркуляторном русле были предложены два основных механизма:
миогенный и метаболический. Миогенный механизм ассоциируют с
контролем микроциркуляторного кровотока, связанным с давлением, и
объясняют тем, что гладкие мышцы сосудов активно сокращаются в ответ на
растяжение, пытаясь поддерживать относительно постоянное напряжение
стенок резистивных сосудов [64,67]. Принцип метаболического механизма
заключается в том, что клетки тканей непрерывно используют
аденозинтрифосфат (АТФ) в качестве источника энергии для поддержания
своих функций. Наиболее распространенными путями синтеза АТФ
являются окислительное фосфорилирование (OXPHOS) и гликолиз. В
условиях достаточного количества кислорода вклад гликолиза в
производство АТФ является малозначительным, а аденозиндифосфат (АДФ),
полученный в результате гидролиза АТФ, рефосфорилируется как часть
43
процесса OXPHOS. При снижении уровня кислорода переработка АДФ
осуществляется лишь частично и большая его часть распадается на
аденозинмонофосфат (АМФ), а затем на аденозин. Также увеличивается
вклад гликолиза, конечным продуктом которого является молочная кислота,
диссоциирующая на ион водорода и лактат. Метаболиты – аденозин, ион
водорода, лактат – являются вазоактивными дилататорами. В рамках
метаболической теории регуляции кровотока в микроциркуляторном русле
считается, что существует тесная связь между производством метаболитов и
оксигенацией тканей, так что производство метаболитов увеличивается по
мере снижения оксигенации тканей, способствуя увеличению притока крови
в микроциркуляторное русло, и наоборот [64]. Предполагается, что оба
механизма действуют независимо, но в некоторой комбинации каждого из
них, в зависимости от конкретной ситуации [68].
Обобщенная схема микроциркуляторно-тканевого русла и основных
путей энергетического клеточного метаболизма приведена на рисунке 1.7.
Рисунок 1.7 – Обобщенная схема микроциркуляторно-тканевого русла и
основных путей энергетического клеточного метаболизма
44
Клетки тканей используют различные пути энергетического
метаболизма для производства АТФ с целью поддержки клеточных функций
и выживания, а также для синтеза промежуточных продуктов,
обеспечивающих клеточный рост и пролиферацию.
Главным источником для синтеза АТФ является глюкоза.
Фундаментальное значение для метаболизма глюкозы имеют основные пути
энергетического клеточного метаболизма, включая гликолиз и
пентозофосфатный путь (ПФП) в цитоплазматическом компартменте, а
также OXPHOS с циклом трикарбоновых кислот (цикл Кребса) в
митохондриях. В процессе гликолиза происходит последовательное
ферментативное расщепление молекулы глюкозы с образованием двух
молекул пирувата и двух молекул восстановленной формы
никотинадениндинуклеотида (НАДН) [58].
В присутствии кислорода пируват транспортируется в митохондрии,
где входит в цикл трикарбоновых кислот, в то время как цитозольный НАДН
окисляется в результате превращения пирувата в лактат или в результате
работы малат-аспартатного цикла [69]. Гликолиз включает 10 реакций,
которые происходят в цитозоле и приводят к образованию двух молекул АТФ
без необходимости использования молекулярного кислорода [70].
Цикл Кребса в эукариотических клетках происходит в матриксе
митохондрий. В отличие от гликолиза он представляет собой замкнутый
цикл, состоящий из 8 этапов, при этом последняя часть цикла биохимических
реакций регенерирует соединение, использованное на первом этапе. В
результате биохимических реакций образуются две молекулы углекислого
газа, одна молекула АТФ и восстановленные формы метаболических
коферментов НАД
+
и флавинадениндинуклеотида (ФАД) – НАДН и ФАДН
2
,
соответственно. Каждый виток цикла образует три высокоэнергетические
молекулы НАДН и одну высокоэнергетическую молекулу ФАДН
2
. Цикл
Кребса является составляющей стадией аэробного дыхания, поскольку
окисление образующихся НАДН и ФАДН
2
запускает последовательно
45
протекающие окислительно-восстановительные превращения, в ходе
которых осуществляется перенос электронов по дыхательной – электрон-
транспортной – цепи (ЭТЦ) митохондрий, использующей кислород в
качестве их конечного акцептора.
Основное производство АТФ происходит в специализированных
белковых комплексах, расположенных во внутренней мембране
митохондрий. Энергия электронов аккумулируется и используется для
создания электрохимического градиента на внутренней митохондриальной
мембране. Потенциальная энергия этого градиента используется для
генерации АТФ. Этот процесс требует присутствия кислорода и известен как
OXPHOS [71].
Соотношение НАД
+
/НАДН играет решающую роль в регуляции
внутриклеточного окислительно-восстановительного состояния. Общие
уровни НАД
+
в клетках млекопитающих поддерживаются на уровне
200-500 мкМ, при этом концентрация НАД
+
в митохондриях метаболически
активных клеток и тканей относительно выше и стабильнее, чем в цитозоле
из-за потребностей этих структур в значительном производстве энергии и
АТФ [72]. Ингибирование активности митохондриальной ЭТЦ снижает
митохондриальную конверсию НАДН в НАД
+
и снижает митохондриальное
соотношение НАД
+
/НАДН. Таким образом, обратная связь НАДН с
метаболизмом является ключевым фактором, определяющим скорость и
выработку энергии. Общий окислительный метаболизм снижается при
повышении уровня митохондриального НАДН/НАД
+
[73]. Снижение уровня
ядерного НАД
+
и повышение НАДН приводит к накоплению индуцируемого
гипоксией фактора 1 альфа (HIF-1α), стимулирующего эффект Варбурга,
отличительную черту метаболизма раковых клеток, называемую аэробным
гликолизом [74]. Поскольку абсолютное количество митохондриального
НАДН, связанного с белками, относительно стабильно, соотношение
свободного (цитозольного) и связанного с белком НАДН совпадает с
окислительно-восстановительным состоянием НАД(Н). Таким образом,
46
можно заключить, что сдвиг клеточного метаболизма в сторону гликолиза
и/или снижения митохондриального дыхания соответствует более высокой
интенсивности автофлуоресценции НАДН и более короткому времени жизни
НАДН, и наоборот [75].
ПФП является одним из фундаментальных компонентов клеточного
метаболизма. ПФП играет существенную роль в биосинтезе нуклеотидов и
аминокислот и борьбе с окислительным стрессом. Окислительная ветвь
очень активна у большинства эукариот и превращает глюкозо-6-фосфат в
углекислый газ, рибулозо-5-фосфат и
никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН) [76].
Безусловно, кислород не является единственным метаболическим
реагентом, доставляемым в микроциркуляторном звене кровообращения.
Также кислород не потребляется изолированно от других биохимических
путей. Стоит отметить, что в процессе реакций окислительного метаболизма
образуются побочные продукты биохимических реакций – активные формы
кислорода (АФК), вызывающие окислительный стресс в клетках биотканей,
а также участвующие в клеточных сигнальных путях, в итоге осуществляя
либо регуляторное, либо токсическое действие [77–79].
Частные патологические состояния биотканей и сопровождающие их
перфузионно-метаболические нарушения
Среди показаний к применению диагностических и лечебных МИХВ
наиболее частыми являются онкологические заболевания и состояния,
связанные с эндогенной интоксикацией, частным примером которых
является синдром механической желтухи (МЖ). Рассмотрим более подробно
изменение перфузионно-метаболических параметров биотканей при данных
патологических состояниях.
Опухоль (новообразование) – это патологическое образование,
самостоятельно развивающееся в органах и тканях, отличающееся
автономным ростом, полиморфизмом и атипией клеток [80]. Способность к
47
автономному росту опухолей происходит за счет опухолевой клеточной
трансформации. Активный рост новообразования во многих случаях
приводит к тому, что новые клетки морфологически отличаются от клеток
ткани, в которой они растут (атипия) и такие различия могут достигать
высокой неоднородности (полиморфизм).
Решающую роль в прогрессировании и метастазировании опухолей,
доставке лекарств и резистентности к терапии играет сосудистая сеть
опухоли, которая значительно отличается от нормальной сосудистой сети по
морфологии, структуре и функциям [81,82]. Особенностью новообразований
является отсутствие размерной иерархии сосудов микроциркуляторного
русла. Топографическое сравнение изображения микрососудистого русла,
полученного с помощью сканирующей электронной микроскопии
полимерного слепка (коррозионная техника) в норме и в опухоли приведено
на рисунке 1.8 [81].
а)
б)
Рисунок 1.8 – Визуализация микрососудистого русла с помощью
сканирующей электронной микроскопии полимерного слепка, полученного
на основе коррозионной техники: а) в нормальной ткани; б) в опухоли [81]
Также микрососудистая сеть опухолей характеризуется нарушением в
строении сосудистой стенки и большими промежутками между
эндотелиальными клетками, появлением аномальных перицитов и
отсутствием гладких мышц или базальной мембраны [83]. Нарушение
48
структуры эндотелиального барьера обуславливает формирование
неплотной сосудистой сети и аномалии кровотока в ткани опухоли, что
приводит к гипоксии, низкому pH и высокому давлению интерстициальной
жидкости [84,85]. Гликолитическая природа (гипоксической) опухолевой
клетки повышает pH в интерстициальном пространстве, вызывая кислотный
сдвиг (ацидоз) [86]. Схематически описанные процессы можно представить
так, как показано на рисунке 1.9 [87].
а)
б)
Рисунок 1.9 – Схема сосудистой системы и стенки микрососудов в норме и
патологии (а) и патологические изменения в МцТС опухоли (б) (переведено
и адаптировано из [87])
Потребности в кислороде и питательных веществах у небольших
опухолей удовлетворяются за счет пассивной диффузии из близлежащих
сосудов [88]. Когда размеры опухоли превышают 2 мм
2
(солидные опухоли),
ядро опухоли становится все более гипоксичным и происходит запуск
49
процесса ангиогенеза. Наличие ангиогенных стимулов, таких как гипоксия,
приводит к высвобождению факторов роста, что в свою очередь ведет к
активации клеточных эффекторов, которые стремятся сформировать
зарождающийся сосуд [89]. Этот момент был назван «ангиогенным
переключением», при котором опухолевые клетки реагируют на низкую
перфузию кислорода, высвобождая ангиогенные факторы [90]. Клеточные
реакции на низкий уровень кислорода в первую очередь регулируются ДНК-
связывающими факторами транскрипции, известными как факторы,
индуцируемые гипоксией (HIF). Основным молекулярным участником
эукариотического клеточного ответа на гипоксию является индуцируемый
гипоксией фактор-1α (HIF-1α), который действует как первичный
транскрипционный медиатор, регулируя кислородный гомеостаз [91].
Высокая гетерогенность и дезорганизованность микрососудистого
русла опухолевой ткани является причиной пространственной и временной
неоднородности перфузии крови в новообразованиях [92–94]. Сложная
сосудистая архитектура, а также изменение реологических свойств крови у
онкологических больных [95] увеличивают сопротивление кровотоку в
опухолях [96]. В условиях крайнего ограничения питательных веществ и
сосудистых нарушений опухолевые клетки подвергаются некротической
гибели [97]. Некроз является распространенной особенностью многих
агрессивных быстрорастущих опухолей, связанной с плохим прогнозом и
заметно повышенным риском метастазирования [98,99]. В результате
активного роста в опухоли макроскопически можно распознать 3
пространственные области некротического очага (рисунок 1.10) [100]:
пролиферации, полунекротическую и некротическую.
Область пролиферации характеризуется хорошим кровоснабжением,
нарастающим давлением интерстициальной жидкости, достаточным уровнем
кислорода, нейтральным уровнем pH, высоким темпом размножения клеток.
В совокупности, перечисленные факторы обеспечивают возможность
доставки лекарств к этой области новообразования.
50
Области опухоли
Перфузия
Давление
интерстициальной
жидкости
pO
2
Внеклеточный pH
Пролиферация
Доставка лекарств
пролиферации
++
+
++
<7,4
++
++
полунекротическая
+
+++
+
~6,5-7
+/-
+
некротическая
-
+++
-
~7-8
-
+/-
Рисунок 1.10 – Схема областей некротического очага в опухоли. Величина
изменения различных физиологических показателей обозначается знаками
«+++», «++», «+», «+/–» и «–» (переведено и адаптировано из [100])
Некротическая часть опухоли – участки гибели опухолевой ткани с
характерным отсутствием перфузии кровью и доставки питательных веществ
и кислорода, высоким давлением интерстициальной жидкости, закислением
внеклеточной среды. Полунекротическая область по характеристикам
занимает промежуточное положение между зоной пролиферации и
некротической. Солидная опухоль может состоять из множества таких
некротических очагов.
Опухолевая гипоксия возникает в результате дисбаланса между
доставкой кислорода аномальными и малоэффективными кровеносными
сосудами и потреблением кислорода опухолевыми клетками с высокой
метаболической активностью. Метаболизм раковых клеток направлен на
производство и пролиферацию биомассы. Поскольку метаболические
ресурсы в местных тканях ограничены, это может привести к истощению
питательных веществ и накоплению метаболических отходов. Чтобы
поддерживать рост в этих условиях, раковые клетки используют различные
метаболические адаптации [101]. Метаболическое перепрограммирование,
основанное на трансформации различных метаболических путей, можно
считать одним из ключевых факторов развития опухолей [102]. Опухолевая
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана