В наибольшей мере повреждаются основные клеточные потребители энергии: градиентсоздающие и сократительные механизмы клетки. Весьма энергоемким ферментом является мембранная калий-натриевая аденозинтрифосфотаза (АТФаза). Дефицит энергии приводит к утрате калий-натриевого градиента. Это порождает несколько последствий. Клетки утрачивают ионы калия, а вне клеток возникает их избыток. Частичная утрата потенциала покоя делает клетки менее возбудимыми.
Недостаточность калий-натриевого насоса, сопряженная с деполяризацией мембран, приводит к ряду негативных последствий (см. рис. 3.3): накоплению избытка натрия и жидкости в клетке; активации глутаматных рецепторов N-метил-D-аспартата (NMDA); накоплению избытка кальция в клетке. Важнейшим из прямых последствий повреждения калий-натриевого насоса является накопление избытка натрия в клетке. Из-за осмотической активности натрия развивается гипергидратация клеток. На этой стадии прогрессирующей гипоксии выявляются морфологические признаки «мутного набухания» и «баллонной дистрофии» нейронов.
Следующий этап «ишемического каскада» включает несколько типовых патогенетических механизмов. К числу наиболее значимых из этих механизмов относят: глутаматную эксайтотоксичность; кальциевый, «оксидативный стресс»; липопероксидный; избыточный респираторный взрыв.
Важным механизмом повреждения нейронов является чрезмерная продукция нейронами нейротрансмиттерных аминокислот (глутамата и аспартата) и выделение их из аксонов, что наблюдается уже в течение первых 10 – 30 мин с момента острой локальной ишемии. Установлено, что концентрация глутамата может вернуться к исходному уровню при условии восстановления кровотока через 30 – 40 мин от начала острой ишемии (глутамат – основной возбуждающий нейротрансмиттер ЦНС. Он вовлечен в большое число нейрональных и глиальных процессов, участвует в формировании высших когнитивных механизмов; в высоких концентрациях он нейротоксичен). В периишемической зоне мозга нейроны и клетки нейроглии поглощают глутамат из межклеточного пространства. У клеток же ишемизированной области мозга для этого недостаточно энергии. Снижение обратного захвата глутамата и аспартата астроглией приводит к перевозбуждению ионотропных рецепторов NMDA-рецептеров, метаболотропных и AMPA-рецепторов, регулирующих уровни K+,Na+,Са2+,Cl– во внеи внутриклеточном пространстве. Это обуславливает раскрытие контролируемых ими кальциевых каналов и приводит к дополнительному притоку ионов Са2+ в нейроны из интерстиция, а также к высвобождению внутриклеточного Са2+ из депо.
При исследовании механизмов ишемического некробиоза нейронов подтверждена концепция о ключевой роли избытка ионизированного внутриклеточного кальция (как последующего этапа «ишемического каскада») в этом процессе, особенно на его глубоких стадиях. Кальций в данном случае выступает не просто как электролит, а как мощный модулятор клеточных функций, избыток которого токсичен для клетки. Внутриклеточная концентрация кальция поддерживается на уровне 10– 7 М, что в 10 000 раз меньше, чем в межклеточной жидкости. При функционировании здоровых клеток прием внешних химических или электрических сигналов сопровождается кратковременным обратимым повышением внутриклеточной концентрации кальция, что необходимо для ответа на стимул. Кальций проникает внутрь через потенциал-зависимые входные кальциевые каналы. Кроме того, раздражение кальций-мобилизующих рецепторов ведет к активации фосфолипазы С и продукции липидных внутриклеточных посредников – диацилглицерина и инозитолтрифосфата. Последний взаимодействует с мембранами митохондрий и вызывает выход депонированного там кальция в цитоплазму. Цитоплазматический кальций переходит в активную форму путем взаимодействия со своим белковым внутриклеточным рецептором – кальмодулином. Комплекс кальций – кальмодулин активирует кальмодулинзависимые протеинкиназы, которые, вместе с протеинкиназой С, активизируемой диацилглицерином, регулируют активность клеточных ферментов.
При избытке кальция (рис. 3.4) нарушается синтез АТФ и усиливается продукция активных кислородных радикалов в митохондриях. Длительный избыток кальция в цитоплазме ведет к прогрессирующему цитоплазматическому протеолизу. Активация кальцием мембранных фосфолипаз способствует дезинтеграции клеточных мембран и выработке липидных медиаторов воспаления – производных арахидоновой кислоты. Этот механизм вносит существенный вклад в развитие перифокального воспаления в очаге некробиоза.
При необратимом повреждении клеток митохондрии захватывают значительные количества кальция. Это приводит к инактивации их ферментов, денатурации белков, стойкой утрате способности к продукции АТФ даже при восстановлении притока кислорода. Наряду с набуханием митохондрий, обусловленным проникновением в них избытка ионов калия, фосфата и воды, эти процессы приводят к развитию тканевой гипоксии. Эта стадия некробиоза уже не может быть обращена при восстановлении притока кислорода или реперфузии. Поврежденные при этом митохондрии перестают быть акцепторами кислорода и субстратов. Из-за неспособности митохондрий окислять жирные кислоты их ацилы остаются в цитоплазме, где и формируют эндогенные амфифильные соединения с натрием и кальцием. Это приводит к возрастанию детергентной активности цитозоля, который, в буквальном смысле, растворяет липидные мембраны.
Таким образом, длительное повышение цитоплазматической концентрации активного кальция – это центральное звено клеточной гибели. Из-за этого нарушения активируются описанные выше патогенные механизмы, актуальные для гипоксического и свободнорадикального некробиоза, а также апоптоза (см. рис. 3.4). Избыток внутриклеточного Са2+ активирует различные ферментные системы (липазы, протеазы, эндонуклеазы), которые потенцируют процессы катаболизма.
Рис. 3.4 Роль ионов кальция в патогенезе ишемических поражений головного мозга
Например, активируются: протеинкиназа С, что нарушает фосфолирирование белков; фосфолипаза, осуществляющая расщепление фосфолипидов и высвобождение жирных кислот (например, арахидоновой кислоты), а также выход Са2+ из депо; NO-синтаза, приводящая к гиперпродукции NO, взаимодействию NO с супероксид-радикалом кислорода, в результате чего образуются токсичные продукты. Наиболее патогенным из них является пероксинитрит (ONOO–), который оказывает цитотоксическое и мутагенное действия, ингибирует митохондриальное дыхание и в итоге приводит к гибели клеток. Происходит активация эндонуклеаз, расщепляющих ДНК и РНК, и ксантиноксидазы, в связи с чем продуцируется повышенное количество токсичных супероксида и пероксида водорода.
Рис. 3.5. Реакции глутаматной «эксайтотоксичности»
Таким образом, избыточное образование возбуждающих нейротрансмиттеров ЦНС, главным образом глутамата (рис. 3.5), сопряженное с возбуждением глутаматных NMDA-рецепторов, приводит к активации кальциевых каналов на мембране нейрона. В клетке накапливается избыток кальция, что является точкой отсчета «необратимого некробиоза», поскольку избыток кальция в клетке активирует внутриклеточные ферменты и свободнорадикальные процессы («оксидантный стресс»), приводящие к некрозо-апоптотической гибели нейрона. Эти взаимопотенциирующие реакции получили название «глутоматная эксайтотоксичность». Именно они формируют, совместно с реакциями «окислительного стресса», фатальные «порочные круги».
Оксидантный стресс (как компонент «ишемического каскада») – процесс, характеризующийся избыточной внутриклеточной генерацией свободных радикалов, активацией процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) и накоплением продуктов ПОЛ. Это усугубляет перевозбуждение глутаматных рецепторов и потенцирует постишемические повреждающие эффекты.
Интенсифицированные свободнорадикальные липопероксидные процессы (СРП) – это реакции, идущие с участием свободных радикалов – атомов или молекул с неспаренным электроном на наружной орбите. Свободные радикалы нестабильны, но приобретают устойчивость при отрыве и присоединении к себе атома водорода от любого другого вещества. К свободным радикалам относятся: высокоактивные формы кислорода; пероксиды водорода; альдегиды, образующиеся в условиях гипоксии при неполном восстановлении кислорода.
Свободнорадикальные липопероксидные процессы являются необходимым звеном таких жизненно важных процессов как транспорт электронов цепи дыхательных ферментов, синтез простагландинов и лейкотриенов, пролиферация и дифференцировка клеток и т. д. СРП являются универсальным патофизиологическим феноменом, который играет значительную роль в развитии большого числа заболеваний. В организме человека и животных выявлена сложная цепь взаимосвязанных свободнорадикальных процессов, в которые вовлекаются белки, нуклеиновые кислоты, липиды, в особенности фосфолипиды. Интенсивность СРП регулируется соотношением факторов, активирующих окисление (прооксидантов) и подавляющих его (антиоксидантов).
