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).
Свободнорадикальные процессы условно разделяют на три этапа: кислородной инициации (кислородный этап); образования свободных радикалов органических и неорганических веществ (свободнорадикальный этап); продукции перекисей липидов (перекисный этап).
Кислород для любой клетки, особенно для нейрона и популяций нейронов, является ведущим энергоакцептором в дыхательной митохондриальной цепи. Связываясь с атомом железа цитохромоксидазы, молекула кислорода подвергается четырехэлектронному восстановлению и превращается в воду. Но в условиях нарушения энергообразующих процессов дисбаланс энергетического метаболизма может негативно сказаться на клетке и даже привести ее к гибели. Главной причиной негативных последствий этих нарушений является образование при неполном восстановлении кислорода высокореакционных, а потому токсичных, свободных радикалов или продуктов, их генерирующих.
Относительная доступность и легкость образования свободных радикалов в условиях неполного восстановления кислорода связана с уникальными свойствами его молекулы. В химических соединениях атомы кислорода двухвалентны. Простейшей иллюстрацией этого является формула молекулы воды. Однако в молекуле кислорода оба атома соединены только одинарной связью, а остающиеся на каждом атоме кислорода по одному электрону остаются свободными. Именно наличие неспаренных электронов определяет возможность для кислорода эффектно связываться с цитохромоксидазой и реализовывать функцию конечного акцептора электронов, запускающего работу всей дыхательной цепи. При этом необходимо отметить, что основной устойчивой формой кислорода является так называемый «триплетный» кислород, в молекуле которого оба неспаренных электрона параллельны, их спины (валентности) направлены в одну сторону. При разнонаправленном расположении спинов в молекуле кислорода он носит название «синглетного» и по своим химическим свойствам является нестабильным и токсичным для биологических субстанций.
Наиболее важным источником АФК в организме являются лейкоциты. Различные виды лейкоцитов значительно отличаются по способности генерировать АФК. Наиболее сильно их генерируют гранулоциты и, прежде всего, нейтрофилы. АФК образуются внутриклеточно в митохондриях, микросомах, пероксисомах и внеклеточно, при «респираторном взрыве» в процессе фагоцитоза. Основной механизм токсичности АФК заключается в их способности инициировать свободнорадикальное перекисное окисление липидов.
«Респираторный взрыв» («оксидантный или окислительный стресс») играет существенную роль в патогенезе как ишемического, так и геморрагического инсульта. Он включает в себя ряд одновременно протекающих и взаимосвязанных процессов: увеличение потребления глюкозы за счет ее усиленного окисления через глюкозомонофосфатный шунт; образование и выделение клетками избытка активных форм кислорода; эмиссия квантов света.
Все свободные радикалы имеют высокую реактивность. Они способны изменять функциональные свойства ферментов, углеводов, белков, в том числе таких жизненно важных для поддержания жизнедеятельности клетки, как ДНК и РНК. Под их влиянием клетки утрачивают оптимум функциональной активности, появляются аномальные белки, стимулируются деструктивные процессы.
Головной мозг является органом, одновременно наиболее предрасположенным к индукции свободнорадикальных реакций и наиболее чувствительным к их воздействию. Это связано с высоким содержанием в тканях мозга фосфолипидов; олеиновой кислоты; соотношением белки/липиды (в 10 раз большим, чем в скелетных мышцах); малым содержанием природного антиоксиданта – витамина А; низкой активностью антиокислительных ферментов глутатионпероксидазы, каталазы, трансферрина и церуллоплазмина; а также высоким содержанием сильнейшего окислителя – ионов двухвалентного железа.
Дополнительное снижение количества собственных антиоксидантных защитных систем в головном мозге, обладающем крайне низкой резистентностью к ишемии и гипоксии, на фоне церебральной ишемии, обусловленной снижением локального, а часто и системного кровотока, вызывает лавинообразное образование свободных радикалов и других АФК в ткани мозга, что ускоряет деградацию фосфолипидных структур мембран нейронов (активация фосфолипазного гидролиза с участием фосфолипазы А2) с высвобождением ненасыщенных жирных кислот, которые рассматриваются как главный субстрат ПОЛ. Повышенная продукция свободных радикалов (ОН–,О2–) при инсульте является причиной длительного спазма сосудов, расположенных перифокально очагу кровоизлияния или ишемии. Свободнорадикальная атака ненасыщенными жирными кислотами, прежде всего арахидоновой, обуславливает каскадный рост АФК, инициирующих свободнорадикальное окисление липидов и расширение зон ишемического повреждения.
Таким образом, важнейшими патогенетическими звеньями при инсульте любого генеза являются деэнергизация клеток мозга за счет снижения активности дыхательной мощности митохондрий с активацией свободнорадикальных процессов, инициируемых неутилизированным кислородом, одновременно с быстрыми реакциями глутамат-кальциевого каскада. Уже через несколько минут после начала ишемии отмечается высвобождение липидов из клеточных мембран, интенсифицирующее процессы свободнорадикального перекисного окисления липидов. Важно отметить, что патологическая активация свободнорадикальных процессов имеет место уже через несколько минут, а иногда и часов, с момента появления первых симптомов инсульта, достигая максимума к 24 – 72 часам заболевания. Кроме того, при инсульте нарушаются адаптационные резервы ткани мозга и снижаются ее антиоксидантные свойства.
Относительно неспецифичной реакцией генома на любое повреждающее воздействие, в т. ч. ишемию, является экспрессия генов раннего реагирования – так называемых «третичных мессенджеров» (гена c-fos, гена c-jun, гена krox-20, гена zif/268 и др.). Начинается экспрессия генов в ядре после получения сигнала от рецепторов и мембран о повреждающем клетку воздействии. Экспрессия большинства генов приводит к синтезу ДНК-связанных протеинов, которые, в свою очередь, вызывают экспрессию широкого спектра других генов раннего реагирования, кодирующих сигнальные молекулы, вовлеченные в биохимические каскады: протеинфосфатазы, G-белки, тканевой активатор плазминогена, циклооксигеназу, синтезируемые цитокины и др. Таким образом, гены раннего реагирования участвуют в передаче информации от клетки к клетке. Белки fos-, junи krox-генных семейств играют решающую роль в контроле клеточного цикла, развития, роста и клеточной дифференцировки, а также определяют путь дифференцировки нейронов ЦНС. Следовательно, транскрипционные факторы, гены раннего реагирования, могут являться важными медиаторами как нейрональной смерти, так и выживания клеток.
На следующем этапе «ишемического каскада» выявляются отдаленные последствия ишемии – отсроченные во времени существенные изменения в ткани мозга. К ним относятся процессы местного воспаления, аутоагрессивные иммунные реакции, расстройства микроциркуляции, повреждения гематоэнцефалического барьера и другие.
