БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, 2014, том 40, № 2, с. 131-141
ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ
УДК 577.152.3
ЭНДОТЕЛИАЛЬНЫЙ ГЛИКОКАЛИКС СИСТЕМЫ КРОВООБРАЩЕНИЯ. I. ОБНАРУЖЕНИЕ, КОМПОНЕНТЫ, СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ
© 2014 г. А. В. Максименко#, А. Д. Турашев
Институт экспериментальной кардиологии ФГБУ "Российский кардиологический научно-производственный комплекс" Министерства здравоохранения Российской Федерации, Москва Поступила в редакцию 12.09.2012 г. Принята к печати 10.06.2013 г.
На люминальной поверхности эндотелия кровеносных сосудов располагается сложная и многокомпонентная, в основном углевод-белковая система, называемая гликокаликсом. Согласно концепции "двойного протекторного слоя" сосудистой стенки гликокаликс предстает первым барьером, стоящим на ее защите. Состав гликокаликса определяется группой протеогликанов, гликопротеи-нов и гликозаминогликанов. Выделяют группу мембранных протеогликанов (связанных с мембранами эндотелиальных клеток синдеканов и глипиканов) и растворимых (перлекан, бигликан, вер-сикан, декорин, мимекан). Имеется пять типов гликозаминогликановых цепей — гепарансульфат, хондроитинсульфат, дерматансульфат, кератансульфат и гиалуронан. Между растворимыми компонентами гликокаликса и протекающей кровью существует динамическое равновесие, что позволяет обособлять эндотелиальный поверхностный слой. Благодаря своей многокомпонентности и расположению на границе системы циркуляции крови, гликокаликс участвует в поддержании сосудистого гомеостаза. Описаны молекулярный состав, свойства компонентов эндотелиального гликока-ликса, их биосинтез и общая структура.
Ключевые слова: гликокаликс, эндотелий, протеогликаны, гликопротеины, гликозаминогликаны, пространственная структура гликокаликса, прижизненная микроскопия.
DOI: 10.7868/S0132342314020110
ВВЕДЕНИЕ
В условиях физиологической нормы люми-нальная поверхность эндотелия сосудистой стенки покрыта слоем разнообразных связанных с эндо-телиальной мембраной макромолекул, совокупность которых представляет собой эндотелиальный гликокаликс (ЭГ) [1]. Входящие в его состав белко-во-углеводные и углеводно-липидные комплексы вместе с белками плазмы крови формируют выстилку на эндотелии со специфичной структурой и широким набором функций [2]. В последнее десятилетие неоспоримо заметен рост исследовательского интереса к ЭГ и с развитием новых методов исследования возросла многосторонность его изучения. В предлагаемой вниманию публикации
Сокращения: CLSM и TPLSM — сканирующая и двухфо-тонная лазерная сканирующая микроскопия, FITC — флу-оресцеинизотиоцианат, GFI — гликозилфосфатидилино-зитол, HAS — гиалуронансинтазы, TNFa — фактор некроза опухолей a, АФК — активные формы кислорода, ГАГ — гликозаминогликаны, ЛПНП — липопротеины низкой плотности, ПГ — протеогликаны, ЭГ — эндотелиальный гликокаликс.
#Автор для связи (тел.: +7 (495) 414-60-25; эл. почта: alexmak@cardio.ru).
(в двух частях) делается первая попытка обобщения накопленных данных о ЭГ и об их биомедицинском использовании в смежных областях исследований.
Расположение ЭГ на стратегической границе между кровотоком и сосудистым эндотелием обусловливает его влияние на распределение жидкости между тканью и сосудистой системой [3]. Именно различия между данными теоретических расчетов фильтрации жидкостей в микрососудах и экспериментально полученными результатами указывают на существование ЭГ [2]. Проведенные ранее определения параметров фильтрации на моделях (согласно принципу Старлинга [4]) по разнице между гидравлическим и коллоидно-осмотическим (онкотическим) давлениями в просвете сосуда и в прилегающей ткани, а также по гидравлической проводимости сосудистой стенки [4] пренебрегали присутствием белка (в силу его низкой концентрации в тканях), не учитывали венозной реабсорбции жидкости и наличия тока лимфы [2]. Отмеченные выше допущения и недостатки методов, порождавшие устойчивые различия между теоретическими и экспериментальными результатами, привели к необходимо-
сти критического пересмотра сформировавшейся еще в позапрошлом веке концепции капиллярной фильтрации жидкости через стенки сосудов. Современная концепция предполагает, что фильтрационные свойства капиллярной стенки определяются наличием на ее эндотелиальной поверхности (поверх трансэндотелиальных каналов и областей межклеточных контактов) — волокнистой пористой матрицы ЭГ [5, 6].
Предсказанное существование ЭГ [7, 8] ждало своего визуального подтверждения более двадцати лет. Впервые оно было получено с помощью метода трансмиссионной электронной микроскопии на образцах микрососудистой сети слизистой оболочки кишечника крысы с использованием катионного красителя рутения красного [9]. Впоследствии в качестве маркеров ЭГ использовались коллоидное золото [10], иммунопероксидаз-ное мечение [11], белки с высокой полярностью, такие как катионизированный ферритин [12]. Определяемая толщина ЭГ в работах [10—12] превышала первоначально установленную (~20 нм [9]) в 1.5—2 раза и противоречила расчетным величинам математических моделей (1000 нм) [13, 14]. Оказалось, что при использовании указанных фиксаторов происходит растворение и удаление большинства компонентов ЭГ, что искажает его вид в подготовленных для микроскопии препаратах, занижая величину экспериментальных результатов.
Для предотвращения разрушения структуры ЭГ стали использовать в качестве красителя аль-циановый голубой 8GX [15]. Установленная толщина ЭГ в капиллярах миокарда крысы составляла 200—500 нм, а после обработки гиалуронидазой снижалась до 100—200 нм. Похожие значения были получены для гломерулярных капилляров с использованием фторуглеродных фиксаторов [16, 17] и глутарового альдегида [18, 19].
Предлагаемые методы визуализации ЭГ на основе микроскопии были ограничены невозможностью его наблюдения in vivo и артефактами фиксации при подготовке препаратов для микроскопии. Это объясняет интерес, возникший к методам прижизненной микроскопии, таким как "методика высвобождения красителя" [20], определявшая ЭГ как пробел между сосудистой стенкой капилляра и последовательно движущимися друг за другом в кровотоке эритроцитами. Использование меченного флуоресцеинизотиоциа-натом декстрана (FITC-декстран, М 70 кДа) позволило определить толщину ЭГ в капиллярах поддерживающей тестикулы кремастерной мышцы хомяка равной 400—500 нм. Эти данные подтверждали разрушение ЭГ при его визуализации методом микроскопии ex vivo и обусловили широкое применение FITC-декстрана для слежения за роллингом лейкоцитов по ЭГ [21], за сжатием
ЭГ эритроцитами при окклюзии/реперфузии кровотока [20] и за действием на ЭГ активных форм кислорода (АФК) [20] и окисленных липо-протеинов низкой плотности (ЛПНП) [22]. Ограничения такого подхода обусловлены пригодностью этой методики только для работы с сосудами размером не крупнее 12—15 мкм и только с определенным типом ткани, подобной кремастерной мышце хомяка (низкая толщина, четкое различие эндотелиоцитов и клеток крови, возможность измерения локальных скоростей кровотока), а также отсутствием прямой визуализации ЭГ.
Перфузия флуоресцентных микрочастиц в ве-нулах кремастерной мышцы хомяка служила также для оценки характера распределения их скоростей по всему профилю сечения микрососуда [23]. Эффективная гидродинамическая толщина ЭГ была порядка 0.3—0.35 мкм. Полный анализ профиля скоростей по всей плоскости микрососуда позволил уточнить полученные ранее данные по толщине ЭГ [24]. В венулах эффективная толщина ЭГ составляла ~0.5 мкм, а после его деградации лазерным облучением — 0.2 мкм.
Прямой визуализации ЭГ удалось добиться, используя в качестве маркерных флуоресцентных соединений лектины, способные связываться со специфическими углеводами сосудистой стенки, и антитела против белков и углеводов в ЭГ [25, 26]. Лазерная сканирующая микроскопия тканевых образцов (конфокального (CLSM) и двухфотон-ного (TPLSM) типа) позволяет создавать пространственную реконструкцию визуализируемых объектов с последующей обработкой полученных данных. Методом CLSM был визуализирован ЭГ толщиной 2—3 мкм на поверхности культивируемых эндотелиоцитов [27]. Глубина проникновения световых лучей в ткани при использовании метода CLSM составила не более 40 мкм, что ограничивает его использование на крупных сосудах с толстой стенкой, обычно расположенных глубже, а также на изолированных органах и клеточных культурах.
Изучать ткани на глубине более 1 мм дает возможность метод TPLSM, позволяя осуществлять визуализацию ЭГ в крупных артериях, таких как сонная артерия мыши с толщиной ЭГ 3.5—5.5 мкм [28]. Сегодня этот метод видится наиболее перспективным в исследовании функционирования ЭГ in vivo в микро- и макроциркуляторной системе мелких животных.
Кроме того, проводятся эксперименты по разработке диагностических методик неинвазивной и воспроизводимой оценки ЭГ у людей, необходимой для соотнесения состояния ЭГ с риском развития сердечно-сосудистых заболеваний. Один из разрабатываемых подходов базируется на оценке состояния гликокаликса микроциркуляторной сети в сублингвальной области человека. Такая
оценка формируется с помощью метода ортогональной поляризационной спектроскопии (orthogonal polarization spectroscopy, OPS) по данным изменения размеров толщины колонны эритроцитов в капилляре после единичного прохождения лейкоцита [29]. Полученные результаты сопоставляли с измерениями системного объема ЭГ и была показана обратная связь между толщиной ЭГ микроциркуляторной сети и наличием факторов риска сердечно-сосудистых поражений. Перспективной для таких целей предстает методика темнопольной микроскопии (side-stream dark field imaging, SDF) [30].
Растущая сегодня актуальность изучения ЭГ обнаружила разную степень изученности свойств его разнообразных компонентов и продемонстрировала целесообразность новых аспектов его исследования. В нашем обзоре будет рассмотрен широкий круг вопросов, связанных с изучением ЭГ в рамках науки о живом. Первая часть обзора посвящена многокомпонентному составу ЭГ, его структурной организации и биосинтезу его элементов. Во второй части речь пойдет о многообразных функциях ЭГ в состоянии
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.