БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, 2014, том 40, № 3, с. 259-274
ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ
УДК 577.152.3
ЭНДОТЕЛИАЛЬНЫЙ ГЛИКОКАЛИКС СИСТЕМЫ КРОВООБРАЩЕНИЯ. II*. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ, СОСТОЯНИЕ В НОРМЕ И ПАТОЛОГИИ, БИОИНЖЕНЕРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ © 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 22.04.2013 г.
Принята к печати 01.07.2013 г.
Гликокаликс — комплекс мембраносвязанных молекул, существующий на границе между циркулирующей кровью и эндотелием сосудистой стенки, выполняет ряд специфических биологических функций, поддерживающих сосудистый гомеостаз. В его состав входят связанные с мембранными белками сульфатированные гликозаминогликаны (протеогликаны), гиалуронан, гликопротеины, белки плазмы крови. В настоящее время эндотелиальный гликокаликс рассматривается не только как простой инертный барьер и молекулярное сито, но и как самообновляющаяся трехмерная сеть из различных полисахаридных и белковых производных, резервуар для биологически активных соединений, механотрансдуктор напряжения сдвига кровотока на слой эндотелия. В условиях патологических повреждений сосудов происходит разрушение эндотелиального гликокаликса, что нарушает целостность сосудистой стенки на уровне макро- и микроциркуляции и ведет к развитию сердечно-сосудистых и других заболеваний. Деструкция гликокаликса предстает одной из первых стадий сосудистого поражения. Это обосновывает диагностическую ценность выявления его состояния и терапевтическую значимость коррекции имеющихся нарушений. Перспективным выглядит биомедицинское использование эндотелиального гликокаликса и его компонентов в молекулярной и клеточной инженерии.
Ключевые слова: гликокаликс, эндотелий, сосудистая проницаемость, напряжение сдвига, межклеточное взаимодействие, гипергликемия, ишемия/реперфузия.
DOI: 10.7868/S0132342314030087
Стратегическое расположение эндотелиального гликокаликса (ЭГ) на границе взаимодействия кровотока и эндотелия подразумевает участие этой структуры в широком спектре процессов функционирования сосудистой системы как в условиях нормы, так и при патологии [2, 3]. Проведенные исследования продемонстрировали, что основными функциями ЭГ в норме являются регуляция сосудистого гомеостаза и тонуса, поддер-
* Сообщение I см. [1]. Сокращения: CAT — каталаза; CHS — хондроитинсульфат; eNOS — эндотелиальная NO-синтаза; FITC — фенилизотио-цианат; LPS — липополисахарид, NO — оксид азота, PGI2 — простациклин, SOD и ex-SOD — Cu, Zn-супероксиддисмутаза и ее внеклеточная форма, TFPI — ингибитор пути тканевого фактора; АФК — активные формы кислорода, ГАГ — гликозаминогликаны, ЛПНП — липопротеины низкой плотности, ОИМ — острый инфаркт миокарда, ПГ — протеогликаны, ПППА — плотные периферические полосы актина; ТАП — тканевый активатор плазминогена; ИАП — ингибитор активатора плазминогена; ЭГ — эндотелиальный гликокаликс. #Автор для переписки (тел.: +7-(495)-414-6025, эл. почта: alexmak@cardio.ru).
жание интерстициального жидкостного равновесия и контроль взаимодействия клеток крови и сигнальных соединений с сосудистой стенкой. Исследование функций ЭГ обоснованно ставит новые задачи последовательного изучения и практического использования его свойств.
ФУНКЦИИ ЭНДОТЕЛИАЛЬНОГО ГЛИКОКАЛИКСА
Макромолекулярное сито
Эндотелиальный гликокаликс проницаем для низкомолекулярных соединений (воды, ионов и небольших гидрофильных молекул), тогда как в отношении высокомолекулярных веществ он демонстрирует избирательную проницаемость, зависящую, в частности, от заряда соединения. Благодаря своей специфической ячеистой структуре и суммарному отрицательному заряду, ЭГ может выступать в роли селективного молекулярного сита, обеспечивающего избирательную фильтра-
цию компонентов плазмы крови и регулирующего сосудистую проницаемость [4, 5]. Это свойство ЭГ обнаружилось при изучении проницаемости артериол брыжейки крысы с помощью флуоресцентно-меченных декстранов с различной молекулярной массой [6]. Ферментативное удаление ряда компонентов ЭГ приводит к увеличению сосудистой проницаемости для макромолекул кровотока (преимущественно белков плазмы, например альбумина, или используемых в экспериментальных изучениях декстранов с флуоресцентными метками), результатом чего становится тканевый отек [7—9].
При создании математических моделей (пространственной, а позже — упрощенной одномерной) для расчета процесса прохождения жидкости через капиллярную стенку использовалось допущение, что локальный концентрационный градиент белка, создающий рабочее коллоидно-осмотическое (онкотическое) давление, следует применять не к общей толщине капиллярной стенки, а исключительно в отношении самой матрицы гликокаликса. Она обладает свойством самостоятельно регулировать баланс между прямой и обратной фильтрацией жидкости с растворенными низкомолекулярными компонентами за счет конвекции и диффузии. С учетом существования гликокаликса на эндотелиальной поверхности и вклада гидродинамических параметров (в различных сегментах сосудистой стенки) и свойств прилегающего пространства (в том числе в областях межклеточных контактов) расчетно были получены вполне удовлетворительные результаты о значимой роли гликокаликса в процессе микрососудистой фильтрации [10].
Эксперименты для обоснования теоретического моделирования, выполненные методом конфокальной микроскопии на микрососудах брыжейки лягушки и крысы с тщательным контролем концентраций белка в тканевом пространстве и просвете сосуда, подтвердили предполагаемую заметную роль ЭГ в процессах сосудистой фильтрации, происходящих за счет градиента концентраций белка на границах ЭГ [11, 12]. Таким образом, фильтрационные свойства капиллярных сетей в различных типах тканей могут быть сходны и определяются в первую очередь существованием ЭГ и высокой концентрацией в плазме отрицательно заряженного альбумина, создающего у поверхности сосудистой стенки требуемое для нормальной фильтрации онкотическое давление.
Гликокаликс во взаимодействиях эндотелия с клетками
ЭГ, экранируя люминальную поверхность сосудистой стенки, может регулировать взаимодействия клеток эндотелия с циркулирующими клетками крови. В отношении эритроцитов он выполняет
функцию "смазочного материала", способствующего продвижению этих клеток по сосудистому руслу, в особенности в капиллярах системы микроциркуляции [13]. Само по себе присутствие ЭГ in vivo в этих сегментах является основным фактором, регулирующим локальную вязкость крови и гемато-крит капилляров, значительно увеличивая капиллярное сопротивление для циркулирующих компонентов [14, 15].
Увеличение микрососудистого сопротивления в областях с повышенной скоростью кровотока (>1000 мкм/с) может вызывать деформацию эритроцитов и создавать зону исключения циркулирующих клеток у поверхности сосудистой стенки, заполняемую расширяющимся ЭГ. Это выглядит так, будто ЭГ отталкивает эритроциты от поверхности стенки (рис. 1, [16]). Этот эффект устраняется при обработке участка сосуда направленным УФ-из-лучением, вызывающим разрушение структуры ЭГ [13]. На участках микроциркуляции с пульсирующим кровотоком, где скорость крови не превышает 100—200 мкм/с и периодически падает до "нуля" (в капиллярах скелетных мышц), эритроциты (обладающие достаточно эластичной мембраной) изменяют свою форму, расширяясь и заполняя собой все люминальное пространство сосуда [17]. Прохождение эритроцитов по капилляру с максимальным сжатием ЭГ способствует развитию противодействующей этому сжатию восстанавливающей силы, достаточной для быстрого распрямления эластичной структуры ЭГ до ее исходного размера [13, 18]. Вполне вероятно, что при тесном контакте с эритроцитом ЭГ может взаимодействовать с рецепторами его клеточной поверхности для осуществления межклеточного обмена [19]. Кроме того, внеклеточное окружение самого эритроцита [20] и ЭГ сосудистой стенки [21] создают диффузионный барьер, способный значительно снижать скорость связывания эрит-роцитарным гемоглобином NO, продуцируемого эндотелием.
В условиях нормы сосудистый эндотелий не взаимодействует с тромбоцитами; их адгезии на сосудистой стенке препятствуют ее антитромбо-тические свойства [22]. Активация эндотелиаль-ных клеток при гипертензии, диабетах и в процессе ишемии/реперфузии приводит к развитию эндотелиальной дисфункции и изменению поверхностной структуры эндотелиального монослоя с экспонированием на нем молекул адгезии (P- и E-селектины, ICAM-1, VCAM-1), инициирующих адгезию и роллинг (перекатывание по сосудистой стенке) циркулирующих тромбоцитов и лейкоцитов [22—25]. Подобные изменения представляют собой один из важнейших факторов развития атеросклеротического поражения. Процесс адгезии тромбоцитов к поврежденной сосудистой стенке достаточно подробно изучен, в отличие от процессов роллинга и адгезии тромбо-
цитов к интактному активированному эндотелию, происходящему in vivo, в том числе при высоких значениях напряжения сдвига [26, 27].
Механизмы описанных эффектов тромбоцитов на эндотелии сходны с поведением (взаимодействием и роллингом) активированных лейкоцитов, хотя последнего этапа подобного взаимодействия лейкоцитов — их трансмиграции через неповрежденную сосудистую стенку в ткань — у тромбоцитов не происходит. Первичная адгезия тромбоцитов к эндотелиальным клеткам приводит к накоплению активированных тромбоцитов и образованию агрегатов на поверхности сосудистой стенки, что создает базу для последующего рекрутинга (усиленного привлечения, мобилизации в эту зону) лейкоцитов [28]. Вероятно, что ЭГ может принимать участие в инициации процесса первичной адгезии тромбоцитов к сосудистой стенке. В нескольких работах было продемонстрировано, что нарушение целостности ЭГ действием нейраминидазы [29] или окисленных ли-попротеинов низкой плотности (ЛПНП) [30] приводило к адгезии тромбоцитов к эндотелию.
Адгезия лейкоцитов к эндотелию также требует активации последнего и экспонирования на его поверхности индуцируемых молекул адгезии. Процесс присоеди
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.