УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2015, том 135, № 3, с. 279-296
УДК 61:616.002:577.151
ЩЕЛОЧНАЯ ФОСФАТАЗА: УЧАСТИЕ В ДЕТОКСИКАЦИИ БАКТЕРИАЛЬНОГО ЭНДОТОКСИНА
© 2015 г. Э. А. Ефимцева, Т. И. Челпанова
Институт физиологии Коми научного центра Уральского отделения РАН,Сыктывкар
E-mail: chelpanova@physiol.komisc.ru
Обобщены современные данные о детоксикационной функции щелочной фосфатазы, осуществляемой посредством дефосфорилирования бактериального липополисахарида (эдотоксина). Приведены литературные сведения и оценка возможности использования данного фермента в качестве терапевтического средства при борьбе с воспалительными заболеваниями, вызванными грамотри-цательными бактериями.
Ключевые слова: щелочная фосфатаза, бактериальный липополисахарид, эндотоксин, энзиматиче-ское дефосфорилирование, детоксикация, антиэндотоксиновая защита, кишечный барьер.
ВВЕДЕНИЕ
На бактериальную инфекцию макроорганизм отвечает системной воспалительной реакцией, одним из индукторов которой является липополисахарид (ЛПС, эндотоксин) - облигатный компонент и продукт деградации внешних мембран грамотрицательных бактерий (Rietschel et а1., 1994). Эндотоксин, присутствующий в крови в физиологических концентрациях, не проявляет своих патогенных свойств и необходим для поддержания иммунной системы. Однако уровнь ЛПС, превышающий функциональные возможности эндогенных антиэндотоксиновых систем организма, может привести к широкому спектру неспецифических патофизиологических реакций: дисфункции органов, в том числе пониженной способности печени удалять эндотоксин из крови; нарушению защитных барьеров отдельных органов; к ЛПС-индуцированному окислительному стрессу; к тяжелым острым и хроническим воспалительным заболеваниям (Роёокку, 2002; Яковлев, 2003; Тшп ^ а1., 2009; Мо1паг ^ а1., 2012). Введение лабораторным животным очищенных препаратов ЛПС даже в пикомолярных концентрациях вызывает развитие эндотоксического шока вплоть до летального исхода (Коуата et а1., 2002).
Молекула ЛПС состоит из олигосахаридного кора (ядра), с которым ковалентно связан гидрофобный липид А, способствующий стабильности внешней мембраны бактериальной клетки и одновременно отвечающий за токсичность. Другая часть молекулы ЛПС содержит ковалентно свя-
занную с кором гидрофильную полисахаридную часть, ориентированную на внешнюю среду, и определяет специфичность иммунного ответа у высших животных и человека. В целом, молекулы бактериального эндотоксина представляют собой белково-липополисахаридные комплексы разного размера. Схематичная структура молекулы ЛПС детально приведена в ряде работ (Rietschе1 et а1., 1994; 1996; Савельев, Петухов, 2012 и др.), а также на сайте: http://g1ucoforum.gr.jp/science/word/ ттипку/^-А01Е.Мт1.
Физиологические эффекты бактериального эндотоксина опосредуются главным образом ли-пидом А в молекуле ЛПС ^Лготт et а1., 2000). Примечательно, что липид А содержит две существенные для иммуностимулирующей активности фосфатные группы, способные подвергаться эн-зиматическому гидролизу (РоеМга et а1.,1997а,Ь).
Поэлстра (РоеЫга et а1., 1997а,Ь) первым, а позднее Бентала (ВеП;а1а et а1., 2002) обнаружили, что при воспалительном процессе плацентарная щелочная фосфатаза (ЩФ) человека способна при физиологических значениях рН снижать токсичность ЛПС и уровень продуцируемого мононук-леарными фагоцитами провоспалительного цито-кина - фактора некроза опухоли (Т№-а), а также снижать смертность экспериментальных животных, инфицированных летальными дозами грамот-рицательных бактерий. Авторы предположили, что ЛПС может являться нативным субстратом ЩФ.
В большинстве исследований, посвященных возможным способам борьбы против вызванной грамотрицательными бактериями эндотоксине-
мии, рассматриваются подходы и меры, направленные на нейтрализацию избыточной продукции воспалительных медиаторов, в том числе цитокинов. Циркуляция избыточного количества воспалительных медиаторов вызывает, а затем усиливает системную воспалительную реакцию, активируя клетки тканей различных органов, и индуцирует при этом метаболические, гормональные и нейроэндокринные изменения в организме (Rietschel et al., 1996; Яковлев, 2003; Riedemann, Ward, 2003).
Работы по детоксикации бактериального эндотоксина - непосредственного причинного фактора воспаления - с помощью ЛПС-нейтрализую-щих энзимов немногочисленны, как и работы по оценке возможностей использования ферментных препаратов в качестве медицинского приложения в терапии воспалительных заболеваний, в деток-сикационной терапии сепсиса.
В данном обзоре предпринята попытка обобщить современные литературные сведения, касающиеся нейтрализации токсичности бактериального ЛПС с помощью фермента ЩФ, катализирующей реакцию дефосфорилирования. Обсуждается возможность использования ферментных препаратов ЩФ в качестве терапевтического средства для элиминации бактериального эндотоксина.
ОСНОВНЫЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ И СПОСОБЫ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ БАКТЕРИАЛЬНОГО ЭНДОТОКСИНА
Полианионная амфифильная молекула бактериального ЛПС обладает высоким отрицательным зарядом, обусловленным фосфатными, пирофосфатными и карбоксильными группами, локализованными во внутренней части олиго-сахаридного кора и липиде А, что и определяет специфические механизмы нейтрализации эндотоксина и способы действия антибактериальных веществ, нацеленных на ЛПС в качестве мишени (Howe, 2000).
Существуют различные молекулярные механизмы нейтрализации липополисахаридного эндотоксина в организме с помощью белков, специфичных к ЛПС. Одним из них является ЛПС-связывающий белок (ЛСБ) (LBP, LPS-binding protein), синтезируемый гепатоцитами (Schumann et al., 1990). Этот особый гликозилированный белок с высокой аффинностью связывается посредством N-терми-нального домена с липидом А в ЛПС, изменяя его биологические свойства. Считают, что физиоло-
гический уровнь ЛПС в крови зависит от содержания данного белка (Wright et al., 1990), а его продукция значительно увеличивается в острый период инфекции, вызванной грамотрицательны-ми бактериями (Schumann, 1998).
Другим белком, связывающим ЛПС, является бактерицидный белок (BPI, bacterial permeability-increasing protein; белок, увеличивающий проницаемость мембран), имеющий структурную гомологию с ЛСБ, но локализованный в азуро-фильных гранулах полиморфноядерных лейкоцитов. Данный белок быстро секретируется нейтрофилами в ответ на появление бактерий, поэтому правомочно рассматривать его в качестве маркера системного воспаления и бактериальной инфекции. N-терминальная часть молекулы бактерицидного белка также с высокой степенью аффинности связывается с липидом А, ингибируя ЛПС-индуцированную активацию полиморфно-ядерных лейкоцитов, продукцию фактора некроза опухоли (TNF-a) в крови, адгезию нейтрофилов к эндотелию сосудов, в результате чего снижаются симптомы бактериальной инфекции (Marra et al., 1992). Показано также, что бактерицидный белок играет важную антиинфекционную роль в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ); высокие концентрации этого белка обнаруживаются в слизистой кишечника при язвенных колитах (van Veen et al., 2005).
Особую роль в детоксикации эндотоксина играют экспрессируемые на поверхности клеток иммунной системы специфические рецепторные белки, также снижающие токсическое действие ЛПС (de Haas et al., 2000). К ним относятся семейство лейкоцитарных интегринов, а также продуцируемые макрофагами, моноцитами и полиморфноядерными лейкоцитами две формы гликопротеина CD 14 (sCD14 - растворимая и mCD14 - мембранная). Полагают, что sCD14 опосредует ЛПС-зависимую активацию клеток немиелоидного ряда, и что in vivo этот глико-протеин способен предотвращать "кислородный взрыв" моноцитов человека. Рецепторные белки CD14 связывают комплекс ЛСБ-ЛПС, но sCD14 способна связываться и непосредственно с ЛПС (Wright et al., 1990; Schumann, 1998). Мембранная mCD14 экспрессируется на плазматической мембране клеток миелоидного ряда, и ее роль заключается в ЛПС-активации клеток и последующей продукции эндогенных медиаторов. В экспериментах с цельной кровью человека, инкубированной с ЛПС, блокада CD14 моно-клональными антителами препятствует синтезу TNF-a, избыточная секреция которого вызывает эндотоксиновый шок (Wright et al., 1990).
Кроме того, в детоксикации ЛПС принимают участие трансмембранные белки, относящиеся к группе толл-подобных рецепторов. Эти белки, как например TLR4, отвечают за связь бактериального эндотоксина с клетками-мишенями (Hornef et al., 2003). Для активации TLR4, в свою очередь, требуется растворимый гликопротеин MD2. Ре-цепторный комплекс TLR4/MD2 при этом способен запускать каскад реакций, ответственных за трансдукцию ЛПС-индуцированного сигнала в клетки, активировать их через ядерный фактор каппа В (нуклеарный фактор, NF-kB) и активировать промоторы генов, кодирующих воспалительные медиаторы, вызывать синтез и секрецию макрофагами провоспалительных цитокинов (IL-1, IL-6, IL-8, TNF-a) (Barton, Medzhitov, 2002; Fitzgerald et al., 2004). Синтез ЛПС-связывающих рецепторных белков также возрастает в фазу острого инфицирования грамотрицательными бактериями (Nagai et al., 2002; Akira, Takeda, 2004; Lu et al., 2008).
Свой вклад в нейтрализацию эндотоксина вносят гуморальные антиэндотоксиновые факторы, представленные системой комплемента, транспортными белками (альбумин, гемоглобин, транс-феррин), липопротеинами (апо Е, хиломикроны, ЛПНП, ЛПВП), иммуноглобулинами, лизоцимом, лактоферрином и др., характер взаимодействия которых с ЛПС различен, как и их действие на проявление биологической активности эндотоксина (de Haas et al., 2000; Brandenburg et al., 2002; Ермак, Давыдова, 2008). Однако некоторые из перечисленных белков in vivo образуют с ЛПС обратимые комплексы, при диссоциации которых вновь образуются токсичные молекулы (Skarnes,1985).
Для нейтрализации токсичности бактериального эндотоксина и его действия используются также вещества разной природы, в том числе: антибиотики или пептиды, синтезированные на их основе; ингибиторы NF-кВ-каскада и продукции цитокинов; вещества-сорбенты, нейтрализующие действие ЛПС за счет образования с ними
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.