Введение
Активность ферментов антиоксидантной системы играет важную роль в патогенезе развития большого количества заболеваний. Это, прежде всего, болезни, базовые механизмы развития которых включают такой типовой патологический процесс, как воспаление, в частности острый панкреатит [1]. С другой стороны, ряд воздействий, модулирующих метаболизм клеток, например ограничение калорийности, тоже может индуцировать усиление или снижение активности антиоксидантной защиты. Одним из ключевых ферментов антиоксидантной системы является супероксиддисмутаза (СОД). СОД — фермент, принимающий участие в реакции дисмутации супероксидных анион-радикалов. Известно, что существуют три изоформы СОД, отличающиеся по структуре, металлам, выполняющим каталитическую функцию, и локализацией: цитозольная (Cu, Zn-СОД, СОД1), митохондриальная (Mn-СОД, СОД2), экстрацеллюлярная (Э-СОД, СОДЗ). Согласно ряду исследований, СОД считается главным компонентом антиоксидантной защиты эритроцитов [2]. В данном обзоре проанализированы изменение активности СОД, индуцированное различными факторами, предполагаемые механизмы и роль в физиологических и патологических процессах.
Цель обзора — представить современные данные о роли СОД в антиоксидантной защите и регуляции активности генов.
Изменение активности СОД при остром панкреатите
Целым рядом исследователей показаны изменение активности СОД при остром панкреатите, механизмы выявленных изменений, многообразная роль СОД в патогенезе заболевания. Так, снижение активности СОД было выявлено у крыс с острым панкреатитом, инициированным инфузией 5% раствора натрия таурохолата в главный проток поджелудочной железы при содержании животных на гиперлипидемической диете, что сопровождалось повышением уровня малонового диальдегида, снижением уровня восстановленого глутатиона и инфильтрацией ткани поджелудочной железы MPO-позитивными нейтрофилами и CD68-позитивными макрофагами. При этом происходило усиление экспрессии TLR4, обусловленное повышением в крови уровня свободных жирных кислот. В результате этого происходили активация фактора транскрипции NF-κB и транслокация его в ядро клетки, усиление экспрессии фактора некроза опухоли α (TNF-α) и маркера некроптоза RIP3. Up-регуляция RIP3 сигналинга играет ведущую роль при индукции и прогрессировании острого панкреатита в используемой животной модели [3]. TLR4 является представителем Toll-подобных рецепторов, семейства трансмембранных белков, играющих одну из ключевых ролей в воспалении. TLR4 способен взаимодействовать с рядом экзогенных и эндогенных лигандов, осуществляя медиацию процесса воспаления. В ткани поджелудочной железы выявлен высокий уровень экспрессии TLR4, ингибирование экспрессии этого рецептора при остром панкреатите приводило к подавлению некроза ацинарных клеток и снижению степени тяжести острого панкреатита [4]. Кроме того, установлено, что при остром панкреатите TLR4 принимает участие в регуляции синтеза цитокинов, рекрутинге нейтрофилов и повреждении тканей [5].
Предварительное антиоксидантное и антивоспалительное воздействие в течение 7 сут на мышей с последующей индукцией острого панкреатита церулином приводило к достоверному уменьшению уровней липазы и амилазы в плазме крови мышей. Уровень малонового диальдегида и нитритов в группе мышей с острым панкреатитом после предварительного лечебного воздействия тоже был достоверно ниже по сравнению с животными с острым панкреатитом контрольной группы. Кроме того, нивелировалось снижение активности СОД и каталазы, обусловленное острым панкреатитом. Для острого панкреатита характерно повышение уровней провоспалительных цитокинов, таких как интерлейкин(IL)-6, IL-1β, TNF-α. Известно, что IL-6 посредством взаимодействия с белком gp 130 принимает участие в активации сигнального пути JAK-STAT [6]. Предварительное антиоксидантное и антивоспалительное лечение приводило к снижению содержания этих провоспалительных цитокинов в плазме крови и одновременному повышению уровня IL-10, обладающего антивоспалительными свойствами у мышей с индуцированным острым панкреатитом. Кроме того, снижалась экспрессия NF-κB и циклооксигеназы (COX-2) [7].
Использование миметика СОД в мышиной модели острого панкреатита in vitro предотвращало развитие присущих воспалению и окислительному стрессу изменений в макрофагах, в экспериментах in vivo снижало морфологические и клинические проявления острого панкреатита, а также уменьшало экспрессию p65-NF-κB и ацетилирование гистона H3 в остатках лизина K14, K56 и K79 [1].
Установлено, что СОД1 принимает участие в предотвращении окисления липидов и белков, приводящего к разрушению и гибели эритроцитов, что может явиться причиной развития анемии при остром панкреатите [8]. Кроме того, СОД2 может препятствовать повышению ригидности и снижению деформируемости эритроцитов вследствие окислительного стресса, способствующих повышенному разрушению красных клеток крови [9].
Использование природных антиоксидантов и иммуномодуляторов при повреждении легких, обусловленном острым панкреатитом в животной модели острого панкреатита, способно повышать сниженный уровень СОД, снижать уровни TNF-α и IL-6, а также увеличивать концентрацию противовоспалительного цитокина IL-10 в ткани легких. Предполагается, что этот эффект обусловлен up-регуляцией экспрессии таких белков сигнального пути Nrf2/ARE, как Cyt-Nrf2, HO-1 и NQO1 [10].
В церулин-индуцированной мышиной модели острого панкреатита противовоспалительная, антиоксидантная терапия с дополнительным антипролиферативным эффектом приводила к повышению сниженного уровня СОД, уменьшению инфильтрации поджелудочной железы нейтрофилами и макрофагами, снижению уровней в плазме крови провоспалительных цитокинов TNF-α и IL-6, что, как предполагают авторы исследования, обусловлено повышением экспрессии ядерного фактора эритроидного 2-родственного фактора 2 (Nrf2) и, как следствие, экспрессии Nrf2-регулируемых генов, включающих HO-1, SOD1, GPx1 и NQO1, а также снижением экспрессии фактора транскрипции NF-κB [11].
Индукция острого панкреатита в таурохолатной крысиной модели заболевания сопровождалась активацией моноцитов/макрофагов и полиморфно-ядерных гранулоцитов, приводящей к снижению активности СОД и повышению продукции цитокинов, включающих TNF-α, IL-1, IL-6, IL-8, PAF, ICAM-1, а также таких медиаторов воспаления, как простагландины, лейкотриены, тромбоксаны, фактор активации тромбоцитов, активные формы кислорода [ROS], оксид азота [NO], протеазы. В результате развивался синдром системного воспалительного ответа (SIRS), сопровождающийся тяжелым острым поражением легких, развитием шока, почечной недостаточности, синдрома мультиорганной дисфункции (MODS) и высоким процентом гибели животных опытной группы [12]. Кроме того, при морфологическом исследовании ткани поджелудочной железы было выявлено повышение количества клеток, гибнущих путем апоптоза. Использование антиоксидантной и противоишемической терапии приводило к повышению активности СОД и увеличению продолжительности жизни экспериментальных животных [12].
В экспериментальной модели церулин-индуцированного панкреатита, наряду со снижением активности СОД, снижались активность глутатионпероксидазы и уровень восстановленного глутатиона. При этом повышался уровень липидных пероксидов, свидетельствующий об активации окислительного стресса, уровни TNF-α и IL-1β тоже были повышены [13].
Выявлен ряд полиморфизмов гена СОД, в частности острый деструктивный панкреатит R213G, при котором создаются предпосылки для развития острого воспаления. К числу механизмов, обусловливающих этот эффект, относится изменение уровня экспрессии различных микроРНК [14]. Кроме того, в последние годы появились исследования о регуляторной взаимосвязи между кольцевыми РНК и микроРНК [15]. Так, в исследованиях было доказано, что в модели церулин-индуцированного панкреатита происходит понижение экспрессии miR-212-3p, что сопровождалось снижением активности СОД и повышением уровня экспрессии кольцевой РНК circ_0073748. Изменение экспрессии miR-212-3p приводит к up-регуляции TNF рецептор-ассоциированного фактора 3 (TRAF3), принадлежащего к TRAF-семейству сигнальных трансдьюсеров как для TNF, так и для IL-1/TLR-рецептора, который необходим для активации канонического сигнального пути NF-κB, играющего одну из ключевых ролей в патогенезе острого панкреатита [16, 17].
Тем не менее рядом исследователей показано повышение концентрации одной из изоформ СОД на фоне снижения других изоформ при остром панкреатите. Так, M. Ściskalska и соавт. при исследовании изменения концентрации СОД1, СОД2 и СОД3 у пациентов с острым панкреатитом установили, что уровень СОД1 в плазме крови больных увеличивался, в то время как уровни СОД2 и СОД3 снижались по сравнению со здоровыми индивидуумами. Кроме того, выявлено, что наличие однонуклеотидного полиморфизма гена СОД1 rs2070424 повышает активность этого фермента и продукцию IL-6, что в свою очередь может повышать риск более тяжелого течения заболевания [8].
Исследования активности СОД проводятся не только на экспериментальных животных моделях острого панкреатита, но и в клинической практике. Так, показано значительное снижение активности СОД у пациентов с тяжелым течением острого панкреатита, сопровождающимся развитием почечной недостаточности, тяжелыми циркуляторными нарушениями и высокой смертностью [18].
Изменение активности СОД при снижении калорийности питания
Уже не вызывает сомнений, что снижение калорийности питания относится к числу таких воздействий, которые могут играть роль в индукции изменений метаболизма и активности ферментов [19]. Так, снижение калорийности питания у женщин с повышенной массой тела приводило к уменьшению активности глутатионпероксидазы 1 и СОД1 [20]. Снижение калорийности питания в сочетании с использованием цинка у пациентов с избыточным весом и неалкогольной жировой болезнью печени приводило к повышению активности СОД [21]. Ограничение калорийности питания в течение 6 мес приводило к повышению экспрессии мессенджерной РНК коактиватора 1-α пероксисомного пролифератор-активируемого рецептора γ (PGC1-α) и митохондриального транскрипционного фактора A (TFAM), являющихся ключевыми маркерами, вовлеченными в биогенез митохондрий, содержание митохондриальной ДНК и активность СОД [20].
Нарушения питания в раннем возрасте создают предпосылки для развития метаболических заболеваний в последующем. Повышение калорийности питания у мышат приводило к развитию изменений в печени животных, характеризующихся микростеатозом и фиброзом, ассоциированными с окислительным стрессом, и преждевременного, индуцированного дисбалансом окислительно-восстановительного равновесия старения. Снижение калорийности питания на 20% в течение 1 мес приводило к морфологическим изменениям в печени, свидетельствующим о редукции микростеатоза, что сопровождалось повышением активности СОД, кроме того, выявлялось снижение экспрессии липофусцина, p21, p53, Acp53, p16, однако экспрессия pRb/Rb и sirtuin-1 повышалась [22].
Установлено, что при гипертрофии миокарда происходит активация окислительного стресса, увеличивается продукция H2O2, при этом снижается активность СОД и глутатионпероксидазы. Снижение калорийности предотвращает нарушение активности ферментов антиоксидантой системы [23]. Кроме того, снижение калорийности предотвращало индуцированное акролеином, высокореактивным ненасыщенным альдегидом, развитие окислительного стресса у крыс, приводящее к нарушению активности СОД и снижению уровня глутатиона. Сделано предположение, что этот эффект обусловлен активацией сигнального пути BDNF/TrkB [24]. C. David и соавт. показали, что снижение калорийности питания мышей с изопротеренол-индуцированной гипертрофией миокарда приводило к снижению показателей окислительного стресса и повышению сниженной при индукции гипертрофии активности СОД. Механизм этого эффекта частично ассоциирован с улучшением при снижении калорийности функционирования митохондриальных АТФ-чувствительных калиевых каналов. Ингибирование этих каналов приводило к нивелированию положительного эффекта ограничения калорийности питания [25]. Ограничение калорийности на 50% от нормы на протяжении 3 мес у крыс с овариэктомией, моделирующей менопаузальный период, приводило к повышению активности СОД и других антиоксидантных ферментов и улучшению состояния сердечно-сосудистой системы [26]. Снижение калорийности питания у крыс с индуцированным введением 10% раствора фруктозы в течение 3 мес приводило к улучшению состояния сердечно-сосудистой системы у животных и снижению повышенных вследствие развития метаболического синдрома уровней TNF-α, ингибитора активатора плазминогена (PAI-1), малонового диальдегида (MDA). В то же время происходила нормализация сниженной активности СОД и сниженного уровня восстановленного глутатиона [27].
При ожирении увеличение количества и/или объема адипоцитов, их дисфункция приводят к повышенной выработке провоспалительных биологически активных веществ, способствующих развитию длительного вялотекущего воспаления, играющего важную роль в патогенезе ассоциированных с ожирением заболеваний. При хроническом воспалении происходит аккумуляция активных форм кислорода (АФК) и снижение активности антиоксидантной защиты, что интенсифицирует окислительный стресс. Повышение продукции АФК при ожирении обусловлено дисбалансом адипокинов, митохондриальным и пероксисомальным окислением жирных кислот, повышением продукции АФК при работе дыхательной цепи, обусловленным реперфузией, следующей за гипоксией. Снижение калорийности питания у пациентов с ожирением привело к увеличению активности СОД и снижению плазменных уровней лептина, С-реактивного белка, IL-6 и TNF-α, что происходило на фоне снижения веса и улучшения общего самочувствия пациентов [28]. Ограничение калорийности повышает экспрессию флавинсодержащей монооксигеназы 3, фермента, up-регуляция которого ассоциирована с повышенной продолжительностью жизни экспериментальных животных. Это сопровождалось повышением активности СОД, снижением уровней провоспалительных цитокинов, в частности IL-6 в плазме крови, снижением уровня MDA, общего холестерина и триглицеридов в печени, снижением уровней маркеров старения β-gal и p16 [29, 30].
Продолжительное снижение калорийности питания у самок мышей линии MMTV-TGF-α (C57BL/6) с развивающимся во второй половине жизни раком молочной железы привело к повышению активности СОД и ряда других ферментов антиоксидантной системы, что подчеркивает положительную роль снижения калорийности при ассоциированных со старением и развитием окислительного стресса заболеваниях, к числу которых относятся и злокачественные опухоли [31]. Сочетание режима сниженной калорийности и использования синбиотиков приводило к повышению активности СОД у пациенток с онкологическими заболеваниями молочной железы. Выявленный эффект связывают со снижением активности провоспалительных факторов и увеличением активности антивоспалительных [32].
К числу доказательств того, что снижение калорийности питания может явиться фактором, регулирующим активность генов, относится исследование, выполненное Q. Qiao и соавт., в котором благодаря результатам протеомного анализа было установлено, что режим ограничения калорийности способен повышать экспрессию СОД [33].
Заключение
Таким образом, СОД не только является одним из ключевых ферментов антиоксидантной защиты, но и способна выполнять функции фактора транскрипции, регулируя активность сигнальных путей, что может стать патогенетической базой для новых методов лечения заболеваний.
Финансирование. Статья выполнена при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта №22-25-20067 и Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности в рамках научного проекта №26.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.