Гипоксия и нарушения реологических и кислородтранспортных

НИИ пульмонологии СПбГМУ им. акад. И.П.Павлова
Игнатьев В.А.
Гипоксия и нарушения
реологических и
кислородтранспортных
свойств крови.
Гипоксен ® и гемореологические и
кислородтранспортные свойства
крови.
1
Одним из элементов формирования гипоксии является нарушения
процессов, участвующих в транспорте кислорода к тканям организма.
Эти процессы тесно связаны с повреждением микроциркуляции и, в
частности, его внутреннего внутрисосудистого звена - реологических
свойств крови. В литературе имеются многочисле нные сведения,
свидетельствующие о нарушении реологических свойств крови у
больных с гипоксией. При этом в качестве основного фактора,
обуславливающего формирование нарушений реологических свойств
крови, в частности, ее вязк ости, у больных с гипоксией, считается
рост показателей гематокрита. Однако другие исследователи
рассматривают в этих с итуациях всю многофакторную систему
повышения вязкости крови. К факторам, приводящим к нарушению
реологических свойств, относят гипоксию , которая вызывает не
только полицитемию, но и способствует увеличению агрегации
эритроцитов:
ацидоз, вызывающий увеличение "жесткости"
эритроцитов, воспаление, которое благоприятствует росту внутренней
вязкости эритроцитов и, наконец, катехоламины, стиму лирующие
агрегацию эритроцитов и тромбоцитов. Таким образом, не только
полицитемия, но и структура, и функциональная активность клеток
крови и, в первую очередь, эритроци тов, играет существенную роль в
изменении состояния гемореологии. Ряд работ, посвященных этой
проблеме, доказывают связь между вязкостью крови и агрегацией
эритроцитов и их усиление у больных у больных с хронической
гипоксией
(например,
больных,
страдающие
хроническим
бронхолегочным заболеваниями). Исследования, направленные на
изучение механизмов агрегации эритроцитов, показали, что
определенную роль в усилении агрегации играют:
1)изменение
поверхностного
заряда
эритроцитов;
2)неспецифический
адгезивный
эффект
высокомолекулярных
коллоидов плазмы; 3)специфическое химическое взаимодействие
белков с рецепторами эритроцитарных мембран.
Поверхностный заряд эритроцита образуется из зарядов его
оболочки. Нормальные эритроциты электроотрицательны, что
определяет их отталкивание даже в условиях стаза крови. Ведущая
роль в создании электрического заряда принадлежит сиалововй
кислоте, отрицательно заряженные карбоксильные группы, которой
обращены кнаруже, что и создает так называемый дзета ( Z)-потенциал
клеток. Кроме того, величина Z-потенциала определяется состоянием
2
фосфолипидного слоя мембраны к леток. Снижение отрицательного
заряда способствует образованию крупных эритроцитарных агрегатов,
блокирующих
кровоток
и
вызывающих
нарушение
транскапиллярного обмена. К снижению мембранного потенциала
могут приводить изменения рН крови (ацидоз в условиях гипоксии),
увеличение продолжительности жизни эритроцитов и активация
процессов ПОЛ при дефиците антиоскидантной защиты.
Большая роль в увеличении агрегационной способности
эритроцитов принадлежит белкам крови, среди которых особое
значение отводится фибр иногену, благодаря которому образуются
крупные агреганты за счет образования фибриноген -Са мостиков.
Помимо фибриногена на агрегацию эритроцитов большое влияние
оказывают также α, β, γ глобулины, иммуноглобулины всех классов,
иммунные комплексы, компоненты комплемента. Помимо этого, на
состояние реологических свойств крови оказывает влияние такое
очень важное качество эритроцитов как и х деформируемость. Она
характеризуется значительным изменением формы эритроцитов при
взаимодействии их друг с другом и завис ит от трех основных
факторов:
эластичности мембраны, внутренней вязкости
содержимого клеток, отношение поверхности клеток к их объему.
Эластичность мембраны эритроцитов определяется состо янием
липидных компонентов, акт ивностью аденозинтрифосфотазы и
ацетилхолинэстеразы, концентрацией гемоглобина, АТФ и ионов Са.
Кроме того, механизм поддержания дискоформы эритроцитов связан с
наличием в мембране особого контрактильного белка – спектрина.
Некоторые исследователи установили, что агрегация белков,
влияющая на механические свойства эритроцитарных мембран и
определяющая
их
деформабельность,
зависит
от
уровня
фосфорилирования спектрина и актина.
Помимо эластичности мембран в определении механических
свойств эритроцитов имеет значение их внутренняя вязкость, к оторая
в значительной степени зависит от концентрации кальция. Вступая в
реакцию с внутриклеточными белками при связывании с мембраной,
кальций повышает ригидность эритроцита.
Интерес к изучению деформируемости эритроцитов обусловлен
тем, что ригидные эри троциты способны окклюзировать часть
капиллярного русла и, таким образом, блокировать кровообращение в
системе
микроциркуляции.
Ухудшение
деформируетмости
3
эритроцитов сопровождается их секвестрацией в печени, селезенке и
капиллярном русле, что приводит к с нижению числа циркулирующих
эритроцитов и развитию циркуляторной гипоксии. В тоже время
Hakin and Macek (1998) основной причиной снижения
деформационной способности эритроцитов считают гипоксическое
состояние организма.
Кроме деформируемости для вязкости к рови имеет существенное
значение форма эритроцитов, максимальная асимметрия и отклонение
от дискоидальной формы суспендированных эритроцитов повышает
вязкость среды из-за иммобилизации окружающей эритроциты
жидкой среды.
У больных с хронической гипоксией форма эритроцитов
оказывается значительно измененной: снижается количество
дискоцитов,
увеличивается
число
сфероцитов,
появляются
эритроциты в виде вздутого диска шиповидной формы – эхиноциты и
др. Форма эритроцитов может быть удлиненной или овальной. По
мнению многих исследовател ей формы и размеров эритроцитов ,
нарушение их деформируемости приводит к снижению осмотической
стойкости и гемолизу, что обуславливает уменьшение количества
эритроцитов, гемоглобина, увеличение содержания ретикулоцитов,
повышение активности эритропоэтина.
Нарушение структуры и функции мембран эритроцитов при
хронической гипоксии в первую очередь, обусловлено активацией
системы ПОЛ, которая осуществляет ответ на все многообразие
факторов, влияющих на клетку. Активация системы ПОЛ в едет к
глубоким нарушениям мембранной структуры. Это связано с
образованием липид-липидных и липид-белковых межмолекулярных
«сшивок», что приводит к изменению физико-химических свойств
липидного матрикса: его текучести и ригидности. Кроме того,
нарушается ориентация жирнокислых остатков фосфолипидов, в
результате чего образуются пары, и повышается пассивная ионная
проницаемость мембраны.
В настоящее время доказана связь между деформируемостью,
механической стойкостью, временем жизни эритроцит ов и степенью
интенсивности ПОЛ. Процессы ПОЛ
участвуют в регуляции
проницаемости мемраны, ее деградации и в целом в реологии крови
при хронической гипоксии.
4
Роль других клеток крови в развитии гемореологических
расстройств несколько меньше, чем эритроцитов. Агрегация
тромбоцитов в большинстве случаев необратима. Тромбоцитараные
агреганты могут быть меньшими, чем «сладж» эритроцитов, но в
связи с очень высокой внутренней вязкостью тромбоцитов более
опасные для микроциркуляторного русла. Закупоривая капилляры,
тромбоциты
образуют
микротромбы
и
микроэмболы.
Функциональная активность тромбоцитов тесно связана в
измененении структуры эритроцитов (повышение жесткости мембран,
снижение осмотической стойкости клеток) и гиперагрегацией этих
клеток, в процессе которой может проис ходить стаз крови в
микрососудах, задержка циркуляции эритроцитарных
агрегантов.
Мембраны эритроцитов разрушаются, и в кровяное русло поступает
АДФ, стимулирующая тромбоцитарную активность и способность к
агрегации. Многими авторами признается способность иммунных
комплексов, компонентов комплемента и иммуноглобулина Е
стимулировать
агрегацию
тромбоцитов.
Среди
факторов,
способствующих агрегации тромбоцитов, помимо воспалительного
процесса, выделяют гипоксию.
Доказана
роль микротромбообразования в генезе вторичной
легочной гипертензии,
расстройства системы легочного
кровообращения и поддержанию сужению дыхательных путей при
хронической гипоксии.
Помимо самих клеток, их структуры и функциональной
активности гемореологические параметры определяются и вязк остью,
состоянием свертывания крови и фибринолиза, которые у больных с
хронической гипоксией имеют особенности. Эти нарушения тесно
связаны между собой, а результатом их является недостаточность
циркуляции крови в легких, дыхательных мышцах и во всем
организме. Нарушения микроциркуляции, являясь следствием
воспалительного процесса и нарастающей гипоксии, способствуют
нарастанию тяжести дыхательной недостаточности у таких больных.
Гипоксическая гипоксия, развившаяся в результате анатомо функциональных поражений аппарата легких и нарушения
циркулярной функции крови у больных
с хроническими
заболеваниями легких, сопровождается развитием компенсаторно приспособительных реакций со стороны молекулярных механизмов
крови, обеспечивающих пере нос газов. Выделяются
в системе
5
красной крови три пути адаптации к гипоксии, характеризующиеся
увеличением кислородтранспортной емкости крови, изменением
кислород-связывающих свойств гемоглобина и его гетерогенной
структуры. Кислородная емкость
крови повышается за счет
увеличения количества эритроцитов и гемоглобина. Одним из путей
стимуляции эритропоэза при хронической гипоксической гипоксии
является
повышение
активности
специфического
гормона эритропоэтина, действие которого связано с ускорением
дифференцировки стволовых кле ток в эритроцитарный ряд,
усилением митотической активности и синтеза гема.
Кислородтранспортная функция крови во многом зависит от
сродства НВ к О 2, которое определяется структурными особенностями
гемоглобина, обеспечивающих связывание, перенос и высвобож дение
О2 в тканях и зависит от температуры, величины рН, напряжения О 2 в
крови и концентрации 2,3 – дифосфоглицерата (ДФГ) в эритроцитах.
2,3-ДФГ признается важным регулятором сродства НВ к О 2 и
стабилизатором конформации молекулы гемоглобина. Доказано, ч то
повышение концентрации 2,3 -ДФГ понижает сродство НВ к О 2, а,
следовательно, повышается скорость отдачи кислорода в тканях.
Сродство НВ к О 2 подвержено влиянию парциального
напряжения СО 2, рН крови, температуры тела.
Указанные факторы связаны между соб ой. В частности,
установлено, что с повышением температуры тела сродство НВ к О 2
снижено, что имеет большое значение для доставки О 2 к тканям при
патологических состояниях, например, при лихорадке, а также
тяжелой физической работе, когда потребление О 2 повышено.
Известно, что уменьшение сродства НВ к О 2 при снижении рН
вызывается присоединением Н+ к деоксигемоглобину. В процессе
деоксигенации водородные ионы и протоны, заменяя 2,3 -ДФГ,
изменяют конфигурацию и ионизацию молекулы НВ, способствуя
таким образом отдаче О 2 тканям. Косвенное действие состоит в том,
что в зависимости от рН изменяется содержание в эритроцитах
некоторых органических фосфатов, прежде всего 2,3 -ДФГ.
2,3-ДФГ оказывает двойственное влияние на снижение сродства
НВ к О 2: как аллостернический эффектор, стабилизирует молекулу
НВ и затрудняет ее структурные перестройки при оксигенации, а
также снижает внутриклеточный рН относительно внеклеточного, что
приведет к уменьшению сродства НВ к О 2 (эффект Бора).
6
Молекулярная структура позволяет гемог лобину взаимодействовать и
с
другими
внутриклеточными
фосфатами
(АТФ,
АДФ,
неорганический фосфат), которые являются более слабыми
регуляторами взаимоотношения НВ к О 2, чем 2,3-ДФГ.
У больных с хронической гипоксической гипоксией отмечается
усиление уровня 2,3-ДФГ. Другая точка зрения, вытекающая из
анализа уровня 2,3-ДФГ у больных с различными вариантами
гипоксии характеризуется тем, что содержание 2,3 -ДФГ повышается
только у больных с острой гипоксией (острая дыхательная
недостаточность), а у больных с хронической гипоксией (хроническая
дыхательная недостаточность) не отличается от таковых у здоровых
лиц. Изменение сродства НВ к О2 за счет 2,3-ДФГ не является
универсальным
механизмом,
ведущим
к
снижению
кислородтранспортной функции крови у больн ых с хронической
гипоксией.
Сродство НВ к О 2 определяется также структурой НВ – его
составом и конформационными свойствами. Так, метгемоглобин
(МtHB) и карбоксигемоглобин уменьшают как О2 -связывающую, так
и О2-высвобождающую способности молекулы НВ, повы шенное
содержание НВ в эритроцитах сопровождается повышением сродства
к О2. Исследование содержания неактивных форм НВ (М tHB, НbCO и
НbS) в крови больных с хронической гипоксией
выявило
значительное превышение содержания таковых в эритроцитах
здоровых лиц. При острой высотной гипоксии также выявлялось
усиление
МtHB-образование
в
эритроцитах.
Метгемоглобинообразование в э ритроцитов в условиях острой или
хронической гипоксии тесно связано с системой ПОЛ -АО.
Причем, при интенсификации процессов ПОЛ у больных с
хронической гипоксией
в начальный период отмечается
компенсаторная активация антиоксидантной системы, а в дальнейшем
развивается ее истощение. В экспериментах установлено, что
выраженность
и
продолжительность
гипоксии
прямо
пропорциональны интенсификаци и ПОЛ.
В условиях гипоксии процессы ПОЛ активизируются в клетках
крови, что сопровождается трансформацией эритроцитов и
повышением метгемоглобина и сульфгемоглобина в них.
Анализ проведенных в этом направлении исследований
показывает, что окисление гемо глобина находится в прямой
7
зависимости от пероксидации липидных мембран, поскольку
вторичные радикалы кислорода являются мощными окислителями и
метгемоглобинобразователями.
В
свою
очередь,
метгемоглобинобразование
лимитируется
антиоксидантными
системами. Однако при гипоксии наряду с усилением ПОЛ
повышается и антиокислит ельная активность плазмы крови, в том
числе система глютатиона, которые в присутствии каталазы не
оказывают существенного защитного эффекта от продуктов
вторичных радикалов. В этой свя зи можно предположить, что одной
из важнейших реакций в процессе окисления НВ в М tHB является
реакция взаимодействия ферроиона белка с перекисью водорода.
Усиление ПОЛ также сопровождается изменением состава
липидов, в частности, накопление СЖК, которое, вза имодействуя с
гемоглобином, приводят к конформационным перестройкам белка,
результатом чего является образование гемохрома, низкоспиновой
окисленной формы НВ и супероксидного радикала О2.
Образование О2, который может принимать непосредственное
участие в процессах окислительного повреждения эритроцитов, имеет
место при аутоокислении НВ в М tHB. В ходе дальнейшего
превращения О2 возможно образование ОН -радикала, способного
выступать в роли инициатора ПОЛ.
СОД в цитоплазме эритроцита обеспечивает удаление О2,
образующийся
пероксид
водорода
разрушается
каталазой
эритроцитов.
Другой
путь
предотвращения
окислительных
повреждений в эритроцитах обеспечивает восстановленный
глютатион, который участвует в разложении Н2О2, катализируемом
глутатионпероксидазой.
Однако, учитывая тот факт, что в условиях гипоксии наблюдается
истощение антирадикальной системы клетки, эти механизмы защиты
оказываются неэффективными, что приводит к дальнейшему
усугублению патологических процессов.
Следовательно,
имеется
два
основных
пути
гемоглобинзависимого разрушения эритроцитов, заключающихся в
интенсификации ПОЛ и повреждении НВ его продуктами, а также
денатурации гемопротеина и превращения его в необратимый
гемохром с последующим формированием телец Гейнца, которые
приводят к гемолизу эритроцитов.
8
Таким образом, активация ПОЛ мембран эритроцитов
сопровождается
гемолизом
последних
и
окислительным
повреждением НВ, в результате которого возрастает количество
внутриклеточного МtHB, не способного связывать и переносить О2. В
совокупности эти патологические изменения приводят к нарушению
физиологической функции эритроцитов в транспортировке О2 и
развитию гемического компонента гипоксии у больных
сё
хронической гипоксией . Следовательно, коррекция нарушений,
связанных с транспортом кислорода эритроцитами при хронической
гипоксии,
должна
быть
направлена
на
усиление
антиметгемоглобиобразующей
защиты
эритроцита,
снижение
активации ПОЛ, которая может быть осуществлена, с одной стороны,
уменьшением индуцирующего фактора – гипоксии и, с другой
стороны – усилением антиокислительной активности с помощью
искусственных антиоксидантов.
Влияние гипоксена на реологические и кислородтранспортные
свойства крови.
Исследование влияния гипоксена на морфофункциональное
состояние
эритроцитов оценив али в
остром опыте и при
динамическом наблюдении
в процессе лечения
хронической
обструктивной патологии легких (хроническая обструктивная болезнь
легких и бронхиальная астма)
осложненной дыхатель ной
недостаточностью. У всех пациентов наблюдалась признаки
хронической гипоксии. Оценивали состояние мембраны эритроцитов:
электрокинетический потенциал мембраны ( Z-потенциал) и
параметры лизиса эритроцитов - амплитуда и скорость лизиса.
Влияние гипоксена на вышеназванные характеристики изучали in
vitro в 34 пробах крови больных ХОБЛ и 21 здоровых лиц
(контрольная группа) в сравнении с другими лекарственными
средствами в среднетерпевтических концентрациях . В результате
исследования было обнаружено, что гипоксен улучшает состояние
мембран эритроцитов больных ХОБЛ. В час тности под влиянием
гипоксена
увеличивается
электрокинетический
потенциал,
уменьшается время достижения максимального лизиса эритроцитов,
наблюдалась тенденция к увеличению амплитуды и максимальной
скорости лизиса.
9
Влияние лекарственных средств на электрок инетические
свойства мембраны эритроцитов ( Z -потенциал) у больных ХОБЛ,
осложненном ДН (М±м, n=34).
Z-потенциала -,
мВ
16,3 ± 0,8
Инкубация
Исходные
Эуфиллин гидрохлорид
(1х10-3 г/л)
Адреналин гидрохлорид
(5х10-5 г/л)
Преднизолон (6х10 -3 мл/мл)
t-Стьюдента (Р)
-
17,8±0,9
> 0.05
20,2±1,01
< 0.05
18,2±0,9
> 0,05
Изоптин (1х10 -3мл/мл)
19,3±1,0
> 0,05
Гипоксена (1х10-3мл/мл)
20,3±1,0
> 0,05
Сравнение действия гипоксена на электрокинетические свойства
мембраны с влияние други х лекарственных средств (т аб.) показало,
что во всех
сериях исследов ания наблюдается повышение Zпотенциала эритроцитов. Однако достоверные (р<0,05) сдвиги его
наблюдались только при инкубации крови с а дреналином, изоптином
и гипоксеном, что свидетельствует о том, что гипоксен оказывает
положительное влияние на электрокинетические свойства мембран
эритроцитов
аналогично
адреналину
и
из оптину
в
среднетерапевтических дозах.
Состояние
мембраны
эритроцитов
тесно
связано
с
реологическими свойствами крови. In vitro исследовали влияние
гипоксена на гемореологические показатели у 33 больных ХО БЛ,
осложненных ДН, в сравнении с известным дезагреганто м –
пентоксифиллином в среднетерапевтической концентрации и плацебо
(физиологический раствор).
Результаты
исследования,
представленные
в
табли це….
свидетельствуют о том, что при исследовании in vitro происходят
существенные сдвиги показателей, характеризующих реологические
свойства крови у больных ХОБЛ, осложненном ДН. Сдвиги были
различными под влиянием гипоксена и пенток сифилина.
10
Влияние гипоксена
на реологические свойства крови у
больных ХОБЛ, осложненном ДН, при исследовании (М±м, n=33).
Показатели
Контроль Пенткифиллин
Гипоксен
Коэффициент
агрегации
0,789±0,021 0,876±0,023
0,946±0,019
эритроцитов
Деформируемость
0,943±0,017 0,774±0,018 * 0,846±0,022 **
эритроцитов
Коэффициент
агрегации
0,785±0,021 0,904±0,019 * 0,869±0,023 **
тромбоцитов
Примечание:
*
- статистически достоверные отличия от контроля (р<0,05).
**
- статистически достоверные отличия между препаратами (р<0,05).
В частности, на фоне достоверной динамики анализируемых
показателей, по сравнению с контролем, коэффициент агрегации
тромбоцитов под влиянием пентоксифиллина
изменялся более
значительно, чем под действием гипоксена и, наоборот, увеличение
коэффициента агрегации эритроцитов под воздействием гтипоксена
достоверно (р<0,05) превосходило увеличение его под действием
пентоксифиллина.
Следовательно,
гипоксен
обладает
дезагрегационным действием . Также
анализировали влияние
гипоксена и пентоксифиллина
на взаимоотношения между
гемореологическими показателями у иссле дуемой категории больных.
Корреляционный анализ показал о том, что под действием и
гипоксена и пентоксифиллина наблюдается тенденция к усилению
связи между агрегацией тромбоцитов и агрегацией эритроцитов, а
также агрегации тромбоцитов и деформированностью эритроцитов.
Таким образом, выявленные ранее особенности реологических свойств
крови у больных ХОБЛ, характеризующие ся разрывом связей между
агрегационными и пластическими характеристиками тромбоцитов и
эритроцитов, которые набл юдаются при начальных стадиях гипоксии,
свидетельствуют о
целесообразности применения
гипоксена
(аналогично
пентокмфиллину )
в
качестве
корректора
микроциркуляторных нарушений особенно в начальных стадиях.
11
Между тем, агрегация и де формируемость эритроцитов тесно
связана с функциональным состоянием мембраны, которая, в свою
очередь, связана с состоянием системы ПОЛ -АО.
В проведенном исследовании по оценки влияния гипоксена на
систему ПОЛ-АО у больных с хронической гипоксией (ХОБЛ ) у .
61 больного
(44 пациента получали лечение гипоксеном в
стандартной суточной дозе и 17 – контрольная группа). У 25 больных
терапия включала применение кортикостероидных препаратов в
среднетерапевтической суточной дозе 5 -15 мг преднизолона
Анализ динамики изученных тестов показал, что показатели ПОЛ в
плазме (ДК) у больных при применении гипоксена
достоверно
снижались на 18,6%. (р<0,05). В эритроцитах отмечалось увеличение
устойчивости к перекисному гемолизу на 25%. Уровень
антиокслительной
активн ости
(АОА),
исходно
сниженный,
приближался к норме, а
Z-потенциал под влиянием лечения
гипоксеном возрастал. Изменения показателей, характеризующих
ПОЛ-АО, под влиянием традиционной терапии (без гипоксена),
уступали динамике этих показате лей. Проведенные сопоставления
доказали, что гипоксен
оказывает коррегирующий эффект в
отношении системы ПОЛ -АО у больных с хронической гипоксией
Анализ динамики показателей, характеризующих систему ПОЛ -АО
под влиянием лечения гипоксеном у больных с различной степенью
гипоксии (стадии ДН)
показал, что гипоксен оказывает
корригирующее влияние независимо от степени гипоксии.
При сочетанном применении гипоксена и кортикостероидных
препаратов отмечалась более значительная положительная динамика
отдельных показателей, ха рактеризующих систему Нормализация их
наблюдалась у больных, получавших гипоксен без гормональной
терапии только на ранних стадиях, в то же время нормализация
показателей ПОЛ-АО системы при поздних, более тяжелых формах
гипоксии, быстрее достигалась при сочетанном воздействии гипоксена
и кортикостероидов.
Таким образом, установлены очевидные корригирующие эффекты
гипоксена в отношении реологических и кислородтранспортных
свойcтв крови, нарушение которых имеет место при гипоксии.
12