Оксид азота как медиатор воспаления

Вестник ДBO РАН. 2006. № 2

Л.М.СОМОВА, Н.Г.ПЛЕХОВА

Оксид азота как медиатор воспаления

Приведены данные об оксиде азота как медиаторе воспаления. Рассмотрены факторы, определяющие продукцию оксида азота, и некоторые механизмы его антимикробного действия. Обсуждается роль про- и противовоспалительного действия оксида азота в развитии инфекционных процессов.

Nitric oxide as a mediator of inflammation. L.M.SOMOVA, N.G.PLEKHOVA (Institute of Epidemiology and Microbiology, SB RAMS, Vladivostok).

The data on nitric oxide as a mediator of inflammation are given. Factors, determining nitric oxide production, and some mechanisms of its antimicrobial action are considered. The role of proinflammatory and antiinflammatory effect of nitric oxide in infectious process development is discussed.

Воспаление - важнейшая составляющая антнинфекцнонной защиты организма. Значительную роль в механизмах воспаления играют гематогенные клетки (полиморфноядерные лейкоциты и моноциты/макрофаги). Воспаление тесно связано с иммунитетом, так как оно является не чем иным, как способом реализации иммунных процессов в критической ситуации.

Около трех десятилетий назад началось интенсивное исследование радикальных окислительных процессов в фагоцитах. Было установлено, что в результате «респираторного взрыва» в фагоцитах происходит образование реактивных форм кислорода: супероксидно-го анион-радикала О2-, синглетного кислорода, перекиси водорода Н2О2, гидроксильного радикала ОН- и др. Было обнаружено, что реактивные формы кислорода вовлечены в процессы кислородзависимой неспецифической резистентности организма и иммунорегуляции [17]. Наряду с кислороднезависимой системой (лизоцим, лактоферрин, катионные белки) они формируют мощный комплекс бактерицидных механизмов фагоцитоза, осуществляющих борьбу с микроорганизмами [10].

Следующий этап в изучении механизмов антиинфекционной резистентности следует связать с открытием нобелевскими лауреатами Р.Фурчготтом, Л.Игнарро и Ф.Мюрадом (1998 г.) нового принципа передачи сигналов в биологических системах посредством оксида азота [1]. Как оказалось, фагоциты относятся к одному из основных его источников [5, 10]. Оксид азота (КО) - нетипичная сигнальная молекула, являющаяся неорганическим газообразным соединением со свойствами радикала. Малые размеры и отсутствие заряда, хорошая растворимость в воде и липидах обеспечивают этой молекуле высокую проницаемость через мембраны клеток и субклеточных структур. Время существования оксида азота не превышает 6-10 с, после чего он при участии кислорода и воды превращается в нитраты (NO-2) и нитриты (NO-3). Молекула оксида азота является одним из биорегуляторов тонуса кровеносных сосудов [9], респираторной функции [3], участвует в развитии боли [2] и других процессов.

СОМОВА Лариса Михайловна - доктор медицинских наук, ПЛЕХОВА Наталья Геннадьевна - кандидат биологических наук (НИИ эпидемиологии и микробиологии СО РАМН, Владивосток).

ll

В организме млекопитающих существуют два пути биосинтеза оксида азота: нитро-ксидсинтазный (образование NO в присутствии кислорода из L-аргинина при участии группы ферментов нитроксидсинтаз) и нитритредуктазный (образование NO в результате восстановления ионов нитратов и нитритов в условиях дефицита кислорода за счет активации нитритредуктазных систем, связанных с гемсодержащими белками: гемоглобином, мио-глобином, цитохромоксидазой и цитохромом Р-450). Оба механизма связаны между собой и являются компонентами цикла оксида азота: L-аргинин - NO - NO2/NO3 - NO [8]. В группу нитроксидсинтаз (NO-синтаз, NOS), осуществляющих биосинтез окида азота, входит три изофермента, кодируемых разными генами: нейрональная (nNOS) и эндотелиальная (eNOS) конститутивные NO-синтазы и индуцибельная NO-синтаза (iNOS). Последняя выделена из макрофагов, стимулированных медиаторами воспаления, при этом синтез NO происходит только в активированных макрофагах [20].

В настоящей статье приведены обобщенные данные о нитроксидзависимых механизмах антиинфекционной защиты организма.

После того как в 1985 г. была обнаружена продукция нитритов и нитратов в мышиных макрофагах in vitro, оксид азота стали рассматривать как фактор, участвующий в антимикробной защите организма хозяина. Оказалось, что оксид азота включен в механизмы неспецифического иммунитета и частично в комплексный механизм тканевого повреждения через модуляцию воспалительного процесса и апоптоза. При формировании воспалительных субстратов образование оксида азота макрофагами стимулируется бактериальными липосахаридами, вирусами и провоспалительными цитокинами: интерфероном-g, туморнекротическим фактором (ТНФ), интерлейкином-1 (ИЛ-1) и особенно их комбинацией [4]. В противоположность этому ряд ци-токинов (интерлейкины ИЛ-4, ИЛ-10) и глюкокортикоиды обладают супрессирующим действием в отношении продукции NOS и наработки оксида азота макрофагами.

По данным последних лет, система, содержащая реактивные посредники азота, которые представляют собой производные iNOS, существует не только в макрофагах, но и в нейтрофильных лейкоцитах [19]. iNOS могут экспрессировать клетки костного мозга, ней-трофилы воспалительного экссудата и периферической крови, эозинофилы, моноциты/макрофаги, а также ряд клеток паренхиматозных органов и тканей: гепатоциты, купферовские клетки печени, спленоциты, фибробласты, астроциты, кардиомиоциты [6].

Гиперпродукция оксида азота в фагоцитах влияет на процесс обезвреживания возбудителей. Оксид азота вызывает гибель многих типов патогенных микроорганизмов (вирусы, бактерии, грибы, простейшие) или останавливает их рост [16, 18]. В реализации этой программы выделены два феномена: 1) апоптотическая гибель клеток-носителей, ограничивающая благоприятную среду для размножения микроорганизмов и диссеминацию инфекционного процесса, 2) выделение токсичных для патогена субстанций [7]. В основе антимикробного действия лежит способность реактивных промежуточных продуктов оксида азота вызывать нитрозилирование и дезаминирование белков, окислительное повреждение и нарушение системы репарации ДНК [13]. Цитотоксическое действие оксида азота усиливается благодаря его способности вступать в реакцию с супероксидным радикалом, в результате чего образуется пероксинитрит, который обладает гораздо большей реакционной способностью, чем оксид азота или супероксидный радикал по отдельности [14].

Помимо прямого антимикробного действия оксид азота принимает участие в механизмах воспаления. Как известно, развитие асептического воспаления носит двухфазный характер, при этом каждая фаза ассоциирована с определенными изоформами NO-синтазы (см. таблицу). Ранняя фаза воспалительной реакции характеризуется повышением продукции гистамина, брадикинина, простагландинов и лейкотриенов. Путем использования неселективных (L-NAME, L-NMMA) и селективных (MEG) ингибиторов NOS установлено, что на данном этапе происходит стимуляция продукции оксида азота с помощью нейрональной NOS, локализованной в чувствительных нервах. Параллельно усиливается продукция оксида азота посредством эндотелиальной изоформы NOS. В клетках эндотелия кровеносных сосудов оксид

азота активирует растворимую гуанилатциклазу, что приводит к синтезу циклического гуано-зинмонофосфата. Последний вызывает релаксацию гладкомышечных клеток сосудов, в результате чего увеличивается сосудистая проницаемость. Эндотелиальные клетки становятся «протекающими» (leakage), что способствует экссудации жидкости, белков плазмы и белых кровяных клеток. Обе конститутивные (eNOS и nNOS ) и индуцибельная изоформы NO-синтазы имеют отношение к продукции оксида азота в ранней фазе воспаления, при этом проявляется их провоспалительный эффект. Поздняя (замедленная) фаза воспаления связана с локальной лейкоцитарной активностью и инфильтрацией. В ее развитие вносит вклад только оксид азота, продуцируемый с помощью iNOS, локализованной в лейкоцитах. Однако данные об эффекте NO, провоспалительном или противовоспалительном, неоднозначны, что отражается в разных моделях воспаления [20].

Роль оксида азота в регуляции ранней и поздней стадий воспаления

Показатель Ранняя фаза Поздняя фаза

Биорегуляторы Гистамин, Лейкотриены,

брадикинин, ФАТ, С5а;

нейропептиды, хемокины,

простагландины, интерлейкины

лейкотриены, ИЛ-1, ИЛ-2, ИЛ-3,

интерлейкины ИЛ-4, ИЛ-5, ИЛ-6,

ФНО-а, ИЛ-1 ТНФ-а;

интерферон у

Типы NO-синтазы nNOS iNOS

е^8

iNOS

Конечный эффект Вазодилация и воспалительный Лейкоцитарная инфильтрация

отек

Сепсис и септический шок вызываются бактериальной инфекцией и представляют собой острый воспалительный ответ. Показано, что оксид азота играет решающую роль в развитии септического шока [15]. Для воспроизведения септического шока, сопровождающегося системной продукцией NO, экспериментальным животным вводят бактериальный эндотоксин или провоспалительный цитокин ТНФ-а. Предполагается, что подавление продукции оксида азота с помощью ингибиторов NOS может использоваться в поиске способов лечения этого состояния. К сожалению, выполненные эксперименты пока дают противоречивые результаты, и только при испытании селективного ингибитора iNOS удалось наблюдать уменьшение смертности мышей, зараженных патогенными бактериями [15].

Будучи включенным в механизмы воспаления, оксид азота выполняет как провоспали-тельную, так и противовоспалительную роль. Это связано с тем, что развитие воспаления детерминировано генерацией оксида азота, синтезируемого при участии индуцибельной NOS. В то же время NO-синтаза контролирует биосинтез интерлейкинов ИЛ-4, ИЛ-11, ИЛ-13, которые относятся к ингибиторам воспалительной реакции. В этом смысле оксид азота оказывается «подлинным» («true») регулятором воспаления. Представления о двойственной роли оксида азота в развитии воспаления (NO-парадокс) основываются на результатах, полученных на различных экспериментальных моделях, включая опыты на животных, лишенных кодирующего iNOS гена. Экстраполяция этих данных на модулирование воспалительных процессов любой этиологии требует осторожности.

Уровень экспрессии индуцибельной NO-синтазы и высокий выход продукции оксида азота являются триггером (пусковым механизмом) для коротко- и долгосрочных сигналов, которые в отношении развития воспалительного процесса могут носить как активирующий, так и ингибирующий характер. Направленность эффекта определяют пять факторов:

1) состояние метаболических путей, которые обеспечивают индуцибельную NOS субстратами и кофакторами; 2) состояние других путей, которые могут модулировать индукцию и активность индуцибельной NOS; 3) молекулярные мишени, с которыми взаимодействуют оксид азота и его производные виды (нитраты, нитриты, пероксинитрит); 4) локальные факторы, такие как redox-состояние клеток; 5) наличие эндогенных защитных и антиокси-дантных механизмов [20].

Адекватная коррекция острых воспалительных и инфекционных процессов ингибиторами нитроксидсинтазы имеет принципиальное значение, поскольку оксид азота может опосредованно влиять на развитие ряда хронических воспалительных и аутоиммунных заболеваний, таких как ревматические болезни, бронхиальная астма, гломерулонефрит, хронические гепатиты, рассеянный склероз, псориаз, дерматиты. Следует также учитывать, что NO-радикалы ингибируют пролиферацию лимфоцитов, индуцированную Т- и В-кле-точными митогенами, благодаря чему высокий уровень их генерации макрофагами при некоторых инфекциях может явиться причиной иммуносупрессии [11, 12].

Изучение роли оксида азота как медиатора воспаления находится на начальном этапе. Целесообразность исследований в этом направлении совершенно очевидна, поскольку формирование целостных представлений о нитроксидзависимых механизмах антиинфек-ционной резистентности организма имеет принципиальное значение для разработки новых подходов к этиопатогенетическому лечению инфекционных болезней.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ванин А.Ф. Оксид азота в биомедицинских исследованиях // Вестн. РАМН. 2000. № 4. С. 3-5.

2. Дюйзен И.В. Значение оксида азота в механизмах развития боли: автореф. дис. ... д-ра мед. наук. Владивосток, 2004. 44 с.

3. Елисеева Е.В. Морфологические основы нитроксидергической регуляции органов дыхания: автореф. дис. ... д-ра мед. наук. Владивосток, 2001. 42 с.

4. Маеда X., Акаике Т. Оксид азота и кислородные радикалы при инфекции, воспалении и раке // Биохимия. 1998. Т. 63, вып. 7. С. 1007-1019.

5. Маянский Д.Н., Маянский А.Н. Очерки о нейтрофиле и макрофаге. Новосибирск: Наука, 1989. 200 с.

6. Меньшикова Е.Б., Зенков Н.К., Реутов В.П. Оксид азота и NO-синтазы в организме млекопитающих при различных функциональных состояниях // Биохимия. 2000. Т. 65, вып. 4. С. 485-503.

7. Проскуряков С.Я., Бикетов С.И., Иванников А.И., Скворцов В.Г. Оксид азота в механизмах патогенеза внутриклеточных инфекций // Иммунология. 2000. № 4. С. 9-20.

8. Реутов В.П., Сорокина Е.Г., Охотин В.Е., Косицын Н.С. Циклические превращения оксида азота в организме млекопитающих. М.: Наука, 1997. 165 с.

9. Сосунов А.А. Оксид азота как межклеточный посредник // Соросовский образовательный журн. 2000. Т. 6. С. 27-34.

10. Тотолян А.А., Фрейдлин И.С. Клетки иммунной системы. СПб.: Наука, 2000. 232 с.

11. Al-Ramadi B.K., Meissler J.J., Huang D., Eisenstein T.K. Immunosupression induced by nitric oxide and its inhibihion by interleukin-4 // Eur. J. Immunol. 1992. Vol. 22. P. 2249-2254.

12. Bamberger T., Masson I., Mathieu J. et al. Nitric oxide mediates the depression of lymphoproliferative responses following burn injury in rats // Biomed. and Pharmacother. 1992. Vol. 46. P. 495-500.

13. Beckmann J.S., Ye Yz, Anderson P.G. et al. Extensive nitration of protein tyrosines in human atherosclerosis detected by immunohistochemistry // Biol. Chem. Hoppe Seyler. 1994. Vol. 375. P. 81-88.

14. Beckmann J.S., Koppenol W.H. Nitric oxide, superoxide and peroxynitrite: the good, the bad and ugly // Am. J. Physiol. 1996. Vol. 271. P. 1424-1437.

15. Burgner D., Rockett K., Kwiatkowski D. Nitric oxide and infectious diseases // Arch. Dis. Child. 1999. Vol. 8, N 2. P. 185-189.

16. Fang F.C. Mechanisms of nitric oxide-related antimicrobial activity // J. Clin. Invest. 1997. Vol. 99, N 12. P. 2818-2825.

17. Klebanoff S.J. Myeloperoxidase: friend and foe // J. Leukocyte Biol. 2005. Vol. 77, N 1. Р. 529-557.

18. Nathan C., Shiloh M. Reactive oxygen and nitrogen intermediates in the relationship between mammalian hosts and microbial pathogens // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2000. Vol. 97, N 16. P. 8841-8848.

19. Wilko-Sarsat V., Rieu Ph., Descamps-Latscha B. et al. Neutrophils: moleculars, functions and pathophysiological aspects // Lab. Invest. 2000. Vol. 80. P. 617-653.

20. Zamora R., Vodovotz V., Billiar T.R. Inducible nitric oxide synthase and inflammatory diseases // Molec. Med. 2000. Vol. 6, N 5. P. 347-373.