Ширинкин С.В., Чурносов М.И, Карапетян Т.А.
Белгородский государственный университет. Медицинский факультет, кафедра медико-биологических дисциплин. Петрозаводский государственный университет. Медицинский факультет, кафедра семейной медицины.
Адрес: 308015, г. Белгород, ул. Победы 85. 185640, г. Петрозаводск, пр. Ленина 33.
Ширинкин С.В.
309340. Белгородская область, п. Борисовка, пер. Мирный 8-19
телефон: 8-47246-33314
8-9192871761
Чурносов М.И.
Карапетян Т.А.
Резюме. Болезни органов дыхания (БОД) являются серьезной медико-социальной проблемой здравоохранения России, в первую очередь из-за высокого уровня заболеваемости, инвалидности и смертности. Развитие медицинских нанотехнологий, в том числе с применением при БОД фуллеренов (C60) с учетом их широкого спектра лечебных эффектов, возможности получения гидратированных форм C60 для энтерального и парэнтерального введения в организм человека, и отсутствия данных об острых и хронических интоксикациях ими — все это открывает новые возможности в лечении и профилактики патологий органов дыхания.
Ключевые слова: нанотехнологии, фуллерены, C60, болезни органов дыхания.
Роль фуллеренов в терапии болезней органов дыхания
Фуллерены, группа специфических молекул, размером 0,3-0,8 нм, состоящих только из атомов углерода, которые образуют каркас из 12 пятиугольников и нескольких шестиугольников. Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Р. Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Впервые фуллерены были синтезированы в 1985 Х. Крото, Хит. 0′ Брайен и Р. Смолли, а в 1992 их обнаружили в древних пластах земной коры, шунгите. С этих пор их условно подразделяют на искусственно синтезированные и шунгитовые. Открытие фуллеренов удостоино Нобелевской премии по химии за 1997 г. и стало одним из ярких научных достижений конца ХХ века. Наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — фуллерен-60 (C60), его называют иногда бакминстер-фуллерен, в котором углеродные атомы образуют многогранник, напоминающий футбольный мяч. Известны также фуллерены C70 и C84 [1,2,3].
Фуллерены обладают необычными химическими и физическими свойствами, такими как магнетизм и сверхпроводимость, а при высоком давлении С60 становится твердым, как алмаз. В настоящее время установлено, что фуллерены могут являться основой для создания с другими химическими элементами очень многих соединений, которые в свою очередь могут быть использованы в качестве лекарств [3,4,5].
История применения шунгита в медицине, а значит и фуллеренов уходит в глубь веков и связана с такими известными историческими личностями, как: боярыня Ксения Романова; ее сыном, основоположником правящей в России династии М.Ф. Романовым; его внуком, царем Петром, лейб-медиком Блюментростом и другими [6].
В настоящее время разработкой направления использования фуллеренов в качестве лекарств, в России, занимается целый ряд исследовательских групп. Так, в Петрозаводском государственном университете на кафедре госпитальной терапии фуллерены шунгита применяют в лечении ревматологических больных, на курсе инфекционных болезней ведется работа по оценке их антибактериального эффекта. В Военно-медицинской академии Санкт-Петербурга на кафедре военно-полевой терапии и в Тульском НИИ новых медицинских технологий исследуют экранирующие от электромагнитных излучений эффекты шунгита, в Московском институте кардиологии им. Алмазова — антиатеросклеротические, гипотензивные, спазмолитические свойства фуллеренов, их способность гасить избыточную активность перекисного окисления липидов, протекающего на мембранах клеток. Параллельные исследования ведутся и за рубежом, но работы иностранных коллег касаются только биологических эффектов синтетических фуллеренов [2,7].
Широкий спектр биологических эффектов глобулярного углерода, возможность получения водных растворов для энтерального и парэнтерального введения в организм человека- все это привлекает внимание врачей различных специальностей, в том числе и занимающихся терапией болезней органов дыхания (БОД). Действительно, БОД являются серьезная медико-социальная проблема здравоохранения России, в первую очередь из-за высокого уровня заболеваемости, инвалидности и смертности [8,9,10,11]. Эпидемиологическими исследованиями установлено, что более 25% больных ежедневно обращаются к врачам в связи с заболеваниями дыхательных путей, т. е. эта патология имеет наибольшую распространенность, где 1/3 приходится на инфекционные заболевания нижнего отдела дыхательных путей (ИЗНОД), гетерогенную группу, которая включает пневмонию (П), острый бронхит, обострение хронических обструктивных заболеваний легких (ХОБЛ) и осложненные случаи гриппа. Последнее десятилетие регистрируется высокая, имеющая тенденцию к росту распространенность бронхолегочной патологии [9,10,12,13,14].
Бронхо-легочная система исключительно чувствительна к воздействию вредных агентов окружающей среды [15,16] по двум причинам: легкие имеют необыкновенно большой контакт с внешней средой, т.к. в среднем площадь их поверхности составляет примерно 500 м2 и это единственный орган, куда поступает весь сердечный выброс, и, таким образом, циркулирующие агенты легко достигают легочного капиллярного ложа [17].
Загрязнение окружающей среды, возростающая антигенная нагрузка на организм человека, в условиях, когда химическая мировая промышленность выбрасывает на рынок до 10 тысяч новых химических соединений в год, что объясняет рост заболеваемости ИЗНОД, ухудшение качества питания жителей нашей страны, и как следствие нарушение ответных иммунных реакций при контакте с АГ, появление антибиотикорезистентных штаммов микроорганизмов — все это требует поиска новых решений по лечению данной патологии. Развитие медицинских нанотехнологий, в том числе и применения при ИЗНОД фуллеренов открывает новые возможности в лечении и профилактики данной патологии [18,19,20].
В этиопатогенезе ИЗНОД выделяют следующие основные механизмы: внедрение инфекции в легочную ткань или оседание на слизистой бронхиального дерева химических веществ, вызывающих воспаление неинфекционной природы; снижение функции местной бронхопульмональной защиты; формирование на фоне бактериальной агрессии супрессии иммунного ответа; развитие под влиянием инфекции воспаления в альвеолах и распространение его через межальвеолярные поры на другие участки легких; повышение агрегации тромбоцитов; нарушения в системе микроциркуляции; активация перекисного окисления липидов (ПОЛ); выделение свободных радикалов, дестабилизирующих лизосомы и повреждающие легкие; нервно-трофические расстройства бронхов и легких [8,21,22,23].
Для понимания роли фуллеренов в патогенезе ИЗНОД представляется необходимым остановиться на ряде звеньев этого процесса.
Исходное состояние слизистой оболочки бронхиального дерева, дистрофические и атрофические процессы в эпителии слизистых оболочек вызывают снижение его защитных, секреторных, абсорбционных функций. Нарушение слизистого барьера, мукоцилиарного транспорта, как механизма удаления бактериальных агентов во внешнюю среду из легких, создают благоприятные условия для развития бронхолегочной патологии [24,25,26]. Кроме того, эпителий дыхательных путей является метаболически активной тканью, которая наряду с продукцией слизи регулирует функцию гладких мышц через выработку субстанций релаксирующего и констриктивного действия [15]. Исследованиями также установлено, что дыхательный эпителий вовлечен в процессы пролиферации и дифференцировки бронхиальных тучных клеток и выброса медиаторов с противовоспалительными свойствами [27]. Нарушение эпителия дыхательных путей приводит к увеличению его проницаемости для антигенов, раздражению нервных окончаний и активации аксонального рефлекса, снижению выработки эпителий-релаксирующего фактора [28], снижению содержания мембраносвязанной нейропептидазы, инактивирующей тахикинины (29), увеличению образования продуктов липооксигеназного пути (лейкотриен В-4, продукты 15- липооксигеназного пути), которые рассматриваются в качестве факторов хемотаксиса и формирования воспалительной реакции [11,30].
Фуллерены имеют широкий спектр антибактериальной активности. В работе Tsao N.et al. продемонстрировано бактерицидное действие карбоксифуллерена на двадцати бактериальных штаммах, включая Staphylococcus spp., Streptocоccus spp., Enterocоccus faecalis., Klebsiella pneumoniae, E. Cоli, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella typhi [31]. Кроме того, фуллерены могут быть использованы для борьбы с вирусными заболеваниями. Так, известные противовирусные лекарственные средства, в основном, подавляют одну из специфических функций вируса. В работах Миллера Г.Г и Раснецова Л.Д. впервые была показана возможность воздействия одним соединением, производным фуллерена, сразу на две мишени: на протеазу и обратную транскриптазу ВИЧ, а также предложен способ ингибирования одновременно двух вирусов: ВИЧ и ЦМВ. В последнем случае ингибирование осуществлялось по механизму блокирования позднего структурного белка gВ ЦМВ [32,33].
Установлено, что различные типы антиоксидантов способны ослаблять ишемически-реперфузионное повреждение легких. В работе Lai и соавт. оценивали способность водорастворимого производного фуллерена С60 — С60(ONO2)7±2 — снижать выраженность ишемически-реперфузионного повреждения изолированных легких крысы [34]. Показано, что С60(ONO2)7±2 обладает антиоксидантными свойствами [35,36,37,38] и способностью освобождать оксид азота [39,40,41], проявляя эффекты, подобные эффектам нитроглицерина. Экспериментальный протокол включал 10 мин стабилизации, 45 мин ишемии и 60 мин реперфузии. Легкие вентилировали газовой смесью, содержащей 95% О2 и 5% СО2. До и после ишемии регистрировали давление в легочной артерии (РЛА), давление в легочной вене (РЛВ), массу легких (W), легочное капиллярное давление и коэффициент фильтрации (КФ). Ишемия вызывала повышение РЛА, W и КФ в контроле, однако С60(ONO2)7±2 ограничивал рост этих показателей, что рассматривали как ослабление ишемически-реперфузионного повреждения легких [37,40].
В результате клинико-иммунологических исследований [42,43,44,45,46] установлено, что у больных пневмонией на фоне бактериальной агрессии создаются условия для формирования синдрома вторичного иммунодефицита, подвергаются изменению местные механизмы иммунной защиты, нарушаются процессы кооперации Т- и В -лимфоцитов, макрофагов, снижается синтез иммуноглобулинов, прежде всего секреторного иммуноглобулина класса А лимфоцитами, происходят нарушения в регуляции лимфоцитами метаболизма соединительной ткани [46,47,48,49], что важно в понимании развития пневмосклеротических процессов в легких на этапе разрешения острого воспалительного процесса в легких [21,42,44,48]. У пациентов страдающих ХОБЛ также присутствуют нарушения иммунного ответа, характеризующиеся повышенным количеством нейтрофилов и Т- лимфоцитов (особенно CD-8) в различных частях легких. У некоторых пациентов может также наблюдаться увеличение числа эозинофилов, особенно при обострении [50,51].
Иммунодепрессия может быть связана не только с прямым поражением иммунных клеток, но и со способностью АГ активировать процессы перекисного окисления липидов (ПОЛ) [52,53,54]. Процессы ПОЛ имеют важное значение в саногенетических реакциях организма. ПОЛ, протекающее в биологических мембранах и контролируемое системой антиоксидантной защиты (АОЗ), является нормальным физиологическим процессом [42,55]. В период фагоцитоза происходит резкое усиление ПОЛ в результате выделения активированными нейтрофилами и макрофагами реактивных метаболитов кислорода, играющих важную роль во внутриклеточном уничтожении микроорганизмов [56,57,58,59]. При невозможности фагоцитировать чужеродный материал активные формы кислорода генерируются во внешнюю среду и способны повреждать здоровые ткани. В результате колебания уровня ПОЛ значительно изменяется микровязкость липидного бислоя и пассивная проницаемость мембран для ионов, т. е. фундаментальные — барьерные, каталитические, рецепторные свойства [42,56,60].
При недостатке АОЗ наступает гиперактивация ПОЛ и из механизма обеспечивающего оптимальное функционирование клеточных и внутриклеточных мембран и соответственно рецепторного аппарата клеток, ПОЛ превращается в механизм развития мембранной и клеточной патологии с последующим проявлением на уровне целого организма. В результате агрессии радикалов происходит резкое повышение активности фосфолипазы А-2, приводящее к высвобождению из клеточных мембран значительного количества арахидоновой кислоты с последующим метаболизмом ее до лейкотриенов [22,55,61,62,63,64].
Увеличение метаболизма арахидоновой кислоты, при интенсификации ПОЛ, приводит к нарушению баланса между насыщенными и полиненасыщенными жирными кислотами и как следствие к нарушению синтеза сурфактанта [22,61,65]. Продукты циклооксигеназного пути превращения арахидоновой кислоты способны подавлять пролиферацию Т-лимфоцитов, выработку интерлейкина -2, индуцировать образование Т — супрессоров, а также вызывать бронхоспазм, усиление слизеобразования, нарушение транспорта мокроты, отек, клеточную инфильтрацию, нарушение функции сурфактанта. Все это влияет на скорость редукции воспалительного процесса [66]. В связи с этим заслуживают внимания данные о способности фуллеренов контролировать активность ПОЛ [34,67,68] и как следствие влиять на качество иммунного ответа.
Способность фуллеренов и их производных инактивировать свободные радикалы кислорода была описана в 1991 г., когда Krustic at al. в журнале «Science» характеризовали фуллерен С60 как «губку, впитывающую свободные радикалы» [37,69]. Действительно, одна молекула фуллерена C60 способна присоединять 34 метильных радикала. Антиоксидантная эффективность фуллеренов зависит от числа активных центров и расстояния между активными центрами и атомами-мишенями. Фуллерены способны эффективно захватывать и инактивировать как супероксиданион — радикал, так и гидроксильные радикалы in vivo и in vitro [35,70,71,72,73]. Кроме того, большинство фуллереновых соединений проявляет адъювантную активность, т. е. стимулирует IgG-ответ на совместное введение производного фуллерена с антигеном в физиологическом растворе. При этом не обнаружено продукции специфических IgE-антител в ответ на введение конъюгатов фуллерена, а так же установлено, что употребление воды, содержащей водорастворимые соединения фуллеренов, приводит к снижению уровня гистамина в крови [1], а ее ингаляционное введение вызывает бронходилятацию [74].
Повышение агрегации тромбоцитов, нарушения в системе микроциркуляции и нервно-трофические расстройства также являются важными звеньями патогенеза П., от которых во многом зависят и ее исходы. Дело в том, что состояние легочного кровотока, способность подводить к зоне воспаления необходимые для поддержания тканевого гомеостаза вещества и выводить продукты метаболизма- все это факторы, серьезно влияющие на течение и исходы П. [7,22,44,52,56]. Анализ зависимости исходов П. от состояния капилярного кровотока показал, что у больных со сниженной микроциркуляцией, исходы П. в хронические неспецифические заболевания легких наблюдались достоверно чаще- в 34,6 %, в то время как при нормальном кровотоке — в 13,3% [75].
Данные литературы показывают, что фуллерены способны оказывать влияние на трофику тканей, состояние регенераторного потенциала, микроциркуляцию, через снижение избыточной активности ПОЛ [34,35,70] и высвобождение оксида азота [10,19,38], защищают нейроны от апоптоза, а препараты на основе фуллеренов предупреждают нарушение формирования долговременной памяти у млекопитающих, которые вызваны ингибитором синтеза белка [48,76,77].
Установлен эффект торможения пролиферации опухолевых клеток человека под воздействием фуллеренов [1], что может стать важным звеном профилактики онкопатологии, развивающейся у пациентов страдающих ХОБЛ.
Анализ литературы позволяет говорить о важном месте фуллеренов в терапии ИЗНОД, однако включение их в программы лечения данной патологии требует решения еще многих задач, таких как: определение зависимости доза-ответ, кратность введения, длительность лечения и ряда других. Исследования, направленные на получение ответов по этим вопросам помогут разработать новое направление в лечение ИЗНОД.
Список литературы: