Гистоэнзиматические изменения и диабетическая кардиомиопатия

Ключевые слова: никотинамидадениндинуклеотид-дегидрогеназа, лактатдегидрогеназа, 5-нуклеотидаза, щелочная фосфатаза, застойная сердечная недостаточность. 

Больные с СД предрасположены к ИБС, и у них чаще развивается инфаркт миокарда по сравнению с лицами, не имеющими СД. Кроме того, диабет сопряжен с более высокой смертностью от инфаркта миокарда как в остром, так и отдаленном постинфарктном периодах, а впоследствии – с более быстрым развитием ЗСН. Более высокую частоту ИБС можно объяснить наличием дополнительных факторов риска коронарного атеросклероза у больных диабетом, тогда как неблагоприятный прогноз, очевидно, связан и с характерными для этой патологии метаболическими нарушениями в миокарде, так называемой диабетической кардиомиопатией.

Ведущим метаболическим нарушением в миокарде при диабете является снижение его способности окислять пируват, образующийся в результате гликолиза, а при окислении лактата, по-видимому, в значительной степени обусловливает более неблагоприятный исход инфаркта миокарда [2]. Эти нарушения метаболизма скорее всего являются вторичными по отношению к повышению концентрации свободных кислот и кетоновых тел в плазме крови таких больных, в результате которого в митохондриях кардиомиоцитов поддерживается более высокое отношение ацетил Коа-Коа и НАД-НАД+, а активность пируватдегидрогеназы снижается. При диабете в сердце происходят определенные метаболические адаптационные процессы, которые проявляются как в условиях нормального кровоснабжения, так и при ишемии с последующей реперфузией.

Основная информация о влиянии диабета на обмен веществ в миокарде была получена в экспериментах на изолированных и перфузируемых сердцах крыс с экспериментальным диабетом, вызванным стрепозотоцином.

Лишь отдельные работы были посвящены изучению метаболизма сердечной мышцы при ИНЗД in vivo [1]. В связи с этим в нашу задачу входило изучение гистохимических изменений, то есть НАД-Н2, ЛДГ, 5-нукл., ЩФ в биоптатах.

Материал и методы. Известно, что энергетические потребности сердца в связи с его непрерывной работой чрезвычайно велики, и они определяются его нагрузкой и развитием внутреннего напряжения мышечных волокон.

Обеспечение сердечной деятельности при таких нагрузках зависит от четкой координации процессов образования, накопления и превращения энергии в механическую работу, то есть интенсивности метаболизма сердечной мышцы.

Гистохимические и гистоэнзиматические реакции ставились на 10 мкм (±0,1) срезах тканей ушка сердца, толщина срезов выборочно контролировалась на интерферационном микроскопе. Известно, что процессы синтеза в клетках обеспечиваются усиленным потреблением энергии, поэтому была поставлена задача проанализировать активность НАД-Н2-дегидрогеназы по Бертстону, связанной с митохондриальными ферментами и использующей в качестве кофермента НАД.

Гистохимическое выявление 5-нуклеотидазы, лактат дегидрогеназы (ЛГД) и щелочной фосфатазы (ЩФ) проводилось также по Бертстону. Количественная оценка гистохимических и гистоэнзиматических реакций проводилась с помощью прямого метода цитофотометрии на установке КФ-ЛЮМАМ-4 (ФМЭЛ-1) плаг-методом. Ширина зонда при этом равнялась 0,1 мкм.

Процесс сокращения и расслабления миокарда постоянно регулируется сложной системой ферментов, осуществляющих обмен в клетках миокарда и перенос энергии от места ее выработки (митохондрии) к месту потребления (миофибриллы).

Согласованность этих процессов в норме обеспечивается механизмами регуляции самого акта сокращения и связанных с ним ферментативных процессов цикла Кребса.

В связи с этим изучались показатели трех основных путей энергообеспечения – цикла Кребса (НАД-Н2-дегидрогеназа), анаэробного гликолиза (ЛДГ) и катализатора процессов обмена нуклеотидов как основного пути распада АМФ в сердечной мышце при гипоксии миокарда (5'- нуклеотидаза- 5'-нукл). Для выявления активности фермента, обеспечивающего транспорт через сосудистую систему, изучалась также ЩФ. Анализ фермента, характеризующего энергообеспечение кардиомиоцитов, показал, что у больных диабетом происходит резкое снижение активности НАД-Н2-дегидрогеназы, свидетельствующее о снижении окислительно-восстановительных процессов.

Проведенное гистохимическое исследование анаэробного энергообеспечения кардиомиоцитов выявило повышение ЛДГ. Сравнительное изучение состояния 5'-нуклеотидаза (5'-нукл) показало значительные колебания ее метаболизма при СД. При изучении обмена этого фермента у обследованных нами больных обнаружено повышение активности 5-нуклеотидазы в кардиомиоцитах.

Отчетливые изменения нами были получены в динамике ЩФ, где наблюдалось достоверное уменьшение у больных СД II типа.

Микроскопические изменения. При гистологическом исследовании обнаружены следующие изменения: утолщение мышечных волокон, соединительной ткани между волокнами было больше, чем в норме. Основной отличительной чертой этих изменений являлся выраженный межуточный отек, местами расслаивающий мышечные волокна во всех изученных случаях (47 больных).

Наблюдался интра-и экстрацеллюлярный отек миокарда с отложениями капель жира в волокнах, в отдельных случаях (у 20 больных) отмечалась дистрофия: мутное набухание, стеатоз, зернисто-губчатые контрактуры и исчезновение мышечных элементов с заменой их соединительной тканью. В некоторых случаях (12 человек) количество миофибрилла было уменьшено, отмечались их вакуолизация, интерстициальный отек и очаговый фиброз при отсутствии воспалительной реакции. В кардиомиоцитах, расположенных ближе к эндокарду, в некоторых случаях (11 человек) была обнаружена жировая дистрофия, которая сочеталась с зернистым перерождением с исчезновением поперечной исчерченности. В таких случаях мышечные волокна значительно варьировали в объеме, по-видимому, из-за интерстациального отека.

В этих случаях ядра клеток мышечных волокон были малы и пигнотичны или чрезмерно велики и причудливой формы. Во многих случаях (31 человек) наряду с описанными изменениями обнаруживались клетки, часто вокруг сосудов, с признаками некробиоза.

Таким образом, невзирая на то, что полученные результаты гистологического исследования нельзя признать строго специфичными, можно заключить, что эти изменения весьма значительно отличаются от изменений, обнаруживаемых при других видах кардиомиопатий, то есть при ишемической кардиомиопатии, и являются весьма характерными именно для диабетического поражения сердца. Анализ фермента, НАД-H2, характеризующего энергообеспечение кардиомиоцитов, показал, что у больных СД II типа происходит резкое снижение активности НАД-Н2-дегидрогеназы (0,044±0,001; p<0,005) в первой группе (СД+ИБС), а во второй группе (СД+ИБС+АГ) это снижение было более резким и отчетливым. Эти изменения свидетельствуют об окислительно-восстановительных процессах, и они статистически достоверны (табл. 1). Это доказывает то, что при СД II типа угнетается метаболизм окислительного внутриклеточного фосфорилирования в клетках, обеспечивающих основные энергетические потребности сердца.

Таблица 1. Сравнительная характеристика средних уровней НАД-Н2

Таким образом, подобные нарушения метаболизма сердца ведут к ослаблению его сократимости, так как состояние энергетического обмена миокарда является одним из определяющих факторов его сократительной и гемодинамической функции. В условиях угнетения аэробного гликолиза, наблюдаемого нами в обеих группах, у больных СД II типа отмечалось снижение активности фермента НАД-Н2-дегидрогеназы, и в таких случаях возрастает роль других путей энергообразования, в частности анаэробного гликолиза.

В наших наблюдениях это наиболее ярко отразилось на активности фермента ЛДГ, катализирующего обратимую реакцию превращения пировиноградной кислоты в молочную. Это–источник образования внемитохондриального НАДФ-Н2, необходимого для обеспечения основных биосинтетических процессов организма, в частности, для синтеза нуклеиновых кислот белка.

Проведенное гистохимическое исследование анаэробного энергообеспечения кардиомиоцитов в обеих группах выявило повышение активности фермента ЛДГ (табл. 2). Увеличение среднего уровня этого фермента статистически недостоверно (p>0.05).

Таблица 2. Сравнительная характеристика средних уровней ЛДГ

В норме под влиянием ЛДГ происходит переход лактата в пируват. Последний находится на стыке аэробного и анаэробного метаболизма, и в дальнейшем окисляется в цикл Кребса. Поэтому рост количества ЛДГ указывает на активацию анаэробного гликолиза, что происходит в наших наблюдениях (рис).

Это свидетельствует о мобилизации вспомогательных путей энергообразования (анаэробного гликолиза) для поддержания энергообеспечения миокарда в условиях гипоксии, развивающейся, по-видимому, при диабетической кардиомиопатии.

Можно предположить, что активация ЛДГ является одной из компенсаторных метаболических реакций. Как известно, для вступления пирувата в цикл Кребса необходим НАД-Н2, который в ходе цикла окисляется. Этот процесс оказывает влияние на активность ЛДГ, которая катализирует образование пирувата из лактата, что подтверждается наличием высоких цифр ЛДГ в наших наблюдениях.

Сравнительное изучение активности 5-нуклеотидазы показало значительные колебания ее метаболизма при СД II типа в обеих группах (табл. 3); это увеличение статистически достоверно.

Таблица 3. Сравнительная характеристика средних уровней 5-нукл. 

Как известно, аденозин играет определенную роль в регуляции коронарного кровообращения. Ключевым ферментом, катализирующим распад АМФ до аденозина, является 5-нуклеотидаза.

При изучении обмена этого фермента у обследованных нами больных СД II типа было обнаружено повышение активности 5-нуклеотидазы в кардиомиоцитах (рис).

Надо полагать, что это свидетельствует о компенсаторном механизме, направленном на усиление образования аденозина, который, как известно, даже в минимальных дозах улучшает коронарный кровоток и функциональное состояние сердечной мышцы.

Таким образом, активация 5-нуклеотидазы приводит к увеличению образования аденозина, уменьшается степень диффузной гипоксемии кардиомиоцитов.

Отчетливые изменения нами были получены у больных СД II типа обеих групп в динамике ЩФ. Изучение этого фермента показало достоверное снижение активности ЩФ в эндотелии микроциркуляторного русла у лиц, страдающих СД II типа (табл. 4).

Таблица 4.Сравнительная характеристика средних уровней ЩФ

Следовательно, уровни фермента в обеих группах отражают процесс трансэндотелиального транспорта у больных СД II типа, что может свидетельствовать о глубоком угнетении функциональной активности эндотелия микроциркуляторного русла, являющегося универсальным регулятором клеточного метаболизма и единственным передатчиком специфических стимулов информации в организме.

Обсуждение. В доступной литературе (как отечественной, так и зарубежной) нет работ, посвященных изучению активности указанных ферментов в кардиомиоцитах при СД II типа.

Изменение этих показателей в наших исследованиях свидетельствует о дефиците энергообразования, диффузной гипоксемии кардиомиоцитов, обусловливающей снижение функционального состояния сердечной мышцы при СД II типа.

Снижение активности фермента НАД-Н2-дегидрогеназы – показатель состояния митохондрий – предполагает ослабление внутриклеточного дыхания и синтетичeских функций кардиомиоцитов, направленных на обеспечение процессов компенсации в условиях топического повреждения клеток и активации процессов анаэробного гликолиза (повышение активности ЛДГ).

Специфически повреждающий эффект СД связан со снижением интенсивности обмена в цикле трикарбоновых кислот, а также активации внутриклеточного гидролиза.

Таким образом, СД II типа с диабетической кардиомиопатией оказывает специфическое влияние на митохондриальные и цитоплазматические процессы, связанные с циклом Кребса, пентозофосфатным шунтом и системой анаэробного гликолиза. Это ведет к нарушению внутриклеточного метаболизма кардиомиоцитов, а также функционального состояния эндотелия гемомикроциркуляторного русла сердца.

Полученные данные показывают целесообразность определения следующих ферментов в клинической практике: показателей цикла Кребса, анаэробного гликолиза, активность 5-нуклеотидазы и трансэндотелиального транспорта.

В заключение, обобщая вышеуказанные результаты и сопоставляя их с другими патогенетическими механизмами диабетической кардиомиопатии, мы пришли к заключению, что повышенное количество реактивных оксидантов при СД II типа может быть следствием нарушения одного из указанных механизмов, но в действительности, как правило, имеет место их различная комбинация. Реактивные оксиданты, к которым относятся различные соединения, содержащие кислород, образуются путем реакции с перемещением металлических ионов при участии различных ферментов, например НАДРН-оксидазы, давая на выходе супероксиды, водородные пероксиды или оксометаллические комплексы, участвующие в окислении углеводов и липидов, что приводит к образованию органических радикальных интермедиаторов и пероксидов (Uchano H. Et al., 1999).

Указанные органические пероксиды вызывают образование различных реактивных альдегидов, дикарбоновых соединений, индуцирующих в тканях различные нарушения: цитотоксичность, апоптоз и окислительное повреждение.

Создается своеобразный заколдованный круг, при котором первичный окислительный стресс, приводя к повышению аутоокисления углеводов и липидов и повреждению тканей, индуцирует образование вторичных источников окислительного стресса, который в конце концов является стимульным звеном для апоптоза.

Таким образом, проведенное гистохимическое исследование показало, что наиболее информативными для оценки нарушения метаболизма при диабетической кардиомиопатии являются показатели окислительного фосфорилирования (НАД-Н2), анаэробного гликолиза (ЛДГ) 5-нуклеотидаза и трансэндотелиального транспорта микроциркуляторного русла (ЩФ).

Рис. Активность НАД-Н2, ЛДГ, 5-нуклеотидазы и ЩФ в кардиомиоцитах ушка сердца больных СД.

По оси ординат – условные единицы оптической плотности; по оси абсцисс – изучаемые ферменты.

Литература

1. Zhang J.G., Chosh S., Ockleford C.D., Galinanes M. Characterization of an in vitro model for the study of the short and prolonged effects of myocardial ischaemia and reperfusion in man, Clin. Sci. (Lond.), 2000; 99(5): 443-453.
2. Chen Z., Oberly T.D., H Y., Chua C. C., Siu B. et al. Overexpression of Cu ZnSOD in coronary vascular cells attenuates myocardial ischemia/ reperfusion injury. Free Radic. Biol. Med., 2000; 29(7): 589-596.

Вопросы, ответы, комментарии