Введение к работе
Актуальность темы
Широкий интерес современной медико-биологической науки к проблеме сахарного диабета (СД) объясняется его значительной распространенностью в мире, где в настоящее время насчитывается более 300 млн. больных СД и по прогнозам ВОЗ к 2030 году ожидается увеличение числа больных до 438 млн. Растущая распространенность, частота и тяжесть сосудистых осложнений приводят к инвалидизации и преждевременной смертности трудоспособного населения (Науменко Л.В., Кузнецова В.А., Спасов А.А., 2010; Дедов И.И., Шестакова М.В., 2011; Курбанов Э.Ю., Сергеев В.Г., 2011). Особенностями сосудистых осложнений являются микроангиопатии – повреждение мелких сосудов почек, сетчатки глаза и периферической сосудистой системы. Данные ряда авторов (Белкина Л.М., Терехина О.Л., Смирнова Е.А.; 2010) также свидетельствуют, что наличие СД типа 1 сопряжено с высоким риском развития сердечно-сосудистых заболеваний, в первую очередь, ишемической болезни сердца (ИБС).
Изучение функциональных и биохимических механизмов развития сосудистых осложнений СД остается одной из наиболее актуальных проблем фундаментальной и клинической медицины. Среди нескольких гипотез, объясняющих патогенез сосудистых диабетических поражений, особое место занимает развитие окислительного стресса, вследствие повышенной генерации активных метаболитов кислорода (АМК) и нарушения антиоксидантной защиты (АОЗ) клеток (Волчегорский И.А., Рассохина Л.М., Мирошниченко И.Ю., 2010). Фактором риска в условиях окислительного стресса становится эндотелиальная дисфункция, основными механизмами которой могут быть изменения активности и/или экспрессии эндотелиальной NO-синтазы (eNOS), сниженный синтез оксида азота (NO) из L-аргинина, сниженная чувствительность гладкомышечных клеток (ГМК) к NO или усиленная его деградация за счет взаимодействия с активными формами кислорода (АФК), включая супероксид-анион и другие продукты перекисного окисления липидов (ПОЛ). Эффективность образования NO зависит от наличия субстрата – L-аргинина, транспорт которого подвержен негативному влиянию окисленных липопротеинов низкой плотности (ЛНП) (Судаков Н.П., Никифоров С.Б., Пушкарев Б.Г., 2010). Другой причиной низкой биодоступности NO может быть повышенный уровень в плазме крови ассиметричного диметиларгинина (АДМА) – эндогенного конкурентного ингибитора eNOS (Joutouzas K, Riga M, Stefanidi E et al., 2008). Учитывая важную роль нарушения NO-продуцирующей функции эндотелия в условиях окислительного стресса в развитии сосудистых осложнений СД, необходим новый методологический подход патогенетической терапии диабетических ангиопатий, основанный на применении препаратов, обладающих антиоксидантными свойствами и способностью нормализовать метаболизм NO (Тюренков И.Н., Воронков А.В., Слиецанс А.А., 2010; Черноморцева Е.С., Покровский М.В., Титарева Л.В., 2010). Из литературных данных известно, что основная утечка супероксиданион радикала О2- при СД происходит на уровне III комплекса дыхательной цепи, а применение SKQ1 и коэнзима Q10 способствует восстановлению ультраструктуры митохондрий и улучшению функции кардиомиоцитов. L-карнитин способствует транспорту ацилов жирных кислот в митохондрии, их последующему окислению и образованию восстановленных коферментов для дыхательной цепи.
Другой препарат – селективный анксиолитик афобазол, синтезированный в ГУНИИ фармакологии им. В.В.Закусова РАМН, обладает способностью позитивно модулировать продукцию NO, ингибируя индуцибельную изоформу NO-синтазы и стимулируя конститутивную эндотелиальную NO-синтазу (NOS-3) и одновременно обладает антиоксидантными свойствами (Середенин С.Б., Воронин М.В., 2010).
Изучение влияния эндогенных регуляторов и митохондриально-ориентированных антиоксидантов – коэнзима Q10, L-карнитина, а также афобазола на биохимические и функциональные показатели сосудистой системы является весьма актуальным. Более того, в доступной литературе отсутствуют данные о биохимических маркерах эндотелиальной дисфункции и влиянии эндогенных регуляторов эндотелиальной NO-синтазы (eNOS), антиоксидантов и афобазола на гемодинамику и структурно-функциональную организацию жизненно важных органов – почки, печень, миокард при экспериментальном сахарном диабете (модель СД типа 1).
Цель работы: получить комплексные данные о биохимических и функциональных механизмах развития эндотелиальной дисфункции при сахарном диабете типа 1, а также метаболических и гистологических изменениях висцеральных органов для разработки способов патогенетической коррекции.
Задачи исследования
-
Определить роль NO-продуцирующей системы: концентрации суммарных метаболитов оксида азота, уровня экспрессии eNOS в эндотелии аорты в механизмах развития эндотелиальной дисфункции у крыс с моделью СД типа 1.
-
Показать особенности нарушения метаболизма оксида азота, участие в этом процессе L-аргинина и L-NGаргинина, метилового эфира (L-NAME) при экспериментальном сахарном диабете в условиях окислительного стресса.
-
Установить характер метаболических нарушений и структурных повреждений сосудистой системы и висцеральных органов (почки, сердце, печень) при экспериментальном сахарном диабете. Показать влияние коэнзима Q10, L-карнитина и афобазола на биохимические и гистологические показатели этих систем.
-
Выявить изменения биохимических показателей нарушений углеводного, белкового и липидного обменов у больных сахарным диабетом типа 1 с сосудистыми осложнениями: нефропатия, периферические ангиопатии. Показать выраженность нарушений функциональной способности почек и микроциркуляторной гемодинамики в зависимости от степени компенсации обмена веществ.
-
Разработать и применить технологию коррекции выявленных нарушений с использованием эндогенных регуляторов eNOS: L-аргинина, L-NAME, а также их комбинации с антиоксидантами: Q10, L-карнитином и афобазолом при СД в эксперименте.
-
Исследовать влияние комплексной терапии с коэнзимом Q10 на биохимические и функциональные показатели у диабетических больных с нефропатиями и периферическими ангиопатиями с различной степенью компенсации обмена веществ.
Научная новизна
Впервые в работе использован комплексный подход к исследованию механизмов формирования эндотелиальной дисфункции и ее роли в гемодинамических нарушениях, биохимических и гистологических изменениях висцеральных систем: почек, печени, миокарда. Вскрыты патобиохимические механизмы нарушения метаболизма NO в условиях окислительного стресса, установлен характер изменения экспрессии eNOS при СД в эксперименте и показано участие в этом механизме L-аргинина и ингибитора eNOS L-NAME - аналога АДМА; изучены корреляционные взаимосвязи этих показателей с интенсивностью ПОЛ, активностью ферментов АОС и концентрацией NOx.
Впервые установлен органо-системный характер окислительного стресса и нарушений, вызванных изменением гомеостаза NO в этих условиях, патогенетической основой которых является эндотелиальная дисфункция. В клинике у больных СД типа 1 с нефропатией и периферическими ангиопатиями различной степени компенсации (декомпенсированные, субкомпенсированные, компенсированные формы) установлена роль СРО и нарушения метаболизма NO в механизмах развития этих сосудистых осложнений. Разработана и применена технология оптимизации традиционного лечения инсулином в комбинации с метаболически корригирующим препаратом - коэнзимом Q10.
Результаты фундаментальных исследований позволили установить участие и взаимосвязь нарушений метаболизма оксида азота и показателей окислительного стресса, а также метаболических, функциональных и гистологических механизмов развития сосудистых осложнений СД. На основании сравнительного анализа экспериментальных и клинических данных, полученных фундаментальных знаний, сформирована концепция о механизмах развития сосудистых осложнений СД, а также разработан новый методологический подход, направленный на восстановление NO-продуцирующей функции эндотелия и энергообразования в клетках висцеральных органов. Новизна исследований подтверждается полученными патентами на изобретение (4) и одного свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Научно-практическая значимость
Результаты изучения динамики показателей активности про- и антиоксидантных систем и их роли в нарушении механизмов регуляции гомеостаза NO и развитии эндотелиальной дисфункции (ЭД) при СД в эксперименте и клинике имеют общее медико-биологическое, а также клиническое значение для понимания патогенеза сосудистых осложнений СД и направленного поиска адекватных способов оптимизации профилактики и лечения нефро- и ангиопатий. Получены фундаментальные данные о роли доноров NO и ингибиторов eNOS, в частности L-аргинина и L-NAME, а также эндогенных антиоксидантов - коэнзима Q10, L-карнитина, а также афобазола в регуляции метаболических и гемодинамических изменений в эксперименте при СД. Проведенные клинические исследования свидетельствуют об эффективности комплексного лечения с коэнзимом Q10 у больных СД-1 (субкомпенсированная форма) с нефропатией и периферическими ангиопатиями. Эти данные подтверждают его антиоксидантную роль и позволяют рекомендовать системное применение антиоксидантных препаратов для профилактики и лечения в субкомпенсированной стадии развития сосудистых осложнений СД.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Сахарный диабет в клинике и эксперименте характеризуется нарушением метаболизма оксида азота в условиях окислительного стресса, который приобретает системно-органный характер и сопровождается нарушением структурной и функциональной организации внутренних органов (почки, печень, сердце).
-
Причинами нарушения гомеостаза оксида азота являются: дефицит субстрата - L-аргинина, повышение в крови эндогенного ингибитора eNOS – ассиметричного диметиларгинина, угнетение экспрессии eNOS, снижение биодоступности оксида азота и нейтрализация его активными формами кислорода.
-
Сосудистые осложнения сахарного диабета в клинике и эксперименте характеризуются нарушением системной гемодинамики, повышением модуля упругости, реографического индекса, упруго-эластических свойств и снижением пульсового кровенаполнения микроциркуляторных сосудов, развитием периферических ангиопатий.
-
Применение эндогенного регулятора экспрессии eNOS - L-аргинина приводит к угнетению окислительного стресса, повышению концентрации NO в плазме крови и экспрессии eNOS, сопровождающиеся ускорением микроциркуляторной гемодинамики, вследствие снижения упруго-эластических свойств (плотности) сосудистой стенки в микроциркуляторном русле. В противоположность этому, L-NAME – аналог эндогенного ингибитора eNOS АДМА, способствует повышению концентрации МДА и снижению содержания оксида азота, что проявляется нарушением микроциркуляторной гемодинамики.
-
Использование препаратов метаболической коррекции – коэнзима Q10, L-карнитина и афобазола при ЭСД способствует угнетению ПОЛ, активации АОС, увеличению концентрации NO в плазме крови, вследствие повышенной доступности субстрата - L-аргинина для NO-продуцирующего фермента, угнетению активности эндогенного ингибитора фермента и повышенной экспрессии NOS-3.
-
Применение эндогенных антиоксидантов и афобазола, угнетающих окислительный стресс при ЭСД, вызывает повышение активности Na,K-АТФазы в гомогенатах почек, печени, миокарда, снижение активности ферментов: АлАТ, АсАТ, ГГТП и экскреторного – щелочной фосфатазы в плазме крови, а также частичное восстановление гистологической структуры внутренних органов.
-
У больных СД типа 1 с диабетической нефропатией (субкомпенсированная форма) комплексная терапия с коэнзимом Q10 способствует компенсации процесса метаболизма, снижению степени протеинурии, повышению трансмембранного транспорта воды, электролитов и снижению в сыворотке крови концентрации креатинина и мочевины. Применение коэнзима Q10 с базисной терапией у диабетических больных с периферическими ангиопатиями вызывает увеличение пульсового кровенаполнения в сосудах нижних конечностей, реографического индекса и модуля упругости на фоне компенсации обмена веществ.
Личный вклад автора
Автор самостоятельно разработал методические подходы к решению поставленной цели и задач, выполнил экспериментальные и клинические исследования, провел математическую и статистическую обработку и анализ с обобщением полученных результатов.
Апробация работы
Основные положения работы доложены и обсуждены на: Международной научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Владикавказ 2010); I Региональной междисциплинарной конференции молодых ученых «Наука–обществу» (Владикавказ, 2010); II международной научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Владикавказ, 2011); Международном научном форуме «Наука и общество», Физиология и медицина 21 века, 6 Петербургская встреча лауреатов Нобелевской премии (Санкт-Петербург, 2011); V региональной научно-практической конференции «Новые технологии в рекреации здоровья населения» (Владикавказ, 2011); на VII MEZINRODNI VDECKO-PRAKTICKA KONFERENCE «VDECKY POKROK NA PRELOMU NYSYACHALETY». (Praha, 2011); Х конференции молодых ученых и специалистов СОГМА (Владикавказ, 2012); XI конференции молодых ученых и специалистов СОГМА «Молодые ученые - медицине» (Владикавказ, 2012); 8 международной крымской конференции «Окислительный стресс и свободнорадикальные патологии», г. Судак (Крым, Украина) 2012г; 9 международной научно-практической конференции «Достижения фундаментальных наук и возможности трансляционной медицины в решении актуальных проблем практического здравоохранения», Астрахань 2013г.
Публикации по теме диссертации
По теме диссертации опубликована 41 научная работа, в том числе 23 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.
Внедрение результатов работы
Материалы диссертации используются в лекциях и научных исследованиях на кафедре биохимии и клинико-лабораторной диагностики ГБОУ ВПО Астраханской государственной медицинской академии Минздравсоцразвития России и кафедре общей и клинической биохимии с клинико-лабораторной диагностикой ГБОУ ВПО Самарского государственного университета и в научно-исследовательской работе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институте биомедицинских исследований Владикавказского научного центра РАН и Правительства Республики Северная Осетия – Алания.
Объем и структура диссертации
Диссертация изложена на 281 страницах, иллюстрирована 52 таблицами (из них 46 в приложении) и 58 рисунками. Состоит из введения, обзора литературы, раздела собственных исследований (4 главы), заключения, выводов и списка литературы, содержащего 412 источников (189 отечественных и 223 зарубежных).
