Согласно современным представлениям, возрастная макулярная дегенерация (ВМД) представляет собой нейродегенеративное заболевание с поражением центральных отделов сетчатки, сопровождающееся прогрессирующей необратимой потерей зрительных функций. В основе патогенеза ВМД лежат характерные изменения хориокапилляров, пигментного эпителия сетчатки (ПЭС) и мембраны Бруха, конечным результатом которых является гибель фоторецепторов с соответствующими функциональными нарушениями [1, 2, 3]. ВМД по праву считается социально значимой проблемой, занимая одно из лидирующих мест среди основных причин слепоты и слабовидения в мире [4, 5, 6]. Прогнозируемое количество новых пациентов с ранней и поздней стадиями заболевания составит к 2050 году 39,1 млн и 6,4 млн соответственно, что ляжет тяжелым бременем на системы здравоохранения во всем мире [7]. С позиций доказательной медицины в настоящее время результативное лечение возможно только при наличии неоваскулярной формы ВМД с использованием антиангиогенных препаратов (анти-VEGF терапия). Впрочем, и этот вид терапии не лишен недостатков, являясь инвазивным, дорогостоящим и имеющим ограниченную эффективность [8, 9]. Очевидно, что усилия научного сообщества должны быть направлены на профилактику и раннее выявление данной возраст-ассоциированной патологии сетчатки. Установление причинно-следственных связей и модифицируемых факторов риска ВМД имеет решающее значение для осуществления профилактических мероприятий. Целью настоящего исследования является анализ данных современной литературы, посвященных изучению оксидативного стресса как одного из ведущих факторов риска ВМД.
Современные представления о молекулярных механизмах развития ВМД
Многочисленные исследования позволили получить большой объем информации, касающейся патогенеза ВМД, являющейся многофакторным заболеванием с вовлечением как генетических, так и средовых факторов риска [10]. Не подвергается сомнению роль отягощенного семейного анамнеза [11]. В настоящее время зарегистрировано более 100 локусов, имеющих отношение к развитию ВМД, среди них как наиболее значимые упоминаются два основных, локализующихся на хромосомах 1q (CFH) и 10q (ARMS2/HTRA1) [12]. В качестве кандидатных называются гены, имеющие отношение к системе комплемента, метаболизму липидов, ангиогенезу, апоптозу, иммунному ответу, клеточной пролиферации и др. [13, 14, 15]. Среди негенетических факторов описываются курение, употребление алкоголя, ожирение, диета с высоким содержанием жиров, повышенное артериальное давление, дислипидемия, избыточная инсоляция и многие другие [15, 16, 17]. Впрочем, противоречивость получаемых в различных исследованиях и популяциях данных не позволяет создать стройную картину патогенеза заболевания и оценить конкретный вклад каждого из упомянутых компонентов.
Накопленные знания в области генетики, молекулярной биологии, гистохимии и патоморфологии дают возможность говорить о вовлеченности в патогенез ВМД оксидативного стресса (ОС), воспаления, системы комплемента, митохондриальной дисфункции, метаболизма липидов, ангиогенеза. Характер патологических изменений свидетельствует о наличии признаков хронического воспалительного процесса, включая не только инфильтрацию макрофагами и изменения микроглии, но и наличие воспалительных компонентов, таких как факторы комплемента и провоспалительные цитокины/хемокины, в очаге поражения [18]. Ряд исследований указывают на повреждение митохондриальной ДНК как на важный компонент патогенеза ВМД. Потенциальные механизмы, ответственные за накопление подобных повреждений, включают в себя снижение активности антиоксидантных ферментов, регулируемых факторами транскрипции NFE2L2 и PGC-1α, уменьшение белков, отвечающих за механизмы репарации митохондриальной ДНК [19].
Вовлеченность в патогенез ВМД нарушений липидного обмена подтверждается рядом корреляций: возрастающий уровень липопротеинов высокой плотности связан с повышенным риском заболевания, в то время как высокий уровень общего холестерина и липопротеинов низкой плотности снижает вероятность развития ВМД [20]. Отмечено возрастание концентрации конечных продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ) в структурах заднего отрезка глаза при ВМД, что может приводить к апоптозу фоторецепторов и клеток ПЭС [21]. В дополнение к вышеуказанным факторам, которые тесно связаны с возникновением и развитием ВМД, в современной литературе обсуждаются и другие, в частности аутофагия и нарушения гемодинамики [22, 23].
Таким образом, спектр молекулярных механизмов развития ВМД весьма широк и включает в себя элементы воспаления, митохондриальной дисфункции, нарушения ангиогенеза, патологию липидного обмена и гемодинамики. Степень их вовлеченности в процесс возникновения и прогрессирования заболевания, возможности использования в качестве критериев диагностики и прогнозирования патологического процесса, равно как и характер причинно-следственных связей, остаются предметом дискуссии. Однако наиболее изученным и тесно связанным с рядом вышеупомянутых элементов патогенеза ВМД является ОС [24].
Оксидативный стресс и ВМД
ОС проявляется дисбалансом между количеством и интенсивностью проявлений активных форм кислорода и азота, повреждающих компоненты клеток, и способностью биологической системы к детоксикации этих веществ для поддержания окислительного гомеостаза [25]. Не подвергается сомнению существенная роль ОС в возникновении и развитии целого ряда заболеваний органа зрения, в частности хронических увеитов, диабетической ретинопатии, различных клинико-патогенетических форм глаукомы, катаракты и некоторых форм дистрофических поражений глаз [26].
Для исследования связи ОС с развитием ВМД были использованы различные модели in vitro, что позволило сформулировать гипотезу о его роли в качестве триггера каскада патогенетических реакций. Сетчатка глаза особенно чувствительна к старению и уязвима к ОС, так как ее два компонента – пигментный эпителий и фоторецепторный слой – являются метаболически высокоактивными. В фоторецепторных клетках наблюдается высокая потребность в кислороде и питательных веществах, что обусловливает свойство сетчатки как одной из самых активно поглощающих кислород тканей в организме человека [27]. В условиях старения организма уровень окислительных процессов в макуле увеличивается, несмотря на то, что клетки сетчатки и пигментного эпителия богаты антиоксидантами, такими как витамины (A, C и E) и каротиноиды. В конечном итоге повышенные уровни активных форм кислорода на фоне ослабленной антиоксидантной системы защиты наряду с активацией воспалительных процессов и комплекса иммунных реакций приводят к ОС, вызывая критический уровень повреждения, характеризующийся при ВМД преимущественным поражением фоторецепторов, ПЭС и слоя хориокапилляров [28].
Основными источниками активных форм кислорода при ВМД являются процессы ПОЛ докозагексаеновой кислоты – одного из основных компонентов фоторецепторных мембран; поглощение света липофусцином и другими фотосенсибилизаторами, присутствующими в сетчатке; фагоцитоз внешних сегментов фоторецепторов клетками ПЭС с последующим образованием перекиси водорода из NADPH-оксидазы в фагосомах; β-окисление жирных кислот в пероксисомах. Экзогенные факторы, такие как курение, употребление алкоголя, особенности питания, избыточная инсоляция, также могут индуцировать продукцию значительного количества активных форм кислорода [29].
В литературе упоминается целый ряд механизмов реализации ОС в сетчатке при ВМД. Так, возраст-ассоциированная фагоцитарная и метаболическая недостаточность клеток ПЭС приводит к его дисфункции и постепенному накоплению липофусциновых гранул. Кроме того, воздействие видимого и ультрафиолетового света и высокого уровня кислорода вызывает реакции окисления и способно изменить состав липофусцина, что, в свою очередь, приводит к генерации продуктов окисления и вызывает процессы окисления ДНК и клеточный апоптоз. Следовательно, нарушение метаболизма липидов способствует ОС в сетчатке, подтверждением чему служат результаты метаболомного анализа [30, 31]. Еще одним вариантом развития патологических процессов является окисление полиненасыщенных жирных кислот, присутствующих в клеточных мембранах фоторецепторов. Примером может служить обнаружение больших количеств окисленного фосфатидилхолина в наружных и внутренних сегментах фоторецепторных клеток, что в конечном итоге может приводить к их деградации [32].
Одной из неотъемлемых составляющих ОС при ВМД является митохондриальная дисфункция. С одной стороны, фоторецепторы и клетки ПЭС, которые весьма метаболически активны, состоят из постмитотических клеток, способных накапливать повреждения митохондриальной ДНК [33]. С другой стороны, ОС вызывает ухудшение митохондрий в стареющих клетках ПЭС, проявляющееся изменениями в количестве, размере, плотности матрицы и целостности их мембраны. Этот процесс сопровождается митохондриальными мутациями [34]. Другие связанные с митохондриальной дисфункцией повреждения в процессе развития ВМД включают хронический митохондриальный окислительный стресс, приводящий к снижению уровня митохондриальной супероксиддисмутазы и, следовательно, к увеличению концентрации супероксид-аниона, укорочение и дезорганизацию фоторецепторов, дегенерацию клеток ПЭС, утолщение мембраны Бруха и, наконец, апоптотическую гибель клеток [35].
ОС вызывает нарушение регуляции аутофагии. Последняя является основным катаболическим процессом удаления из клеток поврежденных органелл, агрегированных белков и внутриклеточных патогенов. Nrf2 – редокс-чувствительный фактор транскрипции, регулирующий антиоксидантную защиту, уберегая клетки и ткани от различных токсинов, ОС и канцерогенов. При нарушении его функционирования происходит нарушение регуляции некоторых генов и белков антиоксидантной защиты, в частности гемоксигеназы 1 (HO-1), NAD(P)H-хинон-оксидродуктазы (NQO1), глутатион S-трансферазы (GST), супероксиддисмутазы (SOD), глутатон-редуктазы и ферритина [36].
Еще одним из ранее упомянутых патогенетических механизмов развития ВМД, связанных с ОС, является воспаление. Продукты окисления способны вызывать низкоинтенсивный хронический воспалительный процесс. Активные формы кислорода вступают в реакцию с нуклеиновыми кислотами, белками и липидами, что индуцирует образование провоспалительных цитокинов и ангиогенных веществ (в частности, сосудистого фактора роста, VEGF) [37].
Процесс воспаления, стимулируемый системой комплемента и происходящий в мембране Бруха, приводит к развитию различных форм ВМД. Он связан не только с активацией микроглии в хориоидее, но и с появлением аутоантител и образованием иммунных комплексов в мембране Бруха, сопровождающимся инфильтрацией хориоидальными макрофагами, что и приводит к хориоидальной неоваскуляризации. Повышенная метаболическая активность сетчатки на фоне воспаления способствует увеличению потребления кислорода и вызывает гипоксию в ретинальных клетках. Хроническая гипоксия сетчатки может привести к гибели клеток и необратимым нарушениям зрительных функций, что имеет место при экссудативной форме ВМД [38].
Полученные к настоящему времени данные убедительно подтверждают роль ОС не только как одного из ведущих звеньев патогенеза заболевания, но и как интегрального компонента, неразрывно связанного с другими механизмами развития заболевания: митохондриальной дисфункцией, аутофагией, воспалением. Реализация каскада патологических проявлений ОС у пациентов с ВМД связана не только с возрастающей интенсивностью окислительных процессов, но и с угнетением функции антиоксидантной системы (в том числе на фоне дефицита каротиноидов и витаминов А, С, Е).
Биомаркеры оксидативного стресса
Изменения концентрации ряда веществ, связанных с ОС, могут быть использованы в перспективе как потенциальные биомаркеры для диагностики возникновения и прогрессирования ВМД. Од8-OH-дезоксигуанозин (8-OHdG) – модифицированный нуклеозид, являющийся одним из наиболее распространенных продуктов окисления и маркеров повреждения ДНК. Обнаружено повышение его уровня в водянистой влаге пациентов с неоваскулярной ВМД [39]. Еще одним маркером интенсивных окислительных процессов является выявление в сыворотке крове ряда токсичных соединений, например малондиальдегида, являющегося продуктом ПОЛ. Его концентрация у пациентов с ВМД (как сухой, так и влажной формы) оказалась выше, чем в группе сравнения [40]. При этом интенсивность ПОЛ возрастала по мере прогрессирования заболевания [41]. Другой маркер ПОЛ – F2-изопростан (F2-IsoPs) – считается важным индикатором окислительного повреждения как in vitro, так и в естественных условиях. Установлено, что повышение его концентрации в моче коррелирует с развитием заболевания [42].
Одним из потенциальных биомаркеров ВМД с точки зрения клинического применения является карбоксиэтилпиррол (КЭП). Протеомный анализ показал увеличение его концентрации в макулярных друзах. Иммуноцитохимический анализ продемонстрировал, что КЭП локализуется на наружных сегментах палочек и в клетках ПЭС человека, что позволяет рассматривать его как весьма многообещающий показатель патологических изменений при ВМД. Показано, что как уровни иммунореактивности КЭП, так и титры КЭП-аутоантител значительно повышены у таких пациентов. Сочетание же высокого уровня КЭП в плазме с полиморфизмами генов ARMS2, HTRA1, CFH или C3 в 2–3 раза увеличивает риск развития ВМД в сравнении с теми пациентами, которые имеют только мутантные аллели [43]. Для оценки интенсивности окислительных процессов нередко используется определение уровня карбонильных групп белков. Доступность исследования сывороточных белков позволяет использовать данный метод как маркер ОС в клинической практике. У пациентов с неоваскулярной формой ВМД отмечается статистически значимое повышение уровня карбонильных групп белков [44].
Показательным является изучение концентрации промежуточного продукта обмена метионина и цистеина – гомоцистеина, относящегося к группе некодируемых непротеиногенных серосодержащих аминокислот. В его структуре имеется свободная тиольная группа, обладающая высокой реакционной способностью, что позволяет ему активно вступать в окислительно-восстановительные реакции, в том числе в реакции аутоокисления и дисульфид-дитиольного обмена. В результате повышения уровней гомоцистеина усиливается ОС, нарушается эндотелиальная функция, повышается артериальное давление и возникают тромботические осложнения. Нарушение регуляции баланса гомоцистеина связано с целым рядом заболеваний, например с сосудистой дисфункцией, аутоиммунными заболеваниями и нейродегенеративными расстройствами. Повышенные уровни гомоцистеина в крови наблюдались как при неоваскулярной, так и при сухой формах ВМД в сравнении с контрольной группой. Кроме того, было отмечено повышение его содержания в стекловидном теле пациентов с влажной формой заболевания. Ряд исследований продемонстрировал более высокие уровни гомоцистеина при неоваскулярной ВМД по сравнению с сухой формой [45].
На основании многочисленных исследований сформулирована гипотеза о нарушениях компонентов антиоксидантной защиты у пациентов с ВМД, в первую очередь ферментов, некоторых витаминов и микроэлементов. Одной из основных защитных систем от бесконтрольного увеличения свободных радикалов и подавления окисления липидов является система глутатиона, которая включает в себя сам глутатион и ферменты, имеющие отношение к его метаболизму, например глутатионпероксидазу. У пациентов с ВМД были обнаружены более низкие уровни общего содержания тиола и глутатиона, а также глутатионпероксидазы в плазме крови по сравнению с контрольной группой [46]. Противоречивы данные об изменениях уровня еще одного фермента с антиоксидантными свойствами – супероксиддисмутазы (СОД). В некоторых работах показана повышенная активность СОД у пациентов с ВМД по сравнению с контрольной группой, в других было отмечено ее снижение. Упоминается о разнице в активности СОД у лиц с различными стадиями ВМД. Подобный диссонанс может объясняться повреждающим действием как высоких, так и низких уровней СОД. Высокие уровни ферментной активности приводят к более выраженному образованию H2O2, в то время как низкий – к постоянному присутствию активных форм кислорода [47].
Важная роль в развитии ОС при ВМД отводится дефициту каротиноидов. Последние представляют собой природные органические пигменты, два из них – лютеин и зеаксантин – определяются в сетчатке. Они предотвращают окисление триглицеридов и холестерина и являются протекторами ПОЛ клеточных мембран. В нескольких исследованиях было обнаружено снижение уровней лютеина и зеаксантина у пациентов с ВМД, особенно в случаях экссудативной формы заболевания [48, 49].
Витамин С способствует активизации основных окислительных ферментов цитохрома Р450 в печени, усиливая метаболизм и детоксикацию ксенобиотиков. Отмечено значительное снижение концентрации витамина C в сыворотке крови и показателя суммарной антиоксидантной активности у пациентов с ВМД по сравнению с контролем [41]. Витамин Е предотвращает ПОЛ на уровне плазматической мембраны. Сообщается об обратной зависимости между уровнем сывороточного витамина Е и риском развития изучаемой патологии [49]. В ряде исследований показана корреляция нарушений уровня некоторых микроэлементов с антиоксидантными свойствами (таких как железо, медь, цинк, селен) и развитием ВМД, впрочем, уровень доказательности в настоящее время недостаточен для окончательных выводов [50].
Таким образом, описано большое число метаболитов, которые могут использоваться в качестве потенциальных биомаркеров ОС и для оценки степени его выраженности при ВМД (продукты ПОЛ, КЭП, антиоксидантные ферменты, каротиноиды и витамины). Однако спорадический характер исследований, а нередко и противоречивый характер получаемых результатов не позволяют в настоящее время полноценно интегрировать их в систему ранней диагностики и динамического наблюдения ВМД, требуется дополнительное изучение.
Заключение
ВМД представляет собой возраст-ассоциированное прогрессирующее многофакторное заболевание, возникающее в результате сложных взаимодействий наследственных и средовых факторов. В патогенез ВМД вовлечены хроническое воспаление, нарушение системы комплемента, дефицит защитных механизмов и ряд других факторов. Многочисленными данными подтверждается роль ОС как одного из основных компонентов многоступенчатого патогенеза заболевания, что было широко продемонстрировано исследованиями in vitro и in vivo. Значительное число публикаций свидетельствует о снижении уровня антиоксидантов и повышении уровня окисленных белков или липидов. Накопленные данные позволяют использовать биомаркеры ОС для ранней диагностики и динамического наблюдения за пациентами с ВМД и по-новому взглянуть на стратегию лечения с использованием антиоксидантных средств, а также на меры профилактики этого социально значимого заболевания. Тем не менее, остаются без ответа многие вопросы, касающиеся вклада отдельных звеньев и элементов ОС в возникновение и развитие заболевания, характеристик состояния системы антиоксидантной защиты на различных стадиях ВМД, что обусловливает актуальность дальнейших исследований в данном направлении.