Автокаталитический цикл в патогенезе сахарного диабета: биохимические и патофизиологические аспекты метаболической терапии с помощью натуральных аминокислот на примере глицина

Сахарный диабет (СД) – заболевание, характеризующееся нарушением усвоения глюкозы клетками и повышением ее уровня в крови. Выделяют две основные формы СД – диабет первого и второго типов (СД1 и СД2). При СД1 происходит полная гибель β-клеток поджелудочной железы, синтезирующих инсулин, обусловленная формированием аутоиммунной реакции [1]. При СД2 наблюдается потеря чувствительности периферических тканей к инсулину (инсулинорезистентность), а также происходит нарушение функции митохондрий [2], часто нарушается секреция инсулина и глюкагона в ответ на глюкозу [3]. Проблема лечения СД стоит крайне остро, в России этим заболеванием страдают более 4 млн человек [4]. Общими проявлениями диабета обоих типов являются повышенная концентрация глюкозы и холестерина в крови, повышенное гликирование белков и липидов, воспалительные процессы. Основные осложнения СД – микро-и макрососудистые, приводящие к повреждению сердца, глаз, почек, мозга, нижних конечнотей.

В настоящей работе создана модель развития метаболических нарушений при СД. В основе модели лежат две группы параллельных процессов, которые активируются в ходе развития заболевания: каскад биохимических реакций, связанных с синтезом активных форм кислорода (АФК), и каскад патофизиологических процессов, постепенно приводящих к нарушению микроциркуляции крови и индукции ишемии в тканях больного. Основной результат настоящей работы составляет обнаруженный при анализе банка данных эффект взаимодействия двух указанных выше подсистем. При этом за счет положительных обратных связей возникает согласованное во времени последовательное их автокаталитическое усиление, оказывающее разрушающее воздействие на организм. Этот цикл возникает на втором этапе развития заболевания (рис. 1) и независим от сигнала инсулина и концентрации глюкозы в крови. Важно подчеркнуть, что модель целиком построена на экспериментальном материале и каждое звено отображенных на рис. 1 каскадов наблюдается в реальных экспериментах. Подробное описание всех элементов схемы и ссылки на соответствующие литературные источники приведены в табл. 1, которая также позволяет проследить биологическое действие аминокислоты глицин на каждой стадии развития патологии.

Рис. 1. Схема нарастания уровня активных форм кислорода и развития воспалительного процесса при сахарном диабете. Описание пронумерованных стадий со ссылками на литературу, а также описание действия глицина на каждой стадии дано в таблице 1. Автокаталитические циклы подробно описаны в основном тексте статьи. Сокращения: АФК – активные формы кислорода; RAGE – рецепторы конечных продуктов гликирования; NOX – NADPH-оксидазы; NF-κB – ядерный фактор каппа-Би; SOD – супероксиддисмутаза.

Поскольку в ряде клинических исследований низкий уровень глицина ассоциируется с нарушением углеводного обмена, в том числе с СД2 [5–7], то на втором этапе работы на базе разработанной модели проведено исследование возможности действия аминокислоты глицин в качестве средства, ослабляющего автокаталитический цикл развития диабета. Проведенный в настоящей работе анализ действия глицина показывает, что дефицит данной аминокислоты является существенным провоспалительным фактором, способствует манифестации болезни и усугубляет ее течение. Компенсация дефицита аминоуксусной кислоты, наоборот, обуславливает разрыв положительных обратных связей, что подтверждается рядом клинических исследований, в которых показана способность глицина нормализовать биохимические параметры крови больных СД, предотвращать и обращать вспять диабетические осложнения [8–12]. Биохимические причины возникновения дефицита глицина при СД также обсуждаются в работе.

Модель автокаталитического развития метаболических нарушений при диабете

Проведенные ранее экспериментальные исследования и анализ литературных данных позволили разработать схему (см. рис. 1), отображающую развитие метаболических нарушений при СД во времени. Как отмечалось во введении, в рамках разработанной модели развитие заболевания рассмотрено как взаимодействие и взаимоусиление двух групп параллельно протекающих процессов. Одна из групп имеет биохимическую природу и связана с нарастанием уровня АФК в клетках и тканях. Спусковым механизмом активации указанного каскада биохимических реакций является повышение уровня конечных продуктов гликирования (КПГ) при диабете. Вторая группа процессов имеет патофизиологическую природу и связана с нарушением микроциркуляции. Нарушение метаболизма в печени при СД создает атерогенный липидный профиль, что на молекулярном уровне нарушает адекватное функционирование эндотелия и со временем приводит к атеросклеротическому ремоделированию сосудов. Необходимо подчеркнуть, что общей основой указанных патологических изменений является инсулиновая недостаточность и/или инсулинорезистентность, однако уже на ранней стадии развития заболевания процесс приобретает автокаталитический характер. При этом возникают циклические системы реакций, практически не зависящие ни от инсулина, ни от концентрации глюкозы в крови. Данный феномен известен в литературе как «метаболическая память» [47]. Основные автокаталитические циклы усиления окислительного стресса будут подробнее описаны ниже.

Первичная индукция синтеза АФК при диабете: биохимический автокаталитический цикл АФК-зависимого усиления сигнала RAGE

КПГ являются мощными воспалительными факторами и формируются неферментативным путем в результате присоединения к белкам и липидам глюкозы или дикарбонильных интермедиатов. КПГ накапливаются в крови и внеклеточном матриксе и локально активируют рецептор RAGE, который присутствует в плазматических мембранах клеток эндотелия и гладкой мускулатуры сосудов, нейронов, некоторых типов лейкоцитов и эпителиальных клеток [16]. Одним из основных следствий активации сигнального каскада RAGE является усиление генерации АФК NADPH-оксидазами (NOX) [48] и выброс клетками воспалительных цитокинов, в первую очередь, интерлейкина-6 [49]. Первичная активация RAGE при диабете происходит из-за глюкозозависимого образования и накопления КПГ (звено 2 на рис. 1). При нарастании уровня АФК сигнал RAGE уже на начальной стадии развития диабета перестает зависеть от уровня глюкозы в крови и приобретает автокаталитическую природу, поскольку RAGE-индуцированный синтез АФК увеличивает транскрипцию RAGE [50] посредством активации транскрипционного фактора NF-κB [19]. Кроме того, повышение уровня АФК приводит к глюкозонезависимому образованию КПГ [51], тем самым увеличивая количество агонистов RAGE-рецептора и усиливая его сигнал. Наличие указанных обратных связей доказано экспериментально: при диабете наблюдается хроническая активация фактора транскрипции NF-κB [52] и существенно увеличивается количество белка RAGE-рецептора [47].

Основной автокаталитический цикл взаимного усиления патофизиологических и АФК-зависимых биохимических процессов

Наряду с активацией АФК-зависимого каскада реакций ослабление инсулиновой сигнализации индуцирует параллельно нарушение функции печени (звено 4 на рис. 1), что приводит к повышению уровня холестерина в крови, формированию атеросклеротических отложений на стенках сосудов, нарушению циркуляции крови и индукции ишемии в тканях (звено 5 на рис. 1). Этот процесс резко усиливается описанными выше реакциями синтеза АФК, связанными с активацией RAGE (звено 3 на рис. 1). Сигнал этого рецептора индуцирует ряд патологических процессов: кальцификацию сосудов [18]; АФК-зависимые повреждения сосудов [25]; выброс мастоцитами (тучными клетками) гистамина [17]. Гистамин индуцирует расширение сосудов и увеличение их проницаемости, что приводит к падению давления крови в капиллярах и их закупорке эритроцитами. Выброс гистамина усугубляет нарушение микроциркуляции крови и ишемию тканей. В зону ишемического поражения происходит хемотаксис нейтрофилов, которые генерируют большие количества АФК, а также способствуют формированию тромбов в сосудах [26].

Таким образом, АФК-зависимый каскад реакций ухудшает микроциркуляцию, что приводит к формированию значительных интервалов подачи крови в ткани организма. В условиях возникшей гипоксии ослабляется дыхательная функция митохондрий и происходит перевосстановление редокс-центров в митохондриях (звено 6 на рис. 1). Прерывистая подача кислорода создает условия гипоксии – реоксигенации, при которых многократно возрастает синтез АФК [53], усиливается повреждение и тромбоз сосудов [54].

Терминальная стадия окислительного стресса: кризис антиоксидантной системы

Повышение уровня АФК выше определенного критического уровня индуцирует апоптоз и гибель клеток. Роль ловушек свободных радикалов в большинстве случаев выполняют цистеин и глутатион, функционирующие в составе пероксиредуктазной системы клетки. При высоком темпе генерации АФК происходит истощение восстановленных форм этих SH-реагентов, поскольку скорость работы системы их регенерации оказывается ниже скорости синтеза АФК. При истощении пула глутатиона теряется контроль над процессами синтеза и накопления АФК в клетке, происходит повреждение митохондрий [55] и клетка уходит в апоптоз [56] (звено 8 на рис. 1). При СД наблюдается дефицит глутатиона, связанный с недостатком цистеина и глицина, необходимых для его синтеза [11]. Снижение концентрации глицина в крови наблюдается уже на ранних стадиях развития СД [43] и является одной из причин раннего истощения антиоксидантной системы больных СД (звено 7 на рис. 1).

Взаимосвязанный дефицит глицина и глутатиона может являться как следствием хронического воспалительного процесса, вызывающего ускоренный расход глутатиона, так и быть вызван иными причинами, включая повышенные скорости расщепления и выведения из организма этих соединений при диабете. Известно, что глицин и глутатион, аналогично глюкуроновой кислоте, конъюгируют с плохо растворимыми соединениями (ксенобиотики, ароматические соединения) для их выведения из организма почками [57]. Именно этот процесс может ускоряться при СД и являться причиной повышенного выделения глицина из организма. В частности, авторы работы [43] предполагают, что глицин может использоваться для выведения продуктов β-окисления и аминокислот с разветвленной цепью, концентрации которых в крови повышаются при СД.

Необходимо также отметить, что АФК-зависимый воспалительный процесс может сам быть причиной СД1 [1], так и СД2 [58]. Таким образом, гиперпродукция АФК, происходящая из-за формирования автокаталитического цикла и истощения антиоксидантной защиты, препятствует восстановлению нормальной инсулиновой сигнализации в организме больных. Это обстоятельство также может объяснять, почему уровни глицина в крови понижаются еще до манифестации болезни.

Механизмы ослабления патологических автокаталитических циклов глицином

Проведенная работа по систематизации метаболических нарушений при диабете и выявление их автокаталитического характера позволили показать, что наиболее перспективными мишенями для терапевтического воздействия являются процессы патологического синтеза АФК и нарушения микроциркуляции. Аминокислота глицин обладает биологическим действием на обе указанные группы процессов, в результате чего является потенциальным эффективным блокатором патологических нарушений в клетках и тканях организма при СД. Глицин является заменимой аминокислотой и у здоровых молодых людей при полноценном питании поступает в организм и синтезируется в достаточных количествах. В связи с этим необходимо еще раз подчеркнуть, что у больных СД, как правило, наблюдается дефицит глицина в крови [5–7]. Снижение концентраций глицина также характерно для многих других заболеваний, связанных с выраженными воспалительными процессами, и может быть вызвано эпигенетическими изменениями, нарушающими его биосинтез, на что указывается в работе [45]. Именно на фоне пониженной концентрации глицина его применение в качестве лекарственного средства является обоснованным.

Механизм лекарственного действия глицина связан в первую очередь с его действием в качестве сигнальной молекулы, воздействующей на два вида важных рецепторов: глицин является агонистом стрихнин-чувствительных глициновых рецепторов (GlyR) и коагонистом глутаматных NMDA-рецепторов (NMDAR). Глициновые рецепторы локализованы не только в нервных клетках, но также в иммунных [20], эндотелиальных [32] и инсулинпроизводящих клетках поджелудочной железы [13]. Не менее важное значение играет метаболическое действие глицина, в частности, он участвует в синтезе ключевого компонента антиоксидантной защиты клеток – глутатиона. Глицин препятствует глюкозозависимой индукции автокаталитических процессов: увеличивает секрецию инсулина [13] и снижает глюконеогенез в печени [14], что должно способствовать нормализации метаболизма на самых ранних этапах заболевания (звенья 1–2 на рис. 1). В случае, если автокаталитический процесс уже запущен, глицин также способствует ослаблению ключевых положительных обратных связей, связанных с синтезом АФК и нарушением микроциркуляции. Конкретные звенья метаболических и сигнальных каскадов (см. рис. 1), на которые действует глицин, рассмотрены ниже.

Глицин снижает активность рецептора RAGE

Во-первых, глицин конкурентно ингибирует гликирование белков [9] (№2 в табл. 1), тем самым снижая образование КПГ и количество агонистов RAGE. Во-вторых, глицин снижает окислительный стресс: подавляет синтез АФК иммунными клетками [20] (№3, 6 в табл. 1), способствует поддержанию высокого уровня глутатиона [11] (№8 в табл. 1). Так как экспрессия гена рецептора RAGE осуществляется по сигналу NF-κB [50], который активируется АФК [19], то снижение окислительного стресса будет препятствовать синтезу белка RAGE. Таким образом, глицин снижает активность RAGE рецептора как за счет снижения концентраций его агонистов, так и за счет снижения АФК-зависимой экспрессии гена рецептора (звенья 2–3 на рис. 1).

Таблица 1. Расшифровка рисунка 1 с указанием основных мишеней глицина

Примечания: нумерация соответствует рисунку 1.

Глицин улучшает микроциркуляцию

Глицин препятствует формированию «порочного круга», связанного с ишемией: способствует нормализации метаболизма в печени и снижению уровня холестерина в крови [23], уменьшает патологическую активность иммунных клеток [20], снижает перекисное окисление липидов и повреждения микрососудов [33] (подробнее в №4–6 в табл. 1). В экспериментальных работах нашего института показано, что глицин вызывает расширение микрососудов у крыс в мозге [28] и брюшине [29]. Важно отметить, что сосудорасширяющий эффект глицина принципиально отличается от действия гистамина. В отличие от гистамина, являющегося типичным медиатором воспаления, глицин не вызывает агрегации эритроцитов и не увеличивает проницаемость сосудов, благодаря чему не вызывает остановки тока крови в капиллярах. Более того, непосредственно показано, что глицин препятствует остановке тока крови под влиянием гистамина и восстанавливает нарушенную гистамином микроциркуляцию в артериолах брюшины [31]. Быстрая динамика наблюдаемого сосудорасширяющего эффекта глицина (1–3 минуты) позволяет предполагать, что глицин улучшает микроциркуляцию посредством действия на глициновые рецепторы в эндотелиальных клетках [32]. Моделирование пространственно-временных распределений концентрации глюкозы вблизи кровеносных сосудов на примере пиальных оболочек крыс показывает, что наблюдаемое экспериментально увеличение калибра артериол обуславливает возрастание амплитуды градиента данного углевода в ткани [59]. Сосудорасширяющее действие глицина в почках может также объясняться активацией NMDAR [30]. Таким образом, за счет предотвращения повреждения микрососудов, сосудорасширяющего и противогистаминного действия глицин нормализует микроциркуляцию, устраняя ключевую причину нарастания окислительного стресса (звено 5 на рис. 1).

Глицин нормализует структуру и функцию митохондрий

Результаты экспериментов, проведенных в нашем институте, показывают, что глицин снижает синтез АФК митохондриями после гипоксии в мозге [39] и в сердце [34]. Кроме того, в тканях мозга при аноксии глицин предотвращает нарушения ультраструктуры митохондрий [40]. Согласно литературным данным, глицин препятствует апоптозу в сердечных тканях за счет предотвращения открывания митохондриальной поры [41]. Необходимо также отметить, что дефицит глицина сам по себе может служить причиной повреждения митохондрий, а его восполнение восстанавливает их функцию [45]. Приведенные данные показывают, что глицин нормализует работу митохондрий и снижает синтез ими АФК, а также предотвращает митохондриально-зависимый апоптоз (звено 6 на рис. 1). Способность глицина нормализовать функцию митохондрий представляется важной также в той связи, что высокие темпы митохондриального дыхания обеспечивают высокую чувствительность к инсулину и препятствуют развитию СД2 [60].

Глицин защищает клетки от апоптоза

В острой фазе ишемии глицин защищает клетки от апоптоза, позволяя сохранить функциональность тканей и органов, включая мозг, сердце, почки, печень и сосуды [37]. Эффективность глицина в качестве противоишемического препарата подтверждена клиническими исследованиями [36], глицин назначают при реабилитации после ишемических инсультов. Особенности цитопротекторного действия глицина при ишемии подробно разобраны в обзоре [38], и выделен ряд характерных для него признаков, а именно: глицин имеет быструю кинетику действия и не требует транспортировки внутрь клетки; глицин должен присутствовать во время острой фазы ишемии; максимальный защитный эффект глицина достигается при его внеклеточной концентрации около 2 мМ. Перечисленные признаки указывают на то, что цитопротекторное действие глицина, возможно, осуществляется посредством особой формы глицинового рецептора, активация которой предотвращает повреждение и патологическую проницаемость клеточных мембран при ишемии. Дополнительный прием глицина и цистеина также позволяет повысить скорость синтеза глутатиона и компенсировать его дефицит при СД [11]. Таким образом, глицин препятствует терминальной стадии развития окислительного стресса, ведущей к апоптозу (или некрозу) клеток (звенья 7–8 на рис. 1).

Клинические доказательства действия глицина при сахарном диабете

Проведенный поиск в базах данных научной литературы показал, что исследования действия глицина на больных СД проведены в последние годы в разных странах. Основные параметры проведенных клинических исследований отображены в табл. 2. Несмотря на существенные различия исследуемых групп (различные типы диабета и выраженности диабетических осложнений), во всех работах отмечается положительная динамика состояния больных СД при терапии глицином. Приведенные данные показывают, что наиболее заметно действие глицина отмечалось на параметры, связанные с микроциркуляцией и интенсивностью воспалительных процессов, что находится в согласии с результатами проведенного в настоящей работе анализа биологического действия глицина. Отдельно стоит отметить, что использование в терапии очень высоких доз глицина (20 г в день), а также его потребление натощак [12] могут провоцировать повышение секреции глюкагона и приводить к повышению концентрации глюкозы в крови, а в долгосрочной перспективе – к повышению уровня гликированного гемоглобина [10]. В то же время умеренные дозы глицина вместе с пищей (до 5 г), наоборот, способствуют снижению гликирования [9], что совпадает с результатами испытаний на модельных животных [15]. Также следует подчеркнуть, что ни в одном из приведенных исследований не отмечается заметных побочных эффектов и жалоб пациентов на ухудшение состояния при потреблении глицина.

Таблица 2. Краткое описание клинических исследований глицина при сахарном диабете

Заключение

В настоящей работе сформулирована структурированная модель стадийного развития заболевания, которое возникает в условиях сильного ослабления или исчезновения инсулинового сигнала. В модели выделена начальная инсулин- и глюкозозависимая стадия заболевания, которая включает два первичных параллельно протекающих процесса. Во-первых, это процессы гликирования белков и липидов, которые активируют RAGE-рецептор и включают процессы синтеза АФК. Во-вторых, это нарушение метаболизма липидов в печени, которое приводит к повышению уровня холестерина в крови, развитию и прогрессированию эндотелиальной дисфункции.

Вторая стадия заболевания не связана непосредственно с нарушением метаболизма глюкозы и сигналом инсулина. Модель последующего развития заболевания построена на взаимодействии двух групп параллельно протекающих патологических процессов, которые эффективно усиливают друг друга. Каскады АФК-зависимых биохимических реакций и процесс постадийного нарушения микроциркуляции связаны друг с другом положительными обратными связями, в результате чего возникает автономно усиливающийся автокаталитический цикл нарушения метаболизма и АФК сигнализации тканей (рис. 2). Этот цикл проявляется как известный эффект «метаболической памяти» и является основой глюкозонезависимой стадии развития диабета.

Рис. 2. Схема основного автокаталитического цикла взаимного усиления АФК-зависимых процессов и патофизиологического процесса нарушения микроциркуляции. Степень активности иммунных клеток растет за счет выброса воспалительных цитокинов при АФК-зависимой активации NF-κB. В результате автокаталитического нарастания окислительного стресса происходит истощение антиоксидантной защиты клеток и апоптоз (или некроз). Сокращения: АФК – активные формы кислорода; КПГ – конечные продукты гликирования; RAGE – рецепторы КПГ; NOX – NADPH-оксидазы.

Полученный результат позволяет по-новому рассматривать СД как заболевание, которое несет в себе важнейшие черты самоускоряющегося циклического автокаталитического процесса. Очевидно, что при автокаталитическом цикле нарушение значимых положительных обратных связей позволяет остановить или резко затормозить весь циклический процесс в целом. В связи с этим существует перспектива нового подхода к лечению этого заболевания путем целевого блокирования автокатализа при диабете. С другой стороны, можно предполагать, что, согласно принятой модели, наиболее сильного терапевтического эффекта удастся добиться путем направленного одновременного блокирования обеих систем: АФК-связанных процессов и патофизиологического каскада нарушения микроциркуляции.

На основании полученных результатов и анализа биологического действия глицина в настоящей работе удалось показать, что эта аминокислота является блокатором как биохимического каскада реакций, связанных с синтезом АФК, так и процессов нарушения микроциркуляции, в результате чего глицин должен эффективно ослаблять основной автокаталитический цикл при диабете (см. рис. 2). Таким образом, проделанная работа выявила ключевые звенья изменения метаболизма при диабете, которые являются потенциальными мишенями воздействия лекарственных препаратов, в том числе аминокислоты глицин.

Дополнительная информация

Источник финансирования. Поисково-аналитическая работа по подготовке рукописи проведена при финансовом обеспечении института цитохимии и молекулярной фармакологии.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Участие авторов. Нестеров С.В. – сбор и обработка материалов, написание текста; Ягужинский Л.С. – анализ данных, написание текста; Подопригора Г.И. – концепция исследования, редактирование текста рукописи; Нарциссов Я.Р. – концепция исследования, редактирование текста рукописи. Все авторы внесли существенный вклад в проведение поисково-аналитической работы и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.