В отличие от большинства клинических исследований, доказывающих ухудшение прогноза кардиоваскулярных событий у пациентов с СД, результаты экспериментальных исследований не столь однозначны. Имеются данные как о негативном, так и положительном влиянии СД на функциональное состояние сердечно-сосудистой системы. Противоречивость данных результатов исследований, выполненных на биологических моделях, вероятно, отражает различие в условиях моделирования диабета и длительности патологий, а также использовании видов животных, обладающих разной восприимчивостью к изменениям, инициируемым при развитии СД.

Моделирование СД как 1 типа (СД1), так и 2 типа (СД2) ожидаемо усугубляет повреждающее действие ИМ на сердце. Так, у крыс со стрептозотоцин-индуцированным диабетом размер ИМ был больше, чем у контрольных животных [16]. Не наблюдается положительный эффект СД на устойчивость сердца к ишемическим и реперфузионным повреждениям и у линейных диабетических животных, с мутацией в гене рецепторов лептина. Так, у мышей db/db после ишемии и 28-дневной реперфузии нарушения сократительной функции сердца (дилатация левого желудочка (ЛЖ), гипертрофия ЛЖ, размер ЛЖ) выражены в большей степени, чем у контрольных мышей [17]. У линии крыс (Zucker diabetic fatty) с инсулин-независимым СД размер ИМ после ишемии (30 мин) и реперфузии (24 ч) не имел различий в сравнении с контролем [18]. Постинфарктная сердечная недостаточность у диабетических крыс Goto-Kakizaki ассоциировалась с более выраженными гипертрофией кардиомиоцитов, интерстициальным фиброзом и устойчивым апоптозом кардиомиоцитов по сравнению с контрольной группой без диабета [19]. При этом функциональные показатели сердца после ИМ через 11 нед не имели значимых различий по сравнению с контролем, однако значимо нарушался обмен NO.

Вместе с тем результаты многих экспериментальных исследований свидетельствуют о наличии феномена парадоксального повышения устойчивости сердца лабораторных животных с СД к повреждающим действиям ишемии и реперфузии. Такой кардиопротекторный эффект характеризовался меньшим размером зоны инфаркта, лучшим сохранением сократительной функции миокарда, меньшей частотой возникновения ишемических и реперфузионных аритмий [11–14]. При анализе этих исследований обнаруживается ряд общих особенностей. Так, большинство исследований выполнено на молодых животных с инсулинзависимым, стрептозотоцин-индуцированным диабетом. У крыс с небольшим сроком СД размер ИМ был почти в 2 раза меньше, чем у контрольных особей, при этом частота возникновения аритмий была значимо ниже [20]. Более того, эти авторы отмечают, что у диабетических крыс на этой модели после формирования ИМ (ишемия/реперфузия) был более низкий уровень лактатдегидрогеназы (ЛДГ) и креатинфосфокиназы (КФК) (маркеры повреждения), чем в контроле, что подтверждает меньшую степень повреждения миокарда. Другой группой исследователей также было показано, что у крыс со стрептозотоцин-индуцированным диабетом размер ИМ был значимо меньше, при этом систолическая функция восстанавливалась более эффективно [21].

Экспериментальными исследованиями подтверждено, что немаловажное значение для формирования патологического состояния и, соответственно, исхода коморбидной патологии имеет длительность СД. Так, кардиопротекторные эффекты были выявлены в основном у животных с небольшим сроком СД. Однако в исследованиях В. Rodrigues и соавт. было показано, что формирование постинфарктного кардиосклероза у животных с хроническим диабетом (90 дней) сопровождалось меньшей степенью фиброзирования миокарда, чем у животных без диабета. При этом авторы обнаружили, что на фоне диабета размер ИМ был меньше, а систолическая функция сердца лучше сохранялась, что сопровождалось увеличением экспрессии кальций-транспортирующих белков кардиомиоцитов. Однако такое сохранение функциональных и структурных показателей сердца не позволило улучшить выживаемость животных с хроническим СД [15].

Важное значение в кардиопротекторном эффекте, индуцируемом СД, имеет то, что он реализуется, даже когда СД моделируют в постинфарктный период. Так, в своих ранее опубликованных работах мы показали, что у крыс при индуцировании СД стрептозотоцином через 2 нед после коронароокклюзии сократительная функция изолированной папиллярной мышцы значимо не меняется в сравнении с интактными животными. При этом экспрессия Са2+-АТФ-азы саркоплазматического ретикулума (СР) кардиомиоцитов на фоне СД остается на уровне интактного контроля [22]. Большинство исследований, показавших повышение устойчивости сердца к повреждающим воздействиям, выполнено на модели СД1. Однако и на модели СД2 с использованием как генетической линии животных (Zucker diabetic fatty rat), так и крыс со спонтанно развивающимся СД (Goto-Kakizaki rat) также обнаружен эффект кардиопротекции. В частности, показано, что у крыс Goto-Kakizaki размер инфаркта был значимо меньше, чем у контрольных животных после 45 мин ишемии и 24-часовой реперфузии [23]. При этом фракция выброса, показатели систолической и диастолической функций ЛЖ у этой же линии крыс были выше, чем у постинфарктного контроля. Интересные данные были получены при исследовании влияния острого ИМ наструктурные и функциональные изменения крупных сосудов у крыс этой линии. Оказалось, что на фоне ранней и хронической стадий СД2 эндотелиальная функция аорты крыс Goto-Kakizaki сохраняется значимо лучше, чем у животных группы постинфарктного контроля [24]. При этом авторы работы отмечали, что СД2 был ассоциирован с сохраненной эндотелий-зависимой и эндотелий-независимой вазорелаксацией.

Литературные данные убедительно показывают, что возраст животных имеет решающее значение в проявлении защитного эффекта СД. Этот вывод не противоречит заключению, сделанному нами по результатам анализа отдаленных результатов клинических наблюдений за пациентами с сочетанным развитием СД и ИБС [10]. В большинстве случаев для старых животных с СД показано повышение чувствительности миокарда к ишемическим и реперфузионным повреждениям, и при этом эффект кардиопротекции на фоне СД не наблюдается. Так, у старых мышей с метаболическими нарушениями размер ИМ и количество провоспалительных цитокинов после 40 мин ишемии и реперфузии больше, чем у животных соответствующего возраста без нарушений углеводного обмена [25]. У стареющих крыс Goto-Kakizaki наблюдалось повышение чувствительности к ишемии и реперфузии, снижались давление, развиваемое ЛЖ, и коронарный кровоток [26]. При этом энергетический метаболизм сохранялся на интактном уровне. В частности, уровень креатинфосфата и АТФ значимо не различался у диабетических крыс и контрольных животных. Однако отмечается, что развитие диабетической кардиомиопатии, изменение внутриклеточного транспорта ионов кальция и контрактильных белков кардиомиоцитов сопровождались субклиническим нарушением как систолической, так и диастолической функций ЛЖ.

Данные литературы убедительно показывают, что на стадии формирования СД существует состояние, при котором активизируются механизмы, повышающие резистентность сердечной мышцы к ишемическому и реперфузионному воздействию. Противоречивость результатов исследований, показывающих как наличие, так и отсутствие кардиопротекторного эффекта СД, может свидетельствовать о том, что в эксперименте не всегда удается активировать это состояние. В связи с этим актуальным является выявление как пусковых механизмов, так и самой сигнальной цепочки, которые позволяют уверенно моделировать метаболическое состояние, при котором реализуется защитный механизм.

Одним из эндогенных механизмов реализации кардиопротективных эффектов является феномен прекондиционирования миокарда. Изучение природы этого феномена давно является предметом исследования многих научных групп, благодаря чему механизмы их реализации в значительной степени раскрыты. Вопрос о том, насколько механизмы кардиопротекции, индуцируемые на фоне СД, могут быть сходны с механизмами прекондиционирования, в настоящее время обсуждается.

Так, опубликованы данные, подтверждающие, что кардиопротекторный эффект ишемического прекондиционирования реализуется на модели СД2 у молодых крыс Goto-Kakizaki, однако у стареющих животных на этой же модели эффект прекондиционирования не был обнаружен [27]. Более того, в исследовании Y. Liu и соавт. показан синергизм кардиопротекторных эффектов прекондиционирования и СД. Так, стрептозотоцин-индуцированный диабет у крыс приводит к снижению размера зоны инфаркта после 45-минутной ишемии и 2-часовой реперфузии с 57 до 37%, а в условиях прекондиционирования (3 цикла по 5 мин ишемии) размер ИМ не более 6% [28]. В работах других исследователей показано, что для достижения эффекта прекондиционирования у диабетических животных необходимо выполнить больше эпизодов воздействия ишемии. Так, на изолированном сердце у крыс Goto-Kakizaki только при проведении 3 циклов коротких эпизодов ишемии был получен эффект прекондиционирования, приводящий к снижению размера ИМ [29]. Факт повышения порога достижения эффекта прекондиционирования для диабетического миокарда был подтвержден и в работе других авторов [30]. Было показано, что прекондиционирование гипероксией у диабетических крыс не влияло на размер ИМ, как это наблюдалось у контрольных животных [20]. Следует отметить, что эффект прекондиционирования в этом исследовании приводил к снижению размера ИМ на35%, тогда как моделирование СД — на 62%. В этой связи можно предположить, что эффект прекондиционирования на фоне СД не мог реализоваться, поскольку его защитный механизм, возможно, реализовался уже при развитии самого СД. С другой стороны, такой показатель повреждения сердечной мышцы, как ЛДГ, в условиях прекондиционирования у крыс без СД был выше, чем у диабетических крыс, при этом прекондиционирование на фоне СД приводило к еще большему снижению уровня ЛДГ. Вероятно, кардиопротекторные эффекты диабета и прекондиционирования могут суммироваться [20][31]. В эксперименте на модели СД2 у крыс линии Zucker diabetic fatty эффекты прекондиционирования сохранялись на стадиях пре-, раннего и позднего диабета [32]. Однако есть данные о том, что эффект прекондиционирования у крыс с СД не был обнаружен [33].

К настоящему времени большинство исследователей признают, что кардиопротекторные эффекты СД обеспечиваются активацией универсальных механизмов защиты клеток.

Было предложено несколько механизмов для объяснения кардиозащитного эффекта при СД на фоне высокого уровня глюкозы. Основные механизмы феномена протекторного действия СД могут быть связаны с увеличением экспрессии факторов, определяющих состояние антиоксидантной системы защиты, ферментов PI3K/Akt сигнальных путей и, наоборот, со снижением экспрессии генов факторов апоптоза, провоспалительных цитокинов (TNF-α), профибриногенного трансформирующего фактора роста-β и α-актина-1 — маркера гипертрофии [34–37]. При СД с небольшим сроком заболевания в миокарде повышается экспрессия генов ферментов, нейтрализующих свободные радикалы [34].

Механизм запрограммированной гибели клеток (апоптоз) играет важную роль в патогенезе диабетической кардиомиопатии. Так, было показано, что экспрессии генов, кодирующих маркеры апоптоза (cidea, Tp53, Bax и каспаза 3), подавлялись в диабетических сердцах после острого ИМ [36]. В исследовании in vitro было обнаружено, что инкубация изолированных кардиомиоцитов в среде с повышенной концентрацией глюкозы способствует повышению устойчивости клеток сердца киндуцированному гипоксией апоптозу и некрозу, предотвращая накопление ионов кальция во время гипоксии. При этом в кардиомиоцитах усиливается экспрессия Bcl-2 и повышается инактивация Bad [37]. Как известно, гибель клеток сердца может вызвать компенсаторную гипертрофию клеток миокарда и репаративный фиброз [38]. Показано, что на фоне диабета после ИМ количество маркеров миокардиального фиброза (Mmp-2, ctgf и Grem-1), сердечной гипертрофии (myl-2 и acta1) ипрофиброгенного трансформирующего фактора роста-β снижается [36]. При этом наблюдаются положительный баланс регуляторных генов, связанных с запрограммированным выживанием клеток (антиапоптотический фактор Bcl-2, фактор выживания протеинкиназа B (Akt)), а также инактивация проапоптотических факторов (Bad, Bax), ограничение неадекватной экспрессии проангиогенного фактора роста эндотелия сосудов (VEGF), снижение воспалительных цитокинов и увеличение использования глюкозы в качестве энергетического субстрата [36].

Известно, что в механизмах кардиопротекции значимую роль играет белок — АМФ-активируемая протеинкиназа, который регулирует энергосбережение в клетке. Вполне вероятно, что состояние энергетического метаболизма является существенной составляющей в реализации кардиопротекторного эффекта СД. Действительно, обнаружено, что СД сам по себе может приводить к активации АМФ-зависимой киназы [39]. На этом основании высказанное предположение представляется вполне обоснованным.

Хорошо известно, что огромное значение для нормального функционирования сердечной мышцы имеет ее достаточная энергообеспеченность. В нормальных условиях в кардиомиоцитах большая часть (60%) АТФ производится при окислении жирных кислот (ЖК) и небольшая часть (30–40%) — в процессе гликолиза [40]. Однако при хронической ишемии миокарда, в связи с недостаточным поступлением в клетки кислорода, происходит сдвиг процессов энергообразования от окисления ЖК к использованию в качестве энергетического субстрата глюкозы [41]. При СД, наоборот, энергетический метаболизм переключается исключительно на окисление ЖК для обеспечения потребности в АТФ [42]. Такая перестройка сопровождается резким подавлением процесса окисления глюкозы [43]. Для механической работы сердца имеет важное значение сохранение баланса в использовании и ЖК, и глюкозы в качестве энергетических субстратов. Известно, что использование как ЖК, так и глюкозы в качестве субстратов для синтеза АТФ определяется поступлением этих субстратов в кардиомиоциты. Показано, что эти процессы зависят от функционирования специфических мембран-ассоциированных белков (CD36 для ЖК, GLUT1 и GLUT4 для глюкозы) [44][45], а также их доступности для окисления в митохондриях [46]. Изменение баланса между использованием ЖК и глюкозы в качестве энергетического субстрата способно привести к нарушению функций сердца [47]. Сбалансированное соотношение субстратов, поступающих в клетку, является важным параметром, определяющим их использование для обеспечения энергией клеточных процессов. В случае предпочтительного использования одного субстрата перед другим существует риск того, что сердце будет подвергаться липо- или глюкотоксичности. Каждое из этих состояний уже само по себе вызывает серьезные нарушения функционирования сердца [48][49].

Было обнаружено, что у нокаутированных мышей по гену CD36 — трансмембранному переносчику ЖК — наблюдаются пониженное поглощение ЖК и повышенный захват глюкозы миокардом, что приводит к развитию гипертрофии сердца [50]. Животные с такой мутацией оказались менее уязвимы для развития резистентности к инсулину [51]. Высокая распространенность мутации гена CD36 и/или дефицита экспрессии его белка характерна и для пациентов с наследственной гипертрофической кардиомиопатией [52]. В исследованиях J. Luiken и соавт. и S. Coort и соавт. показано, что в кардиомиоцитах крыс Zucker diabetic fatty переносчик ЖК CD36 чаще перемещался в сарколемму из внутриклеточных запасов [53][54]. Такое изменение активности CD36 сопровождалось повышением скорости поглощения ЖК кардиомиоцитами и этерификации ЖК в триацилглицерины, что объясняет накопление триацилглицеринов в сердцах этих животных. Однако все эти метаболические изменения предупреждались в присутствии специфического ингибитора CD36 сульфо-N-сукцинимидил-олеата.

Изменение в доступности глюкозы, в частности, в результате нарушения работы переносчиков глюкозы, также приводит к дисфункции сердца. Было обнаружено, что селективная делеция инсулинозависимого переносчика глюкозы GLUT4 приводит к компенсаторному увеличению экспрессии инсулиннезависимого переносчика глюкозы GLUT1, что сопровождается развитием гипертрофии сердца [55]. Более того, формирование постинфарктной сердечной недостаточности у крыс ассоциировано с повышенной экспрессией белка GLUT1 [56]. Изменение в экспрессии GLUT4 способно влиять на формирование СД. Так, у гетерозиготных нокаутированных мышей по гену GLUT4 наблюдалось уменьшение поглощения глюкозы кардиомиоцитами, что приводило к развитию инсулинорезистентности и, в итоге, к СД2 [57]. Эти данные свидетельствуют о том, что специфические белки, осуществляющие транспорт энергетических субстратов (ЖК и глюкозы), играют важную роль в регуляции энергетического метаболизма кардиомиоцитов при патологических состояниях. В связи с вышесказанным представляется вполне вероятным, что сохранение баланса в работе переносчиков энергетического субстрата в условиях сочетанного развития гипергликемии и хронической ишемии миокарда позволяет сохранять нормальную интенсивность метаболических процессов, связанных с синтезом макроэргических фосфатов и, соответственно, энергетической обеспеченностью кардиомиоцитов.

При СД снижается уровень GLUT4, при этом компенсаторно может увеличиваться экспрессия инсулиннезависимого переносчика глюкозы GLUT-1. Вполне вероятно, этот эффект может сохраняться и при сочетанном развитии патологий и даже иметь протекторное значение. Действительно, было обнаружено, что экспрессия транспортера глюкозы GLUT-1 в кардиомиоцитах диабетических животных на 15-й день после инфаркта была выше, чем у диабетических крыс без ишемических повреждений сердца [35]. Исследования показали, что поступление глюкозы с активацией GLUT-1 играет критическую кардиопротекторную роль в ответе миокарда на ишемию и увеличивает доставку глюкозы во время острого ИМ [58] и при прогрессировании сердечной недостаточности [56]. Считается, что повышенная экспрессия GLUT-1 может быть ключом к улучшению функции сердца, поскольку GLUT-1 может играть роль в увеличении поглощения глюкозы при ишемических состояниях [59]. Нормализация поступления и/или потребления энергетических субстратов играет важную роль в защите кардиомиоцитов от повреждающих факторов. Так, было обнаружено, что у крыс с СД на фоне постинфарктного кардиосклероза содержание ЛДГ (фермент гликолиза) и сукцинатдегидрогеназы (СДГ) (фермент цикла Кребса) сохраняются на уровне контрольных значений, в сравнении с особями с СД или с постинфарктным кардиосклерозом в отдельности. При этом уровень свободных ЖК в митохондриях не был таким высоким, как у животных с изолированными патологиями [60].

Другим механизмом восстановления сердца после ИМ может быть нормализация баланса про- и противовоспалительных цитокинов. Было обнаружено, что у диабетических животных после ИМ происходит снижение уровней TNF-a и IL-1b [36]. Сдругой стороны, передача сигналов IL-1b, которая имеет решающее значение для активации воспалительных и фиброгенных путей при постинфарктном ремоделировании, была повышена у крыс с диабетом, что свидетельствует о появлении другого стимула перед инфарктом.

В качестве механизмов, снижающих повреждающие воздействия ишемии, можно отметить и усиление ангиогенеза до и после моделирования экспериментального ИМ, сопровождающееся снижением процессов фиброза в условиях гипергликемии [15]. Большое значение в патогенезе развития ишемических повреждений имеет баланс активности симпатического звена вегетативной нервной системы. Так, было обнаружено, что у диабетических крыс сохраняется тоническая регуляция симпатической нервной системы, индуцированная инфарктом миокарда, при этом наблюдались повышение антиоксидантной защиты сердца и снижение активности прооксидантных ферментов [36].

Суммируя вышесказанное, можно отметить, что важную роль в кардиопротекторных эффектах СД играет активация сигнальных систем, способствующих выживаемости клеток сердца. Однако и нарушение баланса в системе цитокиновой регуляции также способно оказать заметное влияние на реализацию кардиопротекторных эффектов СД. В частности, сдвиг баланса в сторону противовоспалительных цитокинов способствует сохранению функциональной активности клеток сердца. Кроме того, во многом определяющую роль в кардиопротекторном эффекте СД играет активация факторов, модифицирующих процессы энергообразования, возможно, связанных с повышением уровня глюкозы, а также ее доступности в качестве энергетического субстрата. Все рассмотренные механизмы являются элементами единой универсальной защитной системы, способствующей выживанию клеток в патологических условиях.

Экспериментальные исследования вполне убедительно показывают, что СД может значимо снижать степень повреждения сердца при ишемии и реперфузии. При этом патологическое действие СД на органы и системы, в том числе и сердце, не вызывает сомнения. Однако есть все основания предполагать существование так называемого «метаболического окна», когда благодаря метаболическим перестройкам на уровне клеток запускаются адаптивные механизмы, способствующие снижению таких повреждающих воздействий, как ишемия и реперфузия. Выявление этих условий и механизмов их реализации позволит помочь многочисленным пациентам с СД снизить риск кардиогенных осложнений. На основании уже опубликованных данных можно ожидать, что выраженность защитного действия, индуцированного СД, будет сопоставима, а в некоторых случаях даже превышать эффект феномена прекондиционирования. Вероятно, механизмы этих двух феноменов не совсем идентичны. Несомненным фактом является то, что гипергликемия является стрессовым адаптивным механизмом, направленным на удовлетворение повышенной потребности в энергии при патологических условиях на начальных этапах. Соответственно, пусковым механизмом развития защитных эффектов СД, скорее всего, является гипергликемия, которая активирует не только сигнальные пути, но и перестройку энергетического метаболизма, что позволяет поддерживать продукцию АТФ на достаточном уровне для сохранения жизнедеятельности клеток сердца в условиях ишемии. Возможно, повышенный уровень глюкозы, сопровождающийся активацией инсулиннезависимых механизмов поступления ее в клетки, и доступность этого энергетического субстрата будут способствовать лучшему восстановлению энергопродукции в клетках сердца после ИМ. Очевидно, что это позволит существенно снизить степень повреждения миокарда и сохранить сократительную функцию сердца. Одним из способов такого развития событий может быть таргетное воздействие на переносчики энергетических субстратов ЖК (CD36) или глюкозы (GLUT1). Возможно, активация самой сигнальной цепочки позволит смоделировать метаболическое состояние, при котором реализуется защита сердца от повреждающих факторов.

Источники финансирования. Исследование выполнено в рамках темы фундаментальных научных исследований по гос. заданию №122020300183-4.

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

Участие авторов. Кондратьева ДС. — разработка концепции и дизайн статьи, сбор и анализ материала, написание текста рукописи; Афанасьев С.А. — концепция, редактирование текста, утверждение финального варианта рукописи; Муслимова Э.Ф. — сбор и анализ материала. Все авторы одобрили финальную версию статьи перед публикацией, выразили согласие нести ответственность за все аспекты работы, подразумевающую надлежащее изучение и решение вопросов, связанных с точностью или добросовестностью любой части работы.