Непрерывное снабжение организма кислородом является абсолютным условием существования человека и высших животных. Реакция клетки на тканевую гипоксию имеет особое значение для понимания патологических процессов, происходящих в организме. Тонкий баланс между потребностью в кислороде и доставкой кислорода нарушается при заболеваниях сердца, раке, хронических обструктивных заболеваниях легких, которые являются основными причинами смертности населения. Важнейшую роль при тканевой гипоксии играет кислородчувствительный протеиновый комплекс — гипоксия-индуцибельный фактор (HIF). Этот транкрипционный фактор впервые был идентифицирован Грегом Семензой из университета Джона Хопкинса в 1992 году как регулятор экспрессии эритропоэтина. Он активируется в местах регуляции кислородных путей, обеспечивая быстрый и адекватный ответ на гипоксию. Можно выделить несколько основных функции HIF — фактора. Это — экспрессия генов, улучшающих доставку кислорода (среди них — синтез эритропоетина, эндотелиального фактора роста VEGF, трансферрина и других белков); реакции, контролирующие метаболические пути (ферменты гликолиза и транспорта глюкозы). Кроме того, HIF-фактор активно участвует в процессах канцерогенеза, вызывая повышенную пролиферацию раковых клеток и метастазирование. Мы сконцентрируемся на некоторых последних сообщениях об его участии в развитии патофизиологических процессов и в связи с этим о возможных новых стратегиях в лечении болезней человека.
Несколько слов о структуре и локализации этого фактора. Комплекс HIF существует в виде множества изоформ и является гетеродимером, состоящим из а и в субъединиц, каждый из которых является базисным транскрипционным фактором. HIF-1а является ядерным белком, который постоянно экспрессируется и не зависит от напряжения кислорода. В противоположность ему, HIF -1а является цитоплазматическим белком, зависимым от уровня кислорода. В хорошо оксигенированных клетках HIF-1а постоянно разлагается благодаря двум независимым путям гидроксилирования: пролил и аспарагин гидроксилированию. В условиях же гипоксии эти ферменты инактивируются, и отсутствие гидроксилирования ведет к стабилизации HIF .
HIF-зависимые реакции на гипоксию могут модулироваться клеточным окружением. Такими факторами могут быть особенности роста, дифференциации или апоптоза клетки, метаболизм железа, интермедиаты и кофакторы реакций энергетического метаболизма, а также факторы роста и онкогены. Поскольку ферментативное гидроксилирование HIF осуществляется группой оксоглютарат-зависимых оксигеназ, использующих молекулярный кислород и поэтому обеспечивающих прямую связь между наличием кислорода и регуляцией HIF , то HIF стали считать прямым кислородным сенсором.
Достижения последних лет в области исследований механизмов регуляции активности HIF открывают новые возможности для понимания развития патофизиологических процессов и осуществления терапевтических вмешательств.
Так, у некоторых пациентов с хроническими обструктивными заболеваниями легких альвеолярная гипоксия ведет к развитию легочной гипертензии. Главным компонентом этого процесса является выработка таких пептидов, как эндотелин-1 и ангиотензин II, которые вызывают сокращение гладких мышц и гипертрофию сосудистой стенки. Было прямо доказано, что синтез ангиотензина II вызывается экспрессией HIF-1а. Эти результаты свидетельствуют, что он играет первостепенную роль в развитии гипертрофии гладких мышечных клеток сосудов гипоксических легких. Таким образом, локальное торможение HIF в легких может представлять терапевтическую стратегию для лечения или предупреждения развития легочной гипертензии у пациентов с фактором риска этого заболевания, а также превентировать развитие острого отека легких в условиях высокогорья.
Поскольку выраженная степень гипоксии может вызывать повреждения легочного эпителия и участвовать в развитии фиброза, были проведены исследования по изучению возможного участия HIF в этих процессах. В опытах на крысах было показано, что гипоксия воздействует на эпителиальные клетки II типа посредством активации HIF -1а, который в свою очередь активирует проапоптотический белок, подавляет пролиферацию клеток альвеолярного эпителия и усиливает апоптоз (запрограммированную гибель клетки). Отсюда следует, что целенаправленное воздействие на HIF , а именно торможение его активации, может быть новой стратегией, препятствующей деструкции альвеолярного эпителия при легочной патологии.
Несколько слов о воспалительном процессе и иммунной защите. В первые дни начала инфекционного процесса лейкоциты находят, идентифицируют, фагоцитируют и обезвреживают микробы, используя как кислород-зависимые, так и кислород-независимые антимикробные системы. Новейшие данные свидетельствуют о том, что важную роль в этих процессах играет HIF , включая регуляцию транскрипции катионных антимикробных полипептидов. Лейкоциты сосредотачиваются в местах воспаления или инфекции и, активируясь, высвобождают антимикробные факторы, в том числе активные формы кислорода. Респираторный взрыв сопровождается снижением уровня кислорода в воспаленном участке. Вполне возможно, что эта локальная гипоксия вызывает активацию HIF , что приводит к увеличению синтеза свободных радикалов лейкоцитами. Благодаря выяснению роли HIF -1а в иммунной защите, некоторые ученые предлагают новые стратегии для терапевтической иммуномодуляции — а именно — методы активации HIF -1а. Однако, для разработки новых способов лечения крайне необходимы дополнительные исследования.
Одной из областей применения новых знаний о HIF может быть использование их в лечении болезни Паркинсона. В мозге постоянный уровень HIF Р-1 является ответственным за синтез эритропоэтина (ЕРО) при гипоксии. Последние данные свидетельствуют о том, что ЕРО оказывает положительный протектирующий эффект на больных паркинсонизмом. На мышиной модели экспериментального паркинсонизма показано, что введение ЕРО в паренхиму мозга превентирует гибель дофаминергических нейронов и улучшает локомоторную активность. Эти исследования легли в основу первых совместных проектов украинских и американских ученых по разработке новых методов лечения паркинсонизма.
Неоднозначную роль играет HIF в раковом процессе. Дело в том, что этот транскрипционный фактор может обеспечивать как адаптацию тканей к гипоксии и ангиогенез, способствуя поддержанию кислородного гомеостаза в физиологических условиях, так и провоцировать рост опухолевых тканей.
Это связано с тем, что в развитии раковых опухолей важным фактором является гипоксия. Пока первичная опухоль не сформировала адекватное кровоснабжение, уменьшенная диффузия кислорода провоцирует экспрессию HIF-1a, а следовательно васкуляризацию, рост опухоли и метастазирование. Вместе с тем, остается невыясненным, на каких стадиях развития заболевания следует тормозить его продукцию.
Данные об участии HIF-1 в физиологических и патологических процессах увеличиваются с экспоненциальной скоростью. Понимание этих процессов может привести к новым стратегиям для предупреждения и лечения угрожающих жизни расстройств. Вместе с тем, неоднозначность поведения этого фактора в различных условиях не позволяет на сегодня давать четкие практические рекомендации. Действительно, с одной стороны, гипоксия-индуцибельный фактор улучшает снабжение ткани кислородом; оптимизирует митохондриальное энергообеспечение; стимулирует синтез эритропоэтина и эндотелиального фактора роста; улучшает васкуляризацию ишемизированного сердца; усиливает антивоспалительные процессы; препятствует гибели дофаминергических нейронов и улучшает локомоторную активность. С другой стороны, он подавляет пролиферацию клеток альвеолярного эпителия и усиливает апоптоз; вызывает гипертрофию гладких мышечных клеток сосудов гипоксических легких; усиливает высокогорный отек легких; провоцирует тромбоз легочных сосудов; провоцирует опухолевый рост и метастазирование.
Данное научное направление сейчас активнейшим образом развивается, и ближайшем будущем следует ожидать революционных изменений в стратегии лечения основных болезней человека.