Роль системы апелин/APJ в регуляции водного обмена

ВВЕДЕНИЕ

Вода — начальный и конечный продукт множества биохимических реакций. Она служит растворителем, транспортным средством, теплоизолятором и охладителем. Вода присутствует в клетках в виде внутриклеточной жидкости и окружает клетки внеклеточно, через лимфатическую систему и поток крови способствует движению питательных веществ, гормонов, кислорода и антител. Водный баланс в организме достигается путем уравновешивания почечных и непочечных потерь воды с соответствующим ее потреблением. Центральная нервная система (ЦНС) интегрирует множество параметров водно-электролитного баланса в организме, в том числе индуцирует важные приспособительные поведенческие реакции. Так, при увеличении концентрации электролитов и гиповолемии появляется чувство жажды, а при увеличении объема циркулирующей крови (ОЦК) оно уменьшается [1]. Множество исследований посвящено регуляции водно-электролитного обмена. Однако до сих пор этот процесс остается достаточно сложным для понимания, тем более что со временем открывается все больше его регуляторов. Одним из них является гормон апелин, эндокринное действие которого, как показывают исследования, на различных уровнях противоположно хорошо известным факторам поддержания этого обмена.

РЕГУЛЯЦИЯ ВОДНОГО ОБМЕНА

Вазопрессинергическая система

Вазопрессин (син. — антидиуретический гормон, АДГ) и окситоцин — это нонапептиды, состоящие из 6-аминокислотного кольца с цистеин-цистеиновым мостиком и 3-аминокислотного хвоста. У всех млекопитающих имеются аргинин-вазопрессин и окситоцин, за исключением свиней и некоторых других животных, у которых лизин замещает аргинин в положении 8 вазопрессина. Именно поэтому в литературе часто встречается уточненное название у человека — аргинин-вазопрессин [2][3]. Гены, отвечающие за выработку этих гормонов, находятся на 20-й хромосоме, но их транскрипция происходит в противоположных направлениях. Гормоны синтезируются как часть молекулы-предшественника, состоящей из нонапептида (АДГ или окситоцина) и гормонспецифичного нейрофизина, а также гликопептида [4]. Основным регулятором экскреции воды в почках и поддержания водно-электролитного баланса у человека является АДГ. Окситоцин выполняет эту функцию у различных видов живых организмов, а у человека ввиду структурной схожести также способен в больших концентрациях воздействовать на рецепторы к АДГ [5]. АДГ синтезируется в нейросекреторных клетках, крупноклеточных нейронах, расположенных в супраоптических и паравентрикулярных ядрах гипоталамуса и транспортируется по аксонам к задней доле гипофиза, где накапливается и поступает в системный кровоток. Секреция АДГ находится под влиянием широкого спектра раздражителей, которые могут иметь стимулирующие и тормозящие эффекты (табл. 1).

Физиологическая регуляция синтеза и секреции АДГ включает две системы: осмотическую и давление/ОЦК. Исторически считалось, что существует два гормона — АДГ и еще один вазопрессорный гормон. Можно утверждать, что это отдельные регуляторные системы на уровне рецепторов и конечных органов, ответственных за биологический ответ, так как рецепторы к вазопрессину 1 типа (V_1a,) на кровеносных сосудах отличаются от V₂-рецепторов на эпителии собирательной трубки почки [4].

У человека артериальное давление (АД) и ОЦК в значительной степени регулируются содержанием натрия в организме, которое находится под контролем ренин-ангиотензин-альдостероновой системы (РААС). Следовательно, патология нейрогипофиза в первую очередь выражается в отклонениях осмоляльности, вызванных потерей воды или избытком натрия, а в большинстве случаев их сочетанием с сравнительно большим вкладом недостатка воды. При небольшом снижении осмоляльности крови происходит параллельное снижение секреции АДГ, а при увеличении — соответствующая стимуляция секреции этого гормона. Регуляция же ОЦК и АД значительно сложнее. Она включает влияние на секрецию АДГ афферентных влияний от барорецепторов высокого давления дуги аорты и сонных артерий, барорецепторов низкого давления в предсердиях и легочной венозной системе, ингибирование и/или модификацию от других сопутствующих симпатических афферентаций в систему [6].

Предполагается, что барорецепторы и рецепторы объема подавляют секрецию АДГ в крупноклеточных нейронах и уменьшение этого тонического ингибирования приводит к высвобождению АДГ. Сосудосуживающее действие гормона, опосредованное V_1a на гладкомышечных клетках стенок сосудов, приводит к их сокращению. В результате повышается объемное давление и восстанавливается ослабление секреции АДГ. Сосудосуживающий эффект АДГ проявляется при высоких концентрациях гормона, поскольку сродство АДГ к V₂-рецептору выше, чем к V_1a, при физиологической концентрации гормона в основном проявляется его антидиуретическое действие [7].

V₂-рецепторы, демонстрирующие главный физиологический (антидиуретический) эффект гормона, находятся на базолатеральной мембране клеток собирательной трубки и дистальных канальцев почек и являются наиболее важными для АДГ. В отсутствие АДГ моча не концентрируется и может выделяться в количествах, превышающих 20 л в сутки. Стимуляция АДГ V₂-рецепторов мембран клеток почечных канальцев приводит к аккумуляции в клетке циклического аденозинмонофосфата (цАМФ)и встраиванию в люминальную мембрану аквапорина-2 (AQP-2), который перемещается к апикальной мембране собирательных канальцев и встраивается в нее, образуя водные каналы и обеспечивая избирательную проницаемость мембран клеток для воды [4].

Так, вазопрессин нейрогипофиза способствует реабсорбции из первичной мочи воды, уменьшая выделение последней из организма.

Ренин-ангиотензин-альдостероновая система

РААС представляет собой комплекс тканеспецифичных и циркулирующих компонентов, регулирующих гемодинамические параметры и водно-электролитный обмен организма [8]. Активация РААС начинается с биосинтеза препроренина в юкстагломерулярных клетках почек при снижении АД, внеклеточной жидкости и объема крови, натрия в сыворотке крови и повышении симпатической активности [9]. Препроренин превращается в проренин путем отщепления 23 аминокислот. Вэндоплазматическом ретикулуме он подвергается гликозилированию и приобретает 3-D структуру ренина, характерную для аспартатных протеаз [10]. Ренин запускает преобразование ангиотензиногена в неактивный ангиотензин I (Анг-I), далее ангиотензин-превращающий фермент (АПФ) преобразовывает Анг-I в активный ангиотензин II (Анг-II), который оказывает свое воздействие через связь с двумя подтипами рецепторов: АТ₁ и АТ₂. Преимущественно Анг-II связывается с АТ₁-рецепторами, что приводит к вазоконстрикторному, пролиферативному, провоспалительному эффектам. Именно через активацию АТ₁-рецепторов Анг-II способствует секреции альдостерона надпочечниками, повышает скорость канальцевой реабсорбции натрия, усиливает чувство жажды и активность симпатических нервов. Стимуляция АТ₂-рецепторов приводит к прямо противоположному эффекту. Однако экспрессия АТ₂-рецепторов у взрослого человека выражена меньше, чем экспрессия АТ₁-рецепторов [11].

Помимо классической, осуществляющей свое действие через активацию Анг-II и его рецепторов, обнаружена альтернативная РААС, включающая образование Анг-(1-7) при участии АПФ-2. Анг-(1-7), соединяясь с mas-рецепторами, оказывает сосудорасширяющее, антипролиферативное и антиатерогенное действия [12].

Кроме того, AПФ-2 гидролизует AТ-I в Анг-(1-9) — мало изученный пептид, который тоже может быть преобразован в Анг-(1-7). Предполагается, что Анг-(1-9) стимулирует высвобождение брадикинина в эндотелии и обладает антигипертрофическим действием в сердце и сосудах [13].

Другие ангиотензиновые пептиды — AТ-III (Aнг-(2-8)), AТ-IV (Aнг-(3-8)), Aнг-(1-4), Aнг-(1-5), Aнг-(5-8) и Aнг-(1-12)] образуются под действием аминопептидаз, карбоксипептидаз, эндопептидаз и химазы [14]. Их роль до конца не установлена.

Имеются убедительные доказательства влияния различных компонентов РААС на регуляцию баланса жидкости. Ренин, Aнг-II и Aнг-III — мощные дипсогены, и стимуляция чувства жажды — наиболее яркий эффект этих пептидов. Согласно нескольким исследованиям, дипсогенное действие Aнг-II реализуется через AT₁ в медиальном преоптическом ядре и латеральной септальной области [15–18]. Дипсогенный эффект зависит от фактического объема крови и гемодинамических условий и может частично снижаться вследствие параллельного подавления чувства жажды путем увеличения поступления сигналов от баро- и сердечно-легочных рецепторов. Эти механизмы частично устраняются при гипертонии и сердечной недостаточности [17][19][20].

AT₁ широко распространены в почках, и стимуляция РААС вызывает задержку натрия и воды вследствие как прямого почечного действия Aнг-II, так и стимуляции секреции альдостерона. Действуя непосредственно в почках через AT₁, Aнг-II сокращает гладкомышечные клетки афферентных и эфферентных артериол и увеличивает абсорбцию натрия в проксимальных канальцах. Это связано с уменьшением почечного кровотока, нарушением чувствительности тубуло-гломерулярной обратной связи и сбросом зависимости выведения натрия от давления [21][22]. Удаление одного или нескольких генов РААС приводит к значительным нарушениям функций почек, проявляющимся полиурией и недостаточной концентрацией мочи, а также к аномалиям структуры почек [23][24]. Напротив, гиперактивация РААС, связанная с повышенной активностью альдостерона, вазопрессина и TGF-β, является ключевым патогенным фактором хронических заболеваний почек [25][26].

Апелинергическая система

Еще до открытия апелина в 1993 г. В. O’Dowd и соавт. обнаружили новый рецептор, который сначала был назван орфанным, т.е. «сиротским» (так называют все рецепторы без известного лиганда), впоследствии он был переименован в APJ [27]. До1998 г. лиганд к рецептору оставался неизвестен, пока команда К. Tatemoto и соавт. в ходе своего исследования не выделили из желудка крупного рогатого скота новый пептид, названный апелином. Он и оказался искомым лигандом к APJ [29]. Дальнейшие исследования показали, что ген, кодирующий препроапелин, расположен у человека на X хромосоме в локусе Xq25-26.1 [30]. А также была расшифрована аминокислотная последовательность этого пептида.

APJ относится к семейству рецепторов, сопряженных с G-белком. Несмотря на существенное структурное сходство между Анг-II и APJ (30–40% идентичности в последовательности аминокислот), Анг-II не обладает сродством с APJ [27].

Апелин/APJ-система представлена практически во всех тканях организма, включая сердце, сосудистую систему (особенно эндотелий сосудов), легкие, жировую ткань, желудочно-кишечный тракт, ЦНС, молочные железы, щитовидную железу и плаценту [28].

Апелин синтезируется как 77-аминокислотный пропептид, который под действием эндопептидаз делится на более короткие фрагменты [28]. На сегодняшний день известны апелины, состоящие из 36, 19, 17, 15, 13 и 12 аминокислотных остатков, обладающие различным биологическим действием [29] (рис. 1).

Биологическая активность апелина обратно пропорциональна его длине. Так, наиболее стабильными считаются апелин-36, -17, -13 и пироглутамат апелин-13, поскольку они более защищены от деградации под действием экзопептидаз. Апелин-13 — наиболее активный и ответственный за связывание с рецептором APJ. Он полностью проявляет биологическую активность зрелого апелина [29]. Пироглутамат апелин-13 широко используется для изучения реакций in vivo и in vitro и считается физиологическим лигандом APJ из-за высокой устойчивости к разрушению [31][32].

Апелин может действовать как паракринным путем, так и эндокринным, который является наиболее важным с учетом влияния на водно-электролитный обмен [33]. Период полужизни апелина в крови у человека составляет менее 5 минут, его метаболизм тесно связан с активностью АПФ [33][34].

APJ и апелин высоко экспрессируются в гипоталамо-нейрогипофизарной системе, которая регулирует водный обмен и контролирует нейроэндокринную реакцию на стресс, а также в переднем мозге и нижних отделах ствола мозга, участвующих в регуляции функций сердечно-сосудистой системы [35]. При этом исследования свидетельствуют о неоднородном распределении мРНК, кодирующих препроапелин (апелин) и APJ (его рецептор) в структурах головного мозга. В частности, их высокая концентрация обнаружена в крупноклеточных нейронах супраоптического и паравентрикулярного ядер гипоталамуса (рис. 2), то есть в областях секреции АДГ и окситоцина, что указывает на их непосредственное взаимодействие [36]. Нервные волокнаи нервные окончания, чувствительные к апелину, особенно плотно выявляются во внутреннем слое срединного возвышения и в задней доле гипофиза [37][38]. Безусловно, это также указывает на то, что, подобно крупноклеточным вазопрессинергическим и окситоцинергическим нейронам, отростки апелинергических нейронов распространяются в заднюю долю гипофиза. Эта гипотеза была подтверждена с использованием двойного иммунофлуоресцентного окрашивания, показавшего, что апелин локализовался в клетках совместно с АДГ и окситоцином в крупноклеточных нейронах [39]. Тела и отростки клеток, иммуноположительных на апелин, были также идентифицированы вдоль lamina terminalis (содержащей субфорникальный орган (SFO)), в сосудистом органе lamina terminalis (OVLT) и срединном преоптическом ядре. Эти отделы, как известно, активно участвуют в регуляции питьевого поведения [40]. SFO и OVLT, содержащие фенестрированные капилляры и не имеющие гематоэнцефалического барьера, тесно связаны друг с другом в реализации таких периферических событий, как тяжелое обезвоживание или гиповолемия, и адаптивных реакций мозга, таких как потребление воды или высвобождение АДГ [39].

APJ также широко распространены в ЦНС — мРНК APJ идентифицирована с использованием in situ гибридизации в энторинальной коре, гиппокампе и компактной части черной субстанции, ядре дорсального шва и голубом пятне, которые содержат тела моноаминергических нейрональных клеток. Уровень экспрессии мРНК APJ высокий в ядрах гипоталамуса, включая SON и PVN, дугообразное ядро, а также в шишковидной железе, передней и промежуточной долях гипофиза [36]. Более того, исследования c двойной меткой сочетания in situ гибридизации и иммуногистохимии показали, что крупноклеточными нейронами АДГ в SON и PVN коэкспрессируются мРНК, кодирующие APJ, а также рецепторы V1_a,b [41]. Это дополнительно усиливает связь между АДГ и апелином и повышает вероятность эффекта апелина в ответ на осмотические или волемические стимулы.

Имеются данные о том, что апелин регулирует действие АДГ посредством стимуляции активности нейронов АДГ и его секреции [42]. В 2002 г. S. Taheri и соавт. проводили эксперимент, по результатам которого у контрольных животных наблюдалось значительное увеличение потребления воды после внутривенной инъекции апелина [43]. Однако в других исследованиях показано снижение потребления воды после внутривенной инъекции апелина [44] или отсутствие какого-либо эффекта [37].

Была выдвинута гипотеза, что, независимо от обратной отрицательной связи АДГ c его собственным высвобождением, апелин регулирует высвобождение АДГ. Эта гипотеза была проверена на двух моделях животных. В первую модель включили лактирующих крыс, у которых наблюдалось повышение активности крупноклеточных АДГ-секретирующих нейронов с увеличением синтеза и высвобождения АДГ. Интрацеребровентрикулярное введение апелина в первой модели вызывало подавление фазовой электрической активности АДГ-секретирующих нейронов, снижало высвобождение AДГ в кровоток и повышало диурез без изменений экскреции натрия и калия [42]. Во вторую модель включили мышей, лишенных воды в течение 24/48 ч. Такие условия максимально увеличивали активность АДГ-секретирующих нейронов и системное высвобождение АДГ. Интрацеребровентрикулярное введение апелина вызывало значительное снижение системного высвобождения АДГ. Эти результаты предполагают, что апелин высвобождается из тел крупноклеточных клеток SON и PVN, секретирующих АДГ, и посредством прямого воздействия на ауторецепторы апелина, экспрессируемые АДГ/апелинсодержащими нейронами, ингибирует секрецию и высвобождение АДГ из аксонов этих нейронов. Таким образом, апелин действует как естественный ингибитор АДГ [45]. Однако у мышей, «нокаутированных» (с отсутствием рецептора) по APJ (APJ^-/-), выявлено нарушение гомеостаза жидкости, проявляющееся в снижении питьевого поведения и неспособности концентрировать мочу до уровней, наблюдаемых в контроле во время водной депривации, что, по мнению авторов, указывает на роль APJ в потреблении воды и задержке жидкости, а также на возможное наличие антидиуретического эффекта апелина in vivo [46]. Наличие такого эффекта, вероятно, не связано с неспособностью этих мышей повышать уровни АДГ в плазме, поскольку аналогичное повышение уровней АДГ в плазме наблюдается у мышей дикого типа и мышей APJ^-/- после водной депривации. Эти данные позволяют предположить наличие интактного центрального вазопрессинергического действия. Поскольку дефект водного обмена, наблюдаемый у мышей c APJ^-/-,не связан с измененной нейросекреторной функцией АДГ, он может быть следствием дефекта концентрации мочи на уровне почек. Также результаты данного исследования контрастируют с другими работами, показывающими акваретическую роль апелина у грызунов. Возможное объяснение этого несоответствия заключается в том, что в моделях нокаута полное отсутствие APJ во внутриутробном и взрослом периоде могло вызвать компенсаторные механизмы, приводящие к противоположным эффектам на диурез, наблюдаемым после интрацеребровентрикулярного и внутривенного введения апелина [47]. Кроме того, экспрессия APJ в головном мозге также описывалась как экспрессия, зависимая от степени гидратации [48].

Помимо исследований на грызунах, эксперимент проведен и на 10 соматически здоровых добровольцах. Внутривенное введение гипертонического раствора вызывало у них повышение осмотического давления плазмы с увеличением концентрации АДГ и снижением уровней апелина в крови. Напротив, водная нагрузка снижала концентрацию АДГ и быстро повышала уровни апелина в циркуляции [49]. Таким образом, осмотическое давление плазмы — важный фактор для определения уровня апелина в крови.

Влияние апелина на водный диурез не только носит центральный характер, но и оказывает периферический и/или внутрипочечный гемодинамический эффекты за счет связывания с внутрипочечными рецепторами, поскольку экспрессия мРНК APJ обнаружена в почках крыс [34] и иммунореактивность апелина выявлена в собирательной трубке почек человека [50].

Исследования методом полимеразной цепной реакции в реальном времени показали, что мРНК, кодирующая препроапелин и APJ, экспрессируется в почках крысы и человека [51]. Исследования, проведенные A. Hus-Citharel и соавт. сиспользованием in situ гибридизации на почках крыс, показали, что мРНК APJ была обнаружена в гломерулах, гломерулярных артериолах и внутреннем тонком слое мозгового вещества почки, в зонах высокого кровоснабжения. Внутривенное введение апелина кормящим крысам вызывало значительный диурез, расслабление эфферентных и афферентных артериол, предварительно суженных Анг-II. Активация эндотелиальных рецепторов апелина приводила к высвобождению оксида азота (NO), который ингибировал индуцированное Анг-II повышение внутриклеточного кальция. Кроме того, продемонстрировано, что апелин оказывает прямое рецептор-опосредованное сосудосуживающее действие на гладкие мышцы сосудов. Эти результаты показывают, что апелин действует комплексно на пре- и постгломерулярное микрососудистое русло, регулирующее почечную гемодинамику [52]. Кроме того, высокая экспрессия мРНК APJ была обнаружена в клубочках и умеренная — во всех сегментах нефрона, включая собирательную трубку, где также экспрессируются рецепторы V₂ [53].

АДГ, стимулируя V₂ в собирательной трубке, вызывает встраивание AQP-2 в апикальную мембрану клеток через увеличение продукции цАМФ и активацию фосфокиназы A (PКA), что приводит к реабсорбции воды. Экспрессия же мРНК APJ в собирательных трубках предполагает, что апелин может действовать как акваретик посредством прямого действия на этот сегмент нефрона. В соответствии с данной гипотезой применение апелина на уровне медуллярной части собирательной трубки ингибирует продукцию цАМФ, индуцированную десмопрессином [54]. Внутривенная инъекция апелина в возрастающих дозах кормящим крысам увеличивает диурез дозозависимым образом одновременно со значительным снижением осмоляльности мочи и уменьшением встраивания AQP-2 в апикальную мембрану собирательной трубки почки, что указывает на то, что апелин-индуцированный диурез связан с прямым действием апелина на клетки этого отдела нефрона [47]. Аналогичным образом, в других исследованиях внутривенное введение апелина значимо увеличивало диурез у самцов крыс линии Sprague-Dawley [54].

Таким образом, акваретический эффект апелина обусловлен не только центральным действием с подавлением высвобождения АДГ, но также и прямым действием апелина на уровне почек за счет увеличения почечного кровотока и противодействия антидиуретическому эффекту АДГ, возникающему через V₂-рецепторы собирательной трубки. Это показывает противоположные эффекты апелина и АДГ по контролю осмоляльности плазмы и регуляции реабсорбции воды почками.

Апелинергическая система также тесно взаимодействует с РААС. Несмотря на то что APJ и AT₁-рецепторы очень похожи между собой по структуре и аминокислотной последовательности, ангиотензин II не является лигандом для APJ, что доказано в опытах на культуре фибробластов и клеток яичника китайского хомячка [29]. По современным представлениям, системы апелин APJ и РААС являются антагонистическими. Их действие на АД, венозный тонус и гомеостаз жидкости разнонаправлено [55]. В исследованиях in vitro доказана димеризация APJ и AT₁- рецепторов, которые, по-видимому, расположены недалеко друг от друга и могут тесно взаимодействовать. В этом процессе апелин играет ключевую роль, при этом действие Анг-II ослабляется [56]. Связывание апелина со своим рецептором тормозит образование Анг-II, а фармакологическая блокада АТ₁-рецептора сопровождается повышенной выработкой апелина. АПФ разрушает апелин, последовательно отщепляя по одной аминокислоте от его С-конца [57].

Некоторые работы показывают, что апелин может уменьшать прессорные эффекты Анг-II, в том числе через механизмы, связанные с эндотелиальной NO-синтазой [58]. Анг-II в свою очередь оказывает прямое тормозящее действие на экспрессию генов апелина и APJ [33]. У животных, которым вводились малые прессорные дозы Анг-II, в течение суток выявлялось снижение экспрессии апелина в сердце, и этот эффект снимался блокадой АТ₁-рецепторов. У «нокаутных» по APJ-рецепторам мышей вазоконстрикторная реакция на Анг-II была более выражена, чем у мышей дикого типа [59].

Вышеупомянутые исследования продемонстрировали важную роль апелинергической системы в модификации эффектов РААС, что в основном проявляется их антагонистическими влияниями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Водный обмен в организме достигается путем уравновешивания почечных и непочечных потерь воды с соответствующим ее потреблением. Он, в том числе, находится под контролем трех гормональных систем: вазопрессинергической, ренин-ангиотензин-альдостероновой и апелинергической. Между системами существуют важные взаимодействия, что расширяет возможности интеграции и предотвращает негативные эффекты гиперактивации одной из них.

Как показывают многочисленные исследования, система апелин/APJ играет непосредственную роль в водном обмене, выступая как эндогенный физиологический регулятор, что делает ее потенциальной терапевтической мишенью для возможного предотвращения водно-электролитных нарушений.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Источники финансирования. Работа выполнена по инициативе авторов без привлечения финансирования.

Конфликт интересов. Работа выполнена в соавторстве с заведующей редакцией журнала «Ожирение и метаболизм» Дзерановой Л.К., членом редакционной коллегии журнала «Ожирение и метаболизм» Пигаровой Е.А.

Участие авторов. Все авторы внесли равный вклад в работу: анализ данных и их интерпретацию, написание статьи. 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.