Особенности ангиогенеза как компонента репаративной регенерации при сахарном диабете

ВВЕДЕНИЕ

Сахарный диабет (СД) остается одной из наиболее актуальных проблем мирового здравоохранения. К концу 2021 г. заболеваемость СД в мире превысила 537 млн человек, что означает двукратное увеличение за последние 10 лет. В Российской Федерации на начало 2022 г. на диспансерном учете состояло почти 5 млн человек (3,3% населения), однако реальная заболеваемость, по мнению экспертов, выше. Кроме того, прогнозы заболеваемости, как во всем мире, так и в Российской Федерации, указывают на дальнейшее усугубление данной проблемы в количественном отношении [1].

При СД наблюдается широкий перечень расстройств гомеостаза. Одним из таких расстройств является нарушение процесса репаративной регенерации, морфологического и функционального восстановления организма после повреждения. В свою очередь, в клинической практике данное расстройство приводит к развитию хронических незаживающих ран. Процесс заживления раны включает остановку кровотечения, воспалительную реакцию, направленную на отторжение нежизнеспособных тканей и очищение раны, заполнение раневого дефекта грануляционной тканью, эпителизацию и образование рубца. Формирование грануляционной ткани происходит в процессе ангиогенеза — образования сосудов из уже существующих. Ангиогенез требует взаимодействия большого количества факторов, многие из которых затрагивают патологическое влияние расстройств при СД, что обусловливает нарушение данного процесса и, как следствие, репаративной регенерации и заживления ран в целом [2].

Учитывая распространенность СД, проблема репаративной регенерации у пациентов с этим заболеванием имеет важное значение, особенно при трофических нарушениях, травмах и послеоперационных состояниях. Существующие методы решения данной проблемы несовершенны, и очевидна необходимость дальнейшего изучения, в частности особенностей ангиогенеза у пациентов с СД. Данные исследования не только расширят представления о механизмах нарушений, но и определят новые стратегии и фармакологические мишени терапии, корригирующей нарушения ангиогенеза, репаративной регенерации и заживления ран у пациентов с СД.

РАЗДЕЛ 1

АНГИОГЕНЕЗ И ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ

Ангиогенез является сложным генетически детерминированным последовательным процессом, требующим взаимодействия большого количества факторов, определяющих соотношение между стимулирующими и ингибирующими сигналами и, следовательно, стадийность процесса. Выделяют следующие этапы ангиогенеза: 1) разрушение базальной мембраны (БМ) и внеклеточного матрикса (ВКМ) старых сосудов, 2) миграцию эндотелиальных клеток (ЭК), 3) пролиферацию ЭК, 4) формирование тубулярных эндотелиальных структур и БМ с образованием новых сосудов. Таким образом, в поврежденной области образуется обильная молодая капиллярная сеть, которая в дальнейшем подвергается контролируемой регрессии с образованием ткани, соответствующей физиологической норме [3].

Основными клетками — участницами ангиогенеза являются зрелые ЭК; предшественники ЭК (ПЭК); гладкомышечные клетки (ГМК) и перициты, дифференцирующиеся из мезенхимальных стволовых клеток (МСК); обсуждается роль гемопоэтических клеток-предшественниц [3]. Кроме того, на ангиогенез влияют и другие клетки, участвующие в заживлении ран: кератиноциты, фибробласты, нейтрофилы, моноциты/макрофаги, T- и B-лимфоциты, тучные клетки [4].

Факторы, влияющие на ангиогенез, в соответствии с их природой можно разделить на биомеханические и биохимические, а в соответствии с результатом их действия — на активаторы и ингибиторы [4][5]. В настоящее время общепризнана гипотеза об ангиогенном «переключателе»: ангиогенез «включается» при преобладающем воздействии активаторов и «выключается» при преобладании ингибиторов [5][6].

К биомеханическим факторам относят механические воздействия тока крови на ЭК по типу механотрансдукции. Результаты исследований демонстрируют влияние параметров гемодинамики на выраженность и характер ангиогенных реакций ЭК [7][8]. Согласно современным представлениям, турбулентный ток крови, сопутствующее ему нестабильное напряжение сдвига, а также повышение трансэндотелиального тока жидкости способствуют активации ангиогенеза. Напротив, ламинарный ток крови, стабильное напряжение сдвига и снижение трансэндотелиального тока жидкости способствуют завершению ангиогенеза и поддержанию ангиогенного покоя. К ангиогенным реакциям, изменяющимся под действием биомеханических факторов, относятся миграция, пролиферация и апоптоз ЭК, а также продукция ими биохимических факторов [5].

К биохимическим факторам относят биологически активные вещества, оказывающие влияние на ангиогенез и способные выступать маркерами для количественной и качественной оценки данного процесса (табл. 1). Основным инициатором секреции биохимических активаторов является гипоксия, запуск их каскада способствует разрушению старых сосудов, образованию новых и их стабилизации, после чего происходит «переключение» на ингибиторы, которые прерывают ангиогенез и подвергают регрессии нестабилизированные сосуды [3][4][6].

РАЗДЕЛ 2

НАРУШЕНИЕ АНГИОГЕНЕЗА ПРИ СД

Нарушение ангиогенеза при СД носит тканеспецифический характер и отличается разнонаправленностью. В одних случаях регистрируется повышение выраженности ангиогенеза, что обусловливает развитие диабетической ретинопатии и диабетической нефропатии. В других — такие феномены, как нарушение заживления ран и образования сосудистых коллатералей, эмбриональная васкулопатия и отторжение трансплантата, обусловленные недостаточной выраженностью ангиогенеза [15].

Недостаточность ангиогенеза при СД в значительной степени неспецифически связана с его макро- и микрососудистыми осложнениями, вызывающими хроническое нарушение трофики тканей. В условиях хронической гипоксии стирается градиент основного инициирующего и пролонгирующего фактора, что в сочетании с нарушением энергетического и пластического обмена формирует постоянно активный, но незавершенный патологический ангиогенез [15][16]. Помимо данной неспецифической основы, в настоящее время выделяют ряд специфических воздействий СД на ангиогенез.

Влияние на клетки — участницы ангиогенеза

Состояние эндотелия сосудов при СД характеризуется термином «эндотелиальная дисфункция (ЭД)». Данное патологическое состояние при СД развивается на фоне гипергликемии, представляет собой генетически опосредованное неадаптивное ремоделирование ЭК с нарушением следующих функций: вазомоторной (снижение синтеза вазодилататоров — оксид азота (NO), простациклин; повышение синтеза вазоконстрикторов — эндотелин), адгезионной (повышение синтеза адгезинов — VCAM-1, PECAM-1, P- и E-селектины, TF), гемостазрегулирующей (повышение синтеза ингибитора активатора плазминогена-1 (PAI-1) и фактора фон Виллебранда), ангиогенной (дисбаланс биохимических факторов ангиогенеза) [17][18][19][20][21][22].

Обсуждая механизмы формирования ЭД (в том числе и ангиогенной) при СД, одним из значимых аспектов является изменение метаболизма и пути утилизации глюкозы ЭК. Снижается активность пентозофосфатного пути и, следовательно, выработка основного внутриклеточного восстановителя, никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфата (NADPH) — и повышается уровень окислительного стресса. Последнему дополнительно способствует индуцируемая гипергликемией активация NADPH-оксидаз, продуцирующих активные формы кислорода (АФК). Гипергликемия также активирует аргиназу, ферментирующую аргинин — предшественник оксида азота (NO), вместо которого образуются супероксидные радикалы. АФК и реактивные формы азота вызывают разрывы цепей ДНК, что приводит к изменению ферментативной активности в ЭК, остановке гликолиза и запуску «патологических» путей утилизации глюкозы: полиоловый путь и гексозаминовый путь. При активации полиолового пути происходит превращение глюкозы в сорбитол ферментом альдозоредуктазой, данный процесс дополнительно расходует NADPH и повышает уровень АФК; превращение сорбитола в фруктозу ферментом сорбитолдегидрогеназой; данный процесс способствует образованию конечных продуктов гликирования (КПГ). Гексозаминовый путь активируется вследствие накопления фруктоза-6-фосфата и в условиях гипергликемии препятствует нормальному ангиогенному поведению: активируются специфический белок 1 (Sp1), который стимулирует синтез PAI-1, и транскрипционный фактор каппа-би (NF-kB) — главный фактор провоспалительной активации ЭК. Кроме того, остановка гликолиза и накопление его промежуточных продуктов глицеральдегид-3-фосфата и дигидроксиацетонфосфата повышает образование метилгиоксаля, который дополнительно способствует выработке АФК и КПГ, снижает синтез HIF-1α, и повышает синтез de novo диацилглицерола, что в дальнейшем активирует протеинкиназу C, которая стимулирует ряд внутриклеточных сигнальных путей, приводя к нарушению функции клеток через активацию NF-kB в ЭК и гладкомышечных клетках, угнетение растворимой гуанилатциклазы, опосредующей эффекты NO [21][22][23].

Eelen G. с соавт. показано, что гипергликемия вызывает в ЭК митохондриопатию (дефекты митохондриального биогенеза, митофагия, накопление поврежденных митохондрий, их фрагментация, нарушение функциональности и увеличение продукции АФК) [21].

При СД снижается популяция ПЭК. ПЭК больных диабетом обладают сниженной способностью продуцировать функциональные ангиогенные ростки и трубки в ишемических моделях, что нарушает формирование грануляционной ткани, рост капилляров и отложение коллагена [24].

В ранах при СД отмечается дефицит макрофагов. Учитывая, что макрофаги являются источником ряда активаторов ангиогенеза, особенно VEGF, следовательно, их недостаток снижает уровень данных факторов и нарушает течение ангиогенеза. Кроме того, показана функциональная неполноценность макрофагов при СД вследствие нарушения поляризации макрофагов и ее модуляции в условиях гипергликемии и окислительного стресса. В нормальных ранах макрофаги переключаются с провоспалительного фенотипа на прорепаративный, поддерживающий регенерацию тканей. В диабетических ранах, при дефиците макрофагов, их измененный фенотип не стимулирует восстановление тканей. Показано, что макрофаги в области раны мышей db/db (генетическая модель ожирения, СД II типа и дислипидемии, результат мутации в гене рецептора лептина) демонстрируют сниженный эффероцитоз, что повышает апоптотическую нагрузку и выраженность воспаления в ране [4][24][25][26][27][28].

Исследования подтверждают роль тучных клеток в заживлении ран, которые являются источником ангиогенных факторов FGF, VEGF, TGF-β1. Показано, что их влияние наиболее значимо на завершающем этапе ангиогенеза, контролируемой регрессии новообразованного капиллярного русла [4][29].

Влияние на факторы ангиогенеза

В кожных ранах пациентов с СД отмечается заметное снижение уровня VEGF, в кожных ранах мышей db/db также отмечается снижение уровней VEGF и мРНК VEGF, а обработка ран VEGF ускоряет заживление ран по сравнению с необработанным контролем. Замедленное заживление ран при СД объясняют недостаточным синтезом мРНК VEGF на ранних стадиях раневого процесса. Отмечают, что снижение уровня мРНК VEGF связано с инсулинорезистентностью даже при отсутствии клинического СД. Инсулин активирует путь P13k/Akt, что усиливает экспрессию VEGF. Zhou et al. продемонстрировали сниженную активность P13k/Akt при инсулинорезистентности (у крыс). Zhou K. et al. утверждают, что аномальные паттерны рецепторов VEGF (повышенный уровень VEGF-1 и сниженный уровень VEGF-2) и сниженные уровни мРНК VEGF являются основной причиной незаживающего состояния ран [15][30].

Ангиогенные эффекты VEGF, TGF, FGF зависят от NO и могут быть заблокированы ингибиторами синтазы оксида азота (NOS). Такую активность проявляет ассиметричный диметиларгинин (ADMA), продукт гидролиза метилированных белков, эндогенный конкурентный ингибитор NOS, концентрация которого в плазме у пациентов с СД2 увеличивается более чем в 2 раза после приема жирной пищи. Активность основного фермента ADMA диметиларгининдиметиламиногидролазы (DDAH) снижена при гипергликемии, что обусловливает повышение уровня ADMA. В эксперименте на мышах ADMA ингибирует ангиогенез, индуцированный bFGF. Данный эффект нивелируется пероральным введением L-аргинина, предшественника NO, что подтверждает данную концепцию. В свою очередь, описано снижение уровня L-аргинина в плазме при СД, что сопряжено с ЭД [31][32].

При СД отмечается нарушение экспрессии bFGF вследствие тканеспецифичного снижения уровня мРНК bFGF. При этом в отдельных тканях зарегистрировано повышение синтеза bFGF. Отмечается, что оба эффекта устраняются с помощью инсулина [11].

В исследовании Beer H.D. с соавт. было показано, что мыши db/db экспрессируют более низкие уровни PDGF и его рецептора в ранах. Известно, что местное применение PDGF ускоряет скорость заживления диабетических ран (за счет влияния на процесс ангиогенеза и за счет стимуляции пролиферативной фазы репаративной регенерации, в т. ч. синтеза фибробластами компонентов ВКМ) [33][34].

Установлено, что в диабетических ранах снижается отношение ANG-1 к ANG-2. Снижение уровня ANG-1 нарушенает ангиогенез. Одновременно отмечается повышение уровня ANG-2, который на фоне дефицита VEGF проявляет антиангиогенные свойства [12][13][14].

Важную роль в ангиогенезе играет регуляция генов посредством микроРНК. МикроРНК представляют собой некодирующие РНК длиной около 21-25 нуклеотидов, которые участвуют в экспрессии генов путем связывания с мРНК-мишенью с последующим подавлением синтеза мРНК или ее деградацией. Выявлено, что высокая экспрессия отдельных микроРНК коррелировала с угнетением ангиогенеза. Например, miR-200b угнетает ангиогенез за счет влияния на фактор транскрипции глобина-2 и VEGFR210. К другим микроРНК, влияющим на ангиогенез, относятся miR-130a, miR-21, miR-146a, miR-198 и miR-26b. Нейтрализация miR-200b и miR-26b приводит к улучшению заживления раны [4][35][36][37].

Согласно классическим представлениям, активация фибринолитической системы способствует ангиогенезу: плазмин разрушает компоненты МКМ и БМ (фибронектин, ламинин, протеогликаны), высвобождает и активирует bFGF. Кроме того, поддерживая проходимость сосудов, плазмин способствует локальной трофике тканей. Плазмин образуется из плазминогена при помощи активаторов плазминонена (tPA и uPA). СД ассоциирован со сниженным уровнем uPA при повышенном уровне ингибиторов активатора плазминогена (PAI-1). Эта комбинация, в свою очередь, поддерживает низкий уровень плазмина, что препятствует адекватной деградации МКМ и БМ и дополнительно ухудшает трофику тканей [15].

В диабетических ранах повышен уровень металлопротеаз (в хронической раневой жидкости уровень MMPs почти в 60 раз выше, чем в острых ранах). Высокий уровень металлопротеаз характерен для фазы воспаления, так как позволяет обеспечить очищение раны и облегчить миграцию клеток — участниц репаративной регенерации. Однако сохранение высокого уровня металлопротеаз в фазу пролиферации нарушает ангиогенез и стабилизацию новообразованных сосудов за счет разрушения их компонентов ВКМ. Одной из возможных причин хронического высокого уровня металлопротеаз могут быть высокие концентрации глюкозы, которые повышают экспрессию MMPs и снижают экспрессию TIMPs: прямо — за счет формирования провоспалительного микроокружения и косвенно — за счет накопления КПГ [4].

РАЗДЕЛ 3

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ МИШЕНИ КОРРЕКЦИИ НЕДОСТАТОЧНОСТИ АНГИОГЕНЕЗА ПРИ СД

Основная цель медицинских исследований в краткосрочной перспективе — совершенствование диагностических и лечебных подходов к рассматриваемой проблеме. Изучение ангиогенеза как компонента репаративной регенерации при СД позволяет определить перспективные терапевтические мишени, воздействие на которые способно ускорить и улучшить заживление ран у пациентов с СД.

Поскольку рассматриваемое нарушение является вторичным и этиотропная терапия в данных рамках невозможна, наиболее эффективная стратегия — прерывание патогенетической цепи на уровне ключевого звена, гипергликемии. Контроль уровня глюкозы в крови позволяет снизить выраженность как недостаточности ангиогенеза, так и его избыточных проявлений в отдельных тканях [15]. Другими дополнительными мишенями при недостаточности ангиогенеза могут быть:

- гипоксия.

Устранение хронической гипоксии позволяет восстановить градиент парциального давления кислорода между очагом раны и соседними тканями, а также улучшить метаболизм клеток. В исследовании Ya Guan et al. показаны результаты применения системы непрерывного насыщения диабетических ран кислородом, также содержащей компоненты, поглощающие АФК. В эксперименте данный метод существенно способствовал заживлению резаных ран у мышей db/db. Авторы связывают данный эффект со стимуляцией ангиогенеза — выживание клеток, их миграция, образование тубулярных структур (активация сигнального пути p-Erk1/2, активация экспрессии VEGF-A, FGF-2, PDGF-B), и снижением окислительного (поглощение АФК) и воспалительного (снижение количества воспалительных клеток и провоспалительных цитокинов) стресса [16][38];

- баланс факторов ангиогенеза.

Коррекция дисбаланса факторов ангиогенеза, в первую очередь низкого уровня активаторов за счет их экзогенного введения, приводит к улучшению созревания грануляционной ткани и улучшению заживления ран, что подтверждают многочисленные исследования. К биохимическим факторам ангиогенеза, которые считаются перспективными терапевтическими агентами, относят: VEGF, FGF, PDGF, EGF, др. Продолжается разработка и совершенствование систем их доставки: гель, крем, раствор, микросферы, нановолокна, др. Перспективным вариантом является применение обогащенной тромбоцитами плазмы, как среды с высоким содержанием активаторов ангиогенеза. Ограничениями данного лечебного метода являются высокая стоимость препаратов, действующим веществом которых являются факторы ангиогенеза, их побочные эффекты и риск усугубления проявлений избыточного ангиогенеза в отдельных тканях [4][36][39];

- генетическая регуляция факторов ангиогенеза.

МикроРНК, выявленные регуляторы ангиогенеза, в настоящее время активно исследуются в качестве перспективных терапевтических мишеней. Одним из методов воздействия на них является применение ингибиторов микроРНК (anti-miRs, “antagomirs”). Так, снижение уровня miR-92a соответствующим ингибитором увеличивало ангиогенез и заживление резаной раны в эксперименте на диабетических мышах [4][35][36][37];

- повышение уровня гемопоэтических стволовых клеток CD34b и стимуляция их дифференцировки.

Введение данных клеток способствует улучшению ангиогенеза за счет их дифференцировки в ЭК, что было продемонстрировано в эксперименте с заживлением кожных ран мышей. Следует отметить, что клетки больных СД менее эффективно дифференцируются, чем клетки здоровых, что является значительным ограничением данного метода. В настоящее время изучаются способы векторной стимуляции дифференцировки данных клеток с целью улучшения ангиогенеза [40][41];

- коррекция метаболизма клеток.

Аргинин — условно незаменимая аминокислота, играет важную роль в поддержании адекватной функции сосудистого эндотелия и, как следствие, регуляции сосудистого тонуса, гемодинамики, заживления ран и микроциркуляции. Пищевой аргинин — основной источник синтеза eNO. Диета, обогащенная аргинином, потенциально способна компенсировать недостаток данной аминокислоты у пациентов с СД. Показано, что введение аргинина дозозависимо стимулирует выработку NO, снижение АД, агрегации тромбоцитов, и при длительном введении — повышает чувствительность к инсулину и инсулино-опосредованную вазодилатацию. Высокие дозы аргинина могут иметь побочные эффекты, альтернативой может служить L-цитруллин [14][42].

Клинические данные подтверждают, что метформин обладает цитопротекторными эффектами относительно ЭК, важную роль в его фармакодинамике отводят восстановлению сигнального пути Hedgehog. Кроме того, метформин подавляет механизм аутофагии, который способны инициировать ингибиторы ангиогенеза [43][44].

Также определенный интерес представляют подходы ингибирования повышенного образования АФК. На примере применения синтетического аналога витамина E было показано снижение интенсивности перекисного окисления липидов. Сообщают о снижении содержания конъюгированного диена в образцах ран мышей с диабетом, получавших раксофеласт, гидрофильный антиоксидант, подобный витамину E. Кроме того, показано, что терапия раксофеластом значительно увеличивает экспрессию VEGF в кожных ранах мышей db/db и увеличивает плотность раневых капилляров, прочность на разрыв и содержание коллагена [14].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, нарушение ангиогенеза как компонента репаративной регенерации у пациентов с СД представляет собой сложное многофакторное состояние. В качестве основных негативных звеньев здесь следует выделить дисфункцию клеток — участниц ангиогенеза (в первую очередь, ЭК, ПЭК и макрофагов) и формирование дисрегуляторных сигналов со стороны микроокружения (дисбаланс факторов ангиогенеза). Ключевым звеном патогенеза является гипергликемия. Коррекция повышенного уровня глюкозы в крови у пациентов с СД в настоящее время является наиболее обоснованным и рекомендованным к применению в клинической практике методом, однако уже определены иные перспективы в этом направлении. Во-первых, некоторые сахароснижающие препараты, например, метформин, наряду с основным эффектом также способны благоприятно влиять на процесс ангиогенеза. Во-вторых, активно проводятся исследования искусственной регуляции сигнальных процессов посредством экзогенного введения факторов ангиогенеза, изучается эффективность управления гипоксией, и, наконец, наиболее отдаленной перспективой является воздействие на метаболизм отдельных клеток с целью прерывания патологических цепей на уровне внутриклеточных обменных процессов.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Источники финансирования. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (№24-25-00278, https://rscf.ru/project/24-25-00278/) на базе ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева».

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

Участие авторов. Власова Т.И. — разработка базового дизайна исследования, контроль модификаций дизайна исследования; правка статьи, обобщение полученных данных; Мадонов К.С., Камалихин И.В. — модификация дизайна исследования в разделах, касающихся патофизиологических аспектов; написание второго и третьего разделов статьи; Данилова Я.А., Сардаева Д.Г. — модификация дизайна исследования в разделах, касающихся физиологических аспектов; написание первого раздела 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.