Оксидативный стресс и его роль в развитии аутоиммунных заболеваний щитовидной железы
Полный текст:
Аннотация
В настоящее время известно большое количество социально значимых заболеваний, в которых тканевые повреждения сопровождаются развитием оксидативного стресса. В развитии этих заболеваний свободные радикалы играют решающую роль. Аналогичные процессы происходят под действием источников ионизирующего излучения, а также при бактериальных инфекциях. В последнее время появились научные данные, свидетельствующие о значительной роли оксидативного стресса в развитии аутоиммунных тиреопатий. Предполагается, что синтез тиреоидных гормонов зависит от концентрации Н2О2, которая из-за высокой токсичности должна находиться в строгом соответствии с активностью антиоксидантных систем. В норме, многие биохимически-неблагоприятные процессы протекают на апикальной мембране тиреоцита, что позволяет ограничить действие свободных радикалов и избежать деструкции клетки. Однако, при патологических состояниях происходит нарушение ферментативных систем и их компоненты становятся аномально активированными в цитоплазме, а это, в свою очередь, приводит к функциональным и морфологическим нарушениям. Более глубокое понимание природы оксидативного стресса и его роли в развитии АИТ может способствовать выявлению новых методов его оценки, расширению терапевтических диапазонов в отношении данного заболевания. В обзоре обсуждается оксидативный стресс, представляющий собой, накопление активных повреждающих агентов (свободных радикалов, прооксидантов, активных форм кислорода), инициирующих повреждение клеток и ведущих к развитию различных патологических состояний. Его основу составляет свободнорадикальное окисление жирных кислот, или так называемое перекисное окисление липидов.
Ключевые слова
Для цитирования:
Рыбакова А.А., Платонова Н.М., Трошина Е.А. Оксидативный стресс и его роль в развитии аутоиммунных заболеваний щитовидной железы. Проблемы Эндокринологии. 2019;65(6):451-457. https://doi.org/10.14341/probl11827
For citation:
Rybakova A.A., Platonova N.M., Troshina E.A. Oxidative stress and its role in the development of autoimmune thyroid diseases. Problems of Endocrinology. 2019;65(6):451-457. (In Russ.) https://doi.org/10.14341/probl11827
Введение
Большинство исследователей разделяют мнение, что аутоиммунные тиреопатии (АИТ) являются многофакторными заболеваниями, вызванными сложным взаимодействием генетических, гормональных и средовых факторов, которые провоцируют развитие неадекватных иммунных ответов против щитовидной железы (ЩЖ) на разных уровнях и инициируют длительную аутоиммунную реакцию. В патогенезе аутоиммунных заболеваний ЩЖ оксидативный стресс играет важную роль.
В связи с этим, целью данного обзора было провести анализ последних исследований на данную тему и обосновать связь оксидативного стресса с аутоиммунными заболеваниями ЩЖ.
Известно, что оксидативный стресс (окислительный стресс, с английского языка – oxidative stress, ОС) участвует в патогенезе таких важных заболеваний, как атеросклероз, сахарный диабет, гипертоническая болезнь, ишемические заболевания и онкологические процессы. Воспалительно-дистрофические изменения в тканях, при этих состояниях, связаны с атакой свободных радикалов из внутренней среды организма, где в силу различных причин возникает и поддерживается их повышенная концентрация. Свободные радикалы кислорода отрицательно воздействуют на биологические молекулы, такие как липиды, белки и ДНК. Однако не стоит забывать про важную роль ОС в рамках физиологической адаптации и регуляции внутриклеточной передачи сигналов [1].
Патогенез оксидативного стресса
ОС определяется как дисбаланс между продукцией прооксидативных веществ и защитной антиоксидантной системы. Наиболее важные прооксидантые вещества – это активные формы кислорода (АФК) и активные формы азота (АФА). Исследование биомаркеров оксидативного стресса позволяет понять механизм данного состояния и патогенез заболеваний. В настоящее время в качестве маркеров ОС используются окислительные субстраты, полученные в результате воздействия на них свободных радикалов, а именно: продукты перекисного окисления липидов (липидный пероксид, малондиальдегид (MDA) и 4-гидроксиноненаль), изопростан, как продукт свободнорадикального окисления арахидоновой кислоты, тиминегликоль и 8-оксигуанин – как индикаторы окислительного повреждения ДНК [1].
Если говорить о свободных радикалах, то это атомы и молекулы, которые имеют неспаренные электроны. Свободные радикалы обычно нестабильны и очень активны, потому что неспаренные электроны стремятся образовывать пары с другими молекулами.
К активным формам кислорода относится супероксидный анион, гидроксильный радикал, пероксид водорода и хлорноватистая кислота. Первые три вещества образуются in vivo главным образом митохондриальной дыхательной цепью при окислительном метаболизме энергетических субстратов. Они являются регуляторами редокс-чувствительных путей, участвующих в клеточном гомеостазе, и влияют на некоторые транскрипционные факторы, в дополнение к эндогенному антиоксидантному пулу [2].
К активным формам азота относится пероксинитрит, образующийся в результате реакции оксида азота (NO) с супероксидом и нитрозопероксикарбонатом, образующимся в результате реакции пероксинитрита с диоксидом углерода. АФК и АФА являются важными звеньями патогенеза при развитии различных заболеваний. Среди них особую патогенетическую роль играют свободные радикалы, т.е. супероксидный анион и гидроксильный радикал (за счет их высокой химической активности) [3].
Для аэробных организмов механизм удаления активных форм кислорода необходим для поддержания жизни. Поэтому в процессе эволюции развились различные механизмы антиоксидантной защиты.
Антиоксидантная система представлена ферментативным звеном и неферментативными антиоксидантами (витамин Е, С, CoQ (кофермент Q)).
Ферментативное звено антиоксидантной системы состоит из супероксиддисмутазы (СОД), каталазы и глутатионпероксидазы. Главным механизмом защиты организма от данных АФК является фермент СОД, активность ее обычно достаточна, чтобы инактивировать их в месте образования, не допуская диффузии в среде макромолекул ткани.
Дисмутация супероксидных анион-радикалов под действием СОД в биологических тканях ведет к образованию перекиси водорода, способной легко проникать через мембраны клеток. Перекись водорода обнаруживается при фагоцитозе, при работе митохондрий и микросом [4]. В присутствии ионов переходных металлов (например, Fe 2+ ) перекись водорода может давать высоко активный гидроксильный радикал (*ОН). Этому процессу препятствуют главные высоко активные ферменты антиоксидантной защиты организма: каталаза и глутатион-пероксидаза.
Оксидативный стресс и гормоны щитовидной железы
Среди всех гормонов, которые действуют на антиоксидантную систему, гормоны щитовидной железы играют особенно важную роль, поскольку как гипертиреоз, так и гипотиреоз связаны с ОС [3]. Однако механизм ОС в этих 2 состояниях разный: повышенная продукция АФК при гипертиреозе и низкая доступность антиоксидантной системы при гипотиреозе [5]. Гормоны щитовидной железы как таковые могут действовать как окислители и повреждать ДНК, вероятно, через фенольную группу, которая аналогична активности стероидных эстрогенов [6]. Могут быть задействованы другие механизмы, в частности, усиленная экспрессия синтазы оксида азота (NOS) с избыточной продукцией NO и активация печеночного NF-kB (транскрипционный фактор NF-κB, ядерный фактор «каппа-би») с последующим увеличением концентрации цитокинов, которые индуцируют продукцию АФК.
С другой стороны, механизмы, регулируемые тиреоидными гормонами, осуществляют тонкую регуляцию окислительного статуса через обратную связь. Среди них подчеркивается роль белков UCP-2 и UCP-3 (разобщающие белки 2 и 3). Данные, полученные у растений и животных, показывают, что эти молекулы обладают антиоксидантной активностью [7–9]. Однако только трийодтиронин (T3), по-видимому, регулирует UCP, в то время как тироксин (Т4) эффекта не оказывает [10, 11]. В теории это можно использовать при лечении «синдрома низкого Т3». Наоборот, эстрогены увеличивают продукцию АФК путем подавления UCP [12]. В исследованиях было показано, что гормоны щитовидной железы влияют на липидный обмен тканей крыс и, следовательно, на их восприимчивость к ОС. Однако были отмечены противоречивые эффекты от воздействия T3 и T4. Обнаружено, что в печени крыс индуцированный Т3-гипертиреоз связан с измененными индексами перекисного окисления липидов, включая повышенные уровни тиобарбитуровых активных веществ (TBARS) и липидных гидропероксидов, которые являются побочными продуктами перекисного окисления липидов [13–15]. Напротив, никаких изменений в увеличении количества TBARS не было обнаружено в гомогенизированной печени крыс, находившихся в состоянии гипертиреоза, за счет введения T4 в течение 4-недельного периода [16]. Никаких значительных изменений количества TBARS или гидропероксидов липидов не наблюдалось в яичках взрослых крыс в состоянии гипертиреоза; однако гипертиреоз способствовал протеиновому окислению в семенниках, о чем свидетельствует повышенное содержание связанных с белками карбонилов [17]. На системном уровне гипертиреоз связан с уменьшением концентрации циркулирующих α-токоферола [18, 19] и CoQ10 (кофермент Q10) [19, 20] у людей.
CoQ10 был заметно повышен при гипотиреозе и была показана корреляция его концентрации с тяжестью гипотиреоза [20]. Таким образом, он может быть чувствительным маркером заболеваний щитовидной железы в тех случаях, когда при различных состояниях интерпретация гормональных исследований подвергается сомнениям (при погрешностях взятия крови и лабораторных интерференциях).
С другой стороны, результаты исследований о связи гипотиреоза и ОС у людей противоречивы. Было предположено, что у пациентов с АИТ и гипотиреозом прооксидантная среда может играть определенную роль в развитии атеросклероза. Увеличение ОС можно объяснить не только снижением концентрации антиоксидантов, но и изменением метаболизма липидов, поскольку была обнаружена значительная зависимость между концентрацией MDA и ЛПНП, содержанием общего холестерина и триглицеридов. Общий антиоксидантный статус был схожим при манифестном гипотиреозе в исходе АИТ, субклиническом гипотиреозе и в группе контроля. Другие исследования также подтвердили увеличение MDA при перекисном окислении липидов как при манифестном гипотиреозе, так и в субклиническом гипотиреозе [21].
Данные по другим показателям более противоречивы. Что касается PON-1 (сывороточная параоксоназа/арилэстераза 1, также известная как A-эстераза), то снижение активности этого фермента наблюдалось как при гипотиреозе, так и при гипертиреозе [22], тогда как в других исследованиях [23] не было выявлено существенных различий в группах по отношению к группе контроля. Сообщалось не только о повышении концентрации TBARS, но и таких антиоксидантных субстанций, как СОД, каталаза и витамин E [24]. Все эти параметры коррелировали с концентрацией T3, и корреляция концентрации T3 и каталазой оставалась статистически значимой даже при коррекции значений на общий холестерин. Повышение TBARS было выявлено как при манифестном гипотиреозе, так и при субклиническом [23, 25], однако в других исследованиях эти результаты не были подтверждены [23, 26].
Остается дискуссионным вопрос: связан ли ОС с гипотиреозом как таковым или же он связан с изменением липидного спектра из-за дисфункции щитовидной железы? Например, Santi и соавт. описали ОС при субклиническом гипотиреозе (об этом свидетельствовали пониженная арилэстераза и повышенные TBARS и каталаза), но связали его с влиянием гиперхолестеринемии при нарушении функции ЩЖ [27].
В другом исследовании у пациентов с гипотиреозом в исходе АИТ был выявлен низкий антиоксидантный статус, а у пациентов с вторичным гипотиреозом – повышенная концентрация CoQ10 в плазме [28]. При вторичном гипотиреозе картина осложняется сопутствующими изменениями других зависимых от гипофиза тканей, которые могут оказывать противоположное влияние на содержание в плазме CoQ10. Например, акромегалия и гипокортицизм характеризуются низкими концентрациями в плазме CoQ10; однако при наличии сопутствующего гипотиреоза он выходит на первый план в изменении концентрации CoQ10 [29, 30].
Еще одно исследование, проведенное на пациентах с субклиническим гипотиреозом в исходе АИТ, не выявило различий в концентрации MDA у пациентов с гипотиреозом и в группе контроля; однако у пациентов с гипотиреозом была увеличена активность прооксидантного 2,2’-азобис-(2-амидинопропанового) гидрохлорида, который стимулирует MDA. По результатам исследования, увеличение MDA не отличалось у пациентов, с субклиническим гипотиреозом, по сравнению с группой контроля, тогда как оно значительно отличалось от контроля у пациентов с манифестным гипотиреозом [31]. Однако результаты исследования следует интерпретировать с осторожностью, поскольку при аутоиммунном тиреоидите присутствуют как местное, так и системное воспаление.
Новые перспективы в этой сфере касаются изучению таких видов НАДФ-оксидазы, как DUOX, DUOXA и NOX4. Описаны случаи гипотиреоза в результате мутации генов DUOX или DUOXA [31, 32].
Основные ферменты, составляющие Н2О2-генерирующую систему это DUOX1 и DUOX2 и факторы созревания DUOXA1 и DUOXA2 [33]. Дефекты этих ферментов приводят к изменению синтеза тиреоидных гормонов. В настоящее время описано 25 различных мутаций, приводящих к развитию врожденного гипотиреоза, и несколько мутаций, связанных с повышением активности ферментов, клиническая значимость которых пока не выяснена [34]. Работы также свидетельствуют о большой фенотипической изменчивости, зависящей не только от генетического фона, но и от факторов окружающей среды [35].
Двойная оксидаза (DUOX1 и DUOX2) принадлежит к семейству НАДФ-оксидаз (NOX), состоящих из пяти ферментов (NOx1-5) [36]. Эти трансмембранные белки ответственны за синтез реактивных форм кислорода. DUOX1 и DUOX2 являются единственными белками, генерирующими Н2О2 за пределами клеток. DUOX изоформы не связаны с цитозольными факторами активации, но они должны пройти процесс созревания, необходимый для приобретения активной конформации на апикальной поверхности тиреоцита. Только полностью гликозилированные формы DUOX транспортируются к плазматической мембране и генерируют Н2О2. Незрелые, частично гликозилированные остатки находятся в эндоплазматическом ретикуломе (ЭПР) и генерируют О2 [31]. Лишь сочетание DUOXs с соответствующими DUOXAs образует функциональный блок для правильного складывания DUOXs и выхода из ЭПР. После N-гликозилирования белков происходит выделение из ЭПР активированных DUOX ферментов. DUOXA гены локализованы вблизи соответствующих DUOX-генов на 15-й хромосоме и совместно экспрессируются. Регуляция экспрессии белков DUOXs отличается от других тиреоспецефических белков, таких как натрий-йодный симпортер, тиреоглобулин и тиреопероксидаза. мРНК DUOXs экспрессируется без стимулирующего влияния тиреотропного гормона [37].
Цитокины могут регулировать экспрессию DUOXs в щитовидной железе. Th1-преобладающие цитокины (IL-1α, IFN-γ) и Th3 цитокины (трансформирующий фактор роста-β, IL-10) снижают мРНК DUOX и экспрессию белка в тиреоцитах. Th2 цитокины, IL-4 снижают ингибирующие эффекты IL-1α, IFN-γ, IL-10. Таким образом, аутоиммунные заболевания щитовидной железы, такие как Th1 связанный тиреоидит Хашимото и Th2 связанная болезнь Грейвса, могут влиять на DUOX-опосредованный синтез Н2О2 [38].
При изучении влиянии йода на активность НАДФ-оксидазы показано, что он подавляет ее активность, оказывает влияние не только на цАМФ, но и на более дистальные цепи. Также отмечено, что йод не снижает экспрессию мРНК DUOX2, но уменьшает образование высокогликозилированной (активной формы) фермента. Этот эффект, возможно, защищает клетки от окислительного стресса в результате избыточной экспрессии и гиперактивности Н2О2 генерирующей системы. Работы, проведенные на животных моделях, показали, что аномалии в Н2О2-генерирующей системе могут приводить к различным заболеваниям щитовидной железы в ответ на избыточное поступление йодида (тиреоидит Хашимото, папиллярный рак) [39].
Отдельно необходимо отметить, что щитовидная железа сама по себе может быть повреждена ОС, что происходит в случае избытка йода. Исследования на данную тему проводились как in vitro, так и у животных, находящихся на диете, богатой йодом [40, 41]. Йод оказывает стимулирующее действие на образование перекиси водорода в щитовидной железе и индуцирует апоптоз клеток при его высокой концентрации [42].
Возможные пути коррекции оксидативного стресса
Изучение оксидативного стресса в норме и патологических состояниях необходимо для понимания патогенеза заболеваний и оценки эффективности лекарственных средств, участвующих в его регуляции. Витамин Е показал себя как вещество, способное защитить ткани от повреждения пероксильными радикалами не только путем сохранения полиненасыщенных жирных кислот в биологических мембранах, но также за счет снижения активности оксидазы НАДФН [13]. Витамин С оказывает положительное влияние как при гипо-, так и при гипертиреозе. В исследовании [43] пациентам с гипертиреозом и группе контроля дополнительно вводился витамин С. Было выявлено потенцирование антиоксидантного статуса и снижение ОС как в группе гипертиреоза, так и в группе контроля. В исследовании [44] пациентов с гипотиреозом в исходе АИТ было показано снижение концентрации MDA после добавления витамина С к терапии, что может иметь положительное влияние при лечении АИТ.
Основными молекулами защиты тиреоцита от разрушающего действия перекиси водорода являются селенопротеины. Они присутствуют в антиоксидантных ферментах, таких как GSH-Px (глутатионпероксидаза), тиоредоксин редуктаза, а также дейодозиназы и играют решающую роль в антиоксидантной защите щитовидной железы, в синтезе тиреоидных гормонов и сохранении структурной целостности тиреоцитов. В эксперименте было обнаружено, что снижение содержания селенопротеинов в клетках щитовидной железы мышей приводило к увеличению перекисного окисления липидов [45]. Щитовидная железа имеет исключительно высокое содержание селена даже во время его дефицита. По меньшей мере 11 селенопротеинов обеспечивают защиту железы против избытка H2O2 [46]. Однако в исследовании [47] добавление селена у пациентов с гипотиреозом в исходе АИТ не дало значимого снижения содержания MDA.
Заключение
Нам еще многое предстоит узнать о клеточных механизмах и взаимодействиях при аутоиммунных заболеваниях ЩЖ, прежде чем мы сможем окончательно понять патофизиологию этих заболеваний. По имеющимся литературным данным, можно утверждать, что в основе прогрессирования аутоиммунного воспаления немаловажная роль принадлежит ОС. Гормоны щитовидной железы могут иметь защитную роль, влияя на содержание антиоксидантов; с другой стороны, гипотиреоз может усиливать ОС. Исследование таких маркеров ОС, как MDA и продуктов перекисного окисления липидов, в перспективе может применяться для подтверждения диагноза и назначения адекватного лечения пациентам с аутоиммунными заболеваниями щитовидной железы [48]. Антиоксиданты могут играть положительную роль в коррекции метаболических нарушений при заболеваниях ЩЖ, однако необходимы дальнейшие исследования на данную тему.
Источник