Ваш город: Москва
Выбрать другой город
  • Зарегистрироваться

Хондроитинсульфаты и их роль в обмене хондроцитов хрящевой ткани

Стоматологические статьи
  • 21 января 2009
  • 2961
Хирургическая стоматология
Теория

Хондроитинсульфаты (ХС) вместе с кератан-, дерматан -, гепарансульфатами и гепари­ном относятся к группе соединений, которые имеют общее название - сульфатированные гликозаминогликаны (ГАГ). Химический состав ГАГ, найденных в соединительной ткани (СТ) позвоночных, представлен в табл. 1.

Эти соеди­нения представляют из себя линейные полимеры, состоящие из последовательно соединенных дисахаридных единиц, каждая из которых содер­жит гексозамин и уроновую кислоту или галак­тозу. Физико-химические свойства одних и тех же типов гликозаминогликанов, выделенных из разных типов СТ позвоночных, могут различать­ся между собой главным образом за счет степе­ни и места сульфатирования данных соединений [3, 7, 37]. Классическим примером являются хондроитин-4 (ХС-4) и хондроитин-6 (ХС-6) суль­фаты. Это изомеры, отличающиеся только ло­кализацией в их молекуле сульфатной группы: у ХС-4 она присоединена к 4-му атому углерода в молекуле галактозамина, а у ХС-6, соответствен­но, к 6-му атому. Сами ХС-4 и ХС-6 также мо­гут быть гетерогенны по структуре. Внутри их цепей часто присутствуют дисахаридные субъе­диницы, в которых сульфатная группа либо от­сутствует совсем, либо занимает несвойственное для данного ГАГ положение при 2, 4 или 6 ато­мах углерода; молекула дисахарида может быть гиперсульфатирована сразу в двух или трех по­ложениях [27].

Эта биохимическая вариабель­ность строения позволяет данным молекулам иметь различную молекулярную массу и плот­ность заряда на своей поверхности. Именно эти характеристики и определяют многочисленные свойства данных ХС.

Таблица 1. Гликозаминогликаны и их распеделение в тканях позвоночных

Тип, локализация Состав дисахаридной единицы
1 Гиалуроновая кислота

Стекловидное тело, синовия,
кожа, хрящ, кости, рыхлая СТ

Д -глюкуроновая кислота-Д-глюкозамин (dGlcUA)-(dGlcNAc)
2 Хондроитин
Роговица, аорта, хрящ, кожа, кости, склера
d-GlcUA - Д-галактозамин d-GalNAc
3 Хондроитин -4 - сульфат
Хрящ, кожа, сухожилия
d-GlcUA - d-GalNAc
4 Хондроитин-6 - сульфат
Хрящ, кожа, сухожилия
d-GlcUA - d-GalNAc
5 Гепарин
Кожа, легкие, печень, сосуды
Л-Идуроновая кислота -d-GalNAc (1-IdUA) или d-GlcUA-d-GalNAc
6 Гепарансульфат
Легкие, аорта
d-GlcUA - d-GlcNAc или 1-IdUA - d-GlcNAc
7 Кератансульфат I
Роговица
Галактоза (Сal) - d-GlcNAc
8 Кератансульфат II
Хрящ
Сal - d-GlcNAc
9 Дерматансульфат
Кожа, сухожилия, склера, роговица, сердечные клапаны
1-IdUA - d-GlcNAc или 1-IdUA - d-GalNAc

В матриксе хряща гликозаминогликаны всегда соединены с белком и входят в состав протеогликанов. Мономер протеогликана хряща [4, 23] состоит из 50-60 цепей кератансульфата и 100 цепей ХС, которые коваленгно связаны со стержневым белком. Мономеры протеогликана (табл. 2) несут большой отрицательный заряд и являются основными блоками для построения как минимум двух видов белково-полисахаридных комплексов хрящевого матрикса. Во-первых, они формиру­ют агрегаты с гиалуроновой кислотой, когда 100-140 прогеогликановых мономеров соединены с длинной цепью гиалуроновой кислоты. Это по ­истине гигантская молекула, напоминающая по строению ерш для мытья посуды и имеющая мо­лекулярный вес до 400 х 106 дальтон [23]. Во-вто­рых, мономеры протеогликана при ассоциации их С-концевых участков могут образовывать димеры, которые в свою очередь взаимо­действуют N-концевыми участками с молекула­ми гликопротеина и формируют агрегаты первого порядка. Далее образуются агрегаты более высокого порядка, в которых димеры одновре­менно соединены с двумя и более молекулами связующего белка [2].

Таблица 2.    Состав мономера протеогликана хряща. (по T. Hardmgham, 1981) - молекулярный вес 1.0 до 4.0 x 106 дальтон 
Композиция Кол-во цепей Мол. вес % от общего веса
Белок 1 2.0-3.0x105 7-12
Хондроитинсульфат 100 20000 80-85
Кератансульфат 50 5500 7
Олигосахара 50 5500 1-3
Заряженные группы
Сульфатная
- 4500 на молекулу -
Карбоксильная - 4200 на молекулу -
Всего: - 8700 на молекулу -

В обоих случаях боковые цепи протеогли­канов, состоящие из гликозаминогликанов, переплетаются с во­локнами коллагена и создают плотную трехмер­ную сетку, которая обеспечивает как избиратель­ный проход через неё различных макромолекул, так и прочную пространственную стуктуру. За счет своей высокой гидрофильности цепи гликозаминогликанов сорбируют воду, и внутри хрящевого матрикса формируется герметизированная система, из которой при нагрузке на поверхности хряща выделяется жидкость, формирующая защитную пленку и обеспечивающая почти идеальное скольжение в суставе.

Возрастные изменения концентрации и качественного состава гликозаминогликанов в разных видах хря­щевой ткани изучены достаточно хорошо. У по­звоночных характерной особеннос­тью качественно­го состава ГАГ во всех изученных видах хряща на ранних стадиях его развития явля­ется отсутствие ке­ратансульфата [7, 13, 15,34]. У чело­века появление ке­ратансульфата в хряще черепа, гру­дины и ребер от­мечено только после 8 недель внутриутробного развития [34]. В эмбриональ­ном хряще ГАГ представлены главным образом ХС-4 и ХС-6, а также гепарансульфатом [11, 13, 39, 50]. В процессе эмбрионального развития ко­личество гепарансульфата в хрящевой ткани падает, а кератансульфата нарастает. Содержа­ние хондроитинсульфатов также нарастает на ранних этапах эмб­риогенеза, причем с явным преобладанием ХС-4 над ХС-6 [34]. Степень сульфатирования ГАГ также увеличивается по мере эмбрионального развития [30, 36, 46]. Начиная с постнатального периода в хрящевой ткани суммарное количе­ство ГАГ с возрастом постепенно снижается, но при этом удельное содержание кератансульфа­та продолжает нарастать. Отношение ХС-4 и ХС-6 достигает максимума в раннем постнатальном периоде, а затем начинает снижаться за счет увеличения доли ХС-6 [30, 50]. Таким образом, в молодом хряще концентрация ХС-4 всегда выше, чем ХС-6, а кератансульфат в нем либо отсутст­вует, либо его содержание крайне мало.

В процессе дифференцировки и развития хряща обмен гликозаминогликанов в нем также меняется как в качественном, так и количественном отношении. Известно, что к 20 годам жизни человека обмен ГАГ снижается почти в 6 раз по сравнению с новорожденными [40]. Качественный состав гликозаминогликанов мочи претерпевает характерные изменения, которые хорошо согласуются с возрастным пере­распределением синтеза изоформ ХС [37]. Так, у 5-летних детей ХС-4 и ХС-6 составляют соответ­ственно 60% и 30% от общего содержания ГАГ в моче, а в 20-летнем возрасте их соотношение становится практически одинаковым [42]. В по­жилом возрасте экскреция с мочой гликозаминогликанов снижа­ется, но при этом возрастает пропорция выделя­емого ХС-6. Необходимо отметить, что суще­ствует четкое соответствие между интен­сивностью обмена ГАГ и коллагена. В обоих случаях максимальная интенсивность их мета­болизма наблюдается в начале онтогенеза, в пе­риод формирования тканевых структур, после чего интенсивность обмена существенно снижа­ется [3, 15]. При этом, судя по экскреции ГАГ с мочой, уровень их общего обмена достигает максимума раньше, чем уровень обмена колла­гена [40]. Аналогичная ситуация имеет место и во взрослом организме, когда идут процессы регенерации СТ. В ране быстрый рост уровня гексозамина наблюдается на ранних стадиях её заживления [8]. Так, в нормальной коже содер­жание гексозамина составляет 450 мг/100 г су­хой ткани, в 3-дневной ране - 956, в 6-дневной -790, 9-ти - 505, в 12-дневной -475 и в 15-дневной - 466 мг. Белково - полисахаридные комплексы, содержащие ГАГ, формируются на 5-6 день в продуктивную фазу роста, тогда как появление первых коллагеновых волокон отмечается толь­ко в конце этой фазы. Следовательно, синтез гликозаминогликанов и протеогликанов всегда предшествует син­тезу коллагена и образованию рубцовой СТ и, скорее всего, они и определяют её тип.

ХС участвуют в формировании и самих коллагеновых волокон. При этом микрофибрил­лы коллагена сначала связываются олигосахарами гликопротеинов, создаются укрупненные фибриллы, которые затем с помощью цепей ГАГ, входящих в состав протеогликанов, объе­диняются в волокна различной толщины [3, 7]. Этот процесс идет внеклеточно, и самосборка коллагеновых волокон генетически детер­минирована [6]. Необходимо отметить, что ука­занные свойства цепей гликозаминогликанов реализуются и тог­да, когда они представлены в свободном виде. Доказательством этого являются эксперимен­тальные данные, полученные нами в системе in vitro. Так, при смешивании растворов тропоколлагена и ХС происходит практически момен­тальная реакция, заканчивающаяся формиро­ванием непрозрачных преципитатов. После вы­сушивания таких образцов можно видеть, что тропоколлаген в отсутствии гликозаминогликанов представляет из себя гомогенную массу (фото 1, а), тогда как в присутствии хондроитинсульфатов имеет четкую исчерченность, характерную для колла­геновых волокон (фото 1, б). Это свойство ХС, по-видимому, очень важно при репарации лю­бой соединительной ткани, так как препятствует быстрому разруше­нию в ней коллагенового каркаса и обеспечива­ет, хотя и временное, но формирование матрикса из частично деградированного коллагена, который, как правило, менее устойчив к биора­спаду. Создание временного матрикса имеет важное значение еще и потому, что позволяет приостановить формирование грубого рубца и обеспечить впоследствии более быстрое его за­мещение на обычную для данного органа соединительную ткань. Это было подтверждено нами при использовании сульфатированных гликозаминогликанов, в состав которых входил ХС-4, для формирования "мягкой" рубцовой ткани при заживлении роговицы глаза после хирургической коррекции миопии.

Фото 1. Ультраструктура преципитатов тропоколлагена.

                               

                                            а)                                                                                       б)

а) в отсутствии сульфатированных гликозаминогликанов.

б) в присутствии 100 мкг/мл хондроитинсульфата. Ув. 100000

Кроме того, обнаружено [51], что сами ХС и их соединения с жирными кислотами, например фосфатидилэтаноламин-ХС, способны маскировать возникшую эрозию хряща и подавлять разрастание паннуса. По-видимому, сульфатированные гликозаминогликаны способны частично препятствовать и врастанию сосудов в хрящевой матрикс.

Процесс формирования соединительной ткани связан с синтезом её компонентов de novo. Так как биосинтез протеогликанов практически всегда предшествует синтезу коллагена, то при введении до­полнительных количеств сульфатированных ГАГ они на ранних этапах восстановления соединительной ткани способны (по принципу обратной связи) суще­ственно освободить клетку от нагрузки по про­изводству протеогликанов. Последнее позволяет клетке сразу приступить к биосинтезу коллагена и других компонентов матрикса, и сам процесс репарации естественно ускоряется. Это подтверждают результаты ряда исследователей после нанесения им полнослойной кожной раны [14, 17, 19] и наши данные по изучению влияния гликозаминогликанов на процессы заживления трофических язв и скорость течения процесса. При внутривенном введении 1 мг/мл или 2 мг/мл препарата сульфатированных ГАГ крысам на 1, 3, 5 и 7 дни после нанесения им полнослойной кожной раны бало отмечено ускорени закрытия таких ран (табл. 3). Можно предполагать, что и в хрящевой ткани эти свойства ХС будут реализовываться подобным образом.

Таблица 3. Влияние препарата сульфатированных ГАГ (сГАГ) на заживление полнослойной раны у крыс

 

Известно, что метаболизм протеогликанов и ГАГ изменяется уже на самых ранних этапах повреждения суставного хряща [4, 7, 24, 38]. Разрушение белково-полисахаридных комплексов резко изменяет свойства хрящевой ткани, дела­ет её неустойчивой к нагрузкам и приводит к дальнейшей деградации коллагенового каркаса [22, 44]. Подобные изменения происходят и при старении [3, 25].

Как уже упоминалось, в норме цепи ГАГ свободном виде практически отсутствуют, но при патологических состояниях, когда идет разрушение белково-полисахаридных комплексов, они появляются и способны проявлять свои до­полнительные уникальные свойства.

Одним из них является способность хондроитинсульфатов влиять на пролиферацию и обмен хондроцитов. Правда, имеющиеся в литературе данные ино­гда противоречивы, но значительно чаще иссле­дователи выявили достоверное влияние этих ве­ществ на основные показатели обмена клеток. Было показано, что ХС и сульфатированный глюкозамин [27, 48], а также полусинтетические гиперсульфатированные полисахариды, способны стимулировать биосинтез как коллагена, так и протеогликанов в хрящевой ткани. В наших собственных исследованиях при изучении влияния препарата ГАГ, содержащего ХС-4 и кератансульфат, на культуру хондроцитов человека было установлено, что характер его действия различен и зависит от концентрации. При высоком содержании гликозаминогликанов в культуральной среде (150-200 мкг/мл) было отмечено достовер­ное подавление размножения хондроцитов, но при этом продукция протеогликанов и коллагена возрастала (табл. 4). В низких концентрациях (менее 10 мкг/мл) этот препарат достоверно(на 20-30%) повышал размножение хондроцитов, но не влиял на показатели обмена этих клеток. Данный эффект на клетки хряща может быть следствием как непосредственного действия хондроитинсульфатов через построение определенного типа матрикса или встраивания их в клеточную мембрану, так и в результате метаболизации цепей гликозаминогликанов и утилизации промежуточных метаболитов. Такими соединениями являются гексозамины, сахара и сульфаты. Для всех этих соединений известно, что они могут стимулировать и рост, и обмен хрящевой ткани [18]. Существует достаточное количество работ о влиянии сульфатированного глюикозамина на пролиферацию и обмен хонд-роцитов [27, 49]. Нет необходимости говорить о роли Сахаров потому, что они используются клеткой во многих обменных реакциях. Что же касается сульфата, то даже при незначительном его снижении в биологических жидкостях (с 0,3 mМ до 0,2mМ) наблюдается резкое, более чем на одну треть, снижение продукции протеогликанов в хрящевой ткани человека [32, 33].

Таблица 4. Влияние гликозаминогликанов на обмен хондроцитов человека в культуре ткани

*различия по сравнению с контролем достоверны (р

Было установлено [12, 29], что ХС способ­ны подавлять синтез липидов. При введении ХС внутривенно, подкожно или перорально у экс­периментальных животных отмечалось значи­тельное снижение уровня сывороточных липи­дов. Эти наблюдения легли в основу примене­ния ХС в качестве препаратов для предотвраще­ния и лечения артеросклероза. Положительное влияние ГАГ на сосудистую систему было от­мечено и в наших исследованиях, проведенных у больных системной склеродермией. Оценка состояния микроциркуляции методами лазер-Допплер флуометрии и клиренса 133Хе, проведен нами совместно с проф. Э.С.Мач, показала (табл. 5), что препараты ГАГ, содержащие ХС-4 и кератансульфат, при локальном их применении достоверно по сравнению с контролем по­вышали кровоток в предплечье и в кончике паль­ца. Улучшение происходило как за счет умень­шения вазоспазма сосудов, так и вследствии антифиброзного действия данных соединений. Можно предположить, что ХС способны также улучшать кровоток в синовиальной ткани и в субхондральной зоне кости, приводя к стабили­зации показателей обмена хряща.

Таблица 5. Влияние препаратов, содержащих сульфатировапные ГАГ, на состояние микроциркуляции у больных системной склеродермией

Примечания: величины представлены в % от общего количества обследованных больных, в скобках указано число больных в каждой группе.

* 1. Капиллярный кровоток исследовался методом клиренса 133Хе из внутрикоженого депо.
* 2. В качестве контроля использовался местно изотонический раствор натрия хлорида.
* 3. Вазоспазм (% уменьшения кровотока во время пробы Вальсальвы) исследовался методом лазер-
Допплерфлуометрии
* 4. Вазодилатационный потенциал методом лазер-Допплер флуометрии оценивался по изменению
(в %) кровотока после 3-минутного местного воздействия источником тепла при t 42 С. 

Недавно было обнаружено [16], что ХС в системе in vitro подавляют апоптоз, вызванный закисью азота. Предобработка хондроцигов кро­лика смесью ХС в концентрации 100 мкг/мл в 70% случаев снижала количество гибнущих клеток в среднем на 28%. Этот эффект пропорционально зависел от времени воздействия закиси азота.

Одним из наиболее известных и важных свойств сульфатированных гликозаминогликанов является их способность подавлять активность ферментов, при­нимающих участие в разрушении межклеточного матрикса соединительной ткани. Они способны подавлять активность гиалуронидазы и эластазы гранулоцитов [9, 10], кислых катепсинов [31], коллагеназы [20], лизосомальных гидролаз, сериновых протеиназ [14] и ряда других ферментов [21, 45]. Подобными свойствами обладает и сульфатированный гликозамин [48]. По нашим собственным наблю­дениям препараты ГАГ in vitro в концентрации 100 мкг/мл полностью подавляли активность 0,1% раствора пепсина, что прямо доказывает их способность снижать деятельность кислых протеиназ, которая резко повышена в условиях воспаления.

Кроме того, сульфатированные гликозаминогликаны спо­собны частично блокировать действие свобод­ных кислородных радикалов. В эксперименте на культуре хондроцитов человека мы показали,что смесь ХС-4 и кератансульфата, а также артепарон и румалон в концентрациях от 100 до 200 мкг/мл на 30-40% подавляют синергическое действие коллагеназы и свободных кислородных радикалов [5]. Близкие результаты были недавно получены и другими исследователями, которые показали, что ХС обладают защитным действием в отношении влияния кислородных радика­лов на клеточные мембраны хондроцитов [47].

Противовоспалительный эффект гликозаминогликанов свя­зан, по-видимому, не только с их влиянием на активность ферментов и подавление перекисного окисления липидов. Общеизвестно, что эти полианионные соединения очень хорошо связы­вают различные молекулы. Цепи ГАГ могут менять конформацию молекул (например, ферментов, факторов роста и других цитокинов) и таким образом снижать их биологическую ак­тивность. ГАГ также способны блокировать антигенные детерминанты, препятствуя развитию иммунных и аутоиммунных процессов [28]. Было показано [49], что ХС и сульфатированный гликозамин обладают определенным противоотечным действием, хотя не способны предотвратить отек, уже иницированный такими медиаторами воспаления как брадикинин, серотонин или гистамин. Противоотечное действие сульфатированных ГАГ, по-видимому, осуще­ствляется за счет двух механизмов. Во-первых, гликозаминогликаны забирают на себя воду и тем самым изымают её из ткани. Во-вторых, ГАГ способны пре­рывать на начальных этапах афферентное зве­но воспаления, осуществляемое макрофагами. ХС, связывая полностью или частично продукты распада и, возможно, часть медиаторов, блокируют хемотаксис и таким образом лишают макрофаги возможности появляться в очаге вос­паления, распознавать антигены и высвобождать соответствующие медиаторы. К такому заклю­чению мы пришли в результате изучения гисто­логических препаратов, отражающих динамику формирования рубца роговицы у эксперимен­тальных животных. В случае местного применения гликозаминогликанов в постоперационный период в зоне формирования рубца отмечалось практически полное отсутствие макрофагов и отека рогови­цы. Позднее влияние ХС и их частично деполимеризованных производных на макрофаги было доказано в специальных исследованиях [47]. Так, ХС подавляли направленный хемотаксис лейкоцитов человека, индуцированный зимозан-акти-вированной сывороткой, снижали фагоцитоз и высвобождение лизоцима. Сравнение с нестеро­идными противовоспалительными препаратами показало, что ХС были более эффективны во вре­мя клеточной фазы воспаления, чем на стадии отека. Однако, по данным Omata Т. и соавт. [43], ХС при скармливании крысам способны подав­лять потерю протеогликанов хряща в ответ на введение брадикинина. Кроме того, показано, что предварительное введение животным протеогликанов, богатых ХС, предотвращает разви­тие артрита, индуцированного микобактерией туберкулеза [28].

К сожалению, многие механизмы действия ГАГ и ХС пока изучены недостаточно, но уже сейчас можно с уверенностью утверждать (схе­ма 1), что ГАГ в целом и ХС в частности оказы­вают влияние на многие показатели обмена соединительнотканного матрикса.

                         

К настоящему времени на фармацевтиче­ском рынке имеется ряд препаратов, содержащих различные гликозаминогликаны и их аналоги. Наиболее из­вестными из них являются "Структум" и "Хондросульф". Эти препараты состоят из смеси нативных ХС-4 и ХС-6 в отношении, близком к таковому в хряще взрослых здоровых людей. За последние несколько лет опубликован ряд работ [1, 17, 18, 35], показывающих, что эти препараты, а также сульфатированный гликозамин [27] эффективны при остеоартрозе и других дегенеративных заболеваниях суставов. Положитель­ным качеством сульфатированных ГАГ являет­ся практически полное отсутствие побочного действия на желудочно-кишечный тракт, почки, свертывающую систему крови и гомеостаз в целом. Можно предположить, что эти препараты окажутся перспективыми для применения не только в ревматологии, но и в других областях медицины.

 Статья предоставлена ООО "Конектбиофарм" bioimplantat.ru

Регулярно читаете статьи по специальности? Подпишитесь на нашу рассылку.

No comments yet