четверг, 17 июля 2014 г.

Монооксид Углерода (угарный газ) в медицинских целях

Вот веду я свой блог уже как почти 4 месяца и пишу вещи которые мне интересны, новости, интересные факты и т.д. Но почему-то ещё ни разу не писал о том чем я занимаюсь :).

И как-то недавно один мой друг спросил у меня: "А почему ты не пишешь то чем ты занимаешься?".
Я ему ответил: "Да кому это интересно?" и в мыслях махнул рукой.
Но со мной часто так бывает, кто-то вот так бросит мне идею, вроде бы ничего особенного, и я тоже в первой реакции отвергаю её, считая что эта идея не то, не интересно, и никому не нужно. Но странно мой мозг хоть и отверг эту самую идею в начале но продолжает думать, пережёвывать её....иногда что-то получается, чаще всего так и остаётся в моих мыслях. Вот так и с этим постом, Саша спросил где-то 2 месяца тому назад и только вот в эти дни я наконец сформулировал о чём мне писать и как, другими словами "отчеканил" идею :).

Общие понятия и немного истории:
В википедии монооксид углерода (СО) определяется как бесцветный ядовитый газ. Причина отнесения монооксида углерода к числу ядовитых наверное многим известна. СО имеет свойство связываться с гемоглобином вместо кислорода образуя тем самым карбоксигемоглобин, что приводит к дефициту кислорода и соответственно удушению.
Аффиность СО к гемоглобину в 210-250 раз выше чем аффиность кислорода.
В начале 1950х годов, доктор Sjostrand впервые экспериментально показал и доказал что СО существует в нашем теле. В частности, он наблюдал что при расщеплении гемоглобина происходит образование СО. В дальнейшем другие исследователи подтвердили эндогенное образование монооксида углерода. Так например в 1965 г, док. Coburn и коллеги обнаружили значительное увеличение концентрации СО в организме во время гемолиза (лизис эритроцитов). В итоге был вычислен средний уровень продукции СО в организме человека (в нормальном состоянии) это около 16.4 микроМоль/час.

Источники:
Основным источником СО в организме млекопитающих является гем. Под воздействием перекиси водорода или аскорбиновой кислоты метиленовые мосты гема разрушаются выделяя СО. Но главный процесс выделения СО происходит благодаря метаболическому распаду гема. В этой реакции участвуют ферменты (протеины) которые катализируют распад гема на биливердин, ионы железа (Fe2+ сразу же связывается с ферритином, протеин кот. инактивизирует ионы железа)  и СО (рисунок 1). Ферменты которые участвуют в этом процессе называют Гем Оксигеназа (heme oxygenase, HO). Существуют 3 типа гем оксигеназ, 1-ый, 2-ой и 3-й тип HO-1, HO-2 и  HO-3 соответственно. HO-3 продуцируется только в крысах поэтому, о нём я рассказывать не буду. HO-2 постоянно экспрессируется в небольших количествах практически во всех типах клеток. В отличие от HO-2, HO-1 имеет индукционный характер, другими словами если клетка находится в нормальном состоянии то HO-1 практически не экспрессируется но если на клетку воздействуют внешние или внутренние раздражители то HO-1 экспрессия быстро возрастает в зависимости от силы стресса и продолжительности воздействия. 
Pисунок1: Распад гема.

Дефицит гем оксигеназы:
Первый клинический случай дефицита гем оксигеназы-1 (HO-1) был задокументирован в 1999 году. Этот пациент скончался в возрасте 6 лет. В ходе наблюдения у этого пациента
наблюдалось  замедленность роста, анемия, тромбоцитоз, лейкоцитоз, повышенный уровень ферритина и гема в плазме.
Первые HO-1 нокаут мыши были выведены в 1997 году. У нокаут мышей наблюдалось гепатоспленомегалия, лейкоцитоз, лимфаденопатия и летальность в раннем возрасте. НО-1 дефицитные мыши были более подвержены различным клеточно-оксидативным стрессам (инфекция, воспаление, аллергены, карциногены и т.д.) что наводило исследователей на то что НО-1/СО система может играть важную роль в регуляции молекулярных процессов в клетке во время стресса.

Рисунок 2: Молекулярный механизм СО.
Потенциальный терапевтический эффект HO-1/CO  системы:
Изначально монооксид углерода был задокументирован как нейротрансмитер и сосудорасширяющий агент. Эти два свойства были как бы логическим последствием исследовании другого газа 2-х валентного оксида азота (NO) т.к. СО по своим физиологическим  характеристикам похож на NO.
В дальнейшем в следствии открытия HO-1 гена и выведения нокаут мышей, новые свойства HO-1 и соответственно СО были расширенны значительно. Общие свойства СО описаны на рисунке 2, в целом они сводятся к тому что СО в малых дозах (до 500 ppm) обладает терапевтическим эффектом в различных экспериментальных моделях такие как сепсис, атеросклероз, инфаркт миокарда, гипертония, астма, трансплантация почек, лёгких и печени, язвенный колит, хроническая обструктивная болезнь лёгких (ХОБЛ), диабет 1-го и 2-го типа и другие заболевания. Механизм действия до конца не изучен, скорее всего СО активизирует различные внутриклеточные сигнальные пути которые активизируют анти-воспалительные, цитопротективные гены которые и защищают ткань от повреждения (Рисунок 2). Но опять таки я лично считаю что эта картина  достаточно поверхностная. Так например, недавно было показано что СО может изменить баланс липидных медиаторов в сторону про-резолюционных медиаторов воспаления во время острой воспалительной реакции. Также имеются свидетельства что СО может генерировать митохондриальный ROS, но амплитуда продукции ROS достаточно низкая и тем самым не наносит вред клетке но как бы подготавливает клетку к более высоким дозам ROS и тем самым защищая клетку от оксидативного стресса, другими словами выведение толерантности.
По сравнению с воспалительными процессами где защитная роль СО достаточно точно определена, в области онкологии до сих пор нет определённости. Так например, многочисленные публикации док. Dulak утверждают что HO-1/CO  система вовлечена в прогрессе ангиогенеза (образование новых кровеносных сосудов), тем самым метастазирование раковых клеток. Также исходя из того что HO-1 является цитопротективным геном то следовательно экспрессия HO-1 ведёт к резистентности раковых клеток к лучевой терапии. С другой стороны, недавние исследования говорят об обратном, так например было показано что инкубирование раковых клеток молочной железы с СО наоборот уменьшает миграционный потенциал этих клеток по сравнению с не леченными рaковыми клетками тем самым делая упор что СО может ингибировать метастазирование рака. Также было задокументирована анти-карциногенная активность HO-1 при экспериментальном карциногенезе лёгких. Скорее всего эти различия исходят из того что исследователи используют различные клеточные культуры, in vivo модели и т.д. Например, молекулярные процессы карциногенеза и пролиферации раковых клеток сильно отличаются, и я не исключаю что одна и таже молекула или протеин может нести различные функции в этих двух процессах.

Методы доставки:
Я бы выделил 4 метода доставки СО это, принятие препаратов индуцирующие HO-1, генная доставка HO-1, вдыхание CO и введение СО-освобождающие молекул.

1) Существуют множество агентов которые могут индуцировать HO-1 и соответственно уровень СО в клетках и животных. В основном к ним относятся гем (протопорфирин) подобные молекулы такие как Гемин, и кобальт протопорфирин. Но использование этих молекул в клинике достаточно мало перспективны т.к. гем это токсичная молекула поэтому и существует достаточно хорошо отлаженный механизм утилизации гема благодаря гем оксигеназ. Также существуют множество алкалоидов, фенолов экстрагированных из трав традиционной медицины которые также могут индуцировать HO-1 в различных видах клеток. Например, во время своей учёбы в Южной Корее, я занимался изучением целого ряда изохинолиновых алкалоидов экстрагированных из растении которые использовались в китайской и корейской древней медицине. Несколько публикаций, с моим первым авторством, демонстрируют противо-воспалительные свойства этих алкалоидов благодаря индукции HO-1. Но опять таки специфичность этих агентов неясна.

2) Генная доставка HO-1 также вызывает достаточную долю скептицизма. В своё время, я уже писал о генной терапии и о её достоинствах и недостатках. Тем не менее пре-клинические исследования показали также достаточно высокий терапевтический потенциал этого метода. Например, ретро-вирусная доставка гена кодирующий гем оксигеназу-1 улучшала сердечную деятельность и уменьшала поражённую область сердца во время экспериментальной модели инфаркта миокарда у крыс.

3) Вдыхание монооксида углерода на мой взгляд один из самых перспективных и клинически возможных методов доставки (вернее уже ведутся клинические исследования вдыхаемого СО). Из-за того что CO изначально был известен как ядовитый газ, первые исследования в области изучения СО как терапевтический агент подвергались жёсткой критике и скептицизму. Для этого первые исследования были в основном нацелены на то чтобы показать чтo в малых дозах СО не токсичен. Одним из пионеров исследовании СО был док. Цой (не это не я :), это Августин Цой сейчас профессор и декан факультета медицины в Корнельском университете, к моей большой удаче я его знаю лично и сейчас наши лаборатории тесно сотрудничают) и в далёком 2000 году он показал что инкубация животных при малой дозе СО (500 ppm) в течении аж целых 2 года, не вызывает никаких нарушении в физиологии животных.

Рисунок 3: Водорастворимый CORM.
4) СО-освобождающие молекулы также достаточно интересный и перспективный метод доставки на мой взгляд, в медицинских журналах они именуются как Carbon Monoxide Releasing Molecules (CORMs). Изобретателем этих молекул является док.Моттерлини. Впервые эти молекулы были описаны в 2002 году, в целом терапевтические эффекты воздействия такие же как и у вдыхаемого СО. Плюс, этих молекул в том что благодаря им можно точно измерять концентрацию введённого СО по сравнению с вдыхаемым СО, также есть возможность доставки СО исключительно в поражённую область ткани.

Будущее и заключение:
Исследования в области HO-1 и CO ведутся уже более 10 лет. Сейчас исследования в этой области пытаются сделать следующий виток. Так например, в нашем госпитале (Brigham & Women's Hospital) проводились клинические исследования эффекта СО на пациентах страдающие идиопатическим легочным фиброзом . Это 4-х летнее исследование уже закончилось, результаты анализируются и пока публикации по этому исследованию нет. Также сейчас наша лаборатория совместно с другими исследовательскими институтами готовят платформу для тестирования СО на пациентах страдающие сепсисом.
В целом можно заключить что HO-1/CO система играет важную роль в защите организма от различных видов стресса, в первую очередь от оксидативного стресса. Но в основном эти выводы сделаны на основе данных полученных из экспериментов на животных и клеточных культур. Будет ли СО применяться в клинике? конечно так и остаётся большим вопросом на который надеюсь мы скоро найдём ответ.  

Литература:
Cell. 2014 Jul 3;158(1):25-40.
Nat Med. 2011 Dec 18;18(1):120-7.
Acta Physiol Scand 1950 22:137–141.
Acta Physiol Scand 1952 26:338.
Circ Res. 2002 Feb 8;90(2):E17-2
Pharmacol Rev. 2005 Dec;57(4):585-630
Physiol Rev. 2006 Apr;86(2):583-650
Antioxid Redox Signal. 2002 Aug;4(4):625-32
Br J Pharmacol. 2013 Mar;168(6):1485-96
J Ethnopharmacol. 2011 Oct 11;137(3):1311-7
Mol Pharmacol. 2009 Jul;76(1):173-82
Cell Signal. 2008 Oct;20(10):1839-47
J Pharmacol Exp Ther. 2007 May;321(2):656-62.

Комментариев нет:

Отправка комментария