УДК 612.821

РОЛЬ ЭНДОТОКСИНА ГРАМОТРИЦАТЕЛЬНЫХ БАКТЕРИЙ КИШЕЧНИКА В ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ И ПАТОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЯВЛЕНИЯХ СТРЕССА

Опарина Ольга Николаевна
Пензенский государственный университет
доктор биологических наук, профессор кафедры «Теоретические основы физического воспитания»

Аннотация
В статье показано, что последствия взаимодействия эндотоксина с клетками макроорганизма обусловлены, в первую очередь, его концентрацией в общей гемоциркуляции. Эндотоксин может быть новым, относительно простым показателем оценки функциональных резервов организма человека при действии стрессовых (в том числе физических) нагрузок и уровня здоровья в целом.

Ключевые слова: адаптация, кишечная микрофлора, Стресс, эндотоксин, эндотоксиновая агрессия


THE ROLE PLAYED BY THE ENDOTOXIN RELEASED BY GRAM-NEGATIVE INTESTINAL BACTERIA IN PHYSIOLOGICAL AND PATHOLOGICAL MANIFESTATIONS OF STRESS

Oparina Olga Nikolaevna
Penza State University
D.Sc. (Biology), Professor, the Chair of Theory of Physical Education

Abstract
The study suggests that the interactive effects between the endotoxin and the macroorganism cells are conditioned, primarily, by the endotoxin concentration in the general hemocirculation. Therefore, the endotoxin may be considered as a new and a relatively simple parameter for evaluating both human functional reserves under stress loads (including those during exercise) and the general standard of health.

Keywords: adaptation, endotoxic aggression, endotoxin, intestinal bacteria, stress


Рубрика: 03.00.00 БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Опарина О.Н. Роль эндотоксина грамотрицательных бактерий кишечника в физиологических и патологических проявлениях стресса // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 5. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/05/32845 (дата обращения: 29.09.2017).

Адаптация организма к постоянно изменяющимся условиям среды (внешним и внутренним) – безостановочно происходящий процесс приспособления организма к данным изменениям, призванный сохранять в нем гомеостатическое равновесие. Физиологический смысл адаптации заключается именно в поддержании показателей гомеостаза и, соответственно, жизнеспособности организма практически в любых условиях, на которые он в состоянии адекватно реагировать [1, с. 32-37].

В настоящее время известно, что усиленная мышечная деятельность оказывает влияние на структурную организацию всех органов и систем организма человека и экспериментальных животных. Именно на основе изучения структурного следа адаптации к физическим нагрузкам и сложились в основном общие фундаментальные представления о структурных основах гомеостаза, роли внутриклеточных механизмов в процессах компенсации и приспособления [2, с. 23-27]. Адаптация к физическим нагрузкам включает в себя полезные реакции, связанные с перестройкой регуляторных механизмов; мобилизацией и использованием функциональных резервов; созданием специальной функциональной системы адаптации. По мере роста адаптированности организма увеличивается взаимодействие этих систем, их интеграция.  Основополагающим элементом адаптации организма к действию чрезвычайного по силе раздражителя (в т.ч. интенсивной физической нагрузке) является реакция напряжения гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы [3]. Именно эта система призвана приводить все системы организма к адекватному режиму функционирования. По мнению М. Ю. Яковлева, именно эта система ответственна за регуляцию концентрации кишечного липополисахарида (ЛПС) в общем кровотоке, так как она ответственна за объем сброса портальной крови по шунтам (минуя печень, которая элиминирует весь поступающий в нее эндотоксин) в системную гемоциркуляцию [4, с. 98-109]. До недавнего времени никто из исследователей не предполагал возможность участия этого очень мощного неспецифического мультипотентного активатора в процессах адаптации, хотя уже давно известна его способность активировать протеинкиназу С, снимающую репрессию с генома, и относительно недавно обнаружена способность эндотоксина (ЭТ) реагировать с Toll-like рецепторами, ответственными за активность врожденного иммунитета. Сила и время действия любого активатора должны ограничиваться физиологическими рамками, в противном случае он может трансформироваться в патогенный фактор и быть непосредственной причиной истощения резервных возможностей органов и систем, развития их недостаточности (в т.ч. вторичного иммунодефицита).

Эндотоксином называют липополисахарид (ЛПС) внешней мембраны клеточной стенки грамотрицательных бактерий. В отличие от экзотоксинов ЛПС выделяется во внешнюю среду в основном при разрушении бактериальных клеток.

До недавнего времени считалось, что неповрежденная слизистая толстой кишки здорового человека является достаточно надежным барьером, предотвращающим попадание ЛПС в кровоток в больших количествах [5, P.43-48]. Исследования, проведенные под руководством М. Ю. Яковлева в лаборатории патологической анатомии экстремальных состояний Института морфологии человека АМН СССР [6], впервые установили факт присутствия кишечного ЛПС в общем кровотоке практически здоровых людей, младенцев и их матерей [7, с.67-68; 8, с. 131-137]. Применение иммуноферментного анализа (ИФА) позволило показать, что в тонких мазках крови здоровых людей обнаруживается около 3-4% полиморфноядерных лейкоцитов (ПЯЛ), связавших ЛПС в кровотоке. Кроме того, еще около 5% ПЯЛ способны связывать ЭТ in vitro при обработке мазков препаратом ЛПС, т.е. у здоровых людей имеются резервы связывания эндотоксина гранулоцитами [9, с. 77-84; 10, с.76-79].

Последствия взаимодействия ЛПС с клетками макроорганизма обусловлены, в первую очередь, его концентрацией. При физиологических дозах ЭТ вызывает умеренную активацию клеток и систем [4, с. 98-109]. С увеличением концентрации он может вызывать гиперактивацию, которая характеризуется усиленной продукцией туморнекротизирующего фактора и ряда других медиаторов, усиленной активацией системы комплемента и факторов свертывания крови. Проявлением патогенных эффектов ЛПС являются диссеминированное внутрисосудистое свертывание крови (ДВС), эндотоксиновый шок и последующая острая полиорганная недостаточность [11, с. 127-128;  12, P. 431;  13, P. 371].

Гиперактивация клеток при экспериментальной эндотоксиновой агрессии (ЭА) может вызывать накопление в клетках продуктов перекисного окисления липидов и апоптоз [14, P. 540-545]. Гибелью клеток может заканчиваться также взаимодействие сорбированного на поверхности клеток ЛПС с антителами и комплементом. Эти механизмы могут приводить к развитию многих событий, имеющих место при ЭА, в частности, к возникновению локальных повреждений эндотелия, уменьшению  количества лейкоцитов и тромбоцитов, а также к развитию гломерулонефрита, ДВС и другой органопатологии [15, с. 76-79].  В повреждении различных органов при ЭА участвуют также гиперактивированные эндотоксином гранулоциты [16,  с. 4-6].

Еще одним фактором, способствующим развитию ДВС, является снижение экспрессии антикоагулянта (протеина С) на эндотелиальных клетках [17, P. 95-111]. В поврежденном эндотелии отсутствует тромбомодулин, что приводит к дефициту белка С, который является причиной прогрессирования тромбообразования и тромбоэмболии. После введения ЛПС она значительно увеличивается через 30 минут и продолжается в течение 4 часов. Протеинкиназа С снимает репрессию с генома, тем самым запуская пролиферативный процесс [18, P. 79-89]. Эффекты повышения тромбогенной активности эндотелиальных, гладкомышечных и адвентициальных клеток сосудистой стенки связаны с повышением концентрации цитокинов: фактора некроза опухоли, интерлейкина-6 и интерлейкина-8 [18, P. 79-89].

В эксперименте продемонстрирована способность ЭТ вызывать бронхообструктивный синдром [19, P. 361]. Этот эффект опосредуется через выброс медиаторов и цитокинов: фактора активации тромбоцитов, туморнекротизирующего фактора, хемотаксических факторов С3а, С4а и С5а и простагландинов: ТХА2, ТХВ2, PGF и PGD2 [20, P. 103].

Другим наиболее ярким проявлением ЭА является блокада системы фиксированных макрофагов печени, равно как и застой крови в портальной системе, и, возможно, шунтирование портального кровотока через печеночные и портокавальные анастомозы. У больных с заболеванием печени (циррозом, гепатитом) свободный ЛПС легко обнаруживается в периферической крови, и отмечаются повышенные титры антител к ЛПС [21, с. 80-87]. ЛПС потенцирует гепатотоксический эффект четыреххлористого углерода и алкоголя. Морфологические изменения в печени под воздействием эндогенного ЛПС заключаются в различной степени выраженности дистрофических процессов, вплоть до некроза гепатоцитов и слущивания звездчатых эндотелиоцитов в просвет синусоидов, появления воспалительных клеточных инфильтратов как по ходу синусоидов, так и в паренхиме, состоящей из ПЯЛ и лимфоидных клеток. Повреждение паренхиматозных клеток начинается с мембранных нарушений, возникающих вследствие активации липидом А каскада арахидоновой кислоты [22,  P. 200]. Гепатоциты могут принимать участие в процессе транспорта ЛПС, освобождаемого при гибели ЛПС-позитивных ПЯЛ, по направлению к желчным протокам. Спустя 3 часа после внутривенного введения ЭТ увеличивается количество лизосом с диффузным распространением их внутри паренхиматозных клеток, локализующихся вокруг желчных протоков. Полученные результаты исследований позволяют заключить, что у больных с заболеванием печени содержание ПЯЛ, способных связывать ЭТ грамотрицательных бактерий, снижено и может являться дополнительным фактором, усиливающим интоксикацию [23, с. 103-107].

Важным фактором воздействия ЭТ на макрофаги человека является развитие гиперлипидемии за счет увеличения окисленных липопротеидов низкой плотности. Это способствует трансформации моноцитов в активированные макрофаги с последующим превращением их в пенистые клетки. Макрофаги сами индуцируют окисление ЛПНП через высвобождение свободных кислородных радикалов и (или) активацию липооксигеназы. Так как макрофаги представляют собой эффектор единой системы иммунитета организма, а окисленные ЛПНП являются иммунногенным стимулятором, это способствует выработке антител с последующим формированием иммунных комплексов [24]. Эти иммунные комплексы через Fc-рецептор макрофага стимулируют накопление в клетках сложных эфиров холестерина, которые способствуют выработке цитокинов IL-1 и TNF-a. Цитокины пенистых клеток активируют эндотелиальные клетки, что ведет к росту экспрессии их тромбогенного потенциала, а также повышению образования эндотелиальных констрикторных факторов [25, P.499].

Можно заключить, что макрофаги, окисленные, десиалированные, гликозилированные ЛПНП; аутоантитела против модифицированных ЛПНП, усиливающие атерогенность липопротеидов и способствующие внутриклеточному накоплению липидов при образовании иммунного комплекса с исходно неатерогенными ЛПНП, играют определяющую роль в индукции атеросклероза [26,  с. 60-70].

Проникновение в субэндотелиальное пространство артерий атерогенных компонентов крови мЛПНП, анти-ЛПНП, а также иммунных комплексов – наиболее вероятно в тех участках сосудистой стенки, где нарушена барьерная функция эндотелия. Эндотелий определяет тонус гладкомышечных клеток сосудов посредством вырабатываемых сосудорасширяющих (эндотелийзависимый релаксирующий фактор) и сосудосуживающих (эндотелин, тромбоксан А2, простагландин Н2, ангиотензин II) факторов [27, P. 862].

Повреждающее действие ЭТ происходит за счет возникающего генерализованного дефекта клеточных мембран, включая повреждение мускариновых рецепторов. Усиленная адгезия ПЯЛ к эндотелиальным клеткам связана с усиленным функционированием адгезивных молекул Р-селектина и Е-селектина, а также межклеточной адгезивной молекулы – 1. Происходит интенсивное высвобождение клетками эндотелиоцитарного интерлейкина-1, фактора активации тромбоцитов, свободных кислородных радикалов, снижение образования оксида азота. С другой стороны, отмечается нарушение внутриклеточных механизмов регуляции, проявляющееся в уменьшении экспрессии ингибиторных G-белков, снижении метаболизма фосфоинозитолов, повышении активности протеинкиназы  С  [28, P. 143] и снижении синтеза L-аргинина.

Известно, что NO образуется из аминокислоты аргинин в результате реакции, которая катализируется ферментом NO-синтетазой [29, P. 343]. NO-синтетаза содержится в эндотелии и проявляет свою активность только в присутствии комплекса кальций-кальмодулин. NO, помимо эндотелия, синтезируется макрофагами, тромбоцитами, нейронами. Посредством NO осуществляется локальная ауторегуляция кровотока. Время полураспада NO или его компонентов в организме составляет несколько секунд, что определяет длительность реакций, опосредованных кратковременными изменениями локальных концентраций NO, который способен ингибировать агрегацию тромбоцитов и адгезию нейтрофилов на стенках сосудов и обладает бактерицидным действием. Последнее действие связано с дефензинами (белками со структурой, насыщенной аргинином), которые обладают способностью встраиваться в липидный бислой наружной клеточной мембраны и вызывать резкий рост ее проницаемости для обычно немигрирующих через мембрану осмолей. В результате гипергидратация клеток служит причиной их цитолиза. NO способствует торможению пролиферации, а воздействие ЛПС увеличивает выработку IL-Ia, IL-Ib, TNF-a и TNF-b, вызывая экспрессию генов и запуская клеточную пролиферацию. Сниженное образование и повышенное разрушение NO также могут облегчать пролиферативные реакции и миграцию сосудистых гладкомышечных клеток из мышечной оболочки в интиму сосуда.

Важно отметить, что ЭТ, повреждая стенку сосуда, затем стимулирует репарацию повреждений за счет активации синтеза ДНК и пролиферации гладкомышечных, эндотелиальных клеток в пораженных участках.

До настоящего времени роль кишечного ЛПС в механизмах адаптации к физическим нагрузкам обсуждалась очень незначительно. В научной прессе имеются немногочисленные, но весьма убедительные факты того, что срыв адаптации (с выраженными клиническими проявлениями) при интенсивных физических нагрузках сопровождается высокой концентрацией кишечного ЛПС в системном кровотоке и снижением титров антиэндотоксиновых антител [30, 31]. Очень важной представляется информация о том, что изначально (до нагрузки) высокие концентрации ЭТ являются фактором высокого риска развития дизадаптации. Вместе с тем, исследователи не рассматривали возможность участия кишечного ЛПС в обеспечении собственно адаптивных процессов.

Изучение возможной роли кишечного ЛПС в процессах адаптации до недавнего времени лимитировалось отсутствием необходимой для этого методической базы. Появление эндотоксиновой теории физиологии и патологии человека [4, с. 98-109] и доступных методов определения концентрации ЭТ в сыворотке крови и оценки активности АЭИ [Патенты РФ №№  2011993, 2088936, 2093825] сняли эти ограничения, сделали возможным изучение роли кишечного ЛПС в механизмах адаптации и ее срыва. Эндотоксин может быть новым, относительно простым показателем оценки функциональных резервов организма человека при действии физических нагрузок и уровня здоровья в целом (особенно при использовании нагрузочных тестов).


Библиографический список
  1. Павлов С.Е., Кузнецова Т.Н., Афонякин И.В. Современная теория адаптации и опыт использования ее основных положений в подготовке пловцов // Теория и практика физической культуры.  2001.  №2.
  2. Никитюк Б.А., Талько В.И. Адаптация компонентов сердечнососудистой системы к дозированным двигательным нагрузкам // Теория и практика физической культуры.  1991.    №1.
  3. Селье Г. Очерки об адаптационном синдроме.  М.: Медицина. 1960. 130с.
  4. Яковлев М.Ю.Элементы эндотоксиновой теории физиологии и патологии человека //Физиология человека. 2003. Том 29. №4.
  5. AU-Benoit R., Rowe S., Boyle P., Garret M. Alber S., Wiener J., Rowe M.I.  Pure endotoxin does not pass across the intestinal epithelium in vitro // Shock.  1998. V.10.
  6. Яковлев М.Ю. Системная эндотоксинемия в физиологии и патологии человека. // Автореф. дисс. … д-ра мед.  наук.  М., 1993. 55с.
  7. Лиходед В.Г., Чхаидзе И.Г., Галдавадзе М.А. и др. Развитие кишечного дисбактериоза у новорожденных при дефиците антител к Re-гликолипиду // Микробиология.  1998.  №4.
  8. Таболин В.А., Бельчик Ю.Ф., Чабаидзе Ж.Л. и др. Показатели антиэндотоксинового иммунитета у новорожденных в норме и патологии // Международный журнал иммунореабилитации. 2000. № 1.
  9. Энукидзе Г.Г., Опарина О.Н. Эндотоксиновая агрессия в патогенезе женского бесплодия на фоне хронических гинекологических воспалительных заболеваний // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. 2008.  №4.
  10. Лиходед В.Г., Аниховская И.В., Аполлонин А.В. и др. Fc-зависимое связывание эндотоксинов грамотрицательных бактерий полиморфноядерными лейкоцитами крови человека // Микробиология.  1996. №2.
  11. Яковлев М.Ю. Роль кишечной микрофлоры и недостаточность барьерной функции печени в развитии эндотоксинемии и воспаления // Казанский медицинский журнал.  1988. №5.
  12. Arnman V., Stemme S., Rymo L., Risberg B. Interferon-gamma modulates the fibrinolytic response in cultured human endothelial cells // Thromb. Res.  1995. V. 77(5).
  13. Yamamoto K., Saito H. A pathological role of increased expression of plasminogen activator inhibitor-1 in human or animal disorders // Int. J. Hematol. 1998. V. 68(4).
  14. Pauwels R.A., Rips J.C., Peleman R.H. et al. The effect of endotoxin inhalation on airway responsiveness and cellular influx in rats // Amer. Rev. Respir. Dis.  1990. V.141.
  15. Чижиков Н.В., Опарина О.Н. Иммунитет к эндотоксину грамотрицательной микрофлоры кишечника у онкологических больных // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки.  2006.  № 3.
  16. Пермяков Н.К., Яковлев М.Ю., Галанкин В.Н. Эндотоксин и система полиморфноядерного лейкоцита // Архив патологии.  1989.  Т.51.  №5.
  17. Pool E.J., Johaar G., James S. et al. The detection of pyrogens in blood products using an in vitro whole blood culture assay // J. Immunoassay.  1998.  V.19.
  18. Pool E.J., Johaar G., James S. et al. Differentiation between endotoxin and non-endotoxin pyrogens in human albumin solutions using an in vitro whole blood culture assay // J. Immunoassay.  1999.  V. 20.
  19. Armstead V.E., Perkowski S.Z., Woolkalis M.J. et al. An association between lung lymph endothelin concentration and survival during endotoxemia in awake sheep // Shock.  1995.  V. 4(5).
  20. Pomerantz K.B., Hajjar D.P., Levi R., Gross S.S. Cholesterol enrichment of arterial smooth muscle cells upregulates cytokine-induced nitric oxide synthesis // Biochem. Biophys. Res. Commun.  1993.  V. 191(1).
  21. Чижиков Н.В., Опарина О.Н., Кадетов С.В., Пазова Л.А. Эндотоксиновая составляющая терапии вирусного гепатита С как профилактика рака печени // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки.  2008.   №3.
  22. Portoles M.T., Arahuetes R.M., Pagani R. Intracellular calcium alterations and free radical formation evaluated by flow cytometry in endotoxin-treated rat liver Kupffer and endothelial cells // Eur. J. Cell. Biol.  1994.  V. 65(1).
  23. Гремякова Т.А., Погорельская Л.А., Ильинский Ю.А., Лиходед В.Г., Поверенный А.М., Табачник А.Л. Антиэндотоксиновая активность  сывороток крови больных брюшным тифом // Микробиология.  1982.  №9.
  24. Климов А.Н., Никульчева Н.Г. Обмен липидов и липопротеидов и его нарушения // Руков. для врачей. – СПб.: Питер Ком.  1999.  35с.
  25. Gilles R.J., D’Orio V., Ciancabilla F., Carlier P.G. In vivo 31P nuclear magnetic resonance spectroscopy of skeletal muscle energetics in endotoxemic rats: a prospective, randomized study // Crit-Care-Med.  1994.  V. 22(3).
  26. Чижиков Н.В., Юревич Е.В., Опарина О.Н., Агеев И.С. Интегральные показатели кишечного липополисахарида и антиэндотоксинового иммунитета у больных атеросклерозом нижних конечностей в сочетании с дисциркуляторной атеросклеротической энцефалопатией // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки.  2009.  №2.
  27. Kim J.A., Berliner J.A., Nadler J.L. Angiotensin II increases monocyte binding to endothelial cells // Biochem. Biophys. Res. Commun.  1996.  V. 226(3).
  28. Zhao Z., Francis C.E., Welch G., Loscalzo J., Ravid K. Reduced glutathione prevents nitric oxide-induced apoptosis in vascular smooth muscle cells // Biochim. Biophys. Acta.  1997.  V. 1359(2).
  29. Nava E., Noll G., Luscher T.F. Nitric oxide in cardiovascular diseases // Ann. Med.  1995. V. 27(3).
  30. Опарина О.Н. Биологические свойства эндотоксина кишечной микрофлоры // Современные научные исследования и инновации. –  Январь 2014. – № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/01/31034
  31. Опарина О.Н. Стресс как причина развития эндотоксиновой агрессии у спортсменов //  Современные научные исследования и инновации. –  Март 2014. – № 3 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/03/31619


Все статьи автора «Опарина Ольга Николаевна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: