Патогенетические механизмы и клинические аспекты действия термостабильного эндотоксина кишечной микрофлоры (обзор литературы)

В.А. Таболин, М.Ю. Яковлев, А.Я. Ильина, В.Г. Лиходед, С.И. Лазарева

Российский государственный медицинский университет

Кафедра детских болезней № 2 с курсом диетологии и нутрициологии ФУВ

Институт общей и клинической патологии клинико-диагностического общества

В конце XIX века R.Pfeiffer и E.Centanni обнаружили, что при разрушении грамотрицательных бактерий выделяется термостабильный токсин, обладающий пирогенными свойствами. Именно эти особенности эндотоксина (ЭТ) легли в основу определения чистоты производства лекарственных препаратов, которое хорошо известно фармацевтам, как биопроба на пирогенность растворов различных лекарственных препаратов. Практически одновременно W.B.Coley обнаружил противоопухолевые свойства ЭТ. В дальнейшем эндотоксин стал предметом разностороннего и глубокого изучения. Результаты многолетних исследований в этой области были обобщены в четырехтомном руководстве (Hand–book of Endotoxin, Series Editor R.A.Proctor, Amsterdam–New–York–Oxford, 1984), а также были представлены в сборнике «Endotoxin in Health and Disease», изданном под редакцией H.Brade [1999].

Эндотоксин это липополисахарид (ЛПС), который является облигатным компонентом наружной клеточной мембраны грамотрицательных бактерий [1].

В зависимости от дозы эндотоксин может вызывать следующие биологические эффекты [2]: активацию лейкоцитов и макрофагов; cтимуляцию продукции эндогенного пирогена, антагониста глюкокортикоидов, интерферона, интерлейкинов, туморнекротизирующего фактора (кахексина) и других медиаторов; активацию синтеза белков острой фазы, в том числе амилоидного белка; митогенный эффект; активацию миелопоеза; поликлональную активацию Вклеток; индукцию развития провирусов; подавление тканевого дыхания; развитие гиперлипидемии; активацию системы комплемента; активацию тромбоцитов и факторов свертывания крови; гибель клеток; местный и генерализованный феномен Шварцмана; диссеминированное внутрисосудистое свертывание крови; эндотоксиновый шок и острую полиорганную недостаточность.

ЛПС может связываться с различными клетками макроорганизма, что обусловлено сродством его фрагмента (липида А) к биологическим мембранам клеток. Он может непосредственно взаимодействовать с липидными компонентами мембран, встраиваться в мембраны и тем самым нарушать их функции. Однако на поверхности клеток макроорганизма имеются и специфичные для эндотоксина белковые рецепторы CD14, CD18, CD54, Tolрецепторы и другие, причем функции этих рецепторов различны [3]. При взаимодействии с рецепторным белком CD18 эндотоксин не вызывает активацию лейкоцитов. Эндотоксин связывается также с LBPбелком (lipopolysaccharid binding protein) плазмы крови, затем в комплексе с этим белком взаимодействует с рецептором CD14 на поверхности клетки, что ведет к активации лейкоцитов. Интересно отметить, что взаимодействие эндотоксина c Tolрецептором приводит к активации врожденного иммунитета [4].

Исход реакции ЭТ с клетками макроорганизма зависит от его концентрации. Умеренная активация клеток и систем при низких дозах эндотоксина с увеличением дозы переходит в гиперактивацию, которая сопровождается усиленной продукцией туморнекротизирующего фактора-a и ряда других медиаторов, усиленной активацией системы комплемента и факторов свертывания крови, что может заканчиваться развитием таких грозных осложнений, как диссеминированное внутрисосудистое свертывание (ДВС), эндотоксиновый шок и острая полиорганная недостаточность [5].

Известно, что дистальные отделы кишечника являются естественным резервуаром грамотрицательной микрофлоры и их эндотоксина. В норме, учитывая барьерную функцию кишечника, в кровоток проникает относительно небольшое количество ЭТ, которое в системе воротной вены связывается с клетками Куппфера, макрофагами, эритроцитами, липопротеидами, другими белками плазмы крови с последующей детоксикацией в гепатоцитах [6].

В 1978 г. J.Wolter с соавторами в своих исследованиях показали,что в норме до 6% портальной крови сбрасывается в cистемный кровоток (СК), минуя печень, через портокавальные и печеночные анастамозы. Регуляция поступления ЛПС из кишечника в общий кровоток, минуя печень, осуществляется главным образом гипоталамогипофизарнонадпочечниковой системой, от функциональной активности которой зависит степень сброса портальной крови по портокавальным анастамозам [7]. Это позволило М.Ю.Яковлеву постулировать "системную эндотоксинемию", как физиологический феномен присутствия ЭТ в СК практически здоровых людей, и "эндотоксиновую агрессию", как универсальный фактор патогенеза заболеваний человека, развитие которых обусловлено избыточным поступлением в общий кровоток ЛПС и абсолютной или относительной недостаточностью эндотоксинсвязывающих систем.

Первичными мишенями для ЭТ чаще всего являются моноциты, макрофаги, полиморфноядерные лейкоциты, клетки эндотелия и другие клетки. Попадая в системный кровоток, ЛПС индуцирует выброс этими клетками цитокинов медиаторов его действия [8].

Важная роль в реализации биологических эффектов ЛПС принадлежит фактору некроза опухолиальфа (ФНО-a ), интерлейкинам и другим медиаторам действия ЭТ, таким как фосфолипидный фактор активации тромбоцитов (ФАТ), лейкотриены, тромбоксан А2 и простагландины [9]. Цитокины обеспечивают оптимальный метаболический гомеостаз и являются необходимыми трансмиттерами межклеточного взаимодействия. Эндотоксин, ФНО-a , ФАТ, лейкотриены, тромбоксан А2, интерлейкины и другие биологически активные вещества, воздействуя на эндотелий, увеличивают его проницаемость, способствуют развитию стаза, повышают экспрессию адгезивных молекул на поверхности эндотелия для циркулирующих полиморфноядерных лейкоцитов, с чем может быть связано развитие маргинального лейкостаза и гранулоцитопении, как следствие истощения миелопоэза.

Эндотелиальные клетки способны к секреции различных медиаторов, в том числе мощного вазодилататора оксида азота (NO) и вазоконстриктора эндотелина1. При эндотоксиновом шоке (ЭШ), возникающем вследствие массивной инвазии ЛПС в системный кровоток, развитие легочной гипертензии может объясняться преобладанием секреции эндотелина или снижением продукции NO. Генерализованная реакция эндотелия в ответ на возникший медиаторный хаос может обусловливать полиорганную недостаточность [10].

После попадания ЭТ в системный кровоток и взаимодействия его с клеточными и гуморальными системами крови инициируется комплекс биохимических и патофизиологических процессов, который включает кардиопульмональную, сосудистую дисфункцию и развитие рефрактерной системной гипотензии, активацию системы комплемента, коагуляцию крови и развитие ДВСсиндрома, острый респираторный дистресссиндром (легочную вазоконстрикцию, гипертензию, бронхоспазм, увеличение проницаемости и некардиальный отек легких), острую почечную и печеночную недостаточность, метаболический ацидоз [11]. Эти нарушения являются результатом как прямого действия ЭТ, так и ЭТиндуцированных клеточных и гуморальных медиаторов. Доказательством непосредственного действия ЭТ может служить обнаружение во многих клеточных и субклеточных структурах различных органов ЛПСпозитивных структур после внутривенного введения его экспериментальным животным [12].

Установлено, что ЛПС напрямую активируют миелоцитарный росток костного мозга, одним из проявлений которого является мегакариоцитоз и лейкоцитоз, сменяющий кратковременную лейкопению. При повторяющихся эндотоксиновых атаках вновь развивается лейкопения (как следствие истощения резервов миелопоэза) [13]. Реакция костного мозга может реализовываться и вследствие действия колониестимулирующих факторов, освобождающихся из активированных ЭТ фибробластов и эндотелиальных клеток, которые ускоряют пролиферацию и дифференцировку ряда клеток. Благодаря способности ЛПС активировать фагоцитирующие клетки происходит выброс лизосомальных энзимов, усиление метаболизма арахидоновой кислоты, ускорение кислородного метаболизма [14], что, с одной стороны, может быть причиной повреждения близлежащих клеток (в частности, эндотелиальных), а с другой интенсификации процессов фагоцитоза. Последний может усиливаться способностью ЛПС обусловливать активацию синтеза гаммаинтерферона, фибронектина и C3bкомпонента комплемента, которые являются мощными опсонинами. Однако стимулирующим эффектом на мононуклеарные фагоциты обладают лишь низкие дозы ЭТ, тогда как более высокие, напротив, блокируют их основные функции. Дисфункция системы фиксированных макрофагов печени является одним из ключевых звеньев в развитии самой тяжелой системной реакции организма на ЛПС эндотоксинового шока. Хорошо известны адъювантные эффекты ЛПС. Он способен вызывать пролиферацию, дифференцировку и активацию T и Bлимфоцитов, в результате чего стимулируется как клеточное, так и гуморальное звено иммунного ответа на любые антигены. Возникающие как следствие эндотоксиновой агрессии гиперпродукция цитокинов и медиаторный хаос сменяются глубокой депрессией системы фиксированных макрофагов со всеми вытекающими отсюда последствиями (включая угнетение синтетической и секреторной функции клетокмишеней) [15].

Полиморфноядерные лейкоциты (ПЯЛ) являются основной эндотоксинсвязывающей популяцией клеток крови, а эозинофилы суперафинными к ЛПС клетками. Эти клетки могут участвовать в реализации патофизиологических эффектов действия ЭТ [16].

Гранулоциты человека представляют важную эндотоксинсвязывающую систему, участвующую в сложных процессах иммобилизации, транспорта и выведения ЛПС из крови и организма, а также в патогенезе эндотоксининдуцированного повреждения органов и тканей. Проникая в системный кровоток, ЛПС способствует перераспределению ПЯЛ из циркуляторного пула в маргинальные, что обусловлено способностью ЭТ повышать адгезивную активность гранулоцитов уже в первые минуты развития эндотоксиновой агрессии. ЛПС после его связывания с клетками снижает способность ПЯЛ реагировать на различные антигенные стимулы и угнетает бактерицидную активность гранулоцитов по отношению к разнообразным бактериальным агентам, т.е. при высоком уровне ЭТ в крови развивается депрессия антибактериальной резистентности макроорганизма. Более того, ЛПСиндуцированная активация оксидантного метаболизма ПЯЛ с выходом свободных радикалов кислорода, лизосомных ферментов, лейкотриенов и других биологически активных соединений может приводить к развитию серьезной органопатологии при системной эндотоксинемии (СЭЕ). Таким образом, ЛПС принимает непосредственное участие в поддержании клеточного пула циркулирующих в системном кровотоке ПЯЛ, однако перегрузка эндотоксином гранулоцитов влечет за собой повреждение не только самих ПЯЛ, но и клеток и тканей [8].

Экспериментально показано, что гранулоциты могут in vivo и in vitro связывать ЭТ при помощи Fcопосредованного механизма, то есть за счет антител класса IgG, фиксированных на поверхностных Fcрецепторах лейкоцитов [2]. Количество ПЯЛ, связавших ЛПС, зависит от степени эндотоксинемии, от наличия на гранулоцитах Fcрецепторов и связанных с ними антиэндотоксиновых антител класса IgG.

Важная роль в детоксикации ЛПС принадлежит гуморальным факторам. Комплексы ЭТ с липопротеидами высокой удельной плотности длительно циркулируют в кровотоке и накапливаются в тканях, обладающих механизмом специфического захвата липопротеидов, например, в надпочечниках. Липопротеиды низкой удельной плотности (ЛПНП) повышают токсичность ЛПС за счет формирования комплексов между их окисленными формами и ЛПС, которые проникают в клетки и вызывают их гибель. При этом окисленные формы липопротеидов сами по себе токсичны для клеток, а ЭТ к тому же стимулирует выброс ферментов, окисляющих ЛПНП. Мощным гуморальным антиэндотоксиновым фактором являются антитела. Высокой нейтрализующей активностью обладают антитела к Оцепям ЛПС, но огромная вариабельность Оцепей у грамотрицательных бактерий снижает вероятность встречи Оспецифических антител и соответствующих ЭТ. Поэтому важное значение отводится антителам к глубоким детерминантам Rкора ЛПС, в частности, антителам к Reгликолипиду.

Теория М.Ю. Яковлева о роли эндотоксина в физиологии и патологии человека [5] квалифицирует "эндотоксиновую агрессию", как универсальный фактор, участвующий в патогенезе большинства заболеваний инфекционного и неинфекционного генеза.

Установлено, что ЭТ и АЭИ играют важную роль в физиологии и патологиии беременных женщин и новорожденных [17]. При рождении у детей в пуповинной крови определяются материнские антитела к эндотоксину в виде IgG к Reгликолипиду. Кишечник новорожденных в первые 1020 часов после родов стерилен [18]. Трансплацентарная передача материнских антиэндотоксиновых антител является одним из важных факторов естественного иммунитета, обеспечивающего адаптацию новорожденного ребенка к условиям внеутробной жизни. Необходимо отметить наличие физиологической системной эндотоксинемии у новорожденных вскоре после рождения [19], что является следствием колонизации кишечника грамотрицательной микрофлорой.

У здоровых новорожденных содержание свободного ЭТ в плазме крови составляет 1,36±0,1 пкг/мл (у взрослых 1,9±0,25 пкг/мл), в эндотоксиновых единицах от 0 до 1 EU.

При состояниях дисадаптации раннего неонатального периода у новорожденных отмечается высокое содержание ЭТ в плазме крови на фоне снижения титра антиэндотоксиновых антител. Необходимо отметить, что у новорожденных раннего неонатального периода с компенсацией периода адаптации снижалось содержание ЛПС в плазме и нарастали титры антител к Reгликолипиду.

По мере заселения кишечника микрофлорой наблюдается рост уровня антител (IgG) к ЭТ, содержание которых на пятые сутки составляло в среднем у здоровых новорожденных 231±21 условных единиц оптической плотности [20], что свидетельствует о способности новорожденных синтезировать собственные антитела. Не исключено однако, что некоторое нарастание титра данных антител обеспечивается материнскими антителообразующими клетками. Трансплацентарная передача материнских антиэндотоксиновых антител является одним из важных факторов естественного иммунитета, обеспечивающего адаптацию новорожденного ребенка к условиям внеутробной жизни [19,20].

Определено, что нормативные показатели титра антиэндотоксиновых антител у здоровых новорожденных детей позднего неонатального периода составляют 213,4±5,6 у.е. [21]. По мнению авторов, обследовавших детей первых месяцев жизни с тяжелой бактериальной инфекцией, поражением ЦНС и кишечным синдромом, тяжело протекающие бактериальные инфекции развиваются на фоне угнетения АЭИ. Благоприятное течение бактериальной инфекции (независимо от этиологии) всегда сопровождается нарастанием, а при тяжелых формах инфекционных заболеваний уменьшением титров антиэндотоксиновых антител.

В норме у здоровых людей в крови содержится 4% ЛПСпозитивных гранулоцитов [5]. При исследовании мазков крови новорожденного первых суток жизни выявляется 4% ЛПСпозитивных гранулоцитов, связавших ЭТ матери, передавшийся трансплацентарно. На 2-е сутки жизни новорожденных детей в периферической крови содержится 1,7±0,85% ЛПСпозитивных гранулоцитов, резервы связывания эндотоксина гранулоцитами составляют 1,0±0,45 %. Сниженное содержание в периферической крови ЛПСпозитивных гранулоцитов и их невысокая резервная способность связывать ЭТ может свидетельствовать о недостаточности гранулоцитарного звена АЭИ, что является фактором, предрасполагающим к развитию инфекционного процесса [20]. Эндотоксинемия выявлена при лихорадке у детей с иммунодефицитом, у 50% детей с гипотрофией, у детей с менингитом, у новорожденных, перенесших асфиксию, а также у новорожденных с грамотрицательным сепсисом. Наиболее частым клиническим манифестом "эндотоксиновой агрессии" является лихорадка [13,14,20].

При изучении патогенетического значения эндотоксинемии у детей с ОРВИ отмечено высокое содержание ЭТ и низкие титры антиэндотоксиновых антител в первые пять дней заболевания, особенно у детей с осложненным течением ОРВИ [1]. В проведенных исследованиях установлена прямая зависимость между концентрацией плазменного ЛПС и температурой тела у детей с ОРВИ. Весьма показательной является обратная зависимость между температурной реакцией и активностью АЭИ [16].

Велика роль "эндотоксиновой агрессии" в инициации и прогрессировании бронхообструктивного, респираторного дистресссиндромов. При бронхообструктивном синдроме, осложняющем течение ОРВИ у детей, патогенный эффект эндотоксиновой агрессии осуществляется посредством ЛПСперегруженных (гиперактивированных) гранулоцитов, которые приобретают аутоагрессивную направленность, повреждают близлежащие паренхиматозные и стромальные структурные элементы бронхолегочной системы [1,6,21]. Кроме того, в патогенезе этого синдрома немаловажная роль принадлежит ЛПСперегруженным альвеолярным макрофагам. Имеются все основания полагать, что склонность организма к аллергическим реакциям и, в частности, к бронхиальной астме, имеет самое непосредственное отношение к "эндотоксиновой агрессии" [22]. Очень важными являются клинические наблюдения, показавшие, что нормализация концентрации плазменного ЛПС и АЭИ (ликвидация "эндотоксиновой агрессии") приводит у "аллергиков" к нормализации титров антител к так называемым аллергенам [22].

Для системных заболеваний соединительной ткани характерны очень высокие титры антиэндотоксиновых (к гликолипиду Reхемотипа) антител [23], которые могут быть следствием избыточного поступления в СК кишечного ЛПС.

Доказана важная роль "эндотоксиновой агрессии" в возникновении гестозов [16,24]. Гестоз, преэклампсия и эклампсия являются звеньями одной патогенетической цепи, что позволило квалифицировать данные состояния, как акушерский вариант эндотоксинового шока [17].

Таким образом, расшифровка патогенетических механизмов влияния эндотоксина кишечной микрофлоры на организм ребенка чрезвычайно важна для различных заболеваний в разных возрастных группах, но особенно у новорожденных.

Клинические "маски" проявления "эндотоксиновой агрессии" весьма разнообразны. Данное обстоятельство связано с трансплацентарной передачей материнских антиэндотоксиновых антител, что является важнейшим фактором естественного иммунитета, обеспечивающего адаптацию новорожденного ребенка к условиям внутриутробной жизни.

Представляется весьма перспективным в научнопрактическом плане дальнейшее изучение роли эндотоксинпродуцирующей кишечной микрофлоры в физиологии и патологии человека, особенно в системах матьплацентаплод и матьноворожденный.

Литература:

1. Анохин В.А.Патогенетическое значение эндотоксинемии и изменение активности систем антиэндотоксической защиты при ОРВИ у детей: Автореф. дис. докт.мед.наук.Казань,1994.40с.

2. Лиходед В.Г.,Ющук Н.Д.,Яковлев М.Ю.Роль эндотоксина грамотрицательных бактерий в инфекционной и неинфекционной патологии.//Архив патологии.М.1996.№2.с.813.

3. Lynn W.,Golenbook D.Lipopolysachcharide antagonists. Immunol. Today.1992.13.p.127.

4. Пермяков Н.К.,Аниховская И.А., Лиходед Н.В.и др. Иммуноморфологическая оценка резервов связывания эндотоксина полиморфноядерными лейкоцитами.//Архив патологии. М.. 1995. №2. с.47.

5. Яковлев М.Ю.Системная эндотоксинемия в физиологии и патологии человека:Автореф.дис.....докт.мед.наук.М.1993.55с.

6. Яковлев М.Ю.Роль системной эндотоксинемии в физиологии и патологии человека//Сборник трудов 1ой сессии РМАПО.М.1995.с.10-11.

7. Wolter J.,Liehr H.,Grun M.Hepatic clearence of endotoxins:differeces in arterial and portal venous infusion//J.Reticuloendoth. Soc. 1978. Vol.23.№2.P.145-152.

8. Пермяков Н.К.,Яковлев М.Ю., Галанкин В.Н.Эндотоксин и систем полиморфноядерного лейкоцита.//Архив патологии. М. 1989. №5.с.3-11.

9. Journal of Endotoxin Research.1997.№1.р.186.

10. Zhou Z,Iones B.The vascular response to adrenergic stimulation in pithed rats following endotoxin.//Circulat. Shock. 1990. Vol.32. P.5566.

11. Раби К.Локализованная и рассеянная внутрисосудистая коагуляция:Пер. с франц.М.,1974.239 с.

12. Hughes GRV: Thrombosis, abortion, cerebral disease and the lupus anticoagulant. Br Med J 287:10881089, 1983.

13. Smith D.G.E.Activities of antilipopolysaccharide immunoglobulins.//Ph.D.Thesis Edinburgh:University of Edinburgh 1988. P115-121.

14. Olson N.Biochemical,physiological and clinical aspects of endotoxaemia//Mol.Aspects Med.1988.Vol.10.№6.P511629.

15. Sander H.Diks et al. Lipopolysaccharide recognition, internalisation, signalling and other cellular effects. //Journ.of Endotoxin Research. 2001.Vol..7. N5.р.335-348.

16. Яковлев М.Ю.,Галанкин В.Н.,Ипатов А.И.и др.Острый респираторный дистресссиндром при эндотоксиновом шоке.//Архив патологии.М.1988.№11.с.81-89.

17. Yakovlev M.Bulletin of CDS.MoscowParis.2000.Vol.2p.12.

18. Шехтман М.М.,Токова З.З.Материнская заболеваемость и смертность при экстрагенитальной патологии.//Акуш.и гин., 1991.с.54-57.

19. Таболин В.А.,Макацария А.Д.,Ильина А.Я., КотлуковаН.П. Антифосфолипидный синдром у новорожденных детей от женщин с пороками сердца.// Международный журнал иммунологии. 1999. №12.с.160-161.

20. Бельчик Ю.Ф.Коррекция нарушений антиэндотоксинового иммунитета при гнойновоспалительных заболеваниях у доношенных новорожденных детей: Автореф.дисс......кан.мед.наук. М., 1998.

21. Чемлев А.В.,Ахмина Н.И., Уразаев Р.А.,Яковлев М.Ю.Состояние антиэндотоксинового иммунитета у доношенных новорожденных с инфекционной и неврологической патологией.//Сборник трудов 1ой сессии РМАПО.М.1995.с.74.

22. Вестник клиникодиагностического общества, М., 2002, вып. 3, стр. 69

23. Аниховская И.А. Выявление групп риска, выбор тактики обследования и оценка эффективности лечения различных заболеваний по показателям антиэндотоксинового иммунитета: автореф.дис.канд.мед.наук М, 2001, 18стр.

24. Ахмина Н.И. Перинатальная охрана здоровья детей с конституциональной предрасположенностью к заболеваниям: автореф.дис.докт.мед.наук, М,2000,37 стр.

Опубликовано с разрешения администрации Русского Медицинского Журнала.