СИНДРОМ РЕПЕРФУЗИИ КИШЕЧНИКА
М.Зигмунд (Амстердам, Голландия)
Введение
В состоянии шока кровообращение основных органов, сердца, головного мозга и легких сохраняется за счет снижения кровоснабжения кишечника [1,2]. Даже при гипердинамическом варианте шока, когда кровоток в верхней брыжеечной артерии сохранен или даже выше нормы, в кишечнике обнаруживаются зоны ишемии [3]. Ишемия кишечника наблюдается также при проведении хирургических операций, когда требуется временное прекращение кишечного кровотока или его снижение, в частности, при кардиохирургических и сосудистых вмешательствах [4]. Риск ишемии кишечника заключается в возможности бактериальной транслокации и развитии воспалительной реакции, что может привести к полиорганной недостаточности [5-7]. Степень обеднения в снабжении кислородом определяет тяжесть ишемического повреждения. Повреждение ткани кишечника наступает при снижении интестинального кровотока более, чем на 50% [8,9].
После того, как кровообращение восстановлено, возникают дальнейшие повреждения. Parks и Granger первыми показали, что реперфузия вызывает большие повреждения ткани, чем сама ишемия. Патологические изменения, выявленные при гистологическом исследовании, которые развиваются в течение трехчасовой ишемии и реперфузии в течение часа, выражены значительно больше, чем изменения, возникающие при 4-часовой ишемии [10]. В патогенезе реперфузионных повреждений основную роль играют реактивные метаболиты кислорода и воспалительные лейкоциты [6,11,12].
Хотя реперфузионные повреждения относятся к достаточно хорошо описанным осложнениям, клиническая сторона проблемы нуждается в изучении. Фармакологическая модуляция реперфузии у тяжелого больного может улучшить функциональную целостность тканей кишечника и последующее клиническое течение. В сосудистой хирургии, в особенности у больных, находящихся в критическом состоянии с эпизодами повторных реперфузий кишечника, необходимо проводить лечебные мероприятия, направленные на устранение пагубного эффекта изменений в тканях кишечника, вызванных реперфузией.
Механизмы ишемии и реперфузионных повреждений
Особенности архитектуры микроциркуляторного русла ворсинок кишечника делают их особенно восприимчивыми к гипоксии [8]. Каждая ворсинка снабжается через одну единственную центральную артерию, которая окружена "плащом" субэпителиальных венул и капилляров, отводящих кровь от вершины ворсинки. Небольшое расстояние между этими сосудами и наличие противотока в них приводит к шунтированию кислорода в микроциркуляторном русле, особенно при снижении скорости кровотока, возникающем при геморрагическом, кардиогенном и септическом шоке [2,8,13,14]. Перфузия в желудочно-кишечном тракте может в последующем снижаться под воздействием ренин-ангиотензиновой системы, вызывающей вазоконстрикцию во внутренних органах [5,15,16].
Метаболические последствия ишемии проявляются прогрессивным сокращением продукции аденозинтрифосфата (АТФ) несмотря на постоянное использование этого энергоемкого фосфата. Для поддержки внутриклеточного уровня АТФ происходит активизация анаэробного гликолиза, что приводит к развитию внутриклеточного ацидоза. Энергоемкие фосфаты деградируют до аденозина, который после быстрой диффузии в интерстициальное пространство метаболизируется до инозина и гипоксантина, где становится главным источником реактивных метаболитов кислорода [11]. В экспериментальной модели на животных с неокклюзионной ишемией кишечника двухчасовой период ишемии снижал концентрацию АТФ на 40% с последующим увеличением концентрации аденозина монофосфата и гипоксантина в ткани кишечника [7].
Реперфузия ишемизированного кишечника приводит к генерированию токсичных свободных радикалов кислорода в результате взаимодействия молекулярного кислорода с гипоксантином и ксантином, возникающими в результате деградации пуринов [11,18]. Эти реактивные метаболиты кислорода вызывают повреждения, известные как реперфузионные повреждения [18-20]. Более того, полиморфноклеточные нейтрофилы сами по себе генерируют реактивные кислородные метаболиты и напрямую взаимодействуют с эндотелиальными клетками сосудов, что ведет к микроциркуляторным нарушениям кишечника и затем к утрате барьерной функции по отношению к интралюминальным токсическим бактериальным продуктам [5,19].
В нормальных условиях ксантин-дегидрогеназа (XDH) является ферментом, ответственным за деградацию гипоксантина до мочевой кислоты, т.е. за последний этап метаболизма пуринов. В неишемизированных клетках XDH использует никотинамид-аденин-динуклеотид (NAD+) вместо молекулярного кислорода в качестве акцептора электронов в реакции преобразования NAD+ в NADH. В состоянии ишемии тканей ксантин-дегидрогеназа конвертируется в реактивные метаболиты кислорода с образованием ксантин оксидазы (ХО) [12,21]. Два различных пути корверсии в ксантин оксидазу (обратимая оксидация или необратимый протеолизис) реализуются по-разному в различных тканях, хотя объем конверсии пропорционален продолжительности ишемии [21].
При ишемии наблюдается накопление гипоксантинов, которое происходит в результате деградации пуринов, а также метаболизирования их ксантин-оксидазой. При реперфузии кишечника также включаются другие субстраты ферментов (молекулярный кислород) и XO деградирует гипоксантин до мочевой кислоты [17]. После восстановления кровотока электроны переносятся не к NAD+, а к молекулярному кислороду. В результате происходит формирование супероксидных радикадов (О2-) или перекиси водорода Н2О2. Присутствие этих двух реактивных кислородных метаболитов характерно и для физиологических условий, однако здесь они контролируются внутриклеточными антиоксидантными механизмами, такими как супероксид-дисмутаза и каталаза (Табл. 1).
При ишемии образование большого количества супероксида кислорода и перекиси водорода делает данный защитный механизм неэффективным. Кроме всего прочего эти два радикала являются предшественниками гидроксильных радикалов (НО), которые являются самыми окисляющими агентами и, вероятно, несут основную ответственность за развитие клеточных повреждений при реперфузии [12,18,20]. Образование гидроксильных радикалов посредством реакции Haber-Weiss также встречается в физиологических условиях, но весьма незначительно. При реперфузии данная реакция ускоряется благодаря присутствию ионов переходных металлов железа и меди, которые высвобождаются при ишемии и содержат непарные электроны, действующие в качестве матрицы для формирования гидроксильных радикалов [18,22].
В данной схеме супероксидные радикалы редуцируют перекись водорода до радикалов водорода. Наблюдения, свидетельствующие о том, что сильнодействующий реагент хелатного железа десферроксамин прерывает образование гидроксильных радикалов, наглядно демонстрируют роль железа в возникновении реперфузионных осложнений.
Другим метаболитом кислорода, образующимся в результате реакции окиси азота (NO) и супероксида, является пероксинитрит (ONOO-). Окись азота, извлекаемая из эндотелия сосудов, которая обладает сосудорасширяющим, антиадгезивным и антитромбообразующим действиями и активизируется супероксидом, в данном случае выступает в роли защитника против реперфузионных повреждений [12,23].
Ингибиторы ксантин-оксидазы аллопуринол, оксипуринол и птерина альдегид также уменьшают степень повреждения в ишемизированном кишечнике [12,24,25].
Рис. 1. Реакция между
полиморфноклеточными нейтрофилами (ПМН) и эндотелиальными клетками (НЭ) играет
существенную роль в ишемическом/ реперфузионном повреждении.
РМК=реактивные метаболиты кислорода, МКАФ-1=межклеточные адгезивные молекулы 1,
ГК=гипоксантины, CD-11/CD-18=лейкоцитарные адгезивные гликопротеины.
Лейкоциты
В постишемизированных тканях кишечника в большом количестве образуются такие хемоаттрактанты, как лейкотриен В4 (LTB4), тромбоцит-активирующий фактор (PAF) и комплемент-активированный фактор 5 (С5а), связанный с инфильтрацией нейтрофилов. Активация адгезивных свойств нейтрофилов к эндотелию наблюдается при ишемии в посткапиллярных венулах и возрастает во много раз вслед за восстановлением кровообращения [26-28]. Накопление активированных лейкоцитов в микроциркуляторном русле связано с местным и системным повреждением тканей и сокращает число циркулирующих нейтрофилов. В литературе имеются сообщения об успешной профилактике адгезии нейтрофилов с клетками эндотелия, увеличения проницаемости и формирования отека [29,30].
Нейтрофилы быстро мобилизуются в зону воспаления, где происходит их активация. Они выделяют адгезивные молекулы, прилипают к стенкам и, проникая через эндотелий, вызывают разрушение клеточных мембран, в результате происходит высвобождение внутриклеточного содержимого. Проникнув в ткань, нейтрофилы уже не возвращаются в кровеносное русло, и, либо погибают в процессе активации при потере интрацеллюлярного содержимого, либо удаляются макрофагами [31].
Измерения, проведенные методами прижизненной видеомикроскопии и мониторинга различных гранулоцит-специфических ферментов показали, что интенсивность накопления лейкоцитов при ишемии и реперфузии напрямую связана со степенью и продолжительностью ишемии [25,28,32]. Скопления нейтрофилов в капиллярах могут также приводить к их закупорке, т.е. развитию феномена "no-reflow (отсутствие восстановления кровотока)" в постишемизированной ткани [33,34]. Научные исследования на лабораторных животных с нейтропенией, которым вводились антитела, снижающие адгезивные свойства нейтрофилов, наглядно демонстрировали уменьшение выраженности данного феномена [34-36].
Массивные интестинальные ишемически-реперфузионные повреждения могут также вызвать изменения в отдаленных органах. Например, процесс фильтрации активированных нейтрофилов наблюдается в легких. Это связано с низким перфузионным давлением в малом круге кровообращения и особой микроваскулярной архитектурой легочной ткани. Клетки механически "застревают", либо "прилипают" к стенкам микрососудов. Данный феномен играет существенную роль в развитии РДСВ.
Лечение ишемических и реперфузионных повреждений кишечника
Наилучшим методом профилактики накопления оксидазы, гипоксантина и ксантина является исключение эпизодов длительной ишемии. Были разработаны стратегические направления борьбы с различными компонентами реперфузионных повреждений в клинических условиях. Они включают в себя очищение от свободных радикалов, подавление образования реактивных метаболитов кислорода и подавление нейтрофилов.
Антиоксидантная терапия
При использовании антиоксидантной терапии в клинических условиях достаточно сложно правильно определить момент введения, поскольку период существования реактивных метаболитов кислорода после реперфузии весьма непродолжителен. Особенно это относится к ситуации, когда в условиях кардиогенного и гиповолемического шока моментально развивается ишемия внутренних органов, и требуются немедленные терапевтические мероприятия.
Аллопуринол после введения оксидируется до своего активного метаболита оксипуринола, структурного аналога гипоксантина, который обладает способностью угнетать активность ксантин-оксидазы. Аллопуринол препятствует развитию повреждений слизистой и нарушений микроциркуляции при мезентериальной реперфузии [17,24,37,38]. Предварительное введение аллопуринола животным снижает лейкоцитарную адгезию и процессы миграции после реперфузии [27].
Хелация железа также играет немаловажную роль. Десфероксамин относится к мощным железо-хелатирующим субстанциям, который секвестрирует Fe3 от его участия в реакции формирования гидроксильных радикалов. Десфероксамин хорошо переносится даже при относительно высокой дозировке и обычно применяется при заболеваниях, сопровождающихся повышенным содержанием железа, например, талассемии. Маннитол и альбумин также способны утилизировать гидроксильные радикалы и липидные гипероксиды [39,40]. Преимущества десфероксамина в сравнении с этими двумя препаратами состоит в его способности препятствовать образованию радикалов. Поскольку гидроксильные радикалы обладают высокой реактивностью и вступают в реакцию с первыми попавшимися молекулами, наилучшей зоной для утилизаторов гидроксилов являются те ткани, где непосредственно происходит формирование радикалов.
Тирилазад 21-аминостероид утилизирует анионы супероксида, тормозит липидную пероксидацию и предотвращает высвобождение арахидоновой кислоты. В эксперименте по изучению ишемии/реперфузии кишечника на животных тирилазад снижает липидную пероксидацию , но не оказывает влияния на степень поражения слизистой [41]. В последних исследованиях кишечной ишемии/реперфузии с использованием 21-аминостероида с полной окклюзией верхней брыжеечной артерии отмечено увеличение выживаемости [42].
Модуляция функции лейкоцитов
Накопление нейтрофилов в микрососудистом русле вслед за реперфузией увеличивает повреждение тканей в связи с образованием радикалов кислорода и медиаторов воспаления. Степень реперфузионных повреждений может быть уменьшена за счет торможения образования свободных радикалов нейтрофилами, снижения процессов химического притяжения и адгезии нейтрофилов.
Моноклональные антитела против глюкопротеиновых комплексов CD11/CD18 снижают реперфузионные повреждения за счет торможения нейтрофильного хемотаксиса и адгезии [26,29,30]. Моноклональные антитела против глюкопротеиновых комплексов CD18 и CD18b почти полностью прекращают активизацию адгезии и эмиграции лейкоцитов, вызванную реперфузией [43]. Проведению клинических исследований с использованием моноклональных антител против нейтрофильных антигенов у травматизированных пациентов препятствует возможность угнетения нейтрофильного ответа на повреждение.
Ингибитор кишечной фосфолипазы A2 кинакрин снижает ишемически-реперфузионную инфильтрацию нейтрофилов в слизистой кишечника и процесс пропотевания жидкости в легких [44].
Отдаленным осложнением ишемии и реперфузии может стать развитие РДСВ. Экспериментальные исследования показали, что данный синдром также вызывается секвестрацией активированных нейтрофилов в легочных сосудах, т.к. использование утилизации нейтрофилов и ингибиторов активизации нейтрофилов предотвращает развитие отека легких [45]. Увеличение сосудистой проницаемости в легких вследствие реперфузии в ишемизированном кишечнике можно также устранить антителами против тромбоцит-активирующего фактора, P-селектином и CD18 [46,47].
Заключение
В нашем обзоре обсуждены механизмы, лежащие в основе изменений, возникающих при ишемии и последующей реперфузии кишечника, их воздействие на желудочно-кишечный тракт и возможности коррекции подобных нарушений.
В заключение можно сказать, что проблемы ишемически-реперфузионных повреждений достаточно актуальны, имеют большое клиническое значение и нуждаются в решении. Единой точки зрения относительно наиболее приемлемой терапии до настоящего времени нет. Наиболее сложным остается вопрос относительно момента введения антиоксидантных препаратов, таких как аллопуринол и десфероксамин. Несмотря на то, что применение препаратов - модуляторов лейкоцитоза не требует соблюдения таких точных временных рамок, оно ограничивается развитием неспецифических иммунологических эффектов. Окончательным и наиболее фундаментальным вопросом в лечении синдрома реперфузии является поиск терапевтической стратегии, дающей возможность разорвать единственное звено цепи повреждений, не затрагивая при этом другие пути. Решение данного вопроса требует дальнейших фундаментальных и клинических исследований.
Литература
1. Rowell LB, Detry JMR, Blackmon JR, Wyss C (1972) Importance of the splanchnic vascular bed in human blood pressure regulation. J Appl Physiol 32:213-220
2. Takala J (1996) Determinants of splanchnic blood flow. Br J Anaesth 77:50-58
3. Noeldge-Schomburg GFE, Priebe HJ, Armbruster K, Pannen B, Haberstroh J, Geiger K (1996) Different effects of early endotoxaemia on hepatic and small intestinal oxygenation in pigs. Intensive Care Med 22:795-804
4. Gelman S (1995) The pathophysiology of aortic cross-clamping and unclamping. Anesthesiology 82:1026-1060 Arranow JS, Fink MP (1996) Determinants of intestinal barrier failure in critical illness. Br J Anaesth 77:71-81 Biffl WL, Moore EE (1996) Splanchnic ischaemia/reperfusion and multiple organ failure. Br J Anaesth 77:59-70 Dantzker DR (1993) The gastrointestinal tract: the canary of the body? JAMA 270:1247-1248
5. Haglund U (1994) Gut ischaemia. Gut 35:S73-S76
6. Bulkley GB, Kvietys PR, Parks DA, Perry MA, Granger DN (1985) Relationship of blood flow and oxygen consumption to ischaemic injury in the canine small intestine. Gastroenterology 89:852-857
7. Parks DA, Granger DN (1986) Contributions of ischaemia and reperfusion to mucosal lesion formation. Am J Physiol 250: G749-G753
8. Schoenberg MH, Berger HG (1993) Reperfusion injury after intestinal ischaemia. Crit Care Med 21:1376-1386
9. Zimmerman BJ, Granger DN (1994) Oxygen free radicals and the gastrointestinal tract: role ischaemia-reperfusion injury. Hepato-Gastroenterol 41:337-342
10. Ince C, Thio S, Van Iterson M, Sinaasappel M (1996) Microvascular p02 measured by Pd-porphine quenching of phophorescence in a porcine model of slowly developing sepsis. In: Bennett D, ed. 9th European Congress on Intensive Care Medicine. Glasgow(UK): Monduzzi Editore: 133-139
11. Shepherd AP, Kiel JW (1992) A model of countercurrent shunting of oxygen in the intestinal villus. Am J Physiol 262: H1136-H1142
12. McNeill JR, Stark RD, Greenway CV (1970) Intestinal vasoconstriction after hemorrhage: roles of vasopressin and angiotensin. Am J Physiol 219:1342-1347
13. Reilly PM, MacGowan S, Miyachi M, Schiller HJ, Vickers S, Aulkley GB (1992) Mesenteric vasoconstriction in cardiogenic shock in pigs. Gastroenterology 102:1968-1979
14. Schoenberg
MH, Fredholm BB, Haglund U, et al. (1985) Studies on the oxygen radical
mechanism involved in small intestinal reperfusion damage. Acta Physiol Scand 124:581-
15. Grace PA (1994) Ischaemia-reperfusion injury. Br J Surg 81:637-647
16. Fink MP (1991) Gastrointestinal mucosal injury in experimental models of shock, trauma, and sepsis. Crit Care Med 19:627-641
17. Weiss SJ (1986) Oxygen, ischaemia, and inflammation. Acta Physiol Scand 548 (Suppl):9-Parks DA, Williams TK, Beckman JS (1988) Conversion of xanthine dehydrogenase to oxidase in ischaemic rat intestine: a reevaluation. Am J Physiol 254:G768-G774
18. Halliwell B, Guttridge JMC (1986) Oxygen free radicals and iron in relation to biology and medicine: some problems and concepts. Arch Biochem Biophys 246:501-514
19.
Rubanyi G, Vanhouttte PM (1986) Superoxide anions and
hyperoxia inactivate endothelium-derived relaxing factor. Am J
20. Physiol 252:H822-H827
21. Parks DA, Granger DN (1983) Ischaemia-induced vascular changes: role of xanthine oxidase and hydroxyl radicals.
22. Am J Physiol 245:G285-G289
23. Granger DN, Kothuis RJ (1995) Physiologic mechanisms of postischaemic tissue injury. Annu Rev Physiol 57:311-332
24. Suzuki M, Inauen W, Kvietys PR, et al. (1989) Superoxide mediates reperfusion-induced leukocyte-endothelial cell interactions. Am J Physiol 257:H1740-H1745
25. Granger DN, Benoit JN, Suzuki M, Grisham MB (1989) Leukocyte adherence to venular endothelium during ischaemia-reperfusion. Am J Physiol 257:G-683-G688
26. Grisham MB, Hernandez LA, Granger DA (1986) Xanthine oxidase and neutrophil infiltration in intestinal ischaemia.
27. Am J Physiol 251:G567-G574
28. Schoenberg MH, Poch B, Younes M, Schwarz A, Baczako K (1991) Involvement of neutrophils in postischaemic damage to the small intestine. Gut 32:905-912
29. Hernandez LA, Grisham MB, Twohig B, Arfors KE, Harlan JM, Granger DN (1987) Role of neutrophils in ischaemia-reperfusion-induced microvascular injury. Am J Physiol 253:H699-H703
30. Adams DH, Nash GB (1996) Disturbance of leukocyte circulation and adhesion to the endothelium as factors in circulatory pathology. Br J Anaesth 77:17-31
31. Zimmerman BJ, Holt JW, Paulson JC, et al. (1994) Molecular determinants of lipid mediator-induced leukocyte adherence and emigration in rat mesenteric venules. Am J Physiol 266:H847-H853
32. Engler RL, Dahlgren MD, Morris DD, Peterson MA, Schmid-Schoenbein GW (1986) Role of leukocytes in response to acute myocardial ischaemia and reflow in dogs. Am J Physiol 251:H314-H323
33. Barroso-Arranda J, Schmid-Schoenbein GW, Zweifach BW, Engler RL (1988) Granulocytes and the no-reflow phenomenon in irreversible hemorrhagic shock. Circ Res 63:437-447
34. Jerome SN, Dore M, Paulson JC, Smith CW, Korthuis RJ (1994) P-selectin and ICAM-1 dependent adherence reactions: role in the genesis of postischaemic capillary no-reflow. Am J Physiol 266:H1316-H1321
35. Carden DL, Smith JK, Korthhuis RJ (1990) Neutrophil-mediated microvascular dysfunction in postischaemic canine skeletal muscle: role of granulocyte adherence. Circ Res 66:1436-1444
36. Parks DA, Bulkley DN, Granger SR, Hamilton SR, McCord JM (1982) Ischaemic injury in the cat small intestine: role of superoxide radicals. Gastroenterology 82:9-15
37. Granger DN, McCord JM, Parks DA, Hollwarth ME (1986) Xanthine oxidase inhibitors attenuate ischaemia-induced vascular permeability changes in the cat intestine. Gastroenterology 90:80-84
38. Pirsino R, DiSimplicio P, Ignesti G, et al. (1988) Suflhydryl groups and peroxidase-like activity in albumin as scavenger of organic peroxides. Pharmacol Res Com 20:545-552
39. Freeman BA, Crapo JS (1982) Biology of disease, free radicals and tissue injury. Lab Invest 47:412-426
40. Park P-O, Gerden B, Haglund U (1994) Effects of a novel 21-aminosteroid on methylprednisolone in experimental total intestinal ischaemia. Arch Surg 129:857-860
41. Squadrito F, Altavilla D, Ammendolia L, et al. (1995) Improved survival and reversal of endothelial dysfunction by the
42. 21-aminosteriod, U-74389G in splanchnic ischaemia-reperfusion injury in the rat. Br J Pharmacol 115:395-400
43. Botha AJ, Moore FA, Moore EE, Peterson VM, Goode AW (1997) Base deficit after major trauma directly relates to neutrophil CD 1 lb expression: a proposed mechanism of shock induced organ injury. Intensive Care Med 23:504-509
44. Otamiri T, Lindahl M, Tagesson C (1988) Phospholipase A2 inhibition prevents mucosal damage associated with small intestinal ischeaemia in rats. Gut 29:489-494
45. Welbourn CR, Goldman G, Paterson IS, Valeri CR, Shepro D, Hechtman HB (1991) Pathophysiology of ischaemia reperfusion injury: central role of the neutrophil. Br J Surg 78:651-655
46. Carter MB, Wilson MA, Wead WB, Garrison N (1996) Platelet-activating factor mediates pulmonary macromolecular leak following intestinal ischaemia-reperfusion. J Surg Res 60:403-408
47. Hill J, Lindsay T, Valeri CR, Shepro D, Hechtman HB (1993) A CD18 antibody prevents lung injury but not hypotension after intestinal ischaemia reperfusion. J Appl Physiol 74:659-664