Метаболизм железа как патогенетическое звено развития инфекционных осложнений при муковисцидозе
Козлов Андрей Владимирович, ассистент кафедры фундаментальной и клинической биохимии с лабораторной диагностикой, ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России
Гусякова Оксана Анатольевна, доктор медицинских наук, доцент, заведующая кафедрой фундаментальной и клинической биохимии с лабораторной диагностикой, ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России
Лямин Артем Викторович, кандидат медицинских наук, доцент кафедры общей и клинической микробиологии, иммунологии и аллергологии, ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России
Ерещенко Алена Анатольевна, ассистент кафедры фундаментальной и клинической биохимии с лабораторной диагностикой, ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России
Арчибасова Ольга Владимировна, ассистент кафедры фундаментальной и клинической биохимии с лабораторной диагностикой, ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России
Иванова Наталья Вячеславовна, ассистент кафедры фундаментальной и клинической биохимии с лабораторной диагностикой, ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России
Жестков Александр Викторович, доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой общей и клинической микробиологии, иммунологии и аллергологии, ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России
Сергиенко Диана Фикретовна, доктор медицинских наук, профессор кафедры факультетской педиатрии, ФГБОУ ВО «Астраханский государственный медицинский университет» Минздрава России
Аннотация
Сведения о метаболизме железа в последние десятилетия были существенно пополнены. Приведены данные об основных белках, принимающих участие в обмене железа у человека. Описаны механизмы получения железа у бактерий из макроорганизма и их значение в развитии инфекционно-воспалительного процесса у пациентов с муковисидозом. Рассмотрено значение сидерофоров Burkholderia cepacia complex и Pseudomonas aeruginosa в процессах связывания и транспорта железа в бактериальные клетки. Результатом сложных взаимодействий бактерий и макроорганизма при муковисцидозе может быть развитие тяжелых обострений, в том числе и «цепация-синдрома». Такие осложнения следует понимать не только как прямое повреждение бактериями тканей легкого, но и как фактор формирования «порочного круга»: вязкая мокрота приводит к инфицированию нижних дыхательных путей микроорганизмами, которые нуждаются в железе и высвобождают его из тканей, что может не только стимулировать повреждение легкого, но и приводить к росту вирулентности бактерий.
Ключевые слова: железо, железосвязывающие белки, муковисцидоз, воспаление, инфекционный процесс.
Abstract
железо бактерия пациент воспалительный
Iron metabolism as a pathogenetic link in the developmentof infectious complications in cystic fibrosis
Kozlov Andrey V., Assistant, Samara State Medical University
Gusyakova Oksana A., Dr. Sci. (Med.), Associate Professor, Head of Department, Samara State Medical University
Lyamin Artem V., Сand. Sci. (Med.), Associate Professor of Department, Samara State Medical University
Ereshchenko Alena A., Assistant, Samara State Medical University
Archibasova Ol'ga V., Assistant, Samara State Medical University
Ivanova Natal'ya V., Assistant, Samara State Medical University
Zhestkov Aleksandr V., Dr. Sci. (Med.), Professor, Head of the Department, Samara State Medical University
Sergienko Diana F., Dr. Sci. (Med.), Professor of Department, Astrakhan State Medical University
Information on iron metabolism has been significantly supplemented and changed in recent decades. The review provides data on the main proteins involved in iron metabolism in humans. The mechanisms of iron acquisition in bacteria from the macroorganism and their importance in the development of infectious and inflammatory process in patients with cystic fibrosis are described. Data on the significance of Burkholderia cepacia complex and Pseudomonas aeruginosa siderophores in the processes of binding and transport of iron to bacterial cells are presented. The result of complex interactions of bacteria and macroorganism in cystic fibrosis can be the development of severe exacerbations, including “cepation-syndrome”, which, taking into account the above data, should be considered not only as direct damage to the lung tissue by bacteria, but also as a factor in the formation of a “vicious circle”: viscous sputum leads to infection of the lower respiratory tract with microorganisms that need iron and release it from the tissues, which can stimulate not only lung damage, but also lead to the growth of virulence of bacteria.
Key words: iron, iron-binding proteins, cystic fibrosis, inflammation, infectious process.
В последние десятилетия существенно пополнены сведения о функциях железа, регуляции его метаболизма и диагностической ценности. Сегодня все более детально изучается метаболизм этого микроэлемента и его роль как основного субстрата для синтеза гемоглобина, а также регулятора ферментативного катализа [10], маркера воспалительных процессов [9], пускового механизма свободнорадикальных окислительных процессов [30] и развития бактериальных инфекций [24, 28]. Растет число публикаций о новых железосодержащих белках и их функциях в метаболизме при норме и патологии, о возможности их использования в качестве диагностических маркеров [3].
Поступая с пищей, железо всасывается в тонком кишечнике, и этот процесс регулируется целым рядом белков и ферментов. Энтероциты играют ключевую роль в гомеостазе железа, так как являются высокоспециализированными клетками для абсорбции Fe2+. Однако в тонкий кишечник железо поступает в окисленной форме Fe3+, что осложняет его проникновение в эпителиоцит. На апикальной поверхности клеток происходит восстановление железа в двухвалентную форму с помощью дуоденальной цитохромоксидазы В - витаминзависимого фермента, который использует аскорбат в качестве донора электронов [26]. Примечательно, что помимо усвоения железа из рациона, аскорбиновая кислота в метаболизме железа также участвует в синтезе ферритина и ингибирует лизосомальную аутофагию данного белка [23, 36]. Далее происходит захват железа специфическим переносчиком - двухвалентным металлотранспортером (ДМТ-1), обеспечивающим транспорт металла к базолатеральной мембране. ДМТ-1 является интегральным мембранным гликопротеином, который в своей функции специфичен не только для железа, он также обеспечивает перенос ионов меди, цинка, кобальта и других элементов [8]. По данным некоторых авторов, в связи с этим формируется некое подобие конкуренции вышеперечисленных металлов за использование данного транспортера [19].
Как только железо связывается ДМТ-1, оно попадает в цитозоль энтероцитов. Энтероциты имеют короткую продолжительность жизни (в среднем 3 суток) [4], и железо, накопленное в клетках, может быть потеряно для организма при их слущивании или разрушении этих клеток. Таким образом, поступление железа в ткани организма зависит от его переноса через апикальную и базальную поверхности энтероцитов. Поэтому на следующем этапе железо пересекает базолатеральную поверхность эпителиальных клеток кишечника с помощью специфического переносчика - ферропортина, что является одним из ключевых моментов всего гомеостаза железа [37].
Ферропортин, известный так же как IREG1 (iron regulated protein 1) или МТР1 (metal tolerance protein 1), выступает в качестве приоритетного переносчика с точки зрения поступления железа в ткани и его переноса между клетками разного типа, поскольку является единственным известным транспортером, который экспортирует Fe из клеток в плазму и осуществляет его распределение между тканями [8, 37]. Помимо энтероцитов, данный белок преимущественно локализован и на мембранах других клеток - макрофагов, обеспечивающих поглощение и разрушение стареющих эритроцитов - эритрофагоцитоз. В лизосомах макрофагов происходит высвобождение железа из гема гемоглобина, которое через ферропортин попадает из макрофага в плазму крови [18]. Известно, что активность ферропортина зависит от пептидного гормона - гепсидина, который синтезируется в печени и считается основным регулятором процессов усвоения, рециркуляции, депонирования и высвобождения железа [22]. Гепсидин, соединяясь с ферропортином, на поверхности мембраны клетки образует комплекс гепсидин-ферропортин, который попадает в клетку и разрушается в лизосомах. Таким образом, блокируется функция ферропортина, как следствие, железо накапливается внутри энтероци- та (и других клеток), что приводит к снижению его количества в плазме и секвестрации в тканях преимущественно в составе ферритина [7]. Являясь одним из основных железосодержащих белков организма, ферритин может аккумулировать до 4 500 молекул железа в двухвалентной форме. Всего же этот белок связывает до 15-20 % от общего количества железа в организме [7]. Структурно молекула ферритина представляет собой крупномолекулярный белковый комплекс (440 кДа), апоферритин которого является внешней оболочкой и покрывает ядро из гидроксифосфата железа. Белковая часть молекулы состоит из 24 субъединиц двух типов, синтез которых детерминируется разными генами: L (light, легкая, 19,9 кДа) и H (heavy, тяжелая, 22 кДа), разное соотношение которых формирует наличие до 20 изоформ ферритина в тканях. Все функции субъединиц до конца не выяснены, однако известно, что H-субъединицы содержат ферментативные комплексы, способствующие окислению железа, в то время как L-субъединицы обеспечивают транспорт ионов железа к ядру молекулы. Примечательно, что ферритины, богатые H-субъединицами, быстрее накапливают и высвобождают железо, находятся преимущественно в сердце, а также в плаценте, фетальных тканях и клетках злокачественных опухолей, то есть в клетках с повышенным метаболизмом [12]. Напротив, изоферритины с преимущественным содержанием L-субъединиц содержатся в печени и селезенке и депонируют железо для всего организма, что позволяет говорить об органоспецифичности этого белка. Часть ферритина может подвергаться процессу гликирования и экскретироваться в кровь, в то время как при цитолизе высвобождается негликированная форма белка, что может иметь значение в диагностике: гликиро- ванный ферритин имеет секреторное происхождение и может продуцироваться и лейкозными клетками [6]. Депонирование железа в ферритине ограничивает его возможность генерировать свободные радикалы и обеспечивает антиоксидантную функцию, в том числе и для клеток эндотелия, что имеет значение в патогенезе атеросклероза и васкулитов [11].
Литературные данные за последние десятилетия значительно пополнены сведениями о метаболизме железа в норме, которые могут помочь в понимании ряда патологических процессов при некоторых заболеваниях, помимо железодефицитной анемии и гемохроматозов, где железо и железосвязывающие белки могут играть ключевую роль в патогенезе и диагностике. В частности, эта информация может иметь значение для лечения и поддержки пациентов с муковисцидозом (МВ).
Сегодня МВ представляет собой одно из самых распространенных наследственных заболеваний, в этиологии которого лежит мутация гена Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator (CFTR), ответственного за синтез одноименного белка-регулятора ионных каналов: хлорного и натриевого [5]. Распространенность патологии значительна: в странах Западной Европы 1 : 2 500 - 1 : 3 000 новорожденных, в России - примерно 1 : 10 000 [1, 41]. МВ характеризуется нарушением работы экзокринных желез дыхательных путей, органов пищеварения и урогенитального тракта, при этом именно дыхательная недостаточность, развивающаяся вследствие изменения биохимических и реологических свойств мокроты в сочетании с хронической инфекцией, является основной причиной смертности пациентов [14]. И в этом продолжительном процессе ключевую роль играет специфическая микрофлора дыхательных путей пациентов с МВ, в первую очередь Burkholderia cepacia complex и Pseudomonas aeruginosa. Помимо эпидемиологической значимости и высокой патогенности для данной группы пациентов, эти микроорганизмы также представляют интерес в исследовании их молекулярных механизмов высвобождения железа из окружающей среды и его усвоения, что, несомненно, влияет на патогенез воспалительных процессов в легких. Оба этих возбудителя относятся к группе неферментирующих грамотрицательных бактерий (НФГОБ) и нуждаются в регулярном поступлении железа. Железо бактериальным клеткам необходимо для нормального функционирования ферментов и белков, обеспечивающих энергетические процессы, синтез нуклеиновых кислот, процессы деления клетки, защиты от кислородных радикалов. К ним относятся цитохромы, ферредокси- ны, каталаза, супероксиддисмутаза, нитрогеназы, рибонуклеотидредуктаза и др. [15]. С учетом адаптационных и патогенных особенностей НФГОБ, а именно - их способности продуцировать биопленки, было продемонстрировано влияние наличия железа на эти факторы патогенности. Кроме того, сделан вывод о том, что высокие концентрации железа стимулируют агрегацию бактерий и образование биопленок, а также факторов адгезии и инвазии, то есть поддерживают вирулентность патогенной флоры [13, 39]. Поверхность тканей органов человеческого организма, включая респираторный тракт, считается скудной по содержанию железа средой, а внутриклеточное железо находится в секвестрированном с белками состоянии и для бактерий недоступно, соответственно микроорганизмы имеют способы и механизмы его получения для сохранения своей жизнеспособности [14]. Одним из таких механизмов является синтез сидерофоров - небольших железо-хелатообразующих молекул, выделяемых грамотрицательными, грамположительными и грибковыми микроорганизмами. Они обычно классифицируются как сидерофоры катехолатного типа, которые связывают трехвалентное железо через гидроксильные группы, сидерофоры гидроксаматного типа, которые хелатируют трехвалентное железо через карбонильную группу с соседним азотом, и сидерофоры смешанного типа, которые имеют катехол- и гидроксаматсвязывающие фрагменты [17, 35].
Синегнойная палочка как один из самых распространенных патогенов при МВ в ответ на недостаток железа в окружающей среде может синтезировать два основных сидерофора: пиовердин и пиохелин. Пиовердин является сидерофором смешанного типа, имеет более высокое сродство к железу и влияет на процесс образования биопленки, в то время как синтез пиохелина наиболее активен в условиях железодефицита среды и требует больше энергии от бактерии [16]. Схожим способом получают металл бактерии из Burkholderia cepacia complex, представляющие наиболее серьезную угрозу для жизни пациентов с МВ: инфицирование данными микроорганизмами может привести к развитию «цепация-синдрома», сопровождающегося некротизирующей пневмонией и сепсисом [33]. В арсенале этих бактерий имеется четыре сидерофора: орнибактин, цепабактин, пиохелин и цепациахе- лин. Работы, ориентированные на изучение этих молекул, подтверждают также прямую генотипическую и фенотипическую связь между возможностью приобретения железа микробной клеткой и степенью вирулентности [14, 27]. Примечателен тот факт, что сидерофоры некоторых бактерий могут использоваться другими микроорганизмами, не способными их продуцировать. Формируется некая конкуренция за железо среди микрофлоры нижних дыхательных путей, в которой также участвуют условно-патогенные комменсалы [29].
Кроме того, существуют данные о том, что помимо синтеза сидерофоров микроорганизмы могут применять и другие механизмы высвобождения железа из клеток. Так, Pseudomonas aeruginosa выделяет несколько протеолитических ферментов (эластаза, щелочная протеаза, эндопротеазы PrpL), которые действуют не только на структуры клеток, но и на железосвязывающие белки тканей - лак- тоферрин, ферритин и трансферрин, делая металл более доступным для микробной клетки [25, 40, 42]. Но микроорганизмы являются основными инициаторами выхода железа и железосвязывающих белков из тканей не только за счет продукции сидерофоров и протеаз. Сам хронический и периодически обостряющийся процесс воспаления в респираторном тракте у пациентов с МВ способствует формированию среды, богатой железом, ферритином и другими железосодержащими компонентами, что создает дополнительные условия для колонизации НФГОБ нижних дыхательных путей у пациентов с МВ, а также селекции более вирулентных штаммов. Из-за дефекта работы ионных каналов в легких пациентов с МВ выделяется густая, трудноотделяемая, вязкая мокрота, которая не только способствует формированию благоприятной среды для существования НФГОБ и воспалению, но и препятствует активной работе нейтрофилов, проникновению антибактериальных агентов (лизоцим, де- фензин).