В настоящее время накоплено значительное количество данных о важнейшей роли сосудистого эндотелия в патогенезе сердечно-сосудистых заболеваний. Эндотелий сосудов — сложный паракринный орган, вырабатывающий большое количество биологически активных веществ. Вариации и комбинации факторов микроокружения и локального кровотока в ходе дифференцировки клеток приводят к образованию специализированных форм эндотелия. По особенностям строения различают 3 основных типа эндотелия: непрерывный (соматический); фенестрированный (висцеральный); прерывистый (синусоидный).
Непрерывный эндотелий наиболее распространен в организме (капилляры скелетных мышц и гематоэнцефалического барьера). Составляющие его эндотелиальные клетки плотно прилегают друг к другу, связаны между собой при помощи плотных контактов и содержат множество пиноцитозных пузырьков, участвующих в транспорте метаболитов между кровью и тканями.
Фенестрированный эндотелий имеет фенестры — истонченные участки диаметром 50—80 нм, которые облегчают транспорт веществ между кровью и тканью. Больше всего фенестрированного эндотелия находится в капиллярных клубочках почки, эндокринных железах, ворсинках кишечника, в эндокринной части поджелудочной железы, печени.
Прерывистый эндотелий характеризуется наличием щелей между клетками, базальная мембрана прерывиста. Прерывистый эндотелий находится в органах, в которых происходит обмен клетками (например, в костном мозге).
Везикулы, стыки между эндотелиальными клетками, фенестры участвуют в транспорте веществ. Ультраструктурный фибриллярный субстрат эндотелия обеспечивает различные формы их подвижности; набухание эндотелия может привести к перекрытию просвета капилляра [1].
Структура эндотелия капилляров также специфична для каждого органа и соответствует его функции. Клетки сосудистого эндотелия выстланы гликокаликсом, основными компонентами которого являются различные углеводы в виде гликопротеидов, гликолипидов, моно- и полисахаридов и гликозаминогликанов. Белки, входящие в состав гликокаликса, связаны с сиаловой кислотой, гиалуромат-, гепарин- и хондроитинсульфатами [2]. Гликокаликс выполняет функции транспортного сетевого барьера для трансэндотелиального передвижения молекул и взаимосвязи эндотелия с форменными элементами крови [3]. Межклеточные связи эндотелия сосудов осуществляются благодаря их плотному соединению через интегриновые рецепторы с белками субэндотелиального матрикса. Кроме того, отдельные эндотелиоциты связываются в единый покров кадгерином — белком, экспрессируемым эндотелиальными клетками [4]. В формировании межклеточных связей участвует также молекула адгезии CD146. Эта молекула находится на поверхности эндотелиальных клеток независимо от калибра сосудов [5].
Поверхность эндотелиальных клеток, обращенная в просвет сосудов, образует множество инвагинаций, получивших наименование «кавеолы». Кавеолы — это липидные плоты (микродомены липидного бислоя клеточной мембраны, обогащенные холестерином, сфинголипидами и насыщенными фосфолипидами, в структуре которых обязательным компонентом является белок кавеолин [6]. В настоящее время идентифицировано 3 белка семейства кавеолинов: кавеолин-1, -2 и -3 (Cav-1, -2, -3), молекулы которых отличаются друг от друга несколькими фрагментами аминокислотных остатков, при этом отмечается зависимость их распределения от типа клеток. Необходимо подчеркнуть, что в эндотелиальных клетках происходит экспрессия Cav-1 и -2, тогда как экспрессия Cav-3 ограничена мышечной тканью, тем не менее все 3 кавеолина распространены в гладких мышцах [7—9]. Установлено также, что Cav-1 и -3 необходимы для формирования кавеол, в то время как Cav-2 не может самостоятельно обеспечить кавеологенез, а взаимодействует при этом с Cav-1 [9].
Кавеолины вовлечены в различные функции клетки, включая процессы эндоцитоза, метаболизма липидов, передачу сигналов, ангиогенез и процесс подавления опухолевого роста. Известно, что кавеолы участвуют в транспорте белков, при этом их транспорт осуществляется значительно быстрее, чем через остальную мембрану. Кавеолы и кавеолины являются важнейшими модуляторами передачи сигналов в клетке [10—12].
Установлено, что большинство из белков мембраны кавеол представлено сигнальными молекулами и их рецепторами. К основным сигнальным молекулам кавеол относятся следующие: 1) протеинкиназы, модифицирующие другие белки путем фосфорилирования остатков аминокислот и регулирующие метаболические пути, а также пути передачи сигналов внутри клетки (тирозиновые протеинкиназы: Src и фосфолипаза Cγ; митоген-активируемые киназы — MAPК); 2) белок H-Ras, относящийся к семейству малых G-белков, осуществляющих передачу сигнала полученного извне клетки и регулирующих размножение клеток; 3) каспаза-3 (цистеиновая протеаза, участвующая в прямом и опосредованном разрушении клеточных структур при апоптозе); 4) простациклинсинтаза, NO-синтаза и др.
Рецепторы кавеол, участвующие прямо или опосредованно в передаче сигнала, представлены рецептором эпидермального фактора роста (тирозинкиназный рецептор); скавенджер-рецепторами SR B1 и CD36, связывающими модифицированные липопротеиды низкой плотности; рецепторами инсулина, эндотелина, брадикинина, андрогенов и др. В кавеолах концентрация этих молекул и рецепторов в несколько раз выше, чем на других участках плазматической мембраны, в связи с чем кавеолы получили название «сигналосомы» [13—17].
Основные рецепторы эндотелия, имеющие отношение к системе гомеостаза, условно можно разделить на следующие классы: адренергические, гистаминовые, холинергические, серотониновые, рецепторы, активируемые протеиназой, простаноидные, гликопротеиновые, ангиотензиновые, эндотелиновые, тирозинкиназные, мультилигандные и др. [3]. Не все рецепторы еще открыты, например, Hsp70 (белки теплового шока молекулярной массы 70 кДа) связываются с эндотелиоцитами, интернализуются и локализуются на определенных внутриклеточных органеллах, тем не менее рецепторы, с которыми связываются эти белки, неизвестны [18].
В настоящее время Cav-1 считается одним из немногих белков, способным связывать холестерин in vivo. Считается, что синтезированный в клетке холестерин использует Cav-1 как средство доставки к клеточной мембране. При повышении внутриклеточного уровня холестерина его избыток накапливается в кавеолах, которые выполняют роль «порталов» для вывода холестерина из клеток [10—12].
Эндотелий играет ключевую роль в контроле сосудистого тонуса, обеспечивая тонкую регуляцию просвета сосуда в зависимости от скорости кровотока и кровяного давления на сосудистую стенку, метаболических потребностей участка ткани, снабжаемого кровью данным сосудом. Это связано с тем, что сосудистый эндотелий продуцирует такие вазоактивные факторы, как оксид азота (NO), эндотелин, гиперполяризующий фактор (EDHF), продуцируемый эндотелием, простациклин, ангиотензинпревращающий фермент (АПФ). Кроме того, эндотелий сосудов препятствует коагуляции крови и принимает участие в фибринолизе, а также в регуляции роста гладких мышечных клеток (ГМК) [19, 20].
Выделяют 3 основные группы факторов, активирующих клетки эндотелия.
- Изменение объемной скорости кровотока — увеличение напряжения сдвига, которое в свою очередь ведет к активации NO-синтазы.
- Циркулирующие гормоны, физиологически активные вещества: катехоламины, вазопрессин, ацетилхолин, брадикинин, аденозин, гистамин.
- Факторы тромбоцитарного происхождения: серотонин, аденозинтрифосфат, тромбин, тромбоксан А2.
В результате своего уникального расположения эндотелиальные клетки испытывают действие 3 основных механических сил: боковое давление на стенку сосуда; окружное растяжение или напряжение между эндотелиальными клетками, и напряжение сдвига или силы трения, созданные кровотоком. Из перечисленных механических сил напряжение сдвига является особенно важной, поскольку оно стимулирует высвобождение вазоактивных веществ, изменение уровня экспрессии генов, клеточный метаболизм [21]. Единицей напряжения сдвига является Паскаль (Па) в системе СИ. Для описания напряжения сдвига в сердечно-сосудистой системе используются, как правило, дин/см2 (1 Па = 10 дин/см2).
Вопрос о том, как механический сигнал напряжения сдвига преобразуется в биохимический сигнал внутри эндотелиальной клетки, до сих пор остается открытым. В качестве возможных первичных механорецепторов напряжения сдвига предлагаются следующие 4 кандидата: интегрины, кавеолы, ионные каналы и G-белки, а промежуточными передатчиками сигнала внутри клетки являются митоген-активируемые протеинкиназы (ERK1/2 — киназы, регулируемые внеклеточным сигналом; JNK — c-JUN NH2-концевые киназы; p38 МАРК; ВМК-1 — большая МАР-киназа 1) и ряд других сигнальных молекул — с-Src, Ras, Raf (семейство серин/треониновых протеинкиназ), протеинкиназа С [22]. Имеются данные об образовании специализированного механорецепторного комплекса при ламинарном кровотоке, связанного с взаимодействием тирозинкиназного рецептора Axl с интегринами и обладающего антиапоптотической активностью [23]. M. Chachisvilis и соавт. [24] установили, что изменение напряжения сдвига увеличивает текучесть плазматической мембраны эндотелиальных клеток и способствует лиганд-независимому конформационному переходу в активную форму рецептора брадикинина B2, связанного с G-белками, обеспечивая тем самым процесс релаксации сосудов.
Среди претендентов на роль механорецепторов напряжения сдвига рассматривается также гликокаликс. Исследования in vitro и ex vivo с использованием гепариназы-III и гиалуронидазы, разрушающих протеогликаны и гликозаминогликаны в гликокаликсе, показали значительное снижение выработки NO при напряжении сдвига. Эти данные свидетельствуют, что как гепарансульфат, так и гиалуронан в эндотелиальном гликокаликсе имеют решающее значение для восприятия поток-индуцированных сил [25—27]. В то же время установлено, что гепарансульфатный компонент гликокаликса не участвует в механизме наклона стыков эндотелиальных клеток в ответ на напряжение сдвига [28]. B. Melchior и J.A. Frangos (2010) показали, что эндотелиальные клетки могут адаптироваться к устойчивому сдвигу с определенным углом наклона между эндотелиальными клетками в направлении потока. Авторы выявили, что угол наклона межэндотелиального соединения при однонаправленном потоке снижает распространение напряженности на мембране, уменьшая напряжение межклеточных стыков, что приводит к затуханию механического влияния на клетки. Изменение потока немедленно сопровождается репозиционированием межэндотелиального соединения и повышением уровня цитоплазматического Ca2+ в эндотелии. Корреляция между увеличением наклона стыков и снижением клеточных реакций является показателем эффективной механоадаптации клеток в сосудистом бассейне с ламинарным кровотоком [28].
Ряд исследователей предполагают, что в качестве механорецепторов могут выступать образования апикальной мембраны органелл в эндотелиальных клетках, так называемые первичные реснички (cilia). Показано, что в линиях мышей с ослабленным аппаратом cilia нарушались направленность миграции эндотелиальных клеток и клеточная проницаемость. Это представление основано на том, что первичные реснички передают механический сигнал актиновым филаментам цитоскелета путем индукции экспрессии белков теплового шока (Hsp27) [29].
Кровоток и гемодинамические силы неравномерно распределены на протяжении сосудистой системы.
В прямых участках артериального русла кровоток, как правило, ламинарный, и напряжение сдвига на стенке высокое и направленное. В сосудистых ответвлениях и изгибах кровоток становится неоднородным с неравномерным распределением низкого напряжения сдвига на стенке сосуда. Нарушенный поток может также возникать с аортальной стороны двустворчатого клапана.
В этих сосудистых зонах кровотока образуются рециркуляционные вихри, отрыв и присоединение потока, и возвратно-поступательный поток, которые способствуют большей восприимчивости сосудистой стенки к развитию атеросклеротического поражения [30—32].
В венозной системе нарушенный кровоток связан с рефлюксом (т.е. ретроградным потоком) при недостаточности клапанов венозных сосудов, при их обструкции или стазе [32]. Гидродинамические потоки обеспечивают регуляцию экспрессии генов эндотелиальных клеток. Профиль экспрессии генов в регионах с нарушенными потоками отражает неустойчивое равновесие между атерогенными и защитными генами, действие факторов риска может склонить чашу весов в сторону развития атеросклероза [33].
При сравнении действия разных гемодинамических условий в эксперименте показано, что пониженное напряжение сдвига активирует гены клеточного цикла, связанные с пролиферацией клеток эндотелия, а меняющий направление поток жидкости вызывает адгезию моноцитов к эндотелию [34]. Пониженное напряжение сдвига также способствует существенной активации экспрессии рецептора кининов B1R, которые являются провоспалительными биологически активными веществами [35]. Важно отметить, что колебательный поток с низким напряжением сдвига обладает также способностью индуцировать экспрессию молекул адгезии VCAM-1, ICAM-1 и в меньшей степени Е-селектина [36].
Основной эффектор напряжения сдвига NO — самый мощный из известных вазодилататоров, синтезируемый из L-аргинина тремя основными изоформами NO-синтазы: двумя конститутивными — нейрональной (nNOS) и эндотелиальной (eNOS) — и индуцибельной (iNOS) [37, 38]. Как уже упоминалось, эндотелиальная NO-синтаза находится в кавеолах. Кавеолин-1, связываясь с кальмодулином, ингибирует eNOS. Активация eNOS происходит в случае, если кальций при соединении с кальмодулином вытесняет кавеолин-1. Таким образом, eNOS обеспечивает продукцию NO после воздействия любого стимула, вызывающего повышение концентрации кальция в клетке [8, 39]. Индуцибельная NOS не присутствует в клетках постоянно, а синтезируется при патологических состояниях, при которых уровень NO в тысячи раз превышает его продукцию в норме [40]. Важно отметить, что действие NO как вазодилататора происходит в течение того времени, пока его синтезирует NO-синтаза, локализованная в монослое эндотелия. Это связано с тем, что NO имеет короткий период жизни, в течение которого газообразный медиатор диффундирует в ГМК сосудов, где активирует гуанилатциклазу с образованием цГМФ, что приводит к вазодилатации [41].
Различные стимулы, влияющие на выделение NO, также вызывают синтез простациклина — одного из конечных продуктов метаболизма арахидоновой кислоты. Простациклин, активируя аденилатциклазу, увеличивает содержание циклического аденозинмонофосфата, который вызывает релаксацию сосудов и препятствует агрегации тромбоцитов.
Сосудистый эндотелий также является источником эндотелина-1 — мощного вазоконстриктора и митогенного фактора для ГМК сосудов, фибробластов и кардиомио-цитов. Повышение его уровня способствует атеросклеротическому повреждению сосудов, развитию легочной и системной гипертензии, ишемии мозга, сахарному диабету и рассматривается как маркер и предиктор тяжести и исхода этих патологических состояний. Помимо эндотелина-1 известны еще 2 изоформы эндотелина: эндотелин-2 и эндотелин-3 [42, 43]. Эндотелины оказывают свое действие через эндотелиновые рецепторы типов А и В. Эндотелиновые рецепторы типа А локализуются в ГМК сосудов и опосредуют вазоконстрикторный эффект эндотелина-1 и эндотелина-2, рецепторы типа В обнаружены в эндотелиальных клетках сосудов и участвуют в эндотелийзависимой вазодилатации [44].
Важно также упомянуть АПФ, который экспрессируется в большом количестве в сосудистых эндотелиальных клетках [45]. Растворимые формы фермента обнаруживаются в плазме крови и предположительно происходят от мембрано-связанной формы путем протеолитического расщепления [46]. АПФ играет важную роль в регуляции сосудистого тонуса, участвуя в превращении биологически неактивного ангиотензина I в ангиотензин II, который является мощным вазоконстриктором и разрушает вазодилататор брадикинин [47].
Кроме того, в эндотелии образуются такие факторы вазоконстрикции, как простагландин Н2 и небольшое количество тромбоксана А2 [48]. Тромбоксан А2 и его предшественник — простагландин Н2 связываются с одним рецептором на ГМК и снижают концентрацию циклического аденозинмонофосфата в них, вызывая вазоконстрикцию [49].
Таким образом, эндотелий сосудов — система, выполняющая большое число важнейших регуляторных функций, направленных на поддержание сосудистого гомеостаза. Дальнейшее исследование механизмов регуляции функции эндотелия в условиях нормы и патологии расширит наше представление о роли различных патогенных факторов, влияющих на дисфункцию эндотелия в генезе сердечно-сосудистых заболеваний.
