Патогенез гипергликемии и других нарушений обмена веществ у больных сахарным диабетом

Концентрация свободной глюкозы в клетках значительно выше ее содержания во внеклеточном секторе. Известно, что скорость переноса глюкозы через наружную клеточную мембрану мио- и адипоцитов пред­ставляет собой детерминанту интенсивности фосфорилирования глюко­зы в клетках. D-глюкоза и другие сахара проникают в клетки путем об­легченной диффузии, опосредованной переносчиком. Инсулин усилива­ет трансмембранный перенос глюкозы, увеличивая число переносчиков, активно функционирующих на уровне плазматической мембраны. Не­достаточная концентрация нормального инсулина в циркулирующей крови, нарушения взаимодействия гормона со своим рецептором при­водят к снижению числа переносчиков глюкозы, функционирующих на уровне плазматической мембраны. В результате падает транспорт глюкозы в клетки жировой и мышечной ткани, что повышает содер­жание глюкозы во внеклеточном пространстве и обуславливает ги­пергликемию.

Инсулин не усиливает облегченной диффузии глюкозы в гепатоци-ты, но увеличивает приток глюкозы в дифференцированные клетки пе­чени через рост активности в них глюкокиназы, одного из ключевых ферментов гликолиза, превращающего глюкозу в глюкозо-6-фосфат. Инсулин, стимулирующий экспрессию гена данного энзима, повышает содержание глюкокиназы в гепатоцитах, что интенсифицирует гликолиз и снижает содержание свободной глюкозы в клетках печени. В резуль-

тате растет свободная диффузия глюкозы из внеклеточного сектора в гепатоциты. При инсулинопении или патологической резистентности по отношению к инсулину на уровне гепатоцитов в них падает фосфорили-рование глюкозы. В результате растет содержание свободной глюкозы в дифференцированных клетках печени и падает ее свободная диффузия в гепатоциты. Это повышает содержание глюкозы во внеклеточном сек­торе и служит одним из факторов гипергликемии у больных сахарным диабетом.

Кроме того, инсулин усиливает интенсивность гликолиза в печени и других органах вследствие того, что повышает активность в них других его ферментов, фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Одно­временно инсулин подавляет в гепатоцитах активность глюкозо-6-фосфатазы, что повышает концентрацию в них глюкозо-6-фосфата. В результате действия инсулина глюкоза удерживается в клетках печени, так как их наружная мембрана непроницаема для глюкозо-6-фосфата. Снижение содержания инсулина в крови и (или) патологическая рези-стентность по отношению к инсулину через повышение активности глюкозо-6-фосфатазы снижают удержание глюкозы в гепатоцитах в виде глюкозо-6-фосфата. Это может быть одним из факторов ги­пергликемии. (

Инсулин, повышая активность гликогенсинтетазы, усиливает обра­зование гликогена на системном уровне. Поэтому инсулинопения и па­тологическая резистентность по отношению к инсулину снижают утили­зацию глюкозы из внеклеточного сектора для синтеза гликогена и тем самым обуславливают гипергликемию.

Под влиянием инсулина происходит избирательное ингибирование транскрипции гена, кодирующего фосфоенолпируваткарбоксикиназу, ключевой фермент глюконеогенеза. В результате инсулинопении или патологической резистентности к инсулину глюконеогенез растормажи­вается, что повышает высвобождение глюкозы печенью и ведет к ги­пергликемии.

Итак, патогенез гипергликемии у больных сахарным диабетом весь­ма сложен и не сводится только к низкой облегченной диффузии глюко­зы через наружную клеточную мембрану клеток мышечной и жировой ткани (схема. 13.1). Свою роль в развитии гипергликемии у пациентов с сахарным диабетом играют превалирующие на системном уровне эф­фекты катаболических гормонов антагонистов инсулина в виде тормо­жения синтеза гликогена и усиления гликогенолиза.

Инсулинопения и патологическая резистентность по отношению к инсулину через снижение анаболического эффекта инсулина и его анти-катаболического действия обуславливают стойкое падение процессов анаболизма, в том числе липогенеза и белкового синтеза. Одновременно

в мышечные и другие клетки вследствие недостаточного системного эффекта инсулина падает транспорт аминокислот, катионов калия и кальция, нуклеозидов и органического фосфата как субстратов анабо­лизма. Снижение белкового синтеза у больных сахарным диабетом за­хватывает и систему иммунитета, что служит одной из причин иммуно­дефицита, вторичного по отношению к сахарному диабету. Падение анаболизма и связанная с ним интенсификация липолиза и распада бел­ков у больных инсулинзависимым сахарным диабетом, возникшим в детском возрасте, может обусловить задержку роста тела. После воз­никновения инсулинзависимого сахарного диабета у взрослых болезнь приводит к снижению массы тела.

Схема 13.1. Патогенез гипергликемии у больных сахарным диабетом

Предположительно инсулин влияет на образование атерогенных ли-попротеинов или снижает очищение от них плазмы крови. Очевидно падение этого эффекта гормона у больных сахарным диабетом приводит к ускоренному атеросклерозу.

Морфопатогенез атеросклероза у больных сахарным диабетом не отличается от патогенетических механизмов атеросклеротических пато­логических измененеий сосудистой стенки у пациентов, не страдающих от сахарного диабета. И в том и в другом случае патогенные межкле­точные взаимодействия в основном складываются из аномального изме­нения функционального состояния эндотелиоцитов, адгезии к ним акти­вированных мононуклеарных фагоцитов сосудистой стенки, за которой

следует прилипание агрегатов активированных тромбоцитов. Агрегаты этих активированных клеток становятся источником цитокинов со свой­ствами факторов клеточного роста, что обуславливает пролиферацию гладкомышечных миоцитов сосудистой стенки как этапа формирования атеросклеротической бляшки. Многие из факторов риска атеросклероза, гиперхолестеринемия, патогенно низкая концентрация в крови липопро-теинов высокой плотности, курение и артериальная гипертензия одно­временно представляют собой факторы риска сахарного диабета второго типа. Факторы риска атеросклероза, связанные исключительно с са­харным диабетом, - это гипергликемия, гиперинсулинемия (патологи­чески высокая концентрация инсулина в крови у больных сахарным диабетом второго типа, преимущественно обусловленным патологиче­ской резистентностыо^гю отношению к инсулину), а также гипертриг-лицеридемия.

Патогенез диабетической микроангиопатии

В настоящее время не вызывает сомнений, что именно гиперглике­мия является основной причиной патологических изменений сосудов у больных с длительным инсулинзависимым сахарным диабетом. Тем не менее, патогенез диабетической ангиопатии вследствие гипергликемии остается неясным. Так как глюкоза и ее метаболиты выступают субстра­тами на различных путях метаболизма, то ангиопатический эффект ги­пергликемии реализуется несомненно через действие множества патоге­нетических механизмов. В последние десятилетия были предложены четыре теоретических модели действия таких механизмов:

» связанный с активностью альдозоредуктазы (сорбитоловый путь);

«через изменение активности протеинкиназы С;

» неферментного гликолизирования;

» в результате нарушений окислительно-восстановительного потен­циала тканей.

В большинстве тканей организма глюкоза может трансформиро­ваться в сорбитол через активность альдозоредуктазы. Из-за высокой константы Михаэлиса' альдозоредуктазы для глюкозы уровень синтеза сорбитола при низкой концентрации углевода в клетках невысок. При

Константа Михаэлиса - концентрация субстрата, при которой скорость реакции, катализатором которой является данный фермент, составляет половину максимальной (в данном случае субстрат - это глюкоза, фермент - альдозоре-Дуктаза, а реакция - это образование сорбитола из глюкозы).

гипергликемии растет содержание глюкозы в клетках, в которые углевод проникает путем обычной, а не облегченной диффузии, усиливаемой инсулином. В результате в клетках усиливается образование сорбитола. После образования сорбитола возможна его метаболизация, связанная с активностью сорбитолдегидрогеназы, в результате которой образуются фруктоза и восстановленный никотинамидадениндинуклеотид (NADH). Однако превращение сорбитола во фруктозу и NADH идет медленно, и сорбитол накапливается в клетках. Рост содержания сорбитола в клетках (в частности в нейронах) приводит к их отеку вследствие миграции воды из внеклеточного сектора в сторону большей осмотической концентра­ции сорбитола.

Предполагают, что накопление сорбитола в клетках хрусталика гла­за больного инсулинзависимым сахарным диабетом приводит к образо­ванию у таких пациентов диабетической катаракты.

Так как возрастание концентрации сорбитола в нейронах и клетках мышечной ткани не может привести к их значительному отеку и обу­словить цитолиз, то аккумуляцию сорбитола нельзя признать ведущим механизмом диабетических ангио- и нейропатий.

Полагают, что связанный с инсулинопенией рост в клетках и тканях концентрации свободной глюкозы и сорбитола может быть причиной увеличения содержания в них миоинозитола как причины диабетиче­ской ангиопатии. Это может быть только предположением, ибо извест­но, что рост концентрации миоинозитола вследствие инсулинопении, гипергликемии и высокой активности альдозоредуктазы преимущест­венно происходит в клетках нервной ткани. В эксперименте ингибиторы альдозоредуктазы снижают содержание миоинозитола только в нейро­нах. Одновременно с ростом содержания в нейронах миоинозитола в них снижается активность натрий-калий-АТФазы. Полагают, что сни­жение активности натрий-калий-АТФазы также представляет собой следствие накопления в нейронах сорбитола, так как ее активность восстанавливается под влиянием ингибиторов активности альдозоре­дуктазы.

Были получены обнадеживающие результаты экспериментального изучения ингибиторов альдозоредуктазы как средств коррекции диабе­тических ангио- и нейропатий. Тем не менее, клинические испытания не принесли ожидаемых результатов, которые бы свидетельствовали о воз­можности предупреждения диабетических ретино- и нейропатий через действие ингибиторов альдозоредуктазы.

Не исключено, что гипергликемия вызывает диабетическую микро-ангиопатию через патологические изменения обмена фосфолипидов и активности протеинкиназы С. Некоторые из фосфолипидов и данный фермент, функционируя в качестве агентов системной и паракринной

регуляции, оказывают на функциональное состояние сосудов и его ха­рактеристики (проницаемость сосудистой стенки, сократимость ее глад-комышечных элементов, экспрессия тромбогенного потенциала эндоте-лиоцитов, объемная скорость кровотока, внутренняя секреция, синтез составляющих базальной мембраны) широкий спектр в том числе и раз­нонаправленных влияний. Иными словами, данные системы регуляции клеток на уровне сосудистой стенки контролируют те функции ее кле­точных элементов, расстройства которых и служат причинами диабети­ческой ангиопатии. Предположительно повышение активности протеин­киназы С, вызывающее патогенную разностороннюю модуляцию функ­ционального состояния микрососудов, может быть ведущим звеном па­тогенеза диабетической микроангиопатии. В пользу этого предположе­ния говорит факт высокой активности протеинкиназы С в сетчатой обо­лочке глаз пациентов,—страдающих от инсулинзависимого сахарного диабета и диабетической ретинопатии; кроме того, известно, что у таких пациентов активность данного фермента аномально высока в стенке аорты, кардиомиоцитах, а также в почечных клубочках. Эксперимен­тальные исследования сахарного диабета показали, что инсулинопения и гипергликемия ведут к росту активности протеинкиназы С в стенках сосудов сетчатой оболочки глаза, аорты, почечных клубочков и венеч­ных артерий. Одновременно с ростом активности энзима в клеточных элементах сосудистой стенки определяли возрастание уровня содержа­ния диацилглицерола.

Это позволяет предположить, что инсулинопения и гипергликемия повышают активность протеинкиназы через увеличение содержания в клетках диацилглицерола, одна из функций которого - это усиление пе­ремещения протеинкиназы С из неактивного пула фермента в цитозоле в его активный мембранный пул. Полагают, что изменения активности протеинкиназы С, связанные с сахарным диабетом и гипергликемией, происходят преимущественно в сосудистой стенке, где вследствие инсулинзависимого сахарного диабета растет активность специфиче­ской для сосудистой стенки бета-П-протеинкиназы С. В основном рост активности протеинкиназы С меняет функциональное состояние сосу­дистой стенки посредством модуляции экспрессии генов эндотелиаль-ных и других клеток сосудистой стенки.

Данные, полученные при экспериментальном исследовании влия­ний гипергликемии на обмен веществ, свидетельствуют, что рост ак­тивности протеинкиназы С вследствие гипергликемии не связан с из­менением осмоляльности внеклеточной жидкости и со сдвигами в об­мене сорбитола.

Обусловленные гипергликемией рост содержания диацилглицерола ^и активности протеинкиназы С при инсулинзависимом сахарном диабе-

те возникают не сразу и не сразу подвергаются обратному развитию по­сле устранения гипергликемии. Тут мы имеем дело еще с одним прояв­лением общей для развития патологических процессов закономерности, то есть тенденции к эндогенизации - относительной потери связи ис­точников их развития с первичным причинным фактором. Причина эн­догенизации в данном случае состоит в том, что протеинкиназа С, ком­плексно меняя экспрессию генома клетки формирует патологическую систему взаимодействия элементов генетического материала клетки как причины персистирования диабетической ангиопатии (это всего лишь наше предположение — В.Ю. Шанин).

Полагают, что гипергликемия вызывает патогенные межклеточные взаимодействия как причину диабетической ангиопатии через образова­ние соединений на основе ковалентных связей глюкозы с ингредиентами клеточных мембран и (или) циркулирующими с кровью липопротеина-ми и белками. Процесс образования таких соединений называют нефер­ментным гликолизированием. Через соединение глюкозы ковалентными связями с аминогруппами протеинов клеточных мембран, ядерных бел­ков и дезоксирибонуклеиновой кислоты происходит образование так называемых транзиторных промежуточных продуктов неферментного гликолизирования. Эта реакция достигает своего равновесия за несколь­ко недель. В дальнейшем промежуточные продукты неферментного гликолизирования служат субстратами для образования конечных про­дуктов неферментного гликолизирования. С образованием конечных продуктов неферментного гликолизирования реакция становится необ­ратимой. Конечные продукты неферментного гликолизирования могут обуславливать патогенную модуляцию экспрессии генома клеток со­судистой стенки как причину диабетической микроангиопатии. Кроме того, они служат субстратами образования свободных кислородных радикалов, которые повреждают наиболее в функциональном отноше­нии активные фосфолипиды клеточных мембран и еще в большей сте­пени стабилизируют конечные продукты неферментного гликолизиро­вания.

Конечные продукты неферментного гликолизирования образуются во внеклеточном пространстве через соединение глюкозы ковалентными связями с липопротеинами низкой плотности, альбумином и гемоглоби­ном. Образование конечных продуктов неферментного гликолизирова­ния на поверхности клеточных мембран меняет их механические свой­ства, повышая жесткость мембраны. В результате плазматическая мем­брана эритроцитов становится более ригидной, что снижает деформи­руемость эритроцита как необходимое условие нормальной микроцир­куляции (незатрудненного прохождения эритроцитов по микрососудам и капиллярам). Эритроциты с патологически низкой вследствие гипер-

гликемии и неферментного гликолизирования деформируемостью при прохождении по микрососудам активируют эндотелиальные клетки че­рез усиленное трение о часть их наружной мембраны, обращенной в просвет микрососуда. Активация эндотелиоцитов служит первым эта­пом патогенных межклеточных взаимодействий, приводящих к диабе­тической микроангиопатии.

Кроме того, звеном патогенеза диабетической микроангиопатии явля­ется утолщение базальной мембраны капилляров в результате образования входящим в ее состав коллагеном и глюкозой конечных продуктов нефер­ментного гликолизирования, при котором молекулярные цепочки, состав­ляющие коллаген, соединяются между собой попереречными связями в виде молекул глюкозы. В результате базальная мембрана не только утол­щается. В ней падает содержание протеогликанов, а функционирование интегриновых рецепторов сосудистой стенки меняется таким образом, что возникают дисфункции всех ее клеточных элементов.

Интенсивность образования конечных продуктов неферментного гликолизирования представляет собой прямую функцию длительности гипергликемии и степени патологического возрастания концентрации глюкозы в циркулирующей крови.

При длительной гипергликемии конечные продукты неферментного гликолизирования (КПНфГ) начинают циркулировать с кровью и фик­сируются на наружной¹поверхности ее мононуклеарных фагоцитов, ко­торая содержит рецепторы специфические по отношению к КПНфГ. В результате происходит системная активация мононуклеарных фагоци­тов, циркулирующих с кровью. Активированные мононуклеары начи­нают высвобождать такие цитокины как фактор некроза опухолей, ин-терлейкин-1, что приводит к гиперцитокинемии. Гиперцитокинемия че­рез системные активацию эндотелиоцитов и рост экспрессии их тромбо-генного потенциала вызывает диабетическую микроангиопатию на уровне всего организма.

Если атеросклероз считать результатом хронического воспаления сосудистой стенки, основным клеточным эффектором которого являют­ся активированные клетки системы мононуклеарных фагоцитов, то ги-перцитокинемию вследствие активации мононуклеаров в результате воздействия на них КПНфГ можно предположительно признать факто­ром ускорения атеросклероза у больных сахарным диабетом и диабети­ческой микроангиопатией.

Длительная гипергликемия и неферментное гликолизирование при­водят к образованию связей в виде молекул глюкозы, связанных с ами­ногруппами, между цепочками нуклеотидов дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Это вызывает дисфункции генетического материала эндотелиоцитов, обусловленные изменением строения двойной спирали

ДНК, что предположительно можно считать еще одним фактором диа­бетической микроангиопатии.

В эксперименте было показано, что инфузия растворов, содержащих конечные продукты неферментного гликозилирования, вызывает харак­терные для диабетической микроангиопатии утолщение базальной мем­браны микрососудов и патологические изменения сократимости глад-комышечных элементов сосудистой стенки. При этом ослабляется фи­зиологическая реакция расширения сосудов в ответ на действие такого медиатора как оксид азота. В этой связи были сделаны предположения о механизме ускоренного развития тяжелой первичной артериальной ги-пертензии у больных сахарным диабетом и длительной гипергликемией, который состоит в потере гладкомышечными клетками сосудистой стенки нормальной реактивности по отношению к расширяющему сосу­ды действию оксида азота.

Обусловленный гипергликемией рост утилизации глюкозы как суб­страта гликолиза или образования полиола увеличивает отношение со­держания в клетке восстановленной формы никотинамидадениндинук-леотида к его окисленной форме (NADH /NAD). Предполагают, что рост содержания в клетке NADH представляет собой следствие интенсифи­кации обмена сорбитола и утилизации глюкозы в реакциях пентозного шунта, что в частности приводит к образованию 1,3-дифосфоглицерата. Рост NADH /NAD патогенно влияет на клеточные функции через пато­логические изменения а)синтеза диацилглицерола, б)функционирования систем восстановления структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты и в) окисления жирных кислот. В эксперименте было продемонстрирова­но обратное развитие диабетической микроангиопатии под влиянием пирувата как метаболита, снижающего NADH /NAD.

Самым ранним из гистопатологических сдвигов при диабетической ретинопатии является потеря капиллярами сетчатой оболочки своих перицитов. За несколько лет хронической гипергликемии соотношение между эндотелиальными клетками и перицитами ретинальных микросо­судов может снизиться от нормального 1:1 до патологического 1:10. Кроме того, диабетическую микроангиопатию на уровне сетчатой обо­лочки глаза характеризуют расширение капилляров, утолщение их ба­зальной мембраны, рост проницаемости и возникновение капиллярных микроаневризм. Все эти патологические изменения капилляров сетчатой оболочки можно связать с утратой нормальных межклеточных взаимо­действий между перицитами и эндотелиальными клетками. Известно, что гипергликемия угнетает клеточный рост перицитов. Перициты ока­зывают на эндотелиальные клетки регуляторные влияния, которые слу­жат необходимым условием нормальной экспрессии эндотелиоцитами цитокинов. В результате потери перицитов экспрессия генома и клеточ-

ный рост эндотелиоцитов претерпевают патологические изменения. Это обуславливает потерю эндотелиоцитами способности обеспечивать нормальный кровоток в капиллярах. В результате часть капилляров ока­зывается обтурированными микротромбами и появляются капилляры, не содержащие крови («капилляры-призраки»). Вторичная микроциркулятор-ная гипоксия приводит к локальному росту концентрации соответствую­щих факторов клеточного роста, что обуславливает разрастание капилля­ров как причину пролиферативной диабетической микроангиопатии на уровне сетчатой оболочки глаза (пролиферативная ретинопатия).

Пролиферативную ретинопатию характеризует прорастание новооб­разуемых капилляров в стекловидное тело. Новые капилляры неполно­ценны. Число окружающих их перицитов резко снижено. В результате стенка капилляров теряет свои нормальные свойства барьера между кровью и интерстицием, что служит причиной множества кровоизлия­ний в сетчатую оболочку, ее отслойки и потери зрения Из факторов кле­точного роста и цитокинов, вовлеченных в патогенез пролиферативной ретинопатии, следует выделить следующие: основные и кислые факторы роста фибробластов, инсулиноподобный фактор роста I, бета трансфор­мирующий фактор клеточного роста, а также сосудистый эндотелиаль-ный фактор клеточного pocta.

Гипертрофия мезангиалвдых клеток почечных клубочков у больных сахарным диабетом во многом составляет диабетическую нефропатию. В результате пролиферации клеток мезангия клубочки теряют фильтра­ционную поверхность, формируемую эндотелиальными и эпителиаль­ными клетками. При этом утолщается базальная мембрана и теряются эндотелиальные и эпителиальные клетки. Все это завершается склеро­зом почечных клубочков и чреватым танатогенезом угнетением экскре­торных функций почек. При диабетической нефропатии в клубочках растет содержание таких факторов клеточного роста как альфа-фактор некроза опухолей, бета трансформирующий фактор клеточного роста, фактор клеточного роста тромбоцитов, а также основной фактор роста фиброластов.

Развитие диабетической нефропатии и гипертрофию мезангиальных клеток связывают с ростом содержания в циркулирующей крови ангио-тензина II. При этом полигенную наследственную предрасположенность к развитию диабетической нефропатии у больных сахарным диабетом связывают с полиморфизмом генов ангиотензинпревращающего фер­мента и ангиотензиногена. Максимальный уровень риска диабетической нефропатии и соответственно предрасположенности к ней у больных сахарным диабетом фиксируют тогда, когда ген ангиотензинпревра­щающего фермента содержит два аллеля D, а ген ангиотензиногена со­ставляют два одинаковых аллеля, экспрессия которых дает молекулу

ангиотензиногена, в которой на 235 позиции находится треонин. Кроме того, свою лепту в предрасположенность к диабетической нефропатии вносит полиморфизм гена рецептора ангиотензина II, который предпо­ложительно содержит наружная мембрана клеток мезангия. Если вспом­нить о том, что определенная системная гиперактивация эндотелилаль-ных клеток, участвующих в образовании ангиотензина II, во многом составляет патогенез осложнений сахарного диабета и, то можно счи­тать диабетическую микроангиопатию инициирующим моментом роста образования ангиотензина II, который происходит особенно интенсивно при соответствующем полиморфизме генов.

Образование конечных продуктов неферментного гликолизирования миелина предположительно лежит в основе диабетической нейропатии, которая в начале развития захватывает тонкие нервные волокна. Если оценивать вагальные регуляторные влияния на сердце, фиксируя вариа­бельность частоты сердечных сокращений при глубоком дыхании и ори­ентируясь на возрастную норму, то у большинства больных инсулинза-висимым сахарным диабетом можно выявить признаки блокады вагаль-ных регуляторных влияний на сердце, которая приводит к меньшей ва­риабельности. С возрастом вариабельность падает. Снижение вариа­бельности частоты сердечных сокращений при глубоком дыхании у больных инсулинзависимым сахарным диабетом происходит в не­сколько раз быстрее. Данные полученные при исследовании вариа­бельности частоты сердечных сокращений при глубоком дыхании свидетельствуют, что диабетическая нейропатия развивается у боль­шинства из них, но только у небольшой части таких пациентов она приводит к заметным и тяжелым последствиям нарушений вегетатив­ной регуляции функций:

» ощущению жара и боли в конечностях;

«патологически интенсивному потоотделению;

» задержке мочеиспускания;

» расстройствам сердечной проводимости со снижением интервала QT, сердечным аритмиям;

» диареям и запорам;

«угнетению моторики желудка как причины застоя желудочного содержимого и рвоты.