Глава 1. Хроническая обструктивная болезнь легких в экспериментальных исследованиях
1.1. Моделирование хронической обструктивной болезни легких в эксперименте
Существующая в мире млекопитающих консервативность физиологических процессов, связанных с регуляцией дыхания, газообменом, активностью гладкой мускулатуры дыхательных путей, секрецией слизи, мукоцилиарным клиренсом, клеточной воспалительной реакцией и др., дает возможность исследовать многие патофизиологические механизмы в эксперименте [1]. Воспроизведение заболеваний на лабораторных животных обеспечивает экспериментальную платформу для изучения механизмов развития и прогрессирования болезни и для выявления биомаркеров, которые могут быть эффективными терапевтическими мишенями [2]. Трудность моделирования ХОБЛ обусловлена гетерогенностью и полиэтиологичностью этого заболевания, при котором различные факторы и патогенетические пути приводят к одному исходу — формированию хронического воспаления, поражению мелких бронхов и микроциркуляторного русла легких, ремоделированию дыхательных путей и нарушению легочной функции. Метод моделирования предоставляет возможность проследить за прогрессированием морфологических изменений в легких, развитием обструкции и процессов ремоделирования, оценить эффективность и безопасность медикаментозных препаратов, определить терапевтические мишени для разработки новых средств лечения и профилактики [2, 3].
Чаще всего в экспериментах воспроизводится эмфизема легких путем введения животным различных протеиназ (нейтрофильной, панкреатической, протеиназы-3) [4]. Повторные введения эндотоксина животным вызывали воспаление с активацией макрофагов, при этом происходило расширение альвеол и нарушение структурной целостности паренхимы легких [4]. Стимулировать протеолитическую активность макрофагов и лимфоцитов может и инфекционное воспаление. Проводились исследования, когда ХОБЛ-подобные изменения вызывали внутритрахеальным заражением животных липополисахаридом, входящим в состав клеточной стенки грамотрицательных бактерий, или интраназальным заражением Kl. pneumoniae [5], в результате чего происходило рекрутирование в легкие нейтрофилов и увеличение альвеолярных пространств.
В экспериментальных исследованиях описаны также модели, в которых поражение дыхательных путей достигается ингаляцией поллютантов (таких как сигаретный дым, диоксид серы, выхлопные газы, твердые частицы окружающей среды) [6–11]. Воздействие твердых частиц или газов-загрязнителей создает модели окислительного стресса в легких и дыхательных путях. Ядовитый дым активирует деятельность альвеолярных макрофагов и других клеточных элементов, выделяющих вещества протеолитической активности (эластазу, нейтрофильную протеазу, кислую гидролазу) [12]. При длительном курении снижается активность ингибиторов протеолиза, прежде всего, α1-антитрипсина, и протеазы при недостаточности функции антиферментов могут постепенно разрушать тонкие структуры респираторного отдела легкого. Использование сигаретного дыма сопряжено с необходимостью проведения многомесячных (более полугода) ежедневных экспозиций и приводит преимущественно к формированию эмфизематозных изменений [12]. Нарушения, возникающие в легких под влиянием сигаретного дыма, рассматривают как подтверждение протеиназно-антипротеиназной гипотезы формирования эмфиземы, поскольку применение ингибиторов металлопротеиназы в определенной степени предотвращало разрушение легочного матрикса [13].
Недостатки диоксида серы как индуктора воспалительного процесса в бронхах обусловлены его токсикологическими характеристиками. Диоксид серы обладает сильным раздражающим действием. Хорошо растворяясь в воде, он фиксируется слизистой оболочкой верхних дыхательных путей и лишь при очень высоких концентрациях, вызывающих токсическое поражение легочной паренхимы, достигает респираторных отделов. Вместе с тем он способен индуцировать бронхоспазм в достаточно низких концентрациях, не вызывающих альтерацию легочной ткани. В исследовании, проведенном J. Xu и соавт. [14], крыс ингалировали диоксидом серы в очень высокой концентрации — 715 мг/м3 (250 ppm) в режиме 5 ч/сут, 5 дней в неделю на протяжении 7 нед. Снижение пиковой величины выдыхаемого потока воздуха (<80% нормы) в сочетании с гистологическими признаками воспаления и гиперсекреции оценивали как ХОБЛ. Воспроизводимость получаемой модели составляла 64%. В другом исследовании крыс подвергали непрерывному воздействию диоксида серы в дозе от 14 до 229 мг/м3 (5–80 ppm) в течение 20–25 дней [15]. Только при дозе 57 мг/м3 (20 ppm) было выявлено сочетание признаков воспаления дыхательных путей и гиперсекреции, которое трактовалось авторами как ХОБЛ. К недостаткам работ, в которых в качестве индуктора повреждения легких применялся диоксид серы, следует отнести необходимость проведения многочасовых непрерывных ингаляций, противоречивость результатов при использовании авторами большого диапазона концентраций диоксида серы, что вселяет сомнения в достоверность полученных данных и указывает на низкую воспроизводимость модели.
Наиболее предпочтительным агентом для инициации повреждений дыхательных путей с последующим развитием воспаления и формированием характерных для ХОБЛ признаков представляется оксидантный поллютант диоксид азота, обладающий важными свойствами с точки зрения этиологии и патогенеза ХОБЛ. Диоксид азота — этиологически значимый фактор риска развития ХОБЛ, поскольку является важным компонентом табачного дыма и одним из самых агрессивных аэрогенных поллютантов. При курении (как активном, так и пассивном) человек подвергается воздействию диоксида азота в сверхвысоких концентрациях, достигающих в табачном дыме 90–150 мг/м3, а его содержание в атмосфере промышленных городов в 10–100 раз превышает гигиенические нормы. Диоксид азота вносит наибольший вклад в так называемый индекс загрязнения атмосферы. Основной антропогенный источник поступления в атмосферный воздух оксидов азота — автотранспорт. Оксиды азота легко проникают до уровня терминальных бронхиол и альвеол, где воздействуют на пневмоциты, отличающиеся высокой чувствительностью к этому пневмотоксиканту [16]. Диоксид азота, имеющий один неспаренный электрон, способен взаимодействовать с полиненасыщенными жирными кислотами фосфолипидов клеточных мембран, вызывая цепную реакцию выработки свободных радикалов и инициируя в легких оксидативный стресс — важный механизм развития и прогрессирования ХОБЛ [17]. Помимо этого, диоксид азота подавляет антиоксидантную защиту легких, окисляя внутриклеточные низкомолекулярные восстанавливающие субстраты (глутатион, аскорбиновую кислоту, α-токоферол, НАДН, НАДФН, олигопептиды и др.). Снижение уровня эндогенных антиоксидантов сопровождается увеличением содержания активных форм кислорода, усиливающих свободнорадикальные процессы пероксидации в клетке [18].