Застосування ферментів у медицині
Клінічна ферментологія – один із найважливіших розділів клінічної біохімії, який має свої завдання, напрями та специфічні методи дослідження. Основні напрями клінічної ферментології охоплюють:
· вивчення ферментативних порушень у патогенезі різних захворювань – ферментопатологія;
· використання ферментативних методів для діагностики – ферментодіагностика;
· використання ферментів у терапії –ферментотерапія;
· використання ферментів у лабораторній практиці як високоспецифічних аналітичних реактивів.
Ферментопатії. Ферментопатії поділяють на первинні та вторинні. До першої групи належать спадкові захворювання обміну речовин, у патогенезі яких основну роль відіграє відсутність, нестача або аномальна структура ферменту. Первинні, або спадкові, ферментопатії виникають унаслідок змін у генетичному коді синтезу ферментів. Причинами ферментативних дефектів можуть бути: аномальна структура ДНК, порушення перенесення генетичного коду від ДНК до РНК, змінена структура РНК і порушення в передачі інформації від РНК до рибосом. Крім цього, причиною метаболічних розладів можуть бути генетично зумовлені порушення співвідношення природних активаторів та інгібіторів ферментів.
Причиною спадкових ферментопатій є мутації, що проявляються характерними змінами в активності відповідних ферментів. При цьому ферментативна активність відсутня або знижена, або (дуже рідко) підвищена. Можуть з’являтися патологічні ферменти, які в нормі не трапляються.
Ферментативні дефекти при спадкових ферментопатіях спричинюють порушення обміну речовин (метаболічний блок), що є причиною нагромадження невикористаного субстрату та його попередників, які, у випадку їх токсичності, призводять до патологічних змін і можуть викликати вторинний метаболічний блок.
Так, при галактоземії (дефіцит галактозо-1-фосфат-уридилтрансферази або галактокінази) відбувається накопичення в крові й тканинах галактозо-1-фосфату, вільної галактози та спирту дульциту – продукту відновлення галактози. Високий їх вміст діє токсично, у немовлят після споживання молока спостерігають блювання та пронос, збільшується печінка, розвивається катаракта, затримується розумовий розвиток.
Відсутність у печінці фенілаланін-4-монооксигенази призводить до розвитку фенілкетонурії. Приблизно одна людина з 80 серед європейців є носієм рецесивного гену фенілаланінмонооксигенази. Внаслідок блоку перетворення фенілаланіну на тирозин в організмі нагромаджується фенілаланін, фенілпіруват. Надлишок цих кислот порушує нормальний розвиток мозку дитини та слугує причиною розумової відсталості, судом тощо.
Сфінгомієліноз або хвороба Німана-Піка (дефіцит сфінгомієлінази) супроводжується нагромадженням сфінгомієлінів у клітинах ретикуло-ендотеліальної системи, головного мозку, кісткового мозку, печінки та інших внутрішніх органів. Хвороба призводить до затримки психічного розвитку та смерті в ранньому дитячому віці.
Друга група – це захворювання, при яких ферментативні порушення виникають вторинно. вони розвиваються внаслідок пошкодження тканин різними агентами (вірусами, бактеріями, найпростішими, отрутами тощо). Розвиток набутих ферментопатій можна представити так: етіологічний фактор викликає порушення (пригнічення або стимуляцію) діяльності однієї або декількох ферментативних систем і порушення відповідних обмінних процесів, у результаті чого виникає захворювання з характерними для нього симптомами. Так, інфекційні хвороби (вірусні, бактеріальні, паразитарні) супроводжуються тяжкими розладами функцій ферментативних систем, насамперед, у результаті дії на них екзо- й ендотоксинів мікроорганізмів, які блокують синтез низки важливих ферментів або гальмують їх активність. Описаний патогенез характерний також для більшості отруєнь.
Прикладом вторинних ферментопатій є ендокринні захворювання. Гіпо- або гіперфункція певної ендокринної залози пов’язана зі зниженням або підвищенням синтезу відповідних гормонів, отже, з порушенням роботи ферментативних систем, які ними регулюються. Так, при цукровому діабеті дефіцит інсуліну викликає пригнічення або стимулювання активності низки ферментів: блокується активність ферментів, які забезпечують окиснення глюкози й активуються ферменти глюконеогенезу, ліполізу, метаболізму білків тощо.
Алергійні захворювання вважають індивідуальною вразливістю ферментативних систем різними харчовими, лікарськими та іншими алергенами. Дія лікарських препаратів викликає ураження лізосомальних ферментферментів.
Механічне пошкодження тканин (хірургічні втручання, травми) також є типовою ферментопатією. Механічна травма порушує кровопостачання в пошкодженій ділянці, блокує надходження субстратів і коферментів, порушує оптимальні умови їх дії.
Порушення водно-мінерального обміну, кислотно-лужного стану, терморегуляції – це також ферментопатії, оскільки нормальний електролітний склад, рН і температура організму забезпечують оптимальні умови для функціонування всіх ферментів.
Гіпо- й авітамінози, нестача незамінних амінокислот, есенціальних жирних кислот, макро - та мікроелементів у харчовому раціоні викликають порушення синтезу великої кількості ферментів, сприяючи цим самим розвитку езимопатій.
У патогенезі деяких захворювань відбувається не тільки гальмування ферментативних систем, але й їх гіперактивація. Так, наприклад, для гострого панкреатиту характерні гіперпродукція та гіперактивація протеолітичних ферментів, що викликає тяжкі метаболічні розлади. Тому штучне блокування протеїназ їх інгібіторами (трасилолом, контрикалом) забезпечує при цій патології виражений терапевтичний ефект. При травмах легенів із легеневої тканини в кров’яне русло викидається значна кількість фібринокіназ, які викликають гострий фібриноліз.
Таким чином, ферментопатії лежать в основі всіх патологій людини. Тому тяжко уявити захворювання, яке б не супроводжувалося ферментними порушеннями.
1.5.2. Ферментодіагностика патологічних процесів та захворювань.Для ранньої діагностики низки захворювань дослідження активності тих чи інших ферментів є значно інформативнішим порівняно з іншими біохімічними тестами. При багатьох захворюваннях зміна активності ферментів може бути настільки специфічна, що є одним із вирішальних критеріїв при встановленні діагнозу. Так, для диференційного діагнозу різних за генезом жовтяниць визначають кілька органоспецифічних ферментів (або ізоферментів) печінки, наприклад, фруктозомонофосфатальдолазу, сорбітолдегідрогеназу, для оцінки переходу гострого гепатиту в хронічний використовують АлАТ, АсАТ, аденозиндезаміназу, 5-нуклеотидазу тощо. Переконливим прикладом може служити використання креатинфосфокінази та аспартатамінотрансферази – для диференціації інфаркту міокарда й стенокардії. При захворюваннях нирок і сечовидільної системи важливе діагностичне значення має визначення активності сироваткової гліцинамідинотрансферази, ферментів сечі – лейцинамінопептидази, β-глюкуронідази, арилсульфатази.
Ферменти досить чітко відображають перебіг захворювання і зарекомендували себе надійними критеріями, які характеризують період хвороби (гострий, хронічний) та її можливе загострення. Нерідко активність ферментів змінюється ще до появи характерних клінічних ознак загострення. Наприклад, підвищення активності аланінамінотрансферази передує збільшенню вмісту білірубіну, погіршенню самопочуття хворого. Це допомагає своєчасно розпізнати ускладнення і змінити терапевтичну тактику.
Ферменти успішно використовують у клінічній практиці для оцінки ефективності лікування. Відсутність зміни активності ферментів на тлі використання лікарських та інших методів лікування свідчить про малу їх ефективність. Так, визначення активності амінотрансфераз в сироватці крові значно достовірніше відображає ступінь репаративних процесів у печінці при гепатиті порівняно з вмістом білірубіну.
Багато ферментів використовують у клініці для прогнозування перебігу захворювання. Наприклад, стійке зниження активності холінестерази при хронічному гепатиті свідчить про прогресування процесу й ускладнення захворювання. Різке зниження активності амінотрансфераз на тлі зростання вмісту білірубіну (ферментнобілірубінова дисоціація) свідчить про виснаження тканинних джерел ферментів за рахунок тяжкого пошкодження паренхіми печінки, що визначає відповідний прогноз.
Перспективним для ферментодіагностики є дослідження ізоферментів. Відомо, що при пошкодженні тканин ізоферменти надходять у кров та інші біологічні рідини й їх ізоферментний спектр стає близьким до тканинного, що лежить в основі використання ізоферментів у діагностиці. Ізоферментативні спектри широко використовують для діагностики різних видів патології. Методи прижиттєвої пункційної біопсії дають можливість досліджувати ізоферменти в тканинах людини, що достовірніше відображає картину ферментативних порушень в ураженому органі. Так, ізоферменти ЛДГ використовують для діагностики раку молочної залози, пухлин матки, передміхурової залози, мозку, шлунка, легенів, нирок тощо.
1.5.3. Ферментотерапія.Ферментотерапія– використання ферментів як лікарських засобів – проводиться переважно в разі нестачі в організмі якогось ферменту, коферменту (замісна ферментотерапія) або як допоміжний засіб при деяких захворюваннях.
Патологічні стани травної системи досить часто є наслідком дефіциту травних ферментів, який може виникати в зв’язку з природженою відсутністю ферментів, бути пов’язаний із запальними процесами слизової оболонки шлунка та кишок (гастрит, дуоденіт, ентероколіт тощо); порушенням екзокринної функції підшлункової залози (панкреатит, муковісцидоз) тощо. Засоби замісної терапії (панкреатин, фестал, панзинорм, дігестал, креон тощо) застосовують для покращення функціонального стану травного тракту та нормалізації процесів травлення. Вони також показані особам із нормальною функцією травного тракту у випадку порушення правильного харчування (споживання жирної їжі, великої кількості їжі, нерегулярного харчування), при порушенні жувальної функції, малорухомому способі життя, тривалій іммобілізації, підготовці до рентгенологічного чи ультразвукового дослідження органів черевної порожнини.
Фермент підшлункової залози трипсин застосовується зовнішньо для очищення гнійних ран і внутрішньом'язово як протизапальний засіб при остеомієлітах і гаймориті.
Фібринолізин рекомендується для розсмоктування тромбів судин, цитохром С застосовують при отруєнні чадним газом і деякими іншими отруйними речовинами, які сповільнюють процес тканинного дихання.
Препарати типу тромбіну використовують для запобігання кровотечі або для її зупинки. Калікреїни – ферменти кінінової системи використовують для зниження кров’яного тиску.
Нуклеази застосовують при лікуванні деяких вірусних захворювань, наприклад, при лікуванні вірусного кон'юнктивіту успішно застосовуються очні краплі, що містять ДНКазу (фермент руйнує ДНК віруса).
Для лікування деяких форм лейкозу використовують аспарагіназу, лікувальний ефект якої базується на тому, що зазначений фермент розщеплює аспарагін на аміак і аспарагінову кислоту, внаслідок чого синтез білків у лейкозних клітинах припиняється і клітини пухлини гинуть.
Метод системної ферментотерапії базується на кооперативному впливі спрямовано приготовлених сумішей гідролітичних ферментів рослинного та тваринного походження, які чинять лікувальний вплив на ключові процеси життєдіяльності організму людини. Так, Вобензим – цепрепарат зі спеціально підібраною комбінацією ферментів імуномодулюючої, протинабрякової і, певною мірою, фібринолітичної дії. Він чинить загальнотерапевтичний вплив при запальних процесах, обмежує патологічні прояви аутоімунних продуктів обміну речовин і некротизованих тканин, розсмоктує гематоми, нормалізує проникність судинних стінок, густину крові й тим самим покращує мікроциркуляцію.
1.5.5.1. Вплив активаторів на активність ферментів.Деякі лікарські засоби можуть викликати індукцію, тобто стимулювання утворення ферментативних систем, які беруть участь у метаболізмі лікарських і токсичних речовин. Унаслідок цього знижується концентрація фармпрепарату в крові та тканинах, зменшується лікувальний ефект.
Відомо понад 200 сполук, які стимулюють метаболізм лікарських речовин у мікросомах печінки. Одним із найактивніших є фенобарбітал (люмінал), вживання якого збільшує швидкість гідроксилування, наприклад, барбітуратів і мепробамату, дезалкілування амідопірину та інших мікросомальних біотрансформацій. Фенобарбітал спричинює індукцію ферментів ендоплазматичного ретикулуму клітин за рахунок збільшення кількості білка в мікросомах, у тому числі й ферментів, а також знижує швидкість їх розпаду. Введення цього препарату призводить до збільшення кількості гладких мембран ендоплазматичного ретикулуму та до збільшення вмісту в них білка, РНК і фосфоліпідів. Описаний ефект пригнічується речовинами, які гальмують біосинтез білка, наприклад, антибіотиком актиноміцином – інгібітором синтезу іРНК. Введення актиноміцину усуває стимульоване фенобарбіталом підвищення активності окиснювального дезамінування, посилене утворення цитохрому Р450 і мікросомального білка. Після припинення введення фенобарбіталу відбувається зворотний розвиток цього індукованого синтезу, а рівень ферментної активності повільно повертається до норми.
Медикаменти, які стимулюють мікросомальні ферменти, дуже відрізняються за фармакологічною активністю. До них належать барбітурати, анальгетики, протизапальні й антигістамінні засоби, транквілізатори та багато інших.
Для активації дії певних ферментів у терапії широко використовуються кофактори. З лікувальною метою при серцевих захворюваннях, порушеннях нервової системи тощо застосовують, наприклад, кокарбоксилазу (віт. В1); ФМН (віт. В2) – при шкірних захворюваннях, кератитах, кон'юнктивітах, неврастенії. Ліпоєва кислота володіє гепатопротекторними та детоксикуючими властивостями під час отруєння фосфорорганічними сполуками, свинцем, миш’яком, ртуттю, фенотіазинами тощо. При корекції метаболічних порушень в організмі позитивний ефект може бути досягнутий застосуванням аденілових нуклеотидів (ІМФ, АМФ).
1.5.5.2. Вплив інгібіторів на активність ферментів.Необхідність у застосуванні інгібіторів виникає досить часто, а саме:
– у разі дефіциту фізіологічних інгібіторів, які виконують важливу для організму функцію – обмеження впливу ендогенних ферментів, а інколи – його захисту від пошкоджувальної дії чужорідних ферментів, зокрема, мікробного походження;
– у разі введення з лікувальною метою ферментів у неадекватній дозі або при несприйнятті введеного ферменту. Так, наприклад, під час передозування тромболітичних препаратів (фібринолізину), активаторів плазміну (стрептокінази, урокінази) застосовують інгібітори протеолізу (трасилол, амінокапронову кислоту тощо);
– під час захворювань, у патогенезі яких визначну роль відіграє гіперфункція ферментів, пов’язана з неадекватною їх активацією, аномальним викидом у кров і тканини (механічні, термічні та хімічні травми, інфекційна патологія, тромбози та емболії тощо);
– під час змін ферментного спектру, при патологічному переважанні однієї ізоформи ферменту над іншою. У клінічній практиці з цією метою інгібітори широко використовують в онкології, оскільки пригнічення активності ферментів пухлинних клітин – один із відомих напрямків створення лікарських препаратів для терапії онкопатології;
– у разі потреби викликати необхідну, частіше всього, нефізіологічну реакцію. На цьому принципі базується дія деяких регуляторів судинного тонусу (інгібіторів тих ферментів, які беруть участь в утворенні ангіотензину ІІ або катехоламінів), активаторів метаболічних процесів у печінці, лікарських засобів, які пригнічують синтез простагландинів тощо.
Кількість сполук, які володіють властивостями інгібіторів ензимів і використовуються з лікувальною метою, достатньо велика.
Таблиця 1.4. Групи лікарських засобів – інгібіторів активності ензимів (вибірково)
| Група препаратів | Біохімічний (фізіологічний) ефект | Ензим-мішень | Основні лікарські засоби | Показання для застосування |
| Нестероїдні протизапальні | Інгібітори синтезу простагландинів | Циклооксиге-наза (простаглан-динсинтаза) | Ацетилсаліци-лова кислота, індометацин, вольтарен | Підвищення тем-ператури тіла, міалгія, артралгія, невралгія, ревматизм |
| Спазмолітики | Інгібітори метаболізму циклічних нуклеотидів | Фосфодіестераза, цАМФ | Ксантинол (компламін), пентоксифілін (трентал) | Порушення периферійного кро-вообігу, ангіопатії, ретинопатії |
| Гіпотензивні | Інгібітори синтезу ангіотензину ІІ Інгібітори синтезу катехоламінів | Ангіотензинкон-вертуючий ензим (дипептидилкар-боксипептидаза Дофамін-b-монооксигеназа | Каптоприл, еналаприл допегіт | Гіпертонічна хвороба |
| Антиагрегаційні, антитромботичні | Інгібітори синтезу тромбоксану | Тромбоксан-синтетаза | Клопідогрель | Коагулопатії, тромбо-емболічні ураження |
| антидепресанти психостимулятори | Інгібітори окиснювального дезамінування нейромедіаторів | Моноаміно-оксидази А, В | Сеган, селегілін | Депресивні стани. Апатія психічного походження. Хвороба Паркінсона |
| Антидіабетичні | Пригнічення від-новлення глюкози | Альдозоредуктаза | Ізодибут | Діабетична ангіопатія |
| Діючі на периферійні холінергічні процеси | Накопичення ацетилхоліну в холінергічних рецепторах | Холінестераза | Прозерин | Міастенія, неврити, атонія кишок і сечового міхура, глаукома |
| Противірусні, протипухлинні | Інгібітори синтезу полінуклеотидів | РНК-полімераза, ДНК-полімераза | Ербісол рифампіцин, ацикловір | Злоякісні пухлини, лейкоз, лімфограну-лематоз, герпес |
| Антиалергійні | Активатор метабо-лізму гістаміну | Амінооксидаза | Фенкарол | Кропивниця, набряк Квінке, дерматози |
Інгібітори, виділені з рослин і мікроорганізмів, належать, здебільшого, до простих білків, а інгібітори тваринного походження часто містять у своєму складі вуглеводи. Наприклад, велика кількість інгібіторів протеїназ тваринного походження є глікопротеїнами. Для деяких рослинних інгібіторів характерний низький вміст ароматичних амінокислот.
1.5.5.3. Ензими як аналітичні реагенти. Ензими, які застосовують для діагностики, отримують із різних джерел: рослин, тварин, мікроорганізмів (здебільшого бактерій). Їх широко використовують у клінічних лабораторіях як аналітичні реагенти для визначення кількості субстрату, ідентифікації медпрепаратів, визначення активності інших ензимів. Ці можливості пов’язані з каталітичними властивостями ензимів та високою специфічністю до субстратів каталізованих ними реакцій (табл. 1.5).
Таблиця 1.5. Приклади використання ензимів в якості хімічних реактивів
| Функція ензиму | Ензим | Вимірювана речовина |
| Визначення субстрату | Гексокіназа | Глюкоза |
| Визначення коензимів | Аспартатамінотрансфераза | Піридоксальфосфат |
| Визначення активаторів | Ізоцитратдегідрогеназа | Магній |
| Визначення інгібіторів | Лужна фосфатаза | Теофілін |
| Зменшення впливу інших речовин | Оксидаза аскорбінова | Креатинін |
| Спряжені реакції | Яблучна дегідрогеназа | Аспартатамінотрансфераза |
| Посилення діючого сигналу | Луцифераза | НАДН |
| Імунологічні визначення | Лужна фосфатаза Пероксидаза хрону Дегідрогеназа глюкозо-6-фосфату | Тироксин Пролактин Фенитоїн |
Перевагою цих методів є те, що відповідний субстрат для його визначення не потребує попереднього виділення та очищення, він може бути ідентифікований у сироватці крові або іншій біологічній рідині.