Интраоперационная защита головного мозга
Не смотря на достигнутые успехи в реконструктивной хирургии каротидного бассейна, остаются не до конца разрешёнными важные вопросы хирургической тактики. Главный среди них – интраоперационная защита головного мозга от гипоксического воздействия на фоне имеющегося исходного нарушения его кровоснабжения.
Известны различные способы защиты мозга при реконструкции сонных артерий, основными из которых являются: 1) внутренний шунт; 2) антигипоксанты; 3) гипотермия. Помимо этих основных используются дополнительные методы защиты головного мозга: гиперкапния, умеренная артериальная гипертензия, системная гепаринизация и гемодилюция, периферическая вазодилятация. Методы защиты головного мозга от ишемии направлены либо на увеличение артериального притока, либо на снижение метаболических потребностей мозга.
Длительно существующая артериальная гипоксемия приводит к значительным изменениям центральной нервной системы, что в конечном итоге нередко определяет исход хирургического вмешательства в целом.
Механизм патофизиологических реакций, развивающихся в мозге на молекулярном уровне при гипоксии, включает в себя каскад метаболических превращений, центральным звеном которого являются перекисное окисление липидов и изменения энергетического обмена.
Снижение перфузии ткани мозга сопровождается уменьшенной доставкой кислорода из кровеносного русла к клеткам, где он участвует в реакциях аэробного образования энергии. Развивающееся вслед за этим гипоксическое состояние представляет собой сложный фазный процесс.
Наиболее ранним ответом на гипоксическое воздействие является усиление интенсивности никотинамид-динуклеотидзависимого (НАД-зависимого) пути окисления. Дальнейшее же нарастание гипоксического состояния приводит к снижению интенсивности окисления НАД-зависимых субстратов и связанного с ним окислительного фосфорилирования, чувствительности дыхания к специфическим ингибиторам НАД-зависимого участка дыхательной цепи. Следствием перечисленных изменений является потеря клеткой способности к окислению ряда энергетических субстратов.
Нарушение функции митохондриального ферментного комплекса на раннем этапе гипоксии не приводит к значимым изменениям внутриклеточной концентрации аденозинтрифосфата (АТФ) и функциональной активности клеток. Это обусловлено активацией компенсаторных метаболических процессов, позволяющих сохранить энергосинтезирующую функцию клетки.
Нарастание кислородной недостаточности сопровождается уменьшением содержания АТФ, появляется линейная зависимость дыхания и концентрации АТФот парциального давления кислорода.
На последних этапах кислородного голодания уровень энергетического дефицита становится достаточным для запуска основных механизмов, приводящих к нарушению жизнедеятельности и гибели клетки. Стремительное увеличение концентрации аденозинмонофосфата (АМФ) сопровождается активацией протеинкиназной системы, что является дополнительным механизмом разрушения клеточных мембран.
Нейроны, подверженные тяжелой ишемии, а следовательно, и быстро развивающимся грубым нарушениям энергетического метаболизма, не могут поддерживать ионный градиент мембран за счет подавления Na+/K+-AТФ-азной ферментной системы. Скорость развития аноксической деполяризации мембран нейронов зависит от глубины и длительности ишемии и ведет к некротической смерти клетки.
Информация об изменении состояния мембранных структур и рецепторов, определяемая картиной перераспределения протеинкиназ на мембранах, передается с помощью систем вторичных мессенджеров (аденилатциклаз, протеинкиназ, фосфатаз) к ядру клетки, что является сигналом к включению единого молекулярного механизма, реализующего универсальный алгоритм ответа ткани мозга на повреждающее воздействие. Таким образом, острая церебральная ишемия активирует комплекс генетических программ, которые приводят к последовательной экспрессии большого числа генов.
Биохимические процессы генной экспрессии определяются доступностью АТФ и в целом сохранностью энергетического метаболизма. Первой реакцией ткани мозга на снижение мозгового кровотока является снижение синтеза матричной РНК и белков. Для поддержания белкового синтеза требуется адекватный мозговой кровоток, необходимый для поддержания продукции АТФ.
Относительно неспецифичной реакцией генома на ишемическое повреждение является индукция генов раннего реагирования. Их включение происходит уже в первые минуты ишемии в ответ на изменения активного ионного транспорта и потенциала мембран в поврежденной области, стимуляцию нейрональных рецепторов продуктами глутаматной «эксайтотоксичности» и оксидантного стресса. От рецепторов и мембран сигнал о повреждающем клетку воздействии передается к ядру нейронов, где и начинается экспрессия генов. Активность синтезированных белков изменяется под влиянием посттрансляционной модификации по механизмам фосфорилирования и дефосфорилирования в виде реакции поли(АДФ-рибозил)ирования.
Экспрессия большинства генов раннего реагирования приводит к синтезу ДНК-связанных протеинов, или транскрипционных факторов, которые в свою очередь вызывают экспрессию широкого спектра генов.
Поли(АДФ-рибозил)ирование представляет собой реакцию посттрансляционной модификации белков. Процесс синтеза поли(AДФ-рибозы) (ПАР) предшествует началу репарации повреждений ДНК.
Синтез ПАРлокализован в ядре, его осуществляет фермент поли(АДФ-рибоза)-полимераза (ПАРП).
Экспрессия ПАРП-кДНК в ядрах летальна для клеток. Это связано с тем, что внутриядерное накопление ПАР сопровождается подавлением репликации ДНК и транскрипции. Донором AДФ-рибозы является НАД. Активность ПАРП возрастает в 500 раз и более при связывании с участками разрыва ДНК. Чрезмерная активация ПАРП при массированных разрывах ДНК, сильно снижая содержание внутриклеточного НАД, ведет к подавлению гликолиза и митохондриального дыхания и вызывает гибель клетки по варианту некроза.
Известно, что НАДрегулирует жизненно важные процессы в клетке; он является кофактором для процесса гликолиза и цикла трикарбоновых кислот, восстанавливая АТФ, в большинстве клеточных процессов. НАД служит также предшественником никотинамид-динуклеотидфосфата (НАДФ), который действует как кофактор в пентозном цикле.
В результате реакции посттрансляционной модификации белков остатки АДФ-рибозы, связываясь с белками-акцепторами, формируют разветвленный полимер. Первый остаток АДФ-рибозы присоединяется к гамма-карбоксильной группе глутаминовой кислоты белка-акцептора (в качестве акцепторов ПАР может выступать целый ряд ассоциированных с хроматином белков, включая, гистоны, топоизомеразы, ДНК-лигазы, ДНК-полимеразы и саму поли(АДФ-рибоза)-полимеразу). Присоединение каждого остатка АДФ-рибозы к полимеру сопровождается образованием молекулы никотинамида. Последний включается в реакции ресинтеза НАД, протекающие непосредственно в ядре.
Головной мозг весьма чувствителен к чрезмерному образованию свободных радикалов – «окислительному стрессу». Особая опасность развития оксидантного стресса в ЦНС определяется значительной интенсивностью окислительного метаболизма мозга, составляющего 2% от общей массы человека, а утилизирующего до 50% всего потребляемого кислорода. Интенсивность потребления кислорода нейронами в десятки раз превышает потребности других клеток и тканей.
Молекулярный кислород (О2), необходимый для протекания многих физиологических процессов в организме, является активным акцептором электронов. Именно это делает его небезопасным для живых систем, так как окисление практически любого компонента клетки оказывается термодинамически выгодным.
Дополнительными факторами развития оксидантного стресса в ткани мозга являются высокое содержание в ней липидов (около 50% сухого вещества), ненасыщенные связи которых являются субстратом для перекисного окисления липидов (ПОЛ). Активность ферментативных антиоксидантных систем (каталазы, глутатионпероксидазы) в мозге значительно ниже, чем в других тканях, что еще больше повышает риск развития оксидантного стресса.
Свободный радикал представляет частицу молекулы с неспаренным электроном на одной из орбит. Кислородными радикалами (обладающими кислородом с неспаренным электроном) являются супероксид-анион и гидроксильный радикал.
В физиологических условиях кислородные радикалы вырабатываются во всех клетках как звено аэробного метаболизма. Акцепторами свободных радикалов в основном являются вещества с низкой молекулярной массой, расположенные в цитоплазме или на клеточных мембранах. В естественных условиях в качестве антиоксидантов действуют супероксиддисмутаза, глутатион, глутатион-пероксидаза, каталаза, церулоплазмин, витамины А, Е, С, К, флавоноиды, кумарины.
При снижении мозгового кровотока и развитии церебральной ишемии основным источником интермедиатов О2 являются нарушенные процессы митохондриального окислительного фосфорилирования. Именно митохондриальная дыхательная цепь переноса электронов становится мощным источником активных форм кислорода – нестабильных и крайне реакционноспособных метаболитов.
Снижение поступления в нейроны молекулярного кислорода и повышение уровня восстановленности компонентов дыхательной цепи стимулируют восстановление кислорода по одноэлектронному пути с образованием свободных радикалов, а также оксидантов нерадикальной природы (пероксида водорода и аниона гипохлорита), поскольку О2 легко реагирует с промежуточными компонентами дыхательной цепи в восстановленном состоянии.
Высокореакционные радикалы кислорода вызывают окисление биомакромолекул, а также инициируют цепные процессы перекисного окисления в мембранных липидах, прямое окислительное повреждение нуклеиновых кислот и белков.
Наиболее интенсивно процессы перекисного окисления протекают в стадии восстановления кровоснабжения мозга (реперфузии), особенно при позднем ее начале.
Восстановление кровоснабжения головного мозга после выполнения основного этапа реконструкции сонных артерий влечет за собой вторичное реперфузионное повреждение, усугубляющие ишемические изменения и придающие им необратимый характер. Активация свободного радикального перекисного окисления липидов мембран играет решающую роль в патогенезе ишемических и реперфузионных повреждений мозга. Даже спустя 10 минут от начала ишемии, массивное возвращение крови в ишемизированную зону не приводит к полной нормализации кровотока. Чем дольше ишемический период, тем выше риск дополнительного оксидантного реперфузионного повреждения церебральной ткани, обусловленного включением кислорода в метаболические процессы.
Одним из подходов, направленных на снижение риска развития церебральной ишемии в период временного прекращения кровотока по несущему сосуду, является использование фармакологической защиты головного мозга с целью профилактики интраоперационных осложнений и снижения летальности.
В клинике сердечно-сосудистой хирургии Республиканского кардиологического диспансера нами проведены экспериментальные и клинические исследования в условиях острой циркуляторной церебральной ишемии.
На одной группе животных исследовано свободное радикальное состояние головного мозга, на другой – энергетический церебральный статус. Клинические исследования были направлены на изучение процессов интраоперационной церебральной липопероксидации. В результате выявлено увеличение процессов свободнорадикального окисления и грубые нарушения энергетического обмена в головном мозге.
С целью церебральной интраоперационной протекции был разработан и внедрен в практику новый метод, основанный на применении никотинамида (патент на изобретение № 2279878 от 20.07.2006г.).
Никотинамид – амид никотиновой кислоты относится к числу активных ингибиторов ПАРП. Никотинамид по строению и действию близок к никотиновой кислоте, входит в состав коферментов (НАД, НАДФ), пируватдегидрогеназного комплекса и принимает участие в окислительно-восстановительных процессах в организме.
Никотинамид обладает высокой избирательностью к ПАРП. Ингибирование ПАРП никотинамидом уменьшает повреждение тканей, связанное с ишемическим повреждением. Никотинамид предотвращает резкое падение уровня НАД, подавляет синтез ПАР и увеличивают выживаемость клеток.
Первая группа животных (24 беспородных крыс) была подвержена исследованию метаболического статуса полушарий мозга и его изменений под воздействием никотинамида. Оценивали количественное содержание АТФ, АДФ, АМФ в тканях головного мозга, рассчитывали величину энергетического заряда (ЭЗ), отношение АТФ/АДФ и сумму нуклеотидов.
Результатом ишемического воздействия явилось следующее:
· количественное содержание АТФ при церебральной ишемии снижалось почти в 2,4 раза (до 42,2% по отношению к контролю).
· ишемия мозга сопровождалась незначительными изменениями суммарного содержания адениловых нуклеотидов (на 9,1%).
· коэффициент отношения АТФ/АДФ значительно падал с 3,48 ± 0,31 у интактных животных до 0,56 ± 0,04 (на 83,8%) – у ишемизированных.
· величина ЭЗ снижалась в условиях ишемии головного мозга с 0,78 ± 0,06 до 0,49 ± 0,03 (на 36,2%).
О влиянии никотинамида на состояние энергетического статуса клеток мы судили по тем же количественным изменениям адениловых нуклеотидов и основных их параметров.
Никотинамид способствовал восстановлению уровня адениловых нуклеотидов в условиях ишемии головного мозга. Уровень Атф достоверно увеличился в 3,5 раза по сравнению с изолированной ишемией (с 0,94 ± 0,04 до 3,33 ± 0,20 мкмоль/г).
Ишемия на фоне применения никотинамида сопровождалась увеличением суммарного содержания адениловых нуклеотидов в мозге с 3,29 ± 0,30 до 4,6 ± 0,41 (на 39,8%).
Значительных изменений коэффициента АТФ/АДФ у неишемизированных животных и животных, получавших никотинамид до церебральной ишемии не наблюдалось (3,48±0,31 и 4,22±0,38 соответственно).
Величина ЭЗ в условиях ишемии головного мозга и протекции его никотинамидом достоверно увеличивалась до нормальных величин относительно контрольных животных.
Другая экспериментальная группа животных (31 беспородная крыса), которым создавалась острая церебральная ишемия, позволила изучить состояние перекисного окисления липидов в головном мозге методом регистрации хемилюминесценции (ХЛ). При этом проводилось хемилюминесцентное исследование гомогената головного мозга и анализировались показатели ее светосуммы.
В результате нами выявлено увеличение процессов ПОЛ в гомогенате ишемизированного головного мозга в 3,6 раза. На фоне применения никотинамида повышение уровня липопероксидации возросло лишь в 1,7 раза.
Полученные экспериментальные данные послужили основанием для продолжения этой работы в клинической практике и разработки метода церебропротекции в хирургии сонных артерий.Клинические исследования проводились у 34 пациентов. Контрольную группу составили 10 оперированных больных, которым были выполнены КЭ по стандартной методике под местной анестезией. Основную группу составили 24 пациента, которым также выполнялась стандартная КЭ, но перед окклюзией в общую сонную артерию вводился раствор никотинамида из расчета 2,0 мг/кг.Производился трехкратный забор крови из внутренней яремной вены (ВЯВ) на стороне хирургического вмешательства, для исследования свободнорадикального окисления методом регистрации хемилюминесценции: первая порция крови из ВЯВ перед окклюзией сонных артерий; вторая – на высоте ишемии головного мозга, после выполнения реконструкции сонных артерий; третья – через 10 минут после снятия окклюзии с сонных артерий (фаза реперфузии).
У контрольной группы больных было установлено увеличение интенсивности спонтанной ХЛ крови между порцией до окклюзии и порциями крови на высоте окклюзии сонных артерий, а также в фазе реперфузии до 2 раз, а стимулированной ХЛ крови между соответствующими порциями до 5 раз, что является показателем чрезмерного образования свободных радикалов.В основной группе больных была выявлена незначительная разница в значениях спонтанной и стимулированной ХЛ в крови между первой порцией, порциями крови на высоте окклюзии сонных артерий и в фазе реперфузии.
Таким образом, острая церебральная ишемия вызывает развитие оксидантного стресса и изменения энергетического метаболизма в ткани мозга. Профилактическое введение никотинамида предупреждает развитие тяжелых нарушений метаболизма в мозге, связанных с активацией процессов свободнорадикального окисления, активирует работу систем энергетического обмена в клетке, способствуя тем самым сохранению энергетического статуса клетки.