Моделирование патологических процессов. Повреждающее действие на организм ускорений и ультрафиолетовых лучей

01Методология экспериментального моделирования в патофизиологии

Моделирование патологических процессов представляет собой метод научного познания, основанный на воспроизведении в искусственно созданных условиях тех или иных патологических явлений, процессов или заболеваний с целью детального изучения их этиологии, ключевых патогенетических звеньев, клинико-морфологических проявлений, а также для доклинической апробации новых фармакологических средств и методов терапии.

Эксперимент как основа патофизиологии и принцип Клода Бернара

Основоположник научной экспериментальной медицины Клод Бернар сформулировал базовый методологический принцип: наблюдение лишь констатирует явления, тогда как только контролируемый эксперимент позволяет раскрыть их внутренние причинно-следственные связи и механизмы. В клинической практике врач сталкивается с уже развившимся патологическим состоянием, видоизмененным индивидуальными реакциями макроорганизма, коморбидным фоном и проводимым лечением. Экспериментальное моделирование позволяет:

• строго дозировать повреждающий этиологический фактор в пространстве и времени;

• исследовать сверхранние (доклинические) стадии патологического процесса до манифестации клинических симптомов;

• проводить инвазивный динамический мониторинг физиологических и биохимических параметров, забор биоптатов органов и тканей, недоступных для прижизненного анализа у человека;

• отключать или искусственно активировать отдельные рецепторы, ферменты или гены для проверки конкретных гипотез патогенеза.

Классификация экспериментальных моделей

В современной биомедицине все экспериментальные модели разделяют на три взаимодополняющие категории:

1. Модели in vivo (биологические модели на целостном организме):

   • Лабораторные животные (мыши, крысы, морские свинки, кролики, собаки, приматы) воспроизводят системный нейроэндокринный и иммунный ответ целостного организма.

   • Включают методы хирургического моделирования (перевязка коронарной артерии для индукции инфаркта миокарда, субтотальная нефрэктомия при почечной недостаточности), токсического воздействия (аллоксановый или стрептозотоциновый сахарный диабет, четыреххлористый углерод для токсического гепатита), иммунизации (экспериментальный аллергический энцефаломиелит).

   • Генетически модифицированные линии: трансгенные животные с гиперэкспрессией целевых белков (knock-in) или направленным выключением определенных генов (нокаутные мыши, knockout), воспроизводящие моногенные заболевания человека.

2. Модели in vitro (вне живого организма):

   • Культуры первичных клеток и иммортализованных клеточных линий, органотипические срезы тканей и трехмерные клеточные органоиды (микроткани).

   • Перфузируемые изолированные органы (классическая модель изолированного сердца по Лангендорфу), позволяющие изучать органоспецифические эффекты ишемии, реперфузии и фармакопрепаратов в изоляции от системных влияний.

3. Модели in silico (компьютерные и математические модели):

   • Математическое моделирование фармакокинетики, динамики метаболических каскадов, молекулярный докинг и симуляция белок-лигандных взаимодействий с помощью биоинформатических алгоритмов, что позволяет предсказывать токсичность и терапевтическую активность веществ до начала лабораторных испытаний.

02Ограничения экспериментального метода и современные биоэтические стандарты

Несмотря на колоссальную ценность эксперимента, патологический процесс у лабораторного животного никогда не бывает абсолютно тождественен болезни человека. Понимание методологических ограничений необходимо для критической интерпретации результатов доклинических исследований.

Методологические ограничения моделей in vivo

Экстраполяция данных, полученных на животных, на клинику человека сопряжена со следующими фундаментальными различиями:

• Видовые метаболические и иммунологические различия: существенные расхождения в ферментных системах цитохрома Р450, профиле Toll-подобных рецепторов, цитокиновой сети и строении антигенпредставляющих комплексов (например, мыши обладают естественной устойчивостью к ряду бактериальных эндотоксинов, смертельных для человека);

• Анатомо-физиологические особенности: различия в гемодинамике, строении микроциркуляторного русла, плотности иннервации органов и строении кожных покровов;

• Невозможность моделирования высших интегративных функций: на животных невозможно воспроизвести патологию второй сигнальной системы (речь, вербальное абстрактное мышление), субъективные переживания, психогенные расстройства, депрессивные и ипохондрические синдромы человеческого уровня;

• Нозологическая неполнота: модель, как правило, отражает лишь изолированный фрагмент болезни (например, гипергликемию), но не воспроизводит сложнейший многофакторный патогенез полигенных патологий (атеросклероз, шизофрения, эссенциальная гипертензия) во всем спектре человеческой коморбидности.

Международные биоэтические стандарты и концепция 3R

Гуманизация биомедицинских исследований и защита прав экспериментальных животных регламентируются Хельсинкской декларацией, международными правилами GLP (Good Laboratory Practice) и институциональными комитетами по биоэтике (IACUC). Фундаментом биоэтики лабораторных исследований является концепция трех «R» (концепция Рассела–Бёрча, 1959 г.):

1. Replacement (Замещение): приоритетное использование неживотных альтернатив — культур клеток человека, 3D-органоидов, микрофлюидных чипов «орган-на-чипе» (organ-on-a-chip) и компьютерных симуляций (in silico) везде, где это научно обосновано;

2. Reduction (Сокращение): минимизация количества используемых животных до строго необходимого статистического минимума за счет стандартизации экспериментальных протоколов, использования инбредных гомозиготных линий и высокочувствительных методов визуализации;

3. Refinement (Улучшение/Гуманизация): всемерное облегчение страданий животных путем применения адекватной общей и местной анестезии, минимизации инвазивности, обеспечения обогащенной среды обитания и соблюдения строгих гуманных конечных точек (humane endpoints).

03Физическая характеристика и классификация перегрузок и ускорений

Ускорение — это векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости движения тела по модулю или направлению. В условиях авиационных полетов, космических запусков, маневрирования высокоскоростного транспорта или резких торможений на организм действуют силы инерции, порождающие состояние механической перегрузки.

Понятие перегрузки (g-force)

Перегрузка ($g$) — безразмерная величина, выражающая отношение результирующей механической силы, действующей на тело (силы реакции опоры или подвеса), к его нормальному весу в гравитационном поле Земли в состоянии покоя ($1g = 9{,}81\text{ м/с}^2$). При перегрузке в $+5g$ масса тела условно возрастает в 5 раз, что влечет за собой многократное увеличение гидростатического давления столба крови и механическую деформацию внутренних органов.

Классификация перегрузок по физическим параметрам

В патофизиологии экстремальных состояний перегрузки классифицируют по ключевым критериям:

1. По направлению вектора ускорения относительно продольной оси тела человека:

   • Продольные перегрузки ($G_z$): вектор направлен вдоль оси позвоночника. Подразделяются на положительные ($+G_z$, вектор инерции «голова–таз») и отрицательные ($-G_z$, вектор инерции «таз–голова»);

   • Поперечные перегрузки ($G_x$ и $G_y$): вектор направлен перпендикулярно позвоночнику. По оси $x$ различают перегрузки «грудь–спина» ($+G_x$) и «спина–грудь» ($-G_x$); по оси $y$ — боковые перегрузки «бок–бок» ($G_y$);

2. По времени и скорости нарастания:

   • Длительно действующие перегрузки: длятся более 1–2 секунд (типичны для виражей пилотажных самолетов, выведения ракет на орбиту); ведущую роль в патогенезе играют гидродинамические расстройства гемодинамики;

   • Ударные перегрузки (кратковременные): длятся сотые и десятые доли секунды, достигая пиковых значений в $20$–$50g$ и выше (при катапультировании, раскрытии парашюта, транспортных столкновениях, жесткой посадке); доминируют прямые механические повреждения скелета и разрывы паренхиматозных органов;

3. По характеру траектории движения: линейные (прямолинейное ускорение/торможение), радиальные (центробежные силы при криволинейном движении) и угловые (вращение тела вокруг осей, раздражающее полукружные каналы внутреннего уха).

04Патофизиология положительных продольных перегрузок (+Gz)

Положительные продольные перегрузки ($+G_z$) возникают при маневрах летательных аппаратов (выход из пикирования, выполнение мертвой петли), когда вектор ускорения направлен к голове, а сила инерции смещает органы и массы крови в каудальном направлении — от головы к тазу и нижним конечностям.

Гемодинамический коллапс и ишемия головного мозга

Патогенез нарушений при $+G_z$ обусловлен резким увеличением гидростатического давления столба крови:

1. Депонирование крови в венах брюшной полости и нижних конечностей: под действием инерции до $1{,}5$–$2{,}0$ литров крови смещается в каудальные отделы сосудистого русла с перерастяжением податливых венозных сосудов;

2. Падение венозного возврата и сердечного выброса: приток крови к правому предсердию катастрофически снижается, конечно-диастолический объем желудочков падает, ударный объем сердца уменьшается на 60–80%;

3. Критическое падение давления в церебральных артериях: на уровне основания черепа артериальное давление снижается пропорционально величине перегрузки (примерно на 20–25 мм рт. ст. на каждый $1g$). При перегрузке $+4$–$+5g$ систолическое давление в сосудах виллизиева круга и центральной артерии сетчатки падает ниже критических 20–30 мм рт. ст., преодолевая порог ауторегуляции мозгового кровотока.

Стадии неврологических и офтальмологических расстройств

Клинико-патофизиологический симптомокомплекс развивается стадийно по мере нарастания перегрузки и времени ее экспозиции:

• Синдром «серой пелены» (greyout): ишемия периферических отделов сетчатки, где перфузионное давление уступает внутриглазному (норма внутриглазного давления 15–20 мм рт. ст.). Проявляется сужением полей зрения («туннельное зрение») и утратой различения цветов;

• Синдром «черной пелены» (blackout): полная ишемия сетчатки обоих глаз при еще сохраняющемся минимальном кровотоке в коре головного мозга. Наступает полная временная слепота при абсолютно ясном сознании летчика;

• Синдром G-LOC (G-induced Loss of Consciousness): потеря сознания, вызванная острой ишемией и гипоксией коры больших полушарий головного мозга (при $+4{,}5$–$+6g$ у нетренированного человека). Сопровождается клоническими судорогами, амнезией и периодом глубокой постишемической дезориентации продолжительностью от 10 до 30 секунд, что в реальном полете смертельно опасно.

Методы компенсации и защиты

Для противодействия эффектам $+G_z$ применяют противоперегрузочные костюмы (ППК), состоящие из надувных камер, пережимающих вены ног и брюшную полость при нарастании перегрузки, а также специальный дыхательно-мышечный маневр AGSM (Anti-G Straining Maneuver, или L-1/M-1 маневр: натуживание при частично закрытой голосовой щели с предельным статическим напряжением мышц пресса и конечностей), повышающий устойчивость еще на $2$–$3g$.

05Влияние продольных отрицательных (-Gz) и поперечных (+Gx) перегрузок

Действие перегрузок, вектор которых не совпадает со схемой «голова–таз», характеризуется принципиально иными механизмами патогенеза и органопатологии.

Отрицательные продольные перегрузки (-Gz)

Отрицательные перегрузки возникает при перевернутом полете, пикировании или резком переходе от набора высоты к снижению. Вектор ускорения направлен к стопам, а сила инерции перемещает массы крови и органы краниально — по направлению к голове.

Патогенез нарушений:

• Острое венозное полнокровие и гипертензия в сосудах головы: артериальное и венозное давление в сосудах головного мозга, глазницы и лица резко возрастает (до 200–300 мм рт. ст.), вызывая набухание сосудистых сплетений желудочков и нарастание внутричерепного давления;

• Синдром «красной пелены» (redout): субъективное ощущение окрашивания поля зрения в ярко-красный цвет. Обусловлен приливом крови к сосудам глаза, пассивным растяжением сосудов сетчатки, набуханием нижнего века, экранирующего зрачок, а также микрокровоизлияниями в конъюнктиву и преретинальные слои;

• Брадикардитический коллапс: раздражение барорецепторов каротидных синусов и дуги аорты колоссальной пульсовой волной вызывает мощнейшую парасимпатическую вагусную стимуляцию, приводя к синусовой брадикардии, атриовентрикулярным блокадам и риску асистолии сердца;

• Риск отека мозга и геморрагического инсульта: человеческий организм крайне уязвим к $-G_z$; предел переносимости составляет всего лишь $-2$–$-3g$ в течение нескольких секунд.

Поперечные перегрузки (+Gx)

При поперечных перегрузках вектор силы инерции действует перпендикулярно телу — от груди к спине («грудь–спина», $+G_x$, посадка космонавтов в ложементах) либо от спины к груди ($-G_x$).

Особенности переносимости и лимитирующие факторы:

• В горизонтальном положении гидростатический столб крови по оси «сердце–мозг» практически отсутствует, поэтому перегрузки $+G_x$ переносятся намного лучше — до $+12$–$+15g$ без потери сознания;

• Дыхательная недостаточность: главный лимитирующий фактор — компрессия грудной клетки. Сила инерции многократно увеличивает вес передней грудной стенки, блокируя экскурсию ребер и сокращение диафрагмы. Развивается острая легочная рестрикция;

• Вентиляционно-перфузионное разобщение: под действием гравитационного вектора кровь перераспределяется в дорсальные отделы легких, сдавливая альвеолы и формируя компрессионные ателектазы, в то время как вентральные отделы вентилируются, но обеднены перфузией. Возникает тяжелый внутрилегочный шунт справа налево и системная гипоксемия.

06Патофизиология микрогравитации (невесомости)

Невесомость (микрогравитация, $0g$) — состояние, при котором гравитационная сила уравновешивается центробежной силой орбитального движения, в результате чего исчезает деформация тканей и взаимное механическое давление частей тела друг на друга.

Острое гемодинамическое перераспределение и рефлекс Генри–Гауэра

В первые часы пребывания в невесомости исчезает гидростатическое давление крови на сосуды нижней половины тела. Около $1{,}5$–$2{,}0$ литров интерстициальной жидкости и венозной крови пассивно перемещается из вен ног и таза в краниальном направлении (к верхней половине туловища и голове):

1. Возникает венозный застой в тканях лица и шеи («одутловатое лицо», пастозность век, отек слизистой оболочки носоглотки с заложенностью носа);

2. Переполнение центрального венозного русла приводит к перерастяжению правого и левого предсердий;

3. Рефлекс Генри–Гауэра: механорецепторы предсердий воспринимают гиперволемию центрального русла и запускают рефлекторное торможение синтеза антидиуретического гормона (вазопрессина/АДГ) в гипоталамусе и подавление ренин-ангиотензин-альдостероновой системы (РААС). Одновременно миоциты предсердий секретируют натрийуретический пептид (ANP);

4. В почках усиливается натрийурез и диурез. Организм целенаправленно избавляется от «избытка» жидкости, теряя 10–15% объема циркулирующей плазмы (ОЦП). Формируется стойкая гиповолемическая дегидратация, которая при возвращении на Землю манифестирует тяжелой ортостатической гипотензией и коллапсом.

Космический синдром движения

В первые 3–5 суток развивается космическая болезнь движения (сенсорный конфликт):

• Возникает рассинхронизация афферентных сигналов между отолитовым аппаратом вестибулярного анализатора (утратившим гравитационную ориентацию отолитов), полукружными каналами, зрительным анализатором и проприорецепторами мышц и суставов;

• Проявляется тошнотой, упорной рвотой, головной болью, нарушением пространственной ориентации и атаксией.

Долговременные адаптивно-деструктивные сдвиги

При длительном пребывании в невесомости развиваются глубокие дистрофические процессы:

• Мышечная атрофия: устранение постоянного тонического напряжения приводит к атрофии постуральных скелетных мышц (в первую очередь камбаловидных и разгибателей позвоночника) с трансформацией медленных окислительных мышечных волокон I типа в быстрые гликолитические волокна II типа;

• Остеопения и деминерализация скелета: отсутствие осевой механической нагрузки на кость подавляет активность остеобластов (пьезоэлектрический эффект затухает) и активирует резорбцию кости остеокластами. Происходит вымывание гидроксиапатита кальция (до 1–1.5% костной массы губчатого вещества в месяц), развивается гиперкальциурия, нефролитиаз и высокий риск патологических переломов.

07Физическая характеристика и спектральные диапазоны ультрафиолетового излучения

Ультрафиолетовое излучение (УФО) представляет собой часть спектра неионизирующего электромагнитного излучения с длиной волны от 100 до 400 нм, занимающую промежуточное положение между видимым светом и рентгеновскими лучами. Энергия фотона УФО обратно пропорциональна длине волны: чем короче длина волны, тем выше квантовая энергия и потенциал повреждения биомолекул, но тем меньше глубина проникновения в ткани.

Спектральная классификация Международной комиссии по освещенности (CIE)

По биологическому действию и взаимодействию с атмосферой УФО разделяют на три диапазона:

1. УФ-А (UVA, длинноволновый, 320–400 нм):

   • Практически не поглощается озоновым слоем стратосферы (составляет 95% всего УФО, достигающего поверхности Земли);

   • Обладает наибольшей проникающей способностью: проходит через эпидермис и достигает глубоких слоев дермы и подкожной жировой клетчатки, а также свободно проникает сквозь оконные стекла;

   • Непосредственно ДНК повреждает слабо, однако является главным триггером окислительного стресса через фотосенсибилизацию эндогенных хромофоров; выступает ведущей причиной фотостарения (дерматогелиоза);

2. УФ-В (UVB, средневолновый, 280–320 нм):

   • Примерно на 90% поглощается стратосферным озоном; оставшиеся 5–10% достигают поверхности Земли;

   • Задерживается роговым и шиповатым слоями эпидермиса, лишь около 10–15% достигает сосочкового слоя дермы;

   • Обладает высочайшей фотохимической активностью: спектр поглощения УФ-В совпадает со спектром поглощения нуклеиновых кислот (максимум около 260 нм) и ароматических аминокислот белков (280 нм);

   • Непосредственный инициатор фотохимических повреждений ДНК, солнечных ожогов (солнечной эритемы), синтеза витамина $D_3$ и мутагенеза;

3. УФ-С (UVC, коротковолновый, 100–280 нм):

   • Полностью экранируется озоновым слоем и атмосферным кислородом, в естественных условиях до Земли не доходит;

   • Обладает жестким деструктивным, бактерицидным и летальным мутагенным действием за счет фотоионизации и коагуляции клеточных белков; генерируется искусственно в бактерицидных кварцевых лампах и при дуговой электросварке.

08Молекулярные механизмы повреждающего действия УФО на клетку

Повреждающее действие ультрафиолета на клеточные структуры подразделяется на прямое фотохимическое повреждение нуклеиновых кислот и опосредованное свободнорадикальное фотоокисление.

Прямое фотохимическое повреждение ДНК (эффект УФ-В)

Азотистые основания ДНК непосредственно поглощают кванты УФ-В. Переход электронов пиримидиновых колец в возбужденное триплетное состояние провоцирует образование аномальных ковалентных связей между соседними пиримидинами (тимином или цитозином), расположенными в одной и той же цепи ДНК:

1. Циклобутановые пиримидиновые димеры (ЦПД, Cyclobutane Pyrimidine Dimers, CPDs): образуются при ковалентном сшивании углеродных атомов C5–C5 и C6–C6 двух соседних пиримидиновых колец (тимин-тиминовые T-T, цитозин-тиминовые C-T или цитозин-цитозиновые C-C сшивки). На ЦПД приходится до 70–80% всех УФ-индуцированных повреждений;

2. (6-4)-Фотопродукты (6-4PPs): образуются при формировании нестандартной связи между C6 одного основания и C4 последующего. Они формируются реже, но вызывают более выраженную деформацию оси двойной спирали ДНК.

Последствия для репликации: циклобутановые кольца искажают пространственную структуру двойной спирали, делая невозможным спаривание оснований по принципу комплементарности. Высокоточные репликативные ДНК-полимеразы ($\delta$ и $arepsilon$) натыкаются на димер и останавливают репликативную вилку. Для предотвращения коллапса репликации привлекаются полимеразы транслезионного синтеза (например, Pol $\eta$), которые склонны к ошибкам и вызывают специфические «УФ-подписи мутаций» (UV-signature mutations): характерные тандемные транзиции $C \to T$ и $CC \to TT$.

Опосредованное фотоокислительное повреждение (эффект УФ-А)

Фотоны УФ-А поглощаются эндогенными небелковыми хромофорами клетки — порфиринами, рибофлавином, билирубином и комплексами меланина. Возбужденный хромофор вступает в реакцию фотосенсибилизации II типа, передавая энергию молекулярному кислороду ($O_2$) с генерацией активных форм кислорода (АФК):

• синглетного кислорода ($^1O_2$);

• супероксид-анион-радикала ($O_2^{\bullet-}$);

• высокореактивного гидроксильного радикала ($^{\bullet}OH$).

АФК индуцируют перекисное окисление липидов (ПОЛ) мембран органелл, окислительную модификацию ферментов и повреждение ДНК с образованием 8-оксо-2'-дезоксигуанозина (8-oxo-dG). При репликации 8-oxo-dG спаривается с аденином вместо цитозина, приводя к трансверсиям $G:C \to T:A$.

Роль гена-супрессора TP53 и образование «клеток солнечного ожога»

Детекция нерепарированных фотоповреждений ДНК протеинкиназами ATM и ATR приводит к фосфорилированию и стабилизации онкосупрессора p53. Белок p53 запускает транскрипцию гена p21 (CDKN1A), блокирующего циклин-зависимые киназы и останавливающего клеточный цикл в фазе G1 для осуществления репарации. Если массивность повреждений превышает репарационный потенциал, p53 активирует проапоптотические белки BAX, PUMA и NOXA, инициируя гибель кератиноцита. Такие апоптотически гибнущие клетки с пикнотичным гиперхромным ядром и эозинофильной цитоплазмой называют «клетками солнечного ожога» (sunburn cells).

09Патогенез кожной патологии: солнечный ожог, фотостарение и канцерогенез

Кожа служит главным барьером на пути ультрафиолетового излучения. Воздействие УФО вызывает спектр острых и хронических патологических процессов.

Солнечная эритема (острый солнечный ожог)

Солнечный ожог представляет собой асептическое воспаление эпидермиса и дермы, индуцированное преимущественно УФ-В излучением:

1. Латентный период: длится от 2–4 до 8 часов после инсоляции, в течение которых накапливаются повреждения ДНК и синтезируются провоспалительные медиаторы;

2. Медиаторная фаза: поврежденные кератиноциты активируют фосфолипазу $A_2$ и циклооксигеназу-2 (ЦОГ-2), синтезируя мощный вазодилататор простагландин $PGE_2$. Также высвобождаются оксид азота ($NO$), гистамин тучных клеток и цитокины ($IL-1\alpha$, $IL-6$, $TNF-\alpha$);

3. Сосудистые изменения: артериолы сосочкового слоя дермы паралитически расширяются (формируется яркая эритема), повышается проницаемость эндотелия посткапиллярных венул, что приводит к экссудации и отеку дермы. При тяжелом ожоге гибель кератиноцитов базального слоя вызывает расслоение эпидермо-дермального соединения с образованием субэпидермальных пузырей;

4. Пик эритемы наступает через 12–24 часа, после чего сменяется шелушением и поствоспалительной пигментацией.

Фотостарение кожи (дерматогелиоз)

Хроническое кумулятивное облучение (преимущественно длинноволновым УФ-А) приводит к фотостарению:

• УФ-А через АФК стимулирует транскрипционный фактор AP-1 в фибробластах дермы;

• AP-1 индуцирует гиперэкспрессию матриксных металлопротеиназ — интерстициальной коллагеназы (ММП-1), стромелизина (ММП-3) и желатиназы (ММП-9), одновременно ингибируя тканевые ингибиторы металлопротеиназ (TIMP);

• Происходит массивный ферментативный лизис интактных коллагеновых волокон I и III типов, составляющих каркас дермы;

• Актинический эластоз: на месте разрушенного коллагена фибробласты компенсаторно откладывают аморфный, дефектный, клубочкообразный эластический материал. Кожа утрачивает тургор и эластичность, становится грубой, дряблой, испещренной глубокими морщинами с очагами гиперпигментации (солнечные лентиго) и телеангиэктазиями.

Фотокарциногенез

УФО является полноценным канцерогеном — оно выступает одновременно инициатором (вызывает мутации) и промотором (стимулирует пролиферацию и подавляет местный противоопухолевый иммунитет):

• Мутагенное повреждение гена TP53 в базальных кератиноцитах снимает апоптотический контроль над поврежденными клетками;

• Подавление антигенпрезентирующей функции эпидермальных клеток Лангерганса под действием УФО препятствует распознаванию опухолевых антигенов иммунной системой;

• Следствием являются злокачественные новообразования кожи: базальноклеточный рак (базалиома), плоскоклеточный рак и меланома (злокачественная опухоль из меланоцитов, ассоциированная с эпизодами тяжелых солнечных ожогов в детском и подростковом возрасте).

10Наследственные дефекты фоторепарации и фотоповреждения органа зрения

Для устранения повреждений ДНК, индуцированных УФО, в клетках человека функционирует высококонсервативная система эксцизионной репарации нуклеотидов (Nucleotide Excision Repair, NER).

Молекулярный дефект при пигментной ксеродерме (Xeroderma Pigmentosum)

Пигментная ксеродерма — тяжелое генетическое аутосомно-рецессивное заболевание, служащее эталонной моделью нарушения репарации ДНК:

1. Молекулярный механизм NER: в норме комплекс белков распознает искажение двойной спирали (белки XPC, XPA), хеликазы TFIIH (XPB, XPD) расплетают цепи, эндонуклеазы XPF и XPG вырезают фрагмент поврежденной цепи длиной 24–32 нуклеотида, содержащий димер, после чего ДНК-полимераза заполняет брешь по матрице интактной цепи, а ДНК-лигаза восстанавливает фосфодиэфирную связь;

2. Патогенез: мутации в любом из генов комплекса ($XPA$–$XPG$) вызывают абсолютную неспособность эпителиальных клеток удалять циклобутановые пиримидиновые димеры и (6-4)-фотопродукты;

3. Клинические проявления: при малейшей инсоляции у детей развиваются тяжелые буллезные фотодерматиты, пойкилодермия (сочетание гиперпигментации, депигментации, атрофии кожи и телеангиэктазий) и кератозы. Частота развития базальноклеточного, плоскоклеточного рака и меланомы кожи увеличивается более чем в 1000–2000 раз, причем опухоли манифестируют в детском возрасте (до 8–10 лет).

Поражение органа зрения: фотокератоконъюнктивит и катаракта

Оптические среды глаза по-разному поглощают ультрафиолетовые лучи различных спектральных диапазонов, определяя топографию патологических изменений:

• Острый фотокератоконъюнктивит («снежная слепота», электроофтальмия): вызывается действием УФ-В и коротковолнового УФО (отражение от снега в горах, излучение сварочной дуги). Роговица интенсивно поглощает лучи короче 300 нм. Через 6–12 часов латентного периода происходит массивный апоптоз и слущивание переднего эпителия роговицы, обнажение чувствительных нервных окончаний тройничного нерва. Возникает мучительная режущая боль («песок в глазах»), блефароспазм, профузное слезотечение и светобоязнь;

• Катаракта: длинноволновый УФ-А и частично УФ-В поглощаются веществом хрусталика. Хроническая инсоляция индуцирует окислительный стресс, свободнорадикальную модификацию и агрегацию водорастворимых структурных белков хрусталика — кристаллинов. Образуются нерастворимые белковые агрегаты с желто-коричневым помутнением хрусталика (кортикальная и ядерная катаракта);

• Птеригиум и пингвекула: хроническое облучение конъюнктивы вызывает актиническую эластоидную дегенерацию субэпителиальной стромы с разрастанием васкуляризированной крыловидной плевы, нарастающей на роговицу.

11На экзамене

12Частая ошибка