Leki zwiększające potencjał energetyczny komórek

W uproszczonej formie stan energetyczny komórek (tkanek) można scharakteryzować jako stosunek mas aktywnych układu ATP - ATP/ADP. W istocie odzwierciedla on aktualną równowagę między wydatkami energetycznymi na utrzymanie żywotności i funkcji komórki a produkcją ATP podczas fosforylacji substratowej (glikolitycznej) i oksydacyjnej. Ta ostatnia oczywiście odgrywa decydującą rolę i całkowicie zależy od zachowania prawidłowej struktury funkcjonalnej mitochondriów (przepuszczalność jonowa błony zewnętrznej i wewnętrznej, ich ładunek, uporządkowanie ułożenia i działania enzymów łańcucha oddechowego i fosforylacji ADP itp.), dostarczania tlenu w ilości przekraczającej próg wykorzystania przez mitochondria, dostarczania substratów utleniania i szeregu innych przyczyn, rozpatrywanych szczegółowo przez biochemików. Zaburzenia mechanizmu wytwarzania energii w „komórce szokowej” są niejednoznaczne, podobnie jak przyczyny, które je powodują. Niewątpliwie wiodącą rolę odgrywa niedotlenienie, które ma złożony charakter i wynika z zaburzeń oddychania zewnętrznego, krążenia płucnego, funkcji transportu tlenu przez krew, zaburzeń krążenia systemowego, regionalnego i mikrokrążenia, endotoksemii. Dlatego walka z niedotlenieniem na różnych poziomach przywracania kaskady tlenowej za pomocą terapii infuzyjnej, różnych środków sercowo-naczyniowych i przeciwzakrzepowych pozostaje głównym sposobem jego zapobiegania i leczenia. Drugą najważniejszą przyczyną zaburzeń bioenergetycznych, w dużej mierze wtórną do niedotlenienia - uszkodzenie struktur błonowych, w szczególności mitochondriów, omówiono powyżej.

Naruszenie homeostazy energetycznej komórki i uszkodzenie jej struktur błonowych stwarza problem opracowania przez farmakologów środków ochrony komórki podczas wstrząsu i normalizacji jej metabolizmu energetycznego. „Resuscytacja na poziomie komórkowym” w urazach i wstrząsach jest jednym ze sposobów rozwiązania problemu zapobiegania nieodwracalnym stanom. Rozwój tego kierunku wiąże się z wdrażaniem nowych pomysłów i nadziei na satysfakcjonujące rozwiązanie problemu farmakologicznej ochrony organizmu podczas urazów i wstrząsów. Rozwój leków przeciwhipoksantowych, leków zdolnych do zmniejszenia lub wyeliminowania skutków niedotlenienia, może stać się jednym z takich obiecujących podejść i odegrać kluczową rolę w metabolicznej „reanimacji komórki” w szoku.

Poprawę stanu energetycznego komórki można osiągnąć albo poprzez zmniejszenie wydatkowania ATP na określoną pracę (na przykład wysokie dawki barbituranów w niedokrwieniu mózgu, beta-adrenolityków lub antagonistów wapnia w niedokrwieniu mięśnia sercowego), albo poprzez optymalizację wykorzystania niedoboru tlenu przez mitochondria i komórkę jako całość oraz zwiększenie produkcji ATP podczas glikolizy, a na koniec poprzez uzupełnienie wewnątrzkomórkowej puli ATP wysokoenergetycznymi związkami wprowadzanymi z zewnątrz. Leki, które w taki czy inny sposób zwiększają potencjał energetyczny komórki, można podzielić na cztery grupy pod względem zapobiegania i terapii wstrząsu:

1. leki przeciwhipoksamiczne z grupy gutimin (łączą je wspólne właściwości ochronne, ustalone lub postulowane mechanizmy działania);
2. związki egzogenne wysokoenergetyczne;
3. substraty utleniania, enzymy i koenzymy łańcucha oddechowego;
4. leki z innych grup farmakologicznych.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ]

Substraty utleniania, enzymy i koenzymy łańcucha oddechowego

Masowe uwalnianie katecholamin w szoku wiąże się ze zmniejszoną tolerancją glukozy, która jest spowodowana nie tylko glikogenolizą, ale także, zwłaszcza w początkowej fazie wstrząsu, obniżonym poziomem insuliny z powodu stymulacji receptorów alfa komórek B trzustki. Dlatego farmakologiczna regulacja metabolizmu komórkowego w szoku i niedokrwieniu powinna zapewnić lepsze dostarczanie glukozy do komórki i włączenie jej do metabolizmu energetycznego. Przykładem takiego podejścia terapeutycznego jest ukierunkowane działanie „roztworu repolaryzującego” (glukoza + insulina + potas) na metabolizm mięśnia sercowego, przełączając metabolizm mięśnia sercowego z utleniania kwasów tłuszczowych na energetycznie korzystniejszą glukozę. Takie połączenie jest z powodzeniem stosowane w leczeniu wstrząsu w zawale mięśnia sercowego i w niewydolności sercowo-naczyniowej o innej etiologii. Zastosowanie „roztworu repolaryzującego” w zawale mięśnia sercowego stymuluje wchłanianie glukozy przez serce, hamuje utlenianie NEFA, wspomaga przenikanie potasu do mięśnia sercowego, stymuluje fosforylację oksydacyjną i syntezę ATP. Gutimin ma podobne działanie w obecności insuliny, ale nie glukozy.

W warunkach beztlenowych, oprócz glikolizy, synteza ATP jest możliwa poprzez odwrócenie reakcji w dikarboksylowej części cyklu kwasu trikarboksylowego, tworząc bursztynian jako produkt końcowy. W tym przypadku, podczas redukcji fumaranu do bursztynianu, oprócz ATP, powstaje utleniony NAD, ale kwasica, akumulacja bursztynianu i niedobór heksoz ograniczają tę reakcję. Próby wykorzystania fosforylowanych heksoz typu estrów Cori (glukozo-1-fosforan, fruktozo-1,6-difosforan) w klinice okazały się mało skuteczne w praktyce.

Jednym z powodów głodowania substratowego w szoku jest występowanie swoistego bloku na drodze wejścia pirogronianu do cyklu kwasu trikarboksylowego. Dlatego jednym ze sposobów zwiększenia potencjału energetycznego komórki może być wykorzystanie substratów cyklu kwasu trikarboksylowego, przede wszystkim bursztynianu i fumaranu. Wykorzystanie bursztynianu w różnych formach głodowania tlenowego jest teoretycznie dobrze uzasadnione przez MN Kondrashova i in. (1973). Podczas głodowania tlenowego komórka wykorzystuje głównie kwas bursztynowy, ponieważ jego utlenianie nie jest związane z NAD+. Jest to niewątpliwa zaleta bursztynianu nad substratami zależnymi od NAD (na przykład alfa-ketoglutaranem). Reakcja utleniania bursztynianu w komórce do fumaranu jest swego rodzaju „bocznym wejściem” do łańcucha oddechowego i nie zależy od konkurencji z innymi substratami o NAD+. Tworzenie bursztynianu jest również możliwe w cyklu Robertsona, którego pośrednimi metabolitami są GABA, GHB i semialdehyd bursztynowy. Działanie przeciwhipoksyczne oksybutyratu sodu jest również związane ze stymulacją tworzenia bursztynianu. Włączenie bursztynianu i fumaranu do formulacji roztworów przeciwwstrząsowych zastępujących osocze pozwala na znaczne zwiększenie ich efektów hemodynamicznych i efektu terapeutycznego we wstrząsie krwotocznym i oparzeniowym.

Zakłócenie transportu elektronów wzdłuż łańcucha oddechowego w stanie szoku pilnie dyktuje potrzebę stosowania środków, które selektywnie wpływają na procesy utleniania-redukcji w komórce. Można założyć, że zastosowanie antyhipoksanów o właściwościach akceptora elektronów, takich jak naturalny nośnik elektronów cytochrom C lub syntetyczne nośniki, pozwoli w pewnym stopniu zrekompensować niedobór końcowego akceptora elektronów - tlenu i częściowo przywrócić fosforylację oksydacyjną. W tym przypadku realizowane są pewne cele: „usuwanie” elektronów z ogniw pośrednich łańcucha oddechowego i utlenianie nukleotydów pirydynowych w cytozolu; zapobieganie gromadzeniu się wysokich stężeń mleczanu i hamowanie glikolizy, tworzenie warunków do dodatkowych, oprócz glikolizy, reakcji fosforylacji substratowej, które dostarczają ATP.

Preparaty zdolne do tworzenia sztucznych układów redoks muszą spełniać następujące wymagania:

1. posiadać optymalny potencjał redoks;
2. mają konformacyjną dostępność umożliwiającą interakcję z enzymami oddechowymi;
3. mają zdolność do transferu zarówno jednego, jak i dwóch elektronów.

Podobne właściwości wykazują niektóre ortobenzochinony i 1,4-naftochinony.

Tak więc przedstawiciel orto-benzochinonów, anilo-metylo-orto-benzochinon, jest w stanie oddziaływać zarówno z mitochondrialnym funduszem nukleotydów pirydynowych, jak i z egzogennymi NAD i NADH. Wykazano, że lek ten ma zdolność przenoszenia elektronów z koenzymu Q lub reduktazy metadonu nie tylko do cytochromu C, ale także bezpośrednio do tlenu. Zdolność benzochinonów do przeprowadzania pozamitochondrialnego utleniania NADH powstającego podczas glikolipidu zapobiega gromadzeniu się wysokich stężeń mleczanu i jego hamowaniu glikolizy. Pozytywne cechy sztucznych nośników elektronów obejmują ich zdolność do hamowania produkcji mleczanu, która jest bardziej wyraźna niż w lekach z grupy gutiminy, oraz do zwiększania pH komórki. Oprócz tego pochodne ortobenzochinonów są w stanie realizować połączenia funkcjonalne między kompleksami łańcucha oddechowego, w tym punkty koniugacji, jednocześnie wykonując „funkcje wahadłowe”, podobnie jak ubichinon.

Ubichinon lub koenzym Q to rozpuszczalny w tłuszczach chinon strukturalnie związany z wewnętrzną błoną mitochondrialną, pełniący funkcję kolektora w komórce, zbierając zredukowane równoważniki nie tylko z dehydrogenazy NADH, ale także z szeregu innych dehydrogenaz zależnych od flawiny. Zastosowanie endogennego ubichinonu w eksperymencie z ostrym niedokrwieniem mięśnia sercowego zmniejszyło rozmiar strefy zawału mięśnia sercowego, zmniejszyło zawartość mleczanu we krwi oraz aktywność kinazy kreatynowej i dehydrogenazy mleczanowej w surowicy. Ubichinon „łagodził” wyczerpywanie się rezerw CPK i LDH w strefie niedokrwienia mięśnia sercowego oraz zawartość fosfokretyny w mięśniu sercowym. Pozytywny wpływ ubichinonu zauważono w niedokrwieniu wątroby.

Leki przeciwhipoksantowe z grupy gutimin

Mechanizm działania przeciwhipoksemicznego leków z tej grupy jest wielowartościowy i nie został wyjaśniony na poziomie molekularnym. W dużej liczbie badań eksperymentalnych i mniejszej liczbie badań klinicznych dowody na dość wysoką skuteczność leków są fenomenologiczne. W tej grupie działanie ochronne gutiminy i amtizolu w przypadku wstrząsu, niedokrwienia mięśnia sercowego i mózgu, nerek, wątroby i niedotlenienia wewnątrzmacicznego płodu zostało zbadane lepiej niż inne. Gutimina i jej analogi zmniejszają zapotrzebowanie tkanek na tlen, a to zmniejszenie jest łatwo odwracalne i osiągane jest w wyniku oszczędnego wykorzystania tlenu, a nie spadku czynnościowej aktywności narządów.

W szoku, jak wiadomo, gromadzenie się produktów glikolizy (głównie mleczanu) w połączeniu z niedoborem substratów utleniania i wzrostem redukcji nukleotydów pirydynowych ogranicza intensywność glikolizy poprzez hamowanie aktywności dehydrogenazy mleczanowej. W tych warunkach możliwe jest osiągnięcie przeniesienia glikolizy na szlak mleczanowy albo poprzez mobilizację glukoneogenezy, albo poprzez przełączenie cyklu Krebsa na utlenianie pirogronianu zamiast kwasów tłuszczowych. Zastosowanie gutiminy i jej analogów pozwala na realizację głównie pierwszego podejścia farmakologicznego. Leki z tej grupy zwiększają transport glukozy do komórek w warunkach niedotlenienia, aktywują glikolizę w mózgu, sercu, wątrobie i jelicie cienkim. Jednocześnie zmniejszają gromadzenie się mleczanu w narządach i głębokość kwasicy metabolicznej. W warunkach dostatecznego zaopatrzenia wątroby i nerek w tlen leki z grupy gutiminy stymulują glukoneogenezę, hamują lipolizę indukowaną przez katecholaminy i ACTH.

Gutimina i jej analogi stabilizują błony biologiczne, utrzymując ich potencjał elektryczny i oporność osmotyczną, zmniejszają uwalnianie szeregu enzymów z komórek (LDH, CPK, transferazy, fosfatazy, katepsyna). Jednym z najważniejszych przejawów ochronnego działania leków przeciwhipoksantowych z grupy gutimin na struktury błon jest zachowanie integralności strukturalnej i aktywności funkcjonalnej mitochondriów podczas głodowania tlenowego. Gutimina zapobiega zaburzeniom funkcji transportu wapnia przez błony mitochondrialne, promując w ten sposób utrzymanie koniugacji i fosforylacji.

[ 7 ], [ 8 ], [ 9 ]

Związki egzogenne o wysokiej energii

Podejmowano liczne próby wykorzystania pozajelitowego podawania ATP do regulacji komórkowych procesów metabolicznych podczas wstrząsu i niedokrwienia. Oczekiwanie znaczącego wkładu energetycznego egzogennego ATP w energię komórkową jest nierealne, ponieważ ulega on szybkiej hydrolizie, gdy lek jest podawany do łożyska naczyniowego. Włączenie ATP do liposomów umożliwiło przedłużenie działania leku i zwiększenie jego aktywności przeciw niedotlenieniu.

Liczne badania poświęcone są wykorzystaniu kompleksu ATP-M5C12 w różnych formach ostrego komórkowego „kryzysu energetycznego”: wstrząsu krwotocznego i ciężkich oparzeń, sepsy i zapalenia otrzewnej, wstrząsu endotoksyny i niedokrwiennego uszkodzenia wątroby. Przekonująco udowodniono, że we wstrząsie i niedokrwieniu różnych narządów (serca, wątroby, nerek) ATP-M5C12 normalizuje homeostazę energetyczną i funkcje komórkowe, korygując zaburzenia metaboliczne i stymulując procesy endogennej syntezy ATP, ale nie ma informacji na temat jego klinicznego zastosowania. Mechanizm działania ATP-M5C12 na poziomie komórkowym nie jest do końca jasny. Wiadomo, że w cytoplazmie, która charakteryzuje się wysoką zawartością jonów Mg2+, ATP i ADP występują głównie w postaci kompleksów z magnezem - M5-ATP2~ i MgADP~. W wielu reakcjach enzymatycznych, w których ATP bierze udział jako donor grupy fosforanowej, aktywną formą ATP jest właśnie jego kompleks z magnezem - M5ATP2~. Można zatem założyć, że egzogenny kompleks ATP-M5C12 jest zdolny do dotarcia do komórki.

Inny przedstawiciel wysokoenergetycznych fosforanów, fosfokreatyna (neoton), jest z powodzeniem stosowana w celach terapeutycznych w niedokrwieniu mięśnia sercowego. Ochronne działanie fosfokreatyny w niedokrwieniu mięśnia sercowego wynika z jej gromadzenia się w mięśniu sercowym, zachowania puli nukleotydów adeninowych i stabilizacji błon komórkowych. Uważa się, że mniej wyraźne uszkodzenie sarkolemy kardiomiocytów i mniej wyraźna hydroliza nukleotydów adeninowych w niedokrwionym mięśniu sercowym po wprowadzeniu fosfokreatyny są najwyraźniej związane z hamowaniem aktywności 5-nukleotydazy i fosfatazy. Fosfokreatyna również wywołuje podobne efekty w niedokrwieniu mięśnia sercowego.

[ 10 ], [ 11 ], [ 12 ], [ 13 ], [ 14 ], [ 15 ], [ 16 ], [ 17 ]

Leki z innych grup farmakologicznych

Do tej grupy leków należy zaliczyć ozybutyrat sodu oraz piracetam.

Oksybutyrat sodu (kwas gamma-hydroksybutyrowy, GHB) ma wyraźne działanie przeciwhipoksyczne i zwiększa odporność organizmu, w tym tkanek mózgu, serca i siatkówki, na niedotlenienie, a także działa przeciwwstrząsowo w przypadku poważnych urazów i utraty krwi. Spektrum jego wpływu na metabolizm komórkowy jest bardzo szerokie.

Regulujący wpływ GHB na metabolizm komórkowy jest osiągany poprzez aktywację kontrolowanego oddychania mitochondrialnego i zwiększenie szybkości fosforylacji. Lek jest zdolny do aktywacji oksydazy cytochromowej, chroniąc pozamitochondrialną pulę ATP przed hydrolizą przez ATPazę i hamując gromadzenie się mleczanu w tkankach. Mechanizm działania przeciwhipoksyjnego GHB nie ogranicza się do stymulacji metabolizmu oksydacyjnego. GHB i jego produkt redukcji, semialdehyd bursztynowy, zapobiegają rozwojowi zaburzeń metabolizmu azotu charakterystycznych dla niedotlenienia, zapobiegając gromadzeniu się amoniaku i alaniny w tkankach mózgu i serca oraz zwiększając stężenie glutaminianu.

Piracetam (nootropil) jest cykliczną formą GABA, ale jego właściwości farmakologiczne nie są związane z wpływem na receptory GABA. Lek stymuluje procesy utleniania-redukcji w mózgu i zwiększa jego odporność na niedotlenienie. Doświadczenie ze stosowaniem leku w eksperymentach i badaniach klinicznych w niedokrwieniu mózgu wskazuje, że najlepszy efekt obserwuje się przy jego wczesnym stosowaniu w połączeniu z inhibitorami proteazy (trasylol lub godox).