0 %

Ацетилцистеин как антиоксидант и дисульфидразрушающий агент

23.01.2019

С 1960-х гг. ацетилцистеин – N-ацетиловое производное природной аминокислоты L-цистеина (рис. 1а) – широко назначается как муколитик [1], а с 1970-х гг. – как средство для лечения отравления ацетаминофеном [2]. Молекулярные механизмы этих терапевтических эффектов хорошо изучены.

Муколитическое действие ацетилцистеина (АЦ) – результат свойства разрушать дисульфидные мостики между высокомолекулярными гликопротеинами слизи, что ведет к снижению ее вязкости (рис. 1б). [3]. Противодействие отравлению ацетаминофеном, в свою очередь, является следствием увеличения печеночных запасов восстановленного глутатиона – главного эндогенного пептида, способного нейтрализовать опасные метаболиты ацетаминофена (рис. 1в) [4]. С 1980-х гг. ацетилцистеин также предложено применять для лечения заболеваний, в патогенезе которых задействован оксидативный стресс [5].

Антиоксидантное действие ацетилцис­теина было показано в нескольких исследованиях in vitro и in vivo [5-10]. Преимущества АЦ – это не только хорошо описанное противодействие свободным радикалам, но и высокая стабильность молекулы, а также отличный профиль безопасности. Антиоксидантный эффект ацетилцистеина in vivo может быть связан как минимум с тремя различными механизмами: прямым антиоксидантным воздействием на некоторые оксиданты; непрямым антиоксидантным влиянием вследствие свойств ацетилцистеи­на выступать предшественником цистеина – важного элемента синтеза глутатиона, являющегося прямым антиоксидантом и субстратом нескольких антиоксидантных ферментов; разрушением дисульфидных связей и восстановлением пула тиоловых молекул, регулирующих редокс-процессы.

Антиоксидантное и восстанавливающее действие ацетилцистеина

Прямое антиоксидантное влияние ацетилцистеина

В лабораторных условиях АЦ, как тиоловое соединение, реагирует с большинством окислителей радикальной и нерадикальной природы. Однако для антиоксидантного действия в условиях живого организма скорость реакции экзогенно вводимого антиоксиданта (например, АЦ) с оксидантом должна превышать скорость взаимодействия последнего с эндогенными антиоксидантами, тем более с субстратами окисления. Скорость реакции рассчитывается как произведение концентрации молекул анализируемого антиоксиданта в месте продукции оксидантов и константы скорости реакции этого антиоксиданта со специфическим оксидантом. Для АЦ константы скорости реакции уже определены, а данные касательно концентрации в тканях известны [17]. Учитывая эти данные, можно определить, что, например, для пероксида водорода скорость реакции с ацетилцистеином и другими тиолами (цистеин, глутатион) намного меньше (примерно в 5 625 106 раз), чем скорость реакции с эндогенными антиоксидантными ­ферментами. Супероксид анион также не восстанавливается ацетилцистеин и другими тиоловыми соединениями, ­независимо от их концент­рации. Таким образом, ацетилцистеин не способен противодействовать неблагоприятному влиянию пероксида водорода, супероксид аниона, пероксинитрита, однако для NO2 и гипогалогеновых кислот результаты являются более благоприятными [17] (рис. 2). К группе гипогалогеновых кислот относятся хлорноватистая кислота (HClO), гипобромная кислота (HOBr), родановатис­тая кислота (HOSCN), производимые в активированных нейтрофилах и моноцитах при воздействии миелопероксидазы [22]. Эти оксиданты – мощные бактерицидные и дез­инфицирующие агенты, которые, однако, неспецифичны и реагируют также со многими биологически важными молекулами, индуцируя цитотоксичность и опосредуя такие болезни, как атеросклероз, рак, промиелоцитарная лейкемия, нейродегенеративные патологические состояния (болезнь Альцгеймера, рассеянный склероз) [22]. Мие­лопероксидаза и гипогалогеновые ­кислоты также задействованы в патофизиологии некоторых заболеваний легких. O’Donnell и соавт. [23] сообщили о наличии 3-хлортирозина (­продукта реакции хлорноватистой кислоты с тирозином) в мокроте пациентов с хроническими обструктивными заболеваниями легких, а также о прямой корреляции концентрации этого вещества с активностью миелопероксидазы в мокроте. Было также показано, что высокие уровни активности миелопероксидазы, возрастание концентрации галогенированных белков, увеличение оксидативных связей и дисульфидных мос­тиков между белками отмечаются в слизи дыхательных путей пациентов с муковисцидозом. Это свидетельствует о том, что окислительные процессы, возникающие вследствие воспаления дыхательных путей, участвуют в образовании ­патологической гелеобразной слизи [24]. Гипогалогеновые кислоты достаточно активно реагируют с тиолами; исходя из константы скорости реакции, очевидно, что ацетилцистеин потенциально способен противодействовать этой группе оксидантов, если его относительная концентрация превышает таковую глутатиона и цистеина. Такое соотношение концентраций может возникать при воспалении респираторной системы [25]. 

Ацетилцистеин способен также улавливать молекулы оксида азота (NO2) – важного компонента как уличного, так и бытового загрязнения воздуха, поражающего эпителий легких. Оксид азота – это токсический газ, который продуцируется многими источниками (автомобили, сгорание топлива, табачный дым, газовые плиты). NO2 также образуется при воспалительных процессах [26]. Антиоксидантами, наиболее вероятно воздействующими на оксид азота, являются тиолы, восстановленные пурины (мочевая кислота), аскорбиновая кислота, фенолы [27]. Назначение ацетилцистеина вдыхавшим NO2 лабораторным крысам имело ­протекторное воздействие на дыхательную систему ­согласно показателям промывных бронхоальвеолярных вод и защищало пневмоциты 2 типа от повреждения [28]. Хотя ацетилцис­теин является самым слабым из эндогенных тиоловых антиоксидантов, его молекула наиболее стабильна в водном растворе. Уровень деградации АЦ на протяжении суток составляет лишь 0,89% при комнатной температуре и 0,48% при хранении в холодильнике [29].

Известно, что в некоторых условиях каждый антиоксидант может выступать прооксидантом [30-32]. Это касается и АЦ [33-35], например в присутствии витамина В12 или ионов меди [37, 38]. Однако следует отметить, что прооксидантное воздействие ацетилцистеина в условиях in vivo маловероятно в связи с необходимостью соблюдения для этого многих специфических предпосылок.

Непрямое антиоксидантное действие ацетилцистеина

Глутатион – это трипептид, служащий субстратом или кофактором множества детоксицирующих клеточных ферментов, в т. ч. глутатионредуктазы, глутаредоксина, глутатионпероксидазы, пероксиредоксина, глиоксалаз 1 и 2, глутатионтрансферазы и др. [40]. В частности, глутатион участвует в восстановлении внутри- и межмолекулярных дисульфидных связей между протеинами и низкомолекулярными соединениями. Также глутатион задействован в процессах удаления из клетки пероксида водорода и других гидропероксидов, детоксификации 2-оксоальдегидов (глиоксаль, метилглиоксаль). 2-оксоальдегиды активируют образование конечных продуктов гликирования – важных участников воспалительного и профибротического ответа, что обусловливает необходимость их детоксификации [41-43].

В случае тяжелого и/или длительного оксидативного стресса по нескольким причинам может развиваться истощение запасов глутатиона [44]. Обзор литературы 1980-2016 гг., проведенный Asher и Guilford [45], показал, что многие оториноларингологические заболевания (ринит, аллергический ринит, хронический риносинусит, в т. ч. с полипами, средний отит c выпотом, хронический средний отит, в т. ч. с холестеатомой, склероз барабанной мембраны, тонзиллит, болезнь Меньера, болезни гортани, хронический кашель) ассоциируются с оксидативным стрессом и сниженным уровнем глутатиона как в пораженных тканях, так и системно [45]. Уменьшение концентрации глутатиона ассоциируется с типичными признаками старения и характеристиками многих болезней, в частности болезнью Паркинсона, аутизмом, шизофренией, биполярным расстройством, болезнью Альцгеймера [46-48]. Снижение уровня глутатиона в жидкостях дыхательной системы сопровождает прогрессирующие болезни легких (идиопатический фиброз), хотя в некоторых случаях наблюдается компенсаторное повышение уровня этого вещества [49].

Таким образом, если оксидативные состояния или воздействие ксенобиотиков снижают содержание глутатиона, ухудшая природные защитные механизмы организма, рациональной терапевтической стратегией является повышение его уровня. Ацетилцис­теин увеличивает пул глутатиона, будучи предшественником цистеина – важного фактора клеточного биосинтеза этого вещества (рис. 2). В ­исследованиях in vivo продемонст­рировано, что лечение ацетилцистеином повышало содержание глутатиона в тканях и соотношение глутатиона и его окисленного варианта в различных тканях организма (печень, почки, кожа, мозг), что сопровождалось уменьшением оксидативного повреждения [14, 52, 53]. В испытании с участием людей установлено, что пероральное назначение ацетилцистеина в дозе 800 мг/м2 сопровож­дается значительным повышением уровня глутатиона в лимфоцитах периферической крови [55]. Zembron-Lacny и соавт. сообщили, что применение 1200 мг ацетилцистеина здоровыми добровольцами на протяжении 8 дней достоверно повышает кровяной уровень глутатиона [15]. Kasperczyk и соавт. отметили повышение уровня глутатиона в эритроцитах при назначении 400-800 мг ацетилцистеина рабочим, контактировавшим со свинцом [15]. При внутривенном введении больным интерстициальным фиброзом легких ацетилцистеин достоверно повышал концентрацию глутатиона в промывных бронхоальвеолярных водах [56]. Подобные результаты были получены при пероральном лечении ацетилцистеином (3×600 мг/сут на протяжении 5 дней) пациентов с идиопатическим фиброзом легких [25].

Таким образом, истощение пула глутатио­на сопровождается взаимодействием оксидантов и электрофильных соединений с биомакромолекулами, что ведет к повреж­дению последних. Назначение ацетилцистеина восстанавливает пул глутатиона, предупреждая деструктивные эффекты.

АЦ как дисульфидразрушающий агент

АЦ является эффективным восстановителем дисульфидов молекул белка путем взаи­мообмена тиоловыми и ­дисульфидными группами [57]. Скорость обменной реакции тиол-дисульфид для ацетилцистеина превышает аналогичные показатели для цистеина и глутатиона [58]. 
N-ацетильный остаток и карбоксилированная группа стабилизируют электронную плотность тиолата, усиливая нуклеофильный характер, что обеспечивает высокую активность в разрушении дисульфидных мостиков.

Ликвидация АЦ дисульфидных связей связана с муколитической активностью этого вещества. Полимеры муцина – главные гелеобразующие протеины слизи – характеризуются богатыми цистеином доменами в N- и C-терминальных участках, которые опосредуют удлинение полимеров путем соединения муциновых мономеров. Муцинам также присуще наличие богатых цистеином участков во внутренних доменах, которые образуют перекрестные связи при окислении [60]. В здоровых легких наблюдается малая доля перекрестных связей полимеров муцина, поэтому подобные гели легко передвигаются с помощью мукоцилиарного транс­порта. При воспалительных заболеваниях легких т. н. оксидативный взрыв вызывает окисление внутренних молекул цистеина, что модифицирует биофизические свойства муциновых белков путем образования дисульфидных связей между этими молекулами. В результате формируется слизь с высоким содержанием перекрестных связей, которая плохо эвакуируется из дыхательных путей, накапливается и ведет к обструкции, ателектазу и созданию среды для развития инфекционных агентов (рис. 3) [24]. Способность АЦ разрывать перекрестные дисульфидные связи была подтверждена in vitro и in vivo [1, 61]. При пероральном приеме ацетилцистеина этот эффект несколько слабее, чем при непосредственном аэрозольном или бронхоскопическом введении, однако повышение уровней цистеина и/или глутатиона, вызванное пероральным приемом АЦ, также способно предупреждать образование перекрестных связей полимеров слизи. При инкубировании плазмы крови с ацетилцис­теином на протяжении часа было обнаружено достоверное повышение свободного цистеина на фоне снижения связывания цистеина плазмы с белками [63].

Кроме того, циркулирующий ацетилцис­теин влияет на содержание меркаптоальбумина в человеческом сывороточном альбумине – основном белке плазмы крови. Последний содержит лишь один цистеиновый остаток – Cys34, составляющий наибольший пул тиолов в системе кровообращения (около 80%) [65]. У здоровых взрослых примерно 70-80% альбуминового Cys34 содержит свободную сульфгидрильную группу (меркаптоальбумин), а остальная часть формирует дисульфидные связи с цистеином, гомоцис­теином, глутатионом [66]. Сывороточный альбумин выступает главным антиоксидантом плазмы и внеклеточной жидкости; этот эффект в первую очередь опосредован остатком Cys34, способным улавливать такие оксиданты, как гидроксильный и пероксильный радикалы, пероксид водорода, пероксинитрит, а также блокировать продукты окисления липидов [67, 68]. Оксидативный стресс сопровождается уменьшением количества меркаптоальбумина и дальнейшим нарастанием проокислительных веществ [69-71]. Harada и соавт. [72] сообщили, что ацетилцистеин реагирует с дисульфидной связью цистеина в альбумине, приводя к ­ди­с­­­­­­­социации этой связи и образованию меркаптоальбумина. Свойство ацетилцистеина восстанавливать тиоловые белки и меркаптоальбумин крайне важно и требует дальнейшего изучения.

Выводы

АЦ – известный антиоксидант и дисульфидразрушающий агент, что было подтверждено многими исследованиями in vitro и in vivo с участием лабораторных животных и людей. В биологических организмах прямой антиоксидантный эффект АЦ не так важен, как роль предшественника глутатио­на – известного антиоксиданта и субстрата антиоксидантных ферментов. АЦ способен пополнять пул глутатиона при его истощении, параллельно осуществляя функции прямого антиоксиданта для некоторых соединений. Недавно был открыт новый механизм влияния ацетилцистеина – способность разрушать тиолизированные белки. При этом высвобождаются свободные тиолы, обладающие более высокой антиоксидантной активностью, чем сам ацетилцистеин, и усиливающие синтез глутатиона, а также восстановленные белки, которые в некоторых случаях также могут противодействовать окислительным процессам. Это свойство особенно важно, поскольку белково-тиоловые смешанные дисульфиды могут являться участниками патогенетических механизмов некоторых болезней и в наше время рассмат­риваются как цели для создания направленных на них медикаментов. Moreno и соавт. сообщили, что дисульфидный стресс можно рассматривать как особенный тип оксидативного стресса при остром воспалении. Важно, что, разрушая дисульфидные связи между гликопротеинами слизи, АЦ осуществляет муколитическое действие.

Статья печатается в сокращении.

Aldini G., Altomare A., Baron G. et al. N-Acetylcys
teine as an antioxidant and disulphide breaking agent: the reasons why, Free Radical Research, 2018 Jul, 52:7, 751-762, doi: 10.1080/10715762.2018.1468564

Перевела с англ. Лариса Стрильчук

Информация для специалистов сферы здравоохранения 
4-19-АЦЦ-ОТС-1018

Медична газета «Здоров’я України 21 сторіччя» № 19 (440), жовтень 2018 р.

СТАТТІ ЗА ТЕМОЮ Пульмонологія та оториноларингологія

11.09.2019 Пульмонологія та оториноларингологія Ефективність і контроль лікування гострого кашлю

Цього року в Києві відбулася науково-практична конференція з міжнародною участю «Складний пацієнт у практиці педіатра», присвячена 60-річчю кафедри педіатрії № 2 Національної медичної академії післядипломної освіти ім. П. Л. Шупика. Форум заслухав численні доповіді провідних вітчизняних фахівців у галузі педіатрії, присвячені проблемним аспектам діагностики й лікування як поширених, так і досить рідкісних захворювань у дітей та підлітків, а також серед молоді. З огляду на нагальну потребу реалізації концепції безперервності й наступництва в наданні медичної допомоги дітям, підліткам та молоді, до участі в конференції було запрошено знаних сімейних лікарів і терапевтів....

04.09.2019 Пульмонологія та оториноларингологія Коморбідність бронхіальної астми та хронічного обструктивного захворювання легень: акцент на лікування загострення

У квітні в Києві відбулася VII Науково-практична конференція «Актуальні проблеми лікування хворих на хронічне обструктивне захворювання легень». У рамках заходу були розглянуті основні питання діагностики та лікування хронічного обструктивного захворювання легень (ХОЗЛ), особливу увагу приділено лікуванню його загострення. ...

04.09.2019 Пульмонологія та оториноларингологія Терапія та сімейна медицина Флегмонозні захворювання глотки та шиї: сучасний стан проблеми

Останніми роками спостерігається зростання частоти виникнення гнійно-запальних захворювань глотки й шиї та ускладнень у вигляді флегмон шиї в пацієнтів із запальними процесами в порожнині рота, глотці, гортані й щитоподібній залозі. Збільшується кількість хворих із тяжким перебігом флегмон шиї, що пов’язано зі збільшенням полірезистентних штамів мікроорганізмів, у тому числі умовно-патогенної флори, несприятливими умовами соціально-економічного життя. ...

04.09.2019 Пульмонологія та оториноларингологія Раціональний вибір муколітика при респіраторних інфекціях

У практиці сімейного лікаря питання вибору раціональної схеми терапії гострих респіраторних інфекцій (ГРІ) виникає щодня. В Україні щорічно на ГРІ хворіють 10-14 млн осіб, що становить 25-30% від усієї та майже 75-90% – ​від інфекційної захворюваності. Унаслідок такої високої поширеності цих захворювань у популяції, мабуть, жодний медичний захід не проходить без огляду сучасних рекомендацій щодо лікування ГРІ. ...