Белки теплового шока — потенциальные биомаркеры сердечной недостаточности

Введение

Сердечная недостаточность (СН) является серьезной проблемой общественного здравоохранения, значение которой растет в последние годы. Несмотря на достижения современной медицины, отмечается рост заболеваемости и смертности от СН во всем мире, обусловленный увеличением продолжительности жизни и распространённостью сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ). Так, по данным 20-летнего наблюдения распространенность СН в РФ увеличилась с 6,1 до 8,2%, а по мировым данным распространенность СН составляет 1-2% [1-3].

В качестве основного метода исследования для диагностики СН используется эхокардиография с оценкой систолической и диастолической функций (ЛЖ). Вместе с тем, наряду с инструментальными исследованиями, при СН важное значение имеет клиническая лабораторная диагностика. Циркулирующие биологические активные соединения различной природы, с одной стороны, характеризуют важнейшие метаболические пути в нормальных физиологических условиях, а с другой — отражают активность различных патофизиологических процессов, участвующих в развитии и прогрессировании СН; именно поэтому они могут выступать в качестве скрининговых биомаркеров для выявления и ранней диагностики заболевания. Наиболее изученными и широко используемыми в лабораторной диагностике СН и оценке прогноза ее течения являются мозговой натрийуретический пептид (BNP) и N-концевой промозговой натрийуретический пептид (NT-proBNP).

Несмотря на широко используемые инструментальные методы и разнообразие лабораторных маркеров, диагностика СН остается не до конца решенной клинической задачей, особенно для выявления пациентов с сохраненной фракцией выброса (СНсФВ) ЛЖ и оценки прогноза заболевания. Это обусловлено отсутствием четко уставленных алгоритмов диагностики СНсФВ. Так, в большинстве случаев в протоколах эхокардиографии нет всех необходимых параметров для определения наличия структурных и функциональных изменений сердца, что связано с организационными проблемами и сложностью проведения тканевой доплерографии. В ряде случаев для уточнения диагноза СНсФВ требуется проведение малодоступных дополнительных инструментальных исследований, таких как диастолический стресс-тест. Определение концентрации циркулирующих натрийуретических пептидов для диагностики СНсФВ также сопряжено с рядом ограничений. Влияние на уровень натрийуретических пептидов таких факторов, как возраст, пол, индекс массы тела (ИМТ), функция почек, а также наличие ложноотрицательных результатов при СНсФВ затрудняет диагностику СН и делает необходимым поиск и изучение новых высокочувствительных и специфичных биомаркеров, менее зависимых от указанных преаналитических факторов и связанных с патогенезом заболевания [4-6].

Одним из патофизиологических механизмов развития СН является клеточный стресс, который развивается на внутриклеточном уровне независимо от ее этиологии [7][8]. Были идентифицированы митохондриально-опосредованные механизмы, которые приводят к прогрессированию СН. Во время патологического ремоделирования сердца срабатывает порочный круг, включающий в себя окислительно-восстановительный дисбаланс, модификацию белков, нарушение митохондриального гомеостаза Са²⁺ и другие механизмы [9].

Перспективной группой биомаркеров, ассоциированных с различными ССЗ, включая СН, являются белки теплового шока (БТШ), heat shock proteins (HSP), которые в последнее время активно изучаются в формате экспериментальных и клинических исследований. БТШ являются классом белков, реагирующих на возникновение клеточного стресса, развивающегося под действием таких факторов, как повышение температуры, действие окислителей, цитокинов, факторов роста и других биологически активных соединений. Предполагаемые общие механизмы вовлеченности БТШ в патогенез ССЗ, включая СН, схематически отображены на рисунке 1. В нормальных физиологических условиях БТШ внутри клетки выполняют цитопротективную функцию, однако при декомпенсации заболевания запускается "порочный круг", способный ухудшать тяжесть его течения и прогноз. В ответ на воспалительный и метаболический стресс усиливается экспрессия БТШ, реализующих ответ на клеточный стресс (Heat Shock Response, HSR), в ходе которого данные белки выполняют свои шаперонные функции, предотвращая повреждение клеточных белков, их необратимую агрегацию и способствуя восстановлению их конформации. В патологических условиях гиперэкспрессия БТШ сопровождается их выходом во внеклеточную среду, где они в свою очередь вовлекаются в сложную систему взаимодействий с интерлейкинами и факторами роста, оказывая как провоспалительный, так и противовоспалительный эффекты. При сдвиге баланса в провоспалительную сторону происходит усиление воспалительного компонента клеточного стресса, что в свою очередь способствует еще большей экспрессии БТШ, тем самым замыкая патологический circulus vitiosus [7][8][10-14]. В настоящем обзоре рассмотрим свидетельства, посвященные исследованию конкретных БТШ при СН, с фокусом на их изучение в качестве неинвазивных циркулирующих маркеров.

Цель обзора — анализ публикаций, посвященных биохимическим исследованиям БТШ у больных с СН в качестве диагностических маркеров.

Материал и методы

Проведен поиск и анализ источников в базах данных E-Library и PubMed по ключевым словам: "сердечная недостаточность, СН" (heart failure, HF), "биомаркер" (biomarker), "белки теплового шока" (heat shock protein, HSP). Целенаправленно проводился поиск по каждому биологическому маркеру, приведенному в обзоре: "кардиоваскулярный белок теплового шока" (cardio-vascular heat shock protein, cvHsp, HspB7) "белок теплового шока 27" (heat shock protein 27, HSP27) "белок теплового шока 60" (heat shock protein 60, HSP60), "белок теплового шока 70" (heat shock protein 70, HSP70). Глубина поиска составила 15 лет для зарубежных источников и 20 лет для отечественных работ. Таким образом, в обзор включено 43 источника: актуальных экспериментальных, лабораторных и клинических исследований и систематических обзоров.

Результаты

Клиническая картина СН характеризуется типичными симптомами, однако неспецифичность этих симптомов и признаков может вызывать определенные затруднения в диагностике СН, особенно на ранних стадиях [15]. В последние годы в мире активно изучается участие БТШ в патогенезе ССЗ и СН, в частности. Одно из первых исследований БТШ в нашей стране были проведено Драпкиной О. М. и др. у пациентов с постинфарктным кардиосклерозом и СН, в котором были показаны ассоциации уровней БТШ72i в лимфоцитах периферической крови с течением и прогнозом заболевания [16].

Биологическая характеристика БТШ. БТШ относятся к крайне "консервативному" семейству белков, которые присутствуют и функционируют сходным образом в различных организмах — от прокариот до эукариот. В клетках БТШ проявляют шаперонную активность, участвуя в организации вторичной и третичной структуры белков, в процессах репарации или элиминации патологических и денатурированных белков. Помимо поддержания гомеостаза белков внутри клеток, некоторые БТШ локализуются во внеклеточном пространстве и стабилизируют клеточную мембрану, взаимодействуя с липидами. Таким образом, БТШ играют существенную роль в сохранении стабильности внутриклеточных структур, поддерживая конформацию молекул и активность ферментов, а также противодействуя механизмам апоптоза [17-21].

Отличительной особенностью БТШ является их гиперэкспрессия под влиянием таких стрессовых факторов, как тепловое воздействие, интоксикация, воспалительная реакция и тканевая гипоксия [22]. Впервые БТШ были описаны в 1950-е гг, когда у личинок дрозофил в ответ на повышение температуры окружающей среды наблюдалось усиление синтеза специфической группы белков. Именно эта реакция на температуру и обусловила название данной группы соединений. Впоследствии выяснилось, что сигналом для активации экспрессии БТШ может быть не только температурное воздействие, но и ряд других факторов, включая растворители, тяжелые металлы, а также гормоны и факторы роста. Таким образом, в настоящее время БТШ рассматривают как биологические маркеры клеточного стресса — комплекса биохимических и биологических реакций, протекающих в патологических условиях на клеточном уровне [23-25].

По молекулярной массе БТШ делятся на малые (small HSP, sHSP) с молекулярной массой от 12 до 43 кДа и высокомолекулярные соединения с молекулярной массой >43 кДа [26]. По механизму активации синтеза и функциональной активности БТШ классифицируют на конститутивные, синтез которых происходит непрерывно, и индуцибельные, для активации синтеза которых требуется действие повреждающего "стрессового" агента. При этом такое функциональное деление достаточно условно, т.к. в ряде случаев тот или иной белок может проявлять свойства индуцибельного или конститутивного БТШ в зависимости от типа клеток [7]. К малым БТШ относятся белки, присутствующие в цитоплазме и ядре клеток, выполняющие функции стабилизаторов цитоскелета и проявляющие антиоксидантную активность в патологических условиях. Особенностью действия малых БТШ является их способность препятствовать необратимой агрегации поврежденных белков без участия аденозинтрифосфата (АТФ), после чего они осуществляют транспорт этих белков к высокомолекулярным БТШ. В свою очередь, высокомолекулярные БТШ, например, БТШ70, действуют уже по АТФ-зависимому механизму [27-29].

БТШ27 — наиболее изученный малый БТШ. Одним из наиболее значимых и хорошо изученных малых БТШ является БТШ27 (HSP27). БТШ27 относится к конститутивным белкам, т.е. постоянно экспрессируется в различных тканях. В миоцитах поперечнополосатой мускулатуры, включая кардиомиоциты, БТШ27 располагается рядом с актиновыми микрофиламентами, оказывая шаперон-подобный эффект, закрывая и стабилизируя концы молекул данных микрофиламентов. На фоне стрессового воздействия — повышения температуры, действия токсичных соединений, окислителей, цитокинов, факторов роста, пептидных гормонов — происходит гиперэкспрессия БТШ27 и его фосфорилирование. Фосфорилированный БТШ27 меняет свою олигомерную структуру, что приводит к реорганизации микрофиламентов. Таким образом, внутри клетки БТШ27 выполняет защитную функцию, обеспечивая ее выживание в условиях стресса [30].

В исследовании, проведенном Traxler D, et al., где оценивался уровень циркулирующих БТШ27 в плазме крови у пациентов со стабильной хронической СН, было показано, что по уровню БТШ27 различий между пациентами с сохраненной (медиана 3406 пг/мл), умеренно сниженной (3855 пг/мл) и низкой (3963 пг/мл) фракцией выброса (ФВ) ЛЖ не было. БТШ27 является независимым предиктором сердечно-сосудистой смерти или незапланированной госпитализации, связанной с СН (при уровне БТШ27 > медианы 3820 пг/мл). Уровни БТШ27 были значительно выше у пациентов, перенесших сердечно-сосудистое событие (4214 пг/мл), относительно больных без событий (3444 пг/мл). Не найдено корреляции БТШ27 с демографическими данными, возрастом, полом, не получено корреляций и с уровнем NT-proBNP [11]. В другом исследовании, проведенном Liu S, et al. [31], измерялся уровень циркулирующего БТШ27 в плазме у 50 пациентов с СНсФВ и контрольной группы без заболеваний сердца (n=50). Оказалось, что в группе больных СН средняя концентрация БТШ27 (2601,02 пг/мл) была выше, чем в контрольной (923,61 пг/мл). В этой же работе [31] в отличие от исследования, проведенного Traxler D, et al. [11], продемонстрирована связь уровня циркулирующих белков с концентрацией NT-proBNP.

В исследовании Jaroszynski A, et al. исследовали пациентов, находящихся на гемодиализе. Пациенты с низким уровнем БТШ27 характеризовались более низкой ФВ ЛЖ. Более того, низкий уровень БТШ27 в сыворотке крови был ассоциирован со смертью от ССЗ и внезапной сердечной смертью [32]. В то же время, в работе Li Z, et al. значимой связи БТШ27 с СН выявлено не было, хотя у этих же пациентов имелись ассоциации СН с высокими концентрациями высокомолекулярных БТШ [33]. В целом, БТШ27 характеризуется как достаточно неоднозначный фактор, имеющий разнонаправленную динамику при СН. Несмотря на то, что в большинстве исследований концентрации данного фактора ассоциированы с более тяжелым течением и неблагоприятным исходом СН, есть и работы, показывающие противоположные результаты.

Кардиоваскулярный БТШ (квБТШ). Особый интерес представляет так называемый кардиоваскулярный БТШ (квБТШ, cvHSP, HSPb7), который экспрессируется исключительно в сердечных и скелетных мышцах. Показано, что квБТШ может участвовать в регуляции эмбрионального развития миокарда и физиологической регуляции сердечной и скелетной мускулатуры [30]. Описано несколько мутаций в гене HSPB7, связанных с ССЗ, а именно с дилатационной кардиомиопатией и СН [34]. КвБТШ взаимодействует с большим количеством актин-связывающих белков и вовлечен в сборку актиновых филаментов и поддержание их функциональной активности. На экспериметальных моделях животных было показано, что снижение уровня квБТШ в кардиомиоцитах ведет к неконтролируемой элиминации актиновых филаментов и образованию их атипичных пучков. Такие изменения приводят к различным порокам сердца и ранней эмбриональной гибели лабораторных мышей [34]. В работе Chiu TF, et al., выполненной на людях, было показано, что концентрация квБТШ в плазме крови значительно выше у пациентов с острым коронарным синдромом (ОКС), чем у пациентов с некардиальной болью в груди. КвБТШ в плазме крови обнаруживался уже через 1-3 ч после появления симптомов ОКС, что позволило его рассматривать в качестве потенциального раннего биомаркера ОКС [35].

Благодаря своей кардиоспецифичности, квБТШ привлекает значительное внимание исследователей, однако его изучение при СН в настоящее время находится на стадии доклинических и экспериментальных исследований. В экспериментальной работе, проведенной Rüdebusch J, et al., были описаны различия в концентрации квБТШ в сыворотке крови в зависимости от стадии СН. Увеличение уровня белка по сравнению с контролем отмечалось уже на ранней стадии заболевания, на основании чего был сделан вывод, что данный белок является не только маркером острого повреждения и некроза миокарда, но и маркером ремоделирования миокарда на субклинической стадии СН [36]. Таким образом, исследование квБТШ в сыворотке крови больных СН различных фенотипов позволит оценить возможности его клинического применения в качестве кардиоспецифического маркера клеточного стресса.

БТШ60 — представитель высокомолекулярных БТШ. БТШ60 — белок, который экспрессируется в виде незрелой формы — так называемого "наивного" БТШ60, после чего в митохондриях трансформируется в зрелую форму. Примечательно, что митохондриальная форма обладает меньшей стабильностью, но обладает высокой биологической активностью, участвует в посттрансляционных модификациях митохондриальных беков, а также регулирует деградацию денатурировавших протеинов [37]. Имеющиеся на сегодняшний момент данные свидетельствуют о том, что БТШ60 способен индуцировать ускоренное развитие атеросклероза, а также вызывать апоптоз кардиомиоцитов [38]. По другим данным, при недостатке БТШ60 развивается митохондриальная дисфункция с последующим формированием дилатации камер сердца и СН [14].

В работе Bonanad C, et al. исследовались пациенты, госпитализированные в стационар с острой декомпенсацией СН. Было обнаружено, что повышенный уровень БТШ60 ассоциируется с более высоким риском повторной госпитализации и последующей смерти по поводу СН. У пациентов, перенесших сердечно-сосудистое событие, медиана значений БТШ60 была статистически значимо выше, чем у пациентов без сердечно-сосудистых событий (6,15 vs 4,71 нг/мл) [39].

В исследовании, проведенном Niizeki T, et al., определяли уровень БТШ60 в сыворотке крови у пациентов с СН и в контрольной группе; было показано, что концентрация БТШ60 у пациентов с СН выше по сравнению с контролем и увеличивается с повышением функционального класса СН по NYHA (New-York Heart Association, Нью-Йоркской ассоциации сердца). При этом у пациентов с более высокими концентрациями БТШ60 было зарегистрировано больше сердечно-сосудистых событий при среднесрочном наблюдении в течение 19±16 мес. [40].

Имеющиеся в литературе данные о роли БТШ60 при СН свидетельствуют о возможности рассмотрения БТШ60 как прогностически неблагоприятного фактора, ассоциированного с функциональным классом СН и наличием декомпенсации у больных с СН.

БТШ70 — наиболее изученный при СН высокомолекулярный БТШ. Непосредственно БТШ-70 (HSP70) по своей химической структуре представляет собой димерный протеин, обладающий 8-ю изоформами, который способен формировать в клетке олигомерные комплексы с различными клеточными структурами. БТШ-70 относится к индуцибельным белкам, при этом под действием факторов клеточного стресса начинается его экспрессия и накопление в ядре и цитоплазме [25]. Биологическая роль БТШ заключается в защите процессов синтеза белка, а также подержании целостности структуры клеточных белков. Имеются данные об участии БТШ70 в процессах восстановления дезоксирибонуклеиновой кислоты [41].

Значение БТШ70 как маркера клеточного стресса рассматривалось в работе Котовой Ю. А. и др. у 336 пациентов с ишемической болезнью сердца с различной выраженностью атеросклеротических изменений. Было показано, что у больных ишемической болезнью сердца с ожирением уровень БТШ70 и его шаперонной активности были ниже, чем у больных с нормальной массой тела [8]. БТШ70, запуская провоспалительный каскад, участвуют в воспалительных процессах при ССЗ. Показана корреляция уровней циркулирующих БТШ70 с основными маркерами воспаления, окислительного стресса и эндотелиальной дисфункции. Таким образом, участие БТШ70 в патогенезе ССЗ можно считать достоверным фактом [13], однако являются ли его изменения причинным фактором или следствием ССЗ, остается не до конца понятным.

Еще одним представителем белков класса БТШ70 является БТШ72i (HSP72i). В работах Драпкиной О. М. и др. была выявлена ассоциация уровней БТШ72i в лимфоцитах периферической крови с течением и прогнозом инфаркта миокарда (ИМ) и хронической СН. Согласно полученным данным, прогностическое значение имела динамика БТШ72i в первые двое суток ИМ. В свою очередь, выраженность угнетения индуцированного синтеза данного белка под действием температуры (42^о С в течение часа) в первый день после ИМ коррелирует с благоприятным прогнозом заболевания, отражая, тем самым, адаптивные возможности организма [16][42].

В работе Li Z, et al. было показано, что концентрации БТШ70 в плазме крови у пациентов с СН значительно выше, чем в группе без СН и структурного поражения сердца (2,52±0,59 нг/мл), и зависели от тяжести СН (стадия А: 3,14±0,91 нг/мл, стадия В: 3,86±1,61 нг/мл, стадия С: 4,94±1,46 нг/мл) даже при исключении факторов, которые могут влиять на концентрацию БТШ70, включая возраст, диабетический статус, уровень мочевой кислоты, клиренс креатинина и прием лекарств. Уровень БТШ70 положительно коррелировал с концентрацией NT-proBNP, при этом данная зависимость была характерна для бессимптомной СН [33].

Как было показано в работе Gombos T, et al., уровни БТШ70 в сыворотке крови ассоциировались с тяжестью СН. В исследовании оценивали уровень БТШ70 у 167 пациентов с СН и ФВ ЛЖ <45%. Более высокие уровни БТШ70 выявлены у пациентов с III-IV функциональным классом СН по NYHA по сравнению с группой NYHA I-II. Уровни БТШ70 коррелировали с ФВ ЛЖ, уровнем билирубина, аспартатаминотрансферазы, аланинаминотрансферазы, γ-глютамилтранспептидазы у пациентов с тяжелой СН, тогда как корреляции между БТШ70 и уровнем С-реактивного белка, фактора некроза опухоли-α или интерлейкина-6 не наблюдалось [43]. Иными словами, БТШ70 и другие члены данного подсемейства, такие как БТШ72i, связаны с СН и ее осложнениями. Повышенные сывороточные концентрации БТШ70 являются неблагоприятным фактором, связанным с более тяжелым течением заболевания, а его относительная независимость от концентраций NT-proBNP и цитокинов позволяет рассматривать его использование в качестве альтернативного биомаркера СН.

Итак, результаты накопленных к настоящему времени данных клинических и экспериментальных исследований позволяют сформулировать положение о целесообразности комплексного изучения ключевых БТШ в патогенезе СН и оценки их сочетанного использования в качестве мультимаркерного инструмента для диагностики, оценки прогноза и подбора терапии, исходя из индивидуальных особенностей пациента. Дальнейшие исследования позволят рассчитать конкретные диагностические или прогностические пороговые уровни БТШ в сыворотке крови, которые могут стать потенциальными диагностическими или прогностическими критериями, дополняющими клинические и инструментальные методы стратификации риска, оценки степени тяжести заболевания и выбора терапевтической тактики при СН.

Заключение

В настоящее время быстрое прогрессирование лабораторных технологий позволяет идентифицировать новые потенциальные биохимические маркеры ССЗ, в т.ч. СН. С помощью биохимических маркеров неинвазивно (или малоинвазивно) определяемых в сыворотке крови, можно без значительных рисков для пациента получить объективную информацию, которая отражает нарушения, связанные с развитием и прогрессированием заболевания, а также дополняет клинические данные, необходимые при постановке диагноза, оценке прогноза и выборе терапевтической тактики.

В последние годы появляется большое количество стандартизованных иммуноферментных тест-систем, обладающих высокой аналитической чувствительностью и специфичностью, применение которых позволит провести изучение различных форм БТШ у больных СН на высоком научно-методическом уровне и оценить возможности их использования в качестве биомаркеров в диагностике, оценке и стратификации риска СН и других ССЗ. Следует обратить внимание, что если такие белки, как БТШ27, БТШ60 и БТШ70 исследовались у больных с СН и была показана их ассоциация с тяжестью течения заболевания и его прогнозом, то кардиоспецифический квБТШ изучался главным образом в экспериментах на животных, продемонстрировавших его перспективность как кардиоспецифического маркера клеточного стресса, который только предстоит исследовать в циркулирующем кровотоке у больных СН.

Отношения и деятельность: все авторы заявляют об отсутствии потенциального конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.