В каждой науке время от времени возникает идея, которая надолго определяет развитие данной области знания или даже всей науки в целом. К их числу относится гипотеза о ведущей роли свободных радикалов (СР) в патогенезе многих заболеваний, а также старении человека и животных. Выдвинутая в 1950-е годы, она предопределила не только развитие новой области знания - биогеронтологии, но и создание науки нового тысячелетия - биомедицины.

Мы обычно не задумываемся о том, как работает наш организм на биохимическом уровне, а ведь в нем ежесекундно происходят тысячи различных реакций. К середине XX века химикам стало ясно, что целый ряд событий на молекулярном уровне в т.ч. перекисное окисление углеводородов и жиров, происходят таким образом, что вначале образуются активные частицы молекул - СР. Они имеют свободные валентности и поэтому обладают высочайшей реакционной способностью.

СР вступают в реакции, при которых вновь образуются те же или другие активные СР. Такая последовательность регулярно повторяющихся реакций получила название цепной реакции. За разработку теории «разветвленных цепных реакций» с участием СР ученые С. Хиншелвуд и Н.Н. Семенов в 1956 г. были удостоены Нобелевской премии по химии.

В 1954 г. Б.Н. Тарусов и сотрудники руководимой им кафедры биофизики МГУ установили, что в тканях животных под действием ионизирующей радиации появляются токсичные продукты СР, а при окислении липидов - перекиси ненасыщенных жирных кислот (НЖК). В те же годы Н.М. Эмануэль выдвинул гипотезу о том, что СР могут играть роль в онкогенезе и росте опухолей. Он вместе со своими сотрудниками первыми в СССР успешно применили ингибиторы СР-реакций в медицинской практике - в онкологии, в травматологии и военной медицине.

СР постоянно образуются в организме человека и животных. В определенной концентрации это необходимые соединения, без которых были бы не возможны многие биохимические и физиологические процессы. Однако повышенный уровень СР приводит к тому, что в качестве мишеней они выбирают клеточные мембраны и другие биомолекулы, вызывая их повреждение.

СР в организме человека и животных представлены в основном свободными радикалами кислорода (надперекись, перекись водорода, гидроксильный радикал (OH-), синглетный кислород). Эти соединения способны реагировать с клеточными мембранами, вызывая их повреждение. СР существуют очень короткое время, вероятно лишь доли секунды, но тем не менее они успевают атаковать клетки и повредить их. Они взаимодействуют с жирными кислотами клеточных мембран, окисляя их. Образующиеся при этом перекиси мембранных липидов, в свою очередь, вызывают образование новых СР. Эта цепная реакция разрушает клетки. Окисленные жиры мембран могут деградировать с образованием измененных простагландинов и токсичного вещества - малонового альдегида, вызывающего мутации в генетическом аппарате клетки.

В тканях головного мозга содержится большое количество НЖК, в т. ч. и лецитин, который очень чувствителен к действию СР. При окислении НЖК в мозге повышается уровень липофусцина - соединения, представляющего угрозу для клеток не только мозга, но и практически всех органов. Неуправляемая и некомпенсированная активация процессов ПОЛ, истощение эндогенных антиоксидантов и нарушение регуляторных механизмов антирадикальной защиты рассматриваются как ключевые звенья повреждения нейронов. При этом нарушается энергетический метаболизм, что приводит к изменению трансмембранных ионных потоков и накоплению внутринейронального кальция. Одновременно усиливается атака активными формами кислорода белков, нуклеиновых кислот и липидов, протекающая также по механизму СР-окисления.

В силу этих причин именно окислительный стресс, ведущий к гиперпродукции СР и деструкции мембран, в результате активации фосфолипазного гидролиза играет в генезе ишемии мозга значимую роль. Установлено, что основным фактором, повреждающим митохондриальные, плазматические и микросомальные мембраны, является высокоактивный гидроксильный радикал. Под воздействием оксидантного стресса резко возрастает проницаемость мембранных структур митохондрий и лизосом за счет изменения свойств фосфолипидов мембран. Если в норме оксидантная система служит целям дезинтоксикации (против экзогенных и эндогенных токсинов), то в условиях прогрессирования ишемии неадекватность деятельности антиоксидантной системы ведет к нарастанию эндотоксикоза с вторичным повреждением мембран и прогрессированием постишемического отека мозга.

Список болезней, вызываемых СР или прогрессирующих под их воздействием, все время растет. Вот только некоторые из них (у человека): алкогольное поражение печени и сердца, нарушения кровообращения, ИБС, эмфизема легких, воспалительные процессы, рассеянный склероз, преждевременное старение, заболевания сетчатки, коллагенозы, артриты, рак, катаракта, диабет, цирроз печени, малярия, порфирия, болезнь Паркинсона, старческое слабоумие. Аналогичную картину наблюдают и ветврачи: увеличивается число заболеваний, связанных с недостаточностью иммунной системы (иммунодефициты, аллергические состояния), все больше животных страдает сердечно-сосудистыми и нервными расстройствами.

Перекиси липидов, например окисленный холестерин, могут поступать в кровоток, что ведет к повреждению стенок сосудов и увеличивает риск возникновения сосудистых заболеваний. С повышенным уровнем СР связывают такие заболевания, как диабетические ангиопатии, атеросклероз, нейродегенеративные и аутоиммунные заболевания.

Повышение в организме уровня СР вызывают неблагоприятные факторы внешней среды, усиливающиеся с каждым годом. К ним относят повышенный радиационный и электромагнитный фоны, загрязнение окружающей среды. Резкое увеличение СР вызывают стрессовые ситуации, причем под стрессом понимают и неадекватное состояние организма, в т.ч. и различные заболевания.

Многие лекарства также вызывают образование СР. К ним относят многие антибиотики, парацетамол, лекарства от эпилепсии, цитотоксические и некоторые психотропные средства, теофиллин и др.

Чтобы противостоять окислительному клеточному стрессу у человека и животных существует несколько линий защиты. Первую «линию обороны» держит своя собственная антиоксидантная система организма, представленная ферментами: супероксиддисмутазой, каталазой, глутатионпероксидазой.

Супероксиддисмутаза (СОД) - металлосодержащий протеин; существует в клетке в двух формах: цитозольной (содержит ионы меди, цинка) и митохондриальной (ионы марганца). СОД отвечает за катализ реакций образования перекиси водорода.

Каталаза - гемопротеин, содержащий четыре гемовые группы, катализирует разложение перекиси водорода на воду и молекулярный кислород. Наибольшая активность обнаружена в эритроцитах, селезенке, костном мозге.

Глутатионпероксидаза – селен-содержащий фермент; обнаруживается во всех клетках млекопитающих: в цитозоле (47%), митохондриях (20-30%). Maксимальное количество содержится в эритроцитах. Катализирует восстановление перекиси водорода за счет окисления глутатиона. Имеет важное значение: увеличивает продолжительность жизни эритроцитов.

Вторая «линия защиты» клеточных мембран от СР представлена природными антиоксидантами: витаминами Е, С, β-каротином и другими соединениями, которые потребляются с пищей/кормом.

Витамин Е (токоферол) – может находиться в виде 7 изомеров, обладающих одинаковой антиоксидантной активностью, выполняет очень важные биологические функции: участие в тканевом дыхании, реакциях фосфорилирования, реакциях иммунного ответа, обмене нуклеиновых кислот, синтезе аскорбиновой кислоты, убихинона, гема, выполняет антианемическую функцию.

Витамин С (аскорбиновая кислота) синтезируется в организме многих животных и птиц (исключение составляют человек, приматы, морские свинки, рыбы). Биологические функции: участие в окислительно-восстановительных процессах, регуляции углеводного обмена, процессах свертывания крови, стимуляции гемопоэза, образовании стероидных гормонов надпочечников, нормализации проницаемости капилляров.

Природные антиоксиданты хороши, когда речь идет о профилактике. Почти все они являются жирорастворимыми соединениями, а потому всасываются довольно медленно и действуют мягко. Этого достаточно, чтобы сгладить влияние неблагоприятных факторов окружающей среды или скорректировать незначительные отклонения в антиоксидантной системе молодого здорового организма. Совсем другое дело - острые состояния: инсульт, инфаркт, токсикозы, серьезные воспалительные процессы (перитонит, панкреатит), инфекционные заболевания и др. Здесь помощь нужна незамедлительно, ведь речь идет о жизни и смерти. Поэтому требуется «сильный» антиоксидант, причем, в отличие от жирорастворимых препаратов, он должен быть растворим в воде, чтобы была возможность, благодаря парентеральному пути введения, моментально доставить АО в нужное место с током крови.

Разработкой таких антиоксидантов в начале 1960-х годов занимались многие ученые СССР. Наиболее эффективными медицинской практикой признаны соединения 3-оксипиридина и янтарной кислоты, которые обладают выраженными антигипоксическими свойствами.

Как лекарственные средства в медицине зарегистрированы два препарата из производных 3-оксипиридина - эмоксипин и мексидол. В ветеринарной практике с 2001 года зарегистрирован и выпускается компанией ООО «ТРИНИТИ ФАРМА» аналог мексидола – эмицидин, адаптированный для животных по дозам, фасовке и стоимости.

Теперь несколько слов о классификации антиоксидантов (АО), связанной с механизмом их действия.

Все АО могут быть разделены на АО косвенного (опосредованного) действия и АО прямого (направленного) действия. Естественно, что химическая структура АО определяет и мишени их приложения в процессе коррекции окислительного стресса. Учет такой взаимосвязи может оказаться полезным для медицинских и ветеринарных специалистов при включении лекарственных АО-средств в схему лечения заболеваний.

АО косвенного действия способны снижать интенсивность свободнорадикального окисления (СРО) только в биологических объектах (от клеточных органелл до целого организма), но неэффективны in vitro. Механизмы их действия могут быть различными: активация (реактивация) антиоксидантных ферментов; подавление в организме реакций, приводящих к образованию активных форм кислорода (АФК); сдвиг реакций СРО в сторону образования менее реакционноспособных соединений; селективная индукция генов, кодирующих белки систем антиоксидантной защиты и репарации повреждений; нормализация обмена веществ и т.д. При патологии интенсивность СРО повышена в той или иной степени практически во всех случаях. Таким образом, любое вещество, нормализующее метаболические процессы в организме, способно на уровне организма проявить антиоксидантный эффект.

АО прямого действия, наоборот, обладают непосредственными антирадикальными свойствами, которые можно обнаружить в тестах in vitro. Б. Холлиуэлл и Дж. Гатридж определяют такие АО как любую субстанцию, которая, присутствуя в среде в низкой концентрации, сравнимой с концентрацией способного окисляться субстрата, достоверно снижает или предотвращает окисление этого субстрата.

Большую часть широко используемых лекарственных препаратов антиоксидантного действия составляют АО прямого действия. Им же уделяется основное внимание при поиске новых АО, имеющих перспективы клинического применения.

Анализ имеющихся литературных данных позволяет сгруппировать АО прямого действия в пять основных категорий:

1. Доноры протона
2. Полиены
3. Катализаторы
4. Ловушки радикалов
5. Комплексообразователи

Доноры протона – соединения с легкоподвижным атомом водорода. Они перехватывают СР по реакции: АО Н+ + Х --> АО + Х Н+,
где АО Н+ – антиоксидант с подвижным атомом водорода, Х – радикальный инициатор или промежуточный радикальный продукт СРО.

В группу доноров протона входят следующие соединения: фенолы, азот-содержащие гетероциклические вещества, тиолы, α, β- диенолы, порфирины.

Антирадикальная активность АО-доноров протона может не коррелировать с эффективностью ингибирования ПОЛ. Доноры протона являются наибольшей группой АО, нашедшей применение в медицине.

Полиены - вещества с несколькими ненасыщенными связями - легко окисляются, конкурируя за АФК и радикалы с биомолекулами и, тем самым, защищая последние от окисления. Способны взаимодействовать с различными СР, ковалентно присоединяя их по двойной связи. Основные представители: ретиноиды (ретиналь, ретиноевая кислота, ретинол и его эфиры) и каротиноиды (каротины, ликопин, спириллоксантин, астацин, астаксантин и др.).

Катализаторы - вещества, способные катализировать элиминацию АФК и промежуточных продуктов СРО без образования новых СР. Известны также под названием «имитаторов ферментов» (enzyme mimetics). В отличие от рассмотренных выше групп АО прямого действия АО-катализаторы эффективны в значительно более низких концентрациях и не расходуются в ходе реакций элиминации АФК и продуктов СРО. Это значит, что они могут быть использованы в гораздо меньших дозах, их эффект в организме будет сохраняться дольше, а вероятность проявления побочного действия у них меньше.

Ловушки радикалов - типичными представителями этого класса являются нитроны, в частности, фенил-трет-бутилнитрон, эффективно связывающий супероксидные и гидроксильные радикалы. В экспериментах на животных был показан протективный эффект нитронов при окислительном повреждении ЦНС. Могут ингибировать все звенья СРО за счет элиминации первично продуцирующихся АФК.

Комплексообразователи (хелаторы) - основные представители: ЭДТА и ее соли (трилон Б, версен, комплексон III), десфероксамин, 1, 10-батофенантролин, карнозин, изоникотиноильные соединения, некоторые флавоноиды, карведилол. Ингибируют только металлозависимые реакции СРО за счет связывания катионов металлов переходной валентности, катализирующих реакции образования АФК.

Разумеется, подобная классификация не претендует на абсолютную полноту, поскольку учитывает лишь основные структурные элементы молекул, отвечающие за проявление веществом антиоксидантных свойств. Однако предлагаемое деление удобно использовать в работах по поиску и первичному скринингу новых АО прямого действия с определенным (заданным) механизмом действия.

По данным Е.Б. Бурлаковой (1993), в настоящее время рассматривается 5 основных путей, по которым АО влияют на клеточный метаболизм и процессы перекисного окисления.

1. Взаимодействие с СР.
2. Взаимодействие с рецепторами («своими» и «чужими»).
3. Влияние на активность ферментов (взаимодействие с каталитическими и аллостерическими центрами).
4. Встраивание в мембрану и непосредственное изменение структуры, а, соответственно и функции мембран.
5. Взаимодействие с генетическим аппаратом клетки.

    

Все это обуславливает широкий спектр биологической активности антиоксидантов и позволяет их использовать не только для предупреждения тех или иных патологических состояний организма, но и для активных воздействий на клеточный метаболизм в норме.

Включение антиоксидантов в схему лечения заболеваний человека уже стало аксиомой у медицинских работников. В справочниках лекарственных средств имеется раздел «Антиоксиданты, антигипоксанты».