Биохимические механизмы в регенерации тканей при синдроме диабетической стопы

Введение

В настоящее время сахарный диабет (СД) является актуальной проблемой здравоохранения по всему миру. По данным литературных источников, количество больных СД за последние несколько лет увеличилось более чем 2 раза. Следует отметить, что в РФ также наблюдается значительное увеличение людей, страдающих СД [1].

Известно, что одним из поздних осложнений сахарного диабета может быть синдром диабетической стопы (СДС) — инфекция, язва или деструкция тканей стопы, связанные с нейропатией и/или снижением магистрального кровотока в артериях нижних конечностей [2][3], которая сопровождается нарушением процесса регенерации тканей. Изменения происходят во всех фазах заживления раны: гемостаз/коагуляция, воспаление, пролиферации, эпителизации и образование рубца [4], что сопровождается увеличением сроков заживления и формированием хронических ран/язв. Статистические данные литературы указывают на то, что СДС регистрировался у 5,6% больных сахарным диабетом 1 типа и у 2,4% больных сахарным диабетом 2 типа [2]. Однако, по данным некоторых источников у пациентов с СД, у которых в течение пяти лет развивались незаживающие язвы, уровень смертности достигает 40% [3].

Согласно данным статистических исследований, смертность после ампутации варьируется от 13% до 40% через один год после оперативного вмешательства, от 35% до 65% — через три года и от 39% до 80% — через пять лет [5][6][7]. Таким образом, данная патология является серьёзным вызовом для исследователей и здравоохранения во всем мире.

Цель исследования — анализ различных биохимических механизмов, принимающих участие в процессе регенерации ран у больных с синдромом диабетической стопы.

Материалы и методы

В статье представлен анализ данных литературы о биохимических механизмах, принимающих участие в регенерации ран у пациентов с синдромом диабетической стопы. Для достижения поставленной цели отобраны и проанализированы статьи в зарубежных базах «PubMed», «MedLine», «Google Scholar», а также в базе данных российского научного индекса цитирования (РИНЦ) за период с 2017 по 2023 гг. Поиск статей проводился по ключевым словам «diabetic foot», «wound healing», «molecular mechanisms» и их аналогам на русском языке, таким как «диабетическая стопа», «заживление ран», «молекулярные механизмы». Поиск проводился по словам в названиях, аннотациях и текстам. Отбор статей проводился с использованием дат публикаций с 2017 по 2023 гг. по типам статей (систематические обзоры, метаанализы, рандомизированные контролируемые исследования, клинические исследования, наличие полного текста в открытом доступе). Были исключены работы до опубликованные до 2017 г., а также не соответствующие тематике исследования. Проведённым литературным поиском было выделено 74 публикации, из которых в обзор были включены 24 литературных источника с 2017 по 2023 г., соответствующие направлению и цели исследования, а также дополнительно использовано 18 источников старше 2017 г., необходимых для раскрытия предмета исследования из ссылок в списках литературы.

Результаты

Проведённый анализ данных литературы по изучению молекулярных механизмов регенеративных процессов в тканях у больных с синдромом диабетической стопы позволил выделить основные звенья, характеризующие особенность протекания процессов заживления у данной категории больных.

Кожный барьер здорового человека зависит от хорошо отрегулированного баланса липидов, межклеточных соединений, антимикробных пептидов и ферментов, предотвращающих потерю воды и возникновение инфекции [7]. Самый верхний слой кожи (роговой слой) состоит из терминально дифференцированных безъядерных кератиноцитов, заполненных кератиновыми волокнами и связанными белками оболочки, называемыми корнеоцитами, которые окружены гидрофобным липидным слоем и защищают от трансэпидермальной потери воды (ТЭПВ) [7]. С возрастом в коже естественным образом уменьшается секреция пластинчатых тел, истощается количество липидов, замедляется восстановление барьера и увеличивается ТЭПВ [7]. Хотя общее содержание влаги в роговом слое уменьшается с возрастом [8], однако содержание воды в поверхностном роговом слое одинаково как у молодой, так и у состарившейся кожи [9]. Установлено, что кожа больных сахарным диабетом имеет пониженное содержание липидов и сниженную гидратацию рогового слоя, хотя в некоторых работах не отмечалось существенных изменений ТЭПВ [10], в то время другие литературные источники указывают на увеличение ТЭПВ [11]. Исследование, проведённое в 2017 г., выявило изменения в ТЭПВ у больных с СД [12]. Данные некоторых авторов позволяют утверждать, что гидратация кожных покровов, по-видимому, коррелирует с микроциркуляцией [13] и является значимым предиктором заживления ран [14].

Гипергликемия, возникающая при СД, приводит к гликозилированию белков и изменению структуры эпидермиса, что сопровождается нарушением ультраструктуры базальных клеток и, как следствие, нарушением нормальной функции кожного барьера [15], дополнительно увеличивая риск инфицирования раны. Некоторые авторы отмечают, что кожа пациентов с СД имеет более высокую колонизацию золотистыми и эпидермальными штаммами бактерий, при этом у пациентов с язвами диабетической стопы были выявлены такие распространенные бактериальные колонизаторы, как Staphylococcus, Pseudomonas и Enterobacteriaceae [16]. Бактерии, такие как стафилококки и стрептококки, производят протеолитические факторы, которые разрушают кожный барьер [17].

Исследователями установлено, что pH в области раневой поверхности при диабетической стопе значительно более щелочной по сравнению с обычными ранами [11]. Щелочные условия среды способствуют образованию биопленки, отличающиеся от здоровой кожи, а также и влияют на устойчивость бактерий к антибиотикам [18]. Поэтому при назначении лечения инфекции, обнаруженной в аномально щелочной среде диабетической стопы, следует учитывать это различие в чувствительности бактерий к антибактериальным средствам [7][19].

В условиях гипергликемии происходит чрезмерная активация полиольного пути метаболизма глюкозы (превращение глюкозы в сорбитол с последующим образованием фруктозы), что приводит к снижению концентрации никотинамид-аденин-динуклеотидфосфат (NADPH) [20]. Это в конечном счёте нарушает работу аэробных механизмов (выработку активных форм кислорода (АФК) и дыхательный выброс), которые участвуют в процессе инактивации микробов нейтрофильными гранулоцитами [21]. Относительный дефицит инсулина, связанный с резистентностью к инсулину при СД 2 типа или его полным отсутствием при СД 1 типа, приводит к снижению активности инсулинозависимых ферментов в нейтрофильных гранулоцитах, а также нарушает их миграцию. Процессы, зависящие от моноцитов и макрофагов, такие как хемотаксис и фагоцитоз, тоже нарушены [20].

В условиях нормального функционирования макрофаги выделяют цитокины и факторы роста, необходимые для процесса заживления раны [22]. Однако в условиях гипергликемии нарушается переход провоспалительного фенотипа М1 макрофагов на антивоспалительный М2. [23]. Имеются данные о том, что фактор некроза опухоли-α (α-ФНО) и интерлейкин (ИЛ) 1β принимают участие в контроле этого процесса, препятствуя переходу на антивоспалительный тип М2 [23] и регулируя воспалительный ответ и регенерацию тканей. Из данных литературы известно, что существует взаимосвязь между уровнем инсулина в организме человека и функциональным состоянием лейкоцитов. У больных СД снижение уровня инсулина может приводить к нарушениям функций лейкоцитов и, как следствие, к иммунодефицитному состоянию [25], что отягощает процесс регенерации тканей.

У больных с СД наблюдается повышенное содержание воспалительных клеток, но это не сопровождается улучшением иммунного ответа. Имеются данные о том, что в хронических ранах содержится больше В-лимфоцитов, плазматических клеток и Т-клеток с низким отношением CD4+/CD8+ [23].

В пролиферативной фазе заживления при СД, которая включает в себя три основных компонента (фиброплазию, ангиогенез и эпителизацию), происходят изменения на всех этапах заживления. При этом наблюдаются изменения в физиологии фибробластов и их резистентность к действию ИФР-1 и ЭФР [23][26]. Данные некоторых литературных источников свидетельствуют о том, что в ответ на ишемию/гипоксию в нижних конечностях у больных с СД наблюдается снижение миграции и пролиферации фибробластов [27]. Также при гипергликемии меняется фенотип фибробластов на «продеградативный», что приводит к уменьшению выработки нормально функционирующего коллагена, повышению секреции металлопротеаз (ММП), а также снижает синтез оксида азота (NO) [23]. Многочисленные исследования в различных регионах достоверно указывают, что в условиях стойкого и длительного повышения концентрации глюкозы в крови, происходит гликирование коллагена, в связи с чем, невзирая на высокую экспрессию генов коллагена типа I, образование полнофункционального коллагена в ранах значительно снижается [27].

Эндотелиальная дисфункция (ЭД) также играет важную роль в нарушении тканевого метаболизма при сахарном диабете [28] и является одной из причин нарушения регенерации ткани. ЭД связана с нарушенной реактивностью сосудистой стенки, что приводит к нарушению кровотока в дистальных отделах и формированию артериовенозных анастомозов (АВА) [21]. Имеются данные литературы, свидетельствующие о том, что у части пациентов с сахарным диабетом нарушенная нейрогуморальная регуляция проявляется устойчивым артериоспазмом и, как следствие, ортостатической дистальной ангиогипертензией, обусловливающей развитие дистального ангиита, что приводит к локальным ишемическим нарушениям в нижних конечностях [29].

На развитие ЭД влияет гипергликемия через несколько путей, включая полиольный, гексозаминовый, конечные продукты гликирования (КПГ) и путь протеинкиназы С (ПКC) [21]. Полиольный путь, по которому метаболизируется глюкоза, приводит к ЭД через снижение поступления NO в дисфункциональные сосуды за счёт уменьшения NADPH в цитозоле. Снижение концентрации NADPH необходимого для регенерации глутатиона, а также для производства NO ферментом NO-синтазой приводит к стойкой вазоконстрикции и нарушению работы антиоксидантных систем [21]. Путь ПКC оказывает наиболее прямое влияние на регуляцию эндотелиальных сосудов. Увеличение прокоагулянтной активности клеток эндотелия достигается за счёт уменьшения образования NO и ускорения пролиферации клеток сосудов [30]. В результате изменение приоритета метаболических путей утилизации глюкозы приводит к прогрессированию эндотелиальной дисфункции.

В тканях больных СД в результате метаболических превращений глюкозы увеличивается концентрация триозофосфатов: 3-фософглицеринового альдегида и дигидроксиацетонфосфата. Дигидроксиацетонфосфат служит субстратом, из которого образуется метилглиоксаль [31–34]. Наличие гипергликемии активирует процесс неферментативного гликозилирования белков [35], а присутствие линейной формы глюкозы приводит к образованию шиффовых оснований. Они служат субстратом для образования продуктов Амадори, превращающихся в конечные продукты неферментативного гликирования (КПНГ) [36], а также низкомолекулярные дикарбонилы [31], к которым относят глиоксаль и метилглиоксаль. Подобно малоновому диальдегиду, его гомолог глиоксаль и структурные изомер метилглиоксаль вызывают повреждение тканей, что приводит к нарушению процессу тканевой регенерации [37].

Гипоксия тканей нижних конечностей приводит к интенсификации процесса перекисного окисления липидов (ПОЛ), который контролируется системой антиоксидантной защиты (АОЗ) [38]. У больных наблюдается неконтролируемая активация процессов ПОЛ, что сопровождается попаданием в системный кровоток продуктов распада тканей, а это приводит к развитию синдрома взаимного отягощения [38]. Малоновый диальдегид, являясь вторичным промежуточным продуктом ПОЛ, как высокоактивное агрессивное соединение неферментативно образует белок-белковые, липид-липидные и белок-липидные связи (основание Шиффа), при этом нарушает транспортную функцию различных клеточных мембран и функцию биологически активных молекул [37]. Образование АФК, промежуточных и конечных продуктов ПОЛ усугубляет дисфункцию эндотелиальных клеток, тем самым опосредуя повреждение ДНК [21]. Повышенная активность гексозаминового пути, возникающая из-за гипергликемии, приводит к образованию уридинфосфат-N-ацетилглюкозамина, который гликозилирует белки [21]. Нарастание концентрации уридинфосфат-N-ацетилглюкозамина приводит к повышенной экспрессии ТФР-β1 и ингибитора активатора плазминогена-1 (PAI-1) [21], что способствует образованию микросгустков, развитию эндотелиопатии.

У больных с СД в условиях метаболических изменений происходит нарушение регуляции ММП, которые обеспечивают возможность эндотелиальных клеток мигрировать к месту повреждения [23]. Множественные факторы роста принимают участие в контроле активности металлопротеаз и тканевых ингибиторов ММП (ТИМП), включая ТФР-β1, ИФР-1, ФРТ, ИЛ-10, ЭФР и моноцитарный хемотаксический белок-1 (МСР-1) [39]. Обычно ТФР-β1 блокирует экспрессию генов, кодирующих различные типы ММП, но это не происходит при СДС [23]. Так, ММП9 может расщеплять фибронектин на фрагменты, что усиливает миграцию и пролиферацию воспалительных клеток и продлевает воспалительный процесс [40], одномоментно в ране изменяется соотношение ангиопоэтинов [41]. Вышеперечисленные изменения приводят к нарушению этапов формирования сосудов в тканях у больных с СДС [41].

Важно отметить, что гипергликемия приводит к сниженную способности клеток адаптироваться к условиям гипоксии за счёт снижения экспрессии hypoxia inducible factor-1 (HIF-1) [23], который в организме представлен двумя гетеродимерами HIF-1α, HIF-1β. Именно уменьшение HIF-1α, регулируемого ИФР-1 [42], нарушает регуляцию экспрессии множества факторов, принимающих участие в процессе миграции, пролиферации и ангиогенеза. В результате до появления ишемии тканей нижних конечностей у больных с СД гипергликемия формирует неблагоприятные условия, которые снижают выживаемость клеток, препятствуя процессам адаптации [23].

Обсуждение

По мере увеличения числа пациентов с СД растёт потребность в лечении ран при СДС и возникает необходимость дальнейшего исследования молекулярных механизмов в связи с тем, что на фоне проводимой инсулинотерапии у некоторых больных отмечается несостоятельность хирургических швов после оперативного вмешательства.

Полученные данные о состоянии кожного покрова у больных СД свидетельствуют о снижении содержания воды, что связано с нарушением микроциркуляции. Понижение количества воды в ткани приводит к истончению гидратной оболочки канальных белков, различных ионов, биологически активных молекул и клеточных рецепторов, что нарушает их функциональную активность. Очевидно, что рецепторы, имеющие белковую природу и утерявшие функциональную активность, не способны взаимодействовать с биологически активными молекулами, в частности с инсулином. Принимая во внимание, что соединительная ткань — это инсулин-зависимая ткань, вероятно, рецепторы, утерявшие функциональную активность, на фоне проводимой инсулинотерапии, не способны реагировать на биологически активные молекулы, что влияет на снижение обменных процессов в ткани и на скорость на синтез коллагена. Изменение функциональной активности канальных белков, утративших необходимую толщину гидратной оболочки, также приводит к нарушению их функциональной активности. Следствием чего является снижение работы клеточных транспортных систем. В клетку поступает меньшее количество ионов, глюкозы, аминокислот, что приводит к снижению энергетического обмена, что в свою очередь нарушает регенеративную способность ткани.

Необходимо учитывать, что у больного СДС в силу выраженности нарушения функционирования иммунной системы сроки заживления раны могут увеличиваться, что повышает риски инфицирования и в дальнейшем может приводить к ведению раны открытым доступом.

Большое количество исследований указывает на то, что в развитии ортостатической дистальной сосудистой гипертензии у больных с СДС лежат изменения приоритета метаболических путей утилизации глюкозы, что является одной из причин развития ЭД [21][28][29][30]. Необходимо принять во внимание тот факт, что в условиях развития гипоксии происходит активация процессов ПОЛ, которые в полной мере не контролируются системой антиоксидантной защиты [21][37][38]. Важно учитывать, что адаптивные реакции клеток у больного с СД в условиях гипергликемии снижены за счёт уменьшения экспрессии HIF-1α [23][42]. Все эти изменения сопровождаются развитием синдрома взаимного отягощения [38].

Вышеперечисленные факторы формируют «порочный круг», взаимно усиливая действие друг друга, что может способствовать нарушению регенеративных процессов в организме больного. Анализ биохимических механизмов данных расширяет понимание патологических звеньев, приводящих к осложнениям послеоперационных ран. Такие исследования позволят направленно воздействовать специализированными корригирующими методами с учётом индивидуальных особенностей на процесс заживления ран, а также улучшить качество жизни пациентов.

Заключение

Проведённый анализ данных литературы указывает на то, что регенеративные механизмы у больных с сахарным диабетом включают сложную цепь биохимических реакций, которые зависят от состояния кожного барьера, функциональной активности иммунокомпетентных клеток, количества и соотношения биологически активных молекул, а также от соотношения различных классов липидов, межклеточных соединений, антимикробных пептидов, ферментов и степени выраженности ангиопатии.

С учётом особенностей метаболизма тканей больных с синдромом диабетической стопы, которые зачастую могут осложняться несостоятельностью хирургического шва, требуется персонализированный подход к медикаментозной терапии. Таким пациентам необходимо до проведения оперативного вмешательства рекомендовать препараты, улучшающие микроциркуляцию в тканях, а также рекомендовать применение антиоксидантной терапии с целью снижения деструктивных процессов ПОЛ. В предоперационном периоде следует проводить исследования микрофлоры кожи на аэробную, факультативно-анаэробную флору с определением чувствительности к антибиотикам и подбором минимальной подавляющей концентрации препарата для повышения эффективности проводимого лечения в послеоперационном периоде. Для более полного понимания механизмов регенеративных процессов на молекулярном уровне целесообразен поиск новых факторов, принимающих участие в механизмах развития СДС для предотвращения осложнений и повышения эффективности проводимого лечения.