Посещений:
Острый Панкреатит

Патофизиология

The War Within
Ole H. Petersen, Oleg V. Gerasimenko, and Julia V. Gerasimenko
The Scientist | February 1, 2012



References
  • M.W. Russo et al., “Digestive and liver disease statistics, 2004,” Gastroenterology, 126:1448-53, 2004.
  • O.H. Petersen et al., “Fatty acids, alcohol and fatty acid ethyl esters: toxic Ca2+ signal generation and pancreatitis,” Cell Calcium, 45:634-42, 2009.
  • O.H. Petersen, A.V. Tepikin, “Polarized calcium signalling in exocrine gland cells,” Annu Rev Physiol, 70:273-99, 2008.
  • J.A. Murphy et al.,”Direct activation of cytosolic Ca2+ signaling and enzyme secretion by cholecystokinin in human pancreatic acinar cells,” Gastroenterology, 135:632-41, 2008.
  • J.V. Gerasimenko et al., “Bile acids induce Ca2+ release from both the endoplasmic reticulum and acidic intracellular calcium stores through activation of inositol trisphosphate receptors and ryanodine receptors,” J Biol Chem, 281:40154-63, 2006.
  • S.J. Pandol et al., “Investigating the pathobiology of alcoholic pancreatitis,” Alcohol Clin Exp Res, 35:830-37, 2011.
  • J.V. Gerasimenko et al., “Pancreatic protease activation by alcohol metabolite depends on Ca2+ release via acid store IP3 receptors,” PNAS, 106:10758-63, 2009.
  • J.V. Gerasimenko et al., “Calmodulin protects against alcohol-induced trypsinogen activation elicited via Ca2+ release through IP3 receptors,” PNAS, 108:5873-78, 2011.
  • O.H. Petersen, R. Sutton, “Ca2+ signalling and pancreatitis: effects of alcohol, bile and coffee,” Trends Pharmacol Sci, 27:113-20, 2006.
    • Unraveling the molecular causes of acute pancreatitis—a potentially deadly disease in which the pancreas essentially digests itself—is yielding clues to how it might be treated. Иногда тело человека сжигает само себя. Рак и аутоиммунные болезни вызывают своего рода физиологический мятеж, когда клетки собственного тела и молекулы, восстают, чтобы принять участие в его уничтожении. Пациенты страдающие от большинства таких нарушений получают разнообразные оптимальные лечения, исходя из механистического понимания молекулярных корней болезни. Но острый панкреатит, в основном неизлечимая болезнь экзокринных клеток поджелудочной железы-чья роль заключается в продукции энзимов, которые обычно смешиваются с желчью из печени, чтобы переваривать белки и жиры пищи-которые при нарушении функции могут переваривать самих себя и окружающие ткани и органы совершенно непостижимым образом. Острому панкреатиту обычно предшествует или сильное потребление алкоголя или блокада протока, который объединяет общий желчный проток и поджелудочный проток затвердевшим камнем из желчи, наз. желчным камнем. Жгучая боль, рвота, температура, внутренние кровотечения, отказ многих органов и при отсутствии лечения гибель.
    Острый панкреатит использует действие молекулярного каннибализма. Протеаза, наз. trypsin, продуцируемая ацинарными клетками поджелудочной железы, обычно высвобождается в панкреатический проток в виде проэнзима, прежде чем попасть в кишечник, где она активируется разрывом белковых молекул в съеденной пище. Неактивные панкреатические протеазы упакованы в небольшие органеллы, наз. zymogen granules (ZGs), которые образуют кластеры внутри ацинарных клеток. Они обычно в химически инактивированной форме, сцементированы вместе кальцием. Но если возникает острый панкреатит, то упакованные энзимы становятся активированными, разрушают гранулы и затем оказываются свободными в цитоплазме, где они начинают переваривать поджелудочную железу изнутри.
    Всё что известно о клеточной прогрессии при остром панкреатите, это то, что молекулярные триггеры остаются полностью неизвестны. И ни наука, ни медицина пока не может ответить, как лечить временами фатальную болезнь. Для более, чем 200,000 пациентов с острым панкреатитом, леченных в госпиталях США каждый год, единственным средством снижающие боль лекарства, внутривенное замещение жидкости, антибиотики и изменения в диете, чтобы остановить серьезные внутренние повреждения, которым болезнь может дать волю1.
    Но недавно пролит новый свет на патобиологию острого панкреатита, из чего проистекает возможность его предупреждения и лечения.

    It starts with calcium


    Одна гипотеза для объяснения преждевременной активации протеазы при остром панкреатите объясняет, что высвобождение ионов кальция из ZGs позволяет их внутреннему гранулярному матриксу растворяться, делая энзимы способными к активации-является критической ступенью в инициации болезни. Активация трипсина зависит от существенного высвобождения внутриклеточного кальция (Ca2+) из внутренних хранилищ, что сопровождается притоком дополнительного Ca2+ из внеклеточного пространства.
    Также стало ясно, что когда активация трипсина происходит, то происходит внутриклеточная вакуолизация-событие, которое вовлекает трансформацию ZGs в выглядящие пустыми, уродливые вакуоли.2 Этого никогда не происходит нормальных условиях, если происходит секреция трипсина в ответ на приём пищи. Нормальная секреция происходит, когда ZGs сливаются частично с клеточной мембраной, которая выстилает просвет ацинусов, формируя пору между просветом и внутренностью ZGs, через которую энзимы проходят и вступают в панкреатический проток. Этот нормальный процесс секреции, подобно аномальной активации трипсина, которая характеризует панкреатит, также запускается с помощью увеличения концентрации Ca2+ внутри ацинарных клеток, это обусловлено высвобождением Ca2+ из внутренних хранилищ.
    Годы исследователи пытались понять, почему одно и то же внутриклеточное возрастание концентрации Ca2+ необходимо для нормальной секреции, а также для запуска саморазрушения клеток. Ответ на этот вопрос дожидался разработки новой технологии-high-resolution dynamic imaging живых клеток-делающий возможным точное определение разного типа внутриклеточных сигналов Ca2+. В начале 1990s мы впервые получили картины с высоким временным и пространственным разрешением внутриклеточных сигналов Ca2+, вызываемых разной силой панкреатических возбуждающих средств. Мы установили, что тип стимулов, генерируемых нормально в ответ на прием пищи - это низкие концентрации в крови панкреас-стимулирующего гормона cholecystokinin (CCK) или нейротрансмиттера ацетилхолина (высвобождаемого нервными окончаниями по соседству с ацинарными клетками)-создаваемые короткие, повторяющиеся пики внутриклеточных концентраций Ca2+, которые возникают только локально в области. окружающей ZGs. Напротив, высокие и аномальные концентрации гормона или нейротрансмиттера, побуждаемые длительными глобальными подъемами внутриклеточной концентрации Ca2+. Это привело нас к гипотезе, что короткие локальные подъемы Ca2+ являются "хорошими" сигналами, вызывающими нормальную секрецию, тогда как длительные глобальные подъемы, Ca2+ ведут себя как "плохие" сигналы, приводящие к внутриклеточной активации протеаз и к самодеструкции.3

    Of mice and men


    Все эти механистические исследования активации Ca2+ и трипсина, использовали панкреатические ацинарные клетки, выделенные от мышей.3 Некоторое время оставалась неопределенность, являются ли мышиные клетки хорошими моделями их панкреатических аналогов у человека. В одном исследовании было подтверждено, что панкреатические ацинарные клетки человека в противоположность таковым мыши не обладают рецепторами для гормона CCK. Нелегко получить хорошего качества, нормальные панкреатические ацинарные клетки в качестве побочного продукта после операций у пациентов с раком поджелудочной железы, но после многолетних работ с сотрудничестве с хирургами из Royal Liverpool Hospital, нам удалось показать, что панкреатические ацинарные клетки человека в действительности работают по существу точно также, как и мышиные модели и обладают функциональными рецепторами CCK.4
    стало ясно, что следующей ступенью должно быть исследование с высоким разрешением типа внутриклеточных сигналов Ca2+, генерируемых с помощью субстанций-желчных кислот и алкоголя-которые действительно индуцируют панкреатит у пациентов.

    Physiology meets molecular pathogenesis


    Желчь, содержащая кислоты, которые важны для процесса переваривания, формируется в печени и хранится в желчном пузыре, который сокращается и выталкивает субстанции в желчный проток, когда поступает пища в тонкий кишечник. Желчные камни, зазубренные небольшие кристаллы, образующиеся в желчном пузыре и обычно состоящие из холестерола, как известно, вызывают атаки острого панкреатита или из-за обструкции панкреатического протока, через который пищеварительные энзимы проникают в кишечник или из-за блокирования протока, который объединяет общий желчный проток и панкреатический проток. Эта закупорка может сделать возможным заброс желчных кислот в поджелудочную железу, и вызвать повреждения железы. Детальные механистические исследования нашей группы продемонстрировали, что желчные кислоты высвобождают Ca2+ внутри клеток из двух разных источников-и что важно, показали, что одним из них был тот, что в ZGs (др. источником был эндоплазматический ретикулум).5

    Calcium and the Pancreas

    Риск развития панкреатита возрастает с увеличением потребления алкоголя, но только меньшинство (менее 10%) потребляющих избыточные количества алкоголя заканчивают болезнью.6 Мы показали на изолированных панкреатических ацинарных клетках, которые подвергались даже очень высоким концентрациям алкоголя, лишь умеренные эффекты гомеостаз клеточного Ca2+. Это была очень сбивающая с толку находка, поскольку она зародила сомнение, действительно ли алкоголь сам по себе является существенным фактором риска. Нам помогли ранние исследования трупов, показавшие высокие концентрации fatty acid ethyl esters (FAEEs) в поджелудочной железе пациентов с интоксикацией алкоголя к моменту смерти, эти наблюдения подтвердили, что комбинация длинных цепочек жирных кислот и этанола генерирует FAEEs, которые могут быть важными для индукции панкреатита.
    Критическим направлением затем стал поиск, могут ли патофизиологически значимые концентрации FAEEs быть причиной Ca2+-зависимой деструкции панкреатических ацинарных клеток. Вокруг ацинарных клеток всегда имеются жирные кислоты, но можно ли ожидать синтеза FAEEs, которое происходило бы внутри ацинарных клеток, и которое бы ускорялось высокими уровнями в крови жирных кислот, которые бы с легкостью транспортировались в эти клетки. Фактически хорошо известно, что высокие уровни липидов в крови предрасполагают к панкреатиту.2 Установлено, что FAEEs в самом деле вызывают массивное внутриклеточное высвобождение Ca2+ в нормальных панкреатических ацинарных клетках и что важным компонентом этого высвобождения, происходящего из ZGs,7 в точности такой, как это происходит в случае стимуляции желчными кислотами.5
    В последующих исследованиях с использованием различных фармакологических агентов мы оказались способны избирательно вмешиваться в высвобождение Ca2+ или из ZGs или эндоплазматического ретикулума. Установлено, что он высвобождается из ZGs , это специфически коррелирует в внутриклеточной активацией протеаз.7 В сотрудничестве с японской группой. руководимой Katsuhiko Mikoshiba в RIKEN Brain Science Institute близ Tokyo, мы провели ген-делеционное исследование, чтобы показать, что наиболее важным путем для FAEE-индуцированного высвобождения Ca2+ из ZGs является определенный набор Ca2+ каналов, известных как inositol trisphosphate receptors (IP3R).7 Делеция этих генов, которые кодируют эти специфические каналы драматически снижает FAEE-индуцированную активацию трипсина.7
    Скорость генерации этих опасных FAEEs д. безусловно зависеть от концентрации алкоголя и жирных кислот, но также от активности класса энзимов панкреатических ацинарных клеток наз. FAEE synthases, чей механизм контроля пока неизвестен.
    Приводит в замешательство, что небольшая пропорция изолированных панкреатических ацинарных клеток генерирует существенное устойчивое повышение внутриклеточного Ca2+ в ответ на один лишь алкоголь. Неизвестно, может ли это быть обусловлено аномально высокими внутриклеточными уровнями жирных кислот или определенные ацинарные клетки должны при определенных условиях, становиться особенно чувствительными к эффектам алкоголя в отдельности. В любом случае эти находки ведут к дальнейшим исследованиям эффекта алкоголя на изолированные ацинарные клетки, в которых клеточная мембрана преднамеренно была частично (клетки с нарушенной проницаемостью мембран), и эти исследования выявили интересный защитный механизм.

    Calmodulin, coffee, and therapy


    SEARCHING FOR THERAPIES


    SEARCHING FOR THERAPIES Some compounds have shown promise in reducing intracellular trypsin activation, which triggers acute pancreatitis. Calmodulin, a cytosolic calcium-binding protein found in normally functioning acinar cells, prevents ethanol from eliciting the release of substantial amounts of Ca2+ from intracellular stores, which can prematurely activate trypsin. Small peptide activators of calmodulin (such as CALP-3) can be added to the outside of acinar cells to help mobilize calmodulin and prevent the toxic effects of high alcohol concentrations. Calmodulin helps prevent trypsin activation by binding to inositol trisphosphate receptors (IP3Rs), which inhibits Ca2+ release from ZGs. Caffeine has been shown to have similar inhibitory effects on IP3Rs in ZG membranes (A).There is also the potential for small molecule therapies that interfere with CRAC function and thus alter the influx of extracellular Ca2+ (B).

    Некоторые соединения, как было установлено, перспективный в снижении активации внутриклеточного трипсина, который запускает острый панкреатит. Calmodulin, цитозольный кальций-связывающий белок, обнаруживается обычно в нормально функционирующих клетках, защищает от этанола вызывающего высвобождение значительных количеств Ca2+ из внутриклеточных хранилищ, которые преждевременно активируют трипсин. Небольшие пептидные активаторы calmodulin (такие как CALP-3) могут быть добавлены внешней стороне ацинарных клеток, чтобы помочь мобилизовать calmodulin и предупредить токсические эффекты высоких концентраций алкоголя. Calmodulin помогает защищать от активации трипсина путем соединения с inositol trisphosphate receptors (IP3Rs), которые ингибируют высвобождение Ca2+ из ZGs. Caffeine,, как было установлено, обладает сходными ингибирующими эффектами на IP3Rs в мембранах ZG (A). Имеется также потенциал для терапии малыми молекулами, которые вмешиваются в функцию CRAC и тем самым изменяют приток внеклеточного Ca2+ (B).
    Нормально функционирующие панкреатические ацинарные клетки обладают защитой от эффектов алкоголя, цитозольный кальций-связывающий белок, наз. calmodulin, который предупреждает этанол от вызывания высвобождения значительных количеств Ca2+ из внутриклеточных хранилищ.8 Если мы отмываем calmodulin из изолированных, permeabilized ацинарных клеток, то мы обнаруживаем, что алкоголь оказывает более сильный и острый токсический эффект, тогда как повторное внесение calmodulin в обычных внутриклеточных концентрациях защищает клетки от повреждений. Мы были особенно взволнованы тем фактом, что проницаемый через мембрану малый пептидный активатор калмодулина (CALP-3), при добавлении в окружение пермеабилизированных изолированных клеток, предупреждает токсические эффекты даже очень высоких концентраций алкоголя.8
    Недавние данные показали, что активация трипсина зависит от Ca2+, указывая тем самым, что снижение активности этих путей высвобождения Ca2+ может помочь ограничить повреждения, вызываемые патологическими стимулами, такими как алкоголь, метаболиты жирных кислот и желчные кислоты. Имеется несколько подтипов критических IP3R каналов, а делеция только одного подтипа не влияет на нормальную связь стимулы-секреция, но заметно редуцируют активацию внутриклеточного трипсина, индуцируемую FAEEs.8
    Установлено, что ещё одно соединение также вызывающее подавление, это кофеин, который вмешивается в открытие IP3R каналов3,9 и снижает генерацию цитозольного Ca2+ сигнала в ответ как на FAEEs, так и желчные кислоты. Кофеин, как было установлено, снижает вероятность этанолом вызванного панкреатита в клинических исследованиях.9 Но потенциал кофеина в качестве терапевтического средства, к сожалению, ограничен из-за его относительно низкого сродства к IP3Rs, так что его защитный эффект довольно умеренный.9 Тем не менее вполне возможно, что чашка сильного кофе в конце богатой мучной пищи, сдобренной алкоголем может быть неплохой идеей.
    Др. кальциевые каналы-такие как CRAC канал, который делает возможным приток внеклеточного Ca2+ в ответ на высвобождение Ca2+ из внутриклеточных хранилищ-могут быть важными при остром панкреатите и могут быть потенциальными терапевтическими мишенями. Мы близки к созданию превентивных и терапевтических методов, которые будут точно нацелены на молекулярные драйверы болезни и на подавление причин, вызывающих страдания.

    This article is adapted from a review in F1000 Medicine Reports, DOI:10.3410/M3-15.

    Сайт создан в системе uCoz