“Перфторан”: революционная комбинация

“Перфторан” революционная комбинация
Андрей Артурович Недоспасов, д.х.н., Наталия Владимировна Беда, м.н.с., Институт молекулярной генетики РАН
“Нет ничего более практичного, чем хорошая теория” — фундаментальная наука неизбежно находит выход в практику. Увы, в родном отечестве эта аксиома все чаще оказывается теоремой, проблемой, а то и просто иллюзией. Быть может, фундаментальные исследования, описанные в этой работе, позволят восстановить статус-кво и минимизировать ущерб от возникшего дисбаланса.
Многие лекарственные препараты и методы лечения, открытые задолго до “эры NO”, в большей или меньшей степени влияют на метаболизм оксидов азота, но действие это часто остается незамеченным, а лечебные эффекты объясняются какими-то другими причинами. Яркий пример тому — клиническое применение искусственных кровезаменителей на основе перфторорганических соединений (ПФС), известных в России под названиями “Голубая кровь” и “Перфторан” [1-3].
Идея ПФС-кровезаменителей возникла в конце 60-х годов XX в. Поскольку жидкие ПФС прекрасно растворяют кислород, эмульсии из них могли бы выполнять газотранспортную функцию эритроцитов крови. Исследования активно велись в Японии, СССР и США. В 80-е годы, во время афганской войны, опытные партии советских препаратов спасли немало жизней раненым, обреченным на неминуемую смерть от потери крови. В настоящее время “Перфторан” допущен к клиническому применению и свободно продается в аптеках.
Со временем выяснилось, что применение “Перфторана”, в том числе в малых дозах, часто дает положительные эффекты, для которых связь с его газотранспортной функцией не просматривается. Одновременно обнаружили ряд побочных эффектов, также не находивших объяснения. Сегодня многие из них стали понятны благодаря представлениям о мицеллярном окислительном нитрозировании *. Этот термин, предложенный нами для введения радикала ·NO в гетерогенной среде, подразумевает, что в значительной степени реакции идут по радикальному механизму молекула NO реагирует со свободным радикалом, образовавшимся из молекулы-мишени под действием ·NO2 — продукта окисления NO.
* Подробнее см. Недоспасов А.А., Беда Н.В. Биогенные оксиды азота // Природа. 2005. №7. С.33-39.
Перфторуглеводороды (ПФУ) — экстремально гидрофобные вещества с большим коэффициентом распределения Q для кислорода и NO в смесях с водой. Кислород растворяется в них (в гидрофобной фазе эмульсии) гораздо лучше, чем в воде или плазме крови, из-за чего они и нашли применение в составе кровезаменителей. Благодаря мицеллярному катализу микрокапли эмульсии в крови действуют как губки для обоих газов, именно в них происходит теперь основная часть окисления NO.
В предыдущей статье мы рассматривали влияние гидрофобных фаз на процессы окисления NO (например, при образовании холестериновых бляшек на стенке кровеносного сосуда). При сравнении с эмульсией ПФС-кровезаменителей заметны три существенных отличия.
Во-первых, гораздо выше значения Q. Поскольку ускорение реакции окисления NO при введении оптимальных количеств гидрофобной фазы пропорционально QNO в присутствии “Перфторана” окисляется гораздо быстрее [4, 5]. При этом увеличиваются скорости нитрозирования и других процессов, зависимых от мицеллярного катализа, — все они протекают преимущественно в искусственной гидрофобной фазе или на границе раздела фаз. Концентрация NO в водной фазе первоначально падает, что приводит к активации ферментов NO-синтаз, поставляющих NO.
Во-вторых, капли эмульсии не смачивают стенки сосудов (перфторуглеводороды вообще ничего не смачивают из имеющихся в организме поверхностей раздела фаз). Более того, NO из холестериновых бляшек и других “обычных” гидрофобных фаз также частично переходит в капли эмульсии. Значит, повреждающее действие продуктов окисления NO на стенки сосудов уменьшается.
В-третьих, линейные размеры капель эмульсии в “Перфторане” менее 0.1 мкм (диаметр эритроцита ~20 мкм, а холестериновой бляшки много больше); соответственно, отношение поверхности к объему оптимально для протекания реакций нитрозирования на границе раздела. Если в окружающем пространстве присутствуют тиолы (RSH), капля эмульсии может действовать как миниатюрный реактор по производству тионитритов (RSNO). В норме в плазме крови довольно высокая концентрация восстановленного глутатиона (трипептида, содержащего остаток цистеина со свободной HS-группой), нитрозоформа которого — прекрасный донор NO.
Таким образом, аналогия капли перфторуглеводородной эмульсии с эритроцитом оказалась гораздо глубже, чем полагали сначала оба переносят и кислород, и углекислый газ, и NO/RSNO. Понятно, что даже малые дозы кровезаменителей типа “Перфторана”, введенные в кровяное русло, обладают эффектом, характерным для нитроглицерина (основы динамита и одновременно популярного лекарства), т.е. вызывают релаксацию сосудов и восстанавливают кровообращение.
В первых опытах на крысах было наглядно продемонстрировано влияние эмульсий перфторуглеводородов на метаболизм NO при введении “Перфторана” наблюдались предсказанные колебания концентраций нитрита и нитрата в плазме, изменения частоты сердечных сокращений, обычные при действии вазодилаторов типа нитроглицерина. Ингибирование NO-синтаз снимало эти эффекты [6]. Несколько лет спустя эту работу повторили в США [7].
Побочные эффекты применения кровезаменителей типа “Перфторан” во многих случаях проявлялись не сразу, а спустя значительное время после переливания крови. Поверхностно-активные вещества, используемые для стабилизации эмульсий при создании ПФУ-кровезаменителей, выводятся из организма гораздо быстрее, чем сами ПФУ (характерные времена — сутки и месяц соответственно). Если в первые часы после введения эмульсия становится основным местом окисления NO, то через сутки процессы перемещаются главным образом в естественные липидные фазы организма, в которых растворились ПФУ. Ясно, что в организме они (в виде отдельной фазы или растворенные в имеющихся гидрофобных фазах) будут влиять не только на параметры мицеллярного окисления NO из-за роста QO2 и, особенно, QNO, но и на все последующие процессы, включая нитрование и нитрозирование липидов, белков и нуклеиновых кислот. Таким образом, “отравления” под действием химически инертных перфторуглеводородов, в том числе газообразных, растворяющихся в липидах, можно объяснить потерей устойчивости системы регуляции метаболизма оксидов азота.

Рис.1. Схема биосинтеза NO и основные метаболические пути оксидов азота.
Ускорение окисления NO кислородом отражается на равновесии высших оксидов азота; при этом их стационарные концентрации меняются. Если электрофильное нитрозилирование (образование RSNO, рис.1) преимущественно протекает под действием NO+ (N2O3, N2O4), а радикальные реакции (включая нитрование и окисление белков и нуклеиновых кислот) — под действием ·NO2, то при использовании искусственных гидрофобных фаз в качестве кровезаменителей желательно сместить равновесие в сторону первых, во всяком случае не увеличивать стационарные концентрации NO2.
Концентрации высших оксидов азота при окислении NO чрезвычайно низки, и измерить их обычными методами не удается. Мы нашли простой и чувствительный способ, основанный на определении нитрата в продуктах окисления. Нитрат восстанавливается в нитрит соединениями ванадия, скорость этого процесса измеряют с помощью реакции Грисса (по образованию красителя). Если из образца удалить имевшийся первоначально (до восстановления нитрата) нитрит, весь образовавшийся краситель будет происходить из нитрата. Поскольку в результате гидролиза N2O3 получается только нитрит
N2O3 + H2O = 2HNO2, (1)
а при гидролизе N2O4 — эквимолярная смесь нитрита и нитрата
N2O4 + H2O = HNO2 + HNO3, (2)
доля нитрата в продуктах будет мерой стационарных концентраций обоих оксидов. В целом, в малополярных гидрофобных фазах стабилизация N2O3 при сольватации минимальна, распад на NO и NO2 усиливается, и доля NO2 должна расти
NO2 + NO = N2O3. (3)
Анализ системы уравнений для стационарных концентраций оксидов азота показал, что возможно снижение [NO2]ст независимо от изменений [NO]ст и общего пула оксидов азота [8]. В частности, избирательно ускоряя нитрозилирование, мы снижаем не только [N2O3]ст, но и [NO2]ст, т.е. скорости всех радикальных реакций с его участием. В этой связи поиск катализаторов нитрозилирования/денитрозилирования становится важной задачей биохимии.

Рис.2. Гистограмма, отражающая вклад гетерогенности среды и катализаторов денитрозирования в баланс нитрит/нитрат при окислении NO. Слева в гетерогенной среде скорость окисления NO выше, чем в гомогенной. Обычно система равновесий высших оксидов азота сдвигается в сторону NO2 и N2O4, и доля нитрата в продуктах возрастает. Triton X 100 — детергент (аналог мыла), использованный для получения липосом (по данным Liu et al., 1998). Справа хотя в CF-эмульсиях скорость окисления NO возрастает сильнее, чем в обычных липидах, сольватация и скорости гидролиза высших оксидов азота изменены. В присутствии “Перфторана” доля нитрата в продуктах ниже, чем в гомогенном водном растворе (левая пара столбиков). Фосфат (PO4– 3 ), пиро- (P2O7–4 ) и триполифосфат (P3O10–5 ) ускоряют гидролиз N2O3 в нитрит. В результате стационарные концентрации NO2 и N2O4 уменьшаются и выход нитрата падает. Видно, что полифосфат гораздо активнее, чем фосфат. Hepes — компонент буферного раствора.
Сравним влияние гетерогенности среды и сольватации на нитрит-нитратный баланс в продуктах окисления NO в присутствии обычных липидов и в “Перфторане” (рис.2). Видно, что в первом случае при добавлении гидрофобной фазы доля нитрата (а значит, вызываемых ·NO2 радикальных реакций!) растет, во втором оказывается ниже, чем в гомогенном водном растворе [9]. Отчасти эффект связан с каталитическим действием полиэфирного стабилизатора эмульсии на реакцию нитрозирования. Его можно усилить с помощью других найденных нами катализаторов. На рис.2 в качестве иллюстрации показаны каталитические эффекты фосфата и триполифосфата. При увеличении скорости гидролиза N2O3 (фактически — нитрозилирования воды) уменьшаются стационарные концентрации как N2O3, так и NO2 из-за сдвига равновесия в реакции (3).
Впрочем, и здесь не обошлось без парадоксов и неожиданностей. Перфторуглеводороды и их гетероаналоги (вещества, содержащие помимо C и F другие атомы; например, перфтороктилбромид — ПФБ), близкие по растворяющей способности в отношении кислорода, считались одинаково инертными. Поэтому при создании кровезаменителей выбор конкретных соединений был случайным и определялся в значительной степени давлением пара и доступностью в чистом виде. (В промышленности ПФУ и их гетероаналоги получают для далеких от медицины целей, в частности для электротехники.) Так, основу “Перфторана” составляет смесь изомеров перфтордекалина и перфтор-(4-циклогексил,N-метил)пиперидина (рис.3). В Японии и США наиболее популярен перфтороктилбромид (C8F17Br, ПФБ; в кровезаменителях “Перфлюброн”, “Оксиджент” и др.).

Рис.3. Формулы перфторорганических соединений, используемых в производстве кровезаменителей.
Интересно, что сегодня перфтороктилбромид применяется при искусственной вентиляции легких. В легкие пациента (чаще в одно) вводят жидкий ПФБ (~1 л) и шланг с распылителем для подачи воздуха или кислорода. По завершении процедуры шланг удаляется, а ПФБ остается в легких и медленно (недели-месяцы) выводится с выдыхаемым воздухом, а часть его обнаруживается в крови.
Неоднократно отмечалось, что физиологические свойства и кровезаменителей на основе перфторуглеводородов, перфтороктилбромидов и чистых компонентов различны. Причины этого оставались непонятными. Действительно, если бы эффекты этих соединений сводились лишь к транспорту кислорода, они были бы одинаковы для всех ПФУ и ПФБ, поскольку значения коэффициента распределения NO для перфтороктилбромидов и не содержащих атома брома перфторсоединений, включая перфтордекалин (основной компонент “Перфторана”), также оказались близкими. Таким образом, объяснить различные физиологические эффекты только разной сольватацией NO не удалось. В этой связи мы поставили под сомнение постулат об инертности перфтороктилбромидов in vivo и начали искать природные супернуклеофилы, способные реагировать с ним при температуре тела [10].
Для перфторалкилгалогенидов были известны реакции перфторалкилирования при катализе низковалентными комплексами никеля и кобальта. Наиболее известная форма существования кобальта in vivo — кобаламин (витамин В12), который в восстановленной форме служит кофактором ряда ферментов (рис.4). Мы показали, что кобаламин активирует ПФБ, видимо, с образованием перфтороктильного радикала и Co(II), который может снова восстанавливаться до Co(I). Значит, витамин В12 в присутствии восстановителей играет роль катализатора перфторалкилирования под действием ПФБ. Реакцию удалось “визуализировать” с использованием флюоресцирующих мишеней. В тех же условиях связь C-F оказалась устойчивой мы не обнаружили перфторалкилирования под действием перфтордекалина. Судьба гидрофобных перфторалкильных радикалов in vivo остается неизвестной. Вероятно, они способны эффективно реагировать с NO (природным инактиватором свободных радикалов), образуя новые токсичные продукты.

Рис.4. Схема катализа кобаламином (витамином В12) реакций перфторалкилирования под действием перфторалкилгалогенидов. In vivo кобаламин восстанавливается до Со+1. Этот супернуклеофил способен “вырвать” атом брома из молекулы перфторалкилбромида (показана как CFBr). Образующийся перфторалкильный радикал CF· вступает в реакции с активированными двойными связями (показан замещенный акриламид, Х — флюоресцирующая группа), ароматическими соединениями и др. Вновь образовавшиеся радикалы (2) стабилизируются различными путями, приводя к стабильным CF-содержащим продуктам (3, 4).
Принципиальное отличие ПФУ и ПФБ в отношении к супернуклеофилам типа восстановленных форм кобаламина позволяет объяснить различие свойств кровезаменителей на их основе ПФБ в физиологических условиях нельзя считать химически инертным. Аналогичные объяснения применимы и к многочисленным отравлениям другими перфторалкилгалогенидами (ПФГ) помимо механизмов, связанных с NO-катастрофами, они могут участвовать в реакциях перфторалкилирования обычных метаболитов. Ясно, что низкие концентрации кобаламина в тканях делают их малозаметными, но не менее неприятными, особенно при больших “периодах полувыведения” (мера времени жизни в организме) высших гомологов. Не исключено, что в качестве восстановителей ПФГ, помимо B12, могут выступать и другие метаболиты. Поскольку современный уровень знаний не позволяет оценить отдаленные последствия и степень риска, эксперименты с использованием перфторалкилгалогенидов на людях следовало бы предельно ограничить.
Общее число пациентов, получивших большие дозы перфтороктилбромидов по медицинским показаниям, и добровольцев, участников испытаний, неизвестно, но заведомо пятизначное. Низшие газообразные перфторалкилгалогениды используются как растворители, в том числе при химической чистке одежды, как фреоны (бромтрифторметан), а также в огнетушителях и автоматических противопожарных системах — от военной техники до космических кораблей многоразового использования (“Спейс Шаттл”). Описано множество случаев отравлений, в том числе со смертельным исходом, при вдыхании газообразных перфторалкилгалогенидов. Очевидно, что и длительность воздействия, и концентрации этих веществ (в частности, в наших химчистках самообслуживания) могут меняться в широких пределах. Известны примеры, когда серьезные проблемы со здоровьем и смерть наступали спустя значительное время после отравления ПФГ.
Открытие перфторалкилирования при катализе известным витамином после 40 лет работ по использованию ПФГ в медицине поднимает серьезные философские вопросы. Корреляция между появлением озоновых дыр и попаданием фреонов в атмосферу — факт, установленный в ходе фундаментальных научных исследований. Реакция образования перфторалкильных радикалов при облучении фреонов ультрафиолетом попала не только в вузовские, но и в школьные учебники. Связь алкилирования ДНК и свободно-радикальных реакций с мутациями и раком должен уметь объяснить любой выпускник средней школы. Аналогия между озоном и высокоактивными метаболитами, участвующими в реакциях окисления (в том числе при биосинтезе NO), также кажется достаточно очевидной. Тем не менее тысячам добровольцев и пациентов вводили и продолжают вводить большие дозы ПФГ, которые остаются в организме на месяцы. Остается загадкой, почему и у участников, и у организаторов таких экспериментов, несмотря на все эти знания, никогда не возникал вопрос о химической инертности ПФГ in vivo. Отрицательный ответ на этот вопрос мог и должен был быть получен много лет назад, до начала массовых экспериментов на людях.
Сегодня острая необходимость в изучении биохимии ПФГ и методов детоксикации этих соединений и их потенциальных метаболитов очевидны, поскольку, несмотря на предупреждения экологов, их по-прежнему широко используют в технике и в быту, и случайные контакты с ними в случае разного рода аварий и форс-мажорных обстоятельств будут случаться и впредь даже при полном прекращении использования перфтороктилбромидов в медицине. Не исключено, что эффективным методом выведения труднолетучих ПФГ и продуктов их превращений окажется кратковременное введение стабилизированных эмульсий химически инертных перфторуглеводородов (типа “Перфторана”) с последующим удалением их гемосорбцией вместе с “экстрагированными” перфторалкилгалогенидами.
* * *
В заключение мы хотим привести примеры популярных препаратов, механизм действия которых связан с регуляцией метаболизма оксидов азота. Напомним, что NO синтезируется из аргинина под действием NO-синтаз (NOS) и активирует гуанилатциклазу (GC), поставляющую цикло-ГМФ, который и служит молекулярным сигналом к расширению сосудов (рис.5). Нитроглицерин и амилнитрит как искусственные доноры NO при сердечной недостаточности обеспечивают расширение сосудов миокарда и предотвращают развитие инфаркта. Более того, они могут быть полезны даже на ранних стадиях после случившегося инфаркта или инсульта помимо возобновления кровотока (благодаря активации гуанилатциклазы), образующийся NO действует как детоксикатор свободных радикалов, концентрация которых резко возрастает после инфаркта или инсульта, что и служит причиной гибели клеток сердечной мышцы или мозга. В последние годы в качестве эффективной экстренной меры пациента помещают в атмосферу с очень небольшим количеством NO.

Рис.5. Популярные фармацевтические препараты, механизм действия которых связан с регуляцией метаболизма оксидов азота.
Развитие септического шока связано с чрезмерной активностью NO-синтазы, индуцированной попавшими в кровоток патогенами. Организм, пытаясь обезопасить себя от вторжения чужеродных клеток, производит большие количества NO для их уничтожения. Это приводит к активации гуанилатциклазы, слишком сильному расширению сосудов, как следствие — к падению давления крови. Смерть наступает от снижения эффективности кровообращения. Ингибиторы NO-синтазы (например, нитроаргинин) или введение в кровь аргиназы (фермента, разрушающего аргинин — предшественник NO) могут быть спасительными.
Уровень цикло-ГМФ поддерживается балансом активностей гуанилатциклазы (синтез) и специфической фосфодиэстеразы PDE5 (распад). Ингибирование последней обеспечивает высокую концентрацию цикло-ГМФ даже при недостатке синтеза NO, активирующего гуанилатциклазу. Кофеин — слабый и неспецифический ингибитор фосфодиэстераз, расщепляющих цикло-ГМФ. Сильденафил (“Виагра”) — мощный и специфический ингибитор фосфодиэстеразы PDE5 — оказался эффективным средством при импотенции (злые языки утверждают, что именно это открытие было решающим для членов Нобелевского комитета). Тот же эффект может быть достигнут ингибированием аргиназы.
“Перфторан” и другие искусственные гидрофобные фазы могут выступать и как активаторы, и как блокаторы различных NO-зависимых процессов. Растворимость NO и O2 в эмульсии перфторуглеводорода выше, чем в плазме крови, что первоначально обеспечивает переток NO из плазмы в гидрофобную фазу эмульсии, где из-за мицеллярного катализа скорость его окисления выше, чем в окружающей капли эмульсии плазме. В целом, концентрация NO в крови падает (показано красной стрелкой), одновременно падает необратимое окисление NO в нитрат под действием гемоглобина. Снижение концентрации растворенного NO может активировать NOS. Продукты окисления NO преимущественно образуются в эмульсии, и именно там выше нитрозилирующая активность. Дальнейшая судьба продуктов окисления может регулироваться; возможен вариант, когда эмульсия становится источником NO-доноров.
Скорости накопления знаний, появления новых технологий к началу третьего тысячелетия стали буквально фантастическими. В существенной степени столь бурный рост имеет автокаталитический механизм он обеспечивается успехами науки в предшествующие годы и регулируется скоростью превращения фундаментальных научных открытий в новые технологии, используемые как для “потребления”, так и для дальнейшего развития исследований. Для биологических наук примерами первых являются появление методов диагностики и лечения неизлечимых ранее заболеваний или выведение высокопродуктивных сельскохозяйственных культур. Ко вторым можно отнести все более тонкие методы анализа (веществ, клеток и целых организмов) или синтеза сложных “биологических” молекул. В целом, предшествующие успехи в фундаментальных исследованиях предопределяют новые достижения как в экономике, так и в самой науке.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.
Проекты 02-04-49530 и 03-04-06492.
Список литературы
1. Шноль С.Э. Герои и злодеи российской науки. М., 1997.
2. Иваницкий Г.Р. // Биофизика. 2001. V.46. P.5-33.
3. Squires J.E. // Science. 2002. V.295. P.1002-1005.
4. Gordin V.A., Nedospasov A.A. // FEBS Lett. 1998. V.424. P.239-242.
5. Рафикова О.В. // Татьянин день. Мицеллярный катализ окисления оксида азота в эмульсиях перфторуглеводородов и его влияние на цикл оксида азота в организме млекопитающих. М., 2000.
6. Rafikova O., Sokolova E., Rafikov R., Nudler E. // Circulation. 2004. V.110. P.3573-3580.
7. Nedospasov A.A. // J. Biochem. Molecular. Toxicol. 2002. V.16. P.109-120.
8. Беда Н.В., Пименова (Сунцова) Т.П., Недоспасов А.А. // Проблемы и перспективы молекулярной генетики / Ред. Е.Д.Свердлов. М., 2004. Т.2. C.237-301.
9. Беда Н.В., Недоспасов А.А. // Биохимия. 2003. Т.68. С.1697-1704.