Важность натриуретических пептидов
Натриуретические пептиды (NP) вырабатываются сердцем и кровеносными сосудами. Организм увеличивает их производство при сердечной недостаточности, заболеваниях печени или почек, поскольку эти состояния приводят к увеличению общего объёма жидкости в организме. Натриурез — это процесс, при котором в мочу выделяется аномально большое количество соли. Термин происходит от латинского слова natrium («натрий») и греческого ouresis («мочеиспускание»).
Существует четыре типа NP — белковых гормонов у человека, ответственных за натриурез. Это A-типа (предсердный натриуретический пептид, ANP); B-типа натриуретический пептид (BNP); C-типа натриуретический пептид (CNP); и D-типа (дендроаспизный натриуретический пептид, DNP) — все они являются малыми белковыми молекулами. Эти пептиды естественным образом снижают уровень натрия в крови, подобно действию диуретиков. Такой процесс помогает снизить высокое давление и другие медицинские состояния, уменьшая объём крови, поскольку натрий уводит за собой воду в мочу. Фактически, натриуретические пептиды часто называют «естественными диуретиками» организма.
Данный процесс будет рассмотрен более подробно далее, но предсердные натриуретические пептиды (ANP) снижают объём крови, что приводит к уменьшению сердечного выброса и снижению артериального давления. B-типа натриуретические пептиды также называются мозговыми натриуретическими пептидами. Они вырабатываются, накапливаются и выделяются желудочками сердца при их расширении и растяжении из-за избыточного накопления жидкости. Действуя как диуретик, B-типа пептиды выделяются при перегрузке жидкостью и увеличении объёма крови, что напрямую связано с застойной сердечной недостаточностью. Этот пептид снижает нагрузку на повреждённое сердце, расширяя сосуды и выводя избыточную и вредную жидкость с мочой.
C-типа натриуретические пептиды синтезируются клетками, выстилающими кровеносные сосуды. Они естественным образом расслабляют сосуды, помогая снижать кровяное давление. В отличие от A- и B-типов, они не обладают выраженным натриуретическим эффектом. Всё это наглядно демонстрирует важность натриуретических пептидов как естественного механизма ответа на болезни. Далее мы подробнее рассмотрим, как были открыты NP, их физиологические функции и терапевтическое применение.
История открытия натриуретических пептидов
Натриуретические пептиды представляют собой семейство вазоактивных гормонов с кольцевой структурой и значительным сходством в последовательностях аминокислот. В 1956 году Киш (Kisch) обнаружил, что клетки предсердий содержат разветвлённые сети аппарата Гольджи, как и секреторные клетки. В 1964 году Джемисон и Палада (Jamieson и Palade) обнаружили в миоцитах предсердий сферические, электронно-плотные гранулы. Примерно в то же время Генри и его коллеги выявили связь между растяжением предсердий у собак и увеличением мочеотделения.
В 1968 году ДеБолд (DeBold) и коллеги начали изучение гранул предсердий и выяснили, что их состав изменяется в ответ на колебания уровня электролитов и воды. Прошло более тридцати лет с тех пор, как в 1981 году ДеБолд и его команда опубликовали знаковое исследование, в котором продемонстрировали существование предсердного натриуретического пептида (ANP), соединив наблюдения Киша и Генри. Они пришли к выводу, что ANP связывает почки и сердце в рамках кардиоренального гомеостаза. ДеБолд показал, что при введении экстрактов из предсердной ткани крысам, у них наблюдался выраженный натриурез. Именно так был впервые открыт натриуретический пептид. Это привело к выделению и клонированию ANP, который стал первым полноценным натриуретиком, обладающим выраженным диуретическим и сосудорасширяющим действием.
Из всех четырёх натриуретических пептидов натриуретический пептид B-типа (BNP) стал основой для создания коммерческих иммунологических тестов, как и N-концевая часть его предшественника — NT-proBNP. В настоящее время проводится множество клинических исследований, посвящённых BNP и NT-proBNP, о которых далее пойдёт речь.
Первоначально BNP был обнаружен в мозге свиней и считался нейротрансмиттером — отсюда и название «мозговой натриуретический пептид». Однако позже было установлено, что наибольшая концентрация BNP находится в желудочках сердца. В 1990–1991 годах Мукояма (Mukoyama) и его коллеги обнаружили, что концентрация BNP особенно высока в сердечных желудочках пациентов с сердечной недостаточностью. Со временем натриуретическим пептидам присваивали различные названия, такие как предсердный натриуретический фактор, атриопептин, кардионатрин и кардиодилатин.
Натриуретический пептид C-типа (CNP) был открыт в 1991 году Судохом (Sudoh) и его коллегами в экстрактах мозга свиней, где он проявлял свойства расслабления гладкой мускулатуры. ANP, BNP и CNP имеют следующие общие черты:
• Являются продуктами отдельных генов
• Имеют схожую аминокислотную структуру
• Содержат 17-аминокислотное кольцо, стабилизированное дисульфидной связью
Типы натриуретических пептидов
BNP служит маркером дилатации желудочков, поскольку его количество в желудочках прямо пропорционально степени растяжения желудочков — того самого растяжения, которое вызвано избытком жидкости в сердце. Поскольку матричная РНК для проBNP ведёт себя непредсказуемо, уровень BNP регулируется активно в зависимости от напряжения стенки желудочка. Первичный транскрипционный продукт содержит сигнальную последовательность, которая расщепляется с образованием проBNP, а затем уже в момент секреции или позже расщепляется на NT-proBNP и BNP.
Было выявлено существование двух рецепторов:
1. Рецептор натриуретического пептида A-типа (NPR-A)
2. Рецептор B-типа (NPR-B)
NPR-A и NPR-B включают в себя следующие компоненты:
• Внеклеточный сайт связывания
• Трансмембранный домен
• Внутриклеточный домен с участком, подобным белковой киназе
• Участок гуанилатциклазы
• Целостную кольцевую структуру для связывания рецептора
При связывании с рецептором образуется гуанозинмонофосфат (ГМФ) в качестве вторичного посредника. Период полураспада BNP составляет всего 20 минут, тогда как у NT-proBNP — около 60 минут. BNP также связывается с NPR-C — третьим натриуретическим рецептором, что в итоге приводит к дальнейшему связыванию, эндоцитозу и лизосомному разрушению. Кроме того, кольцевая структура расщепляется нейтральной мембранной эндопептидазой, локализованной в почках. Это инактивирует молекулу в почках и сосудистой системе, делая её биологически неактивной.
Возвращаясь к предсердному натриуретическому пептиду (ANP), отметим, что он действует в эндокринной и паракринной формах, снижая артериальное давление и предотвращая гипертрофию сердца. BNP, в свою очередь, способствует снижению фиброза желудочков. C-типа натриуретический пептид (CNP) стимулирует рост длинных костей. ANP и BNP активируют трансмембранную гуанилатциклазу — рецептор натриуретического пептида A-типа (NPR-A). CNP активирует родственный фермент — рецептор натриуретического пептида B-типа (NPR-B). Оба рецептора способствуют синтезу цГМФ, который и реализует большинство известных на сегодня эффектов натриуретических пептидов. Третий рецептор, NPR-C, выводит пептиды из кровотока путём внутреннего захвата и деградации.
Все натриуретические пептиды синтезируются в виде препропрогормонов. Ген человека, кодирующий ANP, называется NPPA (GeneID 4878) и расположен на 1-й хромосоме в области 1p36.21. Длина NPPA составляет примерно 2 тыс. пар оснований и он состоит из 3 экзонов и 2 интронов. Получаемая мРНК кодирует полипептид из 151 аминокислоты, известный как препро-ANP. Первые 25 аминокислот формируют сигнальную последовательность, которая отщепляется с образованием 126-аминокислотного пептида, называемого про-ANP — основной формы ANP, накапливаемой в предсердных гранулах (Oikawa et al., 1984). После высвобождения из этих гранул про-ANP быстро расщепляется корином — трансмембранной сердечной сериновой протеазой. Корин экспрессируется на поверхности кардиомиоцитов предсердий.
Теперь немного подробнее рассмотрим три известных белка-связывающих натриуретические пептиды. Все эти белки имеют значительный внеклеточный лиганд-связывающий домен (~450 аминокислот) и участок, пересекающий мембрану, длиной в 20 остатков. Рецепторы натриуретических пептидов A и B также содержат развитый внутриклеточный домен, включающий следующие участки:
• Домены гомологии с киназой
• Домен димеризации
• Карбоксильный конец с гуанилатциклазной активностью
Это означает, что NPR-A и NPR-B передают сигнал, способствуя синтезу внутриклеточного сигнального молекулы — цГМФ. Напротив, NPR-C содержит лишь 37-аминокислотный внутриклеточный домен и не обладает гуанилатциклазной активностью. Его основная функция — регулировать локальные накопления натриуретических пептидов путём опосредованного рецепторами внутреннего захвата и разрушения, как упоминалось выше.
Сравнение рецепторов NPR-A, NPR-B и NPR-C
Все три рецептора натриуретических пептидов обладают уникальными свойствами, но у них также есть и сходства. Начнём с NPR-A и/или его мРНК — он экспрессируется в почках, лёгких, жировой ткани, надпочечниках, головном мозге, сердце, яичках и гладкой мускулатуре сосудов. Рецептор натриуретических пептидов типа A (NPR-A) является основным рецептором для предсердного натриуретического пептида (ANP) и B-типа натриуретического пептида (BNP). Его внеклеточный домен содержит 3 внутримолекулярные дисульфидные связи, а также 5 сайтов N-гликозилирования.
Рецептор натриуретических пептидов типа B (NPR-B) является основным рецептором C-типа натриуретического пептида (CNP). Он схож с NPR-A по топологии, гликозилированию и внутримолекулярным дисульфидным связям. NPR-B и/или его мРНК обнаружены в костной ткани, мозге, фибробластах, сердце, почках, печени, лёгких, матке и гладкой мускулатуре сосудов.
NPR-C является наиболее широко экспрессируемым рецептором натриуретических пептидов из трёх. В 1986 году Лейтман и коллеги обнаружили его почти во всех местах связывания ANP в эндотелиальных клетках. NPR-C и/или его мРНК найдены в надпочечниках, мозге, сердце, почках, брыжейке и сосудистой гладкой мускулатуре. Домен рецептора натриуретических пептидов типа C (NPR-C) содержит большое количество внеклеточных участков связывания с лигандами, которые, как показали Чанг (и др., 1989), Фуллер (и др., 1988) и Портер (и др., 1990), на 30–35% идентичны с NPR-A и NPR-B в пределах одной трансмембранной области. Интересно, что эти исследования выявили всего лишь 37 внутриклеточных аминокислот. Позже, в 2008 году, Роуз и Джайлз обнаружили, что NPR-C не обладает ферментативной активностью, однако может передавать сигналы через механизм, зависимый от G-белков.
Натриуретические пептиды: физиологические функции и терапевтическое применение
Начнём с функций NPR-C, также известного как рецептор клиренса, — как уже упоминалось ранее, он отвечает за удаление циркулирующих натриуретических пептидов посредством рецептор-опосредованной внутренней абсорбции и деградации. Остеокрин связывается с NPR-C, но не с NPR-A или NPR-B, как было обнаружено Моффаттом и коллегами в 2007 году. Считается, что остеокрин конкурирует с CNP за связывание с NPR-C в костной ткани, тем самым повышая локальный уровень CNP в критические периоды роста и развития костей.
При сердечной недостаточности наблюдается высокий уровень экспрессии ANP и BNP, которые, как предполагается, противодействуют этому состоянию благодаря своим натриуретическим, диуретическим и сосудорасширяющим свойствам, одновременно подавляя секрецию альдостерона и ренина. Согласно новым данным, ANP и BNP действуют не только как циркулирующие гормоны, но и как локальные паракринные и/или аутокринные сигнальные молекулы. В клинической практике ANP и BNP потенциально могут быть использованы в качестве терапевтических агентов при сердечной недостаточности, хотя для этого требуются дополнительные исследования.
Было также установлено, что натриуретические пептиды регулируют артериальное давление, а также подавляют гипертрофию сердца (вызванную длительной гипертонией) и ремоделирование. Гипертрофия сердца регулируется ANP и NPR-A, тогда как ремоделирование контролируется путями ANP/BNP/NPR-A и CNP/NPR-B. Кроме того, что натриуретические пептиды регулируют артериальное давление, они также ингибируют гипертрофию сердца и процессы его ремоделирования. Установлено, что у мышей с дефицитом NPR-A уровень гипертрофии значительно выше, чем у других генетических моделей с сопоставимыми уровнями гипертонии. Это свидетельствует о том, что NPR-A передаёт ингибирующий сигнал для роста в сердце.
Натриуретические пептиды при субарахноидальном кровоизлиянии, отравлении угарным газом, гипертиреозе и в качестве терапевтических агентов
У пациентов с субарахноидальным кровоизлиянием (САК) наблюдается увеличенный диурез, повышенное выведение натрия с мочой, а также более высокие уровни BNP по сравнению с контрольной группой, как показало исследование с участием 50 пациентов. Предполагается, что сердце выделяет как ANP, так и BNP после острого САК, по сравнению с пациентами с лёгкой или умеренной формой заболевания. Это также подтверждается у пациентов с повышенным внутричерепным давлением по сравнению с теми, у кого оно не повышено и у кого был более благоприятный прогноз.
В другом исследовании, включающем 15 пациентов, перенёсших отравление угарным газом, была установлена положительная корреляция между уровнями карбоксигемоглобина (COHb) и NT-proBNP. Это может помочь в более ранней диагностике кардиотоксичности у пациентов с отравлением CO.
В ещё одном исследовании с участием 67 пациентов с клинически подтверждённым гипертиреозом (а также здоровых лиц) было установлено, что уровень NT-proBNP в сыворотке крови влияет на функции щитовидной железы, демонстрируя прямой стимулирующий эффект на тиреоидные гормоны.
Наконец, вполне вероятно, что натриуретические пептиды (НП), их производные или антагонисты могут использоваться для лечения сердечной недостаточности благодаря ценным данным и доказанному воздействию НП на сердечно-сосудистую систему. Однако стоит отметить одно важное различие: NT-proBNP является более стабильным, а значит — более предсказуемым.
BNP стал коммерчески доступен для использования в иммунологических анализаторах как в исследовательских целях, так и в клинической практике. Будущее сулит ещё больше способов применения этих мощных натриуретических пептидов, в том числе на основе уже существующих исследований — для лечения заболеваний и жизневажной диагностики.
Ссылки
1. Ellis R. Levin, M.D., David G. Gardner, M.D., and Willis K. Samson, Ph.D. Natriuretic Peptides. N Engl J Med 1998; 339:321-328. [Article].
2. Cho Y, Somer BG, Amatya A. Natriuretic peptides and their therapeutic potential. Heart Dis. 1999 Nov-Dec;1(5):305-28.. [PubMed].