Ретинотоксическое воздействие иодата натрия и индуцированная дегенерация сетчатки в моделировании пигментного ретинита и возрастной макулярной дегенерации: обзор литературы | Хакимов А.Р., Мусина Л.А., Лебедева А.И.

Введение

Дегенеративно-дистрофические заболевания сетчатки — одна из глобальных проблем здравоохранения. Среди наиболее распространенных заболеваний данной группы выделяются возрастная макулярная дегенерация (ВМД) [1] и пигментный ретинит (ПР) [2].

В последние годы наблюдается значительный прогресс в понимании молекулярных и клеточных процессов, лежащих в основе дегенерации сетчатки, что позволяет детально изучать патогенез этих заболеваний [3]. Параллельно разрабатываются экспериментальные модели, которые открывают новые возможности для тестирования перспективных методов лечения, таких как клеточная и генная терапия [4].

Одним из ключевых инструментов моделирования заболеваний сетчатки в экспериментальных условиях является индукция дегенеративных процессов с использованием химических, физических и биологических воздействий. Иодат натрия (NaIO3) является одним из наиболее широко используемых химических агентов для моделирования ВМД и ПР в экспериментах. Несмотря на широкое применение NaIO3 в исследованиях заболеваний глаз, некоторые аспекты дегенеративных изменений, индуцируемых в глубоких слоях сетчатки, остаются недостаточно изученными.

Цель исследования — провести анализ данных научной литературы о токсических эффектах NaIO3, их зависимости от дозы вещества, а также морфофункциональных характеристиках клеток сетчатки после воздействия химического агента.

Общие сведения о NaIO3

Иодат натрия представляет собой белый кристаллический порошок, в повседневной жизни используемый при йодировании соли. Растворимый в воде с образованием слабокислой среды (pH 5–6), в органических растворителях, таких как этанол и ацетон, NaIO3 практически нерастворим. Это соединение является сильным окислителем благодаря высокой степени окисления йода (+5). Именно этой особенностью объясняется его ретинотоксический эффект: NaIO3 окисляет сульфгидрильные группы (-SH), ингибируя активность антиоксидантных ферментов, таких как глутатионпероксидаза и каталаза. Образование активных форм кислорода (АФК) приводит к индукции окислительного стресса (ОС) в биосистемах [5, 6].

Первые данные о ретинотоксичности NaIO3 были получены почти столетие назад: в 1926 г. Schimmel и Riehm описали два случая слепоты после приема антибактериального препарата Септойод, содержащего гипоиодат и гипоиодит натрия [7]. В 1941 г. А. Sorsby [7] впервые обнаружил цитотоксическое воздействие NaIO3 на сетчатку кролика, и с тех пор этот химический агент широко используется в исследованиях с индуцированными моделями заболеваний сетчатки. На данный момент регистрируются отдельные случаи интоксикации NaIO3, сопровождающиеся дегенеративными изменениями, сходными с проявлениями ПР и «сухой» формы ВМД [8, 9].

Окислительный стресс и клеточная гибель, индуцируемая NaIO3

Роль ОС в патофизиологии ВМД и ПР подтверждена многочисленными исследованиями, демонстрирующими высокую чувствительность клеток сетчатки, особенно клеток пигментного эпителия (ПЭ), к метаболическим источникам АФК и фотоокислительным повреждениям [10]. Одним из наиболее известных биохимических путей развития ОС является накопление липофусцина в эпителии вследствие фагоцитоза. Липофусцин способствует синтезу АФК и напрямую ингибирует реакции клеточного дыхания в митохондриях. Агрегация липофусцина и его составляющих в митохондриях нарушает баланс мембранного потенциала, что приводит к метаболической дисфункции митохондрий [11]. В результате целого каскада реакций происходит усиленный синтез молекул АФК, что вызывает необратимые повреждения клетки и ее гибель [12]. Кроме того, в состав липофусцина входят бисретиноидные флуорофоры, возрастное накопление которых вызывает фотоокислительные повреждения [13].

Окисление приводит к инактивации ферментов, так как АФК взаимодействуют с остатками цистеина и метионина в активных центрах ферментов. Особенно разрушительно для клеток действует инактивация фосфатаз, регулирующих процессы фосфорилирования [12]. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что инактивация фосфатаз является общей особенностью клеток ПЭ у пациентов с ВМД [14].

Что касается молекулярных механизмов дегенерации, то ОС может активировать или вызывать изменения в транскрипционных факторах, что, в свою очередь, влияет на экспрессию различных генов, в том числе 97 генов, связанных с антиоксидантной реакцией на стресс [15]. Кроме того, индуцированный ОС активирует сигнальные пути клеток ПЭ и фоторецепторы (ФР), отвечающие за различные механизмы гибели клеток — апоптоз, некроз и некро-птоз [16–18].

Предполагается, что при индуцированной дегенерации клетки ПЭ и ФР погибают в результате некроптоза — регулируемой формы некроза. Маркерами данного процесса являются истощение АТФ и высвобождение HMGB1 — провоспалительного медиатора некроптоза [19]. Важную роль в некроптозе играют киназы семейства RIPK, ингибирование которых приводит к значительному снижению воспаления и гибели клеток, что указывает на их значимость в механизмах некроптоза [13, 18].

В дополнение к вышесказанному, NaIO3 индуцирует у линии клеток эпителия ARPE-19 ферроптоз — форму некроза без образования некросом, связанного с повышением концентрации железа, АФК и малонового диальдегида [20]. По мнению некоторых исследователей, именно ферроптоз является основным путем гибели клеток ПЭ, однако различные пути гибели клеток могут не исключать друг друга в зависимости от типа индуцирующего фактора и продолжительности его воздействия [21].

Токсическое воздействие на ПЭ и ФР

Специфичность NaIO3 в отношении клеток ПЭ и ФР остается предметом научных дискуссий. Согласно большинству исследований NaIO3 проявляет цитотоксическое действие преимущественно на клетки ПЭ, что ведет к вторичной гибели ФР вследствие утраты пигментоцитами их функций [10, 22]. В то же время некоторые данные свидетельствуют о том, что NaIO3 может оказывать прямое токсическое воздействие одновременно как на ПЭ, так и на ФР [17]. Независимо от механизма воздействия, уменьшение общей толщины сетчатки под влиянием NaIO3 происходит за счет истончения ПЭ и слоя ФР.

Степень дегенерации ПЭ и ФР напрямую зависит от дозы NaIO3, способа введения, возраста животного, а также степени пигментации сетчатки [23]. По данным R. Kannan et al. [24], у старых мышей возрастом 15 мес. под воздействием NaIO3 выше уровень супероксид-аниона и малонового диальдегида, что связано с подавлением экспрессии транскрипционного фактора Nrf2, регулирующего антиоксидантные гены.

Влияние пола на восприимчивость к окислительным повреждениям, индуцируемым NaIO3, остается нерешенным вопросом, так как в большинстве исследований in vivo пол животных либо не указывается, либо используются исключительно самцы. Согласно ограниченным данным клетки ПЭ у самок мышей демонстрируют повышенную чувствительность к NaIO3 в дозах до 15 мг/кг, что связывают с длительным снижением экспрессии гена CAT, кодирующего каталазу, и других антиоксидантных генов. Половые различия в реакции на дозы выше 50 мг/кг, вероятно, не проявляются [21, 24].

При введении высоких доз NaIO3 внутривенно наблюдается обширный некроз клеток ПЭ, за которым в последующие дни следует дегенерация и истончение наружного и внутреннего ядерных слоев [25]. При этом повреждения ФР проявляются более хаотичным образом [10]. В исследовании Y. Yang et al. [26] крысам вводили NaIO3 внутривенно в дозах 25, 40, 50 и 75 мг/кг, а также внутрибрюшинно в дозах 50 и 75 мг/кг. В группе с наибольшей из указанных доз отмечали необратимые дегенеративные изменения, включая значительное истончение ПЭ, разрушение внешних и внутренних сегментов ФР, а также резкое уменьшение числа ядер в наружном ядерном слое.

Дегенерация ПЭ при введении 70 мг/кг NaIO3 начинается уже через 1 нед. и достигает тяжелой степени к 3-й неделе после инъекции [27]. В исследовании А.Е.Н. Koh et al. [10] признаки дистрофии наружного ядерного слоя и других наружных слоев сетчатки наблюдались уже при дозах от 40 мг/кг с выраженными изменениями через 11 дней после введения, что согласуется с данными других исследований. Доза в 100 мг/кг считается смертельной для мышей и крыс [6, 17, 22, 28].

Оптимальная доза NaIO3 для индукции дегенерации составляет от 40 до 50 мг/кг при однократной внутривенной инъекции [22, 26, 29]. Указанные дозы вызывают выраженные и устойчивые дегенеративные изменения сетчатки, типичные для ПР и ВМД, в ранние сроки после инъекции: морфологические изменения в ПЭ наблюдаются уже с первых суток [29], а выраженные гистологические изменения — в течение 1–2-й недели [10, 26].

Через 4 нед. после инъекции происходит практически полная утрата клеток ПЭ и значительной части ФР, в то время как внутренние слои сетчатки остаются относительно неповрежденными [22]. Аналогичные данные получены для дозы 30 мг/кг, однако изменения проявлялись с небольшой задержкой — спустя несколько дней после введения [13, 18].

Цитотоксическое воздействие низких доз NaIO3 остается предметом обсуждений и требует дальнейшего изучения. Согласно некоторым данным доза 20 мг/кг не вызывает значительных изменений в гистологической структуре сетчатки; повреждения ДНК минимальны, признаки апоптоза отсутствуют [10]. Однако значительное количество исследований с малыми дозами указывает на ограниченную ретинотоксичность NaIO3 [21, 22, 27]. S.Y. Kim et al. [29] подтвердили, что NaIO3 в дозе 20 мг/кг вызывает дегенерацию центральных участков ПЭ, в то время как при дозе 40 мг/кг повреждения наблюдаются и на периферии.

В исследовании J. Wang et al. [30] у мышей, получивших NaIO3 в дозах 20 и 30 мг/кг, наблюдали выраженное истончение и дезорганизацию ПЭ с пониженной экспрессией генов Rpe65, Mitf и Otx2, играющих критическую роль в развитии сетчатки. Это сопровождалось быстрым подавлением генов фототрансдукции, таких как Rho, Opn1mw и Pde6b [25, 30]. Одновременно была отмечена усиленная экспрессия генов Bax и Bcl2, что свидетельствует об активации процессов апоптоза [25]. Эти данные позволили исследователям заключить, что для воспроизведения дистрофических изменений, аналогичных ПР и «сухой» форме ВМД, доза NaIO3 должна быть не менее 20 мг/кг [30].

В более позднем исследовании пороговая доза, оцененная как LOAEL (lowest-observed-adverse-effect level — наименьшая доза вещества, которая вызывает заметный нежелательный эффект), была снижена до 15 мг/кг при внутривенном введении [31]. Эксперименты с дозами до 10 мг/кг NaIO3 при внутривенной и до 15 мг/кг при внутрибрюшинной инъекции не выявили значительных повреждений в ПЭ и ФР [21, 32, 33]. Отмечено, что дозы ниже пороговой стимулируют экспрессию ранее указанных генов Rpe65, Mitf, Otx2 и генов фототрансдукции Rho, Pde6b и Cnga1 [30].

Субретинальная инъекция крысам 0,05 мг/кг NaIO3 вызвала полную потерю ПЭ и ФР через 12 нед. [33]. Спустя 1 мес. после интравитреального введения кроликам NaIO3 в дозе 0,1–0,2 мг/кг наблюдалась диффузная атрофия ФР, при этом ПЭ оставался относительно интактным [34].

Многочисленные эксперименты in vitro и in vivo доказывают возможность восстановления пигментоцитов и нейронов сетчатки с использованием различных нейротрофических факторов [10]. По данным А. Machalińska et al. [35], после воздействия NaIO3 в дозе 15 мг/кг наблюдается частичное восстановление ПЭ и ФР через 3 мес. после инъекции. Предполагается, что за регенерацию наружных слоев сетчатки ответственны нейротрофины — белки, стимулирующие нейрональную активность [35–37].

Таким образом, достоверно установлено, что NaIO3 оказывает дозозависимое токсическое воздействие на сетчатку. Дегенеративно-дистрофические изменения в ПЭ при внутривенном введении оптимальных доз NaIO3 характеризуются истончением эпителия и его разрушением в течение 1 мес. после введения агента. Утрата функции ПЭ, по мнению большинства исследователей, приводит к деструкции внешних и внутренних сегментов ФР, а также к истончению наружного ядерного слоя [6, 10, 22].

Воздействие NaIO3 на радиальные глиоциты

Радиальные глиоциты, также известные как клетки Мюллера, являются самым многочисленным типом глиальных клеток в сетчатке. Их активация в ответ на повреждения сетчатки приводит к пролиферации и реактивному глиозу [30, 36, 37]. На ранних стадиях индуцированной дегенерации сетчатки наблюдается снижение активности сигнального пути Notch и усиление продукции NGF, что предотвращает преждевременный глиоз и одновременно способствует дифференцировке стволовых клеток в нейроны [35, 36].

В течение 1-й недели после введения 15 мг/кг NaIO3 радиальные глиоциты в сетчатке мышей мигрировали в ПЭ и восстанавливали функциональность сетчатки за счет избыточного синтеза нейротрофических факторов на 3-й месяц после индукции дегенерации. Однако в случае введения дозы 50 мг/кг происходило замещение функциональной ткани глиальным рубцом [36]. Также было отмечено усиление экспрессии GFAP и снижение GS, являющихся характерными маркерами глиоза [24, 30, 38].

Отдельно следует остановиться на способности NaIO3 ингибировать пролиферацию глиоцитов. В работе F. L’Episcopo et al. [39] было показано, что сигнальный путь Wnt/β-катенин регулирует деление поврежденных клеток глии. Позднее Х. Chen et al. [37] отмечали снижение экспрессии Axin2 и β-катенина и ингибирование сигнального пути Wnt, что в сочетании с окислительными повреждениями приводило к снижению пролиферации глиальных клеток.

Согласно данным Р. Sekar et al. [40] воздействие NaIO3 на сетчатку активирует рецепторы P2X7 микроглии. Активация P2X7 усиливает синтез противовоспалительных цитокинов и активирует каспазы, приводя к гибели глиоцитов. Воспалительная реакция микроглии распространяется на радиальные глиоциты, которые передают воспалительный сигнал на нейроны сетчатки [40].

Можно заключить, что радиальные глиоциты крайне чувствительны к токсическому эффекту NaIO3, который заключается в ингибировании Wnt/β-катенина — одного из важнейших сигнальных путей в клетке. При этом клетки Мюллера могут способствовать регенерации поврежденных участков сетчатки за счет усиленного синтеза нейротрофинов, компенсируя дегенеративные изменения в сетчатке при введении низкой дозы NaIO3 [41]. При воздействии высоких доз компенсаторная реакция клеток Мюллера приводит к развитию глиоза, и дегенерация сетчатки носит необратимый характер.

Признаки дегенерации нейронов второго порядка

Результаты ограниченного числа исследований, посвященных нейронам второго порядка, имеют противоречивый характер. В большинстве работ, где применяли NaIO3 в дозах до 50 мг/кг, признаки дегенерации биполярных, амакриновых и горизонтальных клеток не обнаружены [16, 25]. Увеличение дозы до 60–65 мг/кг приводило к значительным повреждениям наружного ядерного слоя с существенным снижением плотности клеток. При этом внутренний ядерный и внутренний плексиформный слои демонстрировали менее выраженные дегенеративные изменения [6, 21, 42].

Отсутствие экспрессии PKCα при иммуногистохимическом окрашивании биполярных клеток после внутривенного введения NaIO3 в дозе 40 мг/кг указывает на возможные структурные изменения нейронов второго порядка. Вероятно, NaIO3 может повреждать аксоны биполярных клеток во внутреннем плексиформном слое [10]. Однако в исследовании М. Espitia-Arias et al. [42] с использованием дозы 65 мг/кг окрашивание антителами к PKCα не выявило структурных повреждений в биполярных клетках. В то же время наблюдалась миграция дендритов биполярных клеток за пределы наружного плексиформного слоя, что может быть компенсаторной реакцией на дегенерацию фоторецепторов [42].

Введение NaIO3 крысам внутривенно в дозе 50 мг/кг привело к значительному уменьшению более чем в 20 раз площади дендритных полей дофаминэргических амакриновых клеток через 2 нед. после инъекции, что указывает на истощение дофаминергической системы сетчатки. Дендритные поля горизонтальных клеток практически полностью исчезали без значительного уменьшения числа клеток. Экспрессия GAD65, маркера состояния ГАМК-ергических амакриновых клеток, оставалась на стабильном уровне [43]. В исследовании М. Carido et al. [25] зафиксировано снижение количества Pax6-положительных амакриновых клеток через 2 нед. после инъекции NaIO3 в дозе 70 мг/кг, что связывают с изменениями на уровне мРНК. Эти результаты свидетельствуют о том, что не все нейроны сетчатки подвергаются дегенеративным изменениям [43].

На основании полученных данных можно утверждать, что имеется дозозависимый токсический эффект NaIO3 в отношении отдельных видов амакриновых клеток. Патофизиология дегенерации амакриновых клеток не изучена, в то время как токсический эффект на биполярные и горизонтальные нейроны в имеющихся работах не подтвержден. Данное направление исследований является весьма перспективным для понимания разностороннего биологического действия NaIO3.

Возможное токсическое воздействие NaIO3 на ганглиозный слой

Ряд исследований показывают, что ишемия-реперфузия сетчатки, приводящая к гибели ганглиозных клеток путем некроптоза и апоптоза, является характерным процессом, преимущественно связанным с глаукомой, а не с ПР и ВМД [44]. Учитывая тесную взаимосвязь всех слоев сетчатки, можно предположить, что дегенерация клеток ПЭ, ФР, а также внутренних ядерных и плексиформных слоев должна со временем оказывать влияние и на ганглиозный слой. Однако возможные дегенеративно-дистрофические изменения ганглиозных клеток под воздействием NaIO3 практически не исследованы.

Так, в одном из немногих исследований, в котором NaIO3 вводили крысам линии Long-Evans в дозе 50 мг/кг через хвостовую вену, было установлено, что длина аксонов меланопсин-положительных ганглиозных нейронов достоверно сократилась более чем в 3 раза. Ветвление дендритов ганглиозных клеток характеризовалось прерывистостью, уменьшенными размерами и неравномерным расположением. При этом значительных потерь клеток не зафиксировано. Уровень экспрессии меланопсина снизился на 90% через 1 нед. после инъекции и оставался на таком уровне на протяжении всего эксперимента, что может быть связано с уменьшением дендритных полей ганглиозных нейронов [43].

Заключение

Таким образом, имеющиеся в литературе данные позволяют заключить, что NaIO3 оказывает неблагоприятное дозозависимое воздействие на сетчатку различными молекулярными и биохимическими путями. Индукция ОС связана со способностью NaIO3 ингибировать антиоксидантные защитные механизмы клетки и одновременно вызывать митохондриальную дисфункцию, что в конечном итоге приводит к окислению и клеточной гибели различного патогенеза.

В модели ПР и ВМД дегенеративно-дистрофическим изменениям в первую очередь подвержены клетки ПЭ и ФР, являющиеся наиболее чувствительными к ОС ввиду высокой метаболической активности, постоянного воздействия света и возрастного накопления липуфусцина. Окисление и последующая митохондриальная дисфункция связаны с различными путями клеточной гибели: апоптозом, некрозом и некроптозом, маркеры которых обнаруживаются в поврежденных участках ПЭ и слоя ФР.

Величина LOAEL равняется дозе 15 мг/кг NaIO3, при которой дегенеративные изменения обратимы благодаря нейрогенезу сетчатки. Оптимальная доза для индукции дегенеративно-дистрофических изменений, сходных с ПР и ВМД, по мнению исследователей, варьируется от 40 до 50 мг/кг NaIO3, более высокие дозы вызывают обширный некроз наружных слоев сетчатки в первые дни после инъекции и последующее замещение функциональной ткани глиальным рубцом. Ограниченное количество исследований показывает, что при воздействии 60 мг/кг NaIO3 дегенерации подвергаются амакриновые клетки, о чем свидетельствует уменьшение площади дендритных полей и снижение общего числа нейронов. Токсический эффект NaIO3 у радиальных глиоцитов выражается в снижении пролиферации и гибели путем ингибирования клеточного пути Wnt/β-катенина. Горизонтальные и биполярные клетки не демонстрируют явных дегенеративных изменений. Воздействие NaIO3 на ганглиозный слой сетчатки остается малоизученным, что подчеркивает необходимость дальнейших исследований.

Совокупность этих дозозависимых и клеточно-спе­ци­фических изменений определяет высокую клиническую значимость модели дегенерации сетчатки, индуцированной NaIO3. Детальное понимание эффектов NaIO3 и вовлечения различных типов клеток сетчатки позволяет использовать эту модель для доклинического тестирования перспективных терапевтических подходов, включая антиоксиданты, ингибиторы некроптоза, нейротрофические факторы и клеточную терапию. Полученные в ходе дальнейших исследований экспериментальные данные могут быть использованы при разработке эффективных методов лечения ПР и ВМД — заболеваний, остающихся ведущими причинами необратимой потери зрения.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:

Хакимов Альберт Рузилевич — младший научный сотрудник лаборатории нейрофизиологии зрения Всероссийского центра глазной и пластической хирургии ФГБОУ ВО БГМУ Мин­здрава России; 450075, Россия, г. Уфа, ул. Зорге, д. 67/1; ORCID iD 0009-0001-9667-1516

Мусина Ляля Ахияровна — д.б.н., ведущий научный сотрудник научно-исследовательского отдела морфологии Всероссийского центра глазной и пластической хирургии ФГБОУ ВО БГМУ Мин­здрава России; 450075, Россия, г. Уфа, ул. Зорге, д. 67/1; ORCID iD 0000-0003-1237-9284

Лебедева Анна Ивановна — д.б.н., ведущий научный сотрудник, заведующая научно-исследовательским отделом морфологии Всероссийского центра глазной и пластической хирургии ФГБОУ ВО БГМУ Мин­здрава России; 450075, Россия, г. Уфа, ул. Зорге, д. 67/1; ORCID iD 0000-0002-9170-2600

Контактная информация: Хакимов Альберт Рузилевич, e-mail: shershakov2015a@mail.ru

Прозрачность финансовой деятельности: никто из авторов не имеет финансовой заинтересованности в представленных материалах или методах.

Конфликт интересов отсутствует.

Статья поступила 22.11.2024.

Поступила после рецензирования 17.12.2024.

Принята в печать 17.01.2025.

ABOUT THE AUTHORS:

Albert R. Khakimov — Junior Scientific Officer at the Laboratory of Visual Neurophysiology, Russian Center for Eye and Plastic Surgery, Bashkir State Medical University; 67/1, Sorge str., Ufa, 450075, Russian Federation; ORCID iD 0009-0001-9667-1516

Lyalya A. Musina — Dr. Sc. (Biol.), Leading Scientific Officer, Scientific Research Morphology Department, Russian Center for Eye and Plastic Surgery, Bashkir State Medical University; 67/1, Sorge str., Ufa, 450075, Russian Federation; ORCID iD 0000-0003-1237-9284

Anna I. Lebedeva — Dr. Sc. (Biol.), Leading Scientific Officer, Head of Scientific Research Morphology Department, Russian Center for Eye and Plastic Surgery, Bashkir State Medical University; 67/1, Sorge str., Ufa, 450075, Russian Federation; ORCID iD 0000-0002-9170-2600 

Contact information: Albert R. Khakimov, e-mail: shershakov2015a@mail.ru

Financial Disclosure: no authors have a financial or property interest in any material or method mentioned.

There is no conflict of interest.

Received 22.11.2024.

Revised 17.12.2024.

Accepted 17.01.2025.