Терапия
0

Dark side: побочные эффекты лекарств

by x_plaguedoctor_xМай 30, 2017

Введение

В вузе, на фармакологии, многие из вас заучивали названия лекарств, показания к их применению и их основные побочные эффекты. И если механизм действия лекарственных веществ худо-бедно рассказывали, то механизмы побочных влияний зачастую оставались где-то в стороне. Очень зря, ведь многие из них можно предотвратить, облегчить или вовсе нивелировать, если знать причину их возникновения.

Между тем, возникает вопрос: почему препарат, имеющий определенный механизм действия и мишень в организме, вообще способен как-то “неправильно” работать?
Дело тут нехитрое: в таблетке всегда содержится заведомо больше молекул препарата, чем необходимо для оказания эффекта. Это называется принцип избыточности: имея далеко не стопроцентную вероятность встречи молекулы лекарства с целью, мы пытаемся компенсировать это большим количеством эффекторных молекул, отчасти добиваясь повышения вероятности встречи лекарства с его мишенями, отчасти создавая новые проблемы, возникающие, когда препарат связывается не со своей целью, а с каким-либо другим ферментом или рецептором (а это происходит неизбежно).

Основных путей развития побочных эффектов три: биологический, физико-химический и иммунологический. Биологический обусловлен тем, что, во-первых, молекулы лекарственного средства взаимодействуют не со своей мишенью: “ненароком” они способны вызвать некие опосредованные эффекты (пример тому – перекрестные реакции окситоцина и вазопрессина). Во-вторых, рецепторы, чувствительные к одному и тому же лиганду, могут находиться в разных анатомо-физиологических структурах организма либо, даже располагаясь в одной, контролировать разные функции. В пример можно привести атропин – хороший помощник при бронхоспазме, способный вызвать неприятную атонию кишечника и мочевого пузыря. Ингибиторы АПФ помимо ангиотензин-превращающего фермента расщепляют ещё и киназу II – фермент, участвующий в деградации брадикинина, вызывающего сухой кашель – один из самых распространенных побочных эффектов этой группы препаратов. И таких примеров множество. Но сильно унывать не стоит, иногда это приводит к открытию незапланированных, но интересных off-label эффектов (не тех, ради которых разрабатывалось лекарство): история создания Виагры начиналась с разработки нового гипотензивного препарата. Эффекты эти очень интересны. Рассматривать их мы, конечно, не будем.

А будем мы рассматривать физико-химические и иммунологические основы развития off-target эффектов (то есть эффектов, возникающих, когда лекарственный препарат попадает “в молоко”). Для начала рассмотрим результаты электростатических взаимодействий, которые приводят ко всяким неприятностям. В качестве примера очень удобен для рассмотрения антиретровирусный препарат – абакавир.

Кто здесь?

Абакавир используют для лечения ВИЧ-инфекции, при этом у препарата, помимо лечебного, имеется еще ряд эффектов, которые не так уж благоприятны. Среди них кардиотоксичность[1], нефротоксичность[7] и реакции гиперчувствительности, вплоть до синдрома Стивенса-Джонсона[5], и по этому поводу проведено большое количество исследований, которые по мере появления все больше и больше раскрывают механизмы развития побочных эффектов, а значит, дают возможность предотвратить или даже прогнозировать их.

Для начала стоит ознакомиться с механизмом действия самого абакавира: он является дефектным аналогом нуклеозида и его встраивание в генетический материал ВИЧ не дает обратной транскриптазе (ревертазе) вируса продолжать свою деятельность. Этот фермент синтезирует ДНК по матрице РНК, в отличие от большинства человеческих ферментов, благодаря чему абакавир не влияет на синтез генетического материала Homo sapiens. Хотя, следует уточнить, что в организме человека есть один фермент, который тоже синтезирует ДНК на матрице РНК – это теломераза. Однако этот процесс происходит так глубоко внутри фермента, что чему-то экзогенному попасть туда достаточно сложно.

На самом деле, вы немного обмануты – дефектный аналог нуклеозида не может сразу включиться в нуклеиновые кислоты, для этого ему нужно трижды фосфорилироваться и между делом дезаминироваться, чтобы, попав в клетку, принять вид, достойный каждого уважающего себя нуклеотида – вот так:

Превращение абакавира в активную форму. Источник: Bioactivation to an aldehyde metabolite—Possible role in the onset of toxicity induced by the anti-HIV drug abacavir. Nádia M. Grilo, Catarina Charneira, Sofia A. Pereira, Emília C. Monteiro, M. Matilde Marques, Alexandra M.M. Antunes

Наличие в клетке конечного продукта всех этих превращений и является целью принятия препарата, ведь только в этом случае возможно подавление репликации ВИЧ, а значит и снижение вирусной нагрузки на организм. Но, как мы помним, в соответствии с принципом избыточности в таблетке больше молекул лекарства, чем необходимо. И все остатки, которые в клетку не проникли и не подверглись там метаболизму, отправляются в свободное плавание по кровотоку или связываются с сывороточным альбумином плазмы крови и попадают в печень.

Метаболизм абакавира. Источник: Bioactivation to an aldehyde metabolite—Possible role in the onset of toxicity induced by the anti-HIV drug abacavir. Nádia M. Grilo, Catarina Charneira, Sofia A. Pereira, Emília C. Monteiro, M. Matilde Marques, Alexandra M.M. Antunes

Печень & Ko

В печени абакавир метаболизируется различными путями[2], цель которых – превратить его в наименее токсичное соединение и эвакуировать из организма, что обеспечивается навешиванием гидроксильных групп цитохромами р450, окислением или конъюгированием. Полный список путей детоксикации разных ксенобиотиков можно прочитать в учебниках, а мы пока будем рассматривать только ключевые моменты метаболизма выбранного для примера препарата.

Первая реакция – это конъюгация его с глюкуроновой кислотой. Осуществляется она ферментом уридин-дифосфат-глюкуронилтрансферазой и протекает в одну стадию. В результате получается абсолютно безвредный метаболит, полностью готовый к элиминации. Вторая реакция, идущая параллельно – окисление, осуществляемое алкогольдегидрогеназой. И эти манипуляции не так благополучны, поскольку должны приводить к образованию довольно безвредных карбоксилатов в две стадии, и промежуточными продуктами являются два изомера, называемые конъюгированным и неконъюгированным альдегидами абакавира[2].
Оба они имеют электрофильные группировки С=О. Это означает, что какой-то из атомов испытывает дефицит электронной плотности (здесь это углерод), и хочет компенсировать это за счет соединений, у которых имеется ее избыток – соединений с нуклеофильной группой. К таковым относятся многие биологические макромолекулы.

Поэтому типичными для всех альдегидов являются реакции нуклеофильного присоединения.

Ковалентность образовавшейся связи – ключевой момент. Если что-то присоединилось нековалентно, велика вероятность того, что оно скоро отвалится, в силу не такой уж и большой прочности этой связи. В случае же ковалентных взаимодействий все гораздо хуже. Соединения, образующееся в процессе “слипания” альдегида с макромолекулой, имеющей нуклеофильную группировку, называются аддуктами и составляют основу развития определенных патологий. К некоторым из них как раз приведет это повествование, и сначала попробуем подобраться к кардиотоксичности.

Ферменты-коферменты

Одним из тонких механизмов токсичности альдегидов [11] является их способность ингибировать некоторые ферменты. Одним из самых изученных ферментов в человеческом организме является глутатионредуктаза, и ее взаимодействие с метаболитами абакавира является одной из основных причин развития побочных эффектов.

Коротко ее можно охарактеризовать как флавиновый фермент, обеспечивающий поддержание уровня восстановленного глутатиона, то есть его сульфгидрильной формы. В восстановленном состоянии глутатион способен обезвреживать активные формы кислорода, геройски отдавая один из электронов и превращаясь в окисленный с помощью другого фермента – глутатионпероксидазы.

В активном центре глутатионпероксидазы находится аминокислота селеноцистеин. В результате взаимодействия последней с пероксидом водорода временно образуется гидроксид селена (SeOH), он присоединяет восстановленный глутатион, к которому вновь присоединяется ещё один глутатион и забирает первый. Таким образом, селен регенерируется, а окисленный глутатион направляется обратно к глутатионредуктазе. А от перекиси водорода остается после этого две молекулы воды.
2GSH + H2O2 → [Enz-SeOH]+2GSH → Enz-Se-GSH+GSH → GS-GS + 2H2O+ Se-Enz

Чтобы восстановить глутатион, глутатионредуктаза переносит на него протон и электрон из НАДФ-Н, который берет из пентозофосфатного цикла.

Каталитический акт этой реакции обеспечивается тем, что в активном центре глутатионредуктазы находится дисульфидная группа, образованная остатками цистеина и способная к попеременному окислению-восстановлению. Окисление в данном случае будет означать превращение двух -SH групп в две -S, то есть в два открытых для взаимодействия атома электроотрицательной серы. Если рядом оказывается электрофильная альдегидная группа, она ковалентно связывается с атомами серы остатков цистеина, а ковалентность, как вы помните, означает, что шансы на обратимость реакции очень малы. В результате происходит полная инактивация фермента.

Беда еще и в том, что другие ферменты, работающие с глутатионом, (глутатионтрансфераза и глутатионпероксидаза) в составе активных центров помимо цистеина имеют положительно заряженные аминокислотные остатки аргинина. К ним альдегиды также притягиваются как магниты, инактивируя и эти ферменты. Важность баланса окисленного и восстановленного глутатиона состоит не просто в том, что он обязан поддерживать нормальный уровень АФК в обычных условиях, а в том, что практически при любом заболевании продукция АФК повышена, а уж при ВИЧ-инфекции их уровень приобретает собственную значимость, потому что вызываемое ими повреждение макромолекул в условиях и так ослабленного организма не может проходить бесследно. Лучше этого обзора об этом может рассказать только статья в Lancet [3]. И на десерт: сама по себе ВИЧ-инфекция приводит к падению уровня НАД внутри клетки, что губит возможность нормального метаболизма в зачатке[9].

Это некоторые представители множества ферментов, которые могут подвергнуться токсическому действию альдегидов. Давайте остановимся на них и зададимся вопросом: причем тут кардиотоксичность, которая была обещана? Для начала необходимо ответить на другой вопрос: где должны находиться ферменты, благодаря которым мы не испытываем испепеляющего влияния того множества активных форм кислорода, которое ежесекундно образуется в нашем организме? Ответ: везде, где велик уровень продукции АФК, а точнее в клетках и тканях, которые испытывают постоянные высокие нагрузки или всю жизнь тратят на бесконечное окисление-восстановление своего содержимого. Это в наибольшей степени миокард, печень, клетки крови. В контексте кардиотоксичности значение имеет как раз ингибирование ферментов, обеспечивающих возможность миокарду спокойно работать и не быть поврежденным АФК.

Таков ферментативный аспект данной проблемы. На деле все еще печальнее – альдегиды способны поражать и коферменты, что будет рассмотрено на примере L-карнитина, который заработал себе дурную славу, пользуясь популярностью у культуристов. Однако убедительных доказательств того, что он может способствовать набору мышечной массы, нет, а вот того, что он предотвращает индуцированную абакавиром токсичность (в первую очередь кардиотоксические влияния) – есть [12].

L-карнитин является переносчиком длинноцепочечных жирных кислот внутрь митохондрий, где происходит их бета-окисление до ацетил-КоА, который затем направится в цикл Кребса для получения АТФ. Помимо этого левокарнитин играет роль в промежуточном метаболизме и поддержании соотношения ацил-КоА/КоАSH. КоАSH – соединение, необходимое для катаболизма аминокислот, дезинтоксикации органических кислот и ксенобиотиков, функционирования пируватдегидрогеназы. Таким образом, КоАSH играет важную роль в поддержании протекания цикла Кребса и протекания цикла Кноопа-Линена (цикла β-окисления жирных кислот).

Если в клетках находится нормальное количество карнитина, то атака электроотрицательного кислорода альдегидной группы приходится на четвертичный атом азота, который находится в состоянии дефицита электронной плотности. К счастью, получается нековалентная связь! Таким образом, метаболит абакавира блокирует карнитин, хоть и временно, а это приводит к тому, что становится невозможной добрая часть клеточного метаболизма. В результате клетки лишаются не только энергии АТФ, но и возможности утилизировать токсичные соединения, уровень которых и так поднимается благодаря инактивации упомянутых ферментов (происходит это в важнейших и энергозатратных тканях, отчего горе утраты становится невыносимым). Дополнительное же введение экзогенного L-карнитина позволяет снизить выраженность данного эффекта, поскольку он принимает электрофильную атаку на свой четвертичный атом азота, выводя из обмена активные альдегиды, либо занимая место в мембране митохондрий взамен инактивированных транспортеров, или в дополнение к ним – тут уж как карта ляжет.

Другим аспектом предотвращения пагубных влияний альдегидов является не уменьшение их абсолютного количества, а ликвидация последствий: в той же работе, где была исследована роль карнитина, эффективность в снижении токсичности показали и антиоксиданты (однако ими не следует увлекаться). Таковы два из множества механизмов ферментно-коферментого аспекта токсического влияния альдегидов на организм человека, которые дают понять, что методы борьбы с пунктами раздела “побочные эффекты” в инструкции имеются, главное их знать и быть вооруженными.
Наличие различных АФК, блокада этапов цикла Кребса и нарушение утилизации органических кислот с помехами в катаболизме приводит еще к одному системному побочному эффекту – гиперлактатемии, которая может привести к ацидозу различной степени выраженности. Лактатный ацидоз (по крайней мере, в случае абакавира), указан в разделе инструкции о побочных эффектах [20]. Он неприятен тем, что является системным явлением, и вызываемые им последствия также проявляются системно. О поражениях почек при ацидозе вам известно еще с университетской скамьи – им приходится корректировать свои метаболические пути, испытывая повышенные нагрузки, но вот вам несколько не таких известных примеров реакций гомеостаза на закисление внутренней среды организма: они связаны в основном с тем, что белки и пептиды в человеческом организме являются амфифильными соединениями, для их нормального функционирования необходимо поддержание значения рН в довольно узком диапазоне, в противном случае карбокси- или аминогруппы начинают диссоциировать или принимать новые протоны из среды, что приводит к изменению конформации, свойств и активности целого белка. Именно поэтому наш организм изобилует таким количеством буферных систем. Итак, что происходит, когда содержимое H. sapiens заполняется протонами настолько, что уравновешивание этого выходит за рамки компенсаторных способностей буферных систем? C-реактивный белок вызывает активацию системы комплемента по альтернативному пути вследствии конформационных изменений основного негативного регулятора этой активации – фактора H[14]. В итоге повышаются концентрации С3 и С5 компонентов комплемента, а вместе с тем и их неизбежная гемолитическая активность. Вкратце напомним: дальнейшее расщепление этих компонентов комплемента приводит к образованию С3а и С5а фрагментов, которые вызывают дегрануляцию тучных клеток и базофилов, из-за чего их и называют “анафилотоксинами”. Более того, вся эта катавасия приводит к хемотаксису и активации гранулоцитов, что стимулирует образование протеолитических ферментов (выстрел в сторону белков свертывающей-противосвертывающей системы крови) и свободных радикалов, которые, как вы помните, в этих условиях не способны нормально утилизироваться[28]. Имеются данные результатов экспериментов на кроликах, показывающие, что активность системы комплемента достоверно выше, например, при рН 6,4, чем при обычных для человека 7,4 [15]. Есть также данные, говорящие о том, что низкий рН продлевает фазу образования тромбина и усиливает распад фибриногена [16]. В нарушении системы гемостаза также играет роль общее истощающее действие на сосуды. Например, ацидоз активирует три типа сигнальных путей в эндоплазматическом ретикулуме эндотелия, которые приводят к экспрессии “стрессовых” белков – GPR4 (G-белок-сопряженный рецептор 4) [18], являющихся протонными сенсорами. Для организма повышение кислотности значит воспаление, или, чего доброго, опухоль неподалеку от места падения значения рН, поэтому сенсор является высокочувствительным. Его активация запускает каскады, приводящие в конечном счете к повышению адгезии в стимулированном участке, повышению проницаемости сосудистой стенки и синтезу провоспалительных цитокинов [19], это в совокупности приводит к развитию такого побочного эффекта Абакавира, как сыпь [19].
Существует еще одна сторона вопроса о негативном влиянии на сосуды, однако, она связана не с метаболитами препарата, а с его неизмененными молекулами (ведь они не все связаны с альбумином). Этот механизм состоит в том, что, будучи сходным с нуклеозидом, абакавир способен к взаимодействию с P2X7-пуриновыми рецепторами к АДФ, которые находятся на поверхности лейкоцитов [41]. Их стимуляция приводит к усилению экспрессии Mac-1 (CD11/CD18) – интегрина на их поверхности, который опосредует адгезивные взаимодействия с эндотелием сосудов. Вследствие этого замедляется роллинг лейкоцитов по сосудистой стенке и наблюдается усиление адгезии к ней, что способствует развитию воспаления эндотелия или интимы. Подтверждается это тем, что у мышей, нокаутных по гену P2rx7, кодирующему упомянутый рецептор, сердечно-сосудистые осложнения, связанные с приемом абакавира, возникали гораздо реже.
Имеется еще один механизм сосудистых осложнений, опосредованный взаимодействием с пуриновыми рецепторами. Те же самые P2X7 находятся и на клетках эндотелия. Их стимуляция на этих клетках приводит к повышению экспрессии Р-селектина (еще одного белка адгезии, с которым взаимодействуют лимфоциты) и ICAM-1 (тоже фактор адгезии, рецепторы к которому экспонируются на лимфоцитах), но эти молекулы способны взаимодействовать не только с лимфоцитами, но и с рецептором GPIIb/IIIa, который конститутивно экспрессируется на тромбоцитах. Все эти манипуляции приводят посредством множества сигнальных каскадов к развитию протромботических и провоспалительных реакций[42]. А вот активацию самих тромбоцитов, несмотря на наличие у них рецепторов к AДФ, присутствие абакавира не вызывает. Возможно, именно поэтому почетное место среди его побочных влияний занимает геморрагическая сыпь, а не тромбозы, которых можно было бы ожидать. [42, 43] Третий физико-химический механизм токсического влияния альдегидов, о котором тоже необходимо упомянуть, в связи с его распространенностью и некачественным раскрытием механизмов его развития, касается почек.
Как известно, первичная фильтрация плазмы крови происходит в капсуле Шумлянского- Боумена. Внутренняя поверхность капиллярного клубочка и самой капсулы, как и внешняя поверхность подоцитов, имеет отрицательный заряд благодаря наличию анионных сиалогликопротеинов (кстати, благодаря им же в норме не слипаются эритроциты – они аналогично усеяны сиаловыми кислотами). У альдегидов, благодаря электроотрицательному атому кислорода, имеется отрицательно заряженный участок, что делает невозможным корректную фильтрацию и их выведение из организма, в результате чего они задерживаются в Боуменовой капсуле, оказывая свое общетоксическое действие. Терапия взятой для примера ВИЧ-инфекции имеет не просто длительный период, она проводится на протяжении всей жизни больного, другие же лекарственные препараты используются на протяжении разных временных промежутков, и чем продолжительнее лечение, тем дольше альдегиды (в случаях других лекарственных средств возможно присутствие еще и других токсических соединений) находятся на границе почечного фильтра и оказывают свое негативное воздействие, способствующее развитию стерильного воспаления. Вне зависимости от природы воспаления, в области, где оно развивается, происходит закисление среды, а это значит, что там увеличивается количество протонов. Они нейтрализуют отрицательный заряд всех структур капсулы, обеспечивая выход электроотрицательных молекул. Казалось бы – ну и замечательно, это прямой путь наружу для надоевших уже альдегидов. Это правда. Но дело в том, что фильтруемость молекул определяется в первую очередь их размером и только во вторую – зарядом. Молекулы диаметром от полутора до двух нанометров фильтруются свободно. А тем, чей диаметр приближается к 4 нанометрам, отфильтроваться уже гораздо сложнее, и тогда во внимание принимается заряд[13]. Альбумин плазмы крови человека имеет радиус в среднем 3,5 нм и отрицательный заряд, поэтому в норме в мочу не проникает (рис. 7).

Из фундаментальной физиологии
Но когда разыгрывается вышеупомянутая баталия, из организма выводятся не только вредные вещества вроде метаболитов, но и альбумин, и, в зависимости от степени поражения почечного фильтра, могут выводиться другие белки и даже клетки крови! Это приводит к протеинурии и гематурии, исходом которых является почечная недостаточность различной степени тяжести.
Это краткие физические основы развития побочных эффектов лекарственных средств, которые, безусловно, должны быть освещены гораздо шире. Но даже краткий обзор может принести пользу в силу важности понимания процесса. Если врач будет держать в голове не просто раздел «побочные действия» из инструкции к препарату, а ещё и механизмы их появления, он сможет если не предотвратить, то хотя бы облегчить их тяжесть у пациента (см. ссылку на работу по предотвращению токсичности альдегидов) – об этом в инструкциях не пишут, и очень зря! Подобных «лайфхаков» при желании можно найти очень много, а желание должно быть следствием стремления адептов медицины помогать своему пациенту и уклоняться от принципа «одно лечим – другое калечим».
Переходим к следующему пункту токсичности: иммунологические механизмы.
Как врачи, так и пациенты употребляют выражение “лекарственная аллергия”[23], однако оно не является корректным, и впоследствии вы узнаете почему. Дело в том, что до сих пор обществу наиболее привычна гаптенная теория лекарственной гиперчувствительности, предполагающая, что низкомолекулярное соединение (гаптен), которое в норме не должно вызывать иммунного ответа, способно ковалентно связываться с молекулами, имеющими больший молекулярный вес, как правило, это белки, причем эндогенные, и в результате чего они (белки!) приобретают иммуногенность либо при формировании этой связи, либо в результате процессинга этого, ставшего незнакомым, соединения (эпитоп лекарственного средства не изменился и по-прежнему не вызывает иммунного ответа)[21]. Как правило, в этом участвуют свободно распространённые в крови или тканях белки.

В результате формируется аллергическая реакция – форма иммунного ответа, характеризующаяся тем, что В-лимфоциты начинают пролиферировать и вырабатывать иммуноглобулины класса Е к этому соединению, а другие клетки врожденной иммунной системы, например, базофилы и мастоциты начинают дегранулировать с выбросом таких медиаторов иммунного ответа, как серотонин, гистамин и брадикинин. Модифицируемые белки распространены по всему организму, так что реакция оказывается системной. Термин «аллергия» сохранился за первым из четырех по общепринятой классификации типов гиперчувствительности, а реакции лекарственной гиперчувствительности корректнее называть именно гиперчувствительностью, а не лекарственной аллергией (если придерживаться классификации Gell and Coombs, 1963), и в этом читатель скоро убедится.

Не так давно (в конце прошлого века) была предложена концепция фармакологического взаимодействия[22]. Согласно ей, лекарство или его метаболит способны напрямую стимулировать иммунный ответ за счет взаимодействия непосредственно с клетками адаптивного иммунитета, а точнее с их “фирменными” рецепторами. Связываясь нековалентно напрямую с ТCR или HLA [22], они меняют их конформацию. К чему это приводит в каждом конкретном случае, будет понятно далее, а сейчас хотелось бы подчеркнуть главные отличия этой концепции от привычной гаптенной.

Концепция гаптенов (аллергическая/иммунная стимуляция) Концепция фармакологического взаимодействия (фармакологическая стимуляция)
Генерация комплексного иммунного ответа с активацией врожденной иммунной системы; реакции с участием как Т-, так и В-звена Прямая и полная стимуляция Т-клеток посредством фармакологического взаимодействия между лекарством и рецептором; врожденный иммунитет не вовлечен
Химическая (ковалентная) устойчивая связь лекарства/его метаболита с белками или пептидами, которые действуют на В- и Т-лимфоциты как антигены Конструктивное связывание лекарства/его метаболита с конкретным TCR или HLA; как правило, взаимодействие достаточно лабильно
Может зависеть от биотрансформации препарата в активное соединение или нуждаться в процессинге белков до иммуногенного пептида Независимость от процессинга или иной обработки соединения
Необходимое время метаболизма препарата и процессинга белков в АПК (>~4 ч.) Преимущественно немедленная реакция Т-клеток (<~10 мин.)
В- и Т- лимфоциты реагируют с помощью специфичных иммунных рецепторов на белки, модифицированные лекарством Т-клетки реагируют на измененный лекарством комплекс HLA-пептид с помощью TCR, или лекарство оказывает аллогенный эффект прямо на TCR, который затем реагирует с HLA
Переведено из [24]

из [28]

Концепция фармакологического взаимодействия (ФВ) предусматривает два различных механизма действия фармакологических препаратов на клетки иммунной системы, вследствие чего различают ФВ относительно HLA и ФВ относительно TCR.
Перейдем к более конкретным примерам. Первым делом стоит отдать должное генетике. Дело в том, что некоторые аллели HLA оказались прочно ассоциированы с возникновением тяжелых реакций, связанных с приемом лекарственных препаратов, таких как синдром Стивенса-Джонсона [25, 26, 27]. В основном отмечалась связь с молекулами HLA I класса. Однако и в рамках этой концепции существуют неодинаковые взгляды на проблему: уже достоверно установлено, что причина развития побочных реакций заключается в изменении конформации HLA[29, 30], но каким образом это происходит?
Разбор иммунных механизмов развития реакций гиперчувствительности, связанных с приемом лекарственных средств, будет производиться не только на примере абакавира, но и на примере других препаратов.
Для начала вспомним, как устроена молекула HLA I класса[28]. Создана она по образу и подобию иммуноглобулинов. Она состоит из тяжелой альфа-цепи, поделенной на домены, и легкой – бета (β2-микроглобулин). Тяжелая цепь закреплена в мембране, имеет короткий цитоплазматический участок и не высокополиморфна. Наружные домены α1 и α2 включают две длинные α-петли, разделенные щелью, дно которой образовано β-складчатыми слоями так, что получается некое подобие корзинки.

Щель содержит несколько карманов: A, B, C, D, E и F, которые отличаются друг от друга по своим физико-химическим свойствам, что определяет гетерогенность различных аллотипов HLA.

В кармане находятся участки, называемые “заякоривающими”, для которых имеет принципиальное значение, что за аминокислота будет в них находиться, а аминокислоты, находящиеся между ними, не играют большой роли.

из [28]

Наиболее полиморфная зона — антиген-связывающая цель. Полиморфизм молекул HLA класса I может проявляться в различиях электростатического заряда, гидрофобности и формы карманов, что влияет на пептид-связывающие свойства таким образом, что каждый аллель будет связываться с определенным набором подходящих пептидов.
Молекулы HLA I класса предназначены для презентирования эндогенных антигенов — частиц вирусов и внутриклеточных паразитов — после их предварительной обработки — процессинга.
Процессинг в норме организован следующим образом: нахождение вирусов и внутриклеточных паразитов внутри клетки так или иначе предполагает существование их белков в цитоплазме. Не надо задаваться вопросом: “А как это клетка узнаёт, её это белок или чужой?”, — никак. Даже свои белки клетка постоянно убиквитинирует (прим. авт.: процесс навешивания на белок белка убиквитина, этакой черной метки) и выставляет на поверхность в составе MHC I, чтобы они были уничтожены (период полужизни белков благодаря этому составляет от нескольких часов до нескольких дней или недель). Убиквитинированные (в нашем случае чужеродные) белки узнаются специальным бочковидным белковым образованием — протеасомой. В этом “бочонке” происходит протеолиз. Некоторые участки белка разлагаются до отдельных аминокислот, а некоторые остаются в виде пептидов длиной примерно в 10 аминокислотных остатков. Для них следующая остановка — эндоплазматический ретикулум, куда их доставляет транспортный белок TAP (transporter associated with antigen processing). В ЭПР эти пептиды уже ждет молекула MHC с незаряженной пептидсвязывающей щелью. Если белок подходит под пространственные электростатические особенности кармана щели, тогда с α-цепью связываются шапероны (калнексин, калретикулин, Erp57) для контроля правильности процесса, белок тапасин образует мостик, связывающий α-цепь с ТАР, и пептид мигрирует в подходящий для себя карман.

из[28]

Так, о чем это мы? Об изменении конформации молекул HLA. Для знакомства с антигеном Т-лимфоциту сначала необходимо удостовериться, что HLA принадлежит нормальной клетке его организма, а уже затем происходит распознавание антигена (эта фишка называется “двойное распознавание”), а если он видит, что молекула HLA дефектная (это значит, что клетка мутантная, опухолевая или заражена вирусом), то у нее в щели его абсолютно ничего не интересует.
Все это подводит нас к мысли о том, что концепция фармакологического взаимодействия с HLA[31] предусматривает изменение ее конформации двумя путями.
Первый называется аллоиммунной моделью: она завязана на воздействии на молекулу HLA в момент, когда она уже экспонируется на поверхности клетки. Исследования на разных аллотипах (HLA-B*27:05- и HLA-B*27:09)[32, 33] показали, что за счет гибкости самой молекулы антиген-связывающая щель может становится временно приоткрытой. При попадании туда лекарства (которое, как мы помним, не является антигеном само по себе), конформация экспонируемой части молекулы HLA меняется. То есть активация Т-лимфоцитов происходит не как обычно, вследствие презентации антигена с предшествующим процессингом, а по типу реакции отторжения трансплантата (ГЧ 4 типа): двойного распознавания не происходит, а Т-лимфоцит воспринимает саму молекулу HLA как аллогенную.
Более того, когда в конкретном эксперименте[34] были проанализированы клоны Т-клеток с генотипом HLA B*57:01+, реагирующих на абакавир , было показано, что 5% клонов, реактивных по отношению к абакавиру, также реагировали на HLA-B*58:01 (уже в отсутствие абакавира), причем активация происходила моментально, что не характерно для нормальной реактивности. Из чего можно сделать вывод о том, что абакавир меняет конформацию молекулы таким образом, что один аллотип становится похожим на другой.

Этот механизм объясняет еще и тот факт, что в некоторых реакциях, связанных с отношениями типа хозяин-трансплантат, также имеет место развитие синдрома Стивенса-Джонсона. Глобально говоря, такой механизм можно считать аутоиммунной[34] реакцией организма, индуцированной лекарством! Как видите, на аллергию это совсем не похоже – данные реакции развиваются по типу реакции гиперчувствительности 4 типа.
Второй механизм называется “концепцией подмены пептидов”. Его суть состоит в том, что лекарство, попавшее внутрь клетки, проникает в ЭПР и занимает место в пока еще пустующем F-кармане пептид-связывающей щели HLA-B*57:01 с помощью все тех же нековалентных связей. Только в этом случае меняется не конформация самой молекулы, а ее пептид-связывающая способность: те самые важные позиции для определенных аминокислот меняют пространственное распределение электростатических свойств[29, 37, 38]. К чему это приводит? К изменению “заякоривающих” аминокислот, а именно: в этих областях в нормальных условиях должен был находиться триптофан, а после модификации пептид-связывающей щели предпочтение отдается пептидам с маленькими алифатическими аминокислотами: валином, лейцином, изолейцином. Пептиды, которые отвечают таким “новообразованным” мотивам, являются для иммунной системы априори “чужими”. Ведь до появления абакавира в организме принципы их организации в целом были другими, и иммунокомпетентные клетки не были готовы к такому повороту (представьте, что вы ждете на остановке трамвай строго определенного номера, а подъезжает бэтмобиль). Это также запускает иммунную реакцию, однако уже полноценную. Она уже не относится к реакции, протекающий по типу реакции отторжения трансплантата, она, по сути, является полностью аутоиммунной, причем системной: молекулы HLA класса 1 присутствуют на всех клетках организма (за исключением эритроцитов и клеток трофобласта), и представление ими неизвестных ранее подозрительных пептидных молекул вызывает единственную реакцию цитотоксических Т-лимфоцитов: уничтожить все клетки-носители антигена.
Механизмы фармакологического взаимодействия с HLA для отдельных лекарств, таких как абакавир[26, 34], карбамазепин[35] и оксипуринол[36], были достаточно освещены в литературе, в основном в контексте ассоциаций с аллелями HLA, однако для других препаратов еще только предстоит уточнить так называемые «аллели риска», что является одним из множества шагов по направлению к персонализированной медицине.
Также существует концепция, описывающая фармакологическое взаимодействие с αβ-Т-клеточным рецептором[39].
Т-клеточный рецептор (TCR) также имеет схожее с иммуноглобулинами строение и состоит из доменов. Для понимания дальнейшего текста важным является то, что домены Vα и Vβ — вариабельные участки, которые, как и молекулы HLA, обладают выраженным полиморфизмом, чтобы распознавать различные антигены. При связывании с HLA и конформационно-подходящим пептидом в ее щели с помощью разных костимулирующих молекул запускаются каскады активации.

Т-клеточный рецептор из Иммунология – Ярилин А.А. – 2010 год – 752 с.

Механизмы были показаны на сульфаниламидных антибиотиках: два типа клонов Т-лимфоцитов, названных 1.3 и Н13, оценивались по пролиферации относительно 12 различных сульфаниламидов. Реакции лекарственной гиперчувствительности часто развиваются в ответ на сульфометаксозолин (СМК). Молекулярное моделирование связывания СМК с TCR выявило, что СМК связывается с участком CDR2 на TCR[40]. Это связывание вызывает изменение конформации TCR, что приводит к повышению аффинитета TCR клонов H13 к HLA-DRB1*10:01 в 7 раз! А это значит, что они начинают в ряде случаев активироваться в ответ на контакт с неизмененными молекулами HLA, вызывая совсем уж беспричинный аутоиммунный процесс.
Связывание сульфометаксозолина со вторым типом TCR (1.3) приводит к абсолютно иным результатам. СМК-специфичная стимуляция в эксперименте могла быть ингибирована дозозависимо каким-либо из других 12 сульфаниламидов. Опубликованные исследования выявили, что СМК и другие 12 сульфаниламидов связываются с одним и тем же сайтом на CDR3α , что объясняет их ингибирующий эффект относительно друг друга. Причем стимуляция Т-лимфоцитов СМК в этих случаях была даже боле сильной, чем стимуляция фитогемагглютинином – митогеном, используемым в научно-исследовательских целях для намеренной индукции пролиферации.
Почему же если все сульфаниламиды связываются с одним и тем же рецептором и, более того, одним и тем же участком, один только СМК вызывает такую поразительную пролиферативную активность?
Более пристальный взгляд на вопрос позволяет предположить, что нестимулирующие сульфаниламиды связываются с карманом на участке CDR3α, который имеет свои концевые аминные остатки, направленные навстречу второму домену TCR. Но только СМК, связываясь с участком CDR3α, имеет свою NH2 группу, направленную в сторону домена Vβ, и это вызывает эксклюзивные конформационные изменения Т-клеточного рецептора, несвойственные для других сульфаниламидов.

из [24]

Как можно заметить, гиперчувствительность и в этом случае никак не связана с выработкой иммуноглобулина Е и медиаторов. Приравнять такую реакцию к аутоиммунной в отличие от предыдущей нельзя, но следует упомянуть о том, что такая поликлональная активация в некоторых случаях может приводить к активации В-лимфоцитов, в том числе молчащих, что влечет за собой риск срыва периферической толерантности и развития аутоиммунных процессов, причем невозможно предсказать, относительно чего они разовьются.
Важным заключением, которое можно вынести из этого раздела, является то, что необходимо помнить о ковалентности связи. А это значит, что в каждый момент времени одна молекула лекарства связывается с рецептором, а где-то другая отваливается. Это дает потрясающую возможность использовать конкурентное ингибирование в терапевтических целях: если врач обнаружил гиперчувствительность к сульфометаксозолину, обусловленную фармакологическим взаимодействием (как отличить его от аллергии — см. в таблице выше), — он может спасти пациента, введя ему любой из 12 других сульфаниламидов, участвующих в исследовании на эту тему!
Какой вывод можно сделать из концепции фармакологического взаимодействия? И в механизмах, задействующих HLA, и в одном из механизмов с участием TCR, большую роль играет аллель самого HLA. Успехи генетики на сегодняшний день позволяют прогнозировать чувствительность к некоторым лекарствам, и их количество становится все больше. Уже на основе приведенных здесь данных вы можете вынести для себя информацию, которая поможет облегчить страдания ваших (или не ваших) пациентов. Остается надеяться на расширение этих данных относительно других лекарственных препаратов, потому что, как бы ни развивалась современная фармакология, с ней неизменно развиваются и проявления off-target эффектов. Теперь в задачи врачей входит не только излечение болезни лекарственными препаратами, но и контроль за тем, чтобы они не вызвали других патологий, что при желании оказывается вполне возможным.

Мы не можем ждать вреда от таблетки, взять над ним контроль — вот наша задача! (с) Почти Мичурин

Автор: Дарья Тюльганова
Изображения и обложка: Шамсудин Насаев и Никита Родионов
Редакция: Елена Лисицына, Сергей Головин, Николай Лисицкий, Манис длиннохвостый, Телли Мурадова, Александр Бакланов, Александр Табакаев

Источники
[1]Behrens, G.M.N., Reiss, P. Abacavir and cardiovascular risk.
[2] Bioactivation to an aldehyde metabolite- Possible role in the onset of toxicity induced by the anti-HIV drug abacavir. Nádia M. Grilo, Catarina Charneira, Sofia A. Pereira, Emília C. Monteiro, M. Matilde Marques, Alexandra M.M. Antune
[3] Buhl, R., Holroyd, K.J., Mastrangeli, A., Cantin, A.M., Jaffe, H.A., Wells, F.B., Saltini, C., Crystal, R.G., 1989. Systemic glutathione deficiency in symptom-free HIV- seropositive individuals. Lancet 334, 1294–1298.
[4] Charneira, C., Godinho, A.L.A., Oliveira, M.C., Pereira, S.A., Monteiro, E.C., Marques, M.M., Antunes, A.M.M., 2011. Reactive aldehyde metabolites from the anti-HIV drug abacavir: amino acid adducts as possible factors in abacavir toxicity. Chem. Res. Toxicol. 24, 2129–2141.
[5] Clay, P.G., 2002. The abacavir hypersensitivity reaction: a review. Clin. Ther. 24, 1502–1514.
[6] Costagliola, D., Lang, S., Mary-Krause, M., Boccara, F., 2010. Abacavir and cardiovascular risk: reviewing the evidence. Curr. HIV/AIDS Rep. 7, 127–133.
[7] Gunness, P., Aleksa, K., Bend, J., Koren, G., 2011. Acyclovir-induced nephrotoxicity: the role of the acyclovir aldehyde metabolite. Transl. Res. 158, 290–301.
[8] Josephson, R.A., Silverman, H.S., Lakatta, E.G., Stern, M.D., Zweier, J.L., 1991. Study of the mechanisms of hydrogen peroxide and hydroxyl free radical-induced cellular injury and calcium overload in cardiac myocytes. J. Biol. Chem. 266, 2354–2361.
[9]Murray, M.F., Nghiem, M., Srinivasan, A., 1995. HIV infection decreases intracellular nicotinamide adenine dinucleotide [NAD]. Biochem. Biophys. Res. Commun. 212, 126–131.
[10] Uchida, K., 2000. Role of reactive aldehyde in cardiovascular diseases. Free Radic. Biol. Med. 28, 1685–1696.
[11] Aldehyde Sources, Metabolism, Molecular Toxicity Mechanisms, and Possible Effects on Human Health. Peter J. O’Brien, Arno G. Siraki, and Nandita Shangari
[12]Treatment of symptomatic hyperlactatemia and lactic acidosis in HIV+ patients under nucleoside reverse transcriptase inhibitors. Enric Pedrol, Mónica Ribell, Elisabet Deig, María del Carmen Villà, Òscar Miró, Glòria Garrabou, Anna Soler
[13] А. Г. Камкин Фундаментальная и клиническая физиология, с. 933-935
[14] Complement-Coagulation Cross-Talk: A Potential Mediator of the Physiological Activation of Complement by Low pH Hany Ibrahim Kenawy, Ismet Boral, and Alan Bevington
[15]Atkinson JP, Frank MM. Bypassing complement: evolutionary lessons and future implications. J.Clin.Invest. 2006;116:1215–1218.
[16]Coagulopathy induced by acidosis, hypothermia and hypocalcaemia in severe bleeding. De Robertis E, et al. Minerva Anestesiol. 2015.
[17]Acidosis Activates Endoplasmic Reticulum Stress Pathways through GPR4 in Human Vascular Endothelial Cells. Dong L, et al. Int J Mol Sci. 2017.
[18]Acidosis Activates Endoplasmic Reticulum Stress Pathways through GPR4 in Human Vascular Endothelial Cells Lixue Dong, Elizabeth A. Krewson, and Li V. Yang
[19]Chen A., Dong L., Leffler N.R., Asch A.S., Witte O.N., Yang L.V. Activation of GPR4 by acidosis increases endothelial cell adhesion through the cAMP/Epac pathway.
[20]https://www.rlsnet.ru/mnn_index_id_2779.htm
[21]The importance of hapten–protein complex formation in the development of drug allergy Lee Faulkner, Xiaoli Meng, B. Kevin Park, and Dean J. Naisbitt
[22]Pichler WJ: Pharmacological interaction of drugs with antigen-specific immune receptors: the p-i concept. Curr Opin Allergy Clin Immunol 2002;2:301–305
[23]Pichler WJ: Adverse side-effects to biological agents. Allergy 2006;61:912–920
[24] Drug Hypersensitivity: How Drugs Stimulate T Cells via Pharmacological Interaction with Immune Receptors Werner J., Pichler Jacqueline, Adam Stephen Watkins, Natascha Wuillemin, James Yun, Daniel Yerly
[25] An update on HLA alleles associated with adverse drug reactions. Fricke-Galindo I, et al. Drug Metab Pers Ther. 2017.
[26]Mallal S, Nolan D, Witt C, Masel G, Martin AM, Moore C, Sayer D, Castley A, Mamotte C, Maxwell D, James I, Christiansen FT: Association between presence of HLA-B*5701, HLA-DR7, and HLA-DQ3 and hypersensitivity to HIV-1 reverse-transcriptase inhibitor abacavir. Lancet 2002;359:727–732.
[27] Hung SI, Chung WH, Liou LB, Chu CC, Lin M, Huang HP, Lin YL, Lan JL, Yang LC, Hong HS, Chen MJ, Lai PC, Wu MS, Chu CY, Wang KH, Chen CH, Fann CS, Wu JY, Chen YT: HLA-B*5801 allele as a genetic marker for severe cutaneous adverse reactions caused by allopurinol. Proc Natl Acad Sci USA 2005; 102:4134–4139.
[28]Gerd-Rudiger Burmester, Antonio Pezzutto Color Atlas of Immunology, 58
[29]Illing PT, Vivian JP, Dudek NL, Kostenko L, Chen Z, Bharadwaj M, Miles JJ, Kjer-Nielsen L, Gras S, Williamson NA, Burrows SR, Purcell AW, Rossjohn J, McCluskey J: Immune self-reactivity triggered by drug-modified HLA-peptide repertoire. Nature 2012;486: 554–558.
[30] Yun J, Adam J, Yerly D, Pichler WJ: Human leukocyte antigens (HLA) associated drug hypersensitivity: consequences of drug binding to HLA. Allergy 2012;67:1338–1346.
[31]Illing PT, Vivian JP, Purcell AW, Rossjohn J, McCluskey J: Human leukocyte antigen-associated drug hypersensitivity. Curr Opin Immunol 2013;25:81–89.
[32]Yun J, Marcaida MJ, Eriksson KK, Jamin H, Fontana S, Pichler WJ, Yerly D: Oxypurinol directly and immediately activates the drug- specific T cells via the preferential use of HLA-B*58:01. J Immunol 2014;192:2984– 2993.
[33] Winkler K, Winter A, Rueckert C, Uchanska- Ziegler B, Alexiev U: Natural MHC class I polymorphism controls the pathway of peptide dissociation from HLA-B27 complexes. Biophys J 2007;93:2743–2755.
[34]Adam J, Wuillemin N, Watkins S, Jamin H, Eriksson K, Villiger P, Fontana S, Pichler WJ, Yerly D: Abacavir induced T cell reactivity represents an allo-immune reaction. PLoS One 2014;9:e95339.
[35]McCormack M, Alfirevic A, Bourgeois S, Far- rell JJ, Kasperavičiūtė D, Carrington M, Sills GJ, Marson T, Jia X, de Bakker PI, Chintha- palli K, Molokhia M, Johnson MR, O’Connor GD, Chaila E, Alhusaini S, Shianna KV, Radtke RA, Heinzen EL, Walley N, Pandolfo M, Pichler W, Park BK, Depondt C, Sisodiya SM, Goldstein DB, Deloukas P, Delanty N, Cavalleri GL, Pirmohamed M: HLA-A*3101 and carbamazepine-induced hypersensitivity reactions in Europeans. N Engl J Med 2011; 364:1134–1143.
[36]Yun J, Marcaida MJ, Eriksson KK, Jamin H, Fontana S, Pichler WJ, Yerly D: Oxypurinol directly and immediately activates the drug- specific T cells via the preferential use of HLA-B*58:01. J Immunol 2014;192:2984– 2993.
[37]Ostrov DA, Grant BJ, Pompeu YA, Sidney J, Harndahl M, Southwood S, Oseroff C, Lu S, Jakoncic J, de Oliveira CA, Yang L, Mei H, Shi L, Shabanowitz J, English AM, Wriston A, Lucas A, Phillips E, Mallal S, Grey HM, Sette A, Hunt DF, Buus S, Peters B: Drug hypersensitivity caused by alteration of the MHC-presented self-peptide repertoire. Proc Natl Acad Sci USA 2012;109:9959–9964.
[38] Norcross MA, Luo S, Lu L, Boyne MT, Gomarteli M, Rennels AD, Woodcock J, Margulies DH, McMurtrey C, Vernon S, Hildebrand WH, Buchli R: Abacavir induces loading of novel self-peptides into HLA-B*57: 01: an autoimmune model for HLA-associated drug hypersensitivity. AIDS 2012;26:F21–F29.
[39] Adam J, Pichler WJ, Yerly D: Delayed drug hypersensitivity: models of T-cell stimulation. Br J Clin Pharmacol 2011;71:701–707.
[40]Watkins S, Pichler WJ: Sulfamethoxazole induces a switch mechanism in T cell receptors containing TCRVβ20-1, altering pHLA recognition. PLoS One 2013;8:e76211.
[41]Interference with purinergic signalling: an explanation for the cardiovascular effect of abacavir? Esplugues JV, et al. AIDS. 2016
[42]Abacavir induces platelet-endothelium interactions by interfering with purinergic signalling: A step from inflammation to thrombosis.Alvarez A, et al. Antiviral Res. 2017.
[43] Abacavir has no prothrombotic effect on platelets in vitro. Diallo YL, et al. J Antimicrob Chemother. 2016.

About The Author
x_plaguedoctor_x