Sulfide mineral water as a donor of signal molecules of endogenous hydrogen sulfide

Full Text

Введение

Сероводород (H2S), или сульфид водорода, — это бесцветный, легко воспламеняющийся газ, являющийся серным аналогом воды. Благодаря слабым межмолекулярным связям он существует в газообразном состоянии [1]. Токсичные концентрации H2S могут накапливаться в канализационных системах, кожевенных чанах, выгребных ямах, серных рудниках и угольных шахтах. Кроме того, сероводород образуется в качестве побочного продукта в металлургической и целлюлозно-бумажной промышленности. В естественных условиях H2S выделяется при разложении органических веществ растительного и животного происхождения, а также в процессах гниения. Источниками сероводорода также являются бурение, добыча и переработка серосодержащего природного газа, нефтяные выбросы, вулканическая активность и месторождения серы [2, 3].

Неудивительно, что во многих публикациях, в том числе посвященных токсикологическим исследованиям, сероводород относят к категории экологических токсинов. История изучения H2S как ядовитого вещества для окружающей среды берет начало в 1700 году, с наблюдений итальянского врача Бернардино Рамаццини. В своей книге «De Morbis Artificum Diatriba» он описал раздражение глаз и воспаление, вызванные «канализационным газом» у работников, занимающихся очисткой сточных вод [4]. Долгое время сероводород считался исключительно ядовитым газом, способным привести к летальному исходу в результате острой ингаляционной интоксикации при вдыхании высоких концентраций [1, 3].

В последние десятилетия выявлена важная роль сероводорода в качестве газотрансмиттера (ГТ) в условиях нормы и патологии. Установлен синтез его в тканях экспериментальных животных, что проявляется целым рядом физиологических эффектов в сердечно-сосудистой, нервной и пищеварительной системах [5]. Потребность в экзогенном источнике H2S ставит перед исследователями уникальную задачу – поиска химических инструментов, которые могут облегчить изучение этого газа в лабораторных условиях. Соединения, которые разлагаются в ответ на определённый сигнал, высвобождая сульфид водорода, называются донорами сероводорода. Они включают в себя широкий спектр функциональных групп и систем доставки, некоторые из которых имитируют строго контролируемое эндогенное происхождение в ответ на определённые биологически значимые условия [6].

В то же время, сульфидная (сероводородная) бальнеотерапия давно и успешно применяется в санаторно-курортной практике. Лечебные свойства сульфидных минеральных вод признаны медицинским сообществом, а курорты, использующие их для общих и местных ванн, орошений, аппликаций и других процедур (Бакирово, Красноусольск, Горячий Ключ, Сочи, Пятигорск, Талги, Усть-Качка, Хилово, Ключи, Кемери и др.), пользуются заслуженной популярностью [7]. Терапевтический эффект сульфидных минеральных вод традиционно связывают с действием экзогенного сероводорода.

Поэтому целью настоящего обзора литературы является обоснование возможной роли сульфидной минеральной воды как донора сигнальных молекул эндогенного сероводорода.

Материал и методы

В данном исследовании был проведен систематический обзор научной литературы за последние 20 лет. Анализ публикаций осуществлялся с использованием электронных баз данных РИНЦ, PubMed, Google Scholar и MEDLINE. Поиск проводился по ключевым словам "gas transmitter" (газотрансмиттер), "endogenous hydrogen sulfide" (эндогенный сероводород) и "hydrogen sulfide balneotherapy" (сероводородная бальнеотерапия). Критериями включения в обзор являлись: соответствие дизайну научных исследований, формат систематического обзора, наличие подробных аннотаций с результатами исследований. В результате поиска было отобрано 57 наиболее релевантных теме исследования публикаций.

Результаты

Газотрансмиттеры (ГТ) — это эндогенные молекулы химических соединений, находящиеся в газообразном состоянии при нормальной температуре тела и атмосферном давлении. Они синтезируются и высвобождаются в биологических системах, выполняя функцию передачи сигнала. Для классификации вещества как газотрансмиттера необходимо выполнение нескольких условий: вещество должно быть газом; образовываться в организме эндогенно и/или с участием ферментов; вызывать определенные физиологические эффекты при экзогенном введении; иметь специфический механизм инактивации [8].

Открытие газообразных сигнальных молекул ознаменовало начало новой эры в биомедицинских исследованиях, подчеркнув важную роль этих молекул в физиологии млекопитающих [1]. В конце 1970-х годов, после открытия оксида азота (NO), соединения, способные свободно проникать через клеточные мембраны, были выделены в особую группу сигнальных молекул — газотрансмиттеров (газомедиаторов) [9, 10]. В начале 1990-х годов к этой группе добавился монооксид углерода (CO). Сероводород был признан третьим газотрансмиттером в конце 1990-х годов, когда была экспериментально подтверждена его способность синтезироваться в тканях головного мозга и регулировать клеточные функции у животных. Сформулированная в 2002 году концепция газотрансмиттеров стала отправной точкой для развития нового направления в изучении механизмов клеточной сигнализации [11]. В целях стимулирования биомедицинских исследований в области газотрансмиттеров и обмена научной информацией в 2011 году была создана «Европейская сеть по газотрансмиттерам» [1].

В клетках млекопитающих газотрансмиттеры выполняют сигнальные функции, инициируя физиологические и биохимические изменения, а также участвуя в регуляции и модуляции различных процессов в организме [12-15]. Оксид азота (NO), монооксид углерода (CO) и сероводород (H2S) долгое время считались токсичными для человека газами. Однако относительно недавно было обнаружено, что эти соединения синтезируются клетками организма и действуют как сигнальные молекулы, осуществляя аутокринную и паракринную регуляцию в различных органах человека и животных [16]. В настоящее время к газотрансмиттерам также относят диоксид серы (SO2), который играет важную роль в регуляции функций эндотелиальных клеток и защите их от повреждений [17, 18].

С начала XX века сероводород (H2S) был идентифицирован как продукт жизнедеятельности бактерий. В дальнейшем была установлена его роль в развитии заболеваний пародонта (связанных с бактериальной флорой полости рта), нарушении функций эпителиальных клеток кишечника (вследствие воздействия энтеральной бактериальной флоры), а также в формировании устойчивости бактерий к антибиотикам. Начиная с 1940-х годов, исследователи в различных областях биологии млекопитающих выявили, что H2S является продуктом эндогенных ферментативных реакций. Его функции, в частности, в сердечно-сосудистой и нервной системах, стали предметом интенсивного изучения в последние десятилетия [4].

Несмотря на то, что кишечная микрофлора продуцирует сероводород, он не попадает в кровоток, поскольку ферменты кишечного эпителия разрушают сульфиды. Этот механизм защищает клетки от воздействия высоких локальных концентраций H2S и предотвращает его проникновение в системный кровоток [13]. Сероводород синтезируется в тканях млекопитающих и оказывает разнообразное физиологическое воздействие на сердечно-сосудистую, нервную и пищеварительную системы [5]. По мнению R. Wang [14], признание сероводорода газотрансмиттером открывает новые перспективы в изучении процессов сульфирования белков и взаимодействия H2S с другими газотрансмиттерами. Эти исследования могут пролить свет на патогенез многих заболеваний, связанных с нарушениями метаболизма сероводорода.

Одним из ключевых механизмов действия сероводорода является модификация белков. H2S, будучи сильным восстановителем, способен разрывать дисульфидные связи. Другим механизмом действия является присоединение атома серы к тиоловой группе (сульфгидрирование). Такая химическая модификация белков приводит к изменению их конформации и, как следствие, функциональной активности. Изменение конформации обусловлено вращением вокруг одной или нескольких одинарных сигма-связей, что приводит к новому пространственному расположению атомов в молекуле. Кроме того, мишенями для H2S в клетке могут быть ионные каналы, мембранные и внутриклеточные ферменты, различные белки и другие молекулы [19].

Эндогенный сероводород продуцируется тремя ферментами: цистатионин-β-синтазой (CBS), цистатионин-γ-лиазой (CSE) и 3-меркаптопируватсульфотрансферазой (3MST). Предполагается, что в центральной нервной системе H2S образуется преимущественно в астроцитах нейроглии при участии CBS, а в нейронах — при участии 3MST. Считается, что сероводород играет важную роль в когнитивных процессах, формировании памяти, регуляции сердечно-легочной деятельности и нейропротекции. Есть основания полагать, что в периферической нервной системе H2S участвует в вегетативной регуляции сердечно-сосудистой, дыхательной и пищеварительной систем, а также в процессах обезболивания и воспаления [20].

Наряду с увеличением числа публикаций, посвященных биологической роли H2S, активно ведутся поиски доноров сероводорода, которые могли бы использоваться в качестве исследовательских инструментов и потенциальных лекарственных средств. Это привело к разработке различных стратегий высвобождения данного газотрансмиттера. Во многих исследованиях на модельных системах применяют прямую ингаляцию газообразного сероводорода или водные растворы гидросульфида натрия (NaSH) и сульфида натрия (Na2S). Однако такие подходы не воспроизводят процессы эндогенного образования H2S. Это явное несоответствие подчеркивает необходимость разработки более эффективных доноров сероводорода [21].

C.M. Levinn и соавторы [21] впервые предложили использовать соединения, высвобождающие карбонилсульфид (COS), в качестве нового класса доноров эндогенного сероводорода. Этот подход, вдохновленный широко применяемой стратегией пролекарств на основе карбаматов, основан на использовании самоиммолирующихся тиокарбаматов для контролируемого высвобождения COS. В свою очередь, COS быстро превращается в H2S под действием широко распространенного фермента карбоангидразы (CA).

Низкие эндогенные концентрации сероводорода затрудняют точное определение его биологических функций. Поэтому для изучения физиологической роли H2S используют методы экзогенной доставки этого газа в клетки и ткани экспериментальных животных. Необходимость в экзогенных источниках H2S ставит перед исследователями задачу разработки специальных химических инструментов, облегчающих изучение сероводорода в лабораторных условиях. Доноры сероводорода — это соединения, способные высвобождать H2S в ответ на определенный стимул. Они характеризуются разнообразием функциональных групп и систем доставки. Некоторые доноры имитируют строго регулируемые процессы эндогенного образования H2S в ответ на специфические биологические сигналы [6].

Сульфидные (сероводородные) минеральные воды могут служить одним из источников экзогенного сероводорода. Эти воды издавна привлекали внимание людей своим специфическим "запахом тухлых яиц" и приписываемыми сере и ее соединениям лечебными свойствами [22]. Сульфидные минеральные воды представляют собой природные воды с различной минерализацией и ионным составом, содержащие более 10 мг/л общего сероводорода. В зависимости от концентрации H2S выделяют слабосероводородные воды (10-50 мг/л), воды средней концентрации (50-100 мг/л), крепкие (100-250 мг/л) и очень крепкие (более 250 мг/л) воды [23].

Сульфидная бальнеотерапия применяется в санаторно-курортной практике уже более 150 лет. В России одним из наиболее известных источников сульфидных минеральных вод является "Мацеста". Сероводородная минеральная вода служит основным лечебным фактором на бальнеологическом курорте Сочи, дата основания которого — 15 сентября 1902 года. В этот день у естественного источника "серных вод" была пробурена первая скважина и построена бальнеолечебница [24].

Многолетний опыт изучения сульфидных минеральных вод привел к необходимости систематизации накопленных данных. Эту задачу выполнил В.М. Куканов, опубликовав в 1968 году монографию «Процессы формирования сероводородных вод типа Мацеста» [25]. Многолетнее использование данных минеральных вод в санаторно-курортном лечении позволило определить оптимальные параметры проведения процедур: периодичность, кратность, продолжительность, сезонность, совместимость с другими методами лечения, а также оптимальную концентрацию сероводорода в ваннах. В связи с востребованностью сероводородной бальнеотерапии в настоящее время актуальными остаются изучение результатов ее применения, разработка новых лечебных комплексов на основе сульфидных минеральных вод и профилактика возможных осложнений. В практике сероводородной бальнеотерапии встречаются случаи непереносимости сульфидных ванн, связанные как с бальнеологической реакцией, так и с токсическим действием сероводорода [23].

Большинство исследователей рассматривают реакцию организма на бальнеопроцедуру как физиологически закономерный процесс адаптации к изменению условий окружающей среды и воздействию комплекса химических, термических и механических факторов минеральных вод. Эта сложная приспособительная реакция, проявляющаяся рядом физиологических, биохимических, биофизических, иммунологических и других изменений, имеет оздоровительную направленность и лежит в основе терапевтического действия бальнеологических процедур, не требуя медикаментозной коррекции [26].

Терапевтический эффект наружного применения сульфидных вод обусловлен, прежде всего, наличием в них свободного сероводорода, обладающего высокой химической активностью и оказывающего значительное влияние на метаболизм. Сероводород проникает в организм из воды через кожу, слизистые оболочки и дыхательные пути. Время циркуляции H2S в крови очень короткое, так как он быстро окисляется в печени и выводится из организма в виде сульфатов [22].

Сероводород способствует увеличению содержания сульфгидрильных и дисульфидных групп, активирует глутатион и ферментные системы, повышает энергетический потенциал клеток и тканей, стимулирует регенерацию, нормализует процессы возбуждения и торможения в центральной нервной системе. Влияние сульфидных вод на обменные процессы и активность сульфгидрильных групп, входящих в состав многих ферментов, обусловлено непосредственным участием сероводорода и его соединений в биохимических реакциях. Терапевтический эффект сульфидных вод связывают с проникновением H2S и продуктов его метаболизма в микроциркуляторное русло и их воздействием на эндотелий капилляров [27-29].

Теоретической основой для применения сульфидной бальнеотерапии послужили работы профессоров В.И. Сухарева и З.Н. Гржебина, которые в 1940-х годах возглавляли кожную клинику Сочинского бальнеологического института. Они изучали влияние сероводородной минеральной воды на патологические процессы в коже. Оба ученых отмечали стимулирующее воздействие мацестинской сероводородной минеральной воды на функциональное состояние соединительной ткани [30].

Установлено, что изменения внутриклеточного метаболизма зависят от концентрации сероводорода. Это является одной из основных причин снижения терапевтического эффекта при высоких концентрациях H2S. Низкие и средние концентрации сероводорода (25-150 мг/л) способствуют увеличению потребления кислорода митохондриями, тогда как высокие концентрации (300-400 мг/л) приводят к разобщению процессов тканевого дыхания и фосфорилирования [16]. Низкие концентрации H2S обладают цитопротекторным действием, в то время как высокие концентрации проявляют цитотоксичность. В наномолярных концентрациях сероводород действует как цитопротектор в митохондриях, поддерживая энергетический метаболизм, служа субстратом для дыхательной цепи, предотвращая апоптоз и стимулируя митохондриальный биогенез [31]. При более высоких концентрациях H2S подавляет дыхательную цепь, связываясь с цитохромоксидазой и ингибируя ее активность [32].

Известно, что воздействие сероводородной минеральной воды на кожу пациентов стимулирует образование провоспалительных цитокинов. В местах непосредственного контакта минеральной воды с кожей наблюдается расширение кровеносных сосудов и их переполнение кровью. Особенно заметной реакцией, привлекающей внимание, как исследователей, так и пациентов, является выраженное покраснение кожи во время сероводородной бальнеотерапии. Гиперемия кожи носит фазный характер и включает стадии активной гиперемии, последующей ишемии и восстановления нормальной окраски. Развитие и интенсивность гиперемии зависят от концентрации сероводорода в воде и особенностей микроциркуляции у пациента [29].

Токсические осложнения сероводородной бальнеотерапии, в том числе возникающие при самолечении без медицинского контроля [23], по своим проявлениям схожи с синдромом системной воспалительной реакции (SIRS). Этот синдром, обычно вызванный дисбалансом про- и противовоспалительных реакций организма, индуцированных эндо- и экзотоксинами микроорганизмов, цитокинами и медиаторами при сепсисе, может быть также обусловлен неинфекционными факторами [33], включая такой мощный восстановитель, как сероводород (H2S).

Сульфидные минеральные воды считаются одним из наиболее эффективных бальнеологических факторов, применяемых для реабилитации пациентов после термических ожогов. Санаторно-курортное лечение, включающее сульфидную бальнеотерапию в сочетании с лечебной физкультурой и другими курортными факторами, способствует осветлению пораженных участков кожи, уменьшению ощущения стянутости и напряжения рубцов, повышению их эластичности, увеличению объема движений в суставах и восстановлению тактильной чувствительности [30].

Активируя полиморфно-ядерные мононуклеары, сероводород стимулирует репаративную регенерацию и упорядочивает структуру коллагеновых волокон в рубцовой ткани, повышая ее растяжимость и эластичность. Это связано со способностью H2S модифицировать белки путем разрыва дисульфидных связей. Предположительно, такая химическая модификация белков, в частности коллагена, включая сульфгидрирование (присоединение атома серы к тиоловой группе), приводит к изменению конформации белковых молекул и их функциональной активности [19].

Несмотря на обилие публикаций, посвященных сероводороду, наше понимание его роли в нормальных и патологических процессах остается неполным [16]. Тонкая регуляция синтеза и метаболизма эндогенного H2S критически важна для поддержания оптимальной функции клеток, поскольку как избыточное образование, так и дефицит сероводорода могут способствовать развитию заболеваний. Нарушения регуляции пути обратного транссульфирования, в результате которого образуется H2S, наблюдаются при некоторых нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона и болезнь Альцгеймера. В связи с этим, применение доноров сероводорода или стимуляция обратного транссульфирования показали свою эффективность в лечении этих нейродегенеративных состояний [34].

Болезнь Альцгеймера — распространенное нейродегенеративное заболевание, характеризующееся прогрессирующим снижением когнитивных функций, изменением личности и различными нейропсихиатрическими симптомами. Патогенез болезни Альцгеймера связан с апоптозом и повреждением нейронов, вызванными отложением бета-амилоида и окислительным стрессом [35-38]. Уровень сероводорода (H2S) в головном мозге пациентов с болезнью Альцгеймера ниже, чем у здоровых людей того же возраста [39]. В экспериментальной модели сосудистой деменции у крыс наблюдалось снижение уровня H2S в плазме крови. Внутривенное введение NaHS (донора H2S) обеспечивало нейропротекцию и улучшало показатели обучения и памяти в поведенческих тестах [40]. Другое исследование показало, что применение сероводородной минеральной воды замедляло прогрессирование болезни Альцгеймера [41]. Благоприятное влияние сероводорода на когнитивные функции, пространственное восприятие и память, а также его нейропротекторные эффекты, продемонстрированные как в экспериментах на крысах [35, 38], так и в клинических исследованиях [42], дают основания рассчитывать на успех в борьбе с болезнью Альцгеймера.

Болезнь Паркинсона — это хроническое прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, характеризующееся дегенерацией дофаминергических нейронов в черной субстанции среднего мозга и образованием телец Леви в цитоплазме выживших нейронов [43, 44]. Результаты экспериментальных исследований на животных показали, что ингаляция или инъекции доноров H2S предотвращали развитие нарушений, характерных для болезни Паркинсона [45-48].

Черепно-мозговая травма (ЧМТ) является одной из ведущих причин смерти в мире. Нарушения памяти и когнитивные дисфункции — два распространенных последствия ЧМТ. Быстрое и чрезмерное образование свободных радикалов кислорода также связано с вторичным повреждением нейронов [49, 50]. S.A. Karimi и соавторы [49] продемонстрировали нейропротекторный эффект внутрибрюшинного введения NaHS при нарушениях памяти, вызванных ЧМТ у крыс. M. Zhang и соавторы [51] выявили нейромодулирующее действие сероводорода: инъекции гидросульфида натрия уменьшали объем поражения головного мозга. Нейропротекторный эффект NaHS был также показан при других патологических состояниях [52-55]. Эти результаты подтверждаются данными об изменении уровней CBS и сероводорода в различных отделах головного мозга в экспериментальных моделях ЧМТ [51].

Болезнь Хантингтона — наследственное нейродегенеративное заболевание, характеризующееся нейротоксичностью, поведенческими расстройствами, нарушением координации движений и окислительным стрессом. B.D. Paul и соавторы [34, 56] показали, что в экспериментальных моделях болезни Хантингтона наблюдается снижение уровня цистатионин-γ-лиазы (CSE) в тканях млекопитающих. Дефицит этого фермента, участвующего в биосинтезе цистеина, приводит к снижению продукции эндогенного сероводорода, дегенерации нейронов и прогрессированию заболевания.

Недавние исследования показали, что у пациентов с синдромом Дауна уровень фермента цистатионин-β-синтазы (CBS) выше, чем у здоровых людей. Предполагается, что избыточная экспрессия CBS является причиной когнитивных нарушений у детей с этой хромосомной патологией и может способствовать развитию болезни Альцгеймера в зрелом возрасте. Кроме того, избыточная продукция H2S также ассоциирована с этилмалоновой энцефалопатией [57].

Заключение

Сульфидные (сероводородные) минеральные воды представляют собой важную группу вод со специфическим химическим составом, широко и эффективно применяемых в бальнеологии. Они характеризуются наличием сероводорода, который может присутствовать в свободном (молекулярном), полусвязанном (гидросульфид-ион) и связанном (сульфид-ион) состояниях. Признание сероводорода газотрансмиттером открывает новые возможности для фармакологических исследований и разработки препаратов, регулирующих метаболизм и концентрацию H2S в тканях и органах при различных заболеваниях.

Опубликованные данные свидетельствуют о важной роли эндогенного сероводорода в физиологии и патологии человека и животных. Несмотря на продолжающиеся дискуссии относительно сигнальных путей, полезных и вредных эффектов газотрансмиттеров, их участие в межклеточной коммуникации является общепризнанным фактом. Изучение этих молекул, особенно их роли в центральной нервной системе, находится на начальном этапе. Дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на изучении комбинированного действия газотрансмиттеров и выяснении сигнальных путей, связанных с их антагонистическими эффектами. Это позволит разработать новые терапевтические подходы к лечению различных неврологических заболеваний.

Анализ литературы показывает, что сульфидная минеральная вода служит источником сигнальных молекул эндогенного сероводорода, а эффективность бальнеотерапии подтверждает ее терапевтическую ценность. Концепция газотрансмиттеров может потребовать пересмотра показаний и противопоказаний к сульфидной бальнеотерапии, а также корректировки параметров бальнеологических процедур, таких как периодичность, кратность, продолжительность, оптимальная концентрация сероводорода в ваннах, орошениях и аппликациях. Учитывая, что газотрансмиттеры являются регуляторами и медиаторами клеточной активности и могут влиять на функционирование всего организма, включая головной мозг, эмоциональное состояние и поведение, можно ожидать расширения спектра применения бальнеотерапии и включения новых нозологических форм в перечень показаний к данному методу лечения.

В связи с высокой востребованностью сероводородной бальнеотерапии в настоящее время актуальными задачами остаются изучение результатов ее применения, разработка новых лечебных комплексов на основе сульфидных минеральных вод и профилактика возможных осложнений. Эти исследования могут стать отправной точкой для развития приоритетного направления в бальнеологии — изучения механизмов клеточной сигнализации в рамках фундаментальных и прикладных научных исследований.

About the authors

Leonid Ходасевич

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Sochi State University"

Author for correspondence.
Email: nic_kir@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4676-0972
SPIN-code: 3748-9802

Doctor of Medical Sciences, Professor, Deputy. branch manager for science

Russian Federation, 354000 Sochi, Plastunskaya 94

References

Supplementary files