Význam glykokalyxu v chirurgii

Overview

Úvod: Chirurgická léčba je spojena s nežádoucí reakcí organismu na tzv. chirurgické trauma, která je označována jako chirurgický stres. Jednou z jeho základních příčin je ischemicko-reperfuzní poškození tkání, které zahrnuje funkční a strukturální změny v tkáních. Ty vznikají po obnovení průtoku krve po epizodě ischemie. Dochází k nekróze ireverzibilně změněných buněk či otoku tkání vznikajícímu na podkladě endoteliální a mitochondriální dysfunkce.

Metody: Fyziologie, patofyziologie endoteliálního glykokalyxu: Endoteliální glykokalyx je 0,2 až 5 mikrometrů vysoká heteropolysacharidová vrstva pokrývající endotel na jeho intraluminální straně. Páteřními molekulami glykokalyxu jsou proteoglykany, na které se vážou glykoproteiny a glykosaminoglykany. Poškození endoteliálního glykokalyxu bylo dokumentováno u traumatu, u pacientů se septickým šokem, při ischemicko-reperfuzním poškození či při rozsáhlých chirurgických výkonech. Postupy prevence poškození endoteliálního glykokalyxu: Jako prevence ischemicko-reperfuzního poškození tkání byla zkoumána metoda vzdálené prekondice ischemie. Provedené metaanalýzy přínos tohoto postupu v chirurgii ale nepotvrdily. Farmakologicky může být bráněno poškození glykokalyxu látkami, jako jsou antitrombin III, doxycyklin, hydrokortizon, etanercept či dárci oxidu dusnatého. Protektivně na glykokalyx působí také albumin a inhalace vodíku. Protektivní a reparační účinek na glykokalyx vykazuje také sulodexid. Jedná se o proteoglykan působící antitromboticky, fibrinolyticky, hypofibrinogenemicky a lipolyticky. Současná indikace sulodexidu je v léčbě žilních onemocnění, ischemické choroby srdeční a ischemické choroby dolních končetin. Byl prokázán pozitivní efekt sulodexidu na renální poškození při modelování ischemie a reperfuze a na reparaci endotelu po jeho mechanickém poškození.

Závěr: Prostor pro další zkoumání se otevírá směrem k prokázání účinku endotelprotektiv prostřednictvím reparace endoteliálního glykokalyxu při ischemicko-reperfuzním poškození na modelu velkého laboratorního zvířete a také při klinické studii u pacientů podstupujících cévně rekonstrukční výkon.

ÚVOD

Celosvětově je prováděno více než 300 milionů operačních výkonů ročně. Časná pooperační mortalita je 1 až 4 %, morbidita je udávána v rozmezí 14 až 50 % [1]. Chirurgická léčba je spojena s riziky vyplývajícími z reakce organismu na tzv. chirurgické trauma [2]. Odpovědí na chirurgické trauma (incize, manipulace s orgány, mechanické poškození tkání při preparaci, lokální krvácení, ischemie a s ní související reperfuzní poškození) je chirurgický stres [1]. Významně vyšší úrovní stresové reakce organismu jsou zatíženy rozsáhlé (otevřené) operace v břišní chirurgii, v chirurgii cévní, implantace totálních endoprotéz velkých kloubů a kardiochirurgické výkony s použitím mimotělního oběhu [3]. Nižší úroveň stresové reakce naopak vykazují operace miniinvazivní (robotické, laparoskopické) [2]. Stresová reakce organismu se dá rozdělit na odpověď neuroendokrinní, metabolickou, inflamatorní a imunitní [3].

Jednou ze základních příčin chirurgického traumatu je ischemicko-reperfuzní poškození tkání. Ischemicko-reperfuzní poškození zahrnuje funkční a strukturální změny v tkáních, které nastávají po obnovení průtoku krve tkání po epizodě kyslíkové deprivace – ischemie. Toto obnovení průtoku krve, které je často nestejnoměrné, může mít negativní důsledky, jako je nekróza ireverzibilně změněných buněk či otok tkání vznikající na podkladě endoteliální a mitochondriální dysfunkce, která je dále zhoršována nedokonalou perfuzí tkání [4]. Ischemie vede v tkáních k anaerobnímu metabolismu, při kterém je produkováno menší množství ATP, a k selhávání iontových kanálů, které má za důsledek otok buněk a zhoršení enzymatické aktivity v cytoplazmě. Poškození mitochondrií a dysbalance elektrolytů při reperfuzi vedou k oxidativnímu stresu ze 3 systémů: NADPH oxidázový systém, systém syntázy oxidu dusnatého (nitric oxide synthase, NOS) a systém xantinoxidázy. Retence reaktivních forem kyslíku (reactive oxygen species, ROS) vede ke smrti buňky prostřednictvím autofagie, mitoptózy, nekrózy a apoptózy. NOS je hlavním faktorem oxidativního stresu při poškození jater, srdečního svalu či endoteliálních buněk [5]. Endoteliální NOS (eNOS) hraje hlavní úlohu při regulování a udržování funkčního kardiovaskulárního systému [6], ale při hypoxii se podílí na produkci ROS a prohloubení ischemicko-reperfuzního poškození [5].

Struktura a fyziologie endoteliálního glykokalyxu

Všechny buňky lidského těla jsou pokryty denzní vrstvou glykoproteinů a proteoglykanů nazývanou glykokalyx [7]. Struktura glykokalyxu byla objevena a publikována v roce 1966 díky vývoji technologie elektronové mikroskopie [8].

Endoteliální glykokalyx (EG) je heteropolysacharidová vrstva pokrývající endotel na jeho intraluminální straně. Páteřními molekulami glykokalyxu jsou proteoglykany (PG: syndekany, glypikany, perlekan, versikan, dekorin, biglykan, mimekan), které jsou ukotveny k cytoplazmatické membráně endotelu. Na proteoglykany se pak vážou glykosaminoglykany, mezi které patří heparan sulfát (HS), chondroitin sulfát (CS), dermatan sulfát a keratan sulfát. Dalším glykosamoniglykanem je kyselina hyaluronová (HA), která se neváže na proteoglykany, ale přes receptory CD 44 přímo na povrch buňky [9]. Glykoproteinová komponenta je představována molekulami, jako jsou E-selektiny (ES), P-selektiny (PS) či integriny (I) nebo proteinové komplexy se vztahem k dějům hemostázy (glykoprotein Ib-IX-V komplex, který se váže k von Willebrandovu faktoru a P-selektinu a umožňuje interakci trombocytů a aktivovaných endoteliálních buněk. EG má také komponentu solubilní, která je v dynamické rovnováze s plazmou. Solubilní část glykokalyxu je tvořena širokým spektrem molekul produkovaným endotelem nebo přinášených krevním proudem. Tyto molekuly (PM) jsou vázány endoteliálními buňkami nebo jsou včleněny do páteřní sítě glykokalyxu [10]. Výška glykokalyxu je uváděna v rozmezí 0,2 až 5 mikrometrů [11]. Jeho struktura ve vztahu k intracelulárnímu (IC) a extracelulárnímu prostoru (EC) je schematicky zobrazena na Obr. 1.

Endoteliální glykokalyx není prostou součástí bariéry mezi intracelulárním a extracelulárním prostorem, ale má řadu důležitých funkcí v mikrocirkulaci: mechanotransdukce (fyzikální působení krevních elementů, které glykokalyx přenáší na endotel), koagulace (váže antitrombin III či proteinové komplexy se vztahem k hemostáze), imunitní dohled (imunoglobuliny, integriny, selektiny), antioxidace (superoxiddismutáza) a interakce se sérovými proteiny (albumin – struktura glykokalyxu získává onkotický gradient) a s natriem (ovlivňuje hydrataci, náboj a tuhost glykokalyxu) [12].

Patofyziologie endoteliálního glykokalyxu

V patofyziologii EG byl prokázán vztah poškození glykokalyxu a traumatu. U závažně poraněných pacientů s hemoragickým šokem se rozvíjí tzv.„endotheliopathy of trauma“ (endoteliální dysfunkce, systémová zánětlivá reakce a koagulopatie). K poškození EG dochází časně po poranění a toto poškození se uplatňuje v patogenezi multiorgánového selhávání, které vede ke špatným výsledkům přežití polytraumatizovaných pacientů [13]. Byl také prokázán vztah mezi poškozením EG a septickým šokem, kdy je EG poškozován přímým působením heparanázy, matrix metaloproteináz (MMPs), tzv. a disintegrin and metalloproteinase (ADAMs) a také působením TNF-α [14]. Poškození EG bylo dokumentováno rovněž při ischemicko-reperfuzním poškození, a to jak při celotělové ischemii (např. při kardiogenním šoku), tak i při orgánově izolované ischemii a následné reperfuzi (renální, kardiální, jaterní, plicní či při transplantacích orgánů). U všech těchto stavů byly dokumentovány zvýšené plazmatické hladiny syndekanu-1 a heparan sulfátu – produktů degradace glykokalyxu. K poškození EG vedou i chronické stavy, jako je ateroskleróza, hypertenze a diabetes mellitus [15]. Při zkoumání vztahu poškození glykokalyxu a chirurgických výkonů byl tento vztah prokázán u výkonů hepato-pankreato-biliární chirurgie, naopak u výkonů gynekologických či obecně laparoskopických tento vztah prokázán nebyl [16]. Poškození glykokalyxu bylo dokumentováno při kardiochirurgických výkonech [17] a na malém souboru pacientů i v cévní chirurgii (operace pro infrarenálně uložené aneurysma abdominální aorty) [18].

Při in vitro experimentech s endoteliálními buňkami lidské umbilikální žíly (human umbilical vein entothelial cell, HUVEC) bylo prokázáno uspořádání první funkční vrstvy EG již po 24 hodinách [19]. Spontánní reparace EG do plné výšky je zřejmě pomalejší. Studie provedené na animálních modelech prokazují obnovení glykokalyxu do původního rozsahu až po 7 dnech. V literatuře není k dispozici dostatečná evidence pro časový průběh degradace a obnovení glykokalyxu v perioperačním období. U kardiochirurgických výkonů klesá plazmatická hladina produktů degradace glykokalyxu k normálu 24 hodin po operaci; hladina syndekanu 1 či heparan sulfátu se nedá považovat na spolehlivý marker regenerace glykokalyxu. Signifikantní je pouze vzestup sérových koncentrací uvedených molekul při jeho degradaci [20]. Uvedený stav dává příležitost zkoumání možností protekce či zrychlení obnovování glykokalyxu.

Postupy prevence poškození endoteliálního glykokalyxu

 

Prekondice ischemicko-reperfuzního poškození

Prekondice ischemicko-reperfuzního poškození je postup, při kterém krátké epizody ischemie a reperfuze navodí ochranné a adaptační mechanismy v tkáni, která je následně vystavena další (a často delší) ischemii a reperfuzi [21]. Tento princip byl poprvé publikován v polovině 80. let 20. století [22]. Následně byly prezentovány studie prováděné na animálních modelech popisující prekondici ischemie různých tkání (myokard, kosterní svalstvo, ledviny, játra) [21]. V roce 1993 byl poprvé publikován princip tzv. vzdálené prekondice ischemie (remote ischaemic preconditioning, RIPC), při kterém vzniká ochrana před ischemicko-reperfuzním poškozením tkání i ve vzdálených tkáních, které byly vystaveny iniciální krátké ischemii a reperfuzi [23]. V transplantační medicíně byl prokázán pozitivní efekt RIPC na prodloužení funkce štěpu u transplantovaných ledvin od žijícího dárce [24]. Provedené metaanalýzy však přínos principu RIPC v chirurgii obecně nepotvrzují. U pacientů, kteří podstoupili kardiochirurgický zákrok s použitím mimotělního oběhu, se neprokázalo snížení morbidity či mortality při použití principu RIPC [25]. Podobně metaanalýza prací zabývajících se použitím RIPC při rozsáhlých výkonech v cévní chirurgii či při endovaskulární léčbě neprokázala významný rozdíl proti skupině bez použití RIPC v perioperační mortalitě, ve výskytu infarktu myokardu, renální insuficience a cévních mozkových příhod. Neprokázala ani rozdíl v délce hospitalizace, v délce operačního času či v riziku ztráty končetiny [26]. Metaanalýza prací zabývajících se porovnáním operačních výkonů při vyloučení kardiochirurgických a cévních výkonů, při kterých byla použita RIPC, proti výkonům, u kterých RIPC použita nebyla, rovněž neprokázala významný rozdíl v morbiditě, v délce hospitalizace či v parametrech dokumentujících kardiální, respirační, renální či jaterní dysfunkci [27].

 

Farmakologické ovlivnění degradace endoteliálního glykokalyxu

V odborné literatuře byly publikovány práce dokumentující pozitivní účinek různých látek, které se uplatňují v prevenci poškození glykokalyxu. Mezi tyto látky jsou řazeny antioxidanty, antitrombin III, doxycyklin, hydrokortizon, etanercept (analog TNF-α) či dárci oxidu dusnatého. U antitrombinu III a hydrokortizonu bylo na modelu malého laboratorního zvířete popsáno snížení postischemické degradace EG a snížení intersticiálního edému v porovnání s kontrolní skupinou [28,29]. U doxycyklinu bylo u pacientů, kterým byl proveden kardiopulmonální bypass, dokumentováno snížení degradace EG způsobené snížením metaloproteináz [30]. Etanercept podaný před podáním endotoxinu dobrovolníkům způsobil snížení degradace EG cestou inhibice TNF-α [31]. Na modelu ischemie a reperfuze izolovaného srdce malého laboratorního zvířete byl prokázán protektivní vliv oxidu dusnatého na EG, bylo dokumentováno snížení intersticiálního edému a porušení cévní stěny koronárních arterií [32]. U uvedených molekul nebyl účinek dokumentovaný in vitro či in vivo na animálním modelu převeden do reálné praxe. Podobně také in vitro prokázaný pozitivní účinek doplňování stavebních kamenů glykokalyxu (heparan sulfát a hyaluronová kyselina) nebyl prokázán in vivo na modelu sepse [20].

Zkoumána byla také role plazmatických proteinů (např. albuminu) v ochraně glykokalyxu. Albumin se váže na glykokalyx a zajišťuje tím stabilitu konstrukce endoteliální vrstvy. Dále přenáší sfingozin-1-fosfát, který má protektivní účinek na endotel, působí jako vychytávač volných radikálů a má imunomodulační a protizánětlivý efekt. Albumin má své uplatnění při léčbě septických pacientů, u pacientů léčených pro závažné popáleniny či v určitých případech jaterní nedostatečnosti. Předpokládá se souvislost pozitivního účinku použití albuminu a obnovení funkce poškozeného glykokalyxu [33].

Na animálním modelu hemoragického šoku a resuscitace byl prokázán pozitivní účinek inhalace vodíku. Bylo dokumentováno menší poškození glykokalyxu, časnější stabilizace hemodynamických ukazatelů a vyšší krátkodobé přežití. Mechanismus účinku molekuly vodíku je zřejmě dán její antioxidační ochranou, není závislý na aktivitě xantinoxidoreduktázy, potlačuje ale uvolňování TNF-α a tím omezuje degradaci glykokalyxu a působí jako prevence endoteliální dysfunkce [34].

Další látkou, u které jsou zkoumány její účinky na EG, je sulodexid. Sulodexid je proteoglykan skládající se ze středněmolekulárního heparinu a dermatansulfátu v poměru 4:1. Sulodexid, resp. zejména jeho heparinová složka, působí antitromboticky (inhibicí faktoru Xa prostřednictvím aktivace antitrombinu III) a fibrinolyticky (stimulací uvolňování tkáňového aktivátoru plazminogenu a snížením hladiny inverzně působícího inhibitoru aktivátoru plazminogenu). Dermatan ovlivňuje uvolňování prostacyklinu a ovlivňuje heparinový kofaktor II, který zprostředkovává antikoagulační účinek. Dermatansulfát také stimuluje fibrinolýzu podobným mechanismem jako heparinová složka (stimulace uvolňování tkáňového aktivátoru plazminogenu a inhibice inhibitoru aktivátoru plazminogenu). Sulodexid vykazuje také účinek hypofibrinogenemický a lipolytický (aktivace lipoproteinové lipázy). Oba tyto účinky se podílejí na snížení viskozity plazmy [35, 36]. V současné době je indikováno použití sulodexidu v léčbě chorob žilního systému, jako jsou žilní trombóza a posttrombotický syndrom. Byl prokázán také jeho pozitivní efekt při léčbě chronické žilní insuficience [37]. Další indikací sulodexidu jsou onemocnění tepenného systému (ischemická choroba srdeční a ischemická choroba dolních končetin). Při léčbě ischemické choroby dolních končetin sulodexidem bylo prokázáno zlepšení hodnot ankle-brachial indexu a prodloužení klaudikačního intervalu [38]. Dalšími indikacemi pro použití sulodexidu je také léčba diabetické mikroangiopatie i makroangiopatie, neurologické cévní poruchy či prevence makulární degenerace.

Recentní výzkumné úsilí směřuje k prokázání protektivního a reparačního účinku sulodexidu na endotel. Na animálním modelu byl prokázán pozitivní efekt sulodexidu na renální poškození při modelování ischemicko-reperfuzního poškození. Zlepšení renální dysfunkce bylo doprovázeno snížením oxidativního stresu, zánětlivé reakce, buněčné apoptózy a aktivací antitrombinu III [39]. V dalším experimentu (poranění krkavice balonem u malého laboratorního zvířete) byl prokázán pozitivní efekt sulodexidu na reparaci endotelu prostřednictvím rekonstrukce glykokalyxu. Elektronmikroskopicky bylo prokázáno, že podávání sulodexidu 7 dní po poranění karotidy může rekonstruovat EG. Sulodexid také zvýšil množství NOS, snížil endoteliální hyperplazii a inhiboval agregaci trombocytů. Při použití sulodexidu byly také dokumentovány nižší hodnoty markerů zánětu a byl prokázán pozitivní vliv na dyslipidemii [40]. Přehledně jsou farmaka působící protektivně na EG uvedena v Tab. 1.

 

 

Tab. 1: Látky působící protektivně na endoteliální glykokalyx

Tab. 1: Agents with a protective effect on the endothelial glycocalyx

Léčivo/molekula	Model/Pacient	Efekt	Citace č.
Antitrombin III	malé laboratorní zvíře	udržení cévní bariéry, snížení intersticiálního edému	28
Doxycyklin	randomizovaná studie	snížení degradace EG inhibicí metaloproteináz	30
Hydrokortison	malé laboratorní zvíře	udržení cévní bariéry, snížení intersticiálního edému	29
Etanercept	pacienti, resp. dobrovolníci	snížení degradace EG cestou inhibice TNF alfa	31
Dárci oxidu dusnatého	srdce malého laboratorního zvířete	udržení cévní bariéry, snížení intersticiálního edému	32
Heparan sulfát a hyaluronová kyselina	malé laboratorní zvíře	rekonstrukce struktury EG	20
Albumin	malé laboratorní zvíře	stabilita endotelu, vychytávač volných radikálů	33
Vodík	malé laboratorní zvíře	antioxidační ochrana, inhibice uvolňování TNF alfa	34
Sulodexid	malé laboratorní zvíře	rekonstrukce EG, snížení oxidativního stresu, zvýšení NOS	39, 40

 

 

ZÁVĚR

Recentní výzkumy přinášejí příslib pozitivního efektu endotelprotektiv na prevenci ischemicko-reperfuzního poškození. Prostor pro další zkoumání se otevírá směrem k zavedení uvedených léčiv do běžné praxe prokázáním jejich účinku na endotel prostřednictvím reparace EG při ischemicko-reperfuzním poškození na modelu velkého laboratorního zvířete a také při klinické studii u pacientů podstupujících cévně rekonstrukční výkon.

 

Podpořeno MO 1012. Konflikt zájmů

Autoři článku prohlašují, že nejsou v souvislosti se vzni-

kem tohoto článku ve střetu zájmů a že tento článek nebyl publikován v žádném jiném časopise, s výjimkou kongresových abstrakt a doporučených postupů.

MUDr. Luděk Hána, MBA
Chirurgická klinika 2. LF UK a ÚVN
e-mail: ludek.hana@uvn.cz
ORCID: 0000-0003-0348-2298