Функциональное состояние митохондрий при хронических респираторных заболеваниях

Введение. Хронические респираторные заболевания относятся к одним из наиболее распространенных типов неинфекционных заболеваний и являются важной проблемой современности. Индукция процессов окислительного стресса, хронического воспаления и гипоксии, которые лежат в основе патогенеза хронических заболеваний бронхолегочной системы, на клеточно-молекулярном уровне может быть детерминирована нарушением функционирования митохондрий.

Цель. Настоящий обзор посвящен перспективам оценки функционального состояния митохондрий, как чувствительного показателя течения хронических респираторных заболеваний. Результаты. Проанализированы данные отечественных и зарубежных источников о важнейших параметрах функционирования митохондрий в норме и при хронической бронхолегочной патологии. Показано, что митохондрии проявляют высокую чувствительность к изменению как экзо-, так и эндогенного гомеостаза. Функциональные параметры митохондрий, уровень митохондриальных активных форм кислорода, митохондриальный мембранный потенциал и жирнокислотный состав мембран митохондрий могут быть использованы как диагностические и прогностические критерии при хронических респираторных заболеваниях. Данные, представленные в обзоре, свидетельствуют о необходимости проведения дальнейших исследований функционального состояния митохондрий при хронической бронхолегочной патологии.

1. WHO. Chronic respiratory diseases (asthma, COPD). 15 July 2019. https://www.who.int/westernpacific/healthtopics/chronic-respiratory-diseases

2. Global initiative for Asthma. Global Strategy for Asthma Management and Prevention. 2021. http://www.ginasthma.org

3. Global initiative for Chronic Obstructive Lung Disease. Global Strategy for the Diagnosis, Management, and Prevention of Chronic Obstructive Pulmonary Disease. 2021. http://www.goldcopd.org

4. Прозоровская Ю.И., Костюшок Н.Я., Голубцова Г.А., Павлюченко И.И., Гусарук Л.Р. Особенности метаболических сдвигов у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких различного фенотипа // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. №8-2(110). С.123−129. https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.110.8.060

5. Zhou W.C., Qu J., Xie S.Y., Sun Y., Yao H.W. Mitochondrial Dysfunction in Chronic Respiratory Diseases: Implications for the Pathogenesis and Potential Therapeutics // Oxid. Med. Cell. Longev. 2021. Vol.2021. Article number: 5188306. https://doi.org/10.1155/2021/5188306

6. Haji G., Wiegman C.H., Michaeloudes C., Patel M.S., Curtis K., Bhavsar P., Polkey M.I., Adcock I.M., Chung K.F. Mitochondrial dysfunction in airways and quadriceps muscle of patients with chronic obstructive pulmonary disease // Respir. Res. 2020. Vol.21, Iss.1. Article number: 262. https://doi.org/10.1186/s12931-020-01527-5

7. Mitochondrial Medicine. Mitochondrial Metabolism, Diseases, Diagnosis and Therapy / ed. by A.Gvozdjáková. Springer, 2008. 446 p. ISBN: 978-1-4020-6714-3

8. Scheffler I.E. Mitochondria. 2nd ed. NY: A John Wiley & Sons Inc., 2008. 480 p. ISBN: 978-0-470-04073-7

9. Mitochondria in Health and Disease.1st ed. / ed. by C.D.Berdanier.� Boca Raton: Taylor and Francis CRC Press, 2005. 640 p. ISBN: 0-8247-5442-5

10. Aghapour M., Remels A.H.V., Pouwels S.D., Bruder D., Hiemstra P.S., Cloonan S.M., Heijink I.H. Mitochondria: at the crossroads of regulating lung epithelial cell function in chronic obstructive pulmonary disease // Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. 2020. Vol.318, Iss.1. P.149–164. https://doi.org/10.1152/ajplung.00329.2019

11. Caldeira D.A.F., Weiss D.J., Rocco P.R.M., Silva P.L., Cruz F.F. Mitochondria in Focus: From Function to Therapeutic Strategies in Chronic Lung Diseases // Front. Immunol. 2021. Vol.12. Article number: 782074. doi: 10.3389/fimmu.2021.782074

12. Cloonan S.M, Kim K., Esteves P., Trian T., Barnes P.J. Mitochondrial Dysfunction in Lung Ageing and Disease // Eur. Respir. Rev. 2020. Vol.29, Iss.157. Article number: 200165. https://doi.org/10.1183/16000617.0165-2020

13. Андреев А.Ю., Кушнарева Ю.Е., Старкова Н.Н., Старков А.А. От метаболизма к иммунитету: АФК и другие сигналы // Биохимия. 2020. Т.85. №12. С.1939–1960. https://doi.org/10.31857/S0320972520120167

14. Zorov D.B., Juhaszova M., Sollott S.J. Mitochondrial reactive oxygen species (ROS) and ROS-induced ROS release // Physiol. Rev. 2014. Vol.94, Iss.3. P.909 950. https://doi.org/10.1152/physrev.00026.2013

15. Dard L., Blanchard W., Hubert C., Lacombe D. Rossignol R. Mitochondrial functions and rare diseases // Mol. Aspects Med. 2020. Vol.71. Article number: 100842. https://doi.org/10.1016/j.mam.2019.100842

16. Cloonan S.M., Choi A.M. Mitochondria in lung disease // J. Clin. Invest. 2016. Vol.126, Iss.3. P.809–820. https://doi.org/10.1172/JCI81113

17. Sena L.A., Li S., Jairaman A., Prakriya M., Ezponda T., Hildeman D.A., Wang C.R., Schumacker P.T., Licht J.D., Perlman H., Bryce P.J., Chandel N.S. Mitochondria are required for antigen-specific T cell activation through reactive oxygen species signaling // Immunity. 2013. Vol.38, Iss.2. P.225–236. https://doi.org/10.1016/j.immuni.2012.10.020

18. Okoye I., Wang L., Pallmer K., Richter K., Ichimura T., Haas R., Crouse J., Choi O., Heathcote D., Lovo E., Mauro C., Abdi R., Oxenius A., Rutschmann S., Ashton-Rickardt P.G. The protein LEM promotes CD8⁺ T cell immunity through effects on mitochondrial respiration // Science. 2015. Vol.348, Iss.6238. P.995–1001. https://doi.org/10.1126/science.aaa7516

19. Berod L., Friedrich C., Nandan A., Freitag J., Hagemann S., Harmrolfs K., Sandouk A., Hesse C., Castro C.N., Bähre H., Tschirner S.K., Gorinski N., Gohmert M., Mayer C.T., Huehn J., Ponimaskin E., Abraham W.R., Müller R., Lochner M., Sparwasser T. De novo fatty acid synthesis controls the fate between regulatory T and T helper 17 cells // Nat. Med. 2014. Vol.20, Iss.11. P.1327–1333. https://doi.org/10.1038/nm.3704

20. Weinberg S.E., Sena L.A., Chandel N.S. Mitochondria in the regulation of innate and adaptive immunity // Immunity. 2015. Vol.42, Iss.3. P.406 417. https://doi.org/10.1016/j.immuni.2015.02.002

21. Gill T., Levine A.D. Mitochondria-derived hydrogen peroxide selectively enhances T cell receptor-initiated signal transduction // J. Biol. Chem. 2013. Vol.288, Iss.36. P.26246 26255. https://doi.org/10.1074/jbc.M113.476895

22. Chodaczek G., Bacsi A., Dharajiya N., Sur S., Hazra T.K., Boldogh I. Ragweed pollen-mediated IgE-independent release of biogenic amines from mast cells via induction of mitochondrial dysfunction // Mol. Immunol. 2009. Vol.46, Iss.13. P.2505–2514. https://doi.org/10.1016/j.molimm.2009.05.023

23. Антонюк М.В., Минеева Е.Е., Кнышова В.В., Юренко А.В., Виткина Т.И., Новгородцева Т.П., Гвозденко Т.А. Особенности иммунного ответа при фенотипах хронической обструктивной болезни // Медицинская иммунология. 2022. Т.24, №1. С.109–120. https://doi.org/10.15789/1563-0625-FOI-2321

24. Sidletskaya K.A., Vitkina T.I., Denisenko Y.K., Mineeva E.E. Role of Toll-Like Receptor 2 in Regulation of THelper Immune Response in Chronic Obstructive Pulmonary Disease // Can. Respir. J. 2021. Vol.2021. Article number: 5596095. https://doi.org/10.1155/2021/5596095

25. Vitkina T., Sidletskaya K., Denisenko Yu. Expression of CD282+/CD284+ on blood granulocytes and its relationship to cytokine status in patients with stable chronic obstructive pulmonary disease // Eur. Respir. J. Supplement. 2021. Vol.58, Iss.S65. PA3423.

26. Калинина Е.П., Виткина Т.И., Кнышова В.В., Федосеева Е.А., Новгородцева Т.П., Гвозденко Т.А. Клиникоиммунологическое сопоставление при Th-зависимых механизмах иммунного ответа у больных хронической обструктивной болезнью легких // Медицинская иммунология. 2018. Т.20, №6. С.855–864. https://doi.org/10.15789/1563-0625-2018-6-855-864

27. Kalinina E., Denisenko Y., Vitkina T., Lobanova E., Novgorodtseva T., Antonyuk M., Gvozdenko T., Knyshova V., Nazarenko A. The Mechanisms of the Regulation of Immune Response in Patients with Comorbidity of Chronic Obstructive Pulmonary Disease and Asthma // Can. Respir. J. 2016. Vol. 2016. Article number: 4503267. https://doi.org/10.1155/2016/4503267

28. Денисенко Ю.К., Виткина Т.И., Кондратьева Е.В., Жукова Н.В., Назаренко А.В. Модификация состава жирных кислот мембран митохондрий тромбоцитов у больных хроническим необструктивным бронхитом // Здоровье. Медицинская экология. Наука. 2014. №2(56). С. 59-61. URL: http://yadi.sk/d/OzhZjBl8SaPYj

29. Денисенко Ю.К., Виткина Т.И., Новгородцева Т.П., Кондратьева Е.В., Жукова Н.В., Борщев П.В. Спектр жирных кислот мембран митохондрий тромбоцитов больных хроническим необструктивным бронхитом // Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2013. Вып.50. С.34–38.

30. Денисенко Ю.К., Новгородцева Т.П., Виткина Т.И., Антонюк М.В., Бочарова Н.В. Состав жирных кислот мембран митохондрий тромбоцитов при хронических заболеваниях органов дыхания // Клиническая медицина. 2018. Т.96, №4. С.343–347. https://doi.org/10.18821/0023-2149-2018-96-4-343-347

31. Денисенко Ю.К., Новгородцева Т.П., Виткина Т.И., Антонюк М.В., Жукова Н.В. К вопросу о митохондриальной дисфункции при хронической обструктивной болезни легких // Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2016. Вып.60. С.28–33. https://doi.org/10.12737/20048

32. Денисенко Ю.К., Новгородцева Т.П., Виткина Т.И., Жукова Н.В., Гвозденко Т.А., Кнышова В.В. Ответная реакция митохондрий тромбоцитов и лейкоцитов здоровых людей на воздействие микрочастиц атмосферного воздуха // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2019. Т.105, №1. С.111–120. https://doi.org/10.1134/S0869813919010023

33. Денисенко Ю.К., Новгородцева Т.П., Кондратьева Е.В., Жукова Н.В., Антонюк М.В., Кнышова В.В., Минеева Е.Е. Морфофункциональное состояние митохондрий клеток крови при бронхиальной астме // Клиническая медицина. 2015. Т.93, №10. С.47–51.

34. Кондратьева Е.В., Лобанова Е.Г. Влияние озона на мембранный потенциал митохондрий тромбоцитов // Медицинский альманах. 2013. №3(27). С.58–59. EDN: RHDCZZ

35. Лобанова Е.Г., Кондратьева Е.В. Определение мембранного потенциала митохондрий в лейкоцитарной взвеси методом флюоресцентной спектроскопии // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2014. Т.157, №2. С.258–261.

36. Лобанова Е.Г., Кондратьева Е.В., Минеева Е.Е., Караман Ю.К. Мембранный потенциал митохондрий тромбоцитов у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких // Клиническая лабораторная диагностика. 2014. №6. С.13–16.

37. Golokhvast K., Vitkina T., Gvozdenko T., Kolosov V., Yankova V., Kondratieva E., Gorkavaya A., Nazarenko A., Chaika V., Romanova T., Karabtsov A., Perelman J., Kiku P., Tsatsakis A. Impact of atmospheric microparticles on the development of oxidative stress in healthy city/industrial seaport resident // Oxid. Med. Cell. Longev. 2015. Vol. 2015. Article number: 412173. https://doi.org/10.1155/2015/412173

38. Zorova L.D., Popkov V.A., Plotnikov E.Y., Silachev D.N., Pevzner I.B., Jankauskas S.S., Babenko V.A., Zorov S.D., Balakireva A.V., Juhaszova M., Sollott S.J., Zorov D.B. Mitochondrial membrane potential // Anal. Biochem. 2018. Vol.552. P.50–59. https://doi.org/10.1016/j.ab.2017.07.009

39. Teodoro J., Palmeira C.M., Rolo A.P. Mitochondrial Membrane Potential (ΔΨ) Fluctuations Associated with the Metabolic States of Mitochondria // Methods Mol. Biol. 2018. Vol.1782. Article number: 109–119. https://doi.org/10.1007/978-1-61779-382-0_6

40. Bagkos G., Koufopoulos K., Piperi C. A new model for mitochondrial membrane potential production and storage // Med. Hypotheses. 2014. Vol.83, Iss.2. P.175–181. https://doi.org/10.1016/j.mehy.2014.05.001

41. Zhou T., Hu Y., Wang Y., Sun C., Zhong Y., Liao J., Wang G. Fine particulate matter (PM2.5) aggravates apoptosis of cigarette-inflamed bronchial epithelium in vivo and vitro // Environ. Pollut. 2019. Vol.248. P.1–9. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.11.054

42. Хроническая обструктивная болезнь легких. Федеральные клинические рекомендации. М.: Министерство здравоохранения Российской Федерации, 2021. 94 с. URL: https://cr.minzdrav.gov.ru/schema/603_2

43. Tulen C.B.M., Snow S.J., Leermakers P.A., Kodavanti U.P., van Schooten F.J., Opperhuizen A., Remels A.H.V. Acrolein inhalation acutely affects the regulation of mitochondrial metabolism in rat lung // Toxicology. 2022. Vol.469. Article number: 153129. https://doi.org/10.1016/j.tox.2022.153129

44. Hara H., Araya J., Ito S., Kobayashi K., Takasaka N., Yoshii Y., Wakui H., Kojima J., Shimizu K., Numata T., Kawaishi M., Kamiya N., Odaka M., Morikawa T., Kaneko Y., Nakayama K., Kuwano K. Mitochondrial fragmentation in cigarette smoke-induced bronchial epithelial cell senescence // Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. 2013. Vol.305, Iss.10. P.L737–746. https://doi.org/10.1152/ajplung.00146.2013

45. Hoffmann R.F., Zarrintan S., Brandenburg S.M., Kol A., de Bruin H.G., Jafari S., Dijk F., Kalicharan D., Kelders M., Gosker H.R., Ten Hacken N.H., van der Want J.J., van Oosterhout A.J., Heijink I.H. Prolonged cigarette smoke exposure alters mitochondrial structure and function in airway epithelial cells // Respir. Res. 2013. Vol.14, Iss.1. Article number: 97. https://doi.org/10.1186/1465-9921-14-97

46. Ahmad T., Sundar I.K., Lerner C.A., Gerloff J., Tormos A.M., Yao H., Rahman I. Impaired mitophagy leads to cigarette smoke stress-induced cellular senescence: implications for chronic obstructive pulmonary disease // FASEB J. 2015. Vol.29, Iss.7. P.2912–2929. https://doi.org/10.1096/fj.14-268276

47. Mao J., Li Y., Li S., Li J., Tian Y., Feng S., Liu X., Bian Q., Li J., Hu Y., Zhang L., Ji H. Bufei Jianpi Granules Reduce Quadriceps Muscular Cell Apoptosis by Improving Mitochondrial Function in Rats with Chronic Obstructive Pulmonary Disease // Evid. Based Complement. Alternat. Med. 2019. Vol.2019. Article number: 1216305. https://doi.org/10.1155/2019/1216305

48. Kosmider B., Lin C.R., Karim L., Tomar D., Vlasenko L., Marchetti N., Bolla S., Madesh M., Criner G.J., Bahmed K. Mitochondrial dysfunction in human primary alveolar type II cells in emphysema // EBioMedicine. 2019. Vol.46. P.305–316. https://doi.org/10.1016/j.ebiom.2019.07.063

49. Wiegman C.H., Michaeloudes C., Haji G., Narang P., Clarke C.J., Russell K.E., Bao W., Pavlidis S., Barnes P.J., Kanerva J., Bittner A., Rao N., Murphy M.P., Kirkham P.A., Chung K.F., Adcock I.M. COPDMAP. Oxidative stress-induced mitochondrial dysfunction drives inflammation and airway smooth muscle remodeling in patients with chronic obstructive pulmonary disease // J. Allergy Clin. Immunol. 2015. Vol.136, Iss.3. Р.769–780. https://doi.org/10.1016/j.jaci.2015.01.046

50. Wu K., Luan G., Xu Y., Shen S., Qian S., Zhu Z., Zhang X., Yin S., Ye J. Cigarette smoke extract increases mitochondrial membrane permeability through activation of adenine nucleotide translocator (ANT) in lung epithelial cells // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2020. Vol. 525, Iss.3. P.733–739. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2020.02.160

51. Бронхиальная астма. Федеральные клинические рекомендации. М.: Министерство здравоохранения Российской Федерации, 2021. 114 с. URL: https://spulmo.ru/upload/rekomendacyi_bronh_astma_21_23.pdf

52. Li M., Shang Y-X. Ultrastructural Changes in Rat Airway Epithelium in Asthmatic Airway Remodeling // Pathol. Res. Pract. 2014. Vol.210, Iss.12. P.1038–1042. https://doi.org/10.1016/j.prp.2014.03.010

53. Mabalirajan U., Dinda A.K., Kumar S., Roshan R., Gupta P., Sharma S.K., Ghosh B. Mitochondrial structural changes and dysfunction are associated with experimental allergic asthma // J. Immunol. 2008. Vol.181, Iss.5. P.3540–3548. https://doi.org/10.4049/jimmunol.181.5.3540

54. Hough K.P., Trevor J.L., Strenkowski J.G., Wang Y., Chacko B.K., Tousif S., Chanda D., Steele C., Antony V.B., Dokland T., Ouyang X., Zhang J., Duncan S.R., Thannickal V.J., Darley-Usmar V.M., Deshane J.S. Exosomal transfer of mitochondria from airway myeloid-derived regulatory cells to T cells // Redox Biol. 2018. Vol.18. P.54–64. https://doi.org/10.1016/j.redox.2018.06.009

55. Ederlé C., Charles A.L., Khayath N., Poirot A., Meyer A., Clere-Jehl R., Andres E., De Blay F., Geny B. Mitochondrial Function in Peripheral Blood Mononuclear Cells (PBMC) Is Enhanced, Together with Increased Reactive Oxygen Species, in Severe Asthmatic Patients in Exacerbation // J. Clin. Med. 2019. Vol.8, Iss.10. Article number: 1613. https://doi.org/10.3390/jcm8101613

56. Liu H., Tao S., Ma H., Jin J., Jing J., Yao L., Ma X., Li F. Functional changes of airway epithelial cells and mitochondria in rat models of asthenic lung and phlegm blocking combined with cough variant asthma // Exp. Ther. Med. 2018. Vol.16, Iss.6. P.5021–5024. https://doi.org/10.3892/etm.2018.6863

57. Ramakrishnan R.K., Bajbouj K., Hachim M.Y., Mogas A.K., Mahboub B., Olivenstein R., Hamoudi R., Halwani R., Hamid Q. Enhanced mitophagy in bronchial fibroblasts from severe asthmatic patients // PLoS One. 2020. Vol.15, Iss.11. Article number: e0242695. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0242695

58. Хронический бронхит. Клинические рекомендации (утв. Минздравом России). М., 2021. 42 с. URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_393821/