Význam glykokalyxu v chirurgii

Souhrn

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

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