Откриване на хомоцистеиновата теория на атеросклерозата

Американският биохимик Винсент Дю Виньо открива нова аминокиселина през 1932 г. чрез обработка на метионин със сярна киселина. Структурата на тази аминокиселина е подобна на цистеин, с изключение на един допълнителен въглероден атом, откъдето идва и името хомоцистеин. Последващо изследване установява ролята на хомоцистеина като междинен продукт в реакциите на метаболизъм и трансметилиране на сярна аминокиселина. Малко се знае обаче за биомедицинското значение на хомоцистеина до 1962 г., когато са открити деца с умствена изостаналост, ускорен растеж, остеопороза, изкълчени очни лещи и честа тромбоза на артерии и вени, които отделят хомоцистеин в урината.

заболявания

Повечето деца с хомоцистинурия имат дефицит на ензима цистатионин синтаза, пиридоксал фосфат-зависим ензим, който катализира синтеза на цистатионин от хомоцистеин и серин. Поради този ензимен дефицит хомоцистеинът и метионинът се натрупват до високи нива в плазмата и хомоцистинът, дисулфидният димер на хомоцистеина, се екскретира с урината. В преглед от 1969 г. на архивен случай на хомоцистинурия при осемгодишно момче, публикуван първоначално през 1933 г., е установено, че причината за смъртта е масивен инсулт в резултат на каротидна артериосклероза и тромбоза. Освен това бе установено, че артериосклеротичните плаки се разпръскват през артериите към основните органи на тялото, което предполага възможна връзка между хомоцистеина и атерогенезата.

Както е формулирана през периода от 1969 до 1975 г., хомоцистеиновата теория на артериосклерозата предполага повишаването на нивата на хомоцистеин в кръвта като ключов фактор за производството на съдови заболявания в общата популация. Недостатъчният хранителен прием на витамини от група В фолиева киселина, витамин В6 и витамин В12 води до повишаване на нивата на хомоцистеин в кръвта. Хранителната достатъчност на В6 и фолат е недостатъчна при популации, консумиращи преработени храни, тъй като тези чувствителни витамини се унищожават от топлина, смилане на зърнени храни, извличане на захар или масла, химически добавки и други традиционни методи за преработка на храни. Диетичният B12 обикновено е достатъчен и този витамин е стабилен при повечето форми на преработка на храни. Въпреки това, недостатъчната абсорбция на B12 може да се превърне в проблем при възрастни хора поради загуба на стомашна киселина и вътрешен фактор, което води до повишени нива на хомоцистеин в кръвта.

Единственият източник на хомоцистеин е от метаболизма на основната аминокиселина, метионин, в черния дроб. Протеините от животински храни съдържат около два до три пъти повече метионин, отколкото протеините от растителни храни. Метаболитната регулация от пиридоксал фосфат, метилтетрахидрофолат и метилкобаламин контролира производството на хомоцистеин от метионин. Пресните плодове и зеленчуци съдържат изобилие от пиридоксин и фолиева киселина, а популациите, консумиращи тези храни, имат по-ниски нива на хомоцистеин и по-ниски нива на сърдечни заболявания, отколкото популациите, консумиращи преработени храни, които имат недостиг на тези витамини. Единствените хранителни източници на витамин В12 са храни от животински произход, като месо, риба и млечни храни. Веганите, които не консумират месо или млечни храни, имат по-високи нива на хомоцистеин в сравнение с тези, които консумират тези храни. Недостигът на диетичен витамин В6 причинява повишаване на хомоцистеина в кръвта след хранене, съдържащо протеин, а дефицитът на фолиева киселина или витамин В12 води до повишаване на нивата на хомоцистеин на гладно.

Диетичният протеин също е фактор за контрол на нивата на хомоцистеин в кръвта. Недостигът на хранителни протеини води до повишаване на хомоцистеина в кръвта, а повишеният хранителен протеин води до по-ниски нива на хомоцистеин. Тези ефекти се медиират от аденозил метионин, метаболитен регулатор на метаболизма на метионин, който се синтезира от диетичния метионин в черния дроб. Диетичният холин, съставен от пшеничен зародиш, зеленчуци, меса, черен дроб, яйца и морски дарове, се превръща в бетаин за превръщане на хомоцистеин в метионин в черния дроб чрез ензима бетаин хомоцистеин трансметилаза. Дневната нужда от диетичен холин е около 550 mg на ден. Бетаинът, съставен от пшеничен зародиш, спанак, цвекло, черен дроб и морски дарове, понижава плазмения хомоцистеин в дози от 1 g или повече на ден.

Хомоцистеин и атерогенеза

Експериментите със зайци, бабуини и свине показват, че инжектирането или храненето на хомоцистеин причинява артериосклеротични плаки в аортата и периферните артерии. Високите дози причиняват видни плаки, които много наподобяват фиброзните плаки, открити при човешка артериосклероза и при хомоцистинурия. Някои от животните развиват венозна тромбоза и белодробна емболия, аномалии, които се откриват при пациенти с хомоцистинурия. Храненето с мазнини и холестерол на животни, инжектирани с хомоцистеин, води до фибролипидни плаки с видно отлагане на липиди. Молекулярната основа за производство на артериосклеротични плаки е свързана с ефекта на хомоцистеина върху клетъчната дегенерация, увреждането на артериалната интима, клетъчния растеж, образуването на съединителна тъкан, отлагането на липопротеини в плаките и засилената коагулация на кръвта. Във всеки от тези критични процеси в атерогенезата хомоцистеинът играе ключова роля.

Експериментите с клетъчни култури, взети от кожата на дете с хомоцистинурия, показват, че анормален агрегиран извънклетъчен матрикс е резултат от свързването на излишния сулфат с макромолекулите. В тези клетъчни култури биохимичните експерименти демонстрират нов път за превръщане на хомоцистеин в сулфат, медииран от тиоретинамид, амид, образуван от хомоцистеин тиолактон и ретиноева киселина (витамин А киселина). Отлагането на сулфатиран извънклетъчен матрикс е характерна особеност на ранните развиващи се артериосклеротични плаки.

Друга характеристика на ранните плаки е фрагментацията и дегенерацията на еластични влакна. Хомоцистеинът активира ензима еластаза в артериите, причинявайки фрагментация на вътрешната еластична мембрана. Хомоцистеинът също така кара култивираните гладки мускулни клетки да произвеждат излишен колаген, обяснявайки фиброзата, характерна за човешките и експерименталните плаки. Също така, артериалните гладкомускулни клетки се размножават в плаки, тъй като хомоцистеинът активира циклини, сигнализирайки протеини, които медиират клетъчното делене. Хомоцистеинът участва в скелетния растеж, като освобождава инсулиноподобен растежен фактор и увеличава сулфатирането на епифизарния хрущял на животните, обяснявайки ускорения растеж на скелета при деца с хомоцистинурия и растежа на гладкомускулните клетки при развитието на артериосклеротични плаки.

Началната фаза в образуването на артериосклеротични плаки включва увреждане на ендотелните и интимни клетки, причинявайки клетъчна смърт и възпалителна реакция в артериалната стена. Хомоцистеин тиолактонът причинява възпаление, клетъчна смърт, интраваскуларна коагулация и пролиферация на строма и епител с дисплазия, когато се прилага върху кожата на мишки. Тези възпалителни, пролиферативни и протромботични ефекти могат да бъдат свързани с повишен оксидантен стрес в клетките, засегнати от хомоцистеин.

Липопротеините, включително липопротеините с ниска плътност (LDL) и липопротеините с висока плътност (HDL), съдържат хомоцистеин, който е свързан с апоВ протеин чрез пептидни връзки. Съотношението на хомоцистеин в LDL към хомоцистеин в HDL е по-високо при пациенти с хиперхолестеролемия, отколкото при нормалните контроли. Реакцията на хомоцистеин тиолактон с нормален човешки LDL in vitro причинява повишена плътност, повишена електрофоретична подвижност, агрегация и утаяване на LDL частици. Тези хомоцистеинилирани LDL частици се поемат от култивирани човешки макрофаги, за да образуват пенообразни клетки, ключов процес в атерогенезата. Отлагането на холестерол и липиди във фибролипидните артериосклеротични плаки вероятно се случва чрез подобен процес in vivo.

Епидемиологични и наблюдателни доказателства

Първото човешко проучване на хомоцистеин при съдови заболявания през 1976 г. показва, че пероралният метионин причинява повишени нива на хомоцистин и хомоцистеин цистеин дисулфид в плазмата на пациенти с коронарна болест на сърцето (ИБС). Много последващи проучвания показват, че хората с коронарна, мозъчна или периферна артериосклероза имат повишени нива на хомоцистеин в кръвта си. При пациенти с ранно начало на артериосклероза, повишаването на хомоцистеина е по-мощен рисков фактор от повишаването на холестерола и е подобно по сила на ефекта от тютюнопушенето. Европейското проучване за съгласувани действия показа, че повишаването на хомоцистеина в кръвта усилва ефекта на хипертонията, тютюнопушенето и повишаването на холестерола върху сърдечно-съдовия риск. Проучването на хомоцистеин Hordaland показа, че нивата на хомоцистеин са свързани с множество известни рискови фактори за ИБС, като пушене, липса на упражнения, увеличаване на възрастта, липса на диетични плодове и зеленчуци, мъжки пол, постменопаузален статус, хипертония, сърдечна хипертрофия и излишно кафе консумация.

Проучването на Framingham Heart показва, че нивата на хомоцистеин при пациенти в напреднала възраст са свързани с диетичен дефицит на витамин В6 или фолат или с намалена абсорбция на витамин В12. Около две трети от участниците са имали недостиг на един от тези три витамини от група В, което е довело до повишаване на хомоцистеина в кръвта. Установено е, че степента на каротидната артериосклероза корелира с нивото на хомоцистеин в кръвта при тези участници. Здравното проучване на лекарите показа, че лекарите с повишени нива на хомоцистеин имат повишен риск от инфаркт на миокарда за период от пет години. Ретроспективните и най-перспективните проучвания показват корелация между нивата на хомоцистеин и риска от сърдечно-съдови заболявания.

Метанализите от тези проучвания предполагат, че повишаването на хомоцистеина в кръвта е отговорно за поне 10% от смъртността в САЩ от сърдечно-съдови заболявания и че понижаването на нивото на хомоцистеин в населението с 3 bym на литър ще намали риска от коронарна болест с 16 %, дълбока венозна тромбоза с 25% и инсулт с 24%.

Проучването Nutrition Canada показа, че ниското плазмено ниво на фолиева киселина е свързано с повишен риск от смъртност от ИБС. Здравното проучване на медицинските сестри показа, че намаленият хранителен фолат или витамин В6 е свързан с повишен сърдечно-съдов риск от смъртност и заболеваемост. Диетичният прием на по-малко от 3 mg на ден B6 или по-малко от 350 mg на ден фолиева киселина значително увеличава сърдечно-съдовия риск. Третото проучване на националното изследване на здравето и храненето показва, че повишеното ниво на хомоцистеин в плазмата е свързано с повишен риск от инфаркт на миокарда. Проучванията за оцеляване от Орегон и Израел показват, че повишаването на хомоцистеина в кръвта е пряко свързано с риска от смъртност. Проучването в Берген показва, че преживяемостта на пациенти с ИБС е обратно свързана с нивата на хомоцистеин в кръвта. Финландското проучване на съхранени кръвни проби от 70-те години показва, че смъртността от сърдечно-съдови заболявания е пряко свързана с нивата на хомоцистеин в различните страни. Страни с нива на хомоцистеин под 8╬╝m/l, като Франция, Испания и Япония, имат значително по-нисък риск от смъртност, отколкото страни с нива от 10-11╬╝m/l, като Финландия, Германия и Ирландия.