The importance of glycocalyx in the development of pathology of the cardiovascular system

• Yuriy L. Shevchenko
• Stoyko Y.
• Artyr M. Melkumyants
• Viktor G. Gudymovich
• Maxim N. Yashkin

Abstract

The review article presents data on the structural organization of the endothelial glycocalyx and its function in health and endothelial dysfunction accompanying circulatory system pathology. Particular attention is paid to the possibilities and peculiarities of its visualization using various techniques, as well as modern trends in correcting disorders of its function and structure.

Funding. The study had no financial support.

Conflict of interest. The authors declare no conflicts of interest.

Authors’ contribution. Study conception and design – Stoiko Yu.M., Melkumyants A.M.; data collection and handling – Stoiko Yu.M., Gudymovich V.G., Yashkin M.N.; statistical processing – Yashkin M.N., Gudymovich V.G.; draft manuscript preparation – Melkumyants A.M., Gudymovich V.G.; manuscript revision – Shevchenko Yu.L., Stoiko Yu.M.

For citation: Shevchenko Yu.L., Stoiko Yu.M., Melkumyants A.M., Gudymovich V.G., Yashkin M.N. The importance of glycocalyx in the development of pathology of the cardiovascular system. Angiology and Vascular Surgery. Journal named after Academician A.V. Pokrovsky. 2025; 31 (1): 7–18. DOI: https://doi.org/10.33029/1027-6661-2025-31-1-7-18

Keywords:  glycocalyx; endothelial cell; endothelial dysfunction; cardiovascular diseases; sulodexide

Введение

Общепринято, что практически вся хроническая сосудистая патология дебютирует нарушением нормального функционирования эндотелия. Эндотелиальная дисфункция является ключевым звеном в патогенезе атеросклероза и, как следствие, в патогенезе большинства заболеваний сердечно-сосудистой системы.

Такие представления, однако, были не всегда. До 1980 г. эндотелий представлялся некоей "целлофановой пленкой", покрывавшей все поверхности, контактирующие с кровью, и препятствующей внутрисосудистому тромбообразованию и выходу форменных элементов из сосудистого русла. Правда, такого мнения придерживались не все. Например, нобелевский лауреат лорд H. Florey еще в 1966 г. предположил, что в ближайшее время предстоит кардинальный пересмотр представлений о роли и функции эндотелия [1], а американский биомеханик и физиолог S. Rodbard в 1960-1970-х годах неодно­кратно указывал на возможную роль эндотелия в регуляции гладкомышечного тонуса артерий при изменениях в них кровотока [2-4].

Такие предположения были вполне естественны, если учитывать тот факт, что эндотелиальные клетки расположены между текущей кровью и сосудистыми гладкими мышцами и могут (или даже должны) служить интерфейсом между просветом сосуда и структурами сосудистой стенки. Однако все эти предположения до 1980 г. оставались лишь не подкрепленными экспериментально фантазиями наиболее дальновидных исследователей.

Представления о роли эндотелия в функционировании сердечно-сосудистой системы кардинально изменились в 1980 г. после появления ставшей классической работы R.F. Furchgott и J.V. Zawadzki [5], которые показали, что расслабление гладких мышц аорты кролика при действии ацетилхолина возможно только при наличии интактного эндотелия. Авторы доказали, что в ответ на действие ацетилхолина клетки эндотелия выделяют некий агент (EDRF - endothelium-derived relaxant factor), расслабляющий гладкие мышцы. После этой работы в течение короткого времени стало ясно, что эндотелий опосредует расслабление гладких мышц в ответ на большинство вазодилататорных агентов [6], а также на повышение скорости кровотока [7, 8]. В 1987 г. установлено, что производимый клетками эндотелия расслабляющий гладкие мышцы агент представляет собой оксид азота [9, 10]. Так, на протяжении менее чем одного десятилетия сформировалось новое представление о роли эндотелия в функционировании сосудистой системы. Произошла трансформация взгляда на этот слой сосудистой стенки - от "покровного механического слоя" до "глобальной эндокринной системы". В результате казавшийся необычным термин "эндотелиальная дисфункция" прочно вошел в научные и клинические работы.

Этапы развития представлений о роли эндотелиального гликокаликса

Спустя непродолжительное время после выявления регуляторной функции эндотелия ряд косвенных фактов заставил предположить, что для реализации тех функций, которые приписывали исключительно эндотелию, нужна еще какая-то вспомогательная структура. И некоторые наблюдения [7, 11, 12] наводили на мысль, что этой структурой может быть эндотелиальный гликокаликс. Вообще гликокаликс представляет собой внеклеточный матрикс, сеть, образованную олигосахаридными цепями мембранных гликолипидов и гликопротеинов. Гликокаликс покрывает плазматические мембраны практически всех эукариотических клеток, и, естественно, эндотелиоциты не являются исключением.

Первым еще в 1940 г. на возможную роль эндотелиального гликокаликса в регуляции трансмурального транспорта указал J.F. Danielli [13], изучавший развитие отека у лягушек. Однако гликокаликс эндотелиоцитов невозможно было визуализировать с помощью светового микроскопа. Лишь спустя более 20 лет после того как Danielli высказал свое предположение, A.L. Copley и P.H. Staple [14], прижизненно микроскопируя сосуды защечного мешка хомяка, показали, что при внутривенном введении голубого понтамина в микрососудах отчетливо определяется практически неподвижный неокрашиваемый пристенный слой плазмы. Авторы предположили, что движение плазмы в непосредственной близости от сосудистой стенки тормозит некий неклеточный слой, в который не проникает краситель. Эту покрывающую эндотелиоциты структуру H.S. Bennett [15] назвал гликокаликсом - "сладкой шелухой" или "сладкой кожей". Такое название выглядит вполне естественным, поскольку образован гликокаликс в основном гликированными соединениями.

Впервые гликокаликс удалось визуализировать с помощью электронной микроскопии J.H. Luft в 1966 г. [16]. Окрашивая препарат сосудистой стенки красным рутением, он продемонстрировал на эндотелиальной мембране слой толщиной 20-30 нм. Столь тонкий слой вряд ли мог сколько-нибудь значимо участвовать в регуляции функций сосудистой стенки. В то же время результаты физиологических исследований местной гемодинамики [17, 18] показывали, что размер этого пристенного слоя, в котором практически нет кровотока, должен составлять сотни нанометров. И действительно, спустя 30 лет после работы H. Vink и B.R. Duling удалось, изменив процедуру окрашивания и фиксации, показать, что толщина гликокаликса в микрососудах составляет 300-500 нм [19]. С этого времени исследование роли гликокаликса в функционировании сосудистой стенки обрело необходимый импульс. Однако до сих пор прямая визуализация гликокаликса остается весьма трудоемким процессом, дающим большой разброс результатов в зависимости от применяемой технологии приготовления препаратов для микроскопирования. Это обстоятельство не позволяет достаточно надежно определить вклад эндотелиального гликокаликса в обеспечение нормального функционирования эндотелия.

"Неспешный" прогресс в визуализации эндотелиального гликокаликса и основные этапы развития представлений о его структуре отражены в таблице.

Многие исследователи высказывали предположение, что наблюдавшиеся первоначально весьма "скромные" размеры гликокаликса, не соответствующие данным физиологических экспериментов, были обусловлены тем, что гликокаликс представляет собой чрезвычайно "хрупкий" слой, легко повреждающийся в процессе приготовления препарата для электронной микроскопии. И действительно, B.M. van den Berg et al. [23], использовав новый протокол фиксации препарата, позволивший избежать дегидратации гликокаликса на этом этапе, и взяв в качестве красителя голубой алциан 8GX, показали, что толщина слоя гликокаликса в капиллярах миокарда крыс может достигать 500 нм. Несколько позднее методом конфокальной лазерной сканирующей микроскопии было показано, что толщина гликокаликса в культуре эндотелиальных клеток пупочной вены человека составляет 2-3 мкм [27]. Далее методом двухфотонной сканирующей микроскопии было показано, что толщина гликокаликса в интактных сонных артериях мышей составляет в среднем 4,5 мкм [28]. Наконец, E.E. Ebong et al., использовав весьма щадящий метод приготовления препарата гликокаликса, получили казавшуюся невероятной длину его волокон в аорте быка - до 11 мкм [25].

Очевидно, что толщина гликокаликса различна в сосудах разного калибра (от 0,4 мкм в капиллярах до 3-5 мкм в артериях и даже до 11 мкм в аорте быков), однако необходимо отметить, что в каждом сосуде толщина слоя гликокаликса весьма непостоянна, поскольку, с одной стороны, содержащиеся в крови протеазы и гликозидазы постоянно слущивают (укорачивают) волокна гликокаликса, а, с другой стороны, эндотелий постоянно нарабатывает новый гликокаликс, причем есть основания полагать, что удлинение волокон гликокаликса идет тем интенсивнее, чем выше напряжение сдвига на стенке сосуда [29].

Составляющие гликокаликса можно "пометить" специфическими маркерами, что окрашивает их и позволяет наблюдать в флуоресцентном микроскопе. Таким образом, состав и строение гликокаликса можно определить при микроскопировании сосуда. Наиболее общие черты строения гликокаликса эндотелиоцитов представлены на рис. 1 и 2.

Гликокаликс имеет двуслойное строение. Внутренний слой состоит из связанного с мембраной эндотелиоцита основания, содержащего протеогликан (например, синдекан-1) и конъюгированные олигосахариды. Внешний более толстый слой состоит в основном из "стволов" гиалуроновой кислоты, к которым крепятся различные гликозаминогликаны, такие как гепарансульфат, дерматансульфат. Здесь же располагаются и белки плазмы (например, альбумин), а также сиаловые кислоты. Все эти полисахаридные цепи связаны с основными белками (синдеканами, глипиканами и CD44), посредством которых они прикрепляются к мембране эндотелиоцита. Альбумины и другие белки с невысокой массой, встроенные, благодаря своей амфотерной природе в гликокаликс способствуют увеличению его толщины, поддерживая целостность структуры этого слоя [31].

Согласно изображенной на рис. 2 модели S. Weinbaum et al. [24], гликокаликс представляет упорядоченную структуру, состоящую из разных отрицательно заряженных биополимеров, основными из которых являются гиалуроновая кислота, гепарансульфат, дерматансульфат, синдеканы и глипиканы [32, 33]. Он представляется в виде растущих на мембране эндотелиоцита "кустиков", корни которых лежат в кортикальном слое и замыкаются на волокна альфа-актинин. Важно отметить, что расстояние между этими "кустиками" и их "веточками" столь мало, что ни форменные элементы крови, ни макромолекулы не могут без трансформации волокон гликокаликса достичь мембраны эндотелиальной клетки. Таким образом, естественным представляется вывод, что гликокаликс считается защитным слоем эндотелия.

Толщина слоя гликокаликса определяется характером устанавливающегося на поверхности эндотелиоцитов динамического равновесия между процессами удаления срезанных шеддазами компонентов гликокаликса и интенсивностью наработки структурных элементов, которая, судя по некоторым косвенным данным [34], зависит от величины напряжения сдвига.

Можно сказать, что исследования, начатые в начале этого столетия, привели к выводу о том, что именно гликокаликс, этот неклеточный слой сосудистой стенки, расположенный между клетками эндотелия и текущей кровью и представляющий собой сложную, самоорганизующуюся трехмерную сеть волокон, состоящих из различных полисахаридов, играет основную роль в обеспечении нормального функционирования сосудистого эндотелия. Являясь внеклеточным матриксом эндотелиоцитов и в силу самого своего положения - между текущей кровью и монослоем эндотелия, он контролирует такие функции, как проницаемость сосудистой стенки [35] и адгезия форменных элементов крови к эндотелиоцитам [36, 37]. Естественно, что гликокаликс первым подвергается действию различных патогенных факторов, а потому можно сказать, что гликокаликс является первой линией защиты эндотелия от повреждающих факторов, таких, например, как вирусы. Это стало особенно ясно во время пандемии COVID-19 [38-40].

Важно отметить, что гликокаликс повреждается при действии дикарбонил-модифицированных или окисленных липопротеинов низкой плотности [41-43]. Уменьшение толщины гликокаликса вследствие его фрагментирования происходит в процессе гиперпродукции активных форм кислорода при ишемии и/или ишемии/реперфузии [44-46]. Выявление данных свойств эндотелиального гликокаликса позволило сделать серьезный вывод, что именно повреждение этого неклеточного слоя сосудистой стенки может рассматриваться как наиболее ранний этап возникновения сосудистой патологии [47].

Особое значение имеет тот факт, что макромолекулы гликокаликса являются механорецепторами, воспринимающими действующую на сосудистую стенку со стороны текущей крови силу вязкого трения - напряжение сдвига [48, 49], что обеспечивает регуляцию гидравлического сопротивления сосудов при изменениях кровотока. Благодаря этой регуляции реализуется кровоснабжение органов, адекватное уровню их активности, осуществляются противодействие констрикции и острая фаза развития коллатерального кровоснабжения при окклюзии магистральных стволов [1, 8].

Напряжение сдвига является одной из наиболее важных гемодинамических сил воздействия циркулирующей крови на слой эндотелиальных клеток сосуда, его воздействие на стенки сосудов изменяет физиологию клеток эндотелия [50]. Опосредуя механотрансдукцию и передачу внутрь сосудистой стенки сигнала, пропорционального скорости кровотока, а именно таковым является напряжение сдвига, гликокаликс запускает процесс, приводящий к активации эндотелиальной NO-синтазы и завершающийся синтезом оксида азота, регулирующего сосудистый тонус. Есть основания полагать, что регуляция тонуса сосудов соответственно напряжению сдвига тем более выражена, чем толще слой гликокаликса. Также ряд косвенных данных позволяют думать, что толщина гликокаликса зависит от величины напряжения сдвига: чем она выше, тем толще слой гликокаликса. В силу этого участки сосудов, для которых характерно низкое напряжение сдвига и, следовательно, тонкий слой гликокаликса, - области, в которых проявляются первые признаки атеросклероза и формируются атероматозные бляшки. Подробно этот вопрос рассмотрен в работе А.М. Мелькумянца [51]. Таким образом, происходящее при разных патологических состояниях уменьшение толщины гликокаликса должно приводить к нарушению процесса выработки оксида азота и, как следствие, неадекватной регуляции сосудистого тонуса [52].

Роль повреждения гликокаликса в патологии сердечно-сосудистой системы

Поскольку состояние эндотелия в значительной степени определяет способность сердечно-сосудистой системы нормально функционировать, нет сомнений, что достичь максимальной эффективности в лечении сердечно-сосудистой патологии невозможно без понимания процессов, приводящих к дисфункции эндотелия. Данные последних исследований дают основание думать, что предшественником дисфункции эндотелия является повреждение гликокаликса; поэтому вполне естественными выглядят попытки установить, к каким последствиям для функционирования сердечно-сосудистой системы приводит повреждение эндотелиального гликокаликса.

В исследовании, проведенном на пациентах с варикозной болезнью [53], мы выяснили, что для этой патологии характерно значительное повреждение венозного гликокаликса, приводящее к эндотелиальной дисфункции и изменениям венозного тонуса. Наши наблюдения позволяют утверждать, что нарушения состояния и функции венозных сосудов с высокой вероятностью связаны с трансформацией эндотелиального гликокаликса.

Полученные с помощью трансмиссионной электронной микроскопии результаты с фрагментами гликокаликса (рис. 3, 4) показывают возможности не только его визуализации, но и сравнительной оценки у пациентов с варикозной болезнью.

О влиянии гликокаликса на клетку указывает и тот факт, что он в эндотелиальных клетках является барьером для адгезии и трансмиграции опухолевых клеток. В то же время гликокаликс в опухолевых клетках может способствовать метастазированию опухоли. Ангиогенез при первичных опухолях и рост опухолевых клеток в местах метастазирования зависят от микроокружения опухоли, включая кровеносную сосудистую сеть, внеклеточный матрикс и фибробласты [54]. Накопленная гиалуроновая кислота, выделяемая опухолевыми клетками, впоследствии опосредует адгезию к эндотелию через гликопротеин CD44. Трансэндотелиальная миграция и инвазия в строму происходят посредством связывания изоформы CD44v с компонентами субэндотелиального внеклеточного матрикса. Нацеливание комплекса гиалуроновая кислота-гликокаликс CD44 приводит к значительному снижению экстравазации опухолевых клеток. Таким образом, можно заключить, что опухолевые клетки перепрофилируют гликокаликс так, чтобы способствовать адгезионным взаимодействиям, ведущим к прогрессированию рака [55]. Этот факт может быть, вероятно, использован для терапевтических целей и стать основой разработки лекарственных препаратов, препятствующих метастазированию опухоли.

Одним из наиболее значимых факторов, вызывающих повреждение гликокаликса с последующим развитием эндотелиальной дисфункции, является гипергликемия. Известно, что гипергликемия и идущий ей вслед сахарный диабет считают уже не эндокринологическими, а кардиологическими заболеваниями, поскольку характеризуются сосудистыми нарушениями и склонностью к развитию атеротромботических осложнений. M. Nieuwdorp et al. показали как в опытах на животных [56], так и в исследованиях на людях [57], что повышенный уровень глюкозы в крови приводит в течение короткого, измеряемого часами, времени к значительному уменьшению толщины эндотелиального гликокаликса, а это, в свою очередь, ведет к нарушению нормального функционирования сосудов. Что касается больных сахарным диабетом, то даже умеренная гипергликемия у пациентов, страдающих этой болезнью, приводит к деградации гликокаликса и его истончению, что лабораторно сопровождается увеличением уровня в крови биохимических маркеров повреждения гликокаликса [58, 59].

Повреждающее действие концентрированных растворов глюкозы хорошо известно: во флебологии они даже использовались в качестве альтернативных склерозантов. Вероятно, механизм такого действия связан с изменением состава гликокаликса, нарушениями адгезивных свойств эндотелиоцитов, их слущиванием и инициацией повреждения сосуда.

Повреждение гликокаликса является, по-видимому, первым этапом любой сосудистой патологии. Это утверждение основано на том экспериментальном факте, что продукты перекисного окисления липидов - малоновый диальдегид и метилглиоксаль приводят к повреждению эндотелиального гликокаликса с развитием в дальнейшем эндотелиальной дисфункции [42, 43, 60]. Эти продукты образуются в ходе окислительного и/или карбонильного стресса, интенсивность которых растет с возрастом. Поэтому неудивительно, что эндотелиальная дисфункция является отличительной чертой возрастной артериальной дисфункции, которую обычно связывают с чрезмерным окислительным стрессом и воспалением низкой степени тяжести. Учитывая, что эндотелиальный гликокаликс, являясь связующим звеном между текущей кровью и эндотелием, повреждается при оксидативном стрессе, естественно предполагать, что именно распад гликокаликса может быть одним из начальных событий в развитии эндотелиальной дисфункции с возрастом [61].

Способы оценки степени повреждения гликокаликса

Представляется, что наилучший способ оценки состояния эндотелиального гликокаликса - его визуализация. Однако сделать это неинвазивно в настоящее время практически невозможно. Существующий прибор Glycocheck, позволяющий микроскопировать микрососуды подъязычной слизистой [62] и оценивать толщину их гликокаликса, не обладает достаточной точностью. Других неинвазивных методов визуализации этого слоя сосудистой стенки пока нет. Мы используем трансмиссионную электронную микроскопию для измерения толщины гликокаликса венозных сосудов, взятых во время операции у пациентов с варикозной болезнью и подвергающихся аортокоронарному шунтированию, у которых в качестве шунта используются вены [53]. Очевидно, что такой способ может использоваться только для научных исследований и совершенно непригоден для клинической практики.

Наиболее применимым и достоверным методом оценки степени повреждения эндотелиального гликокаликса является измерение уровня циркулирующих в крови продуктов его деструкции, представляющих собой фрагменты разрушенных гликозаминогликанов [63-65]. Фрагменты гликокаликса могут быть определенным диагностическим или прогностическим индикатором при различных патологических состояниях, таких как сепсис, острый респираторный дистресс-синдром, системные заболевания и воспалительные изменения, характеризующиеся повышенной сосудистой проницаемостью [65].

Уровни циркулирующих в кровотоке синдекана-1 [66] и эндокана [67] четко коррелируют с показателями как повреждения гликокаликса, так и воспалительных цитокинов. Это позволяет использовать данные лабораторные тесты в качестве биомаркеров тяжелой деструкции гликокаликса при системном воспалении и системных тромбозах, включая диссеминированное внутрисосудистое свертывание крови.

Информативны и стимулирующие ангиогенез белки ангиопоэтины, представляющие собой класс регуляторных белков. Ангиопоэтин-1 и ангиопоэтин-2 обладают антагонистической активностью, так как первый обеспечивает повышение структурной стабильности гликокаликса и эндотелия в целом, а второй, напротив, вызывает быструю деструкцию гликокаликса. Это его действие обусловлено способностью "откреплять" гепарансульфат за счет секреции специфической гепараназы, данный процесс стимулирует повышение проницаемости стенки сосуда и миграцию лейкоцитов [68]. Определение в плазме крови уровня циркулирующего гепарансульфата может давать достаточно точную информацию о степени повреждения эндотелиального гликокаликса.

Поскольку повреждение гломерулярного эндотелиального гликокаликса может приводить к альбуминурии, сама по себе альбуминурия также может свидетельствовать о повреждении гликокаликса [69, 70].

Несомненно, список приведенных выше маркеров деструкции гликокаликса является далеко не полным, так как постоянно появляются результаты исследований, показывающих возможности использования все новых и новых субстанций в качестве маркеров эндотелиального поражения.

Восстановление поврежденного гликокаликса

Вопрос о репарации поврежденного гликокаликса весьма сложный. В настоящее время имеются ограниченные данные об испытаниях или методах лечения повреждения гликокаликса у человека. Это обусловлено как малым временем, в течение которого серьезно исследуются механизмы повреждения и восстановления гликокаликса, так и трудоемкостью, и предполагаемой длительностью клинических исследований. Однако, несмотря на это, в литературе появляются фундаментальные научные и доклинические модели различных лечебных воздействий.

Учитывая его предполагаемую изменчивость в различных сегментах кровеносного русла, значимость мероприятий, направленных на восстановление гликокаликса, на наш взгляд, может отличаться. Но на современном этапе такую дифференциацию провести весьма сложно. Анализируя изложенные в литературе методы воздействия на состояние гликокаликса, последние целесообразно разделить на две группы:

• группа коррекции факторов, приводящих к повреждению гликокаликса;
• медикаментозное восстановление гликокаликса.
• В первую группу следует отнести коррекцию водно-электролитного баланса и гипергликемии, воспалительной, аутоиммунной и инфекционной агрессии, гиперкоагуляции и тромбообразования, блокирование перекисного окисления и протеазной активности.

Управление жидкостью является весьма важным звеном в обеспечении целостности гликокаликса. D. Chappell et al. [71] обнаружили значительное увеличение концентрации предсердного натрийуретического пептида (до 100%), сопровождающегося аналогичным трендом содержания в плазме компонентов гликокаликса - гиалуронана и синдекана-1 (до 80%) - при волемической перегрузке. Следует ожидать, что этот патофизиологический механизм может приводить к нарушению сосудистого барьера. Таким образом, гиперволемия может быть весьма небезопасной, и ее необходимо оценивать критически. Быстрое введение кристаллоидных или коллоидных жидкостей может ускорять отторжение эндотелиального гликокаликса [72]. Усиливающими данный эффект повреждения гликокаликса являются и такие изменения, как гипоальбуминемия и гипернатриемия. Это показывает одну из стратегий профилактики повреждения эндотелиального гликокаликса - достижение нормоволемии, исключение резких волемических перепадов, а также изменений уровней альбумина и натрия в крови. Эти факторы особенно важны при развитии тяжелых системных заболеваний и критических состояний.

Применение глюкокортикоидов на протяжении многих десятилетий показало весьма высокую эффективность при купировании острых и хронических состояний, связанных с агрессивным воздействием на сосудистую стенку. Это обусловлено их противовоспалительным, мембраностабилизирующим и противоотечным действием. Они включаются в программу лечения больных с сепсисом, инфекционным эндокардитом, а также с целью уменьшения последствий хирургической агрессии, в том числе при искусственном кровообращении [73]. Так, введение гидрокортизона пациентам, перенесшим кардиохирургические операции с применением искусственного кровообращения, значительно снижало концентрацию гепарансульфата в плазме крови, по сравнению с контрольной группой, не получавшей лечения [74]. Весьма важной моделью в подтверждении данного предположения являются пациенты с COVID-19, применение у которых именно массивной противовоспалительной терапии глюкокортикоидами позволяло добиться регресса генерализованного поражения сосудистого русла [75].

Низкомолекулярный гепарин способен оказывать положительное влияние на гликокаликс. Клинические исследования при COVID-19 продемонстрировали снижение активности гепараназы у больных. Гепарин может защищать гликокаликс in vitro и даже способствовать его восстановлению за счет высвобождения синдекана-1 [76].

Медикаментозные методы восстановления гликокаликса прежде всего основаны на замене его компонентов или предшественников. Значительный опыт накоплен в использовании в клинической практике препарата сулодексид. Гепариноид сулодексид представляет собой комбинацию сульфатированных гликозаминогликанов, входящих в состав гликокаликса (гепарансульфата и дерматансульфата), и является, с одной стороны, источником гликозаминогликанов, с другой стороны, ингибитором гепариназы, предотвращая разрушение гликокаликса. Курсовое лечение сулодексидом приводит к увеличению толщины гликокаликса капилляров языка у пациентов с сахарным диабетом [77]. Гепарансульфат, входящий в состав сулодексида, способствует антитромботической способности эндотелия. Этот эффект продемонстрирован как in vitro, так и in vivo [78]. Особенно ясно продемонстрированы противовоспалительный и антитромботический эффекты сулодексида, обусловленные его потенциалом защищать гликокаликс от вирусного повреждения, во время пандемии COVID-19 [79].

Заключение

Гликокаликс - неотъемлемая структурная часть эндотелиоцита. Характер его строения зависит от локализации эндотелиоцитов (венозное, артериальное звено, эндокард или капилляры) и отчасти определяет гетерогенность этого наружного эндотелиоцитарного слоя. Наибольшую степень влияния на качественные параметры гликокаликсного компонента мембраны эндотелиоцитов оказывают характеристики присутствующего в данном сегменте кровотока, его скорость, величина напряжения сдвига и вязкость крови.

Гликокаликс считают неклеточным слоем, покрывающим люминальную (обращенную в просвет сосуда) поверхность эндотелиоцита. Волокна гликокаликса связаны с мембраной и кортикальным слоем клеток эндотелия и являются как бы интерфейсом между текущей в просвете кровью и сосудистой интимой. Разные процессы, затрагивающие циркуляторное русло (как нормальные физиологические, так и патофизиологические), влияют на наличие, толщину и состав гликокаликсного слоя, что подчеркивает его динамичность и функциональность.

Последние несколько десятилетий исследования гликокаликса были сосредоточены на его визуализации, изучении строения, состава и функции различных его составляющих.

Учитывая важность данного структурного компонента сосудистой стенки, а также предполагаемое его влияние на функцию эндотелиального слоя в целом, весьма важными представляются терапевтические подходы в профилактике и восстановлении гликокаликса. Применение разных стратегий, включающих волемический контроль, использование противогликемических, противовоспалительных и антипротеазных препаратов, имеют в большей степени профилактическое значение. Без сомнения, одним из наиболее перспективных направлений видится применение препаратов, направленных на восстановление структуры и функции эндотелиального гликокаликса.

References

1. Mel’kumyants A.M., Balashov S.A. Mehanochuvstvitel’nost’ arterial’nogo yendoteliya. Tver: Triada. 2005; 208. (in Russian)

2. Rodbard S., Ikeda K., Montes M. An analysis of mechanisms of post stenotic dilatation. Angiology. 1967; 18 (6): 349–369. DOI: https://doi.org/10.1177/000331976701800601

3. Rodbard S. Negative feedback mechanisms in the architecture and function of the connective and cardiovascular tissues. Perspectives in Biology and Medicine. 1970; 13 (4): 507–527. DOI: https://doi.org/10.1353/pbm.1970.0054

4. Rodbard S. Vascular caliber. Cardiology. 1975; 60 (1): 4–49. DOI: https://doi.org/10.1159/000169701

5. Furchgott R.F., Zawadzki J.V. The obligatory role of endothelial cells in the relaxation of arterial smooth muscle by acetylcholine. Nature. 1980; 288: 373–376.

6. Furchgott R.F., Cherry P.D., Zawadzki J.V., Jothianandan D. Endothelial cells as mediators of vasodilation of arteries. Journal of Cardiovascular Pharmacology. 1984; 6: S336–S343. DOI: https://doi.org/10.1097/00005344-198406002-00008

7. Melkumyants A.M., Balashov S.A., Veselova E.S., Khayutin V.M. Continuous control of the lumen of feline conduit arteries by blood flow rate. Cardiovascular Research. 1987; 21 (12): 863–870. DOI: https://doi.org/10.1093/cvr/21.12.863

8. Melkumyants A.M., Balashov S.A., Khayutin V.M. Control of arterial lumen by shear stress on endothelium. Physiology. 1995; 10 (5): 204–210.

9. Palmer R.M., Ferrige A.G., Moncada S. Nitric oxide release accounts for the biological activity of endothelium-derived relaxing factor. Nature. 1987; 327 (6122): 524–526. DOI: https://doi.org/10.1038/327524a0

10. Ignarro L.J., Buga G.M., Wood K.S., et al. Endothelium-derived relaxing factor produced and released from artery and vein is nitric oxide. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1987; 84 (24): 9265–9269. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.84.24.9265

11. Schneeberger E.E., Hamelin M. Interaction of serum proteins with lung endothelial glycocalyx: its effect on endothelial permeability. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 1984; 247 (2): H206–H217. DOI: https://doi.org/10.1152/ajpheart.1984.247.2.H206

12. Pohl U., Herlan K., Huang A., et al. EDRF-mediated shear-induced dilation opposes myogenic vasoconstriction in small rabbit arteries. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 1991; 261 (6): H2016–H2023. DOI: https://doi.org/10.1152/ajpheart.1991.261.6.H2016

13. Danielli J.F. Capillary permeability and oedema in the perfused frog. Journal of Physiology. 1940; 98 (1): 109–129. DOI: https://doi.org/10.1113/jphysiol.1940.sp003837

14. Copley A.L., Staple P.H. Haemorheological studies on the plasmatic zone in the microcirculation of the cheek pouch of Chinese and Syrian hamsters. Biorheology. 1962; 1 (1): 3–14.

15. Bennett H.S. Morphological aspects of extracellular polysaccharides. Journal of Histochemistry & Cytochemistry. 1963; 11 (1): 14–23.

16. Luft J.H. Fine structures of capillary and endocapillary layer as revealed by ruthenium red. Federation Proceedings. 1966; 25 (6): 1773–1783.

17. Klitzman B., Duling B.R. Microvascular hematocrit and red cell flow in resting and contracting striated muscle. American Journal of Physiology. 1979; 237 (4): H481–490. DOI: https://doi.org/10.1152/ajpheart.1979.237.4.H481

18. Pries A.R., Secomb T.W., Gaehtgens P., Gross J.F. Blood flow in microvascular network - experiments and simulation. Circulation Research. 1990; 67 (4): 826–834. DOI: https://doi.org/10.1161/01.res.67.4.826

19.  Vink H., Duling B.R. Identification of Distinct Luminal Domains for Macromolecules, Erythrocytes, and Leukocytes Within Mammalian Capillaries. Circulation Research. 1996; 79 (3): 581–589. DOI: https://doi.org/10.1161/01.RES.79.3.581

20. Palade G.E., Porter K.R. Studies on the endoplasmic reticulum: Its identification in cells in situ. Journal of Experimental Medicine. 1954; 100 (6): 641–656. DOI: https://doi.org/10.1084/jem.100.6.641

21. Rambourg A., Neutra M., Leblond C.P. Presence of a ‘cell coat’ rich in carbohydrate at the surface of cells in the rat. Anatomical Record. 1966; 154 (1): 41–71. DOI: https://doi.org/10.1002/ar.1091540105

22. Squire J.M., Chew M., Nneji G., et al. Quasi-periodic substructure in the microvessel endothelial glycocalyx: a possible explanation for molecular filtering? Journal of Structural Biology. 2001; 136 (3): 239–255. DOI: https://doi.org/10.1006/jsbi.2002.4441

23. van den Berg B.M., Vink H., Spaan J.A.Е. The endothelial glycocalyx protects against myocardial edema. Circulation Research. 2003; 92 (6): 592–594. DOI: https://doi.org/10.1161/01.RES.0000065917.53950.75

24. Weinbaum S., Tarbell J.M., Damiano E.R. The structure and function of the endothelial glycocalyx layer. Annual Review of Biomedical Engineering. 2007; 9: 121–167. DOI: https://doi.org/10.1146/annurev.bioeng.9.060906.151959

25. Ebong E.E., Macaluso F.R., Spray D.S., Tarbell J.M. Imaging the endothelial glycocalyx in vitro by rapid freezing/freeze substitution electron microscopy. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology. 2011; 31 (8): 1908–1915. DOI: https://doi.org/10.1161/ATVBAHA.111.225268

26. Shevchenko Yu.L., Melkumyants A.M., Stoyko Yu.M., et al. First results of visualization and structural assessment of the endothelial glycocalyx in varicose veins. Bulletin of Pirogov National Medical & Surgical Center. 2023; 18 (4): 4–9. DOI: https://doi.org/10.25881/20728255_2023_18_4_4 (in Russian)

27. Barker A.L., Konopatskaya O., Neal C.R., et al. Observation and characterization of the glycocalyx of viable human endothelial cells using confocal laser scanning microscopy. Physical Chemistry Chemical Physics. 2004; 6 (5): 1006–1011.

28. Megens R.T., Reitsma S., Schiffers P.H.М., et al. Two-photon microscopy of vital murine elastic and muscular arteries. Combined structural and functional imaging with subcellular resolution. Journal of Vascular Research. 2007; 44 (2): 87–98. DOI: https://doi.org/10.1159/000098259

29. Bai K., Wang W. Shear stress-induced redistribution of the glycocalyx on endothelial cells in vitro. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2014; 13 (2): 303–311. DOI: https://doi.org/10.1007/s10237-013-0502-3

30. Uchimido R., Schmidt E.P., Shapiro N.I. The glycocalyx: a novel diagnostic and therapeutic target in sepsis. Critical Care. 2019; 23 (1): 16. DOI: https://doi.org/10.1186/s13054-018-2292-6

31. Banerjee S., Mwangi J.G., Stanley T.K., et al. Regeneration and Assessment of the Endothelial Glycocalyx To Address Cardiovascular Disease. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2021; 60 (48): 17328–17347. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c03074

32. Florian J.A., Kosky J.R., Ainslie K., et al. Heparan sulfate proteoglycan is a mechanosensor on endothelial cells. Circulation Research. 2003; 93 (10): e136–e142. DOI: https://doi.org/10.1161/01.RES.0000101744.47866.D5

33. Weinbaum S., Cancel L.M., Fu B.M., Tarbell J.M. The glycocalyx and its role in vascular physiology and vascular related diseases. Cardiovascular Engineering and Technology. 2021; 12 (1): 37–71. DOI: https://doi.org/10.1007/s13239-020-00485-9

34. Gouverneur M., Spaan J.A., Pannekoek H., et al. Fluid shear stress stimulates incorporation of hyaluronan into endothelial cell glycocalyx. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 2006; 290 (1): H458–H452. DOI: https://doi.org/10.1152/ajpheart.00592.2005

35. Vink H., Duling B.R. Capillary endothelial surface layer selectively reduces plasma solute distribution volume. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 2000; 278 (1): H285–H289. DOI: https://doi.org/10.1152/ajpheart.2000.278.1.H285

36. Mulivor A.W., Lipowsky H.H. Role of glycocalyx in leukocyte-endothelial cell adhesion. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 2002; 283 (4): H1282–H1291. DOI: https://doi.org/10.1152/ajpheart.00117.2002

37. Constantinescu A.A., Vink H., Spaan J.A. Endothelial cell glycocalyx modulates immobilization of leukocytes at the endothelial surface. Arteriosclerosis, thrombosis, and vascular biology. 2003; 23 (9): 1541–1547. DOI: https://doi.org/10.1161/01.ATV.0000085630.24353.3D

38. Henrich M., Gruss M., Weigand M.A. Sepsis-induced degradation of endothelial glycocalix. Scientific World Journal. 2010; 10: 917–923. DOI: https://doi.org/10.1100/tsw.2010.88

39. Yamaoka-Tojo M. Endothelial glycocalyx damage as a systemic inflammatory microvascular endotheliopathy in COVID-19. Biomedical Journal. 2020; 43 (5): 399–413. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bj.2020.08.007

40. Yamaoka-Tojo M. Vascular endothelial glycocalyx damage in COVID-19. International Journal of Molecular Sciences. 2020; 21 (24): 9712. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms21249712

41. Vink H., Constantinescu A.A., Spaan J.A. Oxidized lipoproteins degrade the endothelial surface layer: implications for platelet-endothelial cell adhesion. Circulation. 2000; 101 (13): 1500–1502. DOI: https://doi.org/10.1161/01.cir.101.13.1500

42. Lankin V.Z., Tikhaze A.K., Melkumyants A.M. Dicarbonyl-Dependent Modification of LDL as a Key Factor of Endothelial Dysfunction and Atherosclerotic Vascular Wall Damage. Antioxidants. 2022; 11 (8): 1565. DOI: https://doi.org/10.3390/antiox11081565

43. Lankin V.Z., Tikhaze A.K., Melkumyants A.M. Malondialdehyde as an Important Key Factor of Molecular Mechanisms of Vascular Wall Damage under Heart Diseases Development. International Journal of Molecular Sciences. 2022; 24 (1): 128. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms24010128

44. Chappell D., Jacob M., Hofmann-Kiefer K., et al. Antithrombin reduces shedding of the endothelial glycocalyx following ischaemia/reperfusion. Cardiovascular Research. 2009; 83 (2): 388–396. DOI: https://doi.org/10.1093/cvr/cvp097

45. Rubio-Gayosso I., Platts S.H., Duling B.R. Reactive oxygen species mediate modification of glycocalyx during ischemia-reperfusion injury. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 2006; 290 (6): H2247–H2256. DOI: https://doi.org/10.1152/ajpheart.00796.2005

46. Shevchenko Ju.L., Stoĭko Ju.M., Gudymovich V.G. Disfunkciya yendoteliya i yendokarda pri serdechno-sosudistykh zabolevaniyakh (patogenez, diagnostika, profilaktika i lechenie). Moskva: Nacional’ny mediko-khirurgicheskiy centr im. N.I. Pirogova. 2022; 224. (in Russian)

47. Nieuwdorp M., Meuwese M.C., Vink H., et al. The endothelial glycocalyx: a potential barrier between health and vascular disease. Current Opinion in Lipidology. 2005; 16 (5): 507–511. DOI: https://doi.org/10.1097/01.mol.0000181325.08926.9c

48. Pahakis M.Y., Kosky J.R., Tarbell J.M. The role of endothelial glycocalyx components in mechanotransduction of fluid shear stress. Biochemical and Biophysical Research Communications. 2007; 355 (1): 228–233. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2007.01.137

49. Mel’kumyants A.M., Balashov S.A., Gonchar I.V. Vliyanie povrezhdeniya yendotelial’nogo glikokaliksa na sposobnost’ arteriy regulirovat’ svoy prosvet pri izmenenijakh skorosti krovotoka. Rossiyskiy fiziologicheskiy zhurnal imeni I.M. Sechenova. 2017; 103 (12): 1370–1376. (in Russian)

50. Lobanova N.I., Chicherina E.N., Malchikova S.V., Maksimchuk-Kolobova N.S. Fluid shear stress on the endothelium of the carotid artery wall and coronary artery calcinosis in patients with arterial hypertension. South Russian Journal of Therapeutic Practice. 2022; 3 (3): 60–67. DOI: https://doi.org/10.21886/2712-8156-2022-3-3-60-67 (in Russian)

51. Mel’kumyants A.M. O roli yendotelial’nogo glikokaliksa v mehanogennoy regulyatsii soprotivleniya arterial’nykh sosudov. Uspekhi fiziologicheskikh nauk. 2012; 43 (4): 45–58. (in Russian)

52. Mochizuki S., Vink H., Hiramatsu O., et al. Role of hyaluronic acid glycosaminoglycans in shear-induced endothelium-derived nitric oxide release. American Journal of Physiology Heart and Circulatory Physiology. 2003; 285 (2): H722–H726. DOI: https://doi.org/10.1152/ajpheart.00691.2002

53. Shevchenko Yu.L., Stoiko Yu.M., Gudymovich V.G., Chernyago T Yu. Glycocalyx as a determining factor in development of endothelial venous dysfunction and possibilities of correction thereof. Angiology and Vascular Surgery. 2020; 26 (4): 71–77. DOI: https://doi.org/10.33529//ANGIO2020404 (in Russian)

54. Zeng Y., Qiu Y., Jiang W., Fu B.M. Glycocalyx Acts as a Central Player in the Development of Tumor Microenvironment by Extracellular Vesicles for Angiogenesis and Metastasis. Cancers. 2022; 14 (21): 5415. DOI: https://doi.org/10.3390/cancers14215415

55. Offeddu G.S., Hajal C., Foley C.R., et al. The cancer glycocalyx mediates intravascular adhesion and extravasation during metastatic dissemination. Communications Biology. 2021; 4: 255. DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-021-01774-2

56. Zuurbier C.J., Demirci C., Koeman A., et al. Short-term hyperglycemia increases endothelial glycocalyx permeability and acutely decreases lineal density of capillaries with flowing red blood cells. Journal of Applied Physiology. 2005; 99 (4): 1471–1476. DOI: https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00436.2005

57. Nieuwdorp M., van Haeften T.W., Gouverneur M.C., et al. Loss of endothelial glycocalyx during acute hyperglycemia coincides with endothelial dysfunction and coagulation activation in vivo. Diabetes. 2006; 55 (2): 480–486. DOI: https://doi.org/10.2337/diabetes.55.02.06.db05-1103

58. Nieuwdorp M., Mooij H. L., Kroon J., et al. Endothelial glycocalyx damage coincides with microalbuminuria in type 1 diabetes. Diabetes. 2006; 55 (4): 1127–1132. DOI: https://doi.org/10.2337/diabetes.55.04.06.db05-1619

59. Kaur G., Rogers J., Rashdan N.A., et al. Hyperglycemia-induced effects on glycocalyx components in the retina. Experimental Eye Research. 2021; 213: 108846. DOI: https://doi.org/10.1016/j.exer.2021.108846

60. Ermishkin V.V., Lukoshkova E.V., Mel’kumjanc A.M. Podavlenie malonovym dial’degidom i metilglioksalem yendoteliy-zavisimoy dilatatsii podvzdoshnoy arterii krys, vyzyvaemoy uvelicheniem krovotoka. Zhurnal yevolyucionnoy biohimii i fiziologii. 2021; 57 (4): 320–330. DOI: https://doi.org/10.31857/S0044452921040045 (in Russian)

61. Lim J., Machin D.R., Donato A. J. The role of hyaluronan in endothelial glycocalyx and potential preventative lifestyle strategy with advancing age. Ed. Ibra S. Fancher, Andreia Z. Chignalia, Current Topics in Membranes, Chapter Six. Academic Press. 2023; 91: 139–156. DOI: https://doi.org/10.1016/bs.ctm.2023.02.006

62. Gorshkov A.Yu., Gumanova N.G., Boytsov S.A. Dark field microscopy for the endothelial glycocalyx study: first russian experience; the reproducibility of the method. Regional Blood Circulation and Microcirculation. 2016; 15 (1): 33–41. DOI: https://doi.org/10.24884/1682-6655-2016-15-1-33-41 (in Russian)

63. Dogné S., Flamion B. Endothelial Glycocalyx Impairment in Disease: Focus on Hyaluronan Shedding. American Journal of Pathology. 2020; 190 (4): 768–780. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ajpath.2019.11.016

64. Patterson E.K., Cepinskas G., Fraser D.D. Endothelial Glycocalyx Degradation in Critical Illness and Injury. Frontiers in Medicine. 2022; 9: 898592. DOI: https://doi.org/10.3389/fmed.2022.898592

65. Ushiyama1 A., Kataoka H., Iijima T. Glycocalyx and its involvement in clinical pathophysiologies. Journal of Intensive Care. 2016; 4: 59. DOI: https://doi.org/10.1186/s40560-016-0182-z

66. Johansson P.I., Stensballe J., Rasmussen L.S., Ostrowski S.R. A high admission syndecan-1 level, a marker of endothelial glycocalyx degradation, is associated with inflammation, protein C depletion, fibrinolysis, and increased mortality in trauma patients. Annals of Surgery. 2011; 254 (2): 194–200. DOI: https://doi.org/10.1097/SLA.0b013e318226113d

67. Fernández-Sarmiento J., Molina C.F., Salazar-Pelaez L.M., et al. Biomarkers of Glycocalyx Injury and Endothelial Activation are Associated with Clinical Outcomes in Patients with Sepsis: A Systematic Review and Meta-Analysis. Journal of Intensive Care Medicine. 2023; 38 (1): 95–105. DOI: https://doi.org/10.1177/08850666221109186

68. Lukasz A., Hillgruber C., Oberleithner H., et al. Endothelial glycocalyx breakdown is mediated by angiopoietin-2. Cardiovascular Research. 2017; 113 (6): 671–680. DOI: https://doi.org/10.1093/cvr/cvx023

69. Salmon A.H., Satchell S.C. Endothelial glycocalyx dysfunction in disease: albuminuria and increased microvascular permeability. Journal of Pathology. 2012; 226 (4): 562–574. DOI: https://doi.org/10.1002/path.3964

70. Rabelink T.J., De Zeeuw D. The glycocalyx – linking albuminuria with renal and cardiovascular disease. Nature Reviews Nephrology. 2015; 11 (11): 667–676. DOI: https://doi.org/10.1038/nrneph.2015.162

71. Chappell D., Bruegger D., Potzel J., et al. Hypervolemia increases release of atrial natriuretic peptide and shedding of the endothelial glycocalyx. Critical Care. 2014; 18 (5): 538. DOI: https://doi.org/10.1186/s13054-014-0538-5

72. Iba T., Levy J.H. Derangement of the endothelial glycocalyx in sepsis. Journal of Thrombosis and Haemostasis. 2019; 17 (2): 283–294. DOI: https://doi.org/10.1111/jth.14371

73. Shevchenko Ju.L., Gorohovatskiy Ju.I., Azizova O.A., Zamjatin M.N. Sistemny vospalitel’ny otvet pri yekstremal’noy khirurgicheskoy agressii. Moskva: RAEN. 2009; 273. (in Russian)

74. Myers G.J., Wegner J. Endothelial glycocalyx and cardiopulmonary bypass. Journal of ExtraCorporeal Technology. 2017; 49 (3): 174–181.

75. Sukmarova Z.N., Simonenko V.B., Nasonov E.L. Treatment of patients with pericarditis with anti-inflammatory drugs. Clinical Medicine. 2022; 100 (11–12): 509–519. DOI: https://doi.org/10.30629/0023-2149-2022-100-11-12-509-519 (in Russian)

76. Li X., Ma X. The role of heparin in sepsis: much more than just an anticoagulant. British Journal of Haematology. 2017; 179 (3): 389–98. DOI: https://doi.org/10.1111/bjh.14885

77. Carroll B.J., Piazza G., Goldhaber S.Z. Sulodexide in venous disease. Journal of Thrombosis and Haemostasis. 2019; 17 (1): 31–38. DOI: https://doi.org/10.1111/jth.14324

78. Li T., Liu X., Zhao Z., et al. Sulodexide recovers endothelial function through reconstructing glycocalyx in the balloon-injury rat carotid artery model. Oncotarget. 2017; 8 (53): 91350–91361. DOI: https://doi.org/10.18632/oncotarget.20518

79. Melkumyants A.M., Buryachkovskaya L.I., Lomakin N.V., et al. Sulodexide as pharmacotherapy for protection of endothelium and suppression of thrombosis in COVID-19. Aterotromboz. 2021; 11 (2): 6–17. DOI: https://doi.org/10.21518/2307-1109-2021-11-2-6-17 (in Russian)

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

п?? GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems п?? including machine learning models and neural networks п?? is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.