ХИМИЯ КРЕМНЕЗЕМА

Механизм возникновения силикоза

Воздействие, благодаря которому тонкодиспергированный пылевидный кварц, попадающий в легкие, вызывает заболева­ние силикозом, в течение долгого времени было дискуссионным вопросом. Существуют фактические данные, показывающие, что частицы кристаллического кварца размером ~ 1 мкм, отличаю­щиеся от. многих разновидностей пыли тем, что состоят из наи­более твердого материала, подобного карборунду SiC [307], вызывают структурные изменения в легких, включая фиброз, отвердение ткани, снижение объема легких, и значительно по­вышают вероятность заболевания туберкулезом. Имеются две группы теорий:

1. Более ранние теории, в которых предполагалось, что не­которую роль играет растворимый кремнезем. Они базировались на том, что монокремневая кислота способна вступать во взаи­модействие с ДНК. или с РНК и вызывать изменение в фер­ментативных системах. Согласно наиболее распространенной теории, кварц растворяется с образованием растворимого моно- ■мерного кремнезема. Этот процесс сам по себе безвреден, однако мономерный кремнезем полимеризуется затем до поликремневой кислоты, которая, как известно, денатурирует белок и разру­шает клеточные мембраны, т. е. в результате мономерный крем­незем оказывается цитотоксичним.

2. Современные теории, по которым единственной причиной, вызывающей силикоз, считается чистая поверхность частиц кристаллического кремнезема, обычно кварца.

В течение долгого времени существовала путаница вслед­ствие ошибочного допущения, что денатурация белка и цито - токсическое действие кремнезема приводят к развитию фиброза в затронутых силикозом легких. Наоборот, сильная цитоток- сическая активность кремнезема, по-видимому, обратна его фиброзной активности в том смысле, что наиболее активные цитотоксические формы кремнезема, такие, как поликремневая кислота, аморфный и коллоидный кремнезем, в наименьшей степени активны в отношении образования волокнистой ткани или фиброза. В настоящее время преобладает мнение, что именно кварц в виде частиц размером 0,05—5 мкм при вдыха­нии вызывает типичные заболевания силикозом или пневмоко - ниозом, для которых характерно развитие тяжелой формы фиб­роза легких.

Причина такого явления заключается в том, что макрофаги или фагоциты, выступающие как защитные силы против ино­родных включений, поглощают кварцевые частицы. В этом со­стоянии поверхность кварца действует как специфический ге­терогенный катализатор процесса возникновения некоего «фак­тора», вероятно какого-то модифицированного фермента, кото­рый, выделяясь затем из омертвевшего макрофага, способен вызывать раздражение фибробластов, что приводит к получе­нию избытка окснпролина. Это в свою очередь ведет к форми­рованию аномально большого количества фиброзной ткани.

Для того чтобы дать высокую оценку тем огромным усилиям, которые предпринимались в прошлом по этой сложнейшей про­блеме, рассмотрим различные, ранее выдвинутые теории и свя­занные с ними наблюдения. Это также даст возможность опи­сать многие случайные, но тем не менее интересные наблюде­ния, которые были зарегистрированы.

Объем литературы по этой теме настолько огромен, что здесь приведены библиографические ссылки лишь на недавно опубликованные обзоры. Некоторое обобщение относящихся к силикозу теоретических представлений, которые появились на­чиная с 1955 г., состоит в следующем.

Шеперс [308] представил достаточно полный обзор по исто­рии исследований силикоза с обсуждением 50 основных теорий, которые были им классифицированы на химические, физиоло­гические и биологические. Автор особо выделил тот факт, что после начального взаимодействия кварцевой частицы с прото­плазмой и разрушения фагоцитов дальнейшие изменения про­исходят уже в присутствии некротической, отмирающей ткани. Большая часть кремнезема может быть удалена, но биологиче­ские изменения продолжаются, приводя к образованию фиброз­ных тканей и больших количеств легочных липидов, так что масса легких может возрасти в 30 раз (в расчете на сухую массу), причем в ней на долю кремнезема может приходиться менее 5 %.

Автор пришел к заключению, что теория растворимости здесь не применима. Вместо нее рассматривались химические свойства поверхности кремнеземных частиц, непосредственно участвую­щих в реакциях с тканями. О физических теориях в общем су­дили как о недостаточно пригодных для описания изучаемой проблемы. Хотя и можно было установить некоторую корреля­цию между величиной удельной поверхности или адсорбцион­ной способностью альбумина и патогенностью кремнезема, но были найдены и исключения. Объяснение, каким образом ча­стицы кремнезема убивают фагоцит, весьма далеко от реаль­ных биохимических взаимодействий, имеющих место в разви­тии силикоза.

Штобер представил обзор по истории вопроса о силикозе и три основные теории, в которых рассматривались а) раство­римость кремнезема, б) поверхностные взаимодействия кремне­зема и в) иммунные реакции, происходящие в присутствии кремнезема. Затем автор обобщил обширные исследования, выполненные с частицами всех известных форм кремнезема, в которых поверхностные свойства и характеристики раствори­мости сопоставлялись с биологическими реакциями [309]. Што­бер указывал, что простая теория растворимости не может быть корректной. Был отмечен следующий факт: если располо­жить различные формы кремнезема в порядке возрастания ра­створимости (кристаллические разновидности кремнезема, опал, тонкодисперсный кремнезем с малыми по размеру частицами, коллоидный кремнезем), то фиброгенная активность в этом ряду понижается, тогда как токсичность по отношению к тка­ням повышается.

Что касается «поверхностной» теории, то с ее позиций - растворимый кремнезем представляет собой несущественную, случайную форму, тогда как именно поверхность, или граница, раздела фаз кварцевой частицы способна вызывать изменения в органических молекулах. Основная идея заключается в том, что регулярное расположение атомов на поверхности кристал­лической решетки действует как матрица, по которой совме­щаются полярные группы белковых молекул. Последние таким образом могут адсорбироваться и затем модифицироваться. В теории иммунной реакции, которая не вступает в противо­речие с другими теориями, делается попытка объяснить после­дующие этапы при развитии силикозных'повреждений.

Отмечалось, что высокая скорость растворения стишовита наряду с полным отсутствием его биологической активности, по-видимому, позволила окончательно исключить из рассмот­рения теорию растворимости. Стишовит представляет собой форму кремнезема, подобную а-оксиду алюминия, в котором атом кремния координирован шестью атомами кислорода. Ос­новное отличие поверхностных свойств заключается в том, что в стишовите в два раза более высока концентрация поверхност­ных групп SiOH в расчете на единицу площади и что его по­верхность не адсорбирует поли (винилпиридин-М-оксид), кото­рый сильно адсорбируется другими кристаллическими модифи­кациями кремнезема. Однако довольно высокая силикозная ак­тивность кварца по сравнению с другими модификациями не была объяснена.

Хеппльстон [310, 311] в своем обзоре рассмотрел основные теории по фиброгенному действию кремнезема, классифициро­ванные аналогичным образом с позиций: а) растворимости, б) поверхностных свойств и в) иммунологических эффектов. Иммунологическая теория имеет второстепенную важность, по­скольку не объясняет первоначального действия кремнезема в стимулировании быстрого разрастания соединительной ткани. Теория растворимости была признана непригодной, так как не давала необходимых объяснений. Эта теория не отвечала тре­бованиям еще и потому, что ни известные поверхностные струк­туры различных модификаций кремнезема, ни их адсорбцион­ные характеристики по отношению к альбумину или угл°бу- лнну не могли быть скоррелированы с биологической актив­ностью. Однако Штобер [312] показал, что все кристаллические формы кремнезема, за исключением стишовита, относительно активны.

Хеппльстон отметил, что цитотоксические эффекты кремне­земных частиц в отношении фагоцитов не были в нужной мере скоррелированы с фиброгенезом и развитием силикоза. В дан­ном случае он затронул ключевой вопрос, который в конце кон­цов был разрешен. Хеппльетон сослался [127, 310] на доказа­тельство того, что кварц, взаимодействуя с компонентами кле­ток макрофага, способствует возникновению некоего возбуди­теля, который в свою очередь стимулирует образование колла­гена, т. е. ведет к фиброзу. Вещество, играющее роль посред­ника при развитии фиброза после повреждения клеток, является не липидом, а, возможно, галактаном. Во всяком случае, как полагают, высвобождается какой-то Н-фактор (оксипролиновый фактор), который стимулирует образование коллагена в фибро - бластах. Так как силикозные ткани содержат избыток липидов, то вполне вероятно, что, как только начинается процесс, при­сутствие одних лишь этих липидов может стимулировать раз­витие фиброгенеза.

Хеппльетон [313] сообщил об удивительном наблюдении, которое заключалось в том, что у крыс, не содержащих пато­генных микроорганизмов (т. е. в отсутствуе фагоцитов), не образовывались типичные силикозные узелки, которые, однако, появлялись у нормальных крыс даже в том случае, когда, им вводили кремнезем респираторным путем. Этот факт поддер­живает представление о том, что фагоциты участвуют в разви­тии фиброза. Веллер и др. [314] утверждали, что у крыс, не со­держащих патогенных микроорганизмов, кремнезем вызывал появление патологических эффектов. Но кремнезем при этом вводился внутрибрюшинно, поэтому полученные этими авторами результаты не могут сравниваться с эффектами, возникающими в легких при типичном развитии фиброза.

Хеппльетон исследовал стадии развития макрофагов в при­сутствии кварцевых частиц. После разрушения макрофагов и отделения их от частиц кварца и от остатков клеток методом центрифугирования был получен раствор, содержавший отмечен­ный выше фактор, оказавшийся способным вызывать фиброз. Когда раствор вводили в выделенную культуру фибробластов, тс наблюдалось заметное стимулирование образования оксипро­лина, который является характерным компонентом фиброзной соединительной ткани. Автор показал, что такое условие было необходимо для выращивания макрофага в присутствии квар­цевых частиц. Дополнительное введение кварца для разруше­ния макрофага не приводило к появлению указанного фактора. Избыток кварца вызывал только лишь умерщвление макрофагов (цитотоксическое действие), но фиброз не развивался [127].

Хеппльетон и др. продемонстрировали также другой тип воздействия, когда эпителиальные клетки в легких, реагировав­шие на избыточное содержание кварцевой пыли тем, что произ­водили огромные количества фосфолипидов (в частности, дп - пальмитоилового типа), поглощающих кварцевые частицы и препятствующие их воздействию на макрофаги. В этом случае фиброз не развивался [127,315].

Эллисон [127] показал, что внутри макрофага лизосомные мебраны, содержащие фосфолипиды, связаны водородными свя­зями с равномерно расположенными группами SiOH на поверх­ности кварца через атомы кислорода фосфатных групп эфира. При таких условиях фиброгенный фактор, вероятно представ­ляющий собой аномальный или видоизменный фермент, синте­зируется и накапливается в клетке до тех пор, пока последняя не погибает. Айлер [127] обобщил данные, касающиеся рас­смотрения водородных связей между полярными органическими соединениями и поверхностью аморфного кремнезема. Причина остается неизвестной. Однако можно представить, что регуляр­ное расположение групп SiOH на кристаллической поверхно­сти кварца, возможно, способствует более совершенному форми­рованию водородных связей с мембраной, чем в случае аморф­ного кремнезема с достаточно хаотично расположенными по­верхностными группами SiOH. Характеристики поверхности кварца, безусловно, отличаются от характеристик аморфного кремнезема. Например, на кварцевой поверхности адсорби­руется мономерный кремнезем из раствора, тогда как на по­верхности аморфного кремнезема такая адсорбция не проис­ходит (см. гл. 1).

Саммертон и др. [316] предположили, что именно белковый компонент, а не фосфолипид, адсорбировался в первую очередь, так как только такой полимер, как белок, образует большое число кооперативных связей и поэтому сильно адсорбируется. Однако авторы не учли сильного гидрофобного связывания между длинными алкильными группами смежных адсорбиро­ванных фосфолипидных молекул, которое может таюке стаби­лизировать адсорбированный слой.

Последующие этапы процесса, посредством которого ча­стицы кварца вызывают фиброз, были предложены Эллисоном [317—319] и обобщены Саммертоном и др. [316] с некоторыми небольшими изменениями.

1. Кварцевая частица в альвеоле покрывается органиче­ским полимерным веществом, образующим с кремнеземной по­верхностью водородные связи, как это имеет место, например, в случае белков.

2. Покрытая таким образом частица кварца может подвер­гаться фагоцитозу, т. е. ее поглощает макрофаг (род лейкоци­тов) .

3. Внутри макрофага лизосома и ее ферменты удаляют по­крытие с кварцевой частицы.

4. Раскрытая кварцевая частица связывается водородными связями с определенными компонентами внутренней поверх­ности лизосомной мембраны, которая в этом случае выделяет гибель и растворение макрофага.

Однако позднее было сделано важное наблюдение, что та­кие превращения не приводили к гибели макрофага [320]. Вместо этого повреждение макрофага происходит тогда, когда он еще сохраняется живым с находящимися внутри клеток квар­цевыми частицами. Кварцевая поверхность каким-то образом повреждает лизосомы, так что при этом производится новый фактор, вероятно фермент. Когда такой фермент выделяется из омертвевшего макрофага, он побуждает фибробласты произво­дить дополнительное количество оксипролина, который затем связывается с образованием фиброзных тканей. Вероятно, по­добное развитие процесса подтверждает наблюдения Марасаса и Харингтона [3206] относительно того, что поверхность кварца катализирует окисление на воздухе dZ-пролина до оксипролина.