Билирубин ( BR ) (от латинского «красная желчь») представляет собой красно-оранжевое соединение, которое встречается в нормальном катаболическом пути и расщепляет гем у позвоночных . Этот катаболизм является необходимым процессом выведения из организма отходов, образующихся в результате разрушения старых или аномальных эритроцитов . [3] На первом этапе синтеза билирубина молекула гема отделяется от молекулы гемоглобина . Затем гем проходит различные процессы катаболизма порфиринов , которые варьируются в зависимости от области тела, в которой происходит распад. Например, молекулы, выделяемые с мочой, отличаются от молекул, находящихся в фекалиях . [4] Производство биливердина из гема является первым основным этапом катаболического пути, после которого фермент биливердинредуктаза выполняет второй этап, производя билирубин из биливердина. [5] [6]
В конечном итоге билирубин расщепляется в организме, а его метаболиты выводятся через желчь и мочу ; повышенные уровни могут указывать на определенные заболевания. [7] Он отвечает за желтый цвет заживающих синяков и желтое изменение цвета при желтухе . Бактериальный фермент билирубинредуктаза отвечает за расщепление билирубина в кишечнике. [8] Один из продуктов распада, уробилин , является основным компонентом соломенно-желтого цвета мочи. [9] Другой продукт распада, стеркобилин , вызывает коричневый цвет кала.
Хотя билирубин обычно содержится в животных, а не в растениях, известно, что по крайней мере один вид растений, Strelitzia nicolai , содержит этот пигмент. [10]
Билирубин состоит из тетрапиррола с открытой цепью . Он образуется в результате окислительного расщепления порфирина в геме с образованием биливердина. Биливердин восстанавливается до билирубина. После конъюгации с глюкуроновой кислотой билирубин водорастворим и может выводиться из организма. [11]
Билирубин структурно похож на пигмент фикобилин , используемый некоторыми водорослями для улавливания световой энергии, и на пигмент фитохром , используемый растениями для восприятия света. Все они содержат открытую цепь из четырех пирроловых колец. [ нужна цитата ]
Как и другие пигменты, некоторые двойные связи в билирубине изомеризуются под воздействием света. Эта изомеризация актуальна для фототерапии новорожденных с желтухой: E,Z-изомеры билирубина, образующиеся при воздействии света, более растворимы, чем неосвещенный Z,Z-изомер, поскольку исключается возможность образования внутримолекулярных водородных связей. [12] Повышенная растворимость позволяет выводить неконъюгированный билирубин с желчью.
В некоторых учебниках и научных статьях указан неправильный геометрический изомер билирубина. [13] Встречающимся в природе изомером является Z,Z-изомер.
Билирубин образуется в результате активности биливердинредуктазы на биливердине , зеленом тетрапирроловом желчном пигменте, который также является продуктом катаболизма гема . Билирубин при окислении снова превращается в биливердин. Этот цикл, помимо демонстрации мощной антиоксидантной активности билирубина, [14] привел к гипотезе о том, что основная физиологическая роль билирубина заключается в качестве клеточного антиоксиданта. [15] [16] В соответствии с этим, исследования на животных показывают, что устранение билирубина приводит к эндогенному окислительному стрессу. [17] Антиоксидантная активность билирубина может быть особенно важна в головном мозге, где он предотвращает эксайтотоксичность и гибель нейронов за счет удаления супероксида во время нейротрансмиссии N-метил-D-аспарагиновой кислоты. [18]
Билирубин в плазме образуется в основном за счет разрушения эритроцитов. Гем метаболизируется в биливердин (с помощью гемоксигеназы), а затем в билирубин (с помощью биливердинредуктазы ) внутри макрофагов. [11]
Затем билирубин высвобождается в плазму и транспортируется в печень, связанный альбумином , поскольку в этом состоянии он нерастворим в воде. В этом состоянии билирубин называется неконъюгированным (несмотря на то, что он связан с альбумином). [11]
В печени неконъюгированный билирубин захватывается гепатоцитами и впоследствии конъюгируется с глюкуроновой кислотой (посредством фермента уридиндифосфат-глюкуронилтрансферазы ). В этом состоянии билирубин растворим в воде и называется конъюгированным билирубином. [11]
Конъюгированный билирубин выводится в желчные протоки и поступает в двенадцатиперстную кишку. Во время транспортировки в толстую кишку он превращается в уробилиноген под действием бактериального фермента билирубинредуктазы. [8] Большая часть уробилиногена далее восстанавливается до стеркобилиногена и выводится через кал (воздух окисляет стеркобилиноген до стеркобилина , что придает фекалиям характерный коричневый цвет). [11]
Меньшее количество уробилиногена реабсорбируется в портальное кровообращение и переносится в печень. По большей части этот уробилиноген перерабатывается в конъюгированный билирубин, и этот процесс замыкает энтерогепатический круг. Существует также некоторое количество уробилиногена, который не перерабатывается, а попадает в системный кровоток и впоследствии в почки, где выводится из организма. Воздух окисляет уробилиноген в уробилин , который придает моче характерный цвет. [11] [19]
Параллельно небольшое количество конъюгированного билирубина также может попадать в системный кровоток и выводиться через мочу. Это преувеличено в различных патологических ситуациях. [19]
Гипербилирубинемия – это повышенный уровень билирубина в крови. Гипербилирубинемия может означать повышение уровня конъюгированного, неконъюгированного или одновременно конъюгированного и неконъюгированного билирубина. Причины гипербилирубинемии также можно разделить на предпеченочные, внутрипеченочные и постпеченочные. [20]
Предпеченочные причины связаны преимущественно с повышением уровня неконъюгированного (непрямого) билирубина. [20] К ним относятся:
Внутрипеченочные причины могут быть связаны с повышенным уровнем конъюгированного билирубина, неконъюгированного билирубина или того и другого. [20] К ним относятся: [20]
Постпеченочные причины связаны с повышенным уровнем конъюгированного билирубина. [20] К ним относятся: [20]
Цирроз может вызывать нормальный, умеренно высокий или высокий уровень билирубина, в зависимости от точных особенностей цирроза.
Для дальнейшего выяснения причин желтухи или повышения билирубина обычно проще изучить другие функциональные тесты печени (особенно ферменты аланинаминотрансферазу , аспартатаминотрансферазу , гамма-глутамилтранспептидазу , щелочную фосфатазу ), исследование мазков крови ( гемолиз и т. д.) или признаки инфекционного гепатита (например, гепатита А, В, С, дельта, Е и т. д.).
Гемоглобин транспортирует кислород, который организм получает ко всем тканям тела через кровеносные сосуды. Со временем, когда эритроциты нуждаются в пополнении, гемоглобин расщепляется в селезенке; он распадается на две части: гемовую группу, состоящую из железа и желчи, и белковую фракцию. В то время как белок и железо используются для обновления эритроцитов, пигменты, придающие крови красный цвет, откладываются в желчи, образуя билирубин. [23] Желтуха приводит к повышению уровня билирубина, который, в свою очередь, отрицательно влияет на удаление тканей, богатых эластином . [24] Желтуха может быть заметна в склере глаз при уровнях от 2 до 3 мг/дл (от 34 до 51 мкмоль/л) [25] и в коже при более высоких уровнях. [примечание 1]
В зависимости от того, является ли билирубин свободным или связанным с глюкуроновой кислотой , желтуху подразделяют на конъюгированную и неконъюгированную желтуху. [ нужна цитата ]
Уровни несвязанного билирубина (Bf) можно использовать для прогнозирования риска нарушений нервно-психического развития у младенцев. [26] Неконъюгированная гипербилирубинемия у новорожденного может привести к накоплению билирубина в определенных областях мозга (особенно в базальных ядрах ) с последующим необратимым повреждением этих областей, проявляющимся в виде различных неврологических дефицитов, судорог , аномальных рефлексов и движений глаз. Этот тип неврологического повреждения известен как ядерная желтуха. Спектр клинического эффекта называется билирубиновой энцефалопатией. Нейротоксичность неонатальной гипербилирубинемии проявляется потому, что гематоэнцефалический барьер еще не сформировался полностью, [ сомнительно ] и билирубин может свободно проходить в интерстиций головного мозга, тогда как более развитые индивиды с повышенным билирубином в крови защищены. Помимо конкретных хронических заболеваний, которые могут привести к гипербилирубинемии, новорожденные в целом подвергаются повышенному риску, поскольку у них отсутствуют кишечные бактерии, которые способствуют расщеплению и выведению конъюгированного билирубина с калом (во многом именно поэтому кал новорожденного бледнее, чем у новорожденного). у взрослого). Вместо этого конъюгированный билирубин превращается обратно в неконъюгированную форму с помощью фермента β-глюкуронидазы (в кишечнике этот фермент расположен в щеточной кайме выстилающих клеток кишечника), и большая его часть реабсорбируется через энтерогепатическую циркуляцию . Кроме того, недавние исследования указывают на высокий уровень общего билирубина как на причину образования камней в желчном пузыре независимо от пола и возраста. [27]
При отсутствии заболеваний печени высокий уровень общего билирубина приносит различные преимущества для здоровья. [28] Исследования также показали, что уровни сывороточного билирубина (SBR) [29] обратно пропорциональны риску некоторых заболеваний сердца. [30] [31] Хотя плохая растворимость и потенциальная токсичность билирубина ограничивают его потенциальное медицинское применение, в настоящее время проводятся исследования о том, могут ли инкапсулированные в билирубин наночастицы фибрина шелка облегчить симптомы таких заболеваний, как острый панкреатит. [32] В дополнение к этому, были недавние открытия, связывающие билирубин и его конъюгат ε-полилизин-билирубин (PLL-BR) с более эффективными препаратами инсулина. По-видимому, билирубин проявляет защитные свойства в процессе трансплантации островков, когда лекарства доставляются по кровотоку. [33]
Билирубин разрушается под действием света. Пробирки для забора крови, содержащие кровь или (особенно) сыворотку, которые будут использоваться в анализах на билирубин, должны быть защищены от освещения. У взрослых кровь обычно берут иглой из вены на руке. У новорожденных кровь часто берут из пяточной палочки — метода, при котором маленьким острым лезвием разрезают кожу на пятке ребенка и собирают несколько капель крови в небольшую пробирку. В некоторых медицинских учреждениях доступна неинвазивная технология, которая измеряет билирубин с помощью прибора, наносимого на кожу (чрескожный билирубинометр ) .
Билирубин (в крови) встречается в двух формах:
Примечание. Конъюгированный билирубин часто ошибочно называют «прямым билирубином», а неконъюгированный билирубин неправильно называют «непрямым билирубином». Прямое и косвенное относится исключительно к тому, как соединения измеряются или обнаруживаются в растворе. Прямой билирубин представляет собой любую форму билирубина, которая растворима в воде и доступна в растворе для реакции с реагентами для анализа; прямой билирубин часто состоит в основном из конъюгированного билирубина, но некоторое количество неконъюгированного билирубина (до 25%) все же может быть частью «прямой» фракции билирубина. Аналогичным образом, не весь конъюгированный билирубин легко доступен в растворе для реакции или обнаружения (например, если он образует водородные связи сам с собой) и поэтому не будет включен во фракцию прямого билирубина. [ нужна цитата ]
Общий билирубин (TBIL) измеряет как BU, так и BC. Анализы общего билирубина основаны на использовании поверхностно-активных веществ и ускорителей (например, кофеина) для перевода всех различных форм билирубина в раствор, где они могут вступать в реакцию с реагентами для анализа. Уровни общего и прямого билирубина можно измерить в крови, но непрямой билирубин рассчитывают на основе общего и прямого билирубина.
Непрямой билирубин жирорастворим, а прямой билирубин водорастворим. [34]
Общий билирубин = прямой билирубин + непрямой билирубин [35]
Повышение как аланинаминотрансферазы (АЛТ), так и билирубина более указывает на серьезное повреждение печени, чем повышение только АЛТ, как постулируется в законе Хай , который объясняет связь между результатами лабораторных тестов и лекарственным повреждением печени [36]
Измерение неконъюгированного билирубина (UCB) недооценивается при измерении непрямого билирубина, поскольку неконъюгированный билирубин (без глюкуронирования или еще не подвергшийся глюкуронидации) реагирует с диазосульфаниловой кислотой с образованием азобилирубина , который измеряется как прямой билирубин. [37] [38]
Прямой билирубин = Конъюгированный билирубин + дельта-билирубин [35]
В печени билирубин конъюгируется с глюкуроновой кислотой с помощью фермента глюкуронилтрансферазы сначала с глюкуронидом билирубина , а затем с диглюкуронидом билирубина , что делает его растворимым в воде: конъюгированная версия является основной формой билирубина, присутствующей в «прямой» фракции билирубина. Большая часть его попадает в желчь и, таким образом, попадает в тонкую кишку. Хотя большая часть желчных кислот реабсорбируется в терминальном отделе подвздошной кишки и участвует в энтерогепатической циркуляции , конъюгированный билирубин не всасывается и вместо этого попадает в толстую кишку . [39]
Там бактерии толстой кишки деконъюгируют и метаболизируют билирубин в бесцветный уробилиноген , который может окисляться с образованием уробилина и стеркобилина . Уробилин выводится почками, придавая моче желтый цвет, а стеркобилин выводится с калом, придавая стулу характерный коричневый цвет. Незначительное количество (~1%) уробилиногена реабсорбируется в энтерогепатическую циркуляцию и повторно выводится с желчью. [40]
Период полувыведения конъюгированного билирубина короче, чем у дельта-билирубина. [41]
Хотя термины «прямой» и «непрямой билирубин» используются одинаково с конъюгированным и неконъюгированным билирубином, это неверно количественно, поскольку прямая фракция включает как конъюгированный билирубин, так и δ-билирубин. [ нужна цитата ]
Дельта-билирубин представляет собой конъюгированный билирубин, связанный с альбумином. [35] Другими словами, дельта-билирубин представляет собой разновидность билирубина, ковалентно связанного с альбумином , который появляется в сыворотке, когда печеночная экскреция конъюгированного билирубина нарушена у пациентов с гепатобилиарным заболеванием . [42] Кроме того, прямой билирубин имеет тенденцию переоценивать уровни конъюгированного билирубина из-за того, что неконъюгированный билирубин вступил в реакцию с диазосульфаниловой кислотой, что приводит к повышению уровня азобилирубина (и увеличению прямого билирубина).
δ билирубин = общий билирубин – (неконъюгированный билирубин + конъюгированный билирубин) [35]
Период полувыведения дельта-билирубина эквивалентен периоду полувыведения альбумина , поскольку первый связан со вторым, и составляет 2–3 недели. [43] [37]
Период полувыведения свободного билирубина составляет от 2 до 4 часов. [43]
Первоначально реакция Ван ден Берга использовалась для качественной оценки билирубина.
Этот тест регулярно проводится в большинстве медицинских лабораторий и может быть измерен различными методами. [44]
Общий билирубин в настоящее время часто измеряют методом 2,5-дихлорфенилдиазония (ДПД), а прямой билирубин часто измеряют по методу Йендрасика и Грофа. [45]
Уровень билирубина в организме отражает баланс между его выработкой и выведением. Результаты анализа крови рекомендуется всегда интерпретировать, используя референсный диапазон, предоставленный лабораторией, проводившей анализ. Единицы СИ — мкмоль/л. [46] Типичные диапазоны для взрослых: [47]
Билирубин в моче также может быть клинически значимым. [53] Билирубин обычно не обнаруживается в моче здоровых людей. Если уровень конъюгированного билирубина в крови повышается, например, вследствие заболевания печени, избыток конъюгированного билирубина выводится с мочой, что указывает на патологический процесс. [54] Неконъюгированный билирубин не растворяется в воде и поэтому не выводится с мочой. Анализ мочи на билирубин и уробилиноген может помочь дифференцировать обструктивное заболевание печени от других причин желтухи. [55]
Как и в случае с билирубином, в норме с мочой выводится лишь очень небольшое количество уробилиногена . При нарушении функции печени или блокировании оттока желчи часть связанного билирубина вытекает из гепатоцитов и появляется в моче, окрашивая ее в темно-янтарный цвет. Однако при заболеваниях, связанных с гемолитической анемией , разрушается повышенное количество эритроцитов, что приводит к увеличению количества неконъюгированного билирубина в крови. Поскольку неконъюгированный билирубин не растворяется в воде, увеличения билирубина в моче не наблюдается. Поскольку проблем с печенью или желчевыводящей системой нет, этот избыток неконъюгированного билирубина пройдет через все обычные механизмы переработки (например, конъюгацию, выведение с желчью, метаболизм до уробилиногена, реабсорбцию) и проявится в виде увеличения уробилиноген в моче. Эта разница между повышенным уровнем билирубина в моче и повышенным уробилиногеном в моче помогает различать различные нарушения в этих системах. [55]
В древней истории Гиппократ обсуждал желчные пигменты в двух из четырех соков в контексте взаимоотношений между желтой и черной желчью. [56] Гиппократ посетил Демокрита в Абдере , который считался знатоком меланхолической «черной желчи». [56]
Соответствующая документация появилась в 1827 году, когда Луи Жак Тенар исследовал желчные пути слона, умершего в парижском зоопарке. Он заметил, что расширенные желчные протоки были полны желтой магмы, которую он выделил и обнаружил, что она нерастворима в воде. Обработка желтого пигмента соляной кислотой привела к получению яркого зеленого цвета. Тенард подозревал, что зеленый пигмент вызван примесями, полученными из слизи желчи. [56]
Леопольд Гмелин экспериментировал с азотной кислотой в 1826 году, чтобы установить окислительно-восстановительное поведение при переходе от билирубина к биливердину, хотя в то время номенклатуры не существовало. [56] Термин «биливердин» был придуман Йонсом Якобом Берцелиусом в 1840 году, хотя он предпочитал «билифульвин» (желтый/красный) «билирубину» (красному). Считалось, что термин «билирубин» стал общепринятым на основе работ Штеделера в 1864 году, который кристаллизовал билирубин из желчных камней крупного рогатого скота. [56] [57]
Рудольф Вирхов в 1847 году признал гематоидин тождественным билирубину. [58] Его не всегда отличают от гематоидина, который в одном современном словаре определяется как его синоним [59], а в другом определяется как «очевидно химически идентичный билирубину, но с другим местом происхождения, образующийся локально в тканях из гемоглобина, особенно в условиях пониженного напряжения кислорода». [60] [56] Синонимичная идентичность билирубина и гематоидина была подтверждена в 1923 году Фишером и Штейнмецем с помощью аналитической кристаллографии . [56]
В 1930-е годы значительные успехи в выделении и синтезе билирубина были описаны Гансом Фишером , Плинингером и другими [56] , и в то же десятилетие были проведены новаторские работы, касающиеся эндогенного образования билирубина из гема. [61] Суффикс IXα частично основан на системе, разработанной Фишером, что означает, что исходным соединением билина был протопорфирин IX, расщепленный по альфа- метиновому мостику (см. номенклатуру протопорфирина IX ). [62]
Истоки физиологической активности билирубина были описаны Эрнстом Штадельманном в 1891 году, который, возможно, наблюдал биотрансформацию введенного гемоглобина в билирубин, возможно, вдохновленный работами Ивана Тарханова 1874 года. [56] Георг Баркан предположил, что источником эндогенного билирубина является гемоглобин в 1932 году. [63] Плинингер и Фишер продемонстрировали ферментативную окислительную потерю альфа- метинового мостика гема, приводящую к образованию бис-лактамной структуры в 1942 году. [56] Широко признано, что Ирвинг Лондон был первым, кто продемонстрировал эндогенное образование билирубина из гемоглобина в 1950 году, [64] и Шьостранд продемонстрировал катаболизм гемоглобина с образованием монооксида углерода между 1949 и 1952 годами. [61] 14C-меченые биотрансформации протопорфирина в билирубин появились в 1966 году. Сесил Уотсон . [56] Руди Шмид и Тенхунен открыли гемоксигеназу , ответственный за это фермент, в 1968 году. [61] Ранее, в 1963 году, Накадзима описал растворимую «гем-альфа-метилоксигеназу», которая, как позже определили, является неферментативным путем, таким как образование промежуточного продукта 1,2-диоксетана на метиновом мостике, что приводит к высвобождению монооксида углерода и образованию биливердина. [62]
Эта фракция конъюгированного билирубина ковалентно связывается с альбумином и называется дельта-билирубином или дельта-фракцией или билипротеином.
Поскольку дельта-билирубин связан с альбумином, его выведение из сыворотки занимает около 12–14 дней (что соответствует периоду полувыведения альбумина) в отличие от обычных 2–4 часов (период полувыведения билирубина).