Билирубин ( BR ) (от латинского «красная желчь») — это красно-оранжевое соединение, которое встречается в нормальном катаболическом пути, который расщепляет гем у позвоночных . Этот катаболизм является необходимым процессом в очищении организма от отходов, которые возникают в результате разрушения старых или аномальных эритроцитов . [3] На первом этапе синтеза билирубина молекула гема отделяется от молекулы гемоглобина . Затем гем проходит через различные процессы катаболизма порфирина , которые различаются в зависимости от области тела, в которой происходит распад. Например, молекулы, выделяемые с мочой, отличаются от молекул в кале . [4] Образование биливердина из гема является первым основным шагом в катаболическом пути, после чего фермент биливердинредуктаза выполняет второй шаг, производя билирубин из биливердина. [5] [6]
В конечном итоге билирубин расщепляется в организме, а его метаболиты выводятся через желчь и мочу; повышенный уровень может указывать на определенные заболевания. [7] Он отвечает за желтый цвет заживающих синяков и желтое окрашивание при желтухе . Бактериальный фермент билирубинредуктаза отвечает за распад 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 встречается у животных, а не у растений, известно, что по крайней мере один вид растений, Strelitzia nicolai , содержит этот пигмент. [10]
Билирубин состоит из тетрапиррола с открытой цепью . Он образуется путем окислительного расщепления порфирина в геме, что дает биливердин. Биливердин восстанавливается до билирубина. После конъюгации с глюкуроновой кислотой билирубин растворяется в воде и может выводиться. [11]
Билирубин структурно похож на пигмент фикобилин, используемый некоторыми водорослями для захвата световой энергии, и на пигмент фитохром, используемый растениями для восприятия света. Все они содержат открытую цепь из четырех пиррольных колец. [12]
Подобно этим другим пигментам, некоторые двойные связи в билирубине изомеризуются под воздействием света. Эта изомеризация имеет отношение к фототерапии новорожденных с желтухой: E, Z-изомеры билирубина, образующиеся под воздействием света, более растворимы, чем неосвещенный Z, Z-изомер, поскольку возможность внутримолекулярной водородной связи устраняется. [13] Повышенная растворимость позволяет выводить неконъюгированный билирубин с желчью. [ необходима цитата ]
В некоторых учебниках и научных статьях указан неправильный геометрический изомер билирубина. [14] Природный изомер — это Z,Z-изомер.
Билирубин создается в результате активности биливердинредуктазы на биливердине , зеленом тетрапиррольном желчном пигменте, который также является продуктом катаболизма гема . Билирубин, окисляясь, снова превращается в биливердин. Этот цикл, в дополнение к демонстрации мощной антиоксидантной активности билирубина, [15] привел к гипотезе о том, что основная физиологическая роль билирубина заключается в том, что он является клеточным антиоксидантом. [16] [17] В соответствии с этим, исследования на животных показывают, что устранение билирубина приводит к эндогенному окислительному стрессу. [18] Антиоксидантная активность билирубина может быть особенно важна в мозге, где он предотвращает эксайтотоксичность и гибель нейронов, удаляя супероксид во время нейротрансмиссии N-метил-D-аспарагиновой кислоты. [19]
Билирубин в плазме в основном образуется в результате разрушения эритроцитов. Гем метаболизируется в биливердин (через гемоксигеназу), а затем в билирубин (через биливердинредуктазу ) внутри макрофагов. [11]
Затем билирубин высвобождается в плазму и транспортируется в печень, связанный с 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 затем конъюгируется с глюкуроновой кислотой (с помощью фермента уридиндифосфат-глюкуронилтрансферазы ). В этом состоянии билирубин растворим в воде и называется конъюгированным билирубином. [11]
Конъюгированный билирубин выделяется в желчные протоки и попадает в двенадцатиперстную кишку. Во время транспортировки в толстую кишку он преобразуется в уробилиноген бактериальным ферментом билирубинредуктазой. [8] Большая часть уробилиногена далее восстанавливается до стеркобилиногена и выделяется с калом (воздух окисляет стеркобилиноген до стеркобилина , что придает калу характерный коричневый цвет). [11]
Меньшее количество уробилиногена повторно всасывается в портальный кровоток и переносится в печень. По большей части этот уробилиноген перерабатывается в конъюгированный билирубин, и этот процесс замыкает энтерогепатический круг. Существует также количество уробилиногена, которое не перерабатывается, а попадает в системный кровоток и затем в почки, где он выводится. Воздух окисляет уробилиноген в уробилин , который придает моче ее характерный цвет. [11] [20]
Параллельно небольшое количество конъюгированного билирубина может также попадать в системный кровоток и выводиться с мочой. Это преувеличено в различных патологических ситуациях. [20]
Гипербилирубинемия — это повышенный по сравнению с нормой уровень билирубина в крови. Гипербилирубинемия может относиться к повышенному уровню конъюгированного, неконъюгированного или как конъюгированного, так и неконъюгированного билирубина. Причины гипербилирубинемии также можно разделить на предпеченочные, внутрипеченочные и постпеченочные. [21]
Предпеченочные причины связаны в основном с повышением неконъюгированного (непрямого) билирубина. [21] К ним относятся:
Внутрипеченочные причины могут быть связаны с повышенным уровнем конъюгированного билирубина, неконъюгированного билирубина или обоих. [21] Они включают в себя: [21]
Постгепатические причины связаны с повышенным уровнем конъюгированного билирубина. [21] К ним относятся: [21]
Цирроз может вызывать нормальный, умеренно высокий или высокий уровень билирубина в зависимости от конкретных особенностей цирроза.
Для дальнейшего выяснения причин желтухи или повышенного уровня билирубина обычно проще рассмотреть другие печеночные пробы (особенно ферменты аланинаминотрансферазу , аспартатаминотрансферазу , гамма-глутамилтранспептидазу , щелочную фосфатазу ), исследование мазка крови ( гемолиз и т. д.) или признаки инфекционного гепатита (например, гепатит A, B, C, дельта, E и т. д.). [ необходима цитата ]
Гемоглобин переносит кислород, который организм получает во все ткани организма через кровеносные сосуды. Со временем, когда необходимо пополнить запасы эритроцитов, 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, которые составляют красный цвет крови, откладываются в желчи, образуя билирубин. [24] Желтуха приводит к повышению уровня билирубина [25] > что, в свою очередь, негативно влияет на ткани, богатые эластином . [26] Желтуха может быть заметна в склере глаз при уровнях около 2–3 мг/дл (34–51 мкмоль/л), [27] и в коже при более высоких уровнях. [примечание 1]
Желтуха классифицируется в зависимости от того, является ли билирубин свободным или связанным с глюкуроновой кислотой , на конъюгированную желтуху и неконъюгированную желтуху. [ необходима цитата ]
Уровни несвязанного билирубина (Bf) можно использовать для прогнозирования риска нарушений нейроразвития у младенцев. [28] 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 клинических эффектов называется билирубиновой энцефалопатией. Нейротоксичность неонатальной гипербилирубинемии проявляется, поскольку гематоэнцефалический барьер еще не полностью развит, [ сомнительно – обсудить ] и билирубин может свободно проходить в интерстиций мозга, тогда как более развитые люди с повышенным уровнем билирубина в крови защищены. Помимо определенных хронических заболеваний, которые могут привести к гипербилирубинемии, новорожденные в целом подвержены повышенному риску, поскольку у них отсутствуют кишечные бактерии, которые способствуют расщеплению и выведению конъюгированного билирубина с калом (во многом поэтому кал новорожденного бледнее, чем у взрослого). Вместо этого конъюгированный билирубин преобразуется обратно в неконъюгированную форму ферментом β-глюкуронидазой (в кишечнике этот фермент находится в щеточной каемке выстилающих кишечные клетки клеток), и большая часть реабсорбируется через энтерогепатическую циркуляцию . Кроме того, недавние исследования указывают на высокий уровень общего билирубина как на причину образования желчных камней независимо от пола или возраста. [29]
При отсутствии заболеваний печени высокий уровень общего билирубина приносит различные преимущества для здоровья. [30] Исследования также показали, что уровни сывороточного билирубина (SBR) [31] обратно пропорциональны риску некоторых заболеваний сердца. [32] [33] Хотя плохая растворимость и потенциальная токсичность билирубина ограничивают его потенциальное медицинское применение, в настоящее время проводятся исследования на тему, могут ли инкапсулированные билирубином наночастицы фибрина шелка облегчить симптомы таких расстройств, как острый панкреатит. [34] В дополнение к этому, были сделаны недавние открытия, связывающие билирубин и его конъюгат ε-полилизин-билирубин (PLL-BR) с более эффективным лечением инсулином. Кажется, что билирубин проявляет защитные свойства во время процесса трансплантации островков, когда лекарства доставляются по всему кровотоку. [35]
Билирубин разрушается под воздействием света. Пробирки для сбора крови, содержащие кровь или (особенно) сыворотку, которые будут использоваться в анализах билирубина, следует защищать от освещения. [36] У взрослых кровь обычно берут иглой из вены на руке. [37] У новорожденных кровь часто берут из пяточной палочки, техники, при которой используется небольшое острое лезвие, чтобы надрезать кожу на пятке младенца и собрать несколько капель крови в небольшую пробирку. В некоторых медицинских учреждениях доступна неинвазивная технология, которая измеряет билирубин с помощью билирубинометра, который направляет свет на кожу и вычисляет количество билирубина, анализируя, как свет поглощается или отражается. [38] Это устройство также известно как транскутанный билирубинометр. [39]
Билирубин (в крови) встречается в двух формах:
Примечание: конъюгированный билирубин часто неправильно называют «прямым билирубином», а неконъюгированный билирубин неправильно называют «непрямым билирубином». Прямой и непрямой билирубин относятся исключительно к тому, как соединения измеряются или обнаруживаются в растворе. Прямой билирубин — это любая форма 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 еще может быть частью фракции «прямого» билирубина. Аналогично, не весь конъюгированный билирубин легко доступен в растворе для реакции или обнаружения (например, если он образует водородные связи сам с собой) и, следовательно, не будет включен во фракцию прямого билирубина. [ необходима цитата ]
Общий билирубин (TBIL) измеряет как BU, так и BC. Анализы на общий билирубин работают с использованием поверхностно-активных веществ и ускорителей (например, кофеина), чтобы перевести все различные формы билирубина в раствор, где они могут реагировать с реагентами анализа. Уровни общего и прямого билирубина можно измерить в крови, но непрямой билирубин рассчитывается из общего и прямого билирубина. [ необходима цитата ]
Непрямой билирубин растворим в жирах, а прямой билирубин растворим в воде. [40]
Общий билирубин = прямой билирубин + непрямой билирубин [41]
Повышение уровня аланинаминотрансферазы (АЛТ) и билирубина более показательно для серьезного поражения печени, чем повышение только АЛТ, как постулируется в законе Хая , который объясняет связь между результатами лабораторных тестов и лекарственным поражением печени [42]
Измерение неконъюгированного билирубина (UCB) недооценивается измерением непрямого билирубина, поскольку неконъюгированный билирубин (без/еще не глюкуронирования) реагирует с диазосульфаниловой кислотой, образуя азобилирубин , который измеряется как прямой билирубин. [43] [44]
Прямой билирубин = конъюгированный билирубин + дельта-билирубин [41]
В печени билирубин конъюгируется с глюкуроновой кислотой ферментом глюкуронилтрансферазой , сначала в глюкуронид билирубина , а затем в диглюкуронид билирубина , что делает его растворимым в воде: конъюгированная версия является основной формой билирубина, присутствующей во фракции «прямого» билирубина. Большая ее часть попадает в желчь и, таким образом, в тонкий кишечник. Хотя большая часть желчной кислоты реабсорбируется в терминальном отделе подвздошной кишки для участия в энтерогепатической циркуляции , конъюгированный билирубин не всасывается и вместо этого попадает в толстую кишку . [45]
Там кишечные бактерии деконъюгируют и метаболизируют билирубин в бесцветный уробилиноген , который может окисляться с образованием уробилина и стеркобилина . Уробилин выделяется почками, придавая моче ее желтый цвет, а стеркобилин выделяется с калом, придавая стулу его характерный коричневый цвет. След (~1%) уробилиногена реабсорбируется в энтерогепатическую циркуляцию и повторно выделяется с желчью. [46]
Период полураспада конъюгированного билирубина короче, чем дельта-билирубина. [47]
Хотя термины «прямой» и «непрямой» билирубин используются эквивалентно терминам «конъюгированный» и «неконъюгированный» билирубин, это количественно неверно, поскольку прямая фракция включает как конъюгированный билирубин, так и δ-билирубин. [ необходима ссылка ]
Дельта-билирубин — это связанный с альбумином конъюгированный билирубин. [41] Другими словами, дельта-билирубин — это вид билирубина, ковалентно связанный с альбумином , который появляется в сыворотке, когда у пациентов с гепатобилиарными заболеваниями нарушается печеночная экскреция конъюгированного билирубина . [48] Кроме того, прямой билирубин имеет тенденцию переоценивать уровни конъюгированного билирубина из-за неконъюгированного билирубина, который реагирует с диазосульфаниловой кислотой, что приводит к повышению уровней азобилирубина (и повышению прямого билирубина). [ необходима цитата ]
δ билирубин = общий билирубин – (неконъюгированный билирубин + конъюгированный билирубин) [41]
Период полураспада дельта-билирубина эквивалентен периоду полураспада альбумина , поскольку первый связан со вторым, и составляет 2–3 недели. [49] [43]
Период полураспада свободного билирубина составляет от 2 до 4 часов. [49]
Первоначально реакция Ван ден Берга использовалась для качественной оценки билирубина. [ необходима цитата ]
Этот тест проводится регулярно в большинстве медицинских лабораторий и может быть измерен различными методами. [50]
Общий билирубин в настоящее время часто измеряется методом 2,5-дихлорфенилдиазония (ДПД), а прямой билирубин часто измеряется методом Йендрассика и Грофа. [51]
Уровень билирубина в организме отражает баланс между выработкой и выделением. Результаты анализа крови рекомендуется всегда интерпретировать с использованием референтного диапазона, предоставленного лабораторией, которая проводила тест. Единицы СИ — мкмоль/л. [52] Типичные диапазоны для взрослых: [53]
Билирубин в моче также может быть клинически значимым. [59] Билирубин обычно не обнаруживается в моче здоровых людей. Если уровень конъюгированного билирубина в крови повышается, например, из-за заболевания печени, избыток конъюгированного билирубина выделяется с мочой, что указывает на патологический процесс. [60] Неконъюгированный билирубин не растворяется в воде и поэтому не выделяется с мочой. Тестирование мочи на билирубин и уробилиноген может помочь дифференцировать обструктивное заболевание печени от других причин желтухи. [61]
Как и в случае с билирубином, при нормальных обстоятельствах только очень небольшое количество уробилиногена выводится с мочой . Если функция печени нарушена или заблокирован желчный дренаж, часть конъюгированного билирубина вытекает из гепатоцитов и появляется в моче, окрашивая ее в темно-янтарный цвет. Однако при расстройствах, связанных с гемолитической анемией , увеличивается количество эритроцитов, что приводит к увеличению количества неконъюгированного билирубина в крови. Поскольку неконъюгированный билирубин не растворяется в воде, увеличения билирубина в моче не будет. Поскольку нет проблем с печенью или желчевыводящими системами, этот избыток неконъюгированного билирубина пройдет через все нормальные механизмы обработки, которые происходят (например, конъюгация, выведение с желчью, метаболизм в уробилиноген, реабсорбция) и проявится как увеличение уробилиногена в моче. Эта разница между повышенным уровнем билирубина в моче и повышенным уровнем уробилиногена в моче помогает различать различные нарушения в этих системах. [61]
В древней истории Гиппократ обсуждал желчные пигменты в двух из четырех жидкостей в контексте взаимосвязи между желтой и черной желчью. [62] Гиппократ посетил Демокрита в Абдерах , который считался экспертом по меланхолии «черной желчи». [62]
Соответствующая документация появилась в 1827 году, когда г-н Луи Жак Тенар исследовал желчные пути слона, который умер в парижском зоопарке. Он заметил, что расширенные желчные протоки были заполнены желтой магмой, которую он выделил и обнаружил, что она нерастворима в воде. Обработка желтого пигмента соляной кислотой дала сильный зеленый цвет. Тенар подозревал, что зеленый пигмент был вызван примесями, полученными из слизи желчи. [62]
Леопольд Гмелин экспериментировал с азотной кислотой в 1826 году, чтобы установить окислительно-восстановительное поведение при переходе от билирубина к биливердину, хотя в то время такой номенклатуры не существовало. [62] Термин биливердин был придуман Йенсом Якобом Берцелиусом в 1840 году, хотя он предпочитал «билифульвин» (желтый/красный) вместо «билирубина» (красный). Термин «билирубин», как считалось, стал общепринятым на основе работ Штеделера в 1864 году, который кристаллизовал билирубин из желчных камней крупного рогатого скота. [62] [63]
Рудольф Вирхов в 1847 году признал гематоидин идентичным билирубину. [64] Его не всегда отличают от гематоидина, который один современный словарь определяет как синонимичный ему [65], но другой определяет как «очевидно химически идентичный билирубину, но с другим местом происхождения, образующийся локально в тканях из гемоглобина, особенно в условиях пониженного напряжения кислорода». [66] [62] Синонимическая идентичность билирубина и гематоидина была подтверждена в 1923 году Фишером и Штейнмецем с помощью аналитической кристаллографии . [62]
В 1930-х годах значительные достижения в области выделения и синтеза билирубина были описаны Гансом Фишером , Плинингером и другими, [62] и пионерская работа, касающаяся эндогенного образования билирубина из гема, была также проведена в том же десятилетии. [67] Суффикс IXα частично основан на системе, разработанной Фишером, что означает, что исходное соединение билина было протопорфирином IX, расщепленным по альфа- метиновому мостику (см. номенклатуру протопорфирина IX ). [68]
Происхождение физиологической активности билирубина было описано Эрнстом Штадельманом в 1891 году, который, возможно, наблюдал биотрансформацию инфузионного гемоглобина в билирубин, возможно, вдохновленный работами Ивана Тарханова 1874 года. [62] Георг Баркан предположил, что источником эндогенного билирубина является гемоглобин в 1932 году. [69] Плинингер и Фишер продемонстрировали ферментативную окислительную потерю альфа- метинового мостика гема, приводящую к образованию бис-лактамной структуры в 1942 году. [62] Широко признано, что Ирвинг Лондон был первым, кто продемонстрировал эндогенное образование билирубина из гемоглобина в 1950 году, [70] а Шестранд продемонстрировал, что катаболизм гемоглобина производит оксид углерода между 1949 и 1952 годами. [67] Доказательства биотрансформации меченого 14C протопорфирина в билирубин появились в 1966 году Сесилом Уотсоном . [62] Руди Шмид и Тенхунен открыли гем-оксигеназу , фермент, ответственный за это, в 1968 году. [67] Ранее, в 1963 году, Накадзима описал растворимую «гем-альфа-метилоксигеназу», которая, как позже было установлено, является неферментативным путем, таким как образование промежуточного продукта 1,2-диоксетана в метиновом мостике, приводящее к высвобождению оксида углерода и образованию биливердина. [68]
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 эквивалентно периоду полураспада альбумина) в отличие от обычных 2–4 часов (период полураспада билирубина).