Введение к работе
-3-
Актуальность проблемы. Физиологическая и нейрохимическая организация центральной регуляции дыхания остаётся одной из актуальных проблем физиологии. Современный уровень развития эксперименталь-ной электрофизиологической техники сделал возможным глубокое изучение функциональных свойств дыхательных нейронов in vivo и in vitro, позволил вплотную подойти к пониманию клеточных и субклеточных механизмов, являющихся основой дыхательной ритмики (Haji et al., 1996; Champagnat & Fortin, 1997; Ramirez et al., 1997; Richter et al., 1997). Вместе с тем, многие ключевые вопросы структурно-функциональной организации дыхательного центра и принципы его деятельности остаются дискуссионными, слабо изученными.
В последнее время особое внимание уделяется исследованию нейрохимического обеспечения бульбарных механизмов регуляции дыхания, изучению участия неиромедиаторов и неиромодуляторов в регуляции активности дыхательных нейронов и их функционального взаимодействия в пределах дыхательного центра, что является одной из основ генерации респираторного ритма (Bonham, 1995; Bianchi et al., 1995; Schmid et al., 1996; Bayliss et al., 1997; McCrimmon et al., 1997).
В рамках проблемы нейрохимических механизмов регуляции дыхания особый интерес представляет изучение роли нейропептидов. Впервые на кафедре физиологии человека и животных МГУ исследовали роль тиролиберина в механизмах восстановления дыхания и нормализации мозгового кровообращения, его антигипоксическое действие (Ашмарин и соавт., 1989, 1992). В.настоящее время выявлена способность опиоидных пептидов, субстанции Р, соматостатина, бомбезина,
-4-
тиролиберина, брадикинина, холецистокинина вызывать
разнообразные изменения дыхания при системном введении
(Воинов, Лосев, 1985; Сербенюк и соавт., 1988; Yamamoto et al.,
1986; Bianchi et al., 1995; Bonham, 1995; Ponchon et al., 1995, Walker
& Jennings, 1996). Эти данные были подтверждены
иммуногистохимическими и ауторадиографическими
исследованиями, в которых показана высокая концентрация неиропептидов и плотность рецепторов к ним в бульбарных дыхательных ядрах (Handbook of Chemical Neuroanatomy, 1990), что свидетельствует о возможности непосредственного участия эндогенных неиропептидов в деятельности дыхательного центра в норме и патологии.
Несмотря на большие успехи нейрохимии и патофизиологии регуляторных пептидов (Ашмарин и соавт., 1978, 1986; Судаков, 1981, 1997; Бадиков, 1982; Крыжановский, Глебов, 1983; Гомазков, 1990, 1997; Зилов, 1992; Айрапетянц, 1992, 1996; Адрианов, Попова, 1997), многие вопросы нейрохимической организации дыхательного центра ещё требуют исследования. Доказана ведущая роль сосуществования неиропептидов с классическими медиаторами в организации нервных центров и их эффективной функции (Ашмарин, Каменская, 1988), но в физиологии дыхания отсутствуют сведения о сравнительной роли различных отделов дыхательного центра в реализации респираторных эффектов неиропептидов, и о конкретных механизмах их участия в регуляции дыхания. В этом плане особенно перспективным представляется исследование механизмов действия неиропептидов на дыхательные нейроны с использованием современного метода петч-клемпинга. Это позволяет изучить непосредственное влияние неиропептидов на формирование мембранного потенциала клетки и ионные токи (Hille, 1992).
Цель и задачи исследования. Целью работы явилось:
изучение роли и основных физиологических механизмов участия нейропептидов в регуляции дыхания на уровне бульбарного дыхательного центра, регуляции активности нейронов различных ядерных образований дыхательного центра и хемочувствительных структур вентральной поверхности продолговатого мозга;
изучение возможных механизмов регуляции ионных токов дыхательных нейронов нейропептидами in vitro.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Произвести сравнительный анализ респираторных эффектов нейропептидов (тиролиберин, тахикинины, опиоидные пептиды) при локальном воздействии на функционально-различные отделы дыхательного центра.
-
Определить, в каких дозах и при каких концентрациях эффективны тиролиберин, тахикинины, лейцин-энкефалин, р-эндорфин, морфин в случае их микровведений в ядра дыхательного центра или аппликации к вентральной поверхности продолговатого мозга; выявить характер дозо-зависимых эффектов.
-
Изучить участие нейропептидов в реализации рефлекса Геринга-Брейера на уровне ядра солитарного тракта, влияние нейропептидов на вентиляторную реакцию, вызываемую гипоксией.
-
Исследовать изменения паттерна дыхания и электрической активности одиночных нейронов дыхательного центра, возникающие при воздействии нейропептидов на вентральную поверхность продолговатого мозга. Изучить влияние прямого воздействия нейропептидов на центральные хеморецепторы на вентиляторную чувствительность к гиперкапнии.
-
На переживающих срезах продолговатого мозга изучить активность клеток дыхательных ядер in vitro, изменения их
мембранного потенциала и ионных токов под влиянием неиропептидов, обладающих респираторной активностью при системном и локальном воздействии.
Научная новизна работы. Впервые проведено сравнительное исследование респираторных эффектов, возникающих при воздействии тиролиберина, тахикининов и опиоидных пептидов на функционально-различные отделы дыхательного центра. В структурах дыхательного центра установлена преимущественная роль NK-i-рецепторов по сравнению с ЫКг-рецепторами к
тахикининам. Преимущественный агонист ц-рецепторов (морфин) наиболее активен при воздействии на ядро солитарного тракта, а агонист 5-рецепторов (лейцин-энкефалин) - при воздействии на комплекс пре-Бётцингера. Конкретные особенности дыхательных реакций определяются не только действующими нейропептидами, но и функциональными свойствами отдела дыхательного центра, подвергающегося воздействию.
Впервые продемонстрирована эффективность тиролиберина, тахикининов и опиоидов при применении их в ультра-малых дозах и концентрациях. Эти данные в совокупности со сведениями о пептидергической нейрохимической организации дыхательного центра предполагают участие эндогенных неиропептидов в регуляции дыхания.
Получены новые доказательства модулирующих влияний неиропептидов на специфическую афферентацию, поступающую в ядро солитарного тракта от рецепторов растяжения лёгких и периферических хеморецепторов. Установлено, что модуляция нейропептидами классического рефлекса Геринга-Брейера на уровне ядра солитарного тракта лежит в основе механизма регуляции глубины дыхания.
-7-Впервые в срезах продолговатого мозга с помощью техники петч-клемпинга исследованы мембранный потенциал, спонтанная активность, выходящий калиевый ток нейронов дорсальной дыхательной группы и комплекса пре-Бётцингера. Установлено, что тиролиберин и лейцин-энкефалин вызывают изменение мембранного потенциала и уровня спонтанной активности нейронов. Доказано, что в основе активирующего действия тиролиберина лежит его способность частично ингибировать калиевый А-ток.
Обнаружено, что наряду с клеточными образованиями
дыхательного центра важную роль в реализации влияний
нейропептидов на дыхание играют поверхностные
вентролатеральные структуры продолговатого мозга. Доказано, что уровень концентрации нейропептидов в данной области (кровь и цереброспинальная жыдкость) существенно влияет на активность нейронов дыхательного центра и определяет изменения центральной хемочувствительности.
Теоретическое и практическое значение работы. Результаты проведённого исследования позволяют расширить и конкретизировать научные представления о пептидергической организации бульбарного дыхательного центра и центральных (медуллярных) хеморецепторов дыхания. Сведения о роли опиоидных пептидов, тиролиберина и тахикининов в деятельности дыхательного центра важны для понимания нейрохимических закономерностей генерации дыхательного ритма, особенностей формирования специфической механо- и хемоафферентации, поступающей к дыхательному центру, раскрывают механизмы обработки этой афферентации. Впервые на нейронах бульбарного дыхательного центра получены данные о мембранно-ионных механизмах действия нейропептидов, что позволяет внести теоретически значимые уточнения в общепризнанные в нормальной
-8-физиологии схемы центральной регуляции дыхания. Обнаруженные особенности центральной регуляции дыхания могут быть использованы для нового обоснования практического применения нейропептидов при дыхательных расстройствах, возникающих вследствие гипоксии, кровопотери, нарушений мозгового кровообращения, в восстановлении регуляции дыхания в практической реанимации, при синдроме внезапной смерти новорожденных при асфиксии.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Среди структур бульбарного дыхательного центра наиболее важную роль в реализации респираторных регуляторных влияний нейропептидов играют нейроны ядра солитарного тракта и комплекса пре-Бётцингера.
-
На уровне мембранно-ионных отношений нейропептиды регулируют активность клеток, расположенных в структурах дыхательного центра за счёт изменения мембранного потенциала и калиевого А-тока.
-
Важным системным механизмом пептидергической регуляции дыхания является модуляция тиролиберином, тахикининами, опиоидными пептидами чувствительности нейронов дыхательного центра к афферентации, поступающей от рецепторов растяжения лёгких и периферических хеморецепторов, что проявляется в соответствующих изменениях рефлекса Геринга-Брейера и вентиляторного ответа на гипоксию.
-
Нейропептиды включаются в рефлекторную регуляцию активности нейронов дыхательного центра, воздействуя на поверхностные ростровентролатеральные структуры продолговатого мозга. Тахикинины и опиоидные пептиды способны модулировать уровень центрального респираторного
-9-хемочувствительного драйва и, тем самым, изменять выраженность вентиляторного ответа на гиперкапнию.
Аппробация работы. Материалы работы доложены и обсуждены на VI Всесоюзной конференции по физиологии вегетативной нервной системы (Ереван, 1986); на VII научной конференции "Центральная регуляция вегетативных функций" (Тбилиси, 1987); на XV съезде Всесоюзного физиологического общества им. И.П. Павлова (Кишинёв, 1987); на Поволжской конференции "Физиология вегетативной нервной системы" (Куйбышев, 1988); на VI Всесоюзном симпозиуме "Физиология медиаторов. Периферический синапс" (Казань, 1991); на I и II Международных симпозиумах "Механизмы действия сверхмалых доз" (Москва, 1992, 1995); на XVI (учредительном) съезде Всероссийского физиологического общества им. И.П. Павлова (Пущино, 1993); на республиканской научной конференции физиологов, посвященной 95-летию со дня рождения М.В. Сергиевского (Самара, 1993); на III, IV, V и VII съездах Европейского Нейропептидного Клуба (Кембридж, Великобритания, 1993; Страсбург, Франция, 1994; Лунд, Швеция, 1995; Марбург, Германия, 1997); на симпозиуме Европейского Нейропептидного Клуба "Neuropeptides in the Peripheral and Central Nervous System" (Бад Наухайм, Германия, 1994); на Международном симпозиуме "Peptide Receptors" (Монреаль, Канада, 1996); на 11 Международном симпозиуме по регуляторным пептидам (Копенгаген, Дания, 1996).
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 298 страницах машинописного текста, иллюстрирована 47 рисунками и 10 таблицами. Она состоит из введения, обзора литературы, описания материала и методов исследования, шести глав с описанием результатов экспериментальных исследований, обсуждения полученных данных, заключения и выводов. Список
- 10-цитируемой литературы включает 53 отечественных и 272 зарубежных источника.