CC BY
233
2010_ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА_Сер. 3 Вып. 3
ФИЗИОЛОГИЯ, БИОХИМИЯ, БИОФИЗИКА
УДК 612.2
Л. В. Филиппова, А. Д. Ноздрачев
БРОНХОЛЕГОЧНЫЙ НЕРВНОРЕЦЕПТОРНЫЙ АППАРАТ
После того, как Брейер [13] опубликовал результаты исследования роли блуждающего нерва в контроле дыхания, сенсорные структуры воздухоносных путей стали предметом интенсивных и обширных исследований. Более чем столетнее изучение этой проблемы привело к значительным достижениям в определении функций и афферентных свойств рецепторных структур, однако, понимание природы рецепторов все еще остается далеко не полным. Разделение сенсорных нервов в дыхательных путях на различные категории может привести к значительной путанице, поскольку характеристика сенсорного нерва включает в себя несколько несоизмеримых свойств, таких как скорость проведения, ганглионарное происхождение, профиль активации, анатомическая локализация и рефлексы, порождаемые его активацией.
В противоположность множеству рецепторов, идентифицированных электрофизио-логически, четкие морфологические описания сенсорных структур воздухоносных путей крайне редки. Это, прежде всего означает, что многие легочные рецепторы имеют слабо идентифицируемую морфологическую структуру или они интегрированы в более сложные рецепторные структуры, которые способны к комбинированию различных сенсорных активностей.
Первое детальное описание структуры легочных сенсорных окончаний сделал в начале ХХ столетия Ларселл [37]. С тех пор прогресса в идентификации структуры практически не было, однако были достигнуты значительные успехи в определении их функций и афферентных свойств. В связи с этим первые попытки классификации рецепторов легких и дыхательных путей были основаны на электрофизиологических данных, причем полученных в основном при исследовании волокон блуждающего нерва. Согласно электрофизиологическим характеристикам рецепторы разделили на три типа: медленно адаптирующиеся рецепторы растяжения, быстро адаптирующиеся рецепторы и рецепторы С-волокон, или ^рецепторы [8, 9, 19-21, 33, 50, 57, 72 и др.]. В 2001 г. в список «физиологически охарактеризованных» рецепторов дыхательных путей были добавлены нейроэпителиальные тела — образования, присутствующие в легких фактически всех позвоночных животных [67].
© Л.В.Филиппова, А. Д. Ноздрачев, 2010
У кошки примерно 10 000 афферентных волокон блуждающего нерва распределены в легких и нижних дыхательных путях. Одна пятая часть этих волокон представлена миелинизированными единицами, из которых, по расчетам, 60% являются медленно адаптирующимися рецепторами, остальные 40% — быстро адаптирующимися [74]. У кролика примерно 50% от общего числа рецепторов внутрилегочных воздушных путей являются медленно адаптирующимися рецепторами [55].
В данном обзоре мы остановимся на особенностях функционирования и морфологии каждого из известных в настоящее время типов сенсорных структур легких и воздухоносных путей.
Медленно адаптирующиеся рецепторы растяжения
В старой анатомической литературе, когда целый нерв окрашивали метиленовым синим, серебром или тетродотоксином осмия, описаны миелинизированные нервные волокна, ветвящиеся и оканчивающиеся в гладких мышцах воздухоносных путей [37, 38]. Считалось, что эти нервные терминали являются сенсорными. Последующие стандартные свето- и электронно-микроскопические исследования, выполненные на крысах [64] и собаках [36], также выявили среди гладких мышц стенок бронхов и трахеи окончания миелинизированных афферентных волокон.
На основании локализации и преимущественной связи с физиологически определенными сенсорными рецепторами ветвящиеся, соединенные с гладкими мышцами рецеп-торноподобные терминали, были названы: «гладкомышечными нервными веретенами» [37], «легочными рецепторами растяжения» [64] или «медленно адаптирующимися рецепторами растяжения» (slowly adapting receptors, SAR) [62, 72]. Вместе с тем, учитывая ограниченное число данных по морфологии этих структур, нужно с большой осторожностью производить корреляцию между рецепторами определенными физиологически и морфологически.
Интенсивные электрофизиологические исследования легочных рецепторов начались после того как в 1933 г. была впервые зарегистрирована активность одиночных волокон блуждающего нерва, вызванная изменением объема легких [8]. Разряд этих волокон имел низкий порог, зависел от степени растяжения органа и медленно адаптировался в ответ на продолжающийся вдох. Активность тормозилась при спадении легких. Как следует из работы [8], автор понял, что имеет дело с афферентным путем инфляционного рефлекса Геринга—Брейера.
Во время вдоха увеличивающийся разряд медленно адаптирующихся рецепторов растяжения легких действует как инспираторный выключатель. Они возбуждаются при вдохе, генерируют импульсы высокой частоты и передают их в дыхательный центр продолговатого мозга по волокнам блуждающего нерва, что приводит к возбуждению нейронов, обеспечивающих расслабление мышц и выдох. Поток нервных импульсов в дыхательный центр служит сигналом для прерывания акта вдоха и инициации выдоха. Чем сильнее растяжение легких во время вдоха, тем больше поступает в дыхательный центр импульсов, ведущих к прекращению вдоха и возникновению выдоха. Спадание легочной ткани приводит к прекращению активности и возобновлению вдоха. Вместе с тем на протяжении вдоха порог выключения снижается. Вследствие этого при коротком, но быстром вдохе достигается относительно больший дыхательный объем, чем при медленном, но длительном. Таким способом рефлекс Геринга—Брейера контролирует глубину и частоту дыхания и является примером регуляции по принципу обратной связи. После перерезки блуждающих нервов дыхание становится редким и глубоким.
Связи медленно адаптирующихся рецепторов со стволом мозга определены уже достаточно давно, однако недавние исследования более детально описали пути, идущие от этих рецепторов в медуллярный респираторный генератор ритма [43, 51, 58].
Известно, что медленно адаптирующиеся рецепторы в основном не чувствительны к химическим агентам, однако реагируют на изменение СО2 [55, 56]. Уменьшение СО2 в легких во время раздувания может их сенсибилизировать и таким образом ускорить окончание вдоха. Работает ли подобный механизм в естественных условиях до настоящего времени неизвестно.
Медленно адаптирующиеся рецепторы оказывают рефлекторные влияния на моторные пути, однако эти пути отличаются от тех, что направляются от респираторных мышц [9, 69]. Они расслабляют гладкие мышцы воздухоносных путей, т.е. в этом случае имеет место отрицательная обратная связь. Эти рецепторы могут в равной степени оказывать влияние на респираторные ощущения и на время задержки дыхания. Кроме того, они способны ускорять сердечный ритм — процесс, который может быть важным во время мышечной работы. Этот факт впервые был открыт Герингом, назвавшим его вагусным рефлексом [26]. В настоящее время на основании скорости адаптации, порогового объема и чувствительности к вдоху описано несколько разных подтипов медленно адаптирующихся легочных рецепторов растяжения [11, 16].
Выяснилось, что часть рецепторов, расположенных в стенках воздухоносных путей, имеет множественные окончания, формирующие шарообразные расширения в гладких мышцах. Иммуноцитохимические исследования, выполненные на разных видах животных, показали присутствие у них ветвящихся рецепторноподобных нервных комплексов, связанных с трахеальной и бронхиальной стенками. У крыс, в частности, показаны широковетвящиеся нервные окончания в гладкомышечном слое трахеи, главных и долевых бронхов. Эти окончания обнаруживают иммунореактивность к кальций-свя-зывающему белку — калретинину [72].
Установлено, что медленно адаптирующиеся рецепторы содержат в большом количестве Ма+/К+-ЛТФазу [42, 74]. В легких у крыс и кроликов посредством иммуно-цитохимического окрашивания Ма+/К+-ЛТФазой а3 обнаружены нервные окончания, которые многократно ветвясь, входят преимущественно или в гладкомышечный слой или в концевую пластинку [73, 74]. У собак для обнаружения кустиковидных нервных окончаний в трахее и бронхах было использовано окрашивание белком нейрофиламен-тов [70] и белковым генным продуктом 9.5 (РСР9.5) [71].
Для дальнейшего определения местоположения, морфологии и нейрохимического кодирования субэпителиальных рецепторных структур воздухоносных путей крысы их визуализировали, используя антитела против актина гладких мышц (а8МЛ) и множественное иммуноцитохимическое окрашивание [15]. Поскольку ранее авторы вышеуказанной работы установили, что для обширной популяции сенсорных нервных окончаний в легких крысы маркером является везикулярный глутаматный транспортер 1 (УСЬиТ1), в качестве ключевых маркеров были использованы антитела против белков УСЬиТ1 и УСЬиТ2. Чтобы идентифицировать природу нервных волокон с рецептор-ноподобными терминалями, нейрохимическое кодирование комбинировалось с денерва-цией. Для разделения различных функциональных классов рецепторов использовали скорость проведения, а миелиновые оболочки визуализировали с помощью антитела против основного белка миелина. Иммунохимическое окрашивание выявило ветвящиеся пластинчатые субэпителиальные рецепторноподобные окончания, входящие в слой гладких мышц воздушных путей внутри легких. Из-за близкой связи с гладкими мышцами пластинчатые терминали были названы авторами работы [15] «рецепторами воз-
духоносных путей, связанными с гладкими мышцами» ('smooth muscle-associated airway receptors, SMARs'). Было продемонстрировано, что для этих рецепторов характерна иммунореактивность к Na+/K+-ATФазе а3, VGLUT1 и VGLUT2, а также экспрессия рецептора АТФ — P2X3 и присутствие кальций-связанных белков типа CRT и CB. Нервные волокна, отдающие эти окончания, миелинизированы и имеют вагусную природу.
Использование в последние годы нового подхода, объединяющего электрофизиологические и морфологические методы, позволило определить, что медленно адаптирующиеся рецепторы могут локализоваться не только в крупных ветвях дыхательных трасс, но и в их периферических участках [74]. Однако на периферии эти структуры более просты по сравнению с рецепторами, расположенными в центральных воздушных путях, и их плотность чрезвычайно низка.
Терминали рецепторов, локализованные в самой периферической части легкого, не имеют никакой очевидной связи с гладкими мышцами, хотя по электрофизиологическим характеристикам и относятся к группе медленно адаптирующихся рецепторов. Последнее свидетельствует о том, что мышечное сокращение, вероятно, не является необходимым прямым фактором для активации данных рецепторов [73].
Любопытно, что связанные и несвязанные с гладкими мышцами рецепторы имеют аналогичные электрофизиологические свойства. Часть рецепторов демонстрируют тоническую активность и являются низкопороговыми. Определенный разряд в этих афферентных волокнах присутствует в течение всего дыхательного цикла. У других рецепторов взрыв активности регистрируется лишь в ответ на раздувание легкого — это фазные высокопороговые рецепторы [73]. Частота их импульсной активности прогрессивно повышается с увеличением объема легкого [9, 73].
Тоническая активность оказывает тонкое влияние на мотонейроны. Величина и эффекты тонического разряда могут быть оценены с помощью использования положительного давления в конце выдоха. Эта манипуляция поддерживает в легких постоянное трансмуральное давление, при котором быстро адаптирующиеся рецепторы и бронхолегочные С-волокна молчат [60]. Таким способом можно выделить эффекты, связанные с медленно адаптирующимися рецепторами, которые отвечают или на фазное раздувание легких или на раздувание, поддерживаемое на уровне выше нормального.
В легких обнаружен еще один подтип медленно адаптирующихся рецепторов, которые разряжаются синхронно с сердечным ритмом во время экспираторной фазы (рис. 1). Эти структуры локализуются в основном вблизи кровеносных сосудов [73].
Если бы медленно адаптирующиеся рецепторы были единственными образованиями, влияющими на дыхание, то можно было бы ожидать, что ваготомия будет продлевать вдох и сокращать выдох (поскольку эти рецепторы сокращают вдох и пролонгируют выдох), но на самом деле ваготомия продлевает и вдох, и выдох. Для избирательной блокады медленно адаптирующихся рецепторов был разработан метод с использованием SO2 [23]. Эта процедура удлиняла вдох, но сокращала выдох, показывая, что при спокойном дыхании на него оказывает влияние второй путь (фактически быстро адаптирующиеся рецепторы). Выключение этого пути ваготомией удлиняло выдох. Таким образом, было подтверждено наличие отдельного рефлекса дефляции Геринга— Брейера.
Предполагается, что для каждого паттерна дыхания существует оптимальный калибр воздухоносного пути и медленно адаптирующиеся рецепторы помогают определять этот калибр [44]. Рефлекторная релаксация гладких мышц воздухоносных путей
Рис. 1. Электрическая активность медленно адаптирующихся рецепторов, зарегистрированная у двух кроликов (по: Уи в!., 2003):
А — типичный медленно адаптирующийся рецептор; Б — медленно адаптирующийся рецептор с сердечным ритмом во время экспираторной фазы
этими рецепторами может быть аргументом в пользу такого механизма. Однако оба эти представления довольно умозрительны, и даже если такие механизмы и существуют, их значение пока не установлено и активно дискутируется.
У людей в отличие от животных роль медленно адаптирующихся легочных рецепторов в контроле паттерна дыхания, по-видимому, очень незначительна.
Несмотря на то, что установлены различные характеристики рецепторов, расположенных за пределами легкого и сосредоточенных в бронхах [57, 66, 67], пока неизвестно, вызывают ли эти отдельные подтипы рецепторов и различную рефлекторную активность.
В гортани, вероятно, не существует эквивалентов медленно адаптирующимся рецепторам, возможно вследствие того, что здесь нет гладких мышц. Хотя рефлексы апноэ хорошо описаны [41], они видимо запускаются активацией рецепторов С-волокон. Идентифицированные в гортани «рецепторы давления» по своим характеристикам сходны с медленно адаптирующимися рецепторами нижних отделов легких. Они имеют ми-елинизированные волокна и медленно адаптируются, отвечают на раздувание гортани, а некоторые из них также и на коллапс [41]. Подобно медленно адаптирующимся рецепторам легких, они тормозятся СО2. Однако рефлекторное влияние «рецепторов давления» на дыхание установлено не было и до настоящего времени они все еще гистологически не идентифицированы.
Быстро адаптирующиеся рецепторы
Как это ни удивительно, но после выхода работы Эдриана [8] рефлексы, с участием медленно адаптирующихся рецепторов, вызывали у исследователей гораздо меньший интерес по сравнению с эффектами других легочных афферентов: быстро адаптирующихся рецепторов, рецепторов С-волокон и тех, что стимулируют кашель.
Быстро адаптирующиеся рецепторы впервые были описаны в 1929 г. [32]. Они реагировали на спадание легких и механические стимулы (катетер), в результате чего авторы пришли к выводу, что данные рецепторы ответственны за вызов кашля.
Первую регистрацию одиночной активности этих рецепторов осуществил Эдриан [8]. Автор, хотя и описал рецепторы дефляции, но не определил их как быстро адаптирующиеся и не обсуждал рефлекторные эффекты стимуляции этих единиц.
По-настоящему исчерпывающий анализ данных рецепторов был сделан Кноултоном и Лараби [33], установившими, что среди афферентных волокон блуждающего нерва примерно две трети отвечают на раздувание легких постоянным разрядом. Остальные рецепторы демонстрировали активность, которая снижалась в течение первых нескольких секунд на фоне продолжающегося раздувания. Для последнего типа рецепторов был использован термин «быстро адаптирующиеся рецепторы». На основании скоростей проведения ПД (8-35 м/с) был сделан вывод, что идущие от рецепторов нервные волокна являются миелинизированными. Для идентификации быстро адаптирующихся рецепторов авторы ввели понятие — индекс адаптации (adaptation index, AI).
Несмотря на то, что Кноултон и Лараби [33] убедительно доказали, что эти рецепторы вызывают инспираторные усилия или усиленное дыхание, они не обсуждали стимулы, запускающие кашель.
Существенный вклад в исследование этих рецепторов внес в середине ХХ столетия Уидикамб [66], проанализировавший свойства рецепторов трахеи и больших бронхов кошки. Быстро адаптирующиеся рецепторы оказались достаточно пестрой коллекцией сенсорных структур, проявляющих разные свойства.
Так, некоторые рецепторы разряжаются только во время изменения стимула (100%-ный индекс адаптации) и характеризуются ответами, подобными ответам телец Пачини. Большинство рецепторов стимулируются раздуванием и спаданием легких и имеют нерегулярную частоту разряда и различные индексы адаптации. Вероятнее всего, паттерн разряда быстро адаптирующихся рецепторов зависит от их локализации в воздухоносных путях [68].
Хемочувствительность быстро адаптирующихся рецепторов к ирритантам также зависит от места их локализации. Наиболее чувствительные рецепторы находятся в легких, причем концентрируются они главным образом в точках бифуркации дыхательного пути. Скорости их проведения соответствуют A^-миелинизированным волокнам. Считается, что импульсы именно этих сенсорных структур вызывают кашель и усиливают дыхание [68].
Итак, основными рефлекторными эффектами быстро адаптирующихся рецепторов являются кашель и усиленное дыхание. Это подтверждается тем, что у здоровых мышей и хорьков, у которых нет нервных окончаний в эпителии дыхательных путей [46, 54], отсутствует кашлевой рефлекс от нижних отделов дыхательных путей. Однако это не относится к больным легким. Имеется ли у этих видов животных рефлекс усиленного дыхания изучено не было.
Помимо кашля и усиления дыхания, стимуляция быстро адаптирующихся рецепторов продуцирует рефлекторную секрецию слизи в нижних отделах дыхательных путей [68]. Удивительно, но их сердечно-сосудистые рефлекторные эффекты до сих пор не описаны.
Паттерн распределения рецепторов внутри стенки воздухоносных путей был идентифицирован лишь недавно. Быстро адаптирующиеся рецепторы локализованы на всем протяжении трахеобронхиального дерева. Морфологически они представляют собой A^-миелинизированные афферентные нервные волокна блуждающего нерва, идущие от немиелинизированных терминалей, лежащих внутри и под эпителием дыхательных путей [68, 76]. Часто терминали быстро адаптирующихся рецепторов наблюдаются вблизи посткапиллярных венул [30].
В естественных условиях быстро адаптирующиеся рецепторы чувствительны к большому числу химических ирритантов и медиаторов. Однако надо иметь в виду, что они при этом возбуждаются не прямо этими стимулами, а в основном вторично в ответ
на механические изменения слизистой оболочки и гладких мышц дыхательных путей. Вдыхание высоких концентраций двуокиси серы (SO2) не изменяет активность этого типа рецепторов, но обратимо блокирует фазную и тоническую активность медленно адаптирующихся легочных рецепторов растяжения у кролика [23], но не у кошки [10] или собаки [55, 67]. В связи с этим оценить вклад быстро адаптирующихся рецепторов в паттерн дыхания у кролика можно, используя комбинацию аппликации SO2 с кратковременными изменениями давления.
Известно, что быстро адаптирующиеся рецепторы стимулируются или сенситизи-руются отеком воздухоносных путей [30, 31, 55]. Отек легких возникает в тех случаях, когда скорость транспорта жидкой составляющей крови в интерстициальное пространство и альвеолы превышает скорость ее возврата в кровь и быстроту дренирования лимфатической системой. Барьер между легочными капиллярами и альвеолярным газом (альвеолярно-капиллярная мембрана) представлен тремя анатомическими слоями с различными структурными характеристиками: цитоплазматическими выступами клеток эндотелия, различным по толщине интерстициальным пространством, и выстилкой альвеолярной стенки, неотделимой от бронхиального эпителия и в основном состоящей из больших чешуйчатых клеток с тонкими цитоплазматическими выступами. То, что терминали быстро адаптирующихся рецепторов наблюдаются вблизи посткапиллярных венул, свидетельствует о том, что они могут выполнять функцию сенсоров изменений объема интерстициальной жидкости в дыхательных путях во время отека.
Между кровеносным руслом и интерстициальным пространством происходит непрерывный обмен жидкостью, коллоидами и растворенными веществами. Патологическое состояние развивается при увеличении тока всех этих составляющих из сосудистого русла в интерстиций. Экспериментальные исследования подтвердили, что к легочному кровотоку, так же как и к системному, применимы основные принципы классического уравнения Старлинга [59]. Кроме гидростатического давления на активность рецепторов влияют и другие показатели уравнения Старлинга, такие как онкотическое давление и микрососудистая (капиллярная) проницаемость [31].
Гортанный эквивалент легочных быстро адаптирующихся рецепторов — «ирритант-ные» или «<кашлевые» рецепторы [9, 21, 40, 56, 67, 68]. Эти рецепторы обычно не активны, но возбуждаются при прикосновении, воздействии воды, сигаретного дыма, пыли и токсинов окружающей среды. Именно из-за этих особенностей их называют ирритант-ными рецепторами. Они имеют миелинизированные афферентные волокна и быстро адаптируются к механическим стимулам. Их клеточные тела расположены преимущественно в узловатом ганглии (gnl. nodosum). Результатом раздражения ирритантных рецепторов является частое, поверхностное дыхание, кашлевой рефлекс или рефлекс бронхоконстрикции. Эти рецепторы запускают экспираторный рефлекс из гортани.
В эпителии трахеи морской свинки описаны рецепторы [17, 53], клеточные тела которых находятся в яремном ганглии (gnl. jugulare). Эти рецепторы передают сенсорную информацию также по Л^-волокнам блуждающего нерва. Они быстро адаптируются к постоянному механическому стимулу, а их чувствительность к ряду химических веществ отличается от той, что свойственна для классических быстро адаптирующихся рецепторов. Причем разрушение эпителия трахеи не уменьшает чувствительность рецепторов, указывая на то, что их терминали расположены глубоко.
Суммируя имеющиеся в настоящий момент сведения о быстро адаптирующихся рецепторах, можно резюмировать, что это структуры, которые легко активируются устойчивым раздуванием легких и обычно идентифицируются по своей быстрой адаптации на этот стимул. Они также стимулируются тактильными стимулами и ирритант-
ными газами, приложенными к эпителию воздухоносных путей. Кроме того, рецепторы активируются при изменении объема экстравазальной жидкости. Последние исследования дают основания считать, что все показатели уравнения Старлинга [59] увеличивают активность быстро адаптирующихся рецепторов. Таким образом, можно полагать, что вместе с механочувствительностью к подобным стимулам, как растяжение, раздувание и спадание легких, другим физиологически важным стимулом для этих рецепторов является изменение экстрасосудистого объема жидкости.
Легочные рецепторы С-волокон [Л-рецепторы]
Детальное исследование немиелинизированных афферентных нервных волокон блуждающего нерва впервые было проведено Пэйнталом [47, 48]. Сначала была зарегистрирована активность от мультиволоконного нервного препарата, а затем и одиночная активность легочных С-волокон (^рецепторов). В результате было показано, что рецепторы стимулируются внутривенно введенным фенилдигуанидом. Десятилетием позже установили, что химические вещества (капсаицин, лобелин), ирританты и воспалительные медиаторы также повышают активность этих рецепторов [19, 49]. Помимо этого, они могут быть активированы патологическими состояниями типа анафилаксии, пневмонии и микроэмболии [21].
Первоначально Пэйнтал [47] назвал эти рецепторы юкстакапиллярными легочными рецепторами, поскольку они быстро реагировали на препараты, инъецированные в легочную артерию. Он полагал, что эти рецепторы расположены между альвеолярным эпителием и капиллярами легких. Впоследствии аналогичные структуры были обнаружены и на стенках бронхов, гортани, носа. По-видимому, они являются частью широко распространенной популяции полимодальных ноцицепторов, обнаруженных в большинстве висцеральных тканей. Теперь их обычно называют легочными рецепторами С-волокон [20, 68].
Пэйнтал показал [47], что легочные рецепторы рефлекторно вызывают апноэ, за которым следует быстрое поверхностное дыхание, брадикардия и гипертензия. Последующие исследования добавили в список рефлекторных ответов этих рецепторов бронхоконстрикцию, ларингоспазм, слизистую секрецию воздухоносных путей и вазо-дилятацию бронхов и носовой области.
По мнению Пэйнтала [50], легочные С-волокна обеспечивают еще два рефлекса, хотя последнее оспаривается Уидикамбом [68].
Во-первых, это касается участия легочных рецепторов С-волокон в кашлевом рефлексе. Уидикамб со своими коллегами установили, что С-волокна тормозят кашель. Однако замечено, что применение лобелина у людей приводит к появлению у них неприятных ощущений в области гортани и верхней части трахеи, что, по-видимому, является результатом стимуляции бронхиальных рецепторов С-волокон [52]. Было высказано предположение, что эти ощущения вызывают поведенческий ответ в виде кашля. По понятным причинам у людей идентифицировать рецепторы, стимулируемые лобелином, нельзя. У других же млекопитающих он кашля не вызывает [68]. Дискуссия относительно афферентных путей кашлевого рефлекса продолжается и поныне.
Во-вторых, Пэйнтал с коллегами [46] установили, что возбуждение легочных С-во-локон кошки тормозит спинальные рефлексы к скелетным мышцам. В связи с этим они предположили, что именно такой механизм ограничивает продолжительность интенсивной мышечной работы. Тем не менее некоторые наблюдения свидетельствуют о том, что стимуляция рецепторов приводит к противоположному эффекту — повыше-
нию величины рефлекторных мышечных ответов в руке и ноге [68]. Таким образом, вопрос этот также остается пока спорным.
Высказывалось мнение [20], что легочные C-волокна, терминали которых находятся в паренхиме легкого, отличаются от рецепторов, покрывающих внутреннюю поверхность дыхательных путей. В связи с этим C-волокна разделили на две подгруппы: наиболее доступные для химических веществ легочного кровотока, названные легочными C-волокнами, и наиболее доступные для химических веществ системного или бронхиального кровотока, названные бронхиальными C-волокнами. Большинство легочных C-волокон, вероятно, расположены глубоко в легком и являются синонимами юкста-каппиллярных рецепторов Пэйнтала (J-receptors) [50], в свою очередь, бронхиальные C-волокна сосредоточены в слизистой оболочке крупных воздухоносных путей.
Важный вопрос, на который долгое время не было ответа: отличаются ли интеро-цептивные С-волокна эпителиальной поверхности легких или любой другой ткани от C-волокон, локализованных глубоко внутри ткани.
Фармакологические исследования указывают на то, что легочные и бронхиальные C-волокна могут действительно представлять различные типы нервов. В то время как капсаицин стимулируют оба типа C-волокон, воспалительные медиаторы типа бради-кинина, простагландинов и аденозина, по-видимому, избирательно стимулируют определенный тип рецепторов [20, 21, 27]. Вместе с тем необходимо иметь в виду, что данные о различиях химической чувствительности C-волокон, полученные в экспериментах in vivo, нельзя прямо переносить на нервные волокна per se. Они могут отражать разницу в доставке стимула к рецептивной области или косвенные эффекты химических веществ на C-волокна в различных участках внутри органа [17].
Для проверки гипотезы о существовании двух четких фенотипов C-волокон блуждающего нерва недавно было проведено исследование, в котором с помощью совмещения гистологических и электрофизиологических методов [62] удалось показать, что два класса C-волокон отличаются по распределению в пределах легкого, химическому профилю активации и нейропептидному содержимому. Эксперименты проводили на морских свинках, у которых, как и у большинства млекопитающих, яремный и узловатый ганглии хорошо различимы. В отличие от этого у грызунов ганглии могут быть слиты в яремно-узловатый комплекс (а в некоторых случаях и каменистый). Авторы установили, что клеточные тела C-волокон блуждающего нерва, иннервирующих легочную систему морской свинки, расположены в двух различных сенсорных ганглиях. В то время как экстралегочные воздухоносные пути (гортань, трахея и бронхи) и легочная паренхимная ткань иннервируются нейронами яремного ганглия, структуры внутри легких иннервируются преимущественно афферентными C-волокнами нейронов узловатых ганглиев. На этом основании было выдвинуто предположение, что два типа С-волокон блуждающего нерва имеют различное эмбриональное происхождение [62].
Нейроны узловатого ганглия, направляющие отростки в легкие, отличаются от нейронов яремных ганглиев также и фармакологически. Терминали C-волокон в легких, идущих в узловатый и яремный ганглии, отвечают разрядом ПД на аппликацию кап-саицина и брадикинина, но только популяция C-волокон узловатого ганглия отвечает разрядом на селективный агонист рецепторов P2X — а, в-метилен-АТФ (рис.2).
Регистрация с помощью метода фиксации напряжения чувствительных к капсаици-ну нейронов узловатого и яремного ганглиев, ретроградно помеченных в ткани легкого, показала, что специфические нейроны узловатого ганглия, подобно нервным термина-лям, экспрессируют функциональные рецепторы P2X, тогда как специфические легочные C-волокна яремного ганглия данные рецепторы не экспрессируют (рис.3).
Рис. 2. Внеклеточная регистрация ПД от С-волокна узловатого и яремного ганглиев с рецептивными полями внутри правого легкого (по: ИМеш е1 а1., 2004)
Стрелки обозначают момент введения в трахею или легочную артерию 1 мл АТФ (30 мкМ), а, в-метилен-АТФ (30 мкМ) или капсаици-на (0,3 мкМ). Верхняя запись — от С-волокна узловатого ганглия (скорость проведения 0,7 м/с) с рецептивной областью в средней доле правого легкого: нижняя — от С-волокна яремного ганглия (скорость проведения 0,6 м/с) с рецептивной областью в средней доле правого легкого. С-во-локно яремного ганглия не отзывается на АТФ, но стимулируется капса-ицином; С-волокно узловатого ганглия, напротив, отвечает разрядом ПД на АТФ. Этот эффект подобен ответу на селективный агонист рецептора Р2Х (а, в-метилен-АТФ)
Помимо того, нейроны узловатых и яремных ганглиев экспрессируют различные рецепторы факторов роста и разные нейротрофины для развития и выживания [79]. Таким образом, различия в фенотипах 0-волокон очевидны даже на уровне экспрессии мембранных рецепторов и содержания нейропептидов.
Между рецепторами легких и бронхов имеется разница и в ответах на изменения давления в левом предсердии. Рецепторы 0-волокон легких не отвечают на ранних фазах дисфункции левых желудочков сердца, а бронхиальные рецепторы стимулируются при повышении давления в левом предсердии на 10 мм рт. ст. [30]. Кроме того, они,
А Нейрон узловатого ганглия
3 АТФ Юмкмм Капсаицин 1мкмМ
б а,р метил-АТФ ЮмкмМ АТФ ЗмкмМ
Б Нейрон яремного ганглия
АТФ ЮмкмМ Капсаицин 1мкмМ
Рис. 3. Входящие ионные токи, полученные на ретроградно помеченных нейронах узловатого и яремного ганглиев в методике пэтч-кламп на целой клетке (по: и^вш в!., 2004):
А — все нейроны узловатого ганглия отвечают на АТФ (а и б) или селективный агонист рецептора Р2Х — а, в-метилен-АТФ (б) быстро входящим током. Ток в ответ на АТФ инактивируется быстро (а) или более медленно (б); Б — ретроградно помеченные, капсаицин-чувствительные нейроны яремного ганглия не реагируют на АТФ
как и быстро адаптирующиеся рецепторы, стимулируются комбинацией сил Старлинга (лимфатической обструкцией и уменьшением онкотического давления плазмы), даже если в отдельности эти стимулы их и не активируют. Во время выраженного легочного отека, наряду с быстро адаптирующимися рецепторами, активируются и С-волокна дыхательных путей и периферических отделов легких.
Таким образом, в активации сенсорных рецепторов, вероятно, существует иерархия: быстро адаптирующиеся рецепторы реагируют на самые ранние изменения тока жидкости, а при достижении необходимого условия — на другие типы рецепторов [31].
При повышении давления в малом круге кровообращения, увеличении объема интер-стициальной жидкости в легких (отек) или при эмболии мелких легочных сосудов, а также при действии биологически активных веществ в дыхательный центр поступают импульсы по медленным волокнам блуждающего нерва. В результате дыхание становится частым и поверхностным (одышка).
Имеющиеся в настоящее время данные о морфофункциональных характеристиках основных трех типов афферентных волокон блуждающего нерва, иннервирующих дыхательные пути, суммированы в таблице.
Свойства типов афферентных волокон блуждающего нерва, иннервирующих дыхательные пути
Характеристики Быстро адаптирующиеся рецепторы Медленно адаптирующиеся рецепторы С-волокна
Электрофизиологические
Скорость проведения, 14-23 15-32 0,8-1,5
м/с
Фоновая активность, 0-20 10-40 0,3-1,5
имп/с
Морфологические
Синтез нейропептидов Нет Нет Да
Иннервация крупных Да Редко »
дыхательных путей
Иннервация мелких » Да »
дыхательных путей
Физическая чувствительность
Механический порог Низкий Низкий Высокий
Спадение легких Активны Неактивны Нет эффекта
Эдема Повышение активности Нет эффекта Повышение активности
Химическая чувствительность
со2 Нет эффекта Снижение активности Повышение активности
Н+ Повышение активности Нет эффекта » »
Капсаицин* » » » » » »
Брадикинин* » » » » » »
Рефлекторные эффекты
Парасимпатический Возбуждение Торможение Возбуждение
Респираторный Гиперпноэ Торможение вдоха Апноэ
Аксон-рефлекс Нет Нет Да
* Активация быстро адаптирующихся рецепторов капсаицином и брадикинином тормозится предварительной обработкой бронходилятаторами, свидетельствуя о том, что активация вторична к обструкции легких. Активация С-волокон брадикинином и капсаицином усиливается бронходилятаторами (адреналин, аденозин, простагландин Е), свидетельствуя о том, что они непосредственно стимулируют волокна.
Необходимо остановиться еще на одной важной функции афферентных волокон дыхательных путей и легких, а именно на их участии в нейроиммунных взаимодействиях.
Разнообразие и многочисленность возбудителей инфекционных заболеваний, с которыми постоянно сталкивается слизистая оболочка респираторного тракта, предполагает наличие сложной мультифакторной организации защиты дыхательных путей. Сенсорные нервы и клетки иммунной системы являются основными участниками в защите легких против вдыхаемых ирритантов и аллергенов. Следовательно, логично ожидать тесное взаимодействие между ними при выполнении этой важной функ-
ции. Существование некоторых из подобных перекрестных взаимодействий ранее было продемонстрировано в желудочно-кишечном тракте [1, 2-7]. Показано, что иммунизация, помимо активации клеток иммунной системы, запускает каскад биохимических процессов, ведущих к мобилизации потенциала антиоксидантных систем и увеличению генерации оксида азота в тканях тонкой кишки. Также было доказано, что выделяющиеся из тучных клеток медиаторы оказывают активирующее воздействие на интероцепторы тонкой кишки. Кроме того, продемонстрировано длительное повышение импульсной активности в афферентных волокнах тонкой кишки под действием бактериальных липополисахаридов и цитокинов и установлено, что передачу информации между иммунными клетками и интероцепторами при воздействии эндотоксинов осуществляет интерлейкин-1в посредством усиленной продукции вторичных сигнальных веществ, в частности простагландинов и гистамина. Эти данные свидетельствуют об участии рецепторов желудочно-кишечного тракта в механизмах управления базовыми висцеральными процессами при изменении иммунного статуса организма.
Имеются косвенные свидетельства тому, что в регуляции нарушений, происходящих при обструктивных заболеваниях легких и аллергии, участвует блуждающий нерв [12]. Кроме того, в слизистой оболочке дыхательных путей, как и в желудочно-кишечном тракте, продемонстрированы тесные функциональные и морфологические связи между капсаицин-чувствительными афферентными волокнами и тучными клетками [12]. Выбрасываемые из окончаний С-волокон нейропептиды могут воздействовать на иммунные клетки. В свою очередь, множество освобождаемых лейкоцитами медиаторов могут оказывать мощное стимулирующее действие на афферентные волокна воздухоносных путей [12, 28, 39]. Недавно получены свидетельства тому, что капсаицин-чувствитель-ные афферентные волокна могут играть важную протективную роль в вызванном эндотоксином воспалении воздухоносных путей, и таким способом вносить свой вклад в увеличенную бронхоконстрикцию [24]. Однако пока неясно, играют ли нейроиммунные взаимодействия существенную роль в развитии нейрональной пластичности в регуляции рефлексов воздухоносных путей.
Нейроэпителиальные тела
Легочная нейроэндокринная система состоит из специализированных эндокринных эпителиальных клеток, связанных с нервными волокнами. Нейроэндокринные клетки могут быть одиночными или собранными в кластеры, формирующими нейроэпители-альные тела.
Структурные и функциональные исследования прошедших трех десятилетий свидетельствуют о том, что нейроэпителиальные тела выполняют хемочувствительную функцию, а также регулируют рост и развитие воздухоносных путей [14, 22, 45, 75, 78].
Для выполнения сложных функций требуются соответственно и сложные структуры. Нейроэпителиальные тела состоят из 4-25 клеток, занимают всю толщу эпителия, доходя до его поверхности, имеют микроворсинки, т. е. им присущи черты строения эндокринных клеток открытого типа (см. рис. 3). Клетки тесно контактируют с нервными окончаниями и капиллярами фенестрированного типа, которые характеризуются тонким эндотелием с порами в эндотелиоцитах. Предполагается, что сенсорные окончания волокон блуждающего нерва внутри нейроэпителиальных тел выполняют роль посыльного для регулирующих гомеостазис сетей ствола мозга, обеспечивая их информацией о содержании кислорода во вдыхаемом воздухе. Таким образом, нейроэпителиальные
тела дополняют артериальные хемосенсоры. Эта идея подтверждается множеством разнообразных морфологических и функциональных данных (см. обзоры: [14, 45]). Однако точного и подлинного понимания механизмов реакции нейроэпителиальных тел на гипоксию пока еще не существует.
Иннервация этих структур как важный фактор, необходимый для полного подтверждения их функционального значения, до недавнего времени изучена была крайне мало. Только недавно появилась работа, в которой сложность их иннервации была тщательно исследована и полностью объяснена [14]. Авторам указанной работы путем комбинирования сложной иммуноцитохимии, конфокальной лазерной сканирующей микроскопии и фармакологического удаления нерва капсаицином, удалось разделить афферентные волокна вагусного и спинального происхождения, обеспечивающие двойную сенсорную иннервацию нейроэпителиальных тел (рис.4, 5). Выяснилось, что большинство из них иннервируется нечувствительными к капсаицину миелинизирован-ными афферентными волокнами блуждающего нерва, берущими начало в узловатом ганглии. Теряя миелиновые оболочки, они проникают между нейроэпителиальными клетками. Эти волокна проявляют иммунореактивность к калбиндину (са1Ып(^п) и пуринергическим рецепторам Р2Х3, но негативны по отношению к ваниллоидному рецептору ТБРУ1.
Вторая популяция центростремительных волокон, конвергирующая на тех же самых нейроэпителиальных телах (только на их базальном полюсе), берет начало в спинномозговых ганглиях. Это немиелинизированные капсаицин-чувствительные волокна, отличающиеся иммунореактивностью к СОИР, субстанции Р и ТИРУ1. Причем имму-нореактивность исчезает после обработки капсаицином. По существующему мнению, данные признаки свидетельствуют о спинальном происхождении волокон. Характерно, что эти спинальные афференты формируют сплетение под нейроэпителиальным телом, не проникая между эпителиальными клетками [14].
Имеется еще и третья нейрональная популяция, которая вносит свой вклад в иннервацию нейроэпителиальных тел — нитроергические внутрилегочные ганглионарные нейроны (см. рис.4). Эти нехолинергические внутренние нейроны направляют свои окончания к нейроэпителиальному телу, а их клеточные тела контактируют с коллате-ралями ССИР иммунореактивных спинальных нейронов.
Демонстрация рецепторной иммунореактивности Р2Х3 в афферентных окончаниях волокон блуждающего нерва может указывать на роль АТФ, освобождаемой клетками нейроэпителиальных тел.
Роль афферентных волокон нейроэпителиальных тел спинального происхождения менее очевидна. Эти афференты отвечают на ирритантные раздражители (типа аммиака и сигаретного дыма) и могут передавать ноцицептивные сигналы. Это побуждает думать, что в процессы передачи ноцицептивной информации могут быть вовлечены медиаторы, выделяемые из нейроэпителиальных тел, которые стимулируют субэпителиальное сплетение спинальных афферентных волокон (ССИР/субстанция Р-позитив-ных). В свою очередь, спинальные афферентные окончания также могут освобождать пептидные медиаторы, запуская таким образом местные аксон-рефлексы.
В этом контексте важным было обнаружение иннервации нитроергических нейронов коллатералями ССИР-положительных афферентных волокон спинальной природы [14]. Стимуляция данных волокон может модулировать активность нейронов, влияя таким способом на выброс серотонина или СОИР из клеток нейроэпителиальных тел. Таким образом, комплексные и сложные взаимодействия в нейроэпителиальных телах обеспечивает тройная иннервация.
Рис. 4. Схема нейроэндокринной организации нейроэпителиаль-ного тела (по: МвиЬиЪвг, 2003)
Афферентные волокна блуждающего нерва разветвляются на терминальные веточки, распределяющиеся между клетками нейроэпителиаль-ных тел (НЭТ). Они отличаются иммунореактивностью к кальмодулину (СВ) и рецепторам Р2Х3. Волокна дорзальных корешков спинного мозга (ОЯС) формируют субэпителиальное сплетение. Аксоны, берущие начало из нитроергических внутренних нейронов, также отдают веточки к клеткам нейроэпителиальных тел. Коллатерали афферентных волокон дорзальных корешков спинного мозга иннервируют и нитроергические нейроны. Стимул из полости бронхиолы может запустить освобождение АТФ из клеток НЭТ, что приведет к активации афферентных волокон блуждающего нерва через рецепторы Р2Х3. Аналогично могут быть активированы субэпителиальные афферентные волокна дорсальных корешков спинного мозга, которые будут модулировать активность внутренних нейронов через аксон-рефлекс (стрелка). Внутренние нейроны, в свою очередь, могут регулировать чувствительность клеток НЭТ к стимулам, исходящим из полости, посредством освобождения оксида азота своими внутриэпителиальными терминалями. Разнонаправленная стрелка показывает механическую стимуляцию НЭТ во время растяжения бронхиол, что также может запустить освобождение медиаторов из его клеток
Самая интригующая идея, выдвинутая группой бельгийских исследователей [14, 15], относится к механочувствительности нейроэпителиальных тел. Они обратили внимание на то, что результаты, полученные при антероградном окрашивании структур узловатого ганглия, свидетельствуют о концентрации афферентных волокон блуждающего нерва в основном в нейроэпителиальных телах, другие же области легкого остаются практически не иннервированными [15, 63]. Кроме того, в ряде электрофизиологических исследований показано, что направляющиеся к нейроэпителиальным телам аф-
Рис. 5. Схема основной иннервации гладких мышц воздухоносных путей и нейроэпителиального тела легкого крысы (по: Brouns et al., 2006)
В центре схемы — легочное нейроэпителиальное тело (НЭТ) и его связи с сенсорными нервными окончаниями; в верхней левой части — узловатый ганглий (gnl. nodosum) и его афферентные связи с НЭТ и гладкими мышцами воздухоносных путей; вверху справа — афферентные волокна дорсальных корешков (DRG). Нижняя часть схемы показывает гладкие мышцы воздухоносных путей, которые получают нервные терминали от постганглионарных парасимпатических нейронов, расположенных в ганглии воздухоносных путей. 5HT — серотонин; TRPV1 — ваниллоидный рецептор; CGRP — кальцитонин ген-родственный пептид; CRT — калретин; CB — калбиндин; SP — субстанция P; Р2Х3 — рецептор АТФ; VGLUT1 и VGLUT2 — везикулярный глутаматный транспортер 1 и 2; VAChT — транспортер везикулярного холина; MBP — основной белок миелина
ферентные волокна блуждающего нерва являются фактически миелинизированными медленно и быстро адаптирующимися афферентными волокнами [55, 67].
Внутриэпителиальные нервные окончания в нейроэпителиальных телах на самом деле также порождаются миелинизированными афферентными волокнами блуждающего нерва, экспрессирующими Ма+/К+-ЛТФазу а3, УСШТ1, УСШТ2, Р2Х3 и связанные с кальцием белки (см. рис.5). Поскольку некоторые из последних белков в других органах рассматривают в качестве маркеров механорецепторных окончаний, то межмышечные ламинарные нервные терминали (8МЛИ) и нервные терминали блуждающего нерва в нейроэпителиальных телах представляются подходящими структурными кандидатами на роль бронхолегочных механосенсоров [65].
Возникшая ситуация напоминает аналогичную, происшедшую с желудочно-кишечным трактом. Там исследования с использованием антероградных красителей подтвердили предположение о том, что специфические афферентные структуры блуждающего нерва (так называемые внутриганглионарные пластинчатые окончания) являются главными кандидатами на роль низкопороговых мышечных механосенсоров.
Представление о том, что нейроэпителиальные тела с их сложной афферентной иннервацией могут функционировать как «корпускулярный» механосенсор, получило подтверждение благодаря обнаружению рецепторов Р2Х3 на связанных с телами афферентных окончаниях блуждающего нерва [14, 15]. Предполагается, что механическая стимуляция может приводить к выходу ЛТФ из нейроэпителиальных тел и тем самым стимулировать афферентные волокна блуждающего нерва. Новые данные послужили стимулом для дальнейших функциональных исследований механосенсорной роли этих структур.
Чтобы проверить эту идею, некоторые исследователи с целью выявления сенсорных структур нейроэпителиальных тел [77] и медленно адаптирующихся рецепторов [76] инъецировали в узловатый ганглий флуоресцентный краситель. Оказалось, что у этих двух структур совершенно разная морфология. Полученные данные привели авторов к заключению, что нейроэпителиальные тела и медленно адаптирующиеся рецепторы — две разные сущности. Действительно, нейроэпителиальные тела редко сосуществуют с медленно адаптирующимися рецепторами, если же они обнаруживаются вместе, то только незначительная часть этих образований находится в тесном контакте. Все эти факты позволили сделать заключение, что генерация активности медленно адаптирующимися рецепторами не связана с информацией, исходящей из нейроэпителиальных тел.
Вместе с тем недавно с помощью конфокального микроскопа и иммунохимиче-ских маркеров удалось получить отличный препарат гладкомышечного рецептора легких, находящегося вблизи нейроэпителиального тела [15], на котором хорошо видны Ма+/К+-ЛТФаза-иммунореактивные структуры внутри тела. Последнее свидетельствует о том, что часть структур нейроэпителиальных тел составляют медленно адаптирующиеся рецепторы.
Этот факт можно интерпретировать и иначе: если Ма+/К+-ЛТФаза-иммунореак-тивные структуры и являются медленно адаптирующимися рецепторами, их активность все же не может зависеть от соседнего нейроэпителиального тела, поскольку расстояние между ними слишком велико (40-50 мкм) для того, чтобы выбрасываемые из нейроэпителиального тела молекулы могли эффективно стимулировать рецепторы. В связи с этим обнаруженные Ма+/К+-ЛТФаза-иммунореактивные структуры и медленно адаптирующиеся рецепторы могут быть разными сущностями, имеющими различную локализацию, размеры, структуру, ориентацию и чувствительность к анти-
телам Ма+/К+-ЛТФазы. В работах других исследователей [75, 76, 78] в нейроэпите-лиальных телах Ма+/К+-ЛТФаза-иммунореактивные структуры не были обнаружены, что дало авторам основание утверждать, что если нейроэпителиальные тела и участвуют в механотрансдукции медленно адаптирующихся рецепторов, то играют здесь лишь модулирующую роль.
Конечно, неудача в обнаружении иммуноположительных структур в нейроэпители-альных телах могла быть связана с недостаточно чувствительной методикой окрашивания, не позволяющей антителам проникать в глубокие структуры. С другой стороны, эти же авторы легко продемонстрировали подобные структуры на препарате гладких мышц, поскольку медленно адаптирующиеся рецепторы очень активны и изобилуют Ма+/К+-ЛТФазой, в отличие от нейроэпителиальных тел или любых других сенсорных рецепторов дыхательных путей.
Очевидно, гипотеза о том, что нейроэпителиальные тела с их сложной афферентной иннервацией могут функционировать как «корпускулярный» механосенсор, требует дополнительных доказательств.
Нейрохимическое содержимое и секреторная природа этих клеток, а также близкий контакт с сенсорными окончаниями миелинизированных волокон может указывать на их потенциальную роль как части механорецепторных терминальных устройств. С другой стороны, поверхностная локализация этих клеток в эпителии воздухоносных путей и плотное распределение в точках разветвления трахеобронхиального дерева наводит на мысль об удачном расположении для выполнения ими функции детекции вдыхаемых ирритантов. Тем не менее, кроме экспериментального подтверждения чувствительности к гипоксии, роль и функции нейроэпителиальных тел как сенсоров воздухоносных путей остаются малопонятыми.
Таким образом, в настоящее время можно считать установленным, что нейроэпите-лиальные тела образуют внутрилегочную рецепторную систему, регистрирующую изменения состава вдыхаемого воздуха и вырабатывают в ответ на это биогенные амины, пептидные гормоны, которые регулируют тонус стенок бронхов и кровеносных сосудов. Следовательно, они выполняют существенные функции в физиологии и патофизиологии сердечно-легочной системы, адаптируя кровоток в легких к характеру вентиляции.
Необходимо отметить, что недавние исследования привнесли важную новую информацию относительно структурной сложности нейроэпителиальных тел и их иннервации. Эти оригинальные данные, свидетельствующие о том, что указанные структуры действуют в воздухоносных путях как часть комплекса сенсор-нерв, безусловно, прокладывают путь к более полному пониманию многообразия функций нейроэндокрин-ных клеток в дыхательной системе.
Механизмы активации рецепторов легких на уровне ионных каналов
Исследования сенсоров воздухоносных путей последних лет были сфокусированы в основном на том, каким образом изменяется чувствительность и функциональные характеристики рецепторов во время острых и хронических патологических состояний респираторных путей. Другое интересное направление — изучение нейрональной пластичности, которая может включать изменения генной экспрессии и белкового синтеза нейромодуляторов и/или ионных каналов в нейронах. Раскрытие механизмов, регулирующих изменения генной транскрипции, которые приводят к изменениям чувстви-
тельности первичных афферентных нейронов, несомненно, является крайне важной и одновременно сложной задачей.
В последние годы начали раскрываться механизмы активации легочных рецепторов на уровне ионных каналов [17, 25, 34, 35, 61]. Накапливается все больше свидетельств о важной роли ваниллоидных рецепторов, особенно ТИРУ1 и ТИ,РУ4, в регуляции функций дыхания [18]. Показано, что эти рецепторы экспрессируются несколькими типами клеток в легких животных и человека. Однако этот рецептор, являющийся катионным каналом, скорее, селективно экспрессируется ноцицептивными первичными сенсорными нейронами, которые усиливают нейрогенное воспаление через выброс нейропептидов. Помимо уникальной чувствительности к ваниллоидным молекулам, рецепторы ТИРУ могут быть активированы множеством эндогенных веществ (ионами водорода, некоторыми липоксигеназными продуктами и т. д.) и изменениями физиологических условий (температура, осмолярность и т.д.) [25, 29, 34, 35, 61]. Экспрессия ТИРУ1 и их чувствительность регулируются разнообразными С-белковыми и тирозин-киназными рецепторами.
Активация этих каналов может вызвать кальциевый ток и возбуждение нейрона. В воздухоносных путях и легких каналы ТИРУ1 в основном экспрессируются неми-елинизированными афферентами, которые содержат сенсорные нейропептиды, типа тахикининов. В ответ на стимуляцию эти сенсорные нервы вызывают центрально-обусловленные рефлексы, а также местный выброс тахикининов, что приводит к кашлю, раздражению воздухоносных путей, рефлекторной бронхоконстрикции и нейрогенному воспалению.
Недавние исследования ясно продемонстрировали, что возбудимость каналов ТИРУ1 регулируется простагландином Е2 и брадикинином, выбрасываемыми во время воспалительной реакции в дыхательных путях. В этих условиях ТИРУ1 могут быть активированы даже незначительным повышением температуры или кислотности ткани.
Косвенные данные свидетельствуют о том, что эти каналы могут играть роль в патогенезе некоторых респираторных заболеваний, таких как астма и хронический кашель. Действительно, показано, что в воздухоносных путях агонисты этих рецепторов вызывают кашель, бронхоконстрикцию, гиперреактивность и гиперсекрецию [25]. Пациенты с астмой и хроническими обструктивными легочными заболеваниями более чувствительны к тканевому эффекту агонистов ТИРУ1 по сравнению со здоровыми людьми. Активация рецепторов ТИРУ1 может вносить вклад в дыхательные симптомы, вызванные присутствием в воздухоносных путях кислой среды во время приступов астмы, порожденных астмой гастро-эзофагального рефлюкса или в иных условиях. Поэтому потенциальное использование антагонистов ТИРУ в качестве новой терапии этих болезней может оказаться полезным и, безусловно, заслуживает дальнейшего исследования.
Прежде чем тканевой стимул в воздухоносных путях вызовет кашлевой рефлекс, он должен сначала вызвать разряд ПД в афферентных волокнах блуждающего нерва. Если ПД имеются в достаточном числе и их частота высока, возникает кашель. К самым частым тканевым стимулам относятся механические изменения, низкоосмотические и кислые растворы и различные химические агенты. Механизмы, лежащие в основе трансдукции большинства этих тканевых стимулов в генераторный потенциал, в настоящее время раскрыты лишь частично. В общих словах химические стимулы взаимодействуют непосредственно с лиганд-зависимыми ионными каналами или с ме-таботропными рецепторами (например, С-протеин-связанными рецепторами). Лиганд-зависимые рецепторы — те, в которых рецепторный протеин служит также и ионным
каналом. Метаботропные рецепторы косвенно модулируют активность ионных каналов через различные трансдукционные сигнальные схемы.
Считается, что механические стимулы взаимодействуют с механочувствительными ионными каналами, а кислота в дополнение к капсаициновым рецепторам ТИ,РУ1 может взаимодействовать с кислоточувствительными ионными каналами.
Кислота является важным посредником в патогенезе кашля. Вдыхание экзогенной кислоты инициирует кашель, а эндогенная кислота может способствовать кашлю при респиративных заболеваниях. Она непосредственно стимулирует бронхолегочные афферентные волокна блуждающего нерва, которые регулируют кашлевой рефлекс [36]. В соответствии с предполагаемой ролью в защите против аспирации и вдыхания ирри-тантов, ноцицептивные А^-волокна в крупных воздухоносных путях наиболее эффективно стимулируются быстрым окислением. В противоположность этому кислоточув-ствительные свойства ноцицептивных С-волокон позволяют производить непрерывный мониторинг рН, значение которого, вероятно, важно при воспалении. Кислота является также наиболее важным посредником в патогенезе кашля при гастро-пищеводном рефлюксе.
Кашлевые пути могут быть сенситизированы сенсорными потоками из пищевода. Эта сенситизация, вероятно, осуществляется ноцицепторами. Если роль рецепторов ТИ,РУ1 в воздухоносных путях изучена уже довольно подробно, то значение рецепторов, лежащих в основе кислотной чувствительности, пока еще недостаточно понятно. Механизмы функционирования и роль кислоточувствительных ионных каналов и других рецепторов еще предстоит выяснить в дальнейших более тщательных исследованиях.
В заключение необходимо отметить, что применение в последние годы антител для иммуногистохимии, делающих структуру терминалей афферентных волокон видимой, а также конфокальной микроскопии, чрезвычайно улучшающей качество изображения, облегчило проведение наблюдений за рецепторными структурами. Это позволило более детально изучить морфологические особенности сенсорных терминалей афферентных нервов, а также региональное распределение различных групп рецепторов и их плотность в легких и воздухоносных путях. В связи с этим поводов для субъективной интерпретации результатов стало значительно меньше. Полученные с помощью современных методов сведения существенно расширили представления о роли интеро-цепторов в рефлекторной регуляции деятельности дыхательной системы и позволили сформулировать новые своеобразные гипотезы о структурно-функциональной организации легочных рецепторов.
Вместе с тем анализ современного состояния проблемы позволяет сделать заключение, что многие представления все еще нуждаются в известных коррективах и дальнейших экспериментальных поисках, в том числе и в направлении выяснения молекулярных механизмов активации различных типов рецепторов на уровне ионных каналов.
Литература
1. Акоев Г. Н., Филиппова Л. В., Шерман Н. О. Влияние медиаторов тучных клеток гистамина и простагландинов на афферентные нервные волокна // Физиол. журн. им. И.М.Сеченова. 1996. Т. 82, №2. С. 81-86.
2. Ноздрачев А. Д., Акоев Г.Н., Филиппова Л. В., Шерман Н. О. Импульсная активность в сенсорных брыжеечных нервных волокнах при воздействии антигена // ДАН. 1998. Т. 361, №6. С. 846-848.
3. Ноздрачев А. Д., Филиппова Л. В., Шерман Н. О., Понасюк Н. В. Интерлейкин-1,3 оказывает стимулирующее действие на интероцепторы тонкой кишки // ДАН. 2001. Т. 376, №1. С. 124-126.
4. Ноздрачев А. Д., Филиппова Л. В., Панасюк Н. В., Арутюнян А. В., Зубжицкая Л. Б. Интенсивность процессов свободнорадикального окисления и генерации оксида азота при воздействии антигена // ДАН. 2001. Т. 377, №1. С. 139-141.
5. Ноздрачев А. Д., Филиппова Л. В. Участие интероцепторов тонкой кишки в механизмах ответных реакций организма на эндотоксины // ДАН. 2003. Т. 389, №4. С. 105-108.
6. Филиппова Л. В. Сенсорные функции тонкой кишки: дис. ... д-ра биол. наук. СПб.: Ин-т физиологии им. И.П.Павлова РАН, 2002. 318 с.
7. Филиппова Л. В., Ноздрачев А. Д. Интероцепция и нейроиммунные взаимодействия. СПб.: Наука, 2007. 295 с.
8. Adrian E. D. Afferent impulses in the vagus and their effect on respiration //J. Physiol. 1933. Vol. 79. P. 332-358.
9. Bailey E. F., Fregosi R. F. Modulation of upper airway muscle activities by bronchopulmonary afferents // J. Appl. Physiol. 2006. Vol.101, N2. P. 609-617.
10. Bartlett D. Jr., Knuth S. L., Knuth K. V. Effects of pulmonary stretch receptor blockade on laryngeal responses to hypercapnia and hypoxia // Respir. Physiol. 1981. Vol.45. P. 67-77.
11. Ве^^п D. R., Petегsоn D. F. Idеntifiсаtiоn оf vagal sensory rесерtors in Ше rat lung: are Шеге subtуpеs of slowly adapting rесерtors? // J. Phystol. 1993. Vol.464. P. 681-698.
12. Bost K. L. Tachykinin-mediated modulation of the immune response // Front. Biosci. 2004. Vol. 9. P. 3331-3332.
13. Breuer J. Die Selbststeuerung der Athmung durch den Nervus Vagus // Sber. Akad. Wiss. Wien. 1868. Vol. 58. P. 909-937.
14. Brouns I., Van Genechten J., Scheuermann D. W., Timmermans J.-P., Adriaensen D. Neu-roepithelial bodies: a morphologic substrate for the link between neuronal nitric oxide and sensitivity to airway hypoxia? //J. Comp. Neurol. 2002. Vol.449. P. 343-354.
15. Brouns I., Pintelon Il., De Proost I., Alewaters R., Timmermans J.-P., Adriaensen D. Neurochemical characterisation of sensory receptors in airway smooth muscle: comparison with pulmonary neuroepithelial bodies // Histochemistry and Cell Biology. 2006. Vol.125, N4. P. 351367.
16. Саnning B.J., 1аzzone S.B., Mеekеr S.N., Mori N., Reynolds S.M., Undem B.J. Ые^ tifiсatiоn оf Ше traсhеal and laryngеal afferent Muro^s mеdiating TOugh in anaеsthеtizеd gui^a pigs //J. Physwl. 2004. Vol.557. P. 543-558.
17. Carr M. J., Undem B. J. Pharmacology of vagal afferent nerve activity in guinea pig airways // Pulm. Pharmacol. Ther. 2003. Vol. 16, N1. P. 45-52.
18. Caterina M. J., Julius D. The vanilloid receptor: a molecular gateway to the pain pathway // Annu. Rev. Neurosci. 2001. Vol. 24. P. 487-517.
19. Coleridge H. M., Coleridge J. C., Luck J. C. Pulmonary afferent fibres of small diameter stimulated by capsaicin and by hyperinflation of the lungs // J. Physiol. 1965. Vol. 179, N 2. P. 248262.
20. Coleridge J. C. G., Coleridge H. M. Afferent vagal C fibre innervation of the lungs and airways and its functional significance // Rev. Physiol. Biochem. Pharmacol. 1984. Vol. 99. P. 1-110.
21. Coleridge H. M., Coleridge J. C. G. Pulmonary reflexes: neural mechanisms of pulmonary defense // Ann. Rev. Physiol. 1994. Vol.56. P. 69-91.
22. Cutz E., Jackson A. Neuroepithelial bodies as airway oxygen sensors // Respir. Physiol. 1999. Vol. 115. P. 201-214.
23. Davies A., Dixon M., Callanan D., Huszczuk A., Widdicombe J. G., Wise J. C. Lung reflexes in rabbits during pulmonary stretch receptor block by sulphur dioxide // Respir. Physiol. 1978. Vol. 34. P. 83-101.
24. Elekes K., Helyes Z., Nemeth J., Sandor K., Pozsgai G., Kereskai L., Borzsei R., Pinter E., Szabo A., Szolcsanyi J. Role of capsaicin-sensitive afferents and sensory neuropeptides in endotoxin-
induced airway inflammation and consequent bronchial hyperreactivity in the mouse // Regulatory Peptides. 2007. Vol. 141, N1-3. P. 44-54.
25. Geppetti P., Materazzi S., Nicoletti P. The transient receptor potential vanilloid 1: Role in airway inflammation and disease // Europ. J. Pharmacol. 2006. Vol.533, N1-3. P. 207-214.
26. Bering E. Ueber den Einfluss der Athmung auf den Kreislauf. 2. Mittheilung: Ueber eine reflektorische Beziehung zwischen Lunge and Herz // Sber. Akad. Wiss. Wein. 1871. Vol. 64. S. 333353.
27. Hong J. L., Ho C. Y., Kwong K., Lee L. Y. Activation of pulmonary C fibres by adenosine in anaesthetized rats: role of adenosine A1 receptors // J. Physiol. 1998. Vol. 508. S. 109-118.
28. Jacoby D. B., Costello R. M., Fryer A. D. Eosinophil recruitment to the airway nerves // J. Allergy. Clin. Immunol. 2001. Vol. 107. P. 211-218.
29. Jia Y., Lee L. Y. Role of TRPV receptors in respiratory diseases // Biochim. Biophys. Acta. 2007. Vol.1772, N8. P. 915-927.
30. Kappagoda C. T., Skepper J.N., McNaughton L., Siew E.E., Navaratnam V. Morphology of presumptive rapidly adapting receptors in the rat // J. Anat. 1990. Vol. 168. P. 265-276.
31. Kappagoda C. T., Ravi K. The rapidly adapting receptors in mammalian airways and their responses to changes in extravascular fluid volume // Exp. Physiol. 2006. Vol. 91, N4. P. 647-654.
32. Keller C. J., Loeser A. Der zentripetale Lungenvagus // Z. Biol. 1929. Vol. 89. S. 373-395.
33. Knowlton G. C., Larrabee M. G. A unitary analysis of pulmonary volume receptors // Amer. J. Physiol. 1946. Vol. 147. P. 100-114.
34. Kollarik M., Undem B. J. Mechanisms of acid-induced activation of airway afferent nerve fibres in guinea-pig // J. Physiol. 2002. Vol.543. P. 591-600.
35. Kollarik M., Ru F., Undem B. J. Acid-sensitive vagal sensory pathways and cough // Pulm. Pharmacol. Ther. 2007. Vol.20, N4. P. 402-411.
36. Krauhs J. M. Morphology of presumptive slowly adapting receptors in dog trachea // Anat. Rec. 1984. Vol. 210. P. 73-85.
37. Larsell O. Nerve terminations in the lung of the rabbit // J. Comp. Neurol. 1921. Vol.33. P. 105-131.
38. Larsell O., Dow R. S. The innervation of the human lung // Amer. J. Anat. 1933. Vol. 52. P. 125-146.
39. Lee L. Y., Gu Q., Gleich G. J. Effects of human eosinophil granule-derived cationic proteins on C-fiber afferents in the rat lung // J. Apl. Physiol. 2001. Vol. 91. P. 1318-1326.
40. Lung M. A., Widdicombe J. G. Lung reflexes and nasal vascular resistance in the anaesthetized dog // J. Physiol. 1987. Vol.386. P. 465-474.
41. Mathew O. M., Sant'Ambrogio F. B. Laryngeal reflexes // Respiratory function of the upper airway/ Ed. by O. P. Mathew, G. Sant'Ambrogio. New York: Dekker, 1988. P. 259-202.
42. Matsumoto S., Takahashi T., Tanimoto T., Saiki C., Takeda M. Effects of ouabain and flecainide on CO(2)-induced slowly adapting pulmonary stretch receptor inhibition in the rabbit // Life Sci. 2000. Vol. 66. P. 441-448.
43. McCrimmon D. Central pathways of pulmonary and lower airway vagal afferents // J. Appl. Physiol. 2006. Vol. 101. P. 618-627.
44. Mitzner W. Airway smooth muscle; the appendix of the lung // Amer. J. Respir. Crit. Care Med. 2004. Vol. 169. P. 789-790.
45. Neuhuber W. L. Lung Sensors: Complex Functions Require Complex Structures // Amer. J. Respir. Cell Mol. Biol. 2003. Vol. 28, N 3. P. 265-266.
46. Pack R. J., Al-Ugaily L. H., Widdicombe J. G. The innervation of the trachea and extrapulmonary bronchi of the mouse // Cell Tissue Res. 1984. Vol. 238. P. 61-68.
47. Paintal A. S. Impulses in vagal afferent fibres from specific pulmonary deflation receptors. The response of these receptors to phenyl diguanide, potato starch, 5-hydroxytryptamine and nicotine, and their role in respiratory and cardiovascular reflexes // QJ. Exp. Physiol. 1955. Vol.40. P. 89-111.
48. Paintal A. S. Responses from mucosal mechanoreceptors in the small intestine of the cat // J. Physiol. 1957. Vol. 139. P. 353-368.
49. Paintal A. S. Mechanism of stimulation of type J pulmonary receptors // J. Physiol. 1969. Vol. 203. P. 511-532.
50. Paintal A. S. Vagal sensory receptors and their reflex effects // Physiol. Rev. 1973. Vol. 53, N 1. P. 159-227.
51. Pantaleo T., Bongianni F., Mutolo D. Central nervous mechanisms of cough // Pulm. Pharmacol. Ther. 2002. Vol. 15. P. 227-234.
52. Raj H., Bakshi G. S., Tiwari R. R., Anand A., Paintal A. S. How does lobeline injected intravenously produce a cough? // Respir. Physiol. Neurobiol. 2005. Vol. 145. P. 79-90.
53. Riccio M. M., Myers A. C., Undem B. J. Immunomodulation of afferent neurons in guinea-pig isolated airway // J. Physiol. 1996. Vol.491. P. 499-509.
54. Robinson N. P., Venning L., Kyle H., Widdicombe J. G. Quantitation of the secretory cells of the ferret tracheobronchial tree //J. Anat. 1986. Vol. 145. P. 173-188.
55. Sant'Ambrogio G. Information arising from the tracheobronchial tree of mammals. Physiol. Rev. 1982. Vol. 62. P. 531-569.
56. Sant'Ambrogio G., Widdicombe J. Reflexes from airway rapidly adapting receptors. Respir. Physiol. 2001. Vol. 125. P. 33-45.
57. Schelegle E. S., Green J. F. An overview of the anatomy and physiology of slowly adapting pulmonary stretch receptors // Respir. Physiol. 2001. Vol. 125. P. 17-31.
58. Shannon R., Baekey D. M., Morris K. F., Nuding S. C., Segers L. S., Lindsey B. G. Production of reflex cough by brainstem respiratory networks // Pulm. Pharmacol. Ther. 2004. Vol. 17. P. 369-381.
59. Starling E. H. The production and absorption of lymph // Textbook of Physiology / Ed. by E. A. Schaefer. ch. 1. Pentland; London, 1895. P. 285-311.
60. St. John W. M., Zhou D. Reductions of neural activities to upper airway muscles after elevations in static lung volume //J. Appl. Physiol. 1992. Vol. 73. P. 701-707.
61. Taylor-Clark T., Undem B. J. Transduction mechanisms in airway sensory nerves // J. Appl Physiol. 2006. Vol.101, N3. P. 950-959.
62. Undem B. J., Chuaychoo B., Lee M. G., Weinreich D., Myers A. C., Kollarik M. Subtypes of vagal afferent C-fibres in guinea-pig lungs // J. Physiol. 2004. Vol. 556. Pt. 3. P. 905-917.
63. Van Lommel A., Lauwегyns J. M. Postnatal development of the pulmonary neuroepithelial bodies in various animal species // J. Auton. Nerve syst. 1991. Vol. 65. P. 17-24.
64. von During M., Andres K. H., Iravani J. The fine structure of the pulmonary stretch receptor in the rat // Z. Anat. Entwickl. Gesch. 1974. Vol. 143. P. 215-222.
65. Wang Y. F., Yu J. Na+/K+-AT®ase as a marker for detecting pulmonary sensory receptors // Acta Physiol. Sinica. 2002. Vol. 54. P. 390-394.
66. Widdicombe J. G. Respiratory reflexes in man and other mammalian species // Clin. Sci. 1961. Vol. 21. P. 163-170.
67. Widdicombe J. G. Airway receptors // Respir. Physiol. 2001. Vol. 125. P. 3-15.
68. Widdicombe J. G. Reflexes from the lungs and airways: historical perspective //J. Appl. Physiol. 2006. Vol. 101. P. 628-634.
69. Widdicombe J. G., Nadel J. A. Reflex effects of lung inflation on tracheal volume // J. Appl. Physiol. 1963. Vol. 18. P. 681-686.
70. Yamamoto Y., Atoji Y., Suzuki Y. Nerve endings in bronchi in the dog that react with antibodies against neurofilament protein // J. Anat. 1995. Vol. 187. P. 59-65.
71. Yamamoto Y., Ootsuka T., Atoji Y., Suzuki Y. Morphological and quantitative study of the intrinsic nerve plexuses of the canine trachea as revealed by immunohistochemical staining of protein gene product 9.5 // Anat. Rec. 1998. Vol.250. P. 438-447.
72. Yamamoto Y., Atoji Y., Suzuki Y. Calretinin immunoreactive nerve endings in the trachea and bronchi of the rat // J. Vet. Med. Sci. 1999. Vol.61. P. 267-269.
73. Yu J., Wang Y.F., Zhang J. W. Structure of slowly adapting pulmonary stretch receptors in the lung periphery //J. Appl. Physiol. 2003. Vol. 95. P. 385-393.
74. Yu J., Zhang J. W. Ouabain stimulates slowly adapting pulmonary stretch receptors (SARs) by inducing generator potential // Amer. J. Respir. Crit. Care Med. 2003. Vol. 167. P. A547.
75. Yu J., Zhang J., Wang Y., Fan F., Yu A. Neuroepithelial bodies not connected to pulmonary slowly adapting stretch receptors // Respir. Physiol. Neurobiol. 2004. Vol. 144. P. 1-14.
76. Yu J. Airway mechanoreceptors // Respir. Physiol. Neurobiol. 2005. Vol.148. P. 217-243.
77. Yu J., Lin S. X., Zhang J. W., Walker J. F. Pulmonary nociceptors are potentially connected with neuroepithelial bodies // Adv. Exp. Med. Biol. 2006. Vol.580. P. 301-306.
78. Yu J. Are neuroepithelial bodies a part of pulmonary slowly adapting receptors? //J. Appl. Physiol. 2007. Vol. 102, N4. P. 1727.
79. Zhuo H., Ischikawa H., Heike C. J. Neurochemistry of the nodose ganglion // Prog. Neurobiol. 1997. Vol.52, N2. P. 79-107.
Статья поступила в редакцию 5 апреля 2010 г.
