CC BY
42
Раздел I
БИОЛОГИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ И БИОИНФОРМАТИКА В МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
УДК 612.017.32:[612.217.1+612.816] 001: 10.12737/3300
ПЛАСТИЧНОСТЬ МЫШЕЧНОЙ СИСТЕМЫ В УСЛОВИЯХ БЕЛКОВОЙ СЕНСИБИЛИЗАЦИИ.
УЧАСТИЕ ХОЛИНЕРГИЧЕСКИХ И ПУРИНЕРГИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ
А.Ю. ТЕПЛОВ*, А.М. ФАРХУТДИНОВ*, М.М. МИННЕБАЕВ*, О .В. ТЕПЛОВ*, В.И. ТОРШИН**
*Казанский государственный медицинский университет, Бутлерова, 49, Казань, Россия, 420012 **Российский университет дружбы народов, Миклухо-Маклая, 6, Москва, 117198, Россия
Аннотация. Исследовалось участие аденозинтрифосфорной кислоты в механизмах пластичности поперечнополосатых мышц в условиях белковой сенсибилизации. Сократительная функция и неквантовая секреция ацетилхолина в зоне концевой пластинки изучалась на изолированных скелетных мышцах голени (musculus soleus and musculus extensor digitorum longus) и полосок musculus diaphragma мыши. У soleus и diaphragma динамика вектора силы мышечного сокращения после влияния экзогенной аденозинтрифосфорной кислоты коррелирует с изменениями неквантовой секреции ацетилхолина во всех изучаемых экспериментальных моделях. Однако, степень этих изменений у сенсибилизированных животных менее выражена, чем у контрольных. Предположено, что аденозинтрифосфат является участником механизмов изменения функциональных свойств soleus и diaphragma при белковой сенсибилизации. В основе развития резистентности, устойчивости как к длительным внешним нагрузкам, так и при начальных этапах экспериментальной аллергии у этих мышц лежат зависимые от аденозинтрифосфата механизмы регуляции их чувствительности к ацетилхолину. Описанные процессы обеспечивают снижение утомляемости дыхательных мышц в условиях гипоксии, возникающей при бронхиальной астме, хронической обструктивной болезни легких и бронхоспастическом синдроме, а так же увеличение их работоспособности при продолжительной физической деятельности. Причины изменения силы сокращения extensor digitorum longus при белковой сенсибилизации не связаны с механизмами возбуждения мышцы, опосредованными аденозинтрифосфатом.
Ключевые слова: сократительные свойства, неквантовая секреция ацетилхолина, диафрагма, камбаловидная мышца, длинный разгибатель пальцев, мышь, белковая сенсибилизация, АТФ.
PLASTICITY OF THE MUSCLES IN THE PROTEIN SENSITIZATION. INVOLVEMENT OF CHOLINERGIC AND PURINERGIC
MECHANISMS
A.Y.TEPLOV*, A.M. FARKHUTDINOV*, M.M. MINNEBAEV*, O.V. TEPLOV*. V.I. TORSHIN **
*Kazan State Medical University, Butlerova st., 49, Kazan, Russia, 420012 **People's Friendship University of Russia, Miklukho-Maklay st., 6, Moscow, 117198, Russia
Abstract. The authors investigated the involvement of the adenosine triphosphate (ATF) in the mechanisms of plasticity in the striated muscle in condition of protein sensitization. Contractile function and non-quantum secretion of the acetylcholine in the endplate zone were studied in isolated skeletal muscles of mouse legs (musculus soleus and musculus extensor digitorum longus) and strips musculus diaphragm. The authors studied the soleus and diaphragm dynamics of the force vector of muscle contraction after effects of exogenous adenosine triphosphate correlated with changes non-quantum secretion of acetylcholine in all the experimental models. However, the extent of these changes in sensitized animals is less pronounced than in the controls. It is suggested that adenosine is a party change mechanisms and functional properties soleus and diaphragm at the protein sensitization. The basis of the development of resistance, stability to long as the external stress, and at the initial stages of the experimental allergic these muscles are dependent adenosine mechanisms regulating their sensitivity to acetylcholine. These processes provide a reduction in respiratory muscle fatigue in hypoxia that occurs in asthma, chronic obstructive pulmonary disease and broncho-spastic syndrome, as well in increase their performance during prolonged physical activity. The reasons for changes in the force reduction extensor digitorum longus at a protein sensitization doesn't associated with the mechanisms of muscle excitation mediated by adenosine triphosphate.
Key words: contractile properties, non-quantum secretion of acetylcholine, the diaphragm, the soleus, extensor digitorum longus, mouse, protein sensitization, ATF.
Проблема аллергических заболеваний является актуальной в современной биологии и медицине. Одно из ее проявлений - изменение реактивности мышечной системы. Если механизмы функциональной вариабельности гладкомышечных органов, а это, в первую очередь, воздухоносные
пути, при аллергии изучены достаточно подробно, то вопросы пластичности поперечно полосатых мышц в этих условиях остаются совершенно не исследованными. Актуальность же поднимаемой проблемы определяется нераскрытыми механизмами компенсаторных изменений в ра-
боте дыхательных мышц и диафрагмы [11], которые возникают при развитии хронических форм обструктивных заболеваний легких и при повышенных физических нагрузках. Интерес к рассматриваемому вопросу подогревается так же запросами спортивной биологии и медицины, а именно - влиянием белковой сенсибилизации (БС) на функцию двигательных мышц при обязательной вакцинации спортсменов перед соревнованиями. Очевидно, что при аллергической перестройке ткань скелетных мышц (СМ) не может оставаться нечувствительной к гуморальным факторам, появляющимся в организме в ходе формирования аллергического ответа [3].
Начало исследований, посвященных изучению функциональных свойств СМ в условиях аллергии было положено работами академика А.Д. Адо и его учеников и последователей, которые проводились в Казани. В частности, А.М. Хомяков основную роль в изменениях функции скелетных мышц при сенсибилизации и анафилаксии отводил холинергическим механизмам. Им показано повышение чувствительности к ацетилхолину у мышцы собаки в процессе сенсибилизации организма к чужеродному белку. Электрофизиологические исследования И.М. Рахматуллина, а также результаты наших собственных работ, посвященных изучению скелетных мышц методом стимуляционной электромиографии при системной анафилаксии подтвердили наличие функциональных сдвигов, возникающих в поперечнополосатой мышце при аллергической перестройке. Однако, во всех вышеперечисленных работах, проводившихся in vivo и in situ, изучалась нервно-мышечная система. Вычленение же из общей совокупности изменений реакции самой (так сказать, чистой) СМ не проводилось и конкретные механизмы этих изменений до настоящего времени остаются нераскрытыми. Единичные исследования, проводимые этими авторами на изолированных органах и подтверждающие феноменологию, не раскрывают патофизиологических механизмов наблюдаемых изменений. В частности, Адо А.Д. и соавт. [1] показали, что в условиях аллергической перестройки СМ подвергается структурным изменениям. Сенсибилизация крыс аллергеном нейссейры приводит к существенным изменениям в белковом спектре и перестройкам в фосфолипидных конструкциях, обладающих повышенной холинотропностью мембран миоцитов.
Хорошо известно, что поперечнополосатые мышцы позвоночных не однородны по своему волоконному составу. У теплокровных среди фазных выделяют «быстрые» и «медленные» мышечные волокна (МВ). Вариабельность в их содержании у различных двигательных мышц определяет свойства последних и возможность выполнять ими соответственные функции функции. Кроме того, гипотетически это должно определять возможные различия в изменении функции «быстрых» и «медленных» мышц в условиях аллергической перестройки. Частичное подтверждение этого было обнаружено, в том числе, и нашими предварительными исследованиями, на уровне двигательных единиц методом стимуляционной электромиографии.
Изначально изучение изменений сократительных свойств при БС проводилось нами на изолированных мышцах классического объекта в аллергологии - морской свинки. Было показано, что у полоски диафрагмы уменьшается латентность и увеличивается силовые и скоростные характеристики сократительного ответа диафрагмы на Кх. У камбаловидной мышцы БС приводит к удлинению латентного периода и уменьшению силы сокращения мышцы на Кх.
Эксперименты на поперечнополосатых мышцах мор-
ских свинок показали, что аллергическая перестройка приводит к изменению их сократительных свойств. При этом БС вызывает разнонаправленные изменения силовых характеристик у «медленной» и «смешанной» мышц. К сожалению, нам не удалось получить сократительного ответа на Кх у «быстрой» - подошвенной мышцы морской свинки. Это животное не удовлетворила нас как объект исследований, поскольку не позволила получить результаты по влиянию сенсибилизации на сократительные свойства мышц всего спектра - и «быстрых», и «медленных», и «смешанных». Это побудило нас искать иной объект исследований. Предъявленным требованиям удовлетворяли изолированные мышцы мышей. На них нами получены доступные для анализа паттерны сокращений на холиномиме-тик и у «медленной» - камбаловидной мышцы (КМ), и у «смешанной» - полоски диафрагмы, и у «быстрой» мышцы - длинного разгибателя пальцев (ДРП).
Таким образом, в нашем распоряжении появился объект, позволяющий подтвердить или опровергнуть высказанное ранее предположение, что характер изменений функциональных свойств СМ при аллергии находится в прямой зависимости от типа слагающих ее МВ. Для этого на трех мышцах мыши in vitro нами решено было изучить участие холинергических механизмов в пластичности фазных поперечнополосатых мышц с различным фенотипом в условиях БС.
В нашем исследовании генерация сокращения изолированной мышцы осуществлялась непосредственным возбуждением постсинаптических холинорецепторов с помощью агониста холиномиметика карбахолина (Кх). Кроме того, для подтверждения возможного участия холинергиче-ских механизмов в изменениях функциональных свойств нервно-мышечной системы в условиях изучаемой патологии нами определялось состояние постсинаптической мембраны, одним из показателей чего служит неквантовая секреция ацетилхолина (Ах) - Н-эффект.
Цель исследования - изучить механизмы пластичности поперечнополосатых мышц в условиях белковой сенсибилизации, участие холинергических механизмов в изменении сократительной функции и состояния постсинапти-ческой мембраны у «быстрых», «смешанных» и «медленных» фазных мышц.
Материалы и методы исследования. Эксперименты проводились на белых мышах, обоего пола, массой тела 1722 г. Животные сенсибилизировались овальбумином (ОА) с гелем гидроокиси алюминия (2 мкг сухого вещества геля + 150 мкг ОА в 0,5 мл физиологического раствора, "Sigma", USA) парентерально, дважды [2]. Вторая инъекция - через 14 дней после первой. В эксперимент животные забирались на пике сенсибилизации - на 7-10 день после второй сенсибилизирующей инъекции. Механомиографические исследования проводились на препарате изолированной мышцы в условиях изометрии, которая достигалась растяжением СМ в течение 20 минут с силой 0,5 г при постоянной перфузии раствором Кребса и температурном режиме - 20-21°С. Сокращение регистрировалось фотоэлектрическим преобразователем.
Агонист - КХ исследовался в субмаксимальных концентрациях, которые составляли: для m.EDL - 7*10'4М, для диафрагмы - 2*10'4М, m.soleus - 5х10'4М. Сократительная функция анализировалась по показателям сокращения мышц на КХ. Оценивались сила (Рос) сокращения мышцы. При анализе силовых характеристик, в целях получения объективной информации, сила сокращения, развиваемая
изолированной мышцей соотносилась с ее массой (m) (Рос*) (численно равному объему мышечного препарата).
Для изучения состояния постсинаптической мембраны МВ в области концевой пластинки, с помощью стеклянных микроэлектродов (сопротивлением 8-12 МО, заполненных 2,5 М KCl) измеряли неквантовую секрецию Ах [6]. Для определения ее величины сначала армином («Татхим-фармпрепараты», Россия) устранялось действие ацетилхо-линэстеразы, после чего на мышцу в течении 8-12 минут апплицировался блокатор Н-холинорецепторов d-тубокурарин (ТБК) в концентрации 10-5М. Разница значений мембранного потенциала (МП) до и после аппликации ТБК соответствует величине неквантовой секреции Ах (эффект гиперполяризации - Н-эффект).
Влияние на мышцы АТФ («Boehringer Mannheim Gmbh», Germany) оценивалось сравнением показателей сокращения до и после 5 минутной перфузии их раствором, содержащим АТФ в заданной молярной концентрации (1*10'4М); время действия ее на мышцу определялось длительностью перфузии.
Полученные результаты подвергались статистической обработке (BIOSTATISTICA, S.A. Glantz, McGraw Hill). Для анализа данных использовались параметрические и непараметрические критерии. При вероятности (p) не больше
0,05 разницу считали достоверной. Результаты представлены в виде X±Sx (n), где X - среднее арифметическое значение, Sx - средняя ошибка, n - количество наблюдений.
Результаты и их обсуждение. Для «быстрой» (m.EDL) мышцы показано, что КХ в субмаксимальной концентрации (7*10'4М) вызывал сокращение m.EDL несенси-билизированной мыши силой 76,6+6,1 мг (Рос* -
9,94±0,39 мг/мм3). При белковой сенсибилизации сила сокращения быстрой мышцы уменьшалась - до 61,92±12,42 мг (Рос* 5,65±0,82 мг/мм3 (p<0,01) или до 56,8%).
Изучение неквантовой секреции Ах в МВ «быстрой» мышцы продемонстрировало следующее. МП покоя, изначально составляющий -72,3±0,6 мВ (n=150), в присутствии ТБК возрастал до -77,4±1,6 мВ (n=150). Таким образом, Н-эффект в контроле составляет 5,1±0,4 мВ (n=150). В условиях белковой сенсибилизации МП покоя, изначально составляющий -73,9±0,5 мВ (n=150), в присутствии ТБК возрастал до -79,7±1,7 мВ (n=150). То есть значение Н-эффекта возросло, составляя в описанных условиях эксперимента 5,8±0,5 мВ (n=150) (р<0,05) (до 113,7%).
Инкубация с АТФ у m.EDL несенсибилизированных мышей уменьшала силу КХ-вызванного сократительного ответ с 72,2±19,5 мг до 52,4±11,0 мг (р<0,01). МП покоя, изначально составляющий -72,3±0,6 мВ (n=150), в присутствии ТБК возрастал до -77,4±1,6 мВ (n=150), то есть Н-эффект в контроле составлял 5,1±0,4 мВ (n=150). После инкубации с АТФ МП покоя, изначально составляющий -72,5±0,7 мВ (n=150), в присутствии ТБК возрастал до -77,3±1,1 мВ (n=150). Н-эффект практически не менялся и составлял в описанных условиях эксперимента 4,8±0,5 мВ (n=150).
У m.EDL сенсибилизированных мышей инкубация с АТФ уменьшала силу сократительного ответа на КХ с 59,5±3,3 мг до 44,5±3,3 мг (р<0,01). Изучение неквантовой секреции Ах показало, что МП покоя, изначально составляющий -73,9±0,5 мВ (n=150), в присутствии ТБК возрастал до -79,7±1,7 мВ (n=150). Таким образом, Н-эффект в контроле составлял 5,8±0,5 мВ (n=150). После инкубации с АТФ МП покоя, изначально составляющий -74,0±0,8 мВ (n=150), в присутствии ТБК возрастал до -79,3±1,4 мВ (n=150). То есть значение Н-эффекта не изменялось, составляя в описанных
условия эксперимента 5,3±0,5 мВ (п=150).
Для «смешанной» мышцы - полоски диафрагмы -несенсибилизированной мыши показано, что КХ в субмак-симальной концентрации (2*10'4М) вызывал сокращение силой 342,8±18,54 мг (Рос* - 49,20±1,75 мг/мм3). Белковая сенсибилизация приводила к увеличению силы -448,29±19,16 мг (Рос* - 58,66±3,97 мг/мм3 (р<0,01)) сокращения медленной мышцы.
Изучение неквантовой секреции Ах у «смешанной» мышцы показало: МП покоя, изначально составлявший -70,7±1,9 мВ (п=150), в присутствии ТБК возрастал до -75,9±0,7 мВ (п=150). Таким образом, Н-эффект в контроле составлял 5,2±0,4 мВ (п=150). При белковой сенсибилизации МП покоя, изначально составлявший -70,0±1,5 мВ (п=150), в присутствии ТБК возрастал до -74,4±0,6 мВ (п=150). То есть значение Н-эффекта уменьшалось, составляя в описанных условиях эксперимента 4,4±0,5 мВ (п=150) (р<0,05).
Инкубация с АТФ увеличивала силу КХ-вызванного сокращения полоски диафрагмы несенсибилизированной мыши с 335,2±93,47 мг до 425,2±100,9 мг (р<0,05). Динамика неквантовой секреции Ах показала, что МП покоя, изначально составлявший -70,7±1,9 мВ (п=150), в присутствии ТБК возрастал до -75,9±0,7 мВ (п=150). Таким образом, Н-эффект в контроле составлял 5,2±0,4 мВ (п=150). После инкубации с АТФ МП покоя, изначально составлявший -70,0±0,4 мВ (п=150), в присутствии ТБК возрастал до -71,5±0,5 мВ (п=150). Н-эффекта снижался, составляя в описанных условиях эксперимента 1,5±0,5 мВ (п=150) (р<0,001).
У полоски диафрагмы сенсибилизированных мышей инкубация с АТФ увеличивала силу КХ-вызванного сокращения с 469,83±86,78 мг до 540,67±80,34 мг (р<0,05). МП покоя, изначально составлявший -70,0±1,5 мВ (п=150), в присутствии ТБК возрастал до -74,4±0,6 мВ (п=150). Н-эффект в контроле составлял 4,4±0,5 мВ (п=150). После инкубации с АТФ МП покоя, изначально составляющий -69,1±0,4 мВ (п=150), в присутствии ТБК возрастал до -71,5±0,6 мВ (п=150). Значение Н-эффекта снижалось, составляя в описанных условиях эксперимента 2,4±0,6 мВ (п=150) (р<0,001).
Для «медленной» камбаловидной мышцы несенсибилизированной мыши показано, что КХ в субмаксимальной концентрации (5*10'4М) вызывал сокращение силой
237,8+20,6 мг (Рос* - 35,61±1,67 мг/мм3). Белковая сенсибилизация приводила к увеличению силы - 353,2+23,1 мг (Рос* -54,18±4,99 мг/мм3 (р<0,01)) сокращения «медленной» мышцы.
Изучение неквантовой секреции Ах показало: МП покоя, изначально составлявший -70,9±1,7 мВ (п=160), в присутствии ТБК возрастал до -75,9±1,3 мВ (п=160). Таким образом, Н-эффект в контроле составлял 5,0±0,7 мВ (п=160). При белковой сенсибилизации МП покоя, изначально составлявший -69,4±0,9 мВ (п=150), в присутствии ТБК возрастал до -72,5±1,0 мВ (п=150). То есть значение Н-эффекта уменьшалось, составляя в описанных условиях эксперимента 3,1±0,6 мВ (п=150) (р<0,05).
Инкубация с АТФ увеличивала силу КХ-вызванного сокращения ш.5о1еиБ несенсибилизированных мышей с 180,5±6,8 мг до 224,3±12,9 мг (р<0,01). Динамика неквантовой секреции Ах показала, что МП покоя, изначально составлявший -70,9±1,7 мВ (п=150), в присутствии ТБК возрастал до -75,9±1,3 мВ (п=150). Таким образом, Н-эффект в контроле составлял 5,0±0,7 мВ. После инкубации с АТФ МП покоя, изначально составлявший -70,5±0,4 мВ (п=150), в присутствии ТБК возрастал до -71,5±0,3 мВ (п=150). Н-эффекта снижался, составляя в описанных условиях эксперимента 1,0±0,5 мВ (р<0,05).
У ш.БоІеи сенсибилизированных мышей инкубация с АТФ увеличивала силу КХ-вызванного сокращения с 235/67±19/55 мг до 264/33±21/09 мг (р<0,01). МП покоя, изначально составлявший -69,4±0,9 мВ (п=150), в присутствии ТБК возрастал до -72,5±1,0 мВ (п=150). Н-эффект в контроле составлял 3,1±0,6 мВ. После инкубации с АТФ МП покоя, изначально составлявший -69,0±0,5 мВ (п=150), в присутствии ТБК возрастал до -71,1±0,5 мВ (п=150). Значение Н-эффекта снижалось, составляя в описанных условиях эксперимента 2,1±0,5 мВ (р<0,05).
Предварительная перфузия сурамином (100 мкМ) устраняла влияние АТФ на КХ-вызванное сокращение мышц и неквантовую секрецию Ах как интактных, так и сенсибилизированных мышей. Аденозин в той же концентрации, что и АТФ не влиял на неквантовую секрецию Ах и не изменял сократительных свойств изучаемых мышц как интактных, так и сенсибилизированных мышей.
На изолированных СМ мыши было показано, что все выше перечисленные мышцы при БС изменяют характеристики своего сокращения на Кх. У всех трех мышц угнетается скорость сокращения. У различных мышц изменение силовых характеристик сокращения носило разнонаправленный характер. У «быстрой» мышцы они снижались, у «медленной» и «смешанной» - возрастали. Для раскрытия механизмов обнаруженных изменений нами были проведены последующие исследования.
Изменения, возникающие в СМ при сенсибилизации, гипотетически, могут затрагивать поверхностную мембрану, включая постсинапс, механизмы электро-механического сопряжения (ЭМС) либо систему сократительных белков. Совокупность обнаруженных изменений свидетельствует, что они затрагивают различные этапы сократительного процесса мышцы. Снижение скорости сокращения свидетельствует, что при БС у всех трех мышц возникают однонаправленные изменения системы ЭМС. Различия же в изменениях силы характеризующие, в первую очередь, холиноопосредованные процессы возбуждения МВ, носят для «быстрых» мышц с одной стороны и «медленных» и «смешанных» с другой разнонаправленный характер.
В нашей экспериментальной модели сила сокращения зависит, в первую очередь, от чувствительности мышцы к холиномиметику. Очевидно, что причины обнаруженных изменений кроются как в исходных различиях морфофункционального статуса исследуемых объектов [4,7], так и в механизмах его изменения в процессе аллергической перестройки организма. Необходимо отметить, что у мышей нет двигательных мышц, состоящих только из «медленных» МВ. КМ содержит 50-60% «медленных» МВ, ДРП на 97-100% состоит из «быстрых» [7]. Диафрагма мыши занимает промежуточное положение и содержит 88,6% быстрого миозина [4]. Различия в силе, предположительно, являются следствием различной чувствительности МВ к Кх, что может находиться в прямой зависимости от площади синаптического образования. Как известно, размеры концевой пластинки у «медленных» МВ КМ мыши в 3 раза протяженнее, чем у МВ «быстрой» ДРП [6].
Однако, разнонаправленность изменения силы не может быть прямо связана с размерами концевой пластинки, а должна определяться ее функциональными свойствами. По-видимому, БС способна по-разному влиять на механизмы возбуждения постсинаптической мембраны у различных мышц. Для подтверждения этого предположения динамика силы сокращения мышцы на Кх сопоставлялась с изменением уровня неквантовой секреции Ах в зоне конце-
вой пластинки. Показано, что у всех изученных мышц при БС вектор изменения силы коррелирует с изменением Н-эффекта. Логично предположить - снижение силы сокращения «быстрой» мышцы на Кх (до 56,8%) является следствием уменьшения чувствительности ее постсинапса к холиномиметику, что проявляется в увеличении Н-эффекта (до 113,7%). Повышение неквантовой секреции Ах вызывает усиление механизмов десенситизации холинорецепторов постсинаптической мембраны. Соответственно, у «смешанной» и «медленной» мышц наблюдается обратная картина. Увеличение силы сокращения на Кх (до 140,16 и 152,1% соответственно) является следствием увеличения чувствительности постсинапса к холиномиметику, т.е. снижением Н-эффекта (до 84,61 и 62,0% соответственно).
Причины обнаруженной вариабельности функциональных свойств заключаются, возможно, в механизмах выделения кофакторов синаптической передачи. Ранее была показана способность экзогенной АТФ обратимо изменять сократительную функцию и величину неквантовой секреции ацетилхолина вышеперечисленных поперечнополосатых мышц несенсибилизированных мышей [8]. В качестве кофактора синаптической передачи АТФ влияет на процессы возбуждения МВ. Кроме того, АТФ, являясь эндогенным модулятором функции поперечнополосатых мышц [8], участвует так же в механизмах генерации иммунного ответа [9]. Исходя из данных Tsai TL et al. [12], показавших роль АТФ в генерации иммунного ответа мы предположили возможное участие пуринов в процессах изменения функции поперечно-полосатых мышц при БС. То есть, АТФ, являясь основным кофактором синаптической передачи, может влиять на величину неквантовой секреции ацетилхолина и одновременно участвовать в становлении и развитии аллергической реакции, а потому мы можем ожидать его участие в патогенезе обнаруженных изменений состояния мышц. По тем же причинам пуринергические механизмы могут определять различия в динамике функциональных показателей у разных мышц в условиях БС.
Необходимо оговориться, что вопрос влияния экзогенной АТФ на различные СМ имеет самостоятельную ценность, поскольку механизмы регуляции их функций с участием пуринов, в отличии от гладкой и сердечной мышц, до настоящего времени исследованы очень слабо.
Механизмы влияния АТФ на СМ в норме и при БС.
Нами показано, что АТФ (5-и минутная перфузия р-ром 100 мМ) повышает силу сокращения на Кх у полоски диафрагмы и КМ и снижает этот показатель у ДРП. Уровень неквантовой секреции Ах у диафрагмы и КМ снижается, у ДРП не изменяется. У диафрагмы и КМ вектор динамики силы и величины Н-эффекта при влиянии АТФ позволило предположить нам последовательность событий, когда увеличение силы сокращения является следствием возрастания чувствительности постсинапса к холиномиме-тику. При сенсибилизации влияние АТФ на динамику вышеперечисленных свойств и у диафрагмы, и у КМ демонстрирует ту же направленность, что указывает на отсутствие принципиальных различий в механизмах влияния пуринов на «медленную» и «смешанную» мышцы интактных и сенсибилизированных мышей.
Однако, если сила сокращения диафрагмы интактных животных после влияния АТФ возрастала на 26,8%, то у сенсибилизированных - лишь на 15,1% (p<0,05). Н-эффект у этой мышцы несенсибилизированных мышей после влияния АТФ снижался до 28,8% от исходного, у сенсибилизированных же лишь до 54,5% (p<0,05). Менее выраженная
динамика функциональных свойств диафрагмы, вызванная АТФ у сенсибилизированных мышей в сравнении с контролем позволяет нам предполагать ее участие в механизмах функциональных изменений дыхательных мышц при БС.
Динамика функциональных свойств «медленной» мышцы имеет сходную картину. Если сила сокращения КМ интактных животных возрастала на 24,3%, то у сенсибилизированных - лишь на 12,2% (р<0,05). Н-эффект у этой мышцы несенсибилизированных мышей после влияния АТФ снижался до 20% от исходного, у сенсибилизированных же лишь до 67,7% (р<0,05). Менее выраженная динамика функциональных свойств КМ, вызванная АТФ у сенсибилизированных мышей в сравнении с контролем позволяет нам предполагать ее участие в механизмах функциональных изменений «медленных» мышц.
У ДРП интактных животных снижение силы сокращения после влияния АТФ (до 72,6%) практически не отличалась от таковой у сенсибилизированных (до 74,8%) (р>0,05). Н-эффект ДРП после влияния АТФ достоверно не менялся ни у интактных ни у сенсибилизированных мышей. Отсутствие различий в изменении силы сокращения и Н-эффекта после влияния АТФ у обеих групп животных свидетельствует о неучастии пуринов в механизмах изменения сократительной функции «быстрой» мышцы мыши, вызванных БС.
Влияние АТФ на сократительную функцию всех трех изучаемых мышц мыши аналогично таковому у большинства других скелетных мышц и осуществляется через Р2-рецепторы. Это подтверждается и литературными данными, и результатами собственных исследований. Сурамин, антагонист Р2-рецепторов устранял влияния АТФ во всех экспериментальных моделях. Кроме того, замена АТФ на аденозин, реализующий свое действие не через Р2, а через аденозино-вые Р1-рецепторы [5] не изменяла ни параметров Кх-вызванного сокращения мышцы, ни величины Н-эффекта.
Возможные пути влияния АТФ в наших экспериментальных моделях весьма разнообразны и включают в себя прямое действие пуринов на контрактильные структуры, секрецию медиатора, системы внутриклеточных посредников [8], а также на работу АТФ-зависимых калиевых каналов [12].
Очевидно, что эффекты АТФ на поперечнополосатые мышцы в наших экспериментах имеют пренсинаптическую природу. Подтверждением этому служат результаты исследований (в единичных экспериментах) как вызванных (ПКП), так и миниатюрных (МПКП) потенциалов концевой пластинки, изменение амплитуды которых происходит пропорционально друг относительно друга и сопутствует изменениям Н-эффекта. При этом число самих МПКП не меняется. Приведенные факты подтверждают предположение, что обнаруженные эффекты определяются исключительно изменением чувствительности постсинаптической мембраны к холиномиметику.
Кроме того, можно предположить участие АТФ на некоторых этапах генерации иммунного ответа. В частности, в литературе показано, что АТФ, увеличивая продукции интерлейкина-1 способна усиливать специфическое звено иммунитета [9]. Внеклеточная АТФ при генерации иммунного ответа помогает образованию активной каспазы-1, что в свою очередь обеспечивает секрецию биологически активных форм интерлейкина-1. Гиперэкспрессия рецептора Р2Х7 приводит к секреции зрелого интерлейкина-1й [10].
В наших экспериментах экзогенная АТФ снижает неквантовую секрецию Ах, чем уменьшает десенситизацию ХР постсинаптической мембраны, то есть повышает их
чувствительность к холиномиметику и, как следствие, увеличивает силу сократительного ответа. В ходе генерации аллергической реакции в тканях, окружающих мышцу появляется внеклеточная, эндогенная АТФ. АТФ, выделяемая дендритными клетками и макрофагами при стимуляции (паракринной и аутокринной) выработки ими ИЛ-1 является одним из факторов, обеспечивающих развитие аллергической реакции. Концентрация АТФ в среде при этом может в ряде случаев достигать 20-200мМ [13]. Но одновременно, регулируя, по принципу обратной связи, интенсивность неквантовой секреции Ах АТФ выполняет роль кофактора синаптической передачи.
Чем могут определяться различия в механизмах влияния АТФ на «быстрые» и «медленные» СМ в условиях БС?
Нами показано, что у КМ и диафрагмальной мышцы в реализации обнаруженных эффектов участвует АТФ. Очевидно, в условиях вакцинации и БС изменение чувствительности пресинаптических Р2 рецепторов приводит к адекватному изменению тока неквантовой секреции Ах, что влияет на чувствительность постсинапса к холиномиметику. В условиях целостного организма эти процессы лежат в основе развития резистентности, устойчивости к длительным внешним нагрузкам и проявляются увеличением работоспособности при продолжительной физической деятельности. Сходные механизмы определяют снижение утомляемости дыхательных мышц при гипоксии, возникающей при повышенных нагрузках либо хронической обструктивной болезни легких.
Мы можем предположить несколько механизмов, объясняющих проявление лабораторных эффектов. Во-первых, повышение уровня АТФ в среде, в том числе и в ткани самой мышцы вызывает десенситизацию пуриновых (предположительно Р2У) рецепторов пресинапса, снижая их чувствительность к АТФ, вносимой в ванночку в ходе эксперимента. По этой причине в условиях БС изменение неквантовой секреции Ах и силы сокращения мышцы на холиномиметик к экзогенной АТФ у «медленной» и «смешанной» мышц отличается от таковых в контроле. Подтверждением этому могли бы служить эксперименты по выявлению изменения чувствительности Р-рецепторов пре-синапса к агонисту при БС. В наших условиях это осуществить не представляется возможным.
Вторым из возможных объяснений служит следующая последовательность рассуждений. В наших экспериментальных моделях у интактной мышцы экзогенная АТФ при добавлении в ванночку почти полностью устраняет неквантовый выход АХ. Максимальное проявление эффекта АТФ достигается подбором концентрации и времени экспозиции этого вещества. То есть, запас возможностей по реализации описываемого биологического механизма существенно (почти полностью) истощается. При сенсибилизации наличие в среде эндогенной АТФ, которая появляется в ткани мышцы в ходе генерации аллергической реакции частично перекрывает потенциал снижения неквантовой секреции Ах и добавление на этом фоне в ванночку экзогенной АТФ уже не дает проявления ожидаемого результата.
Таким образом, в основе развития резистентности, устойчивости как к длительным внешним нагрузкам, так и при экспериментальной аллергии у «медленных» и «смешанных» фазных мышц лежат АТФ-зависимые механизмы регуляции их чувствительности к ацетилхолину. Описанные процессы обеспечивают снижение утомляемости дыхательных мышц в условиях гипоксии, возникающей при бронхиальной астме, хронической обструктивной болезни
легких и бронхоспастическом синдроме, а так же увеличение работоспособности при продолжительной физической деятельности.
Механизмы пластичности СМ в условиях БС определяются состоянием холиновозбудимой постсинаптической мембраны. Динамика силы сокращения на Кх у всех мышц в изучаемой патологии коррелирует с изменением чувствительности постсинапса к Ах, и у различных типов мышц это является причиной разнонаправленного характера изменений. Показано участие в этих процессах двух систем: холи-нергической и пуринергической. Если у гладких мышц гиперреактивность является следствием повышения экспрессии обоих типов рецепторов, что усиливает способность этих структур к сократительной деятельности, то у поперечнополосатых мышц происходит унификация и оптимизация описываемых механизмов. Для «медленных» фазных мышц очевидна следующая последовательность. ХР, локализуясь в области постсинаптической мембраны, остаются единственными участниками генерации мышечного сокращения. Регуляторная же функция отдается пуринергической системе, обеспечивающей вариабельность эффектов за счет механизмов десенситизации. Изменение чувствительности постси-наптической мембраны к Ах достигается регуляцией тока его неквантовой секреции, а не изменением количества самих рецепторов, что позволяет оперативно реагировать на динамично меняющуюся ситуацию.
Выводы:
1. БС приводит к изменению функционального СМ мышц у мышей, что проявляется в изменении характеристик их сокращения in vitro на Кх и уровня неквантовой секреции Ах. Характер изменения функциональных свойств СМ при БС зависит от соотношения составляющих их МВ.
2. Увеличение силы сокращения на Кх у КМ и диафрагмы мыши in vitro при БС является следствием повышения чувствительности постсинаптической мембраны МВ к холиномиметику, что обусловлено снижением уровня неквантовой секреции Ах в зоне концевой пластинки.
Уменьшение силы сокращения на Кх ДРП мыши in vitro при БС является следствием снижения чувствительности постсинаптической мембраны МВ к холиномиметику, что обусловлено увеличением уровня неквантовой секреции Ах в зоне концевой пластинки.
3. Экзогенная АТФ увеличивает силу сокращения у КМ и диафрагмы мыши на Кх и снижает уровень неквантовой секреции Ах в зоне концевой пластинки МВ этих мышц.
Возрастание силы сокращения на Кх у КМ и диафрагмы мыши in vitro, вызванное экзогенной АТФ определяется повышением чувствительности постсинаптической мембраны МВ к холиномиметику, что является следствием снижения уровня неквантовой секреции Ах в зоне концевой пластинки.
4. БС изменяет степень влияния экзогенной АТФ на функциональные свойства КМ и диафрагмы мыши, снижая динамику силы сокращения мышцы на Кх вследствие адекватного изменения неквантовой секреции Ах в зоне концевой пластинки.
Снижение динамики функциональных свойств диафрагмы мыши при белковой сенсибилизации, вызванное экзогенной АТФ свидетельствует о развитии механизмов резистентности дыхательных мышц к внешним нагрузкам, возникающим у них при обструктивных формах нарушения внешнего дыхания аллергической природы.
Литература
1. Адо А.Д., Стомахина Н.В., Тулуевская Л.М., Федосеева В.Н. Белковые спектры и фосфолипидный состав мембран, обогащенных холинорецепторами из скелетных мышц крыс в условиях сенсибилизации // Бюлл. эксп. биол. Медицины. 1984. Т. 99. №7. С. 84-6.
2. Экспериментальная модель для разработки и оценки способов контроля немедленной аллергии / [И.С. Гущини др.] // Патол. физиол. и эксперимент. Терапия. 1986. №4. С. 18-23.
3. Крыжановский Г.Н. Дизрегуляционная патология: руководство для врачей и биологов: Медицина, 2002. 632 с.
4. Blank S., Chen V, Ianuzzo CD. Biochemical characteristics of mammalian diaphragms // Respir Physiol. 1988. V.74. № 1. P.115-25.
5. Burnstock G. Historical review: ATP as a neurotransmitter // Trends Pharmacol Sci. 2006. V.27. № 3. P.166-76.
6. Fahim M.A., Holley J.A., Robbins N. Topographic comparison of neuromuscular junctions in mouse "slow" and "fast" twitch muscles // Neuroscience. 1984. № 13. P. 227-35.
7. Florendo J.A., Reger J.F., Law P.K. Electrophysiologic differences between mouse extensor digitorum longus and soleus // Exp Neurol. 1983. Т. 82.№ 2. P. 404-12.
8. Teplov A.Y., Grishin S.N., Mukhamedyarov M.A., Zi-ganshin A.U., Zefirov A.L., Palotas A. Ovalbumin-induced sensitization affects non-quantal acetylcholine release from motor nerve terminals and alters contractility of skeletal muscles in mice // Exp Physiol. 2009. Vol. 94. №2. P. 264-68.
9. Mariathasan S., Monack M. Inflammasome adaptors and sensors: intracellular regulators of infection and inflammation // Nat.Rev.Immunol. 2007. V.7. P. 31-40.
10. Solle M., Labasi J., Perregaux D.G., Stam E., Petrusho-va N., Koller B.H., Griffiths R.J., Gabel C.A. Altered cytokine production in mice lacking P2X(7) receptors // J.Biol/Chem. 2001. V.276. P.125-32.
11. Supinski G.S., Ji X., Wang W., Callahan L.A. The extrinsic caspase pathway modulates endotoxin-induced diaphragm contractile dysfunction // J Appl Physiol. 2007. V.102. № 4. Р. 1649-57.
12. Tsai T.L., Chang S.Y., Ho C.Y., Kou Y.R. Role of ATP in the ROS-mediated laryngeal airway hyperreactivity induced by laryngeal acid-pepsin insult in anesthetized rats // J Appl Physiol. 2009. №5. Р. 1584-92.
13. Ferrari D., Pizzirani C., Adinolfi E., Lemoli R.M., Curti A., Idzko M., Pan-ther E., Di Virgilio F. The P2X7 receptor: a key player in IL-1 processing and release // J Immunol. 2006. Vol. 176(7). P. 3877-83.
References
1. Ado AD, Stomakhina NV, Tuluevskaya LM, Fedo-seeva VN. Belkovye spektry i fosfolipidnyy sostav membran, obogashchennykh kholinoretseptorami iz skeletnykh myshts krys v usloviyakh sensibilizatsii. Byull. eksp. biol. meditsiny. 1984;99(7):84-6. Russian.
2. Gushchin IS, Zebreva AI, Bogush NL. et al. Eksperi-mental'naya model' dlya razrabotki i otsenki sposobov kon-trolya nemedlennoy allergii. Patol. fiziol. i eksperiment. Terapiya. 1986;4:18-23. Russian.
3. Kryzhanovskiy GN. Dizregulyatsionnaya patologiya: rukovodstvo dlya vrachey i biologov: Meditsina; 2002. Russian.
4. Blank S, Chen V, Ianuzzo CD. Biochemical characteristics of mammalian diaphragms. Respir Physiol. 1988;74(1):115-25.
5. Burnstock G. Historical review: ATP as a neurotrans-
mitter. Trends Pharmacol Sci. 2006;27(3):166-76.
6. Fahim MA, Holley JA, Robbins N. Topographic comparison of neuromuscular junctions in mouse "slow" and "fast" twitch muscles. Neuroscience. 1984;13:227-35.
7. Florendo JA, Reger JF, Law PK. Electrophysiologic differences between mouse extensor digitorum longus and soleus. Exp Neurol. 1983;82(2):404-12.
8. Teplov AY, Grishin SN, Mukhamedyarov MA, Zigan-shin AU, Zefirov AL, Palotas A. Ovalbumin-induced sensitization affects non-quantal acetylcholine release from motor nerve terminals and alters contractility of skeletal muscles in mice. Exp Physiol. 2009;94(2):264-68.
9. Mariathasan S, Monack M. Inflammasome adaptors and sensors: intracellular regulators of infection and inflammation. Nat.Rev.Immunol. 2007;7:31-40.
10. Solle M, Labasi J, Perregaux DG, Stam E, Petrushova N, Koller BH, Griffiths RJ, Gabel CA. Altered cytokine production in mice lacking P2X(7) receptors. J.Biol/Chem. 2001;276:125-32.
11. Supinski GS, Ji X, Wang W, Callahan LA. The extrinsic caspase pathway modulates endotoxin-induced diaphragm contractile dysfunction. J Appl Physiol. 2007;102(4):1649-57.
12. Tsai TL, Chang SY, Ho CY, Kou YR. Role of ATP in the ROS-mediated laryngeal airway hyperreactivity induced by laryngeal acid-pepsin insult in anesthetized rats. J Appl Physiol. 2009;5:1584-92.
13. Ferrari D, Pizzirani C, Adinolfi E, Lemoli RM, Curti A, Idzko M, Pan-ther E, Di Virgilio F. The P2X7 receptor: a key player in IL-1 processing and release. J Immunol. 2006;176(7):3877-83.
УДК 616. 12-073 DOI: 10.12737/3301
УСТОЙЧИВОСТЬ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ И МЕТОДЫ ЕЕ ОЦЕНКИ Л.В. МЕЗЕНЦЕВА, С.С. ПЕРЦОВ
НИИ нормальной физиологии им. П.КАнохина РАМН, Моховая 11, стр.4, Москва, Россия, 129009
Аннотация. Проблема устойчивости физиологических функций - важный раздел теоретической физиологии. Основные идеи П.К.Анохина - теория функциональных систем и системный подход к исследованию физиологических функций положили начало развитию теоретической физиологии и математического моделирования в биомедицине. В статье излагаются методологические аспекты использования различных видов биомоделей для оценки устойчивости физиологических функций. Рассмотрены экспериментальные, генетические, математические и компьютерные биомодели. Практические методики оценки устойчивости проиллюстрированы на примере устойчивости сердечно-сосудистых функций к стрессорным нагрузкам. Приведены примеры различных экспериментальных моделей стресса и методов оценки влияния стрессорных нагрузок на электрическую стабильность сердца. Электрическая стабильность сердца оценивалась по порогам возникновения фибрилляции желудочков. Помимо экспериментальных, приведены примеры математических и компьютерных методов оценки устойчивости сердечно-сосудистых функций к стрессорным нагрузкам. Математическая модель, позволяющая исследовать устойчивость сердечного ритма, основывается на известных принципах экспериментальной электрофизиологии сердца, описывающих распространение электрического возбуждения в его различных структурах. Модель позволяет описать явления, наблюдаемые при постепенном возрастании величины стрессорной нагрузки. Показано существование критической точки перехода кардиодинамики из линейного режима в хаотический. Показано, что наибольшей устойчивостью отличается линейный режим. Для этого режима малые погрешности в значениях начальных условий не способны резко изменить исходную динамику RR интервалов.
Ключевые слова: устойчивость, биомоделирование, теоретическая физиология, математическая модель.
STABILITY OF PHYSIOLOGICAL FUNCTIONS AND METHODS OF ITS ESTIMATION L.V. MEZENTSEVA, S.S. PERTSOV
P.K. Anokhin Institute of Normal Physiology Russian Academy of Medical Sciences Mokhovaya str., 11, bld. 4, Moscow, Russia, 129009
Abstract. Problem of physiological functions stability is the important part of the theoretical physiology. P.K.Anohin's basic ideas -the theory of functional systems and systemic approach to study of physiological functions have begun the development of theoretical physiology and mathematical modeling in biomedicine. In this paper methodological aspects of using of various biomodels for an estimation of stability of physiological functions are considered. Experimental, genetic, mathematical and computer biomodels are described. Practical techniques of an estimation of stability are illustrated on an example of stability of cardiovascular functions to stressor loads. Examples of different experimental models of stress and methods of estimation of stressor loads influence on cardiac electrical stability are described. Cardiac electrical stability was estimated by thresholds for ventricular fibrillation. Besides experimental, examples of mathematical and computer methods of an estimation of stability of cardiovascular functions to stressor loads are presented. Mathematical model that enables to investigate the stability of heart rate dynamics to stressor loads is based on quantitative characteristics of impulse conduction in heart conducting system. The model describes the phenomena observed at gradual increase of stressor intensity. It was shown the existence of a critical point of transition of heart rate dynamics from linear to chaotic mode. The results show that the greatest stability is notable for the linear regime. For this regime small errors in values of initial conditions can't sharply change the initial dynamics of RR intervals.
Key words: stability, biomodeling, theoretical physiology, mathematical model.
