CC BY
60
УДК 612.217,612.285.1
УЧАСТИЕ ПРОВОСПАЛИТЕЛЬНОГО ЦИТОКИНА ИЛ-1р В МОДУЛЯЦИИ ПАТТЕРНА ДЫХАНИЯ
В.А. Меркурьев1, Н.П. Александрова1, В.Г. Александров2
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, г. Санкт-Петербург, 2Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена,
г. Санкт-Петербург
В экспериментах на наркотизированных крысах исследовалось влияние основного про-воспалительного цитокина интерлейкина-1р (ИЛ-1Р) на параметры внешнего дыхания. Установлено, что повышение как церебрального, так и системного уровня ИЛ-1Р оказывает влияние на центральные механизмы регуляции паттерна дыхания, вызывая усиление минутного объема дыхания, связанное с учащением дыхания, увеличением центральной инспираторной активности и соответствующим ростом дыхательного объема.
Ключевые слова: провоспалительные цитокины, интерлейкин-1р, паттерн дыхания.
Введение. Интерлейкин-ф (ИЛ-ф) - основной провоспалительный цитокин - является важнейшим эндогенным полипептидным медиатором нейроиммунных взаимодействий. Установлено, что экспрессия цитокинов, в т.ч. ИЛ-ф, не ограничена клетками только иммунной системы. Они могут продуцироваться в разнообразных органах и тканях, не исключая и центральную нервную систему (ЦНС), в которой обнаружены специфические рецепторы к цитокинам. Поэтому цито-кины, действуя на клетки ЦНС, могут оказывать влияние на разнообразные физиологические функции, в т.ч. и на функцию дыхания.
В настоящее время установлено, что церебральный и системный уровни ИЛ-ф резко возрастают у больных с хроническими об-структивными заболеваниями легких, синдромом сонного апноэ, после спонтанного субарахноидального кровоизлияния, инсульта, ишемии и травматических повреждений мозга [8, 9, 11]. У таких пациентов часто наблюдается нарушение ритма и паттерна дыхания. Эти данные позволяют предположить, что цитокины участвуют в механизмах регуляции дыхания при развитии патологических состояний мозга и увеличении нагрузки на дыхательную систему, хотя прямых экспериментальных фактов, подтверждающих это предположение, пока очень мало.
Цель исследования. Изучить возможности и особенности модуляции паттерна ды-
хания при экзогенном повышении системного и церебрального уровня ИЛ-ф.
Материалы и методы. Эксперименты проводились на 16 трахеостомированных спонтанно дышащих крысах линии Wistar (самцы весом 250-300 г), наркотизированных внутрибрюшинным введением уретана из расчета 1200 мг/кг. Все эксперименты на животных были проведены с соблюдением этических норм и правил работы на анестезированных животных.
При проведении экспериментов производилась пневмотахографическая регистрация объемно-временных параметров внешнего дыхания. При помощи миниатюрной пневмо-метрической трубки МЦГ-^ (ADInsruments), обеспечивающей ламинарность воздушного потока, регистрировалась объемная скорость воздушного потока (пневмотахограмма).
По пневмотахограмме измерялась максимальная скорость воздушного инспиратор-ного и экспираторного потоков, длительность вдоха и выдоха, рассчитывалась частота дыхания. Для определения дыхательного объема (ДО) производилось интегрирование пневмотахографической кривой. Минутный объем дыхания (МОД) рассчитывался как произведение величины дыхательного объема и количества дыхательных движений за одну минуту. Средняя скорость инспиратор-ного потока - косвенный показатель центральной инспираторной активности (ЦИА) -
рассчитывалась как частное от деления величины дыхательного объема на продолжительность вдоха.
Производилось экзогенное повышение уровня основного провоспалительного цито-кина ИЛ-ip в крови и цереброспинальной жидкости. В одном случае вещество вводилось в кровь внутривенно, в другом - в цереброспинальная жидкость (ЦСЖ) в обход гема-тоэнцефалического барьера (ГЭБ) (чтобы выяснить, влияет ли наличие барьерных структур на респираторные эффекты интерлейкина). Известно, что полипептиды, которыми являются и цитокины, не проходят через ГЭБ, так как это крупные молекулы. Поэтому эффекты при системном и центральном введении ИЛ могут быть разными.
Микроинъекции ИЛ-ip производились в правый боковой желудочек головного мозга при помощи шприца Гамильтона. Координаты для введения канюли определялись по стерео-таксическому атласу мозга крысы и составляли 0,8 мм каудальнее уровня bregma, 1,5 мм латерально от средней линии и 3,5-4,0 мм -от поверхности черепа. С помощью бормашины рассверливалось трепанационное отверстие, в которое вводилась направляющая канюля, укрепленная на стереотаксической головке. В ходе эксперимента в канюлю погружался микроинъектор, через который в боковой желудочек мозга вводилось 10 мкл раствора, содержащего 500 нг ИЛ-ip, со скоростью 1 мкл/мин.
В кровеносную систему через катетер, введенный в яремную вену, вводилось 500 нг вещества, разведенного в 0,1 мл раствора.
При выполнении контрольных экспериментов в таком же объеме вводился физиологический раствор, не содержащий ИЛ-1р.
Статистическая обработка данных проводилась программными средствами с использованием Microsoft Excel. Вычислялась средняя величина регистрируемых параметров и ошибка средней. Достоверность различий оценивалась с помощью однофакторного дисперсионного анализа.
Результаты и обсуждение. Интравен-трикулярное введение ИЛ-1Р в цереброспинальную жидкость вызывало достоверное увеличение минутного объема дыхания, дыхательного объема, средней скорости инспи-раторного потока. Была также обнаружена тенденция к увеличению частоты дыхания под действием интерлейкина. Статистически значимые изменения в параметрах дыхания отмечались через 15-20 мин после введения препарата, достигая максимальных значений на 40 мин после введения ИЛ-ip. Через 40 мин после интравентрикулярного введения интерлейкина частота дыхания превышала фоновые значения в среднем на 10 %, а величина дыхательного объема - на 13 %. Вследствие роста частоты и глубины дыхания происходило увеличение минутной вентиляции легких в среднем на 40 %. Средняя скорость инспираторного потока, отражающая величину центральной инспираторной активности, возрастала на 20 %. Интравен-трикулярное введение физиологического раствора не оказывало влияния на параметры внешнего дыхания (табл. 1).
Таблица 1
Объемно-временные параметры дыхания до и после интравентрикулярного введения ИЛ-10 и физиологического раствора
Параметр Интерлейкин-ip, n=8 Плацебо (физ. р-р), n=8
фон 40 мин 60 мин фон 40 мин 60 мин
МОД, мл/мин 104,0±9,0 126,0±3,7** 131,0±5,4** 95,0±8,2 104,0±10,5 94,0±10,5
ДО, мл 1,00±0,05 1,13±0,06* 1,17±0,04* 0,90±0,14 1,00±0,08 1,00±0,12
ЧД, цикл/мин 109,0±6,0 117,0±6,8 118,0±6,4* 104,0±8,0 101,0±10,4 94,0±2,6
^нс, мл/с 3,70±0,27 4,40±0,12* 4,50±0,19* 3,70±0,31 3,80±0,10 3,90±0,11
Примечание. Достоверные изменения по сравнению с фоном: * - p<0,05; ** - p<0,01.
Введение ИЛ-ф в яремную вену приводило к повышению его уровня в циркулятор-ном русле, что вызывало такие же изменения в величине респираторных параметров, как и повышение церебрального уровня (табл. 2). Изменения в частоте дыхания при внутривенном введении ИЛ-ф наблюдались через 15 мин после начала введения и становились статически достоверными через 20 мин, превышая фоновые значения на 10±3 %. Увеличение ДО начиналось через 20 мин после введения ИЛ-ф, становясь статистически
Таким образом, полученные экспериментальные данные указывают на то, что увеличение уровня ИЛ-ф как в плазме крови, так и в цереброспинальной жидкости вызывает изменение паттерна дыхания. Наблюдается достоверное увеличение средней скорости инспираторного потока, дыхательного объема и минутной вентиляции легких. Наличие изменений параметров дыхания при внутривенном, системном введении указывает на то, что гематоэнцефалический барьер не препятствует влиянию ИЛ-ф на базовые параметры дыхания.
Итак, ИЛ-1Р - основной провоспалитель-ный цитокин - способен увеличивать вентиляцию легких, действуя как на центральную инспираторную активность и дыхательный объем, так и на частоту дыхания. Однако изменения в частоте дыхания были менее выраженными, чем изменения в дыхательном объеме и центральной инспираторной активности. В некоторых случаях наблюдалась лишь тенденция к учащению дыхания, но выявить достоверные изменения этого парамет-
значимым через 35-40 мин и превышая фоновый уровень на 36±6 %. Рост дыхательного объема и частоты дыхания при внутривенном введении ИЛ-ф приводил к росту минутного объема дыхания. Достоверное увеличение МОД начиналось через 25 мин после начала введения ИЛ-ф и через 40 мин превышало фоновый уровень на 27±7 %. Введение в яремную вену физиологического раствора не вызывало увеличения минутного объема дыхания, так как не оказывало влияния ни на частоту, ни на глубину дыхания.
ра не удавалось. Соотнесение этого факта с функциональными особенностями нейронов разных отделов дыхательного центра дает возможность утверждать, что действие ИЛ-1Р при его церебральном введении реализовы-валось в основном через нейроны дорсальной респираторной группы (ДРГ).
Как известно, все нейронные пулы дыхательного центра взаимосвязаны. Они участвуют в автоматической регуляции дыхания и в формировании компенсаторных реакций дыхательной системы в ответ на гомеостати-ческие изменения и действие факторов окружающей среды. Вместе с тем установлено, что нейроны ДРГ участвуют прежде всего в формировании центральной инспираторной активности и в регуляции глубины дыхания, т.е. дыхательного объема, но практически не принимают участия в регуляции частоты дыхания [4]. В экспериментах in vitro на переживающих срезах ствола мозга крыс было показано почти полное отсутствие ритмоге-нерирующих нейронов в данной области дыхательного центра [1]. В противоположность
Таблица 2
Величина объемно-временных параметров дыхания до и после внутривенного введения ИЛ-10 и физиологического раствора
Параметр Интерлейкин-ip, n=8 Плацебо (физ. р-р), n=8
фон 40 мин 60 мин фон 40 мин 60 мин
МОД, мл/мин 117,3±10,6 143,6±12,8* 146,9±12,0* 100,5±5,2 97,50±4,02 94,0±10,5
ДО, мл 1,00±0,08 1,36±0,07* 1,40±0,07* 1,00±0,02 1,00±0,08 1,00±0,12
ЧД, цикл/мин 113±7 124±9* 125±8* 107,0±2,0 105±4 105,0±2,6
Примечание. * - достоверные изменения параметра по сравнению с фоном (p<0,05).
этому факту вентральная респираторная группа нейронов дыхательного центра в большей мере связана с регуляцией частоты дыхания. Эти данные позволяют предполагать, что в центральные механизмы обнаруженного нами респираторного эффекта ИЛ-ip включены нейроны ДРГ, активация которых усиливает центральную инспираторную активность и увеличивает ДО.
Такой же механизм может отвечать и за изменение паттерна дыхания не только при центральном, но и при периферическом, системном введении интерлейкина. Дело в том, что несмотря на то, что цитокины являются крупными молекулами, которые в принципе не проходят через гематоэнцефалический барьер, цитокины, циркулирующие в кровяном русле все же могут оказывать свое действие на нервные клетки. Во-первых, предполагается, что для основных провоспалитель-ных цитокинов ИЛ-1 и TNF-a существуют специфические механизмы транспорта из плазмы в цереброспинальную жидкость [3, 12]. Во-вторых, проникновение периферических цитокинов из крови в ЦНС возможно через циркумвентрикулярные области головного мозга, лишенные ГЭБ. Установлено наличие аксональных проекций от области area postrema и большинства каудальных циркум-вентрикулярных органов к ядру одиночного тракта, что является анатомическим путем, позволяющим циркулирующим медиаторам, выделяющимся в этих лишенных ГЭБ областях, передавать свои сигналы на нейроны ядра солитарного тракта (NTS) [2, 5, 10]. Плотность капилляров в этих областях является чрезвычайно высокой, а их эндотелий отличается большой проницаемостью. Сравнительно недавно были получены данные, показывающие, что ГЭБ практически отсутствует и в каудально-медиальной области NTS, т.е. там, где оканчиваются терминали афферентных волокон от механорецепторов легких и дыхательных путей. Капилляры этой локальной области хорошо фенестрированы, что предоставляет цитокинам крови возможность прямого выхода в периваскулярное пространство и взаимодействия с нейронами NTS [7]. К тому же при повышении уровня циркулирующих провоспалительных цито-
кинов (ИЛ-6, Т№-а и ИЛ-ф) происходит увеличение проницаемости ГЭБ, что делает возможным проникновение в ЦНС не только цитокинов, но и клеток, которые их продуцируют (макрофагов, моноцитов, лимфоцитов, нейтрофилов). Таким образом, обнаруженное влияние ИЛ-1Р на ЦИА и ДО при системном введении могло определяться, как и при его церебральном введении, действием на нейроны ДРГ дыхательного центра.
Однако, анализируя механизмы активирующего влияния циркулирующих цитокинов на функцию внешнего дыхания, нельзя исключить и их возможное действие на периферические каротидные хеморецепторы. Особенно это касается ИЛ-1Р, который как было показано, способен стимулировать гло-мусные клетки каротидного тела. На анестезированных крысах было установлено, что каротидное тело отвечает на цитокиновую стимуляцию [6]. В гломусных клетках каротидного тела экспрессируются рецепторы ИЛ-1 первого типа. При их взаимодействии с циркулирующим ИЛ-1Р увеличивается скорость разрядов каротидного синусного нерва, иннервирующего этот орган. Афферентная импульсация от периферических хеморецеп-торов, как известно, поступает в ДРГ, активируя а-инспираторные нейроны и увеличивая, таким образом, ЦИА.
Заключение. Полученные данные свидетельствуют о том, что повышение как церебрального, так и системного уровня ИЛ-1Р, одного из основных провоспалительных цитокинов, оказывает влияние на центральные механизмы регуляции паттерна дыхания, вызывая увеличение центральной инспиратор-ной активности и активируя вентиляционную функцию легких.
1. Инюшкин А. Н. Влияние тиролиберина на мембранный потенциал и спонтанную активность и калиевый A-ток нейронов ядра солитарного тракта / А. Н. Инюшкин // Современные проблемы физиологии вегетативных функций. - Самара, 2001. - С. 17-31.
2. Aylwin M. L. Non-NMDA and NMDA receptors in the synaptic pathway between area postrema and nucleus tractus solitarius / M. L. Aylwin, J. M. Horowitz, A. C. Bonham // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. - 1998. - Vol. 275. - P. 1236.
3. Banks W. A. Passage of cytokines across the blood-brain barrier / W. A. Banks, A. J. Kastin, R. D. Broadwell // Neuroimmunomodulation. -1995. - Vol. 2, № 4. - P. 241.
4. Bianchi A. L. Central control of breathing in mammals: neuronal circuitry, membrane properties, and neurotransmitters / A. L. Bianchi, M. Denavit-Saubie, J. Champagnat // Physiol. Rev. - 1995. -Vol. 75, № 1. - P. 1-45.
5. Chen C. Y. Non-NMDA and NMDA receptors transmit area postrema input to aortic barorecep-tor neurons in NTS / C. Y. Chen, A. C. Bonham // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. - 1998. -Vol. 275. - P. 1695.
6. IL-1beta inhibits IK and increases [Ca2+]i in the carotid body glomus cells and increases carotid sinus nerve firings in the rat / H. F. Shu [et al.] // Eur. J. Neurosci. - 2007. - Vol. 25 (12). - P. 3638-3647.
7. Microvascular specializations promoting rapid interstitial solute dispersion in nucleus tractus solitarius / P. M. Gross [et al.] // Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. - 1990. - Vol. 259. - P. 1131.
8. Minami M. Brain cytokines and chemokines: roles in ischemic injury and pain / M. Minami, T. Katayama, M. Satoh // J. Pharmacol. Sci. - 2006. -Vol. 100. - P 461.
9. Sleep apnoea and daytime sleepiness and fatigue: relation to visceral obesity, insulin resistance and hypercytokinemia / A. N. Vgontzas [et al.] // J. Clin. Endocrinol. Metab. - 2000. - Vol. 85. -P. 1151-1158.
10. Van der Kooy D. D. Organization of the projections of a circumventricular organ: the area postrema in the rat / D. D. Van der Kooy, L. Y. Koda // J. Comp. Neurol. - 1983. - Vol. 219. - P. 328.
11. Vassilakopoulos T. The immune response to resistive breathing / T. Vassilakopoulos, C. Roussos, S. Zakynthinos // Eur. Respir. J. - 2004. - Vol. 24. -P. 1033-1043.
12. Wong M. L. Localization of interleukin 1 type I receptor mRNA in rat brain / M. L. Wong, J. Licinio // Neuroimmunomodulation. - 1994. -Vol. 1, № 2. - P. 110.
PARTICIPATION OF PROINFLAMMATORY CYTOKINES IL-ip IN THE MODULATION OF BREATHING PATTERN
V.A. Merkuriev1, N.P. Alexandrova1, V.G. Alexandrov2
1 Pavlov Institute of Physiology Russian Academy of Sciences, Saint-Petersburg, 2Herzen State Pedagogical University of Russia, Saint-Petersburg
In experiments on anesthetized rats, the influence of the main pro-inflammatory cytokine interleukin-ip (IL-ip) on the parameters of the breathing was studied. It was found that increases in both cerebral and systemic levels of IL-ip affects the central mechanisms of regulation of breathing pattern, causing increased respiratory minute volume associated with rapid breathing, increased central inspiratory activity and a corresponding increase in tidal volume.
Keywords: pro-inflammatory cytokines, interleukin-ip, breathing pattern.
