Введение к работе
Актуальность темы. Изучение гипоксии и ее последствий для организма занимает важное место среди проблем современной биологии и медицины.
В исследованиях гипоксических состояний традиционно рассматривались эффекты постоянной гипоксии, в том числе гипобарической. Однако, во многих своих проявлениях гипоксия может носить эпизодический характер. Болеее того, на начальных этапах сопряженных с гипоксией заболеваний она является не постоянной, а интермиттирующей (ИГ) или прерывистой. Особый интерес вызывает гипоксия, сопутствующая синдрому обструктивного апноэ/гипопноэ сна (ОАС), встречающемуся у 2-4 % населения (Yang et al., 1993) и характеризующемуся остановками дыхания (апноэ) длительностью более 10 секунд с частотой более 15 раз в час либо его ослаблением (гипопноэ) вследствие полного или частичного коллапса верхних дыхательных путей во время сна (Guilleminault, 1975; Бреслав, Ноздрачев, 2005, 2007).
Связанные с периодическими апноэ хроническая интермиттирующая гипоксия и повышенный уровень свободных кислородных радикалов рассматриваются как факторы нарушения регуляции автономного статуса организма, что ассоциируется с повышенным риском развития артериальной гипертензии, нарушений ритма сердца, инфаркта миокарда, инсульта и внезапной смерти во сне (Hung et al., 1990; Fletcher, 2000; Peppard et al., 2000; Phillips, Somers, 2002). Гипертония является наиболее частым следствием, встречающимся почти у 50% людей, страдающих от обструктивного апноэ сна (Law et al., 2002).
Апноэ недоношенных, обструктивные апноэ сна, бронхо-легочная дисплазия являются причинами интермиттирующей гипоксии у детей. Известно, что ранний онтогенез представляет собой критической период развития с повышенной восприимчивостью к внешним факторам, в том числе, интермиттирующей гипоксии, что может создать предпосылки для сердечно-сосудистой патологии взрослого периода. Однако потенциальная возможность таких последствий не была исследована. Данный вопрос тесно связан с изучением влияния ИГ на пластичность механизмов регуляции сердечно-сосудистой, а также других висцеральных систем организма, что важно для оценки адаптационных возможностей в условиях ИГ (Fletcher et al., 1992; Wilcox, 2002; Touyz, 2003, 2004; Zimmerman and Davisson, 2004; Hamilton et al., 2004; Zarubina, Nurmanbetova, Shabanov, 2005; Бреслав и Ноздрачев, 2005, 2007).
Важное теоретическое и практическое значение имеет понимание принципов действия ИГ на различных уровнях от молекулярного до поведенческого в контексте различных функциональных систем. Понятно, что такой фактор как оксидантный стресс на уровне организма, вызванный интермиттирующей гипоксией и опосредованный свободно-радикальными реакциями, может затрагивать частные и системные механизмы, определяющие функциональную целостность организма. Однако, на сегодняшний день не имеется единого представления о значении ИГ для состояния различных висцеральных систем. Настоящая работа представляет шаг в этом направлении и на примере исследования ряда регуляторных механизмов трех важнейших систем - сердечно-сосудистой, дыхательной (легочно-рецепторные рефлексы) и половой демонстрирует патогенетическую роль коротко-интервальной ИГ и ее конкретных механизмов.
Цель и задачи исследования.
Цель исследования: Дать концептуальную оценку роли интермиттирующей гипоксии в механизмах контроля висцеральных функций организма на примере сердечно-сосудистой, дыхательной и половой систем.
Были сформулированы следующие задачи:
-
Дать оценку последствиям пре- и постнатальной интермиттирующей гипоксии для системных механизмов контроля сердечно-сосудистой функции взрослых крыс (барорефлекторный парасимпатический контроль частоты сердечных сокращений).
-
Исследовать влияние постнатальной интермиттирующей гипоксии на симпатические рефлекторные и нейроэндокринные механизмы сердечно-сосудистого контроля (эфферентную активность почечного симпатического нерва, обмен катехоламинов норадреналина и дофамина в симпатических ганглиях, надпочечниках и каротидных тельцах у крыс Sprague-Dawley).
-
Исследовать сердечно-сосудистые эффекты постнатальной интермиттирующей гипоксии в контексте генетической модели гипертензии (спонтанно гипертензивные крысы).
-
Дать оценку роли легочно-рецепторных механизмов в кардио-респираторных реакциях на оксидантный стресс и свободно-радикальную активацию.
-
Исследовать роль интермиттирующей гипоксии для механизмов эректильной функции и паттернов поведенческой сексуальной активности у мышей in vivo c использованием новой авторской телеметрической модели.
Научная новизна. В работе впервые представлены свидетельства роли перинатальной интермиттирующей гипоксии в формировании сердечно-сосудистой патологии взрослых, что имеет особую важность в связи с высокой встречаемостью нарушений регулярного дыхания и оксигенации крови у новорожденных и детей раннего возраста. Показана роль неонатальной интермиттирующей гипоксии в нарушениях функциональной пластичности механизмов сердечно-сосудистого контроля, связанных с долгосрочными эффектами, затрагивающими барорефлекторный контроль сердечного ритма, симпатический баро- и хеморефлексы, ремоделирование проекций блуждающего нерва на сердце. Впервые приведена сравнительная оценка эффектов интермиттирующей и постоянной гипоксии на катехоламинэргические механизмы и показано, что хотя оба вида гипоксии достоверно повышают содержание дофамина и норадреналина в каротидных тельцах, эффекты интермиттирующей гипоксии являются более слабыми и отсроченными. Данный механизм интермиттирующей гипоксии может лежать в основе усиленного хеморецепторного входа и развития гипертензии (Benot and Lopez Barneo, 1990; Overholt and Prabhakar, 1999). Впервые показано, что фенотипически выраженные отсроченные повышения АД, связанные с неонатальной интермиттирующей гипоксией, имеют место при наличии генетической предрасположенности к развитию гипертензии, и что свободные кислородные радикалы и L-Са2+ каналы вовлечены в эти механизмы на ранних этапах онтогенеза. Миметики супероксиддисмутазы и блокаторы L-Са2+ каналов, примененные в раннем постнатальном периоде, могут быть эффективны в плане предотвращения гипертензивных последствий неонатальной интермиттирующей гипоксии.
Показано, что одним из механизмов нарушения барорефлекторной чувствительности у взрослых крыс вследствие ИГ является нарушение глутаматэргической трансмиссии с вовлечением НМДА рецепторов сердечных моторных нейронов nucleus ambiguus. Впервые продемонстрирована возможность прямой активации легочных рецепторов свободными кислородными радикалами (Н2О2), в ходе которой повышается центральная инспираторная активность, полностью угнетается возбуждение экспираторных мышц и отмечается небольшое повышение АД. Данные эффекты опосредованы волоконами в блуждающих нервах.
Впервые показано, что интермиттирующая гипоксия нарушает половую функцию, демонстрируя широкий диапазон влияний – от поведенческого до молекулярного уровня. ИГ снижает число спонтанных эрекций, подавляет психогенные эрекции и изменяет паттерны сексуального поведения. ИГ затрудняет расслабление сосудов в эректильной ткани и ее кровенаполнение вследствие повышения активности симпатических вазоконстрикторов, а также вследствие подавления образования еNOS протеина, влияющего на продукцию NO и расширение сосудов. Показана положительная роль тадалафила, ингибитора фосфодиэстеразы 5, в терапии эректильной дисфункции, вызванной ИГ.
Теоретическое и практическое значение работы. Работа носит фундаментально-прикладной характер. Исследования эффектов коротко-интервальной интермиттирующей гипоксии в экспериментальной модели обструктивного апноэ сна выявило их патогенетическую направленность, что было показано на примере трех висцеральных систем – сердечно-сосудистой (нарушения в механизмах контроля АД) , дыхательной (инспираторно-возбуждающие легочные рефлексы при отсутствии адекватного метаболического обеспечения) и половой (эректильная дисфункция, нарушение психогенных механизмов эрекций и полового поведения). Эффекты хронической коротко-интервальной ИГ связаны со снижением пластичности реакций ЦНС и периферических систем и носят дезадаптивный характер. Применение кислородного профиля, имитирующего нарушения дыхания и кислородо-транспортной функции по типу обструктивных апноэ, воспроизводило основные характерные признаки синдрома обструктивного апноэ сна – такие как гипертония, сердечная недостаточность, импотенция. Этот факт указывает на то, что ИГ является ведущим патогенетическим фактором данного состояния и превентивные меры по сохранению физиологических механизмов функций в первую очередь должны быть нацелены на коррекцию гипоксического статуса и устранение свободных кислородных радикалов.
Одним из важных теоретических результатов диссертационного исследования явилось представление концептуального положения о роли коротко-интервальной интермиттирующей гипоксии в постнатальном программировании сердечно-сосудистой патологии - гипертонии и сердечной недостаточности взрослых. Эти эффекты имеют фенотипическое проявление, либо обнаруживаются в условиях острой ИГ и определяются усилением хеморефлексов и симпатической активности и снижением роли барорефлексов и блуждающего нерва в контроле сердечной деятельности. Результаты исследования позволяют отнести перинатальную периодическую гипоксию к числу факторов риска раннего программирования сердечно-сосудистой дисфункции. Примененные в работе миметики супероксиддисмутазы и блокаторы L-Са2+ каналов могут быть эффективны для предотвращения гипертензивных последствий неонатальной ИГ. Возможность долгосрочных последствий ИГ детского возраста нужно учитывать при анамнезе сердечно-сосудистых заболеваний у взрослых с целью правильной диагностики, выбора методов лечения и/или профилактики.
Во второй части работы при оценке роли легочных рецепторов в кардиореспираторных реакциях в условиях свободно-радикальной активации и использовании брадикинина было установлено, что афферентные импульсы от рецепторов легких могут проводиться в составе блуждающих нервов и других, не связянных с вагусом, висцеральных афферентов. Принадлежность чувствительных волокон к определенному проводнику определяет и соответствующие эфферентные компоненты рефлекторных ответов. Эти факты расширяют представление об афферентной системе легких и вносят вклад в теорию физиологии дыхания.
В третьей части работы показано, что ИГ, оксидантный стресс и свободные радикалы являются важнейшей причиной эректильной дисфункции, что может иметь прямое отношение к механизмам импотенции у мужчин при синдроме обструктивного апноэ сна. Учитывая, что психогенные механизмы эрекций чувствительны к ИГ, отсутствие либидо и недооцененность проблемы является одним из факторов, усложняющих диагностику нарушений сексуальной сферы при оксидантном стрессе.
Многосторонность последствий интермиттирующей гипоксии указывает на необходимость комплексного подхода и оценки терапевтических вмешательств при коррекции связанных с интермиттирующей гипоксией состояний.
В работе продемонстрирована применимость антиоксидантной терапии и блокады L-Са2+ каналов в целях минимизации или устрания связанных с ИГ проблем дисфункций в ряде висцеральных систем.
Положения, выносимые на защиту:
-
Хроническая коротко-интервальная интермиттирующая гипоксия изменяет структурно-функциональные характеристики автономных рефлекторных механизмов контроля сердечно-сосудистой функции.
-
Неонатальная интермиттирующая гипоксия является фактором программирования нарушений механизмов контроля артериального давления у взрослых крыс.
-
Свободно-радикальные реакции при оксидантном стрессе стимулируют рецепторный аппарат легких и вызывают рефлекторные изменения дыхания и повышение АД посредством системы блуждающих нервов.
-
Интермиттирующая гипоксия является фактором нарушения эректильной функции и паттерна половой активности у мышей.
Апробация работы. Experimental Biology Meeting, Washington DC, 1999; ALA/ATS International Conference, San Diego, CA 1999; Experimental Biology Meeting, Orlando, FL, 2001; Experimental Biology Meeting, San-Diego, CA, 2000; Experimental Biology Meeting, San Diego, CA, 2000; XXXIV International Congress of Physiological Sciences, Wellington, New Zealand, 2001; 16th APSS Meeting, 2002; SFN Meeting, Washington, DC, 2002; 33rd SFN Meeting, 2003, New Orleans, LA; 34th SFN Meeting, San Diego, CA, 2004; 18th APSS Meeting, Philadelphia, PA, 2004; Experimental Biology Meeting, Washington, DC, 2004; XXXV International Congress of Physiological Sciences, APS Meeting, San Diego, CA, 2005; SFN Meeting, Washington, DC, 2005; 19th APSS Meeting, 2005; VI Всероссийская конференция с международным участием “Механизмы функционирования висцеральных систем”, CПб, 2008.
Исследования поддержаны персональным грантом National Institutes of Health USA/ National Research Service Award (2001-2004) Суховой Г.К.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 работ, включающих 14 статей из списка, рекомендованного ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из общего введения; описания основных методов (Глава 1); девяти глав результатов собственных исследований (Главы 2-10), каждая из которых включает литературную справку, описание использованных методических приемов, результаты, обсуждение и краткое резюме. Работа заключается одиннадцатью общими выводами и списком литературы, состоящим из 416 литературных источников. Работа изложена на 330 страницах, содержит 67 рисунков и 10 таблиц.
