Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время физиология дыхания, благодаря использованию современных экспериментальных методик, располагает точными и достоверными данными о локализации и взаимном расположении структурно-функциональных областей дыхательного центра. В результате внутриклеточной регистрации биоэлектрической активности дыхательных нейронов в комбинации с другими нейрофизиологическими методами удалось вплотную подойти к пониманию природы дыхательного ритмогенеза. Тем не менее, механизмы нейрохимического обеспечения деятельности дыхательного центра, основанные на разнообразии медиаторов, нейромодуляторов, на специфических синаптических взаимодействиях нейронов различных типов, требуют дальнейшего изучения. Данные о нейрохимической организации дыхательного центра являются важным шагом к пониманию особенностей функционирования дыхательного центра, механизмов его взаимодействия с центрами других физиологических функций.
Важнейшей группой эндогенных химических регуляторов, принимающих активное участие в механизмах взаимодействия нейронов дыхательного центра, являются нейропептиды. Представляя обширную группу нейромодуляторов, они вовлечены в тонкую регуляцию физиологических функций, в том числе дыхания. Интерес к этим биологически активным веществам вызван их распространенностью в центральной нервной системе, их полифункциональностью и плейотропностью, а также перспективами их использования в медицине, что определяет необходимость детального изучения полного спектра физиологической активности нейропептидов [Ашмарин с соавт., 1999; Strand, 2003; Egleton et al., 2005; Merighi et al., 2011].
В настоящее время активно изучаются центральные эффекты пептидов бомбезинового семейства, в частности, гастрин-рилизинг пептида. Показано участие данного нейропептида в регуляции аппетита [Ladenheim et al., 2002], температуры тела [Tsushima et al., 2003], в реализации стрессорных реакций [Merali et al., 2002], грумингового поведения и локомоторной активности у грызунов [Masui et al., 1993]. Получены данные о вовлечении гастрин-рилизинг пептида в механизмы памяти и обучения за счет модуляции высвобождения ГАМК на уровне ядра солитарного тракта и структур миндалевидного комплекса [Shumyatsky et al., 2002; Kamichi et al., 2005].
Поводом для изучения участия гастрин-рилизинг пептида в центральных механизмах регуляции дыхания послужили результаты иммуногистохимических исследований. Согласно им, в области ядра солитарного тракта, входящей в состав бульбарного дыхательного центра, наблюдается относительно высокий уровень экспрессии специфических рецепторов к гастрин-рилизинг пептиду [Kamichi et al., 2005], матричной РНК пептида [Wada et al., 1990] и самого эндогенного гастрин-рилизинг пептида [King et al., 1989].
В отдельных работах получены данные о том, что аналог гастрин-рилизинг пептида бомбезин вызывает респираторные эффекты при микроинъекциях в область ядра солитарного тракта наркотизированных крыс [Глазкова с соавт., 2003; Инюшкин, Глазкова, 2005]. Однако бомбезин обладает практически одинаковой аффинностью как к BB1, так и BB2 рецепторам, тогда как гастрин-рилизинг пептид является преимущественным агонистом BB2 подтипа, и его респираторные эффекты могут определяться, в первую очередь, экспрессией BB2 подтипа рецепторов в функционально-специфичных областях дыхательного центра. К тому же, в отличие от бомбезина, выделенного у амфибий, гастрин-рилизинг пептид, наряду с нейромедином B, является специфичным для млекопитающих эндогенным нейропептидом [Wada et al., 1990], поэтому исследование на теплокровных животных центральных респираторных эффектов данного представителя нейропептидов бомбезинового семейства выглядит более адекватным.
Цели и задачи исследования: целью работы явилось изучение роли и физиологических механизмов участия гастрин-рилизинг пептида в центральной регуляции дыхания.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Идентифицировать отделы дыхательного центра, играющие наиболее важную роль в реализации респираторных эффектов гастрин-рилизинг пептида.
2. Определить характер респираторных реакций на микроинъекции гастрин-рилизинг пептида в ядро солитарного тракта и их зависимость от концентрации исследуемого вещества.
3. Изучить роль гастрин-рилизинг пептида в реализации рефлекса Геринга-Брейера на уровне ядра солитарного тракта.
4. Исследовать влияние микроинъекций гастрин-рилизинг пептида в область ядра солитарного тракта на выраженность вентиляторных реакций на гиперкапнию.
5. Выяснить особенности респираторных реакций на микроинъекции гастрин-рилизинг пептида в отдел дыхательного центра, играющий важную роль в ритмогенезе дыхания – комплекс пре-Бётцингера.
6. Установить характер респираторных реакций на микроинъекции гастрин-рилизинг пептида в ростральный и каудальный отделы вентральной респираторной группы и комплекс Бётцингера.
Научная новизна работы. В данном исследовании впервые изучены респираторные эффекты на микроинъекции различных концентраций гастрин-рилизинг пептида в структурно-функциональные отделы бульбарного дыхательного центра. Показано участие исследуемого нейропептида в центральных механизмах регуляции дыхания.
Обнаружено, что активность гастрин-рилизинг пептида реализуется, главным образом, на уровне дорсальной респираторной группы и, в меньшей степени, комплекса пре-Бётцингера. Установлено, что специфика реакций со стороны паттерна внешнего дыхания и биоэлектрической активности инспираторных мышц, определяется не только концентрациями гастрин-рилизинг пептида, но также функциональными особенностями исследуемых отделов мозга. В частности, характерной реакцией на микроинъекции гастрин-рилизинг пептида в комплекс пре-Бётцингера, ритмогенерирующий отдел дыхательного центра, являлся рост частоты дыхания, в то время как дыхательный объем изменялся незначительно. При этом в экспериментах с введением нейропептида в ядро солитарного тракта возрастал дыхательный объем и незначительно снижалась частота дыхания.
Получены данные, указывающие на участие гастрин-рилизинг пептида в модуляции центральной хемочувствительности к углекислому газу на уровне дорсальной респираторной группы. Показано, что микроинъекции данного пептида в ядро солитарного тракта ослабляют вентиляторную чувствительность к гиперкапнии. Полученные в работе результаты впервые продемонстрировали участие гастрин-рилизинг пептида в механизмах передачи афферентации, поступающей в ядро солитарного тракта от рецепторов растяжения легких. Показано, что локальное воздействие пептида на эту область ствола мозга оказывает ингибирующее влияние на проявление рефлекса Геринга-Брейера. Этот эффект может лежать в основе модулирующего влияния гастрин-рилизинг пептида на глубину дыхания.
Теоретическое и практическое значение работы. Исследования центральной респираторной активности гастрин-рилизинг пептида ранее не проводились. В литературе достаточно полно освещены вопросы экспрессии, фармакологии, связывания и структуры специфических рецепторов к гастрин-рилизинг пептиду, однако его функциональное значение, в частности, на уровне бульбарного отдела ствола мозга до настоящего времени оставалось неясным. Результаты работы, раскрывающие роль и механизмы участия гастрин-рилизинг пептида и его рецепторов в деятельности дыхательного центра, важны для понимания нейрохимических закономерностей респираторного ритмогенеза и регуляции паттерна дыхания.
Полученные данные об особенностях центральной респираторной активности гастрин-рилизинг пептида, о характере респираторных реакций на микроинъекции пептида в различные структурно-функциональные отделы дыхательного центра, о модуляции им рефлекса Геринга-Брейера и вентиляторной чувствительности к гиперкапнии являются существенным вкладом в понимание физиологических механизмов действия данного нейропептида на бульбарном уровне.
Результаты настоящей работы могут использоваться при разработке лекарственных препаратов на основе аналогов пептидов бомбезинового семейства для центральной коррекции дыхательных нарушений, а также препаратов, участвующих в регуляции защитных дыхательных рефлексов (например, противокашлевые средства центрального действия). Сравнительно недавно было продемонстрировано периферическое действие бомбезин-родственных пептидов и их специфических рецепторов в реализации легочных хеморефлексов, кашле, бронхоспазме и гиперсекреции слизи в дыхательных путях [Gu, Lee, 2005].
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Среди бульбарных структур, входящих в состав дыхательного центра, главную роль в опосредовании респираторных эффектов гастрин-рилизинг пептида играют вентролатеральный отдел ядра солитарного тракта и комплекс пре-Бётцингера.
2. Микроинъекции гастрин-рилизинг пептида в область дорсальной респираторной группы и комплекс пре-Бётцингера приводят к изменениям паттерна внешнего дыхания, биоэлектрической активности наружных межреберных мышц и диафрагмы.
3. На уровне ядра солитарного тракта гастрин-рилизинг пептид повышает чувствительность нейронов к афферентным сигналам, поступающим от медленно адаптирующихся рецепторов растяжения легких, что приводит к ингибированию рефлекса Геринга-Брейера.
4. Локальное воздействие гастрин-рилизинг пептида на вентролатеральный отдел ядра солитарного тракта ослабляет вентиляторную чувствительность к гиперкапнии, что указывает на участие данного нейропептида в модуляции центральной хемочувствительности к углекислому газу на уровне дорсальной респираторной группы.
Апробация работы. Материалы работы доложены и обсуждены на XV Конференции молодых учёных «Механизмы адаптации физиологических систем организма к факторам среды» (Санкт-Петербург, институт физиологии им. Павлова РАН, 2010); XV и XVI международных Пущинских школах-конференциях молодых учёных «Биология – наука XXI века» (Пущино, 2011, 2012); XXXV, XXXVI и XXXVII Научных конференциях молодых учёных и специалистов СамГУ (Самара, 2010, 2011, 2012); Ежегодной Всероссийской научно-практической конференции «Наука. Образование. Медицина» (Самара, СМИ "Реавиз", 2011); II межвузовской научно-практической конференции студентов и молодых ученых (Самара, СМИ "Реавиз", 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 152 страницах машинописного текста, иллюстрирована 1 таблицей и 38 рисунками. Работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов исследований, обсуждения полученных данных, выводов и списка литературы (30 отечественных и 352 зарубежных источника).
