Физиологические особенности регуляции тонуса гладких мышц легочной артерии

Актуальность исследования.

В настоящее время серьёзной проблемой клинической пульмонологии остаются заболевания, связанные с нарушением тонуса гладких мышц воздухоносных путей и сосудов лёгких. В связи с этим, несомненный интерес представляет исследование механизмов регуляции сократительной активности легочной артерии. По литературным данным, нарушение согласованной регуляции тонуса гладкомышечных клеток сосудов и воздухоносных путей ведёт к разобщению параметров гемодинамики и вентиляции и, как следствие, к нарушению вентиляционно-перфузионных отношений [1, 40]. Последнее существенно усугубляет течение бронхиальной астмы и других заболеваний легких [37].

В литературе имеется ряд указаний на существенные различия в физиологических реакциях кровеносных сосудов малого и большого круга кровообращения [36, 53, 68]. Нет единого мнения о регуляции сосудистого тонуса ГМ легочных артерий (JIA). По мнению ряда авторов гистамин оказывает констрикторный эффект на тонус гладких мышц легочной артерии [16, 36, 95], однако так же многочисленные сообщения о вазодилятирующем эффекте гистамина [95, 98], как опосредованном эндотелием сосудов, так и не зависящим от него. Некоторые исследователи считают, что. ацетилхолинергические воздействия оказывают в больших концентрациях констрикторный эффект [84, 56, 45], часть исследователей с этим не согласна и утверждают о дилатационном эффекте [36, 99]. Так же нет единого мнения о вопросе адренэргической регуляции гладкомышечного тонуса легочной артерии: мнения исследователей разделяются на два фронтаза констрикторный [36, 68, 115] эффект и за вазодилатацию [47, 115, 148]. Таким образом, вопрос о механизмах регуляции тонуса легочных артерий изучен не достаточно и требует дальнейшего исследования.

Среди механизмов локальной, то есть короткодистантной, регуляции тонуса сосудистых ГМК важное место занимает эндотелиальногладкомышечное взаимодействие. Сосудистый эндотелий продуцирует целый комплекс констрикторных и релаксирующих факторов и модулирует сократительные ответы ГМК при воздействии многих биологически активных веществ [36, 96]. Важное место в механизмах эндотелий-зависимой регуляции занимает оксид азота (N0), исследованию физиологической роли которого, в регуляции тонуса сосудов, посвящено множество исследований. Так при бронхиальной астме отмечается повышение концентрации окиси азота в выдыхаемом воздухе, что говорит о связи N0 и патологического процесса [129]. Оксид азота, синтезируемый эндотелием сосудистого русла, согласно многочисленным исследованиям, может являться активатором цитозольной фракции гуанилатциклазы (ГЦ) ГМК, синтезирующей цГМФ [17, 107, 150]. По-видимому, повышение внутриклеточного цГМФ может играть важнейшую роль в реализации эндотелий-гладкомышечных взаимодействий [144,101].

Таким образом, несмотря на значительные успехи, достигнутые в изучении механизмов регуляции кровообращения в малом круге, вопросы физиологических особенностей регуляции сосудистого тонуса легочных артерий биологически активными веществами, а также участия в этом процессе внутриклеточных сигнальных систем гладкой мускулатуры легочной артерии не нашли удовлетворительного решения.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Изучить особенности регуляции сократительных реакций гладких мышц сосудистой стенки легочных артерий на воздействие биологически активных веществ.

Предпринятое исследование было сосредоточено на решении следующих основных задач:

1. Исследовать особенности холинэргической, гистаминэргической и адренэргической регуляции сократительной активности интактных сегментов гладких мышц легочной артерии кроликов.

2. Исследовать особенности холинэргической, гистаминэргической и адренэргической регуляции сократительной активности деэндотелизированных сегментов гладких мышц легочной артерии кроликов.

3. Изучить особенности оперирования сигнальных систем, связанных с метаболизмом циклических нуклеотидов, при действии БАВ на сократительную активность гладкомышечных клеток артерий малого круга кровообращения.

Научная новизна:

Впервые выполнено комплексное исследование особенностей регуляции сократительных реакций гладких мышц легочной артерии на воздействие медиаторов адренэргической, холинэргической и гистаминэргической систем.

Впервые показана способность сегментов легочной артерии при Р-адренэргических воздействиях в высоких концентрациях отвечать сокращением.

Показано, что пилокарпин вызывает двухфазный релаксирующий ответ интактных сегментов легочной артерии.

Доказано, что гистамин вызывает дозозависимое сокращение легочных артерий и увеличивает их чувствительность к релаксирующему действию нитропруссида натрия.

Впервые показаны особенности регуляции сократительных реакций ГМК на воздействие блокаторов фосфодиэстераз, которые заключались в контрактильных реакциях в ответ на изменение соотношения внутриклеточных концентраций циклических нуклеотидов.

Научно-практическая значимость:

Результаты исследования являются вкладом в развитие фундаментальных представлений о механизмах внутриклеточной регуляции тонуса гладкомышечных сосудов лёгких. Они могут использоваться при определении направления поиска новых лекарственных веществ, используемых для коррекции нарушений кровообращения в малом круге.

Полученные результаты свидетельствуют о сложных механизмах адренэргической регуляции тонуса легочной артерии и будут способствовать более рациональному использованию препаратов для фармакологической коррекции дисфункции малого круга кровообращения с учетом их способности не только к релаксирующим, но и к контрактильным эффектам.

Областями применения полученных данных являются физиология, биофизика, фармакология. Результаты работы используются при преподавании соответствующих разделов курсов биофизики и нормальной физиологии студентам Сибирского государственного медицинского университета.

Положения, выносимые на защиту:

1. Основные особенности регуляции сократительной активности гладких мышц легочной артерии заключаются:

• В двухфазном релаксирующем ответе сегментов легочной артерии на пилокарпин;

• В констрикторном ответе легочных артерий на гистамин и увеличении чувствительности сокращения гладкомышечных сегментов вызваного гистамином к нитропруссиду натрия;

• В сократительных реакциях сегментов легочной артерии на ß—адренэргическую стимуляцию.

2. Оперирование цАМФ-зависимой сигнальной системы в ГМК легочной артерии может приводить к констрикторным реакциям и направленность ответа зависит от соотношения внутриклеточных концентраций цАМФ/цГМФ.

3. В стенке легочных артерий в присутствии эндотелия угнетаются контрактильные реакции на воздействия катехоламинов и гистамина. Удаление эндотелия приводит к значительному усилению констрикторного ответа на гистамин, адреналин, мезатон и норадреналин., В двухфазном дилататорном ответе легочной артерии на пилокарпин низкодозовая компонента расслабления опосредована выработкой эндотелием оксида азота.

Апробация работы:

Основные результаты диссертации обсуждены на: IX Национальном Конгрессе по болезням органов дыхания — Москва 1999, Межрегиональной научной конференции физиологов Сибири и Дальнего Востока посвященной 150-ю со дня рожд. акад. Павлова — Томск, 1999, Городской конференции молодых ученых и специалистов «Региональные проблемы экологии и природопользования» — Томск 1999, I Международном конгрессе «Научная молодежь на пороге XXI века» -Томск 2000, II Российской конференции молодых ученых России с международным участи «Фундаментальные науки и прогресс клинической медицины» — Москва 2001, Втором конгрессе молодых учёных и специалистов «Научная молодёжь на пороге XXI века» — Томск 2001, Конференции посвященной 150-летию член-корр., профессора A.C. Догеля — Томск СГМУ 2002, III Международном конгрессе молодых учёных и специалистов «Науки о человеке» — Томск 2002, IV Съезде физиологов Сибири с международным участием — Новосибирск 2002, 12 Национальном Конгрессе по болезням органов дыхания — Москва 2002, на IV ежегодном семинаре молодых ученых «Актуальные вопросы фармакотерапии и хирургического лечения заболеваний сердечнососудистой системы» — Томск 2003, на Пироговской научной конференции студентов и молодых ученых, Москва, 20 марта 2003, IV Международном конгрессе молодых учёных и специалистов «Науки о человеке» — Томск 2003 г.

Основные результаты диссертации опубликованы в 20 печатных работах.

Объем и структура работы:

Диссертация изложена на 95 страницах машинописного текста. Состоит из введения, трех глав описания собственных исследований, заключения, выводов и списка литературы. Диссертация иллюстрирована 20 рисунками и 1 таблицей.

Список литературы

содержит 150 источников, из них 42 отечественных и 108 иностранных.

Выводы.

1. Удаление эндотелия увеличивает сократительные ответы сегментов легочной артерии на воздействие гистамина и а-адреномиметиков.

2. Пилокарпин вызывает двухкомпонентное расслабление сегментов долевых ветвей легочной артерии с интактным эндотелием. Низкопороговый компонент пилокарпин-индуцированного расслабления сегментов долевых ветвей легочной артерии является эндотлийзависимым и блокируется при механическом удалении эндотелия или предобработкой сегментов с интактным эндотелием ингибитором Ж)-синтазы.

3. Гистамин вызывает дозозависимое сокращение гладкомышечных сегментов легочной артерии кролика. Сокращение вызванное гистамином более чувствительно к релаксирующему действию нитропруссида натрия, чем гиперкалиевая контрактура.

4. Активация р-адренорецепторов сегментов легочной артерии вызывает двухкомпонентный дозозависимый ответ. В концентрации 10 нМ— 1 мкМ регистрируется расслабление, в концентрации 10 мкМ—100 мкМ — сокращение.

5. Соотношение активности различных субтипов фосфодиэстеразы циклических нуклеотидов в гладкомышечных клетках может существенно модулировать адренэргические эффекты в стенке легочных артерий, вплоть до полной их инверсии.

Заключение

.

Артерии малого круга кровообращения, в отличие от системных артерий, выполняет особую роль в связи с её- функциональным предназначением. Весь объём крови большого круга протекает через легочные артерии. Однако, при изменении кровяного давления в большом круге и при физиологических перераспределениях крови давление в малом круге практически не изменяется. В связи с этим, механизмы регуляции сосудистого тонуса легочной артерии имеют отличия от таковой в большом круге кровообращения. Особое значение регуляция сосудистого тонуса имеет в поддержании адекватных вентиляционно-перфузионных отношений, обеспечивающих поддержание гомеостаза в норме и при физиологических нагрузках.

В верхних отделах легочная артерия кроликов имеет смешанный тип строения с небольшим преобладанием эластических элементов, а по * мере ветвления становится мышечного типа. От верхних отделов легочной артерии к нижним у кроликов отмечается снижение количества слоев эластических мембран в большей степени, чем гладкомышечных элементов, уменьшение толщины стенки и сужение просвета сосуда.

В отличие от сосудов большого круга кровообращения аналогичных отделов, толщина стенки легочной артерии значительно меньше. Сосудистое сопротивление в малом круге кровообращения на порядок меньше, чем в большом. Легочная артерия значительно раньше по протяжению становится из эластического мышечно-эластического типа строения.

Нам удалось обнаружить целый ряд существенных особенностей в регуляции сократительной активности:

Холинэргическое расслабление гладких мышц легочной артерии кроликов носит двухкомпонентный характер дозовой зависимости. При этом низкопороговый компонент расслабляющего действия пилокарпина имеет эндотелий-зависимую природу. Механизм его обусловлен выработкой эндотелиального релаксирующего фактора, продукция которого эндотелиоцитами носит Са2±зависимый характер и может инициироваться при активации М-холинорецепторов [42]. Влияние ингибиторов Ж)-синтазы на данный процесс свидетельствует, что по своей природе данный фактор связан с метаболизмом оксида азота. Высокопороговый компонент имеет миогенную природу и связан с активацией рецепторов ГМК, не чувствительных к атропину.

Проведённые исследования позволили предположить, что важной особенностью гистаминэргической регуляции сократительной активности гладкомышечных сегментов легочной артерии кролика является прямой сократительный эффект гистамина, что не присуще гладким мышцам сосудов большого круга кровообращения. Этот эффект связан с активацией Нггистаминовых рецепторов, что приводит к деполяризации клеточной мембраны ГМК легочной артерии, входу ионов Са внутрь клетки и, в конечном итоге, к сокращению сосуда. Присутствие интактного эндотелия оказывает угнетающее действие на гистаминэргическое сокращение гладких мышц легочной артерии кролика. При этом гистаминэргическое воздействие на ГМК легочной артерии потенцирует чувствительность гладкомышечных клеток к нитропруссиду натрия, что может быть связано с модулирующим воздействием гистамина на систему гуанилатциклаза — циклический гуанозинмонофосфат [137]. По нашему мнению, исследованный нами эффект гистамина имеет важное фундаментальное и практическое значение. Так, повышение концентрации гистамина при воспалительных процессах в легких ведёт к сужению бронхов и, вследствие этого, к снижению вентиляции. Но при этом происходит повышение тонуса сосудов лёгких и снижение их кровенаполнения. Таким образом, поддерживаются адекватные вентиляционно-перфузионные отношения сосудов лёгких и воздухоносных путей. Но существенное, по литературным данным [62, 131], повышение выработки оксида азота в некоторых случаях бронхиальной астмы может в разной степени влиять на тонус сосудов и бронхов, из-за повышения чувствительности к нитросоединениям. Подобный регуляторный дисбаланс может усугублять течение заболевания.

Исследование адренэргической системы регуляции тонуса гладких мышц легочной артерии показало сходство в реакциях на а-адреномиметики с таковыми сосудов большого круга кровообращения. Однако, принципиальной особенностью адренэргической регуляции гладких мышц легочной артерии являются зарегистрированные р-адренэргические контрактильные эффекты в ГМК сосудистой стенки. По литературным данным [5, 13, 137] Р-адреномиметики связываясь с р-адренорецепторами приводят к активации аденилатциклазы мембраны ГМК. Как показали исследования, активация цАМФ-зависимой сигнальной системы в гладких мышцах ЛА способна оказывать констрикторный эффект. Чтобы проверить наше предположение о контрактильных эффектах цАМФ были проведены серии экспериментов с блокаторами фосфодиэстераз.

При исследовании воздействия на. интактные сегменты ЛА ингибиторов ФДЭ сокращение вызывали кавинтон и дипиридамол, которые обладают сродством к ФДЭ, гидролизующим преимущественно цГМФ. Угнетение активности гуанилатциклазы при воздействии метиленового синего приводило к увеличению концентрации названных препаратов, вызывающей максимальной сокращение. Неселективный ингибитор ФДЭ ЮМХ и ингибитор ФДЭ, гидролизующей преимущественно цАМФ, теофиллин, вызывали снижение механического напряжения ГМК интактных сегментов ЛА. Однако, после предобработки метиленовым синим наблюдалась инверсия эффекта названных препаратов — во всех случаях регистрировался констрикторный эффект. Этот результат убедительно свидетельствует, что механизмы оперирования цАМФ — зависимой сигнальной системы в ГМК артерий малого круга, через посредство которой реализуются эффекты Р-адреномиметиков, тесно связаны с активацией системы «гуанилатциклаза-цГМФ». Угнетение активности гуанилатциклазы оказывает значительное влияние на реализацию эффектов цАМФ в клетке. Таким образом, механизмы цАМФ и цГМФ — зависимой регуляции сократительной активности гладкомышечных сегментов сосудов малого круга кровообращения кроликов осуществляются в тесном взаимодействии двух регуляторных систем — «ГЦ — цГМФ» и «АЦ — цАМФ». Ключевым звеном этого взаимодействия являются, фосфодиэстеразы циклических нуклеотидов. Соотношение активности различных субтипов данного фермента в ГМК может существенно модулировать адренэргические эффекты в стенке ЛА, вплоть до полной их инверсии.

Такой эффект цАМФ-зависимой системы может быть обусловлено продукцией вазоконстрикторных биологически активных веществ мигрирующими клетками (нейтрофилы, эозинофилы, тучные клетки и др.), которые инфильтрируют стенки сосудов. Возможно так же, что здесь играет роль цАМФ-зависимое фосфорилирование кальциевых каналов, что приводит к активации кальциевой проводимости мембраны, и при определенных, условиях в гладких мышцах сосудов малого круга кровообращения этот эффект становится превалирующим.

Эндотелий в ответ на стимуляцию катехоламинов, гистамина и холиномиметиков выделяет расслабляющий гладкие мышцы сосудов фактор, на роль которого претендует N0, оксид азота. Это предположение подтверждается в экспериментах с блокатором Ж)-синтазы — Ь-КАМЕ.

По всей видимости, — это защитный механизм, направленный на поддержание оптимального сосудистого тонуса при воздействии на сосуды различных эндогенных физиологически активных соединений, реализуя принцип обратной отрицательной связи.

Таким образом, нами выявлен целый ряд существенных отличий в механизмах регуляции сократительных реакций легочной артерии катехоламинами, гистамином и холиномиметиками. Обнаруженные различия, вероятно, связаны с особенностями физиологической роли сосудов малого круга, высокой значимостью их в регуляции гомеостаза, в обеспечении жизненно важных функций.

Можно отметить, что ГМК стенки легочных артерий, по сравнению с артериями большого круга кровообращения, имеют большую склонность к сократительным ответам на различные воздействия и существенно меньшую — к вазодилатации. Такая организация регуляторных механизмов физиологически вполне обоснована, поскольку избыточная дилатация легочных артерий создает опасность отека легких, что может наблюдаться при некоторых патологических процессах, тогда как в норме тонус поддерживается на достаточно высоком уровне, обеспечивая оптимальное давление крови в малом круге.

Выявленные особенности регуляции сосудов малого круга кровообращения могут иметь существенное клинико-физиологическое значение. Так, например, гистамин, вызывая бронхоконстрикцию, одновременно способен повышать тонус ГМК стенки легочных сосудов, обеспечивая тем самым поддержку вентиляционно-перфузионного отношения [37]. Но существенное повышение выработки оксида азота в тяжелых случаях бронхиальной астмы может в разной степени влиять на тонус сосудов и бронхов [53]. Подобный регуляторный дисбаланс способен усугублять течение заболевания. Агонисты (3-адренорецепторов, используемые в качестве бронхолитических препаратов, способны одновременно спровоцировать сужение легочных артерий, что приведет к возрастанию давления в малом круге кровообращения и может осложнить течение заболевания.