Научная статья на тему 'Клинические аспекты фармакологической регуляции Na+-K+-2Cl-контранспортера в скелетной мышце'

Клинические аспекты фармакологической регуляции Na+-K+-2Cl-контранспортера в скелетной мышце Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

CC BY
219
75
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЫШЦА СКЕЛЕТНАЯ / ЧЕЛОВЕК / MUSCLE / SKELETAL / NKCC / HUMAN
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по фундаментальной медицине , автор научной работы — Госманов А. Р., Хафизьянова Р. Х., Томасон Д. Б.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Клинические аспекты фармакологической регуляции Na+-K+-2Cl-контранспортера в скелетной мышце»

УДК 61 : 621. 646 : 577. 17 : 611. 73

КЛИНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФАРМАКОЛОГИЧЕСКОЙ РЕГУЛЯЦИИ NA+-K+-2Cl"-KOTPAHCnOPTEPA В СКЕЛЕТНОЙ МЫШЦЕ

А.Р. Госманов, Р.Х. Хафизъянова, Д.Б. Томасон

Кафедра фармакологии (зав. - чл.-корр. АН РТ, проф. Р.С. Гараев) Казанского государственного медицинского университета, Медицинский научный центр университета

Теннеси, Мемфис, США

В последние годы в литературе появились многочисленные публикации, свидетельствующие о присутствии Ма+-К+-2С1"-котранспортера

(МКСС) в скелетной мышце и его функциональной роли [1, 2, 9—15, 18, 19, 26, 27]. Показано, что в скелетной мышце МКСС принимает активное участие в транспорте калия в клетку и в поддержании ее объема. Было выявлено, что фармакологическая регуляция МКСС в скелетной мышце осуществляется посредством воздействия на адренергический и инсулиновый рецепторы, а также диуретиками (петлевыми) буматанидом и фуросемидом. С учетом важной роли МКСС в поддержании гомеостаза калия и воды не только в мышечной ткани, но и в целом организме, а также широкого применения в клинической практике лекарственных средств, способных регулировать активность МКСС, в данном обзоре приведены результаты фармакологической модуляции МКСС скелетных мышц.

Ма+-К+-2С1"-котранспортер (МКСС) идентифицирован практически во всех тканях и клетках организма млекопитающих. Выявлены две изофор-мы этого котранспортера: МКСС2 (или бумета-нид-чувствительный котранспортер) и МКСС1 или (буметанид-чувствительный котранспортер) [23]. Известно, что МКСС2 играет важнейшую роль в реабсорбции солей и воды в петле Генле почек, а МКСС1 принимает участие в стимуляции роста, делении клеток и осуществлении транспорта калия и воды в клетках как эпителиального, так и неэпителиального происхождения. Активность обеих изоформ подавляется петлевыми диуретиками буметанидом и фуросемидом. Однако до сих пор клинически важным считается только инги-бирование МКСС2 в почках. В предыдущих исследованиях вопросу фармакологической регуляции МКСС1 внепочечной локализации уделялось мало внимания. Вместе с тем, кроме петлевых диуретиков, могут существовать и другие агонисты и антагонисты МКСС, которые не изучались. Исследования с целью поиска модуляторов МКСС1 среди уже известных лекарственных средств расширили бы наши знания о физиологических функциях МКСС и терапевтических эффектах их применения.

Теоретическую и практическую значимость представляют исследования роли МКСС в скелетной мышце, которая составляет 40% от всей массы тела человека и содержит до 75% всей внутриклеточной воды и 75% всего калия организма. Как отмечено выше, регуляция транспорта калия и воды является неотъемлемой функцией МКСС. Было убедительно показано [1, 2, 24], что

NKCC присутствует в зрелой скелетной мышце крысы и что этот котранспортер активируется при гипертоническом сморщивании мышцы для восстановления клеточного содержания воды. Следовательно, всестороннее изучение функций NKCC и фармакологических агентов, способных влиять на активность NKCC, имеет теоретический и практический интерес.

Характерной чертой NKCC скелетной мышцы крысы является его невысокая активность в состоянии покоя. Инкубация изолированной скелетной мышцы или перфузия задней конечности крысы физиологическим раствором, содержащим буметанид, не приводила к изменению содержания калия как внутри клетки, так и во внеклеточном пространстве [13, 19, 27]. Необходимо отметить, что эти данные противоречат представлениям о высокой активности NKCC в изолированных скелетно-мышечных клетках, где котранспортер опосредует до 50—90% от общего транспорта калия в клетку [14, 25]. Это различие можно объяснить тем, что скелетная мышца крысы является зрелой, дифференцированной тканью и не характеризуется, подобно клеткам in vitro, высоким митотическим индексом.

Функциональная оценка NKCC в сердечной мышце показала [3], что катехоламины способны активировать транспорт калия посредством стимуляции NKCC. Действительно, экспериментально нами было установлено, что активирующее влияние а-адренергического агониста — фе-нилэфрина и в-адренергического агониста — изопреналина на NKCC-опосредованный транспорт калия в скелетную мышцу крысы происходило за счет активации соответственно а- и в-ад-ренорецепторов [27]. Внутривенное введение в-ад-ренергического агониста тербуталина вызывало существенное снижение концентрации калия как в плазме, так и в окружающей скелетные мышцы экстрацеллюлярной жидкости у здоровых людей [16]. Известно, что катехоламины, наряду с активацией NKCC, также способствуют накоплению калия в скелетных мышцах за счет активации Nа+-K+- АТФазы [6]. К сожалению, роль NKCC в гипокалиемическом действии изопре-налина посредством блокады котранспортера бу-метанидом или фуросемидом может быть завуалирована влиянием на почки петлевых диуретиков, которые усиливают выход калия с мочой. Наиболее идеальным вариантом в этом случае является изучение артериовенозной разницы в концентрации калия в области крупного мышечного массива при действии этих диуретиков.

Инсулин, наряду с катехоламинами, — так-

же значимый стимулятор входа калия в мышечную клетку преимущественно за счет активации Ма+-К+-АТФазы [6]. Однако выявлено, что этот гормон не способен активировать буметанид-чувствительный транспорт калия в клетку ни в физиологической, ни в более высоких концентрациях [7, 13]. Более того, инсулин ингибировал активность МКСС после воздействия изопрена-лина [13]. Предполагается, что такое ингибирую-щее влияние инсулина необходимо для гомео-статического контроля содержания калия в мышце и плазме [10]. Теоретически, если просуммировать гипокалиемическое действие и инсулина, и изопреналина, полученного в результате их действия на мышцы, концентрация калия плазмы могла бы упасть до величин, при которых нормальная работа сердца невозможна. Однако влияние инсулина на МКСС может предохранить организм от резких сдвигов концентрации калия плазмы.

Немаловажное значение для клинической практики представляет и изучение роли МКСС в поддержании объема мышечной клетки. Известно, что при помещении любой клетки млекопитающего в среду с повышенной осмолярностью происходят выход воды из клетки и ее сморщивание [22]. В результате уменьшения размера клетки активируются внутриклеточные процессы, направленные на восстановление потерянного объема. Стимуляция МКСС играет в этом процессе важнейшую роль. Активированный МКСС способствует переносу ионов для образования в клетке осмотически активных солей и тем самым привлекает воду в клетку из внеклеточного пространства [23]. Результаты многочисленных исследований в области клеточной физиологии показали, что снижение объема клетки нарушает течение многих биохимических процессов [17]. В отношении скелетной мышцы изучение влияния фармакологических веществ на активность МКСС при воздействии гиперосмолярной среды представляет значительный интерес по ряду причин. Во-первых, скелетная мускулатура ответственна за абсорбцию 80—90% глюкозы под действием инсулина в постпищеварительный период [8]. С учетом того, что эффективность действия инсулина уменьшается в клетках, у которых снижен объем [24], нетрудно представить степень гипергликемии при отсутствии возможности мышечной клеткой восстановить свой объем. Во-вторых, в ске-летно-мышечных клетках человека массой тела 70 кг содержится 21—22 литра воды. Подсчеты показали, что быстрое поступление 3,5-4 литров воды (или около 15—20% мышечной воды) в сосудистое русло приводит к снижению концентрации натрия в плазме со 140 до 125 ммоль/л, что является критическим для мозговой деятельности. В-третьих, при физических упражнениях характерно увеличение осмолярности плазмы [20]. Также известно, что мышечные сокращения улучшают метаболизм мышечной клетки и повышают ее чувствительность к инсулину. Однако несмотря на то что МКСС активируется под действием гиперосмолярной среды, до сих пор не изучено, может ли активация МКСС в этих условиях способствовать оптимизации действия инсулина.

Еще в 1965 г. Блинкс заметил [4], что изоли-

рованная скелетная мышца мгновенно сморщивается, если ее поместить в гиперосмотическую среду, но затем в течение нескольких минут способна восстановить свой объем. В течение последних 10—15 лет стало понятно, каким образом мышечная ткань поддерживает свой объем в гиперосмотической среде. Путем проведения серии экспериментов [1, 2] было выявлено, что фуро-семид препятствует восстановлению объема мышечных клеток диафрагмы, помещенных в гипертоническую среду. В дальнейшем Ьт^^ег е! а1. [19] показали, что и другой блокатор МКСС буметанид при его перфузии с гипертоническим раствором в мышцы задней конечности крысы приводит к заметному уменьшению активности МКСС и снижению содержания воды в скелетных мышечных клетках. Экспериментально нами установлено, что при инкубации портняжной или подошвенной мышцы в среде, в которой осмо-лярность была повышена всего лишь на 20 мОсм (с 298 до 318 мОсм) путем добавления маннито-ла или глюкозы, объем мышцы, измеренный после 25 минут инкубации, равнозначен с таковым в мышцах, инкубированных в изоосмоляр-ном растворе (298 мОсм) [12]. Однако добавление буметанида в гиперосмолярную, но не в изо-осмолярную среду приводило к значительному (на 10—15%) уменьшению объема клеток, причем вне зависимости от того, что использовали для повышения осмолярности, — маннитол или глюкозу, эффект буметанида был одинаков. Данная находка могла бы быть привлекательной для лечения больных с сахарным диабетом, у которых во время гипергликемии осмолярность плазмы может достигать значений, при которых проводились эти эксперименты.

Какова же фармакологическая регуляция МКСС, активированного гиперосмолярностью? Показано, что форсколин и изопреналин, которые повышают концентрацию цАМФ в клетке, подавляли активацию МКСС в гиперосмолярной среде [12]. Этот эффект стимуляторов образования цАМФ сопровождался уменьшением объема клетки на 10—15%, то есть на величину, которая была получена при блокаде МКСС. Также было зарегистрировано, что инсулин не влиял ни на активность МКСС, ни на объем мышцы, помещенной в гипертоническую среду. Таким образом, эти исследования показали, что осмоляр-ность раствора по-разному регулирует активность МКСС. Если в изоосмолярной среде МКСС находится в неактивированном состоянии и не вовлечен в регуляцию объема мышечных клеток, то в гиперосмолярной среде происходит его активация для поддержания объема клеток [12]. В то же время инсулин ингибировал активацию МКСС в изоосмолярной среде [13], но в гиперосмоляр-ной среде он был уже неэффективен, в то время как изопреналин подавлял стимуляцию МКСС [12]. Можно полагать, что в зависимости от функционального состояния МКСС (перенос калия и транспорт воды в гиперосмолярной среде) фармакологическая регуляция котранспортера также различна.

С учетом роли скелетной мускулатуры в регуляции концентрации калия в плазме, а также

объема воды, находящегося в мышечных клетках, можно предположить, что патофизиологические и фармакологические факторы, влияющие на активность МКСС, имеют существенное значение при различных клинических ситуациях. При некоторых патологических состояниях (сахарный диабет, артериальная гипертензия), а также при лечении больных блокаторами в-адренер-гических рецепторов происходит повышение концентрации калия в плазме. Такая гиперкалиемия может, отчасти, происходить в результате недостаточного действия гормонов (инсулина и ка-техоламинов) на опосредованный Ма+-К+-АТФазой транспорт калия в скелетную мышцу [6]. Следовательно, другие способы доставки калия (например, в результате активации МКСС) в мышечную клетку приобретают ведущее значение в качестве механизма, компенсирующего недостаточность Ма+-К+-АТФазы. Экспериментально показано, что при сахарном диабете, сопровождающемся недостаточностью в действии инсулина, транспорт калия через МКСС может быть более эффективным [13]. Дальнейшие исследования в этом направлении необходимы для выяснения вопроса: насколько активация МКСС в скелетной мышце может компенсировать нарушения активности Ма+-К+-АТФазы.

Общеизвестно, что сморщивание клетки негативно влияет на ее метаболизм. В экспериментах на адипоцитах и клетках печени показано, что высокая степень гиперосмолярности (до 500 мОсм), при которой МКСС уже не может препятствовать потере воды клеткой, или ингибирование активности МКСС диуретиками уменьшает стимулирующие эффекты инсулина на транспорт глюкозы и синтез белков [5, 24]. При этом также отмечалось снижение активности протеинкиназы Б — основной сигнальной молекулы в реализации эффектов инсулина [5]. На важность результатов данных экспериментов указывает и тот факт, что дефект инсулинстимулированного транспорта глюкозы в скелетную мышцу является одним из патогенетических факторов в развитии сахарного диабета [8]. Мы предполагаем, что МКСС важен для нормального действия инсулина, так как активность МКСС необходима для поддержания объема мышечной клетки. Эта гипотеза подтверждается тем, что в условиях повышенной осмо-лярности, сопровождающейся активацией МКСС, эффект инсулина на внутриклеточную систему вторичных посредников сохраняется [12].

Чувствительность МКСС скелетной мышцы к буметаниду и фуросемиду также может объясняться влиянием диуретиков, принимаемых пациентами, на гомеостаз калия, воды и глюкозы в организме. Диуретики могут быть применены для профилактики отека мозга при лечении гиперглике-мической, гиперосмотической комы у больных сахарным диабетом. Однако такая терапия, как описано выше, может ухудшить чувствительность тканей к инсулину. Одним из побочных эффектов, возникающих при длительном лечении больных диуретиками, является до сих пор необъяснимое развитие такого побочного эффекта, как гипергликемия [21]. Диуретики могут вызвать сморщивание клетки, поэтому одним из предпо-

лагаемых механизмов повышения концентрации глюкозы в плазме может быть снижение ее транспорта под действием инсулина на фоне их применения. Больным с сердечной недостаточностью в случаях необходимости также назначают диуретики для снятия отеков. У этих больных имеются склонность к гиперкалемии за счет недостаточности функции Ма+-К+-АТФазы [6] и подавление МКСС-опосредованного транспорта калия в мышцы диуретиками, что может еще больше усугубить нарушения в гомеостазе калия в их организме.

Таким образом, данные, полученные в ходе экспериментальных исследований на подопытных животных, показывают значимость фармакологической регуляции МКСС скелетной мышцы для практической медицины.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ситдиков Р.Ф., Уразаев А.Х. и др. // Бюлл. эксп. биол. —1989. — №11. — С.563—565.

2. Ситдиков Р.Ф., Уразаев А.Х. и др. // Нейрофизиология. — 1991. — №5.— С.625—627.

3Andersen G.O., Enger M. et al. // Am. J. Physiol. —

1998. — Vol. 275. — P. H641—652.

4.Blinks J. // J Physiol. — 1965. — Vol. 177. — P. 42—57.

5.Chen D., Fucini R.V. et al. // Mol Cell Biol. —

1999. — Vol. 19. — P. 4684—4694.

6.Clausen T. // Clin. Sci.(Lond). — 1998. — Vol. 95. — P. 3—17.

7.Clausen T. and Flatman J.A. // Am. J. Physiol. — 1987. — Vol. 252. — P. E492—499.

8.DeFronzo R.A., Ferrannini E. et al. // Diabetes. — 1983. — Vol. 32. — P. 35—45.

9.Fu L., Wong J.A. et al. // DNA Seq. — 1999. — Vol. 10. — P. 127—132.

10.Gosmanov A.R., Lindinger M.I. et al. // News Physiol. Sci. — 2003. — Vol. 18. — P. 196—200.

11.Gosmanov A.R., Nordtvedt N.C. et al. // J. Appl. Physiol. — 2002. — Vol. 93. — P. 1457—1465.

12.Gosmanov A.R., Schneider E.G. et al. // Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. — 2003. — Vol. 284. — P. R655—665.

13.Gosmanov A.R., Thomason D.B. // Diabetes. —

2002. — Vol. 51. — P. 615—623.

14.Gosmanov A.R., Thomason D.B. // Tsitologiia. —

2003. — Vol. 45. — P. 812—816.

15.Gosmanov A.R., Wong J.A. et al. // Am. J. Physiol. Cell. Physiol. — 2002. — Vol. 283. — P. C1025—1032.

16.Hallen J., Saltin B. et al. // Am. J. Physiol. — 1996. — Vol. 270. — P. R1347—1354.

17.Lang F., Busch G.L. et al. // Physiol. Rev. — 1998. — Vol. 78. — P. 247—306.

18. Lindinger M.I., Hawke T.J. et al. // Can. J. Physiol. Pharmacol. — 2001. — Vol. 79. — P. 996—1006.

19. Lindinger M.I., Hawke T.J. et al. // Cell. Physiol. Biochem. — 2002. — Vol. 12. — P. 279—292.

20Maassen N., Foerster M. et al. // J. Appl. Physiol. — 1998. — Vol. 85. — P. 326—332.

21.Neutel J.M. // Am. J. Med. — 1996. — Vol. 101. — P. 71S—82S.

22.O 'Neill W.C. // Am. J. Physiol. — 1999. — Vol. 276. — P. C995—C1011.

23.Russell J.M. // Physiol. Rev. — 2000. — Vol. 80. — P. 211—276.

24.Schliess F., von Dahl S. et al. // Biol. Chem. — 2001. — Vol. 382. — P. 1063—1069.

25.Sen C.K., Hanninen O. et al. // J. Appl. Physiol. — 1995. — Vol. 78. — P. 272—281.

26. Wong JA, Fu L. et al. // Am. J. Physiol. — 1999. — Vol. 277. — P. R154—161.

27. Wong J.A., Gosmanov A.R. et al. // Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. — 2001. — Vol. 281. — P. R561—571.

Поступила 19.01.04.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.