CC BY
227PPBN ID: ppbn.v7i3.26
НЕЙРОПСИХОФАРМАКОЛОГИЯ
- 2121
© А.И. ВИСЛОБОКОВ, Ю.Д. ИГНАТОВ; 2007
Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова; Льва Толстого ул., 6/8, Санкт-Петербург, 197022
Резюме
Местные анестетики, противоаритмические, анальгетические и психотропные средства оказывают на нервные клетки многостороннее мембранотропное действие. Они активируют или подавляют ионные токи потенциалуправляемых натриевых, кальциевых и калиевых каналов; изменяют потенциал поверхностного заряда мембраны вблизи ионных каналов; оказывают инактивационное и противоинактивационное действие. Взаимодействие фармакологических средств с воротными структурами ионных каналов приводит к ускорению или замедлению кинетики их активации или инактивации. Мембранотропные эффекты лежат в основе изменений мембранного потенциала покоя, ПД, синаптических потенциалов и эффективности межклеточных связей. Знание механизмов функционирования нейронов и возможных путей управления их состоянием фармакологическими средствами является основой концепции цитофармакологического управления функциональным состоянием клеток.
Вислобоков А.И., Игнатов Ю.Д. Современные представления о воздействии фармакологических средств на ионные каналы. // Психофармакол. биол. наркол. 2007. Т. 7, № 3-4. С. 2121-2130
Ключевые слова
ионные каналы; местные анестетики; анальгетики; психотропные вещества
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВОЗДЕЙСТВИИ ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НА ИОННЫЕ КАНАЛЫ
ВВЕДЕНИЕ
Электрофизиологические и биофизические методы регистрации внутриклеточных биопотенциалов и ионных токов играют существенную роль в изучении механизмов действия фармакологических средств на живые клетки или их мембранные фрагменты [8, 9, 12, 26]. Более чем 50-летние исследования в этой области [4] привели к современному пониманию деятельности клеток и открытию различного рода ионных каналов и рецепторов клеточных мембран. В течение последних 20 лет ведется расшифровка их молекулярной организации [1 1, 16, 23, 25], а наиболее значительные успехи достигнуты за последние годы. Так в 1998 году [17] с использованием ряда методик и в том числе рентгено-структурного анализа впервые описана пространственная молекулярная структура калиевого ионного канала и объяснена его селективность.
Молекулярно-генетические методики позволяют «строить» белковые макромолекулы ионных каналов и рецепторов, создавать новые ионные каналы с использованием фрагментов отдельных их типов [13, 14, 18]. Все это способствует пониманию как общих принципов организации и функционирования каналов мембран, так и их специфических особенностей.
Очень важным и необходимым инструментом исследования ионных каналов являются фармакологические средства с известными молекулярными структурами. Их взаимодействие с мембранами по принципу «ключ—замок» позволяют исследовать молекулярные конформации мест связывания. Создание новых фармакологических соединений и анализ зависимостей «структура—действие» позволяют находить наиболее эффективные средства коррекции состояния клеток.
Большое практическое значение имеет изучение влияния лекарственных средств на потенциалуправляемые ионные каналы и рецепторы, обеспечивающие генерацию биоэлектрических импульсов возбудимыми мембранами в нервной и мышечной системах. Местные анестетики, противоаритмические и нейротропные средства, опиатные и адренопозитивные анальгетики реализуют свое
120 у
100 х 8060 -40 -20 0
А
I/Io, Ca
140120100806040 20 0 -20
50403020100 -10-20
10
Б
I, %
100 1000 C, мкМ
В
!кв, нА
4 -3
С, 1x10" M
1 - контроль
2 - 1 мкМ
3 - 1000 мкМ
4 - отмывание
Рис. 2
Влияние противоаритмических средств в различных концентрациях на ионные каналы нейронов прудовика:
А — зависимости «концентрация-эффект» для кальциевых токов при действии верапамила, этмозина и этацизина; Б — то же для натриевых, кальциевых и калиевых (брадизол); В — изменения кинетики калиевых медленных токов под влиянием амиодарона (по оси абсцисс — концентрация веществ (А и Б), время (В); по оси ординат — ионный ток: ! — при действии вещества, !0— до действия в %); (А и Б), калиевый ток в нА (В); доверительные интервалы при р = 95 %
базол оказывает мембраностабилизирующее действие. Помимо влияния афобазола на калиевые медленные токи получены также новые экспериментальные данные об известном транквилизаторе гидроксизине (атараксе). Показано наличие подавления токов и у атаракса, которое было более сильным, чем у афобазола. Эти результаты показывают, что анксиолитики также обладают сильными мемб-ранотропными свойствами.
В действии ряда фармакологических средств (та-урина, амтизола, 4-аминопиридина, этимизола и его производных) ранее нами было показано их избирательное (специфическое) влияние на ионные каналы. Так под влиянием таурина происходило нарушение инактивации натриевых токов, амтизола — устранение инактивации калиевых медленных токов [3]. 4—Аминопиридин при внутриклеточном приложении подавлял быстрые калиевые токи, а этими-зол и его производные — преимущественно калиевые. Пропилнорантифеин (производное этимизола) подавлял в основном быстрый калиевый ток. Понятно, что эффекты мембраноактивных соединений при действии на ионные каналы определяются помимо особенностей молекулярного строения ионных каналов также структурой молекул и физико-химическими свойствами этих соединений. Подтверждением этого положения и демонстрацией зависимостей «структура—действие» для фармакологических средств могут служить наши данные о влиянии фенамина, этимизола и их производных на ионные каналы нейронов. Модификация молекулы фенамина приводит к изменению характера действия, а только увеличение длины радикала в молекуле этимизола усиливает его избирательность действия на быстрые калиевые каналы [3].
Таким образом, многие из исследованных нами мембраноактивных соединений изменяли кинетику ионных токов, что свидетельствует о непосредственном их взаимодействии с воротными частицами каналов. Вероятно, существует также и их неспецифическое липидотропное действие за счет изменения жидкостно-мозаичных свойств би-липидного слоя нейрональной мембраны и неселективного снижения ее ионной проницаемости. В наших экспериментах это проявлялось увеличением стабильности мембраны, выражавшемся в уменьшении неспецифических токов утечки и параллельным снижением амплитуды всех ионных токов. В случаях преимущественных эффектов на те или иные каналы можно говорить об избирательном взаимодействии мембраноактивных препаратов со структурами ионных каналов. Данные литературы подтверждают, что потенциалзависимые каналы
2125
2126
120 т l/lo, Ca, % 100
100 1000 С, ткМ
Рис. 3
Изменения ионных токов нервных клеток под влиянием опиатных анальгетиков:
А — зависимости «концентрация-эффект» при действии морфина (1), трамадола (2), промедола (3) и буторфанола (4) на натриевые токи нейронов прудовика (по оси абсцисс — концентрация препаратов (мкМ), по оси ординат — отношение амплитуды натриевого тока при действии веществ к исходной его величине (в контроле) (%); Б — кривые медленного калиевого тока нейрона моллюска в контроле (1), при действии трамадола (А) в концентрации 100 мкМ (2), 1000 мкМ (3), после отмывания нейрона (4) и при действии буторфанола (Б) в концентрации 1000 мкМ (2); (по оси абсцисс — время, мс; Т1 = 50 мс; Т2 = 200 мс; Т3 = 100 мс; Т4 = 1 с, по оси ординат — амплитуда медленного калиевого тока, нА)
различных типов имеют в целом сходную молекулярную ультраструктуру в силу общности их эво-люционно-генетического становления. Особенно наглядно это проявляется при сравнении их величин ЕС50, свидетельствующих о том, что строгой избирательности действия исследованных веществ на те или иные токи не обнаружено. Среди наиболее активных блокаторов ионных каналов находятся и анестетики (тетракаин, леокаин, бупивакаин), и противоаритмические средства(верапамил,этаци-зин), и опиатные анальгетики (буторфанол, про-медол). Наиболее слабыми блокаторами являются также некоторые анестетики (лидокаин), противоаритмические средства (этмозин) и анальгетики (клофелин, гуанфацин, морфин и трамадол) [2, 3].
Особый интерес вызывает влияние многих фармакологических средств в малых и сверхмалых дозах (менее 1 мкМ) и низкоинтенсивное лазерное излучение, вызывающее активацию (увеличение амплитуды) ионных токов и снижение неспецифических токов утечки (стабилизацию) мембраны. Такие эффекты, не совсем еще понятные на молекулярном уровне, но вызывающие улучшение функционального состояния клеток, заслуживают более тщательного исследования. Возможно, что наши данные об увеличении ионных токов в первую фазу при действии на нейроны в малых концентрациях тетракаина и леокаина, афобазола, брадизола, амиодарона и ла-
зерного излучения также могут интерпретироваться как активирующие воздействия.
Следовательно, в основе многостороннего мемб-ранотропного действия на электровозбудимую соматическую мембрану нейронов могут лежать различные механизмы: увеличение (активация) или снижение (подавление) ионных токов потенциалуправляемых каналов, что приводит к изменениям мембранного потенциала покоя, ПД и синаптических потенциалов и межклеточных связей; взаимодействие с воротными структурами ионных каналов, приводящее к ускорению или замедлению кинетики их активации или инактивации; мембраностабилизирующие эффекты, выражающиеся в снижении или увеличении неспецифических токов утечки мембраны; изменение потенциала поверхностного заряда мембраны вблизи ионных каналов, модулирующее возбудимость; инак-тивационное и противоинактивационное действие и другие.
ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ
РЕЗУЛЬТАТОВ
Проведенное исследование изменений ионных механизмов деятельности нервных клеток под влиянием фармакологических средств разных групп вместе с анализом данных литературы позволяют
изменением ПП — глубокой гиперполяризацией или деполяризацией, но можно непосредственным блокированием ионных каналов [11, 24, 27]. Все иссле-2128 дованные местные анестетики эффективно блокировали не только преимущественно натриевые, но и кальциевые ионные каналы и, следовательно, могут обеспечить прекращение проведения ПД, т. е. местную анестезию. Влияние местных анестетиков на неспецифические токи утечки мембраны, на потенциал поверхностных фиксированных зарядов мембраны вблизи ионных каналов или кинетику ионных токов являются важными дополнениями для понимания мембранотропных механизмов их действия [1, 19, 22, 24].
Противоаритмические средства в зависимости от природы нарушений сердечной деятельности на уровне возбудимого кардиомиоцита или нервных элементов, участвующих в генерации и проведения возбуждения, должны нормализовать нарушенные функции генерации или проведения ПД и сокращения, изменить возбудимость, чувствительность к естественным рецепторным кардиотропным регуляторам, нормализовать ритм. С одной стороны, очень важен уровень ПП, определяющий в значительной степени все эти процессы, а с другой — состояние ионных каналов, участвующих в генерации ритмоводя-щих потенциалов или ПД. Все исследованные противоаритмические средства обладали выраженным каналоблокирующим влиянием на кальциевые и натриевые каналы [2, 3] и, следовательно, способны регулировать состояние и деятельность кардио-миоцитов. Они же способны регулировать уровень ПП через влияние на ионную проницаемость (влияние на неспецифические токи утечки) и в некоторых случаях — на потенциал поверхностного заряда мембраны.
Центральные адренопозитивные и опиатные болеутоляющие средства должны снижать или прекращать болевую чувствительность на уровне ЦНС организма, исходящую от тех или иных органов или участков тела организма. К сожалению, механизмы боли детально не изучены, но в самых общих чертах можно говорить о том, что для осуществления срочных антиноцицептивных лекарственных воздействий, с точки зрения клеточных механизмов деятельности, необходимо снижать межклеточные взаимодействия, возбудимость и проведение в клетках, обеспечивающих ноцицептивную чувствительность в ЦНС. Для эффективного длительного устранения болевых ощущений необходимо нормализовать функции того или иного органа, ставшего источником болевых ощущений, для чего используются не только болеутоляющие средства. Все изученные болеутоляющие сред-
ства, механизм действия которых связывался прежде всего с их влиянием на соответствующие мембранные рецепторы, оказывали блокирующее действие на ионные каналы нейронов [3, 5]. В этом смысле они напоминали действие местноанестезирующих и противоаритмических средств, хотя это действие было менее выраженным. Болеутоляющие средства —морфин и клофелин — оказывали свое влияние на ионные каналы рецепторнезависимо, налоксон и идазок-сан не снимали этих эффектов. Поэтому можно считать, что в механизмах действия болеутоляющих средств их прямое влияние на ионные каналы должно занимать существенное место. Кроме того, болеутоляющие средства влияли на неспецифические токи утечки мембраны, потенциал поверхностного заряда мембраны и на кинетику развития некоторых ионных токов. Эти стороны их действия могут оказаться значимыми при осуществлении своих эффектов на уровне ЦНС. Это дополнение с точки зрения рассматриваемой концепции цитофармакологической регуляции (управления) функциональным состоянием является новым для понимания механизмов действия центральных болеутоляющих средств.
Нейротропные средства на уровне периферической и центральной нервной системы, в зависимости от нарушения функций, должны нормализовать такие свойства нервных клеток или синаптических контактов, как возбудимость (чувствительность), проводимость (лабильность), эффективность связи в синапсах (восстановить, усилить или ослабить). Коррекцию функционального состояния клеток (деятельности их мембранных молекулярных структур) можно осуществить неспецифически фармакологическими средствами, влияющими на уровень ПП и в силу потенциалозависимости — на параметры ПД и си-наптических потенциалов. Но можно и специфически — избирательно блокируя определенные рецепторы или ионные каналы. Имеется также возможность модуляции функционирования рецепторов и каналов мембран при действии препаратов, влияющих на липиды мембран, потенциал фиксированных зарядов и, следовательно, на конформацион-ные переходы белковых макромолекул. Детальное знание мембранных механизмов действия конкретных нейротропных средств на мембрану клеток поможет выбрать необходимое терапевтическое средство или подобрать его дозу.
Таким образом, исследование механизмов мемб-ранотропного действия фармакологических средств разных групп и анализ полученных новых фактов позволили сформулировать концепцию мембрано-фармакологического управления функциональным состоянием мембран и клеток. В данной работе об-
ращено внимание на возможность управления через воздействие на потенциалуправляемые ионные каналы нейронов. Согласно концепции цитофармако-логического управления функциональным состоянием имеется возможность использовать и другие клеточные пути регуляции. Те клеточные элементы или блоки структурно-функциональной организации клетки, которые реагируют в наибольшей степени, являются избирательно восприимчивыми к определенным лекарственным препаратам и становятся объектами целенаправленной регуляции. Выбор таких воздействий на те или иные блоки схемы функциональной организации клеток — рецепторы, интеграторы, системы пластического и энергетического метаболизма существенно расширит возможности и эффективность фармакологической регуляции функционального состояния клеток и организма.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вислобоков А.И, Игнатов Ю.Д. Цитофар-макологическое исследование механизмов действия мембранотропных средств. // Обз. клин. фармакол. лек. тер. 2003. Т. 2, № 1. С. 14-22.
2. Вислобоков А.И., Игнатов Ю.Д. и др. Влияние про-тивоаритмических препаратов брадизола и амио-дарона на ионные токи нейронов прудовика. // Мед. акад. журн. 2004. № 4. С. 16-22.
3. Вислобоков А.И., Игнатов Ю.Д., Мельников К.Н. Фармакологическая модуляция ионных каналов мембраны нейронов. СПб.: Изд-во СПбГМУ, 2006. 288 с.
4. Геннис Р. Биомембраны: Молекулярная структура и функции: Пер. с англ. М.: Мир, 1997. 624 с.
5. Игнатов Ю.Д., Вислобоков А.И., Мельников К.Н. Мембранотропное действие фармакологических средств. // Вестник РАМН. 2004. № 10. С. 35-40.
6. Игнатов Ю.Д., Вислобоков А.И. и др. Действие гелий-неонового лазерного излучения и местных анестетиков на калиевые каналы нейронов прудовика. // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2004. Т. 90, № 9. С. 1113-1120.
7. Колпакова М.Э., Вислобоков А.И. и др. Влияние He-Ne лазерного излучения на калиевые ионные токи мембраны прудовика. // Мед. акад. журн. 2003. Т. 3, № 1. С. 31-40.
8. Костюк П.Г., Крышталь О.А. Механизмы электрической возбудимости нервной клетки. М.: Наука, 1981. 208 с.
9. Крутецкая З.И., Лебедев О.Е., Курилова Л.С. // Механизмы внутриклеточной сигнализации. СПб., 2003. 208 с.
10. Середенин С.Б., Игнатов Ю.Д. и др. Влияние анксиолитиков афобазола и атаракса на ионные токи нейронов прудовика. // Психофармакол. биол. наркол. 2005. Т. 5, № 4. С. 1061-1070.
11. Armstrong C.M. Na channel inactivation from open and closed states. // Proc. Natl . Acad. Sci. USA. 2006. Vol. 103, N 47. P. 17991-17996.
12. Catterall W.A. Structure and regulation of voltage- 2129 gated Ca2+-channels. // Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2000.
N 16. P. 521-555.
13. Catterall W.A., Goldin A.L., Waxman S.G. Nomenclature and Structure-Function Relationships of Voltage-Gated Sodium Channels. // Pharmacol. Rev. 2005. Vol. 57. P. 397-409.
14. Catterall W.A., Perez-Reyes E., et al. Nomenclature and Structure-Function Relationships of Voltage-Gated Calcium Channels. // Pharmacol. Rev. 2005. Vol. 57. P. 411-425.
15. Cha A., Snyder G.E., et al. Atomic scale movement of the voltage-sensing region in a potassium channel measured via spectroscopy. // Nature (Lond). 1999. Vol. 402. P. 809-813.
16. Decher N., Pirard B., et al. Molecular basis for Kv1.5 channel block: conservation of drugs binding sites among voltage-gated K+-channels. // J. Biol. Chem. 2004. Vol. 279, N 1. P. 394-400.
17. Doyle D.A., Cabral J.M., et al. The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity. // Science. 1998. Vol. 280. P. 69-77.
18. Gutman G.A., Chandy K.G., et al. Nomenclature and Molecular Relationships of Voltage-Gated Potassium Channels. // Pharmacol. Rev. 2005. Vol. 57. P. 473-508.
19. Kondratiev A., Tomaselli G.F. Altered Gating and Local Anesthetic Block Mediated by Residues in the I-S6 and II-S6 Transmembrane Segments of Voltage-Dependent Na+ Channels. // Mol. Pharmacol. 2003. Vol. 64, N 3. P. 741-752.
20. Long S.B., Campbell E.B., Mackinnon R. Crystal structure of a mammalian voltage-dependent Shaker family potassium channel. // Science (Wash DC). 2005. Vol. 309. P. 897-903.
21. Long S.B., Campbell E.B., Mackinnon R. Voltage sensor of Kv1.2: structural basis of electromechanical coupling. // Science (Wash DC). 2005. Vol. 309. P. 903-908.
22. Miller K.W. The nature of sites of general anaesthetic action. // Br. J. Anaesth. 2002. Vol. 89, N 1. P. 17-31.
23. Nerbonne J.M. Molecular basis of functional voltage-gated K+-channel diversity in the ammalian myocardium. // J. Physiol. 2000. Vol. 525, N 2. P. 285 — 298.
24. Nilsson J., Madeja M., Arhem P. Local anesthetic block of Kv channels: role of the S6 helix and the S5-S6 linker for bupivacaine action. // Mol. Pharmacol. 2003. Vol. 63. P. 1417-1429.
25. Opatowsky Y., Chen C.C., et al. Structural analysis of the voltage-dependent calcium channel subunit functional core and its complex with the interaction domain. // Neuron. 2004. Vol. 42. P. 387-399.
26. Shieh C.C., Coghlan M., et al. Potassium channels: molecular defects, diseases, and therapeutic opportunities. // Pharmacol. Rev. 2000. Vol. 52. P. 557-594.
2130
27. Ulbricht W. Sodium Channel Inactivation: Molecular Determinants and Modulation. // Physiol. Rev. 2005. Vol. 85, N 4. P. 1271-1301.
Vislobokov AI, Ignatov YuD. Modern representations about Influence of pharmacological drugs on Ionic channels. Psychopharmacol Biol Narcol. 2007; 7(3-4): 2121-2130
I.P. Pavlov State Medical University of Saint-Petersburg; Russia
Summary: Local anaesthetics, antiarrythmic, analgetic and psychotropic preparations render on nervous cells multilateral membranotropic action. They increase (activate) or reduce (suppress) ionic currents potential-controlled natrii, calcii and kali channels; change potential of a superficial charge of a membrane
near to ionic channels; render inactivation and antiinactivation action. Interaction of pharmacological preparations with gate structures of ionic channels results in acceleration or delay of kinetic their activation or inactivation. Membranotropic effects underlie changes membranic potential of rest, potential of action, synaptic potentials and efficiency of intercellular communications. The knowledge of mechanisms of functioning of neurones and probable ways of management of their condition with pharmacological preparations is a basis of the concept cytopharmacological managements of a functional condition of cells.
Key words: ionic channels; local anaesthetics; analgetics; psychotropic drugs
электронная копия статьи (full text): http://www.ellbrary.ru
http://www.psychopharmacology.ru/lndex.php/PPBN/artlcle/vlew/26
