Научная статья на тему 'Роль некоторых производных мезенхимальной ткани в формировании периодической деятельности пищеварительного тракта'

Роль некоторых производных мезенхимальной ткани в формировании периодической деятельности пищеварительного тракта Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

CC BY
338
67
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНЫЙ ТРАКТ / ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ / ИНТЕРСТИЦИАЛЬНЫЕ КЛЕТКИ КАХАЛЯ / ФИБРОБЛАСТ-ПОДОБНЫЕ КЛЕТКИ / GASTROINTESTINAL TRACT / PERIODIC ACTIVITY / INTERSTITIAL CELLS OF CAJAL / FIBROBLAST-LIKE CELLS

Аннотация научной статьи по фундаментальной медицине, автор научной работы — Студницкий Василий Борисович, Пелюх Петр Федорович

В статье рассматривается возможная роль некоторых производных мезенхимальной ткани мышечной оболочки желудочно-кишечного тракта, интерстициальных клеток Кахаля и фибробласт-подобных клеток в формировании голодной периодической деятельности и мигрирующего миоэлектрического комплекса пищеварительного канала. Показано, что интерстициальные клетки Кахаля являются пейсмекерными клетками в желудочно-кишечном тракте, а их сеть координирует электрическую и сократительную активность больших популяций гладкомышечных клеток, синхронизируя их индивидуальные осцилляторы. Фибробласт-подобные клетки в стенке пищеварительного канала формируют клеточные сети и являются электрически сопряженными между собой и гладкими мышцами. Функциональная активность этих популяций регулируется со стороны энтерической нервной системы и может лежать в основе формирования голодной периодической деятельности.

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

In paper considers a possible role of some derived mesenchymal tissues of the gastrointestinal muscular layer, interstitial cells of Cajal and fibroblast-like cells in formation of hungry periodic activity and migratory myoelektrical complex of the digestive canal. It was demonstrated that interstitial cells of Cajal are pacemaker cells in gastrointestinal tract and their network coordinates electrical and contractile activity of large populations of smooth muscle cells, synchronizing their individual oscillators. The fibroblast-like cells in the wall of the digestive canal form the cellular networks and they are electrically interconnected with smooth muscles. The functional activity of this populations is regulated by enterical nervous system and may be in the base of hungry periodic activity formation.

Текст научной работы на тему «Роль некоторых производных мезенхимальной ткани в формировании периодической деятельности пищеварительного тракта»

УДК 612.837.1

РОЛЬ НЕКОТОРЫХ ПРОИЗВОДНЫХ МЕЗЕНХИМАЛЬНОЙ ТКАНИ В ФОРМИРОВАНИИ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПИЩЕВАРИТЕЛЬНОГО ТРАКТА

В.Б. Студницкий1, П.Ф, Пелюх2

1 Сибирский государственный медицинский университет, г. Томск, Россия 2Институт биологии НИИ физиологии им. академика Петра Богача, Киев, Украина E-mail: nphys@yandex.ru

В статье рассматривается возможная роль некоторых производных мезенхимальной ткани мышечной оболочки желудочно-кишечного тракта, интерстициальных клеток Кахаля и фиброб-ласт-подобных клеток в формировании голодной периодической деятельности и мигрирующего миоэлектрического комплекса пищеварительного канала. Показано, что интерстициальные клетки Кахаля являются пейсмекерными клетками в желудочно-кишечном тракте, а их сеть координирует электрическую и сократительную активность больших популяций гладкомышечных клеток, синхронизируя их индивидуальные осцилляторы. Фиб-робласт-подобные клетки в стенке пищеварительного канала формируют клеточные сети и являются электрически сопряженными между собой и гладкими мышцами. Функциональная активность этих популяций регулируется со стороны энтерической нервной системы и может лежать в основе формирования голодной периодической деятельности.

Ключевые слова:

Желудочно-кишечный тракт, периодическая деятельность, интерстициальные клетки Кахаля, фибробласт-подобные клетки.

Нарушение моторной функции желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) является одной из ключевых проблем современной гастроэнтерологии, так как данный вид деятельности является основополагающим для выполнения других его функций, в том числе секреторной, всасывательной, экскреторной эндокринной, и, как правило, лежит в основе возникновения нарушения функций всех висцеральных систем организма.

Более 110 лет назад в лаборатории И.П. Павлова при проведении опытов на собаках была обнаружена новая, ранее неизвестная функция желудка - его голодная периодическая сократительная деятельность. Результаты этих наблюдений были впервые опубликованы в 1901 г. П.О. Широких [4]. Наиболее обстоятельными исследованиями в изучении периодической деятельности (ПД) явились результаты работ В.Н. Болдырева, обобщенные в диссертации на степень доктора медицины «Периодическая работа пищеварительного аппарата при пустом желудке» в 1904 г. [2]. Эти исследования показали, что в ПД вовлекается не только моторика желудка, но и тонкого кишечника, а также секреция поджелудочной железы, отделение желчи и кишечного секрета. Поэтому за «голодной» ПД закрепился синоним «внепищеварительная деятельность» с вовлечением в этот процесс других висцеральных систем, системы крови и высших отделов ЦНС. Обобщение имеющихся на тот момент экспериментальных и клинических факторов позволило В.Н. Болдыреву говорить о ПД организма в целом [5].

Периодическая деятельность представляет собой относительно регулярное чередование в условиях физиологического голода периодов двигательной и секреторной активности, разделенных периодами покоя. Совокупность периодов работы и покоя как у животных, так и у че-

Студницкий Василий Борисович, кандидат биологических наук, доцент кафедры нормальной физиологии

СибГМУ, г. Томск. E-mail: nphys@yandex.ru Область научных интересов: физиология, физиология желудочно-кишечного тракта, электрофизиология гладких мышц.

Пелюх Петр Федорович,

кандидат биологических наук, ст. науч. сотр. учебно-научного центра Института биологии НИИ физиологии им. Петра Богача, г. Киев, Украина. E-mail: ppelyukh@yandex.ru Область научных интересов: физиология, физиология желудочно-кишечного тракта.

ловека образует циклы, общая продолжительность которых составляет 90-110 минут. Повторяемость циклов образует ритм ПД. Физиологическими маркёрами ритма ПД принято считать периоды сокращения желудка, хотя в англоязычной литературе таковыми считаются ритмические сокращения в тонком кишечнике. Отличительной особенностью ПД тонкого кишечника является способность распространения периодов сокращения из гастродуодельной зоны до терминального илеума на протяжении каждого цикла. Для описания этого процесса в экспериментах с регистрацией биоэлектрической активности с помощью вживленных в серозную оболочку тонкого кишечника электродов был предложен термин «мигрирующий миоэлектрический комплекс» (ММК) - перемещение сокращений, зарегистрированных на электромиограммах.

Согласно классическим представлениям, пищеварительная моторная активность и вне-пищеварительная ПД полностью обособлены, что подтверждается мгновенным торможением выталкивающих движений желудка «мнимым» или истинным кормлением животных. В зарубежных исследованиях применяется термин «перерыв», или разрушение МКК. Однако многочисленные исследования убедительно свидетельствуют не о прекращении и «разрушении» ПД во время пищеварения, а о закономерной ее перестройке за счет изменения вариации ПД по длительности и характеру перемещения меток ММК, зависящих от вида и характера принимаемой пищи, то есть от пищевого рациона [1].

Усилиями многих поколений отечественных и зарубежных исследователей удалось в значительной мере рассеять ореол загадочности и таинственности, окружающий ПД на первых этапах ее изучения. Стало очевидным, что моторные компоненты ПД регулируются той же самой многоуровневой системой механизмов, как и при пищеварении: от высших отделов ЦНС до клеточно-мембранных [3]. Однако остается открытым вопрос, каким образом эти многочисленные механизмы объединяются и приходят в активное состояние в циклах и ритмах ПД вне пищеварения. Возможно, ответом может являться заключение, которое сделал еще в 1919 г. А. Carlson. Он заявил, что основным механизмом ПД является автоматическая деятельность собственно нервно-мышечного аппарата желудка. Внешняя иннервация, гормональные и различные гуморальные факторы крови лишь модулируют его работу [9]. С включением в комплексное понятие ПД функции тонкого кишечника это положение получило новые подтверждения в плане рассмотрения комплексного образования: элементов энтерометасимпатической системы, гладкомышечных клеток и других клеточных популяций, входящих в структуру стенки пищеварительного канала.

Мышечная оболочка ЖКТ является комплексным образованием, состоящим из многих типов клеток: гладкомышечных, нервных, глиальных и большой популяции интерстициальных клеток. Среди интерстициальных клеток (IC - interstitial cells) различают несколько типов, но в отношении формирования ПД или ММК основной интерес вызывают два типа клеток, производных мезенхимальной ткани: IC Кахаля (ICC - interstitial cells of Cajal) и фибробласт-подобные клетки (FLC - fibroblast-like cells). Рассмотрим возможную роль этих клеточных популяций в механизмах формирования голодной ПД или ММК.

Вопрос о роли интерстициальных клеток Кахаля (ICC) в формировании единого мио-электрического ритма в желудочно-кишечном тракте является спорным по настоящее время. Раймон Кахаль описал эти клетки в 1893 г. и считал, что они могут вовлекаться в процесс регуляции моторики ЖКТ, опосредуя передачу сигналов от нейронов метасимпатической нервной системы к гладким мышцам. В 1914 г. Кейт (А. Keit) выдвинул гипотезу о том, что ICC являются пейсмейкерными клетками в кишечнике, по аналогии с пейсмекером синоатриального узла сердца, который он описал ранее [14].

В 80-х годах прошлого столетия эти клетки привлекли внимание гастроэнтерологов-физиологов и клиницистов тем, что они могут генерировать ритмическую электрическую активность, которая наблюдается от желудка до прямой кишки в ЖКТ. Более того, обсуждались уникальные ультраструктурные особенности этих клеток, которые отличают их от гладкомы-шечных клеток (ГМК) и фибробластов. Было показано, что ICC связаны друг с другом и с ГМК плотными щелевыми соединениями, а нервные терминали образуют синапс-подобные варикозные образования с ICC (рис. 1).

тетею« соединение с ГМК Рис. 1. Компоненты пейсмекерного комплекса в ЖКТ

Основной прорыв в изучении и понимании роли ICC был сделан в 1992 г., когда было показано, что эти клетки экспрессируют c-Kit рецептор тирозин-киназы [15]. Мутации в Kit-гене, или Kit иммунонейтрализация, проявляются в нарушении формирования миоэлектриче-ского ритма. Стала понятна роль ICC в нормальных и патофизиологических условиях, а использование пейтч-клампа позволило изучить ионные токи этих клеток. Работы с потенциало-метрией изолированных ICC показали, что эти клетки, в отличие от желудочно-кишечных ГМК, демонстрируют спонтанные, ритмичные входящие токи и, следовательно, могут выполнять роль пейсмекерных клеток в мускулатуре ЖКТ. Более того, работы с использованием им-мунокрасителей для c-Kit выявили, что плотность сети ICC является сниженной при различных расстройствах моторики ЖКТ, таких как диабетические гастропорезы и проходящая локальная непроходимость.

Исследование ионных токов этих клеток привело к описанию определённых участников развития спонтанных потенциалов, включая Са2+-каналы Т-типа, СГ-каналы, неселективные катионные каналы и Na -каналы.

Недавно был сделан ещё один прорыв в специфическом определении ICC. Farrugia с коллегами определили, что энтерические ICC экспрессируют Tmem 16a генный продукт -аноктамин 1(ANО1), который не экспрессируется другими типами клеток ЖКТ(11). Исследования показали, что ANО1 функционирует как Са2+-активированный Cl-канал и является важным компонентом пейсмекерной активности ICC [11, 12, 16, 17] (рис. 2).

Рис. 2. Схематическое изображение пейсмекерных потенциалов в ICC и медленных волн в ГМК. Фазы: 0 - диастолическая фаза; 1 - фаза быстрой деполяризации, чувствительная к ми-бефрадилу; 2 - фаза плато, чувствительная к кофеину

Подавление AN01 тока ассоциируется с нарушением медленно-волнового тока и сокращений, а Tmem 16a нулевые мыши показывают снижение медленно-волновой электрической активности. Это стало важным инструментом в работах по определению их интегральной функции в формировании медленно-волновой электрической активности в ЖКТ. ICC не генерируют потенциалы действия, но в них возникают ритмические изменения внутриклеточной концентрации Са2+ (Са^+), которые определяют периодически возникающую деполяризацию мембраны, описанную как медленные волны. Такой ICC-осциллятор напоминает тот, что обнаружен в различных спонтанных ГМК, но имеет существенные отличия [15] (рис. 3).

Рис. 3. Нейроэффекторный механизм регуляции функции гладких мышц ЖКТ с участием ICC

На рис. 3 изображен механизм регуляции функции гладких мышц ЖКТ с участием ICC. Возбуждение энтерических моторных нейронов (EMN - Enteric motor neuron) вызывает выброс ацетилхолина (ACh) из варикоцитов аксонов в синапс-подобное пространство и активацию М3-ACh рецепторов интерстициальных клеток Кахаля (ICC). Это обеспечивает развитие неселективного катионного тока по NSCC (non-selective cation channels) и активацию Ca2+-активируемых CP-каналов (CaCC), приводящую к деполяризации (Dep) ICC, которая электро-тонически передается на ГМК, вызывая активацию потенциалзависимых Ca^-каналов (VDCC) мембраны ГМК. Вход ионов Ca2+ обеспечивает не только развитие сокращения ГМК, но и активацию Са2+-зависимой протеинкиназы С (РКС), которая вызывает фосфорилирование инги-биторного белка фосфотазы в 17 кДа (CPI-17), повышая чувствительность сократительного аппарата к ионам Ca2+.

Таким образом, имеющаяся в ЖКТ сеть ICC координирует электрическую и сократительную активность больших популяций ГМК, синхронизируя их индивидуальные осцилляторы. Такая синхронизация достигается за счет сопряжения активности отдельных осцилляторов в единый локальный водитель за счет длительного деполяризующего сигнала, который распространяется через щелевые соединения. Скорость распространения такой волны составляет 5-40 мм/с, приводя к формированию перистальтической волны. Такая система сопряжения осцилляторов является высоко динамичной, так как каждая клетка не только способна к инициации медленной волны, но и прекрасно проводит сигнал, исходящий от любой из соседних клеток. Это дает уверенность в том, что ритм будет синхронным даже внутри большой популяции ICC, повторяясь такт за тактом.

FLCs располагаются во всех регионах ЖКТ и являются иммуноотрицательными к c-Kit-тирозин-киназному рецептору, но являются интенсивно имуннопозитивными к рецептору фактора роста тромбоцитарного происхождения a (PDGFRa-platelet-derived grows factor receptor а), который является специфической меткой для них, в отличие от других клеток, входящих в состав стенок пищеварительного канала. FLC распределяются в мышечной оболочке ЖКТ в ассоциации с ICC и нервными волокнами [8].

FLCs имеют ультраструктурные особенности, отличающие их от ICC. Также между FLC и энтерическими нервными волокнами имеются тесные взаимоотношения, это говорит о том, что FLC могут получать нервные сигналы и модулировать функцию гладких мышц [13].

FLC формируют клеточные сети за счет своих отростков в каждом слое мышечной стенки ЖКТ. Клеточные коммуникации между FLC осуществляются через плотные щелевид-ные соединения (нексусы). Кроме того, FLC в мускулатуре ЖКТ формируют плотные щеле-видные контакты с соседними продольным и циркулярным слоями ГМК. Коммуникативная сеть FLC является электрически сопряженной и синхронизированной, а то, что FLC имеют сопряжения с ГМК, говорит о возможности их влияния на электрогенез и сократительную активность ГМК (рис. 4).

/ 1-ICC.2-FLC

Smooth muscle bundle

Рис. 4. Пейсмекерный модуль в ЖКТ, объединяющий эффекторные нейроны метасимпатиче-ской системы, ICC, FLC и ГМК

Энтерические ингибиторные соединительные потенциалы (IJPs) были впервые описаны Брунстоком в 1963 г. [6] и послужили основой для лучшего понимания физиологии энтериче-ской регуляции сократительной активности ЖКТ. АТФ и ее производные - основные кандидаты на роль ингибиторных нейротрансмиторов, опосредующих контроль со стороны энтериче-ской нервной системы, моторной активности ЖКТ и способствующих формированию IGPs (IJPs-enteric inhibitory junction potentials). Апамин эффективно блокирует IGPs, которое вызывается пуринэргической нервной стимуляцией [7].

В настоящее время неясно, какие клетки опосредуют пуринэргический компонент энте-рического контроля моторики ЖКТ. Также ответы АТФ у ГМК являются часто смешанными, а иногда входящие токи регистрируются чаще, чем выходящие, которые необходимы для пури-нэргических ответов на целой мышце. Но, с другой стороны, апамин-чувствительные IJP сохраняются у мышей с сильно редуцированными ICC-IM [13]. На основании этого можно предположить, что ни ГМК, ни ICC не являются основными сайтами для тормозной пуринтериче-ской иннервации в регуляции моторики ЖКТ.

FLCs клетки имеют соответствующие рецепторы для восприятия, обработки и ответа со стороны пуринэргических нервных сигналов. Воздействие АТФ, АДФ или B-NAD вызывает до-зо-зависимую активацию апамин-чувствительных выходящих токов плотностью до 100 pApF-1. Эти токи эффективно блокируются селективным блокатором P2Y1 пуриновых рецепторов MRS2500. Следовательно, FLC-клетки имеют специализированную чувствительность к пурино-вым нейротрансмитерам и могут отвечать на формирование основного компонента в IJPs.

Также FLCs интенсивно экспрессируют Са2+-активированный К+-канальный белок малой проводимости (SK3). Иммунореактивность этого белка солокализуется с PDGFRa. Активация этих каналов приводит к формированию выходящего калиевого тока, который гиперполяризует мембрану клетки на несколько милливольт, а апамин является селективным блокатором SK3 каналов, вызывая подавление этих выходящих токов.

В заключение можно сказать, что FLC клетки формируют четкую функциональную сеть интерстициальных клеток, отличных от ICC, в мышечной оболочке ЖКТ. Локализация FLC около терминалей энтерических моторных нейронов и наличие плотных щелевых контактов с ГМК предполагает их возможную функциональную роль в моторной нейротрансмиссии. Молекуляр-

ный анализ показывает, что эти клетки экспрессируют SK3-каналы, которые могут активироваться P2Y1 рецепторными агонистами и лежать в основе формирования тормозных потенциалов.

С учетом имеющихся литературных данных можно заключить, что в роли ритмозадаю-щих элементов в стенке пищеварительного тракта при формировании ПД могут выступать 1СС, которые способны генерировать спонтанные деполяризации мембранного потенциала. Эти деполяризации ICC электротонически распространяются на ГМК, вызывая их возбуждение в виде генерации потенциалов действия и развития сокращений. В свою очередь, спонтанная активность ICC может регулироваться эффекторными нейронами энтерометасимпатической системы, деятельность которой может регулироваться вегетативной нервной системой (как пара-, так и симпатическим ее отделами) и градиентами физиологически активных веществ в стенке ЖКТ (ацетилхолина, серотонина, норадреналина, некоторых пептидов АПУД системы или газовых посредников, таких как NO или СО). Тогда продолжительность циклов и ритм голодной ПД будет формироваться и зависеть от многофункциональной системы, включающий в себя многоуровневую систему механизмов, от состояния энтерального гомеостаза, циклической эвакуации секретов из отделов пищеварительного тракта и их утилизации, а также от состояния центров коры больших полушарий. «Мнимое» кормление или прием пищи активируют эти системы, переводя ПД в постоянную пищеварительную моторную активность.

Следует подчеркнуть, что вопрос о роли ритмозадающих осцилляторов в формировании ПД нельзя рассматривать отдельно от представлений о «релаксационных осцилляторах», главную роль в которых могут выполнять ELC, которые в ответ на пуринэргическую активацию со стороны метасимпатической системы гиперполяризуются. Эта гиперполяризация мембраны FLC электротонически передается на ГМК, вызывая понижение их возбудимости, и это ограничивает голодную ПД. В свою очередь, функциональное состояние ELC будет также регулироваться многоуровневой системой.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Bogach P.G. Mehanizmy nervnoj reguljacii motornoj funkcii tonkogo kishechnika // Izd. Kievskogo universt. - 1961. - S. 343.

2. Boldyrev V.N. Periodicheskaja rabota pishhevaritel'nogo apparata pri pustom zheludke // Dis. Dra mediciny. - SPb, 1904. - S. 152.

3. Lebedev N.N. Periodicheskaja dejatel'nost' zheludochno-kishechnogo trakta: nekotorye itogi i perspektivy dal'nejshego izuchenija // Bjulleten' sibirskoj mediciny. - 2004. - № 1. - S. 24-32.

4. Shirokih P.O. K voprosu o perehode pishhi iz zheludka v kishki. Dikl. Na XI s'ezde obshhestva russkih estestvoispytatelej i vrachej. - 1901. - T.10. - S. 448.

5. Boldyreff W.N. Dic. Periodische. Tatighcit des Organismus und ihre Physiologische Bedeutung. -Ergebn.der Physiol. - 1929. - Bd. 29. - S. 485-645.

6. Brunstok G. Inhibition of the smooth muscle of the taenia coli // Nature. - 1963. - T. 60. -S.581-582.

7. Brunstok G. Evidence that adenosine triphosphate or a related nucleotide is the transmitter substance released by non-adrenergic inhibitory nerves in the gut // Br. J. Pharmacol. - 1970. - V. 40. - S.668-688.

8. Burns A.J., Lomax, Torihashi. Interstitial cells of Cajal mediate inhibitory neurotransmission in the stomach // Proc. Nail. Acad. Sci. - 1996. - V. 93. - S. 12008-12013.

9. Carlson A.J. The control of hunger in health and disease // Chicago: univ. of Chicago Press. - V. 1919. - S. 319.

10. Chan F., Liu Y,. Sun H. et al. Distribution and possible role of PDGF-AA and PDGFR-a in the gastrointestinal tract adult guinea pigs // Virhows Arch. - 2010. - V. 454. - S. 381-388.

11. Gomez-Pinilla P.J., Gibbons S.J., Bardsley M.R. et al. Ano1 is a selective marker of interstitial cells of Cajal in the human and mouse gastrointestinal tract // Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. - 2009. - V. 296. - S. 1370-1381.

12. Hwang S.J., Blair P.J.A., Britton F.C. et al. Expression of anoctamin 1/TMEM16A by interstitial cells of Cajal is fundamental for slow wave activity in gastrointestinal muscles // J Physiol. -2009. - V. 587. - S. 4887-4904.

13. Iino S., Nojyo Y. Immunohistochemical demonstration of c-Kit-negative fibroblast-like cells in murine gastrointestinal musculature // Arch. Histil. Cytol. - 2009. - V. 72(2). - S. 107-115.

14. Keith A. An account of six specimens of the great bowel removed by operation: with some observations on the motor mechanisms of thecolon // Br. J. Surg. - 1914. - V. 2. - S. 576-599.

15. Maeda H., Yamagata A., Nishikawa S. et al. Requirement of c-kit for development of intestinal pacemaker system // Development. - 1992. - V. 116. - S. 369-375.

16. Wang B., Kunze W.A., Zhu Y., Huizinga J.D. In situ recording from gut pacemaker cells // Pflugers Arch. - 2008. - V. 457. - S. 243-251.

17. Zhu M.H., Kim T.W., Ro S. et al. A Ca2+-activated Cl- conductance in interstitial cells of Cajal linked to slow wave currents and pacemaker activity // J. Physiol. - 2009. - V. 587. - S. 4905-4918.

Поступила 20.01.2015 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.