CC BY
60
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: [email protected]
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: [email protected] 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: [email protected] 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.
