УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2013, том 44, № 3, с. 93-112
УДК 612.2
СЕНСОРНЫЕ СТРУКТУРЫ ЛЕГКИХ И ВОЗДУХОНОСНЫХ
ПУТЕЙ
© 2013 г. Л. В. Филиппова, А. Д. Ноздрачев
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, Санкт-Петербург
Оптимальная реализация дыхательной функции зависит от разнообразных сенсорных обратных связей из множества источников организма. Информация, поступающая из легких и воздухоносных путей, является одной из самых важных обратных связей, что обеспечивает приспособление дыхательного центра для произведения оптимальных движений дыхания. В статье представлен обзор существующих на настоящий момент сведений о морфологии и функциональных характеристиках трех типов сенсорных структур: медленно адаптирующихся рецепторов растяжения легких, быстро адаптирующихся рецепторов, рецепторов С-волокон и нейроэпителиальных телец.
Ключевые слова: сенсорные структуры, легкие, воздухоносные пути.
После того, как Брейер [12] опубликовал результаты исследования роли блуждающего нерва в контроле дыхания, сенсорные рецепторы воздухоносных путей стали предметом интенсивных и обширных исследований. Более чем столетнее изучение этой проблемы привело к значительным достижениям в определении функций и афферентных свойств этих рецепторов, однако, понимание природы рецепторов все еще остается далеко не полным. Разделение сенсорных нервов в дыхательных путях на различные категории может привести к значительной путанице, поскольку характеристика сенсорного нерва включает в себя несколько несоизмеримых свойств, таких как скорость проведения, ганглионарное происхождение, профиль активации, анатомическая локализация и рефлексы, порождаемые его активацией.
В противоположность множеству рецепторов воздухоносных путей, идентифицированных электрофизиологически, четкие морфологические описания этих структур крайне редки. Это, прежде всего, означает, что многие легочные рецепторы имеют слабо идентифицируемую морфологическую структуру, или, что они интегрированы в более сложные рецепторные "конечные органы", которые способны к комбинированию различных сенсорных активностей.
Первое детальное описание структуры легочных сенсорных окончаний сделал в начале ХХ столетия [37]. С тех пор прогресса в идентификации структуры практически не было, однако были
достигнуты значительные успехи в определении их функций и афферентных свойств. В связи с этим первые попытки классификации рецепторов легких и дыхательных путей основаны на электрофизиологических данных, причем полученных в основном при исследовании афферентных волокон блуждающего нерва. Согласно электрофизиологическим характеристикам рецепторы разделили на три типа: медленно адаптирующиеся рецепторы растяжения, быстро адаптирующиеся рецепторы (rapidly adapting receptors, RAR) и рецепторы С-волокон или J-рецепторы [7, 33, Coleridge et al., 1965; Paintal, 1973; Coleridge, Coleridge, 1994; Yamamoto et al., 1999; Schelegle, Green, 2001; Bailey, Fregosi, 2006 и др.]. В 2001 г. в список "физиологически охарактеризованных" рецепторов дыхательных путей Уидикамбом [67] были добавлены нейроэпителиальные тела - образования, присутствующие в легких фактически всех позвоночных животных.
В данном обзоре мы остановимся на особенностях функционирования и морфологии каждого из этих известных на настоящий момент типов сенсорных структур легких и воздухоносных путей.
Медленно адаптирующиеся рецепторы растяжения. В старой анатомической литературе, когда целый нерв окрашивали метиленовым синим, серебром или тетродотоксином осмия, описаны миелинизированные нервные волокна, ветвящиеся и оканчивающиеся в гладких мышцах
воздухоносных путей [37, 38]. Считалось, что эти нервные терминали являются сенсорными. Последующие стандартные свето- и электронномик-роскопические исследования, выполненные на крысах [64] и собаках [36], также выявили среди гладких мышц стенок бронхов и трахеи окончания миелинизированных афферентных волокон.
На основании локализации и преимущественной связи с физиологически определенными сенсорными рецепторами, ветвящиеся связанные с гладкими мышцами рецепторнододобные тер-минали, были названы: "гладкомышечными нервными веретенами" [37], "легочными рецепторами растяжения" [64] или "медленно адаптирующимися рецепторами растяжения" (slowly adapring receptors, SAR) [72].
Первые электрофизиологические исследования легочных рецепторов начались в 30-х годах XX столетия, после того как в 1933 г. была впервые зарегистрирована активность одиночных волокон блуждающего нерва в ответ на изменение объема легких [7]. Разряд этих волокон имел низкий порог, зависел от степени растяжения органа и медленно адаптировался в ответ на продолжающийся вдох. Активность тормозилась при спадении легких, Эдриан сразу понял, что имеет дело с афферентным путем инфляционного рефлекса Геринга-Брейера.
Во время вдоха увеличивающийся разряд медленно адаптирующихся рецепторов растяжения легких, действует как инспираторный выключатель. Они возбуждаются при вдохе, генерируют импульсы высокой частоты и передают их в дыхательный центр продолговатого мозга по волокнам блуждающего нерва. Это приводит к возбуждению нейронов, вызывающих расслабление мышц и выдох. Поток нервных импульсов в дыхательный центр служит сигналом для прерывания акта вдоха и инициации выдоха. Чем сильнее растяжение лёгких во время вдоха, тем больше поступает в дыхательный центр импульсов, ведущих к прекращению вдоха и возникновению выдоха. Спадение легочной ткани приводит к прекращению активности и возобновлению вдоха. Вместе с тем на протяжении вдоха порог выключения снижается. Вследствие этого при коротком, но быстром вдохе достигается относительно больший дыхательный объем, чем при медленном, но длительном. Таким способом рефлекс Геринга-Брейера контролирует глубину и частоту дыхания и является примером регуляции по принципу обратной связи. После перерезки блуждающих нервов дыхание становится редким и глубоким.
Связи медленно адаптирующихся рецепторов со стволом мозга определены уже достаточно давно, однако недавние исследования еще больше детализировали пути, идущи от этих рецепторов в медуллярный респиративный генератор ритма [43, 51, 58].
У кошки примерно 10 000 афферентных волокон блуждающего нерва распределены в легких и нижних дыхательных путях. Одна пятая часть этих волокон представлена миелинизированными единицами, из которых по расчетам 60% являются медленно адаптирующимися рецепторами, 40% - быстро адаптирующимися [74]. У кролика примерно 50% от общего числа рецепторов во внутрилегочных воздушных трассах являются медленно адаптирующимися рецепторами [55].
По сравнению с другими сенсорными структурами, медленно адаптирующиеся рецепторы в основном не чувствительны к химическим агентам, однако тормозятся СО2 [55, 56]. Уменьшение СО2 в легких во время раздувания может их сенсибилизировать и таким образом ускорить окончание вдоха. Работает ли подобный механизм в естественных условиях до настоящего времени неизвестно.
Установлено, что медленно адаптирующиеся рецепторы оказывают рефлекторные влияния на моторные пути, однако отличные от тех, что направляются от респираторных мышц [8, 69]. Они расслабляют гладкие мышцы воздухоносных путей, т.е. в этом случае имеет место отрицательная обратная связь. Эти рецепторы могут в равной степени оказывать влияние на респираторные ощущения и на время задержки дыхания. Кроме того, они способны ускорять сердечный ритм - процесс, который может быть важным во время мышечной работы. Этот факт впервые был открыт Герингом, назвавшим его вагусным рефлексом [26]. На основании скорости адаптации, порогового объема и чувствительности к вдоху в настоящее время описано несколько разных подтипов медленно адаптирующихся легочных рецепторов растяжения [10, 16].
Выяснилось, что часть рецепторов, расположенных в стенках воздухоносных путей, имеет множественные окончания, формирующие шарообразные расширения в гладких мышцах. Имму-ноцитохимические исследования, выполненные на разных видах животных, показали присутствие у них ветвящихся рецепторноподобных нервных комплексов, связанных с трахеальной и бронхиальной стенками. У крыс, в частности, показаны широко ветвящиеся нервные окончания в гладкомышечном слое трахеи, главных и долевых
бронхов, которые обнаруживают иммунореактив-ность к Са+ связывающему белку - калретинину (calretinin, CRT) [72].
Установлено, что медленно адаптирующиеся рецепторы содержат в большом количестве Na+/ К+-АТФазу. Действительно, внутривенная инъекция антагониста этого энзима, оубаина [42] или аппликация его на рецептивную область [74] стимулирует рецепторы, что свидетельствует о высокой активности в них данного энзима. С помощью иммунохимического окрашивания №+/К+-АТФа-зой а3 у крыс и кроликов обнаружены нервные окончания, которые многократно ветвясь, входят преимущественно или в гладкомышечный слой или в lamina propria легких [74]. У собак для обнаружения кустиковидных нервных окончаний в трахее и бронхах, было использовано иммунохи-мическое окрашивание белком нейрофиламентов
[70] и белковым генным продуктом 9.5 (PGP9.5)
[71].
Для дальнейшего определения местоположения, морфологии и нейрохимического кодирования субэпителиальных рецепторноподобных структур воздухоносных путей крысы их визуализировали, используя антитела против актина гладких мышц (aSMA) и множественное имму-ноцитохимическое окрашивание [15]. Поскольку ранее те же авторы установили, что для обширной популяции сенсорных нервных окончаний в легких крысы маркером является везикулярный глутаматный транспортер 1 (VGLUT1), в качестве ключевых маркеров были использованы антитела против белков VGLUT1 и VGLUT2. С целью идентификации природы нервных волокон с ре-цепторноподобными терминалями в этой работе нейрохимическое кодирование комбинировалось с денервацией. Для разделения различных функциональных классов рецепторов использовали скорость проведения, а миелиновые оболочки визуализировали, используя антитела против основного белка миелина. Иммунохимическое окрашивание показало ветвление пластинчатых субэпителиальных рецепторноподобных о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.