УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2008, том 39, № 4, с. 3-13
УДК 612.338
ПЕЙСМЕКЕРЫ ВИСЦЕРАЛЬНЫХ СИСТЕМ
© 2008 г. А. В. Бурсиан
Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН, Санкт-Петербург
Авторитмические сокращения гладкой мускулатуры висцеральных систем представлены в виде базового ритма, который индивидуален для каждой системы. Базовые ритмы являются производными пейсмекерного возбуждения генерируемого интерстициальными клетками Кахаля (ICC) или /CC-подобными, а также атипичными гладкомышечными клетками. В основе пейсмекерного механизма лежит внутриклеточный обмен Ca2+ между депо в эндоплазматическом ретикулуме и митохондриями. Приведены данные о взаимоотношениях между генерациями ICC в различных отделах желудочно-кишечного тракта, /CC-подобных клеток и пейсмекерных атипичных мышечных клеток мочевыводящего тракта. Описаны элементы пейсмекерной активности в матке, фаллопиевых трубах и предстательной железе.
ВВЕДЕНИЕ
Большинство висцеральных систем, имеющих гладкую мускулатуру, проявляют постоянно или при определенных состояниях эндогенную ритмическую сократительную активность, назначение которой состоит в продвижении жидких сред или продуктов жизнедеятельности, перистальтике, в поддержании тонуса стенок или сфинктеров полых органов и протоков. Это филогенетически древняя, а онтогенетически наиболее ранняя форма функционирования сократительной ткани. На начальных этапах онтогенеза кровообращение обеспечивает развитие, дифференциацию клеток и формирование различных органов за счет запасов желтка, позднее деятельности плаценты, выполняющей те функции, которые у близких к рождению и родившихся организмов ложатся на органы пищеварения, дыхания, выделения и т.д. Начало функционирования каждой из этих систем органов связано с возникновением ритмов. Именно ритмическая активность обеспечивает на ранних стадиях развития постоянство внутренней среды организма при относительно стабильных условиях плодного и раннего постна-тального развития незрелорождающихся животных, а в дальнейшем служит естественным фоном моторной функции органов.
Спонтанные, авторитмические режимы свойственны сердечной деятельности, различным отделам желудочно-кишечного и мочевыводящего трактов, матке, фаллопиевым трубам, протокам предстательной железы и ряду других образований. Во всех случаях в отличие от фазных реакций эта активность представляет эндогенный авторитм, не оправданный какими-либо близкими по частотным характеристикам колебаниями в окружающей среде, т.е. источник ее находится в самой системе. У животных, находящихся в состоянии физиологического покоя, это базовый
ритм, являющийся основной функциональной характеристикой авторитмически работающей системы. Отличительные особенности базовых ритмов следующие: 1. Они генетически запрограммированы и формируются на ранних этапах онтогенеза, обычно в пренатальном периоде.
2. Это постоянные или в сериях разной длительности непрерывные колебания, генерируемые самой работающей системой. Их параметры определяются внутренними свойствами системы: структурно-функциональной организацией, длительностью рабочего цикла, а в развивающемся организме и степенью зрелости ее элементов.
3. Частота базового ритма служит одной из основных функциональных характеристик именно данного органа и данного возраста, однако даже при отсутствии внешних возмущающих влияний она зависит от функционального состояния органа в данный момент. Так, например, базовый ритм сокращений миометрия небеременной матки меняется в несколько раз в различные фазы лютеального цикла [59]. 4. Базовый ритм отличается наибольшей регулярностью по сравнению с параметрами других категорий ритмических процессов в тех же системах. 5. Он в определенной степени автономен: ритмическая деятельность сохраняется в условиях изоляции от нервной системы и в опытах in vitro. 6. Частотные различия в разных системах могут быть весьма значительными, но как правило, это ритм первого порядка, т.е. он представлен наиболее быстрой в данном возрасте составляющей аутогенной ритмической сократительной деятельности системы [2, 3].
Для большинства авторитмически работающих систем основой базового ритма служат пей-смекерные потенциалы. Однако базовый ритм не идентичен пейсмекерному, хотя и происходит от последнего. Базовый ритм - это реальный ритм сокращений мышц данного органа, но он далеко
не всегда полностью соответствует активности пейсмекера. Ритм пейсмекера в гладкой мускулатуре кишечника проявляется в электротонических медленных волнах, на базе которых периодически возникают вспышки регенераторных потенциалов вызывающих сокращения. Ни атропин, ни тетродотоксин не влияют на частоту медленных волн [96]. Но если работа пейсмекера не зависит от нервных влияний, то реализация ее в виде сокращений находится под тоническим тормозным контролем энтеральной нервной системы [22, 82, 96]. Несоответствие базового ритма сокращений и пейсмекерной активности можно наблюдать на ранних стадиях онтогенеза. Медленные волны, отражающие пейсмекерную деятельность, появляются раньше сократительной, а процент времени, в течение которого они сопровождаются вспышками потенциалов действия, с возрастом увеличивается [12].
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕЙСМЕКЕРОВ
Генерация ритмов перистальтических или тонических сокращений осуществляется пейсмекерами, специализированными клеточными образованиями, способными к ритмическому самовозбуждению. В связи со специфичностью функционирования пейсмекерные клетки отличаются богатством митохондриями, выраженным аппаратом Гольджи и развитым эндоплазматическим рети-кулумом. Внутриклеточные процессы ассоциированы с трансмембранными колебаниями ионных токов, создающих циклические деполяризации в виде медленных волн, распространяющихся по миоцитам гладкой мышцы, что требует наличия у пейсмекерных клеток сети разветвленных отростков, имеющих тесные контакты с клетками гладкой мышцы.
Среди кандидатов в пейсмекеры в настоящее время рассматриваются ненервные клетки: интер-стициальные клетки Кахаля - ICC (желудочно-кишечный тракт, дистальный отдел мочевыводяще-го тракта, предстательная железа) и атипичные мышечные клетки (сердце, проксимальный отдел почечной лоханки). И те, и другие имеют мезен-химальное происхождение [38, 97]. Истинные ICC и ICC-подобные клетки широко распространены во многих органах и тканях, но их функциональная роль различна и далеко не всегда ассоциируется с пейсмекерной деятельностью.
Описанные в начале прошлого века Рамон-и-Кахалем и названные его именем интерстициаль-ные клетки представляют собой обширную и неоднородную группу клеток в различных органах, имеющих сократительный аппарат. Определяющим является занимаемое ими промежуточное положение между нервными волокнами и миоци-тами гладкой или сердечной мышцы, с которыми,
а также между собой они образуют множественные щелевые контакты. ICC находятся в тесной связи с варикозными нервными окончаниями и обильно иннервируются нервными волокнами. Форма и структура ICC подвержены многочисленным вариациям и могут иметь существенные различия в разных органах и тканях. Важным критерием принадлежности клеток к ICC служат их взаимоотношения с клетками-мишенями, среди которых доминируют мышечные клетки.
Идентификация клеток Кахаля в настоящее время проводится по иммуногистохимическим и структурным признакам. ICC экспрессируют c-kit протоонкогены, в которых закодирован рецептор протеинкиназы. Поэтому они идентифицируются по реакции на протеинкиназу. Однако этот наиболее распространенный способ идентификации ICC не является абсолютно надежным, так как c-kit позитивностью обладают и некоторые другие структуры, например, тучные клетки, ме-ланоциты, нервные и глиальные клетки. Кроме того, ряд клеток, явно принадлежащих ICC, могут быть c-kit негативными. Например, в тонкой кишке человека имеются c-kit негативные ICC, а в толстой (colon) c-kit реактивность снижена [31].
ICC - это неправильной формы вытянутые в длину веретенообразные, биполярные или звездчатые клетки с овальным слабо окрашивающимся ядром и с незначительным объемом пери-нуклеарной цитоплазмы. Клетки имеют несколько тонких и длинных отростков, достигающих десятков мкм и дихотомически разветвляющихся, что обеспечивает связь со многими окружающими элементами. В цитоплазме ICC описаны филамен-ты, главным образом промежуточные, отдельные микротрубочки, распространенный гладкий эндо-плазматический ретикулум (ЭР), несколько рибосом, цистерны грубого ЭР. Характерен выраженный аппарат Гольджи, много митохондрий и многочисленные кавеолы. Предполагается, что в кавеолах нейротрансмиттеры и гормоны могут моделировать пейсмекерную деятельность [85].
Будучи связанными общим мезенхимальным происхождением, ICC имеют черты сходства как с фибробластами, так и с миоцитами гладкой мускулатуры. В локализованных в разных местах ICC можно обнаружить почти полный спектр признаков, промежуточных по отношению к этим крайним вариантам. В отличие от миоцитов в ICC находятся в основном промежуточные фи-ламенты и отсутствуют типичные толстые и тонкие контрактильные. Поэтому ICC не могут непосредственно участвовать в сокращениях кишечника. От фибробластов их отличает наличие большего количества кавеол, однако кавеолы встречаются также в эндотелии и периневраль-ных клетках [31], а также развитый аппарат Гольджи и гладкий ЭР.
Помимо пейсмекерной роли, благодаря раз-ветвленности и чрезвычайной длине отростков, тесным контактам с мышечными и нервными элементами ICC исполняют ряд других функций. Они осуществляют проведение электрической активности и координацию сокращений слоев мускулатуры, служат посредниками передачи сигналов энтеральной и вегетативной нервной системы. При наличии механочувствительных Ка+-ка-налов [75, 92] они реагируют на растяжение мышц, могут быть сенсорами ряда гуморальных агентов. Показано, что ICC глубокого мышечного слоя кишечника экспрессируют рецепторы нейрокиназы на эндогенную субстанцию Р [35].
Источником ICC, как и гладкой мускулатуры, служат эмбриональные мезенхимальные клетки, одновременно экспрессирующие рецепторы т
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.