ВЛИЯНИЕ КСЕНОНА НА КЛЕТКИ И РЕЦЕПТОРЫ
реклама
ВЛИЯНИЕ КСЕНОНА НА КЛЕТКИ И РЕЦЕПТОРЫ И.А. Хлусов, С.А. Наумов, С.М. Вовк, Н.А. Корнетов1, М.Н. Шписман2, А.В. Лукинов3, А.В. Наумов3 Отделение “Новые медицинские технологии“ Техноцентр “ЛТ“ НИКИЭТ Министерства атомной промышленности, 1НИИ психического здоровья ТНЦ СО РАМН, 2 Сибирский государственный медицинский университет, 3 Военно-медицинский институт, Томск Ксенон благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам благородного газа находит все более широкое применение в медицине. Он открывает новые горизонты в медико-биологической практике, поскольку сочетает низкую токсичность с возможностью растворяться в биологических жидкостях и клеточных мембранах, осуществлять воздействие на обменные и клеточные процессы посредством физических и биофизических механизмов. В то же время клиническое использование ксенона опережает наши представления о физиологии и патофизиологии изменений в организме и его отдельных структурах, возникающих при взаимодействии с ксеноном. В связи с этим цель данного обзора авторы определили как описание в сжатой форме известных в настоящее время биомедицинских свойств, а также некоторых механизмов действия ксенона (Xe) на клеточные системы. Ксенон – инертный газ, не подвергающийся биотрансформации, слабо растворим в жидких средах организма, быстро элиминируется преимущественно через легкие [Дамир Е.А. и др.,1996]. Несмотря на то, что наркотические свойства ксенона (Xe) известны с 1946 года [Ferrari e.a.,1998], а в анестезиологии первое применение зафиксировано в 1951 году [Дамир Е.А. и др.,1996], до сих пор механизмы его наркотического действия остаются неизвестными [Годин А.В. и др.,1999]. Вследствие биохимической инертности Xе не обладает острой и хронической токсичностью [Burov e.a., 2000], тератогенностью и эмбриотоксичностью, не является аллергеном [Joyce, 2000], не нарушает целостность структур мозга [Schmidt e.a.,2000], что затрудняет расшифровку эффектов на клеточном и субклеточном уровнях. Известно прямое блокирующее влияние газа на нервные клетки [Miyazaki e.a.,1999], реализующееся, повидимому, через изменение биохимического состава клеточных мембран [Natale e.a., 1998], так как Хе обладает высокой растворимостью в липидах [Marx, Kotzerke e.a., 2000 ]. Механизм наркотического действия ксенона остается неясным. Выдвигается несколько гипотез [Годин А.В. и др., 1999; de Sousa e.a., 2000]: - по Овертон-Мейеровской (Meyer and Overton) липоидной (мембранной) теории наркоза Хе является гипнотиком вследствие высокой растворимости в липидах клеточных мембран, что изменяет их проницаемость для ионов и тормозит их возбудимость, то есть разрушает структурные свойства клеточных мембран неспецифическим образом [Thompson, Wafford, 2001]. Действительно, Xe обладает высокой растворимостью в липидах [Marx e.a., 2000; 2000], содержащихся в мозговой ткани в концентрациях 32,7 % (серое вещество)- 54,9 % (белое вещество) – 70 % (миелин) сухого остатка [Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф., 1983]. - молекулярная теория наркоза Поллинга, обсуждающая формирование Хе в нервной ткани (78 % воды, 12 % липидов на сырую массу ткани) микрокристаллов клатратного типа, блокирующих синаптическую передачу импульсов. - Теория Миллера выделяет возможность формирования диполя молекулой Хе [Дамир Е.А. и др., 1996], что позволяет за счет слабых взаимодействий связывать молекулы воды в виде конгломератов. В свою очередь, это снижает возбудимость клетки в результате стабилизации мембран, снижения их электропроводности, блокирования ионных каналов. Последние две теории ксенонового наркоза основаны на способности Хе взаимодействовать с жидкостями [Miller e.a.,1981], образовывать соединения с водой в форме кристаллогидратов (клатратов) [Xe(H2O)6], что уменьшает подвижность ее молекул, а также белков [Дамир Е.А. и др., 1996]. В настоящее время придерживаются гипотезы, что анестетики взаимодействуют со специфическими протеинами, в частности, с рецепторами к нейромедиаторам, которые способствуют или ингибируют их активность в продукции физиологических элементов, ассоциированных с анестезией. Таким образом, общая анестезия обусловлена действием анестетиков (ингаляционных или инъекционных) на специфические протеиновые мишени, а не на липиды [Thompson, Wafford, 2001]. В частности установлено, что Хе способен связываться с растворами протеинов [Miller e.a., 1981], белками плазмы, гемоглобином и миоглобином [Дамир Е.А. и др., 1996]. Передача клеточных сигналов, в первую очередь, электровозбудимых клеток, зависит от работы каналов с регулируемой проницаемостью – так называемых каналов с белковыми “воротами“. Наиболее важны два типа каналов [Албертс и др., 1987]: 1) ионные каналы с потенциал-зависимыми воротами, в особенности Na+-каналы, которые играют ключевую роль в возникновениии и проведении потенциала действия; 2) ионные каналы с лиганд-зависимыми воротами, которые превращают внеклеточные химические сигналы в электрические и играют центральную роль в функционировании синапсов. Ионные каналы и рецепторы – первичные мишени общих и местных анестетиков. Обнаружены остатки аминокислот, которые определяют структуру “ворот” ионных каналов, например, никотин-чувствительных ацетилхолиновых рецепторов, и, с другой стороны, чувствительность рецепторов к различным анестетикам (изофлурану, пентобарбиталу и гексанолу), но не являются однако анестетик-связывающими сайтами [Yamakura, Borghese, Harris, 2000]. Подобная неспецифичность связывания с мембранами объясняет, почему неизвестны антагонисты для общих анестетиков. Ионные каналы с лиганд-зависимыми воротами в первую очередь рассматриваются как потенциальные мишени общих анестетиков [Yamakura, Harris, 2000]. При этом главными мишенями считаются ГАМКергические и глициновые рецепторы [Thompson, Wafford, 2001]. РЕЦЕПТОРНЫЕ ЭФФЕКТЫ КСЕНОНА Нейромедиаторы можно подразделить на несколько групп [Албертс и др., 1987]: 1) моноамины (ацетилхолин, дофамин, норадреналин, адреналин, серотонин); 2) аминокислоты (гамма-аминомасляная кислота, глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота, глицин); 3) многочисленное семейство нейропептидов, включающее в том числе опиоидные пептиды. Особенно не вдаваясь в сложные вопросы нейромедиаторных и нейрорегуляторных влияний на клетки-мишени, остановимся на известных в настоящее время эффектах ксенона на рецепторы, позволяя читателям самостоятельно использовать представленные данные в каждой конкретной ситуации (психо-неврологические расстройства, наркомании, соматические заболевания, стресссиндром и т.д.). Основной точкой приложения действия ксенона, как и других анестетиков, является постсинаптическая мембрана [de Sousa e.a., 2000]. Некоторые нейромедиаторы через рецепторные белки открывают катионные каналы, в результате чего мембрана клетки-мишени деполяризуется и возникает потенциал действия (возбуждающий ток). Другие рецепторы, например для гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), передают тормозный эффект через анионные каналы (в основном ионы хлора) (ингибирующий ток), что сохраняет поляризацию или вызывает гиперполяризацию мембраны и затрудняет возбуждение клетки [Албертс и др., 1987]. Cheng , Brunner (1987) считают каналы для инов хлора мишенью общих анестетиков. В работе Yamakura and Harris (2000) методом двухэлектродной техники вольтажклямпа тестировалось влияние газовых анестетиков закиси азота N2O и Хе на широкий спектр рекомбинантных рецепторов мозга, экспрессированных на ооцитах Xenopus: глициновые, ГАМК-рецепторы типа А и С, NMDA (N-methyl-D-aspartate)-рецепторы, АМРА (alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid)-рецепторы, рецепторы каината, 5-гидрокситриптаминовые (серотониновые) и N-ацетилхолиновые рецепторы (N-АХР). Оказалось, что N2O (0,58 атм) и Хе (0,46 атм) имели схожий спектр действия. Авторы отмечали, что наиболее вероятные мишени ингибирующего действия газовых анестетиков - N-АХР (бета2-субъединица) и NMDA-рецепторы. Серотониновые рецепторы подавлялись, а глициновые и ГАМК-А рецепторы потенциировались газовыми анестетиками намного слабее, чем изофлураном в эквивалентной концентрации [Yamakura,Harris,2000]. Наибольшее количество работ посвящено влиянию Хе на NMDA- рецепторы. Установлено, что он является антагонистом NMDA - рецепторов [Goto, 2000; Yamakura,Harris,2000;Nagata e.a.. 2001]. В минимальной альвеолярной концентрации (МАК) Хе селективно подавляет (на 60 %) возбуждающие постсинаптические токи, вызванные активацией NMDA-рецепторов, но обладает незначительным влиянием на альфа-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислоты (AMPA)/каинат рецептор-опосредованный компонент [de Sousa e.a., 2000]. Постсинаптические NMDA- рецепторы реализуют эффекты глутамата, N-метилD-аспартата, L-аспартата. Располагаются на мембране нейронов, микроглиальных клеток, нейтрофилов и моноцитов/макрофагов [Kobayashi,1997], что опосредует эффекты ксенона не только через состояние нервных клеток, но и через клетки микроокружения, обладающие широким спектром регулирующего влияния на клеткимишени. Активация рецепторов сопровождается повышением уровня внутриклеточного кальция, стимулирующего синтез внутриклеточного мессенджера, оксида азота (NO). Физиологическая роль NO связана с активацией гуанилатциклазы и повышением внутриклеточного уровня цГМФ, что реализуется, например, релаксацией гладкомышечных клеток [Kobayashi e.a., 1997]. В печени биосинтез NO активируется при местном или системном воспалении, он связывается с гемом, активируя либо ингибируя такие ферменты, как гуанилатциклаза, циклооксигеназа, цитохром P450. В иммунной системе активированные макрофаги высвобождают NO как цитотоксический и цитостатический агент, ингибирующий дыхательную цепь митохондрий, синтез ДНК и активность ферментов [Kobayashi e.a., 1997]. NMDA-рецепторы выполняют ноцицептивную функцию [Seltzer e.a.,1991], участвуют в образовании нейрональной сети, синаптической передаче импульсов, необходимых для обучения и формирования памяти. При патологии вовлечены в острые и хронические неврологические расстройства, психические заболевания, реализацию патологического болевого синдрома. Так, активация NMDA-рецепторов кетамином вызывает психозомиметический эффект, маркером которого является c-fos экспрессия в posterior cingulate and retrosplenial cortices. Хе значительно подавляет обусловленную кетамином экспрессию c-fos [Nagata e.a.. 2001]. Гиперактивация NMDA-рецепторов высокими уровнями внеклеточных лигандов, нейродегенеративные процессы вызывают избыточную продукцию оксида азота, реализующего свои патологические эффекты на клетку через высокие уровни цГМФ, снижение концентрации АТФ через АДФ-рибозу, образование активных метаболитов, таких как пероксинитрит (ONOO-), гидроксильный радикал (ОН-), супероксиданион [Kobayashi e.a., 1997; Tong e.a.,1998]. В свою очередь, они индуцируют перекисное окисление липидов мембран с образованием пероксидов, которые в 100 раз более токсичны, чем сам NO и его активные радикалы, что приводит к разрушению нервных и других типов клеток [Kobayashi e.a., 1997]. В связи с этим, в нормальных и экстремальных условиях жизнедеятельности эффекты ксенона могут быть противоположными, поскольку будут зависеть от активности NMDA-рецепторов [Yamakura, Harris 2000] и состояния клеток-мишеней. С одной стороны, Xe может блокировать физиологическую функцию нейронов, гладкомышечных и иммунокомпетентных клеток, с другой - предупреждать свободнорадикальные механизмы их гибели при патологических состояниях. Для тормозных аминокислот центральной нервной системы (глицин, ГАМК) [Албертс и др., 1987-Т.3] наиболее понятным является действие Хе на глицинергическую систему. Хе потенциировал на 50 % ингибиторный постсинаптический ток, возникающий в постсинаптической мембране после воздействия глицина (50 микроМ) на альфа1-глициновые рецепторы. Однако его эффект в клинически соответствующих концентрациях был ниже такового у закиси азота (75 %) [Daniels, Roberts, 1998]. В свою очередь, оба газовых анестетика действовали хуже по сравнению с изофлураном [Yamakura, Harris 2000]. Поскольку 11 общих средств для наркоза, включая 4 барбитурата (пентобарбитал, тиопентал, метогекситал, фенобарбитал), 2 других внутривенных анестетика (пропофол, этомидат), 3 летучих (галотан, хлороформ и эфир ) и 2 простых газообразных анестетика (закись азота и ксенон), имеют своей точкой приложения глициновые рецепторы, [Daniels, Roberts, 1998] предполагают существенную роль глицинергической нейротрансмиссии в развитии анестезии. Менее определенными являются результаты по влиянию Хе на ГАМКергическую систему. Так, согласно Hapfelmeier e.a. (2000) Хе в 100 %-ной концентрации (3,9 мМ), повышает эффективность ГАМК в рецепторном комплексе и усиливает ГАМК-ергическую синаптическую передачу посредством активации ионных каналов. Методом patch-clamp на клетках эмбриональной почки человека (НЕК 293), инфицированных кДНК для субъединиц ГАМК-А рецепторов, авторы показали, что Хе обратимо усиливал ГАМК-индуцированные токи через каналы рецептора, подавляющего важнейшие функции головного мозга, например, поддержание сознания. Некоторые авторы считают потенциирующее действие Хе на ГАМК-А рецепторы слабым в сравнении с изофлураном [Yamakura, Harris 2000]. С другой стороны, Хе в МАК=60 % в культуре нейронов гиппокампа крыс (препараты, предотвращающие смешанные эффекты нейрональной сети) не обладал измеримым эффектом на ГАМКергические ингибиторные постсинаптические токи (каналы) и не модулировал действие экзогенной ГАМК, однако заметно подавлял распространение потенциала действия по постсинаптической мембране [de Sousa e.a., 2000]. Согласно Goto (2000), Хе вообще не является агонистом рецепторов, чувствительных к гама-аминомасляной кислоте. По мнению большинства авторов противоболевое действие Хе не реализуется через опиатергическую систему, поскольку его эффекты не отменяются назначением налоксона [Yagi e.a., 1995; Ohara e.a., 1997]. Среди рецепторов к моноаминам наиболее чувствительны к ксенону Nацетилхолиновые бета2-субъединицы мозга, которые ингибируются газовым анестетиком. Серотониновые рецепторы подавляются слабо [Yamakura, Harris, 2000]. В работе Yoshida e.a. (2001) Хе в концентрации 30 % и 60 % значительно стимулировал норадренергические нейроны гипоталамуса крыс, увеличивая концентрацию нейромедиатора в перфузируемой искусственной цереброспинальной жидкости, оцененную методом высокоскоростной жидкостной хроматографии. По мнению авторов это может иметь значение в гипнотических и симпатотонических эффектах Хе. В то же время Ohara e.a. (1997) считают, что противоболевое действие Хе, в отличие от закиси азота, не реализуется через альфа2-адренорецепторы центральной и периферической нервной систем, поскольку его эффект не блокируется иохимбином и L659-066. Отсутствие катехоламинергического влияния Хе отмечено [Goto e.a., 1999]. Однако, в условиях индукции анестезии ксенон в смеси с кислородом 75 % на 25 % обладал некоторым стимулирующим действием на сердечно-сосудистую (тахикардия) и дыхательную системы (увеличение минутной вентиляции) [Lewelt, Stewart e.a., 1998]. С другой стороны, исследование состояния сердечно-сосудистой системы при анестезии пациентов Хе в 0,8 МАК (56 %) показало, что он подавляет как парасимпатическую, так в большей степени симпатическую периферическую нейротрансмиссию, что позволяет считать Хе относительным ваготоником [Ishiguro e.a., 2000]. По-видимому, мишенью блокирующего действия Хе может быть аденилатциклазный механизм влияния медиаторов и гормонов на клетки. Ваготонический эффект Хе, связанный с уменьшением частоты сердечных сокращений до 55-60 ударов в минуту, отмечается в работе [Годин А.В. и др., 1999]. Как следует из результатов [Yoshida e.a. ,2001], еще одним механизмом биологического действия Хе может быть влияние на такой мультифакторный процесс, как высвобождение метаболитов из нервных терминалей и секреторных клеток нейроэндокринной системы. Однако, вследствие описательного характера представляемых ниже результатов, не совсем ясны как возможные уровни действия инертного газа (центральная нервная система, ганглии, синапсы), так и направленность его эффектов. ВЛИЯНИЕ КСЕНОНА НА ВЫСВОБОЖДЕНИЕ МЕДИАТОРОВ И ГОРМОНОВ В цикле работ Marx T. и соавторов представлены сведения о влиянии Хе на высвобождение катехоламинов и их предшественника дофамина. Так, установлено, что ксенон в концентрациях 30-50-70 % не изменяет концентрацию в плазме крови дофамина и норадреналина (НА), однако уровень адреналина (А) падает во всех группах. Концентрация дофамина не меняется [Marx e.a.,1997; 1998; Marx, Schmidt e.a., 2000]. При этом существенную редукцию уровня А при 30 % и 50 % концентрациях Хе (ниже МАК) авторы объясняли его анальгетическими эффектами. С другой стороны, Boomsma e.a. (1990) показали ранее на 16 пациентах, что как ксеноновая анестезия, так и анестезия закисью азота сопровождалась повышением в плазме крови содержания НА и пролактина при неизменном количестве дофамина. В период действия Хе уровни А и кортизола не менялись, а концентрация гормона роста даже уменьшалась. В послеоперационный период (после отмены Хе) концентрации катехоламинов, кортизола и пролактина оказались повышены с медленным возвращением к контрольным показателям. Одним из органов-мишеней Хе являются надпочечники, в которых благородный газ накапливается в большей степени, чем в мозге [Natale e.a.. 1998]. Существование определенного периода последействия ксеноновой анестезии на молекулярном уровне, не выявленного в условиях макроорганизма [Burov,2000], показано и в наших работах. Например, в гомогенатах и супернатантах срезов мозга мышей BALB/c определялось содержание малонового диальдегида, продукта перекисного окисления липидов (ПОЛ) мембран, ускоряющего старение клеток [Владимиров Ю.А., Арчаков А.И., 1972], непосредственно после воздействия, а также через 1 и 3 часа после продувания in vitro и вентилляции животных in vivo кислородвоздушной (30:70) либо ксенон-кислородной смесью (70:30) в течение 45 мин. Оказалось, что действие ксенона на клетки мозговой ткани тормозило скорость ПОЛ. Однако, через 1 час после применения ксенон-кислородной смеси наблюдалось кратковременное резкое усиление процессов ПОЛ. Вероятно, отмена неспецифического блокирующего действия ксенона может приводить к сенситизации рецепторов к лигандам с последующей их гиперактивацией, что, например, в случае NMDAрецепторов может реализоваться увеличением концентрации внутриклеточного мессенджера (оксида азота, NO), запускающего ПОЛ самостоятельно и совместно с активными формами кислорода [Sies, de Groot,1992; Lynn, Wong, 1995; Kobayashi,1997]. Поэтому, в целях предотвращения побочных эффектов, ксеноновая терапия и анестезия требуют профилактического и терапевтического применения антиоксидантных фармакологических препаратов. Более определенными оказались сведения в отношении других гормонов стресса. В субнаркотических концентрациях Хе снижал в плазме крови человека уровень гидрокортизона и повышал содержание инсулина [Vovk e.a.. 2000]. Анестезия при оперативных вмешательствах в соотношении Хе/О2 (70/30) повышала по сравнению с аналогичной концентрацией закиси азота уровень в крови соматотропного гормона (СТГ) и соотношение СТГ/кортизол [Буров Н.Е. и др., 1995]. По данным А.В. Година и соавт. (1999) Хе повышает индекс СТГ/кортизол и снижает АКТГ/СТГ, что свидетельствует о преобладании анаболического эффекта ксенона на организм. Не влияет на уровни тиреотропного гормона (ТТГ), гормонов щитовидной железы (Т3, Т4) [Годин А.В. и др., 1999]. Подобное действие Хе позволило [Vovk e.a., 2000] сделать заключение об его антистрессорном эффекте в отношении систем жизнеобеспечения человека с преобладанием в структуре клеточных эффектов инертного газа толерантной стратегии адаптации, представленной в работе [Кулинский В.И., Ольховский И.А., 1992]. ПРЯМОЕ ДЕЙСТВИЕ КСЕНОНА НА КЛЕТКИ В связи с тем, что Xe обладает высокой растворимостью в липидах и взаимодействует с белками, он должен аккумулироваться в клеточных мембранах [Sauer e.a., 2002]. Применение Хе как биосенсорной молекулы в ядерно-магнитном резонансе (ЯМР) [Miller e.a., 1981; Spence e.a.,2001] позволило получить сведения о некоторых механизмах его взаимодействия с молекулами. При исследовании 129Хе – ЯМР спектров растворов миоглобина, суспензий различных липидных бислоев, мембран эритроцитов и мембран Torpedo californica, обогащенных рецептором к ацетилхолину, был установлен быстрый обмен Хе между жидким и органическим окружением [Miller e.a., 1981], что говорит о возможности интегрального механизма влияния газа на клетки через их гидрофильные и гидрофобные компартменты. Кристаллы протеинов содержат полости, связывающие благородные газы (Хе и Kr). Так, дикий тип лизоцима Т4 содержит 1 ксенон-связывающий сайт. Возможно генерировать дополнительные связывающие сайты на молекуле лизоцима замещением лейциновых и фенилаланиновых остатков на аланин [Quillin e.a., 2002]. При этом благородные газы должны аккумулироваться в неполярных регионах кристаллов протеинов [Sauer e.a., 2002 ]. Хе и Kr могут выступать как протон-связывающие кластеры с бразованием комплексов с катионами HCO+, HN2+ и HNCH+ [Botschwina e.a.,2001]. Кроме того, ионы водорода и хлора могут атаковать атом Хе в оппозитных участках (т.к. его молекула может быть диполем) и приводить к перемещению заряда с образованием ионизированного комплекса HХeCl [Cohen e.a., 2001]. Описанные выше процессы могут лежать в основе разнонаправленного влияния Хе на возбуждающие и тормозящие ионные каналы с лиганд-зависимыми и потенциалзависимыми “воротами“, определяющими, в свою очередь, функциональное состояние клеток. Тем не менее, несмотря на активное обсуждение в литературе механизмов взаимодействия Хе с биологическими молекулами и структурами, сведений непосредственном его влиянии на клетки немного. Известно, что Хе действует на мембраны клеток мозга, в том числе на биохимический состав и электрофизиологические свойства [Natale e.a., 1998]. Хе снижает соматосенсорные потенциалы мозга [Lewelt, De Witt e.a., 1998], уменьшает, как и другие анестетики, корковые потенциалы, электрическую активность мозга [Дамир Е.А. и др., 1996; Lewelt, Stewart e.a., 1998]. Miyazaki Y. e.a. (1999) изучали влияние Хе в 70 %-ной концентрации на нейроны задних рогов спинного мозга кошек в сравнении с N2O. Перерезка спинного мозга (устранение эффекта нисходящих ингибиторных систем) не влияла на способность инертного газа, в отличие от закиси азота, подавлять реакцию клеток на раздражители, что позволило авторам сделать заключение о возможности реализации его антиноцецептивного эффекта через прямое воздействие на нервные клетки спинного мозга. Смесь Хе/О2 (70/30) приводит к единичному пикнозу ядер в коре и мозговом веществе надпочечников крыс. Однако, в случае ингаляции смеси закись азота/кислород (70/30) подобные изменения более выражены, что авторы связывают с постстрессорными явлениями [Natale e.a.. 1998]. Xe способен блокировать деление эндотелиальных клеток через механизмы, связанные с внутриклеточноми ионами двухвалентного кальция [Годин А.В. и др., 1999]. В то же время в культуре кардиомиоцитов человека, перфузируемой растворами, содержащими галотан, изофлуран либо ксенон в концентрациях, соответствующих МАК, Хе не влиял на L-тип кальциевого тока в отличие от других анестетиков, его подавляющих. Кроме того, в сравнении с галотаном и изофлураном, благородный газ лишь слабо супрессировал быстрые выходящие калиевые токи, оцененные техникой patch clamp. Поскольку Са2+- и К+-токи важны для продолжительности потенциалов действия и реполяризации, [Huneke e.a., 2001] сделали вывод, что действие Хе согласуется с отсутствием у благородного газа побочных эффектов на сердце. По мнению [de Rossi e.a., 2001], 65 % Хе не влияет на функцию тромбоцитов и их мембран в системе in vitro (обычную и стимулированную агонистом экспрессию гликопротеинов, постактивационные конформации рецепторов, экспрессию селектина). Применение изотопов Хе в компьютерной томографии мозгового кровотока при патологических состояниях [Tachibana e.a., 1985] и мониторинге действия лекарственных препаратов [Aiba e.a.,1994] выявило его способность самостоятельно влиять на данный показатель [Horn e.a.,2001]. Изображения регионального мозгового кровотока, получаемые с 1961 года, показывают его отклонения при различных дегенеративных и психических заболеваниях мозга, включая шизофрению, эффективные расстройства [Ingvar, 1997], паркинсонизм [Kobari e.a., 1995], инсульт [Horn e.a.,2001]. Микроциркуляторное русло (артериола, капилляры, венула) является одним из компонентов клеточного микроокружения, регулирующего питание, пролиферацию и дифференцировку, функционирование клеток различных тканей [Серов В.В., Шехтер А.Б., 1981; Tavassoli, 1975]. В связи с этим клеточные, синаптические, тканевые и органные эффекты Хе в некоторой степени могут быть опосредованы его гемодинамической активностью. ГЕМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ КСЕНОНА По мнению Schmidt M. e.a. (2001) до сих пор мало известно о влиянии инертного газа на перфузию органов. Тем не менее, с помощью микросфер авторы изучали действие 79 % Хе на кровоснабжение коры головного мозга, продолговатого мозга, ствола мозга, мозжечка, печени, почек, тонкого кишечника, прямой кишки, мышц, кожи и сердца у 10 морских свинок. Результаты показали, что газ увеличивал кровоток только в мозге: в стволе мозга на 63 %, коре мозга на 38 %, продолговатом мозге на 35 % и в мозжечке на 34 %. Было сделано заключение об осторожном применении Хе в ситуациях, сопровождающихся повышением внутричерепного давления [Schmidt M. e.a., 2001]. Централизация кровотока при действии Хе в субнаркотических концентрациях отмечена [Vovk e.a., 2000]. У больных инсультом в первые 76 секунд воздействия Хе вызывал увеличение региональногомозгового кровотока в пределах 3-7 %, через 190 сек – 12 % и в дальнейшем показатель не менялся. Обусловленная Хе активация мозгового кровотока показывала значительную меж- и внутрииндивидуальную вариабельность [Horn e.a.,2001]. Эти результаты согласуются с экспериментами на крысах. Ингаляция Хе в течение 45 мин в концентрации 30-70 % не приводила к изменениям локального и общего мозгового кровотока. Однако короткое (2 и 5 мин) назначение 70 % инертного газа сопровождалось увеличением на 48 % и 37 % соответственно кровообращения в коре мозга. Вывод – эффекты ксенона на кровоток в мозге определяются временем его воздействия [Frietsch e.a., 2000], что объясняет, по-видимому, отсутствие влияния Хе на показатели сердечно-сосудистой и гемодинамической систем в других исследованиях [Joyce, 2000]. Согласно данным [Lewelt, Stewart e.a., 1998], в наркотической концентрации Хе также вызывал увеличение мозгового кровотока. Так, при содержании инертного газа более 60 % кровоток в мозге повышается на 18 % [Marx e.a., 1998]. Ингаляционная смесь 70 % ксенона – 30 % кислорода в первые 15 мин реперфузии после региональной ишемии у крыс снижает размеры инфаркта миокарда по сравнению с чистым кислородом [Preckel e.a.. 2000]. Помимо инфаркта и инсульта дефицит кровотока, связанный с недостаточностью допаминергической регуляции [Tachibana e.a., 1985], описан при болезни Паркинсона [Kobari e.a., 1995] и его усиление при приеме L-допы сопровождается симптоматическим улучшением состояния пациентов [Aiba e.a., 1994], что делает Хе потенциальным средством коррекции, по крайней мере, при данных заболеваниях. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Иерархия клеточных популяций организма отражена в теории структурнофункциональных единиц (микрорайнов) [Tavassoli,1975; Серов В.В., Шехтер А.Б., 1981], рассматривающей любую клетку в строго упорядоченной регуляторной системе, включающей: 1) функциональные элементы; 2) элементы микрососудистого русла; 3) клетки микроокружения (клетки стромы и крови, иммунные элементы, эндотелиальные клетки, микроглия и т.д.) и экстрацеллюлярный матрикс (цитокины, гликозаминогликаны, волокнистые структуры и другие продукты жизнедеятельности клеток, ионы); 4) нервные терминали. Поэтому неоднозначность и известная противоречивость данных об эффектах Хе вытекает из сложности межклеточных взаимоотношений, строящихся на балансе клеточных, гуморальных и гормональных, дистантных и локальных, прямых и опосредованных сигналов. Тем не менее, в общих чертах можно определить некоторые закономерности регуляторного эффекта благородного газа: 1. Ксенон обладает прямым блокирующим эффектом на возбудимость клеточных мембран, по-видимому, через ионные каналы с потенциал-зависимыми воротами. 2. Ксенон обладает опосредованным тормозящим действием на клетки, которое может осуществляться через ионные каналы с лиганд-зависимыми воротами самих клетокмишеней, через короткоранговые и дистантные механизмы регуляции жизнедеятельности клеток: - через обратимую блокаду синаптической передачи медиаторов, возбуждающих клетки (NMDA-рецепторы); - через потенциирование эффектов тормозных медиаторов (глицин, ГАМК); - через блокаду высвобождения гормонов стресс-реализующих систем организма (адреналин, глюкокориткоиды); - через регуляцию клеток и факторов микроокружения; - через изменение кровотока. 3. Эффект ксенона зависит от условий жизнедеятельности организма (оптимальное состояние, активация, повреждение), определяющих алгоритм функционирования структурно-функциональных единиц различных клеточных систем. Литература 1. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: в 5-ти томах.Т.5.-М.:Мир, 1987.-231 с. 2. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: в 5-ти томах.Т.3.-М.:Мир, 1987.-296 с. 3. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия.- М.: Медицина, 1983.-752 с. 4. Буров Н.Е., Касаткин Ю.Н., Ибрагимова Г.В., Шулунов М.В., Косаченко В.М. Сравнительная оценка состояния гормонального фона при однотипной методике анестезии N2O и ксеноном // Анестезиология и реаниматология.-1995.-№ 4.-С.5760. 5. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах.-М., 1972.-252 с. 6. Годин А.В., Титов В.А., Стамов В.И., Жукова С.Г., Выжигина М.А. Наш первый опыт применения ксенона в анестезиологической практике // Анестезиология и реаниматология.-1999.-№ 5.-С.56-59. 7. Дамир Е.А., Буров Н.Е., Макеев Г.Н., Джабаров Д.А. Наркотические свойства ксенона и перспективы его применения в анестезиологии // Анестезиология и реаниматология.-1996.-№ 1.-С.71-75. 8. Кулинский В.И., Ольховский И.А. Две адаптационные стратегии в неблагоприятных условиях – резистентная и толерантная. Роль гормонов и рецепторов // Успехи современной биологии.-1992.- Т.112.-Вып.5-6.-С.697-713. 9. Серов В.В., Шехтер А.Б. Соединительная ткань. - М.: Медицина,1981.-312 с. 10. Aiba I., Indo T., Takahashi A. The effects of dopamine on regional cerebral blood flow in patients with Parkinson's disease before and after L-dopa--measurement by Xe-enhanced CT // Rinsho Shinkeigaku.-1994.-Vol.34.-N 11.-P.1099-10104. 11. Boomsma F., Rupreht J., Man in 't Veld A.J., de Jong F.H., Dzoljic M., Lachmann B. Haemodynamic and neurohumoral effects of xenon anaesthesia. A comparison with nitrous oxide // Anaesthesia.- 1990.-Vol.45.-N 4.-P.273-278. 12. Botschwina P., Dutoi T., Mladenovic M., Oswald R., Schmatz S., Stoll H. Theoretical investigations of proton-bound cluster ions // Faraday Discuss.-2001.-Vol.118.-P.433-453. 13. Burov N.E., Makeev G.N., Potapov V.N. Applying xenon technologies in Russia // Applied Cardiopulmonary Pathophysiology.-2000.-Vol.9.-P.132-133. 14. Cheng S.C., Brunner E.A. A hypothetical model on the mechanism of anesthesia // Med Hypotheses.-1987.-Vol.23.- N 1.-P. 1-9. 15. Cohen A., Niv M.Y., Gerber R.B. Formation of novel rare-gas-containing molecules by molecular photodissociation in clusters // Faraday Discuss.- 2001.- Vol.118.-P. 269-280. 16. Daniels S., Roberts R.J. Post-synaptic inhibitory mechanisms of anaesthesia; glycine receptors // Toxicol Lett.-1998.-Vol.100-101.-P.71-76. 17. de Rossi L.W., Horn N.A., Baumert J.H., Gutensohn K., Hutschenreuter G., Rossaint R. Xenon does not affect human platelet function in vitro // Anesth Analg.-2001.- Vol.93.-N 3.-P. 635-640. 18. de Sousa S.L., Dickinson R., Lieb W.R., Franks N.P. Contrasting synaptic actions of the inhalational general anesthetics isoflurane and xenon // Anesthesiology.- 2000.Vol.92.-N 4.-P.1055-1066. 19. Ferrari A., Erdmann W., Del Tacca M., Formichi B., Volta C.A., Ferrari E., Bissoloto G., Giunta F. Xenon anestesia: clinical results and recycling of gas // Applied Cardiopulmonary Pathophysiology.-1998.-Vol.7.-P.153-155. 20. Frietsch T., Bogdanski R., Blobner M.,Werner C., Kuschinsky W., Waschke K.F. Effects of xenon on cerebral blood flow and cerebral glucose utilization in rats // Anestesiology.2000.-Vol. 94.-P. 290-297. 21. Goto T, Matsukawa T, Sessler DI, Uezono S, Ishiguro Y, Ozaki M, Morita S. Thermoregulatory thresholds for vasoconstriction in patients anesthetized with various 1minimum alveolar concentration combinations of xenon, nitrous oxide, and isoflurane // Anesthesiology.-1999.-Vol.91.-N 3.-P.626-632. 22. Goto T. Xenon anesthesia – results from human studies // Applied Cardiopulmonary Pathophysiology.-2000.-Vol.9.-P.129-131. 23. Hapfelmeier G., Zieglgansberger W., Haseneder R., Schneck H., Kochs E. Nitrous oxide and xenon increase the efficacy of GABA at recombinant mammalian GABA(A) receptors // Anesth Analg.-2000.-Vol. 91.-N 6.-P.1542-1549. 24. Horn P, Vajkoczy P, Thome C, Muench E, Schilling L, Schmiedek P. Xenon-induced flow activation in patients with cerebral insult who undergo xenon-enhanced CT blood flow studies // Am J Neuroradiol.-2001.-Vol. 22.-N 8.-P.1543-1549. 25. Huneke R, Jungling E, Skasa M, Rossaint R, Luckhoff A. Effects of the anesthetic gases xenon, halothane, and isoflurane on calcium and potassium currents in human atrial cardiomyocytes // Anesthesiology 2001.- Vol. 95.-N 4.- P. 9991006. 26. Ingvar D.H. History of brain imaging in psychiatry // Dement Geriatr Cogn Disord.-1997.Vol.8.-N 2.-P. 66-72. 27. Ishiguro Y., Goto T., Nakata Y., Terui K., Niimi Y., Morita S. Effect of xenon on autonomic cardiovascular control--comparison with isoflurane and nitrous oxide // J Clin Anesth.-2000.- Vol.12.-N 3.-P. 196-201. 28. Joyce J.A. Xenon: anesthesia for the 21st century // AANA J.-2000.- Vol. 68.- N 3.-P.259264. 29. Kobari M., Fukuuchi Y., Shinohara T., Obara K., Nogawa S. Levodopa-induced local cerebral blood flow changes in Parkinson's disease and related disorders //J Neurol Sci.1995.-Vol. 128.-N 2.-P. 212-218. 30. Kobayashi H., Suzuki T., Saito S., Sato I., Matsusaka N. Toxicological significance and physiological role of nitric oxide // Toxicology&Ecotoxicology News/Reviews.-1997.Vol.4.-N.1.-P.15-19. 31. Lewelt W., De Witt D., Stewart L., Keenan R. Cerebral blood flow and somatosensory evoked potentials with several xenon concentrations in primates // Applied Cardiopulmonary Pathophysiology.-1998.-Vol.7.-P.209-214. 32. Lewelt W., Stewart L., Williams C.L., Keenan R. Cerebral and systematic effects of xenon anesthesia // Applied Cardiopulmonary Pathophysiology.-1998.-Vol.7.-P.161-165. 33. Linn W.S., Wong K.Y. Neuroimmunodegeneration: do neurons and T-cells use common pathways for cell death? // FASEB Journal.-1995.-Vol.9.-P.1147-1156. 34. Marx T., Froeba G., Wagner D., Baeder S., Goertz A., Georgieff M. Effects on haemodynamics and catecholamine release of xenon anaesthesia compared with total i.v. anaesthesia in the pig // Br J Anaesth 1997.-Vol.78.- N 3.-P. 326-327. 35. Marx T., Wagner D., Baeder S., Goertz A., Georgieff M., Froeba G. Hemodynamics and catecholamines in anesthesia with different concentrations of xenon // Applied Cardiopulmonary Pathophysiology.-1998.-Vol.7.-P.215-221. 36. Marx T., Kotzerke J., Musati S., Ring C., Schmidt M., Reinelt H., Frobba G. Time constants of xenon elimination after anaesthesia // Applied Cardiopulmonary Pathophysiology.-2000.-Vol.9.-P.91-96. 37. Marx T., Schmidt M., Schirmer U., Reinelt H. Xenon as inhalation anaesthetic – Results from animal studies // Applied Cardiopulmonary Pathophysiology.-2000.-Vol.9.-P.124128. 38. Miller K.W., Reo N.V., Schoot Uiterkamp A.J., Stengle D.P., Stengle T.R., Williamson K.L. Xenon NMR: chemical shifts of a general anesthetic in common solvents, proteins, and membranes // Proc Natl Acad Sci U S A.-1981.-Vol.78.-N 8.-P.4946-4949. 39. Miyazaki Y.,Adachi T.,Utsumi J.,Shichino T.,Segawa H. Xenon has greater inhibitory effects on spinal dorsal horn neurons than nitrous oxide in spinal cord transected cats //Anesth Analg.-1999.-Vol.88.-P.893. 40. Nagata A., Nakao Si. S., Nishizawa N., Masuzawa M., Inada T., Murao K., Miyamoto E., Shingu K. Xenon inhibits but N(2)O enhances ketamine-induced c-fos expression in the rat posterior cingulate and retrosplenial cortices // Anesth Analg.-2001.-Vol.92.- N 2.-P. 362-368. 41. Natale G., Ferrari E., Pellegrini A., Formichi B., Del Turco M., Soldani P., Paparelli A., Giunta F. Main organ morphology and blood analysis after subchronic exposure to xenon in rats // Applied Cardiopulmonary Pathophysiology.-1998.-Vol.7.-P.227-233. 42. Ohara A., Mashimo T., Zhang P., Inagaki Y., Shibuta S., Yoshiya I. A comparative study of the antinociceptive action of xenon and nitrous oxide in rats // Anesth Analg.-1997.Vol. 85.-N 4.-P. 931-936. 43. Quillin M.L., Matthews B.W. Generation of noble-gas binding sites for crystallographic phasing using site-directed mutagenesis // Acta Crystallogr D Biol Crystallogr.- 2002.Vol.58.-Pt.1.-P. 97-103. 44. Sauer O., Roth M., Schirmer T., Rummel G., Kratky C. Low-resolution detergent tracing in protein crystals using xenon or krypton to enhance X-ray contrast//Acta Crystallogr D Biol Crystallogr.-2002.- Vol.58.-Pt1.-P.60-69. 45. Schmidt M., Papp-Jambor C., Schirmer U., Steinbach G., Marx T., Reinelt H. Is xenon anaesthesia cerebrotoxic?-A comparative study with halotane using protein S-100 determination // Applied Cardiopulmonary Pathophysiology.-2000.-Vol.9.-P.87-90. 46. Schmidt M., Marx T., Kotzerke J., Luderwald S., Armbruster S., Topalidis P.,Schirmer U., Reinelt H. Cerebral and regional organ perfusion in pigs during xenon anaesthesia //Anaesthesia.-2001.-Vol.56.-N 12.-1154-1159. 47. Seltzer Z., Cohn S., Ginzburg R., Beilin B. Modulation of neuropathic pain behavior in rats by spinal disinhibition and NMDA receptor blockade of injury discharge // Pain.1991.-Vol.45.-P.69-75. 48. Sies H., de Groot H. Role of reactive oxygen species in cell toxicity // Toxicology Letters.-1992.-Vol.64/65.-P.547-551. 49. Spence M.M., Rubin S.M., Dimitrov I.E., Ruiz E.J., Wemmer D.E., Pines A., Yao S.Q., Tian F., Schultz P.G. Functionalized xenon as a biosensor // Proc Natl Acad Sci U S A.2001.-Vol.98.-N 19.-P. 10654-10657. 50. Tachibana H., Meyer J.S., Kitagawa Y., Tanahashi N., Kandula P., Rogers R.L.Xenon contrast CT-CBF measurements in parkinsonism and normal aging // J Am Geriatr Soc.1985.-Vol.33.-N 6.-P.413-421. 51. Tavassoli M. Studies on hemopoietic microenvironments // Exp. Hematol.-1975.-N 3.P.213-226. 52. Thompson S.A., Wafford K. Mechanism of action of general anaesthetics // Current Opinion in Pharmacology 2001.-Vol.1.-P.78-83. 53. Tong L., Toliver-Kinsky T., Taglialatela G., Werrbach-Perez K., Wood T., Perez-Polo J.R. Signal transduction in neuronal death // J. of Neurochemistry.- 1998.-Vol.71.-N 2.P.447-459. 54. Vovk S., Lukinov A.V., Naoumov S.A., Naoumov S.V., Smetannikov V. The state of vital systems of an organism under exposure to xenon // Applied Cardiopulmonary Pathophysiology.-2000.-Vol. 9.-P.169. 55. Yagi M., Mashimo T., Kawaguchi T., Yoshiya I. Analgesic and hypnotic effects of subanaesthetic concentrations of xenon in human volunteers: comparison with nitrous oxide // Br J Anaesth.-1995.-Vol.74.-N 6.-P.670-673. 56. Yamakura T, Borghese C, Harris R.A. A transmembrane site determines sensitivity of neuronal nicotinic acetylcholine receptors to general anesthetics // J Biol Chem.- 2000.Vol. 275.-N 52.-P. 40879-40886. 57. Yamakura T, Harris RA. Effects of gaseous anesthetics nitrous oxide and xenon on ligand-gated ion channels. Comparison with isoflurane and ethanol // Anesthesiology.2000.-Vol. 93.- N 4.-P. 1095-1101. 58. Yoshida H., Kushikata T., Kubota T., Hirota K., Ishihara H., Matsuki A. Xenon inhalation increases norepinephrine release from the anterior and posterior hypothalamus in rats // Can J Anaesth.-2001.- Vol.48.-N 7.-P. 651-655. ВЛИЯНИЕ КСЕНОНА НА КЛЕТКИ И РЕЦЕПТОРЫ И.А. Хлусов, С.А. Наумов, С.М. Вовк, Н.А. Корнетов1, М.Н. Шписман2, А.В. Лукинов3, А.В. Наумов3 Отделение “Новые медицинские технологии“ Техноцентр “ЛТ“ НИКИЭТ Министерства атомной промышленности, 1НИИ психического здоровья ТНЦ СО РАМН, 2 Сибирский государственный медицинский университет, 3 Военно-медицинский институт, Томск Ксенон благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам благородного газа находит все более широкое применение в медицине. Однако его клиническое использование опережает представления о физиологии и патофизиологии изменений в организме и его отдельных структурах, возникающих при взаимодействии с ксеноном. Целью данного обзора было описание в сжатой форме известных в настоящее время биомедицинских свойств, а также некоторых механизмов действия ксенона (Xe) на клетки и рецепторы, на высвобождение медиаторов и гормонов и гемодинамику. На основе представленных данных cделано заключение о возможности прямого и опосредованного тормозящего эффекта Хе на клеточные системы. Опосредованное влияние инертного газа определяется его способностью временно супрессировать возбуждающие (NMDA) синапсы и потенциировать действие тормозных медиаторов (глицин, ГАМК), снижать высвобождение гормонов стрессреализующих систем организма (глюкокортикоиды, адреналин), влиять на состояние клеток через регуляцию кровотока. XENON INFLUENCE CELLS AND RECEPTORS I.A. Khlusov, S.A. Naumov, S.M.Vovk, N.A. Kornetov1, M.N. Shpisman2, A.V. Lukinov3, A.V. Naumov3 “Novel medical technologies“ Department of Technocentre “LT “ SUSE RDIPE, Institute of Psychical Helth, Tomsk Scientific Centre, Siberian department of RAMS, 2 Siberian State Medical University, 3 Military Medical Institute, Tomsk 1 Owing to its unique physical-chemical properties of noble gas xenon is having all the more expanding use in medicine. However, its clinic application is outstripping modern views concerning physiology and pathophysiology of changes in organism and its different structures, caused by xenon. The aim of the review was to describe shortly known biomedical properties and some mechanisms of xenon effect on cells and receptors, on releazing of mediators and hormones and on hemodinamics. A possibility of direct and indirect inhibitory action of xenon on cellular systems has been concluded on a base of data presented. Indirect influence inert gas is determined by its capacity to suppress temporarily exciting (NMDA) synapses and to potentiate an action pf inhibitory mediators (glycine, GABA), to decrease releazing of hormones (epinephrine, glucocorticoids) from stress-realizing systems, to effect on cell state by blood flow regulation.
