Влияние ксенона на клетки и рецепторы

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, по-видимому, 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, стресс-синдром 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 вольтаж-клямпа 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-метил-D-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 клетки-мишени.
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 ГАМК-ергическую 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 ГАМК-ергические 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 N-ацетилхолиновые 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 нейро-эндокринной 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 кислород-воздушной (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 NMDA-рецепторов 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 уровнитиреотропного 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 потенциал-зависимыми “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 структурно-функциональных 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 клеток-мишеней, 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.57-
60.
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.
10. 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.
11. 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.
12. Burov N.E., Makeev G.N., Potapov V.N. Applying xenon technologies in Russia //
Applied Cardiopulmonary Pathophysiology.-2000.-Vol.9.-P.132-133.
10. Cheng S.C., Brunner E.A. A hypothetical model on the mechanism of anesthesia // Med Hypotheses.-1987.-Vol.23.- N 1.-P. 1-9.
11. 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.
12. Daniels S., Roberts R.J. Post-synaptic inhibitory mechanisms of anaesthesia; glycine receptors // Toxicol Lett.-1998.-Vol.100-101.-P.71-76.
13. 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.
14. 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.
10. 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.
11. 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.
12. Goto T, Matsukawa T, Sessler DI, Uezono S, Ishiguro Y, Ozaki M, Morita S. Thermoregulatory thresholds for vasoconstriction in patients anesthetized with various 1-minimum alveolar concentration combinations of xenon, nitrous oxide, and isoflurane // Anesthesiology.-1999.-Vol.91.-N 3.-P.626-632.
13. Goto T. Xenon anesthesia – results from human studies // Applied Cardiopulmonary Pathophysiology.-2000.-Vol.9.-P.129-131.
14. 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.
15. 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.
16. 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. 999-1006.
17. Ingvar D.H. History of brain imaging in psychiatry // Dement Geriatr Cogn Disord.-1997.-Vol.8.-N 2.-P. 66-72.
18. 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.
10. Joyce J.A. Xenon: anesthesia for the 21st century // AANA J.-2000.- Vol. 68.- N 3.-P.259-264.
11. 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.
12. 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.
13. 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.
14. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. 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.
14. Marx T., Schmidt M., Schirmer U., Reinelt H. Xenon as inhalation anaesthetic – Results from animal studies // Applied Cardiopulmonary Pathophysiology.-2000.-Vol.9.-P.124-128.
15. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. 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.
14. 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.
15. 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.
16. 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.
17. 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.
18. 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.
19. Sies H., de Groot H. Role of reactive oxygen species in cell toxicity // Toxicology Letters.-1992.-Vol.64/65.-P.547-551.
20. 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.
21. 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.
22. Tavassoli M. Studies on hemopoietic microenvironments // Exp. Hematol.-1975.-N 3.-P.213-226.
23. Thompson S.A., Wafford K. Mechanism of action of general anaesthetics // Current Opinion in Pharmacology 2001.-Vol.1.-P.78-83.
24. 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.
25. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. 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.