Possible involvement of adenosine triphosphate in the mechanisms of protein sensibilization effect on the functional properties of the diaphragm and skeletal muscles
- Authors: Teplov AY.1, Farkhutdinov AM1, Grishin SN2, Minnebaev MM1, Torshin VI3
-
Affiliations:
- Kazan State Medical University
- Kazan State Technical University named after A.N. Tupolev
- Russian Peoples’ Friendship University, Moscow city
- Issue: Vol 93, No 1 (2012)
- Pages: 113-116
- Section: Experimental medicine
- URL: https://kazanmedjournal.ru/kazanmedj/article/view/2159
- DOI: https://doi.org/10.17816/KMJ2159
- ID: 2159
Cite item
Full Text
Abstract
Full Text
Бронхиальная астма сопровождается изменением функционального состояния дыхательных мышц, в первую очередь диафрагмы. При изучении патогенеза аллергии часто применяют модель белковой сенсибилизации мышей [5, 6]. Ранее установлено, что при белковой сенсибилизации сократительные свойства полоски диафрагмы (состоящей из «быстрых» и «медленных» мышечных волокон) и «быстрой» скелетной мышцы голени мыши in vitro претерпевают разнонаправленные изменения, основную роль отводят холиноопосредованным процессам возбуждения постсинаптической мембраны [9]. Также была показана способность экзогенной аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) обратимо изменять сократительную функцию и величину неквантовой секреции ацетилхолина мышц несенсибилизированных мышей [1, 4]. В качестве кофактора синаптической передачи АТФ влияет на процессы возбуждения мышечного волокна. В литературе есть указания на участие АТФ в иммунном ответе [10]. Цель работы - изучение влияния экзогенной АТФ на сократительный ответ, вызываемый холиномиметиком карбахолом (карбахолином), и величину неквантовой секреции ацетилхолина в зоне концевой пластинки изолированных поперечнополосатых мышц: «медленной» камбаловидной, «смешанной» диафрагмальной и «быстрой» (длинного разгибателя пальцев) интактных и сенсибилизированных мышей. Эксперименты выполняли на белых мышах обоего пола c массой тела 17-22 г. Сенсибилизацию осуществляли яичным альбумином с гелем гидроксида алюминия («Sigma», США), контроль - по методике И.С. Гущина и соавт. Механомиографические исследования проводили на препарате изолированной мышцы в условиях изометрии, которой достигали растяжением скелетной мышцы в течение 20 мин с помощью подвешивания груза массой 0,5 г, при постоянной перфузии раствором Кребса и температурном режиме 20-21°С. Сокращение регистрировали фотоэлектрическим преобразователем. Карбахолин применяли в субмаксимальных концентрациях, которые составляли для камбаловидной мышцы 5×10-4М, для диафрагмальной мышцы - 2×10-4М, для длинного разгибателя пальцев - 7×10-4М. Оценивали силу (Рос) сокращения мышцы в ответ на карбахолин. Для изучения состояния постсинаптической мембраны мышечного волокна в области концевой пластинки с помощью стеклянных микроэлектродов (с сопротивлением 8-12 МОм, заполненных 2,5 М раствором калия хлорида) измеряли неквантовую секрецию ацетилхолина [3]. Предварительно этилнитрофенилэтилфосфонатом (армином, «Татхимфармпрепараты», Россия) устраняли действие ацетилхолинэстеразы, после чего на мышцу в течение 8-12 мин апплицировали блокатор Н-холинорецепторов d-тубокурарин (ТБК) в концентрации 10-5 М. Разность значений мембранного потенциала до и после аппликации ТБК соответствует величине неквантовой секреции ацетилхолина (Н-эффект). Влияние АТФ («Boehringer Mannheim Gmbh», Германия) оценивали путём сравнения показателей сокращения до и после 5-минутной перфузии 1×10-4 М раствором АТФ; время действия на мышцу определялось длительностью перфузии. Полученные результаты подвергали статистической обработке с помощью пакета статистических программ («Biostatistica», S.A. Glantz, McGraw Hill). У камбаловидной мышцы несенсибилизированной мыши инкубация с АТФ достоверно увеличивает Рос, та же тенденция отмечена при белковой сенсибилизации. Изучение неквантовой секреции ацетилхолина интактной мыши показало, что мембранный потенциал покоя, изначально составляющий -70,9±1,7 мВ (n=150), в присутствии ТБК возрастал до -75,9±1,3 мВ (n=150). После инкубации с АТФ мембранный потенциал покоя в присутствии ТБК возрастал, то есть инкубация с АТФ достоверно снижала Н-эффект. В условиях белковой сенсибилизации мембранный потенциал покоя, изначально составляющий -69,4±0,9 мВ (n=150), в присутствии ТБК возрастал до -72,5±1,0 мВ (n=150). После инкубации с АТФ мембранный потенциал покоя в присутствии ТБК возрастал, то есть при сенсибилизации инкубация с АТФ достоверно снижала Н-эффект. Инкубация с АТФ достоверно увеличивала Рос диафрагмальной мышцы как у несенсибилизированных мышей, так и у подвергшихся белковой сенсибилизации. Динамика неквантовой секреции ацетилхолина показала, что мембранный потенциал покоя, изначально составляющий -70,7±1,9 мВ (n=150), в присутствии ТБК возрастал. После инкубации с АТФ мембранный потенциал покоя в присутствии ТБК увеличивался до -71,5±0,5 мВ, таким образом, Н-эффект у диафрагмы несенсибилизированной мыши при инкубации с АТФ достоверно снижался. При белковой сенсибилизации мембранный потенциал покоя, изначально составляющий -70,0±1,5 мВ (n=150), в присутствии ТБК возрастал до -74,4±0,6 мВ (n=150). При инкубации с АТФ мембранный потенциал покоя в присутствии ТБК повышался до -71,5±0,6 мВ (n=150), то есть при белковой сенсибилизации инкубация с АТФ достоверно снижала Н-эффект. У длинного разгибателя пальцев несенсибилизированной мыши инкубация с АТФ достоверно снижала Рос. В условиях белковой сенсибилизации инкубация с АТФ приводила к достоверному снижению Рос. Изучение неквантовой секреции ацетилхолина несенсибилизированной мышцы показало, что мембранный потенциал покоя, изначально составляющий -72,3±0,6 мВ (n=150), в присутствии ТБК возрастал до -77,4±1,6 мВ (n=150). После инкубации с АТФ мембранный потенциал покоя в присутствии ТБК увеличивался до -77,3±1,1 мВ (n=150), то есть Н-эффект длинного разгибателя пальцев несенсибилизированной мыши при инкубации с АТФ практически не изменялся. Изучение неквантовой секреции ацетилхолина в условиях сенсибилизации показало, что мембранный потенциал покоя, изначально составляющий -73,9±0,5 мВ (n=150), в присутствии ТБК повышался до -79,7±1,7 мВ (n=150). После инкубации с АТФ мембранный потенциал покоя в присутствии ТБК возрастал до -79,3±1,4 мВ (n=150). Инкубация с АТФ в условиях белковой сенсибилизации практически не изменяла значения Н-эффекта. Обсуждая результаты исследования, хотелось бы указать на разный характер изменения сократительной функции всех трёх мышц («быстрой», «смешанной» и «медленной») мыши при сенсибилизации. Причины этого заключаются как в исходных различиях их морфофункционального статуса, так и в механизмах, обеспечивающих эти изменения в процессе аллергической перестройки организма. Необходимо отметить, что у мышей нет поперечнополосатых мышц, состоящих только из «медленных» мышечных волокон. Если длинный разгибатель пальцев на 97-100% состоит из «быстрых» мышечных волокон, камбаловидная содержит 50-60% «медленных», то диафрагма содержит 88,6% «быстрого» миозина, занимая промежуточное положение. При белковой сенсибилизации сила сокращения «быстрой» мышцы в ответ на карбахолин снижается, «смешанной» и «медленной» - возрастает. Обнаруженные различия, вероятно, отражают состояние поверхностной мембраны и холиноопосредованные процессы её возбуждения. Подтверждением этому служит корреляция динамики силы сокращения и уровня неквантовой секреции ацетилхолина в зоне концевой пластинки (Н-эффекта). Логично предположить, что у «смешанной» и «медленной» мышц увеличение силы сокращения в ответ на карбахолин - следствие повышения чувствительности постсинапса к холиномиметику, отражением чего является снижение Н-эффекта. Уменьшение неквантовой секреции ацетилхолина в зоне синапса вызывает снижение интенсивности механизмов десенситизации холинорецепторов постсинаптической мембраны. Соответственно, у «быстрой» мышцы наблюдается обратная картина. Снижение силы сокращения в ответ на карбахолин - следствие уменьшения чувствительности её постсинапса к холиномиметику, что проявляется в увеличении Н-эффекта. Причины обнаруженной вариабельности функциональных свойств изучаемых мышц при белковой сенсибилизации, возможно, заключаются в механизмах выделения кофакторов синаптической передачи. Исходя из данных Tsai T.L. и соавт. [10], показавших роль АТФ в иммунном ответе, мы предположили возможное участие пуринов в процессах изменения функционирования скелетных мышц при белковой сенсибилизации. Это привело нас к идее изучения (в рамках выбранных экспериментальных моделей) динамики функциональных свойств мышц сенсибилизированных и интактных мышей до и после их инкубации с АТФ. Наши исследования подтвердили, что при белковой сенсибилизации влияние АТФ на динамику функциональных свойств у всех мышц демонстрирует ту же направленность, что указывает на отсутствие принципиальных различий в механизмах влияния пуринов на поперечнополосатые мышцы интактных и сенсибилизированных мышей. Однако если АТФ увеличивала силу сокращения диафрагмальной мышцы интактных животных на 26,8%, то у сенсибилизированных - лишь на 15,1%. Н-эффект у этой мышцы несенсибилизированных мышей после влияния АТФ снижался до 28,8% исходного, у сенсибилизированных же - лишь до 54,5%. Менее выраженная динамика функциональных свойств диафрагмы, вызванная АТФ у сенсибилизированных мышей в сравнении с контролем, позволяет предполагать её участие в механизмах функциональных изменений дыхательных мышц при белковой сенсибилизации. Динамика функциональных свойств «медленной» мышцы имеет сходную картину. Сила сокращения камбаловидной мышцы интактных животных возрастала на 24,3%, у сенсибилизированных - лишь на 12,2%. Н-эффект у этой мышцы несенсибилизированных мышей после влияния АТФ снижался до 20% исходного значения, у сенсибилизированных - лишь до 67,7%. У длинного разгибателя пальцев интактных животных снижение силы сокращения после влияния АТФ (до 72,6%) практически не отличалось от таковой у сенсибилизированных (до 74,8%). Н-эффект после влияния АТФ достоверно не менялся ни у интактных, ни у сенсибилизированных мышей. Отсутствие различий в изменении силы сокращения и уровня неквантовой секреции ацетилхолина после влияния АТФ у обеих групп животных отвергает гипотезу о влиянии пуринов на сократительную функцию «быстрой» мышцы мыши в условиях сенсибилизации. Влияние АТФ в наших экспериментальных моделях включает прямое действие пуринов на сократительные структуры, секрецию медиатора, системы внутриклеточных посредников [1] и работу АТФ-зависимых калиевых каналов [10]. Оно осуществляется через P2-рецепторы, что подтверждается способностью сурамина устранять влияние АТФ во всех экспериментальных моделях. Кроме того, замена АТФ на аденозин, реализующий своё действие через аденозиновые Р1-рецепторы [2], не изменяет ни параметров вызванного карбахолином сокращения мышц, ни величины Н-эффекта. Различия в реакции на АТФ мышц интактных и сенсибилизированных мышей позволяют предположить её участие в иммунном ответе. В частности, в литературе показано, что АТФ, увеличивая синтез интерлейкина-1, может усиливать специфическое звено иммунитета [7]. Внеклеточная АТФ при генерации иммунного ответа помогает образованию активной каспазы-1, что в свою очередь обеспечивает секрецию биологически активных форм интерлейкина-1. Гиперэкспрессия рецептора Р2Х7 приводит к секреции зрелого интерлейкина-1β [8]. Таким образом, белковая сенсибилизация как экспериментальная модель позволила выявить некоторые механизмы изменения в дыхательной мышце при скрытой аллергизации организма. ВЫВОДЫ 1. Снижение функциональных свойств диафрагмы мыши при белковой сенсибилизации, вызванное экзогенной АТФ, свидетельствует о развитии ранней резистентности дыхательных мышц к внешним нагрузкам, которая появляется при обструктивных формах нарушения внешнего дыхания. 2. Отсутствие сходной динамики у «быстрой» мышцы (длинного разгибателя пальцев) мыши показывает, что обнаруженные компенсаторные механизмы у основной дыхательной мышцы при бронхиальной астме определяются «медленными» мышечными волокнами. В изменении сократительной функции «быстрой» мышцы при белковой сенсибилизации можно ожидать участия иных, не связанных с АТФ механизмов.About the authors
A Yu Teplov
Kazan State Medical University
A M Farkhutdinov
Kazan State Medical University
Email: a.farkutdinov@gmail.com
S N Grishin
Kazan State Technical University named after A.N. Tupolev
M M Minnebaev
Kazan State Medical University
V I Torshin
Russian Peoples’ Friendship University, Moscow city
References
- Фархутдинов А.М., Теплов А.Ю. Механизмы влияния экзогенной АТФ на сократительную функцию изолированных поперечнополосатых мышц мыши // Вестн. С.-Петерб. унив. Серия 11. Медицина. - 2010. - Вып. 2. - С. 238-244.
- Burnstock G. Historical review: ATP as a neurotransmitter // Trends Pharm. Sci. - 2006. - Vol. 27. - P. 166-176.
- Galkin A.V., Giniatullin R.A., Mukhtarov M.R., Svandova I. ATP but not adenosine inhibits nonquantal acetylcholine release at the mouse neuromuscular junction // Eur. J. Neur. - 2001. - Vol. 13. - P. 2047-2053.
- Grishin S., Teplov A., Galkin A. et al. Different effects of ATP on the contractile activity of mice diaphragmatic and skeletal muscles // Neurochem. Int. - 2006. - Vol. 49. - P. 756-763.
- Ji W., Chen X., Zhengrong C. et al. Therapeutic effects of anti-B7-1 antibody in an ovalbumin-induced mouse asthma model // Int. Immunopharmacol. - 2008. - Vol. 8. - P. 1190-1195.
- Kim S.H., Lee Y.C. Piperine inhibits eosinophil infiltration and airway hyperresponsiveness by suppressing T cell activity and Th2 cytokine production in the ovalbumin-induced asthma model // J. Pharmacol. - 2009. - Vol. 61. - P. 353-359.
- Mariathasan S., Monack M. Inflammasome adaptors and sensors: intracellular regulators of infection and inflammation // Nat. Rev. Immunol. - 2007. - Vol. 7. - P. 31-40.
- Solle M., Labasi J., Perregaux D. et al. Altered cytokine production in mice lacking P2X(7) receptors // J. Biol. Chemist. - 2001. - Vol. 276. - P. 125-132.
- Teplov A., Grishin S., Mukhamedyarov M. et al. Ovalbumin-induced sensitization affects non-quantal acetylcholine release from motor nerve terminals and alters contractility of skeletal muscles in mice // Experim. Physiol. - 2009. - Vol. 94. - P. 264-268.
- Tsai T.L., Chang S.Y., Ho C.Y. et al. Role of ATP in the ROS-mediated laryngeal airway hyperreactivity induced by laryngeal acid-pepsin insult in anesthetized rats // J. Applied Physiol. - 2009. - Vol. 106. - P. 1584-1592.