Desensitization in cholinergic synapse: mechanisms and physiologic role

Abstract

The development of desensitization during the rhythmic activity of synapse as a result of the action of mediator nonquantal secretion is described, the data of a capacity to accelerate desensitization in a series of drugs and biologically active compounds are. presented. A concept of postsynaptic plasticity qr chemical senapse is proposed which provided the basis for short-term and long-term transfers of cholinoreccptors into different kinetic state under the influence of acetyccholine by itself resulting in the adaptation of synaptic apparatus to the new conditions and is the basis for purposeful correction of the synaptic transfer.

Full Text

При длительном или часто повторяющемся действии биологически активных веществ и лекарственных агентов на хемовозбудимые мембраны развивается десенситизация — снижение чувствительности рецепторов к Агонисту. Это явление привлекает повышенное внимание физиологов и фармакологов в связи с появлением фактов, свидетельствующих о том, что десенситизация может служить естественной формой ограничения процесса возбуждения в химических синапсах и регулировать эффективность действия лекарственных средств.

Исследование механизмов и функциональной роли феномена снижения чувствительности постсинаптической мембраны к ацетилхолину (АХ) проводили в методически наиболее доступном для этой цели объекте — холинергическом синапсе в скелетной мышце. Для исследования десенситизации с помощью метода фиксации потенциала регистрировали токи, вызываемые экзогенным и эндогенным АХ, выделяемыми в квантовой форме из двигательных нервных окончаний в нервно-мышечных синапсах теплокровных и холоднокровных животных.

1. Развитие десенситизации при ритмической активности синапса. Для физиологии и фармакологии синаптической передачи наибольший интерес представляет вопрос о возможности развития десенситизации за счет эндогенного АХ. При изучении этого вопроса мы попытались вызвать снижение чувствительности постсинаптической мембраны с помощью эндогенного АХ, выделяемого из нервных окончаний в ходе ритмической активности синапса. Для этого использовали метод блокирования мышечных сокращений с помощью поперечного рассечения мышечных волокон [1], что позволило регистрировать первичную реакцию постсинаптической мембраны на медиатор — токи концевой пластинки (ТКП) при высоком уровне вызванной секреции порядка 100 —200 квантов АХ на один нервный импульс.

Оценку возможности развития десенситизации при ритмической активности синапса первоначально проводили в синапсах лягушки при ингибировании фермента ацетилхолинэстеразы (АХЭ), что повышало уровень эндогенного АХ и, следовательно, вероятность развития этого феномена. Для выяснения состояния чувствительности постсинаптической мембраны нами был использован тест, который заключался в регистрации ответов мембраны на одиночные кванты АХ — миниатюрных ТКП (МТКП) сразу после периода активности синапса [1]. Амплитуда этих сигналов характеризует состояние чувствительности постсинаптической мембраны. Оказалось, что после 60-секундной активности синапса с частотой 10 Гц происходит снижение амплитуды МТКП на 30%, что свидетельствует о развитии десенситизации постсинаптической мембраны [1, 4, 13]. Снижение квантового состава резко снижало вероятность развития десенситизации. Эти эксперименты свидетельствуют о том, что для развития десенситизации не требуется постоянного присутствия свободного АХ у рецепторов. Данное явление может развиваться как кумулятивная реакция благодаря сохранению соответствующих конформационных состояний рецептора в межстимульные интервалы.

Физиологическая команда, поступающая к мышце в естественных условиях, представляет собой короткие пачки импульсов, поэтому интересно было выяснить, сможет ли десенситизация проявиться в ходе пачки ТКП, состоящей всего из нескольких сигналов? Для этого создавали условия, благоприятствующие развитию десенситизации. В частности, опыты проводили в присутствии промотора десенситизации — агента SKF-525A, структурного аналога АХ, не обладающего агонистической активностью [11, 13].

В опытах с SKF-525A в ходе пачки ТКИ из 15-17 сигналов (частота стимуляции— 10 Гц) происходило значительное (до 25% от исходной величины) снижение амплитуды ТКП [3, 13]. Постсинаптическая природа этого снижения, то есть связь его с десенситизацией, подтвердилась тем, что эффект был потенциалозависимым, усиливаясь при гиперполяризации мембраны. При трактовке физиологической роли этих наблюдении следует иметь в виду, что такие эндогенные биологически активные соединения как пептид, генетически родственный кальцитонину [10], и тимопоэтин [16] способны в физиологических концентрациях, как и SKF-525A, значительно ускорять развитие десеиситизации. В наших экспериментах было установлено, что такой же способностью обладает другой нейропептид — субстанция Р [6]. Кроме того, десенситизацию в ходе короткой пачки ТКП ускоряют такие агенты, как блокатор кальциевых каналов верапамил [5] и антимитотические средства винбластин и колхицин [2]. Можно ожидать, что указанные лекарственные агенты при использовании в высоких дозах могут способствовать развитию мышечной слабости за счет влияния на скорость развития десеиситизации.

В синапсах крысы уже короткий 5-секундный период активности синапса (частота 10 Гц) вызывал снижение амплитуды тестовых МТКП до 45%, то есть десенситизация развивалась значительно быстрее, чем у лягушки.

Развитие десеиситизации при ритмической активности синапса, хотя и в меньшей степени, чем при ингибированной АХЭ, наблюдалось и при активной АХЭ. В этом случае снижение чувствительности также было более выражено у теплокровных, чем у холоднокровных животных. Следует учесть, что использованные частоты стимуляции нерва были существенно ниже, чем естественная активность двигательного нерва.

Таким образом, десенситизация при активной и ингибированной АХЭ может развиваться в ходе ритмической активности синапса в результате накопления эндогенного АХ и служить одним из компонентов депрессии синаптической передачи. Необходимым условием этого является высокий (физиологический) уровень квантового состава, обеспечивающий повторное попадание квантов АХ на ранее активированный участок мембраны.

2. Роль десенситизированных рецепторов в генерации одиночного сигнала. Известно, что десенситизированные рецепторы могут быть нормальным компонентом постсинаптической мембраны. Кроме того, предполагается, что такие рецепторы обладают повышенным сродством к АХ [11]. Это дает основания думать, что десенситизация может влиять не только на передачу ритмических серий сигналов через синапс, но и что десенситизированные рецепторы могут определят амплитуду и длительность одиночных синаптических сигналов.

Для ответа на вопрос о функциональной роли десенситизированных рецепторов в процессе генерации одиночного сигнала сравнивали влияние на амплитуду и длительность спада МТКП: а) частичной десеиситизации, вызванной экзогенным АХ, и б) блокирования рецепторов необратимым блокатором — а-бунгаротоксином. Известно, что а-бунгаротоксин способен при ингибированной АХЭ вызывать ускорение спада синаптического сигнала за счет уменьшения повторной активации рецепторов АХ. В наших экспериментах при сопоставлении амплитуды и длительности синаптических токов в двух указанных ситуациях оказалось, что десенситизиро- ванные рецепторы осуществляют эффект укорочения сигнала (и снижают повторную активацию ХР) гораздо более эффективно, чем блокированные а-бунгаротоксином [15]. В последнем случае такое же, как при развитии десеиситизации укорочение МТКП, требует значительного уменьшения амплитуды сигнала. Десенситизированные рецепторы укорачивают сигнал первоначально практически без изменения его амплитуды, что может быть объяснено высокоаффинным улавливанием АХ из синаптической щели. Таким образом, по эффективности устранения повторной активации рецепторов АХ и по их роли в синаптической передаче десенситизирован- ные рецепторы могут быть сопоставлены с ферментом АХЭ.

Такое представление о роли десенситизированных рецепторов как «ловушек» для АХ может объяснить те большие вариации в степени замедлений ËpéMéHHôfô хода синаптических сигналов, которые исследователи наблюдают при использовании ингибиторов АХЭ разного механизма действия, поскольку ингибиторы АХЭ могут продуцировать разное число десенситизированных рецепторов. Дозируемое продуцирование таких рецепторов, способных заменить АХЭ, может быть использовано для патогенетической терапии при отравлениях ингибиторами АХЭ.

3. Роль неквантовой секреции медиатора в продуцировании десенситицированных рецепторов. В качестве трактора, обеспечивающего в отсутствие импульсной активности синапса появление десенситизированных рецепторов в постсинаптической мембране может выступить неквантовая секреция медиатора, составляющая до 98% АХ, выделяемого в покое [14]. Для проверки такой возможности сравнивали динамику неквантовой секреции и параметров МТКП.

Оказалось, что на фоне ингибированной армином АХЭ параллельно с падением уровня неквантовой секреции происходит укорочение синаптических сигналов. Этот эффект отсутствовал, если предварительно была выключена неквантовая секреция с помощью денервации, ионами Mg²+ и оуабаином [8, 9, 12]. Кроме того, оказалось, что процесс укорочения МТКП, как и десенситизация, отличается высокой чувствительностью к температуре — при ее повышении он значительно ускорялся и сопровождался вслед за укорочением сигналов падением их амплитуды [4]. Укорочение сигналов развивалось быстрее в тех синапсах, где их исходная длительность, а следовательно, и концентрация эндогенного АХ были выше [12]. И, наконец, усиление неквантовой секреции за счет удаления ионов Mg²⁺ [17] усиливало и ускоряло эффект укорочения.

Исходя из этих данных,' можно сделать вывод о том, что неквантовая секреция АХ способна влиять на квантовые ответы, обеспечивающие проведение возбуждения с нерва на мышцу. Эффект неквантового АХ, направленный на увеличение количества десенситизированных рецепторов в сочетании со способностью последних как «ловушек» улавливать свободный АХ в синаптической щели, может служить компенсаторным механизмом, направленным на ycтранение избытка медиатора. Это особенно важно в онтогенезе, при синдромах функциональной недостаточности АХЭ, в тонических мышцах и холинергических синапсах ЦНС. Кроме того, целенаправленная регуляция уровня неквантовой секреции может оказаться полезным инструментом для нормализации синаптических сигналов при интоксикациях ингибиторами АХЭ.

Таким образом, десенситизация под влиянием эндогенного АХ как квантового, так и неквантового происхождения может регулировать функциональное состояние постсинаптической мембраны холинергического синапса в скелетной мышце. В данной работе мы рассмотрели лишь часть вопросов, касающихся изменений чувствительности постсинаптической мембраны под влиянием агониста. Помимо приведенных в настоящей работе результатов, нами были получены данные о том, что АХ способен вызвать необратимую инактивацию рецепторов [15], а также блокировать им же открываемый ионный канал [7]. Эти данные позволяют сформулировать концепцию постсинаптической пластичности химического синапса, в основе которой лежат кратковременные и долговременные переходы холинорецепторов в различные кинетические состояния под влиянием самого АХ, что в итоге приводит к приспособлению синаптического аппарата к новым условиям функционирования. Эти данные раскрывают новые механизмы, через которые может осуществляться целенаправленная коррекция синаптической передачи.