5 курс / Пульмонология и фтизиатрия / Бронхиальная_астма_В_2_томах_Том_1_Чучалин_А_Г_1997

нейшему детальному определению подтипов мускариновых холинорецепторов.

Мускариновые рецепторы связывают с различными пострецепторными механизмами, которые включают ингибирование аденилатциклазы и сти­ муляцию оборота фосфатидилинозитола с образованием инозитолтрифосфата. Появляется все больше данных о том, что М,- и М3-холинорецепторы преимущественно связаны с метаболизмом фосфатидилинозитола, а М2-хо- линорецепторы —с ингибированием аденилатциклазы. Некоторые аспекты взаимоотношений между разными подтипами мускариновых холинорецепторов в процессах регуляции тонуса гладкой мускулатуры представлены на схеме (рис.1).

Рис. 1 Участие симпатических и парасимпатических механизмов в балансе сократительных и релаксирующих реакций гладкой мускулатуры (схема)

Баланс между сокращением и расслаблением гладкой мускулатуры зависит от преоблада­ ния симпатических или парасимпатических влияний. На данной модели М2- и М3-мускарино- вые рецепторы модулируют сократительные реакции. М,-рецепторы медиируют сокращения гладкой мускулатуры за счет связывания с G-белком (Gq), воздействия на метаболизм инозитол( 1,4,5)-трифосфата (IP3) и диаиилглицерина(ОАО) с последующим повышением концент­ рации ионов Са в клетке. Стимуляция p-адренорецепторов вызывает релаксацию гладкой му­ скулатуры за счет повышения активности аденилатциклазы; активация М2-рецепторов, сопро­

вождающаяся связыванием с Gi, устраняет указанные адренергические влияния.

140

Мускариновые рецепторы в настоящее время клонируют и экспресси­ руют в тканях человека и животных. Выделены и описаны не менее пяти различных рецепторных белков. Но их тонкие связи с фармакологически охарактеризованными рецепторами пока не ясны.

Тем не менее, благодаря фармакологическим и генетическим исследо­ ваниям, в последние годы были получены новые данные, касающиеся мо­ лекулярных основ функционирования мускариновых холинорецепторов (Barnes, 1992; Widdicombe, 1993; Elgen, 1994).

Молекулярные основы функционирования мускариновых холинорецепторов

По современным представлениям мускариновые рецепторы относятся к группе рецепторов, располагающихся на плазматической мембране кле­ ток и передающих внутриклеточный сигнал посредством взаимодействия с гуанидин-нуклеотидсвязанными белками (так называемыми G -проте­ инами). Подобно другим G -протеин-связанным рецепторам, мускарино­ вые рецепторы представляют собой тетрамерную белковую структуру, имеющую спиральную конформацию и состоящую из семи гидрофобных трансмембранных фрагментов, соединенных чередующимися интрацеллюлярными и экстрацеллюлярными петлями. При этом амино-концевой фрагмент располагается в экстрацеллюлярной области, карбокси-конце- вая группа локализована в цитоплазме клетки. Выделенные и в опреде­ ленной степени охарактеризованные к настоящему времени пять подти­ пов мускариновых рецепторов млекопитающих имеют располагающийся трансмембранно сходный по строению фрагмент, состоящий из 145 ами­ нокислот. Кроме того, все подтипы имеют третью большую цитоплазма­ тическую петлю, образованную аминокислотами от 157 до 240, которая (за исключением мембрано-проксимальной части) идентична для всех подтипов мускариновых рецепторов.

Связывание агонистов с мускариновыми рецепторами, как и с други­ ми G -связанными типами рецепторов, сопровождается пусковыми конформационными изменениями фрагментов спиральной белковой струк­ туры, которые затем передаются на их цитоплазматические участки, где происходит взаимодействие со специфическими G -белками. Считается, что связывание лиганда с мускариновым рецептором происходит в “кар­ мане”, образованном в области кругообразно расположенных семи транс­ мембранных спиралей за счет ион-ионных взаимодействий между поло­ жительно заряженной катионной головкой аминогруппы, присутствую­ щей практически во всех холинергических соединениях, и остатком ас­

141

парагиновой кислоты (Asp 147). Такое представление основывается на ре­ зультатах многочисленных, в том числе генно-инженерных, исследова­ ний с использованием меченых агонистов мускариновых рецепторов, в частности 3Н+-пропилбензилилхолина и 3Н+-ацетилхолина, а также дан­ ных о том, что замена остатка Asp 147 на остаток другой аминокислоты ведет к утрате способности рецептора связывать соответствующий лиганд. Учитывая данные о том, что указанный остаток Asp имеется и в |}2-адре- норецепторах и выполняет в них сходные функции по связыванию ами­ ногруппы соединений, обладающих адренергическими свойствами, пред­ полагают, что, наряду с взаимодействием с указанной аминокислотой, имеются и дополнительные молекулярные взаимодействия, определяю­ щие специфичность связывания аминосодержащего лиганда с конкрет­ ным подтипом мускаринового рецептора. В пользу таких представлений свидетельствует факт наличия в гидрофобном ядре мускариновых рецеп­ торов остатков трех аминокислот - серина, триптофана и тирозина, ко­ торые отсутствуют в большинстве других нехолинергических типов ре­ цепторов. Эти данные позволяют полагать , что гидроксильные группы боковых цепей указанных аминокислот обусловливают высокоаффинное взаимодействие с эфирной группировкой молекулы ацетилхолина по типу водородной связи. С этим предположением согласуются данные, полу­ ченные в генно-инженерных экспериментах по замещению остатков ти­ розина на фенилаланин и триптофана на аланин, т.е. на аминокислоты, не содержащие боковых цепей с гидроксильной группой, сопровождав­ шиеся снижением аффинности мутированных рецепторов к АХ и карбахолину в 10—100 раз.

Однако в этих экспериментах не было выявлено такого же снижения аффинности рецепторного белка по отношению к антагонистам муска­ риновых рецепторов. Это указывает на то, что во взаимодействии агонистов и антагонистов с рецептором участвуют различные его субъединицы.

Другой аминокислотой в составе мускаринового рецептора, необходи­ мой для эффективного и специфичного связывания агониста, является пролин (Pro 201), присутствующий практически у всех G-протеинсвязан- ных типов рецепторов, который располагается на внешней стороне спи­ рального узла рецепторного белка и обращен к липидному биослою. Этот аминокислотный остаток не только вовлечен в узнавание лиганда, но и оказывает непрямой конформационный эффект, способствующий его высокоаффинному связыванию.

На основании установленной роли указанных выше аминокислотных остатков в связывании АХ высказано предположение о том, что комплекс

142

ацетилхолин-рецептор можно охарактеризовать не как взаимодействие отдельных фрагментов молекулы агониста с отдельными участками ре­ цепторного белка, а как густую “запутанную” сеть водородных связей, осу­ ществляющихся во множественных структурах рецептора.

Что касается взаимодействия рецепторного белка с антагонистами раз­ личной структуры, то его особенности до настоящего времени остаются недостаточно охарактеризованными. В частности, остается неясным как различные подтипы мускариновых рецепторов “узнают” объёмные гид­ рофобные концевые системы или подходящие боковые цепи, присутст­ вующие в химической структуре практически всех активных мускарино­ вых антагонистов. Исследования с использованием селективных антаго­ нистов разных подтипов мускариновых рецепторов (например, антаго­ ниста М^рецепторов - пирензепина или антагонистов М4-рецепторов — химбацина и AQRA 741) показали, что лиганд, как правило, взаимодейст­ вует с общим для разных подтипов участком рецептора, а также дополни­ тельно связывается с другим его фрагментом, специфичным для данного подтипа рецептора. Более детальное структурное картирование этих уча­ стков рецептора, определяющих селективность связывания соответству­ ющего антагониста, является в настоящее время предметом углубленно­ го изучения.

Нельзя не отметить и еще один тип М-холинорецепторов. Речь идет о так называемых внесинаптических образованиях, эндогенным лигандомактиватором которых является АХ. Внесинаптические М-холинорецеп- торы идентифицированы на мембранах эритроцитов, нейтрофилов, гранулоцитов и лимфоцитов. Для характеристики этих рецепторов были пременены те же методические приёмы и фармакологические анализаторы, которые обычно используют для работы с синаптическими рецепторами. Установлено, что холиномиметические вещества высокоспецифично и с высокой степенью сродства связываются с этими рецепторами и вызыва­ ют изменение эффекторных свойств соответствующих клеток крови. Так, например, холиномиметики увеличивают выход из лейкоцитов лизосомальных ферментов, повышают синтез ДНК и белка, усиливают цитотоксический эффект Т-лимфоцитов, увеличивают миграцию лимфоци­ тов. Антихолинергические препараты блокируют указанные эффекты. В отличие от белковой структуры, лежащей в основе синаптических холинорецепторов, М-холинорецепторы, располагающиеся на плазматичес­ ких мембранах клеток крови, имеют в качестве акцепторной части поли­ сахарид. Имеющаяся информация о свойствах и функциях внесинапти­ ческих холинорецепторов достаточно ограничена, чтобы делать оконча­ тельные выводы. Однако известно, что их количество, находящееся накле-

143

точной мембране одной клетки крови, сопоставимо с таковым для рецеп­ торов к другим медиаторным веществам и составляет 3-8 х 104 на клетку. На популяции клеток может существовать только один тип рецептора. Например, на популяции лимфоцитов, имеющих М-холинорецепторы, нет рецепторов к адреналину, норадреналину, гистамину, опиатам, серо­ тонину и др. Полагают, что роль внесинаптических холинорецепторов сво­ дится к тонкому регулированию и сопряжению интегративных свойств мембраны в процессах инициации и дифференцировки иммунокомпетентных клеток.

Холинергические механизмы в бронхолегочной системе

Согласно распространенной точке зрения холинергическая иннерва­ ция в бронхолегочной системе в основном оказывает воздействие на уров­ не трахеи, крупных и в меньшей мере средних бронхов и не играет суще­ ственной роли на уровне мелких бронхов, тогда как адренергические структуры относительно равномерно распределены по всей протяженно­ сти бронхиального дерева. Следует отметить, что если в отношении адре­ нергических механизмов полученные еще в 60-х годах данные о ведущей роли р2-адренорецепторов в регуляции тонуса бронхиальной мускулату­ ры не претерпели существенных изменений и остаются фундаменталь­ ной основой применения Р2-агонистов для целей фармакотерапии бронхообструктивного синдрома, то в отношении холинергических механиз­ мов положение изменилось.

Как уже отмечалось, холинергические механизмы, участвующие в раз­ витии спастических заболеваний легких, связаны, главным образом, с блуждающим нервом, являющимся важным регулятором тонуса гладкой мускулатуры бронхов и секреции бронхиальной слизи. Наряду с блужда­ ющим нервом, холинергические механизмы, регулирующие функции ды­ хания, включают и дополнительные нейрогенные структуры, передатчи­ ком нервного возбуждения в которых является АХ. Эти механизмы вклю­ чают холинергическую иннервацию желез, расположенных под слизис­ той оболочкой, выстилающей внутреннюю поверхность трахеобронхиаль­ ного дерева, холинергическую иннервацию скелетных мышц, мышц носа и глотки (а также слизистой оболочки этих органов) и сосуды подслизистых образований данной анатомической области.

Блуждающий нерв иннервирует бронхиальную мускулатуру, а также со­ суды и клетки слизистой оболочки на всем протяжении трахеобронхи­ ального дерева от трахеи до бронхиол диаметром 0,5 мм. Об его участии в нейрогенном контроле легких свидетельствуют результаты многочислен­

144

ных экспериментов, в которых стимуляция этого нерва или введение холиномиметических веществ (ацетилхолин, метахолин, карбахолин) вы­ зывают бронхоконстрикцию, а блокада блуждающего нерва вызывает уме­ ренную бронходилатацию и снижение или устранение спазма бронхов. Бронхоспазм, наблюдаемый в обоих легких при унилатеральной стиму­ ляции холинорецепторов или ветвей блуждающего нерва, является допол­ нительным доказательством рефлекторной регуляции тонуса бронхиаль­ ной мускулатуры.

Общепризнанной классификации холинореактивныхструктур вдыха­ тельной системе не существует. Тем не менее, среди них можно выделить преимущественно по функциональному признаку группу рецепторных об­ разований, участвующих в реализации как сенсорных, так и моторных реакций.

В экспериментальных условиях на животных, в частности на собаках, показано существование трех типов холинорецепторов в трахеобронхи­ альном дереве, которые рассматривают в качестве сенсорных образова­ ний.Первый из них - рецепторы растяжения или механорецепторы —рас­ положены в гладких мышцах дыхательных путей, растяжение которых является для них адекватным раздражителем. Функция данного типа ре­ цепторов состоит в адаптации частоты нейрональной импульсации к уров­ ню деформации соответствующего бронха при акте дыхания. Возбужде­ ние от этих рецепторов передается по миелинизированным волокнам со скоростью от 5 до 68 мс (у собак). Физиологический эффект возбуждения механорецепторов выражается в ингибировании вдоха (рефлекс Hering— Breuer), а также в расслаблении бронхиальной мускулатуры. Этот рефлекс развивается только в условиях полного расширения легких и не наблюда­ ется при нормальном дыхании. Он может быть устранен антихолинергическими (холиноблокирующими или холинолитическими) препаратами и, кроме того, не возникает при высоком уровне эндогенного кортизола в плазме крови. Повышение парциального давления С 0 2 в альвеолах дела­ ет рефлекс более чувствительным. У большинства видов млекопитающих рецепторы растяжения (механорецепторы) обнаружены в крупных воз­ духоносных путях, особенно в области корня легких и в трахее.

На основании экспериментов на животных установлено, что сущест­ вует и другой, связанный с блуждающим нервом тип рецепторов в лег­ ких, получивших в литературе различные названия: J-рецепторы, рецеп­ торы высокого порога вдоха, юкстапульмонарные капиллярные рецепто­ ры, немиелинизированные афферентные С-волокна. У кошек эти нерв­ ные окончания располагаются в ткани легких между капиллярами и аль­ веолярной стенкой. Их стимуляцию вызывают фенилгуанидин и капсаи-

145

цин. Связанные с этими рецепторами нервные волокна являются немиелинизированными и проводят импульсы со скоростью от 0,8 до 2,4 мс. В физиологических условиях их функционирование у человека не выясне­ но. Экспериментальные животные по разному реагируют на стимуляцию J-рецепторов. Например, у собак при этом наблюдается апноэ с последу­ ющим тахипноэ. Не исключено, что подобные рецепторы имеются и у человека, так как апноэ с последующим тахипноэ вызывает аналептик ло­ белии, стимулирующий н-холинореактивные структуры ганглиев. Сход­ ные с J-рецепторами структуры обнаружены в коже, где они связаны с ноцептивными реакциями.

Еще один вид связанных с нейрогенной регуляцией блуждающим нер­ вом рецепторов бронхолегочной системы - так называемые рецепторы раздражения. Они представляют собой тонкие миелинизированные во­ локна, передающие импульсы со скоростью около 20 мс. У животных эти рецепторы выявлены около эпителиальных клеток, в частности, у их ос­ нования или вблизи просвета воздухоносных путей. Рецепторы раздра­ жения и связанные с ними волокна получили названия быстроадаптирующихся рецепторов, рецепторов выдоха, deflation-receptors. Стимуляцию этих рецепторов вызывает большое число эндогенных и экзогенных фак­ торов —аммиак, сигаретный дым, пыль, форсированные вдох и выдох, ингаляции гистамина, биогенные вещества, образующиеся при реакциях немедленного типа гиперчувствительности, микроэмболы в сосудах ле­ гочного круга кровообращения и др. Возможно, такой же эффект вызы­ вает и сокращение нижележащих мышц.

В связи с большими трудностями выделения и исследования перечис­ ленных видов рецепторов многие экспериментальные факты не могут быть перенесены на человека. Можно полагать, что стимуляция рецепторов способна вызвать рефлекторную бронхоконстрикцию. В пользу этого предположения свидетельствуют данные о повышении чувствительнос­ ти, в частности, рецепторов растяжения под влиянием ингаляций озона или гриппозной инфекции, сопровождающихся повреждением эпителия слизистой оболочки дыхательных путей. Эти данные подтверждают изве­ стный клинический факт повышения чувствительности бронхолегочных путей (гиперреактивность бронхов) на фоне инфекционных заболеваний легких.

Уже упоминавшиеся выше нехолинергические неадренергические ме­ ханизмы играют значительную роль в функционировании сенсорных ре­ цепторов, связанных с блуждающим нервом. Так, J-рецепторы (С-волок- на) содержат вещество Р, нейрокинин А и пептид, связанный с геном кальцитонина. Эти нейропептиды выделяются при нейрогенном воспалении

146

и вызывают стимуляцию J-рецепторов с последующим развитием аксонрефлекса, распространяющегося к связанным с этими рецепторами окон­ чаниям, локализующимся в эпителии воздухоносных путей, сосудах, подслизистых железах, а у некоторых видов животных —и в гладкой мускула­ туре бронхов. Таким образом, активация рецепторов в одном месте, на­ пример в слизистой оболочке воздухоносных путей, за счет вызванного аллергеном высвобождения гистамина из тучных клеток повышает ней­ рональную активность в других тканях бронхолегочного аппарата. Высво­ бождение нейропептидов из сенсорных нервных образований может мо­ дулироваться под влиянием различных веществ (см. табл. 1), а сами они в свою очередь независимо могут возбуждать соответствующие рецепторы.

Таблица 1

Пресинаптические рецепторы, модулирующие высвобождение нейропептидов из сенсорных нервов в воздухоносных путях морской свинки

( по P.Bames, 1992)

Определенное значение в функционировании дыхательного аппарата имеет холинергическая иннервация скелетных мышц носа и глотки, а так­ же слизистой оболочки, подслизистых желез и кровеносных сосудов этих образований. Так, холинергические мотонейроны носовых мышц, а так­ же мышц нёба и гортани играют существенную роль в регуляции носовой

147

проходимости. Активация холинергических механизмов, регулирующих гемодинамику в этой анатомической области, вызывает расширение со­ судов, утолщение слизистой оболочки и затруднение носовой проходи­ мости. У больных с обструктивными заболеваниями легких при наруше­ нии носового дыхания и раннем включении дыхания через рот наблюда­ ются усиление и учащение бронхоспастических реакций из-за гиперре­ активности бронхов, реагирующих на температуру вдыхаемого воздуха, наличие в нем раздражающих химических веществ или пыли и т.п. Кроме того, существует назобронхиальный рефлекс, весьма чувствительный у астматиков, который вызывает усиление бронхоспазма при раздражении слизистой оболочки носа.

Гортань является одним из компонентов общего сопротивления возду­ хоносных путей вне зависимости от типа дыхания (через рот или нос). Мышцы гортани относятся к поперечнополосатым и иннервируются холинергическими мотонейронами. Действие холинергического медиатора здесь носит никотиноподобный характер и не блокируется обычными дозами атропина. При астме, других обструктивных бронхолегочных за­ болеваниях, а также при бронхоспазме, вызванном ингаляцией аэрозо­ лей метахолина и гистамина, наблюдается спазм мышц гортани. В этой связи важно отметить, что являющаяся атропинрезистентной ларингеаль­ ная обструкция, ведущая к повышению общего сопротивления воздухо­ носных путей, может быть неправильно интерпретирована как нехолинергическая.

АХ и другие холинергические вещества (например, метахолин и пило­ карпин) являются сильными стимуляторами секреции экзокринных же­ лез, в том числе продуцирующих бронхиальную слизь. Аналогичное дей­ ствие у лабораторных животных оказывает и стимуляция блуждающего нерва. Эти эффекты в значительной степени или полностью блокируют­ ся антихолинергическими препаратами. Наряду с холинергической име­ ется и симпатическая иннервация подслизистых желез. Поэтому агонис­ ты а,- и |32-адренорецепторов (мезатон и сальбутамол соответственно) могут стимулировать секрецию бронхиальной слизи. Сходное повыше­ ние активности бронхиальных желез вызывают и присутствующие в лег­ ких пептиды - вазоинтестинальный пептид и вещество Р. Как и при ана­ лизе роли разных механизмов в контроле тонуса бронхиальной мускула­ туры, важность нехолинергических неадренергических регуляторных ме­ ханизмов в функционировании секретирующих слизь бронхиальных же­ лез в сравнении с холинергическим не ясна, однако в целом можно ут­ верждать, что холинергическая иннервация превалирует. Об этом, в ча­ стности, свидетельствуют многочисленные экспериментальные и клиниче­ ские данные о торможении секреции слизи в трахеобронхиальном дереве под влиянием холинолитических препаратов как на изолированных препаратах, так и у здоровых лиц и больных бронхолегочными заболеваниями.

148

Как известно, холинергические нервы являются важными проводни­ ками нервной регуляции в дыхательных путях, играющими существен­ ную роль в реализации всех основных функций бронхолегочной систе­ мы. Холинергические бронхолегочные волокна идут от блуждающего нер­ ва к синапсам в парасимпатических ганглиях в тканях дыхательных пу­ тей. Нейромедиатор АХ высвобождается из постганглионарных волокон и связывается с мускариновыми рецепторами, локализованными на клет­ ках-мишенях.

Ауторадиографические исследования легких человека показали высо­ кую плотность мускариновых рецепторов на гладкой мускулатуре цент­ ральных дыхательных путей, подслизистых железах и парасимпатических ганглиях. Низкая плотность указанных рецепторов была обнаружена по ходу холинергических нервов. Идентификация подтипов М-холинорецеп- торов, обнаруженных в этих исследованиях, может привести к лучшему пониманию участия холинергического контроля тонуса бронхиальных мышц, секреции слизи и улучшению антихолинергической терапии за­ болеваний, сопровождающихся бронхообструктивным синдромом.

Несмотря на недостаток информации по этому вопросу, считается, что М,-холинорецепторы имеются в парасимпатических ганглиях и участву­ ют в усилении ганглионарной передачи, М2-холинорецепторы —в окон­ чаниях холинергических нервов, где они выполняют роль ауторецепто­ ров, тормозящих выброс ацетилхолина, и, наконец, М3-холинорецепто- ры локализованы на эффекторных клетках. То есть первые два подтипа этих рецепторов участвуют главным образом в проведении импульсов в парасимпатических нервных структурах, тогда как рецепторы третьего подтипа участвуют в активации клеток-мишеней, которым адресованы эти импульсы: гладкомышечным клеткам, клеткам подслизистых желез и эндотелиальным клеткам легочных микрососудов.

Анализ этих данных приводит к предположению о том, что селективные антагонисты М3-холинорецепторов могут быть более эффективными бронходилататорами, чем существующие в настоящее время недостаточно селек­ тивные антагонисты атропинового ряда. Однако, несмотря на активный по­ иск, ведущийся в настоящее время рядом фармацевтических компаний, ле­ карственных препаратов такого механизма действия пока не создано.

Использование антихолинергических препаратов в пульмонологии

Антихолинергические лекарственные средства (антагонисты ацетилхо­ лина) издавна и широко используют в разных областях медицины, в том числе и в пульмонологии. Эти препараты блокируют как пре-, так и постсинаптические рецепторы, с чем связана недостаточная избирательность их действия на М-холинорецепторы разных подтипов.

149