Журнал эволюционной биохимии и физиологии, 2019, T. 55, № 5, стр. 316-323

ВВЕДЕНИЕ

Барорецепторный рефлекс является наиболее известным нейрогенным механизмом контроля артериального давления. Барорефлекс запускается в ответ на разнообразные внутренние и внешние стимулы, которые вызывают резкое повышение или снижение артериального давления, например, при различных стрессорных состояниях, физической нагрузке и изменениях положения тела в пространстве. Барорефлекторный механизм возвращает артериальное давление к начальному уровню через контролируемые вегетативной нервной системой хронотропные и инотропные реакции сердца и сосудов.

Увеличение содержания кислорода в дыхательной среде в нормобарических или гипербарических условиях никогда не рассматривалось в качестве причинного фактора, запускающего нейрогенный механизм регуляции кровообращения. Тем не менее сердечно-сосудистая система человека и позвоночных животных отвечает на гипероксию путем вазоконстрикции, брадикардии и снижения сократимости миокарда левого желудочка сердца. Указанные физиологические реакции изучаются давно, и каждая из них рассматривается как самостоятельный адаптивный механизм, направленный на ограничение поступления в организм избыточного количества кислорода через снижение кровообращения. Гипероксическая вазоконстрикция наблюдается у человека и животных [1–4] и, как предполагалось, эта реакция осуществляется путем прямого действия кислорода на гладкие мышцы сосудов [5, 6]. Однако за долгие годы изучения феномена гипероксической вазоконстрикции механизм прямого действия кислорода на сосуды остается неясным. Сравнительно недавно показано, что в реализации гипероксической вазоконстрикции принимает участие эндотелий-производный оксид азота [7, 8]. Кровеносные сосуды суживаются по причине того, что усиленно генерируемые в их стенке супероксиданионы связывают (инактивируют) оксид азота (NO), в результате чего утрачивается NO-опосредованный базальный вазорелаксирующий компонент сосудистого тонуса [2, 9–11]. Артериальное давление при дыхании нормобарическим или гипербарическим кислородом повышается как у человека [4, 12], так и у позвоночных животных [13], однако механизм развития острой гипертензии остается малопонятным. Брадикардия является самой известной реакцией на гипероксию, которая ослабевает у животных при блокаде мускариновых холинергических рецепторов или ваготомии [12, 14]. Спектральный анализ вариабельности пульсового ритма показал, что кислород приводит к замедлению сердечных сокращений через повышение активности парасимпатической системы [14], однако причина возникновения брадикардической реакции не ясна. Снижение минутного объема кровотока при гипероксии многократно демонстрировалось и связывалось с брадикардией, хотя понижение сократимости миокарда (уменьшение ударного объема) также не исключалось [15, 16].

Итак, если вазоконстрикцию рассматривать как первичный ответ на гипероксию, приводящую к острой гипертензии, а брадикардию и снижение сердечного выброса – как ответные реакции, тогда все названные сердечно-сосудистые реакции можно объединить в единый барорефлекторный механизм регуляции артериального давления и кровообращения при дыхании кислородом. Данная гипотеза предполагает, что подъем артериального давления, возникающий за счет NO-опосредованной вазоконстрикции, стимулирует аортальные и каротидные барорецепторы, импульсация от которых интегрируется в головном мозге, а затем по нисходящим эфферентным путям вызывает брадикардию и снижение сердечного выброса. Тестирование этой гипотезы являлось целью настоящего исследования, для решения которой были поставлены задачи изучить афферентные, эфферентные и центральные звенья артериального барорефлекса, его устойчивость и эффективность в регуляции сердечно-сосудистой системы при дыхании кислородом под давлением 1, 3 и 5 АТА.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования выполнены на крысах-самцах линии Wistar массой 280–320 г. Протокол опытов одобрен Комиссией по этике ИЭФБ РАН в соответствии с Международными рекомендациями по проведению медико-биологических исследований с использованием животных (CIOMS, Geneva, 1985). Животному под наркозом (нембутал, 50 мг/кг внутрибрюшинно) вводили полиэтиленовые катетеры диаметром 2 мм в дугу аорты через правую сонную артерию и в правое предсердие через яремную вену. Два дисковых электрода устанавливали на груди подкожно для регистрации электрокардиограммы (ЭКГ). Катетеры вместе с отводящими проводами ЭКГ проводили подкожно и закрепляли на кости черепа. Катетеры заполняли раствором, содержащим NaCl (0.9%), глюкозу (2.5%), гепарин (300 МЕ/мл), и промывали ежедневно. Для внутримозгового введения препаратов каждому животному устанавливали металлическую канюлю в боковой желудочек головного мозга (стереотаксические координаты: Р = –1.0 мм, L = 1.5 мм, D = 3.5 мм). В теменную кость черепа билатерально до соприкосновения с твердой мозговой оболочкой имплантировали 2 стальных винта, которые использовались для регистрации ЭЭГ. Канюлю с металлическими винтами фиксировали на кости зубопротезным цементом. В день опыта в боковой желудочек мозга вводили нипекотиновую кислоту (НПК) (Nipecotic acid, Sigma Aldrich, Germany) – неселективный ингибитор синаптических ГАМК-транспортеров. Препарат растворяли в искусственном ликворе и в необходимом количестве (0.05 мг НПК в 7 мкл ликвора) вводили в мозговой желудочек через размещенную в канюле иглу, соединенную с микрошприцем (Hamilton, 10 мкл). Указанная доза является пороговой величиной, выше которой наблюдаются расстройства двигательной функции у крыс при тестировании их на вращающемся стержне (Rotarod test). Животным контрольной группы вводили искусственный ликвор в таком же объеме. Измерения органного кровотока проводили у животных отдельной группы методом клиренса водорода с помощью платиновых электродов, установленных вокруг левой почечной вены, каудальной полой вены и над стоком синусов твердой мозговой оболочки [17]. Для изучения эфферентных и афферентных путей барорефлекса выполняли механическую и химическую деафферентацию каротидных барорецепторов, перерезку аортальных депрессорных нервов или одно- или двустороннюю ваготомию по известной методике [18]. Эксперименты на бодрствующих животных проводились в следующем порядке. Через 5–7 дней после операции крысу размещали в барокамере в специально сконструированной матерчатой жилетке, мягко фиксирующей ее в подвешенном горизонтальном положении. К такой фиксации животное приучали до опыта. После 30-минутной стабилизации измеряли контрольные значения физиологических параметров при дыхании атмосферным воздухом. Далее в течение 30 мин измеряли органный кровоток при дыхании чистым кислородом через маску или определяли индекс чувствительности барорефлекса (ЧБР), являющийся показателем эффективности барорефлекторного контроля артериального давления [19], путем вычисления соотношения между изменением частоты сердечных сокращений и среднего артериального давления в ответ на внутривенное введение фенилэфрина (2 мг/кг). После этого воздух в закрытой барокамере заменяли на кислород (>95% О₂) и осуществляли его компрессию со скоростью 1 АТА/мин до достижения заданных значений давления (3 или 5 АТА). Экспозиция (изопрессия) продолжалась в течение 60 минут. Температуру в барокамере поддерживали в пределах 23–25°С. Измерения физиологических параметров (артериальное давление, ЭКГ, ЭЭГ) проводили непрерывно. Во время гипербарической гипероксии (3 и 5 АТА) ЧБР определяли на основе вычислений соотношения между спонтанными изменениями артериального давления и ЧСС у животных в барокамере [19]. Для расчетов применяли специализированные программы обработки данных (LabView 2, iWORK, CA, USA).Статистическую обработку данных проводили с использованием программного обеспечения StatView (SAS Institute, Cary, NC, USA). Абсолютные или процентные изменения гемодинамических параметров и показатели чувствительности барорефлекса сравнивали с исходными величинами на воздухе, используя однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA). Двухфакторный дисперсионный анализ с повторением использовали для определения эффектов ГБО2 при сравнении результатов между двумя опытными группами животных. Для выявления достоверности использовали парный t-критерий. Все данные представлены как М ± m, при этом в качестве статистически значимых принимали значения p < 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Дыхание чистым кислородом под давлением 1 и 3 АТА приводило к снижению кровотока в головном мозге, левой почке и суммарно в органах таза и нижних конечностях (рис. 1). Уменьшение органного кровотока наблюдалось на фоне подъема артериального давления, что свидетельствует о вазоконстрикции в исследуемых сосудистых бассейнах. Достоверный прессорный эффект выявлялся уже при парциальном давлении кислорода 1 АТА (100% О₂ при атмосферном давлении). По мере повышения дозы вдыхаемого кислорода прессорная реакция возрастала. Расчет сосудистого сопротивления току крови (∆ давление/∆ кровоток) в изучаемых органах показал наибольшую величину этого параметра в головном мозге. Следовательно, причиной острого подъема артериального давления является повышение периферического сосудистого сопротивления, возникающего вследствие гипероксической вазоконстрикции в органах.

Рис. 1.

Изменения органного кровотока у крыс при дыхании кислородом под давлением 1 и 3 АТА. По оси абсцисс: исследуемые органы – левая почка, органы малого таза и нижние конечности суммарно, головной мозг. По оси ординат: изменения кровотока при гипероксии, в процентах, по отношению к кровотоку при дыхании воздухом (контроль принят за 100%). 1 АТА (серый), 3 АТА (черный цвет). * p < 0.05 к контролю, # p < 0.05 к 1 АТА.

Прессорные реакции и вазоконстрикция сохранялись при гипероксии после введения селективных или неселективных блокаторов альфа-адренорецепторов (празозин, фентоламин) или бета-адренорецепторов (атенолол, пропранолол). Однако артериальное давление и органный кровоток достоверно не изменялись в ответ на ингаляцию кислорода после системного ингибирования синтазы оксида азота (NOS) с помощью L-NAME (N(G)-Nitro-L-arginine methyl ester).

Рис. 2.

Прессорные реакции артериального давления на дыхание кислородом 1 АТА у крыс с интактными и денервированными барорецепторами. По оси абсцисс: время дыхания кислородом (сек). По оси ординат: изменение артериального давления (мм рт.ст) по отношению к исходным значениям при дыхании воздухом. АКД – аортально-каротидная бароденервация; СКД – сино-каротидная бароденервация; ИНТ – интактные барорецепторы. ** р < 0.01 к СКД и ИНТ.

При двусторонней денервации барорецепторов каротидных синусов прессорная реакция на кислород 1 АТА была такой же, как и у интактных животных, тогда как совместная каротидная бароденервация и перерезка аортальных нервов усиливали прессорную реакцию на гипероксию (рис. 2). Прессорная реакция на гипероксию 3 АТА у животных с двусторонней денервацией каротидных барорецепторов достоверно повышалась на 17 ± ± 2.1% (р < 0.05), тогда как у крыс с полной деафферентацией аортальных и каротидных барорецепторов артериальное давление увеличивалось на 39 ± 4.4% (р < 0.05). У крыс с односторонней ваготомией брадикардия ослаблялась в гипероксии 3 АТА на 43 ± 6.4% (р < 0.05) и не проявлялась после перерезки двух вагусных нервов.

Рис. 3.

Эффективность барорефлекса у крыс с интактными и денервированными барорецепторами. По оси абсцисс: изменение систолического давления (мм рт.ст.). По оси ординат: изменение R–R интервалов на ЭКГ (мс). ИНТ – интактные барорецепторы, АКД – аортально-каротидная бароденервация.

Показатель чувствительности барорефлекса у контрольной группы крыс, определяемый при введении фенилэфрина, составлял 1.07 ± 0.18 (∆ЧСС/∆АД), а при гипероксии 1 АТА этот показатель увеличивался до 1.63 ± 0.23 (рис. 3). Артериальное давление у бодрствующих животных в барокамере иногда резко повышалось, особенно когда крысы пытались освободиться от мягкой тканевой жилетки. Фрагменты таких спонтанных прессорных реакций совместно с ЭКГ использовались для расчета чувствительности барорефлекса [19]. У крыс с интактными барорецепторами индекс ЧБР увеличивался при гипероксии 3 АТА в среднем в 1.9 раза по отношению к контрольной величине (p < 0.05). Полная денервация аортальных и каротидных барорецепторов приводила к утрате барорефлекторной реакции (данные не показаны).

При гипероксии 5 АТА у интактных крыс наблюдались 2-фазные сердечно-сосудистые реакции. В первой фазе отмечались умеренная артериальная гипертензия и брадикардия. Во второй фазе, через 30–40 минут экспозиции в ГБО₂ наблюдалось острое повышение артериального давления, развивалась тахикардия и появлялись спайковые, высокоамплитудные разряды на ЭЭГ, свидетельствующие о начале судорожного синдрома. Чувствительность барорефлекса в первой фазе повышалась в среднем в 2.2 раза по отношению к контрольной величине, а во второй фазе барорефлекторная функция резко ослаблялась (рис. 4).

Рис. 4.

Чувствительность барорефлекса у крыс в гипероксии 5 АТА. По оси абсцисс: время гипероксической экспозиции (мин). По оси ординат: чувствительность барорефлекса (ЧБР), мс/мм рт. ст.

Введение нипекотиновой кислоты в латеральный желудочек мозга не вызывало достоверных изменений сердечно-сосудистых параметров у контрольных животных при дыхании атмосферным воздухом. Однако у крыс с денервированными барорецепторами отмечалось замедление сердечного ритма и умеренное понижение артериального давления. Эффективность барорефлекса возрастала в гипероксии после активации ГАМК-ергической системы с помощью нипекотиновой кислоты, а чувствительность барорефлекса сохранялась на одинаковом уровне в течение 60-минутной кислородной экспозиции при давлении 5 АТА (рис. 5).

Рис. 5.

Чувствительность барорефлекса у крыс в гипероксии 5 АТА. После активации ГАМК–ергической системы в головном мозге. По оси абсцисс и ординат: обозначения как на рис. 4.

ОБСУЖДЕНИЕ

Выполненные исследования продемонстрировали наличие барорефлекса при дыхании нормобарическим или гипербарическим кислородом. Триггером рефлекса является острый подъем внутрисосудистого давления, возникающий в результате системной гипероксической вазоконстрикции. Афферентную дугу рефлекса представляют барорецепторы аорты и каротидных синусов вместе с отходящими от них нервными волокнами. Эфферентное звено барорефлекса представлено нисходящими волокнами в составе вагусного нерва, иннервирующими сердце и сосуды. Брадикардия и снижение сердечного выброса являются эффекторами реализации барорефлекса, изменяющими артериальное давление и кровообращение при гипероксии. Следовательно, по структурным компонентам гипероксический рефлекторный механизм не отличается от “классического” барорефлекса, контролирующего быстрые изменения артериального давления. Однако существует несколько отличительных особенностей в реализации нейрогенного рефлекса при гипероксии. Во-первых, если в нормальных физиологических условиях триггером барорефлекса является повышение внутрисосудистого давления, вызываемое, в основном, сосудосуживаюшими симпатическими влияниями, то при гипероксии вазоконстрикция не связана с нервными вазомоторными механизмами. Гипероксия вызывает усиленную продукцию супероксиданионов, которые инактивируют эндотелиальный оксид азота, и, косвенно, вызывают вазоконстрикцию вследствие утраты NO-опосредованного вазодилататорного компонента базального сосудистого тонуса [10, 11]. Убедительным подтверждением этому является отсутствие гипероксической вазоконстрикции у мышей с нокаутом эндотелиальной NOS [20]. Во-вторых, если в нормальных условиях одним из важных исполнительных механизмов барорефлекса является вазодилатация, то при гипероксии основной механизм снижения артериального давления – вагус-опосредованная брадикардия, выявленная в настоящей работе, и снижение сократимости миокарда, показанное нами в предыдущем исследовании [21]. В‑третьих, барорефлекторный механизм в гипероксии понижает возросшее артериальное давление, но полностью не возвращает его к исходному уровню. По всей вероятности, барорефлекс при гипероксии адаптируется или “перезапускается” для обеспечения долговременного контроля артериального давления, как это происходит в условиях хронической гипертонии или после краткого гипертензивного эпизода [22, 23].

В настоящей работе не изучались центральные звенья гипероксического барорефлекса и, в частности, причастность отдельных структур мозга к его реализации. При нормоксии активация барорецепторов увеличивает частоту импульсов, передаваемых по афферентным путям к ядрам солитарного тракта, различным областям продолговатого мозга и к другим вышележащим мозговым структурам, где осуществляется обработка этих сигналов [24]. Участвуют ли указанные структуры в передаче и обработке сигналов при гипероксической активации барорецепторов, остается неизвестным. Можно лишь отметить, что в опытах с введением НПК в желудочек мозга выявлена причастность ГАМК-ергической нейропередачи к барорефлекторной регуляции гемодинамики при гипероксии. Установлено, что активация ГАМК-ергической системы в мозге с помощью ингибирования синаптических ГАМК-транспортеров повышала эффективность барорефлекторной регуляции при экстремальной гипероксии 5 АТА.

Как показали настоящие исследования, эффективность и устойчивость барорефлекса зависели от уровня гипероксического воздействия. Индексы ЧБР при гипероксии 1 и 3 АТА были достоверно выше, чем при дыхании атмосферным воздухом, что свидетельствует о повышении эффективности барорефлекса. При 5 АТА наблюдались фазные изменения ЧБР, которые коррелировали с соответствующими реакциями сердечно-сосудистой системы. В первые 30–40 мин кислородной экспозиции отмечались умеренная брадикардия, снижение активности симпатической нервной системы и повышение индекса ЧБР. Продолжение гипербарической оксигенации приводило к развитию второй фазы, которая характеризовалась переключением брадикардии на тахикардию и резким увеличением симпатической активности. В этот период наблюдались положительный хронотропный и инотропный эффекты в работе сердца, значительное увеличение содержания в плазме крови адреналина и норадреналина, а также острое повышение артериального давления [21]. Чувствительность барорефлекса постепенно снижалась и полностью утрачивалась на фоне появления кислородных судорог.

Эффективность барорефлекса при дыхании кислородом зависела также от продолжительности гипероксического воздействия. При нормоксической гипероксии (100% О₂) чувствительность барорефлекса сохранялась примерно в течение 60 ч до появления признаков легочной формы отравления кислородом [25]. При 3 АТА чувствительность барорефлекса была выше, чем до гипероксической экспозиции, и поддерживалась на этом уровне около 4 ч, что позволяет более эффективно реализовать адаптивные гемодинамические реакции, ограничивающие доставку токсической дозы кислорода в организм. Эти реакции в виде прогрессирующей брадикардии и снижения сократительной способности миокарда реализуются путем снижения симпатических и увеличения парасимпатических влияний на сердечную деятельность и периферические сосуды. Существенный вклад в краткосрочную адаптацию к гипероксии вносит также церебральная вазоконстрикция, благодаря которой ограничивается доставка избыточной дозы кислорода в головной мозг и замедляется скорость генерации супероксиданионов и оксида азота [2, 10].

Таким образом, при гипероксии 3 АТА NO-опосредованная вазоконстрикция и последующий барорефлекс совместно ограничивают доставку кислорода, понижают скорость развития окислительного стресса в мозге и отодвигают нейротоксический эффект гипербарического кислорода, по меньшей мере, на 4 часа. Более высокий уровень гипероксии быстро подавляет гипероксический барорефлекс и существенно сокращает время развития кислородных судорог, что мы наблюдали в опытах при 5 АТА. Остается пока неизвестным, какие звенья рефлекторной дуги ответственны за утрату барорефлекса при развитии судорожного синдрома, равно как и какие молекулярные редокс-опосредованные механизмы ответственны за утрату его чувствительности и эффективности. На эти вопросы или на часть из них смогут ответить проводимые нами дальнейшие экспериментальные исследования.