Биофизические процессы в гладкомышечной клетке детрузора мочевого пузыря при реабилитационной стимуляции парасимпатических эфферентов: модельное исследование

Биофизические процессы в гладкомышечной клетке детрузора мочевого пузыря при реабилитационной стимуляции парасимпатических эфферентов: модельное исследование

На компьютерной модели гладкомышечной клетки (ГМК) детрузора мочевого пузыря (ДМП) мы исследовали сопряженные изменения мембранного потенциала (МП), парциальных трансмембранных токов и внутриклеточной концентрации кальция ([Ca²⁺]i ), вызванные парасимпатической стимуляцией, с целью определить биоф...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2016
Hauptverfasser: Коченов, А.В., Поддубная, Е.П., Македонский, И.А., Корогод, С.М.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України 2016
Schriftenreihe:Нейрофизиология
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/148310
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Биофизические процессы в гладкомышечной клетке детрузора мочевого пузыря при реабилитационной стимуляции парасимпатических эфферентов: модельное исследование / А.В. Коченов, Е.П. Поддубная, И.А. Македонский, С.М. Корогод // Нейрофизиология. — 2016. — Т. 48, № 3. — С. 175-185. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-148310
record_format dspace
spelling irk-123456789-1483102019-02-19T01:28:21Z Биофизические процессы в гладкомышечной клетке детрузора мочевого пузыря при реабилитационной стимуляции парасимпатических эфферентов: модельное исследование Коченов, А.В. Поддубная, Е.П. Македонский, И.А. Корогод, С.М. На компьютерной модели гладкомышечной клетки (ГМК) детрузора мочевого пузыря (ДМП) мы исследовали сопряженные изменения мембранного потенциала (МП), парциальных трансмембранных токов и внутриклеточной концентрации кальция ([Ca²⁺]i ), вызванные парасимпатической стимуляцией, с целью определить биофизические основы для выбора параметров медицинской реабилитационной электростимуляции ДМП. Ионои метаботропный эффекты такой стимуляции, имеющие разные латентные периоды (ЛП), имитировали соответственно увеличением проводимости пуринорецепторных каналов сарколеммы и задержанным на 70 мс увеличением проницаемости кальциевых каналов саркоплазматического ретикулума (депо), чувствительных к инозитолтрифосфату (IP3) – конечному продукту цепи реакций, которые запускаются активацией мускариновых холинорецепторов. ГМК отвечала на одиночную стимуляцию генерацией потенциала действия (ПД), близкого к таковому у прототипа. Приложение длительной серии одинаковых стимулов вызывало после переходного процесса стационарные вынужденные колебания МП и [Ca²⁺]i , размах которых уменьшался, а средний уровень увеличивался при уменьшении межстимульных интервалов (МСИ). Установлено, что для конечного результата стимуляции определяющими (а значит, нуждающимися в первоочередном экспериментальном уточнении) являются такие параметры парасимпатического действия, как длительности пуринового и мускаринового компонентов и задержка между ними. Показано, что при стимуляции с МСИ, более короткими, чем упомянутая задержка, приложение очередного стимула активирует Р2Х-каналы ранее окончания задержки активации IP3-каналов, вызванной действием предшествующего стимула. Это фактически эквивалентно сокращению интервала между последовательными активациями P2X- и IP3-каналов. Получены простые выражения, которые позволяют по известной разности ЛП пуринового и мускаринового эффектов парасимпатической стимуляции рассчитывать МСИ, обеспечивающие более эффективную реабилитационную стимуляцию парасимпатических нервов ДМП. На комп’ютерній моделі гладеньком’язової клітини (ГМК) детрузора сечового міхура (ДСМ) ми досліджували сполучені зміни мембранного потенціалу (МП), парціальних трансмембранних струмів і внутрішньоклітинної концентрації кальцію ([Ca²⁺]i ), викликані парасимпатичною стимуляцією, з метою визначити біофізичні основи для вибору параметрів медичної реабілітаційної електростимуляції ДСМ. Іоно- і метаботропні ефекти такої стимуляції, що мали різні латентні періоди (ЛП), імітували відповідно збільшенням провідності пуринорецепторних каналів сарколеми і затриманим на 70 мс збільшенням проникності кальцієвих каналів саркоплазматичного ретикулума (депо), чутливих до інозитолтрифосфату (IP3) – кінцевого продукту ланцюга реакцій, що запускаються активацією мускаринових холінорецепторів. ГМК відповідала на поодиноку стимуляцію генерацією потенціалу дії (ПД), близького до такого у прототипу. Прикладання тривалої серії однакових стимулів викликало після перехідного процесу стаціонарні вимушені коливання МП і [Ca²⁺]i , розмах яких зменшувався, а середній рівень збільшувався при скороченні міжстимульних інтервалів (МСІ). Встановлено, що для кінцевого результату стимуляції визначальними (а отже такими, що потребують першочергового експериментального уточнення) є такі параметри парасимпатичної дії, як тривалості пуринового та мускаринового компонентів і затримка між ними. Показано, що при стимуляції з МСІ, більш короткими, ніж згадана затримка, прикладання чергового стимулу активує Р2Х-канали раніше закінчення затримки активації IP3-каналів, викликаної впливом попереднього стимулу. Це фактично еквівалентно скороченню інтервалу між послідовними активаціями P2Xта IP3-каналів. Отримані прості вирази, які дозволяють за відомою різницею ЛП пуринового і мускаринового ефектів парасимпатичної стимуляції обчислювати МСІ, здатні забезпечувати більш ефективну реабілітаційну стимуляцію парасимпатичних нервів ДМП. 2016 Article Биофизические процессы в гладкомышечной клетке детрузора мочевого пузыря при реабилитационной стимуляции парасимпатических эфферентов: модельное исследование / А.В. Коченов, Е.П. Поддубная, И.А. Македонский, С.М. Корогод // Нейрофизиология. — 2016. — Т. 48, № 3. — С. 175-185. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 0028-2561 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/148310 577.3: 51-76 ru Нейрофизиология Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description На компьютерной модели гладкомышечной клетки (ГМК) детрузора мочевого пузыря (ДМП) мы исследовали сопряженные изменения мембранного потенциала (МП), парциальных трансмембранных токов и внутриклеточной концентрации кальция ([Ca²⁺]i ), вызванные парасимпатической стимуляцией, с целью определить биофизические основы для выбора параметров медицинской реабилитационной электростимуляции ДМП. Ионои метаботропный эффекты такой стимуляции, имеющие разные латентные периоды (ЛП), имитировали соответственно увеличением проводимости пуринорецепторных каналов сарколеммы и задержанным на 70 мс увеличением проницаемости кальциевых каналов саркоплазматического ретикулума (депо), чувствительных к инозитолтрифосфату (IP3) – конечному продукту цепи реакций, которые запускаются активацией мускариновых холинорецепторов. ГМК отвечала на одиночную стимуляцию генерацией потенциала действия (ПД), близкого к таковому у прототипа. Приложение длительной серии одинаковых стимулов вызывало после переходного процесса стационарные вынужденные колебания МП и [Ca²⁺]i , размах которых уменьшался, а средний уровень увеличивался при уменьшении межстимульных интервалов (МСИ). Установлено, что для конечного результата стимуляции определяющими (а значит, нуждающимися в первоочередном экспериментальном уточнении) являются такие параметры парасимпатического действия, как длительности пуринового и мускаринового компонентов и задержка между ними. Показано, что при стимуляции с МСИ, более короткими, чем упомянутая задержка, приложение очередного стимула активирует Р2Х-каналы ранее окончания задержки активации IP3-каналов, вызванной действием предшествующего стимула. Это фактически эквивалентно сокращению интервала между последовательными активациями P2X- и IP3-каналов. Получены простые выражения, которые позволяют по известной разности ЛП пуринового и мускаринового эффектов парасимпатической стимуляции рассчитывать МСИ, обеспечивающие более эффективную реабилитационную стимуляцию парасимпатических нервов ДМП.
format Article
author Коченов, А.В.
Поддубная, Е.П.
Македонский, И.А.
Корогод, С.М.
spellingShingle Коченов, А.В.
Поддубная, Е.П.
Македонский, И.А.
Корогод, С.М.
Биофизические процессы в гладкомышечной клетке детрузора мочевого пузыря при реабилитационной стимуляции парасимпатических эфферентов: модельное исследование
Нейрофизиология
author_facet Коченов, А.В.
Поддубная, Е.П.
Македонский, И.А.
Корогод, С.М.
author_sort Коченов, А.В.
title Биофизические процессы в гладкомышечной клетке детрузора мочевого пузыря при реабилитационной стимуляции парасимпатических эфферентов: модельное исследование
title_short Биофизические процессы в гладкомышечной клетке детрузора мочевого пузыря при реабилитационной стимуляции парасимпатических эфферентов: модельное исследование
title_full Биофизические процессы в гладкомышечной клетке детрузора мочевого пузыря при реабилитационной стимуляции парасимпатических эфферентов: модельное исследование
title_fullStr Биофизические процессы в гладкомышечной клетке детрузора мочевого пузыря при реабилитационной стимуляции парасимпатических эфферентов: модельное исследование
title_full_unstemmed Биофизические процессы в гладкомышечной клетке детрузора мочевого пузыря при реабилитационной стимуляции парасимпатических эфферентов: модельное исследование
title_sort биофизические процессы в гладкомышечной клетке детрузора мочевого пузыря при реабилитационной стимуляции парасимпатических эфферентов: модельное исследование
publisher Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України
publishDate 2016
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/148310
citation_txt Биофизические процессы в гладкомышечной клетке детрузора мочевого пузыря при реабилитационной стимуляции парасимпатических эфферентов: модельное исследование / А.В. Коченов, Е.П. Поддубная, И.А. Македонский, С.М. Корогод // Нейрофизиология. — 2016. — Т. 48, № 3. — С. 175-185. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.
series Нейрофизиология
work_keys_str_mv AT kočenovav biofizičeskieprocessyvgladkomyšečnojkletkedetruzoramočevogopuzyrâprireabilitacionnojstimulâciiparasimpatičeskihéfferentovmodelʹnoeissledovanie
AT poddubnaâep biofizičeskieprocessyvgladkomyšečnojkletkedetruzoramočevogopuzyrâprireabilitacionnojstimulâciiparasimpatičeskihéfferentovmodelʹnoeissledovanie
AT makedonskijia biofizičeskieprocessyvgladkomyšečnojkletkedetruzoramočevogopuzyrâprireabilitacionnojstimulâciiparasimpatičeskihéfferentovmodelʹnoeissledovanie
AT korogodsm biofizičeskieprocessyvgladkomyšečnojkletkedetruzoramočevogopuzyrâprireabilitacionnojstimulâciiparasimpatičeskihéfferentovmodelʹnoeissledovanie
first_indexed 2025-07-12T19:07:03Z
last_indexed 2025-07-12T19:07:03Z
_version_ 1837469251981541376
fulltext NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2016.—T. 48, № 3 175 УДК 577.3: 51-76 А. В. КОЧЕНОВ1,3, Е. П. ПОДДУБНАЯ2,3, И. А. МАКЕДОНСКИЙ2, С. М. КОРОГОД1 БИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГЛАДКОМЫШЕЧНОЙ КЛЕТКЕ ДЕТРУЗОРА МОЧЕВОГО ПУЗЫРЯ ПРИ РЕАБИЛИТАЦИОННОЙ СТИМУЛЯЦИИ ПАРАСИМПАТИЧЕСКИХ ЭФФЕРЕНТОВ: МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ Поступила 15.04.15 На компьютерной модели гладкомышечной клетки (ГМК) детрузора мочевого пузыря (ДМП) мы исследовали сопряженные изменения мембранного потенциала (МП), парци­ альных трансмембранных токов и внутриклеточной концентрации кальция ([Ca2+]i), вы­ званные парасимпатической стимуляцией, с целью определить биофизические основы для выбора параметров медицинской реабилитационной электростимуляции ДМП. Ионо- и метаботропный эффекты такой стимуляции, имеющие разные латентные периоды (ЛП), имитировали соответственно увеличением проводимости пуринорецепторных каналов сарколеммы и задержанным на 70 мс увеличением проницаемости кальциевых каналов саркоплазматического ретикулума (депо), чувствительных к инозитолтрифосфату (IP3) – конечному продукту цепи реакций, которые запускаются активацией мускариновых холи­ норецепторов. ГМК отвечала на одиночную стимуляцию генерацией потенциала действия (ПД), близкого к таковому у прототипа. Приложение длительной серии одинаковых сти­ мулов вызывало после переходного процесса стационарные вынужденные колебания МП и [Ca2+]i, размах которых уменьшался, а средний уровень увеличивался при уменьшении межстимульных интервалов (МСИ). Установлено, что для конечного результата стиму­ ляции определяющими (а значит, нуждающимися в первоочередном экспериментальном уточнении) являются такие параметры парасимпатического действия, как длительности пуринового и мускаринового компонентов и задержка между ними. Показано, что при стимуляции с МСИ, более короткими, чем упомянутая задержка, приложение очередного стимула активирует Р2Х-каналы ранее окончания задержки активации IP3-каналов, вы­ званной действием предшествующего стимула. Это фактически эквивалентно сокраще­ нию интервала между последовательными активациями P2X- и IP3-каналов. Получены простые выражения, которые позволяют по известной разности ЛП пуринового и муска­ ринового эффектов парасимпатической стимуляции рассчитывать МСИ, обеспечивающие более эффективную реабилитационную стимуляцию парасимпатических нервов ДМП. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: математическая модель, гладкомышечная клетка (ГМК), детрузор мочевого пузыря (ДМП), парасимпатическая иннервация, пуринорецеп- торы, мускариновые холинорецепторы, электростимуляция. 1 Днепропетровское отделение Международного центра молекулярной физиологии НАН Украины, Днепр (Украина). 2 Днепропетровский областной специализированный клинический меди­ цинский центр матери и ребенка им. проф. М.Ф. Руднева (Украина). 3 Государственное учреждение «Днепропетровская медицинская ака де- мия МОЗ Украины» (Украина). Эл. почта: kochenov_artem@yahoo.com (А. В. Коченов); piddubna.olena@gmail.com (Е. П. Поддубная); igor_makedonsky@yahoo.com (И. А. Македонский); dnipro@biph.kiev.ua (С. М. Корогод). ВВЕДЕНИЕ Электрическая стимуляция органов и тканей, ми­ шенью которой являются электровозбудимые нервные и мышечные клетки, широко применяет­ ся в медицине. Это обусловливает необходимость углуб ленного исследования реакций клеток-ми­ шеней на подобную стимуляцию, в частности с использованием компьютерного моделирования [1–3]. Наша работа продолжает модельные исследо­ вания процессов, вызываемых в гладкомышечных NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2016.—T. 48, № 3176 А. В. КОЧЕНОВ, Е. П. ПОДДУБНАЯ, И. А. МАКЕДОНСКИЙ, С. М. КОРОГОД клетках (ГМК) детрузора мочевого пузыря (ДМП) чрезтканевой электростимуляцией. Последняя ис­ пользуется в ходе реабилитации пациентов, про- оперированных по поводу врожденных урологичес- ких и аноректальных пороков развития. Известно, что для подобных отклонений характерен дефицит клеточных М2/М3-холинорецепторов [4]. Эффек­ ты прямого действия электростимуляции на дан­ ные клетки были детально рассмотрены ранее [3]. Теперь же мы сосредоточили внимание на процес­ сах, вызываемых активацией мембранных рецепто­ ров ГМК ДМП медиаторами, высвобождаемыми из окончаний парасимпатических нервов, возбужден­ ных приложением электрических стимулов. Таки­ ми медиаторами являются ацетилхолин и АТФ, ко­ торые активируют соответственно метаботропные мускариновые холинорецепторы (типов М2/М3) и ионотропные пуринорецепторы (типа Р2Х) [5]. Из­ вестно, что активация названных рецепторов игра­ ет важную роль в инициации сокращений ДМП человека [6–11]. В здоровом мочевом пузыре че­ ловека роль пуринорецепторов по сравнению с та­ ковой М-холинорецепторов незначительна, однако она существенно возрастает с возрастом и при ряде патологий [10, 12, 13]. В норме пуринергический компонент парасимпатической котрансмиссии со­ ставляет менее 3–5 % общего действия, но в случа­ ях патологии он может достигать 40 % [12]. Мно­ гие аспекты парасимпатической иннервации ГМК ДМП остаются пока неизученными из-за неизбеж­ ных существенных методических ограничений при экспериментальном исследовании этих клеток. Полученные нами данные впервые иллюстри­ руют сопряженные электрические и концентраци­ онные процессы, развивающиеся в ГМК ДМП под действием нейромедиаторов. Такие нейромедиато­ ры выделяются окончаниями парасимпатических эфферентов после поступления к ним потенциа­ лов действия (ПД), вызванных электростимуля­ цией разной частоты, которая используется в ходе реабилитационных процедур. Эти процессы пока недоступны наблюдению в натурных эксперимен­ тах. Подобные данные существенно конкретизиру­ ют роль, которую в упомянутых процессах играют соотношения временны́х параметров электрости­ муляции (т.е. времени активации соответствующих рецепторов), с одной стороны, и кинетических ха­ рактеристик ионных каналов, насосов и процессов буферизации/диффузии внутриклеточного каль­ ция – с другой. Эти результаты указывают на необ­ ходимость углубленного исследования упомянутых кинетических характеристик и их соотношений, что создаст биофизические основы для оптимиза­ ции параметров реабилитационной электростиму­ ляции. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ Исследования были выполнены на разработанной нами в программной среде НЕЙРОН [14] и под­ робно описанной ранее модели ГМК ДМП [1–3]. Модель была подвергнута некоторым модифика­ циям, позволяющим отображать эффекты пара­ симпатической активации. В частности, модифи­ цированное уравнение динамики внутриклеточной концентрации кальция ([Ca2+]i), наряду с присут­ ствовавшими в данном уравнении ранее потоками этих ионов через кальциевые каналы L- и T-типа (JChannels), насосы сарколеммы (JPMCA) и каналы депо саркоплазматического ретикулума (JSERCA), а также с обобщенным потоком обмена с буферами и диф­ фузии вглубь цитозоля (JBuff) [2, 3], включало в себя также поток высвобождения Са2+ из депо (JIP3R) че­ рез каналы, активируемые инозитолтрифосфатом (IP3). Последний является финальным метаболи­ том цепи реакций, инициируемых приложением парасимпатических стимулов: d[Ca2+]i/dt = JChannels + JSERCA + JPMCA + JBuff + JIP3R. В уравнении потока JIP3R = PIP3R·([Ca2+]SER – [Ca2+]i) коэффициент проницаемости IP3-рецепторных каналов мембраны депо определялся как PIP3R = = α(t)·PIP3Rmax, где PIP3Rmax = 0.014 мс-1 соответствует максимальной проницаемости, отнесенной к еди­ нице длины клетки, α(t) – функция, описывающая временной ход изменения проницаемости, вызван­ ного действием парасимпатического стимула (так называемая альфа-функция, см. ниже), а [Ca2+]SER – концентрация Са2+ в депо (начальное значение 1 мМ). Кроме того, были несколько модифициро­ ваны параметры в уравнениях ионных токов. По сравнению с таковыми в исходной модели [2, 3] были изменены значения потенциала полуакти­ вации (Vh) кальциевых каналов L-типа (с 4.0 на –4.7422 мВ) и Т-типа (с –19.944 на –25.698 мВ), постоянной времени активации кальцийзависимых калиевых каналов типа SK (с 11 на 48 мс), а так­ NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2016.—T. 48, № 3 177 БИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГЛАДКОМЫШЕЧНОЙ КЛЕТКЕ же величина невариативной составляющей посто­ янной времени активации кальцийзависимых кали­ евых каналов типа BK (с 5 на 11 мс) – параметр b в уравнении τm = (p(Ca)–1)·(f(V) – 0.2)/0.8)+b [15]. Метаботропный и ионотропный эффекты дей­ ствия одиночного парасимпатического стиму­ ла моделировали импульсным увеличением, соот­ ветственно, проницаемости IP3-чувствительных каналов депо саркоплазматического ретикулу­ ма (СР) – P IP3R(t)=P IP3Rmax·α(t) – и проводимости Р2Х-рецепторных каналов сарколеммы GP2X(t) = = GP2Xmax·α(t), где α(t) – так называемая альфа-функ­ ция. Эта широко применяемая в моделировании си­ наптических процессов функция определяет асим­ метричную колоколообразную форму импульса и описывается такими уравнениями: α(t) = 0, если t < t0, или α(t) = ((t – t0)/ts)∙exp( – (t – t0)/ts), если t ≥ t0, где t0 и ts – моменты начала и пика α(ts) = 1 импульса соответственно [14]. Варьируемыми па­ раметрами, определяющими PIP3R(t) и GP2X(t), были соответственно ts = tsIP3R и ts = tsР2Х, а также t0 = t0IP3R и t0 = t0P2X. Известное из экспериментов различие латентных периодов (ЛП) пуринергического (ран­ него) и мускаринового (позднего) компонентов от­ вета ГМК ДМП на стимуляцию парасимпатических нервов [15–17] в модели было отражено задержкой активации проницаемости PIP3R(t) относительно ак­ тивации проводимости GP2X(t) — ∆t = t0IP3R – t0P2X = = 70 мс (будем называть ее базовой задержкой в от­ личие от фактической – см. ниже). Исследовали также эффекты указанных выше парасимпатиче­ ских воздействий, организованных в пачки с разны­ ми частотами следования f и, соответственно, раз­ ными межстимульными интервалами (МСИ) ∆Т = = 1/f. Такая организация характерна для протоколов пачечной электростимуляции, применяемой в кли­ нике в комплексе реабилитационных процедур [3]. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Реакция ГМК на действие парасимпатического стимула. Одиночный парасимпатический стимул, обусловливающий последовательную (с интер­ валом ∆t = 70 мс) активацию проводимости Р2Х- каналов сарколеммы GP2X(t) и проницаемости IP3- каналов СР PIP3R(t) (каждая величина достигала максимума за tsР2Х = tsIP3R = 0.8 мс), вызывал в мо­ дельной ГМК ответ с двумя разделенными во вре­ мени компонентами (рис. 1). Первый из них – пу­ риновый, обусловленный током через Р2Х-каналы (IP2X), – был представлен начальной низкоамплитуд­ ной (6.12 мВ относительно потенциала покоя Er = = –55 мВ) деполяризацией, а второй – мускарино­ вый – задержанной (поздней) высокоамплитудной деполяризацией, переходившей в полноценный ПД с пиковым значением 60.2 мВ и следовыми гипер- и деполяризацией (амплитуды 6.53 и 1.22 мВ соот­ ветственно) (А). ПД запускался кальцийзависимым хлорным током (ICl(Ca)) и поддерживался в основном токами через потенциалзависимые кальциевые ка­ налы ICaT и ICaL (В). Значение [Ca2+]i незначительно повышалось от базального уровня 123.7 до 138 нМ во время начальной деполяризации за счёт активи­ рованных кальциевых токов. Во время генерации ПД оно вначале быстро повышалось до 1.441 мкМ за счёт потока из депо JIP3R (что согласуется с дан­ ными экспериментов [18, 19]). После короткого (~ 3 мс) спада это значение возобновляло рост до пика 295 мкМ (Б), который был обусловлен транс­ мембранным кальциевым током (В). В составе по­ следнего L- и Т-компоненты на пике ПД составляли 74 и 26 % соответственно, что близко к эксперимен­ тальным данным [20]. Примечательной была зна­ копеременность ICl(Ca). После инициации ПД ICl(Ca) постепенно уменьшался и через 8.34 мс менял своё первоначальное деполяризующее направление на гиперполяризующее. При этом мембранный потен­ циал (МП) становился более деполяризационным, чем потенциал равновесия для хлорного тока (ECl = = –32 мВ). Через 17.59 мс после начала высвобож­ дения Са2+ из депо и через 6.12 мс после пика ПД данный ток вновь инвертировался, что способ­ ствовало развитию следовой деполяризации. Сре­ ди выходящих токов (Г) преобладал ток через по­ тенциалзависимые калиевые каналы (IKv). Вторым по величине был ток через кальцийзависимые ка­ лиевые каналы типа BK (IBK), а третьим – ток утеч­ ки (ILeak). Гораздо меньшими были калиевые токи через каналы типов Kir 2.1 (IKir2.1) и SK (ISK) (см. вставку на рис. 1, Г). Следовые процессы после ПД, также присущие клеткам-прототипам, были обусловлены доминированием соответствующих токов. Роль IKv и IKir2.1 заключалась в формировании потенциала покоя и ограничении амплитуды ПД, тогда как IBK, активировавшийся несколько поз­ же, ограничивал амплитуду и продолжительность ПД и определял амплитуду следовой гиперполя­ ризации. Калиевый ток через SK-каналы, которые активировались наиболее поздно (максимум на NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2016.—T. 48, № 3178 А. В. КОЧЕНОВ, Е. П. ПОДДУБНАЯ, И. А. МАКЕДОНСКИЙ, С. М. КОРОГОД ~50.82 мс после пика ПД), определял продолжи­ тельность следовой гиперполяризации (см. встав­ ку на рис. 1, Г). Таким образом, модельная ГМК ДМП отвеча­ ла на приложение парасимпатического стимула генерацией полноценного ПД, который имел па­ раметры, близкие к таковым у прототипа, и со­ провождался необходимым для сокращения суще­ ственным преходящим повышением [Ca2+]i. Такое поведение модельной клетки было доста­ точно устойчивым (робастным) по отношению к ва­ риации параметров. Для генерации ПД критичным параметром было время нарастания проницаемости IP3-каналов депо (при tsIP3R > 2.7 мс деполяризация не достигала порога генерации ПД). Вариация дру­ гих параметров изменяла характеристики ПД, но не предотвращала его генерации. Так, например, увеличение максимальной проницаемости РIP3R до 0.028 мс-1 и уменьшение постоянных времени акти­ вации кальцийзависимых калиевых каналов типов BK и SK приводило к уменьшению амплитуды ПД. В случае увеличения tsIP3R от 0.8 до 1.6 мс амплиту­ да ПД увеличивалась, а с дальнейшим увеличением этого параметра – уменьшалась. Эффекты вариации интервала ∆t между момен­ тами активации P2X- и IP3-каналов представляют особый интерес, в частности потому, что при мно­ жественной стимуляции (см. ниже), характерной для реабилитационных протоколов, моменты фак­ мкСм/см2 0.014 мкМ мВ 0.5 мкМ 50 мкА/см2 2 мкА/см2 100 мс 40 мс 20 мс 50 мс 138 нМ IP2X 80 0 0 –20 300 200 100 0 0 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0 –40 –0.1 –0.2 –0.3 –0.4 0 –0.5 –60 мс–1 мА/см2 мА/см2 А Б В Г Р и с. 1. Реакция модельной гладкомышечной клетки на приложение парасимпатического стимула, имеющего вид импульсного увеличения проводимости Р2Х-рецепторных каналов сарколеммы и кальциевой проницаемости IP3- рецепторных каналов депо. А–Г – изменения во времени трансмембранного потенциала (мВ), внутриклеточной концентрации кальция [Ca2+]i (мкМ), а также плотности парциальных токов (мА/см2) – входящих INa, ICl(Ca), ICaT, ICaL, IР2Х и выходящих ILeak, IBK, ISK, IKir 2.1, IKv. Время достижения пика GP2X и PIP3 tsР2Х = tsIP3R = 0.8 мс, задержка активации GP2X относительно PIP3 ∆t = 70 мс. На вставке в увеличенном масштабе представлены IKir 2.1и ISK, стрелкой отмечен момент пика ПД. На В ICl(Ca) является знакопеременным. Калибровка времени 100 мс общая для всех записей, кроме показанных на вставках. Р и с. 1. Реакція модельної гладеньком’язової клітини на прикладання парасимпатичного стимулу, який має вигляд імпульсного збільшення провідності Р2Х-рецепторних каналів сарколеми і кальцієвої проникності IP3-рецепторних каналів депо. NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2016.—T. 48, № 3 179 БИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГЛАДКОМЫШЕЧНОЙ КЛЕТКЕ тической активации тех и других каналов зависят от МСИ и могут реализовываться с интервалами, ины­ ми, чем базовая задержка ∆t. Мы получили простые формулы, характеризующие этот аспект. Каждый последовательный i-й стимул, приложенный в мо­ мент ti, активирует Р2Х-и IP3-каналы соответствен­ но в моменты τi и θi, отстоящие на величину базо- вой задержки ∆t = θ i – τi. Очевидно, что эффекты последовательных i-го и (i+1)-го стимулов следуют друг за другом с одинаковыми интервалами ∆Т = ti+1 – ti = τi+1 – τi = θi+1 – θi. Если МСИ продолжительнее, чем базовая задержка ∆Т > ∆t, то моменты актива­ ции каналов в порядке P2X→ IP3 → Р2Х →. чере­ дуются с интервалами δ = θi – τi =∆t и δ′ = τi+1 – θi = = ∆Т – δ. Если же ∆Т ≤ ∆t и задержка кратна МСИ, т. е. ∆t = k·∆Т (k = 1, 2, … – целое число, коэффи­ циент кратности), то начиная с k-го стимула актива­ ция IP3-каналов i-м стимулом происходит в момент θi, = τi + ∆t = τi + k·∆Т, который совпадает с моментом активации P2X-каналов (i + k)-ым стимулом τi+k = = τi + k·∆Т. Это соответствует нулевой фактической задержке δ = θi – τi+k = 0. Если же ∆Т ≤ ∆t и ∆t не кратна ∆Т, т. е. ∆t = (k + ε)·∆Т (k = 1, 2, … – целое, 0<ε<1), то, начиная с k-го стимула, момент актива­ ции IP3-каналов i-ым стимулом есть θi, = τi + ∆t = = (k + ε)·∆Т = τi+k + ε·∆Т. Это означает более корот­ кую, чем базовая, фактическую задержку δ = θi – – τi+k = ε·∆Т < ∆t по отношению к ближайшему мо­ менту активации P2X-каналов (i + k)-ым стимулом. Как показали расчеты, действие одиночного сти­ мула при ∆t >20 мс вызывало небольшой деполя­ ризационный всплеск в ответ на активацию Р2Х- каналов и полноценный ПД в ответ на активацию IP3-чувствительных каналов депо. В условиях tsР2Х = = 3.2 мс и задержках в интервале 20 мс > ∆t > 16 мс возникал ПД тем меньшей амплитуды, чем меньше ∆t. Генерация ПД прекращалась при 15 мс ≥ ∆t > > 6 мс и возобновлялась при ∆t < 6 мс. Вызванная током через Р2Х-каналы начальная деполяризация приводила к незначительной активации кальцие­ вых каналов и, соответственно, к небольшому по­ вышению [Ca2+]i (см. вставку на рис. 1, Б). С умень­ шением ∆t превышение базального уровня [Ca2+] i к началу активации IP3-каналов увеличивалось. Последний процесс приводил к повышению [Ca2+]i и активации кальцийзависимых хлорных каналов, ток которых деполяризовал мембрану до уровней активации кальциевых каналов Т и L типов. В ре­ зультате [Ca2+] i продолжала расти, вызывая каль­ цийзависимую инактивацию L-каналов. Когда каль­ цийзависимая инактивация начинала преобладать над деполяризацонной потенциалзависимой акти­ вацией, кальциевый ток быстро убывал. Это делало невозможным развитие полноценного ПД (напри­ мер, при 15 мс ≥ ∆t > 6 мс и tsР2Х = 3.2 мс). В случае ∆t < 6 мс вызванная Р2Х-током деполяризация, бу­ дучи достаточно высокой к началу активации IP3- каналов, усиливала эффекты последней. Реакция ГМК на периодическую парасимпа- тическую стимуляцию. Имитируя парасимпа­ тическое возбуждение клеток ДМП в услови­ ях чрезтканевой пачечной стимуляции, на Р2Х и IP3-каналы ГМК подавали серии импульс­ ных воздействий с теми же параметрами (tsР2Х = = tsIP3R = 0.8 мс, ∆t = 70 мс), при которых прило­ жение одиночного стимула вызывало полномас­ штабный ПД (рис. 1). Такая стимуляция, подоб­ но тому, что ранее наблюдалось в случае прямого действия на клетку серий толчков деполяризующе­ го тока [3], после некоторого переходного процес­ са приводила к установлению стационарных вы­ нужденных колебаний МП и концентрации [Ca2+]i. Диапазон принимаемых этим параметром значений (размах) и их средний уровень зависели от МСИ (рис. 2). Основные черты такой зависимости вид­ ны на примерах ответов на приложение стимулов, которые, следуя с МСИ ∆T = 5, 50 или 450 мс, т. е. с частотами f = 200, 20 или 2.22 с-1 (рис. 2 и 3, А, Б или В соответственно), активировали Р2Х- и (с за­ держкой ∆t = 70 мс) IP3-каналы. Заметим, что в пер­ вых двух случаях базовая задержка ∆t превосходи­ ла МСИ DT и была кратной ∆t/∆T = 70/5 = 14 (ε = 0) или не кратной ∆t/∆T = 70/50 = 1.4 (ε = 0.4). Это обусловливало уменьшение фактической задержки δ = θi – τi+k = ε·∆Т до нуля (одновременная активация Р2Х- и IP3-каналов) или 20 мс соответственно. При МСИ DT = 5 мс, что соответствовало длительности периода абсолютной рефрактерности [2], МП коле­ бался в допороговом диапазоне от –46.5 до –45.6 мВ (размах DE = 0.9 мВ) cо средним уровнем Ē = –46.0 мВ (рис. 2, А). Размах колебаний становился больше, а средний уровень – ниже с увеличением МСИ. Так, при ∆T = 50 мс (что соответствует ран­ ней фазе относительной рефрактерности [2]) размах ∆E равнялся 6.4 мВ (от –50.8 до –44.4 мВ), а сред­ ний уровень – Ē = –47.7 мВ. Примечательно, что начиная с МСИ ∆T = 420 мс (поздняя фаза восста­ новления регенеративного ответа после одиночной стимуляции [2]) в моменты активации IP3-каналов наблюдались чередующиеся высоко- и низкоампли­ NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2016.—T. 48, № 3180 А. В. КОЧЕНОВ, Е. П. ПОДДУБНАЯ, И. А. МАКЕДОНСКИЙ, С. М. КОРОГОД Р и с. 2. Типичные реакции модельной гладкомышечной клетки на приложение серии парасимпатических стимулов. Время достижения пика GP2X и PIP3 tsР2Х = tsIP3R = 0.8 мс (А–В) или tsР2Х = 3.5 мс и tsIP3R = 0.8 мс (Г); задержка активации GP2X относительно PIP3 ∆t = 70 мс; частота следования стимулов 200 (А), 20 (Б) и 2.22 (В, Г) с-1; задержка активации GP2X относительно PIP3 ∆t = 70 мс (А, Б, В) или ∆t = 15 мс (Г). А–Г – изменение проводимости (мСм/см2), мембранного потенциала (мВ) и концентрации [Ca2+]i (мкМ). На В пикам 1–4 соответствуют [Ca2+]i = 295, 303, 283 и 152 мкМ. Калибровки времени: 0.5 (А, Б) и 2.0 (В, Г) с. Р и с. 2. Типові реакції модельної гладеньком’язової клітини на прикладання серії парасимпатичних стимулів. 80 80 80 –30 0 100 100 80 80 60 60 40 40 20 20 0 0 0 0 0 4 4 2 2 0 0 –30 –40 –20 –20 –40 –50 –40 –40 –60 –60 –50 –60 –60 80 0 0 А В Б Г мкСм/см2 мкСм/см2 мкСм/см2 мкСм/см2 мВ мкМ мВ мкМ мВ мкМ мВ мкМ 0.014 0.014 0.014 6.44 мВ 299 мкМ 500 мс 2 с 2 с 500 мс 11.337 мкМ 0.014 0 0 0 0 мс–1 мс–1 мс–1 мс–1 NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2016.—T. 48, № 3 181 БИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГЛАДКОМЫШЕЧНОЙ КЛЕТКЕ тудные колебания, а не равновеликие осцилляции. Режим равновеликих колебаний восстанавливал­ ся при ∆T > 590 мс. Размах (диапазон) и средний уровень чередующихся колебаний, наблюдавших­ ся в случае ∆T = 450 мс, были соответственно ∆E = = 39.6 мВ (–60.7…–21.1 мВ), Ē = –54.52 мВ у высо­ коамплитудных и ∆E = 24.5 мВ (–55.6…–31.1 мВ), Ē = –53.98 мВ – у низкоамплитудных осцилляций (Б и В соответственно). Равновеликие стационар­ ные колебания при МСИ, равных 450 мс, можно было наблюдать в условиях уменьшенной базо­ вой задержки ∆t = 15 мс и увеличенного време­ ни активации Р2Х-каналов tsР2Х = 3.2 мс. Их пара­ метры были следующими: ∆E = 21.0 мВ (–55.4… 80 –40 –40 –20–20 –45 5 0 0 0 0 –0.01 0.04 0.04 0.13 0.13 0.03 0.03 0.08 0.08 0.02 0.02 0.03 0.030.01 0.01 0 0 0 0 –0.01 –0.04 –0.04 –0.02 –0.02 –0.08 –0.08 –0.03 –0.03 –0.12 –0.12–0.04 –0.04 –0.16 –0.16–0.05 –0.05 5 85 85 4 4 68 68 3 3 51 51 2 2 34 34 1 1 17 17 0 0 0 0 –45 –30–30 ECl ECl –50 –50 –40–40 –55 –55 –50–50 –60 –60 –60–60 0 А Б В Г мкСм/см2 5 мс 40 мс 150 мс 100 мс мкСм/см2 мкСм/см2 мкСм/см2 0.014 0 мс–1 мс–1 мс–1 мс–1 Р и с. 3. Сопряженные электрические и концентрационные процессы в модельной гладкомышечной клетке при генерации стационарных вынужденных колебаний, вызванных действием серий парасимпатических стимулов разной частоты. Записи ответов при при межстимульных интервалах ∆Т = 15 (А), 75 (Б) и 450 (В) мс, соответственно, времени достижения пика GP2X и PIP3 tsР2Х = tsIP3R= 0.8 мс и задержке активации GP2X относительно PIP3 ∆t = 70 мс или при tsР2Х = 3.5 мс, tsIP3R = 0.8 мс и ∆t = = 15 мс (Г). Проводимость P2X-каналов GP2X (мкСм/см2,1 вверху) и проницаемость IP3-каналов PIP3 (мс–1,1 вверху) показаны пунктирной и сплошной линиями соответственно. В рядах представлены изменения во времени трансмембранного потенциала, мВ (1), внутриклеточной концентрации кальция, мкМ (2), а также плотности парциальных токов – входящих INa, ICl(Ca), ICaT, ICaL, IР2Х (мА/см2, 3) и выходящих ILeak, IBK, ISK, IKir 2.1, IKv (мА/см2, 4). Калибровки времени: 5 (А), 40 (Б), 150 (В), 100 (Г) мс. На В – чередующиеся низкоамплитудный (справа) и высокоамплитудный (слева) ответы, соответствующие помеченным звездочкой на рис. 2, B. На В и Г (2) стрелками указаны повышения [Ca2+]i за счёт высвобождения ионов из депо. Р и с. 3. Сполучені електричні та концентраційні процеси в модельній ГМК при генерації стаціонарних вимушених коливань, викликаних серіями парасимпатичних стимулів різної частоти. NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2016.—T. 48, № 3182 А. В. КОЧЕНОВ, Е. П. ПОДДУБНАЯ, И. А. МАКЕДОНСКИЙ, С. М. КОРОГОД –34.4 мВ), Ē = –53.5 мВ (Г). Зарегистрированные одновременно с изменени­ ями МП при частотах ∆T = 5, 50 или 450 мс ко­ лебания [Ca2+] i характеризовались следующими размахом (диапазоном) и средним уровнем соответ­ ственно: ∆[Ca2+]i = 0.76 мкМ (от 0.25 до 1.01 мкМ) и [Ca2+] i = 0.52 мкМ; ∆[Ca2+] i = 4.97 мкМ (от 0.23 до 5.2 мкМ) и [Ca2+] i = 0.49 мкМ или ∆[Ca2+] i = = 92.43 мкМ (0.17…92.6 мкМ) и [Ca2+]i = 2.97 мкМ в случае ответов большей амплитуды и ∆[Ca2+] i = = 4.53 мкМ (0.17…4.7 мкМ) и [Ca2+]i = 0.4 мкМ в случае ответов меньшей амплитуды (рис. 2, А–В, внизу соответственно). Эти же параметры в усло­ виях ∆T = 450 мс, но ∆t = 15 мс и tsР2Х = 3.5 мс име­ ли значения ∆[Ca2+]i = 8.65 мкМ (0.16…8.80 мкМ) и [Ca2+]i = 0.36 мкМ (Г, внизу). Стабилизация режима стационарных колебаний [Ca2+]i происходила замет­ но дольше, чем у колебаний МП. Представления о биофизических механизмах вы­ нужденных колебаний МП и [Ca2+]i, обусловленных действием периодических парасимпатических сти­ мулов, можно получить, наблюдая сопряженные с ними парциальные токи. Ответы, реализуемые в те­ чение одного такого периода при разных МСИ, по­ казаны на рис. 3. В случае МСИ ∆T = 5 мс деполяризационный от­ вет амплитудой ~0.85 мВ (относительно исходного уровня –46.5 мВ) с нарастанием более коротким, чем спад (рис. 3, А, 1), сопровождался доминиро­ ванием IP2X-тока. Токи ICaT и ICaL были минимальны­ ми вследствие инактивации (А, 3) и соответствен­ но вносили весьма малый вклад в сравнительно незначительное повышение концентрации [Ca2+] i (до ~1.01 мкМ относительно исходных ~0.252 мкМ) накануне приложения очередного стимула (А, 2). Среди выходящих токов (А, 4) преобладал ILeak; IKv, IKir2.1 и ISK вносили меньший вклад, а IBK был пре­ небрежимо мал. При МСИ ∆T = 50 мс пуриновый и мускариновый компоненты деполяризационно­ го ответа разделялись (Б, 1). Основной, мускари­ новый, компонент имел амплитуду 6.4 мВ (относи­ тельно исходного значения –50.8 мВ) и двухфазный пологий спад. На фоне последнего возникал низ­ коамплитудный пуриновый компонент, обуслов­ ленный током через Р2Х-каналы (Б, 3). Макси­ муму мускаринового компонента предшествовал быстрый транзиент [Ca2+] i амплитудой 5.19 мкМ (Б, 2), обусловленный потоком Са2+ из депо и под­ держанный Т-током (Б, 3). Бόльшие, чем наблю­ даемые при высокочастотной стимуляции, пико­ вые значения [Ca2+]i обусловлены тем, что в случае ∆T = 50 мс в депо устанавливалась бόльшая кон­ центрация Ca2+ (~1.6 мМ вместо ~530 мкМ) и со­ ответственно, увеличивался выход этих ионов от­ вет на приложение стимула. При ∆T = 450 мс пики МП и [Ca2+]i увеличивались, пуриновые компонен­ ты были равновеликими, а задержанные на 70 мс мускариновые компоненты оказывались поочеред­ но от стимула к стимулу высоко- и низкоамплитуд­ ными (34.2 и 24.1 мВ соответственно относительно исходной величины –52.2 мВ; рис. 3, В). Высокоам­ плитудный ответ сопровождался выраженными сле­ довыми гипер- и деполяризацией, а низкоамплитуд­ ный – только следовой деполяризацией (В). Первый из таких ответов на пике превышал равновесный потенциал для ICl(Ca) (В, 1, 3), в результате чего дан­ ный ток был знакопеременным. В первые 7.3 мс с момента активации IP3-каналов этот ток деполяри­ зовал мембрану, а после инверсии в течение следу­ ющих 6.2 мс – гиперполяризовал. Высокоамплитуд­ ный ответ сопровождался значительно бóльшими, чем при высокочастотной стимуляции, токами ICaT и ICaL (В, 3), которые обеспечивали значительное уве­ личение пиковой концентрации [Ca2+]i до 92.6 мкМ. Эти изменения, связанные с низкоамплитудными ответами, были намного менее выраженными (В, 2, справа и слева соответственно). Примечательной особенностью выходящих токов было доминиро­ вание значительно увеличенного IKv; за ним по ве­ личине следовал IBK (в случае высокоамплитудных колебаний) или ILeak (в случае низкоамплитудных осцилляций). Таким образом, наблюдавшийся при ∆T = 450 мс режим чередования разновеликих от­ ветов на приложение одинаковых стимулов можно объяснить следующим образом. Столь низкочастот­ ная стимуляция приводит к настолько значительно­ му повышению деполяризации, кальциевых токов и транзиента концентрации [Ca2+]i, что вслед за вы­ сокоамплитудным ответом развивается глубокая и длительная кальцийзависимая инактивация каль­ циевых каналов, обусловливающая уменьшение кальциевого компонента входящего тока и, соот­ ветственно, деполяризационного отклика на прило­ жение следующего стимула. В свою очередь, низко­ амплитудный ответ порождает транзиент меньшей величины, что способствует деинактивации кальци­ евых каналов и восстановлению способности гене­ рировать высокоамплитудный ответ к моменту при­ хода следующего стимула. При увеличении tsР2Х до 3.5 мс, уменьшении ∆t NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2016.—T. 48, № 3 183 БИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГЛАДКОМЫШЕЧНОЙ КЛЕТКЕ до 15 мс и сохранении длительности МСИ (450 мс) колебание имело вид равновеликого ответа с ран­ ним пуриновым и поздним мускариновым депо­ ляризационными компонентами амплитудой 6.4 и 20.0 мВ, соответственно (относительно исходного уровня –52.2 мВ; рис. 3, Г). Во время пуринового компонента кальциевые токи были незначительны­ ми, и [Ca2+]i не изменялась. Среди выходящих то­ ков (Г, 4) преобладал IKv, следующими по значи­ мости были ток утечки ILeak, IBK и гораздо меньшие IKir2.1 и ISK. Мускариновый компонент характеризо­ вался развитием значительного кальцийзависимо­ го хлорного тока, что порождало деполяризацию, активировавшую натриевый ток. Менее значитель­ ными были кальциевые токи, что обусловливало намного меньший транзиент [Ca2+]i (пик 8.8 мкМ) (рис. 2, Г, 2). Возможности и ограничения используемой моде- ли ГМК. Используемая в данной работе модель, бо­ лее совершенная, чем предыдущие [1–3], все еще весьма упрощенно описывает механизмы как пу­ ринергического, так м-холинергического действия парасимпатической стимуляции на клетку. Первый из упомянутых компонентов представлен актива­ цией пассивной (Р2Х-рецепторной) проводимости мембраны, что обеспечивает неспецифический вхо­ дящий ток, тогда как в реальных ГМК-прототипах механизм сложнее (что связано с вовлечением ре­ цепторов разных подтипов – Р2Х1 и Р2Х3) [9, 10]. Второй компонент связан с активацией проница­ емости IP3-чувствительных кальциевых каналов депо, т. е. конечным эффектом цепи метаболиче­ ских реакций, инициируемой связыванием аце­ тилхолина с М3/М2-рецепторами. Промежуточные реакции (требующие большего времени, чем свя­ зывание АТФ с Р2Х-рецепторами) упрощенно учи­ тываются в задержке открывания каналов депо от­ носительно открывания Р2Х-каналов. Факт более позднего развития мускаринового компонента па­ расимпатического действия по сравнению с тако­ вым пуринового компонента известен по резуль­ татам натурных экспериментов на ГМК ДМП [17]. Однако и точные временные соотношения компо­ нентов, и их видоспецифические особенности тре­ буют уточнения [21]. Упрощенная таким образом модельная ГМК показала способность отвечать на приложение парасимпатического стимула генераци­ ей ПД (рис. 1) с параметрами, характерными для прототипа [6, 17]. Это позволяет считать модель достаточно адекватной в рамках задач настоящей работы, в частности в аспекте отображения эффек­ тов периодической парасимпатической стимуляции (рис. 2; 3). Приведенное выше сопоставление одновременно зарегистрированных электрических и концентраци­ онных процессов, обусловленных такой стимуляци­ ей, выявило наиболее важные (а значит, требующие детального экспериментального исследования) па­ раметры, определяющие характер реакций клет­ ки на периодическую парасимпатическую стиму­ ляцию, которая применяется в реабилитационных целях. Таковыми являются кинетические параме­ тры активации Р2Х- и IP3-чувствительных каналов (а также задержки активации вторых относительно первых), параметры кальцийзависимой инактива­ ции кальциевых каналов и характеристики экстру­ зии свободного цитозольного Са2+. Новым аспектом, раскрытым с помощью данной модели ГМК ДМП, является возможность рассчи­ тать, используя простые выражения, такую часто­ ту f периодической стимуляции (МСИ ∆T = 1/f), которая обеспечивает нацеленную на желаемый функциональный эффект фактическую задерж­ ку δ между развитием пуринового и мускариново­ го компонентов парасимпатического действия. Из экспериментов известна лишь базовая задержка Dτ между названными компонентами, которая являет­ ся собственной (intrinsic), т.е. не управляемой на­ прямую характеристикой ГМК. Подобные расче­ ты могут быть частью эффективного алгоритма для биофизически обусловленного выбора параметров реабилитационной электростимуляции. Настоящее исследование не было связано с какими-ли­ бо экспериментами на животных или тестами с участи­ ем людей; ввиду этого подтверждения соответствия су­ ществующим этическим стандартам в данном аспекте не требуется. Авторы настоящей работы – А. В. Коченов, Е. П. Под­ дубная, И. А. Македонский и С. М. Корогод – подтвержда­ ют, что в процессе работы отсутствовали конфликты любого рода, касающиеся коммерческих или финансовых отноше­ ний, отношений с организациями или лицами, которые ка­ ким-либо образом могли быть связаны с исследованием, а также взаимоотношений соавторов статьи. NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2016.—T. 48, № 3184 А. В. КОЧЕНОВ, Е. П. ПОДДУБНАЯ, И. А. МАКЕДОНСКИЙ, С. М. КОРОГОД А. В. Коченов1,3, О. П. Піддубна2,3, І. О. Македонський2 , С. М. Корогод1 БІОФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В ГЛАДЕНЬКОМ’ЯЗОВІЙ КЛІТИНІ ДЕТРУЗОРА СЕЧОВОГО МІХУРА ПРИ РЕАБІЛІТАЦІЙНІЙ СТИМУЛЯЦІЇ ПАРАСИМПАТИЧНИХ ЕФЕРЕНТІВ: МОДЕЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ 1 Дніпропетровське відділення Міжнародного центру молекулярної фізіології НАН України, Дніпро (Україна). 2Дніпропетровський обласний спеціалізований клінічний медичний центр матері та дитини ім. проф. М.Ф. Руднєва (Україна). 3Державний заклад «Дніпропетровська медична академія МОЗ України» (Україна). Р е з ю м е На комп’ютерній моделі гладеньком’язової клітини (ГМК) детрузора сечового міхура (ДСМ) ми досліджували спо­ лучені зміни мембранного потенціалу (МП), парціальних трансмембранних струмів і внутрішньоклітинної концен­ трації кальцію ([Ca2+]i), викликані парасимпатичною стиму­ ляцією, з метою визначити біофізичні основи для вибору па­ раметрів медичної реабілітаційної електростимуляції ДСМ. Іоно- і метаботропні ефекти такої стимуляції, що мали різні латентні періоди (ЛП), імітували відповідно збільшенням провідності пуринорецепторних каналів сарколеми і затри­ маним на 70 мс збільшенням проникності кальцієвих ка­ налів саркоплазматичного ретикулума (депо), чутливих до інозитолтрифосфату (IP3) – кінцевого продукту ланцюга реакцій, що запускаються активацією мускаринових холі­ норецепторів. ГМК відповідала на поодиноку стимуляцію генерацією потенціалу дії (ПД), близького до такого у про­ тотипу. Прикладання тривалої серії однакових стимулів ви­ кликало після перехідного процесу стаціонарні вимушені коливання МП і [Ca2+]i, розмах яких зменшувався, а середній рівень збільшувався при скороченні міжстимульних інтерва­ лів (МСІ). Встановлено, що для кінцевого результату стиму­ ляції визначальними (а отже такими, що потребують першо­ чергового експериментального уточнення) є такі параметри парасимпатичної дії, як тривалості пуринового та мускари­ нового компонентів і затримка між ними. Показано, що при стимуляції з МСІ, більш короткими, ніж згадана затримка, прикладання чергового стимулу активує Р2Х-канали рані­ ше закінчення затримки активації IP3-каналів, викликаної впливом попереднього стимулу. Це фактично еквівалентно скороченню інтервалу між послідовними активаціями P2X- та IP3-каналів. Отримані прості вирази, які дозволяють за відомою різницею ЛП пуринового і мускаринового ефектів парасимпатичної стимуляції обчислювати МСІ, здатні забез­ печувати більш ефективну реабілітаційну стимуляцію пара­ симпатичних нервів ДМП. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. S. M. Korogod, A. V. Kochenov, and I. A. Makedonsky, “Biophysical mechanism of parasympathetic excitation of urinary bladder smooth muscle cells: a simulation study,” Neurophysiology, 46, No. 4, 199-205 (2014). 2. А. В. Коченов, Е. П. Поддубная, И. А. Македонский, С. М. Корогод, “Характеристики возбудимости гладкомы­ шечной клетки детрузора мочевого пузыря как основа вы­ бора параметров реабилитационной электростимуляции: модельное исследование”, Neurophysiology/Нейрофизиоло- гия, 47, № 2, 114-122 (2015). 3. А. В. Коченов, Е. П. Поддубная, И. А. Македонский, С. М. Корогод, “Биофизические процессы в гладкомышеч­ ной клетке детрузора мочевого пузыря при реабилитацион­ ной электростимуляции: модельное исследование”, Neuro­ physiology / Нейрофизиология, 47, № 3, 215-226 (2015). 4. I. A. Makedonsky, “Immunohystochemical investigation of the M2 and M3 muscarinic receptors in patients with bladder exstrophy,” Eur. Urol., 4, No. 2, 182 (2004). 5. G. Burnstock, “Purinergic signaling in the gastrointestinal tract and related organs in health and disease,” Purinerg. Signal., 10, No. 1, 3-50 (2014). 6. K. E. Andersson and A. Arner, “Urinary bladder contraction and relaxation: physiology and pathophysiology,” Physiol. Rev., 84, No. 3, 935-986 (2004). 7. F. J. Ehlert, “Contractile role of M2 and M3 muscarinic receptors in gastrointestinal, airway and urinary bladder smooth muscle,” Life Sci., 74, Nos. 2/3, 355-366 (2003). 8. C. J. Fowler, D. Griffiths, and W. C. de Groat, “The neural control of micturition,” Nat. Rev. Neurosci., 9, No. 6, 453-466 (2008). 9. G. D’Agostino, A. M. Condino, V. Calvi, et al., “Purinergic P2X3 heteroreceptors enhance parasympathetic motor drive in isolated porcine detrusor, a reliable model for development of P2X selective blockers for detrusor hyperactivity,” Pharmacol. Res., 65, No. 1, 129-136 (2012). 10. P. D. Anthony, W. Ford, and D. A. Cockayne, “ATP and P2X purinoceptors in urinary tract disorders,” in: Urinary Tract (Handbook Exp. Pharmacol., Vol. 202), K.-E. Andersson and M. C. Michel (eds.), Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg (2011), pp. 375-393. 11. M. Li, S. D. Silberberg, and K. J. Swartz, “Subtype-specific control of P2X receptor channel signaling by ATP and Mg2+,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 110, No. 36, E3455-E3463 (2013). 12. G. Burnstock, “Purinergic signalling in the urinary tract in health and disease,” Purinerg. Signal., 10, No. 1, 103-155 (2014). 13. K. E. Creed, R. A. Loxleyand, and J. K. Phillips, “Functional expression of muscarinic and purinoceptors in the urinary bladder of male and female rats and guinea pigs,” J. Smooth Muscle Res., 46, No. 4, 201-215 (2010). 14. N. T. Carnevale and M. L. Hines, The NEURON Book, Cambridge Univ. Press, Cambridge (2006). 15. D. B. Jaffe, B. Wang, and R. Brenner, “Shaping of action potentials by type I and type II large-conductance Ca2+­ activated K+ channels,” Neuroscience, 192, 205-218 (2011). 16. H. Hashitani, N. J. Bramich, and G. D. Hirst, “Mechanisms NEUROPHYSIOLOGY / НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ.—2016.—T. 48, № 3 185 БИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГЛАДКОМЫШЕЧНОЙ КЛЕТКЕ of excitatory neuromuscular transmission in the guinea-pig urinary bladder,” J. Physiol., 524, No. 2, 565-579 (2000). 17. T. J. Heppner, M. E. Werner, B. Nausch, et al., “Nerve-evoked purinergic signalling suppresses action potentials, Ca2+ flashes and contractility evoked by muscarinic receptor activation in mouse urinary bladder smooth muscle,” J. Physiol., 587, No. 21, 5275-5288 (2009). 18. J. Malysz, E. S. Rovner, and G. V. Petkov, “Single-channel biophysical and pharmacological characterizations of native human large-conductance calcium-activated potassium channels in freshly isolated detrusor smooth muscle cells,” Pflügers Arch., 465, No. 7, 965-975 (2013). 19. K. A. Green, R. W. Foster, and R. C. Small, “A patch-clamp study of K(+)-channel activity in bovine isolated tracheal smooth muscle cells,” Br. J. Pharmacol., 102, No. 4, 871-878 (1991). 20. C. H. Fry, G. Sui, and C. Wu, “T-type Ca2+channels in non- vascular smooth muscles,” Cell Calcium, 40, No. 2, 231-239 (2006). 21. T. B. Bolton, “Mechanisms of action of transmitters and other substances on smooth muscle,” Physiol. Rev., 59, No. 3, 606- 718 (1979).

Ähnliche Einträge