Механизмы формирования терморегуляторных реакций организма при разных режимах охлаждения в норме и в условиях активации ионного канала TRPM8

Козарук, Валерий Петрович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Механизмы формирования терморегуляторных реакций организма при разных режимах охлаждения в норме и в условиях активации ионного канала TRPM8
ВАК РФ 03.03.01, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Механизмы формирования терморегуляторных реакций организма при разных режимах охлаждения в норме и в условиях активации ионного канала TRPM8"

На правах рукописи

КОЗАРУК Валерий Петрович

МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕРМОРЕГУЛЯТОРНЫХ РЕАКЦИЙ

ОРГАНИЗМА ПРИ РАЗНЫХ РЕЖИМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ В НОРМЕ И В УСЛОВИЯХ АКТИВАЦИИ ИОННОГО КАНАЛА ТШ»М8

03.03.01 - физиология

Автореферат диссертация на соискание учёной степени кандидата биологических наук

00501228/

1 2 [ЛАР 2012

Новосибирск - 2012

005012287

Работа выполнена в лаборатории Термофизиологии Федерального государственного бюджетного учреждения «Научно-исследовательский институт физиологии» Сибирского отделения Российской академии медицинских наук

Научный руководитель: доктор биологических наук,

профессор Козырева Тамара Владимировна

Официальные оппоненты: доктор медицинских наук,

профессор Шошенко Констанция Антониновна ФГБУ «НИИ физиологии» СО РАМН, г. Новосибирск

доктор медицинских наук, профессор Колпаков Аркадий Ростиславович ФГБУ «НИИ биохимии» СО РАМН, г. Новосибирск

Ведущее учреждение: ФГБУ «Новосибирский НИИ патологии

кровообращения им. академика Е.Н. Мешалкина», Министерство здравоохранения и социального развития, г. Новосибирск

Защита диссертации состоится «J3 » 2012 г. на заседании

диссертационного совета Д 001.014.01 при ФГБУ «НИИ физиологии» СО РАМН (630117, г. Новосибирск, ул. академика Тимакова, 4, тел: 7(383)3359754, email: dissovet@physiol.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ «НИИ физиологии» СО РАМН

Автореферат разослан « /JД » 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

Бузуева И.И.

ВВЕДЕНИЕ

Температура окружающей среды является одним из существенных факторов, оказывающих влияние на живой организм. Освоение человеком Сибири, северных территорий и южного приполярья, климатической особенностью которых являются низкие температуры, привлекает особое внимание к вопросам о возможности, пределах и механизмах приспособления человека и животных к холоду.

Вопросы о механизмах, лежащих в основе температурной чувствительности человека и животных, и значимости температурного афферентного сигнала в формировании защитных реакций организма, до сих пор недостаточно ясны. Именно афферентный сигнал периферических и центральных терморецепторов определяет характер взаимодействия различных физиологических систем между собой, а следовательно, и отношение организма в целом к изменению температуры окружающей среды. Исходным пунктом афферентной информации при внешнем холодовом воздействии на организм являются, прежде всего, периферические кожные терморецепторы - окончания центростремительных нервов.

При постоянной температуре кожи терморецепторам присущ постоянный уровень импульсной активности, так называемая статическая активность, причем разным значениям температуры кожи соответствуют разные уровни статической активности. При быстром изменении температуры кожи (во время согревания или охлаждения) возникает резкое изменение частоты разрядов терморецепторов - динамическая активность. Физиологическое значение различных типов активности терморецепторов (статической и динамической) в формировании терморегуляторных реакций организма исследовано далеко недостаточно. Показателями, отражающими физиологическое значение и вклад температурного афферентного сигнала при внешнем температурном воздействии, могут служить температурные пороги инициации различных эффекторных реакций, направленных на поддержание температурного гомеостаза. Важно понять какова роль динамической и статической активности терморецепторов в механизмах формирования структуры терморегуляторного ответа организма, т.е. температурных порогов и последовательности инициации различных составляющих терморегуляторного ответа организма на внешнее температурное воздействие. Учитывая вовлеченность симпатической нервной системы в реакцию организма на воздействие низких температур, встает вопрос о возможной роли афферентного сигнала терморецепторов в степени ее активации при действии холода на организм.

канала - Т11РА1 и ШРМ8. Показано, что ТЯРА1 функционирует в диапазоне более низких температур - ниже 17°С, тогда как ТИРМ8 является ионным каналом, активируемым холодом в диапазоне температур 28-8°С. Ионный канал Т11РМ8 может активироваться также ментолом, ицилином и другими химическими агентами. ТЯРМ8 экспрессируется на окончаниях сенсорных нейронов заднекорешковых и тригеминального ганглиев, свободные нервные окончания которых и являются периферическими терморецепторами. Однако вопрос об участии холодочувствительного ионного канала ТКРМ8 в формировании терморегуляторных реакций до последнего времени остается открытым.

Целью настоящей работы явилось выяснение роли динамической и статической компонент температурного афферентного сигнала в механизмах формирования структуры терморегуляторного ответа и активации симпатической нервной системы при действии холода на организм, а также вовлеченность ионного канала ТЯРМ8 в формирование этого ответа.

В работе были поставлены следующие задачи:

1. Выяснить особенности формирования терморегуляторного ответа организма при холодовом воздействии в условиях вовлечения статической и динамической или только статической активности терморецепторов кожи.

2. Выявить различия в активации симпатической нервной системы (как одного из факторов, влияющих на формирование терморегуляторного ответа) при холодовом воздействии в условиях вовлечения статической и динамической, или только статической активности терморецепторов кожи.

3. Выяснить возможное участие холодочувствительного ионного канала ТИРМ8 в формировании терморегуляторных реакций организма на холод в условиях различных режимов охлаждения.

Научная новизна работы

• Показано, что наличие динамической активности термочувствительных афферентов приводит к изменению структуры терморегуляторного ответа, появлению экстренной (первой) фазы термогенного повышения метаболизма, опережающей констрикторную реакцию кожных сосудов и вторую фазу термогенеза.

разнонаправленное изменение дыхательного коэффициента: в первой фазе -повышение, а во второй - снижение.

• Влияние динамической активности кожных афферентных волокон на терморегуляторные реакции (уменьшение температурных порогов терморегуляторных реакций и стимуляция экстренного термогенеза) связано с ускоренной активацией симпатической нервной системы в присутствии этой составляющей афферентного температурного сигнала.

• Показано участие ионного канала Т11РМ8 в формировании терморегуляторного ответа при охлаждении. Нетемпературная активация этого ионного канала приводит к уменьшению порогов терморегуляторных реакций на холод и усилению экстренного термогенеза (первой фазы метаболического ответа), который проявляется в присутствии динамической компоненты афферентного температурного сигнала периферических терморецепторов.

• Показана возможность изменения метаболических параметров при активации ионного канала ТКРМ8 в термонейтральных условиях и при холодовом воздействии, что может свидетельствовать о вовлеченности этого ионного канала в регуляцию общего метаболизма в живом организме.

Положения, выносимые на защиту

• Присутствие динамической активности кожных холодочувствительных афферентов изменяет структуру терморегуляторного ответа на холод, уменьшая температурные пороги холодозашитных реакций и стимулируя экстренный термогенез.

• Изменение структуры терморегуляторного ответа на холод в присутствии этой динамической составляющей афферентного температурного сигнала связано с ускоренной активацией симпатической нервной системы.

• Холодочувствительный ионный канал ТШ>М8 участвует в формировании афферентного температурного сигнала, обеспечивающего поддержание определенного уровня метаболизма и обусловливающего структуру терморегуляторного ответа организма на холод.

Теоретическая и научно-практическая значимость работы

Полученные результаты расширяют представления о роли различных (динамической и статической) компонентов афферентного температурного сигнала в формировании эффекторного ответа организма на температурные воздействия. Показано функциональное значение динамической активности кожных термоафферентов в ускорении активации симпатической нервной системы, как механизма более раннего появления терморегуляторных реакций. Показанное на уровне целого организма участие ионного канала ТЯРМ8 в формировании типа метаболизма и терморегуляторного ответа на холод позволяет развивать методы фармакологической коррекции метаболизма и формирования термозащитных реакций. Результаты могут быть полезны при разработках рекомендаций для сохранения и повышения работоспособности

людей в условиях низких температур, коррекции физиологических функций, реабилитационных технологий в условиях природных и техногенных катастроф. Экспериментальные результаты, полученные в настоящем исследовании, используются в курсе лекций для студентов факультета естественных наук Новосибирского Государственного Университета.

Апробация результатов

Материалы диссертации обсуждались на Международной конференции International Conference on Environmental Ergonomics (Сан-Диего, США, 1998); на XVII съезде Российского физиологического общества им. И.П. Павлова (Ростов-на-Дону, 1998); Международной конференции Physiology and Pharmacology of Thermoregulation (Australia, 2001; на XX съезде Российского физиологического общества им. И.П. Павлова (Москва, 2007); на VI Сибирском физиологическом съезде (Барнаул, 2008); на Международном симпозиуме International Symposium on Physiology and Pharmacology of Temperature Regulation (Mauye, Япония, 2009); на XXI съезде Российского физиологического общества им. И.П. Павлова (Калуга, 2010).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 8 статей в рецензируемых, входящих в перечень ВАК, отечественных (3) и иностранных (5) журналах.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация включает введение, обзор литературы, материалы и методы исследования, результаты, обсуждение, выводы и список цитируемой литературы (171). Работа изложена на 129 страницах, содержит 25 рисунков и 13 таблиц.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Эксперименты проводились на белых крысах-самцах линии Wistar весом 180-300 грамм. Животные содержались при температуре 20-22 °С со свободным, неограниченным доступом к воде и пище.

Порядок проведения экспериментов. Эксперименты проводились при температуре окружающей среды 21-24 °С. Для устранения эмоционально-стрессорной компоненты, во время проведения опытов все животные находились под наркозом. Животное помещалось на термостатируемый столик с поддерживаемой температурой 38 °С, исходные параметры регистрировались в течение 10 минут, затем животные подвергались охлаждающему воздействию. При изучении влияния ментола (агониста ионного канала TRPM8) на терморегуляторные параметры в термонейтральных условиях производилась аппликации ментола и спустя 5-7 минут осуществлялась охлаждение этой области.

Охлаждающее воздействие. Область живота площадью 25 см2 охлаждалась с помощью термода. Использовалось два типа охлаждения. При быстром охлаждении скорость снижения температуры кожи в области приложения холодового стимула составила 0.05-0.08°С/сек, что обеспечивало присутствие динамической активности кожных холодовых рецепторов. При медленном охлаждении - 0.005-0.008°С/сек, что исключало появление динамической активности кожных холодовых рецепторов. Быстрое и медленное охлаждение продолжалось до снижения глубокой (ректальной) температуры тела на 3-3.5°С.

Регистрация физиологических параметров. Во время проведения экспериментов непрерывно регистрировались следующие физиологические параметры: внутрикожная температура живота, температура поверхности кожи уха, ректальная температура, концентрация кислорода и концентрация углекислого газа в выдыхаемом воздухе, электрическая активность мышц шеи.

Температурные измерения проводили с помощью дифференциальных медно-константановых термопар с чувствительностью 0.01 °С. Непрерывно регистрировались: (1) поверхностная температура кожи удаленного от места охлаждения и изолированного от среды участка кожи в области ушной раковины, что позволяло судить о начале, скорости и интенсивности сосудистой реакции на охлаждение, направленной на ограничение теплоотдачи; (2) ректальная температура для оценки глубокой температуры тела; (3) внутрикожная температура охлаждаемой поверхности живота для контроля скорости охлаждения и определения порогов кожной температуры для холодозащитных реакций.

Использовались два типа низкотемпературного воздействия, различающихся по скорости изменения температуры кожи в области приложения холодового стимула: быстрое (0.05 - 0.08 °С/с) и медленное (0.005 - 0.008 °С/с) охлаждение.

Определение общего потребления кислорода и концентрации углекислого газа в выдыхаемом воздухе. Общее потребление кислорода, как физиологический параметр, важен для понимания состояния общего метаболизма организма. В данных экспериментах уровень потребления кислорода характеризовал степень напряжения метаболических процессов организма в покое и в ответ на предъявляемую температурную нагрузку. Определение концентрации кислорода и углекислого газа в выдыхаемом воздухе осуществлялось с точностью ±0.1 %.

Расчет потребления кислорода (V02) и выделения углекислого газа (VC02) производился по формулам:

V02 = Ао2 * 0.55 * 1000/ N, мл/мин*кг;

VC02 = Асог * 0.55 * 1000/ N, мл/мин*кг,

где: А02 - разница содержания кислорода в атмосферном и выдыхаемом крысой воздухом в об. %; Асог - разница содержания кислорода в атмосферном

и выдыхаемом крысой воздухом в об. %; 0.55 л/мин - скорость продувки воздуха через маску с животным; N-вес животного, г.

Дыхательный коэффициент рассчитывался по формуле: ЕхрС = VC02/V02

Регистрация электрической активности мышц. Сократительная активность мышц является основным источником теплообразования на холоде (Иванов, 1965). Для оценки сократительной активности мышц использовался электромиографический метод регистрации. Электрическая активность трапециевидных мышц шеи регистрировалась биполярными медными электродами, которые располагались на расстоянии около 1 см друг от друга.

Программно-аппаратный комплекс регистрации и обработки параметров.

Регистрацию и анализ физиологических параметров выполняли на аппаратном комплексе МР100А-СЕ фирмы Biopac Systems, Inc., с помощью специального программного обеспечения AcqKnowledge, разработанного фирмой Biopac Systems, Inc. Температурные показатели регистрировались с помощью усилителей DA100C, концентрация кислорода и углекислого газа в выдыхаемом воздухе - блоками СЬЮОС и С02100С, уровень электрической активности мышц шеи - блоком EMG100C. Программное обеспечение позволяло во время проведения эксперимента контролировать его ход, а после эксперимента производить необходимые вычисления и обработку.

За начало изменения кожных и ректальной температур принималось их снижение на 0.1°С, за начало метаболической реакции - изменение потребления кислорода на 1 мл/мин*кг, общего выделения углекислого газа - 1 мл/мин*кг, для мышечной активности - 1 мкв.

Определение активации симпатоадреналовой системы.Цдя выяснения степени активации симпатоадреналовой системы при быстром и медленном охлаждении разной глубины определялась величина концентрации катехоламинов (норадренапина и адреналина) в плазме артериальной крови и в коже животных методом жидкостной хроматографии (Гилинский и др., 2007).

Забор крови осуществляли у каждого животного под наркозом из предварительно канюлированной бедренной артерии трижды по 0,5 мл: 1) перед охлаждением; 2) при снижении ректальной температуры животного на 0,5 °С; 3) при снижении ректальной температуры на 3-4 °С. После каждого забора крови производили замещение потерянной жидкости в объёме по 0,5 мл раствора Рингера.

Оценка содержания норадреналина и адреналина в коже, в области приложения холодового стимула, производилась путём забора кожной ткани (30-70 мг) дважды: 1) до охлаждения; 2) при снижении ректальной температуры на 0,5 °С.

Аппликация 1 % суспензии ментола в физиологическом растворе с температурой 37.5-38 "С осуществлялась на кожу живота площадью 25см2, в

область последующего приложения холодового стимула. Продолжительность аппликации составляла 20 минут.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Особенности формирования холодозащитных реакций организма при быстром и медленном охлаждении.

Исходные величины измеряемых параметров представлены в Таблице. Глубина анестезии, судя по величине общего метаболизма, была сходной у экспериментальных животных во всех сериях экспериментов.

Таблица. Исходные физиологические параметры у крыс перед охлаждением.

Параметры Величина

Внутрикожная температура живота, °С 37,4±0,11

Температура поверхности кожи уха, °С 29,8±0,15

Глубокая (ректальная) температура, °С 38,2±0,07

Величина электрической активности мышц, мкВ 2,3±0,18

Общее потребление кислорода, мл/мин*кг 22,2±0,44

Величина выделения углекислого газа, мл/мин*кг 18Д±0,37

Величина дыхательного коэффициента, ед. 0,81±0,007

Формирование терморегуляторных реакций при быстром охлаждении.

В ответ на холодовое воздействие возникают защитные терморегуляторные реакции, направленные на ограничение теплоотдачи и усиление теплопродукции. Проведенные исследования показали следующую последовательность инициации терморегуляторных ответов при быстром охлаждении:

1)первая фаза метаболического ответа;

2)констрикция кожных кровеносных сосудов;

3)вторая фаза метаболического ответа и сократительный термогенез.

Первая фаза метаболической реакции характеризовалась

кратковременным подъемом потребления кислорода, с латентным периодом 32,6±7,17с при снижении температуры кожи без изменения глубокой ректальной температуры тела (Рис. 1). Максимальный прирост потребления кислорода во время первой фазы быстрого охлаждения достигал 3,7±0,68 мл/мин кг (т.е. 17% от исходного уровня). Параметры латентного периода и температурного порога для С02 не отличались от таковых для потребления кислорода. Развитие первой фазы метаболического ответа на охлаждение не сопровождалось усилением сократительной активности мышц.

Дыхательный коэффициент в первой фазе метаболического ответа возрастал на 13% (0,93±0,014 против исходного 0,82±0,008, Р<0,05).

Сосудистая реакция при быстром охлаждении наступала с латентным периодом 65±7,09 сек, при пороговом снижении температуры кожи -6±0,57°С (Рис. 1). Максимальное снижение температуры кожи уха, характеризующее максимальную величину уменьшения теплоотдачи, было равно -2,56±0,59°С. На начало васкулярного ответа ректальная температура не изменялась.

Вторая фаза метаболического ответа наступала при снижении не только кожной, но и ректальной температуры (Рис. 1). Средняя скорость прироста потребления кислорода от начала второй фазы метаболической реакции до ее максимального значения была почти в 3 раза ниже, чем в первой фазе и составляла 2,64±0,48 мл/мин, однако продолжалась гораздо дольше -максимальное повышение потребления кислорода во второй фазе метаболического ответа составило 16,8±3,04 мл/мин*кг (76% от исходного уровня). Параметры латентных периодов и температурных порогов для С02 существенно не отличались от таковых для потребления кислорода (Рис. 1).

Дыхательный коэффициент во второй фазе метаболического ответа снижался на 10% по сравнению со своей величиной в исходном (до охлаждения) состоянии до 0,73±0,009 (Рис. 2).

Сократительный термогенез. Во всех случаях быстрого охлаждения, начало усиления сократительного термогенеза характеризовалось такими же температурными порогами, что и вторая фаза увеличения потребления кислорода (Рис 1). Максимальный прирост сократительного термогенеза в ответ на быстрое охлаждение составил 21,3±4,98 мкв, (увеличение в 9 раз от исходного).

Ректальная температура. Ясходный уровень глубокой температуры тела сохранялся при быстром охлаждении вплоть до снижения температуры кожи живота на 6,5±0,67°С. К этому моменту первая фаза метаболической реакции была близка к своему максимуму, а сосудистая реакция находилась в начальной стадии своего развития. Максимальное снижение ректальной температуры в конце эксперимента составило 3,45±0,23°С, при снижении температуры кожи в области приложения термода на 12,5±0,56 °С (до 24,7±0,54°С).

1 фаза 1 фаза

потребления выделения кислорода углекислого газа

* § И

V 4 ||

I I I г

■ г -2,5

Сосудиста я реакция

Быстрое охлаждение

2 фаза потребления кислорода

Сократтепьный углекислого газа термогенез

^ Медленное охлаждение

Рис. 1. Температурные пороги терморегуляторных реакций при быстром и медленном охлаждении. Достоверное отличие порогов при разных режимах охлаждения: * - Р<0.05.

■е- о,®

•е-

3 0.75

1 0.7 01

« 0,65 1

а о,б

Исходная величина Максимальная величина Величина дыхательного

дыхательного дыхательного коэффициента во 2-й

коэффициента перед коэффициента в 1-й фазе метаболического охлаждением фазе метаболического ответа

ответа

Рис.2. Изменение дыхательного коэффициента при развитии метаболического ответа на быстрое глубокое охлаждение. Достоверное отличие от исходной величины: *-Р<0.05; между 1-й и 2-й фазой: 8- Р<0.05.

Анализ скорости снижения глубокой температуры тела при быстром охлаждении обнаруживает её нелинейность. Падение температуры замедляется в связи с возникновением терморегуляторных реакций. Так, скорость падения ректальной температуры до появления второй фазы метаболической реакции составляла 0,37±0,034°С/мин, а после ее появления значительно замедляется до 0,16±0,022°С/мин (Р=0,000003).

Итак, при быстром охлаждении с вовлечением динамической и статической активности холодовых рецепторов кожи структура метаболического ответа характеризуется двухфазностью, и наблюдается следующая последовательность инициации терморегуляторных реакций:

1) первая фаза повышения метаболизма (при снижении только температуры кожи);

2) сосудистая реакция (при еще большем снижении температуры кожи живота, но без снижения глубокой ректальной температуры);

3)вторая фаза повышения метаболизма, появление которой совпадает с усилением мышечной активности (при снижении не только кожной, но и глубокой температуры тела).

Изменение дыхательного коэффициента имело различную направленность в первой и второй фазе терморегуляторного повышения метаболизма: в первой фазе происходило повышение величины дыхательного коэффициента, а во второй - снижение по сравнению с его исходным значением.

Формирование терморегуляторных реакций при медленном охлаждении.

Структура терморегуляторного ответа на медленное охлаждение существенно отличается от таковой при быстром охлаждении. Прежде всего, все терморегуляторные реакции инициируются уже при падении не только кожной, но и глубокой ректальной температуры тела, а также полностью отсутствует первая фаза метаболической реакции. При медленном охлаждении увеличиваются латентные периоды всех терморегуляторных реакций (Рис. 1).

Сосудистая реакция. Сравнение параметров сосудистой реакции при медленном и быстром охлаждении показывает, что пороговое снижение температуры кожи для этой реакции при медленном охлаждении было меньшим (2,0±0,34°С) чем при быстром (6,0±0,57°С), однако сопровождалось снижением ректальной температуры на 0,50±0,12°С, тогда как при быстром охлаждении эта реакция инициировалась без изменения глубокой температуры.

Метаболическая реакция. Повышение потребления кислорода в ответ на медленное охлаждение инициировалось несколько позже, чем сосудистая реакция. Пороговое снижение температуры кожи на этот момент составляло уже 6,3±0,52°С, а снижение ректальной температуры 2,2±0,18°С. В отличие от быстрого охлаждения метаболическая реакция начиналась вслед за сосудистой реакцией, а не опережала ее, как при быстром охлаждении (Рис. 1). Обращает на себя внимание, что пороговое снижение температуры кожи и ректальной температуры для метаболической реакции при медленном охлаждении совпадали с таковыми для инициации 2 фазы метаболического ответа при быстром охлаждении Рис.1). Средняя скорость нарастания потребления кислорода при медленном охлаждении (1,44±0,24 мл/мин) оказалась более низкой, чем при быстром (2,64±0,48 мл/мин). Максимальный прирост потребления кислорода составил 14,3±2,63 мл/мин*кг и достоверно не

отличался от такового при быстром охлаждении. Параметры латентных периодов и температурных порогов для выделения С02 при медленном охлаждении не отличались от таковых для потребления кислорода.

Дыхательный коэффициент. При медленном охлаждении также, как и во второй фазе метаболического ответа при быстром охлаждении (Рис. 3), наблюдалось достоверное снижение дыхательного коэффициента по сравнению с исходным.

0.95 0.9 0.85 0.8 0,75 0.7 0,65

Исходная величина

дыхательного коэффициента перед охлаждением

Величина дыхательного коэффициента в фазе метаболического ответа

Рис. 3. Изменение дыхательного коэффициента при развитии метаболического ответа на медленное глубокое охлаждение. Достоверное отличие от исходной величины: *-Р<0.05.

Сократительный термогенез. Во всех случаях медленного охлаждения инициация сократительного термогенеза происходила с такими же температурными порогами, что и для увеличения потребления кислорода. Инициация холодового сократительного термогенеза при медленном охлаждении по сравнению с быстрым происходила при меньшем пороговом снижении кожной температуры, тогда как пороговое снижение ректальной температуры на этот момент было большим (Рис. 1). Максимальная величина прироста сократительного термогенеза в ответ на медленное охлаждение составила 14,8±4,75 мкв, что не отличается от таковой при быстром охлаждении.

Ректальная температура. Средняя скорость падения ректальной температуры при медленном охлаждении была равна 0,13±0,011°С/мин и была в два раза меньше, чем при быстром охлаждении. Максимальное снижение ректальной температуры в конце эксперимента - 3,3±0,17°С при температуре кожи охлаждаемой поверхности 25,7±0,76 °С.

Итак, при медленном охлаждении без вовлечения динамической активности холодовых рецепторов кожи наблюдается следующая последовательность инициации терморегуляторных реакций:

1)сосудистая реакция (при снижении температуры кожи живота, и снижении глубокой ректальной температуры);

2)повышение метаболизма, которое совпадает с усилением мышечной активности (при снижении как кожной, так и глубокой температуры тела).

Следовательно, при медленном охлаждении, когда отсутствует динамическая активность кожных холодовых рецепторов, возрастает значение глубокой температуры тела в запуске реакций - все терморегуляторные реакции инициируются при снижении не только температуры кожи, но и ректальной температуры.

2. Реакция симпатоадреналовой системы крыс при быстром и медленном охлаждении.

Снижение ректальной температуры на 0,5°С в результате быстрого охлаждения приводило к повышению концентрации в плазме артериальной крови как норадреналина (в 2,7 раза), так и адреналина (в 3,1 раза) (Рис.4). При аналогичном по глубине медленном охлаждении содержание катехоламинов в крови достоверно не изменялось. При быстром охлаждении большей глубины и снижении ректальной температуры на 3-4°С содержание катехоламинов в крови возрастало по сравнению с исходным: норадреналина в 4 раза, адреналина - в 4,8 раза (Рис. 4).

о з£

И I

600 500 400 300 200 100

Быстрое охлаждение

Норадреналии Адреналин Норадреналин Адреналин неглубокое неглубокое глубокое глубокое охлаждение охлг&кдение охлаждение охлаждение

600 500 400 300 200 100

Медленное охлаждение

Норадренапин Адреналин Норадреналии Адреналин неглубокое неглубокое глубокое глубокое охлаждение охлаждение охлаждение охлаждение

Рис. 4. Изменение концентрации норадреналина и адреналина в плазме артериальной крови при быстром и медленном охлаждении разной глубины. *-Р < 0,05 отличие от исходной концентрации, принятой за 100% (пунктирная линия).

При медленном глубоком охлаждении содержание норадреналина в крови также возрастало в 4,5 раза и не отличалось от уровня норадреналина при

быстром охлаждении той же глубины. Содержание адреналина при медленном глубоком охлаждении возрастало по сравнению с исходной концентрацией менее выражено, чем при быстром - только в 2 раза (Рис. 4). Обращает на себя внимание, что медленное охлаждение характеризуется менее выраженными изменениями содержания катехоламинов в крови: при неглубоком медленном охлаждении эти изменения вообще отсутствуют, а при глубоком - повышение уровня адреналина значительно меньше чем при быстром охлаждении.

В коже при быстром неглубоком охлаждении, когда ректальная температура снижалась на 0,5 °С, наблюдалось достоверное снижение концентрации норадреналина на 30% и ещё более выраженное падение концентрации адреналина - на 86%. При медленном охлаждении аналогичной глубины, уровень норадреналина в коже не изменялся, тогда как уровень адреналина снижался на 60%.

Таким образом, уровень катехоламинов в крови и коже изменяется по-разному в зависимости от скорости и глубины охлаждающего воздействия. При быстром охлаждении, в присутствии динамической активности кожных терморецепторов, достоверные изменения концентрации катехоламинов в крови наблюдаются уже при небольшом охлаждении, тогда как при медленном, при отсутствии этой активности, только при значительно более глубоком охлаждении. Присутствие динамической активности холодочувствительных афферентов кожи способствует более ранней и более выраженной активации симпатоадреналовой системы.

3. Влияние активации ионного канала ТКРМ8 его агонистом

ментолом на терморегуляторные реакции при быстром и медленном

охлаждении.

Аппликация ментола на кожу в термонейтральных условиях приводит к достоверному увеличению потребления кислорода на 10% (с 22.2±0.44 до 23,9±0,50 мл/мин*кг; <0,05), что сопровождалось снижением дыхательного коэффициента на 6% (с 0.82±0.007 до 0.77±0.008; <0,05). Температурные показатели и электрическая активность мышц в термонейтральных условиях под воздействием ментола не изменялись.

Влияние аппликации ментола на параметры терморегуляторных реакций при быстром охлаждении.

Порядок инициации терморегуляторного ответа при быстром охлаждении был одинаковым в контроле и после аппликации ментола: первая фаза метаболического ответа, затем констрикторная реакция кожных сосудов и вторая фаза метаболического ответа, включая дрожь.

Сосудистая реакция во время быстрого охлаждения после аппликации ментола наступала раньше, чем без предварительного воздействия ментола: латентный период уменьшался с 64.9±7.09 до 30.0±1.82 сек ; Р<0,05. Уменьшалось пороговое снижение температуры кожи живота (Рис. 5) .

Ректальная температура на начало васкулярного ответа в области уха не изменялась как до, так и после аппликации ментола. Максимальная величина сосудистой реакции после аппликации ментола не изменялась.

Метаболическая реакция. У всех экспериментальных животных первая фаза повышения метаболизма в ответ на охлаждение наступала до изменений глубокой температуры тела, когда наблюдается только падение кожной температуры (Рис. 5). Под действием ментола первая фаза начиналась раньше, латентный период снижался с 32.6±7.17 до 11.4±2.7 сек (Р<0.015). Порог кожной температуры на начало первой фазы метаболического ответа на охлаждение после аппликации ментола существенно снижался. Максимальный прирост потребления кислорода в первой фазе метаболической реакции под влиянием ментола увеличивается в 1,7 раза (6,34 ± 0,62 мл/мин*кг на фоне ментола против 3,7 ± 0,68 мл/мин*кг в контроле; Р<0.05).

5 1 Ф"а ' Фага 2 фаза 2 фаза

I потребления выделения Сосудистая потребления выделения Сократтттельный

* кислорода углекислого газа реакция кислорода углекислого газа термогенез

рщщ

I 4_________________________________________________________Ё.......Щ4!..

ЧН - Р1 1 | ~~г

я 1 Я

я 1 ■ ■

+ 1* г I

Терморегуляторные параметры без Терморегуляторные параметры после _ аппликат ментола ¡Щ1ШЦЦ апплика^и ментола

Рис. 5. Температурные пороги терморегуляторных реакций при быстром охлаждении без и после аппликации ментола. Достоверное отличие порогов без и после аппликации ментола: * - Р<0.05.

Вторая фаза метаболического ответа наступала при снижении не только кожной, но и ректальной температуры. Под влиянием ментола для этой фазы уменьшался порог по ректальной температуре (Рис. 5). Максимальный прирост потребления кислорода во второй фазе метаболического ответа после аппликации ментола не изменялся (16,8 ± 3,04 мл/мин*кг в контроле и 20,0 ± 1,69 мл/мин* кг после ментола; Р>0,05), а время достижения максимума увеличивалось (с 853 ± 77 сек. в контроле до 1120 ± 98 сек.; Р<0.05).

Дыхательный коэффициент в первой и второй фазе метаболического ответа, как в контроле, так и после аппликации ментола претерпевал разнонаправленные изменения: в первой фазе наблюдалось увеличение дыхательного коэффициента, тогда как во второй - снижение по сравнению с исходным (до охлаждения) значением.

Сократительный термогенез. После аппликации ментола повышение электрической активности мышц шеи в ответ на охлаждение наблюдалось раньше и при меньшем пороговом снижении ректальной температуры по сравнению с величиной порога зарегистрированной без аппликации ментола (Рис. 5). Во всех случаях быстрого охлаждения параметры латентного периода и пороговых значений для инициации дрожи совпадали с таковыми для второй фазы повышения потребления кислорода. Максимальная величина прироста дрожи во время быстрого охлаждения не изменялась под влиянием ментола.

Более ранняя инициация метаболической и сосудистой реакции, а также более значительное повышение потребления кислорода в первой фазе метаболической реакции под влиянием ментола обусловливало замедление падения глубокой температуры в 1.5 раза - скорость падения ректальной температуры составляла в контроле 0.23±0.019°С/мин, на фоне действия ментола - 0.15±0.0И °С/мин, Р<0.01).

Влияние аппликации ментола на параметры терморегуляторных реакций при медленном охлаждении.

Порядок инициации терморегуляторных реакций при медленном охлаждении был одинаков в контрольной группе животных и после аппликации ментола. Терморегуляторный ответ начинался с инициации сосудистой реакции, направленной на ограничение теплоотдачи с поверхности кожи, затем развивалась метаболическая реакция. Все холодозащитные реакции инициировались при падении как кожной, так и глубокой ректальной температур.

Сосудистая реакция. Пороговые снижения кожной температуры для констрикторной реакции сосудов в контроле и после воздействия ментола достоверно не различались. Однако изменения температурного порога прослеживались по глубокой температуре тела - пороговое снижение ректальной температуры на момент сосудистой реакции, имеющее место в контроле, отсутствовало после воздействия ментола (Рис 6). Максимальная величина сосудистой реакции после аппликации ментола была больше в 1.6 раза, по сравнению с контролем (-1,58±0,139 °С в контроле, против -2,60±0,330 "С, после аппликации ментола).

Метаболическая реакция. Метаболический ответ (повышение потребления кислорода и выделения СО?) при медленном охлаждении инициировался при дальнейшем снижении температуры кожи и глубокой температуры тела (Рис. 6).

После аппликации ментола повышение потребления кислорода происходила при более высокой ректальной температуре по сравнению с контролем, и температурный порог метаболической реакции был достоверно снижен на 0.7°С (Рис. 6).

Максимальный прирост потребления кислорода под влиянием ментола достоверно не изменялся. Параметры выделения С02 после аппликации ментола совпадают с таковыми для потребления кислорода.

Дыхательный коэффициент, сниженный после аппликации ментола уже в исходном состоянии (перед охлаждением), под влиянием медленного охлаждения при развитии метаболической реакции дополнительно снижался по сравнению с исходной величиной.

Сократительный термогенез. При медленном охлаждении после аппликации ментола инициация холодового мышечного термогенеза происходила при достоверно меньшем падении ректальной температуры (Рис. 6). Максимальная величина терморегуляторной сократительной активности мышц шеи не изменялась под влиянием ментола.

Сосудистая Потребление Выделение Сократительный

реакция кислорода углекислого газа термогенез

£ з

1 £ %

......у: 1 1 Г

Щ в

+ J 1 1

Терморегуляторные параметры без аппликации ментола

| Терморегуляторные параметры | после аппликации ментола

Рис. 6. Температурные пороги терморегуляторных реакций при медленном охлаждении без и после аппликации ментола. Достоверное отличие порогов без и после аппликации ментола: * - Р<0.05.

Скорость падения ректальной температуры при медленном охлаждении в контрольной группе животных составляла 0.0021 °С/сек, под влиянием ментола

скорость снижения ректальной температуры уменьшалась в 1.5 раза и составляла 0.0014°С/сек (Р < 0.05).

Итак, влияние ментола при медленном охлаждении проявлялось в снижении температурного порога по глубокой ректальной температуре для всех терморегуляторных реакций - констрикторной реакции кожных сосудов, повышения общего потребления кислорода и выделения углекислого газа, сократительного термогенеза. Кроме того, под влиянием ментола увеличивалась констрикторная реакция кожных сосудов, способствующая уменьшению теплоотдачи и более эффективному поддержанию глубокой температуры тела.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Различия в реакции организма на быстрое охлаждение с участием динамической активности холодовых рецепторов кожи и медленное охлаждение, без участия таковой, касаются, прежде всего, структуры терморегуляторного ответа. Характерная для быстрого охлаждения I фаза роста холодового термогенеза отсутствует при медленном охлаждении. Подъем потребления кислорода в этой фазе связан, очевидно, только с динамической активностью кожных терморецепторов, так как наступает до падения глубокой температуры тела. Нужно отметить также, что повышение потребления кислорода в I фазе термогенного ответа происходит без активации сократительного термогенеза и, следовательно, обусловлено усилением несократительного термогенеза.

Констрикторная реакция кожных сосудов, направленная на ограничение теплоотдачи, при быстром охлаждении инициируется при снижении только температуры охлаждаемой поверхности кожи, тогда как при медленном охлаждении для возникновения этой реакции оказалось необходимым снижение как кожной, так и глубокой температуры тела. Мощность сосудистой реакции, судя по максимальному снижению температуры кожи уха, снижена при медленном охлаждении на 38%. Это еще раз свидетельствует о значении динамической активности термочувствительных афферентов в регуляции терморегуляторных реакций.

Усиление термогенеза при медленном охлаждении, как и во второй фазе метаболического ответа при быстром охлаждении, происходит при снижении не только кожной, но и ректальной температуры. Это свидетельствует об участии в запуске реакции не только кожных рецепторов, но и глубоких интерорецепторов. Подъем потребления кислорода во второй фазе быстрого охлаждения и метаболическая реакция при медленном охлаждении сопровождался повышением сократительной активности мышц шеи в виде дрожи.

При быстром охлаждении изменение дыхательного коэффициента, характеризующего преимущественный субстрат окисления, имело различную направленность в первой и второй фазе метаболической реакции. В первой фазе

происходило повышение дыхательного коэффициента, тогда как во второй фазе- его снижение по сравнению с его исходным значением. Это свидетельствует о переходе с преимущественного использования углеводов, которое имеет место в первой фазе метаболического ответа, на липидный обмен во второй фазе метаболической реакции в ответ на быстрое охлаждение. Метаболический ответ при медленном охлаждении, характеризующийся однофазностью, сопровождался снижением дыхательного коэффициента, т.е. усилением использования липидов.

Таким образом, формирование терморегуляторных реакций происходит по-разному при быстром и медленном охлаждении. Наличие динамической активности кожных холодовых рецепторов значительно изменяет структуру терморегуляторного ответа на холод.

Хорошо известно, что в реакциях организма на острое охлаждение участвует симпато-адреналовая система. При этом происходит активация периферической симпатической нервной системы и повышение концентрации катехоламинов в крови (Беросав, еЬ а1., 1978, Дашку, 1995). Различная структура терморегуляторного ответа при быстром и медленном охлаждении позволяла предполагать разную степень активации симпатической нервной системы в этих случаях.

Проведенное нами исследование полностью подтвердило высказанное предположение о влиянии динамической активности кожных терморецепторов на активацию симпатической нервной системы при быстром охлаждении. Особенно отчетливо это проявляется на первых стадиях охлаждения: при быстром охлаждении при снижении ректальной температуры на 0,5°С уже наблюдается значительное повышение концентрации и норадреналина, и адреналина в крови, тогда как при медленном охлаждении содержание катехоламинов все еще остается неизменным. Более глубокое охлаждение и снижение ректальной температуры на 3-4°С вне зависимости от скорости вызывает, примерно, одинаковое повышение норадреналина в крови, однако содержание адреналина, хотя и повышается в обоих случаях, все же остается достоверно большим при быстром охлаждении, т.е. и в этом случае различия в активации симпато-адреналовой системы при быстром и медленном охлаждениях сохраняются. При одинаковой температуре охлаждаемой поверхности кожи (29.8±0.31 при неглубоком быстром охлаждении и 29.3±0.35°С при глубоком медленном охлаждении) близкие уровни повышения норадреналина в крови достигаются при значительно меньшем снижении глубокой температуры тела во время быстрого охлаждения (0.5°С), когда имеется динамическая реакция холодовых рецепторов кожи, по сравнению с медленным (3°С), когда таковая отсутствует. Следовательно, один и тот же уровень норадреналина в крови может быть достигнут при разной комбинации температурных афферентных сигналов от поверхностных кожных и глубоких терморецепторных структур.

Наличие же динамической активности кожных холодовых рецепторов при

быстром охлаждении, обусловливая более раннюю активацию симпатической нервной системы, и, как следствие этого, возможность более ранней активации метаболического ответа на резкое холодовое воздействие. Отсутствие изменения содержания норадреналина в крови в начальной стадии медленного охлаждения может быть связано с отсутствием на этой стадии активации симпатических нервов.

Учитывая современные данные об участии термочувствительных ТКР ионных каналов в формировании функции терморецепции, вставал вопрос о вовлеченности этих каналов в механизмы формирования холодозащитных реакций при разных режимах охлаждения. Наибольшее внимание привлекает холодочувствительный ионный канал ТНРМ8, поскольку диапазон его функционирования лежит в области физиологических температур 8-28°С, и этот канал вполне может быть вовлечен в реакцию организма на охлаждение. Агонистом этого ионного канала является хорошо известное и давно используемое в медицине вещество — ментол.

Как следует их представленных данных, активация холодочувствительного ионного канала ТЫРМ8 ментолом уже в термонейтральных условиях приводила к увеличению потребления кислорода и сдвигу метаболизма в сторону усиления липолиза. Направленность изменения метаболизма под влиянием ментола соответствовала тем изменениям, которые наблюдаются и при действии холода на организм. Эти данные согласуются с результатами, полученными совсем недавно и другими авторами (Та^по е1 а!., 2007). Наблюдающиеся сдвиги в метаболизме под влиянием активации ТИРМ8 в термонейтральных условиях позволяют предполагать постоянное участие этого ионного канала в регуляции общего метаболизма, а возможно, и в определении типа метаболизма организма.

В представленной работе нами впервые исследовано влияние активации ионного канала Т11РМ8 в области кожных терминалей на последующее развитие холодозащитных реакций целого организма на охлаждение. Эксперименты показали, что активация ТЯРМ8 ментолом, не изменяя структуру терморегуляторного ответа при быстром и медленном охлаждении, уменьшала температурные пороги всех холодозащитных реакций.

При быстром охлаждении под влиянием ментола снижались температурные пороги по кожной температуре для сосудистой реакции и первой фазы повышения потребления кислорода, связанной с активацией несократительного термогенеза и углеводного обмена. Эти составляющие терморегуляторного ответа при быстром охлаждении инициируются в отсутствие изменений глубокой температуры, и, следовательно, их инициация связана с активацией только кожных терморецепторов. Именно для этих компонент терморегуляторного ответа под влиянием активации ТЯРМ8 и наблюдается снижение кожных температурных порогов.

Для второй фазы метаболического ответа и дрожи под влиянием ментола снижались температурные пороги по ректальной температуре. Последнее

может быть также связано с усилением активности кожных холодовых волокон при активации ТИРМ8. Известно, что запуск терморегуляторных реакций зависит от суммарного афферентного сигнала, как поверхностных кожных, так и глубоких терморецепторов. Тогда в условиях повышенной активации кожных холодовых волокон в результате стимуляции Т11РМ8 необходим меньший афферентный сигнал от глубоких терморецепторов, что и приводит к снижению порога по глубокой температуре.

Повышение максимальной величины потребления кислорода под влиянием ментола наблюдалось только в первой фазе метаболического ответа на быстрое охлаждение, что может быть связано с влиянием активации ионного канала ТИРМ8 на мобилизацию экстренного термогенного субстрата окисления. Величина реакции кожных сосудов, второй фазы повышения метаболизма и сократительного термогенеза не претерпевали изменений под влиянием активации ТИРМ8. Это может свидетельствовать о преимущественном значении термочувствительного ионного канала ТЯРМ8 именно для установления температурных порогов холодозащитных реакций и величины экстренного термогенеза. Более ранняя инициация метаболической и сосудистой реакции, а также повышение потребления кислорода в первой фазе метаболической реакции под влиянием ментола обусловливало замедление падения глубокой температуры во время быстрого охлаждения в 1.5 раза. Таким образом, активация холодочувствительного ионного канала ТЯРМ8 ментолом способствовала более эффективному поддержанию температурного гомео стаза.

Полученные в настоящем исследовании результаты определенно могут свидетельствовать о вкладе холодочувствительного ионного канала ТИРМ8 в активацию терморецепторных структур, обеспечивающих афферентный входной сигнал и формирующих структуру эффекторного ответа организма на холод.

Исследования с регистрацией мембранных токов показали, что ТЫРМ8 является преимущественно Са(2+) - зависимым ионным каналом (СИиапд е1 а1., 2004). В связи с этим безусловный интерес представляет сравнение действия агониста ТЯРМ8 ментола и ионов Са(2+) на параметры терморегуляторного ответа. Как свидетельствуют данные предыдущих исследований нашей лаборатории (ТкасЬепко е1 а1., 2005), ионофоретическое введение ионов Са(2+) в кожу (в области последующего приложения холодового стимула) также приводит к снижению температурных порогов всех терморегуляторных реакций. Однако помимо этого, при развитии терморегуляторных реакций на холод под влиянием Са(2+) возрастают максимальные величины констрикторной реакции кожных сосудов и сократительного термогенеза, тогда как несократительный термогенез снижается. Следовательно, действие Са(2+), возможно вовлекая и другие механизмы, в том числе и другие термочувствительные ионные каналы, оказывает более широкое влияние, чем агонист ионного канала ТКРМ8 ментол

- не только на пороги реакций и величину экстренного термогенеза, но изменяет выраженность и других компонентов холодозащитной реакции. В то же время, в действии Са(2+) в отношении порогов терморегуляторных реакций прослеживается аналогия с действием ментола - агониста холодочувствительного ионного канала TRPM8, подтверждая важную роль ионов Са(2+) в функционировании афферентных структур, ответственных за инициацию терморегуляторных реакций на холоде.

Основная роль терморецепторов состоит в обеспечении формирования эффекторных ответов, а также температурных ощущений, которые отражают соотношение теплообмена и терморегуляции в целом. В лаборатории исследовалось влияние активации TRPM8 на холодовые ощущения человека (Козырева, Ткаченко, 2008). Эти исследования показали, что активация TRPM8 в термонейтральных условиях приводила к снижению количества функционирующих холодочувствительных афферентов, не оказывая влияния на количество теплочувствительных. Этот эффект был сходным с эффектом внешнего охлаждения.

Подтверждением участия ионного канала TRPM8 в формировании чувства человека холода могут служить и данные, полученные в нашей лаборатории (Kozyreva et al., 2011), о связи полиморфизма гена, кодирующего этот канал, с изменениями холодовой чувствительности. При оценке связи между однонуклеотидным полиморфизмом rs 11562975 гена ионного канала TRPM8 и чувствительностью человека к холоду и ментолу было показано следующее. Для людей с гетерозиготным генотипом GC, содержащим С-аллель, характерна повышенная чувствительность к холоду и сниженная чувствительность к ментолу, агонисту ионного канала TRPM8, по сравнению с людьми, имеющими гомозиготный генотип GG. Функциональное значение данного однонуклеотидного полиморфизма с одной стороны служит подтверждением участия TRPM8 в механизмах восприятия температуры, а с другой может представлять интерес как потенциальный молекулярно-генетический маркер индивидуального разнообразия температурной и ментоловой чувствительности человека. Данные о влиянии активации TRPM8 на пороги терморегуляторных реакций при охлаждении, полученные в настоящей работе на животных, также как и данные о влиянии TRPM8 на холодовую чувствительность человека, убедительно свидетельствуют о вкладе ионного канала TRPM8 в формирование афферентного температурного сигнала.

Итак, полученные результаты позволяют судить о функциональном значении динамической и статической активности кожных холодочувствительных афферентов. Присутствие динамической активности приводит к изменению структуры терморегуляторного ответа - уменьшению температурных порогов терморегуляторных реакций и появлению дополнительной экстренной фазы метаболического ответа, характеризующейся усиленным углеводным обменом. Вторая более мощная фаза метаболического ответа при быстром охлаждении и метаболический ответ при медленном

охлаждении, обусловленные, как статической активностью кожных, так и активностью глубоких термочувствительных афферентов, характеризуются усилением липидного обмена и сопровождаются мышечным термогенезом. Согласно проведенному математическому анализу (Козырева, Верхогляд, 1989), вклад глубокой температуры, т.е. глубоких термоафферентов, в инициацию этого компонента терморегуляторной реакции преобладает. Различия в активности симпатической нервной системы в зависимости от присутствия или отсутствия динамической активности кожных термочувствительных афферентов, показанное в настоящей работе, может обусловливать разную структуру терморегуляторного ответа. Уменьшение температурных порогов всех терморегуляторных реакций при активации холодочувствительного ионного канала ТЯРМ8, как при быстром охлаждении с участием динамической и статической активности кожных холодочувствительных афферентов, так и при медленном охлаждении с участием только статической активности этих афферентов может свидетельствовать о вовлеченности ТИРМ8 в формирование обоих типов активности кожных термочувствительных афферентов, формирующих ответ организма на холод.

ВЫВОДЫ

1. Формирование структуры терморегуляторного ответа на внешнее охлаждение зависит от скорости снижения температуры кожи, т.е. от различия в формирующем афферентном температурном сигнале - вовлеченности статической и динамической активности кожных терморецепторов при быстром охлаждении, или только их статической активности при медленном охлаждении.

2. Для быстрого охлаждения с вовлечением статической и динамической активности кожных терморецепторов характерно развитие двух фаз метаболического ответа, сопровождающихся разнонаправленным изменением дыхательного коэффициента: в первой фазе его повышением, а во второй - снижением по сравнению с его исходным значением. Это указывает на преимущественное использование различных субстратов окисления в разных фазах метаболического ответа: углеводов в первой фазе и жиров во второй. Для медленного охлаждения с вовлечением только статической активности кожных терморецепторов характерен однофазный метаболический ответ с понижением дыхательного коэффициента, т.е. преимущественным использованием жиров.

3. Симпато-адреналовая система активируется по-разному в зависимости от скорости и глубины охлаждения. Большая скорость охлаждения, обусловливающая присутствие динамической активности холодовых рецепторов кожи, способствует более раннему и более выраженному

повышению концентрации катехоламинов в крови и более выраженному их снижению в коже.

4. Активация холодочувствительного ионного канала TRPM8 его агонистом ментолом уже в термонейтральных условиях приводит к повышению потребления кислорода и снижению дыхательного коэффициента, что в отсутствие дрожи свидетельствует об усилении несократительного термогенеза и липолиза.

5.Агонист холодочувствительного ионного канала TRPM8, ментол, вызывает уменьшение порогов всех терморегуляторных реакций на охлаждение как быстрое, так и медленное, не изменяя их последовательности. Под влиянием ментола при быстром охлаждении возрастает величина экстренного термогенеза, связанного с углеводным обменом, при медленном охлаждении ментол приводит к усилению констрикторной реакции кожных сосудов. Все это приводит к лучшему поддержанию температуры тела в условиях холода.

6. Полученные данные свидетельствуют о вкладе ионного канала TRPM8 в формирование регуляторного температурного афферентного сигнала. Влияние активации TRPM8 на метаболические параметры в термонейтральных условиях и при холодовом воздействии предполагают постоянную вовлеченность ионного канала TRPM8 в регуляцию общего метаболизма и, возможно, в определение типа метаболизма живого организма.

7. Динамическая активность кожных холодовых рецепторов в наибольшей степени оказывая влияние на температурные пороги терморегуляторных реакций и стимулируя экстренный термогенез, изменяет структуру терморегуляторного ответа организма на охлаждение. Одним из механизмов такого влияния может быть более ранняя активация симпатической нервной системы в присутствии динамической активности кожных терморецепторов.

Опубликованные работы по теме диссертации в реферируемых научных журналах, включённых в список ВАК

1. Козырева Т.В., Ткаченко Е.Я., Козарук В.П.. Латышева Т.В., Гилинский М.А. Особенности реакции симпато-адреналовой системы крыс при разных типах охлаждения. //Российский физиологический журн. им. И.М. Сеченова. -1999. - Т. 85, N 11.- С. 1434-1439.

2. Ткаченко Е.Я., Козарук В.П., Храмова Г.М., Воронова И.П., Мейта Е.С., Козырева Т.В. Зависимость формирования терморегуляторных реакций на охлаждение от типа активности кожных терморецепторов. Бюлл. СО РАМН. Т.ЗО, №4. С. 95-100.2010.

3. Козырева Т.В., Козарук В.П., Ткаченко Е.Я., Храмова Г.М. Влияние активации ионного канала TRPM8 на терморегуляторные реакции при охлаждении. //Российский физиологический журн. им. И.М. Сеченова. Т. №2, с.218-226,2011.

4. Kozyreva T.V., Tkachenko E.Ya., Kozaruk V.P.. Latysheva T.V., Gilinsky M.A. Effects of slow and rapid cooling on catecholamine concentration in arterial plasma and the skin. //Am. J. Physiol. Regul. Integr. - 1999. - V.45. - P. R1668-R1672.

5. Kozyreva T.V., Tkachenko E.Ya., Kozaruk V.P. Thermoregulatory responses to cooling before and after the noradrenaline iontophoresis to skin. //J. Therm Biol -1999.-24.-P. 175-183.

6. Kozyreva T.V., Tkachenko E.Ya., Eliseeva L.S., Kozaruk V.P.. Polyakova E. V. Noradrenaline and the effector responses to cold exposure. //Proceedings of the Australian Physiol. Pharmacol. Society. - 2001. - 32 (2: suppl. 1): P. 86-87.

7. Kozyreva T.V., Tkachenko E.Ya., Eliseeva L.S., Kozaruk V.P.. Polyakova E.V. A possible mechanism for noradrenaline involvement in the effector responses to cold exposure. //J. Thermal Biology. - 2001. - V. 26, N4-5. - P. 505-512.

8. Kozyreva T.V., Kozaruk V.P.. Tkachenko E.Ya., Khramova G.M. Agonist of TRPM8 channel, menthol, facilitates the initiation of thermoregulatory responses to external cooling. J. Thermal Biology, V. 35, N.8, P. 428-434. 2010.

Опубликованные работы по теме диссертации

1. Коза рук В.П.. Ткаченко Е.Я. Влияние модуляции кожных терморецепторов норадреналином на следовые эффекты охлаждения. XVIII съезд Физиологического общества им. И.П. Павлова. Казань. - 2001. - С. 355.

2. Коза рук В.П. Изменение концентрации норадреналина в крови и коже при быстром и медленном охлаждении. Материалы 4 съезда физиологов Сибири, Новосибирск, 2002, с. 120.

3. Воронова И.П., Куликов А.В., Храмова Г.М., Козарук. В.П.. Козырева

вопросу о формировании терморегуляторного сигнала" XX съезд физиологического общества имени И.П. Павлова, С. 186. Москва. 2007.

4. Козарук В.П.. Храмова Г.М., Козырева Т.В. Влияние агониста терморецептора TRPM8 на развитие терморегуляторных реакций при охлаждении. Материалы VI Сибирского физиологического съезда. Барнаул 2008. Т.1. С.159-160.

5. Kozyreva T.V., Kozaruk V. P.. Khramova G. M. Effect of activation of trpm8 on thermoregulatory response to cold exposure. International Symposium on Physiology and Pharmacology of Temperature Regulation, Matsue, Japan, 2009, P. 118.

6. Voronova I.P., Kulikov A.V., Kozaruk V.P.. Chramova G.M., Kozyreva T.V. Effect of long-term and short-term cooling on expression of the la and 2a serotonin receptor genes in the hypothalamus of rats. International Symposium on Physiology and Pharmacology of Temperature Regulation, Matsue, Japan, 2009, P. 117.

7. Козарук В.П.. Храмова Г.М. Влияние активации ионного канала TRPM8 на терморегуляторные реакции при быстром и медленном охлаждении. XXI всероссийского съезда физиологического общества им. И.П. Павлова. Калуга С. 282. 2010.

Подписано к печати 09.02.2012 г. Формат 60x84/16 Объем 1,0 п.л.

Тираж 100 экз. Заказ № ОП-1202 ООО ТСК «Центр»

630090, г. Новосибирск, Морской пр-т, 58.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Козарук, Валерий Петрович, Новосибирск

61 12-3/1287

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ МЕДИЦИНСКИХ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Федеральное государственное бюджетное учреждение «Научно-исследовательский институт физиологии»

На правах рукописи

Козарук Валерий Петрович

МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕРМОРЕГУЛЯТОРНЫХ РЕАКЦИЙ ОРГАНИЗМА ПРИ РАЗНЫХ РЕЖИМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ В НОРМЕ И В УСЛОВИЯХ АКТИВАЦИИ ИОННОГО КАНАЛА

ТЯРМ8

03.03.01 - физиология

Диссертация на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д.б.н., профессор Козырева Т.В.

Новосибирск - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................4

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ......................................11

1. Терморегуляторные реакции на охлаждение.......................11

1.1. Жизнь и гомойотермия......................................11

1.2. Механизмы физической терморегуляции.......................12

1.3. Теплообразование на холоде..................................14

1.4. Афферентное звено системы терморегуляции...................17

2. Участие симпатоадреналовой системы в реакциях организма

на охлаждение..................................................22

3. Молекулярные механизмы восприятия холода.....................26

3.1. ТИР-каналы, активируемые температурой .....................26

3.2. Восприятие холода..........................................29

3.3. ТЫРМ8 - ионный канал, чувствительный к холоду и ментолу......31

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.................34

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ............................45

ГЛАВА 1. Особенности формирования холодозащитных реакций организма при быстром и медленном охлаждении..............................45

1.1. Формирование терморегуляторных реакций при

быстром охлаждении.............................................47

1.2. Формирование терморегуляторных реакций при медленном охлаждении.....................................................59

ГЛАВА 2. Реакция симпатоадреналовой системы крыс при разных типах охлаждения...............................................72

2.1. Физиологические показатели и содержание катехоламинов

перед охлаждением...............................................72

2.2. Физиологические показатели при быстром и медленном охлаждении разной глубины.......................................75

2.3. Концентрация катехоламинов в крови при быстром и медленном охлаждении.....................................................75

2.4. Концентрация катехоламинов в коже при быстром и медленном

неглубоком охлаждении..........................................80

ГЛАВА 3. Влияние активации ионного канала TRPM8 ментолом на терморегуляторные реакции при быстром и медленном охлаждении.....82

3.1. Влияние аппликации ментола на регистрируемые параметры в термонейтральных условиях.......................................82

3.2. Влияние аппликации ментола на параметры терморегуляторных реакций при быстром охлаждении..................................84

3.3. Влияние аппликации ментола на параметры терморегуляторных реакций при медленном охлаждении................................92

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ............101

ВЫВОДЫ................................................113

ЛИТЕРАТУРА............................................115

ВВЕДЕНИЕ

Температура окружающей среды является одним из существенных факторов, оказывающих влияние на живой организм. Смена времен года, изменение климатической зоны, смена профессионального труда, все связано с изменением температурных условий существования. Освоение человеком Сибири, северных территорий и южного приполярья, климатической особенностью которых являются низкие температуры, привлекает особое внимание к вопросам о возможности, пределах и механизмах приспособления человека и животных к холоду.

Механизмы, лежащие в основе температурной чувствительности человека и животных, и значимость температурного афферентного сигнала в формировании защитных реакций организма, до сих пор недостаточно ясны. Именно афферентный сигнал периферических и центральных терморецепторов определяет характер взаимодействия различных физиологических систем между собой, а, следовательно, и отношение организма в целом к изменению температуры окружающей среды.

Известно, что поток сенсорной информации от периферических терморецепторов зависит от количества функционирующих рецепторов и их импульсной активности в данный момент времени, которая определяется абсолютным значением температуры и скоростью ее изменения. При постоянной температуре кожи терморецепторам присущ постоянный уровень импульсной активности, так называемая статическая активность, причем разным значениям температуры кожи соответствуют разные уровни статической активности. При быстром изменении температуры кожи (во время согревания или охлаждения) возникает резкое изменение частоты разрядов терморецепторов - динамическая активность. Физиологическое значение различных типов активности терморецепторов (статической и динамической) в формировании терморегуляторных реакций организма

исследовано далеко недостаточно. Показателями, отражающими физиологическое значение и вклад температурного афферентного сигнала при внешнем температурном воздействии, могут служить температурные пороги инициации различных эффекторных реакций, направленных на поддержание температурного гомеостаза. Важно понять какова роль динамической и статической активности терморецепторов в механизмах формирования структуры терморегуляторного ответа организма, т.е. температурных порогов и последовательности инициации различных составляющих терморегуляторного ответа организма на внешнее температурное воздействие. Учитывая вовлеченность симпатической нервной системы в реакцию организма на воздействие низких температур, встает вопрос о возможной роли афферентного сигнала терморецепторов в степени ее активации при действии холода на организм.

В последние годы появились многочисленные исследования, касающиеся клеточных и молекулярных механизмов восприятия температуры. Полагают, что детекторами изменения температуры и основными сенсорами являются термочувствительные ТЫР каналы, расположенные в мембране афферентных сенсорных окончаний терморецепторных нейронов (.УогсН: й а!., 2003; МсКету, 2005; Ра1ароШ1ап е1 а1., 2003). К настоящему времени идентифицировано два холодочувствительных ионных канала - ТЯРА1 и ТЫРМ8. Показано, что ТКРА1 функционирует в диапазоне более низких температур - ниже 17°С, тогда как ТЯРМ8 является ионным каналом, активируемым холодом в диапазоне температур 8-28°С. Ионный канал ТИРМ8 может активироваться также ментолом, ицилином и другими химическими агентами (Тогск е1 а1., 2003; С1ша^ ^ а1., 2004).

ТКРМ8 экспрессируется на окончаниях сенсорных нейронов заднекорешковых и тригеминального ганглиев (Ра1ароийап а1., 2003), свободные нервные окончания которых и являются периферическими

терморецепторами. Биофизические свойства (ионная селективность, порог температурной активации) нейронов, экспрессирующих этот ионный канал, сходны с таковыми для холодочувствительных сенсорных нейронов заднекорешковых ганглиев. Обследование людей, а также эксперименты с термопреферендумом на нокаутных по TRPM8 животных свидетельствуют об участии этого ионного канала в формировании холодовой чувствительности (Bautista et al., 2007; Козырева, Ткаченко, 2008; Dhaka et al. 2008). Тем не менее, вопрос об участии холодочувствительного ионного канала TRPM8 в формировании терморегуляторных реакций до последнего времени остается открытым.

Целью настоящей работы явилось выяснение роли динамической и статической компонент температурного афферентного сигнала в механизмах формирования структуры терморегуляторного ответа и активации симпатической нервной системы при действии холода на организм, а также вовлеченность ионного канала TRJPM8 в формирование этого ответа.

Для выполнения поставленной цели предусматривается использование различных режимов охлаждения, которые подобраны в соответствии с предыдущими нейрофизиологическими исследованиями активности терморецепторов кожи таким образом, что терморецепторы демонстрируют либо и статическую, и динамическую активность, либо только статическую. Использование этих режимов холодового воздействия позволяет сформировать различный афферентный сигнал, вызывающий, соответственно, различия в эффекторных реакциях со стороны системы терморегуляции.

В работе были поставлены следующие задачи:

1. Выяснить особенности формирования терморегуляторного ответа организма при холодовом воздействии в условиях вовлечения

статической и динамической или только статической активности терморецепторов кожи.

2. Выявить различия в активации симпатической нервной системы при холодовом воздействии в условиях вовлечения статической и динамической или только статической активности терморецепторов кожи.

3. Выяснить возможное участие холодочувствительного ионного канала ТЫРМ8 в формировании терморегуляторных реакций организма на холод в условиях различных режимов охлаждения.

Научная новизна работы

• Показано, что наличие динамической активности термочувствительных афферентных волокон приводит к изменению структуры терморегуляторного ответа, инициируя экстренную фазу термогенного повышения метаболизма, опережающую констрикторную реакцию кожных сосудов и вторую фазу термогенеза.

• Первая и вторая фазы термогенеза на холод сопровождаются преимущественным использованием различных субстратов окисления углеводов в первой фазе и жиров во второй, о чем свидетельствует разнонаправленное изменение дыхательного коэффициента: в первой фазе - повышение, а во второй - снижение.

• Показано участие ионного канала ТКРМ8 в формировании структуры терморегуляторного ответа при охлаждении. Активация этого ионного канала приводит к уменьшению порогов терморегуляторных реакций на холод и усилению экстренного термогенеза (первой фазы метаболического ответа), который проявляется в присутствии динамической компоненты афферентного температурного сигнала периферических терморецепторов.

• Показана возможность изменения метаболических параметров в термонейтральных условиях и при холодовом воздействии при активации ионного канала ТКРМ8, что может свидетельствовать о вовлеченности этого ионного канала в регуляцию общего метаболизма в живом организме.

Положения, выносимые на защиту

• Холодочувствительный ионный канал ТЯРМ8 участвует в формировании афферентного температурного сигнала, обеспечивающего поддержание определенного уровня метаболизма и обусловливающего структуру терморегуляторного ответа организма на холод.

Теоретическая и научно-практическая значимость работы

Показано функциональное значение динамической активности кожных термоафферентов в ускорении активации симпатической нервной системы, как механизма более ранней инициации терморегуляторных реакций.

Показанное на уровне целого организма участие ионного канала TRPM8 в формировании типа метаболизма и терморегуляторного ответа на холод позволяет развивать методы фармакологической коррекции метаболизма и формирования термозащитных реакций.

Результаты могут быть полезны при разработках рекомендаций для сохранения и повышения работоспособности людей в условиях низких температур, коррекции физиологических функций, реабилитационных технологий в условиях природных и техногенных катастроф.

Экспериментальные результаты, полученные в настоящем исследовании, используются в курсе лекций для студентов факультета естественных наук Новосибирского Государственного Университета.

Апробация результатов

(Барнаул, 2008); на Международном симпозиуме International Symposium on Physiology and Pharmacology of Temperature Regulation (Мацуе, Япония, 2009); на XXI съезде Российского физиологического общества им. И.П. Павлова (Калуга, 2010).

Публикации

Структура и объем диссертационной работы

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1. Терморегуляторные реакции на охлаждение

1.1. Жизнь и гомойотермия

Эволюция терморегуляции является одним из выражений формирования постоянства внутренней среды. Появление гомойотермных животных знаменует новый важный этап на пути развития отношений между животными и окружающей средой. Благодаря развитию гомойотермии организм освободился от прямой и постоянной зависимости от температуры окружающей среды. При этом значительно расширились границы обитания животных.

Жизнь организма зависит от химических реакций, протекающих в клетках организма. Скорость этих реакций зависит от температуры. С повышением температуры возрастает скорость элементарных химических реакций в соответствии с законом Аррениуса - Ван-Гоффа. При этом для большинства метаболических процессов при повышении температуры на 10°С скорость протекания химических реакций в живых клетках увеличивается в 2-3 раза. У различных организмов температурные условия для течения обменных процессов могут несколько отличаться, но только в пределах этих оптимальных условий обмен и жизненные функции протекают с нормальной интенсивностью. Предполагается (А.Бартон и О.Эдхолм,1957), что сложная организация высших теплокровных животных была бы невозможна без обеспечения гомойотермии.

Однако, температура различных тканей гомойотермных животных неодинакова. Существует температурный градиент по направлению от тканей расположенных в глубине к коже. Температура дистальных отделов конечностей и периферических тканей (кожи, подкожной клетчатки, поверхностных мышц) оказывается значительно более низкой и менее

постоянной, чем температура тех органов и тканей, которые расположены в более глубоких частях тела (внутренние органы, центральная нервная система). У человека такого рода температурная «периферия» составляет от 20 до 35% массы тела, а при значительном охлаждении может увеличиваться до 50%.

Значение зоны неустойчивой гомойотермии очень велико. Гомойотермия «ядра» в значительной мере достигается за счет реакций, регулирующих температуру в «оболочке». В противном случае гомойотермия всего животного достигалась бы с гораздо большим трудом, поскольку значительная часть физической терморегуляции была бы невозможна. Способность поддерживать постоянство температуры тела в изменчивых условиях теплообмена с внешней средой связана с развитием у гомойотермов физиологических механизмов, активно регулирующих интенсивность отдачи тепла во внешнюю среду и интенсивность образования его в организме. Сохранение постоянства температуры тела требует равновесия между теплообразованием и теплоотдачей.

1.2. Механизмы физической терморегуляции

Терморегуляция, как физиологическая функция, представляет собой суммарное отражение физических и химических процессов, происходящих в организме и регулируемых нервной и гормональной системами. Реакция организма на охлаждение сопровождается, кроме поведенческих, специфическими физиологическими реакциями, направленными на сохранение тепла: уменьшением теплоотдачи (сосудистая реакция - вазоконстрикция кожных кровеносных сосудов, пилоэрекция) и усилением теплопродукции (метаболическая реакция -несократительный и сократительный термогенез). У большинства гомойотермных животных (особенно высших) регуляция тепла в организме осуществляется в основном за счет уменьшения или увеличения теплоотдачи.

Отдача тепла организмом в окружающую среду о

Информация о работе

Козарук, Валерий Петрович
кандидата биологических наук
Новосибирск, 2012
ВАК 03.03.01

Диссертация

Механизмы формирования терморегуляторных реакций организма при разных режимах охлаждения в норме и в условиях активации ионного канала TRPM8 - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы