Классификация и функциональное значение ноцицепторов
Введение
Около 150 лет назад Чарльз Дарвин заявил, что «любое изменение... если оно будет в какой-то степени выгодным для человека какого-либо вида... будет стремиться к сохранению этого человека и, как правило, будет наследоваться его потомством» (Дарвин, 1859).
Способность организма обнаруживать и эффективно реагировать на неприятные раздражители, безусловно, является выгодной чертой, которая, как можно ожидать, не ограничивается высшими позвоночными.
Ноцицепция, производная от латинского «nocere» - «причинять боль / вред» - это название процесса, с помощью которого организмы обнаруживают потенциально или фактически вредные стимулы. У людей основой этой системы является специальный класс сенсорных афферентов, называемых ноцицепторами, которые определены Международной ассоциацией по изучению боли (IASP) как «рецептор, преимущественно чувствительный к вредному стимулу или стимулу, который может стать вредным при длительном воздействии».
Важно различать ноцицепцию и боль, потому что последняя всегда включает в себя эмоциональный компонент, и IASP подчеркивает, что активация ноцицептора сама по себе не является болью. Предложение о наличии сенсорных афферентов, которые специфически обнаруживают вредные стимулы, было впервые выдвинуто Чарльзом Шеррингтоном, 1903). В более ранние века ученые считали, что животные похожи на механические устройства, которые превращают энергию сенсорных стимулов в моторные реакции. Шеррингтон использовал много различных экспериментов, чтобы продемонстрировать, что различные виды стимуляции с нервом афферентного волокна рецепторного поля привело к различным ответам. Некоторые интенсивные раздражители вызывают рефлекторную абстиненцию, определенные вегетативные реакции и боль. Специфические рецепторы для этих интенсивных стимулов были названы ноцицепторами.
Способность обнаруживать вредные стимулы имеет важное значение для выживания и благополучия организма. Это наглядно иллюстрируется обследованием лиц, страдающих врожденными аномалиями, которые делают их неспособными обнаруживать болезненные раздражители. Эти люди не могут чувствовать острую боль от острого предмета, жар открытого пламени или даже дискомфорт, связанный с внутренними травмами, такими как сломанная кость. В результате они не применяют соответствующие защитные меры против этих условий, многие из которых могут быть опасными для жизни.
Чаще всего изменения пути боли приводят к гиперчувствительности, так что боль перестает быть полезной в качестве системы острого предупреждения и вместо этого становится хронической и изнурительной. На некотором уровне это можно рассматривать как продолжение нормального процесса заживления, при котором повреждение ткани или нерва вызывает гиперактивность, чтобы способствовать защите поврежденной области. Например, солнечный ожог вызывает временную сенсибилизацию пораженного участка. В результате обычно безвредные раздражители, такие как легкое прикосновение или тепло, воспринимаются как болезненные (явление, называемое аллодиния), или обычно болезненные раздражители вызывают боль большей интенсивности (называемую гипералгезией). В крайнем случае сенсибилизация не проходит.
Действительно, люди, которые страдают от артрита, постгерпетической невралгии, испытывают сильную и часто непрекращающуюся боль, которая не только ослабляет физиологическое и психологическое состояние, но также может препятствовать восстановлению. Хроническая боль может сохраняться даже после острой травмы, возможно, чаще всего она проявляется как боль в пояснице, или ишиас.
Постоянные или хронические болевые синдромы могут быть инициированы или поддерживаться в периферических и / или центральных локусах. В любом случае выяснение молекул и типов клеток, которые лежат в основе нормального (острого) болевого ощущения, является ключом к пониманию механизмов, лежащих в основе болевой гиперчувствительности.
Глубокие различия между острой и хронической болью подчеркивают тот факт, что боль создается не неизменной жесткой системой, а скорее является результатом взаимодействия высокопластичных молекул и цепей.
Борьба с болью была главной целью фармакотерапии с самых ранних времен. Несколько продуктов растительного происхождения (опиаты, полученные из Papaver somniferum, и салицилаты, полученные из семейства Salix, являющиеся наиболее заметными) использовались для облегчения боли в течение многих тысячелетий. Сегодня разработка анальгетиков - это многомиллиардное усилие, отражающее важность контроля боли для пациентов и практикующих врачей, а также тот факт, что эффективное лечение острой и хронической боли остается неоптимальным.
В данной работе рассмотрим ноцицептивный аспект восприятия боли, сосредоточив внимание на ноцицепторах, иннервирующих кожу и сохраняющих экстерьерное восприятие вредных раздражителей, а также каким образом вредные раздражители обнаруживаются, кодируются и передаются в ЦНС.
1 Анатомия и физиология ноцицептивной системы
Значительное понимание клеточной и молекулярной основы кожной ноцицепции было получено из исследований на сознательных людях и суррогатных моделях животных, хотя мы далеки от понимания клеточной биологии восприятия боли. Достижения в изучении обуславливаются трудностями, присущими изучению нейрональных процессов у людей, клеточными изменениями в ноцицепторах, вызванными инвазивными методами, неспособностью регистрировать непосредственно из крошечных структур, где происходит трансдукция вредных стимулов.
Хотя морфология сенсорных ноцицептивных нервных окончаний очень консервативна от грызунов до человека, ноцицепторы кожи представляют собой чрезвычайно гетерогенную группу нейронов, расположенных в периферических сенсорных ганглиях, расположенных непосредственно за пределами ЦНС, которые передают внешние вредные раздражители в коже, вплоть до метров от их клеточных тел.
Минимально инвазивные внеклеточные единичные записи нервных волокон периферических нервов (микронейрография) и кожно-нервных препаратов у млекопитающих и микронейрография в сочетании с психофизическими измерениями у людей выявили существование различных классов ноцицепторов активируется вредными раздражителями.
Адекватные стимулы включают экстремальные температуры (> ~ 40 °C – 45 ° C или <~ 15 ° C), интенсивное давление и химические вещества, сигнализирующие о потенциальном или фактическом повреждении ткани. Ноцицепторы обычно молчаливы и способны передавать потенциалы действия, согласно закону «все или ничего» только при стимуляции. Однако ноцицепторная активность сама по себе не приводит к восприятию боли. Последнее требует периферийной информации для достижения более высоких центров и обычно зависит от частоты потенциалов действия у первичных афферентов, временного суммирования пре- и постсинаптических сигналов, и центральных влияний.
Вредные раздражители преобразуются в электрические сигналы в свободных «неинкапсулированных» нервных окончаниях, которые разветвляются от основного аксона и оканчиваются в стенке артериол и окружающей соединительной ткани и могут иннервировать отдельные участки в дерме и эпидермисе. Окончания обволакиваются клетками Шванна, за исключением конечной луковицы и варикозного расширения вен, богатых митохондриями. A-волокна теряют свою миелиновую оболочку, а немиелинизированные ветви A-волокон образуют небольшие отдельные пятна на небольшом участке, анатомический субстрат для их рецептивного поля.
Ветви С-волокна, как правило, более широко распределены, что исключает точную локализацию стимула. Напротив, специализированные ненейронные структуры, обеспечивающие высокую чувствительность к легкому прикосновению, растяжению, вибрации и движению волос, иннервируются низкими пороговыми A-волокнами. Ноцицептивные окончания находятся вблизи кератиноцитов, тучных клеток и клеток Лангерганса, что указывает на способность периферических сенсорных окончаний контролировать состояние кожи.
Ноцицепторы, как и других первичных соматосенсорных нейронов, являются псевдоуниполярными: одиночный процесс исходит от тела клетки в ганглии дорсального корня (DRG) или тройничном ганглии (TG) и разветвляется, посылая периферический аксон для иннервации кожи и центральный аксон для синапса на нейронах второго порядка в дорсальном роге спинного мозга или тройничного subnucleus caudalis, соответственно.
Таким образом, распространяющиеся электрические сигналы между периферией и спинным мозгом (или стволом мозга) следуют по прямому аксональному пути, таким образом снижая риск нарушения проводимости. Ноцицепторы являются возбуждающими нейронами и выделяют глутамат в качестве своего основного нейротрансмиттера, а также другие компоненты, включая пептиды (например, вещество P, связанный с геном кальцитонина пептид [CGRP], соматостатин), важные как для центральной синаптической передачи сигналов, так и для эфферентной передачи сигналов в коже.
Инвазия потенциалов действия в ноцицепторную сому через аксон короткого ствола может привести к биохимическим изменениям (например, фосфорилированию и активации суперсемейства MAPK сигнальных путей), которые в конечном итоге изменяют экспрессию генов и функциональный фенотип. Хотя считается, что прямой связи между сомой первичных сенсорных нейронов не происходит, экзоцитоз везикул наблюдается в диссоциированной соме и может влиять на ассоциированные клетки Шванна и, возможно, соседние нейроны. Центральный аксон нейронов DRG проникает в спинной мозг через спинной корешок и отростки, которые иннервируют множественные сегменты позвоночника в ростральном и каудальном направлениях, а также сегмент, связанный с определенными ядрами DRG и дорсального столба хвостового мозга. Они заканчиваются преимущественно в пластинках I, II и V дорсального рога на релейных нейронах и локальных интернейронах, важных для модификации сигнала. Местные тормозные и возбуждающие интернейроны в дорсальном роге, а также нисходящие тормозные и вспомогательные пути, возникающие в мозге, модулируют передачу ноцицептивных сигналов, тем самым способствуя расстановке приоритетов восприятия боли относительно других конкурирующих поведенческих потребностей и гомеостатических требований.
Тело клетки (сома) послужило чрезвычайно полезной моделью для изучения молекул и модуляторных механизмов, обеспечивающих передачу вредных стимулов, передачу электрических сигналов в ЦНС и высвобождение нейротрансмиттеров и нейропептидов на центральных и периферических терминалах. Сома экспрессирует множество молекулярных образований, которые выражаются в свободных нервных окончаниях, центральных терминалах и аксоне.
Однако было показано, что данные из записей цельноклеточной сомы в некоторых случаях расходятся с поведенческими или периферическими физиологическими данными (например, теплопередача, реакция протонов). Хотя основные различия в этих случаях могут быть связаны с дифференциальным распределением молекул трансдукции, также возможно, что не нейрональные периферические компоненты необходимы in vivo и отсутствуют в диссоциированных нейрональных культурах.
Маркировка ретроградными красителями, инъецированными в ткань-мишень, позволила охарактеризовать функциональные признаки сома-рецепторов, иннервирующих эти ткани. Гетерогенность функциональных фенотипов наблюдается в изолированных органах сенсорных клеток, по-видимому, отражает изменчивость, наблюдаемую в типах кожных ноцицепторных волокон, наблюдаемых в исследованиях, в которых записи с волокон или сомы во время стимуляции рецептивного поля объединяются с последующей маркировкой ноцицептора для идентификации терминальной морфологии и экспрессии ноцисенсоров, маркеры, и пептиды (Приложение 1).
1.1 Классификация нервных волокон ноцицепции
Нервы у позвоночных состоят из трех основных групп волокон (А, В и С), различающихся по степени миелизации, диаметру волокна, длительности пика ПД (скорости развития ПД), электровозбудимости, его компенсации и скорости проведения (все эти показатели в ряду А — В — С падают).
Существуют различные классификации нервных волокон.
По наличию (или отсутствию) миелиновой оболочки нервные волокна делят на миелиновые и безмиелиновые. Классификация нервных волокон по Ллойду – Ханту учитывает диаметр волокна и скорость проведения импульса, но применяется только для чувствительных волокон. Согласно этой классификации, выделяют четыре класса волокон – I, II, III, IV. Волокна I класса подразделяют на 2 группы – а и b.
Типы нервных волокон Оценки показателей по типам нервных волокон
Диаметр волокна, интервалы, мкм Скорость проведения возбуждения, интервалы, м/с Миелиновая оболочка Примеры
Ia
18 ÷ 22 90 ÷ 120 Имеется Афферентные волокна от мышечных веретен
Ib
15 ÷ 18 60 ÷ 90 Имеется Афферентные волокна от сухожильных рецепторов
II 7 ÷ 15 40 ÷ 90 Имеется Афферентные волокна от HYPERLINK "http://www.tryphonov.ru/tryphonov2/terms2/mecrec.htm" \l "0" механорецепторов кожи
III 1,0 ÷ 5,0 3 ÷ 25 Прерывистая Афферентные волокна от рецепторов соединительных тканей
IV 0,1 ÷ 1,0 0,5 ÷ 2,0 Отсутствует Афферентные волокна болевых рецепторов, рецепторов соединительной ткани мышц
Табл 1. Классификация нервных волокон по Ллойду-Хансу
Классификация нервных волокон по Эрлангеру – Гассеру основана на исследовании составного потенциала действия смешанного периферического нерва (например, седалищного). После электрической стимуляции такого нерва регистрируется целый спектр потенциалов действия, отражающий наличие в нерве волокон с разными скоростями проведения импульса. Согласно этой классификации, выделяют три основных типа волокон – А, В, С, соответствующие трем волнам составного потенциала действия. Волокна типа А подразделяются на 4 подтипа – α, β, γ, δ. Данная классификация учитывает как чувствительные, так и двигательные волокна.
Нервные волокна типа А делятся на четыре подгруппы: α, β, γ и δ. Они покрыты миелиновой оболочкой. Наиболее толстые из них — так называваемые альфа-волокна (Аα) — у теплокровных животных и человека имеют диаметр 12—22 мк и характеризуются значительной скоростью проведения возбуждения: 70—120 м/сек. Такие волокна проводят возбуждение от моторных нервных центров спинного мозга к скелетным мышцам («двигательные» волокна) и от рецепторов мышц к соответствующим нервным центрам. Потенциал действия волокон Аα у теплокровных длится 0,5 мсек. После его окончания развивается следовой отрицательный потенциал, который продолжается 15—20 мсек и переходит в следовой положительный потенциал длительностью около 40—60 мсек.
Три другие группы волокон типа А: бета (Aβ)-, гамма (Аγ)- и дельта волокна имеют меньший диаметр — от 2 до 12 мк, меньшую скорость проведения и более длительный потенциал действия. Это преимущественно чувствительные волокна, проводящие возбуждение от различных рецепторов (тактильных, некоторых болевых, температурных и рецепторов внутренних органов) в центральную нервную систему. Исключение составляют лишь гамма-волокна, значительная часть которых проводит возбуждение в центробежном направлении — от клеток спинного мозга к так называемым интрафузальным мышечным волокнам которых расположены чувствительные нервные окончания — мышечные веретена.
К волокнам типа В относятся миелиновые, преимущественно преганглионарные волокна автономной нервной системы. Скорость проведения возбуждения в этих волокнах у теплокровных животных составляет 3—14 м/сек. Продолжительность потенциала действия волокон типа В примерно в 2 раза превышает длительность потенциала действия волокон типа А. В среднем она составляет 1,2 мсек. Отличительной особенностью этих волокон является то, что в них не обнаруживается следового отрицательного потенциала: фаза реполяризации непосредственно переходит в следовой положительный потенциал, имеющий большую длительность — 100—300 мсек.
К волокнам типа С относят безмякотные нервные волокна очень малого диаметра (порядка 0,5 мк). Скорость проведения возбуждения в этих волокнах 2—6 м/сек. Большинство С-волокон относится к постганглионарным волокнам симпатической нервной системы.
К С-волокнам относят также те нервные волокна, которые участвуют в проведении возбуждения от болевых рецепторов и некоторых рецепторов холода, тепла и давления. Потенциалы действия С-волокон характеризуются наибольшей продолжительностью (2 мсек у теплокровных животных). Они имеют длительный следовой отрицательный потенциал (50—80 мсек), сопровождающийся еще более продолжительной следовой позитивностью (300—1000 мсек).
Типволокна Диаметрволокна(мк) Скоростьпроведения(м/сек) Функция
А (α) 12-22 70-120 Моторные волокнаскелетных мышц, афферентныеволокна мышечных рецепторов
А (β) 8-12 40-70 Афферентные волокна отрецепторов прикосновения
А (γ) 4-8 15-40 Афферентные волокна отрецепторов прикосновенияи давления, эфферентные волокнак мышечным веретенам
А (Δ) 1-4 5-15 Афферентные волокна отнекоторых рецепторовтепла, давления, боли
В 1-3 3-14 Преганглионарныевегетативные волокна
С 0,5-1,0 0,5-2 Преганглионарные вегетативныеволокна, афеерентные волокнаот некоторых рецепторовболи, давления, тепла
Табл.2 Классификация нервных волокон по Эрлангеру-Гассеру.
1.2 Рецепторный аппарат ноцицептивной системы
Обычно думают, что ноцицептор несет информацию в одном направлении, передавая вредные раздражители от периферии к спинному мозгу. Однако первичные афферентные волокна имеют уникальную морфологию, называемую псевдоуниполярной, в которой центральные и периферические терминалы происходят из общего аксонального стебля. Большинство белков, синтезируемых DRG или клеткой тройничного ганглия, распределяются как по центральным, так и по периферическим терминалам. Это отличает первичный афферентный нейрон от прототипного нейрона, где реципиентная ветвь нейрона (дендрит) биохимически отличается от передающей ветви (аксона). Биохимическая эквивалентность центрального и периферийного терминалов означает, что ноцицептор может отправлять и получать сообщения с любого конца. Например, так же, как центральный терминал является локусом Са2+ -зависимое высвобождение нейротрансмиттера, поэтому периферийный терминал высвобождает множество молекул, которые влияют на локальное тканевое окружение. Нейрогенное воспаление, по сути, относится к процессу, посредством которого периферическое высвобождение нейропептидов, CGRP и вещества P, вызывает расширение сосудов и экстравазацию белков плазмы, соответственно. Кроме того, в то время, как только периферический терминал ноцицептора будет реагировать на раздражители окружающей среды (болезненное тепло, холод и механическая стимуляция), как периферические, так и центральные терминалы могут подвергаться воздействию целого ряда эндогенных молекул (таких как pH, липиды и нейротрансмиттеры) которые регулируют его чувствительность. Отсюда следует, что терапевтические средства, направленные на оба терминала, могут быть разработаны для воздействия на передачу сообщений о боли. Например, спинальная (интратекальная) доставка морфина направлена на опиоидные рецепторы, экспрессируемые центральным терминалом ноцицепторов, тогда как местно применяемые препараты (такие как местные анестетики или капсаицин) регулируют боль посредством воздействия на периферический терминал.
Ноцицептиный аппарат представлен различными по механизму активации следующими болевыми рецепторами: 1) мономодальными (механическими), 2) бимодальными (механическими и термическими), 3) полимодальными (механическими, давления, термическими, химическими и др.).
Мономодальные механические ноцицепторы, представленные, главным образом, свободными нервными окончаниями, возбуждаются интенсивными механическими раздражителями. Эти рецепторы относятся к высокопороговым, они в 10-1000 раз менее чувствительны, чем тактильные рецепторы.
Механорецепторы реагируют на сжатие, сдавление, растяжение, укол и другие механические повреждения тканей. Эти ноцицепторы связаны с А-дельта () нервными волокнами кожи (дермы и подкожной клетчатки), мышц, сухожилий, суставов и С - волокнами эпидермиса и слизистых.
Бимодальные механические и термические ноцицепторы. Первые (их большинство) возбуждаются в ответ на действие механических раздражителей в виде укола, повреждения, сдавления тканей. Вторые (их меньшее количество) - температурными факторами, которые либо превышают40о С, либо меньше10о С. Под влиянием механо- и теплораздражителей возбуждаются соответствующие рецепторы, связанные с А-- волокнами. В то же время часть механических и холодовых рецепторов активизируют ноцицепторы, связанные с С-волокнами.
Полимодальные ноцицепторы возбуждаются разнообразными по природе (механическими, термическими, химическими и другими) раздражителями, связанными преимущественно с С-волокнами.
Хемоноцицепторы представлены во всех (особенно, глубоких) слоях кожи, в мышцах, суставах, связках, внутренних органах (сердце, желудке, кишках, печени, селезенке и др.), спинном и головном мозге. Хемоноцицепторы связаны с тонкими афферентами как немиелинизированных (С-), так и миелинизированных (А-) нервных волокон.
Передача болевых импульсов, реализуемая от ноцицепторов через А-- волокна осуществляется по филогенетически более молодому, экстероцептивному отделу ноцицептивной системы и формирует эпикритическую боль, а реализуемая через С- волокна - по эволюционно более древнему, интерцептивному отделу ноцицептивной системы и формирует протопатическую боль.
Хемоноцицепторы возбуждаются (деполяризуются) под влиянием увеличенного количества различных химических веществ - алгогенов, имеющих разное происхождение. В частности, к ним относятся: 1) тканевые (гистамин, ряд простагландинов, ионы натрия, калия, кальция, водорода); 2) нейронные (выделяющиеся нервными окончаниями нейрокинины, субстанция Р, соматостатин), 3) плазменные (плазмакинины, брадикинин, каллидин, контактный фактор Хагемана - XIIфактор свертывания крови).
Одни хемоноцицепторы (их большинство) реагирует только на химические раздражители, другие - на химические и термические, третьи - на химические, термические и механические стимулы.
Показано, что механо-, терморецепторы и рецепторы давления в коже и слизистых распределены неравномерно. В частности, болевых точек в 9 раз больше, чем точек давления. Последних больше, чем холодовых и тепловых точек. Холодовых в 9 раз больше, чем тепловых точек.
Чувствительность различных ноцицепторов к болевым стимулам может существенно меняться. В частности, порог возбуждения ноцицепторов понижается при увеличении в биосредах содержания гистамина, серотонина, кининов (как плазмакининов, так и нейрокининов), простагландинов, субстанции Р, соматостатина и других ФАВ, ионов Na+, К+, Са+2, Н+и снижения количества нор- адреналина, ацетилхолина,Mg2+.
2 Реакции ноцицепторов на раздражители
Непосредственная близость дистальных конечностей к горячей или холодной поверхности, сильное давление или сдавливание, а также раздражающие химические вещества могут вызывать субсекундную реакцию соматической абстиненции. Активация ноцицепторов требует, чтобы адекватные стимулы деполяризовали периферические терминалы (производя рецепторный потенциал) с достаточной амплитудой и продолжительностью. Это гарантирует, что, несмотря на любое ослабление и замедление потенциала рецептора путем пассивного распространения между участками трансдукции и генерации потенциала действия, такая информация, как интенсивность стимула, будет закодирована в результирующей последовательности импульсов. Хотя инициация потенциала действия до расстояния неизвестна для волокон, иннервирующих кожу, было предложено, чтобы генерирование потенциала действия происходило в месте или вблизи места трансдукции в холодных волокнах Aδ, иннервирующих роговицу морской свинки. В этой модели потенциалы действия могут генерироваться на разных расстояниях от конца терминала в зависимости от степени деполяризации волокна и, как следствие, инактивации управляемых напряжением каналов, участвующих в проводимости.
Теоретически потенциал деполяризующего рецептора может быть реализован путем множественных изменений проводимости мембраны и активности электрогенного насоса. Поскольку электрохимические градиенты для натрия (Na + ), кальция (Ca +2 ) и хлорида (Cl - ) являются более положительными, чем потенциал покоящейся мембраны в сенсорных нейронах, открытие проницаемых для этих ионов ионных каналов вызовет сдвиг мембранного потенциала в положительном направлении (деполяризация).
Поскольку электрохимический градиент для калия (K + ) является более отрицательным, чем потенциал покоя, закрытие активных калиевых каналов не только деполяризует мембранный потенциал, но и усиливает вызванные током колебания напряжения из-за результирующего увеличения сопротивления мембраны.
Идентификация молекул, которые опосредуют или вносят вклад в тепловые, холодные, механические и химические индуцированные потенциалы генераторов, была достигнута путем тщательной характеристики токов в нативных клетках, использования новых подходов для идентификации генов, кодирующих каналы и рецепторы, секвенирование генома и биоинформатика, химические средства (например, кальциевые красители, фармакологические агенты) и инновационные генетические подходы
Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы
. Несмотря на значительный прогресс был достигнут в изучении тепловой и химической трансдукции, многие кусочки мозаики все еще отсутствуют (приложение 2).
2.1 Активация ноцицептора: холод
Что касается капсаицина и TRPV1, природные охлаждающие агенты, такие как ментол и эвкалиптол, использовались в качестве фармакологических зондов для идентификации и характеристики чувствительных к холоду волокон и клеток и молекул, лежащих в основе их поведение.
Действительно, большинство чувствительных к холоду нейронов реагируют на ментол и демонстрируют порог термической активации около 25 ° C. TRPM8 представляет собой чувствительный к холоду и ментолу канал, физиологические характеристики которого соответствуют характеристикам нативных холодных течений, а мыши с дефицитом TRPM8 показывают очень существенную потерю ментола и вызванных холодом реакций на уровне клеточных или нервных волокон. Аналогичным образом, у этих животных наблюдается серьезный дефицит вызванных холодом поведенческих реакций в широком диапазоне температур от 30 до 10 ° C. Как и в случае с TRPV1 и у него, TRPM8-дефицитные мыши не являются полностью нечувствительными к холоду.
Например, остается небольшая (~ 4%) когорта чувствительных к холоду, нечувствительных к ментолу нейронов, которые имеют низкий порог активации, приблизительно 12 ° C. Это может объяснить остаточную чувствительность к холоду, наблюдаемую в поведенческих тестах, в которых животные с дефицитом TRPM8 все еще могут избегать экстремально холодных поверхностей ниже 10 ° C. Важно отметить, что мыши с дефицитом TRPM8 демонстрируют нормальную чувствительность к вредному теплу. В самом деле, TRPV1 и TRPM8 экспрессируются в значительной степени не перекрывающихся популяций нейронов, что согласуется с представлением о том, что механизмы обнаружения горячих и холодных организмов организованы в анатомически и функционально отличающиеся «меченые линии».
На основе гетерологичных систем экспрессии было также предложено, чтобы TRPA1 обнаруживал простуду, особенно в пределах вредного (<15 ° C) диапазона. Кроме того, TRPA1 активируется охлаждающими соединениями ицилином и, хотя, в относительно высоких концентрациях по сравнению с их действиями на TRPM8. Однако по-прежнему существуют разногласия относительно того, являются ли нативный или рекомбинантный TRPA1 по своей природе чувствительными к холоду. Это противоречие не было разрешено анализом двух независимых линий мыши с дефицитом TRPA1. На клеточном уровне одно исследование показало нормальные вызванные холодом ответы в нейронах с дефицитом TRPA1 после 30-секундного падения температуры с 22 ° C до 4 ° C; более недавнее исследование показало уменьшение чувствительных к холоду нейронов с 26% (WT) до 10% (TRPA1) при тестировании после 200-секундного падения температуры, с 30 ° C до 10 ° C.
В поведенческих исследованиях мыши с дефицитом TRPA1 демонстрируют ответы, сходные с однопометными животными дикого типа в анализах испарительного охлаждения на холодных чашках и вызванных ацетоном. Животные, нокаутированные по TRPA1, демонстрировали ослабленную чувствительность к холоду по сравнению с однопометными животными дикого типа Не обнаружили различий в задержке дрожи или изъятия лапы у самцов или самок с дефицитом TRPA1 в тесте с холодной пластиной, но обнаружили, что длительное воздействие холодной поверхности вызывало прыжки у дикого типа, но не у животных с дефицитом TRPA1. Вероятно, последний фенотип отражает вклад TRPA1 в чувствительность к холоду при повреждении тканей, но не в острую холодную боль. В соответствии с последней гипотезой, записи одиночных нервных волокон не показывают снижения острой чувствительности к холоду у мышей с дефицитом TRPA1.
Наконец, следует отметить, что обработанные капсаицином мыши, лишенные центральных терминалов TRPV1-экспрессирующих волокон, демонстрируют нетронутые поведенческие реакции на холодные и вредные холодные раздражители. Поскольку TRPA1 экспрессируется в подмножестве TRPV1-позитивных нейронов, из этого следует, что TRPA1 не требуется для нормальной чувствительности к острой простуде. Будущие исследования с использованием мышей с дефицитом как TRPM8, так и TRPA1 помогут решить эти проблемы и определить молекулы и типы клеток, которые лежат в основе остаточного TRPM8-независимого компонента чувствительности к холоду.
Дополнительные молекулы, в том числе стробированные натриевые каналы, стробированные калиевые каналы и двухпоровые фоновые калиевые каналы KCNK, координируют свою работу с TRPM8 для точной настройки холодных порогов или для распространения вызванных холодом потенциалов действия. Например, специфические ингибиторы Kv1 повышают температурный порог чувствительных к холоду нейронов, иВведение
этих ингибиторов в заднюю лапу грызунов снижает поведенческие реакции на холод, но не на тепловые или механические. Два члена семейства каналов KCNK, KCNK2 (TREK-1) и KCNK4 (TRAAK), экспрессируются в подмножестве ноцицепторов C-волокна и могут модулироваться многочисленными физиологическими и фармакологическими стимулами, включая давление и температуру. Кроме того, у мышей, у которых отсутствуют эти каналы, наблюдаются нарушения чувствительности к давлению, жаре и холоду.
Хотя эти результаты показывают, что каналы TREK-1 и TRAAK модулируют возбудимость ноцицепторов, остается неясным, как их внутренняя чувствительность к физическим раздражителям связана с их вкладом in vivo в термическую или механическую трансдукцию.
2.2 Активация ноцицептора: жара
Психофизические исследования на людях показали, что существует четкое и воспроизводимое разграничение между восприятием безобидного тепла и ядовитого тепла, которое позволяет нам распознавать и избегать температур, способных вызвать повреждение тканей. Этот порог болевой чувствительности, который обычно составляет около 43 ° C, соответствует чувствительности к теплу C и ноцицепторов типа II, описанным ранее. Действительно, культивируемые нейроны диссоциированных ганглиев дорсальных корешков демонстрируют сходную чувствительность к теплу. У большинства наблюдается порог в 43 ° C, при этом меньшая когорта активируется более интенсивным нагревом (порог> 50 ° C). Молекулярное понимание процесса ощущения тепла пришло из клонирования и функциональной характеристики рецептора капсаицина, основного острого ингредиента в «горячих» перцах чили. Капсаицин и родственные ваниллоидные соединения вызывают жгучую боль, деполяризуя специфические подмножества ноцицепторов C и Aδ путем активации рецептора капсаицина (или ваниллоида), TRPV1, одного из приблизительно 30 членов семейства ионных каналов с большим потенциалом переходного рецептора (TRP). Клонированный канал TRPV1 также контролируется повышением температуры окружающей среды с порогом термической активации (~ 43 ° C).
Несколько доказательств подтверждают гипотезу о том, что TRPV1 является эндогенным преобразователем вредного тепла. Во-первых, TRPV1 экспрессируется в большинстве чувствительных к теплу ноцицепторов. Во-вторых, токи, вызываемые капсаицином и теплом, сходны, если не идентичны, в отношении их фармакологических и биофизических свойств, так же как и в гетерологически экспрессированных каналах TRPV1. В-третьих, и как более подробно описано ниже, вызванные TRPV1 ответы заметно усиливаются проалгезирующими или провоспалительными агентами (такими как внеклеточные протоны, нейротрофины или брадикинин), каждый из которых вызывает гиперчувствительность к теплу in vivo). В-четвертых, анализ мышей, лишенных этого ионного канала, не только выявил полную потерю чувствительности к капсаицину, но и у этих животных также наблюдается значительное ухудшение их способности обнаруживать и реагировать на ядовитую жару. Эти исследования также продемонстрировали существенную роль этого канала в процессе, при котором повреждение тканей и воспаление приводят к гиперчувствительности к теплу, что отражает способность TRPV1 служить молекулярным интегратором термических и химических раздражителей.
Вклад TRPV1 в острое ощущение жара, однако, был поставлен под сомнение данными, полученными от препарата ex vivo, в котором записи получены от сомы нейронов DRG с неповрежденными центральными и периферическими волокнами. В одном исследовании не было выявлено различий в реакциях, вызванных нагреванием, у животных дикого типа и животных с дефицитом TRPV1, но более поздний анализ этой группы показал, что мыши с дефицитом TRPV1 действительно не имеют когорта нейронов, сильно активированных ядовитым теплом. Взятые вместе с результатами, описанными выше, мы заключаем, что TRPV1, несомненно, способствует острому ощущению тепла, но соглашаемся, что TRPV1 не несет единственной ответственности за теплопередачу.
В связи с этим, в то время как мыши с дефицитом TRPV1 не имеют компонента поведенческой чувствительности к теплу, использование высокой дозы капсаицина для удаления центральных терминалов первичных афферентных волокон, экспрессирующих TRPV1, приводит к более глубокой, если не полной потере чувствительности к острой тепловой боли. Что касается мутанта TRPV1, то также наблюдается тепловая гипералгезия, вызванная повреждением ткани. Взятые вместе, эти результаты показывают, что как TRPV1-зависимый, так и TRPV1-независимый компонент вредной чувствительности к теплу опосредуется через ноцицепторы, экспрессирующие TRPV1.
Что объясняет TRPV1-независимый компонент ощущения тепла? Ряд других подтипов канала TRPV, в том числе TRPV2, 3 и 4, появились в качестве потенциальных тепловых преобразователей, которые могут потенциально охватывать обнаружение интенсивностей стимулов, сопутствующих TRPV1, включая как очень горячие (> 50 ° C), так и теплые (середина 30-х годов). ° С) температуры. Гетерологически выраженные каналы TRPV2 отображают порог активации температуры около 52 ° C, тогда как TRPV3 и TRPV4 активируются между 25–35 ° C. TRPV2 экспрессируется в субпопуляции нейронов Aδ, которые реагируют на высокопороговое вредное тепло, и его биофизические свойства напоминают свойства нативных высокопороговых вызванных теплом потоков. Пока нет опубликованных отчетов, описывающих физиологические или поведенческие тесты на нокаутных мышах TRPV2. С другой стороны, мыши с дефицитом TRPV3 и TRPV4 действительно проявляют измененное тепловое предпочтение, когда их помещают на поверхность градуированных температур, что позволяет предположить, что эти каналы каким-то образом способствуют определению температуры in vivo. Интересно, что как TRPV3, так и TRPV4 демонстрируют существенно более высокую экспрессию в кератиноцитах и эпителиальных клетках по сравнению с сенсорными нейронами, что повышает вероятность того, что обнаружение безвредных тепловых стимулов включает функциональное взаимодействие между кожей и основными первичными афферентными волокнами.
2.3Активация ноцицептора: механические раздражители
Соматосенсорная система определяет количественно и качественно разнообразные механические раздражители, начиная от легкого прикосновения кожи к растяжению стенки мочевого пузыря. Множество механочувствительных нейрональных подтипов специализировано для обнаружения этого разнообразного набора механических стимулов и может быть классифицировано в соответствии с пороговой чувствительностью. Механорецепторы с высоким порогом включают волокна C и медленно адаптирующиеся волокна Aδ механорецептора (AM), оба из которых заканчиваются свободными нервными окончаниями в коже. Низкопороговые механорецепторы включают в себя волокна A-D-волос, которые заканчиваются на волосках на коже и обнаруживают легкое прикосновение. Наконец, волокна Aβ, которые иннервируют клетки Меркеля, тельца Пачини и волосяные фолликулы, обнаруживают текстуру, вибрацию и легкое давление.
Как и в случае с тепловыми стимулами, механическая чувствительность была исследована на нескольких уровнях, включая диссоциированные сенсорные нейроны в культуре, записи волокон ex-vivo, а также записи с центрального (то есть нейронов дорсального рога) и измерения поведенческого выхода. Ex-vivo записи кожного нерва были наиболее информативными в сопоставлении свойств стимулов (таких как интенсивность, частота, скорость и адаптация) к определенным подтипам волокон. Например, волокна Aβ прежде всего связаны с чувствительностью к легкому прикосновению, тогда как волокна C и Aδ прежде всего реагируют на вредные механические повреждения. На уровне поведения механическая чувствительность обычно оценивается с использованием двух методов.
Наиболее распространенным является измерение рефлекторных реакций на постоянную силу, прикладываемую к задней лапе грызунов с помощью калиброванных нитей (волосков фон Фрея). Второе усиливает давление на лапу или хвост с помощью зажимной системы. В любом случае информация о механических порогах получается в нормальных (острых) или травмирующих (гиперчувствительных) ситуациях. Одна из задач в этой области заключалась в разработке дополнительных поведенческих анализов, которые измеряют различные аспекты механосенсирования, такие как различение текстур и вибрация, что облегчит изучение как вредных, так и не вредных прикосновений.
На клеточном уровне давление может быть применено к телам клеток культивируемых соматосенсорных нейронов (или их нейритов) с использованием стеклянного зонда, изменений осмотической силы или растяжения путем растяжения эластичной поверхности культуры, хотя неясно, какой стимул лучше имитирует физиологическое давление. Ответы могут быть оценены с использованием электрофизиологических методов или методов визуализации живых клеток. Консенсус из таких исследований заключается в том, что это давление открывает механочувствительный катионный канал, чтобы вызвать быструю деполяризацию. Однако недостаток специфических фармакологических зондов и молекулярных маркеров, с помощью которых можно охарактеризовать эти ответы или пометить соответствующие нейрональные подтипы, затруднил попытки сопоставить клеточную активность с анатомически или функционально определенными подклассами нервных волокон. Эти ограничения также препятствуют молекулярному анализу механосенсирования и идентификации молекул, которые составляют механизм механотрансдукции. Тем не менее, появился ряд кандидатов, основанных главным образом на исследованиях механосенсирования в модельных генетических организмах. Ортологи этих белков у млекопитающих были исследованы с использованием методов нацеливания на гены у мышей, в которых упомянутые выше методы могут быть использованы для оценки дефицита механосенсибилизации на всех уровнях.
2.4 Активация ноцицептора: химические раздражители
Хемоноцицепция - это процесс, с помощью которого первичные афферентные нейроны обнаруживают раздражители окружающей среды и эндогенные факторы, вызываемые физиологическим стрессом. В контексте острой боли, химио-ноцицептивные механизмы вызывают отвращение к различным раздражителям окружающей среды. Здесь, опять же, каналы TRP играют выдающуюся роль, что, возможно, неудивительно, учитывая, что они функционируют в качестве рецепторов для раздражителей растительного происхождения, включая капсаицин (TRPV1), ментол (TRPM8), а также острые ингредиенты растений горчицы и чеснока, изотиоцианаты и тиосульфинаты (TRPA1).
Что касается раздражителей окружающей среды, TRPA1 стал особенно интересным членом этой группы. Это связано с тем, что TRPA1 реагирует на соединения, которые структурно разнообразны, но объединены в своей способности образовывать ковалентные аддукты с тиольными группами. Например, аллилизотиоцианат (из васаби) или аллицин (из чеснока) представляют собой проницаемые для мембраны электрофилы, которые активируют TRPA1 путем ковалентной модификации остатков цистеина в аминоконцевом цитоплазматическом домене. Как это способствует стробированию каналов, в настоящее время неизвестно. Тем не менее, просто установление важности реакционной способности тиолов в этом процессе указывает на то, что TRPA1 является ключевой физиологической мишенью для широкой и химически разнообразной группы токсикантов окружающей среды.
Одним примечательным примером является акролеин (2-пропенал), высокореактивный α, β-ненасыщенный альдегид, присутствующий в слезоточивом газе, выхлопных газах транспортного средства или дыме от горящей растительности (т.е. лесных пожаров и сигарет). Акролеин и другие летучие раздражители (такие как гипохлорит, перекись водорода, формалин и изоцианаты) активируют сенсорные нейроны, которые иннервируют глаза и дыхательные пути, вызывая боль и воспаление. Это действие может иметь особенно тяжелые последствия для людей, страдающих астмой, хроническим кашлем или другими легочными расстройствами. Мыши, лишенные TRPA1, демонстрируют значительно сниженную чувствительность к таким агентам, подчеркивая критическую природу этого канала как сенсорного детектора реактивных раздражителей окружающей среды. В дополнение к этим токсинам окружающей среды TRPA1 является мишенью для некоторых общих анестетиков (таких как изофлуоран) или побочных продуктов метаболизма химиотерапевтических агентов (таких как циклофосфамид), которые, вероятно, лежат в основе некоторых побочных эффектов этих лекарств, включая острую боль и сильное нейровоспаление. Наконец, химические раздражители и другие пролагезирующие агенты также вырабатываются эндогенно в ответ на повреждение ткани или физиологический стресс, включая окислительный стресс.
Такие факторы могут действовать отдельно или в комбинации, чтобы повысить чувствительность ноцицепторов к тепловым и / или механическим воздействиям, тем самым снижая болевые пороги. Результатом этого действия является усиление защитных и защитных рефлексов после травмы. Таким образом, химио-ноцицепция представляет собой важный интерфейс между острой и постоянной болью, особенно в контексте повреждения периферических тканей и воспаления, как более подробно обсуждается ниже.
2.5 Усиление возбудимости первичных сенсорных нейронов
Ноцицепторы экспрессируют широкий спектр управляемых напряжением каналов (например, Na v , Ca v , K v ), которые преобразуют потенциал рецептора в потенциал действия, или, чаще, набор потенциалов действия, которые кодируют интенсивность применяемого вредного стимула в их рецептивных полях. Существует 9 известных генов Na v, 10 Ca v и 40 K v у млекопитающих, многие из которых имеют несколько вариантов сплайсинга с различными функциональными характеристиками.
Возбудимость клеток и поведение запуска (например, порог для генерации потенциала действия, потенциала действия и амплитуды и длительности недолговечности, а также максимальная частота запуска) зависят от комплемента этих каналов, а также от каналов, способствующих частотной модуляции, например, активируемый гиперполяризацией циклический нуклеотид.
Например, ноцицепторы, реагирующие на холодную боль, нуждаются в экспрессии резистентного к тетродотоксину (TTX-устойчивого) канала Na v 1.8 на периферическом терминале, а у мышей, у которых отсутствуют Na v 1,8 и Na v 1,7, наблюдается дефицит механосенсибилизации. TTX не влияет на высвобождение периферического CGRP медиаторами воспаления, что свидетельствует о важной роли TTX-устойчивого Na v в регулируемых болевых порогах, что согласуется с их устойчивой модуляцией брадикинином (BK) и PGE 2.
Поскольку усиление возбудимости первичных сенсорных нейронов при воспалительных и патологических состояниях боли является основным фактором, способствующим восприятию боли, при разработке обезболивающих средств желательны специфические фармакологические средства, которые специфически ослабляют аберрантную активность. С этой целью критически важно понимание видоспецифических различий, о чем свидетельствуют резко отличающиеся фенотипы у мышей и людей, у которых отсутствует Na v 1,7: хотя у мышей отсутствует Nav 1.7 показывают механосенсорный и индуцированный формалином (5%) болевой фенотип, а люди, у которых отсутствует Na v 1.7, вообще нечувствительны к боли.
2.6 Центральная модуляция
Ноцицепторы высвобождают различные вещества из своих центральных терминалов, которые обладают потенциалом возбуждения нейронов второго порядка с помощью множества механизмов. Быстрая и медленная синаптическая передача в значительной степени опосредована глутаматом и пептидами (например, веществом P, CGRP) соответственно. Особое значение для восприятия боли имеет пластичность в синаптической силе (то есть способность усиливать гомосинаптические, а также гетеросинаптические связи) между первичными афферентами и ретранслятором и интернейронами, которыми они управляют, пресинаптической и постсинаптической модуляцией посредством нисходящих стимулирующих и тормозных путей в позвоночнике. пуповина и эфферентные аспекты ноцицепторной функции, активируемой сильной ГАМКергической / глицинергической деполяризацией пресинаптических терминалов, приводящей к рефлексу дорсального корешка
Передача антероградных потенциалов действия от спинного мозга к периферии приводит к высвобождению пептидов и других медиаторов воспаления в коже и усиливает возбудимость ноцицепторов и болевые ощущения. Именно на уровне позвоночника наноцицептивные нейроны набираются сильной активацией ноцицептора посредством функциональной модуляции локальных цепей.
2.7 Адаптивные и неадаптивные сдвиги болевого порога
Повреждение кожи вызывает защитные физиологические реакции, направленные на уменьшение вероятности обострения травмы. После травмы, вызванной острыми химическими веществами (например, капсаицином, горчичным маслом) и ожогом, стимуляция поврежденной области вызывает усиление боли от вредных раздражителей (первичной механической и термической гипералгезии) в зависимости от активности С-волокон, что проявляется в снижении порога до активировать волокна C-MH и воспринимать боль.
Непосредственно вокруг поврежденной области развивается зона вспышки (покраснение), и стимуляция даже большей вторичной зоны вызывает боль в ответ на обычно безвредные раздражители (например, мазок кисти) (вторичная механическая аллодиния), а также повышенную чувствительность к вредным механическим воздействиям ( вторичная механическая гипералгезия) и термическая (тепловая) гипералгезия, если вызывается пространственное суммирование (вторичная термическая гипералгезия). Здесь ядовитая пунктатная стимуляция С-ноцицепторов вызывает вторичную механическую гипералгезию, опосредованную А-ноцицепторами, а безобидные динамические механические раздражители (легкое поглаживание) провоцируют боль, опосредованную А-волокном без ноцицептора.
Клеточные механизмы, лежащие в основе этого сложного ответа, включают как периферические, так и центральные процессы, и требуют ввода ноцицепторов, особенно волокон A-MH и C-MH. После ожога волокна A-MH (наиболее вероятный тип I) опосредуют первичную тепловую гипералгезию в гладкой коже.
Каковы клеточные механизмы, опосредующие гипералгезию? Электростимуляция большинства C-полимодальных волокон приводила к экстравазации плазмы в области периферических рецепторов. Импульсы, распространяющиеся по центру, могут антидромно вторгаться в периферические нарушения, иннервирующие другие области в рецептивном поле афферента (рефлекс аксона), вызывая высвобождение пептидов (например, вещества P, CGRP, соматостатина) и / или других биоактивных веществ из терминала (например, цитокинов) в интерстициальную ткань. Высвобождаемые вещества вызывают множество аутокринных или паракринных воздействий на эндотелиальные, эпителиальные и резидентные иммунные клетки (лангерганса), которые приводят к артериолярной вазодилатации («вспышка» через CGRP) и / или повышают проницаемость сосудов и экстравазацию плазмы из венул (отек) через вещество Р. Высвобожденные ферменты (например, калликреины) и клетки крови (например, тромбоциты, тучные клетки) также способствуют накоплению медиаторов воспаления и нейрогенного воспаления. Большое количество веществ возвращается на ноцицепторы, иннервирующие поврежденную область, и повышает чувствительность периферических терминалов прямыми и косвенными воздействиями на ионные каналы, рецепторы и каскады вторичных мессенджеров. Механизмы, с помощью которых медиаторы воспаления рекрутируют «тихие» волокна CM i H i , наделяя эти волокна длительной механической и тепловой чувствительностью, неизвестны, но могут включать длительные изменения в сигнальных каскадах второго мессенджера и сенсибилизацию ноцисенсоров
50% реферата недоступно для прочтения
Закажи написание реферата по выбранной теме всего за пару кликов. Персональная работа в кратчайшее
время!
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
