Метаболические функции легких при дисфункции стриатума и черной субстанции мозга

Введение. Основными структурами ниг-ростриатной системы мозга являются черная субстанция и стриатум, участвующие прежде всего в экстрапирамидном контроле моторики и пластического тонуса мышц. Их дисфункция является основой патогенеза нейро-дегенеративных заболеваний, нервно-психических расстройств, висцеропатий, проявляющихся в т.ч. изменением режима вентиляции легких [1, 2]. В основе дыхательной патологии при дисфункции структур мозга лежит нарушение респираторного ритмо-генеза и регуляции паттерна дыхания, связанное с изменением эфферентных потоков от черной субстанции к ядрам бульбарного дыхательного центра [3]. Вместе с тем известно, что эффективность работы системы внешнего дыхания зависит не только от газообменной, но и метаболических функций легких, нарушение которых может сопровождаться развитием дыхательной недостаточности [4, 5].

Цель исследования. Изучение метаболизма липидов сурфактанта, кровенаполнения, водного баланса легких, коагуляционного потенциала крови в системе малого круга кровообращения при формировании очага патологической активности в черной субстанции, области стриатума и воспроизведении нейродегенерации черной субстанции мозга.

Материалы и методы. Исследования выполнены на половозрелых крысах-самцах в соответствии с требованиями Директивы 2010/63/EU Европейского парламента. Наркотизированным крысам первой группы (n=20) имплантировали нанопорошок металлического кобальта (Cobalt met., Berlin), прошедшего механоактивацию в шаровой планетарной мельнице АГО-2, в ретикулярную зону черной субстанции (SN R ) по стереотаксическим координатам атласа мозга крыс G. Paxinos et al. (1998): Р=5,8; L=2; V=8,1. Структурно-фазовый анализ, проведенный на рентгеновском дифрактометре

ДРОН-3 с СоКα-излучением, показал, что механоактивированные частицы сохраняют кристаллическую структуру α-Co (рис. 1). Экспериментальным крысам второй группы (n=15) имплантировали мелкодиспергиро-ванный кобальт в стриатум: АP=1,7; L=2,5; V=5,5. Активация структур связана с кобальтовой индукцией очага патологической активности и формированием зеркального очага усиленного возбуждения в гомологичной структуре контрлатерального полушария [6]. Опытным крысам третьей группы (n=9) воспроизводили нейродегенерацию черной субстанции (SN C ) односторонним введением нейротоксина 6-гидроксидофамина (Sigma) [7]. Микроинъекцию 6 мкг 6-гидроксидофа-мина, растворенного в 3 мкл 0,05 % аскорбиновой кислоты, осуществляли в компактную зону структуры: Р=5,3; L=2,3; V=7,6. Контролем выступали ложнооперированные животные (n=38). Локализацию кобальта в структуре контролировали гистологически.

Рис. 1. Изображение наночастиц порошка кобальта, полученное на растровом электронном микроскопе Philips SEM-515

После окончания экспериментальных воздействий получали бронхоальвеолярные смывы и методом Вильгельми определяли их поверхностную активность с расчетом индекса стабильности альвеол по J. Clements [4]. Метаболизм липидов сурфактанта оценивали по содержанию фосфолипидов в смывах, фракционному составу липидов [8], активности фосфолипазы [9]. Фракционирование фосфолипидов проводили методом тонкослойной хроматографии с денситометриче-ским сканированием хроматограмм (денситометр «Сорбфил», Россия). Водный баланс легких изучали гравиметрическим методом [10]. Исследовали содержание гемоглобина в крови и легочной ткани гемиглобинцианид-ным методом; измеряли массу сердца, влажных и высушенных легких с последующим расчетом общей, экстраваскулярной жидкости и кровенаполнения легких. Об интенсивности свободнорадикальных процессов судили по содержанию ТБК-активных продуктов (МДА) [11]. Гемостазиологические показатели исследовали в притекающей к легким венозной и оттекающей от них артериальной крови. По стандартным методикам на гемо-коагулометре Solar CGL 2110 серией тестов определяли активированное частичное тромбопластиновое время (АЧТВ) и протромбиновое время (ПВ) [12].

Статистический анализ выполняли на основе программы SPSS17 for Windows [13]. Характер распределения выборки оценивали критерием Шапиро–Уилка, взаимосвязь параметров устанавливали с помощью коэффициента корреляции Спирмена (r s ), их сравнение проводили непараметрическим критерием U Манна–Уитни. Для анализа взаимосвязи между одним признаком, выступающим в роли зависимого, и количественными независимыми переменными использовали множественный регрессионный анализ с алгоритмом включения и исключения предикторов. Уровень значимости р принимали равным 0,05.

Результаты и обсуждение. Экспериментальные исследования показали, что индуцирование очага патологической активности в структурах через 14 дней приводило к однотипным изменениям со стороны сурфактантной системы и водного баланса легких (табл. 1). Активация черной субстанции сопровождалась повышением продукции фосфолипидов (p=0,001) на фоне низкой активности ферментов фосфолипазного гидролиза (p=0,001) и фагоцитарной способности альвеолярных макрофагов (p=0,001). О низкой эффективности процессов катаболизма сурфактанта свидетельствовала отрицательная корреляционная связь между фосфолипидами и макрофагами бронхоальвеолярных смывов (rs=-0,56; p<0,05). Ухудшение биофизических свойств сурфактанта и снижение индекса стабильности альвеол (p=0,001) было связано с изменением качественного состава фосфолипидов. Отмечалось уменьшение на 37 % доли фосфатидилхолина (p<0,01) – основной фракции, определяющей поверхностно-активные свойства альвеолярной выстилки, по- вышение на 13,5 % фракции лизофосфати-дилхолина (p<0,01), обладающего мембранодеструктивным действием. Абсолютное содержание лизофосфатидилхолина при этом возросло с 2,51 (1,87–2,88) в контроле до 74,61 (67,20–91,47) мкмоль/г в опыте (p=0,004). Увеличились и другие фракции, обладающие низкой поверхностной активностью: содержание сфингомиелина возросло в 4,3 раза (p=0,003), фосфатидилэтаноламина – в 3,8 раза (p=0,004). Водный баланс характеризовался органной гипергидратацией с увеличением жидкости экстраваскулярного сектора (p=0,03) и легочного кровенаполнения (p=0,004).

При оценке системы гемостаза установили высокий коагуляционный потенциал крови как в системном кровотоке с уменьшением ПВ (p=0,001), так и в малом круге кровообращения по тестам АЧТВ (p=0,001) и ПВ (p=0,001). Развитие эндотелиальной дисфункции и снижение гемостатической активности легких могло быть связано с увеличением свободных радикалов в условиях интенсификации ПОЛ (p=0,003), что подтверждают сильные корреляции между содержанием МДА и гемостазиологическими параметрами: АЧТВвен (r s =-1; p<0,01), ПВарт (r s =0,95; p<0,01).

Формирование очага патологической активности в области стриатума сопровождалось усилением оборота альвеолярных липидов с повышением содержания фосфолипидов (p=0,001) на фоне высокой активности фосфолипазы (p=0,001), участвующей в деацилировании фосфатидилхолина легочного сурфактанта. Накопление лизосоединений в результате фосфолипазного гидролиза, как известно, оказывает детергентное действие, что проявилось в опытах с уменьшением индекса стабильности альвеол (p=0,001). В водном балансе, как и при активации черной субстанции, наблюдали увеличение общей и внесосудистой жидкости (p=0,01), кровенаполнения легких (p=0,02) с формированием прямой корреляционной связи между кровенаполнением и жидкостью экстраваскуляр-ного сектора (r s =0,72; p<0,05), предполагающей роль гидродинамического фактора в перераспределении жидкости в интерстиций.

Активация стриатума сопровождалась восстановлением коагуляционного потенциала крови в системе малого круга кровообращения на фоне низкой концентрации МДА в легочной ткани (p>0,05).

Проведение пошаговым методом множественного регрессионного анализа показателей экспериментальной группы при дисфункции черной субстанции позволило включить в уравнение регрессии два предиктора: альвеолярные макрофаги и параметр активности фосфолипазы, – которые объясняли в модели 92 % дисперсии зависимой переменной «фосфолипиды сурфактанта»

(F 2 =31,49; р=0,01). Коэффициент регрессии показал высокую степень зависимости количества фосфолипидов от числа макрофагов β=-0,82 (р=0,007) и активности фосфолипазы β=-0,54 (p=0,02). При дисфункции стриатума уравнение регрессии было представлено двумя предикторами – показателями экстра-васкулярной жидкости и кровенаполнения легких, которые объясняли 99 % дисперсии переменной «общая жидкость» (F 2 =1691; р=0,0001) с доминирующим вкладом экстра-васкулярной жидкости по коэффициенту регрессии (β=0,91; р=0,0001) в развитие гипергидратации легких.

Показатели метаболической активности легких при дисфункции черной субстанции и стриатума (Median (Q 1 –Q 3 ))

Примечание. Media – медиана; Q 1 – нижний квартиль; Q 3 – верхний квартиль; ИС – индекс стабильности; ^* р<0,05; ^** р<0,01 – статистически значимые различия по сравнению с контролем.

Моделирование нейродегенерации черной субстанции посредством локального введения нейротоксина через 30 дней привело к уменьшению содержания фосфолипидов (р=0,012) в составе сурфактанта. Фракционный дисбаланс альвеолярных фосфолипидов характеризовался снижением на 40 % относительного содержания фосфатидилхолина, что составило в опыте 11,31 (10,91–14,26) против 83,62 (78,92–88,93) мкмоль/г в контроле (р=0,001), повышением на 19 % лизо-фосфатидилхолина до 28,05 (21,81–33,11) против 3,12 (2,11–3,33) мкмоль/г (р=0,001), а также увеличением на 9,9 % доли сфингомиелина (р=0,001) и на 10 % фосфатидной кислоты (р=0,002). Выявленные изменения липидов могли быть результатом снижения синтетических процессов в альвеолоцитах II типа либо связаны с высокой интенсивностью катаболических реакций, на что указывает увеличение активности фосфолипазы А2 (p=0,005) и наличие сильной отрицательной связи между показателем липазной активности и содержанием общих фосфолипидов в составе сурфактанта (rs=-0,83; р<0,05). Еще одним фактором, обладающим высоким деструктивным потенциалом, являются свободные радикалы, содержание которых у животных экспериментальной группы увеличилось (p=0,001). Количественные и качественные изменения альвеолярного выстилающего комплекса сопровождались снижением индекса стабильности альвеол (p=0,001). При оценке гемостазиологических параметров выявлено повышение коагуляционного потенциала венозной крови с уменьшением ПВ (p=0,006) и более выраженной её гиперкоагуляцией в системе малого круга кровообращения по тестам АЧТВ (p=0,002) и ПВ (p=0,001).

Проведение множественного регрессионного анализа позволило установить, что при нейродегенерации SN C в модели 91 % дисперсии зависимой переменной «фосфолипиды» обусловлено активностью фосфолипазы (F 1 =42,5; p=0,003) с высокой степенью их взаимозависимости по коэффициенту регрессии (β=-0,95; р=0,03).

Таким образом, экспериментальные исследования позволили установить приоритетное значение контроля метаболизма липидов сурфактанта при дисфункции черной субстанции мозга и контроля водного баланса легких при дисфункции стриатума. Было показано, что в условиях нейродегенерации черной субстанции снижаются поверхностноактивные свойства альвеолярных липидов в связи с уменьшением в их составе фосфолипидных фракций и высокой активностью ферментов фосфолипазного гидролиза. Формирование генератора патологического возбуждения в области стриатума и нигральной структуры индуцировало однотипные изменения липидного состава альвеолярной выстилки с увеличением количества общих фосфолипидов, их фракционным дисбалансом на фоне органной гипергидратации. Однако активность катаболических ферментов и оборот липидов сурфактанта при активации стриатума были высокими, а при воздействии на нигральную структуру, напротив, понижались. Выявленные изменения липидного и водного баланса легких при дисфункции черной субстанции наблюдались на фоне высокого коагуляционного потенциала крови в системе малого круга кровообращения и интенсификации процессов перекисного окисления липидов в легочной ткани, чего не отмечалось при воздействии на стриатум. Известно, что нигростриатные структуры мозга имеют моно- и олигосинаптические взаимосвязи с гипоталамусом, гиппокампом, миндалевидным комплексом, роль которых в механизмах контроля метаболических процессов в легочной ткани установлена многочисленными исследованиями [14, 15]. Это позволяет предположить, что выявленные нами изменения негазообменных функций легких являются результатом гормональных и нейромедиаторных эфферентных влияний лимбико-диэнцефальных структур мозга.

Заключение. Изменения метаболизма липидов сурфактанта, водного баланса и гемостатической активности легких наряду с нарушениями режима вентиляции легких могут обуславливать развитие дизрегуляцион-ной пневмопатии при дисфункции черной субстанции и стриатума.