Участие провоспалительного цитокина ИЛ-1 в модуляции паттерна дыхания

Введение. Интерлейкин-1β (ИЛ-1β) – основной провоспалительный цитокин – является важнейшим эндогенным полипептидным медиатором нейроиммунных взаимодействий. Установлено, что экспрессия цитокинов, в т.ч. ИЛ-1β, не ограничена клетками только иммунной системы. Они могут продуцироваться в разнообразных органах и тканях, не исключая и центральную нервную систему (ЦНС), в которой обнаружены специфические рецепторы к цитокинам. Поэтому цитокины, действуя на клетки ЦНС, могут оказывать влияние на разнообразные физиологические функции, в т.ч. и на функцию дыхания.

В настоящее время установлено, что церебральный и системный уровни ИЛ-1β резко возрастают у больных с хроническими обструктивными заболеваниями легких, синдромом сонного апноэ, после спонтанного субарахноидального кровоизлияния, инсульта, ишемии и травматических повреждений мозга [8, 9, 11]. У таких пациентов часто наблюдается нарушение ритма и паттерна дыхания. Эти данные позволяют предположить, что цитокины участвуют в механизмах регуляции дыхания при развитии патологических состояний мозга и увеличении нагрузки на дыхательную систему, хотя прямых экспериментальных фактов, подтверждающих это предположение, пока очень мало.

Цель исследования. Изучить возможности и особенности модуляции паттерна ды- хания при экзогенном повышении системного и церебрального уровня ИЛ-1β.

Материалы и методы. Эксперименты проводились на 16 трахеостомированных спонтанно дышащих крысах линии Wistar (самцы весом 250–300 г), наркотизированных внутрибрюшинным введением уретана из расчета 1200 мг/кг. Все эксперименты на животных были проведены с соблюдением этических норм и правил работы на анестезированных животных.

При проведении экспериментов производилась пневмотахографическая регистрация объемно-временных параметров внешнего дыхания. При помощи миниатюрной пневмо-метрической трубки MLT-1L (ADInsruments), обеспечивающей ламинарность воздушного потока, регистрировалась объемная скорость воздушного потока (пневмотахограмма).

По пневмотахограмме измерялась максимальная скорость воздушного инспираторного и экспираторного потоков, длительность вдоха и выдоха, рассчитывалась частота дыхания. Для определения дыхательного объема (ДО) производилось интегрирование пневмотахографической кривой. Минутный объем дыхания (МОД) рассчитывался как произведение величины дыхательного объема и количества дыхательных движений за одну минуту. Средняя скорость инспираторного потока – косвенный показатель центральной инспираторной активности (ЦИА) – рассчитывалась как частное от деления величины дыхательного объема на продолжительность вдоха.

Производилось экзогенное повышение уровня основного провоспалительного цитокина ИЛ-1β в крови и цереброспинальной жидкости. В одном случае вещество вводилось в кровь внутривенно, в другом – в цереброспинальная жидкость (ЦСЖ) в обход гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) (чтобы выяснить, влияет ли наличие барьерных структур на респираторные эффекты интерлейкина). Известно, что полипептиды, которыми являются и цитокины, не проходят через ГЭБ, так как это крупные молекулы. Поэтому эффекты при системном и центральном введении ИЛ могут быть разными.

Микроинъекции ИЛ-1β производились в правый боковой желудочек головного мозга при помощи шприца Гамильтона. Координаты для введения канюли определялись по стереотаксическому атласу мозга крысы и составляли 0,8 мм каудальнее уровня bregma, 1,5 мм латерально от средней линии и 3,5–4,0 мм – от поверхности черепа. С помощью бормашины рассверливалось трепанационное отверстие, в которое вводилась направляющая канюля, укрепленная на стереотаксической головке. В ходе эксперимента в канюлю погружался микроинъектор, через который в боковой желудочек мозга вводилось 10 мкл раствора, содержащего 500 нг ИЛ-1β, со скоростью 1 мкл/мин.

В кровеносную систему через катетер, введенный в яремную вену, вводилось 500 нг вещества, разведенного в 0,1 мл раствора.

При выполнении контрольных экспериментов в таком же объеме вводился физиологический раствор, не содержащий ИЛ-1β.

Статистическая обработка данных проводилась программными средствами с использованием Microsoft Excel. Вычислялась средняя величина регистрируемых параметров и ошибка средней. Достоверность различий оценивалась с помощью однофакторного дисперсионного анализа.

Результаты и обсуждение. Интравентрикулярное введение ИЛ-1β в цереброспинальную жидкость вызывало достоверное увеличение минутного объема дыхания, дыхательного объема, средней скорости инспираторного потока. Была также обнаружена тенденция к увеличению частоты дыхания под действием интерлeйкина. Статистически значимые изменения в параметрах дыхания отмечались через 15–20 мин после введения препарата, достигая максимальных значений на 40 мин после введения ИЛ-1β. Через 40 мин после интравентрикулярного введения интерлейкина частота дыхания превышала фоновые значения в среднем на 10 %, а величина дыхательного объема – на 13 %. Вследствие роста частоты и глубины дыхания происходило увеличение минутной вентиляции легких в среднем на 40 %. Средняя скорость инспираторного потока, отражающая величину центральной инспираторной активности, возрастала на 20 %. Интравентрикулярное введение физиологического раствора не оказывало влияния на параметры внешнего дыхания (табл. 1).

Таблица 1

Объемно-временные параметры дыхания до и после интравентрикулярного введения ИЛ-1β и физиологического раствора

Параметр	Интерлейкин-1β, n=8			Плацебо (физ. р-р), n=8
	фон	40 мин	60 мин	фон	40 мин	60 мин
МОД, мл/мин	104,0±9,0	126,0±3,7**	131,0±5,4**	95,0±8,2	104,0±10,5	94,0±10,5
ДО, мл	1,00±0,05	1,13±0,06*	1,17±0,04*	0,90±0,14	1,00±0,08	1,00±0,12
ЧД, цикл/мин	109,0±6,0	117,0±6,8	118,0±6,4*	104,0±8,0	101,0±10,4	94,0±2,6
Vинс, мл/с	3,70±0,27	4,40±0,12*	4,50±0,19*	3,70±0,31	3,80±0,10	3,90±0,11

Примечание. Достоверные изменения по сравнению с фоном: * – p<0,05; ** – p<0,01.

Введение ИЛ-1β в яремную вену приводило к повышению его уровня в циркуляторном русле, что вызывало такие же изменения в величине респираторных параметров, как и повышение церебрального уровня (табл. 2). Изменения в частоте дыхания при внутривенном введении ИЛ-1β наблюдались через 15 мин после начала введения и становились статически достоверными через 20 мин, превышая фоновые значения на 10±3 %. Увеличение ДО начиналось через 20 мин после введения ИЛ-1β, становясь статистически значимым через 35–40 мин и превышая фоновый уровень на 36±6 %. Рост дыхательного объема и частоты дыхания при внутривенном введении ИЛ-1β приводил к росту минутного объема дыхания. Достоверное увеличение МОД начиналось через 25 мин после начала введения ИЛ-1β и через 40 мин превышало фоновый уровень на 27±7 %. Введение в яремную вену физиологического раствора не вызывало увеличения минутного объема дыхания, так как не оказывало влияния ни на частоту, ни на глубину дыхания.

Таблица 2

Величина объемно-временных параметров дыхания до и после внутривенного введения ИЛ-1β и физиологического раствора

Параметр	Интерлейкин-1β, n=8			Плацебо (физ. р-р), n=8
	фон	40 мин	60 мин	фон	40 мин	60 мин
МОД, мл/мин	117,3±10,6	143,6±12,8*	146,9±12,0*	100,5±5,2	97,50±4,02	94,0±10,5
ДО, мл	1,00±0,08	1,36±0,07*	1,40±0,07*	1,00±0,02	1,00±0,08	1,00±0,12
ЧД, цикл/мин	113±7	124±9*	125±8*	107,0±2,0	105±4	105,0±2,6

Примечание. * – достоверные изменения параметра по сравнению с фоном (p<0,05).

Таким образом, полученные экспериментальные данные указывают на то, что увеличение уровня ИЛ-1β как в плазме крови, так и в цереброспинальной жидкости вызывает изменение паттерна дыхания. Наблюдается достоверное увеличение средней скорости инспираторного потока, дыхательного объема и минутной вентиляции легких. Наличие изменений параметров дыхания при внутривенном, системном введении указывает на то, что гематоэнцефалический барьер не препятствует влиянию ИЛ-1β на базовые параметры дыхания.

Итак, ИЛ-1β – основной провоспалитель-ный цитокин – способен увеличивать вентиляцию легких, действуя как на центральную инспираторную активность и дыхательный объем, так и на частоту дыхания. Однако изменения в частоте дыхания были менее выраженными, чем изменения в дыхательном объеме и центральной инспираторной активности. В некоторых случаях наблюдалась лишь тенденция к учащению дыхания, но выявить достоверные изменения этого парамет- ра не удавалось. Соотнесение этого факта с функциональными особенностями нейронов разных отделов дыхательного центра дает возможность утверждать, что действие ИЛ-1β при его церебральном введении реализовывалось в основном через нейроны дорсальной респираторной группы (ДРГ).

Как известно, все нейронные пулы дыхательного центра взаимосвязаны. Они участвуют в автоматической регуляции дыхания и в формировании компенсаторных реакций дыхательной системы в ответ на гомеостатические изменения и действие факторов окружающей среды. Вместе с тем установлено, что нейроны ДРГ участвуют прежде всего в формировании центральной инспираторной активности и в регуляции глубины дыхания, т.е. дыхательного объема, но практически не принимают участия в регуляции частоты дыхания [4]. В экспериментах in vitro на переживающих срезах ствола мозга крыс было показано почти полное отсутствие ритмогенерирующих нейронов в данной области дыхательного центра [1]. В противоположность этому факту вентральная респираторная группа нейронов дыхательного центра в большей мере связана с регуляцией частоты дыхания. Эти данные позволяют предполагать, что в центральные механизмы обнаруженного нами респираторного эффекта ИЛ-1β включены нейроны ДРГ, активация которых усиливает центральную инспираторную активность и увеличивает ДО.

Такой же механизм может отвечать и за изменение паттерна дыхания не только при центральном, но и при периферическом, системном введении интерлейкина. Дело в том, что несмотря на то, что цитокины являются крупными молекулами, которые в принципе не проходят через гематоэнцефалический барьер, цитокины, циркулирующие в кровяном русле все же могут оказывать свое действие на нервные клетки. Во-первых, предполагается, что для основных провоспалитель-ных цитокинов ИЛ-1 и TNF-α существуют специфические механизмы транспорта из плазмы в цереброспинальную жидкость [3, 12]. Во-вторых, проникновение периферических цитокинов из крови в ЦНС возможно через циркумвентрикулярные области головного мозга, лишенные ГЭБ. Установлено наличие аксональных проекций от области area postrema и большинства каудальных циркум-вентрикулярных органов к ядру одиночного тракта, что является анатомическим путем, позволяющим циркулирующим медиаторам, выделяющимся в этих лишенных ГЭБ областях, передавать свои сигналы на нейроны ядра солитарного тракта (NTS) [2, 5, 10]. Плотность капилляров в этих областях является чрезвычайно высокой, а их эндотелий отличается большой проницаемостью. Сравнительно недавно были получены данные, показывающие, что ГЭБ практически отсутствует и в каудально-медиальной области NTS, т.е. там, где оканчиваются терминали афферентных волокон от механорецепторов легких и дыхательных путей. Капилляры этой локальной области хорошо фенестрированы, что предоставляет цитокинам крови возможность прямого выхода в периваскулярное пространство и взаимодействия с нейронами NTS [7]. К тому же при повышении уровня циркулирующих провоспалительных цито- кинов (ИЛ-6, TNF-α и ИЛ-1β) происходит увеличение проницаемости ГЭБ, что делает возможным проникновение в ЦНС не только цитокинов, но и клеток, которые их продуцируют (макрофагов, моноцитов, лимфоцитов, нейтрофилов). Таким образом, обнаруженное влияние ИЛ-1β на ЦИА и ДО при системном введении могло определяться, как и при его церебральном введении, действием на нейроны ДРГ дыхательного центра.

Однако, анализируя механизмы активирующего влияния циркулирующих цитокинов на функцию внешнего дыхания, нельзя исключить и их возможное действие на периферические каротидные хеморецепторы. Особенно это касается ИЛ-1β, который как было показано, способен стимулировать гломусные клетки каротидного тела. На анестезированных крысах было установлено, что каротидное тело отвечает на цитокиновую стимуляцию [6]. В гломусных клетках каротидного тела экспрессируются рецепторы ИЛ-1 первого типа. При их взаимодействии с циркулирующим ИЛ-1β увеличивается скорость разрядов каротидного синусного нерва, иннервирующего этот орган. Афферентная импульсация от периферических хеморецепторов, как известно, поступает в ДРГ, активируя α-инспираторные нейроны и увеличивая, таким образом, ЦИА.

Заключение. Полученные данные свидетельствуют о том, что повышение как церебрального, так и системного уровня ИЛ-1β, одного из основных провоспалительных цитокинов, оказывает влияние на центральные механизмы регуляции паттерна дыхания, вызывая увеличение центральной инспираторной активности и активируя вентиляционную функцию легких.

• 1.    Инюшкин А. Н. Влияние тиролиберина на мембранный потенциал и спонтанную активность и калиевый A-ток нейронов ядра солитарного тракта / А. Н. Инюшкин // Современные проблемы физиологии вегетативных функций. – Самара, 2001. – С. 17–31.

• 2.    Aylwin M. L. Non-NMDA and NMDA receptors in the synaptic pathway between area postrema and nucleus tractus solitarius / M. L. Ayl-win, J. M. Horowitz, A. C. Bonham // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. – 1998. – Vol. 275. – P. 1236.

• 3.    Banks W. A. Passage of cytokines across the blood-brain barrier / W. A. Banks, A. J. Kastin, R. D. Broadwell // Neuroimmunomodulation. – 1995. – Vol. 2, № 4. – P. 241.

• 4.    Bianchi A. L. Central control of breathing in mammals: neuronal circuitry, membrane properties, and neurotransmitters / A. L. Bianchi, M. Denavit-Saubie, J. Champagnat // Physiol. Rev. – 1995. – Vol. 75, № 1. – P. 1–45.

• 5.    Chen C. Y. Non-NMDA and NMDA receptors transmit area postrema input to aortic baroreceptor neurons in NTS / C. Y. Chen, A. C. Bonham // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. – 1998. – Vol. 275. – P. 1695.

• 6.    IL-1beta inhibits IK and increases [Ca2+]i in the carotid body glomus cells and increases carotid sinus nerve firings in the rat / H. F. Shu [et al.] // Eur. J. Neurosci. – 2007. – Vol. 25 (12). – P. 3638–3647.

• 7.    Microvascular specializations promoting rapid interstitial solute dispersion in nucleus tractus solitarius / P. M. Gross [et al.] // Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. – 1990. – Vol. 259. – P. 1131.

• 8.    Minami M. Brain cytokines and chemokines: roles in ischemic injury and pain / M. Minami, T. Katayama, M. Satoh // J. Pharmacol. Sci. – 2006. – Vol. 100. – P 461.

• 9.    Sleep apnoea and daytime sleepiness and fatigue: relation to visceral obesity, insulin resistance and hypercytokinemia / A. N. Vgontzas [et al.] // J. Clin. Endocrinol. Metab. – 2000. – Vol. 85. – P. 1151–1158.

• 10.    Van der Kooy D. D. Organization of the projections of a circumventricular organ: the area postrema in the rat / D. D. Van der Kooy, L. Y. Koda // J. Comp. Neurol. – 1983. – Vol. 219. – P. 328.

• 11.    Vassilakopoulos T. The immune response to resistive breathing / T. Vassilakopoulos, C. Roussos, S. Zakynthinos // Eur. Respir. J. – 2004. – Vol. 24. – Р. 1033–1043.

• 12.    Wong M. L. Localization of interleukin 1 type I receptor mRNA in rat brain / M. L. Wong, J. Licinio // Neuroimmunomodulation. – 1994. – Vol. 1, № 2. – P. 110.

PARTICIPATION OF PROINFLAMMATORY CYTOKINES IL-1β IN THE MODULATION OF BREATHING PATTERN

V.A. Merkuriev1, N.Р. Alexandrovа1, V.G. Alexandrov2