Нервно -мышечное соединение (или мионевральное соединение ) представляет собой химический синапс между двигательным нейроном и мышечным волокном . [1]
Это позволяет двигательному нейрону передавать сигнал мышечному волокну, вызывая сокращение мышцы . [2]
Мышцам требуется иннервация для функционирования — и даже просто для поддержания мышечного тонуса , избегая атрофии . В нервно-мышечной системе нервы из центральной нервной системы и периферической нервной системы связаны и работают вместе с мышцами. [3] Синаптическая передача в нервно-мышечном соединении начинается, когда потенциал действия достигает пресинаптического окончания двигательного нейрона , который активирует потенциалзависимые кальциевые каналы , позволяя ионам кальция проникать в нейрон. Ионы кальция связываются с сенсорными белками ( синаптотагминами ) на синаптических пузырьках, вызывая слияние пузырьков с клеточной мембраной и последующее высвобождение нейротрансмиттера из двигательного нейрона в синаптическую щель . У позвоночных двигательные нейроны выделяют ацетилхолин (АХ), нейромедиатор с небольшой молекулой, который диффундирует через синаптическую щель и связывается с никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами (нАХР) на клеточной мембране мышечного волокна, также известной как сарколемма . НАХР являются ионотропными рецепторами, то есть они служат лиганд -зависимыми ионными каналами . Связывание АХ с рецептором может деполяризовать мышечное волокно, вызывая каскад, который в конечном итоге приводит к сокращению мышцы.
Заболевания нервно-мышечного соединения могут иметь генетическое и аутоиммунное происхождение. Генетические нарушения, такие как врожденный миастенический синдром , могут возникать из-за мутаций структурных белков, которые составляют нервно-мышечное соединение, тогда как аутоиммунные заболевания, такие как миастения гравис , возникают, когда антитела вырабатываются против никотиновых ацетилхолиновых рецепторов на сарколемме.
В нервно-мышечном соединении пресинаптические двигательные аксоны заканчиваются в 30 нанометрах от клеточной мембраны или сарколеммы мышечного волокна. Сарколемма в месте соединения имеет инвагинации , называемые постсинаптические складки, которые увеличивают ее поверхность, обращенную к синаптической щели. [4] Эти постсинаптические складки образуют двигательную концевую пластинку, которая усеяна никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами (nAChR) с плотностью 10 000 рецепторов/мкм 2 . [5] Пресинаптические аксоны заканчиваются выпуклостями, называемыми терминальными бутонами (или пресинаптическими окончаниями), которые выступают в направлении постсинаптических складок сарколеммы. У лягушки каждое двигательное нервное окончание содержит около 300 000 везикул со средним диаметром 0,05 микрометра. Везикулы содержат ацетилхолин. Некоторые из этих пузырьков собираются в группы по пятьдесят, расположенные в активных зонах, близких к мембране нерва. Активные зоны находятся на расстоянии около 1 микрометра друг от друга. 30-нанометровая щель между нервным окончанием и концевой пластинкой содержит сетку ацетилхолинэстеразы (АХЭ) с плотностью 2600 молекул фермента/мкм 2 , удерживаемую на месте структурными белками дистрофином и рапсином . Также присутствует рецепторный белок тирозинкиназы MuSK , сигнальный белок, участвующий в развитии нервно-мышечного соединения, который также удерживается на месте рапсином. [4]
Примерно раз в секунду в состоянии покоя один из синаптических пузырьков случайно сливается с клеточной мембраной пресинаптического нейрона в процессе, опосредованном белками SNARE . Слияние приводит к опорожнению содержимого пузырька, состоящего из 7000–10 000 молекул ацетилхолина, в синаптическую щель , процесс, известный как экзоцитоз . [6] Следовательно, экзоцитоз высвобождает ацетилхолин в пакетах, которые называются квантами. Квант ацетилхолина диффундирует через сеть ацетилхолинэстеразы, где высокая локальная концентрация трансмиттера занимает все сайты связывания на ферменте на своем пути. Ацетилхолин, который достигает концевой пластинки, активирует ~2000 ацетилхолиновых рецепторов, открывая их ионные каналы, что позволяет ионам натрия перемещаться в концевую пластинку, производя деполяризацию ~0,5 мВ, известную как миниатюрный потенциал концевой пластинки (MEPP). К тому времени, как ацетилхолин высвобождается из рецепторов, ацетилхолинэстераза разрушает связанный с ним АХ, что занимает около ~0,16 мс, и, следовательно, может разрушить АХ, высвобождаемый из рецепторов. [ необходима цитата ]
При стимуляции двигательного нерва существует задержка всего в 0,5–0,8 мс между поступлением нервного импульса в окончания двигательного нерва и первым ответом концевой пластинки [7]. Поступление потенциала действия двигательного нерва в окончание пресинаптического нейрона открывает потенциалзависимые кальциевые каналы , и ионы Ca2 + из внеклеточной жидкости поступают в цитозоль пресинаптического нейрона . Этот приток Ca2 + заставляет несколько сотен везикул , содержащих нейротрансмиттер , сливаться с клеточной мембраной пресинаптического нейрона через белки SNARE, чтобы высвободить свои кванты ацетилхолина путем экзоцитоза. Деполяризация концевой пластинки высвобождаемым ацетилхолином называется потенциалом концевой пластинки (EPP). EPP достигается, когда ACh связывается с никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами (nAChR) на концевой пластинке моторного нейрона и вызывает приток ионов натрия. Этот приток ионов натрия генерирует EPP (деполяризацию) и запускает потенциал действия, который перемещается вдоль сарколеммы и в мышечное волокно через T-трубочки (поперечные трубочки) посредством потенциалзависимых натриевых каналов. [8] Проведение потенциалов действия вдоль T-трубочек стимулирует открытие потенциалзависимых каналов Ca 2+ , которые механически связаны с каналами высвобождения Ca 2+ в саркоплазматическом ретикулуме. [9] Затем Ca 2+ диффундирует из саркоплазматического ретикулума в миофибриллы, чтобы стимулировать сокращение. Таким образом, потенциал концевой пластинки отвечает за создание потенциала действия в мышечном волокне, который запускает сокращение мышцы. Передача от нерва к мышце происходит так быстро, потому что каждый квант ацетилхолина достигает концевой пластинки в миллимолярных концентрациях, достаточно высоких, чтобы соединиться с рецептором с низким сродством, который затем быстро высвобождает связанный передатчик. [ необходима цитата ]
Ацетилхолин — это нейротрансмиттер, синтезируемый из пищевого холина и ацетил-КоА (ACoA), и участвует в стимуляции мышечной ткани у позвоночных , а также у некоторых беспозвоночных животных. У позвоночных подтип ацетилхолинового рецептора, который находится в нервно-мышечном соединении скелетных мышц , — это никотиновый ацетилхолиновый рецептор (nAChR), который является лиганд-управляемым ионным каналом . Каждая субъединица этого рецептора имеет характерную «цис-петлю», которая состоит из остатка цистеина, за которым следуют 13 аминокислотных остатков и еще один остаток цистеина. Два остатка цистеина образуют дисульфидную связь , что приводит к образованию рецептора «цис-петли», способного связывать ацетилхолин и другие лиганды. Эти цис-петлевые рецепторы встречаются только у эукариот , но прокариоты обладают рецепторами ACh со схожими свойствами. [5] Не все виды используют холинергическое нервно-мышечное соединение; например, раки и плодовые мушки имеют глутаматергическое нервно-мышечное соединение. [4]
AChR в скелетном нервно-мышечном соединении образуют гетеропентамеры, состоящие из двух α-, одной β-, одной ɛ- и одной δ-субъединиц. [10] Когда один лиганд ACh связывается с одной из α-субъединиц рецептора ACh, он вызывает конформационное изменение на интерфейсе со второй α-субъединицей AChR. Это конформационное изменение приводит к увеличению сродства второй α-субъединицы ко второму лиганду ACh. Поэтому AChR демонстрируют сигмоидальную кривую диссоциации из-за этого кооперативного связывания . [5] Наличие неактивной промежуточной структуры рецептора с лигандом с одной связью удерживает ACh в синапсе , который в противном случае мог бы быть потерян при гидролизе или диффузии холинэстеразы . Устойчивость этих лигандов ACh в синапсе может вызвать длительный постсинаптический ответ. [11]
Развитие нервно-мышечного соединения требует сигналов как от терминала двигательного нейрона, так и от центральной области мышечной клетки. Во время развития мышечные клетки вырабатывают ацетилхолиновые рецепторы (AChR) и экспрессируют их в центральных областях в процессе, называемом препаттернингом. Считается, что агрин , гепариновый протеогликан и киназа MuSK помогают стабилизировать накопление AChR в центральных областях миоцита. MuSK является рецепторной тирозинкиназой — это означает, что она индуцирует клеточную сигнализацию, связывая молекулы фосфата с собственными областями, такими как тирозины , и с другими мишенями в цитоплазме . [12] После активации своим лигандом агрином, MuSK подает сигналы через два белка, называемых « Dok-7 » и « rapsyn », чтобы индуцировать «кластеризацию» ацетилхолиновых рецепторов. [13] Выделение АХ развивающимися двигательными нейронами создает постсинаптические потенциалы в мышечной клетке, что положительно усиливает локализацию и стабилизацию развивающегося нервно-мышечного соединения. [14]
Эти результаты были частично продемонстрированы в исследованиях на мышах с « нокаутом ». У мышей, у которых дефицит либо агрина, либо MuSK, нервно-мышечное соединение не формируется. Кроме того, у мышей с дефицитом Dok-7 не формируются ни кластеры ацетилхолиновых рецепторов, ни нервно-мышечные синапсы. [15]
Развитие нервно-мышечных соединений в основном изучается на модельных организмах, таких как грызуны. Кроме того, в 2015 году полностью человеческий нервно-мышечный переход был создан in vitro с использованием человеческих эмбриональных стволовых клеток и соматических мышечных стволовых клеток. [16] В этой модели пресинаптические двигательные нейроны активируются оптогенетикой , и в ответ на световую стимуляцию синаптически связанные мышечные волокна подергиваются.
Хосе дель Кастильо и Бернард Кац использовали ионофорез для определения местоположения и плотности никотиновых ацетилхолиновых рецепторов (nAChR) в нервно-мышечном соединении. При использовании этой техники микроэлектрод помещался внутрь двигательной концевой пластинки мышечного волокна, а микропипетка, заполненная ацетилхолином (ACh), помещалась непосредственно перед концевой пластинкой в синаптической щели. Положительное напряжение подавалось на кончик микропипетки, что вызывало выброс положительно заряженных молекул ACh из пипетки. Эти лиганды поступали в пространство, представляющее синаптическую щель, и связывались с AChR. Внутриклеточный микроэлектрод отслеживал амплитуду деполяризации двигательной концевой пластинки в ответ на связывание ACh с никотиновыми (ионотропными) рецепторами. Кац и дель Кастильо показали, что амплитуда деполяризации ( возбуждающий постсинаптический потенциал ) зависит от близости микропипетки, высвобождающей ионы ACh к концевой пластинке. Чем дальше микропипетка находилась от двигательной концевой пластинки, тем меньше была деполяризация в мышечном волокне. Это позволило исследователям определить, что никотиновые рецепторы локализовались в двигательной концевой пластинке с высокой плотностью. [4] [5]
Токсины также используются для определения местоположения ацетилхолиновых рецепторов в нервно-мышечном соединении. α-бунгаротоксин — это токсин, обнаруженный у змей вида Bungarus multicinctus , который действует как антагонист ACh и необратимо связывается с AChR. Связывая анализируемые ферменты, такие как пероксидаза хрена (HRP) или флуоресцентные белки, такие как зеленый флуоресцентный белок (GFP), с α-бунгаротоксином, AChR можно визуализировать и количественно оценить. [4]
Нервные газы связываются с АХЭ и фосфорилируют их, эффективно дезактивируя их. Накопление АХ в синаптической щели приводит к постоянному сокращению мышечных клеток, что приводит к серьезным осложнениям, таким как паралич и смерть в течение нескольких минут после воздействия.
Ботулинический токсин (также известный как ботулинический нейротоксин и продаваемый в продаже под торговым названием Botox) подавляет высвобождение ацетилхолина в нервно-мышечном соединении, вмешиваясь в белки SNARE. [4] Этот токсин проникает в нервное окончание посредством эндоцитоза и впоследствии расщепляет белки SNARE, предотвращая слияние везикул ACh с внутриклеточной мембраной. Это вызывает временный вялый паралич и химическую денервацию, локализованную в поперечно-полосатой мышце, на которую он воздействовал. Ингибирование высвобождения ACh не наступает примерно через две недели после инъекции. Через три месяца после ингибирования нейронная активность начинает частично восстанавливать функцию, а через шесть месяцев восстанавливается полная нейронная функция. [17]
Столбнячный токсин, также известный как тетаноспазмин, является мощным нейротоксином, вырабатываемым Clostridium tetani и вызывающим болезненное состояние, столбняк. Было измерено, что LD 50 этого токсина составляет приблизительно 1 нг/кг, что делает его вторым после ботулинического токсина D самым смертоносным токсином в мире. Он функционирует очень похоже на ботулинический нейротоксин, прикрепляясь и эндоцитируя пресинаптическое нервное окончание и взаимодействуя с белками SNARE. Он отличается от ботулинического нейротоксина несколькими способами, наиболее очевидно, своим конечным состоянием, когда тетаноспазмин вызывает спастический паралич в отличие от вялого паралича, продемонстрированного ботулиническим нейротоксином.
Латротоксин (α-латротоксин), обнаруженный в яде пауков-вдов, также влияет на нервно-мышечное соединение, вызывая высвобождение ацетилхолина из пресинаптической клетки. Механизмы действия включают связывание с рецепторами на пресинаптической клетке, активируя путь IP3/DAG, и высвобождение кальция из внутриклеточных хранилищ и образование пор, что приводит к непосредственному притоку ионов кальция. Любой из механизмов вызывает увеличение кальция в пресинаптической клетке, что затем приводит к высвобождению синаптических пузырьков ацетилхолина. Латротоксин вызывает боль, сокращение мышц и, если не лечить, потенциально паралич и смерть.
Яды змей действуют как токсины в нервно-мышечном соединении и могут вызывать слабость и паралич . Яды могут действовать как пресинаптические и постсинаптические нейротоксины. [18]
Пресинаптические нейротоксины, обычно известные как β-нейротоксины, воздействуют на пресинаптические области нервно-мышечного соединения. Большинство этих нейротоксинов действуют путем ингибирования высвобождения нейротрансмиттеров, таких как ацетилхолин, в синапс между нейронами. Однако некоторые из этих токсинов также известны тем, что усиливают высвобождение нейротрансмиттеров. Те, которые ингибируют высвобождение нейротрансмиттеров, создают нейромышечную блокаду , которая не позволяет сигнальным молекулам достигать своих постсинаптических целевых рецепторов. При этом жертва укуса этой змеи страдает от сильной слабости. Такие нейротоксины плохо реагируют на противоядия. Через час после инокуляции этих токсинов, включая нотексин и тайпоксин , многие из пораженных нервных окончаний демонстрируют признаки необратимого физического повреждения, в результате чего они лишаются каких-либо синаптических пузырьков . [18]
Постсинаптические нейротоксины, также известные как α-нейротоксины, действуют противоположно пресинаптическим нейротоксинам, связываясь с постсинаптическими ацетилхолиновыми рецепторами. Это предотвращает взаимодействие между ацетилхолином, высвобождаемым пресинаптическим окончанием, и рецепторами на постсинаптической клетке. По сути, открытие натриевых каналов, связанных с этими ацетилхолиновыми рецепторами, запрещается, что приводит к нервно-мышечной блокаде, аналогичной эффектам, наблюдаемым из-за пресинаптических нейротоксинов. Это вызывает паралич мышц, вовлеченных в пораженные соединения. В отличие от пресинаптических нейротоксинов, постсинаптические токсины легче поддаются воздействию противоядий, которые ускоряют диссоциацию токсина от рецепторов, в конечном итоге вызывая отмену паралича. Эти нейротоксины экспериментально и качественно помогают в изучении плотности и оборота ацетилхолиновых рецепторов , а также в исследованиях, наблюдающих за направлением антител к пораженным ацетилхолиновым рецепторам у пациентов с диагнозом миастения гравис . [18]
Любое расстройство , которое нарушает синаптическую передачу между двигательным нейроном и мышечной клеткой, классифицируется под общим термином нервно-мышечные заболевания . Эти расстройства могут быть наследственными или приобретенными и могут различаться по своей тяжести и смертности. В целом, большинство этих расстройств, как правило, вызваны мутациями или аутоиммунными расстройствами. Аутоиммунные расстройства, в случае нервно-мышечных заболеваний, как правило, гуморально опосредованы, опосредованы В-клетками и приводят к неправильно созданному антителу против двигательного нейрона или белка мышечного волокна, которое мешает синаптической передаче или сигнализации.
Миастения гравис — это аутоиммунное заболевание, при котором организм вырабатывает антитела либо против ацетилхолинового рецептора (AchR) (в 80% случаев), либо против постсинаптической мышечной специфической киназы (MuSK) (0–10% случаев). При серонегативной миастении гравис белок 4, связанный с рецептором липопротеинов низкой плотности , подвергается воздействию IgG1 , который действует как конкурентный ингибитор своего лиганда, предотвращая связывание лиганда со своим рецептором. Неизвестно, будет ли серонегативную миастению гравис лечить стандартная терапия. [19]
Неонатальная МГ — это аутоиммунное заболевание, которое поражает 1 из 8 детей, рожденных от матерей, у которых диагностирована миастения гравис (МГ). МГ может передаваться от матери к плоду путем перемещения антител к AChR через плаценту . Признаки этого заболевания при рождении включают слабость, которая реагирует на антихолинэстеразные препараты, а также фетальную акинезию или отсутствие движения плода. Эта форма заболевания является транзиторной и длится около трех месяцев. Однако в некоторых случаях неонатальная МГ может приводить к другим последствиям для здоровья, таким как артрогрипоз и даже гибель плода. Считается, что эти состояния инициируются, когда материнские антитела к AChR направляются к фетальному AChR, и могут длиться до 33-й недели беременности , когда γ-субъединица AChR заменяется ε-субъединицей. [20] [21]
Миастенический синдром Ламберта-Итона (LEMS) — это аутоиммунное заболевание, которое поражает пресинаптическую часть нервно-мышечного соединения. Это редкое заболевание может быть отмечено уникальной триадой симптомов: проксимальная мышечная слабость, автономная дисфункция и арефлексия. [22] Проксимальная мышечная слабость является продуктом патогенных аутоантител, направленных против потенциалзависимых кальциевых каналов P/Q-типа, что, в свою очередь, приводит к снижению высвобождения ацетилхолина из двигательных нервных окончаний на пресинаптической клетке. Примеры автономной дисфункции, вызванной LEMS, включают эректильную дисфункцию у мужчин, запор и, чаще всего, сухость во рту . Менее распространенные дисфункции включают сухость глаз и измененное потоотделение . Арефлексия — это состояние, при котором сухожильные рефлексы снижены и могут временно ослабевать после периода упражнений. [23]
50–60% пациентов, у которых диагностирован LEMS, также имеют сопутствующую опухоль , которая обычно является мелкоклеточной карциномой легких (SCLC). Этот тип опухоли также экспрессирует потенциалзависимые кальциевые каналы . [23] Часто LEMS также встречается вместе с миастенией. [22]
Лечение LEMS заключается в использовании 3,4-диаминопиридина в качестве первой меры, которая служит для увеличения потенциала действия мышц, а также мышечной силы за счет удлинения времени, в течение которого потенциалзависимые кальциевые каналы остаются открытыми после блокировки потенциалзависимых калиевых каналов. В США лечение 3,4-диаминопиридином для пациентов с LEMS, имеющих на это право, доступно бесплатно в рамках программы расширенного доступа. [24] [25] Дальнейшее лечение включает использование преднизона и азатиоприна в случае, если 3,4-диаминопиридин не помогает в лечении. [23]
Нейромиотония (НМТ), также известная как синдром Исаака, отличается от многих других заболеваний, присутствующих в нервно-мышечном соединении. Вместо того, чтобы вызывать мышечную слабость, НМТ приводит к перевозбуждению двигательных нервов. НМТ вызывает это перевозбуждение, производя более длительные деполяризации путем снижения регуляции потенциалзависимых калиевых каналов , что вызывает большее высвобождение нейротрансмиттера и повторяющуюся активацию. Это увеличение скорости активации приводит к более активной передаче и, как следствие, большей мышечной активности у пораженного человека. Также считается, что НМТ имеет аутоиммунное происхождение из-за его связи с аутоиммунными симптомами у пораженного человека. [20]
Врожденные миастенические синдромы (ВМС) очень похожи на МГ и ЛЕМС по своим функциям, но основное различие между ВМС и этими заболеваниями заключается в том, что ВМС имеет генетическое происхождение. В частности, эти синдромы представляют собой заболевания, вызванные мутациями, как правило, рецессивными , в 1 из по крайней мере 10 генов, которые влияют на пресинаптические, синаптические и постсинаптические белки в нервно-мышечном соединении. Такие мутации обычно возникают в ε-субъединице AChR [20] , тем самым влияя на кинетику и экспрессию самого рецептора. Замены или делеции отдельных нуклеотидов могут привести к потере функции в субъединице. Другие мутации , такие как те, которые влияют на ацетилхолинэстеразу и ацетилтрансферазу , также могут вызывать экспрессию ВМС, причем последняя связана именно с эпизодическим апноэ . [26] Эти синдромы могут проявляться в разное время в течение жизни человека. Они могут возникнуть во время фетальной фазы, вызывая фетальную акинезию , или в перинатальный период, во время которого могут наблюдаться определенные состояния, такие как артрогрипоз , птоз, гипотония , офтальмоплегия и трудности с кормлением или дыханием. Они также могут активироваться в подростковом или взрослом возрасте, вызывая у человека развитие синдрома медленного канала. [20]
Лечение определенных подтипов CMS (постсинаптический быстроканальный CMS) [27] [28] похоже на лечение других нервно-мышечных расстройств. 3,4-Диаминопиридин , препарат первой линии для лечения LEMS, находится на стадии разработки в качестве орфанного препарата для CMS [29] в США и доступен подходящим пациентам в рамках программы расширенного доступа бесплатно. [24] [25]