Нервно -мышечное соединение (или мионевральное соединение ) — это химический синапс между мотонейроном и мышечным волокном . [1]
Он позволяет мотонейрону передавать сигнал мышечным волокнам, вызывая сокращение мышц .
Мышцам необходима иннервация, чтобы функционировать и даже просто поддерживать мышечный тонус , избегая атрофии . В нервно-мышечной системе нервы центральной и периферической нервной системы связаны и работают вместе с мышцами. [2] Синаптическая передача в нервно-мышечном соединении начинается, когда потенциал действия достигает пресинаптической терминали мотонейрона, который активирует потенциалзависимые кальциевые каналы , позволяя ионам кальция проникать в нейрон. Ионы кальция связываются с сенсорными белками ( синаптотагминами ) на синаптических везикулах, вызывая слияние везикул с клеточной мембраной и последующее высвобождение нейротрансмиттера из мотонейрона в синаптическую щель . У позвоночных мотонейроны выделяют ацетилхолин (АХ), небольшую молекулу нейромедиатора, которая диффундирует через синаптическую щель и связывается с никотиновыми рецепторами ацетилхолина (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 мышечному сокращению.
Заболевания нервно-мышечных соединений могут иметь генетическое и аутоиммунное происхождение. Генетические нарушения, такие как врожденный миастенический синдром , могут возникать из-за мутированных структурных белков, входящих в состав нервно-мышечного соединения, тогда как аутоиммунные заболевания, такие как миастения , возникают, когда антитела вырабатываются против никотиновых рецепторов ацетилхолина на сарколемме.
В нервно-мышечном соединении пресинаптические моторные аксоны заканчиваются на расстоянии 30 нанометров от клеточной мембраны или сарколеммы мышечного волокна. Сарколемма в месте соединения имеет впячивания , называемые постпереходными складками, которые увеличивают площадь ее поверхности, обращенной к синаптической щели. [3] Эти постпереходные складки образуют моторную концевую пластинку, которая усеяна никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами (nAChR) с плотностью 10 000 рецепторов/мкм 2 . [4] Пресинаптические аксоны заканчиваются выпуклостями, называемыми терминальными бутонами (или пресинаптическими окончаниями), которые выступают в сторону постсинаптических складок сарколеммы. У лягушки каждое окончание двигательного нерва содержит около 300 000 пузырьков со средним диаметром 0,05 микрометра. Везикулы содержат ацетилхолин. Некоторые из этих пузырьков собраны в группы по пятьдесят штук и расположены в активных зонах рядом с нервной мембраной. Активные зоны находятся на расстоянии около 1 микрометра друг от друга. Щель размером 30 нанометров между нервным окончанием и концевой пластинкой содержит сеть ацетилхолинэстеразы (АХЭ) с плотностью 2600 молекул фермента/мкм 2 , удерживаемую структурными белками дистрофином и рапсином . Также присутствует рецепторный тирозинкиназный белок MuSK , сигнальный белок, участвующий в развитии нервно-мышечного соединения, который также удерживается на месте рапсином. [3]
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 (7000–10 000 молекул ацетилхолина) в синаптическую щель — процесс, известный как экзоцитоз . [5] Следовательно, экзоцитоз высвобождает ацетилхолин пакетами, которые называются квантами. Квант ацетилхолина диффундирует через сеть ацетилхолинэстеразы, где высокая локальная концентрация медиатора занимает все места связывания фермента на своем пути. Ацетилхолин, достигающий концевой пластинки, активирует около 2000 рецепторов ацетилхолина, открывая их ионные каналы, что позволяет ионам натрия перемещаться в концевую пластинку, вызывая деполяризацию ~ 0,5 мВ, известную как миниатюрный потенциал концевой пластинки (MEPP). К моменту высвобождения ацетилхолина из рецепторов ацетилхолинэстераза разрушила связанный с ним АХ, что занимает около 0,16 мс, и, следовательно, может разрушить АХ, высвободившийся из рецепторов. [ нужна цитата ]
При стимуляции двигательного нерва задержка между поступлением нервного импульса в окончания двигательного нерва и первой реакцией концевой пластинки составляет всего 0,5–0,8 мс [6]. Поступление потенциала действия двигательного нерва на пресинаптический нейрон. Терминал открывает потенциал-зависимые кальциевые каналы , и ионы Ca 2+ перетекают из внеклеточной жидкости в цитозоль пресинаптического нейрона . Этот приток Ca 2+ заставляет несколько сотен везикул , содержащих нейромедиаторы , сливаться с клеточной мембраной пресинаптического нейрона посредством белков SNARE , высвобождая их кванты ацетилхолина путем экзоцитоза. Деполяризация концевой пластинки высвобождаемым ацетилхолином называется потенциалом концевой пластинки (EPP). EPP достигается, когда ACh связывается с никотиновыми рецепторами ацетилхолина (nAChR) на концевой пластинке мотора и вызывает приток ионов натрия. Этот приток ионов натрия генерирует ПКП (деполяризацию) и запускает потенциал действия, который перемещается вдоль сарколеммы в мышечные волокна через Т -трубочки (поперечные канальцы) посредством потенциалзависимых натриевых каналов. [7] Проведение потенциалов действия по Т-трубочкам стимулирует открытие потенциалзависимых Ca 2+ -каналов, которые механически связаны с каналами высвобождения Ca 2+ в саркоплазматическом ретикулуме. [8] Ca 2+ затем диффундирует из саркоплазматического ретикулума к миофибриллам, что может стимулировать сокращение. Таким образом, потенциал концевой пластинки отвечает за создание потенциала действия в мышечном волокне, который запускает мышечное сокращение. Передача от нерва к мышце происходит настолько быстро, потому что каждый квант ацетилхолина достигает концевой пластинки в миллимолярной концентрации, достаточно высокой, чтобы соединиться с рецептором с низким сродством, который затем быстро высвобождает связанный передатчик. [ нужна цитата ]
Ацетилхолин представляет собой нейромедиатор , синтезируемый из пищевого холина и ацетил-КоА (АКоА), и участвует в стимуляции мышечной ткани у позвоночных , а также у некоторых беспозвоночных животных. У позвоночных подтип рецептора ацетилхолина, который обнаруживается в нервно-мышечных соединениях скелетных мышц , представляет собой никотиновый рецептор ацетилхолина (nAChR), который представляет собой лиганд-управляемый ионный канал . 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 , в результате чего образуется рецептор «цис-петли», способный связывать ацетилхолин и другие лиганды. Эти рецепторы цис-петли встречаются только у эукариот , но прокариоты обладают рецепторами АХ со схожими свойствами. [4] Не все виды используют холинергические нервно-мышечные соединения; например, раки и плодовые мухи имеют глутаматергическое нервно-мышечное соединение. [3]
АХР в скелетных нервно-мышечных соединениях образуют гетеропентамеры, состоящие из двух субъединиц α, одной β, одной ɛ и одной δ. [9] Когда одиночный лиганд ACh связывается с одной из α-субъединиц рецептора ACh, он вызывает конформационные изменения на границе раздела со второй α-субъединицей AChR. Это конформационное изменение приводит к увеличению сродства второй α-субъединицы ко второму лиганду ACh. Таким образом, AChR демонстрируют сигмоидальную кривую диссоциации из-за этого кооперативного связывания . [4] Наличие неактивной промежуточной структуры рецептора с одинарным лигандом удерживает АХ в синапсе, который в противном случае мог бы быть потерян в результате гидролиза или диффузии холинэстеразы . Сохранение этих лигандов АХ в синапсе может вызвать продолжительный постсинаптический ответ. [10]
Для развития нервно-мышечного соединения необходима передача сигналов как от окончания мотонейрона, так и от центральной области мышечной клетки. Во время развития мышечные клетки вырабатывают рецепторы ацетилхолина (AChR) и экспрессируют их в центральных областях в процессе, называемом препаттернированием. Считается, что агрин , протеогликан гепарина , и киназа MuSK помогают стабилизировать накопление AChR в центральных областях миоцита. MuSK представляет собой рецепторную тирозинкиназу , что означает, что она индуцирует клеточную передачу сигналов путем связывания молекул фосфата с собственными участками, такими как тирозины , и с другими мишенями в цитоплазме . [11] При активации лигандом агрином MuSK передает сигналы через два белка, называемые « Dok-7 » и « rapsyn », индуцируя «кластеризацию» рецепторов ацетилхолина. [12] Высвобождение АХ развивающимися мотонейронами создает постсинаптические потенциалы в мышечной клетке, что положительно усиливает локализацию и стабилизацию развивающегося нервно-мышечного соединения. [13]
Эти результаты были частично продемонстрированы в ходе « нокаутных » исследований на мышах. У мышей с дефицитом агрина или MuSK нервно-мышечный синапс не формируется. Кроме того, мыши с дефицитом Dok-7 не образовывали ни кластеры рецепторов ацетилхолина, ни нервно-мышечные синапсы. [14]
Развитие нервно-мышечных соединений изучается преимущественно на модельных организмах, например на грызунах. Кроме того, в 2015 году in vitro было создано нервно-мышечное соединение человека с использованием эмбриональных стволовых клеток человека и стволовых клеток соматических мышц. [15] В этой модели пресинаптические мотонейроны активируются оптогенетикой , и в ответ синаптически связанные мышечные волокна подергиваются при световой стимуляции.
Хосе дель Кастильо и Бернард Кац использовали ионофорез, чтобы определить расположение и плотность никотиновых рецепторов ацетилхолина (нАХР) в нервно-мышечных соединениях. С помощью этого метода микроэлектрод помещался внутрь моторной концевой пластинки мышечного волокна, а микропипетка, наполненная ацетилхолином (АХ), помещалась непосредственно перед концевой пластинкой в синаптической щели. На кончик микропипетки подавалось положительное напряжение, что вызывало выброс положительно заряженных молекул АХ из пипетки. Эти лиганды проникли в пространство, представляющее синаптическую щель, и связались с AChR. Внутриклеточный микроэлектрод контролировал амплитуду деполяризации моторной концевой пластинки в ответ на связывание АХ с никотиновыми (ионотропными) рецепторами . Кац и дель Кастильо показали, что амплитуда деполяризации ( возбуждающий постсинаптический потенциал ) зависит от близости микропипетки, высвобождающей ионы АХ, к концевой пластинке. Чем дальше микропипетка находилась от концевой пластинки двигателя, тем меньше была деполяризация в мышечном волокне. Это позволило исследователям определить, что никотиновые рецепторы локализованы на концевой пластинке мотора и имеют высокую плотность. [3] [4]
Токсины также используются для определения местоположения рецепторов ацетилхолина в нервно-мышечных соединениях. α-Бунгаротоксин — это токсин, обнаруженный у змей Bungarus multicinctus , который действует как антагонист ACh и необратимо связывается с AChR. Путем связывания поддающихся анализу ферментов, таких как пероксидаза хрена (HRP) или флуоресцентных белков, таких как зеленый флуоресцентный белок (GFP), с α-бунгаротоксином, AChR можно визуализировать и количественно оценить. [3]
Нервно-паралитические газы связываются и фосфорилируют АХЭ, эффективно деактивируя их. Накопление АХ в синаптической щели приводит к постоянному сокращению мышечных клеток, что приводит к тяжелым осложнениям, таким как паралич и смерть в течение нескольких минут после воздействия.
Ботулинический токсин (также известный как ботулинический нейротоксин и коммерчески продаваемый под торговым названием «Ботокс») ингибирует высвобождение ацетилхолина в нервно-мышечных соединениях, воздействуя на белки SNARE. [3] Этот токсин проникает в нервное окончание в процессе эндоцитоза и впоследствии расщепляет белки SNARE, предотвращая слияние везикул ACh с внутриклеточной мембраной. Это вызывает преходящий вялый паралич и химическую денервацию, локализованную в пораженной поперечно-полосатой мышце. Ингибирование высвобождения АХ начинается примерно через две недели после инъекции. Через три месяца после возникновения торможения активность нейронов начинает частично восстанавливаться, а через шесть месяцев восстанавливается полная функция нейронов. [16]
Столбнячный токсин, также известный как тетаноспазмин , представляет собой мощный нейротоксин, вырабатываемый Clostridium tetani и вызывающий болезненное состояние — столбняк. По оценкам , LD 50 этого токсина составляет примерно 1 нг/кг, что делает его вторым после ботулинического токсина D как самого смертоносного токсина в мире. Он действует очень похоже на ботулинический нейротоксин, прикрепляясь и эндоцитируя пресинаптическое нервное окончание и взаимодействуя с белками SNARE. Он отличается от ботулинического нейротоксина по нескольким признакам, наиболее очевидно по своему конечному состоянию, при котором тетаноспазмин вызывает спастический паралич в отличие от вялого паралича, наблюдаемого при использовании ботулинического нейротоксина.
Латротоксин (α-латротоксин), обнаруженный в яде пауков-вдов, также влияет на нервно-мышечные соединения, вызывая высвобождение ацетилхолина из пресинаптических клеток. Механизмы действия включают связывание с рецепторами пресинаптических клеток, активацию пути IP3/DAG , высвобождение кальция из внутриклеточных хранилищ и образование пор, что приводит к непосредственному притоку ионов кальция. Любой механизм вызывает повышение уровня кальция в пресинаптических клетках, что затем приводит к высвобождению синаптических везикул ацетилхолина. Латротоксин вызывает боль, сокращение мышц и, если его не лечить, потенциально паралич и смерть.
Змеиные яды действуют как токсины на нервно-мышечные соединения и могут вызывать слабость и паралич . Яды могут действовать как пресинаптические, так и постсинаптические нейротоксины. [17]
Пресинаптические нейротоксины, широко известные как β-нейротоксины, поражают пресинаптические области нервно-мышечного соединения. Большинство этих нейротоксинов действуют путем ингибирования высвобождения нейротрансмиттеров, таких как ацетилхолин, в синапс между нейронами. Однако известно, что некоторые из этих токсинов усиливают высвобождение нейромедиаторов. Те, которые ингибируют высвобождение нейромедиаторов, создают нервно-мышечную блокаду , которая не позволяет сигнальным молекулам достичь своих постсинаптических рецепторов-мишеней. При этом жертва укуса змеи страдает от глубокой слабости. Такие нейротоксины плохо реагируют на противоядия. После одного часа введения этих токсинов, в том числе нотексина и тайпоксина , на многих пораженных нервных окончаниях проявляются признаки необратимого физического повреждения, в результате чего они теряют какие-либо синаптические пузырьки . [17]
Постсинаптические нейротоксины, также известные как α-нейротоксины, действуют противоположно пресинаптическим нейротоксинам, связываясь с постсинаптическими рецепторами ацетилхолина. Это предотвращает взаимодействие между ацетилхолином, высвобождаемым пресинаптическим терминалем, и рецепторами постсинаптической клетки. Фактически, открытие натриевых каналов, связанных с этими рецепторами ацетилхолина, запрещается, что приводит к нервно-мышечной блокаде, аналогичной эффектам, наблюдаемым из-за пресинаптических нейротоксинов. Это вызывает паралич мышц, задействованных в пораженных соединениях. В отличие от пресинаптических нейротоксинов, постсинаптические токсины легче подвергаются воздействию противоядов, которые ускоряют диссоциацию токсина от рецепторов, что в конечном итоге приводит к обращению паралича. Эти нейротоксины экспериментально и качественно помогают в изучении плотности и оборота рецепторов ацетилхолина , а также в исследованиях, наблюдающих за направлением антител к пораженным рецепторам ацетилхолина у пациентов с диагнозом миастения гравис . [17]
Любое заболевание , которое нарушает синаптическую передачу между двигательным нейроном и мышечной клеткой, относится к категории нервно-мышечных заболеваний . Эти расстройства могут быть наследственными или приобретенными и могут различаться по степени тяжести и смертности. В целом, большинство этих расстройств, как правило, вызваны мутациями или аутоиммунными заболеваниями. Аутоиммунные расстройства, в случае нервно-мышечных заболеваний, как правило, опосредованы гуморально , опосредованы В-клетками и приводят к неправильному образованию антител против мотонейрона или белка мышечных волокон, которые мешают синаптической передаче или передаче сигналов.
Миастения гравис — это аутоиммунное заболевание, при котором организм вырабатывает антитела либо против рецептора ацетилхолина (AchR) (в 80% случаев), либо против постсинаптической специфической для мышц киназы (MuSK) (0–10% случаев). При серонегативной миастении гравис белок 4, родственный рецептору липопротеинов низкой плотности , подвергается воздействию IgG1 , который действует как конкурентный ингибитор своего лиганда, предотвращая связывание лиганда со своим рецептором. Неизвестно, будет ли серонегативная миастения реагировать на стандартную терапию. [18]
Неонатальная МГ — аутоиммунное заболевание, которым страдает каждый восьмой ребенок, рожденный от матерей, у которых диагностирована миастения гравис (МГ). МГ может передаваться от матери к плоду путем перемещения антител АХР через плаценту . Признаки этого заболевания при рождении включают слабость, которая реагирует на антихолинэстеразные препараты, а также акинезию плода или отсутствие движений плода. Эта форма заболевания носит транзиторный характер и длится около трех месяцев. Однако в некоторых случаях неонатальный МГ может привести к другим последствиям для здоровья, таким как артрогрипоз и даже гибель плода. Считается, что эти состояния возникают, когда материнские антитела к AChR направляются на AChR плода , и могут сохраняться до 33-й недели беременности , когда субъединица γ AChR заменяется субъединицей ε. [19] [20]
Миастенический синдром Ламберта-Итона (LEMS) — аутоиммунное заболевание, поражающее пресинаптическую часть нервно-мышечного соединения. Это редкое заболевание характеризуется уникальной триадой симптомов: слабостью проксимальных мышц, вегетативной дисфункцией и арефлексией. [21] Слабость проксимальных мышц является продуктом патогенных аутоантител, направленных против потенциалзависимых кальциевых каналов P/Q-типа, что, в свою очередь, приводит к снижению высвобождения ацетилхолина из окончаний двигательных нервов в пресинаптических клетках. Примеры вегетативной дисфункции, вызванной LEMS, включают эректильную дисфункцию у мужчин, запор и, чаще всего, сухость во рту . Менее распространенные нарушения включают сухость глаз и изменение потоотделения . Арефлексия — это состояние, при котором сухожильные рефлексы снижены и могут временно исчезнуть после периода физических упражнений. [22]
У 50–60% пациентов с диагнозом LEMS также имеется сопутствующая опухоль , которая обычно представляет собой мелкоклеточную карциному легких (МРЛ). Этот тип опухоли также экспрессирует потенциалзависимые кальциевые каналы . [22] Часто LEMS также возникает наряду с миастенией. [21]
Лечение LEMS состоит из использования 3,4-диаминопиридина в качестве первой меры, который служит для увеличения сложного потенциала действия мышц, а также мышечной силы за счет удлинения времени, в течение которого потенциалзависимые кальциевые каналы остаются открытыми после блокирования потенциалзависимых калиевых каналов. В США лечение 3,4-диаминопиридином для пациентов с LEMS, отвечающих критериям, доступно бесплатно в рамках программы расширенного доступа. [23] [24] Дальнейшее лечение включает использование преднизолона и азатиоприна в том случае, если 3,4-диаминопиридин не помогает в лечении. [22]
Нейромиотония (НМТ), также известная как синдром Исаака, отличается от многих других заболеваний, возникающих в нервно-мышечных соединениях. Вместо того, чтобы вызывать мышечную слабость, НМТ приводит к гипервозбуждению двигательных нервов. НМТ вызывает это гипервозбуждение, вызывая более длительную деполяризацию за счет подавления потенциалзависимых калиевых каналов , что вызывает большее высвобождение нейротрансмиттеров и повторяющиеся импульсы. Это увеличение скорости стрельбы приводит к более активной передаче и, как следствие, к большей мышечной активности у пострадавшего. Также считается, что НМТ имеет аутоиммунное происхождение из-за его связи с аутоиммунными симптомами у больного. [19]
Врожденные миастенические синдромы (ВМС) по своим функциям очень похожи как на МГ, так и на LEMS, но основное различие между ВМС и этими заболеваниями заключается в том, что ВМС имеет генетическое происхождение. В частности, эти синдромы представляют собой заболевания, возникающие из-за мутаций, обычно рецессивных , в 1 из по меньшей мере 10 генов, которые влияют на пресинаптические, синаптические и постсинаптические белки нервно-мышечного соединения. Такие мутации обычно возникают в ε-субъединице АХР [19] , тем самым влияя на кинетику и экспрессию самого рецептора. Замены или делеции одиночных нуклеотидов могут привести к потере функции субъединицы. Другие мутации , например, затрагивающие ацетилхолинэстеразу и ацетилтрансферазу , также могут вызывать экспрессию CMS, причем последняя специфически связана с эпизодическим апноэ . [25] Эти синдромы могут проявляться в разное время жизни человека. Они могут возникнуть во внутриутробной фазе, вызывая акинезию плода, или в перинатальном периоде, во время которого могут наблюдаться определенные состояния, такие как артрогрипоз , птоз, гипотония , офтальмоплегия , а также затруднения при кормлении или дыхании. Они также могут активироваться в подростковом или взрослом возрасте, вызывая у человека развитие синдрома медленных каналов. [19]
Лечение отдельных подтипов CMS (постсинаптических CMS быстрых каналов) [26] [27] аналогично лечению других нервно-мышечных заболеваний. 3,4-Диаминопиридин , препарат первой линии для лечения LEMS, находится в стадии разработки в качестве орфанного препарата для лечения CMS [28] в США и доступен бесплатно для соответствующих критериям пациентов в рамках программы расширенного доступа. [23] [24]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )