Периферические хеморецепторы (сонных и аортальных тел ) названы так потому, что они представляют собой сенсорные продолжения периферической нервной системы в кровеносные сосуды , где они обнаруживают изменения химических концентраций. [1] Будучи преобразователями изменений в окружающей среде, сонные и аортальные тельца считаются хемосенсорами так же, как вкусовые рецепторы и фоторецепторы . [2] Однако, поскольку сонные и аортальные тельца обнаруживают изменения во внутренних органах тела, их считают интерорецепторами . [3] Вкусовые рецепторы , обонятельные луковицы , фоторецепторы и другие рецепторы, связанные с пятью традиционными сенсорными модальностями , напротив, являются экстерорецепторами, поскольку они реагируют на раздражители вне тела. [3] В организме также имеются проприорецепторы , которые реагируют на степень растяжения органа , обычно мышцы , который они занимают. [3]
Что касается их конкретной функции, периферические хеморецепторы помогают поддерживать гомеостаз в кардиореспираторной системе путем мониторинга концентрации химических веществ, переносимых кровью. [4] Эти полимодальные датчики реагируют на изменения ряда свойств крови, включая низкий уровень кислорода ( гипоксия ), высокий уровень углекислого газа ( гиперкапния ) и низкий уровень глюкозы ( гипогликемия ). [4] Гипоксия и гиперкапния являются наиболее изученными и понятными состояниями, обнаруживаемыми периферическими хеморецепторами. Глюкоза обсуждается в следующем разделе. Афферентные нервы передают сигналы обратно от сонных артерий и аорты к стволу мозга , который реагирует соответствующим образом (например, увеличивает вентиляцию ). [3]
И каротидные , и аортальные тельца увеличивают сенсорный выброс во время гипоксии. [5] Каротидные тельца считаются первичными периферическими хеморецепторами и, как было показано, вносят больший вклад в гипоксическую реакцию. Однако при хроническом отсутствии каротидного тела аортальное тело способно выполнять аналогичную дыхательную регуляторную роль, что позволяет предположить, что оно также обладает эффективными механизмами передачи сигнала . [5] Различное расположение двух тел идеально позволяет им использовать разную информацию; сонные тела, расположенные на одной из главных артерий шеи , контролируют парциальное давление в артериальных сосудах , а аортальные тела, расположенные на дуге аорты , контролируют концентрацию кислорода ближе к сердцу . [3] Каждое из этих тел состоит из аналогичного набора клеток, и именно обработка сигналов после трансдукции дифференцирует их ответы. Однако мало что известно о специфике любого из этих сигнальных механизмов. [6]
Каротидные и аортальные тельца представляют собой скопления клеток, расположенные на общей сонной артерии и дуге аорты соответственно. [6] Каждый из этих периферических хеморецепторов состоит из гломусных клеток типа I и глиоподобных клеток типа II. [6] Клетки типа I передают сигналы из кровотока и иннервируются афферентными нервными волокнами, ведущими обратно (в теле сонной артерии) к нерву каротидного синуса , а затем к языкоглоточному нерву и продолговатому мозгу ствола мозга . Тело аорты, напротив, связано с мозговым слоем через блуждающий нерв . [3]
Они также получают сигнал от эфферентных нервных волокон, ведущих обратно к тому же набору нервов. Весь кластер клеток пронизан капиллярами , обеспечивающими доступ к кровотоку; Высокая плотность капилляров делает эту область тела одной из областей с наибольшим кровотоком. [6] Клетки I типа плотно упакованы везикулами , содержащими различные нейротрансмиттеры, включая дофамин , АТФ , серотонин , катехоламины , высвобождаемые при трансдукции . [1] Клетки типа I часто соединяются через щелевые соединения , что может обеспечить быструю связь между клетками при передаче сигналов. [6]
Клетки типа II встречаются в соотношении примерно 1 к 4 с клетками типа I. Их длинные тела обычно встречаются в тесной связи с клетками типа I, хотя они не полностью покрывают клетки типа I. [6] У них отсутствуют пузырьки клеток типа I, используемые в нейромедиаторной связи, [1] но исследования показывают, что они функционируют как хеморецепторные стволовые клетки и могут реагировать на длительное воздействие гипоксии путем пролиферации в сами клетки типа I. [7] Они также могут способствовать быстрой коммуникации между клетками типа I, усиливая высвобождение одного из основных нейротрансмиттеров в хеморецепторной передаче сигналов, АТФ. [6]
Чувствительность и физиология периферических хеморецепторов изменяются на протяжении всей жизни. [8]
Дыхание у новорожденных нерегулярное, склонно к периодическому дыханию и апноэ . [8] Внутриутробно и при рождении реакция каротидного тела на гипоксию еще не полностью развита; требуется от нескольких дней до нескольких недель, чтобы повысить его чувствительность до уровня сонной артерии взрослого человека. Предполагается, что в этот период развития новорожденные в значительной степени полагаются на другие хеморецепторы, чувствительные к кислороду, такие как тело аорты или центральные хеморецепторы . [5] Однако хеморецепторов некаротидного тела иногда недостаточно для обеспечения соответствующей дыхательной реакции; Смертность от СВДС чаще всего происходит в те дни или недели, когда каротидное тело все еще развивается, и предполагается, что к этому состоянию причастно отсутствие соответствующей активности каротидного тела. Сообщается, что у жертв СВДС часто наблюдаются некоторые характерные нарушения развития сонных артерий, включая периодическое дыхание , сильное апноэ во сне , нарушение пробуждения во время сна и низкую чувствительность к гипоксии. В каротидных телах жертв СВДС также часто наблюдаются физиологические отклонения, такие как гипо- и гипертрофия . Многие данные о связи каротидных тел с СВДС сообщают о том, что развитие каротидных тел нарушается факторами окружающей среды, которые, как уже известно, повышают риск СВДС, такими как преждевременные роды и воздействие дыма, злоупотреблений психоактивными веществами, гипероксия и гипоксия. поэтому поначалу может показаться, что исследования сонных артерий лишь расширяют наши знания о СВДС в другой области. Однако понимание механизмов, которые нарушают развитие сонных артерий, может помочь выяснить, как можно улучшить некоторые аспекты ухода за новорожденными , особенно недоношенными . Например, кислородная терапия может быть примером метода, который подвергает недоношенных детей воздействию такого высокого уровня кислорода, что это не позволяет им приобрести соответствующую чувствительность к нормальному уровню кислорода. [9]
Увеличение базовой скорости вентиляции и чувствительности как к гипоксии , так и к гиперкапнии наблюдается у беременных женщин после 20-й недели беременности , и исследования показывают, что это связано, по крайней мере частично, с изменениями чувствительности периферических хеморецепторов. Подобные изменения чувствительности были обнаружены у женщин, которым вводили уровни гормонов , имитирующие стадию беременности, на которой должны проявляться эти эффекты, что позволяет предположить, что чувствительность сонных и аортальных артерий модулируется нейроэндокринными процессами. [5] Однако результаты, связывающие периферические хеморецепторы с изменениями дыхания, вызванными беременностью, могут быть просто корреляционными, поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить причину этой взаимосвязи.
Периферические хеморецепторы были идентифицированы как необходимые для регуляции дыхания гораздо раньше, чем начали понимать их механизмы получения информации из кровотока. [4] И каротидные, и аортальные тельца состоят из клеток типа I и типа II и, как полагают, передают сигналы от химических веществ крови одинаковым образом, хотя передача сигналов после трансдукции может различаться. [6] Хемосенсорная трансдукция в этих рецепторах все еще является активной областью исследований, и не все исследования согласны с этим, но растет поддержка механизма трансдукции, зависящего от потребления кислорода митохондриями , влияющего на фермент AMPK . [4]
Передача сигнала в мозговое вещество требует, чтобы нейротрансмиттер высвободился из везикул в клетках I типа, и, как и во многих других нервных клетках, это запускается притоком кальция в клетку после деполяризации мембраны . [6] Процесс идентификации передачи сигнала в интерорецепторах , таких как периферические хеморецепторы, требует отхода назад от деполяризации мембраны, чтобы обнаружить предыдущие этапы, часто внутренние по отношению к клетке, которые преобразуют химические вещества крови в нервный сигнал. До сих пор большинство исследований сходятся во мнении, что деполяризация мембраны вызвана ингибированием калиевых каналов , которые в противном случае поддерживают потенциал покоя . [4] Что касается этапа, предшествующего ингибированию калиевых каналов, предлагается множество механизмов, ни один из которых не получил единодушной поддержки со стороны исследовательского сообщества. [7] На гипоксию реагируют несколько типов калиевых каналов , со значительными различиями между разными видами и множеством разных типов для каждого вида. [4] Экспрессия калиевых каналов также меняется на протяжении жизни. [8] Некоторые исследования предполагают, что преобразователем является гем-оксигеназа 2 ; однако, поскольку его делеция у мышей не влияет на чувствительность хеморецепторов к кислороду [10] , эта гипотеза остается под вопросом. Другой фермент, AMP-активируемая протеинкиназа (AMPK), обеспечивает механизм, который может применяться не только ко всем типам калиевых каналов, но и к другим кислородчувствительным тканям организма, таким как легочная сосудистая сеть и неонатальные хромаффинные клетки . AMPK представляет собой фермент, активируемый увеличением соотношения AMP : ATP в результате усиления клеточного дыхания . После активации фермент способствует выработке АТФ и подавляет реакции, требующие его потребления. Активация AMPK также является более привлекательным кандидатом, поскольку она может активировать оба наиболее распространенных типа калиевых каналов. Другое исследование показало, что AMPK открывает и закрывает калиевые каналы посредством фосфорилирования , что еще раз подчеркивает связь между ними. Однако роль AMPK в чувствительности к кислороду в клетках типа 1 недавно была поставлена под сомнение. [11]
Функция этого фермента позволяет клеткам типа I уникальным образом использовать преимущества своих митохондрий. Однако AMPK — это фермент, обнаруженный во многих других типах клеток, чем в хеморецепторах, поскольку он помогает регулировать обмен веществ . Разница может заключаться в клеточном метаболизме, а не в ферменте AMPK; периферические хеморецепторы демонстрируют очень высокие фоновые скорости потребления кислорода, поддерживаемые густой сетью капилляров . Поскольку его базовая скорость клеточного дыхания настолько высока, его AMPK будет более чувствителен к снижению содержания кислорода в крови, что позволит ему реагировать на небольшие изменения содержания кислорода до того, как другие клетки начнут ощущать последствия его отсутствия. [4] Таким образом, трансдукция в периферических хеморецепторных клетках относительно уникальна. Он не требует каких-либо специализированных белков, меняющих форму в присутствии света , или определенного рецепторного участка для определенного вкусового вещества. Его необходимые компоненты включают в себя только митохондрии и фермент, используемый для регулирования их активности, общий для всех аэробных клеток, набор калиевых и кальциевых каналов и нейротрансмиттеров, общих для многих типов нервных клеток, а также хорошо оснащенную версию сосудистой сети, поддерживающую все аэробные клетки. клетки. [4] Дальнейшие исследования должны выяснить, почему клетки типа I демонстрируют такую высокую скорость метаболизма по сравнению с клетками других типов, поскольку это может быть действительно уникальной особенностью рецептора. Таким образом, рецептор основного источника энергии аэробного организма состоит из набора клеточных структур, общих для всего тела.
Периферические хеморецепторы подвергаются стрессу в ряде ситуаций, связанных с ограниченным доступом кислорода, включая физические упражнения и пребывание на большой высоте. [5] При длительном гипоксическом стрессе, независимо от причины, периферические хеморецепторы проявляют большую пластичность ; они одновременно увеличивают размер хемочувствительных клеток и увеличивают их количество. [5] Хотя исследователи ранее не были уверены в том, как каротидные и аортальные тела смогли так быстро увеличить свое количество, недавние результаты указывают на клетки типа II, которые, как ранее считалось, играли только вспомогательную роль, а теперь считается, что они сохраняют свойства стволовых клеток. и могут дифференцироваться в клетки-преобразователи типа I. [7]
Некоторые исследования показывают, что периферические хеморецепторы играют роль в вентиляции во время тренировки. Однако существуют разногласия относительно того, выполняют ли они возбуждающую или тормозящую роль. Некоторые исследования указывают на усиление циркуляции катехоламинов или калия во время тренировки как потенциального эффектора на периферических хеморецепторах; однако особенности этого эффекта еще не изучены. Все предположения об участии периферических хеморецепторов заключаются в том, что они несут ответственность не только за эту реакцию, подчеркивая, что эти рецепторы являются лишь одними из набора чувствительных к кислороду клеток, которые могут реагировать во время стресса. Сбор информации о деятельности сонных артерий и аорты у живых, тренирующихся людей сопряжен с трудностями и часто указывает только на косвенные доказательства, поэтому трудно делать обширные выводы, пока не будет накоплено больше доказательств и, будем надеяться, с использованием более продвинутых методов. [5]
Помимо вентиляционных эффектов, периферические хеморецепторы могут влиять на нейроэндокринные реакции на физические упражнения, которые могут влиять на другие виды деятельности, помимо вентиляции. [5] Циркуляция гормона , стимулирующего глюкозу , глюкагона и нейромедиатора норадреналина , увеличивается у собак с иннервацией сонных и аортальных тел, что позволяет предположить, что периферические хеморецепторы реагируют на низкие уровни глюкозы и могут дополнительно реагировать на другие нейроэндокринные сигналы. к тому, что традиционно считается их единственной ролью в регуляции дыхания. [5]
Периферические хеморецепторы работают совместно с центральными хеморецепторами , которые также контролируют уровень CO 2 в крови , но делают это в спинномозговой жидкости , окружающей мозг . Высокая концентрация центральных хеморецепторов обнаруживается в вентральной части продолговатого мозга , области ствола мозга , которая получает сигналы от периферических хеморецепторов. [12] В совокупности эти мониторы кислорода в крови передают нервные сигналы в вазомоторный центр продолговатого мозга, который может модулировать несколько процессов, включая дыхание, сопротивление дыхательных путей , кровяное давление и возбуждение . [3] На эволюционном уровне эта стабилизация уровня кислорода, которая также приводит к более постоянной концентрации углекислого газа и pH , была важна для управления потоком кислорода при дыхании воздухом и водой, сне и для поддержания идеального pH. для структуры белка , поскольку колебания pH могут денатурировать ферменты клетки. [3] [13]