Механизм действия инертного газа ксенон на организм человека

Как и многие общие ингаляционные анестетики, ксенон способен взаимодействовать с различными рецепторами и ионными каналами, причём достигаемые этим эффекты зачастую дополняют друг друга [1-5]. Тем не менее, вопрос о механизме взаимодействия инертного газа с этими самыми рецепторами до настоящего времени остаётся до конца неизученным. Существует две основные теории, которые могут объяснять способность ксенона взаимодействовать с мембранными рецепторными комплексами.

Молекулярная теория наркоза Полинга утверждает, что в основе механизма биологического действия ксенона лежит его способность формировать в нервной ткани микрокристаллы клатратного типа, блокирующие синаптическую передачу импульсов [6-8]. Следует отметить, что эта гипотеза пытается объяснить неспецифический механизм действия всех общих анестетиков, а не только инертных газов. В случае с ксеноном теория Полинга имеет один существенный недостаток, связанный с тем фактом, что клатраты ксенона при атмосферном давлении сохраняют устойчивость лишь при температуре ниже 24°С [9,10]. Возможность их образования in vivo является предметом дальнейших дискуссий [11-13].

Овертон-Мейеровская липоидная теория объясняет биологические эффекты инертного газа высокой растворимостью в липидах клеточных мембран, что значительно изменяет их проницаемость для ионов и тормозит возбудимость. Считается, что растворение анестетика в липидном бислое клеточной стенки вызывает перераспределение мембранного бокового давления, под которым понимается характерный для каждой клетки профиль организации фосфолипидной стенки [14,15]. Большинство мембранных белков, а особенно ионные каналы, крайне чувствительны к изменениям бокового давления, поскольку это вызывает конформационные изменения в структуре трансмембранных белковых комплексов [16-18]. Этот механизм достаточно неспецифичен, поскольку способность анестетика оказывать биологическое действие определяется не его химическими свойствами, а характерным положением в клеточной мембране и строением конкретного типа рецепторов [15]. Данная теория подтверждается в работах Booker R.D., который объясняет гипнотические свойства инертного газа ксенона высокой его растворимостью в фосфолипидном слое, приводящей к изменениям конформации субъединиц ионных каналов, что существенно нарушает их проницаемость [1].

Наибольшее количество работ посвящено способности ксенона ингибировать глутаматергическую передачу. Глутаминовая кислота – основной возбуждающий нейротрансмиттер ЦНС, который реализует своё действие посредством активации ионотропных и метаботропных рецепторов, что приводит к открытию в них катионселективного канала и поступлению Са2+ и Na+ внутрь клетки. Ионы кальция активируют протеинкиназу CaMK-II, что становится причиной фосфорилирования ряда белков нейрона-реципиента. Этот процесс играет ключевую роль в регуляции нейрональной возбудимости и синаптической пластичности [19, 20, 246, 356]. Наибольшая плотность глутаматных рецепторов отмечается в конечном мозге, прежде всего, в гиппокампе, коре больших полушарий, миндалине и стриатуме, т.е. именно в тех структурах, которые ответственны за память, обучение, эмоциональные реакции, а также ассоциированы с сенсорной функцией [141, 231, 331].

Перевозбуждение нейронов при интенсивном воздействии глутамата сопровождается переходом нормально функционирующих клеток в состояние эпилептиформной активности [19, 227, 344, 345]. Длительная избыточная активация NMDA-рецепторов приводит к патологическому повышению внутриклеточной концентрации кальция и запускает необратимые изменения (активация Ca-зависимых протеаз, эндонуклеаз, фосфолипаз), ведущие к гибели нейронов [34, 345]. Данный процесс известен как эксайтотоксичность, и он играет определённую роль в патогенезе различных нейродегенеративных заболеваний: рассеянного склероза, болезни Альцгеймера, амиотрофического латерального склероза и др. [313, 314, 343].

В последние годы появляется всё больше доказательств прямого участия глутаминовой кислоты и рецепторов к ней в функционировании различных периферических органов, что позволяет рассматривать глутамат не только как нейротрансмиттер, но и более широко – как распространённый цитокин, способный воздействовать на клеточную активность в различных типах тканей [65, 208, 225, 229, 266, 309].

Так, показана экспрессия NMDA-, AMPA- и каинатных рецепторов в клетках островков Лангерганса поджелудочной железы [208, 295, 350], где они участвуют в межклеточном взаимодействии, регулируя секрецию глюкагона и инсулина. Методами гибридизации in situ и полимеразной цепной реакции показана экспрессия AMPA- и NMDA-рецепторов в клетках мозгового вещества надпочечников, где они являются одним из факторов стимуляции выброса катехоламинов в условиях стрессорного воздействия [65, 268, 362, 416]. В периферической нервной системе ионотропные глутаматные рецепторы участвуют в механизмах ноцицепции [204, 239, 309]. Помимо этого, рецепторы глутаминовой кислоты обнаружены в сердце [265, 266], печени [265, 400], лёгких [244, 377]. Функционально активные NMDA-рецепторы обнаружены в тромбоцитах [262], а также доказано их участие в регуляции мегакариоцитопоэза [262, 287].

В ряде работ показано, что антагонисты глутаминовой кислоты способны ингибировать пролиферацию опухолевых клеток [374, 397, 421]. Антагонисты AMPA- и NMDA-рецепторов оказывают концентрационно-зависимый антипролиферативный эффект на клетки опухолевых линий различного происхождения (тиреоидной карциномы человека, карциномы легкого, аденокарциномы толстой кишки, карциномы молочной железы и т.д.), проявляемый в снижении темпов клеточного деления и увеличении процента мёртвых клеток. Более того, антагонисты ионотропных глутаматных рецепторов ингибируют миграцию и вызывают морфологические изменения опухолевых клеток, а также усиливают противоопухолевые действие цитостатических препаратов в малых концентрациях [65, 374].

В настоящее время установлено, что ксенон является неконкурентным антагонистом NMDA-рецепторов [240, 271, 281, 282, 353, 364]. При концентрации 80% инертный газ более чем на 60% подавляет возбуждающие постсинаптические токи, вызванные активацией NMDA-рецепторов в нейронах гиппокампа [260]. При этом сколь-нибудь существенного влияния ксенона на AMPA- или каинатные рецепторы, а также на ГАМКергические синапсы первоначально выявлено не было [243, 260, 261         ]. Тем не менее, исследования, проведённые в последние годы, свидетельствуют о том, что ксенон способен ингибировать все типы ионотропных глутаматных рецепторов примерно в одинаковой степени [247, 281, 353, 364, 418]. Именно с блокадой AMPA-рецепторов в префронтальной коре головного мозга и спинном мозге некоторые исследователи связывают анестетические и нейропротективные свойства инертных газов [282, 418], в то время как блокада NMDA-рецепторов, помимо снижения обмена веществ и модуляции болевых сигналов, обусловливает различные изменения состояния сознания, когнитивных функций и эмоционального статуса [195, 241, 282].

В отличие от большинства других общих анестетиков, ксенон, по-видимому, не оказывает существенного влияния на ГАМКергическую передачу. Следует отметить, что γ-аминомасляная кислота (ГАМК), как и глицин, являются основными ингибиторными нейротрансмиттерами ЦНС. Все основные эффекты ГАМК-агонистов (например, бензодиазепинов) – седативный, анксиолитический, противосудорожный, миорелаксирующий, – реализуются именно путём активации ГАМКА-рецепторов [107, 183].

Хотя большинством авторов высказываются сомнения в способности инертных газов оказывать стимулирующее влияние на ионотропные ГАМК-рецепторы или потенцировать действие γ-аминомасляной кислоты в ЦНС млекопитающих [240, 260, 367, 378], тем не менее, некоторые исследования, проведённые в последние годы, указывают на незначительную (~15%) активацию ксеноном ГАМКА-рецепторов [21, 279, 420].

Существенный интерес представляют данные исследований, свидетельствующие о способности ксенона значительно (~65%) подавлять активность серотониновых рецепторов 5-HT3 типа [232, 404]. Хотя физиологическая роль указанных рецепторов до настоящего времени остаётся не вполне ясной, тем не менее, их активация селективными агонистами вызывает возбуждение нейронов рвотного центра, расположенного в продолговатом мозге, повышение тревожности, судорожную активность, а также способствует проведению ноцицептивной импульсации [202, 264, 371].

Как и закись азота, ксенон является агонистом двупоровых калиевых каналов TREK-1 [274, 357], которые контролируют возбудимость клеток и влияют на длительность, частоту и амплитуду потенциала действия, модулируют повторную активность и принимают участие в механизмах обучения и памяти [77, 78]. Их активация ведёт к гиперполяризации мембраны, тогда как их подавление – к деполяризации. Ингибирование двупоровых калиевых каналов является одним из механизмов действия серотонина, норадреналина, глутамата и других лигандов, увеличивающих нейрональную возбудимость [78, 267, 357].

Все инертные газы, а в особенности газовые смеси на основе ксенона, способны подавлять активность цитоплазматической Ca2+-АТФазы (PMCA), связываясь с гидрофобным участком молекулы фермента, тем самым препятствуя её конформации [258, 323, 368, 390].

PMCA является ключевым звеном в системе активного транспорта ионов кальция и обеспечивает значительный градиент концентрации Ca2+ внутри клетки и снаружи. В нейрональных тканях фермент принимает участие в регуляции синаптической активности. Блокада фермента приводит к нарушению проведения нервного импульса и препятствует высвобождению нейромедиатора из везикул [223, 245].

Снижение активности Ca2+-АТФазы в гладких мышцах стенок кровеносных сосудов приводит к повышению концентрации внутриклеточного кальция, а поскольку ионы Ca2+ запускают механизм мышечного сокращения, закономерно увеличивается тонус сосудистой стенки, что обусловливает повышение системного артериального давления [245, 407].

В быстропролиферирующих тканях блокада PMCA может стимулировать апоптоз, что представляет определённые перспективы при разработке новых методов терапии ряда онкологических заболеваний [296, 317].

Ряд отечественных и зарубежных исследователей указывают на способность ксеноно-кислородных газовых смесей блокировать Н-холинорецепторы (nAChR) α4β2-типа [49, 320, 346]. Хотя физиологическая роль данных ионных трансмембранных каналов в настоящее время изучена недостаточно, тем не менее, отмечается, что они широко представлены в центральной нервной системе, где они участвуют в процессах синаптической пластичности и, в некоторой степени, определяют уровень нейрональной возбудимости. Кроме того, nAChR данного типа определяются в автономных ганглиях ЦНС, а их стимуляция способствует изменению нейровегетативного баланса с тенденцией к преобладанию активности симпатического звена нервной регуляции [218, 275].

Было отмечено, что проведение ксеноновой анестезии практически никак не сказывалось на выраженности послеоперационного воспалительного процесса. Исследователями наблюдалось лишь незначительное снижение активности фагоцитоза, однако, никакого существенного влияния  на клетки системы мононуклеарных фагоцитов выявлено не было [255].

Особый интерес представляют данные, свидетельствующие о способности ксенона повышать активность индуцируемого гипоксией фактора 1α (HIF-1α) в различных культурах клеток, при длительной их экспозиции в газовой среде, состоящей из 70% Хе и 30% О2 [320, 327, 372]. Указанный факт потенциально обладает высокой клинической значимостью, поскольку транскрипционный фактор HIF-1α стимулирует синтез большого количества белков, включая фактор роста сосудистого эндотелия (VEGF) и эритропоэтин, которые, в свою очередь, повышают устойчивость организма к гипоксии, стимулируют кроветворение и ангиогенез [316, 388, 398, 399]. С одной стороны, это обусловливает повышение устойчивости организма к экстремальным физическим нагрузкам и защитные свойства HIF-1α при ишемических заболеваниях миокарда, головного мозга и других органов, с другой стороны, в различных условиях HIF-1α может, как потенцировать неконтролируемую пролиферацию клеток, так и обеспечивать их гибель, посредством активации экспрессии р53 гена – мощного индуктора апоптоза и супрессора опухолевых клеток [197, 224, 320, 388].

Хотя стимуляция экспрессии HIF-1α при ингаляции таких анестетиков как изофлуран, севофлуран и ксенон подтверждена многочисленными исследованиями, тем не менее, величина этой активации сильно зависит от концентрации газа во вдыхаемой смеси, длительности экспозиции и выраженности сопутствующей гипоксии. При этом в случае с ксеноновым наркозом экспрессия HIF-1α, по ряду свидетельств, не сопровождается увеличением активности протеинкиназы mTOR, а потому способность инертных газов оказывать положительное влияние на пролиферацию культур клеток не наблюдалось [389, 423]. Более того, в работах Ash S.A. показана способность ксенона in vitro препятствовать размножению опухолевых клеток и снижать активность факторов ангиогенеза, благодаря механизмам ингибирования NMDA-рецепторов [200, 201].

Таким образом, за последнее десятилетие достигнут значительный прогресс в понимании механизмов биологического действия ксенона. Большое количество потенциально положительных свойств и отсутствие объективных данных о возможных побочных эффектах способствовали организации, как в нашей стране, так и за рубежом масштабных доклинических и клинических исследований, открывших дорогу к использованию ксенона в различных областях медицинской практики.

Литература

1. Booker, R.D. Biophysical changes induced by xenon on phospholipid bilayers /R.D. Booker, A.K. Sum //Biochim. Biophys. Acta. – 2013. – V.1828(5). – Р.1347-1356.
2. Bryan, D.J. Xenon as an Anesthetic Agent /D.J. Bryan, L.W. Elizabeth //AANA Journal. – 2010. – Vol.78. – №5. – Р.387-392.
3. Derwall, M. Xenon: recent developments and future perspectives /M. Derwall, M. Coburn, S. Rex, M. Hein, R. Rossaint, M. Fries //Minerva Anestesiol. – 2009. – V.75. – Р.37-45.
4. Dinse, A. Xenon reduces glutamate-, AMPA-, and kainate-induced membrane currents in cortical neurons /A. Dinse, M. Georgieff, C. Beyer, A. Bulling, H.U. Weigt //Br. J. Anaesth. – 2005. – V.94. – Р.479–485.
5. Haseneder, R. Xenon reduces N-methyl-D-aspartate and α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor-mediated synaptic transmission in the amygdala /R. Haseneder, S. Kratzer, E. Kochs, V.S. Eckle, W. Ziegelgänsberger //Anesthesiology. – 2008. – V.109. – Р.998-1006.
6. Burov, N.E. Concept of mechanisms of anesthetic and therapeutic properties of xenon /N.E. Burov //Anesteziol. Reanimatol. – 2011. – №2. – Р.58-62.
7. Franks, N.P. Molecular and cellular mechanisms of general anesthesia /N.P. Franks, W.R. Lieb //Nature. – 1994. – V.367. – Р.607-614.
8. Pauling, L. A molecular theory of general anesthesia /L. Pauling //Science. – 1961. – V.134 (3471). – Р.15-21.
9. Henderson, W. Main group chemistry /W. Henderson //Great Britain: Royal Society of Chemistry. – 2000. – Р.152–153.
10. Ikeda, T. Distortion of Host Lattice in Clathrate Hydrate as a Function of Guest Molecule and Temperature /T. Ikeda, S. Mae, O. Yamamuro, T. Matsuo, S. Ikeda //Journal of Physical Chemistry. – 2000. – V.104 (46). – Р.10623–10630.
11. Burov, N.E. Concept of mechanisms of anesthetic and therapeutic properties of xenon /N.E. Burov //Anesteziol. Reanimatol. – 2011. – №2. – Р.58-62.
12. Ponomarev, A. A Study of the applicability of xenon clathrates for the preservation of human stem cells and skin fragments [Электронный ресурс] /А. Ponomarev, О. Makeev, А. Zvereva // International Summer School on Application of Scanning Probe Microscopy in Life Sciences, Soft Matter and Nanofabrication. – 2013. – Режим доступа: http://vbn.aau.dk/files/176460988/School_2013_Abstract_Ponomarev_v3.pdf
13. Sheleg, S. Cardiac mitochondrial membrane stability after deep hypothermia using a xenon clathrate cryostasis protocol - an electron microscopy study /S. Sheleg, H. Hixon, B. Cohen, D. Lowry //Int. J. Clin. Exp. Pathol. – 2008. – №1 (5). – Р.440-447.
14. Cantor, R.S. The Lateral Pressure Profile in Membranes: A Physical Mechanism of General Anesthesia /R.S. Cantor //Biochemistry. – 1997. – V.36(9). – Р.2339–2344.
15. Eckenhoff, R.G. Steric hindrance is not required for n-alkanol cutoff in soluble proteins /R.G. Eckenhoff, J.W. Tanner, J.S. Johansson //Mol. Pharmacol. – 1999. – V.56 (2). – Р.414-418.
16. Edidin, M. Lipid microdomains in cell surface membranes /M. Edidin //Curr. Opin. Struct. Biol. – 1997. – V.7(4). – Р.528-532.
17. Kruijff, B. Lipid polymorphism and biomembrane function /B. Kruijff //Curr. Opin. Chem. Biol. – 1997. – V.1(4). – Р.564-569.
18. Litman, B.J. A role for phospholipid polyunsaturation in modulating membrane protein function /B.J. Litman, D.C. Mitchell //Lipids. – 1996. –  Mar:31(Suppl). – Р.193-197.
19. Беспалов, А.Ю. Нейропсихофармакология антагонистов NMDA-рецепторов /А.Ю. Беспалов, Э.Э. Звартау. – СПб.: Невский диалект, 2000. – 297 с.
20. Cotman, C.W. The role of the NMDA-receptors in central nervous system plasticity and pathology /C.W. Cotman, R.J. Bridges, J.S. Taube //J. NIH. Res. – 1987. – V.1. – P.65-74.
21. Dingledine, R. The glutamate receptor ion channels /R. Dingledine, K. Borges, D. Bowie, S.F. Traynelis //Pharmacol. Rev. – 1999. – V.51(1). – Р.7–62.
22. Parsons, C.G. Glutamate in CNS disorders as a target for drug development: an update /C.G. Parsons, W. Danysz, G. Quack //Drug News Perspect. – 1998. – V.11(9). – Р.523-569.