НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗІОЛОГІЇ ім. О.О. БОГОМОЛЬЦЯ

ХАРХУН МАКСИМ ІВАНОВИЧ

УДК 352.5:616.12-008.331.1

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОТЕНЦІАЛКЕРОВАНИХ ІОННИХ СТРУМІВ МЕМБРАНИ МІОЦИТІВ АРТЕРІЙ ГЕНЕТИЧНО ГІПЕРТЕНЗИВНИХ ЩУРІВ

03.00.02 – біофізика

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

КИЇВ – 2000

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано у відділі нервово-м’язової фізіології

Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України

Науковий керівник: | академік НАН України, доктор медичних наук

Шуба Михайло Федорович

Зав. відділом нервово-м’язової фізіології

Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України

Офіційні опоненти: | академік НАН України, доктор біологічних наук

Кришталь Олег Олександрович

Зав. відділом фізико-хімічної біології клітинних мембран

Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України

кандидат біологічних наук

Федулова Світлана Анатоліївна

старший науковий співробітник

секретар Міжнародного центру молекулярної фізіології

при НАН України

Провідна установа: | відділ біофізики Інституту фізіології ім. П.Г. Богача

Національного університету ім. Т.Г. Шевченка

Захист відбудеться “ 14 ” листопада 2000 р. о “_14_” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д-26.198.01 при Інституті фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України за адресою: 01024, м.Київ, вул. Богомольця, 4.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України за адресою: 01024, м.Київ, вул. Богомольця, 4.

Автореферат розісланий “_9_” жовтня 2000 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради,

Доктор біологічних наук Сорокіна-Маріна З.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. При розвитку генетичної гіпертензії спостерігається підвищення резистивності периферичних кровоносних судин. Таким чином, ці судини можуть бути одним із визначних факторів у регуляції кров’яного тиску. В свою чергу, важливу роль в регуляції скорочувальної активності васкулярних гладеньких м'язів відіграють потенціалкеровані калієві та кальцієві канали. Так, мембранний потенціал васкулярних міоцитів строго залежить від калієвої провідності мембрани міоцитів, а зміна напруження судин корелює з мембранним потенціалом (Harder 1984). Хоча механізм вивільнення кальцію із внутрішньоклітинних депо є відповідальним за підтримання сили після активації агоністом в гладеньких м'язах (Somlyo 1968) підтримання тонусу васкулярних гладеньких м'язів вимагає постійного входу іонів кальцію до клітини із зовнішньоклітиного середовища (Shuba 1986, Ratz et al 1987). Залежність між калієвою провідністю, мембранним потенціалом, та входом кальцію через потенціалкеровані Ca2+ канали L-типу показано у васкулярних гладеньких м'язах (Nelson et al. 1990). Також для гладеньких м'язів характерний той факт, що вхід кальцію до клітин при потенціалах близьких до порогу активації Ca2+ каналів L-типу прямо впливає на підтримання постійної внутрішньоклітинної концентрації Ca2+ ([Ca2+]I) (Fleischmann et al 1994).

Дослідження потенціалзалежних іонних струмів поодиноких васкулярних міоцитів при гіпертензії стали можливими завдяки впровадженню методу фіксації потенціалу і перші роботи почали з'являтись на початку останнього десятиріччя. Так в культуральних васкулярних міоцитах вен генетично гіпертензивних щурів було показано збільшення амплітуди вхідного кальцієвого струму (Hermsmeyer 1989). Підвищення активності Ca2+ каналів L-типу мембрани міоцитів при гіпертензії було показано для свіжоізольованих міоцитів інших артерій (Lozinskaya et al 1997, Simard et al 1998). Збільшення Ca2+ струму в міоцитах генетично гіпертензивних щурів може відбуватися принаймні двома шляхами: 1) збільшенням кількості функціонуючих Ca2+ каналів в плазматичній мембрані; 2) збільшенням частоти відкривання існуючих Ca2+ каналів. Було також виявлено, що модулятори Ca2+ каналів проявляють більш сильну дію на препаратах артерій гіпертензивних щурів (Bruner 1990 et al, Storm et al 1993).

Досліджень в області потенціалзалежних К+ каналів при гіпертензії досить небагато і ці дослідження демонструють збільшення струму через Ca2+-залежні K+ канали (IK(Ca)) у васкулярних міоцитах генетично гіпертензивних щурів (Rusch et al 1992, England et al 1993, Liu et al 1997), хоча ці дані не пояснюють підвищену скорочувальну активність васкулярних гладеньких м'язів при гіпертензії.

На цей час нема вагомих даних про участь К+ каналів, які відрізняються за своїми біофізичними характеристиками при гіпертензії в регуляції мембранного потенціалу. На наш погляд, порівняння амплітудно-кінетичних характеристик потенціалзалежних калієвих струмів у нормотензивних щурів та при розвитку гіпертензії разом із дослідженням участі відповідних каналів у регуляції мембранного потенціалу є найбільш адекватним підходом для дослідження цієї проблеми. При дослідженні Ca2+ струмів велику увагу було приділено компоненту струму через Ca2+ канали L-типу, який не інактивується, і може в той же час відігравати чи не головну роль в постійному вході іонів Ca2+ до міоцитів васкулярних гладеньких м'язів при певній величині мембранного потенціалу.

Дослідження проводились відповідно до планів наукової роботи відділу нервово-м'язової фізіології Інституту фізіології ім. О. О. Богомольця НАН України: "З'ясування молекулярних механізмів специфічних змін провідності клітинних мембран при виникненні основних нервових процесів" та "Механізми електро- та хемокерованої кальцієвої провідності мембрани та її роль у спряженні збудження-скорочення в гладеньких м'язах", "Механізми метаболічної регуляції іонних каналів та скорочення гладеньком'язових клітин".

Мета і завдання дослідження. Враховуючи вищевикладене, метою даної роботи було дослідити функціонування потенціалкерованих іонних каналів при розвитку генетичної гіпертензії. Для досягнення цієї мети було поставлено такі задачі:

1.

2.

3.

4.

Наукова новизна одержаних результатів. В міоцитах мезентеріальної артерії щура за допомогою методу "patch-clamp" було віднайдено, що 4-амінопіридин (4-АП), блокатор потенціалкерованих К+ каналів, викликає деполяризацію мембрани міоцитів мезентеріальних артерій нормотензивних щурів.

Показано, що в міоцитах резистивних мезентеріальних артерій генетично гіпертензивних щурів 4-АП-чутливий компонент К+ струму значно менший, ніж у нормотензивних при незначній різниці в сумарному калієвому струмі.

Показано, що стаціонарний компонент Ca2+ струму, що не інактивується, значно більший у міоцитів резистивних мезентеріальних артерій генетично гіпертензивних щурів, ніж у нормотензивних щурів.

Теоретична та практична цінність роботи. На основі отриманих даних можна припустити, що віднайдені зміни іонних струмів васкулярних міоцитів генетично гіпертензивних тварин можуть бути причиною підвищеного тонусу кровоносних судин, а отже і підвищенням артеріального тиску при розвитку гіпертензії. Нові дані, отримані в цьому напрямку, є важливими для формування більш повного уявлення про фізіологічні відмінності, які виникають при гіпертензії.

При розвитку гіпертензії відбувається підвищений вхід іонів кальцію через потенціалкеровані Ca2+ канали до міоцитів васкулярних гладеньких м'язів. Практична цінність роботи полягає в тому, що використання нових кальцієвих антагоністів може призводити до зменшення тонусу кровоносних судин. Оскільки у нашому випадку спостерігається зменшення 4-АП-чутливої компоненти потенціалкерованого калієвого струму, то використання специфічних активаторів калієвих каналів дозволять зменшувати тонус кровоносних судин та знижувати кров’яний тиск при гіпертензії. Пошук же нових активаторів потенціалзалежних К+ каналів може призвести до появи високоспецифічних вазодилаторів кровоносних судин.

Особистий внесок. Всі експерименти описані в дисертаційній роботі, розробка методики та виділення функціонально повноцінних міоцитів, аналіз та узагальнення експериментального матеріалу були виконані особисто автором.

Дослідження участі потенціалзалежних калієвих каналів у регуляції мембранного потенціалу проводились разом з к.б.н. Белевічем А.Е.

В розробці концепції роботи активну участь брали інші співавтори публікацій.

Апробація роботи. Основні положення роботи доповідались та обговорювались на ІІ з'їзді українського біофізичного товариства (Харків, 1998), на сесії українського біофізичного товариства (Одеса, травень, 2000), на семінарах відділу нервово м'язової фізіології та інститутському семінарі Iнституту фізіології ім О. О. Богомольця НАН України (1997, 1998, 1999).

Публікації. Матеріали роботи опубліковані в семи наукових статтях та трьох тезах доповідей

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, огляду літератури, опису методики досліджень, результатів досліджень, їх обговорення, висновків та списку використаних джерел із 184 найменувань. Робота викладена на 112 сторінках (без списку літератури), ілюстрована 24 рисунками та 4 таблицями.

МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ

Основна частина експериментів виконана на поодиноких ізольованих міоцитах гілочок другого та третього порядку мезентеріальної артерії нормотензивних та генетично гіпертензивних щурів. В експериментах використовувались дорослі (18-26 тижнів) тварини обох статей масою 200-350 г. Середній систолічний тиск становив у нормотензивних 1185 mm Hg, тоді як у гіпертензивних 1697 mm Hg. Міоцити отримували за допомогою методу ферментативно-механічної ізоляції. Для цього шматочки мезентеріальної артерії вирізали та відділяли від жирової та сполучної тканини в номінально безкальцієвому розчині Кребса при температурі 30 - 35 С. Після цього шматочки артерій клали до цього ж розчину, який містив колагеназу тип ХI (1 мг/мл), папаїн (0.25 мг/мл), бичачий сироватковий альбумін (1 мг/мл), дитіотреітол (0.1 мг/мл). В цьому розчині шматочки артерій інкубували протягом 20 - 30 хвилин при температурі +37 С. Функціонально повноцінні ізольовані міоцити резистивних артерій отримували після цього шляхом багаторазового пропускання шматочків артерій через пастерівську піпетку із свіжим номінально безкальцієвим розчином, який містив 0.1% бичачого сироваткового альбуміну. Частина експериментів була виконана на ізольованих гладеньком’язових клітинах із мезентеріальної артерії та сліпої кишки (taenia coli) морської свинки, а також сім’явидільних протоків щура, виділення міоцитів яких суттєво не відрізнялась від згаданої для мезентеріальних артерій.

Для дослідження іонних струмів через Са2+ канали ізольованих міоцитів застосовували модифікований "perforated patch-clamp" метод з використанням антибіотика амфоторіцина Б. Принцип методу полягав у створенні щільного (гігаомного) контакту між стінками кінчика піпетки та мембраною клітини з наступним перфоруванням ділянки мембрани під піпеткою амфоторіцином Б. Для дослідження К+ струмів застосовували классичну "whole cell" модифікацію методу "patch clamp". Принцип цього методу полягає в отриманні гігаомного контакту та наступного проривання ділянки мембрани під піпеткою короткими імпульсами негативного тиску. Мікропіпетки для вимірювання трансмембранних іонних струмів виготовлювали із м'якого молібденового скла за методикою описаною в роботі Hamil et al (1981). Вихідний зовнішній розчин для реєстрації калієвих струмів містив (мМ): NaCl 135, KCl 5.9, MgCl2 1.2, CaCl2 2.5, d-глюкоза 5, HEPES 10. Піпетковий розчин для реєстрації цих струмів мав такий склад: KCl 85, KH2PO4 30, MgSO4 5, EGTA 2, HEPES 10, MgATФ 5, Li3ГТФ 1. В якості носія струму через Ca2+ канали використовували іони Ва2+ (5мМ). Вихідний зовнішній розчин для реєстрації Ва2+ струму містив (мМ): CsCl 5.9, MgCl2 1.2, BaCl2 5, d-глюкоза 5, HEPES 10, 4-АП 5, ТЕА 10 мМ. Піпетковий розчин для реєстрації цих струмів був наступного складу: CsCl 140, MgSO4 2, EGTA 10, HEPES 10 мМ.

Фіксація потенціалу та реєстрація струмів здійснювилась за допомогою підсилювача PATCH-CLAMP L/M EPC 7 з опором зворотнього звязку перетворювача струм-напруга 500 МОм. Сигнал з виходу підсилювача потрапляв на аналого-цифровий перетворювач Digidata 1200A (Axon Instruments) та далі в комп'ютер ІВМ РС/АТ. Дані аналізувались за допомогою програм "pCLAMP 5.5" та “Origin 5.0”.

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Характеристика трансмембранного струму міоцитів мезентеріальних артерій. В міоцитах мезентеріальних артерій у відповідь на ступінчате деполяризуюче зміщення мембранного потенціалу від підтримуваного потенціалу -80 мВ до рівнів більш позитивних, ніж –40 мВ виникав вихідний струм, який повільно активувався та досягав максимуму в проміжку 200 мс при тестуючому потенціалі –10 мВ (рис.1.А.). Кінетика активації та амплітуда струму зростали разом зі збільшенням величини деполяризації. При потенціалах від –30 до +30 мВ інколи ставав помітним вхідний струм, амплітуда якого звичайно не перевищувала 100 пА. В деяких міоцитах на 2-6 мс початку деполяризуючого зміщення мембранного потенціалу з’являвся вихідний струм зі швидкою кінетикою активації та інактивації.

Дія ТЕА та 4-АП на вихідний струм. Додавання до зовнішнього розчину неселективного блокатора К+ каналів ТЕА в концентрації 10 мМ суттєво інгібувало, а подальше додавання неселективного блокатора К+ каналів 4-АП в концентрації 5 мМ майже повністю блокувало вихідний струм при підтримуваному потенціалі -80 мВ (рис 1.А). Струм, який залишався, лінійно залежав від мембранного потенціалу в області потенціалів від –40 мВ до +30 мВ і можливо представляє неспецифічний вихідний струм.

Рис.1. Дія ТЕА та 4-АП на вихідний струм міоцитів нормотензивних щурів. А - родини струмів викликані деполяризуючими зміщеннями мембранного потенціалу в контролі, в присутності 10 мМ ТЕА, та в присутності 10 мМ ТЕА і 5 мМ 4-АП; Б - відповідні ВАХ.

На рисунку 1.Б. представлені вольт-амперні характеристики (ВАХ) вихідного струму в контролі (51 клітина), в присутності 10 мМ ТЕА (12 клітин), в присутності 10 мМ ТЕА та 5 мМ 4-АП (6 клітин). Для побудови ВАХ використовували середнє значення струму за останні 100 мс 400 мілісекундного тестуючого імпульсу нормовані до значення ємності клітини (пФ), що дало змогу виключити вплив можливої різниці величини площі поверхні клітин на амплітуду струму.

Характеристика IK(Ca) струму міоцитів мезентеріальної артерії. Була досліджена дія харібдотоксину – селективного блокатора K(Ca) каналів великої провідності - на К+ струм (ІК) міоцитів мезентеріальних артерій нормотензивних щурів для кожного тестуючого потенціалу через кожні 10 мВ від –60 до +70 мВ при підтримуваному потенціалі –80 мВ (рис.2.А). На рисунку 2.Б. представлені відповідні ВАХ, побудовані як середні значення величин струму останніх 100 мс тестуючого імпульсу нормовані до 1. При тестуючому потенціалі +70 мВ 200 нМ харібдотоксину інгібувало вихідний струм у середньому на 635 %. Збільшення концентрації харібдотоксину до 500 нМ не змінювало амплітудно- кінетичні характеристики струму. Виходячи з цього, вважали що 200 нМ харібдотоксину максимально блокує IK(Ca). В наших дослідженнях, проведених на інших об’єктах (taenia coli морської свинки та vas deferens щура), також виявлено, що харібдотоксин значно пригнічує вихідний струм. У той же час апамін (500 нМ), селективний блокатор K(Ca) каналів малої провідності, на відміну від клітин taenia coli морської свинки не виявляв блокуючої дії на ІК міоцитів мезентеріальних артерій щурів. |

З метою більш детально охарактеризувати деякі фармакологічні властивості ІК досліджували також дію малих концентрації ТЕА на ІК. 1 мМ ТЕА блокував вихідний К+ струм міоцитів мезентеріальної артерії нормотензивних щурів приблизно на таку ж величину як 200 нМ харібдотоксину (рис.3). Більше того, сумісна дія харібдотоксину (200 нМ) та ТЕА (1 мМ) не збільшувала гальмуючий ефект на ІК при порівнянні

Рис.2. Дія харібдотоксину (200 нМ) на вихідний струм. А- оригінальні траси струмів; Б- відповідні ВАХ (5-клітин) в контролі () та в присутності харібдотоксину (). | дії кожного блокатора окремо. Слід відмітити, що і 1 мМ ТЕА і 200 нМ харібдотоксину значно пригнічували

осциляції ІК, які також генеруються активністю K(Ca) каналів великої провідності.

Криві стаціонарної інактивації ІК описані рівнянням Больцмана ((I/Imax=(1+exp(V-V0.5)/k)-1)) в контролі (14 клітин), в присутності 1 мМ (14 клітин) та 10 мМ ТЕА (8 клітин) суттєво відрізнялись потенціалом половинної інактивації (-33 мВ, -27 мВ та –36 мВ, відповідно), що може свідчити про наявність компонентів ІК

Рис. 3. Фармакологічні властивості К+ струму. А-оригінальні струми в контролі, при дії 1 мМ ТЕА та 1 мМ ТЕА в присутності 200 нМ харібдотоксину; Б- середні значення струмів упродовж останніх 100 мс деполяризуючого імпульсу до +60 мВ підтримуваному -80 мВ (а), в 1 мМ ТЕА (б), 1 мМ ТЕА та 200 нМ харібдотоксину (в), 200 нМ харібдотоксину (г). | чутливих до цих речовин.

4-АП, який є блокатором потенціалкерованих К+ каналів, в концентрації 5 мМ інгібував ІК міоцитів на 30% - 40%, не впливаючи на осциляції цього струму (рис.4) при деполяризуючому зміщенні

мембранного потенціалу до +60 мВ від підтримуваного –80 мВ. Отже в мембрані міоцитів мезентеріальної артерії є потенціалкеровані К+ канали, чутливі до 4-АП. Те, що 4-АП не усуває осциляції струму, може свідчити на користь того факту, що блокуюча дія 4-АП не розповсюджується на КСа канали, активність яких звичайно формує ці осциляції. |

ІК міоцитів мезентеріальних артерій генетично гіпертензивних щурів. Вихідний сумарний К+ струм міоцитів мезентеріальних артерій гіпертензивних щурів в контрольному розчині не відрізнявся помітно за амплітудою від такого ІК міоцитів нормотензивних тварин. На рисунку 5.А представлені оригінальні записи цього струму, що виникав у відповідь на ступінчасті зміщення потенціалу (підтримуваний

Рис.4. Дія 4-АП на вихідний струм. 1-струм в контролі; 2- в присутності 5 мМ 4-АП – | 80 мВ) та ВАХ (рис 5.Б.) середніх значень струму останніх 100 мс із 400 мс деполяризуючих зміщень потенціалу в контролі (10 клітин), в присутності 10

мМ ТЕА (8 клітин), в присутності 10 мМ ТЕА + 5 мМ 4-АП (6 клітин). Виявлено, що інгібуюча дія 5 мМ 4-АП була значно меншою у гіпертензивних тварин, що може свідчити про менший внесок 4-АП- чутливого компоненту струму в міоцитах генетично гіпертензивних щурів.

Рис.5. Дія ТЕА та 4-АП на вихідний струм міоцитів гіпертензивних щурів. А- вихідні струми, викликані деполяризуючими зміщеннями мембранного потенціалу (схема експерименту подана знизу) в контролі, в присутності 10 мМ ТЕА та в 10 мМ ТЕА + 5 мМ 4-АП, Б- відповідні ВАХ.

Сумарна діаграма на рисунку 6 зображує ефект зовнішнього ТЕА в концентрації 1 мМ, 10 мМ, та 10 мМ ТЕА та 5 мМ 4-АП на ІК міоцитів мезентеріальних артерій нормотензивних та генетично гіпертензивних щурів при підтримваному потенціалі –80 мВ та тестуючому до +40 мВ. По осі ординат подано |

значення відносної густини струму (пА/пФ), визначене із середніх величин струмів для останніх 100 мс із 400 мс імпульсу, чутливих відповідно до 1, 10 мМ ТЕА (в присутності 1 мМ ТЕА); та 5 мМ 4-АП в присутності 10 мМ ТЕА.. Величини струмів, чутливих до даних блокаторів, отримували шляхом вираховування величини кожного наступного струму з попереднього. Величина сумарних ІК в контролі, чутливих до 1 та до 10 мМ (в присутності 1мМ ТЕА) відрізнялась

Рис. 6. Сумарна діаграма дії ТЕА (1 і 10 мМ (в присутності 1 мМ)) та 5 мМ 4-АП на ІК міоцитів нормотензивних та генетично гіпертензивних щурів при підтримуваному потенціалі –80 мВ та тестуючому до +40 мВ. По осі ординат подано густину струму (пА/пФ). Цифри в колонках вказують на кількість клітин. | не значно, проте величина 4-АП-чутливого компоненту ІК більш ніж в два рази збільшена в міоцитах генетично гіпертензивних щурів.

Мебранний потенціал міоцитів мезентеріальних артерій нормотензивних щурів. Реєстрація потенціалу спокою ізольованих міоцитів мезентеріальної артерії проводилась за допомогою методики “patch clamp” в режимі “фіксація струму”. Всі тестовані міоцити нормотензивних щурів (н=106) мали потенціал спокою в області потенціалів від –70 до –10 мВ із середнім значенням –38 3 мВ (рис. 7.А). ТЕА в концентраціях 1 та 10 мМ, доданий до зовнішнього розчину не викликав зміни потенціалу спокою в клітинах з мембранним потенціалом –50 - -40 мВ, тобто в діапазоні, близькому до нормальних фізіологічних умов. ТЕА в концентрації 1 мМ значно пригнічував активність спонтанних гіперполяризацій в клітинах, які мали потенціал вище ніж –30 мВ (рис 7.Б, В).

4-АП (5 мМ), доданий до зовнішнього розчину викликав деполяризацію мембрани міоцитів при потенціалах спокою -50 … -35 мВ (рис 7.Г). Цей ефект добре відмивався і потенціал мембрани повертався до попереднього рівня. Середнє значення деполяризуючої дії 4-АР становило 121 мВ для 5 міоцитів мезентеріальної артерії.

Рис.7. Мембранний потенціал міоцитів мезентеріальних артерій нормотензивних щурів. А - розподіл значень мембранного потенціалу (для 106 клітин), Б- дія 1 мМ ТЕА на спайкоподібні гіперполяризації та відповідні амплітудні гістограми (В), Г- дія 4-АП (5 мМ) на мембранний потенціал.

Порівняльна характеристика Ca2+ струмів міоцитів мезентеріальних артерій нормотензивних та генетично гіпертензивних щурів. З метою збільшення вхідного струму через Ca2+ канали мембрани міоцитів мезентеріальних артерій замість іонів Ca2+, як носіїв цього струму, використовували іони Ва2+ (5мМ). Було показано, що в даних міоцитах вхідний Ва2+ струм (IBa) струм переноситься через Са2+ канали L- типу, які є високочутливі до дигідропіридинів.

Для того, щоб усунути можливу різницю в площі поверхні клітин величину IBa представляли як величину відносної густини струму – відношення амплітуди IBa до ємності мембрани клітини - пА/пФ. Ємність досліджуваних клітин не відрізнялась суттєво у нормотензивних та гіпертензивних тварин і становила відповідно 27.20.2 пФ (n=18) та 26.10.3 пФ (n=12). Це свідчило також про незначну різницю в розмірах міоцитів гілочок другого та третього порядку мезентеріальної артерії щурів.

Густина IBa була значно більшою у генетично гіпертензивних щурів і становила на максимумі ВАХ при підтримуваному потенціалі -80 мВ -3.80.5 пА/пФ, |

тоді як у нормотензивних -2.9 0.3 пА/пФ. На рисунку 8 зображені ВАХ (рис.8.А.) для середніх значень IBa та оригінальні записи IBa (рис. 8.Б.) міоцитів нормо- (18 клітин) та генетично гіпертензивних щурів (12 клітин). Екстраполяцією лінійної частини ВАХ був визначений потенціал реверсії IBa, який становив 54 мВ та 51 мВ для гіпертензивних та нормотензивних тварин відповідно. Поріг активації струму не відрізнявся для міоцитів нормо- і гіпертензивних тварин і становив близько –35 мВ.

Рис.8. 1- ВАХ IBa нормо- (--) та генетично гіпертензивних щурів (--), 2- оригінальні траси IBa нормо- (а) та генетично гіпертензивних щурів (б). | Вихід IBa із інактивації (при підтримуваних потенціалах –80 і –60 мВ та тестуючому до +10 мВ), не відрізнявся для обох груп тварин.

Була досліджена також стаціонарна активація (d) IBa для міоцитів нормо- та гіпертензивних тварин. Стаціонарну активацію виражали як провідність - GBa = IBa/(Ем-EBa), де IBa амплітуда струму для кожного командного потенціалу Ем; EBa -рівноважний |

потенціал для IBa. Криві стаціонарної активації, представлені як нормалізована провідність відносно мембранного потенціалу, зображені на рисунку 9.а для нормотензивних та гіпертензивних тварин. Ці криві задовільно описуються рівнянням Больцмана та суттєво не відрізняються для нормотензивних та гіпертензивних тварин. В області потенціалів більш додатніх, ніж +20 мВ криві мають відхилення від насиченості, що можна пояснити

Рис. 9. Стаціонарна активація (1) та інактивація (2) для нормо- (--) та гіпертензивних (--) тварин. 3-протокол дослідження страціонароної інактивації. (*- p<0.05, **- p<0.01). | виходом з клітини іонів Cs+ через Са2+-канали L-типу. Cтаціонарну інактивацію IBa (f) (рис. 9.б) визначали за протоколом,

зображеним на рис.9.в. Крива стаціонарної інактивації IBa для міоцитів генетично гіпертензивних щурів була зміщена в область більш додатніх потенціалів у порівнянні з кривою для міоцитів нормотензивних тварин. Криві стаціонарної інактивації IBa, описуються рівнянням Больцмана для клітин нормотензивних (12 клітин) та гіпертензивних (10 клітин) щурів з відповідними потенціалами половинної інактивації -24.20.4 мВ і –21.40.4 мВ та крутизною -8.30.2 мВ і –8.70.3 мВ. |

З графіку перетину кривих стаціонарної активації та інактивації було зроблено висновок про присутність стаціонарної компоненти IBa, що не інактивується (“window current”) в області потенціалів від –40 мВ до 20 мВ. З рисунку 10 видно, що “window current” міоцитів гіпертензивних тварин більший, ніж для нормотензивних, і на максимумі становить відповідно –0.14 пА/пФ та -0.09 пА/пФ.

Рис. 10. ВАХ “window current” IBa для нормо- (1) та гіпертензивних тварин (2).

ОБГОВОРЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ

Калієвий струм мембрани міоцитів мезентеріальних артерій нормотензивних та генетично гіпертензивних щурів. Основною метою дослідження К+ струму мембрани ізольованих міоцитів резистивних гілочок (діаметр 50- 400 мкм) мезентеріальної артерії нормотензивних та генетично гіпертензивних щурів, було виділити компоненти цього струму та порівняти їх фармако-біофізичні властивості у нормотензивних щурів та тварин з генетично обумовленою гіпертензією. Об’єктом наших експериментів були міоцити резистивних артерій, які як відомо, відіграють чи не визначну роль у регуляції артеріального тиску, на відміну від більшості попередніх досліджень, які були проведених на міоцитах кондуктивних судинах.

В наших дослідах ТЕА (1мМ) блокує К+ струм подібним чином до 200 нМ харібдотоксину, що дає можливість стверджувати, що 1 мМ ТЕА блокує переважно IK(Ca) канали великої провідності. Відмінності між нормотензивними та генетично гіпертензивними щурами у величині компоненту K+ струму, який був чутливий до 1 мМ ТЕА, була незначною. Тобто, в міоцитах мезентеріальних артерій гіпертензивних щурів амплітуда IK(Ca) струму була майже такою ж, як і у нормотензивних тварин.

На противагу нашим результатам, дані отримані на аорті та мозкових судинах (Liu et al 1997, 1998, Rusch 1996) вказують на значне підвищення активності IK(Ca) каналів великої провідності за рахунок збільшення їх експресії в мембрані міоцитів судин. Автори вважають (Rusch 1996), що збільшення кількості каналів в мембрані міоцитів паралельно із зростанням артеріального тиску під час розвитку гіпертензії є фундаментальним адаптивним механізмом, оскільки IK(Ca) канали можуть служити зворотнім механізмом, тобто збільшення числа каналів призведе до пригнічення підвищеної скорочувальної активності при гіпертензії.

Струм, що який залишався після блокування значної компоненти харібдотоксином, відповідав характеристикам струму потенціалзалежного струму затриманого випрямлення (КV): активація струму прискорювалась зі збільшенням деполяризації мембрани міоцитів, досягнувши певної величини, струм повільно інактивувався, демонстрував потенціалзалежність, та низьку чутливість до блокуючої дії 1 мМ ТЕА. Тільки подальше додавання 10 мМ ТЕА до зовнішнього розчину інгібувало цей струм. Отже, в генерації даного струму беруть участь потенціалкеровані K+ канали затриманого випрямлення.

Криві стаціонарної інактивації сумарного вихідного К+ струму в контролі, в присутності ТЕА в концентрації 1 та 10 мМ помітно відрізнялись між собою, що підтверджує участь в його генерації принаймні двох типів потенціалкерованих калієвих каналів.

В міоцитах мезентеріальної артерії нормотензивних щурів ТЕА (1 мМ) не впливав на величину мембранного потенціалу спокою клітин з потенціалами, що знаходились в межах від –55 до -35, проте ТЕА інгібував спонтанні спайкоподібні гіперполяризації що виникали в міоцитах, з потенціалом спокою вище –30 мВ. Спайкоподібні гіперполяризації міоцитів інтактних артерій можуть підсумовуватися в суцільну гіперполяризацію. Допускається, що спонтанні гіперполяризації генеруються активацією IK(Ca) каналів, які в свою чергу активуються іонами Са2+, що вивільняються із внутрішньоклітинних депо.

4-АП (5 мМ) викликав деполяризацію міоцитів нормотензивних тварин, що мали потенціал спокою –50 - -40 мВ. Це могло свідчити про те, що 4-АП-чутливі К+ канали буруть участь у формуванні потенціалу спокою міоцитів мезентеріальних артерій. Проте 4-АП не деполяризував препарати базилярної артерії морської свинки (Fujivara 1983).

Таким чином, в міоцитах мезентеріальних артерій щура можна виділити такі основні компоненти потенціалзалежного вихідного К+ струму: 1) струм кальційзалежних калієвих каналів високої провідності (IK(Ca)), чутливий до блокуючої дії харібдотоксину та малих концентрацій ТЕА (1 мМ); 2) КV струм затриманого випрямлення, чутливий до блокуючої дії високих концентрацій ТЕА (10 мМ); 3) КV струм, чутливий до 4-АП; 4) неспецифічний компонент вихідного струму не чутливий до високих концентрацій ТЕА (10 мМ) та 4-АП (5 мМ). В межах близьких до потенціалу спокою міоцитів 4-АП- чутливі К+ канали беруть участь у формуванні цього потенціалу, тоді як КСа канали впливають на величину мембранного потенціалу тільки помітно деполяризованих міоцитів.

КV канали відіграють важливу роль у регуляції сумарної калієвої провідності мембрани міоцитів артерій, які не здатні генерувати потенціали дії. Активація каналів цього типу у відповідь на прикладення тиску чи вазоконстрікцію може протидіяти деполяризації мембрани. Так у деяких артеріях дія 4-АП може викликати скорочення артерій чи деполяризацію (Cox 1996, Harder 1984). Активність КV каналів може модулюватись вазоконстікторами та вазодилаторами; так в роботі Ishikawa et al (1993) 4-АП-чутливий струм в коронарній артерії кролика інгібувався агоністом гістамінових Н1 рецепторів. Це свідчить на користь того факту, що інгібування 4-АП-чутливого струму може бути викликане збільшенням [Ca2+]I внаслідок вивільнення із внутрішньоклітинних депо після активації агоністом.

Згідно нашим даним, величина 4-АП-чутливого компоненту К+ струму міоцитів мезентеріальних артерій нормотензивних щурів значно більша, ніж у генетично гіпертензивних тварин. Це означає, що стабілізуюча дія 4-АП чутливих К+ каналів на мембранний потенціал спокою васкулярних міоцитів гіпертензивних щурів може бути послаблена; міоцити легко піддаються деполяризації, що призводить до активації потенціалкерованих Ca2+ каналів, через які до міоцитів входять іони Ca2+, що беруть участь в активації скорочення, а може і в розвитку вазоконстрікції.

Кальцієвий струм мембрани міоцитів мезентеріальних артерій нормотензивних та генетично гіпертензивних щурів. При розвитку генетичної гіпертензії спостерігається підвищений агоністактивований вхід Са2+ до васкулярних міоцитів (van Breеmen 1987), що може призвести до підвищення тонусу кровоносних судин, і в свою чергу до збільшення артеріального тиску. Крім того, в дослідах на смужках резистивних мезентеріальних артерій максимум сили скорочення, викликаного агоністом, був значно збільшений у генетично гіпертензивних тварин (Bendhack 1992). Оскільки основний вхід іонів Са2+ до васкулярних міоцитів відбувається через потенціалкеровані Са2+ канали L-типу, ми досліджували біофізичні властивості вхідного струму через потенціалкеровані Са2+ канали L-типу в 5 мМ Ва2+ (ІВа) міоцитів мезентеріальних артерій нормо- та генетично гіпертензивних щурів.

В наших експериментах до піпеткового розчину ми додавали амфоторіцин В для заміни іонів К+ протоплазми міоцитів відповідними іонами Сs+ піпеткового розчину. Амфоторіцин В утворює пори тільки для одновалентних катіонів та аніонів. Завдяки цьому зберігається природня концентрація Са2+ та уникається вимивання з клітини функціонально важливих ферментів, вторинних посередників та макромолекул.

Результати наших досліджень показали, що в мембрані міоцитів артерій гіпертензивних тварин відносна густина ІВа через потенціалкеровані Са2+ канали L-типу більша, ніж у нормотензивних тварин. Збільшення густини ІВа може відбуватися принаймні за двох основних причин: 1) за рахунок збільшення числа Са2+ каналів L-типу в плазматичній мембрані міоцитів генетично гіпертензивних щурів; 2) завдяки збільшенню частоти відкривання Са2+ каналів L-типу. Виявлене нами зміщення кривої стаціонарної інактивації ІВа міоцитів артерій гіпертензивних тварин свідчить на користь другої причини. Причиною збільшення активності Са2+ каналів можуть бути внутрішньоклітинні процеси в міоцитах гіпертензивних щурів. Заслуговує уваги на те, що в міоцитах гіперетензивних тварин частота відкритого стану поодиноких Са2+ каналів L-типу справді збільшується у порівнянні з нормотензивними тваринами (Ohya et al. 1998).

Отже надмірна активність Са2+ каналів L-типу васкулярних міоцитів гіпертензивних тварин призводить до збільшення входження зовнішньоклітинного кальцію до міоцитів, а отже і до зростання активації їх скорочення та вазоконстрікції.

Детальний аналіз отриманих кривих стаціонарної активації та стаціонарної інактивації ІВа дав змогу виявити область потенціалів на мембрані міоцитів, при яких ІВа взагалі не зазнає інактивації, тобто кальцієві канали залишаються відкритими, так званого “window current” в межах потенціалів від –30 мВ до +10 мВ. Зміщення кривої стаціонарної інактивації спостерігалось на протязі всього проміжку “window current” і при потенціалах -30, -20, -10 мВ відмінності були суттєвими (Р<0.05). Перемноження стаціонарної активації (d) на стаціонарну інактивацію (f) та на густину струму (IBa) для кожного потенціалу показало, що величина “window current” у васкулярних міоцитах гіпертензивних тварин була більшою і становила відповідно на максимумі –0.14 пА/пФ у порівнянні з -0.09 пА/пФ у нормотензивних тварин. Відповідно до роботи McDonald et al (1994) величина “window current” на максимумі становить 1-10% максимального струму. У нашому випадку максимальна величина “window current” становила близько 3% від максимальної густини ІВа для міоцитів нормотензивних тварин і близько 3.7% для міоцитів гіпертензивних тварин. Отже густина ІВа, що не інактивується, приблизно на 25% збільшена у васкулярних міоцитів генетично гіпертензивних щурів.

Потенціал спокою міоцитів багатоклітинних препаратів резистивних мезентеріальних артерій звичайно знаходиться в межах –40 - -50 мВ. При дії агоніста (норадреналіну) виникає деполяризація, амплітуда якої може сягати 25 мВ, та відбувається одночасне збільшення внутрішньоклітинної концентрації кальцію (Nilsson et al, 1998). Внаслідок використання 5 мМ Ва2+ в позаклітинному розчині поріг активації струму зміщувався в область додатних потенціалів (поріг активації для обох типів клітин становив близько –35 мВ); тоді як в присутності 2 мМ Са2+ для міоцитів малих резистивних мезентеріальних артерій поріг активації вхідного струму становив близько –50 мВ (Lozinskaya and Cox 1997). Співставлення наведених вище фактів з отриманими даними дає можливість стверджувати, що в фізіологічних межах мембранного потенціалу існує стаціонарний компонент кальцієвого струму, котрий не інактивується. Невелика величина “window current” може, проте, бути достатньою для помітного збільшення внутрішньоклітинної концентрації кальцію: на міоцитах трахеї коня показано, що кальцієвий струм величиною приблизно 0.5 пА є достатнім для збільшення внутрішньоклітинної концентрації кальцію на приблизно 100 нМ (Fleischmann et al. 1994). Збільшення густини стаціонарного компоненту вхідного кальцієвого струму в умовах природньої деполяризації може бути однією з причин підвищеної активації тонічної вазоконстрикції кровоносних судин при генетично зумовленій гіпертензії.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4. В міоцитах мезентеріальних артерій нормотензивних та генетично гіпертензивних щурів присутній Са2+ залежний компонент К+ струму чутливий до харібдотоксину (200 нМ) та низьких концентрацій тетраетиламонію (1 мМ).

5.

6.

7.

Список опублікованих робіт здобувача за матеріалами дисертації.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Хархун М.І. Характеристика потенціалкерованих іонних струмів мембрани міоцитів мезентеріальних артерій генетично гіпертензивних щурів. –Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня канадидата