Оксид азоту - молекулярно-біохімічна складова механізмів ноцицепції

Патологічний стан організму російською мовою називається «болезнь» - це квінтесенція, яка склалася емпірично і в якій біль ставиться на провідне місце в позначенні цього стану.    

На цей час найбільш популярним вважається визначення болю, подане Міжнародною асоціацією з вивчення болю (Merskey, Bogduk, 1994): «Біль - це неприємне відчуття та емоційне переживання, що виникає у зв’язку з дійсним або потенційним ушкодженням тканин або описується в термінах такого ушкодження».

За даними епідеміологічних досліджень, від того чи іншого болю страждають до 64 % представників людської популяції. Серед літніх поширеність болю досягає 78 % (Павленко, 1998). Біль супроводжує 70 % усіх відомих захворювань і патологічних станів.

В організмі людини комплекс структур периферичної й центральної нервової системи, що відповідають за сприйняття болю, носить назву «ноцицептивна система» (от лат. noсeo - шкодити). Вона відповідальна за визначення локалізації й характеру ушкодження тканини.

Ноцицепція - комплекс складних електрохімічних явищ, що зв’язують ушкодження з моментом сприйняття болю. Ноцицепція включає чотири фізіологічних процеси: трансдукцію, трансмісію, модуляцію, перцепцію.

Трансдукція - процес сприйняття, трансформації та кодування ноцицептивної інформації рецепторним апаратом нервової системи.

Специфічні рецептори болю представлені вільними безмієліновими закінченнями з високим сенсорним порогом. Специфічні рецептори хемоцептивні, вони збуджуються під впливом алогенних хімічних агентів, які вивільнюються при ушкодженні тканин. Розрізняють декілька типів таких речовин: 1) тканинні (серотонін, гістамін, ацетилхолін, простагландини, лейкотрієни, іони К+ та Н+); 2) плазменні (калідин, брадикінін); 3) нейрогенні (субстанція Р).

Неспецифічні ноцицептори, що реагують на зміну тиску та деформацію, і терморецептори (пластинки Меркеля, Гольджі - Маццоні, Фатера - Пачіні, тільця Руфіні, колби Краузе) мають надвисокий поріг подразнення.

Трансмісія є нічим іншим, як проведенням імпульсів по чутливих нервах.

Трансмісію забезпечують провідні шляхи, що включають три компоненти: 1) первинний чутливий аферентний нейрон (до спинного мозку); 2) висхідний проміжний нейрон (спинний мозок - стовбурна частина головного мозку й таламус); 3) таламокортикальні проекції.

Модуляція - процес модифікації ноцицептивної трансмісії під дією невральних впливів.

Перцепція є фінальним процесом, при якому транс­дукція, трансмісія і модуляція, взаємодіючи з індивідуальними фізіологічними особливостями особистості, створюють суб’єктивне емоційне відчуття, що сприймається нами як біль.

Існує безліч речовин, які могли б відігравати роль у ноцицепції й претендують на приналежність до первинних нейротрансмітерів (субстанція Р, гастринвивільнюючий пептид, динорфін, енкефалін, ангіотензин-2, бомбезин тощо), однак жодна з вищезгаданих речовин не задовольняє всі вимоги, висунуті до нейротрансмітерів первинних аферентних ноцицепторів.

На даний час увага науки прикута до вивчення ролі оксиду азоту в ноцицептивних процесах, адже відомо, що нестійкий вільнорадикальний месенджер NO легко дифундує від нервових термінальних закінчень у сусідні клітини і діє як антероградний і ретроградний месенджер

Біосинтез оксиду азоту та шляхи реалізації його молекулярно-біохімічного впливу

У хімічному відношенні NO є маленькою ліпофільною молекулою, що складається з одного атома азоту і одного атома кисню та має неспарений електрон, що перетворює її у дуже реактивний радикал, який вільно проникає через біологічні мембрани і легко вступає в реакції з іншими сполуками.

В організмі NO синтезується клітинами з амінокислоти L-аргініну. Цей процес є комплексною окисною реакцією, що каталізується ферментом NO-синтазою (NOS), яка приєднує молекулярний кисень до кінцевого атома азоту в гуанідиновій групі L-аргініну.

На даний час ідентифіковані три ізоформи NOS, які названі згідно з тим типом клітин, де вони були вперше виявлені: NOS-1 - нейрональна (nNOS), або мозкова (bNOS); NOS-2 - індуцибельна (iNOS), або макрофагальна (mNOS); NOS-3 - ендотеліальна (eNOS). Ізоформи NOS є продуктами різних генів. Ген першої з них розташований у 7-й, другої - в 12-й і третьої - в 17-й хромосомах. Хоча усі ізоформи NOS каталізують утворення NO, кожна з них має свої особливості як у механізмах дії і локалізації, так і в біологічному значенні для організму .

Конститутивна NOS (cNOS), яка включає дві ізоформи (NOS-1 і NOS-3), постійно знаходиться в цитоплазмі (тобто є інгредієнтною), залежить від концентрації кальцію і кальмодуліну, а також сприяє виділенню невеликої кількості NO на короткий період у відповідь на рецепторну і фізичну стимуляцію. Фермент істотно інактивується при низьких концентраціях вільного кальцію і максимально активний при його вмісті близько 1 мМ. NO, що утворюється під впливом cNOS, діє як переносник у ряді фізіологічних відповідей.

Зокрема, оксид азоту бере участь в реалізації багатьох важливих фізіологічних функцій, таких як вазодилатація, нейротрансмісія, зниження агрегації тромбоцитів, реакції імунної системи, регуляція тонусу гладких м’язів, стану пам’яті та ін.

Індуцибельна NOS (іNOS), яка представлена NOS-2, з’являється в клітинах тільки після індукції їх бактеріальними ендотоксинами та деякими медіаторами запалення. Зокрема, цей процес може провокуватися бактеріальними ліпополісахаридами, деякими ендотоксинами і цитокінами, такими як інтерлейкін-1, інтерлейкін-2, g-інтерферон, фактор некрозу пухлини та ін. У клітинах, що перебувають у спокої, iNOS зазвичай не визначається, але після індукції з’являється в макрофагах, нейтрофілах та ін. Функціональна активність її не залежить від надходження іонів Са2+ в клітину, тому вона називається кальцій-незалежною, а активація супроводжується підвищенням генної транскрипції.

Кількість NO, що утворюється під впливом iNOS, може варіювати і досягати великих значень (наномоль). Саме iNOS і NO, що утворюється під її впливом, відіграють головну роль у пригніченні активності бактеріальних і пухлинних клітин шляхом блокування деяких їх ферментів, у розвитку артеріальної гіпертензії, порушенні процесів перекисного окислення ліпідів, в розвитку й підтримуванні інших патологічних процесів, особливо в нирці.

Хоча NO може продукуватися майже всіма тканинами організму, за нормальних умов найбільше NOS міститься в нервовій тканині. Відростки нейронів, що містять NOS, так широко розгалужені, що практично всі нейрони ЦНС розташовуються в межах декількох мікрометрів від джерела NO. Встановлено, що найбільш багатим джерелом NO є нюхова луковиця і мозочок. NO контролює осциляторну активність нейронів і модулює міжнейрональні комунікації, синаптичну пластичність, стан рецепторів, внутрішньоклітинну передачу сигналу, вивільнення нейротрансмітерів.

Сигналізування за допомогою NO здійснюється як мінімум двома окремими шляхами. В першому випадку NO стимулює розчинну гуанілатциклазу, що призводить до збільшення циклічного гуанозинмонофосфату (cGMP), який, в свою чергу, модулює різноманітні підконтрольні йому біохімічні процеси. В другому випадку NO ковалентно і оборотно зв’язується з вільними тіоловими залишками цистеїну в межах протеїнів і таким чином безпосередньо змінює функцію цих протеїнів. Функціональне значення такого S-нітрозилювання ще не до кінця встановлено, натомість досить вивченим вважається NO-cGMP шлях, що, очевидно, свідчить про поширеність цього механізму NO-сигналізації.

Роль оксиду азоту в процесах трансдукції

Цілий ряд спостережень свідчить, що на периферії оксид азоту діє як проноцицептивний медіатор. Внутрішньошкірні ін’єкції прекурсорів NO викликають біль у людей. Оксид азоту викликає біль у разі внутрішньошкірного введення, ймовірно, через збудження шкірних ноцицепторів. Щоб дослідити схожість реактивності й чутливості інших ноцицептивних систем до NO, автори визначили відношення концентрації NO до інтенсивності болю для параваскулярних тканин і вен в людей.

NO-розчини (0,4–2,0 мM) вводились або параваскулярно, або через судинний ізольований сегмент вени руки. Суб’єкти оцінювали біль безперервно за допомогою електронного варіанта візуальної аналогової шкали, що створювало можливість визначення як часових характеристик (латентний період, тривалість), так і інтенсивності болю, викликаного NO.

Незалежно від місця застосування, у концентраціях понад 0,7 ммоль NO завжди викликав біль з подібними часовими характеристиками і концентраційною залежністю. Інтенсивність болю збільшувалась пропорційно до концентрації введеного NO, досягаючи суб’єктивного максимуму толерантності, у чотири-п’ять разів вищого від порогової концентрації.

Співвідношення інтенсивності болю та концентрації NO було відповідним, указуючи, що відповідні ноцицептивні системи однаково чутливі до NO.

Ці спостереження узгоджуються з гіпотезою, що NO - це хімічна ланка периферійної ноцицепції.

Те, що NO генерується поблизу ноцицепторів, підтверджується наступними дослідженнями: 1) імуно­реактивно схожа нейрональна синтаза оксиду азоту експресується в нейронах малого та середнього діаметра гангліїв задніх рогів у щурів та мавп; 2) NADPH-діафоразна активність та імунореактивно схожа нейрональна синтаза оксиду азоту  співлокалізовані в деяких нейронах гангліїв задніх рогів з імунореактивно схожою субстанцією P та імунореактивно схожим кальцитонін-гензв’язаним пептидом; 3) імунореактивно схожа нейрональна синтаза оксиду азоту експресується разом з імунореактивно схожим кальцитонін-гензв’язаним пептидом чи імунореактивно схожою субстанцією P у деяких нейронах гангліїв задніх корінців і дуже знижена в нейронах гангліїв задніх корінців новонароджених щурів, лікованих капсаїцином . Визнано, що NO відіграє роль в процесах індукції ноцицепції, тому що імунореактивно схожа нейрональна синтаза оксиду азоту в нейронах поперекових гангліїв задніх корінців зростає під впливом болю чи подразнення сечового міхура, больової стимуляції резінфератоксином  та індукції нейропатичних моделей болю, з використанням перерізання сідничого нерва  або перев’язки поперекового спинного коріння  або нервів. Локальне інгібування NOS блокує хронічний нейропатичний біль, індукований тривалим констриктивним ушкодженням , гіпералгезію, індуковану простагландином Е2 , і набряк лапи, викликаний брадикініном або ін’єкцією субстанції Р.

Стає очевидним те, що NO відіграє важливу роль в ноцицептивній сигналізації на рівні трансдукції.

Роль NO в процесах трансмісії та модуляції

Відмінний від багатьох традиційних нейротрансмітерів, які зберігаються в синаптичних пухирцях і випускаються екзоцитозом, нестійкий вільнорадикальний месенджер NO легко дифундує від нервових термінальних закінчень в сусідні клітини і діє як антероградний і ретроградний месенджер у ноцицептивних синапсах спинного мозку.

Значна кількість очевидних фактів, встановлених на основі попередніх досліджень, продемонструвала, що активація підтипу N-метил-D-аспартат (NMDA) рецепторів глутамінової кислоти і подальша продукція NO - це ключові події процесів нейротрансмісії і синаптичної пластичності у нервовій системі, включаючи сприйняття болю і центральну сенсибілізацію в спинному мозку [31, 32]. Фактично шкідлива стимуляція збільшує експресію NOS  і вміст cGMP в спинному мозку [36]. Відомо, що cGMP модифікує деякі внутрішньоклітинні процеси, включаючи активацію протеїнкіназ, іонні канали і фосфодіестерази. Первинна дія підвищеного рівня cGMP - це стимуляція cGMP-залежної протеїнкінази І (PKG I) в нервовій системі, як і в судинній системі. PKG I існує в двох ізоформах, що позначаються як а і b. Y. Qian та співавтори у 1996 р. встановили, що ізоформа PKG I (PKG Ia) експресується в субпопуляції нейронів малого та середнього розміру в спинномозковому корінцевому ганглії і поверхневій пластинці задніх рогів спинного мозку . Багато досліджень продемонстрували, що NO/cGMP-сигнальний шлях присутній в нейронах спинного мозку та сприяє розвитку гіпералгезії в моделях гострого і хронічного болю . Також доведено, що синтез NO-стимульованого cGMP попереджує модельовану смерть спінальних моторних нейронів. Хоча шлях NO-cGMP-PKG розглядався як такий, що відповідає за розвиток NO-індукованої гіпералгезії в спинному мозку, було показано, що PKG здатна запускати депресію синаптичної передачі в мозочку й мигдалеподібному тілі, а також тривалу активацію і тривалу депресію в гіпокампі . Таким чином, механізми, через які NO викликає свої гіперальгестичні ефекти, не цілком зрозумілі.

Оскільки параформальдегідстійка активність NADPH-діафорази (NADPH-d) ідентична nNOS в центральній нервовій системі, NADPH-d гістохімія довго використовувалась для оцінки активності nNOS на мікроскопічному рівні. Щоб пролити світло на біохімічні й молекулярні механізми NO/cGMP-сигнальних шляхів в спинному мозку, L. Xu, S. Matsumura, T. Mabuchi, K. Takagi, T. Abe, S. Ito (2006) використали унікальну систему ex vivo в комбінації NADPH-d гістохімії з ізольованими інтактними препаратами спинного мозку. Автори продемонстрували, що NO-синтезований nNOS, але не eNOS або iNOS, в спинному мозку був залучений переважно в процеси нейропатичного болю. Передбачалося, що NO діє як ретроградний месенджер, тобто поширюється назад до пресинаптичних терміналів первинних аферентних волокон, де і стимулює розчинну гуанілатциклазу, що призводить до продукції cGMP. Він може, у свою чергу, активізувати PKG, що призводить надалі до вивільнення глутамату й активації nNOS. Проте залишається невідомим, чи NO безпосередньо змінює активність nNOS позитивно або негативно як ретроградний месенджер в спинному мозку. Щоб отримати більше даних про роль NO як ретроградного месенджера в спинному мозку, автори використали перевагу своєї унікальної системи ex vivo і вивчали, чи служить NO, що генерується NO-донорами, як ретроградний месенджер в задніх рогах спинного мозку. Дане дослідження продемонструвало, що NO безпосередньо збільшує активність nNOS, що індукується збудженням NMDA-рецепторів.

NO відіграє істотне значення у виникненні й передачі болю у відповідь на запалення й ушкодження через свій вплив як на периферійних, так і центральних вузлах. Ензими NOS, експресовані в периферійному чутливому спинномозковому корінцевому ганглії і центральних нейронах спинного мозку, активуються протягом запалення і ушкодження. Важливість продукції NO у разі болю нейропатичного і запального характеру добре досліджена шляхом фармакологічних та генетичних наукових підходів.

Сенсибілізація центральних нейронів спинного мозку за допомогою NO сприяє гіперальгезії (збільшеній чутливості до больових стимулів), що була викликана запаленням і ушкодженням. Наприклад, інтратекальне введення L-аргініну (субстрату NO) індукує гіперальгезію, а інтратекальне введення блокаторів NOS або скевенджерів NO блокує NMDA-спричинену гіперальгезію і нейропатичний біль. Механізм дії NO на центральні нейрони спинного мозку для передачі болю в основному залежний від NO-cGMP-сигнального шляху.

Передбачається, що NО у високих концентраціях, як продукт суперстимуляції NMDA-рецепторів, збуджуючими амінокислотами може впливати на енкефалінергічні інтернейрони, які блокують вхід ноцицептивної інформації, - «контроль вхідних воріт». У зв’язку з цим інтенсивна патологічна стимуляція не контролюється нейронами заднього рогу, що веде до ще більшого ослаблення та дезінтеграції природної опіоїдергічної антиноцицептивної системи, розвитку опіатної толерантності.

Існуючі реципрокні взаємини в системі «морфін - оксид азоту» достатньо динамічні, і їх спрямованість залежить від відповідної просторової інформації. Антибольовий потенціал опіатів у перші години болю багато в чому визначається їх здатністю змінювати нітроксидпродукуючу функцію. Однак зміни, що виникають при хронічному застосуванні морфіну, в NMDA-нітроксидергічній системі визначають його наркогенний ефект і створюють передумови для формування толерантності й залежності.

Роль NO в процесах центральної обробки інформації та стрес-лімітуючих реакціях

Первинна ідентифікація больового стимулу (дискримінативна оцінка) здійснюється на рівні спинного мозку. Частина нейронів задніх рогів здатна кодувати просторові характеристики сигналу і через проекційні зв’язки транспортувати його у вищерозміщені структури. Тонший аналіз стимулу здійснюється в ядрах таламуса. Ноцицептивні потоки вентролатерального й заднього таламуса передаються далі в соматосенсорну кору.

Сенсорно-дискримінативний аналіз больового стимулу традиційно приписують діяльності вентробазальних таламічних центрів. Ретикулярна формація стовбура мозку (контролюючи кровообіг і дихання) і гіпоталамус (через активацію системи гомеостазу і викид гіпофізарних гормонів) формують вегетативний компонент, базальні ганглії і мозочок здійснюють рухове програмування, неспецифічна мобілізація активності мозку пов’язана з функціонуванням холінергічної висхідної ретикулярної формації. Через медіальні сегменти таламуса, деякі гіпоталамічні ядра і пов’язану з ними лімбічну систему реалізуються афективно-мотиваційні, а через кору великого мозку - когнітивні компоненти больового аналізу. Крім того, кожен відділ мозку, що прямо або опосередковано одержує больовий сигнал, крім висхідних систем, формує й низхідні проекції в спинний мозок, які сприяють зміні об’єму і якості сенсорного потоку, що приходить у цю структуру (антиноцицептивний і проноцицептивний компоненти). На всіх цих рівнях так чи інакше задіяні нітроксидергічні механізми, що потребують подальшого глибокого вивчення.  

Нині обгрунтовано уявлення про систему генерації NO як про відособлену стрес-лімітуючу систему . Вона активується у випадку дії на організм різних стрес-чинників і в процесі адаптації до повторної дії чинників середовища.  

Оксид азоту знижує викид і продукцію стрес-гормонів, здатний обмежувати стресові ушкодження організму. При введенні екзогенних донорів NO зростає, а при введенні інгібіторів його синтезу знижується стійкість організму до дії стрес-чинників, а також адаптивні можливості організму. Так, при вивченні впливу блокади стрес-лімітуючої системи оксиду азоту введення щурам інгібітору NO-синтази Nw-nitro-L-arginine (L-NNA) в дозі 20 мг/кг призводило до дефіциту утворення NO і зниження стійкості організму до стресових чинників. Як правило, збільшення продукції NO відбувається за умов дії короткочасних або помірних стресорів, а зниження його утворення виявлено в умовах тривалої дії стрес-чинників.  

Відомо, що оксид азоту стимулює секрецію ацетилхоліну і норадреналіну в підкіркових структурах мозку. У свою чергу, ацетилхолін і норадреналін підвищують активність NO-синтази в структурах мозку. Постулюється взаємозв’язок між концентрацією серотоніну і активністю NO-синтази в центральній нервовій системі. Показано, що введення в медіальну преоптичну ділянку гіпоталамуса щурів L-аргініну викликає системне збільшення концентрації серотоніну і дофаміну .  

Висновки  

Виходячи з наведених літературних даних, можна зробити такі висновки:  

1. Діючи разом з класичними нейротрансмітерами, оксид азоту визначає реакцію нервової системи на больове збудження і виступає одним з чинників генезу болю - від первинної рецепції стимулу на периферійному рівні до найвищого рівня центральної регуляції, що включає системи висхідного ноцицептивного потоку і низхідних протибольових механізмів.  

2. Подальше вивчення особливостей біосинтезу оксиду азоту та шляхів реалізації його молекулярно-біохімічного впливу є важливою складовою для поглиблення розуміння інформаційно-енергетичних взаємовідносин в організмі людини.

За матеріалами www.mif-ua.com