4702
правки
Спорт-вики — википедия научного бодибилдинга
Изменения
Новая страница: «{{Клинфарм1}} == Медиаторная передача в центральной нервной системе == Главная функция ЦНС …»
{{Клинфарм1}}
== Медиаторная передача в центральной нервной системе ==
Главная функция ЦНС — обработка внешних и внутренних потоков информации, направленная на удовлетворение потребностей организма. Только при ясном понимании интегративной функции мозга возможно эффективное лечение нервных и психических заболеваний. Клинический опыт, в свою очередь, способствует прояснению функций мозга: безуспешность лечения или неожиданные побочные эффекты лекарственных средств часто служат поводом для поиска ранее неизвестных молекулярных и клеточных механизмов. Одной из самых волнующих проблем современной нейрофармакологии остается связь между процессами, протекающими на уровне нейрона, с одной стороны, и поведением и патологическими нарушениями нервной деятельности — с другой. Общий подход к этой проблеме основан на следующем принципе: препараты, действующие на поведение и эффективные при нервных и психических заболеваниях, либо облегчают, либо затрудняют синаптическую передачу в ЦНС.
Исследования ЦНС включают разные уровни: молекулярный, клеточный, системный и поведенческий. В нейрофармакологии ведущими остаются исследования на молекулярном уровне. Эти исследования позволяют выяснить те ключевые механизмы синаптической передачи, на которые действуют лекарственные средства. Мишенями для этих средств могут быть:
1) ионные каналы, которые обеспечивают реакцию нейрона на медиатор — возбуждение или торможение, 2) рецепторы медиаторов, 3) внутримембранные и внутриклеточные молекулы, которые преобразуют и передают сигнал от рецептора к внутриклеточным эффекторным системам для быстрого кратковременного возбуждения или торможения нейрона либо для продолжительного изменения его состояния — за счет, например, изменения экспрессии генов (Neyroz et al., 1993; Gudermann et al., 1997), 4) белки-переносчики, которые обеспечивают обратный захват медиатора нервными окончаниями, а затем синаптическими пузырьками (Blakely et al., 1994; Amara and Sonders, 1998; Fairman and Amara, 1999); в этих двух процессах участвуют разные белки-переносчики, см. Liu and Edwards (1997).
Исследования на молекулярном уровне предоставляют новые методические возможности (в частности, фармакологический анализ) для изучения процессов на клеточном, системном и поведенческом уровнях и их генетических основ. К настоящему времени известны молекулярные механизмы большинства процессов, протекающих в нейроне. Как известно, электрическую активность нейрона определяет изменение проницаемости его многочисленных ионных каналов. Теперь стали известны многие молекулярные механизмы, от которых зависит избирательный ток главных катионов — Na*, К+, Са и аниона СГ. Ионные каналы подразделяются на потенциалзависимые (рис. 12.2) и хемочувствительные (рис. 12.3). Потенциалзависимые каналы обеспечивают быстрое изменение ионных токов, необходимое для возникновения и распространения нервного импульса, а также для выделения медиатора в ответ на возбуждение пресинаптического окончания (Catterall, 1988,1993). Молекулярно-генетическими методами выявлено сходство в строении главных катионных каналов (рис. 12.2, А). Главная субъединица быстрого натриевого и медленного кальциевого каналов состоит из четырех гомологичных трансмембранных доменов, каждый из которых включает шесть трансмембранных сегментов. Калиевые каналы более разнообразны, что подтверждено методом рентгеноструктурного анализа (Doyle et al., 1998). Главная субъединица ряда потенциалзависимых калиевых каналов состоит из единственного домена, который включает 6 трансмембранных сегментов (рис. 12.2, В). Калиевые каналы аномального выпрямления (Kir) также образованы единственным доменом, но он содержит только пятый и шестой трансмембранные сегменты — между ними находится внутримембранная петля, выходящая на внешнюю поверхность мембраны и формирующая наружное устье канала. Эти две структурные формы образуют различные гетероолигомеры, что создает дополнительные возможности для управления калиевыми каналами — в ответ на изменение мембранного потенциала, действие медиатора, а также через систему внутриклеточных белков или за счет посттрансляционных модификаций (Krapivinsky etal., 1995). Изучение различных структурных форм калиевых каналов (Jan etal., 1997; Doyle etal., 1998) позволяет выяснить, каким образом лекарственные средства, токсины или электростимуляция действуют на электрическую активность нейрона, придавая ему, например, спонтанную активность или вызывая его гибель вследствие постоянного пребывания калиевых каналов в открытом состоянии (Adams and Swanson, 1994).
Различные варианты калиевых каналов (калиевые каналы задержанного выпрямления, кальцийзависимые калиевые каналы и калиевые каналы гиперполяризующего тока), которые регулируются системой вторых посредников, обеспечивают в синапсах ЦНС сложные модулирующие эффекты (Nicoll et al., 1.99ц-Malenka and Nicoll, 1999).
Исследования на клеточном уровне позволяют выяснить, какие именно нейроны и какие их ближайшие синаптические контакты имеют отношение к поведенческим эффектам лекарственного препарата. Такие исследования устанавливают характер взаимодействия нейронов — возбуждение, торможение или более сложные формы синаптических эффектов (Aston-Jones etal., 1999; Brown etal., 1999).
Системный уровень объединяет данные о структуре и функции медиаторных систем, то есть устанавливает связь между нейронами, которые синтезируют и выделяют медиатор, и поведенческим эффектом, который этот медиатор вызывает. Связей «медиатор—поведение» найдено достаточно много, хотя ни в одном из этих случаев нельзя утверждать, что за данный вид поведения отвечают только те нейроны, которые вырабатывают соответствующий медиатор.
Рисунок 12.2. Строение потенциалзависимых ионных каналов. А. Альфа-субъединица быстрого натриевого и медленного кальциевого каналов состоит из четырех гомологичных доменов, каждый из которых включает шесть трансмембранных сегментов; между пятым и шестым трансмембранными фрагментами находится внутримембранная петля. Б. В состав медленного кальциевого канала входят также мелкие дополнительные субъединицы а2, Р, у и 6. Субъединицы а2 и 8 соединены дисульфидной связью (на рисунке не показана). В структуре натриевого канала тоже есть дополнительные регуляторные субъединицы. В. Главная субъединица потенциалзависимого калиевого канала задержанного выпрямления состоит из единственного трансмембранного домена — аналогичного соответствующим доменам натриевого и кальциевого каналов. Предполагаемая структура калиевых каналов аномального выпрямления К|г включает субъединицу, состоящую издомена.в котором представлены только 5-й и 6-й трансмембранные сегменты. Дополнительные р-субъединицы модулируют активность потенциалзависимых калиевых каналов (Kv). Эти два типа структур могут образовывать различные гетероолигомеры. Krapivinsky et al., 1995.
Рисунок 12.3. Строение рецепторов, сопряженных с ионными каналами. Такие рецепторы состоят из четырех или пяти субъединиц, окружающих пору ионного канала (справа). Каждая субъединица включает 4 трансмембранных домена. Предполагают, что такую структуру имеют N-холинорецепторы, 5-НТ3-рецепторы, ГАМКд-рецепторы и глициновые рецепторы. Глутаматные рецепторы имеют несколько другое строение.
Исследования на поведенческом уровне позволяют понять интегративные процессы — то есть отнести ту или иную группу нейронов к специализированным нейронным контурам, нейронным ансамблям или распределенным системам, ответственным за реализацию поведения в целом — от элементарных рефлексов до сложных форм произвольной активности. Моделирование психических заболеваний на животных имеет в своей основе следующий принцип: состояние животного и состояние человека можно считать аналогичными, если им соответствуют аналогичные изменения физиологических показателей: ритма сердца, дыхания, двигательных реакций и т. д. (Kandel, 1998).
== Определение центральных медиаторов ==
Для понимания функций центральных медиаторов важно определить, какие вещества к ним относятся. Критерии, которым должны соответствовать медиаторы ЦНС, в принципе, те же, что и для [[медиатор]]ов вегетативной нервной системы.
*Медиатор должен присутствовать в пресинаптическом нейроне и его окончании. Более строгая формулировка этого условия требует доказательств того, что пресинаптический нейрон синтезирует медиатор, а не накапливает его из внеклеточного пространства. Соответствие данному критерию проверяют методами иммуноцитохимии, флюоресцентной гибридизации in situ, при помощи биохимического анализа ткани мозга или субклеточных фракций.
В опытах на животных эти методы позволяют проверить, исчез ли предполагаемый медиатор из синаптической области после хирургического или химического разрушения пресинаптических нейронов. Соответствие критерию подтверждает присутствие в постсинаптических нейронах мРНК, кодирующей рецепторы данного медиатора.
*Медиатор должен выделяться при возбуждении пресинаптического нейрона. Соответствие данному критерию проверяют в экспериментах in vivo: при электрической стимуляции пресинаптического волокна предполагаемый медиатор должен появиться в области синапса. Раньше для этого применяли периодическое определение состава омывающего синапс перфузата в течение длительного времени, однако сегодня появились методы микродиализа и микроэлектродной полярографии, позволяющие с высокой точностью уловить присутствие аминов и аминокислот в ограниченном объеме и за короткое время. Появление медиатора в ответ на ионофоретическую или электрическую стимуляцию можно проследить in vitro — на срезах мозга или субклеточных фракциях пресинаптических окончаний. Механизм выделения всех медиаторов, в том числе и предполагаемого выделения медиаторов из дендритов (Morris et al., 1998), запускается изменением мембранного потенциала и требует поступления в пресинаптическое окончание ионов кальция. Ионы натрия не играют в этом процессе какой-либо роли, поскольку ни внеклеточная концентрация натрия, ни тетродотоксин (блокатор быстрых натриевых каналов) на выделение медиаторов не влияют.
*Аппликация медиатора на клетки-мишени должна вызывать тот же эффект, что и стимуляция пресинаптического волокна. Предполагаемый медиатор и стимуляция пресинаптического волокна должны действовать на клетку-мишень одинаково: либо тормозить, либо возбуждать ее. Для более строгого доказательства требуется показать, что как стимуляция пресинаптического нейрона, так и аппликация предполагаемого медиатора вызывают в постсинаптическом нейроне одинаковые ионные токи. Соответствие данному критерию можно проверить и фармакологически: эффект стимуляции пресинаптического нейрона и эффект аппликации предполагаемого медиатора должны устраняться одинаковой дозой одного и того же блокатора. При этом данный блокатор не должен подавлять ответ клетки-мишени на стимуляцию других пресинаптических волокон и на аппликацию других предполагаемых медиаторов. Наконец, эффект предполагаемого медиатора должен совпадать с эффектом его синтетического агониста.
Многочисленные исследования, особенно посвященные пептидам, показывают, что центральные синапсы могут содержать не один, а несколько медиаторов (Hokfelt et al., 2000). Строгих доказательств пока нет, тем не менее предполагают, что совместно локализованные медиаторы вместе высвобождаются и вместе действуют на постсинаптическую мембрану (Derrick and Martinez, 1994; Jin and Chavkin, 1999). Если же сигналы передает не один медиатор, то единственный агонист не может точно воспроизвести эффект активации синапса, а единственный блокатор не может полностью этот эффект устранить.
== Открытие центральных медиаторов ==
Первыми кандидатами на роль центральных медиаторов стали ацетилхолин и норадреналин — как хорошо известные медиаторы вегетативной и соматической нервной системы. В 1960-х гг. возникло предположение, что медиаторами ЦНС могут быть серотонин, адреналин и дофамин. Гистохимические, биохимические и фармакологические исследования в целом подтвердили их медиаторную роль, хотя и не обнаружили полного соответствия всем критериям, определяющим медиатор. В начале 1970-х гг. медиаторами были признаны ГАМК, глицин и глутамат — благодаря появлению избирательных, высокоактивных блокаторов. Проходившие тогда же исследования гормонов гипоталамо-гипофизарной системы сопровождались совершенствованием методов выделения, очищения, определения аминокислотной последовательности и синтеза все новых и новых нейропептидов (Hokfelt et al., 2000). Иммуногистохимические исследования показали, что пептиды могут действовать как медиаторы ЦНС. Адаптация биологических проб, которые ранее применялись в исследованиях гормонов гипофиза, к другим моделям (например, сокращению гладких мышц), а затем внедрение иммунохимических методов привели к открытию эндогенных пептидов, действующих на опиатные рецепторы (гл. 23). Затем был предпринят поиск эндогенных соединений, способных связываться с бензодиазепиновыми рецепторами (Costa and Guidotti, 1991). Сравнительно недавно были выявлены эндогенные лиганды каннабиноидных рецепторов — амиды жирных кислот (Piomelli etal., 1998).
=== Изучение рецепторов ===
До недавнего времени о свойствах центральных рецепторов судили по связыванию меченых лигандов, а также по электрическим или биохимическим процессам, вызванным их активацией in vivo и in vitro. Изучение связывания меченых лигандов позволяет оценить количество рецепторов в том или ином отделе ЦНС, проследить их появление в филогенезе и онтогенезе, а также выяснить, как различные физиологические и фармакологические вмешательства действуют на количество рецепторов и их сродство к лигандам (Dumont et al., 1998; Redrobeetal., 1999).
Электрофизиологическими методами оценивают реакцию нейрона на медиатор. Например, регистрируют изменение электрической активности нейрона в ответ на ионофоретическую аппликацию медиатора. Метод локальной фиксации (patch-clamp) позволяет проследить реакцию на медиатор отдельных ионных каналов. Электрофизиологические методы дают возможность не только описать, но и измерить эффекты предполагаемого медиатора(Jardemarketal., 1998). Биохимическими методами изучают рецепторы, активация которых вызывает ферментативную реакцию, например синтез второго посредника.
Современные методы молекулярной биологии позволили выделить мРНК, кодирующие рецепторы почти всех известных медиаторов. Введение такой мРНК в чужеродные клетки (ооциты лягушки или клетки млекопитающих) вызывает в них экспрессию рецепторов, свойства которых оценивают по эффектам лигандов или синтезу вторых посредников. Молекулярно-генетическими методами установлены два основных типа рецепторов, различных по структуре и функции. Рецепторы, сопряженные с ионными каналами (ионотропные рецепторы, рецепторы-каналы, хемочувствительные каналы) образованы несколькими субъединицами. Каждая субъединица включает 4 трансмембранных гидрофобных домена из 20—25 аминокислот (рис. 12.3). Кроме того, у таких рецепторов имеются участки для обратимого фосфорилирования, а также участки, реагирующие на изменение мембранного потенциала. К подобным рецепторам относятся N-холинорецепторы (гл. 2 и 7), рецепторы аминокислот И ГАМК, глицина, глутамата и аспарта-та, а также 5-НТ3-рецепторы (гл. 11).
Второй главный тип рецепторов — рецепторы, сопряженные с G-белками (гл. 2). Они состоят из единственной субъединицы с семью трансмембранными доменами, соединенными тремя внеклеточными и тремя внутриклеточными петлями разной длины (рис. 12.4). Стимуляция таких рецепторов приводит к активации G-белков (гетеротримерных ГТФ-связывающих белков), что, в свою очередь, вызывает активацию либо ингибирование внутриклеточных эффекторных ферментов (например, аденилатциклазы или фосфолипазы С) или изменение функционирования ионных каналов (например, медленных кальциевых каналов или хемочувствительных калиевых каналов). Кроме того, сами эти рецепторы могут фосфорилироваться в нескольких участках. Механизмы всех этих процессов были подробно изучены с помощью молекулярно-генетических методов. К подобным рецепторам относятся М-холинорецепторы, ГАМКв-рецепторы, некоторые глутаматные рецепторы, а также некоторые рецепторы аминов и нейропептидов. Трансфекция клеток с целью экспрессии в них мРНК, кодирующей неизвестные типы рецепторов, привела к открытию новых нейропептидов (Reinscheid et al., 1995). В ЦНС существуют также рецепторы еще одного типа — рецепторы с собственной ферментативной активностью, например гуанилатциклазной (гл. 2).
Рисунок 12.4. Строение рецепторов, сопряженных с G-белками. Такие рецепторы состоят из единственной субъединицы с семью трансмембранными доменами. Участок связывания низкомолекулярных медиаторов погружен в мембрану; вторая и третья внутриклеточные петли взаимодействуют с G-белком (гл. 2).
В центральных синапсах присутствуют также белки-пере-носчики, обеспечивающие обратный захват медиатора — из синаптической щели в аксоплазму пресинаптического окончания, и из аксоплазмы в синаптические пузырьки (рис. 12.5). Предполагают, что они включают 12 трансмембранных доменов — так же как и белки — переносчики глюкозы и аденилатциклаза млекопитающих (Tang and Gilman, 1992).
Реакция постсинаптического нейрона на медиатор определяется его возбудимостью и количеством рецепторов медиатора. Продолжительный избыток медиатора (или его аналога) ведет к снижению количества рецепторов, а следовательно, и чувствительности к медиатору (десенситизации). Напротив, при дефиците медиатора количество рецепторов возрастает, и чувствительность к медиатору повышается. Эти адаптивные изменения особенно важно учитывать при лечении хронических заболеваний ЦНС: действие препарата при однократном и длительном приеме может сильно отличаться. Сходные изменения действуют и на пресинаптическом уровне, затрагивая синтез, хранение, высвобождение и обратный захват медиатора.
== Медиаторы, нейрогормоны и нейромодуляторы ==
=== Медиаторы ===
Из приведенных выше критериев следует, что медиатор - это вещество, которое нейрон синтезирует, выделяет и использует для передачи сигнала постсинаптической клетке-мишени. Действие медиатора может быть направлено как непосредственно на электрическую активность клетки-мишени, так и на протекающие в ней биохимические процессы, от которых зависит ее ответ на другие синаптические входы. К тому же эффект медиатора может зависеть от состояния клетки-мишени, то есть не столько вызывать возбуждение или торможение, сколько усиливать эти процессы (Bourne and Nicoll, 1993). Таким образом, эффект любого медиатора необходимо рассматривать в контексте нейронной системы, включающей данный синапс. Если один нейрон действует на несколько клеток-мишеней, действие это может быть как разным, так и одинаковым — все зависит от свойств постсинаптических рецепторов и способа, которым сигнал передается от рецептора к эффекторным механизмам клетки.
Известны два классических электрофизиологических эффекта медиаторов: 1) возбуждение: открывание ионных каналов приводит ко входу катионов и к деполяризации, мембранное сопротивление при этом снижается,
2) торможение: открывание ионных каналов приводит к таким ионным токам, в результате которых развивается гиперполяризация, мембранное сопротивление также снижается. Но есть и другие, «неклассические» варианты действия медиаторов. Как деполяризация, так и гиперполяризация могут быть обусловлены, напротив, закрыванием ионных каналов; мембранное сопротивление в этом случае повышается (Shepherd, 1998). Некоторые медиаторы (моноамины и некоторые пептиды) сами по себе мало влияют или вообще не влияют на ионные токи и мембранный потенциал, но при этом могут усиливать или подавлять реакцию клетки-мишени на классический — возбуждающий или тормозный — медиатор. Такой эффект назван модулирующим; предполагается, что существуют разные его варианты (Nicoll etal., 1990; Foote and Aston-Jones, 1995). Каковы бы ни были механизмы модулирующего действия, оно существенно отличается от вышеописанных быстрых и точных возбуждающих и тормозных влияний — к которым, как считали раньше, сводятся все варианты синаптической передачи. Возникло даже сомнение в том, что вещества, оказывающие модулирующее влияние, можно причислять к медиаторам. Кратко остановимся на некоторых из таких веществ и механизмах их действия.
=== Нейрогормоны ===
Некоторые клетки гипоталамуса были названы нейросекреторными — поскольку они одновременно представляют собой и нейроны (получают синаптические входы от нейронов ЦНС), и эндокринные клетки (высвобождают вещества непосредственно в кровь). Вещества, выделяемые такими клетками, стали называть нейрогормонами. Примером могут быть окситоцин и АДГ, которые вырабатываются в нейронах гипоталамуса, хранятся в окончаниях их аксонов в нейрогипофизе и отсюда секретируются в кровь. Вместе с тем стало известно, что эти нейроны гипоталамуса образуют синапсы на других нейронах (Hokfelt et al., 1995, 2000), а роль медиатора в таких синапсах, как показали цитохимические исследования, выполняют окситоцин и АДГ. Таким образом, эти и другие вырабатываемые гипоталамусом вещества можно называть «нейрогормонами» лишь постольку, поскольку они способны выделяться в кровь (например, в нейрогипофизе), однако этот термин ни в коей мере не отражает всех их функций.
=== Нейромодуляторы ===
Флори (Florey, 1967) назвал нейромодуляторами соединения, которые действуют на нейроны иначе, чем типичные медиаторы. Модуляторы выделяются вне синапса, но тем не менее влияют на возбудимость нервных клеток. Флори предполагал, что роль нейромодуляторов могут выполнять С02 и аммиак, которые высвобождаются из активных нейронов и глии. В настоящее время считают, что нейромодуляторным действием обладают стероидные гормоны, нейростероиды (Baulieu,1998), аденозин и другие пурины, простагландины и другие производные арахидоновой кислоты, а также NO (Gaily et al., 1990). Вторые посредники. В некоторых случаях реакция постсинаптического нейрона на медиатор обусловлена образованием вторых посредников, наиболее известными из которых служат цАМФ, цГМФ и продукты фосфоинозитидной системы (гл. 6, 7,10,11). Вместе с тем для нейронов головного мозга бывает методически трудно доказать, что изменение концентрации этих веществ непосредственно предшествует постсинаптическому потенциалу, а также необходимо и достаточно для его возникновения. Возможно, вторые посредники только способствуют возникновению постсинаптического потенциала — активируя реакцию фосфорилирования белков и тем самым запуская сложный каскад молекулярных событий. В результате меняются свойства мембраны и белков цитоплазмы, от которых зависит возбудимость нейрона (Greengard et al., 1999). Именно на эти механизмы могут действовать препараты, усиливающие или ослабляющие эффекты медиаторов (см. ниже).
=== Нейротрофические факторы ===
Нейроны, астроциты и микроглия, а также временно появляющиеся в ткани мозга (например, при воспалении) клетки иммунной системы синтезируют вещества, которые поддерживают рост, выживание и восстановление нейронов. Такую функцию выполняют различные вещества пептидной природы, подразделяемые на 7 видов (Black, 1999; McKay et al., 1999): 1) классические нейротрофины, например фактор роста нервов, мозговой нейротрофический фактор, 2) нейропоэтины (нейропоэтические цитокины), которые оказывают действие как на нейроны, так и на миелоидные клетки, например лейкоз-ингибирующий фактор, цилиарный нейротрофический фактор, некоторые интерлейкины, 3) пептидные факторы роста, включающие эпидермальный фактор роста, трансформирующие факторы роста а и β, глиальный нейротрофический фактор, активин А, 4) фактор роста фибробластов, 5) инсулиноподобные факторы роста, 6) тромбоцитарные факторы роста, 7) факторы, направляющие рост аксонов, — некоторые из них способны привлекать клетки иммунной системы (Song and Poo, 1999; Spriggs, 1999). Препараты, активирующие синтез и выделение нейротрофинов либо имитирующие их действие, могли бы стать эффективным средством для стимуляции восстановительных процессов.
Рисунок 12.5. Предполагаемое строение белков-переносчиков. Белки — переносчики аминов и аминокислот как пресинаптической мембраны, так и синаптических пузырьков включают 12 трансмембранных доменов (точная ориентация N-концевых остатков не известна). В остальном структура этих двух видов белков-переносчиков несколько отличается.
== Центральные медиаторы ==
Многие препараты, действующие на ЦНС, вмешиваются в медиаторную передачу. Таким образом, для понимания эффектов этих препаратов необходимо знать механизмы действия центральных медиаторов. Согласно гипотезе химической специфичности, или принципу Дейла (Dale, 1935), один нейрон синтезирует один медиатор, который и выделяет во всех своих пресинаптических окончаниях. Однако все больше и больше данных свидетельствует о том, что нейрон может содержать несколько медиаторов (Hokfelt et al., 1995, 2000). Таким образом, принцип Дейла видоизменяется следующим образом: нейрон синтезирует и выделяет один и тот же набор медиаторов во всех своих пресинаптических окончаниях. Но и такое прочтение вряд ли можно считать окончательным. Не ясно, например, вырезается ли из пептида-предшественника только один, одинаковый пептид, предназначенный для всех окончаний нейрона. В табл. 12.1 обобщены свойства наиболее изученных медиаторов ЦНС. Далее медиаторы будут рассмотрены по химическим группам: аминокислоты, амины и пептиды. К другим соединениям, которые участвуют в синаптической передаче, относятся пурины, например аденозин и АТФ (Edwards and Robertson, 1999; Moreau and Huber, 1999; Baraldi et al., 2000), а также NO (Cork et al., 1998) и производные арахидоновой кислоты (Mechoulam et al., 1996; Piomelli et al., 1998).
=== Аминокислоты ===
Для ЦНС характерна высокая концентрация некоторых аминокислот — особенно глутамата и ГАМК. Эти простые соединения есть почти во всех структурах мозга, они оказывают немедленное, мощное и кратковременное действие на любой нейрон. Для истинных же медиаторов характерна избирательность — как в распределении, так и в действии. Поэтому медиаторную роль аминокислот признали не сразу. Моноаминодикарбоновые аминокислоты дают сильный возбуждающий эффект, моноаминомонокарбоновые (ГАМК, глицин, β-аланин, таурин) оказывают столь же сильное, но тормозное действие (Kelly and Beart, 1975). Появление избирательных блокаторов открыло возможность для выявления рецепторов аминокислот и обнаружения их подтипов. Последующее картирование рецепторов мечеными лигандами окончательно подтвердило, что ГАМК, глицин и глутамат — центральные медиаторы.
=== ГАМК ===
Присутствие ГАМК в ткани мозга было обнаружено в 1950 г. — но ее тормозное действие распознали не сразу. При изучении рецепторов растяжения ракообразных были обнаружены следующие факты: 1) ГАМК оказывает тормозное действие на мышцы, 2) она содержится исключительно в тормозных нервах, 3) экстракт этих нервов оказывает такое же тормозное действие, 4) иной тормозной аминокислоты обнаружено не было, 5) выделение ГАМК коррелирует с частотой стимуляции тормозных нервов, 6) аппликация ГАМК и стимуляция тормозных нервов вызывали одинаковый эффект: повышение хлорной проводимости в мышечном волокне. Эти факты позволили с полным правом причислить ГАМК к медиаторам (подробнее об истории вопроса см. в обзоре Bloom, 1996).
Вскоре было выяснено, что в ЦНС млекопитающих ГАМК оказывает сходные физиологические и фармакологические эффекты. Оказалось, что ГАМК опосредует действие тормозных нейронов локальных контуров головного мозга, а также пресинаптическое торможение в спинном мозге. Тормозные ГАМКергические синапсы есть во многих структурах мозга: их образуют клетки Пуркинье коры мозжечка на нейронах ядра Дейтерса; вставочные нейроны на клетках Пуркинье, обонятельной луковицы, клиновидного ядра продолговатого мозга, гиппокампа, латерального ядра прозрачной перегородки; нейроны вестибулярных ядер на мотонейронах ядра блокового нерва. ГАМК обеспечивает торможение в коре больших полушарий, а также тормозное действие стриатума на черную субстанцию. Таким образом, ГАМК — это главный тормозный медиатор в ЦНС млекопитающих. Локализация ГАМКергических нейронов и распределение их нервных окончаний установлены методами, позволяющими обнаружить глутаматдекарбоксилазу — фермент синтеза ГАМК из глутаминовой кислоты. Иммуноцитохимические методы выявляют сам фермент, флюоресцентная гибридизация in situ — кодирующую его мРНК. Многие ГАМКергические нейроны содержат также один или несколько нейропептидов. Для исследований ГАМКергической передачи используют блокаторы рецепторов ГАМК — бикукуллин и пикротоксин. Избирательными антагонистами ГАМК оказались также многие вещества, провоцирующие судорожную активность, например пенициллин и пентетразол (Macdonald et al., 1992; Macdonald and Olsen, 1994). Пока не ясно, обладают ли терапевтическим действием агонисты ГАМК — стимуляторы рецепторов ГАМК (мусцимол), ингибиторы ее обратного захвата (2,4-диа-миномасляная кислота, нипекотиновая кислота, гувацин) или вещества, влияющие на ее обмен (например, аминооксиуксусная кислота).
Рецепторы ГАМК подразделяют на два типа. Наиболее распространенные ГАМКд-рецепторы относятся к ионотропным: они представляют собой хемочувствительные хлорные каналы, открывающиеся при воздействии ГАМК. ГАМКв-рецепторы-метаботропные: их действие (в том числе на ионные каналы) опосредовано G-белками и каскадом биохимических реакций.
Молекулярное строение рецепторов ГАМКД, которые играют роль почти в любых нейронных контурах, изучено достаточно подробно. Эти рецепторы являются точкой приложения многих действующих на ЦНС препаратов (гл. 17) — особенно важны среди них бензодиазепины и барбитураты. Не исключено, что на ГАМКд-рецепторы действуют также стероидные анестетики, ингаляционные анестетики и этанол (Macdonald, Twyman et al., 1992).
Методами молекулярного клонирования обнаружено более 15 субъединиц рецепторов ГАМКа. Выявлены также варианты этих субъединиц, образующиеся в результате альтернативного сплайсинга мРНК. ГАМКд-рецепторы имеют типичную для всех ионотропных рецепторов структуру: как и классические N-холинорецепторы, они состоят из 5 или 4 белковых субъединиц, окружающих пору ионного канала.
Предположение о разнообразии рецепторов ГАМКд возникло в результате фармакологических исследований. Позже стало известно, что рецепторы с разными фармакологическими свойствами образованы разными комбинациями субъединиц (Barnard etal., 1988; Olsen etal., 1990; Seeburgetal., 1990). Однако истинное разнообразие рецепторов ГАМКд еще предстоит выяснить. Изоформы рецепторов ГАМКд локализованы в разных структурах мозга, экспрессия их генов различна в разные периоды онтогенеза — поэтому функции их, скорее всего, тоже различаются.
Большинство рецепторов ГАМКд состоят не менее чем из трех типов субъединиц — а, (3 и у. Их стехиометрическое соотношение не известно (De Bias, 1996). Для того чтобы образовался рецептор ГАМ КА, реагирующий с бензодиазепинами так же, как и естественный рецептор, в его структуре должны быть именно эти субъединицы — замена их изоформами даст рецептор с иными фармакологическими свойствами (гл. 17).
=== Глицин ===
Многие свойства рецепторов ГАМКд присущи глициновым рецепторам. Глицин — это тормозный медиатор, распространенный в структурах ствола мозга и спинного мозга. Методами молекулярного клонирования обнаружено множество субъединиц, различные комбинации которых образуют разные подтипы глициновых рецепторов (Grenningloh et al., 1987; Malosioet al., 1991). Как и в случае с рецепторами ГАМКа, глициновые рецепторы с разными фармакологическими свойствами различаются и по локализации в ЦНС, и по экспрессии их генов в разные периоды онтогенеза — и точно так же не ясно, чем отличаются их функции.
=== Глутамат и аспартат ===
В головном мозге глутамат и аспартат присутствуют в очень высокой концентрации, оказывая сильнейшее возбуждающее действие на нейроны почти всех отделов ЦНС. Столь широкая распространенность мешала признать их медиаторную роль, однако в настоящее время уже нет сомнений, что глутамат и, возможно, аспартат — классические, «быстрые» возбуждающие медиаторы ЦНС (Seeburg, 1993; Cotman et al., 1995; Herrling, 1997). Фармакологические исследования последнего десятилетия выявили различные типы рецепторов возбуждающих аминокислот (Herrling, 1997).
Как и рецепторы ГАМК, глутаматные рецепторы подразделяются на ионотропные (рецепторы-каналы) и метаботропные (рецепторы, сопряженные с G-белками). Точное количество субъединиц, образующих ионотропные глутаматные рецепторы, и их взаимное расположение пока не известны (Borges and Dingledine, 1998; Dingledineet al., 1999).
Типы ионотропных глутаматных рецепторов выделяют по их чувствительности к аналогам глутамата: а-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислоте (АМРА-рецепторы), каиновой кислоте (каинатные рецепторы) и N-метил-О-аспартату (NMDA-рецепторы) (Borges and Dingledine, 1998; Dingledine et al., 1999). Получены многие избирательные блокаторы глутаматных рецепторов (Herrling, 1997). В случае NMDA-рецепторов помимо конкурентных блокаторов, действующих на участок связывания глутамата, есть также неконкурентные блокаторы, действующие на другие участки. Это блокатор открытых каналов фенциклидин; 5,7-дихлоркинуреновая кислота, действующая на участок связывания глицина NMDA-рецептора; блокатор закрытых каналов ифенпродил. Кроме того, чувствительность NMDA-рецепторов зависит от pH и некоторых эндогенных модуляторов — к ним относятся ионы цинка, некоторые нейростероиды, арахидоновая кислота, окислители и восстановители, полиамины, например спермин (Dingledine et al., 1999).
В последние годы клонированы кДНК метаботропных глутаматных рецепторов и различных субъединиц, образующих NMDA-, АМРА- и каинатные рецепторы (Borges and Dingledine, 1998; Dingledine et al., 1999). Разнообразие глутаматных рецепторов является также результатом альтернативного сплайсинга и так называемого посттранскрипционного редактирования мРНК, при котором в ней происходят замены оснований. Механизм альтернативного сплайсинга объясняет наличие изоформ метаботропных глутаматных рецепторов и субъединиц NMDA, АМРА и каинатных рецепторов (Hollmann and Heinemann, 1994). Интересный вариант внутренней «генной инженерии» действует при синтезе некоторых субъединиц АМРА- и каинатных рецепторов: измененная РНК отличается от исходной единственным кодоном, который определяет проницаемость канала для ионов кальция (Traynelis et al., 1995). Иначе говоря, замещается только одна почти из 900 аминокислот, но именно от этого зависит, будет ли связанный с рецептором канал пропускать кальций.
Глутаматные рецепторы, по-видимому, представляют собой совершенно особое семейство рецепторов, поскольку кодирующие их гены имеют очень небольшое сходство с генами других рецепторов — как ионотропных (например, N-холинорецепторов), так и метаботропных.
В большинстве глутаматергических синапсов головного и спинного мозга активация АМРА- и каинатных рецепторов вызывает быструю деполяризацию постсинаптической мембраны (ВПСП). NMDA-рецепторы также участвуют в синаптической передаче, но активация их в большей мере связана с различными явлениями синаптической пластичности, а не с быстрой точной передачей информации. Во многих глутаматергических синапсах NМDA-рецепторы локализованы совместно с AM РА-икаинатными рецепторами. Хорошо известный феномен, в котором участвуют NMDA-рецепторы, — долговременная потенциация (длительное, от нескольких часов до нескольких суток, облегчение синаптической передачи, то есть усиление реакции постсинаптического нейрона на воздействие медиатора). Активация NMDA-рецепторов — обязательное условие одного из типов долговременной потенциации, развивающейся в нейронах гиппокампа. Для активации NMDA-рецепторов необходимо не только воздействие глутамата. но и одновременная деполяризация постсинаптической мембраны, поскольку при потенциале покоя NMDA-рецепторы блокированы ионами магния. Это условие выполняется за счет активации АМРА- и каинатных рецепторов соседних синапсов. Таким образом, NMDA-рецепторы могут выполнять функцию детектора совпадения, реагируя только в том случае, когда к постсинаптическому нейрону одновременно поступают импульсы от двух или нескольких пресинаптических нейронов. NMDA-рецепторы участвуют также в долговременной депрессии — явлении, обратном долговременной потенциации. Разовьется ли долговременная депрессия или долговременная потенциация, по-видимому, зависит от частоты и рисунка нервной импульсации, поступающей по глутаматергическим окончаниям (Malenka and Nicoll, 1999).
Нейротоксичность глутамата. Уже более 30 лет известно, что избыток глутамата вызывает гибель нейронов (Olney, 1969). Однако только в последнее время стали проясняться механизмы нейротоксичности глутамата и его аналогов. Вначале считали, что каскад событий, ведущий к гибели нейронов, запускается чрезмерной активацией NMDA- или АМРА- и каинатных рецепторов, которая вызывает мощный приток кальция в нейрон. Нейротоксичность глутамата рассматривали как причину поражения мозга при ишемии или гипогликемии; в таких случаях избыточный выброс глутамата сочетается с нарушением его обратного захвата — все это ведет к сильнейшей стимуляции глутаматных рецепторов и гибели нейронов. Блокаторы NMDA-рецепторов могут замедлять или даже останавливать гибель отдельных нейронов (Herrling, 1997), хотя даже самые мощные из них не способны полностью предотвратить поражение мозга. Недавние исследования (Choi and Koh, 1998; Lee et al., 1999; Zipfel et al.,1999) показали, что фактором, ведущим к некрозу и апоптозу нейронов, может быть местное снижение концентраций натрия и калия, а также небольшое, но значимое повышение внеклеточной концентрации цинка (Merry and Korsmeyer, 1997). NMDA-рецепторы играют также роль в развитии судорожной готовности (Blumcke et al., 1995). При синдроме Расмуссена (детском заболевании, для которого характерны неизлечимые эпилептические припадки и деменция) обнаруживают антитела к субъединицам глутаматных рецепторов (Rogers et al., 1994).
Глутаматные рецепторы есть почти во всех структурах мозга, и поэтому они могут быть одной из точек приложения лекарственных средств, действующих на ЦНС. Например, нарушение глутаматергической передачи может играть роль в этиологии дегенеративных заболеваний мозга, а также шизофрении (Farber et al., 1998; Olney et al., 1999).
=== Ацетилхолин ===
Вначале было установлено, что [[ацетилхолин]] является медиатором в нервно-мышечных синапсах и в синапсах вегетативной нервной системы, а затем возникло предположение, что ацетилхолин может быть и центральным медиатором. В пользу такого предположения свидетельствовало неравномерное распределение в мозге ацетилхолина. Кроме того, холинергические препараты, введенные в ЦНС, оказывали заметное действие на поведение. В конце 1950-х гг. Экклс и сотр. показали, что возвратное возбуждение клеток Реншоу устраняется N-холиноблокаторами. К тому же клетки Реншоу оказались чувствительными к ацетилхолину. Все это соответствовало принципу Дейла: во всех отростках мотонейрона оказался один и тот же медиатор, который вызывал одинаковый постсинаптический эффект (Ес-cles, 1964). Позже возбуждающий эффект ацетилхолина был продемонстрирован на нейронах многих других струк- . тур ЦНС (Shepherd, 1998). Однако синапсы на клетках ' Реншоу остались классическим образцом центральных холинергических синапсов. Поиск веществ, избирательно действующих на центральные N-холинорецепторы, продолжается (Decker et al., 1997; Bannon et al., 1998).
Методами ионофоретической аппликации и связывания меченых лигандов было показано, что в большинстве структур ЦНС эффект ацетилхолина опосредован активацией одновременно N- и М-холинорецепторов. В головном мозге обнаружены несколько холинергических систем. Различными методами (среди них иммуноцитохимические, позволяющие обнаружить фермент синтеза ацетилхолина — холинацетилтрансферазу; изучение связывания лигандов: флюоресцентная гибридизация in situ, позволяющая выявить нейроны, экспрессирующие субъединицы N- и М-холинорецепторов) в головном мозге найдены восемь главных скоплений холинергических нейронов (Mesu-lam, 1995). Четыре из них расположены в базальных отделах переднего мозга (среди них ядра прозрачной перегородки и базальное ядро Мейнерта); от них идут холинергические волокна к новой коре, гиппокампу и обонятельной луковице. В новой коре холинергические нейроны обнаружены у грызунов, но не у приматов. Два скопления холинергических нейронов локализованы в верхнем отделе моста — они посылают волокна к таламусу и стриатуму. Холинергические нейроны продолговатого мозга иннервируют структуры ствола мозга, в частности среднего мозга. К нейронам, посылающим холинергические волокна к новой коре и гиппокампу, путем ретроградного аксонального транспорта от клеток-мишеней поступают факторы роста; поэтому при дегенерации нейронов коры наступает и атрофия холинергических нейронов (Sofroniew et al., 1993). Именно это и происходит при болезни Альцгеймера (гл. 22); отсюда попытки применять при ней средства, улучшающие холинергическую передачу. Катехоламины. В головном мозге существуют нейронные системы, медиаторами которых служат три разных катехоламина: дофамин, норадреналин и адреналин. Эти системы обособлены, но функции их сходны. Картирование катехоламинергических структур вначале было выполнено на грызунах (Hokfelt et al., 1976, 1977), а затем на приматах (Foote, 1997; Lewis, 1997).
=== Дофамин ===
Вначале [[дофамин]] рассматривали лишь как предшественник [[норадреналин]]а, но потом оказалось, что распределение в ЦНС дофамина и норадреналина отличается. На долю дофамина приходится более половины от общего содержания катехоламинов в ЦНС. Больше всего дофамина в базальных ядрах (особенно в хвостатом ядре), в прилежащем ядре, обонятельном бугорке, центральном ядре миндалевидного тела, срединном возвышении и некоторых зонах лобной области коры. Достаточно хорошо изучены анатомические связи дофаминергических нейронов.
В зависимости от протяженности дофаминергические проекции подразделяют на: 1) короткие — их образуют амакринные клетки сетчатки и некоторые клетки обонятельной луковицы, 2) средние — к ним относятся волокна дофаминергических нейронов вентральной гипотапамической области, которые иннервируют срединное возвышение и промежуточную долю гипофиза, а также проекции нейронов задней и дорсальной гипоталамической области, которые направляются к латеральным ядрам перегородки, дорсальному ядру блуждающего нерва, ядру одиночного тракта и околоводопроводному серому веществу, 3) длинные — проекции основных дофаминергических структур мозга: черной субстанции и группы дофаминергических нейронов, расположенной в вентральной области покрышки среднего мозга; эти структуры иннервируют стриатум и различные образования лимбической системы, за исключением гиппокампа (Hokfelt et al., 1976, 1977). Действие дофамина на пост-синаптический нейрон зависит от типа представленных на нем рецепторов, а также от действия других медиаторов.
На основе фармакологических исследований были выделены два типа дофаминовых рецепторов — D) (активирующие аденилатциклазу) и D2 (ингибирующие аденилатциклазу). Позже методами клонирования удалось выявить как минимум 5 генов, кодирующих разные типы дофаминовых рецепторов. Тем не менее условное разделение на Di-подобные и D2-подобные рецепторы сохранилось. К первым относят D1 и D5-рецепторы. К D2-подобным рецепторам относят обе изоформы D2-peцептора, отличающиеся длиной третьей внутриклеточной петли — D2S (от англ. short — короткий) и D2L (от англ. long — длинный), а также D3- и 04-рецепторы (Grandy and Civelli, 1992; Gingrich and Caron, 1993; Civelli, 1994). D1- и 05-рецепторы активируют аденилатциклазу. D2-рецепторы ингибируют аденилатциклазу, увеличивают калиевый и уменьшают кальциевый ток. Эффекторные системы, с которыми сопряжены D3- и D4-peцепторы, точно не установлены (Sokoloff and Schwartz, 1995; Schwartz et al., 1998). D2-рецепторы играют важную роль в патогенезе шизофрении и болезни Паркинсона (гл. 20 и 22). Норадреналин. Норадреналин есть почти во всех структурах мозга, но больше всего его в гипоталамусе и структурах лимбической системы — центральном ядре миндалевидного тела и зубчатой извилине. Большинство адренергических нейронов сосредоточено в голубоватом месте и ретикулярной формации латерального отдела покрышки ствола мозга. Многократно ветвящиеся аксоны этих нейронов иннервируют обширные области коры, подкорковые структуры, образования продолговатого и спинного мозга (Hokfelt et al., 1976, 1977; Foote and Aston-Jones, 1995; Foote, 1997).
Медиаторная роль норадреналина доказана, но эффект его достаточно трудно определить однозначно. Фармакологические свойства адренергических синапсов могут быть достаточно сложными; в одном и том же синапсе могут активироваться как а-, так и p-адренорецепторы. Действие норадреналина на электрическую активность нейрона отличается от действия классических медиаторов — оно зависит от исходного состояния нейрона и носит пермиссивный характер. Так, стимуляция нейронов голубоватого места подавляет спонтанную активность нейронов мозжечка — при этом наблюдается медленная гиперполяризация и снижение проводимости постсинаптической мембраны. Но если активность нейронов мозжечка вызвана возбуждающими входами и частота импульсов выше, то стимуляция голубоватого места влияет на нее в гораздо меньшей степени, усиливая при этом ВПСП. Эффекты стимуляции нейронов голубоватого места воспроизводятся ионофоретической аппликацией норадреналина и устраняются p-адреноблокаторами. Механизм действия норадреналина на клетки-мишени пока не ясен, однако установлено, что он опосредован цАМФ. Нейроны голубоватого места получают афферентные волокна от холинергических нейронов продолговатого мозга, опиоидергиче-ских нейронов, серотонинергических нейронов ядер шва ствола мозга, а также нейронов гипоталамуса, вырабатывающих кор-тиколиберин. Последние обеспечивают участие адренергической системы голубоватого места в механизмах стресса (Aston-Jones et al., 1999).
Так же, как в периферической нервной системе, в ЦНС имеются три типа адренорецепторов — a1, а2 и β, которые, в свою очередь, подразделяются на подтипы, различные по фармакологическим свойствам и распределению в структурах мозга (гл. 10). Все три подтипа β-адренорецепторов активируют аденилатциклазу. Бета1-адренорецепторы расположены преимущественно на нейронах, β2-адренорецепторы — на клетках глии и сосудах.
Действие норадреналина на а1-адренорецепторы нейронов новой коры и таламуса вызывает деполяризацию, обусловленную уменьшением проницаемости калиевых каналов; этот эффект блокируется а1адреноблокатором празозином (Wang and McCormick, 1993). Как было продемонстрировано на срезах новой коры, а1-адренорецепторы взаимодействуют также с ВИП -при этом повышается синтез цАМФ (Magistretti et al., 1995). Крометого, стимуляция а-адренорецепторов приводит к активации фосфолипазы С и образованию ДАГ и ИФ3 (гл. 2). На адренергических нейронах имеется большое количество а2-адренорецепторов. Их активация приводит к гиперполяризации, обусловленной повышением проводимости каналов аномального выпрямления Kir (рис. 12.2). На эти каналы влияют и другие медиаторы (Foote and Aston-Jones, 1995). В нейронах коры, иннервируемых адренергическими волокнами, а2-адренорецеп-торы участвуют в восстановительных процессах, например при возрастных функциональных нарушениях (Amsten, 1993). Как и D2-рецепторы, а2-адренорецепторы ингибируют аденилатциклазу, но их эффекты в ЦНС в основном обусловлены открыванием хемочувствительных калиевых каналов и снижением вероятности открывания медленных кальциевых каналов; в передаче сигнала участвуют чувствительные к коклюшному токсину G-белки. По фармакологическим свойствам а2-адренорецепторы подразделяют на три подтипа: а2А, а2В и а2С. Все они, по-видимому, сопряжены с одинаковыми системами внутриклеточной передачи сигнала (Bylund, 1992). Возможно, функции различных подтипов а2-адренорецепторов прояснят исследования на трансгенных мышах с выключением соответствующих генов (MacDonald et al., 1997).
=== Адреналин ===
Появление чувствительных методов обнаружения фенилэтаноламин-N-метилтрасферазы, в том числе иммуноцитохимических (Hokfelt et al., 1976), позволило найти в ЦНС нейроны, содержащие [[адреналин]]. Они обнаружены в ретикулярной формации продолговатого мозга, проекции их ограничиваются несколькими ядрами моста, промежуточного мозга, а самые длинные волокна достигают паравентрикулярных ядер таламуса. Функции этих нейронов пока не известны.
=== Серотонин ===
В сыворотке и кишечнике было обнаружено биологически активное вещество, названное соответственно [[серотонин]]ом и энтерамином. Вскоре было показано, что серотонин и энтерамин идентичны и представляют собой 5-гидрокситриптамин (5-НТ). Позже это соединение обнаружили в мозге (гл. 11). С тех пор изучение локализации и функций серотонина в ЦНС стало важнейшей темой нейрофармакологии. Цитохимические исследования, проведенные на разных видах животных, позволили выяснить организацию серотонинергических структур мозга. Серотонинергические нейроны сосредоточены в девяти ядрах шва ствола мозга (Steinbusch and Mulder, 1984).
Ядра шва, расположенные в верхнем отделе ствола мозга, иннервируют структуры переднего мозга, расположенные в нижнем его отделе, — структуры ствола и спинного мозга, с некоторым перекрытием. От медиальных ядер шва идут важнейшие афферентные волокна к лимбической системе, от дорсальных — к новой коре и стриатуму. В ЦНС млекопитающих нейроны, иннервируемые серотонинергическими волокнами (например, в супрахиазмальном ядре гипоталамуса, латеральном коленчатом теле, миндалевидном теле, гиппокампе), имеют похожие по форме, сильно ветвящиеся дендриты.
Молекулярно-генетическими методами у млекопитающих выявлены 14 подтипов серотониновых рецепторов, которые имеют различные фармакологические свойства, действуют через разные системы внутриклеточной передачи сигнала, по-раз-ному распределены в ЦНС и опосредуют разные поведенческие эффекты серотонина. На основании структурных различий выделяют несколько типов серотониновых рецепторов. 5-НТ1 и 5-НТ2-рецепторы — это рецепторы, включающие семь трансмембранных доменов и сопряженные с G-белками; каждый из этих типов рецепторов включает несколько подтипов. 5-НТ3-рецептор представляет собой рецептор-канал, сходный по строению с а-субъединицей N-холинорецептора. Известно, что 5-НТ4-, 5-НТ5-, 5-НТ6- и 5-НТ7-рецепторы сопряжены с G-белками, но в остальном они пока изучены плохо (Hoyer and Martin, 1996). Функции их, как и всех других рецепторов, выделенных молекулярно-генетическими методами, изучаются в исследованиях на трансгенных животных (Murphy et al., 1999). Подробнее о подтипах серотониновых рецепторов см. гл. 11.
К 5-НТ1 -рецепторам относятся как минимум пять подтипов: 5-НТ1а, 5-НТ1В, 5-HT1d, 5-HT1e, 5-HT1F. Все они кодируются генами, не содержащими интроны. Активация этих рецепторов приводит к ингибированию аденилатциклазы; некоторые из них регулируют также проницаемость калиевых и кальциевых каналов. 5-НТ1А-рецепторы, в большом количестве представленные на серотонинергических нейронах дорсальных ядер шва, участвуют, по-видимому, в терморегуляции. Кроме того, эти рецепторы обнаружены в структурах, играющих роль в эмоциях и тревожности, например в гиппокампе и миндалевидном теле. Активация 5-НТ1А-рецепторов приводит к открыванию калиевых каналов аномального выпрямления Kir, что ведет к гиперполяризации и торможению нейрона. Стимуляторы 5-НТ1A-рецепторов — буспирон и ипсапирон — используют для лечения тревожных расстройств, в том числе панического (Aghajanian, 1995). Стимулятор 5-НТ1D-рецепторов суматриптан эффективен для купирования приступа мигрени.
К5-НТ2-рецепторам относятся 3 подтипа: 5-НТ2А, 5-НТ2в и 5-НТ2С. Гены этих рецепторов, в отличие от генов 5-НТ1рецепторов, содержат интроны. Стимуляция 5-НТ2-рецепторов приводит к активации фосфолипазы С. Исследования методами связывания лигандов и флюоресцентной гибридизации in situ показали, что 5-НТ2А-рецепторы широко представлены в новой коре, а также в обонятельном бугорке и нескольких ядрах ствола. Активация 5-НТ2л-рецепторов приводит к повышению возбудимости мотонейронов лицевого нерва посредством двух механизмов: 1) медленного закрывания калиевых каналов, сопровождающегося ростом мембранного сопротивления, 2) открывания активируемых гиперполяризацией каналов 1), — этот эффект более выражен, чем первый, и устраняется блокатором 5-НТ2А-рецепторов ритансерином (Aghajanian, 1995). В пири-формной коре Агаджанян и сотр. наблюдали торможение пирамидных нейронов, опосредованное ГАМКергическими вставочными нейронами и блокируемое ритансерином. В коре стимуляторы 5-НТ2A-рецепторов (но не сам серотонин) также вызывают торможение. Некоторые другие эффекты могут объясняться присутствием на одном и том же нейроне нескольких подтипов серотониновых рецепторов. 5-НТ2C-рецепторы сходны по структуре и фармакологическим свойствам с 5-НТ2A-рецепторами. В головном мозге 5-НТ2С-рецепторы сосредоточены в сосудистых сплетениях, где они участвуют в выработке СМЖ (гл. 11).
5-НТ3-рецепторы, обнаруженные вначале в периферическом отделе вегетативной нервной системы, представлены и в головном мозге: плотность их особенно высока в самом заднем поле ромбовидной ямки (area postrema) и ядре одиночного пути. Активация этих рецепторов вызывает сильную деполяризацию, но при длительном действии серотонина быстро развивается десенситизация. При активации 5-НТ3-рецепторов усиливаются натриевый и калиевый токи, но не кальциевый ток. Стимуляция центральных 5-НТ3-рецепторов вызывает рвоту и повышает болевой порог. Блокаторы 5-НТ3-рецепторов, например он-дансетрон, эффективны при тошноте, вызванной химиотерапией (гл. 38).
Галлюциноген ЛСД — одно из самых интересных биологически активных соединений. ЛСД вмешивается в серотонинергические процессы, действуя прежде всего на 5-НТ2-рецепторы. Ионофоретическая аппликация как ЛСД, так и серотонина тормозит серотонинергические нейроны ядер шва. При этом ЛСД, как и другие галлюциногены, оказывает еще более сильное возбуждающее действие на мотонейроны лицевого нерва, к которым подходят серотонинергические волокна от ядер шва. Галлюциногенный эффект ЛСД объясняют его тормозным действием на ядра шва — блокируется система, оказывающая постоянное тормозное действие на зрительный и другие сенсорные каналы. Однако есть факты, противоречащие такому объяснению: 1) характерное действие ЛСД на поведение животных сохраняется как после разрушения ядер шва, так и на фоне подавления синтеза серотонина парахлорфенилаланином, 2) галлюциногенный эффект ЛСД усиливается 5-гидрокситриптофа-ном — предшественником серотонина. Таким образом, механизмы галлюциногенного эффекта ЛСД пока остаются неясными. Возможно, функции серотонинергической системы мозга прояснят эксперименты, в которых будут использованы более избирательные средства (Aghajanian and Marek, 1999).
=== Гистамин ===
Достаточно давно известно, что как сам гистамин, так и препараты с антигистаминной активностью заметно меняют поведение животных. Однако лишь в последнее время появились основания отнести гистамин к центральным медиаторам. Биохимическими методами было доказано, что нейроны способны синтезировать гистамин; цитохимические методы позволили выяснить локализацию таких нейронов — все это свидетельствовало о существовании центральной гистаминергической системы. Нейроны, вырабатывающие гистамин, сосредоточены в задней гипоталамической области, а их аксоны расходятся почти во все отделы мозга (такой принцип организации типичен для аминергических систем). Предполагают, что гистаминергическая система мозга участвует в регуляции общей активности мозга, терморегуляции и регуляции тонуса сосудов.
Выделены три типа гистаминовых рецепторов. Наиболее распространенные Н1 -рецепторы локализованы как на клетках глии и сосудов, так и на нейронах. Полагают, что их активация приводит к увеличению внутриклеточной концентрации кальция.
Н2-рецепторы активируют аденилатциклазу; возможно, в определенных условиях они действуют совместно с Н1рецепторами. Н3-рецепторы локализованы более избирательно, например у крыс в базальных ядрах и структурах обонятельного мозга. Эти рецепторы наиболее чувствительны к гистамину, но функция их пока не ясна. В отличие от других медиаторов — моноаминов и аминокислот, для гистамина обратный захват не обнаружен. Нет также убедительных доказательств высвобождения гистамина нейронами — ни in vivo, ни in vitro (Schwartz et al., 1995). Пептиды. 1980-е гг. были ознаменованы открытием в ЦНС все новых и новых пептидов, способных влиять на самые разные функции нервной системы. Все это вызвало сильное воодушевление и привело к появлению внушительного списка пептидов (Hokfelt et al., 1995; Darlison and Richter, 1999). Оказалось, что в мозге есть и многие уже известные пептиды, которые, как считалось раньше, синтезируются только в кишечнике или эндокринными железами. По данным иммуноцитохимических исследований была составлена достаточно подробная карта распределения пептидов в головном мозге. Некоторые нейропептиды выполняют самостоятельные функции, однако большинство из них, как сегодня полагают, локализованы и действуют совместно с медиаторами — аминами и аминокислотами. Если нейрон содержит несколько медиаторов (Hokfelt et al., 1995), на функцию каждого из них может влиять отдельный пептид. В попытках систематизировать непрерывно растущий список нейропептидов можно выделить как минимум три различных подхода.
Структурная классификация. Некоторые пептиды обладают высоким структурным сходством, на основании чего их можно объединять в семейства. При этом в пределах каждого семейства пептиды могут быть сходными по происхождению (родственные пептиды); структура таких пептидов незначительно отличается у разных видов животных. К семействам родственных пептидов относятся, например, тахикинины (в частности, вещество Р) и вазотоцины (вазопрессин и окситоцин). Примеры семейств сходных по структуре, но неродственных пептидов — опиоидные пептиды и глюкагон-секретины. Суперсемейство опиоидных пептидов объединяет семейства эндорфинов, энкефалинов и динорфинов. Пептиды этих трех семейств образуются из разных предшественников (препроопиомеланокортина, препроэнкефалина и препродинорфина), кодируемых разными генами; они различаются и по анатомическому распределению (Akiletal., 1998). Рецепторы, с которыми взаимодействуют опиоидные пептиды, были названы опиатными рецепторами; в настоящее время находят все новые их типы (гл. 23). Многочисленные пептиды семейства глюкагон-секретинов вырабатываются разными тканями; глюкагон и ВИП — островками поджелудочной железы, секретин — слизистой двенадцатиперстной кишки, ВИП и некоторые другие пептиды — нейронами вегетативной (в том числе энтеральной) и центральной нервной системы (Magistretti et al., 1998), соматолиберин — только нейронами ЦНС (Guillemin et al., 1984). Общим в действии всех этих пептидов можно считать то, что все они так или иначе повышают уровень глюкозы в крови. Надо сказать, что такое разделение на семейства родственных и неродственных пептидов в известной мере условно. Так, у млекопитающих обнаружено множество пептидов семейства тахикининов; они имеются и в ЦНС, и в кишечнике, и им соответствуют, видимо, разные подтипы рецепторов (Vanden Broeck et al., 1999); возможно, родство разных членов этого семейства не столь близкое. У млекопитающих семейство вазотоцинов включает два пептида, которые имеют сходное строение, но разные функции, — у низших видов обе эти функции выполняет один пептид этого семейства. Анатомическая классификация. Некоторые пептиды вырабатываются в более или менее анатомически обособленных структурах ЦНС. Например, пептиды гипоталамуса — окситоцин, вазопрессин, проопиомеланокортин, гонадолиберин, соматолиберин вырабатываются компактными группами нейронов, которые направляют разветвленные волокна к нескольким отделам мозга. С другой стороны, структуры, содержащие соматостатин, холецистокинин и энкефалины, могут иметь очень разнообразную организацию: от иерархических контуров средней протяженности до локальных контуров, образованных короткоаксонными нейронами и широко разбросанных по разным отделам мозга.
=== Функциональная классификация ===
Почти все пептиды обнаружены при помощи биологических проб, поэтому и названы они в соответствии с характером их активности: например, тиролиберин, ВИП. Однако подобные названия постепенно утрачивают смысл, поскольку все больше проявляется универсальность, вездесущность пептидов — как в их распределении, так и в функциях. Некоторые полагают, что широко разбросанные по разным структурам мозга нейроны (и другие клетки), использующие один и тот же пептид, могут выполнять некую интегративную функцию. Возможна и иная точка зрения: каждый пептид выполняет уникальную функцию как передатчик сигнала на клеточном уровне, и поэтому он играет одинаковую роль в функционально сходных участках разных нейронных систем. Клонирование основных типов опиатных рецепторов выявило их неожиданное и до сих пор необъяснимое структурное сходство с рецепторами соматостатина, ангиотензина и других пептидов (Uhl et al., 1994).
Отличие пептидов от других медиаторов. Пептиды имеют несколько важных отличий от медиаторов — моноаминов и аминокислот. Синтез пептидов происходит в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме. Вначале образуется пептид-предшественник, затем из него вырезаются отдельные пептиды, которые упаковываются в секреторные пузырьки и доставляются к нервным окончаниям. За исключением единственного сообщения (Honor et al., 1999), нет данных о существовании механизма обратного захвата пептидов — таким образом, пептидергические окончания находятся в большой зависимости от достаточно удаленного места синтеза пептидов. И что наиболее важно, при связывании с рецептором линейная цепь аминокислот может приобретать самые разные варианты конформации. Выяснить, какой из них определяет активность пептида, достаточно сложно.
Лишь сравнительно недавно удалось синтезировать непептидные соединения, способные стимулировать или блокировать рецепторы пептидов. Получены препараты, действующие на рецепторы холецистокинина (ССКА и ССКВ), нейротензина и кортиколиберина. Некоторые такие препараты, например блокаторы рецепторов вещества Р (NК1 -рецепторов) проходят клинические испытания (Rupniak and Kramer, 1999; Hokfelt et al., 2000). Надо сказать, что и сама природа имеет ограниченные возможности: только один растительный алкалоид (морфин) способен связываться с пептидными рецепторами. К счастью, морфин открыли раньше опиоидных пептидов — иначе можно было бы решить, что подобную молекулу с жесткой структурой, способную действовать на пептидные рецепторы, просто невозможно синтезировать.
Другие регуляторные соединения. В синаптической передаче участвуют и другие эндогенные вещества — но действуют они иначе, чем классические медиаторы. Эти вещества выполняют важные регулирующие функции и, скорее всего, станут точками приложения новых лекарственных средств.
=== Пурины ===
АМФ, АТФ и аденозин помимо важной роли в процессах обмена выполняют также функцию сигнальных молекул нейрона (Moreau and Huber, 1999; Williams et al., 1999; Baraldi et al., 2000). Пуриновые рецепторы подразделяют на два типа. Р1рецепторы сопряжены с G-белками, они взаимодействуют преимущественно с аде нозином и включают 4 подтипа: А1— А4. А1 и A2-рецепторы блокируются метилксантинами, А3- и А4рецепторы — нет. А,-рецепторы ингибируют аденилатциклазу, регулируют активность ионных каналов (например, повышают калиевые токи), в некоторых случаях активируют фосфолипазу С. A2-рецепторы активируют аденилатциклазу. Р2-рецепторы реагируют преимущественно с АТФ и другими нукпеозид-трифосфатами, такими, как УТФ. Рецепторы Р2Х сопряжены с ионными каналами, рецепторы P2Y — с G-белками. Аденозин действует на пресинаптические окончания нейронов коры и гиппокампа, блокируя выделение медиаторов — аминов и аминокислот. Полагают, что синаптические эффекты АТФ играют роль в патогенезе таких состояний, как тревожность, инсульт и эпилепсия (Williams, 1995).
=== Нейромодуляторы ===
На синаптическую передачу влияют и многие биологически активные вещества, регулирующие различные функции организма.
Арахидоновая кислота образуется из мембранных фосфолипидов под действием фосфолипаз А2, С и D; в свою очередь, эти фосфолипазы активируются при стимуляции определенных рецепторов. При метаболизме арахидоновой кислоты образуется ряд биологически активных веществ. Таких путей ее метаболизма три (гл. 26): циклооксигеназный (при этом образуются простагландины и тромбоксаны), липоксигеназный (образуются лейкотриены и другие эйкозаноиды) и третий — с участием цитохрома Р450 (в головном мозге выражен слабо, но может быть индуцирован). Производные арахидоновой кислоты действуют в синапсе как нейромодуляторы, участвуя в механизмах долговременной потенциации и других формах синаптической пластичности (Mechoulam et al., 1996; Piomelli et al., 1998).
=== Окись азота (NO) ===
Более 10 лет назад стала известна роль этого вещества как важного регулятора тонуса сосудов и фактора воспаления. Вопрос о его роли в ЦНС возник после того, как в головном мозге была обнаружена NO-синтаза (Snyder and Dawson, 1995). Молекулярно-генетическими методами было установлено, что в мозге есть по крайней мере четыре ее изофермента. Три из них относятся к конститутивной форме и присутствуют в нейронах, эндотелиальных клетках капилляров и макрофагах, четвертый — к индуцируемой форме. При помощи сильнодействующих активаторов и ингибиторов NO-синтазы удалось продемонстрировать участие N0 в механизмах долговременной потенциации, активации гуанилатциклазы, высвобождения и обратного захвата медиаторов, в усилении нейротокси-ческого эффекта глутамата. Поскольку N0 взаимодействует с железом гема гуанилатциклазы, возникло предположение, что еще одним газообразным регулятором внутриклеточных функций (по крайней мере, действующим на гуанилатциклазу нейронов in vitro) может быть окись углерода.
=== Цитокины ===
Семейство цитокинов объединяет множество биологически активных пептидов, которые вырабатываются различными типами клеток во многих системах организма. Функции отдельных цитокинов, в принципе, соответствуют их эффектам in vitro. Однако в организме эффекты одних цитокинов зависят от эффектов других, а итог такого взаимодействия может быть разным: синергичным, аддитивным или антагонистическим. Одну из групп цитокинов составляют хемокины — пептиды, привлекающие клетки иммунной системы в очаг воспаления. Большой интерес вызывает возможная роль хемокинов при воспалительных процессах в ЦНС, например на ранних стадиях СПИД-дементного синдрома (Asensio et al., 1999; Men-nicken et al., 1999) или при восстановлении после травмы. К ци-токинам относятся также нейротрофические факторы, которые мы уже рассматривали. Как нервные, так и глиальные клетки при определенных условиях начинают вырабатывать цитокины и нейротрофические факторы — в этом отношении разница между этими клетками несколько условна.
== Действие лекарственных средств на ЦНС ==
=== Избирательное и общее действие на ЦНС ===
Эффект препарата считается избирательным, если он направлен на определенный молекулярный механизм клетки-мишени, которая имеет рецепторы к данному веществу. Эффект рассматривается как общий, если препарат действует на многие клетки-мишени и различные молекулярные механизмы. Такое разграничение весьма условно и часто отражает зависимость эффекта от дозы: в низкой концентрации препарат может действовать высокоизбирательно, но при повышении дозы эффект его становится общим. Кроме того, даже вещества явно общего действия могут по-разному влиять на разные отделы ЦНС. Например, применение общих анестетиков было бы не столь широким, если бы к ним были более чувствительны нейроны сердечно-сосудистого и дыхательного центров. Препарат избирательного действия может вызывать общие эффекты, если доза или способ введения способствуют его накоплению в тканях.
Препараты общего действия подразделяют по характеру влияния на ЦНС — угнетающему или стимулирующему. Препараты, действующие на ЦНС избирательно, классифицируют по точке их приложения или терапевтическому эффекту. Необходимо помнить, что отсутствие явных изменений поведения не означает, что препарат не действует на ЦНС. Например, М-холиноблокаторы почти не влияют на поведение животных, но их успешно применяют для лечения экстрапирамидных расстройств и профилактики укачивания (гл. 7).
'''Препараты общего угнетающего действия'''. К ним относятся ингаляционные анестетики, спирты и некоторые снотворные средства. Эти препараты оказывают тормозное действие на всех уровнях ЦНС — уменьшая количество медиатора, выделяемое в ответ на нервный импульс, либо снижая возбудимость постсинаптических мембран. В концентрации, недостаточной для анестезирующего эффекта, эти вещества (например, этанол) могут избирательно действовать на отдельные группы нейронов, что объясняет их различия во влиянии на поведение и в способности вызывать зависимость (Koob and Le Moal, 1997; Koob et al., 1998; гл. 14,17,18, 24).
'''Препараты общего стимулирующего действия'''. К ним относятся пентетразол и другие вещества, оказывающие сильное возбуждающее действие на ЦНС, а также метилксантины, стимулирующий эффект которых значительно слабее. Стимулирующий эффект достигается одним из двух способов: 1) блокадой тормозных процессов, 2) прямым возбуждением нейронов — за счет увеличения количества выделяемого медиатора, удлинения периода его действия, повышения лабильности синапса.
'''Препараты избирательного действия'''. Эффект таких препаратов может быть как угнетающим, так и стимулирующим. Оба эффекта могут проявляться одновременно — но в разных структурах ЦНС. В терапевтических дозах некоторые средства этой группы не влияют на уровень возбуждения ЦНС. К таким препаратам относятся противосудорожные, антипаркинсонические средства, наркотические и ненаркотические анальгетики, анорексанты, противорвотные средства, НПВС, некоторые психостимуляторы, антидепрессанты, нормотимики, нейролептики, транквилизаторы и снотворные.
Даже если избирательность препарата достаточно высока, действие его может затрагивать несколько функций ЦНС. Эффекты препарата, не относящиеся к терапевтическим, рассматривают как нежелательные побочные. Избирательность препаратов часто переоценивают, поскольку ожидают результатов, отраженных в названии группы.
=== Взаимодействие средств, действующих на ЦНС ===
Для усиления терапевтического эффекта часто используют сочетания действующих на ЦНС препаратов, например комбинацию М-холиноблокаторов и леводофы при болезни Паркинсона. Но некоторые сочетания препаратов могут быть вредны и даже опасны из-за взаимного усиления или ослабления эффектов.
Действие препарата на ЦНС зависит от ее функционального состояния, а также от эффектов других препаратов, стимулирующих или угнетающих ЦНС. Например, на возбудимых больных анестетики действуют слабее, а стимуляторы — сильнее. В целом, все угнетающие ЦНС препараты могут усиливать действие друг друга — в качестве примера можно привести опасное сочетание барбитуратов или бензодиазепинов с этанолом; то же касается и психостимуляторов. Поэтому угнетение дыхания, вызванное морфином, усиливается препаратами, угнетающими ЦНС; в то же время психостимуляторы повышают возбуждающий эффект морфина, вызывая рвоту и судороги.
Антагонизм угнетающих и стимулирующих средств разнообразен. Есть примеры истинного фармакологического антагонизма — так, блокаторы опиатных рецепторов препятствуют действию наркотических анальгетиков. Но чаще антагонизм действующих на ЦНС препаратов имеет более сложную физиологическую природу. Иначе говоря, нельзя вернуться в исходное состояние, применив препарат «обратного действия».
Действуя на отдельные медиаторные процессы, лекарственные средства могут как усиливать, так и ослаблять эффекты друг друга. Следовательно, необходимо учитывать такие взаимодействия: назначая новый препарат, надо заранее отменить предыдущий. Низкие дозы угнетающих ЦНС препаратов могут вызывать возбуждающий эффект — он объясняется подавлением тормозных процессов и временным усилением высвобождения возбуждающих медиаторов. Примером может служить стадия возбуждения в действии общих анестетиков или стимулирующий эффект этанола. При повышении дозы стадия возбуждения сменяется стабильным угнетающим эффектом. Стадию возбуждения можно свести к минимуму, если предварительно ввести препараты, которые угнетают ЦНС, но не дают возбуждающего эффекта (пример — премедикация бензодиазепинами). Чрезмерное возбуждение обычно сменяется угнетением ЦНС — отчасти из-за утомления нейронов (истощения запасов медиаторов). В постиктальном состоянии препараты, угнетающие ЦНС, действуют сильнее. Однократное применение угнетающих ЦНС препаратов обычно не вызывает последующего возбуждения, однако отмена после длительного применения может привести к перевозбуждению (например, при барбитуратном или алкогольном абстинентном синдроме) — в таких случаях эффективны те же или иные препараты, угнетающие ЦНС (гл. 17, 18).
=== Точки приложения средств, действующих на ЦНС ===
Эти точки приложения для средств общего и избирательного действия приведены на рис. 12.1. Препараты общего действия вмешиваются в энергетический метаболизм нейрона, влияют на общие свойства его мембраны или трансмембранное распределение ионов. Общее действие оказывают также препараты, действующие на системы внутриклеточного транспорта (например, колхицин). На зависимость этого действия от дозы и длительности применения препарата влияют такие характеристики нейронов, как, например, частота импульсации, зависимость электрической активности от возбуждающих входов или собственной авторитмии, ионные токи в покое, длина аксона. Если препарат действует избирательно, по дозо-зависимости его действия можно определить наиболее чувствительное звено, а следовательно, достаточно уверенно судить о точке приложения, механизме действия и специфичности препарата.
Избирательное действие препаратов может быть пресинаптическим и постсинаптическим. Пресинаптическое действие захватывает процессы, протекающие в нейроне и его окончании, то есть синтез медиатора (включая доставку необходимых субстратов), его накопление, высвобождение, обратный захват и разрушение. Количество медиатора в пресинаптическом окончании может быть уменьшено за счет подавления его синтеза и накопления. Медиаторный залп (количество медиатора, высвобождающееся в ответ на один потенциал действия) обычно постоянен, но может быть повышен за счет уменьшения его обратного захвата или ингибирования разрушающих ферментов. Медиатор, выделенный в синаптическую щель, может действовать на пресинаптические рецепторы (ауторецепторы). Это, в свою очередь, может снижать высвобождение медиатора, обеспечивая регуляцию количества медиатора в синаптической щели по механизму обратной связи.
Постсинаптическое действие распространяется на те процессы, которые разворачиваются после выделения медиатора: взаимодействие медиатора с рецептором, генерацию постсинаптического потенциала или активацию систем вторых посредников. Для прямого вмешательства в постсинаптические процессы препарат должен обладать достаточной устойчивостью и высоким сродством к постсинаптическим рецепторам. Пресинаптическое и постсинаптическое действие лекарственных средств есть не что иное, как избирательное влияние на химически однородную группу нейронов.
=== Взаимодействие лекарственных средств и медиаторных систем ===
Современная нейрофармакология располагает возможностью клонировать кДНК рецепторов или их субъединиц, а затем оценивать их свойства, вызывая экспрессию в чужеродных клетках. Простота моделей in vitro отвлекает внимание от того очевидного факта, что в ЦНС любой медиатор взаимодействует одновременно со всеми типами и подтипами своего рецептора — причем на нейронах, которые находятся под влиянием множества других медиаторов. Таким образом, попытка предсказать поведенческий или терапевтический эффект препарата по его действию на отдельно взятый рецептор часто оказывается безуспешной.
== Перспективы ==
Возможность клонирования, определения аминокислотной последовательности и экспрессии генов, кодирующих сигнальные молекулы нейрона, открывает новую эру фармакологии. Благодаря таким исследованиям найдены новые подтипы рецепторов, что невозможно было сделать традиционными методами фармакологии. Темп таких открытий, несомненно, будет ускоряться. Разнообразие рецепторов означает, что может быть усилена избирательность фармакологического действия. Методы флюоресцентной гибридизации in situ позволяют установить, где происходит экспрессия различных типов рецепторов; иммуноцитохимические исследования уточняют их локализацию; экспрессия рецепторов в культурах клеток дает возможность оценить их фармакологические свойства. Молекулярное моделирование вместе с рентгеноструктурным анализом рецепторов со временем позволит определить точную структуру связывающих участков рецепторов — а значит, можно будет синтезировать новые, специально к ним приспособленные вещества. Станут известны молекулярные механизмы, регулирующие плотность рецепторов, а также характер взаимодействия разных белков в ионотропных и метаботропных рецепторах.
Дальнейшие попытки объяснить действие лекарственных средств на ЦНС несомненно будут направлены на изучение медиаторов и синаптической передачи. Огромное разнообразие специфичных для клеток головного мозга мРНК обещает открытие еще многих новых пептидов. По мере открытия новых медиаторов и новых сигнальных молекул будут картированы содержащие их нейронные системы, станут известны новые клетки-мишени. Понять связь молекулярных механизмов и поведенческих эффектов лекарственных средств помогают три главных подхода к организации нейронных контуров — пространственный, временной и функциональный. Пространственный подход позволяет установить те области мозга или те рецепторы, от которых нейрон получает сигнал, атакже те структуры, к которым он сигнал направляет. Временной подход оценивает длительность действия нейрона на клетку-мишень. Функциональный — выясняет молекулярные механизмы действия нейрона на клетку-мишень. Таким образом, каждый нейрон надо рассматривать с разных сторон, одновременно оценивая его рецепторы, медиаторы, функциональную специализацию, а также его место в нейронном контуре (чувствительный, двигательный или вставочный). Только осмыслив одновременно все эти свойства, можно понять действие лекарственных средств на ЦНС.
Вполне вероятно, что молекулярно-генетические исследования, которые уже привели к открытию молекулярных механизмов синаптической передачи, вскоре прояснят и патогенез многих заболеваний ЦНС, а также дадут основу для создания новых методов лечения. Неведомые прежде перспективы открывает возможность замещения погибших нейронов при помощи трансплантации стволовых клеток нервной ткани (Brustle et al., 1999; McDonald etal., 1999; McKay, 2000). В конечном счете мы можем получить возможность воздействовать на саму генетическую основу заболеваний ЦНС.
== Литература ==
*Aloisi, F. The role of microglia and astrocytes in CNS immune surveillance and immunopathology. Adv. Exp. Med. Biol., 1999, 468:123—133.
*Andeisson, P.-В., Perry, V.H., and Gordon, S. The acute inflammatory response to lipopolysaccharide in CNS parenchyma differs from that in other body tissues. Neuroscience, 1992,48:169—186.
*Amsten, A.P. Catecholamine mechanisms in age-related cognitive decline. Neurobioi. Aging, 1993,14:639—641.
*Asensio, V.C., Kincaid, C., and Campbell, I.L. Chemokines and the inflammatory response to viral infection in the central nervous system with a focus on lymphocytic choriomeningitis virus. J. Neurovirol., 1999, 5:65-75.
*Billinton, A., Upton, N., and Bowery, N.G. GABA(B) receptor isoforms GBRla and GBRlb, appear to be associated with pre- and post-synaptic elements respectively in rat and human cerebellum. Br. J. Pharmacol., 1999, 126:1387-1392.
*Blakely, R.D., De Felice, L.J., and Hartzell, H.C. Molecular physiology of norepinephrine and serotonin transporters. J. Exp. Biol., 1994, 196: 263-281.
*Bliss, T.V., and Collingridge, G.L. A synaptic model of memory: long-term potentiation in the hippocampus. Nature, 1993, 361:31—39.
*Blumcke, 1., Wolf, H.K., Hof, P.R., Morrison, J.H.,and Wiestler, O.D. Regional distribution of the AM PA glutamate receptor subunits GluR24 in human hippocampus. Brain Res., 1995,682:239—244.
*Brauner-Osbome, H., and Krogsgaard-Larsen, P. Functional pharmacology of cloned heterodimeric GABAB receptors expressed in mammalian cells. Br. J. Pharmacol., 1999, 128:1370—1374.
*Brown, E.S., Rush, A.J., and McEwen, B.S. Hippocampal remodeling and damage by corticosteroids: implications for mood disorders. Neuropsychopharmacology, 1999,21:474—484.
*De Bias, A.L. Brain GABAA receptors studied with subunit-specific antibodies. Mol. Neurobioi, 1996, 12:55—71.
*Decker, M.W., Bannon, A.W., Curzon, P., Gunther, K.L., Brioni, J.D., Holladay, M.W., Lin, N.H., Li, Y., Daanen, J.F., Buccafusco, J.J., Pre-ndergast, M.A., Jackson, W.J., and Americ, S.P. ABT-089 [2-met-hyl-3-(2-(S)-pyrrolidinylmethoxy)pyridine dihydrochloride]: II. A novel cholinergic channel modulator with effects on cognitive performance in rats and monkeys. J. Pharmacol. Exp. Ther., 1997, 283:247—258.
*Derrick, B.E., and Martinez, J.L. Jr. Opioid receptor activation is one factor underlying the frequency dependence of mossy fiber LTP induction. J. Neurosci., 1994, 14:4359—4367.
*Dumont, Y., Jacques, D., Bouchard, P., and Quirion, R. Species differences in the expression and distribution of the neuropeptide Y Yl, Y2, Y4, and Y5 receptors in rodents, guinea pig, and primates brains. J. Comp. Neurol., 1998, 402:372-384.
*Emerich, D.F., Snodgrass, P., Pink, М., Bloom, F., and Bartus, R.T. Central analgesic actions of loperamide following transient permeation of the blood brain barrier with Cereport (RMP-7). Brain Res., 1998, 801: 259-266.
*Farber, N.B., Newcomer, J.W., and Olney, J.W. The glutamate synapse in neuropsychiatric disorders. Focus on schizophrenia and Alzheimer’s disease. Prog. Brain Res., 1998, 116:421—437.
*Gaily, J.A., Montague, PR., Reeke, G.N. Jr., and Edelman, G.M. The NO hypothesis: possible effects of a short-lived, rapidly diffusible signal in the development and function of the nervous system. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 1990, 87:3547-3551.
*Grenningloh, G., Rienitz, A., Schmitt, B., Methfessel, C., Zensen, М., Beyreuther, K, Gundelfinger, E.D., and Betz, H. The strychnine-binding subunit of the glycine receptor shows homology with nicotinic acetylcholine receptors. Nature, 1987, 328:215—220.
== Медиаторная передача в центральной нервной системе ==
Главная функция ЦНС — обработка внешних и внутренних потоков информации, направленная на удовлетворение потребностей организма. Только при ясном понимании интегративной функции мозга возможно эффективное лечение нервных и психических заболеваний. Клинический опыт, в свою очередь, способствует прояснению функций мозга: безуспешность лечения или неожиданные побочные эффекты лекарственных средств часто служат поводом для поиска ранее неизвестных молекулярных и клеточных механизмов. Одной из самых волнующих проблем современной нейрофармакологии остается связь между процессами, протекающими на уровне нейрона, с одной стороны, и поведением и патологическими нарушениями нервной деятельности — с другой. Общий подход к этой проблеме основан на следующем принципе: препараты, действующие на поведение и эффективные при нервных и психических заболеваниях, либо облегчают, либо затрудняют синаптическую передачу в ЦНС.
Исследования ЦНС включают разные уровни: молекулярный, клеточный, системный и поведенческий. В нейрофармакологии ведущими остаются исследования на молекулярном уровне. Эти исследования позволяют выяснить те ключевые механизмы синаптической передачи, на которые действуют лекарственные средства. Мишенями для этих средств могут быть:
1) ионные каналы, которые обеспечивают реакцию нейрона на медиатор — возбуждение или торможение, 2) рецепторы медиаторов, 3) внутримембранные и внутриклеточные молекулы, которые преобразуют и передают сигнал от рецептора к внутриклеточным эффекторным системам для быстрого кратковременного возбуждения или торможения нейрона либо для продолжительного изменения его состояния — за счет, например, изменения экспрессии генов (Neyroz et al., 1993; Gudermann et al., 1997), 4) белки-переносчики, которые обеспечивают обратный захват медиатора нервными окончаниями, а затем синаптическими пузырьками (Blakely et al., 1994; Amara and Sonders, 1998; Fairman and Amara, 1999); в этих двух процессах участвуют разные белки-переносчики, см. Liu and Edwards (1997).
Исследования на молекулярном уровне предоставляют новые методические возможности (в частности, фармакологический анализ) для изучения процессов на клеточном, системном и поведенческом уровнях и их генетических основ. К настоящему времени известны молекулярные механизмы большинства процессов, протекающих в нейроне. Как известно, электрическую активность нейрона определяет изменение проницаемости его многочисленных ионных каналов. Теперь стали известны многие молекулярные механизмы, от которых зависит избирательный ток главных катионов — Na*, К+, Са и аниона СГ. Ионные каналы подразделяются на потенциалзависимые (рис. 12.2) и хемочувствительные (рис. 12.3). Потенциалзависимые каналы обеспечивают быстрое изменение ионных токов, необходимое для возникновения и распространения нервного импульса, а также для выделения медиатора в ответ на возбуждение пресинаптического окончания (Catterall, 1988,1993). Молекулярно-генетическими методами выявлено сходство в строении главных катионных каналов (рис. 12.2, А). Главная субъединица быстрого натриевого и медленного кальциевого каналов состоит из четырех гомологичных трансмембранных доменов, каждый из которых включает шесть трансмембранных сегментов. Калиевые каналы более разнообразны, что подтверждено методом рентгеноструктурного анализа (Doyle et al., 1998). Главная субъединица ряда потенциалзависимых калиевых каналов состоит из единственного домена, который включает 6 трансмембранных сегментов (рис. 12.2, В). Калиевые каналы аномального выпрямления (Kir) также образованы единственным доменом, но он содержит только пятый и шестой трансмембранные сегменты — между ними находится внутримембранная петля, выходящая на внешнюю поверхность мембраны и формирующая наружное устье канала. Эти две структурные формы образуют различные гетероолигомеры, что создает дополнительные возможности для управления калиевыми каналами — в ответ на изменение мембранного потенциала, действие медиатора, а также через систему внутриклеточных белков или за счет посттрансляционных модификаций (Krapivinsky etal., 1995). Изучение различных структурных форм калиевых каналов (Jan etal., 1997; Doyle etal., 1998) позволяет выяснить, каким образом лекарственные средства, токсины или электростимуляция действуют на электрическую активность нейрона, придавая ему, например, спонтанную активность или вызывая его гибель вследствие постоянного пребывания калиевых каналов в открытом состоянии (Adams and Swanson, 1994).
Различные варианты калиевых каналов (калиевые каналы задержанного выпрямления, кальцийзависимые калиевые каналы и калиевые каналы гиперполяризующего тока), которые регулируются системой вторых посредников, обеспечивают в синапсах ЦНС сложные модулирующие эффекты (Nicoll et al., 1.99ц-Malenka and Nicoll, 1999).
Исследования на клеточном уровне позволяют выяснить, какие именно нейроны и какие их ближайшие синаптические контакты имеют отношение к поведенческим эффектам лекарственного препарата. Такие исследования устанавливают характер взаимодействия нейронов — возбуждение, торможение или более сложные формы синаптических эффектов (Aston-Jones etal., 1999; Brown etal., 1999).
Системный уровень объединяет данные о структуре и функции медиаторных систем, то есть устанавливает связь между нейронами, которые синтезируют и выделяют медиатор, и поведенческим эффектом, который этот медиатор вызывает. Связей «медиатор—поведение» найдено достаточно много, хотя ни в одном из этих случаев нельзя утверждать, что за данный вид поведения отвечают только те нейроны, которые вырабатывают соответствующий медиатор.
Рисунок 12.2. Строение потенциалзависимых ионных каналов. А. Альфа-субъединица быстрого натриевого и медленного кальциевого каналов состоит из четырех гомологичных доменов, каждый из которых включает шесть трансмембранных сегментов; между пятым и шестым трансмембранными фрагментами находится внутримембранная петля. Б. В состав медленного кальциевого канала входят также мелкие дополнительные субъединицы а2, Р, у и 6. Субъединицы а2 и 8 соединены дисульфидной связью (на рисунке не показана). В структуре натриевого канала тоже есть дополнительные регуляторные субъединицы. В. Главная субъединица потенциалзависимого калиевого канала задержанного выпрямления состоит из единственного трансмембранного домена — аналогичного соответствующим доменам натриевого и кальциевого каналов. Предполагаемая структура калиевых каналов аномального выпрямления К|г включает субъединицу, состоящую издомена.в котором представлены только 5-й и 6-й трансмембранные сегменты. Дополнительные р-субъединицы модулируют активность потенциалзависимых калиевых каналов (Kv). Эти два типа структур могут образовывать различные гетероолигомеры. Krapivinsky et al., 1995.
Рисунок 12.3. Строение рецепторов, сопряженных с ионными каналами. Такие рецепторы состоят из четырех или пяти субъединиц, окружающих пору ионного канала (справа). Каждая субъединица включает 4 трансмембранных домена. Предполагают, что такую структуру имеют N-холинорецепторы, 5-НТ3-рецепторы, ГАМКд-рецепторы и глициновые рецепторы. Глутаматные рецепторы имеют несколько другое строение.
Исследования на поведенческом уровне позволяют понять интегративные процессы — то есть отнести ту или иную группу нейронов к специализированным нейронным контурам, нейронным ансамблям или распределенным системам, ответственным за реализацию поведения в целом — от элементарных рефлексов до сложных форм произвольной активности. Моделирование психических заболеваний на животных имеет в своей основе следующий принцип: состояние животного и состояние человека можно считать аналогичными, если им соответствуют аналогичные изменения физиологических показателей: ритма сердца, дыхания, двигательных реакций и т. д. (Kandel, 1998).
== Определение центральных медиаторов ==
Для понимания функций центральных медиаторов важно определить, какие вещества к ним относятся. Критерии, которым должны соответствовать медиаторы ЦНС, в принципе, те же, что и для [[медиатор]]ов вегетативной нервной системы.
*Медиатор должен присутствовать в пресинаптическом нейроне и его окончании. Более строгая формулировка этого условия требует доказательств того, что пресинаптический нейрон синтезирует медиатор, а не накапливает его из внеклеточного пространства. Соответствие данному критерию проверяют методами иммуноцитохимии, флюоресцентной гибридизации in situ, при помощи биохимического анализа ткани мозга или субклеточных фракций.
В опытах на животных эти методы позволяют проверить, исчез ли предполагаемый медиатор из синаптической области после хирургического или химического разрушения пресинаптических нейронов. Соответствие критерию подтверждает присутствие в постсинаптических нейронах мРНК, кодирующей рецепторы данного медиатора.
*Медиатор должен выделяться при возбуждении пресинаптического нейрона. Соответствие данному критерию проверяют в экспериментах in vivo: при электрической стимуляции пресинаптического волокна предполагаемый медиатор должен появиться в области синапса. Раньше для этого применяли периодическое определение состава омывающего синапс перфузата в течение длительного времени, однако сегодня появились методы микродиализа и микроэлектродной полярографии, позволяющие с высокой точностью уловить присутствие аминов и аминокислот в ограниченном объеме и за короткое время. Появление медиатора в ответ на ионофоретическую или электрическую стимуляцию можно проследить in vitro — на срезах мозга или субклеточных фракциях пресинаптических окончаний. Механизм выделения всех медиаторов, в том числе и предполагаемого выделения медиаторов из дендритов (Morris et al., 1998), запускается изменением мембранного потенциала и требует поступления в пресинаптическое окончание ионов кальция. Ионы натрия не играют в этом процессе какой-либо роли, поскольку ни внеклеточная концентрация натрия, ни тетродотоксин (блокатор быстрых натриевых каналов) на выделение медиаторов не влияют.
*Аппликация медиатора на клетки-мишени должна вызывать тот же эффект, что и стимуляция пресинаптического волокна. Предполагаемый медиатор и стимуляция пресинаптического волокна должны действовать на клетку-мишень одинаково: либо тормозить, либо возбуждать ее. Для более строгого доказательства требуется показать, что как стимуляция пресинаптического нейрона, так и аппликация предполагаемого медиатора вызывают в постсинаптическом нейроне одинаковые ионные токи. Соответствие данному критерию можно проверить и фармакологически: эффект стимуляции пресинаптического нейрона и эффект аппликации предполагаемого медиатора должны устраняться одинаковой дозой одного и того же блокатора. При этом данный блокатор не должен подавлять ответ клетки-мишени на стимуляцию других пресинаптических волокон и на аппликацию других предполагаемых медиаторов. Наконец, эффект предполагаемого медиатора должен совпадать с эффектом его синтетического агониста.
Многочисленные исследования, особенно посвященные пептидам, показывают, что центральные синапсы могут содержать не один, а несколько медиаторов (Hokfelt et al., 2000). Строгих доказательств пока нет, тем не менее предполагают, что совместно локализованные медиаторы вместе высвобождаются и вместе действуют на постсинаптическую мембрану (Derrick and Martinez, 1994; Jin and Chavkin, 1999). Если же сигналы передает не один медиатор, то единственный агонист не может точно воспроизвести эффект активации синапса, а единственный блокатор не может полностью этот эффект устранить.
== Открытие центральных медиаторов ==
Первыми кандидатами на роль центральных медиаторов стали ацетилхолин и норадреналин — как хорошо известные медиаторы вегетативной и соматической нервной системы. В 1960-х гг. возникло предположение, что медиаторами ЦНС могут быть серотонин, адреналин и дофамин. Гистохимические, биохимические и фармакологические исследования в целом подтвердили их медиаторную роль, хотя и не обнаружили полного соответствия всем критериям, определяющим медиатор. В начале 1970-х гг. медиаторами были признаны ГАМК, глицин и глутамат — благодаря появлению избирательных, высокоактивных блокаторов. Проходившие тогда же исследования гормонов гипоталамо-гипофизарной системы сопровождались совершенствованием методов выделения, очищения, определения аминокислотной последовательности и синтеза все новых и новых нейропептидов (Hokfelt et al., 2000). Иммуногистохимические исследования показали, что пептиды могут действовать как медиаторы ЦНС. Адаптация биологических проб, которые ранее применялись в исследованиях гормонов гипофиза, к другим моделям (например, сокращению гладких мышц), а затем внедрение иммунохимических методов привели к открытию эндогенных пептидов, действующих на опиатные рецепторы (гл. 23). Затем был предпринят поиск эндогенных соединений, способных связываться с бензодиазепиновыми рецепторами (Costa and Guidotti, 1991). Сравнительно недавно были выявлены эндогенные лиганды каннабиноидных рецепторов — амиды жирных кислот (Piomelli etal., 1998).
=== Изучение рецепторов ===
До недавнего времени о свойствах центральных рецепторов судили по связыванию меченых лигандов, а также по электрическим или биохимическим процессам, вызванным их активацией in vivo и in vitro. Изучение связывания меченых лигандов позволяет оценить количество рецепторов в том или ином отделе ЦНС, проследить их появление в филогенезе и онтогенезе, а также выяснить, как различные физиологические и фармакологические вмешательства действуют на количество рецепторов и их сродство к лигандам (Dumont et al., 1998; Redrobeetal., 1999).
Электрофизиологическими методами оценивают реакцию нейрона на медиатор. Например, регистрируют изменение электрической активности нейрона в ответ на ионофоретическую аппликацию медиатора. Метод локальной фиксации (patch-clamp) позволяет проследить реакцию на медиатор отдельных ионных каналов. Электрофизиологические методы дают возможность не только описать, но и измерить эффекты предполагаемого медиатора(Jardemarketal., 1998). Биохимическими методами изучают рецепторы, активация которых вызывает ферментативную реакцию, например синтез второго посредника.
Современные методы молекулярной биологии позволили выделить мРНК, кодирующие рецепторы почти всех известных медиаторов. Введение такой мРНК в чужеродные клетки (ооциты лягушки или клетки млекопитающих) вызывает в них экспрессию рецепторов, свойства которых оценивают по эффектам лигандов или синтезу вторых посредников. Молекулярно-генетическими методами установлены два основных типа рецепторов, различных по структуре и функции. Рецепторы, сопряженные с ионными каналами (ионотропные рецепторы, рецепторы-каналы, хемочувствительные каналы) образованы несколькими субъединицами. Каждая субъединица включает 4 трансмембранных гидрофобных домена из 20—25 аминокислот (рис. 12.3). Кроме того, у таких рецепторов имеются участки для обратимого фосфорилирования, а также участки, реагирующие на изменение мембранного потенциала. К подобным рецепторам относятся N-холинорецепторы (гл. 2 и 7), рецепторы аминокислот И ГАМК, глицина, глутамата и аспарта-та, а также 5-НТ3-рецепторы (гл. 11).
Второй главный тип рецепторов — рецепторы, сопряженные с G-белками (гл. 2). Они состоят из единственной субъединицы с семью трансмембранными доменами, соединенными тремя внеклеточными и тремя внутриклеточными петлями разной длины (рис. 12.4). Стимуляция таких рецепторов приводит к активации G-белков (гетеротримерных ГТФ-связывающих белков), что, в свою очередь, вызывает активацию либо ингибирование внутриклеточных эффекторных ферментов (например, аденилатциклазы или фосфолипазы С) или изменение функционирования ионных каналов (например, медленных кальциевых каналов или хемочувствительных калиевых каналов). Кроме того, сами эти рецепторы могут фосфорилироваться в нескольких участках. Механизмы всех этих процессов были подробно изучены с помощью молекулярно-генетических методов. К подобным рецепторам относятся М-холинорецепторы, ГАМКв-рецепторы, некоторые глутаматные рецепторы, а также некоторые рецепторы аминов и нейропептидов. Трансфекция клеток с целью экспрессии в них мРНК, кодирующей неизвестные типы рецепторов, привела к открытию новых нейропептидов (Reinscheid et al., 1995). В ЦНС существуют также рецепторы еще одного типа — рецепторы с собственной ферментативной активностью, например гуанилатциклазной (гл. 2).
Рисунок 12.4. Строение рецепторов, сопряженных с G-белками. Такие рецепторы состоят из единственной субъединицы с семью трансмембранными доменами. Участок связывания низкомолекулярных медиаторов погружен в мембрану; вторая и третья внутриклеточные петли взаимодействуют с G-белком (гл. 2).
В центральных синапсах присутствуют также белки-пере-носчики, обеспечивающие обратный захват медиатора — из синаптической щели в аксоплазму пресинаптического окончания, и из аксоплазмы в синаптические пузырьки (рис. 12.5). Предполагают, что они включают 12 трансмембранных доменов — так же как и белки — переносчики глюкозы и аденилатциклаза млекопитающих (Tang and Gilman, 1992).
Реакция постсинаптического нейрона на медиатор определяется его возбудимостью и количеством рецепторов медиатора. Продолжительный избыток медиатора (или его аналога) ведет к снижению количества рецепторов, а следовательно, и чувствительности к медиатору (десенситизации). Напротив, при дефиците медиатора количество рецепторов возрастает, и чувствительность к медиатору повышается. Эти адаптивные изменения особенно важно учитывать при лечении хронических заболеваний ЦНС: действие препарата при однократном и длительном приеме может сильно отличаться. Сходные изменения действуют и на пресинаптическом уровне, затрагивая синтез, хранение, высвобождение и обратный захват медиатора.
== Медиаторы, нейрогормоны и нейромодуляторы ==
=== Медиаторы ===
Из приведенных выше критериев следует, что медиатор - это вещество, которое нейрон синтезирует, выделяет и использует для передачи сигнала постсинаптической клетке-мишени. Действие медиатора может быть направлено как непосредственно на электрическую активность клетки-мишени, так и на протекающие в ней биохимические процессы, от которых зависит ее ответ на другие синаптические входы. К тому же эффект медиатора может зависеть от состояния клетки-мишени, то есть не столько вызывать возбуждение или торможение, сколько усиливать эти процессы (Bourne and Nicoll, 1993). Таким образом, эффект любого медиатора необходимо рассматривать в контексте нейронной системы, включающей данный синапс. Если один нейрон действует на несколько клеток-мишеней, действие это может быть как разным, так и одинаковым — все зависит от свойств постсинаптических рецепторов и способа, которым сигнал передается от рецептора к эффекторным механизмам клетки.
Известны два классических электрофизиологических эффекта медиаторов: 1) возбуждение: открывание ионных каналов приводит ко входу катионов и к деполяризации, мембранное сопротивление при этом снижается,
2) торможение: открывание ионных каналов приводит к таким ионным токам, в результате которых развивается гиперполяризация, мембранное сопротивление также снижается. Но есть и другие, «неклассические» варианты действия медиаторов. Как деполяризация, так и гиперполяризация могут быть обусловлены, напротив, закрыванием ионных каналов; мембранное сопротивление в этом случае повышается (Shepherd, 1998). Некоторые медиаторы (моноамины и некоторые пептиды) сами по себе мало влияют или вообще не влияют на ионные токи и мембранный потенциал, но при этом могут усиливать или подавлять реакцию клетки-мишени на классический — возбуждающий или тормозный — медиатор. Такой эффект назван модулирующим; предполагается, что существуют разные его варианты (Nicoll etal., 1990; Foote and Aston-Jones, 1995). Каковы бы ни были механизмы модулирующего действия, оно существенно отличается от вышеописанных быстрых и точных возбуждающих и тормозных влияний — к которым, как считали раньше, сводятся все варианты синаптической передачи. Возникло даже сомнение в том, что вещества, оказывающие модулирующее влияние, можно причислять к медиаторам. Кратко остановимся на некоторых из таких веществ и механизмах их действия.
=== Нейрогормоны ===
Некоторые клетки гипоталамуса были названы нейросекреторными — поскольку они одновременно представляют собой и нейроны (получают синаптические входы от нейронов ЦНС), и эндокринные клетки (высвобождают вещества непосредственно в кровь). Вещества, выделяемые такими клетками, стали называть нейрогормонами. Примером могут быть окситоцин и АДГ, которые вырабатываются в нейронах гипоталамуса, хранятся в окончаниях их аксонов в нейрогипофизе и отсюда секретируются в кровь. Вместе с тем стало известно, что эти нейроны гипоталамуса образуют синапсы на других нейронах (Hokfelt et al., 1995, 2000), а роль медиатора в таких синапсах, как показали цитохимические исследования, выполняют окситоцин и АДГ. Таким образом, эти и другие вырабатываемые гипоталамусом вещества можно называть «нейрогормонами» лишь постольку, поскольку они способны выделяться в кровь (например, в нейрогипофизе), однако этот термин ни в коей мере не отражает всех их функций.
=== Нейромодуляторы ===
Флори (Florey, 1967) назвал нейромодуляторами соединения, которые действуют на нейроны иначе, чем типичные медиаторы. Модуляторы выделяются вне синапса, но тем не менее влияют на возбудимость нервных клеток. Флори предполагал, что роль нейромодуляторов могут выполнять С02 и аммиак, которые высвобождаются из активных нейронов и глии. В настоящее время считают, что нейромодуляторным действием обладают стероидные гормоны, нейростероиды (Baulieu,1998), аденозин и другие пурины, простагландины и другие производные арахидоновой кислоты, а также NO (Gaily et al., 1990). Вторые посредники. В некоторых случаях реакция постсинаптического нейрона на медиатор обусловлена образованием вторых посредников, наиболее известными из которых служат цАМФ, цГМФ и продукты фосфоинозитидной системы (гл. 6, 7,10,11). Вместе с тем для нейронов головного мозга бывает методически трудно доказать, что изменение концентрации этих веществ непосредственно предшествует постсинаптическому потенциалу, а также необходимо и достаточно для его возникновения. Возможно, вторые посредники только способствуют возникновению постсинаптического потенциала — активируя реакцию фосфорилирования белков и тем самым запуская сложный каскад молекулярных событий. В результате меняются свойства мембраны и белков цитоплазмы, от которых зависит возбудимость нейрона (Greengard et al., 1999). Именно на эти механизмы могут действовать препараты, усиливающие или ослабляющие эффекты медиаторов (см. ниже).
=== Нейротрофические факторы ===
Нейроны, астроциты и микроглия, а также временно появляющиеся в ткани мозга (например, при воспалении) клетки иммунной системы синтезируют вещества, которые поддерживают рост, выживание и восстановление нейронов. Такую функцию выполняют различные вещества пептидной природы, подразделяемые на 7 видов (Black, 1999; McKay et al., 1999): 1) классические нейротрофины, например фактор роста нервов, мозговой нейротрофический фактор, 2) нейропоэтины (нейропоэтические цитокины), которые оказывают действие как на нейроны, так и на миелоидные клетки, например лейкоз-ингибирующий фактор, цилиарный нейротрофический фактор, некоторые интерлейкины, 3) пептидные факторы роста, включающие эпидермальный фактор роста, трансформирующие факторы роста а и β, глиальный нейротрофический фактор, активин А, 4) фактор роста фибробластов, 5) инсулиноподобные факторы роста, 6) тромбоцитарные факторы роста, 7) факторы, направляющие рост аксонов, — некоторые из них способны привлекать клетки иммунной системы (Song and Poo, 1999; Spriggs, 1999). Препараты, активирующие синтез и выделение нейротрофинов либо имитирующие их действие, могли бы стать эффективным средством для стимуляции восстановительных процессов.
Рисунок 12.5. Предполагаемое строение белков-переносчиков. Белки — переносчики аминов и аминокислот как пресинаптической мембраны, так и синаптических пузырьков включают 12 трансмембранных доменов (точная ориентация N-концевых остатков не известна). В остальном структура этих двух видов белков-переносчиков несколько отличается.
== Центральные медиаторы ==
Многие препараты, действующие на ЦНС, вмешиваются в медиаторную передачу. Таким образом, для понимания эффектов этих препаратов необходимо знать механизмы действия центральных медиаторов. Согласно гипотезе химической специфичности, или принципу Дейла (Dale, 1935), один нейрон синтезирует один медиатор, который и выделяет во всех своих пресинаптических окончаниях. Однако все больше и больше данных свидетельствует о том, что нейрон может содержать несколько медиаторов (Hokfelt et al., 1995, 2000). Таким образом, принцип Дейла видоизменяется следующим образом: нейрон синтезирует и выделяет один и тот же набор медиаторов во всех своих пресинаптических окончаниях. Но и такое прочтение вряд ли можно считать окончательным. Не ясно, например, вырезается ли из пептида-предшественника только один, одинаковый пептид, предназначенный для всех окончаний нейрона. В табл. 12.1 обобщены свойства наиболее изученных медиаторов ЦНС. Далее медиаторы будут рассмотрены по химическим группам: аминокислоты, амины и пептиды. К другим соединениям, которые участвуют в синаптической передаче, относятся пурины, например аденозин и АТФ (Edwards and Robertson, 1999; Moreau and Huber, 1999; Baraldi et al., 2000), а также NO (Cork et al., 1998) и производные арахидоновой кислоты (Mechoulam et al., 1996; Piomelli et al., 1998).
=== Аминокислоты ===
Для ЦНС характерна высокая концентрация некоторых аминокислот — особенно глутамата и ГАМК. Эти простые соединения есть почти во всех структурах мозга, они оказывают немедленное, мощное и кратковременное действие на любой нейрон. Для истинных же медиаторов характерна избирательность — как в распределении, так и в действии. Поэтому медиаторную роль аминокислот признали не сразу. Моноаминодикарбоновые аминокислоты дают сильный возбуждающий эффект, моноаминомонокарбоновые (ГАМК, глицин, β-аланин, таурин) оказывают столь же сильное, но тормозное действие (Kelly and Beart, 1975). Появление избирательных блокаторов открыло возможность для выявления рецепторов аминокислот и обнаружения их подтипов. Последующее картирование рецепторов мечеными лигандами окончательно подтвердило, что ГАМК, глицин и глутамат — центральные медиаторы.
=== ГАМК ===
Присутствие ГАМК в ткани мозга было обнаружено в 1950 г. — но ее тормозное действие распознали не сразу. При изучении рецепторов растяжения ракообразных были обнаружены следующие факты: 1) ГАМК оказывает тормозное действие на мышцы, 2) она содержится исключительно в тормозных нервах, 3) экстракт этих нервов оказывает такое же тормозное действие, 4) иной тормозной аминокислоты обнаружено не было, 5) выделение ГАМК коррелирует с частотой стимуляции тормозных нервов, 6) аппликация ГАМК и стимуляция тормозных нервов вызывали одинаковый эффект: повышение хлорной проводимости в мышечном волокне. Эти факты позволили с полным правом причислить ГАМК к медиаторам (подробнее об истории вопроса см. в обзоре Bloom, 1996).
Вскоре было выяснено, что в ЦНС млекопитающих ГАМК оказывает сходные физиологические и фармакологические эффекты. Оказалось, что ГАМК опосредует действие тормозных нейронов локальных контуров головного мозга, а также пресинаптическое торможение в спинном мозге. Тормозные ГАМКергические синапсы есть во многих структурах мозга: их образуют клетки Пуркинье коры мозжечка на нейронах ядра Дейтерса; вставочные нейроны на клетках Пуркинье, обонятельной луковицы, клиновидного ядра продолговатого мозга, гиппокампа, латерального ядра прозрачной перегородки; нейроны вестибулярных ядер на мотонейронах ядра блокового нерва. ГАМК обеспечивает торможение в коре больших полушарий, а также тормозное действие стриатума на черную субстанцию. Таким образом, ГАМК — это главный тормозный медиатор в ЦНС млекопитающих. Локализация ГАМКергических нейронов и распределение их нервных окончаний установлены методами, позволяющими обнаружить глутаматдекарбоксилазу — фермент синтеза ГАМК из глутаминовой кислоты. Иммуноцитохимические методы выявляют сам фермент, флюоресцентная гибридизация in situ — кодирующую его мРНК. Многие ГАМКергические нейроны содержат также один или несколько нейропептидов. Для исследований ГАМКергической передачи используют блокаторы рецепторов ГАМК — бикукуллин и пикротоксин. Избирательными антагонистами ГАМК оказались также многие вещества, провоцирующие судорожную активность, например пенициллин и пентетразол (Macdonald et al., 1992; Macdonald and Olsen, 1994). Пока не ясно, обладают ли терапевтическим действием агонисты ГАМК — стимуляторы рецепторов ГАМК (мусцимол), ингибиторы ее обратного захвата (2,4-диа-миномасляная кислота, нипекотиновая кислота, гувацин) или вещества, влияющие на ее обмен (например, аминооксиуксусная кислота).
Рецепторы ГАМК подразделяют на два типа. Наиболее распространенные ГАМКд-рецепторы относятся к ионотропным: они представляют собой хемочувствительные хлорные каналы, открывающиеся при воздействии ГАМК. ГАМКв-рецепторы-метаботропные: их действие (в том числе на ионные каналы) опосредовано G-белками и каскадом биохимических реакций.
Молекулярное строение рецепторов ГАМКД, которые играют роль почти в любых нейронных контурах, изучено достаточно подробно. Эти рецепторы являются точкой приложения многих действующих на ЦНС препаратов (гл. 17) — особенно важны среди них бензодиазепины и барбитураты. Не исключено, что на ГАМКд-рецепторы действуют также стероидные анестетики, ингаляционные анестетики и этанол (Macdonald, Twyman et al., 1992).
Методами молекулярного клонирования обнаружено более 15 субъединиц рецепторов ГАМКа. Выявлены также варианты этих субъединиц, образующиеся в результате альтернативного сплайсинга мРНК. ГАМКд-рецепторы имеют типичную для всех ионотропных рецепторов структуру: как и классические N-холинорецепторы, они состоят из 5 или 4 белковых субъединиц, окружающих пору ионного канала.
Предположение о разнообразии рецепторов ГАМКд возникло в результате фармакологических исследований. Позже стало известно, что рецепторы с разными фармакологическими свойствами образованы разными комбинациями субъединиц (Barnard etal., 1988; Olsen etal., 1990; Seeburgetal., 1990). Однако истинное разнообразие рецепторов ГАМКд еще предстоит выяснить. Изоформы рецепторов ГАМКд локализованы в разных структурах мозга, экспрессия их генов различна в разные периоды онтогенеза — поэтому функции их, скорее всего, тоже различаются.
Большинство рецепторов ГАМКд состоят не менее чем из трех типов субъединиц — а, (3 и у. Их стехиометрическое соотношение не известно (De Bias, 1996). Для того чтобы образовался рецептор ГАМ КА, реагирующий с бензодиазепинами так же, как и естественный рецептор, в его структуре должны быть именно эти субъединицы — замена их изоформами даст рецептор с иными фармакологическими свойствами (гл. 17).
=== Глицин ===
Многие свойства рецепторов ГАМКд присущи глициновым рецепторам. Глицин — это тормозный медиатор, распространенный в структурах ствола мозга и спинного мозга. Методами молекулярного клонирования обнаружено множество субъединиц, различные комбинации которых образуют разные подтипы глициновых рецепторов (Grenningloh et al., 1987; Malosioet al., 1991). Как и в случае с рецепторами ГАМКа, глициновые рецепторы с разными фармакологическими свойствами различаются и по локализации в ЦНС, и по экспрессии их генов в разные периоды онтогенеза — и точно так же не ясно, чем отличаются их функции.
=== Глутамат и аспартат ===
В головном мозге глутамат и аспартат присутствуют в очень высокой концентрации, оказывая сильнейшее возбуждающее действие на нейроны почти всех отделов ЦНС. Столь широкая распространенность мешала признать их медиаторную роль, однако в настоящее время уже нет сомнений, что глутамат и, возможно, аспартат — классические, «быстрые» возбуждающие медиаторы ЦНС (Seeburg, 1993; Cotman et al., 1995; Herrling, 1997). Фармакологические исследования последнего десятилетия выявили различные типы рецепторов возбуждающих аминокислот (Herrling, 1997).
Как и рецепторы ГАМК, глутаматные рецепторы подразделяются на ионотропные (рецепторы-каналы) и метаботропные (рецепторы, сопряженные с G-белками). Точное количество субъединиц, образующих ионотропные глутаматные рецепторы, и их взаимное расположение пока не известны (Borges and Dingledine, 1998; Dingledineet al., 1999).
Типы ионотропных глутаматных рецепторов выделяют по их чувствительности к аналогам глутамата: а-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислоте (АМРА-рецепторы), каиновой кислоте (каинатные рецепторы) и N-метил-О-аспартату (NMDA-рецепторы) (Borges and Dingledine, 1998; Dingledine et al., 1999). Получены многие избирательные блокаторы глутаматных рецепторов (Herrling, 1997). В случае NMDA-рецепторов помимо конкурентных блокаторов, действующих на участок связывания глутамата, есть также неконкурентные блокаторы, действующие на другие участки. Это блокатор открытых каналов фенциклидин; 5,7-дихлоркинуреновая кислота, действующая на участок связывания глицина NMDA-рецептора; блокатор закрытых каналов ифенпродил. Кроме того, чувствительность NMDA-рецепторов зависит от pH и некоторых эндогенных модуляторов — к ним относятся ионы цинка, некоторые нейростероиды, арахидоновая кислота, окислители и восстановители, полиамины, например спермин (Dingledine et al., 1999).
В последние годы клонированы кДНК метаботропных глутаматных рецепторов и различных субъединиц, образующих NMDA-, АМРА- и каинатные рецепторы (Borges and Dingledine, 1998; Dingledine et al., 1999). Разнообразие глутаматных рецепторов является также результатом альтернативного сплайсинга и так называемого посттранскрипционного редактирования мРНК, при котором в ней происходят замены оснований. Механизм альтернативного сплайсинга объясняет наличие изоформ метаботропных глутаматных рецепторов и субъединиц NMDA, АМРА и каинатных рецепторов (Hollmann and Heinemann, 1994). Интересный вариант внутренней «генной инженерии» действует при синтезе некоторых субъединиц АМРА- и каинатных рецепторов: измененная РНК отличается от исходной единственным кодоном, который определяет проницаемость канала для ионов кальция (Traynelis et al., 1995). Иначе говоря, замещается только одна почти из 900 аминокислот, но именно от этого зависит, будет ли связанный с рецептором канал пропускать кальций.
Глутаматные рецепторы, по-видимому, представляют собой совершенно особое семейство рецепторов, поскольку кодирующие их гены имеют очень небольшое сходство с генами других рецепторов — как ионотропных (например, N-холинорецепторов), так и метаботропных.
В большинстве глутаматергических синапсов головного и спинного мозга активация АМРА- и каинатных рецепторов вызывает быструю деполяризацию постсинаптической мембраны (ВПСП). NMDA-рецепторы также участвуют в синаптической передаче, но активация их в большей мере связана с различными явлениями синаптической пластичности, а не с быстрой точной передачей информации. Во многих глутаматергических синапсах NМDA-рецепторы локализованы совместно с AM РА-икаинатными рецепторами. Хорошо известный феномен, в котором участвуют NMDA-рецепторы, — долговременная потенциация (длительное, от нескольких часов до нескольких суток, облегчение синаптической передачи, то есть усиление реакции постсинаптического нейрона на воздействие медиатора). Активация NMDA-рецепторов — обязательное условие одного из типов долговременной потенциации, развивающейся в нейронах гиппокампа. Для активации NMDA-рецепторов необходимо не только воздействие глутамата. но и одновременная деполяризация постсинаптической мембраны, поскольку при потенциале покоя NMDA-рецепторы блокированы ионами магния. Это условие выполняется за счет активации АМРА- и каинатных рецепторов соседних синапсов. Таким образом, NMDA-рецепторы могут выполнять функцию детектора совпадения, реагируя только в том случае, когда к постсинаптическому нейрону одновременно поступают импульсы от двух или нескольких пресинаптических нейронов. NMDA-рецепторы участвуют также в долговременной депрессии — явлении, обратном долговременной потенциации. Разовьется ли долговременная депрессия или долговременная потенциация, по-видимому, зависит от частоты и рисунка нервной импульсации, поступающей по глутаматергическим окончаниям (Malenka and Nicoll, 1999).
Нейротоксичность глутамата. Уже более 30 лет известно, что избыток глутамата вызывает гибель нейронов (Olney, 1969). Однако только в последнее время стали проясняться механизмы нейротоксичности глутамата и его аналогов. Вначале считали, что каскад событий, ведущий к гибели нейронов, запускается чрезмерной активацией NMDA- или АМРА- и каинатных рецепторов, которая вызывает мощный приток кальция в нейрон. Нейротоксичность глутамата рассматривали как причину поражения мозга при ишемии или гипогликемии; в таких случаях избыточный выброс глутамата сочетается с нарушением его обратного захвата — все это ведет к сильнейшей стимуляции глутаматных рецепторов и гибели нейронов. Блокаторы NMDA-рецепторов могут замедлять или даже останавливать гибель отдельных нейронов (Herrling, 1997), хотя даже самые мощные из них не способны полностью предотвратить поражение мозга. Недавние исследования (Choi and Koh, 1998; Lee et al., 1999; Zipfel et al.,1999) показали, что фактором, ведущим к некрозу и апоптозу нейронов, может быть местное снижение концентраций натрия и калия, а также небольшое, но значимое повышение внеклеточной концентрации цинка (Merry and Korsmeyer, 1997). NMDA-рецепторы играют также роль в развитии судорожной готовности (Blumcke et al., 1995). При синдроме Расмуссена (детском заболевании, для которого характерны неизлечимые эпилептические припадки и деменция) обнаруживают антитела к субъединицам глутаматных рецепторов (Rogers et al., 1994).
Глутаматные рецепторы есть почти во всех структурах мозга, и поэтому они могут быть одной из точек приложения лекарственных средств, действующих на ЦНС. Например, нарушение глутаматергической передачи может играть роль в этиологии дегенеративных заболеваний мозга, а также шизофрении (Farber et al., 1998; Olney et al., 1999).
=== Ацетилхолин ===
Вначале было установлено, что [[ацетилхолин]] является медиатором в нервно-мышечных синапсах и в синапсах вегетативной нервной системы, а затем возникло предположение, что ацетилхолин может быть и центральным медиатором. В пользу такого предположения свидетельствовало неравномерное распределение в мозге ацетилхолина. Кроме того, холинергические препараты, введенные в ЦНС, оказывали заметное действие на поведение. В конце 1950-х гг. Экклс и сотр. показали, что возвратное возбуждение клеток Реншоу устраняется N-холиноблокаторами. К тому же клетки Реншоу оказались чувствительными к ацетилхолину. Все это соответствовало принципу Дейла: во всех отростках мотонейрона оказался один и тот же медиатор, который вызывал одинаковый постсинаптический эффект (Ес-cles, 1964). Позже возбуждающий эффект ацетилхолина был продемонстрирован на нейронах многих других струк- . тур ЦНС (Shepherd, 1998). Однако синапсы на клетках ' Реншоу остались классическим образцом центральных холинергических синапсов. Поиск веществ, избирательно действующих на центральные N-холинорецепторы, продолжается (Decker et al., 1997; Bannon et al., 1998).
Методами ионофоретической аппликации и связывания меченых лигандов было показано, что в большинстве структур ЦНС эффект ацетилхолина опосредован активацией одновременно N- и М-холинорецепторов. В головном мозге обнаружены несколько холинергических систем. Различными методами (среди них иммуноцитохимические, позволяющие обнаружить фермент синтеза ацетилхолина — холинацетилтрансферазу; изучение связывания лигандов: флюоресцентная гибридизация in situ, позволяющая выявить нейроны, экспрессирующие субъединицы N- и М-холинорецепторов) в головном мозге найдены восемь главных скоплений холинергических нейронов (Mesu-lam, 1995). Четыре из них расположены в базальных отделах переднего мозга (среди них ядра прозрачной перегородки и базальное ядро Мейнерта); от них идут холинергические волокна к новой коре, гиппокампу и обонятельной луковице. В новой коре холинергические нейроны обнаружены у грызунов, но не у приматов. Два скопления холинергических нейронов локализованы в верхнем отделе моста — они посылают волокна к таламусу и стриатуму. Холинергические нейроны продолговатого мозга иннервируют структуры ствола мозга, в частности среднего мозга. К нейронам, посылающим холинергические волокна к новой коре и гиппокампу, путем ретроградного аксонального транспорта от клеток-мишеней поступают факторы роста; поэтому при дегенерации нейронов коры наступает и атрофия холинергических нейронов (Sofroniew et al., 1993). Именно это и происходит при болезни Альцгеймера (гл. 22); отсюда попытки применять при ней средства, улучшающие холинергическую передачу. Катехоламины. В головном мозге существуют нейронные системы, медиаторами которых служат три разных катехоламина: дофамин, норадреналин и адреналин. Эти системы обособлены, но функции их сходны. Картирование катехоламинергических структур вначале было выполнено на грызунах (Hokfelt et al., 1976, 1977), а затем на приматах (Foote, 1997; Lewis, 1997).
=== Дофамин ===
Вначале [[дофамин]] рассматривали лишь как предшественник [[норадреналин]]а, но потом оказалось, что распределение в ЦНС дофамина и норадреналина отличается. На долю дофамина приходится более половины от общего содержания катехоламинов в ЦНС. Больше всего дофамина в базальных ядрах (особенно в хвостатом ядре), в прилежащем ядре, обонятельном бугорке, центральном ядре миндалевидного тела, срединном возвышении и некоторых зонах лобной области коры. Достаточно хорошо изучены анатомические связи дофаминергических нейронов.
В зависимости от протяженности дофаминергические проекции подразделяют на: 1) короткие — их образуют амакринные клетки сетчатки и некоторые клетки обонятельной луковицы, 2) средние — к ним относятся волокна дофаминергических нейронов вентральной гипотапамической области, которые иннервируют срединное возвышение и промежуточную долю гипофиза, а также проекции нейронов задней и дорсальной гипоталамической области, которые направляются к латеральным ядрам перегородки, дорсальному ядру блуждающего нерва, ядру одиночного тракта и околоводопроводному серому веществу, 3) длинные — проекции основных дофаминергических структур мозга: черной субстанции и группы дофаминергических нейронов, расположенной в вентральной области покрышки среднего мозга; эти структуры иннервируют стриатум и различные образования лимбической системы, за исключением гиппокампа (Hokfelt et al., 1976, 1977). Действие дофамина на пост-синаптический нейрон зависит от типа представленных на нем рецепторов, а также от действия других медиаторов.
На основе фармакологических исследований были выделены два типа дофаминовых рецепторов — D) (активирующие аденилатциклазу) и D2 (ингибирующие аденилатциклазу). Позже методами клонирования удалось выявить как минимум 5 генов, кодирующих разные типы дофаминовых рецепторов. Тем не менее условное разделение на Di-подобные и D2-подобные рецепторы сохранилось. К первым относят D1 и D5-рецепторы. К D2-подобным рецепторам относят обе изоформы D2-peцептора, отличающиеся длиной третьей внутриклеточной петли — D2S (от англ. short — короткий) и D2L (от англ. long — длинный), а также D3- и 04-рецепторы (Grandy and Civelli, 1992; Gingrich and Caron, 1993; Civelli, 1994). D1- и 05-рецепторы активируют аденилатциклазу. D2-рецепторы ингибируют аденилатциклазу, увеличивают калиевый и уменьшают кальциевый ток. Эффекторные системы, с которыми сопряжены D3- и D4-peцепторы, точно не установлены (Sokoloff and Schwartz, 1995; Schwartz et al., 1998). D2-рецепторы играют важную роль в патогенезе шизофрении и болезни Паркинсона (гл. 20 и 22). Норадреналин. Норадреналин есть почти во всех структурах мозга, но больше всего его в гипоталамусе и структурах лимбической системы — центральном ядре миндалевидного тела и зубчатой извилине. Большинство адренергических нейронов сосредоточено в голубоватом месте и ретикулярной формации латерального отдела покрышки ствола мозга. Многократно ветвящиеся аксоны этих нейронов иннервируют обширные области коры, подкорковые структуры, образования продолговатого и спинного мозга (Hokfelt et al., 1976, 1977; Foote and Aston-Jones, 1995; Foote, 1997).
Медиаторная роль норадреналина доказана, но эффект его достаточно трудно определить однозначно. Фармакологические свойства адренергических синапсов могут быть достаточно сложными; в одном и том же синапсе могут активироваться как а-, так и p-адренорецепторы. Действие норадреналина на электрическую активность нейрона отличается от действия классических медиаторов — оно зависит от исходного состояния нейрона и носит пермиссивный характер. Так, стимуляция нейронов голубоватого места подавляет спонтанную активность нейронов мозжечка — при этом наблюдается медленная гиперполяризация и снижение проводимости постсинаптической мембраны. Но если активность нейронов мозжечка вызвана возбуждающими входами и частота импульсов выше, то стимуляция голубоватого места влияет на нее в гораздо меньшей степени, усиливая при этом ВПСП. Эффекты стимуляции нейронов голубоватого места воспроизводятся ионофоретической аппликацией норадреналина и устраняются p-адреноблокаторами. Механизм действия норадреналина на клетки-мишени пока не ясен, однако установлено, что он опосредован цАМФ. Нейроны голубоватого места получают афферентные волокна от холинергических нейронов продолговатого мозга, опиоидергиче-ских нейронов, серотонинергических нейронов ядер шва ствола мозга, а также нейронов гипоталамуса, вырабатывающих кор-тиколиберин. Последние обеспечивают участие адренергической системы голубоватого места в механизмах стресса (Aston-Jones et al., 1999).
Так же, как в периферической нервной системе, в ЦНС имеются три типа адренорецепторов — a1, а2 и β, которые, в свою очередь, подразделяются на подтипы, различные по фармакологическим свойствам и распределению в структурах мозга (гл. 10). Все три подтипа β-адренорецепторов активируют аденилатциклазу. Бета1-адренорецепторы расположены преимущественно на нейронах, β2-адренорецепторы — на клетках глии и сосудах.
Действие норадреналина на а1-адренорецепторы нейронов новой коры и таламуса вызывает деполяризацию, обусловленную уменьшением проницаемости калиевых каналов; этот эффект блокируется а1адреноблокатором празозином (Wang and McCormick, 1993). Как было продемонстрировано на срезах новой коры, а1-адренорецепторы взаимодействуют также с ВИП -при этом повышается синтез цАМФ (Magistretti et al., 1995). Крометого, стимуляция а-адренорецепторов приводит к активации фосфолипазы С и образованию ДАГ и ИФ3 (гл. 2). На адренергических нейронах имеется большое количество а2-адренорецепторов. Их активация приводит к гиперполяризации, обусловленной повышением проводимости каналов аномального выпрямления Kir (рис. 12.2). На эти каналы влияют и другие медиаторы (Foote and Aston-Jones, 1995). В нейронах коры, иннервируемых адренергическими волокнами, а2-адренорецеп-торы участвуют в восстановительных процессах, например при возрастных функциональных нарушениях (Amsten, 1993). Как и D2-рецепторы, а2-адренорецепторы ингибируют аденилатциклазу, но их эффекты в ЦНС в основном обусловлены открыванием хемочувствительных калиевых каналов и снижением вероятности открывания медленных кальциевых каналов; в передаче сигнала участвуют чувствительные к коклюшному токсину G-белки. По фармакологическим свойствам а2-адренорецепторы подразделяют на три подтипа: а2А, а2В и а2С. Все они, по-видимому, сопряжены с одинаковыми системами внутриклеточной передачи сигнала (Bylund, 1992). Возможно, функции различных подтипов а2-адренорецепторов прояснят исследования на трансгенных мышах с выключением соответствующих генов (MacDonald et al., 1997).
=== Адреналин ===
Появление чувствительных методов обнаружения фенилэтаноламин-N-метилтрасферазы, в том числе иммуноцитохимических (Hokfelt et al., 1976), позволило найти в ЦНС нейроны, содержащие [[адреналин]]. Они обнаружены в ретикулярной формации продолговатого мозга, проекции их ограничиваются несколькими ядрами моста, промежуточного мозга, а самые длинные волокна достигают паравентрикулярных ядер таламуса. Функции этих нейронов пока не известны.
=== Серотонин ===
В сыворотке и кишечнике было обнаружено биологически активное вещество, названное соответственно [[серотонин]]ом и энтерамином. Вскоре было показано, что серотонин и энтерамин идентичны и представляют собой 5-гидрокситриптамин (5-НТ). Позже это соединение обнаружили в мозге (гл. 11). С тех пор изучение локализации и функций серотонина в ЦНС стало важнейшей темой нейрофармакологии. Цитохимические исследования, проведенные на разных видах животных, позволили выяснить организацию серотонинергических структур мозга. Серотонинергические нейроны сосредоточены в девяти ядрах шва ствола мозга (Steinbusch and Mulder, 1984).
Ядра шва, расположенные в верхнем отделе ствола мозга, иннервируют структуры переднего мозга, расположенные в нижнем его отделе, — структуры ствола и спинного мозга, с некоторым перекрытием. От медиальных ядер шва идут важнейшие афферентные волокна к лимбической системе, от дорсальных — к новой коре и стриатуму. В ЦНС млекопитающих нейроны, иннервируемые серотонинергическими волокнами (например, в супрахиазмальном ядре гипоталамуса, латеральном коленчатом теле, миндалевидном теле, гиппокампе), имеют похожие по форме, сильно ветвящиеся дендриты.
Молекулярно-генетическими методами у млекопитающих выявлены 14 подтипов серотониновых рецепторов, которые имеют различные фармакологические свойства, действуют через разные системы внутриклеточной передачи сигнала, по-раз-ному распределены в ЦНС и опосредуют разные поведенческие эффекты серотонина. На основании структурных различий выделяют несколько типов серотониновых рецепторов. 5-НТ1 и 5-НТ2-рецепторы — это рецепторы, включающие семь трансмембранных доменов и сопряженные с G-белками; каждый из этих типов рецепторов включает несколько подтипов. 5-НТ3-рецептор представляет собой рецептор-канал, сходный по строению с а-субъединицей N-холинорецептора. Известно, что 5-НТ4-, 5-НТ5-, 5-НТ6- и 5-НТ7-рецепторы сопряжены с G-белками, но в остальном они пока изучены плохо (Hoyer and Martin, 1996). Функции их, как и всех других рецепторов, выделенных молекулярно-генетическими методами, изучаются в исследованиях на трансгенных животных (Murphy et al., 1999). Подробнее о подтипах серотониновых рецепторов см. гл. 11.
К 5-НТ1 -рецепторам относятся как минимум пять подтипов: 5-НТ1а, 5-НТ1В, 5-HT1d, 5-HT1e, 5-HT1F. Все они кодируются генами, не содержащими интроны. Активация этих рецепторов приводит к ингибированию аденилатциклазы; некоторые из них регулируют также проницаемость калиевых и кальциевых каналов. 5-НТ1А-рецепторы, в большом количестве представленные на серотонинергических нейронах дорсальных ядер шва, участвуют, по-видимому, в терморегуляции. Кроме того, эти рецепторы обнаружены в структурах, играющих роль в эмоциях и тревожности, например в гиппокампе и миндалевидном теле. Активация 5-НТ1А-рецепторов приводит к открыванию калиевых каналов аномального выпрямления Kir, что ведет к гиперполяризации и торможению нейрона. Стимуляторы 5-НТ1A-рецепторов — буспирон и ипсапирон — используют для лечения тревожных расстройств, в том числе панического (Aghajanian, 1995). Стимулятор 5-НТ1D-рецепторов суматриптан эффективен для купирования приступа мигрени.
К5-НТ2-рецепторам относятся 3 подтипа: 5-НТ2А, 5-НТ2в и 5-НТ2С. Гены этих рецепторов, в отличие от генов 5-НТ1рецепторов, содержат интроны. Стимуляция 5-НТ2-рецепторов приводит к активации фосфолипазы С. Исследования методами связывания лигандов и флюоресцентной гибридизации in situ показали, что 5-НТ2А-рецепторы широко представлены в новой коре, а также в обонятельном бугорке и нескольких ядрах ствола. Активация 5-НТ2л-рецепторов приводит к повышению возбудимости мотонейронов лицевого нерва посредством двух механизмов: 1) медленного закрывания калиевых каналов, сопровождающегося ростом мембранного сопротивления, 2) открывания активируемых гиперполяризацией каналов 1), — этот эффект более выражен, чем первый, и устраняется блокатором 5-НТ2А-рецепторов ритансерином (Aghajanian, 1995). В пири-формной коре Агаджанян и сотр. наблюдали торможение пирамидных нейронов, опосредованное ГАМКергическими вставочными нейронами и блокируемое ритансерином. В коре стимуляторы 5-НТ2A-рецепторов (но не сам серотонин) также вызывают торможение. Некоторые другие эффекты могут объясняться присутствием на одном и том же нейроне нескольких подтипов серотониновых рецепторов. 5-НТ2C-рецепторы сходны по структуре и фармакологическим свойствам с 5-НТ2A-рецепторами. В головном мозге 5-НТ2С-рецепторы сосредоточены в сосудистых сплетениях, где они участвуют в выработке СМЖ (гл. 11).
5-НТ3-рецепторы, обнаруженные вначале в периферическом отделе вегетативной нервной системы, представлены и в головном мозге: плотность их особенно высока в самом заднем поле ромбовидной ямки (area postrema) и ядре одиночного пути. Активация этих рецепторов вызывает сильную деполяризацию, но при длительном действии серотонина быстро развивается десенситизация. При активации 5-НТ3-рецепторов усиливаются натриевый и калиевый токи, но не кальциевый ток. Стимуляция центральных 5-НТ3-рецепторов вызывает рвоту и повышает болевой порог. Блокаторы 5-НТ3-рецепторов, например он-дансетрон, эффективны при тошноте, вызванной химиотерапией (гл. 38).
Галлюциноген ЛСД — одно из самых интересных биологически активных соединений. ЛСД вмешивается в серотонинергические процессы, действуя прежде всего на 5-НТ2-рецепторы. Ионофоретическая аппликация как ЛСД, так и серотонина тормозит серотонинергические нейроны ядер шва. При этом ЛСД, как и другие галлюциногены, оказывает еще более сильное возбуждающее действие на мотонейроны лицевого нерва, к которым подходят серотонинергические волокна от ядер шва. Галлюциногенный эффект ЛСД объясняют его тормозным действием на ядра шва — блокируется система, оказывающая постоянное тормозное действие на зрительный и другие сенсорные каналы. Однако есть факты, противоречащие такому объяснению: 1) характерное действие ЛСД на поведение животных сохраняется как после разрушения ядер шва, так и на фоне подавления синтеза серотонина парахлорфенилаланином, 2) галлюциногенный эффект ЛСД усиливается 5-гидрокситриптофа-ном — предшественником серотонина. Таким образом, механизмы галлюциногенного эффекта ЛСД пока остаются неясными. Возможно, функции серотонинергической системы мозга прояснят эксперименты, в которых будут использованы более избирательные средства (Aghajanian and Marek, 1999).
=== Гистамин ===
Достаточно давно известно, что как сам гистамин, так и препараты с антигистаминной активностью заметно меняют поведение животных. Однако лишь в последнее время появились основания отнести гистамин к центральным медиаторам. Биохимическими методами было доказано, что нейроны способны синтезировать гистамин; цитохимические методы позволили выяснить локализацию таких нейронов — все это свидетельствовало о существовании центральной гистаминергической системы. Нейроны, вырабатывающие гистамин, сосредоточены в задней гипоталамической области, а их аксоны расходятся почти во все отделы мозга (такой принцип организации типичен для аминергических систем). Предполагают, что гистаминергическая система мозга участвует в регуляции общей активности мозга, терморегуляции и регуляции тонуса сосудов.
Выделены три типа гистаминовых рецепторов. Наиболее распространенные Н1 -рецепторы локализованы как на клетках глии и сосудов, так и на нейронах. Полагают, что их активация приводит к увеличению внутриклеточной концентрации кальция.
Н2-рецепторы активируют аденилатциклазу; возможно, в определенных условиях они действуют совместно с Н1рецепторами. Н3-рецепторы локализованы более избирательно, например у крыс в базальных ядрах и структурах обонятельного мозга. Эти рецепторы наиболее чувствительны к гистамину, но функция их пока не ясна. В отличие от других медиаторов — моноаминов и аминокислот, для гистамина обратный захват не обнаружен. Нет также убедительных доказательств высвобождения гистамина нейронами — ни in vivo, ни in vitro (Schwartz et al., 1995). Пептиды. 1980-е гг. были ознаменованы открытием в ЦНС все новых и новых пептидов, способных влиять на самые разные функции нервной системы. Все это вызвало сильное воодушевление и привело к появлению внушительного списка пептидов (Hokfelt et al., 1995; Darlison and Richter, 1999). Оказалось, что в мозге есть и многие уже известные пептиды, которые, как считалось раньше, синтезируются только в кишечнике или эндокринными железами. По данным иммуноцитохимических исследований была составлена достаточно подробная карта распределения пептидов в головном мозге. Некоторые нейропептиды выполняют самостоятельные функции, однако большинство из них, как сегодня полагают, локализованы и действуют совместно с медиаторами — аминами и аминокислотами. Если нейрон содержит несколько медиаторов (Hokfelt et al., 1995), на функцию каждого из них может влиять отдельный пептид. В попытках систематизировать непрерывно растущий список нейропептидов можно выделить как минимум три различных подхода.
Структурная классификация. Некоторые пептиды обладают высоким структурным сходством, на основании чего их можно объединять в семейства. При этом в пределах каждого семейства пептиды могут быть сходными по происхождению (родственные пептиды); структура таких пептидов незначительно отличается у разных видов животных. К семействам родственных пептидов относятся, например, тахикинины (в частности, вещество Р) и вазотоцины (вазопрессин и окситоцин). Примеры семейств сходных по структуре, но неродственных пептидов — опиоидные пептиды и глюкагон-секретины. Суперсемейство опиоидных пептидов объединяет семейства эндорфинов, энкефалинов и динорфинов. Пептиды этих трех семейств образуются из разных предшественников (препроопиомеланокортина, препроэнкефалина и препродинорфина), кодируемых разными генами; они различаются и по анатомическому распределению (Akiletal., 1998). Рецепторы, с которыми взаимодействуют опиоидные пептиды, были названы опиатными рецепторами; в настоящее время находят все новые их типы (гл. 23). Многочисленные пептиды семейства глюкагон-секретинов вырабатываются разными тканями; глюкагон и ВИП — островками поджелудочной железы, секретин — слизистой двенадцатиперстной кишки, ВИП и некоторые другие пептиды — нейронами вегетативной (в том числе энтеральной) и центральной нервной системы (Magistretti et al., 1998), соматолиберин — только нейронами ЦНС (Guillemin et al., 1984). Общим в действии всех этих пептидов можно считать то, что все они так или иначе повышают уровень глюкозы в крови. Надо сказать, что такое разделение на семейства родственных и неродственных пептидов в известной мере условно. Так, у млекопитающих обнаружено множество пептидов семейства тахикининов; они имеются и в ЦНС, и в кишечнике, и им соответствуют, видимо, разные подтипы рецепторов (Vanden Broeck et al., 1999); возможно, родство разных членов этого семейства не столь близкое. У млекопитающих семейство вазотоцинов включает два пептида, которые имеют сходное строение, но разные функции, — у низших видов обе эти функции выполняет один пептид этого семейства. Анатомическая классификация. Некоторые пептиды вырабатываются в более или менее анатомически обособленных структурах ЦНС. Например, пептиды гипоталамуса — окситоцин, вазопрессин, проопиомеланокортин, гонадолиберин, соматолиберин вырабатываются компактными группами нейронов, которые направляют разветвленные волокна к нескольким отделам мозга. С другой стороны, структуры, содержащие соматостатин, холецистокинин и энкефалины, могут иметь очень разнообразную организацию: от иерархических контуров средней протяженности до локальных контуров, образованных короткоаксонными нейронами и широко разбросанных по разным отделам мозга.
=== Функциональная классификация ===
Почти все пептиды обнаружены при помощи биологических проб, поэтому и названы они в соответствии с характером их активности: например, тиролиберин, ВИП. Однако подобные названия постепенно утрачивают смысл, поскольку все больше проявляется универсальность, вездесущность пептидов — как в их распределении, так и в функциях. Некоторые полагают, что широко разбросанные по разным структурам мозга нейроны (и другие клетки), использующие один и тот же пептид, могут выполнять некую интегративную функцию. Возможна и иная точка зрения: каждый пептид выполняет уникальную функцию как передатчик сигнала на клеточном уровне, и поэтому он играет одинаковую роль в функционально сходных участках разных нейронных систем. Клонирование основных типов опиатных рецепторов выявило их неожиданное и до сих пор необъяснимое структурное сходство с рецепторами соматостатина, ангиотензина и других пептидов (Uhl et al., 1994).
Отличие пептидов от других медиаторов. Пептиды имеют несколько важных отличий от медиаторов — моноаминов и аминокислот. Синтез пептидов происходит в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме. Вначале образуется пептид-предшественник, затем из него вырезаются отдельные пептиды, которые упаковываются в секреторные пузырьки и доставляются к нервным окончаниям. За исключением единственного сообщения (Honor et al., 1999), нет данных о существовании механизма обратного захвата пептидов — таким образом, пептидергические окончания находятся в большой зависимости от достаточно удаленного места синтеза пептидов. И что наиболее важно, при связывании с рецептором линейная цепь аминокислот может приобретать самые разные варианты конформации. Выяснить, какой из них определяет активность пептида, достаточно сложно.
Лишь сравнительно недавно удалось синтезировать непептидные соединения, способные стимулировать или блокировать рецепторы пептидов. Получены препараты, действующие на рецепторы холецистокинина (ССКА и ССКВ), нейротензина и кортиколиберина. Некоторые такие препараты, например блокаторы рецепторов вещества Р (NК1 -рецепторов) проходят клинические испытания (Rupniak and Kramer, 1999; Hokfelt et al., 2000). Надо сказать, что и сама природа имеет ограниченные возможности: только один растительный алкалоид (морфин) способен связываться с пептидными рецепторами. К счастью, морфин открыли раньше опиоидных пептидов — иначе можно было бы решить, что подобную молекулу с жесткой структурой, способную действовать на пептидные рецепторы, просто невозможно синтезировать.
Другие регуляторные соединения. В синаптической передаче участвуют и другие эндогенные вещества — но действуют они иначе, чем классические медиаторы. Эти вещества выполняют важные регулирующие функции и, скорее всего, станут точками приложения новых лекарственных средств.
=== Пурины ===
АМФ, АТФ и аденозин помимо важной роли в процессах обмена выполняют также функцию сигнальных молекул нейрона (Moreau and Huber, 1999; Williams et al., 1999; Baraldi et al., 2000). Пуриновые рецепторы подразделяют на два типа. Р1рецепторы сопряжены с G-белками, они взаимодействуют преимущественно с аде нозином и включают 4 подтипа: А1— А4. А1 и A2-рецепторы блокируются метилксантинами, А3- и А4рецепторы — нет. А,-рецепторы ингибируют аденилатциклазу, регулируют активность ионных каналов (например, повышают калиевые токи), в некоторых случаях активируют фосфолипазу С. A2-рецепторы активируют аденилатциклазу. Р2-рецепторы реагируют преимущественно с АТФ и другими нукпеозид-трифосфатами, такими, как УТФ. Рецепторы Р2Х сопряжены с ионными каналами, рецепторы P2Y — с G-белками. Аденозин действует на пресинаптические окончания нейронов коры и гиппокампа, блокируя выделение медиаторов — аминов и аминокислот. Полагают, что синаптические эффекты АТФ играют роль в патогенезе таких состояний, как тревожность, инсульт и эпилепсия (Williams, 1995).
=== Нейромодуляторы ===
На синаптическую передачу влияют и многие биологически активные вещества, регулирующие различные функции организма.
Арахидоновая кислота образуется из мембранных фосфолипидов под действием фосфолипаз А2, С и D; в свою очередь, эти фосфолипазы активируются при стимуляции определенных рецепторов. При метаболизме арахидоновой кислоты образуется ряд биологически активных веществ. Таких путей ее метаболизма три (гл. 26): циклооксигеназный (при этом образуются простагландины и тромбоксаны), липоксигеназный (образуются лейкотриены и другие эйкозаноиды) и третий — с участием цитохрома Р450 (в головном мозге выражен слабо, но может быть индуцирован). Производные арахидоновой кислоты действуют в синапсе как нейромодуляторы, участвуя в механизмах долговременной потенциации и других формах синаптической пластичности (Mechoulam et al., 1996; Piomelli et al., 1998).
=== Окись азота (NO) ===
Более 10 лет назад стала известна роль этого вещества как важного регулятора тонуса сосудов и фактора воспаления. Вопрос о его роли в ЦНС возник после того, как в головном мозге была обнаружена NO-синтаза (Snyder and Dawson, 1995). Молекулярно-генетическими методами было установлено, что в мозге есть по крайней мере четыре ее изофермента. Три из них относятся к конститутивной форме и присутствуют в нейронах, эндотелиальных клетках капилляров и макрофагах, четвертый — к индуцируемой форме. При помощи сильнодействующих активаторов и ингибиторов NO-синтазы удалось продемонстрировать участие N0 в механизмах долговременной потенциации, активации гуанилатциклазы, высвобождения и обратного захвата медиаторов, в усилении нейротокси-ческого эффекта глутамата. Поскольку N0 взаимодействует с железом гема гуанилатциклазы, возникло предположение, что еще одним газообразным регулятором внутриклеточных функций (по крайней мере, действующим на гуанилатциклазу нейронов in vitro) может быть окись углерода.
=== Цитокины ===
Семейство цитокинов объединяет множество биологически активных пептидов, которые вырабатываются различными типами клеток во многих системах организма. Функции отдельных цитокинов, в принципе, соответствуют их эффектам in vitro. Однако в организме эффекты одних цитокинов зависят от эффектов других, а итог такого взаимодействия может быть разным: синергичным, аддитивным или антагонистическим. Одну из групп цитокинов составляют хемокины — пептиды, привлекающие клетки иммунной системы в очаг воспаления. Большой интерес вызывает возможная роль хемокинов при воспалительных процессах в ЦНС, например на ранних стадиях СПИД-дементного синдрома (Asensio et al., 1999; Men-nicken et al., 1999) или при восстановлении после травмы. К ци-токинам относятся также нейротрофические факторы, которые мы уже рассматривали. Как нервные, так и глиальные клетки при определенных условиях начинают вырабатывать цитокины и нейротрофические факторы — в этом отношении разница между этими клетками несколько условна.
== Действие лекарственных средств на ЦНС ==
=== Избирательное и общее действие на ЦНС ===
Эффект препарата считается избирательным, если он направлен на определенный молекулярный механизм клетки-мишени, которая имеет рецепторы к данному веществу. Эффект рассматривается как общий, если препарат действует на многие клетки-мишени и различные молекулярные механизмы. Такое разграничение весьма условно и часто отражает зависимость эффекта от дозы: в низкой концентрации препарат может действовать высокоизбирательно, но при повышении дозы эффект его становится общим. Кроме того, даже вещества явно общего действия могут по-разному влиять на разные отделы ЦНС. Например, применение общих анестетиков было бы не столь широким, если бы к ним были более чувствительны нейроны сердечно-сосудистого и дыхательного центров. Препарат избирательного действия может вызывать общие эффекты, если доза или способ введения способствуют его накоплению в тканях.
Препараты общего действия подразделяют по характеру влияния на ЦНС — угнетающему или стимулирующему. Препараты, действующие на ЦНС избирательно, классифицируют по точке их приложения или терапевтическому эффекту. Необходимо помнить, что отсутствие явных изменений поведения не означает, что препарат не действует на ЦНС. Например, М-холиноблокаторы почти не влияют на поведение животных, но их успешно применяют для лечения экстрапирамидных расстройств и профилактики укачивания (гл. 7).
'''Препараты общего угнетающего действия'''. К ним относятся ингаляционные анестетики, спирты и некоторые снотворные средства. Эти препараты оказывают тормозное действие на всех уровнях ЦНС — уменьшая количество медиатора, выделяемое в ответ на нервный импульс, либо снижая возбудимость постсинаптических мембран. В концентрации, недостаточной для анестезирующего эффекта, эти вещества (например, этанол) могут избирательно действовать на отдельные группы нейронов, что объясняет их различия во влиянии на поведение и в способности вызывать зависимость (Koob and Le Moal, 1997; Koob et al., 1998; гл. 14,17,18, 24).
'''Препараты общего стимулирующего действия'''. К ним относятся пентетразол и другие вещества, оказывающие сильное возбуждающее действие на ЦНС, а также метилксантины, стимулирующий эффект которых значительно слабее. Стимулирующий эффект достигается одним из двух способов: 1) блокадой тормозных процессов, 2) прямым возбуждением нейронов — за счет увеличения количества выделяемого медиатора, удлинения периода его действия, повышения лабильности синапса.
'''Препараты избирательного действия'''. Эффект таких препаратов может быть как угнетающим, так и стимулирующим. Оба эффекта могут проявляться одновременно — но в разных структурах ЦНС. В терапевтических дозах некоторые средства этой группы не влияют на уровень возбуждения ЦНС. К таким препаратам относятся противосудорожные, антипаркинсонические средства, наркотические и ненаркотические анальгетики, анорексанты, противорвотные средства, НПВС, некоторые психостимуляторы, антидепрессанты, нормотимики, нейролептики, транквилизаторы и снотворные.
Даже если избирательность препарата достаточно высока, действие его может затрагивать несколько функций ЦНС. Эффекты препарата, не относящиеся к терапевтическим, рассматривают как нежелательные побочные. Избирательность препаратов часто переоценивают, поскольку ожидают результатов, отраженных в названии группы.
=== Взаимодействие средств, действующих на ЦНС ===
Для усиления терапевтического эффекта часто используют сочетания действующих на ЦНС препаратов, например комбинацию М-холиноблокаторов и леводофы при болезни Паркинсона. Но некоторые сочетания препаратов могут быть вредны и даже опасны из-за взаимного усиления или ослабления эффектов.
Действие препарата на ЦНС зависит от ее функционального состояния, а также от эффектов других препаратов, стимулирующих или угнетающих ЦНС. Например, на возбудимых больных анестетики действуют слабее, а стимуляторы — сильнее. В целом, все угнетающие ЦНС препараты могут усиливать действие друг друга — в качестве примера можно привести опасное сочетание барбитуратов или бензодиазепинов с этанолом; то же касается и психостимуляторов. Поэтому угнетение дыхания, вызванное морфином, усиливается препаратами, угнетающими ЦНС; в то же время психостимуляторы повышают возбуждающий эффект морфина, вызывая рвоту и судороги.
Антагонизм угнетающих и стимулирующих средств разнообразен. Есть примеры истинного фармакологического антагонизма — так, блокаторы опиатных рецепторов препятствуют действию наркотических анальгетиков. Но чаще антагонизм действующих на ЦНС препаратов имеет более сложную физиологическую природу. Иначе говоря, нельзя вернуться в исходное состояние, применив препарат «обратного действия».
Действуя на отдельные медиаторные процессы, лекарственные средства могут как усиливать, так и ослаблять эффекты друг друга. Следовательно, необходимо учитывать такие взаимодействия: назначая новый препарат, надо заранее отменить предыдущий. Низкие дозы угнетающих ЦНС препаратов могут вызывать возбуждающий эффект — он объясняется подавлением тормозных процессов и временным усилением высвобождения возбуждающих медиаторов. Примером может служить стадия возбуждения в действии общих анестетиков или стимулирующий эффект этанола. При повышении дозы стадия возбуждения сменяется стабильным угнетающим эффектом. Стадию возбуждения можно свести к минимуму, если предварительно ввести препараты, которые угнетают ЦНС, но не дают возбуждающего эффекта (пример — премедикация бензодиазепинами). Чрезмерное возбуждение обычно сменяется угнетением ЦНС — отчасти из-за утомления нейронов (истощения запасов медиаторов). В постиктальном состоянии препараты, угнетающие ЦНС, действуют сильнее. Однократное применение угнетающих ЦНС препаратов обычно не вызывает последующего возбуждения, однако отмена после длительного применения может привести к перевозбуждению (например, при барбитуратном или алкогольном абстинентном синдроме) — в таких случаях эффективны те же или иные препараты, угнетающие ЦНС (гл. 17, 18).
=== Точки приложения средств, действующих на ЦНС ===
Эти точки приложения для средств общего и избирательного действия приведены на рис. 12.1. Препараты общего действия вмешиваются в энергетический метаболизм нейрона, влияют на общие свойства его мембраны или трансмембранное распределение ионов. Общее действие оказывают также препараты, действующие на системы внутриклеточного транспорта (например, колхицин). На зависимость этого действия от дозы и длительности применения препарата влияют такие характеристики нейронов, как, например, частота импульсации, зависимость электрической активности от возбуждающих входов или собственной авторитмии, ионные токи в покое, длина аксона. Если препарат действует избирательно, по дозо-зависимости его действия можно определить наиболее чувствительное звено, а следовательно, достаточно уверенно судить о точке приложения, механизме действия и специфичности препарата.
Избирательное действие препаратов может быть пресинаптическим и постсинаптическим. Пресинаптическое действие захватывает процессы, протекающие в нейроне и его окончании, то есть синтез медиатора (включая доставку необходимых субстратов), его накопление, высвобождение, обратный захват и разрушение. Количество медиатора в пресинаптическом окончании может быть уменьшено за счет подавления его синтеза и накопления. Медиаторный залп (количество медиатора, высвобождающееся в ответ на один потенциал действия) обычно постоянен, но может быть повышен за счет уменьшения его обратного захвата или ингибирования разрушающих ферментов. Медиатор, выделенный в синаптическую щель, может действовать на пресинаптические рецепторы (ауторецепторы). Это, в свою очередь, может снижать высвобождение медиатора, обеспечивая регуляцию количества медиатора в синаптической щели по механизму обратной связи.
Постсинаптическое действие распространяется на те процессы, которые разворачиваются после выделения медиатора: взаимодействие медиатора с рецептором, генерацию постсинаптического потенциала или активацию систем вторых посредников. Для прямого вмешательства в постсинаптические процессы препарат должен обладать достаточной устойчивостью и высоким сродством к постсинаптическим рецепторам. Пресинаптическое и постсинаптическое действие лекарственных средств есть не что иное, как избирательное влияние на химически однородную группу нейронов.
=== Взаимодействие лекарственных средств и медиаторных систем ===
Современная нейрофармакология располагает возможностью клонировать кДНК рецепторов или их субъединиц, а затем оценивать их свойства, вызывая экспрессию в чужеродных клетках. Простота моделей in vitro отвлекает внимание от того очевидного факта, что в ЦНС любой медиатор взаимодействует одновременно со всеми типами и подтипами своего рецептора — причем на нейронах, которые находятся под влиянием множества других медиаторов. Таким образом, попытка предсказать поведенческий или терапевтический эффект препарата по его действию на отдельно взятый рецептор часто оказывается безуспешной.
== Перспективы ==
Возможность клонирования, определения аминокислотной последовательности и экспрессии генов, кодирующих сигнальные молекулы нейрона, открывает новую эру фармакологии. Благодаря таким исследованиям найдены новые подтипы рецепторов, что невозможно было сделать традиционными методами фармакологии. Темп таких открытий, несомненно, будет ускоряться. Разнообразие рецепторов означает, что может быть усилена избирательность фармакологического действия. Методы флюоресцентной гибридизации in situ позволяют установить, где происходит экспрессия различных типов рецепторов; иммуноцитохимические исследования уточняют их локализацию; экспрессия рецепторов в культурах клеток дает возможность оценить их фармакологические свойства. Молекулярное моделирование вместе с рентгеноструктурным анализом рецепторов со временем позволит определить точную структуру связывающих участков рецепторов — а значит, можно будет синтезировать новые, специально к ним приспособленные вещества. Станут известны молекулярные механизмы, регулирующие плотность рецепторов, а также характер взаимодействия разных белков в ионотропных и метаботропных рецепторах.
Дальнейшие попытки объяснить действие лекарственных средств на ЦНС несомненно будут направлены на изучение медиаторов и синаптической передачи. Огромное разнообразие специфичных для клеток головного мозга мРНК обещает открытие еще многих новых пептидов. По мере открытия новых медиаторов и новых сигнальных молекул будут картированы содержащие их нейронные системы, станут известны новые клетки-мишени. Понять связь молекулярных механизмов и поведенческих эффектов лекарственных средств помогают три главных подхода к организации нейронных контуров — пространственный, временной и функциональный. Пространственный подход позволяет установить те области мозга или те рецепторы, от которых нейрон получает сигнал, атакже те структуры, к которым он сигнал направляет. Временной подход оценивает длительность действия нейрона на клетку-мишень. Функциональный — выясняет молекулярные механизмы действия нейрона на клетку-мишень. Таким образом, каждый нейрон надо рассматривать с разных сторон, одновременно оценивая его рецепторы, медиаторы, функциональную специализацию, а также его место в нейронном контуре (чувствительный, двигательный или вставочный). Только осмыслив одновременно все эти свойства, можно понять действие лекарственных средств на ЦНС.
Вполне вероятно, что молекулярно-генетические исследования, которые уже привели к открытию молекулярных механизмов синаптической передачи, вскоре прояснят и патогенез многих заболеваний ЦНС, а также дадут основу для создания новых методов лечения. Неведомые прежде перспективы открывает возможность замещения погибших нейронов при помощи трансплантации стволовых клеток нервной ткани (Brustle et al., 1999; McDonald etal., 1999; McKay, 2000). В конечном счете мы можем получить возможность воздействовать на саму генетическую основу заболеваний ЦНС.
== Литература ==
*Aloisi, F. The role of microglia and astrocytes in CNS immune surveillance and immunopathology. Adv. Exp. Med. Biol., 1999, 468:123—133.
*Andeisson, P.-В., Perry, V.H., and Gordon, S. The acute inflammatory response to lipopolysaccharide in CNS parenchyma differs from that in other body tissues. Neuroscience, 1992,48:169—186.
*Amsten, A.P. Catecholamine mechanisms in age-related cognitive decline. Neurobioi. Aging, 1993,14:639—641.
*Asensio, V.C., Kincaid, C., and Campbell, I.L. Chemokines and the inflammatory response to viral infection in the central nervous system with a focus on lymphocytic choriomeningitis virus. J. Neurovirol., 1999, 5:65-75.
*Billinton, A., Upton, N., and Bowery, N.G. GABA(B) receptor isoforms GBRla and GBRlb, appear to be associated with pre- and post-synaptic elements respectively in rat and human cerebellum. Br. J. Pharmacol., 1999, 126:1387-1392.
*Blakely, R.D., De Felice, L.J., and Hartzell, H.C. Molecular physiology of norepinephrine and serotonin transporters. J. Exp. Biol., 1994, 196: 263-281.
*Bliss, T.V., and Collingridge, G.L. A synaptic model of memory: long-term potentiation in the hippocampus. Nature, 1993, 361:31—39.
*Blumcke, 1., Wolf, H.K., Hof, P.R., Morrison, J.H.,and Wiestler, O.D. Regional distribution of the AM PA glutamate receptor subunits GluR24 in human hippocampus. Brain Res., 1995,682:239—244.
*Brauner-Osbome, H., and Krogsgaard-Larsen, P. Functional pharmacology of cloned heterodimeric GABAB receptors expressed in mammalian cells. Br. J. Pharmacol., 1999, 128:1370—1374.
*Brown, E.S., Rush, A.J., and McEwen, B.S. Hippocampal remodeling and damage by corticosteroids: implications for mood disorders. Neuropsychopharmacology, 1999,21:474—484.
*De Bias, A.L. Brain GABAA receptors studied with subunit-specific antibodies. Mol. Neurobioi, 1996, 12:55—71.
*Decker, M.W., Bannon, A.W., Curzon, P., Gunther, K.L., Brioni, J.D., Holladay, M.W., Lin, N.H., Li, Y., Daanen, J.F., Buccafusco, J.J., Pre-ndergast, M.A., Jackson, W.J., and Americ, S.P. ABT-089 [2-met-hyl-3-(2-(S)-pyrrolidinylmethoxy)pyridine dihydrochloride]: II. A novel cholinergic channel modulator with effects on cognitive performance in rats and monkeys. J. Pharmacol. Exp. Ther., 1997, 283:247—258.
*Derrick, B.E., and Martinez, J.L. Jr. Opioid receptor activation is one factor underlying the frequency dependence of mossy fiber LTP induction. J. Neurosci., 1994, 14:4359—4367.
*Dumont, Y., Jacques, D., Bouchard, P., and Quirion, R. Species differences in the expression and distribution of the neuropeptide Y Yl, Y2, Y4, and Y5 receptors in rodents, guinea pig, and primates brains. J. Comp. Neurol., 1998, 402:372-384.
*Emerich, D.F., Snodgrass, P., Pink, М., Bloom, F., and Bartus, R.T. Central analgesic actions of loperamide following transient permeation of the blood brain barrier with Cereport (RMP-7). Brain Res., 1998, 801: 259-266.
*Farber, N.B., Newcomer, J.W., and Olney, J.W. The glutamate synapse in neuropsychiatric disorders. Focus on schizophrenia and Alzheimer’s disease. Prog. Brain Res., 1998, 116:421—437.
*Gaily, J.A., Montague, PR., Reeke, G.N. Jr., and Edelman, G.M. The NO hypothesis: possible effects of a short-lived, rapidly diffusible signal in the development and function of the nervous system. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 1990, 87:3547-3551.
*Grenningloh, G., Rienitz, A., Schmitt, B., Methfessel, C., Zensen, М., Beyreuther, K, Gundelfinger, E.D., and Betz, H. The strychnine-binding subunit of the glycine receptor shows homology with nicotinic acetylcholine receptors. Nature, 1987, 328:215—220.
