ven_v_reanimacii

ЧАСТЬ II. физиология обмена жидкости и электролитов

жении мембран, деформации цитоскелета, изменения концентрации ионов в клетке и концентрации цитоплазматических макромолекул, – всё это является сигналами для клеточных ответов. Однако ни один из этих сигналов в настоящее время не является доказанным механизмом включения ответа со стороны генетического аппарата клетки, канальных белков и транспортных систем в клеточной мембране. Более того сегодня уже установлено, что клетка отвечает не только на степень изменения объёма, но дает дифференцированный ответ в зависимости от причин объёмных изменений. Такая высокая селективность сенсоров и эффекторов позволяет клетке поддерживать одновременно стабильность внутриклеточного объёма, ионного состава и рН.

Патофизиология подержания стабильного клеточного объёма.

С тех пор как в 1919 году было установлено влияние осмолярности на содержание воды в мозге, внутривенное введение гипертонических растворов стало краеугольным камнем в лечении отёка мозга и внутричерепной гипертензии. До недавнего времени клиническое представление о внутричерепных объёмах покоилось на трёхкомпонентной модели, в которой внутричерепной объём складывался из суммы объёмов ликвора, паренхимы мозга и крови, находящейся в интракраниальных сосудах. (Доктрина Монро-Кели).

В этой модели объём мозга включает в себя клетки мозга, окружающий их матрикс и интерстициальную жидкость, заполняющую межклеточное пространство. Повышенное внутричерепное давление обычно лечили, воздействуя на объём внутримозговых сосудов, используя гипервентиляцию или уменьшая объём ликвора, выполняя ликворное дренирование или используя препараты тормозящие ликворопродукцию. В экстренных ситуациях проводилась терапия, направленная на снижение объёма мозга внутривенным введением гипертонических растворов, таких как манитол. Хотя и предлагались альтернативные механизмы, такие как снижение вязкости крови и вазоконстрикция в ответ на повышение системного артериального давления, снижение внутричерепного давления рассматривалось как уменьшение объёма клеток мозга в ответ на осмотическое воздействие. Однако было установлено, что реальное изменение объёма мозга при использовании гипертонических растворов существенно меньше расчётного для идеальной модели ответа. Недавние исследования с применением ионселективных микроэлектродов продемонстрировали, что в действительности количество внутриклеточной воды не снижается в клетках мозга экспериментальных животных при введении гипертонических растворов. Количество внутриклеточной воды удерживается на прежнем уровне за счёт активного поглощения клеткой ионов натрия, калия и хлора. Такое же быстрое увеличение объёма наблюдается в культурах глиальных клеток. Живая клетка активно противодействует попыткам уменьшить её объём за счёт осмотического воздействия. Эти научные результаты заставляют исследователей воздействия осмотерапии на объём мозга сегодня использовать четырехкомпонентную модель, в которой мозг рассматривается как сумма объёма клеток и интерсициальной жидкости. Быстрое компенсаторное увеличение объёма клетки происходит за счёт транспорта электролитов. Во многих типах клеток увеличение объёма может быть снижено или блокировано путём использования таких ингибиторов мембранного транспорта, как амилорид или фуросемид. (Петлевые диуретики блокируют мембранный белок-переносчик вторично-активного транспорта, кото-

рый перемещает внутрь клетки два иона хлора, один ион натрия и один ион калия во время каждого переноса). В связи с этим интересно, что такие препараты, как фуросемид часто используются в комбинации вместе с осмотическими диуретиками для того, чтобы надолго и надежно снизить повышенное внутричерепное давление. Хотя синергический эффект осмотерапии и петлевых диуретиков долгое время рассматривался как следствие увеличения диуреза, современные знания говорят об альтернативном или дополнительном механизме действия петлевых диуретиков за счёт блокирования механизмов быстрой компенсации объёма клетками мозга. Таким образом, при использовании четырехкомпонентной модели, позволяющей рассматривать раздельно суммарный объём клеток, и объём интерстициальной жидкости открываются перспективы, достоверно обосновать эффективность и действие различных методов лечения отёка мозга.

Коррекция гиперосмолярных состояний.

Такие болезни и патологические состояния как диабет, почечная недостаточность, дегидратация протекают с увеличением осмолярности плазмы крови. Хотя коррекция транзиторного повышения осмолярности обычно переносится без осложнений, нормализация осмолярности плазмы у пациентов с длительно существующей гиперосмолярностью может сопровождаться отёком мозга, дислокацией и вклинением с летальным исходом.

Клиническое различие между хроническими и острыми осмотическими нарушениями связано с тем, что клетки мозга реализуют разные механизмы регуляции объёма, с помощью которых адаптируются к длительным и кратковременным изменениям осмолярности. Как и в других типах клеток, клетки мозга на острое увеличение осмолярности реагируют быстрым изменением мембранного транспорта электролитов. При длительном повышении осмолярности плазмы, однако, большая часть избыточных электролитов замещается органическими осмолитами. Эти вещества в начале получили название "идиогенные осмолиты", поскольку в этот период их не могли идентифицировать и считалось, что их производят сами клетки мозга. Исследования на животных и культурах клеток показали, что "идиогенные осмолиты" – это те же органические осмолиты, которые обеспечивают объёмную осморегуляцию клеток у всех животных. Самыми важными органическими осмолитами мозга млекопитающих являются мио-ино- зитол, таурин, глицерофосфатхолин и бетаин, которые накапливаются в клетке путём захвата их из межклеточной жидкости в результате активации натрий-за- висимых котранспортёров.

Когда клетка оказывается под воздействием гиперосмолярной внеклеточной жидкости и начинается уменьшение объёма клетки, быстрый ответ в виде поглощения электролитов приводит к тому, что в результате компенсаторного увеличения объёма клетка становится больше, чем в состоянии нормы, покоя или отсутствия осмотических стрессов. Вслед за этим немедленно включаются механизмы, направленные на восстановление исходного объёма клетки и запускается процесс удаления избыточных электролитов. Если клетки оказываются в гипертонической среде короткое время, а затем осмолярность внеклеточной жидкости возвращается к норме, их объём увеличивается за счёт поступления воды в клетку, но быстро сокращается, поскольку клетки быстро теряют накопленные электролиты. Однако в том случае, если период нахождения в гиперосмолярной среде длительный, то быстрый ответ (за счёт поглощения электролитов) сменяется адаптацией к существованию в гиперосмолярной

ЧАСТЬ II. физиология обмена жидкости и электролитов

среде за счёт накопления в цитоплазме значительного количества органических осмолитов. Когда клетка длительно находилась в гиперосмолярной среде, и, после этого нормализация омолярности происходит быстро, клетка набухает, её объём увеличивается из-за избыточного количества органических осмолитов в цитоплазме. В данной ситуации возврат клетки к её нормальному, обычному объёму происходит медленно, поскольку органические осмолиты очень медленно выводятся из клеток. Медленная потеря клетками мозга органических осмолитов, в частности, мио-инозитола была доказана как в эксперименте на животных, так и при исследовании культуры глиальных клеток, а также было показано, что в ходе регидратационной терапии у педиатрических пациентов, в наибольшей степени у младенцев до года, мио-инозитол выводится из клеток мозга крайне медленно. Почему же удаление мио-инозитола из клеток мозга происходит столь медленно? На культуре глиальных клеток было показано, что набухание клетки активирует селективные каналы выброса органических осмолитов. Органические осмолиты выходят из клетки в основном по этим каналам. Мио-инозитол имеет самую большую молекулу, которая может проникнуть через этот канал и поэтому его выброс происходит так медленно. К тому же, натрий-за- висимый котранспортёр мио-инозитола после продолжительного воздействия гипертонической среды остается активированным продолжительный период. Например, в культуре астроцитов коры головного мозга крысы торможение работы этих транспортёров было отмечено только через 16 часов после быстрой нормализации осмолярности интерстициальной жидкости. Этот характер регуляции значительно отличается от такового в почках, где торможение механизмов захвата в клетку органических омолитов происходит практически немедленно после нормализации осмолярности окружающей среды. К тому же, торможение активности натрий-зависимого котранспортёра мио-инозитола в клетках мозга in vivo происходит еще медленнее, потому что в условиях живого организма мгновенной нормализации осмолярности плазмы не происходит.

Общий эффект замедленного торможения активности этого котранспортёра проявляется в том, что в условиях нормализации осмолярности в интерстициальном пространстве, когда захват органических осмолитов в клетку уже не имеет смысла, и уже активированы каналы, удаляющие из клетки органические осмолиты, мио-инозитол продолжает поступать в цитоплазму. То есть, с точки зрения клинициста – это высокая вероятность продолжительного отёка мозга с увеличением суммарного объёма клеточной части.

Нами рассмотрен механизм защиты клеточного объёма в гиперосмолярной среде: первый этап – транспорт электролитов в клетку (максимально быстрая реакция); второй этап – транспорт в клетку и синтез «на месте» органических осмолитов. При нормализации осмолярности интерстициальной жидкости начинается движение осмолитов из клетки вовне. Электролиты выходят первыми, органические осмолиты вторым этапом.

Коррекция гипоосмолярных состояний.

При формировании гипоосмолярности в интерстиции включается этот же механизм поддержания стабильности объёма клетки:

первый этап – транспорт электролитов из клетки (максимально быстрая реакция); второй этап – транспорт из клетки и торможение синтеза органических осмолитов. Очень важно, что после периода адаптации к жизнедеятельности в гипоосмолярной среде клетка содержит в цитоплазме значительно меньшее,

чем в норме количество органических осмолитов. Именно поэтому такая клетка становится беззащитной к быстрой нормализации осмолярности. Здесь работают одновременно два механизма повреждения:

Первый механизм – быстрое уменьшение объёма клетки – «сморщивание» приводит к дезорганизации внутренних структур. Повреждается цитоскелет и нарушается целостность и взаимная ориентация этих тончайших трубочек, канальцев и фиксированных органелл.

Второй механизм – быстрое поступление в клетку большого количества неорганических осмолитов, то есть ионов электролитов. Основное количество этих ионов составляют натрий, калий и хлор, а избыточная концентрация внутри клетки неорганических ионов может вызвать денатурацию или преципитацию макромолекул клетки.

Недавно в практику исследования осмотического гомеостаза был введен новый метод – ядерно-магнитный резонанс. С помощью этого метода можно определить количество органических осмолитов и осмотическии гомеостаз

убольных, нуждающихся в регидратационной терапии. Знание концентрации органических осмолитов в мозге может очень пригодиться при выборе терапии

утех больных, у которых неизвестен период повышения осмолярности плазмы или в тех случаях, когда причина повышения осмолярности очень сложна, например, при сахарном диабете.

Резюме:

Понимание клеточных и молекулярных механизмов регуляции объёма клеток является важным для осознания сути многих патофизиологических процессов. Главное, что представление о двухкомпонентной системе регуляции клеточного объёма (неорганические и органические осмолиты), позволяет врачу не только следовать рекомендациям о недопустимости быстрой коррекции хронических гипо- и гиперосмолярных состояний, но и понимать механизмы повреждения мозга.

При быстрой нормализации осмолярности плазмы после длительного гиперосмолярного состояния высок риск отёка мозга с развитием дислокации и вклинения.

При быстрой нормализации осмолярности плазмы после длительного гипоосмолярного состояния существует риск развития осмотического демиелинизирующего синдрома. На сегодня наиболее изученный вариант этого синдрома – это синдром понтинного миелинолиза.

ЧАСТЬ II. физиология обмена жидкости и электролитов

II.8 Гемато-энцефалический и гемато-ликворный барьеры

Движение воды и электролитов через мозг.

Череп – особенное место. В черепе всё не так, как в остальном организме. Прежде всего, ограниченный объём. Мозг находится в черепе, а череп – это крепкий корпус неизменного объёма. Это накладывает жесткие ограничения на изменения объёма самого мозга. Любой другой орган может задерживать значительное количество жидкости в интерстиции и сохранять жизнеспособность до тех пор, пока давление в интерстиции не достигнет величины давления в капиллярах этого органа. Дальше микроциркуляция остановится и начнется гибель клеток, что бывает очень редко. У мозга очень мало места для изменения объёма. Доктрина Монро-Келли хорошо описывает взаимодействие внутричерепных объёмов. В черепе нет свободных пространств. Все внутреннее пространство черепа разделено между тремя компонентами. Это вещество мозга, кровь, находящаяся в кровеносных сосудах и ликвор в ликворных пространствах.

150 150

1200

Если объём мозга увеличивается, из черепа вытесняется ликвор и сдавливаются кровеносные сосуды (преимущественно венозная сеть). Это перераспределение внутричерепного пространства позволяет мозгу не погибнуть.

Но практически сразу начинает повышаться внутричерепное давление. Допустимая граница подъёма внутричерепного давления – это 20 mmHg.

Это давление равно среднему давлению в капиллярах. Дальнейшее повышение внутричерепного давления приведет к сдавливанию части капилляров, что повлечет за собой гибель нейронов. Можно представить распределение объёма черепа в норме так:

Формирование дополнительного патологического объёма в виде гематомы, опухоли или отёка приведет к повышению внутричерепного давления, нарушению кровоснабжения мозга и нарушению ликвороциркуляции.

ICP

30

mmHg

CODMAN

Гемато-энцефалический барьер. Всё интерстициальное пространство играет роль резервуара, где организм запасает жидкость, при необходимости эта жидкость перемещается в кровеносное русло и пополняет ОЦК. Мозг не участвует в накоплении и мобилизации резервов жидкости. Для этого в черепе просто нет места. Поэтому сосуды головного мозга отличаются от остальных сосудов организма. Гемато-энцефалический барьер – это особое устройство капилляров мозга. В норме через стенки капилляров головного мозга не происходит свободной диффузии ничего кроме: кислорода, углекислого газа и воды. Все остальные растворенные вещества перемещаются через стенки мозговых капилляров только за счёт работы транспортных систем.

ЧАСТЬ II. физиология обмена жидкости и электролитов

Через стенки капилляров головного мозга нет свободной диффузии растворенных веществ кроме:

кислорода, углекислого газа и воды.

Строение мозговых капилляров. Во второй главе второй части мы рассматривали строение капилляров, представленных в органах и тканях всего организма [II.2.2.1 Устройство капилляра]. Капилляры мозговых сосудов имеют существенные отличия от остальных капилляров.

1.В эндотелиальных клетках нет фенестров.

2.Между эндотелиальными клетками мозговых капилляров нет межклеточных щелей.

3.Края эндотелиальных клеток «сшиты» между собой специальными нитями связующих белков. (плотные контакты или tight junctions).

4.Весь транспорт воды, электролитов и питательных веществ происходит через «тела» эндотелиальных клеток (не через щели и фенестры).

5.Весь транспорт через стенку мозговых капилляров управляемый.

6.Количество перицитов в мозговых капиллярах самое большое в организме – один перицит на 2-4 эндотелиальные клетки.

7.Перицит и эндотелиальная клетка мозговых капилляров имеют контактыканалы, позволяющие растворенным веществам из эндотелиальной клетки перемещаться в перицит или наоборот.

8.Мозговые капилляры охвачены выростами астроцитов (клетки нейроглии).

9.Астроцит контактирует одновременно с эндотелиальными клетками капилляра и с телами нейронов.

10.Через астроцит происходит обмен веществ и воды между нейроном и мозговым капилляром.

швановская

клетка

астроцит

астроцит

перицит

А теперь рассмотрим особенности гемато-энцефалического барьера в сравнении с обычными капиллярами.

Внутренняя поверхность всех сосудов выстлана эндотелиальными клетками. Это общее свойство. Края эндотелиальных клеток в местах соприкосновения «сшиты» белковыми мостиками. Количество мостиков и плотность примыкания эндотелиальных клеток определяют проницаемость капилляров для воды и растворенных веществ. Различие состоит в том, что в большинстве тканей эндотелиальные клетки имеют сквозные отверстия-окошки (фенестрации) диаметром около 5 нм и межклеточные щели шириной 6-7нм или 60-70Ǻ. Такой размер щели не позволяет крупным молекулам, и, прежде всего альбуминам плазмы покидать капилляр. Но вода и растворённые в ней вещества (прежде всего кристаллоиды) через эти промежутки свободно циркулируют между кровью и межклеточным пространством. В сосудах центральной нервной системы между эндотелиальными клетками нет межклеточных щелей и в клетках нет фенестраций. Эндотелиальная выстилка капилляров мозга является сплошной, поскольку боковые поверхности клеток плотно притянуты друг к другу. Боковые поверхности эндотелиальных клеток «сшиты» между собой нитями белка многократно переходящими из одной мембраны в другую. Эти соединения между клетками называются плотные контакты (tight junctions) или десмосомы.

ЧАСТЬ II. физиология обмена жидкости и электролитов

Плотные контакты образованы нитями трансмембранных белков, таких как окклюдин, разнообразные клаудины и замыкательные адгезионные молекулы. Особенностями этих белковых нитей является то, что они многократно входят в состав мембран близлежащих клеток, «сшивая» их боковые поверхности как лоскутное одеяло. Основными белками, обеспечивающими смыкание эндотелиальных клеток и формирование плотных контактов, являются клаудин-5 и клау- дин-24. Плотные контакты не позволяют веществам, находящимся в просвете капилляра свободно проникать в межклеточные щели. Кроме того, в эндотелии мозговых капилляров крайне низкое содержание пиноцитозных пузырьков или везикул.

В результате единственный путь из мозгового капилляра ко всем другим клеткам – через тело эндотелиальной клетки. Никакой свободной диффузии. Все под контролем. Все вещества поступают через тело эндотелиальной клетки и весь этот активный и пассивный транспорт управляем. Транспорт – это энерго- затратныйпроцесс.Всесистемыпервично-ивторично-активноготранспортапо- требляютАТФ,нодажеидлятого,чтобыпроисходилпассивныйтранспортнеобходимо, во-первых, создать крупные белковые молекулы, которые встраиваются

вклеточную мембрану и являются специфическими каналами для прохождения

вклетку или из клетки определенных веществ, а во вторых, для обеспечения движения по каналам в клеточной мембране необходимо поддерживать градиенты концентраций. А это работа клеточных насосов и дополнительные затраты энергии. И потому в эндотелиальных клетках сосудов мозга количество митохондрий в 5-10 раз выше, чем в эндотелии периферических сосудов. Эндотелиальные клетки сосудов мозга потребляют больше энергетических субстратов, чем другие эндотелиальные клетки. Соответственно при значительном снижении доставки кислорода и глюкозы может меняться проницаемость гемато-энцефа- лического барьера.

Прохождение воды через клетки эндотелия, как через любую другую клеточную мембрану происходит через аквопорины (специальные каналы для прохождения воды). Аквопорин – это сложный белок, встраиваемый в клеточную стенку и имеющий канал для прохождения молекул воды.

Через эндотелиальную клетку в интерстициальное пространство мозга свободно проходят только кислород, углекислый газ, вода и спирт. И кроме того в интерстициальное пространство мозга из капилляра и обратно перемещается мочевина. Практически все мембраны в организме имеют белки-транспортёры мочевины, которые обеспечивают перемещение в любом направлении, не допуская формирования концентрационных градиентов.

Мочевина легко проходит через клеточные мембраны и стенки капилляров, поэтому не является осмотически-активным веществом в организме. (Если по обеим сторонам мембраны концентрация одинаковая – осмоса не возникает.) [II. 5.11 Рециркуляция мочевины]

Всё что имеют и не используют для своих нужд, эндотелиальные клетки передают «целевым потребителям» – это перициты капилляров и астроциты. Перициты – это относительно маленькие, овальные клетки, расположенные с наружной стороны базальной мембраны капилляра. В системе мозговых сосудов их много. Они покрывают 20% поверхности эндотелиальных клеток церебральных капилляров. Если в капиллярах скелетной мускулатуры соотношение перициты: эндотелиоциты составляет 1:100, то в мозговых капиллярах – это 1:2 или 1:4. Перициты располагаются в местах контакта эндотелиальных клеток и, таким образом усиливают соединения эндотелиальных клеток.

Эндотелиоциты связаны с перицитами тремя типами контактов. Это щелевые соединения, фокальные адгезии и инвагинации мембраны одной клетки в полость другой. Щелевые соединения проницаемы для ионов и небольших молекул. Они связывают цитоплазму двух клеток. Фокальные адгезии создают прочную механическую связь перицитов и эндотелиоцитов. Инвагинации участков цитоплазмы одной клетки в другую обеспечивают механическое связывание

имежклеточный обмен веществ. Эндотелиоциты снабжают перициты всем необходимым для жизни, «кормят», а перициты усиливают каркасные и барьерные свойства капилляров. При этом клетки опосредованно влияют на митотическую активность, активацию генов и фенотип друг друга.

Как и во всех других тканях, перициты играют важную роль в ангиогенезе, так как синтезируют белки, из которых строится базальная мембрана сосудов. Они обладают способностью к сокращению, поскольку содержат большое количество белка актина. Это свойство позволяет изменять просвет капилляров

итаким образом регулировать микроциркуляцию.

Макрофагальная активность характерна только для церебральных перицитов. В капиллярной сети мозга они выполняют защитную функцию. В цитоплазме церебральных перицитов много лизосом. Перициты мозговых капилляров способны к фагоцитозу и презентации антигенов. Таким образом, перициты обеспечивают защиту мозга от токсических молекул, которые преодолели барьер эндотелиальных клеток.

Астроциты – это крупные клетки нейроглии. Astra – по латыни звезда. Астроцитыимеютбольшоеколичествоотростков,ипосвоейформенапоминают сияющую звезду, от которой расходятся лучи. Часть отростков-лучей оплетает мозговые капилляры и плотно контактирует с эндотелиальными клетками. Пластинчатыми окончаниями этих отростков густо оплетена вся наружная поверхность капиллярной сети мозга. Остальные отростки-лучи астроцитов тянутся к телам нейронов. Поскольку через стенку мозгового капилляра кроме кислорода, углекислого газа, мочевины и воды ничего не проходит, астроциты доставляют нейронам практически все необходимое для жизни и поддержания гомеостаза.