Клеточные и молекулярные механизмы наркоза

Несмотря на значение общей анестезии в медицине и более чем 100-летний период активных научных исследований, молекулярные механизмы, ответственные за анестезиологическое действие, остаются одной из неразгаданных тайн фармакологии. В настоящее время становятся доступными молекулярные и генетические инструменты исследования, которые позволят в следующем десятилетии проникнуть в механизмы анестезии.

I. что такое наркоз?

А. Составными частями наркоза являются бессознательное состояние, амнезия,
аналгезия, неподвижность и ослабление ответов вегетативной нервной системы
на повреждающие стимулы.
В. Анестезия определяется как вызванное анестетиками изменение поведения или
ощущения.

II. как провести оценку наркоза?

А. Для изучения фармакологии анестетиков необходимо иметь количественную меру их
силы, что обеспечивает понятие минимальной альвеолярной концентрации (МАК).

 - МАК определяется как альвеолярное парциальное давление (РА) газа (концентрация в конце выдоха), при котором у 50% людей не наблюдается двигательной реакции в ответ на разрез кожи, а у животных – в ответ на повреждающий стимул, например, сжатие хвоста.
   a. МАК является стандартом, определяющим силу летучих анестетиков.
   b. МАК является воспроизводимым и постоянным у широкого круга видов животного мира.
   c. Квантовый характер МАК (анестезия наступила или не наступила; возможность промежуточных состояний исключена) затрудняет сравнение измерений МАК с кривыми отношения концентрации и ответной реакции, полученными in vitro.
 - Эквивалентом МАК для внутривенных анестетиков служит концентрация анестетика в плазме, требуемая для предупреждения двигательной реакции в ответ на повреждающий стимул у 50% субъектов.
 - РА является точным отображением концентрации анестетика в плазме и ткани мозга при 37°С.
   a. Сила анестетика, по определению МАК, возрастает при снижении температуры, так как анестетические газы становятся легче растворимыми в плазме.
   b. Увеличение силы анестетиков является следствием повышения растворимости.

III. место действия анестетиков в центральной нервной системе

A. Возможные места действия общих анестетиков включают спинной мозг, ствол и кору головного мозга. Чувствительные периферические рецепторы не являются важными местами действия анестетиков.

B. Спинной мозг
1. Спинной мозг является вероятным местом действия анестетика, где подавляется целенаправленный ответ на повреждающую стимуляцию.
2. Действие анестетиков на спинной мозг не может объяснить не амнезию, ни утрату сознания.

C. Ретикулярная активирующая субстанция
1. Давно было сделано предположение, что ретикулярная активирующая система, представленная диффузным скоплением нейронов в стволе мозга, вовлечена в действие общих анестетиков на сознание.
2. Вовлеченность ствола мозга в сферу действия анестетиков подтверждается изменениями соматосенсорных вызванных потенциалов. Повышение латентности и снижение амплитуды показывает, что анестетики подавляют прохождение информации через ствол мозга.

D. Кора мозга
Анестетики изменяют электрическую активность коры мозга, о чем свидетельствуют соответствующие изменения в электроэнцефалограмме, записанной с кожи головы во время анестезии.

IV. как анестетики влияют на электофизиологическую функцию нервной истемы?

A. Существуют многочисленные механизмы, посредством которых анестетики могут подавлять витальные функции центральной нервной системы (ЦНС).

 - Паттерн-генерации. Доказано, что клинические концентрации анестетиков влияют на паттерн-генерирующие нейронные цепи в ЦНС. Это подтверждается тем, что большинство анестетиков оказывают выраженное действие на частоту и глубину дыхания (на дыхательный центр ствола головного мозга).
 - Возбудимость нейронов. Доказано, что анестетики могут гиперполяризовать (увеличивать отрицательный мембранный потенциал покоя) спинальные моторные и кортикальные нейроны.
 - Синаптические функции. Распространено мнение, что действие анестетиков является скорее результатом их влияния на химические синапсы в ЦНС, чем на аксональную проводимость.
   a. Пресинаптические эффекты. Анестетики, скорее всего, способны угнетать нейросекрецию (предупреждая поступление кальция в клетку) как подавляющих, так и возбуждающих нейромедиаторов. Также доказано, что некоторые общие анестетики могут усиливать выброс угнетающего нейромедиатора – γ-аминомасляной кислоты (ГАМК).
   b. Постсинаптические эффекты. Многочисленные анестетики (барбитураты, этомидат, пропофол, летучие анестетики) воздействуют на синаптическую функцию, усиливая постсинаптический эффект ГАМК.

B. Действие анестетиков на ионные каналы. Все эффекты анестетиков на ЦНС, вероятно, следствием их действия на механизм генерирования электрической активности нейронов (ионные каналы, насосы и переносчики). Ионные каналы классифицируются согласно стимулам, на которые они отвечают либо открытием, либо закрытием (механизм ворот).

 - эффект анестетиков на вольтаж-зависимые ионные каналы (рецепторы).
   a. Минимальный эффект анестетиков на вольтаж-зависимые натриевые или калиевые каналы соответствуют наблюдению, что анестетики несущественно препятствуют образованию потенциала действия или аксональной проводимости.
   b. Вольтаж-зависимые кальциевые каналы позволяют сочетать электрическую активность со специфическими клеточными функциями. Открытие канала позволяет кальцию войти в клетку и активировать кальций-зависимую секрецию нейромедиаторов в синаптическую щель.
 - Действие анестетиков на лигандо-воротнные каналы. Селективное действие анестетиков на эти каналы может влиять на возбуждающие и угнетающие нейромедиаторы в ЦНС.
   a. К глютамат-активируемым ионным каналам относятся NMDA-рецепторы (N-метил-D-аспартат), с которыми селективно связывается кетамин, но не другие анестетики. Предполагается, что NMDA-рецептор может быть главной молекулярной мишенью для анестетического действия кетамина.
   b. ГАМК-активируемые ионные каналы опосредуют постсинаптический эффект, связываясь с ГАМК (наиболее важный угнетающий нейромедиатор в ЦНС), селективно пропуская ионы хлора внутрь клетки, тем самым гиперполяризуя нейроны. Барбитураты, бензодиазепины, этомидат, пропофол и летучие анестетики модулируют ГАМК-рецепторную функцию.

C. Действие анестетиков на химический вторичный медиатор.

 - Разные вещества, называемые вторичными передатчиками (мессенджеры), как известно, модулируют функцию ионных каналов.
 - Кальций. Маловероятно, что изменения цитоплазматической концентрации кальция, вызванные анестетиком, вносят значительный вклад в механизм анестезии.
 - G-протеины. Действие большинства рецепторов на поверхности клетки передается через внутриклеточные гуанинтрифосфат-связанные белки, которые при активизации могут стимулировать многочисленные эффекторные молекулы, включая ионнные каналы, аденилциклазу и фосфолипазу С. Не доказано, что G-протеины являются важными мишенями для анестетиков в ЦНС.
 - Инозитолфосфаты. В настоящее время нет доказательств большого значения вторичных передатчиков – производных фосфатидилинозитоловой системы (фосфолипаза С, диацилглицерол) в механизме анестезии.
 - Циклические нуклеотиды. Анестетики оказывают небольшое прямое действие на синтези метаболизм циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) и циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ), которые являются важными вторичными передатчиками, способными изменять функции ионных каналов.
 - Протеинкиназы и фосфатазы. Фосфорилирование является важнейшим из известных механизмов регуляции функции ионных каналов. Малочисленность данных относительно действия анестетиков на фосфорилирование протеинов делает невозможным оценку важности этого процесса в механизме действия анестетиков.

V. какова химическая природа мишеней анестетиков?

A. Правило Мейер-Овертона.

 - Несмотря на общепринятое мнение, что анестетики действуют на функцию ионных каналов, продолжаются споры о том, какие молекулярные взаимодействия лежат в основе этих функциональных эффектов.
 - С тех пор, как обнаружено, что множество структурно не связанных соединений подчиняются правилу Мейер-Овертона (сила анестетических газов связана с их растворимостью в оливковом масле), сформировалось убеждение, что все анестетики подобно действуют и на молекулярном уровне (унитарная теория анестезии).
 - Место приложения анестетиков, возможно, является амфипатическим (двойственным), имеющим полярные и неполярные свойства.
 - Исключения из правила Мейер-Овертона.
   a. Существуют галогенизированные соединения (фторотил), которые структурно подобны ингаляционным анестетикам, но вызывают судороги, а не анестезию.
   b. В группе п-спиртов анестетическая сила возрастает от метанола к додеканолу, а все более длинные спирты теряют свойства анестетика (эффект «обрубания» свойства).
   c. Соединения, которые не укладываются в правило Мейер-Овертона, наводят на мысль, что мишени для анестетиков также определяются другими свойствами, включая размер и форму.
 - Антагонизм давления. Доказано, что повышение внешнего давления действует как антагонист анестетиков и приводит к выходу из наркоза, вызывая возбуждение, которое физиологически противоположно депрессии.

B. Липиды и белки. Существует несколько вероятных молекулярных мишеней, на которые могут воздействовать анестетики, оказывая влияние на функции ионных каналов и других белков. Анестетики могут растворятся в двойном липидном слое, вызывая физико-химические изменения мембраны, что нарушает способность мембранных протеинов подвергаться важным для их функций конформационным изменениям. С другой стороны, анестетики могут непосредственно связываться с протеинами (как ионными каналами, так и модуляторными белками), приводя к нарушению их связи с нейромедиатором или ограничивая способность белка подвергаться важным для их функции конформационным изменениям.

 - Липидная теория анестезии.
   a. Липидная теория анестезии утверждает, что анестетики растворяются в двойном липидном слое биологических мембран и вызывают анестезию, достигая критической концентрации в мембране (коэффициент растворимости анестетиков мембрана/газ в чистых жирах коррелирует с силой анестетиков).
   b. Пертурбация мембраны. Наиболее усложненные версии липидной теории требуют, чтобы молекулы анестетиков вызывали пертурбацию (изменение свойств) мембраны.
   c. Утолщение мембраны. Клинические концентрации анестетиков, растворенных в мембране, вызывают увеличение ее объема (гипотеза критического объема), но малая выраженность этого процесса и невозможность объяснить эффект «обрубания» свойств делает невозможным обоснование развития наркоза таким способом.
   d. Мембранные нарушения. Анестетики могут нарушить упаковку фосфолипидов в биологических мембранах (возрастание мембранной текучести).мембранные нарушения, вызванные анестетиками, могут наблюдаться при колебаниях температуры менее, чем на 1°C, делая маловероятным такое объяснение наркоза.
 - Белковые теории анестезии.
   a. Взаимодействие анестетиков с гидрофобными участками белков также объясняет правило Мейер-Овертона. Прямое взаимодействие молекул анестетиков с белками позволяет объяснить исключения из этого правила, так как любые участки связис белком определяются как размером и формой молекулы, так и растворимостью.
   b. Прямые доказательства связи анестетиков с белками. Многочисленные физические методы (рентгенодифракция, ЯМР-спектроскопия) подтверждают, что молекулы анестетиков могут связываться с гидрофобным центром белков, а размер связанного участка объясняет эффект «обрубания».
   c. Непрямое доказательство связи анестетиков с белками. Доказательством прямого взаимодействия анестетиков с белками мембраны служит стереоселективность.
 - Современные факты позводяют утверждать, что белки в большей степени, чем липиды, являются молекулярными мишенями для действия анестетиков.

VI. как влияние анестетиков на молекулярные мишени связывается с наркозом в неповрежденном организме?

A. Вероятно, анестетики оказывают действие на функцию множества ионных каналов и сигнальных протеинов через прямое взаимодействие с белком. Многие исследователи пытаются связать анестетический эффект, наблюдаемый на молекулярном уровне, с наркозом у животных.

B. Фармакологические подходы.
1. α?-Агонисты снижают МАК галотана, но угнетают функцию ЦНС.
2. Создание специфических антагонистов к анестетикам обеспечит набор средств для объяснения связи анестетического эффекта на молекулярном уровне с анестезией целого организма.

C. Генетические подходы. Генетические методы, изменяющие структуру предполагаемых анестетических мишеней, могут вызывать изменения чувствительности к анестетикам (индивидуальная и межвидовая чувствительность к анестетикам).

VII. заключение.

A. Действие анестетиков не может быть локализовано где-то в анатомически определенном месте ЦНС, но фактически различные компоненты наркоза могут опосредоваться действием на разные участки.

B. Анестетики скорее действуют на синаптическую функцию, чем на распространение потенциала действия.

C. На молекулярном уровне анестетический эффект, скорее всего, вызывается прямыми взаимодействиями анестетика с протеином.

1. В этот процесс вовлекаются многие протеины. Это позволяет предположить несостоятельность унитарной теории наркоза и существование, по крайней мере, нескольких механизмов анестезии.

2. Различные компоненты наркоза могут опосредоваться действием на разные мишени для анестетиков.