cfpdБюллетень физиологии и патологии дыханияBulletin Physiology and Pathology of Respiration1998-5029Дальневосточный научный центр физиологии и патологии дыхания10.12737/article_5a276515739506.74942500cfpd-64Research ArticleСтатьиЦИЛИАРНАЯ АКТИВНОСТЬ МЕРЦАТЕЛЬНОГО ЭПИТЕЛИЯ БРОНХОВ ПРИ ХОЛОДОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ IN VITROCILIARY ACTIVITY OF BRONCHIAL EPITHELIUM UNDER EXPERIMENTAL COLD EXPOSURE IN VITROОдиреевА. Н.OdireevA. N.bulleten.fpd@mail.ruКилимиченкоК. Ф.KilimichenkoK. F.kolemualnaya@mail.ruБезруковН. С.BezrukovN. S.bezrukow@mail.ruНаумовД. Е.NaumovD. E.denn1985@bk.ruКарапетянЕ. И.KarapetyanE. I.dcfpd@dcfpd.ruКолосовВ. П.KolosovV. P.dncfpd@dncfpd.ruЧжоуС. Д.ZhouX.zxd999@263.netЛиЦи.LiQi.zxd999@263.netПерельманЮ. М.PerelmanJ. M.jperelman@mail.ruДальневосточный научный центр физиологии и патологии дыханияFar Eastern Scientific Center of Physiology and Pathology of RespirationХайнаньский медицинский университетHainan Medical College2017181120190664149Copyright © Одиреев А.Н., Килимиченко К.Ф., Безруков Н.С., Наумов Д.Е., Карапетян Е.И., Колосов В.П., Чжоу С.Д., Ли Ц., Перельман Ю.М., 20192019Одиреев А.Н., Килимиченко К.Ф., Безруков Н.С., Наумов Д.Е., Карапетян Е.И., Колосов В.П., Чжоу С.Д., Ли Ц., Перельман Ю.М.Odireev A.N., Kilimichenko K.F., Bezrukov N.S., Naumov D.E., Karapetyan E.I., Kolosov V.P., Zhou X., Li Q., Perelman J.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cfpd.elpub.ru/jour/article/view/64

До настоящего времени отсутствуют четкие представления о степени участия дисфункции мерцательного эпителия (МЭ) бронхов в формировании мукоцилиарных нарушений при холодовом воздействии на слизистую оболочку дыхательных путей. Цель исследования: изучить характер и степень выраженности изменений двигательной активности ресничек МЭ слизистой оболочки бронхов при воздействии холодового стимула на бронхобиоптат в эксперименте in vitro . Обследовано 10 больных бронхиальной астмой добровольцев. Всем проведена бронхоскопия с биопсией слизистой оболочки долевого бронха. Биоптат помещали в раствор Хенкса на предметное стекло, располагавшееся на поверхности термостолика на элементах Пельтье, используемого для моделирования воздействия различных температурных режимов на МЭ. Регистрацию частоты биения ресничек МЭ (Гц) проводили с использованием микроскопа, камеры со встроенной высокочувствительной цифровой полнокадровой матрицей высокого разрешения и компьютера. Исходную запись частоты биения ресничек МЭ выполняли при комнатной температуре (+24ºС), после чего постепенно повышали температуру раствора Хенкса до физиологических параметров и проводили повторную запись в контрольных точках опыта (28ºС и 36ºС). Затем температуру раствора снижали и вновь фиксировали частоту биения ресничек МЭ (контрольные точки эксперимента - 28ºС, 21ºС и 17ºС). Установлено, что исходная частота биения ресничек МЭ колебалась в пределах от 6,74 до 3,77 Гц и составила в среднем 5,25±1,48 Гц (M±m). При нагревании раствора частота биения статистически достоверно возрастала: уже при температуре 28ºС она составила 6,33±1,36 Гц (р=0,004) и оставалась на этом уровне при температуре 36ºС - 7,14±1,63 Гц (p=0,002). Постепенное понижение температуры раствора продемонстрировало снижение частоты биения в сравнении с физиологическими параметрами (36ºС): при 28ºС до 6,12±1,31 Гц (р=0,121), при 21ºС до 5,27±1,32 Гц (р=0,001) и при 17ºС до 3,95±1,18 Гц (р=0,0001). К завершению эксперимента частота биения ресничек МЭ снижалась практически в два раза в сравнении с физиологическими параметрами (36ºС). Разработана математическая модель, характеризующая поведение ресничек МЭ при холодовом стрессе. Таким образом, результаты исследования демонстрируют выраженное снижение двигательной активности ресничек МЭ при холодовом стрессе, что подчеркивает отдельный существенный вклад функционального дисбаланса МЭ в патофизиологические механизмы гиперсекреторных нарушений при вдыхании холодного воздуха.

To date, the role of dysfunction of the bronchial ciliated epithelium (BCE) in the formation of mucociliary disorders during cold exposure has not been fully established. The aim of the study was to investigate the nature and severity of changes in the ciliary motility of the BCE under the influence of a cold stimulus in vitro . Ten volunteers with asthma underwent a bronchoscopy with biopsy of the lobar bronchus mucosa. The biopsy specimens were placed in a Hank’s balanced salt solution (HBSS) on a slide, located on the thermal stage, used to simulate the effect of various temperature on the BCE. Ciliary beat frequency (CBF, Hz) was recorded using a microscope, high-sensitivity digital camera and computer with specially developed software. The initial recording of CBF was performed at 24ºC, after which the temperature of HBSS was gradually increased to physiological level and repeated recording was made at the control points (28ºC and 36ºC). Then, the temperature of the solution was lowered and CBF was registered again at 28ºC, 21ºC and 17ºC. The initial CBF of the BCE varied from 6.74 to 3.77 Hz with average of 5.25±1.48 Hz (M±m). There was a statistically significant increase in CBF when the solution was heated: at 28ºC it was 6.33±1.36 Hz (p=0.004) and remained at this level up to 36ºC - 7.14±1.33 Hz (p=0.002). A gradual decrease in the solution temperature produced a reduction in CBF in comparison with the physiological conditions: 28ºC - 6.12±1.31 Hz (p=0.121), 21ºC - 5.27±1.32 Hz (p=0.001) and 17ºC - 3.95±1.18 Hz (p=0.0001). By the end of the experiment, CBF of the BCE decreased almost 2-fold in comparison with the physiological conditions. A mathematical model that characterizes the behavior of BCE cilia under cold stress was developed. Thus, the results of the study demonstrate a marked decrease in the motor activity of the BCE cilia under cold stress, which underlines a significant contribution of the functional disturbance of BCE to the pathophysiological mechanisms of hypersecretory disorders induced by inhalation of cold air.

холодовой стимулхолодовой стрессмерцательный эпителий бронховдвигательная активность ресничек мерцательного эпителияcold stimuluscold stressbronchial ciliated epitheliumciliated epithelium cilia motion activityReferencesБезруков Н.С., Шматок М.И. Новый способ регистрации активности ресничек мерцательного эпителия дыхательных путей // Материалы IX международной научной конференции «Системный анализ в медицине» (САМ 2015) / под общ. ред. В.П.Колосова. Благовещенск, 2015. С.50-56.Безруков Н.С., Шматок М.И. Новый способ регистрации активности ресничек мерцательного эпителия дыхательных путей // Материалы IX международной научной конференции «Системный анализ в медицине» (САМ 2015) / под общ. ред. В.П.Колосова. Благовещенск, 2015. С.50-56.Безруков Н.С., Одиреев А.Н, Шматок М.И. Алгоритмы регистрации движения ресничек мерцательного эпителия // Материалы Х международной научной конференции «Системный анализ в медицине» (САМ 2016) / под общ. ред. В.П.Колосова. Благовещенск, 2016. С.33-36.Безруков Н.С., Одиреев А.Н, Шматок М.И. Алгоритмы регистрации движения ресничек мерцательного эпителия // Материалы Х международной научной конференции «Системный анализ в медицине» (САМ 2016) / под общ. ред. В.П.Колосова. Благовещенск, 2016. С.33-36.Безруков Н.С., Одиреев А.Н., Килимиченко К.Ф., Перельман Ю.М. Термостолик для микроскопа на элементах Пельтье // Материалы ХI международной научной конференции «Системный анализ в медицине» (САМ 2017) / под общ. ред. В.П.Колосова. Благовещенск, 2017. С.44-49.Безруков Н.С., Одиреев А.Н., Килимиченко К.Ф., Перельман Ю.М. Термостолик для микроскопа на элементах Пельтье // Материалы ХI международной научной конференции «Системный анализ в медицине» (САМ 2017) / под общ. ред. В.П.Колосова. Благовещенск, 2017. С.44-49.Колосов В.П., Добрых В.А., Одиреев А.Н., Луценко М.Т. Диспергационный и мукоцилиарный транспорт при болезнях органов дыхания. Владивосток: Дальнаука, 2011. 276 с.Колосов В.П., Добрых В.А., Одиреев А.Н., Луценко М.Т. Диспергационный и мукоцилиарный транспорт при болезнях органов дыхания. Владивосток: Дальнаука, 2011. 276 с.Колосов В.П., Манаков Л.Г., Кику П.Ф., Полянская Е.В. Заболевания органов дыхания на Дальнем Востоке России: эпидемиологические и социально-гигиенические аспекты. Владивосток: Дальнаука, 2013. 220 с.Колосов В.П., Манаков Л.Г., Кику П.Ф., Полянская Е.В. Заболевания органов дыхания на Дальнем Востоке России: эпидемиологические и социально-гигиенические аспекты. Владивосток: Дальнаука, 2013. 220 с.Приходько А.Г., Перельман Ю.М., Колосов В.П. Гиперреактивность дыхательных путей. Владивосток: Дальнаука, 2011. 204 с.Приходько А.Г., Перельман Ю.М., Колосов В.П. Гиперреактивность дыхательных путей. Владивосток: Дальнаука, 2011. 204 с.Прокопенко А.В., Целуйко С.С., Долгополов А.С., Чжоу С.Д., Ли Ц. Адаптация эпителия трахеи в широком диапазоне температур (экспериментальное исследование) // Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2013. Вып.48. С.63-69.Прокопенко А.В., Целуйко С.С., Долгополов А.С., Чжоу С.Д., Ли Ц. Адаптация эпителия трахеи в широком диапазоне температур (экспериментальное исследование) // Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2013. Вып.48. С.63-69.Целуйко С.С. Ультраструктурная организация мукоцилиарного клиренса в норме и при холодовом воздействии // Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2009. Вып.33. С.7-12.Целуйко С.С. Ультраструктурная организация мукоцилиарного клиренса в норме и при холодовом воздействии // Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2009. Вып.33. С.7-12.Целуйко С.С., Красавина Н.П., Семенов Д.А., Чжоу С.Д., Ли Ц. Гистохимическая характеристика углеводных соединений в воздухоносном отделе легких крыс под действием холодного воздуха // Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2012. Вып.46. С.69-76.Целуйко С.С., Красавина Н.П., Семенов Д.А., Чжоу С.Д., Ли Ц. Гистохимическая характеристика углеводных соединений в воздухоносном отделе легких крыс под действием холодного воздуха // Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2012. Вып.46. С.69-76.Шаповаленко Н.С. Доровских В.А., Коршунова Н.В., Штарберг М.А., Сластин С.С., Невмывако Е.Е. Влияние холодового стресса на интенсивность перекисного окисления липидов и антиоксидантную систему тканей экспериментальных животных // Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2011. Вып.39. С.22-25.Шаповаленко Н.С. Доровских В.А., Коршунова Н.В., Штарберг М.А., Сластин С.С., Невмывако Е.Е. Влияние холодового стресса на интенсивность перекисного окисления липидов и антиоксидантную систему тканей экспериментальных животных // Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2011. Вып.39. С.22-25.Andrade Y.N., Fernandes J., Vázquez E., Fernández-Fernández J.M., Arniges M., Sánchez T.M., Villalón M., Valverde M.A. TRPV4 channel is involved in the coupling of fluid viscosity changes to epithelial ciliary activity // J. Cell Biol. 2005. Vol.168, №6. Р.869-874. doi: 10.1083/jcb.200409070Andrade Y.N., Fernandes J., Vázquez E., Fernández-Fernández J.M., Arniges M., Sánchez T.M., Villalón M., Valverde M.A. TRPV4 channel is involved in the coupling of fluid viscosity changes to epithelial ciliary activity // J. Cell Biol. 2005. Vol.168, №6. Р.869-874. doi: 10.1083/jcb.200409070Chilvers M.A., Rutman A., O’Callaghan C. Functional analysis of cilia and ciliated epithelial ultrastructure in healthy children and young adults // Thorax. 2003. Vol.58, №4. Р.333-338.Chilvers M.A., Rutman A., O’Callaghan C. Functional analysis of cilia and ciliated epithelial ultrastructure in healthy children and young adults // Thorax. 2003. Vol.58, №4. Р.333-338.Diesel D.A., Lebel J.L., Tucker A. Pulmonary particle deposition and airway mucociliary clearance in cold-exposed calves // Am. J. Vet. Res. 1991. Vol.52, №10. Р.1665-1671.Diesel D.A., Lebel J.L., Tucker A. Pulmonary particle deposition and airway mucociliary clearance in cold-exposed calves // Am. J. Vet. Res. 1991. Vol.52, №10. Р.1665-1671.Donaldson G.C., Wedzicha J.A. COPD exacerbations. 1: Epidemiology // Thorax. 2006. Vol.61, №2. P.164-168.Donaldson G.C., Wedzicha J.A. COPD exacerbations. 1: Epidemiology // Thorax. 2006. Vol.61, №2. P.164-168.Goto D.M., Torres G.M., Seguro A.C., Saldiva P.H., Lorenzi-Filho G., Nakagawa N.K. Furosemide impairs nasal mucociliary clearance in humans // Respir. Physiol. Neurobiol. 2010. Vol.170, №3. Р.246-252. doi: 10.1016/j.resp.2010.01.013Goto D.M., Torres G.M., Seguro A.C., Saldiva P.H., Lorenzi-Filho G., Nakagawa N.K. Furosemide impairs nasal mucociliary clearance in humans // Respir. Physiol. Neurobiol. 2010. Vol.170, №3. Р.246-252. doi: 10.1016/j.resp.2010.01.013Jammes Y., Delvolgo-Gori M.J., Badier M., Guillot C., Gazazian G., Parlenti L. One-year occupational exposure to a cold environment alters lung function // Arch. Environ. Health. 2002. Vol.57, №4. P.360-365.Jammes Y., Delvolgo-Gori M.J., Badier M., Guillot C., Gazazian G., Parlenti L. One-year occupational exposure to a cold environment alters lung function // Arch. Environ. Health. 2002. Vol.57, №4. P.360-365.Harju T., Mäkinen T, Näyhä S, Laatikainen T, Jousilahti P, Hassi J. Cold-related respiratory symptoms in the general population // Clin. Resp. J. 2010. Vol.4, №3. P.176-185.Harju T., Mäkinen T, Näyhä S, Laatikainen T, Jousilahti P, Hassi J. Cold-related respiratory symptoms in the general population // Clin. Resp. J. 2010. Vol.4, №3. P.176-185.Knowles M.R., Boucher R.C. Mucus clearance as a primary innate defense mechanism for mammalian airways // J. Clin. Invest. 2002. Vol.109, №5. Р.571-577.Knowles M.R., Boucher R.C. Mucus clearance as a primary innate defense mechanism for mammalian airways // J. Clin. Invest. 2002. Vol.109, №5. Р.571-577.Li M.C., Perelman J.M., Kolosov V.P., Zhou X.D. Effects of transient receptor potential melastatin 8 cation channels on inflammatory reaction induced by cold temperatures in human airway epithelial cells // Zhonghua Jie He He Hu Xi Za Zhi. 2011. Vol.34, №10. Р.757-761.Li M.C., Perelman J.M., Kolosov V.P., Zhou X.D. Effects of transient receptor potential melastatin 8 cation channels on inflammatory reaction induced by cold temperatures in human airway epithelial cells // Zhonghua Jie He He Hu Xi Za Zhi. 2011. Vol.34, №10. Р.757-761.Li M., Li Q., Yang G., Kolosov V.P., Perelman J.M., Zhou X.D. Cold temperature induces mucin hypersecretion from normal human bronchial epithelial cells in vitro through a transient receptor potential melastatin 8 (TRPM8)-mediated mechanism // J. Allergy Clin. Immunol. 2011. Vol.128, №3. Р.626-634.Li M., Li Q., Yang G., Kolosov V.P., Perelman J.M., Zhou X.D. Cold temperature induces mucin hypersecretion from normal human bronchial epithelial cells in vitro through a transient receptor potential melastatin 8 (TRPM8)-mediated mechanism // J. Allergy Clin. Immunol. 2011. Vol.128, №3. Р.626-634.Li M.C., Yang G., Zhou X.D., Tseluyko S.S., Perelman J.M. The pathophysiological mechanisms underlying mucus hyper secretion induced by cold temperatures in cigarette smoke-exposed rats // Int. J. Mol. Med. 2014. Vol.33, №1. P. 83-90.Li M.C., Yang G., Zhou X.D., Tseluyko S.S., Perelman J.M. The pathophysiological mechanisms underlying mucus hyper secretion induced by cold temperatures in cigarette smoke-exposed rats // Int. J. Mol. Med. 2014. Vol.33, №1. P. 83-90.Luk C.K., Dulfano M.J. Effect of pH, viscosity and ionic-strength changes on ciliary beating frequency of human bronchial explants // Clin. Sci. (Lond.). 1983. Vol.64, №4. Р.449-451. doi: 10.1042/cs0640449Luk C.K., Dulfano M.J. Effect of pH, viscosity and ionic-strength changes on ciliary beating frequency of human bronchial explants // Clin. Sci. (Lond.). 1983. Vol.64, №4. Р.449-451. doi: 10.1042/cs0640449Mall M.A. Role of cilia, mucus, and airway surface liquid in mucociliary dysfunction: lessons from mouse models // J. Aerosol Med. Pulm. Drug Deliv. 2008. Vol.21, №1. Р.13-24. doi: 10.1089/jamp.2007.0659Mall M.A. Role of cilia, mucus, and airway surface liquid in mucociliary dysfunction: lessons from mouse models // J. Aerosol Med. Pulm. Drug Deliv. 2008. Vol.21, №1. Р.13-24. doi: 10.1089/jamp.2007.0659Matsui H., Randell S.H., Peretti S.W., Davis C.W., Boucher R.C. Coordinated clearance of periciliary liquid and mucus from airway surfaces // J. Clin. Invest. 1998. Vol.102, №6. Р.1125-1131.Matsui H., Randell S.H., Peretti S.W., Davis C.W., Boucher R.C. Coordinated clearance of periciliary liquid and mucus from airway surfaces // J. Clin. Invest. 1998. Vol.102, №6. Р.1125-1131.Peier A.M., Moqrich A., Hergarden A.C., Reeve A.J., Andersson D.A., Story G.M., Earley T.J., Dragoni I., McIntyre P., Bevan S., Patapoutian A. A TRP channel that senses cold stimuli and menthol // Cell. 2002. Vol.108, №5. P.705-715.Peier A.M., Moqrich A., Hergarden A.C., Reeve A.J., Andersson D.A., Story G.M., Earley T.J., Dragoni I., McIntyre P., Bevan S., Patapoutian A. A TRP channel that senses cold stimuli and menthol // Cell. 2002. Vol.108, №5. P.705-715.Sabnis A.S., Shadid M., Yost G.S., Reilly C.A. Human Lung Epithelial Cells Express a Functional Cold-Sensing TRPM8 Variant // Am. J. Respir. Cell Mol. Biol. 2008. Vol.39, №4. P.466-474. doi: 10.1165/rcmb.2007-0440OCSabnis A.S., Shadid M., Yost G.S., Reilly C.A. Human Lung Epithelial Cells Express a Functional Cold-Sensing TRPM8 Variant // Am. J. Respir. Cell Mol. Biol. 2008. Vol.39, №4. P.466-474. doi: 10.1165/rcmb.2007-0440OCSatir P., Christensen S.T. Overview of structure and function of mammalian cilia // Annu. Rev. Physiol. 2007. Vol.69. Р.377-400. doi: 10.1146/annurev.physiol.69.040705.141236Satir P., Christensen S.T. Overview of structure and function of mammalian cilia // Annu. Rev. Physiol. 2007. Vol.69. Р.377-400. doi: 10.1146/annurev.physiol.69.040705.141236Trout L., King M., Feng W., Inglis S.K., Ballard S.T. Inhibition of airway liquid secretion and its effect on the physical properties of airway mucus // Am. J. Physiol. 1998. Vol.274, №2(Pt1). Р.258-263.Trout L., King M., Feng W., Inglis S.K., Ballard S.T. Inhibition of airway liquid secretion and its effect on the physical properties of airway mucus // Am. J. Physiol. 1998. Vol.274, №2(Pt1). Р.258-263.Wanner A., Salathe M., O’Riordan T.G. Mucociliary clearance in the airways // Am. J. Respir. Crit. Care Med. 1996. Vol.154, №6(Pt1). P.1868-1902.Wanner A., Salathe M., O’Riordan T.G. Mucociliary clearance in the airways // Am. J. Respir. Crit. Care Med. 1996. Vol.154, №6(Pt1). P.1868-1902.Wyatt T.A., Forget M.A., Adams J.M., Sisson J.H. Both cAMP and cGMP are required for maximal ciliary beat stimulation in a cell-free model of bovine ciliary axonemes // Am. J. Physiol Lung Cell. Mol. Physiol. 2005. Vol.288, №3. Р.546-551. doi: 10.1152/ajplung.00107.2004Wyatt T.A., Forget M.A., Adams J.M., Sisson J.H. Both cAMP and cGMP are required for maximal ciliary beat stimulation in a cell-free model of bovine ciliary axonemes // Am. J. Physiol Lung Cell. Mol. Physiol. 2005. Vol.288, №3. Р.546-551. doi: 10.1152/ajplung.00107.2004Yaghi A., Dolovich M.B. Airway Epithelial Cell Cilia and Obstructive Lung Disease // Cells. 2016. Vol.5, №4. Р.40. doi:10.3390/cells5040040Yaghi A., Dolovich M.B. Airway Epithelial Cell Cilia and Obstructive Lung Disease // Cells. 2016. Vol.5, №4. Р.40. doi:10.3390/cells5040040Yaghi A., Zaman A., Cox G., Dolovich M.B. Ciliary beating is depressed in nasal cilia from chronic obstructive pulmonary disease subjects // Respir. Med. 2012. Vol.106, №8. Р.1139-1147. doi: 10.1016/j.rmed.2012.04.001Yaghi A., Zaman A., Cox G., Dolovich M.B. Ciliary beating is depressed in nasal cilia from chronic obstructive pulmonary disease subjects // Respir. Med. 2012. Vol.106, №8. Р.1139-1147. doi: 10.1016/j.rmed.2012.04.001Yaghi A., Zaman A., Dolovich M.B. The direct effect of hyperosmolar agents on ciliary beating of human bronchial epithelial cells // J. Aerosol Med. Pulm. Drug Deliv. 2012. Vol.25, №2. Р.88-95. doi: 10.1089/jamp.2011.0914Yaghi A., Zaman A., Dolovich M.B. The direct effect of hyperosmolar agents on ciliary beating of human bronchial epithelial cells // J. Aerosol Med. Pulm. Drug Deliv. 2012. Vol.25, №2. Р.88-95. doi: 10.1089/jamp.2011.0914Yan X., Cao G.M., Wang X.L., Zhou X.D. Study of mucus secretion and aquaporin-5 expression of bronchial epithelium cultured in hypotonic medium // Zhongguo Wei Zhong Bing Ji Jiu Yi Xue 2007. Vol.19, №4. Р.214-216.Yan X., Cao G.M., Wang X.L., Zhou X.D. Study of mucus secretion and aquaporin-5 expression of bronchial epithelium cultured in hypotonic medium // Zhongguo Wei Zhong Bing Ji Jiu Yi Xue 2007. Vol.19, №4. Р.214-216.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.