ЦИЛИАРНАЯ АКТИВНОСТЬ МЕРЦАТЕЛЬНОГО ЭПИТЕЛИЯ БРОНХОВ ПРИ ХОЛОДОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ IN VITRO

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.

холодовой стимул, холодовой стресс, мерцательный эпителий бронхов, двигательная активность ресничек мерцательного эпителия

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Приходько А.Г., Перельман Ю.М., Колосов В.П. Гиперреактивность дыхательных путей. Владивосток: Дальнаука, 2011. 204 с.

7. 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.

8. Целуйко С.С. Ультраструктурная организация мукоцилиарного клиренса в норме и при холодовом воздействии // Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2009. Вып.33. С.7-12.

9. 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.

10. 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.

11. 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.200409070

12. 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.

13. 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.

14. Donaldson G.C., Wedzicha J.A. COPD exacerbations. 1: Epidemiology // Thorax. 2006. Vol.61, №2. P.164-168.

15. 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.2010.01.013

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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/cs0640449

23. Mall 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.2007.0659

24. 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.

25. 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.

26. 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.2007-0440OC

27. Satir 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.69.040705.141236

28. 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.

29. 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.

30. 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.00107.2004

31. Yaghi A., Dolovich M.B. Airway Epithelial Cell Cilia and Obstructive Lung Disease // Cells. 2016. Vol.5, №4. Р.40. doi:10.3390/cells5040040

32. Yaghi 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.2012.04.001

33. Yaghi 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.2011.0914

34. 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.