Hingamiskeskuse ergastamine süsinikdioksiidiga. Hingamiskeskus, selle lokaliseerimine, struktuur ja tegevuse reguleerimine

Henrietta Lacksi loos põimusid rassiline ja sotsiaalne diskrimineerimine, meditsiinieetika, teaduse võidukäik ja perevalu. Selle naise rakud said nii läbimurdeks kui ka häbiväärseks maailma meditsiini ajalooks. Lennulind jutustab ümber Rebecca Sklooti raamatu Surematu elu Henrietta Lacks."

“Surematute” HeLa rakkude avastamist nimetatakse üheks suurimaks läbimurdeks meditsiini ajaloos. HeLa käivitati uus tase vähiuuringuid ja aitas välja töötada poliomüeliidi vaktsiini. Nende abiga loodi ja testiti ravimeid herpese, leukeemia, gripi, hemofiilia ja Parkinsoni tõve raviks. Ilma nendeta poleks geneetiline kaardistamine, kloonimine ja IVF võimalik. Samas rakudoonori Henrietta Lacksi kohta pikki aastaid midagi polnud teada, isegi tema nime mitte, ja tema enda perekonnal polnud aimugi, et tema rakud teevad meditsiinis revolutsiooni.

Meditsiiniajakirjanik Rebecca Skloot hakkas Henrietta Lacksi loo vastu huvi tundma ülikooli esimesel kursusel. Rebecca veetis kümme aastat asjaolusid uurides, intervjueerides ilmselt kõiki, kellel oli selle looga pistmist (“alates Nobeli preemia laureaadid kurjategijatele,” nagu ta ise kirjutab). Tulemuseks on raamat, millest on võimatu end lahti rebida: korraga nii teadusromaan, detektiiv, perekonnasaaga kui ka põnev ekskursioon meditsiiniajalukku.

Sama naine

Henrietta Lacksi (suri 31-aastaselt) lühikese eluea põhjal võiks teha draama USA mustanahalisest elanikkonnast möödunud sajandi esimesel poolel. Henrietta sündis 1920. aastal Virginia osariigis asuvas puumajas, kus elasid tema vanemad ning kaheksa vanemat venda ja õde. Neli aastat hiljem suri Henrietta ema oma järgmist last sünnitades ja isa ajas lapsed sugulaste sekka laiali.

Suur pere elas end tubakat kasvatades samadel istandustel, kus töötasid nende esivanemad orjadena. Henrietta määrati elama oma vanaisa juurde – onnis, mis kunagi oli orjadele katus pea kohal. Tüdruk ärkas igal hommikul kell neli: lüpsis lehmad, hooldas aeda ja läks siis istanduse kallale.

Vanaisa kasvatas juba oma pojapoega Day’i, Henrietta temast viis aastat vanemat nõbu. Mõlemad jäid koolist välja (Päev langes pärast neljandat klassi, Henrietta jõudis kuuendasse): tööd oli liiga palju. Kui Henrietta oli neljateist ja Day üheksateist, sündis nende esimene laps; paar aastat hiljem nad abiellusid. Aastal 1951, kui Henrietta esimest korda Johns Hopkinsi haigla günekoloogiaosakonda tuli, kaebas "sõlmekese emakas", oli neil juba viis last.

Kui Henrietta oli neljateist- ja Day üheksateistaastane, sündis nende esimene laps.

Henriettal diagnoositi emakakaelavähk. Siis oli tavaks seda ravida raadiumiga: paljud arstid pidasid 20. sajandi esimesel poolel raadiumit suurepäraseks vahendiks kõikide probleemide korral. Haigus arenes kiiresti – Henrietta suri 4. oktoobril 1951, vaid kaheksa kuud pärast esimest haiglakülastust.

HeLa-v. Pilt: NIH/BSIP/AFP/East News

Kauaoodatud rakud

Kogu 20. sajandi esimese poole püüdsid arstid üle maailma edutult väljaspool keha elavaid rakke kasvatada: miski ei andnud tulemusi, proovid surid alati. Kuid George Guy, kes juhtis Hopkinsi koekultuuri uurimist, jätkas proovimist.

Oma katseteks võttis ta kõik rakud, mida ta sai. Guy nimetas end naljaga pooleks "maailma kuulsaimaks raisakotkaks": ta pidas kolleegidega läbirääkimisi, et võtta tema jaoks patsientidelt koeproove. Ühe kiiritusseansi ajal võeti Henriettalt vähirakkude proovid. Ilma suurema lootuseta pani Guy need Petri tassile, olles kindel, et seekord ei tööta miski.

Ja äkki selgus, et Henrietta rakud käituvad teisiti. Esiteks, need paljunesid enneolematu kiirusega. Teiseks osutusid nad sõna otseses mõttes surematuteks. Tavalised rakud surevad pärast teatud arvu jagunemisi, kuid Henrietta rakkudel oli kasvu pärssimise programm välja lülitatud – nad suutsid end lõpmatu arv kordi taastoota. Ja lõpuks olid nad üllatavalt tagasihoidlikud, sigides mis tahes tingimustes.

Henrietta rakkudes lülitati kasvu pärssimise programm välja.

Avastus tuli õigemal ajal – 1951. aastal haaras maailma ajaloo suurim lastehalvatuse epideemia. Teadlased töötasid kiiresti välja vaktsiini, kuid enne ravimi tootmisse panemist tuli seda testida. Selleks oli vaja rakke, sõna otseses mõttes tööstuslikus mastaabis. HeLa rakud olid ideaalsed: nad jäljendasid omadusi piisavalt Inimkeha, korrutatud koheselt ja kergesti talutavad "reisid" posti teel. Nii eraldas valitsus raha esimese "HeLa tehase" ehitamiseks - suuremahulise ettevõtte, mis kasvatas rakke ja saatis need 23 vaktsiini testimiskeskusesse.

Tehas tootis 6 triljonit HeLa rakku nädalas. Testimine õnnestus ja vaktsiin pandi peagi tootmisse.

HeLa-iv. Pilt: NIH/BSIP/AFP/East News

Surematus

Miks on rakkude surematus nii oluline? Varasemad tulemused, sai kätte rakukultuurid oh, seda ei saanud usaldusväärseks pidada: kõik katsed viidi läbi erinevate rakuliinidega, mis peagi surid (tihti isegi enne, kui tulemust jõuti saada). Täisväärtuslikeks uuringuteks oli vaja stabiilset rakuliini, mis on identne kõigis maailma laborites. HeLa rakud andsid teadlastele põhimõtteliselt uusi võimalusi ja varsti mitte keegi meditsiinilabor Ma ei saaks ilma nendeta maailmas hakkama.

"Kui teadlastel oli vaja välja selgitada, kuidas rakud konkreetses keskkonnas käituvad, kuidas nad sellele või teisele ravimile reageerivad või kuidas nad sellist ja sellist valku ehitavad, pöördusid nad nende poole," kirjutab Skloot. – Henrietta rakud panid aluse viroloogiale: teadlased nakatasid HeLa rakke kõikvõimalike viirustega – herpes, leetrid, mumps, tuulerõuged, hobuste entsefaliit –, et uurida, kuidas viirus rakkudesse siseneb, paljuneb ja levib. HeLa-t kasutati selleks, et mõista, kuidas steroidid, keemiaravi, hormoonid, vitamiinid ja keskkonnaprobleemid mõjutavad rakke.

Teadlased nakatasid HeLa rakke herpese, leetrite, mumpsi, tuulerõugete ja hobuste entsefaliidiga.

Keset külm sõda Teadlased mõjutasid rakke suurte kiirgusdoosidega, et täpselt teada saada, kuidas tuumapomm keha mõjutab. Teised teadlased on paigutanud rakud suure võimsusega tsentrifuugidesse, et näha, kuidas inimrakud kosmosesse saatmisel käituksid.

Rakud on käinud ka päriskosmoses: juba 1960. aastal läksid nad orbiidile Nõukogude kosmoseprogrammi teise satelliidi pardal. Ja peagi saatis NASA orbiidile mitu HeLa toru.

Ebamugav hetk

Meditsiinieetika on üks raamatu võtmeteemasid. Naljakas, kirjutab Skloot, et Ameerika Meditsiiniassotsiatsioon andis juba 1910. aastal välja reeglid laboriloomade kaitseks, kuid selliseid reegleid ei eksisteerinud inimeste jaoks enne. Nürnbergi kohtuprotsessid. Just seal sõnastas sõjaväetribunal Nürnbergi koodeksi - kümme eetikaseadust, mis reguleerivad meditsiinilised katsed inimeste üle.

Kuid Nürnbergi koodeks oli ainult soovituslik. Praktikas rikuti seda USA-s (ja mitte ainult seal) sageli – seda enam, et uuringute üle puudus peaaegu igasugune kontroll. Kõige haavatavamad sotsiaalsed rühmad said eksperimentide tõttu enim kannatada, eelkõige afroameeriklased ja vangid.

Paljud vaestest piirkondadest pärit afroameeriklased tundsid haiglate ees ebausklikku õudu – linnalegendid rääkisid “ööarstidest”, kes röövisid mustanahalisi koletuteks katseteks. Ja kuigi suuremalt jaolt olid sellised lood vaid legendid (Skloot kirjutab, et 19. sajandil levitasid neid mõnikord orjaomanikud, et orje põgenemast heidutada), oli hirmul põhjust reaalne. 19. sajandil katsetasid paljud arstid ravimeid orjade peal ja opereerisid neid (mõnikord isegi ilma tuimestuseta), et välja töötada uus kirurgiline tehnika.

See tava ei kadunud pärisorjuse kaotamisega. Kõige kurikuulsam näide oli Tuskegee Instituut. Peaaegu pool sajandit (1932–1972) viidi siin USA rahvatervise teenistuse egiidi all läbi süüfilise staadiumite uuring - nakatumise hetkest surmani. Teadlased värbasid 600 inimest vaesest afroameeriklaste elanikkonnast (neist kolmandik nakatus katse käigus süüfilisega) ja jälgisid aastaid nende aeglast valulikku surma. Nende inimeste kannatused võiks kergesti peatada: alates 1940. aastatest on penitsilliini laialdaselt kasutatud süüfilise raviks. Kuid eksperimendi korraldajad mitte ainult ei varjanud seda fakti osalejate eest, vaid hoolitsesid ka selle eest, et neil poleks võimalust süüfilist teistes haiglates ravida.

Näib, et HeLa rakud võimaldasid uuringuid läbi viia ilma inimkatseteta - kuid praktikas juhtus kõike.

Näib, et HeLa rakud võimaldasid uuringuid läbi viia ilma inimkatseteta - kuid praktikas juhtus kõike. Nii mõtles viroloog Chester Southam kord: kas HeLa rakud võivad nakatada temaga koostööd tegevaid teadlasi? Southam otsustas testida seda hüpoteesi pahaaimamatute patsientide peal (ta juhatas Sloan-Ketteringi vähiinstituudi memorial viroloogia osakonda). 1954. aasta veebruaris süstis Southam ligikaudu viis miljonit HeLa rakku ühe leukeemiaga haiglaravil oleva naise õlga. Ta kordas sama protseduuri veel tosina vähipatsiendiga ja otsustas seejärel kontrollida, kuidas terved inimesed süstidele reageerivad. Ta värbas oma katsealuseid Ohio osariigi kinnipidamisasutuses (sel ajal kasutati vange regulaarselt meditsiinilisteks katseteks: alates keemiarelvade katsetamisest kuni röntgenikiirguse munanditele mõju uurimiseni).

"Järgnevatel aastatel süstis Southam HeLa-d ja teisi elusaid vähirakke rohkem kui 600 inimesele," kirjutab Skloot. - Southam hakkas tegema samu süste igale Memorial Cancer Centeri günekoloogilise kirurgia osakonda tulnud patsiendile, kus ta töötas. Ta ütles patsientidele, et teeb just vähitesti. Võib-olla oleks Southam jätkanud samas vaimus veel palju aastaid, kui ta poleks 1963. aastal Brooklyni juudi haigla direktori Emmanuel Mandeliga kokku leppinud selle asutuse patsientide uurimistöös osalemises. Mandel käskis arstidel süstida 22 patsienti, ütlemata neile, et süstal sisaldab vähirakke. Kolm noort arsti keeldusid, esitasid lahkumisavaldused ja rääkisid eksperimendist ajakirjanikele. Järgnes skandaal, kuid märkimisväärne osa meditsiiniringkondadest toetas tema kolleegi: Southamilt ei võetud isegi litsentsi ning ta valiti peagi Ameerika Vähiuuringute Ühingu presidendiks.

...Nürnbergi koodeksi esimene lõik ütleb: "Katsealuse vabatahtlik nõusolek on absoluutselt vajalik." Henrietta Lacks ei andnud nõusolekut – ta ei teadnudki, et temalt rakuproove võeti. Ka tema perekond ei teadnud sellest.

Sugulus ja raha

Raamatu kallal töötamise aastate jooksul sai Rebecca Skloot Lacksi perekonnaga väga lähedaseks (muide, pärast raamatu ilmumist asutas ajakirjanik Henrietta järeltulijate stipendiumifondi). Kuid alguses tundus isegi lihtne intervjuu võimatu. Laksid olid äärmiselt vaenulikud ja arusaadavalt.

Teadlased said teada, et Henrietta rakud olid ainulaadsed juba enne tema surma. Kuid ei siis ega hiljem ei vaevunud keegi perega ühendust võtma, nii et Henrietta lapsed isegi ei kahtlustanud, millise revolutsiooni nende ema rakud meditsiinis tegid. Neil polnud mingit võimalust ise teada saada: isegi kui Lacksi lapsed olid lugenud meditsiiniajakirjandust (mida nad kindlasti ei lugenud – enamik neist polnud isegi keskkooli lõpetanud), ei räägitud seal peaaegu kunagi doonor. Oli äärmiselt haruldane, et tema nime mainiti väljaannetes ja isegi siis valesti - neis artiklites esines ta Helen Lane'ina.

Henrietta tegelik nimi sai tuntuks alles 1970. aastatel – alles siis said tema mees ja lapsed kogemata sõpradelt teada, kui palju ta teadusele andis ja kui palju raha kommertslaborid sellega teenisid. Lackid ise elasid sel ajal äärmises vaesuses ega saanud endale isegi ravikindlustust lubada; Henrietta maeti tähistamata hauda, ​​sest hauakivi raha polnud. Loomulikult tundsid naise mees ja lapsed end petetuna: "George Guy ja Hopkinsi haigla varastasid meie ema rakud ja teenisid neid müües miljoneid."

Henrietta maeti tähistamata hauda, ​​sest hauakivi jaoks polnud raha.

Nad eksisid aga George Guy suhtes: HeLa avastaja ei teeninud kongidelt sentigi. Ta jagas rakke tasuta ja keeldus seejärel esimese kaubandusliku rakukultuuri labori juhist. Veelgi enam, tal ei tulnud pähegi patenteerida HeLa või tema leiutatud rakkude söötme kultiveerimiseks mõeldud seade, mida enamikus laborites tänapäevalgi kasutatakse. Ta oli alati elanud vaeselt ja mõnikord ei suutnud ta naine maja üüri maksta, sest Guy oli jälle kulutanud oma palga laboriseadmetele. Ja kui tal diagnoositi 70-aastaselt kõhunäärmevähk, võttis ta ühendust vähiuurijatega üle kogu riigi, pakkudes end katsealuseks. HeLast tehti tõesti miljoneid – kuid mitte Guy, vaid need samad kaubanduslikud laborid.

James Sturdivant majas, kus Henrietta üles kasvas. Fotod: Virginian-Pilot, Bill Tiernan/AP Photo/East News

Irooniline on see, et umbes sel ajal, kui Lacksi perekond tõde teada sai, pöördus meditsiiniringkond tema poole, kuid mitte selleks, et teda tänada ega rahaliselt toetada. Fakt on see, et HeLa rakud osutusid nii elujõulisteks, et nakatasid laborites kõiki teisi rakukultuure. Kiiresti oli vaja välja töötada geneetilised testid, mis suudaksid tuvastada HeLa rakke teistes kultuurides, ja selleks oli vaja pereliikmetelt DNA proove.

Olukord, kus proovid võeti, ei olnud aga kaugel sellest, mida tänapäeval peetakse "teadlikuks nõusolekuks". Tõsi, perega kokku puutuv teadlane väidab, et rääkis telefoni teel Henrietta abikaasale uuringu olemusest; aga üks nelja-aastase haridusega vanem mees ei saanud tema selgitusest sõnagi aru ja ütles lastele: "Nad tahavad teilt verd võtta, et näha, kas teil on vähk, mis su ema tappis." Verevõtu ajal ei selgitatud neile midagi, nii et nad olid kindlad, et teevad "vähitesti". (Henrietta tütar Deborah, kes oli juba pingsalt oodanud oma kolmekümnendat sünnipäeva, sest kartis vähki, sattus nüüd veelgi paanikasse.) Ja hiljem avaldasid teadlased raporti Lacksi DNA uuringu kohta: selline avalikustamine nendel päevadel geneetiline teave isiku nime nimetamine võib kaasa tuua suure rahatrahvi või isegi vanglakaristuse, kuid selliseid seadusi 1970. aastatel ei eksisteerinud.

Tänapäeval võib selline teabe avaldamine kaasa tuua vanglakaristuse, kuid 1970. aastatel selliseid seadusi veel ei olnud.

Mõned eksperdid usuvad, et Lackid võivad nõuda HeLa rakkude kasutamise täielikku lõpetamist („HeLa rakkude anonüümsust pole enam võimalik tagada ja kuna suur osa Henrietta rakkudes olevast DNA-st on olemas ka tema lastel, võib väita, et teadlased, kes uurivad HeLa kohta, teevad neid ka Laxi perekonna laste kohta"). Või vähemalt esitada kohtuasjad privaatsuse rikkumise ja selle puudumise eest teadlik nõustumine. Kuid Henrietta lapsed ei kavatse seda teha. "Ma ei taha teadusele probleeme tekitada," ütleb Henrietta poeg David. "Ja peale selle olen ma uhke oma ema ja selle üle, mida ta teaduse heaks tegi." Loodan ainult, et need, kes tema rakudest kasu said, teevad midagi, et austada tema mälestust ja parandada suhteid tema perekonnaga.

Originaal: "Popular Mechanics" #4, 2014

Need rakud leidsid tee suurde teadusesse täiesti ootamatult. Need võeti naiselt nimega Henrietta LAcks, kes varsti pärast seda suri. Kuid teda tapnud kasvaja rakkude kultiveerimine osutus teadlaste jaoks asendamatuks vahendiks.

Biomeditsiinilistes uuringutes ja uute ravimeetodite väljatöötamisel kasutatakse sageli laboris kasvatatud inimese rakukultuure. Paljude rakuliinide seas on üks kuulsamaid HeLa. Need rakud jäljendavad inimkeha in vitro("in vitro"), "igavene" - neid saab lõputult jagada, neid kasutavate uuringute tulemusi reprodutseeritakse erinevates laborites usaldusväärselt. Nende pinnal on üsna universaalne retseptorite komplekt, mis võimaldab neid kasutada nende toime uurimiseks erinevaid aineid, lihtsast anorgaanilisest kuni valkude ja nukleiinhapped; Nad on kasvatamisel tagasihoidlikud ning taluvad hästi külmutamist ja säilitamist.

Henrietta Lacks

Henrietta Lacks oli kaunis mustanahaline ameeriklanna. Ta elas Lõuna-Virginia väikelinnas Turneris koos abikaasa ja viie lapsega. 1. veebruaril 1951 läks Henrietta Johns Hopkinsi haiglasse, kuna tundis muret kummalise eritise pärast, mida ta perioodiliselt oma aluspesult avastas. Meditsiiniline diagnoos oli kohutav ja halastamatu – emakakaelavähk. Kaheksa kuud hiljem, hoolimata operatsioonist ja kiiritusravist, ta suri. Ta oli 31-aastane.

Henrietta Hopkinsi haiglas viibimise ajal saatis raviarst biopsiaga saadud kasvajarakud analüüsiks Hopkinsi haigla koerakkude uurimislabori juhatajale George Gayle. Sel ajal oli rakkude kultiveerimine väljaspool keha alles lapsekingades ja põhiprobleemiks oli rakkude vältimatu surm – teatud arvu jagunemiste järel suri kogu rakuliin.

Selgus, et rakud, mille nimetus oli "HeLa" (Henrietta Lacksi ees- ja perekonnanime akronüüm), paljunesid palju kiiremini kui normaalsetest kudedest pärit rakud. Lisaks muutis pahaloomuline transformatsioon need rakud surematuks – nende kasvu pärssimise programm lülitati pärast teatud arvu jagunemisi välja. In vitro Seda pole kunagi varem ühegi teise rakuga juhtunud. See avas bioloogias enneolematud väljavaated.

Tõepoolest, kunagi siiani pole teadlased suutnud pidada rakukultuuride kohta saadud tulemusi täiesti usaldusväärseteks: kõik katsed viidi läbi heterogeensete rakuliinidega, mis lõpuks surid – mõnikord isegi enne, kui mingeid tulemusi jõuti saada. Ja siis said teadlased esimese stabiilse ja isegi igavese (!) rakuliini omanikeks, mis adekvaatselt jäljendab keha omadusi. Ja kui avastati, et HeLa rakud võivad isegi postitamise üle elada, saatis Gay need oma kolleegidele üle kogu riigi. Väga kiiresti kasvas nõudlus HeLa rakkude järele ja neid korrati laborites üle maailma. Neist sai esimene "malli" rakuliin.

Juhtus nii, et Henrietta suri samal päeval, kui George Gay rääkis telekaamerate ees, hoides käes katseklaasi, mille rakud olid käes. Ta ütles, et ravimite avastamise ja biomeditsiiniliste uuringute uute perspektiivide ajastu on alanud.

Miks on tema rakud nii olulised?

Ja tal oli õigus. Kõigis maailma laborites identne rakuliin võimaldas kiiresti hankida ja iseseisvalt kinnitada üha uusi ja uusi andmeid. Võib julgelt öelda, et molekulaarbioloogia hiiglaslik hüpe möödunud sajandi lõpus tulenes rakukultuuri võimest. in vitro. Henrietta Lacksi rakud olid esimesed surematud inimrakud, mida kunagi kunstlikus söötmes kasvatati. HeLa on õpetanud teadlastele, kuidas kasvatada sadu teisi vähirakuliine. Ja kuigi sisse viimased aastad prioriteet selles valdkonnas on nihkumine normaalsete koerakkude ja indutseeritud pluripotentsete tüvirakkude kultuuride poole (täiskasvanud organismi rakkude embrüonaalsesse olekusse viimise meetodi avastamiseks sai Jaapani teadlane Shinya Yamanaka Nobeli preemia füsioloogias ja meditsiinis 2012), jäävad vähirakud siiski biomeditsiiniliste uuringute aktsepteeritud standardiks. HeLa peamiseks eeliseks on selle pidurdamatu kasv lihtsal toitainekeskkonnal, mis võimaldab suuremahulisi uuringuid läbi viia minimaalsete kuludega.

Alates Henrietta Lacksi surmast on tema kasvajarakke pidevalt kasutatud enamike rakkude molekulaarsete arengumustrite uurimiseks. mitmesugused haigused, sealhulgas vähki ja AIDSi, et uurida kiirguse ja toksiliste ainete mõju, koostada geneetilisi kaarte ja teha tohutul hulgal muid teaduslikke ülesandeid. Biomeditsiini maailmas on HeLa rakud saanud sama kuulsaks kui laborirotid ja Petri tassid. 1960. aasta detsembris rakke HeLa esimene lendas Nõukogude satelliidiga kosmosesse. Isegi tänapäeval on nõukogude geneetikute kosmoses tehtud katsete ulatus hämmastav. Tulemused näitasid, et HeLa toimib hästi mitte ainult maapealsetes tingimustes, vaid ka ilma gravitatsioonita.

Ilma HeLa rakkudeta oleks Jonas Salki loodud poliomüeliidi vaktsiini väljatöötamine olnud võimatu. Muide, Salk oli saadud vaktsiini (nõrgestatud lastehalvatuse viirus) ohutuses nii kindel, et oma ravimi usaldusväärsuse tõestamiseks süstis ta vaktsiini endale, oma naisele ja kolmele lapsele.

Sellest ajast alates on HeLa-d kasutatud ka kloonimiseks (siirdamise esialgsed katsed raku tuumad enne kuulsa lamba Dolly kloonimist viidi läbi HeLa-l), kunstliku viljastamise meetodite väljatöötamiseks ja tuhandeid muid uuringuid (mõned neist on loetletud tabelis).

Lisaks teadusele...

Henrietta Lacksi enda isiksus pikka aega ei reklaamitud. Dr Gay jaoks ei olnud HeLa rakkude päritolu muidugi saladus, kuid ta uskus, et konfidentsiaalsus selles küsimuses on prioriteet ning Lacksi perekond ei teadnud palju aastaid, et Henrietta rakud on kogu maailmas kuulsaks saanud. Saladus avalikustati alles pärast dr Gay surma 1970. aastal.

Meenutagem, et steriilsuse standardid ja rakuliinidega töötamise tehnikad olid sel ajal alles tekkimas ning mõned vead ilmnesid alles aastaid hiljem. Nii HeLa rakkude puhul – 25 aasta pärast leidsid teadlased, et paljud uuringutes kasutatud rakukultuurid, mis pärinevad teist tüüpi kudedest, sealhulgas rinna- ja eesnäärmevähi rakud, olid nakatunud agressiivsemate ja sitkemate HeLa rakkudega. Selgus, et HeLa võib liikuda õhus olevate tolmuosakestega või ebapiisavalt pestud kätega ning juurduda teiste rakukultuurides. See tekitas suure skandaali. Lootes lahendada probleem genotüpiseerimisega (sekveneerimine – genoomi täielik lugemine – oli tollal veel suurejoonelise rahvusvahelise projektina plaanis), leidis üks teadlaste rühm Henrietta sugulasi jälile ja palus perekonna DNA proove, et kaardistada geene. Nii sai saladus selgeks.

Muide, ameeriklastele teeb rohkem muret asjaolu, et Henrietta perekond ei saanud kunagi hüvitist HeLa rakkude kasutamise eest ilma doonori nõusolekuta. Perekond ei ela tänaseni kuigi heas jõukuses ning rahalisest abist oleks palju abi. Kuid kõik taotlused löövad tühja seina – vastajaid pole pikka aega ning meditsiiniakadeemia ja teised teadusstruktuurid ei taha ettearvatult sel teemal arutada.

11. märtsil 2013 valas õli tulle uus väljaanne, kus esitleti HeLa rakuliini täieliku genoomi sekveneerimise tulemusi. Jällegi viidi katse läbi ilma Henrietta järeltulijate nõusolekuta ja pärast mõningast eetilist debatti lubati genoomiinfole täielik juurdepääs professionaalidele. HeLa täielik genoomijärjestus on aga järgneva töö jaoks väga oluline, võimaldades rakuliini kasutada tulevastes genoomiprojektides.

Tõeline surematus?

Pahaloomuline kasvaja, mis tappis Henrietta, muutis tema rakud potentsiaalselt surematuks. Kas see naine tahtis surematust? Ja kas ta sai selle kätte? Kui järele mõelda, tekib fantastiline tunne – osa elusast inimesest, mis on kunstlikult paljundatud, kannatab miljoneid katseid, “maitseb” kõiki ravimeid enne loomkatsetesse jõudmist, on molekulaarbioloogide poolt põhitõdedeni kooritud. üle maailma. ..

Muidugi pole sellel kõigel mingit pistmist "elu elu järel". Seda on rumal uskuda HeLa rakud, keda pidevalt piinavad rahuldamatud teadlased, on vähemalt killuke õnnetu noore naise hingest. Pealegi saab neid rakke pidada inimeseks vaid osaliselt. Iga HeLa raku tuumas on pahaloomulise kasvaja protsessi käigus toimunud transformatsiooni tõttu 76 kuni 82 kromosoomi (normaalsed inimese rakud sisaldavad 46 kromosoomi) ja see polüploidsus põhjustab perioodiliselt vaidlusi HeLa rakkude sobivuse üle. inimese füsioloogia. Tehti isegi ettepanek eraldada need rakud eraldi liigiks, mis on inimestele lähedal, nn Helacyton gartleri, Stanley Hartleri auks, kes neid rakke uuris, kuid seda täna tõsiselt ei arutata.

Teadlased on aga alati teadlikud piirangutest, mida tuleb meeles pidada. Esiteks on HeLa kõigist muutustest hoolimata siiski inimrakud: kõik nende geenid ja bioloogilised molekulid vastavad inimese omadele ning molekulaarsed vastasmõjud on valdavalt identsed tervete rakkude biokeemiliste radadega. Teiseks muudab polüploidsus selle liini genoomiuuringute jaoks mugavamaks, kuna ühes rakus suureneb geneetilise materjali hulk ning tulemused on selgemad ja kontrastsemad. Kolmandaks laialdane kasutamine rakuliinid üle maailma võimaldavad hõlpsasti korrata kolleegide katseid ja kasutada avaldatud andmeid oma uurimistöö aluseks. Olles kindlaks teinud HeLa mudeli põhitõed (ja kõik mäletavad, et see on vähemalt mugav, kuid ainult organismi mudel), püüavad teadlased neid korrata adekvaatsemate mudelisüsteemide puhul. Nagu näete, moodustavad HeLa ja sarnased rakud kogu tänapäeva teaduse aluse. Ja vaatamata eetilistele ja moraalsetele vaidlustele tahan täna austada selle naise mälestust, sest tema tahtmatu panus meditsiini on hindamatu: maha jäetud rakud päästsid ja jätkavad päästmist. rohkem elusid kui ükski arst seda teha suudab.

Täname portaali biomoleculecula.ru abi eest artikli koostamisel

Biomeditsiinilistes uuringutes ja uute ravimeetodite väljatöötamisel kasutatakse sageli laboris kasvatatud inimese rakukultuure. Paljude rakuliinide seas on üks tuntumaid HeLa – emaka endoteelirakud. Need rakud, mis jäljendavad laboriuuringutes lihtsustatud "inimest", on "igavesed" - jagunevad lõputult, taluvad aastakümneid sügavkülmas ja neid saab jagada erinevates proportsioonides osadeks. Nende pinnal on üsna universaalne retseptorite komplekt, mis võimaldab neid kasutada erinevate tsütokiinide toime uurimiseks; nad on kasvatamisel väga tagasihoidlikud; Nad taluvad väga hästi külmutamist ja konserveerimist. Need rakud leidsid tee suurde teadusesse täiesti ootamatult. Need võeti naiselt nimega Henrietta Lacks, kes varsti pärast seda suri. Vaatame kogu lugu lähemalt.

Henrietta Lacks

Joonis 1. Henrietta Lacks koos abikaasa Davidiga.

Henrietta Lacks oli kaunis mustanahaline ameeriklanna. Ta elas Lõuna-Virginia väikelinnas Turneris koos abikaasa ja viie lapsega. 1. veebruaril 1951 läks Henrietta Lacks Johns Hopkinsi haiglasse, kuna tundis muret kummalise eritise pärast, mida ta perioodiliselt oma aluspesult avastas. Meditsiiniline diagnoos oli kohutav ja halastamatu – emakakaelavähk. Kaheksa kuud hiljem, hoolimata operatsioonist ja kiirgusega kokkupuude, ta suri. Ta oli 31-aastane.

Henrietta Hopkinsis viibides saatis raviarst ta kasvaja (emakakaela biopsia) analüüsimiseks George Gayle ( George Gey) - Hopkinsi haigla koerakkude uurimislabori juhataja. Meenutagem, et tol ajal oli rakkude kultiveerimine väljaspool keha alles lapsekingades ning põhiprobleemiks oli ettemääratud rakusurm – teatud arvu jagunemiste järel suri kogu rakuliin.

Selgus, et rakud, mille nimetus on "HeLa" (Henrietta Lacksi ees- ja perekonnanime akronüüm), paljunesid kaks korda kiiremini kui normaalsetest kudedest pärit rakud. Seda pole kunagi varem ühegi teise rakuga juhtunud. in vitro. Lisaks muutis transformatsioon need rakud surematuks – nende kasvu pärssimise programm lülitati pärast teatud arvu jagunemisi välja. See avas bioloogias enneolematud väljavaated.

Tõepoolest, kunagi varem ei olnud teadlased suutnud rakukultuuridel saadud tulemusi nii usaldusväärseks pidada: varem viidi kõik katsed läbi heterogeensete rakuliinidega, mis lõpuks surid – mõnikord enne, kui mingeid tulemusi jõuti saada. Ja siis said teadlased esimese stabiilse ja ühtlase igavene(!) rakuliin, mis üsna adekvaatselt imiteerib organismi olemust. Ja kui avastati, et HeLa rakud võivad isegi postitamise üle elada, saatis Gay need oma kolleegidele üle kogu riigi. Väga kiiresti kasvas nõudlus HeLa rakkude järele ja neid korrati laborites üle maailma. Neist sai esimene "malli" rakuliin.

Juhtus nii, et Henrietta suri samal päeval, kui George Gay seisis telekaamerate ees, hoides käes katseklaasi oma rakkudega ja kuulutas, et meditsiiniuuringutes on alanud uus ajastu – uute vaatenurkade ajastu. ravide otsimine ja elu uurimine.

Miks on tema rakud nii olulised?

Ja tal oli õigus. Kõigis maailma laborites identne rakuliin võimaldas kiiresti hankida ja iseseisvalt kinnitada üha uusi ja uusi andmeid. Võib julgelt öelda, et molekulaarbioloogia hiiglaslik hüpe möödunud sajandi lõpus tulenes rakukultuuri võimest. in vitro. Henrietta Lacksi rakud olid esimesed surematud inimrakud, mida kunagi kunstlikus söötmes kasvatati. HeLa on õpetanud teadlastele sadade teiste vähirakuliinide kultiveerimist. Ja kuigi tingimusi transformeerimata rakkude kultiveerimiseks pole veel leitud, on vähirakud enamasti piisavad mudelid teadlaste ja arstide küsimustele vastuste leidmiseks.

Ilma HeLa rakkudeta oleks Jonas Salki loodud poliomüeliidi vaktsiini väljatöötamine olnud võimatu. Jonas Salk). Muide, Salk oli saadud vaktsiini (nõrgestatud lastehalvatuse viirus) ohutuses nii kindel, et oma ravimi usaldusväärsuse tõestamiseks süstis ta vaktsiini esmalt endale, oma naisele ja kolmele lapsele.

Alates Henrietta Lacksi surmast on tema kasvajarakke pidevalt kasutatud selliste haiguste nagu vähk, AIDS uurimiseks, kiirguse ja toksiliste ainete mõju uurimiseks, geenikaartide koostamiseks ja suure hulga muude teaduslike ülesannete koostamiseks. Biomeditsiinilises maailmas on HeLa rakud saanud sama kuulsaks kui laborirotid ja Petri tassid. 1960. aasta detsembris lendasid HeLa rakud esimestena Nõukogude satelliidiga kosmosesse. Muide, isegi tänapäeval on nõukogude geneetikute kosmoses tehtud katsete ulatus hämmastav (vt külgriba).

Tulemused näitasid, et HeLa toimib hästi mitte ainult maapealsetes tingimustes, vaid ka ilma gravitatsioonita. Sellest ajast alates on HeLa-d kasutatud kloonimiseks (HeLa-l viidi läbi esialgsed tuumaülekande katsed enne kuulsa lamba Dolly kloonimist), geneetiliste kaartide koostamiseks ja kunstliku viljastamise testimiseks ja tuhandeteks muudeks uuringuteks (vt joonis 2). .

Kosmosegeneetika NSV Liidus

Kolmandal kosmoselaev-satelliidil (1. detsember 1960) läks lendu veelgi rohkem elusobjekte: kaks koera - Bee ja Mushka, kaks merisead, kaks valget laborirotti, 14 musta C57 liini hiirt, seitse hübriidhiirt SBA ja C57 hiirtest ning viis väljaarendatud valget hiirt. Sinna pandi ka kuus kolbi väga muutuva ja seitse kolbi vähemuutuva Drosophila liiniga, samuti kuus kolbi hübriididega. Lisaks kaeti kaks kärbestega kolbi lisakaitsega - pliikihiga paksusega 5 g/cm 2. Lisaks oli laevas herneste, nisu, maisi, tatra ja fava ubade seemneid. Spetsiaalses kandikus lendasid sibula- ja nigellaseemikud. Laeva pardal oli mitu katsutit aktinomütseetidega, ampullid inimkoekultuuriga termostaadis ja väljaspool ning kuus klorellaga katsutit vedelas keskkonnas. Eboniidikassetid sisaldasid suletud ampulle Escherichia coli bakterikultuuriga ja kahte tüüpi faagi - T3 ja T4. Spetsiaalsed seadmed sisaldasid HeLa rakkude kultuuri, inimese kopsu amnionikudet, fibroblaste, rakke luuüdi küülik, samuti anum konnamunade ja spermaga. Samuti paigutati erinevate tüvede tubaka mosaiikviirused ja gripiviirus.

N. Delaunay artiklist “Kosmosegeneetika päritolu” (“Teadus ja elu”, nr 4, 2008).

Lisaks teadusele...

Joonis 3. HeLa rakud skaneeriva mikroskoobi all valevärvides.

Steve Gschmeissner/Science Photo Library

Henrietta Lacksi enda isikut ei reklaamitud pikka aega. Dr Gay muidugi teadis HeLa rakkude päritolu, kuid ta uskus, et konfidentsiaalsus selles küsimuses on prioriteet ja Lacksi perekond ei teadnud palju aastaid, et just tema rakud said kuulsaks kogu maailmas. Pärast Dr Gay surma 1970. aastal selgus mõistatus. See juhtus nii. Pidagem meeles, et rakuliinidega töötamise steriilsuse ja tehnika standardid olid alles tekkimas ning mõned vead ilmnesid alles aastaid hiljem. Nii HeLa rakkude puhul – 25 aasta pärast leidsid teadlased, et paljud teist tüüpi kudedest, sealhulgas rinna- ja eesnäärmerakkudest pärinevad rakukultuurid olid nakatunud agressiivsemate ja sitkemate HeLa rakkudega. Selgus, et HeLa võib liikuda tolmuosakestega õhus või ebapiisavalt pestud kätel ning juurduda teiste rakukultuurides. See tekitas suure skandaali. Lootes lahendada probleem genotüpiseerimisega (genoomi järjestamist, mäletan, polnud veel leiutatud), leidis üks teadlaste rühm Henrietta sugulasi ja küsis perekonna DNA proove, et luua geenikaart. Nii sai saladus selgeks.

Muide, praegu teeb ameeriklasi rohkem murelikuks asjaolu, et Henrietta perekond pole saanud hüvitist HeLa rakkude kasutamise eest ilma doonori nõusolekuta. Lisaks ei ela pere tänaseni kuigi heas jõukuses ja rahalisest abist oleks palju abi. Kuid kõik taotlused löövad tühja seina – vastajaid pole ammu ning arstiakadeemia ja teised teadusstruktuurid ei taha juttu jätkata...

Tõeline surematus?

Henrietta tapnud pahaloomuline kasvaja muutis tema rakud potentsiaalselt surematuks. Kas see naine tahtis surematust? Ja kas ta sai selle kätte? Kui võrrelda selle artikli esimest ja viimast fotot, tekib tunne, et fantaasiaromaan- osa elusast inimesest, kunstlikult paljundatud, kannatab miljoneid katseid, "maitseb" kõiki ravimeid enne apteeki jõudmist, kooritakse molekulaarbioloogide poolt üle maailma põhitõdedeni...

Muidugi pole sellel kõigel mingit pistmist "elu elu järel". Me ei tunnista, et HeLa kambrites, mida täitmatud magistrandid aastaringselt laborite laminaarsete põrandate all piinavad, on vähemalt killuke õnnetu noore naise hingest. Sellegipoolest soovin austada selle naise mälestust, sest tema tahtmatu panus meditsiini on hindamatu – maha jäänud rakud on päästnud ja päästavad jätkuvalt rohkem elusid, kui ükski arst suudab.

Kirjandus

1. Zielinski S. (2010). Henrietta Lacksi "surematud" rakud. Smithsoniani ajakiri;
2. Smith V. (2002). Ime naine. Baltimore'i linnaleht.

Hingamissüsteemi põhiülesanne on tagada hapniku ja süsihappegaasi gaasivahetus keskkonna ja organismi vahel vastavalt selle ainevahetusvajadustele. Üldiselt reguleerib seda funktsiooni arvukate kesknärvisüsteemi neuronite võrgustik, mis on ühendatud pikliku medulla hingamiskeskusega.

Under hingamiskeskus mõista kesknärvisüsteemi erinevates osades paiknevat neuronite kogumit, tagades koordineeritud lihastegevuse ja hingamise kohanemise välis- ja sisekeskkonna tingimustega. 1825. aastal tuvastas P. Flourens kesknärvisüsteemis "elutähtsa sõlme", ​​N.A. Mislavsky (1885) avastas sisse- ja väljahingamise osad ning hiljem F.V. Ovsjannikov kirjeldas hingamiskeskust.

Hingamiskeskus on paarismoodustis, mis koosneb sissehingamiskeskusest (inspiratoorne) ja väljahingamiskeskusest (ekspiratoorne). Iga keskus reguleerib sama külje hingamist: kui ühel küljel olev hingamiskeskus hävib, lakkavad hingamisliigutused sellel küljel.

Väljahingamise osakond - osa hingamiskeskusest, mis reguleerib väljahingamisprotsessi (selle neuronid asuvad pikliku medulla ventraalses tuumas).

Inspiratsiooni osakond- osa hingamiskeskusest, mis reguleerib sissehingamise protsessi (lokaliseerub peamiselt pikliku medulla dorsaalses osas).

Nimetati silla ülemise osa neuroneid, mis reguleerivad hingamist pneumotaksiline keskus. Joonisel fig. Joonisel 1 on näidatud hingamiskeskuse neuronite asukoht erinevad osakonnad KNS. Inhalatsioonikeskus on automaatne ja heas korras. Väljahingamiskeskust reguleeritakse sissehingamiskeskusest läbi pneumotaksilise keskuse.

Pneumotaksiline kompleks- osa hingamiskeskusest, mis asub silla piirkonnas ja reguleerib sissehingamist ja väljahingamist (sissehingamise ajal põhjustab see väljahingamiskeskuse ergutamist).

Riis. 1. Hingamiskeskuste lokaliseerimine ajutüve alumises osas (tagavaade):

PN - pneumotaksiline keskus; INSP - inspiratoorne; ZKSP - väljahingamine. Keskused on kahepoolsed, kuid diagrammi lihtsustamiseks on mõlemal küljel näidatud ainult üks. Lõige piki joont 1 ei mõjuta hingamist, mööda joont 2 eraldatakse pneumotaksiline keskus, allpool joont 3 tekib hingamisseiskus

Silla konstruktsioonides eristatakse ka kahte hingamiskeskust. Üks neist - pneumotaksiline - soodustab üleminekut sissehingamiselt väljahingamisele (lülitades ergastuse sissehingamise keskpunktist väljahingamise keskpunkti); teine ​​keskus avaldab toniseerivat toimet pikliku medulla hingamiskeskusele.

Väljahingamise ja sissehingamise keskused on vastastikuses seoses. Sissehingamiskeskuse neuronite spontaanse aktiivsuse mõjul toimub sissehingamise akt, mille käigus erutuvad mehhanoretseptorid, kui kopsud on venitatud. Mehhanoretseptoritelt tulevad impulsid liiguvad läbi erutusnärvi aferentsete neuronite sissehingamiskeskusesse ja põhjustavad väljahingamiskeskuse ergastamist ja sissehingamiskeskuse pärssimist. See tagab ülemineku sissehingamiselt väljahingamisele.

Sissehingamiselt väljahingamisele üleminekul on olulise tähtsusega pneumotaksiline keskus, mis avaldab mõju väljahingamiskeskuse neuronite kaudu (joonis 2).

Riis. 2. Hingamiskeskuse närviühenduste skeem:

1 - inspiratsioonikeskus; 2 — pneumotaksiline keskus; 3 - väljahingamiskeskus; 4 - kopsu mehhaanilised retseptorid

Medulla pikliku inspiratsioonikeskuse ergutamise hetkel toimub erutus samaaegselt pneumotaksilise keskuse sissehingamise osas. Viimasest jõuavad selle neuronite protsesside käigus impulsid medulla oblongata väljahingamiskeskusesse, põhjustades selle ergastamist ja induktsiooni kaudu sissehingamiskeskuse pärssimist, mis viib sissehingamise muutumiseni väljahingamiseks.

Seega toimub hingamise reguleerimine (joonis 3) tänu kesknärvisüsteemi kõigi osade koordineeritud tegevusele, mida ühendab hingamiskeskuse kontseptsioon. Hingamiskeskuse osade aktiivsuse astet ja interaktsiooni mõjutavad mitmesugused humoraalsed ja refleksifaktorid.

Sõiduki hingamiskeskus

Hingamiskeskuse võime olla automaatne avastas esmakordselt I.M. Sechenov (1882) katsetes konnadega loomade täieliku deaferentseerimise tingimustes. Hoolimata asjaolust, et aferentsed impulsid kesknärvisüsteemi ei sisenenud, registreeriti nendes katsetes võimalikud kõikumised medulla oblongata hingamiskeskuses.

Hingamiskeskuse automaatsusest annab tunnistust Heymansi katse isoleeritud koerapeaga. Tema aju lõigati läbi silla tasemel ja jäeti ilma mitmesugustest aferentsetest mõjudest (glossofarüngeaalne, keeleline ja kolmiknärvid). Nendes tingimustes ei saanud hingamiskeskus impulsse mitte ainult kopsudest ja hingamislihastest (pea esialgse eraldamise tõttu), vaid ka ülemisest osast. hingamisteed(nende närvide läbilõike tõttu). Sellest hoolimata säilitas loom kõri rütmilised liigutused. Seda asjaolu saab seletada ainult hingamiskeskuse neuronite rütmilise aktiivsuse olemasoluga.

Hingamiskeskuse automatiseerimist hoitakse ja muudetakse hingamislihastest, veresoonte refleksogeensetest tsoonidest, erinevate intero- ja eksteroretseptorite, aga ka paljude humoraalsete tegurite (vere pH, süsinikdioksiidi ja hapnikusisaldus veres) mõjul. veri jne).

Süsinikdioksiidi mõju hingamiskeskuse seisundile

Süsinikdioksiidi mõju hingamiskeskuse aktiivsusele on eriti selgelt näidatud Fredericki katses ristringlus. Kahel koeral lõigatakse unearterid ja kägiveenid läbi ja ühendatakse risti: unearteri perifeerne ots on ühendatud teise koera sama veresoone keskosaga. Ka kägiveenid on ristühendatud: esimese koera kägiveeni keskots on ühendatud teise koera kägiveeni perifeerse otsaga. Selle tulemusena läheb veri esimese koera kehast teise koera pähe ja teise koera kehast esimese koera pähe. Kõik muud veresooned ligeeritakse.

Pärast sellist operatsiooni suruti esimesel koeral hingetoru kinni (lämbus). See tõi kaasa asjaolu, et mõne aja pärast täheldati teisel koeral hingamise sügavuse ja sageduse suurenemist (hüperpnoe), samal ajal kui esimesel koeral tekkis hingamisseiskus (apnoe). See on seletatav asjaoluga, et esimesel koeral hingetoru kokkusurumise tagajärjel gaasivahetust ei toimunud ning süsihappegaasi sisaldus veres tõusis (tekkis hüperkapnia) ja hapnikusisaldus vähenes. See veri voolas teise koera pähe ja mõjutas hingamiskeskuse rakke, mille tulemuseks oli hüperpnoe. Kuid kopsude tõhustatud ventilatsiooni käigus vähenes teise koera süsihappegaasi sisaldus veres (hüpokapnia) ja hapnikusisaldus suurenes. Esimese koera hingamiskeskuse rakkudesse sattus vähendatud süsihappegaasisisaldusega veri ning viimase ärritus vähenes, põhjustades apnoe.

Seega põhjustab süsihappegaasi sisalduse suurenemine veres hingamise sügavuse ja sageduse suurenemist ning süsihappegaasi sisalduse vähenemine ja hapnikusisalduse suurenemine selle langust kuni hingamise seiskumiseni. Nendel vaatlustel, kui esimesel koeral lasti hingata erinevaid gaasisegusid, täheldati suurimat muutust hingamises vere süsihappegaasi sisalduse suurenemisega.

Hingamiskeskuse aktiivsuse sõltuvus vere gaasikoostisest

Hingamiskeskuse aktiivsus, mis määrab hingamise sageduse ja sügavuse, sõltub eelkõige veres lahustunud gaaside pingest ja vesinikioonide kontsentratsioonist selles. Juhtiv tähtsus kopsude ventilatsiooni hulga määramisel on süsihappegaasi pinge arteriaalses veres: see justkui loob taotluse vajalikul hulgal alveoolide ventilatsiooni.

Suurenenud, normaalse ja vähenenud süsinikdioksiidi pinge tähistamiseks veres kasutatakse vastavalt termineid “hüperkapnia”, “normokapnia” ja “hüpokapnia”. Normaalset hapnikusisaldust nimetatakse normoksia, hapnikupuudus kehas ja kudedes - hüpoksia, veres - hüpokseemia. Hapniku pinge suureneb hüperksia. Nimetatakse seisundit, mille korral esinevad samaaegselt hüperkapnia ja hüpoksia lämbumine.

Normaalset hingamist puhkeolekus nimetatakse eipnea. Hüperkapniaga, samuti vere pH langusega (atsidoos) kaasneb kopsuventilatsiooni tahtmatu suurenemine - hüperpnoe, mille eesmärk on eemaldada kehast liigne süsihappegaas. Kopsude ventilatsioon suureneb peamiselt tänu hingamise sügavusele (tõusev hingamismaht), kuid samal ajal suureneb ka hingamissagedus.

Hüpokapnia ja vere pH taseme tõus põhjustavad ventilatsiooni vähenemist ja seejärel hingamise seiskumist - apnoe.

Hüpoksia tekkimine põhjustab esialgu mõõdukat hüperpnoed (peamiselt hingamissageduse suurenemise tagajärjel), mis hüpoksia astme suurenemisega asendub hingamise nõrgenemise ja selle seiskumisega. Hüpoksiast tingitud apnoe on surmav. Selle põhjuseks on oksüdatiivsete protsesside nõrgenemine ajus, sealhulgas hingamiskeskuse neuronites. Hüpoksilisele apnoele eelneb teadvusekaotus.

Hüperkainiat võib põhjustada gaasisegude sissehingamine, mille süsihappegaasisisaldus on tõusnud 6%-ni. Inimese hingamiskeskuse tegevus on vabatahtliku kontrolli all. Vabatahtlik hinge kinnipidamine 30-60 sekundi jooksul põhjustab vere gaasikoostise lämbumist pärast viivituse lõppemist, täheldatakse hüperpnoe. Hüpokapniat põhjustab kergesti tahtlik suurenenud hingamine, samuti ülemäärane kunstlik ventilatsioon (hüperventilatsioon). Ärkvel oleval inimesel ei teki tavaliselt isegi pärast märkimisväärset hüperventilatsiooni hingamisseiskust, kuna aju eesmised osad kontrollivad hingamist. Hüpokapnia kompenseeritakse järk-järgult mitme minuti jooksul.

Hüpoksiat täheldatakse kõrgusele tõusmisel kõrguse vähenemise tõttu atmosfääri rõhk, äärmiselt raske füüsiline töö, samuti rikkudes hingamist, vereringet ja vere koostist.

Raske lämbumise korral muutub hingamine võimalikult sügavaks, selles osalevad abihingamislihased ja tekib ebameeldiv lämbumistunne. Sellist hingamist nimetatakse hingeldus.

Üldiselt põhineb normaalse veregaasi koostise säilitamine negatiivse põhimõttel tagasisidet. Seega põhjustab hüperkapnia hingamiskeskuse aktiivsuse tõusu ja kopsude ventilatsiooni suurenemist ning hüpokapnia korral hingamiskeskuse aktiivsuse nõrgenemist ja ventilatsiooni vähenemist.

Refleksiefektid hingamisele veresoonte refleksogeensetest tsoonidest

Hingamine reageerib eriti kiiresti erinevatele ärritustele. See muutub kiiresti välis- ja interoretseptoritelt hingamiskeskuse rakkudesse tulevate impulsside mõjul.

Retseptoreid võivad ärritada keemilised, mehaanilised, temperatuuri- ja muud mõjud. Enim väljendunud eneseregulatsiooni mehhanism on hingamise muutus vaskulaarsete refleksogeensete tsoonide keemilise ja mehaanilise stimulatsiooni, kopsude ja hingamislihaste retseptorite mehaanilise stimulatsiooni mõjul.

Sinokarotiidi veresoonte refleksogeenne tsoon sisaldab retseptoreid, mis on tundlikud süsihappegaasi, hapniku ja vesinikioonide sisalduse suhtes veres. Seda näitavad selgelt Heymansi katsed isoleeritud unearteriga, mis eraldati unearterist ja varustati teise looma verega. Kesknärvisüsteemiga unearteri siinus oli ühendatud ainult närvirada - Heringi närv säilis. Süsinikdioksiidi sisalduse suurenemisega veres, mis peseb unearteri keha, tekib selles tsoonis kemoretseptorite ergastus, mille tagajärjel suureneb hingamiskeskusesse (inspiratsioonikeskusesse) minevate impulsside arv ja tekib hingamissügavuse refleksne suurenemine.

Riis. 3. Hingamise reguleerimine

K - koor; GT - hüpotalamus; Pvts - pneumotaksiline keskus; APC - hingamiskeskus (ekspiratoorne ja sissehingatav); Xin - unearteri siinus; BN - vagusnärv; CM - seljaaju; C 3 -C 5 - seljaaju emakakaela segmendid; Dfn - freniline närv; EM - väljahingamise lihased; MI - sissehingatavad lihased; Mnr - roietevahelised närvid; L - kopsud; Df - diafragma; Th 1 - Th 6 - seljaaju rindkere segmendid

Hingamise sügavuse suurenemine toimub ka siis, kui süsinikdioksiid mõjutab aordi refleksogeense tsooni kemoretseptoreid.

Samad muutused hingamises tekivad ka siis, kui stimuleeritakse nimetatud vere suurenenud vesinikioonide kontsentratsiooniga refleksogeensete tsoonide kemoretseptoreid.

Nendel juhtudel, kui vere hapnikusisaldus suureneb, väheneb refleksogeensete tsoonide kemoretseptorite ärritus, mille tagajärjel nõrgeneb impulsside vool hingamiskeskusesse ja hingamissageduse refleksi langus.

Hingamiskeskuse reflektoorseks stiimuliks ja hingamist mõjutavaks teguriks on vererõhu muutus veresoonte refleksogeensetes tsoonides. Vererõhu tõusuga ärritatakse vaskulaarsete refleksogeensete tsoonide mehhanoretseptorid, mille tagajärjeks on reflektoorne hingamisdepressioon. Vererõhu langus põhjustab hingamise sügavuse ja sageduse suurenemist.

Refleks mõjutab hingamist kopsude ja hingamislihaste mehhaaniliste retseptorite kaudu. Oluline tegur, mis põhjustab muutusi sisse- ja väljahingamises, on kopsude mehhaaniliste retseptorite mõju, mille avastasid esmakordselt Hering ja Breuer (1868). Nad näitasid, et iga sissehingamine stimuleerib väljahingamist. Sissehingamisel ärritab kopsude venitamine alveoolides ja hingamislihastes paiknevaid mehhanoretseptoreid. Neis mööda vaguse ja roietevaheliste närvide aferentseid kiude tekkivad impulsid jõuavad hingamiskeskusesse ja põhjustavad väljahingamise ergutamist ja inspiratoorsete neuronite pärssimist, põhjustades sissehingamise muutumist väljahingamiseks. See on üks hingamise iseregulatsiooni mehhanisme.

Sarnaselt Hering-Breueri refleksiga toimub refleksmõju hingamiskeskusele diafragma retseptorite kaudu. Sissehingamisel diafragmas, kui see kokku tõmbub lihaskiudärritunud lõpud närvikiud, neis tekkivad impulsid sisenevad hingamiskeskusesse ja põhjustavad sissehingamise katkemise ja väljahingamise. See mehhanism on eriti suur tähtsus suurenenud hingamisega.

Refleks mõjutab hingamist keha erinevatest retseptoritest. Arvestatud refleksmõjud hingamisele on püsivad. Kuid peaaegu kõigil meie keha retseptoritel on mitmesuguseid lühiajalisi mõjusid, mis mõjutavad hingamist.

Seega, kui mehaanilised ja temperatuuristiimulid mõjutavad naha väliseid retseptoreid, tekib hinge kinnipidamine. Külma või kuum vesi suurel nahapinnal hingamine seiskub inspiratsiooni peale. Naha valulik ärritus põhjustab järsu sissehingamise (karjumise) koos hääletrakti samaaegse sulgemisega.

Mõningaid muutusi hingamistegevuses, mis tekivad hingamisteede limaskestade ärrituse korral, nimetatakse kaitsvateks hingamisrefleksideks: köhimine, aevastamine, hinge kinnihoidmine tugevate lõhnade korral jne.

Hingamiskeskus ja selle ühendused

Hingamiskeskus nimetatakse närvistruktuuride kogumiks, mis paiknevad tsentraalse eri osades närvisüsteem, reguleerides hingamislihaste rütmilisi koordineeritud kontraktsioone ja kohandades hingamist muutuvate keskkonnatingimuste ja keha vajadustega. Nende struktuuride hulgas eristatakse hingamiskeskuse elutähtsaid osi, ilma milleta hingamine peatub. Nende hulka kuuluvad osakonnad, mis asuvad pikliku ja selgroog. Seljaajus hõlmavad hingamiskeskuse struktuurid motoorseid neuroneid, mis moodustavad nende aksonid, frenic närvid (3-5 emakakaela segmendis) ja motoorseid neuroneid, mis moodustavad roietevahelised närvid (2-10 rindkere segmendis, samas kui aspiratoorsed neuronid on koondunud 2-10 rindkere segmenti ja väljahingamise neuronid - 8-10 segmenti).

Erilist rolli hingamise reguleerimisel mängib hingamiskeskus, mida esindavad ajutüves paiknevad sektsioonid. Mõned hingamiskeskuse neuronaalsed rühmad paiknevad pikliku medulla paremas ja vasakpoolses pooles neljanda vatsakese põhja piirkonnas. Seal on dorsaalne neuronite rühm, mis aktiveerib sissehingamise lihaseid, sissehingamise osa ja ventraalne neuronite rühm, mis kontrollib peamiselt väljahingamist, väljahingamise osa.

Kõik need sektsioonid sisaldavad erinevate omadustega neuroneid. Inspiratoorse piirkonna neuronitest eristatakse: 1) varajane sissehingamine - nende aktiivsus suureneb 0,1-0,2 s enne sissehingamislihaste kokkutõmbumise algust ja kestab sissehingamise ajal; 2) täisinspiratoorne – aktiivne inspiratsiooni ajal; 3) hiline sissehingamine - aktiivsus suureneb sissehingamise keskel ja lõpeb väljahingamise alguses; 4) neuronid vahepealne tüüp. Mõnedel sissehingatava piirkonna neuronitel on võime spontaanselt rütmiliselt ergastuda. Sarnaste omadustega neuroneid kirjeldatakse hingamiskeskuse väljahingamise osas. Nende närvikogumite koostoime tagab hingamise sageduse ja sügavuse kujunemise.

Hingamiskeskuse neuronite ja hingamise rütmilise aktiivsuse olemuse määramisel on oluline roll signaalidel, mis tulevad keskusesse mööda aferentseid kiude retseptoritelt, aga ka ajukoorest. suur aju, limbiline süsteem ja hüpotalamus. Hingamiskeskuse närviühenduste lihtsustatud diagramm on näidatud joonisel fig. 4.

Sissehingatava piirkonna neuronid saavad teavet arteriaalse vere gaaside pinge, vere pH kohta veresoonte kemoretseptoritelt ja tserebrospinaalvedeliku pH tsentraalsetelt kemoretseptoritelt, mis paiknevad medulla oblongata ventraalsel pinnal.

Samuti saab hingamiskeskus närviimpulsse retseptoritelt, mis kontrollivad kopsude venitamist ning hingamis- ja teiste lihaste seisundit, termoretseptoritelt, valu- ja sensoorsetelt retseptoritelt.

Hingamiskeskuse dorsaalse osa neuronite poolt vastuvõetud signaalid moduleerivad nende endi rütmilist aktiivsust ja mõjutavad nende efferentsete närviimpulsside voogude moodustumist, mis edastatakse seljaajusse ja edasi diafragmasse ja välistesse roietevahelistesse lihastesse.

Riis. 4. Hingamiskeskus ja selle ühendused: IC - sissehingamiskeskus; PC – ülevaatuskeskus; EC - väljahingamiskeskus; 1,2- impulsid hingamisteede, kopsude ja rindkere venitusretseptoritelt

Seega vallandavad hingamistsükli sissehingamise neuronid, mis aktiveeruvad automaatsuse tõttu ning hingamise kestus, sagedus ja sügavus sõltuvad p0 2 taseme suhtes tundlike retseptori signaalide mõjust hingamiskeskuse närvistruktuuridele. pCO 2 ja pH, aga ka teistel intero- ja eksteroretseptoritel.

Inspiratoorsete neuronite eferentsed närviimpulsid edastatakse mööda laskuvaid kiude külgmise nööri ventraalse ja eesmise osana. valge aine seljaaju α-motoneuronitele, mis moodustavad phrenic ja interkostaalsed närvid. Kõik väljahingamislihaseid innerveerivate motoorsete neuroniteni viivad kiud ristuvad ja sissehingamislihaseid innerveerivatele motoorsetele neuronitele järgnevatest kiududest ristub 90%.

Motoorsed neuronid, mis aktiveeritakse hingamiskeskuse sissehingatavate neuronite närviimpulsside vooluga, saadavad eferentsed impulsid sissehingatavate lihaste neuromuskulaarsetesse sünapsidesse, mis suurendavad rindkere mahtu. Pärast rind Kopsude maht suureneb ja tekib sissehingamine.

Sissehingamisel aktiveeruvad venitusretseptorid hingamisteedes ja kopsudes. Nendest retseptoritest lähtuv närviimpulsside voog mööda vaguse närvi aferentseid kiude siseneb medulla oblongata ja aktiveerib väljahingamise käivitavaid väljahingamise neuroneid. See sulgeb hingamise reguleerimise mehhanismi ühe ahela.

Teine regulatsiooniahel algab samuti inspiratoorsetest neuronitest ja juhib impulsse hingamiskeskuse pneumotaksilise sektsiooni neuronitele, mis asuvad ajutüve sillas. See osakond koordineerib pikliku medulla sissehingamise ja väljahingamise neuronite vahelist koostoimet. Pneumotaksia osakond töötleb sissehingamiskeskusest saadud teavet ja saadab impulsside voogu, mis ergastab väljahingamiskeskuse neuroneid. Pneumotaksilise osakonna neuronitest ja kopsude venitusretseptoritest tulevad impulsside vood koonduvad väljahingamisneuronitele, erutavad neid ja väljahingamise neuronid pärsivad (kuid vastastikuse inhibeerimise põhimõttel) sissehingatavate neuronite aktiivsust. Närviimpulsside saatmine sissehingamislihastesse peatub ja need lõdvestuvad. Sellest piisab rahulikuks väljahingamiseks. Suurenenud väljahingamisel saadetakse väljahingamisneuronitest eferentsed impulsid, mis põhjustavad sisemiste roietevaheliste lihaste ja kõhulihaste kokkutõmbumist.

Kirjeldatud närviühenduste skeem peegeldab ainult kõige üldisemat hingamistsükli reguleerimise põhimõtet. Tegelikkuses voolab aferentne signaal paljudest hingamisteede, veresoonte, lihaste, naha jne retseptoritest. jõuda kõikidesse hingamiskeskuse struktuuridesse. Neil on mõnele neuronirühmale ergastav ja teistele pärssiv toime. Selle teabe töötlemist ja analüüsimist ajutüve hingamiskeskuses juhivad ja korrigeerivad aju kõrgemad osad. Näiteks hüpotalamus mängib juhtivat rolli hingamise muutustes, mis on seotud reaktsioonidega valusatele stiimulitele, kehalisele aktiivsusele, samuti tagab see hingamissüsteemi kaasamise termoregulatsiooni reaktsioonidesse. Limbilised struktuurid mõjutavad hingamist emotsionaalsete reaktsioonide ajal.

Ajukoor tagab hingamissüsteemi kaasamise käitumuslikud reaktsioonid, kõnefunktsioon, peenis. Ajukoore mõju olemasolust pikliku medulla ja seljaaju hingamiskeskuse osadele annab tunnistust võimalus meelevaldselt muuta inimese hingamise sagedust, sügavust ja hoidmist. Ajukoore mõju bulbaarsele hingamiskeskusele saavutatakse nii kortiko-bulbaarsete radade kui ka subkortikaalsete struktuuride kaudu (stropallidaalne, limbiline, retikulaarne moodustumine).

Hapniku, süsinikdioksiidi ja pH retseptorid

Hapnikuretseptorid on juba normaalsel pO 2 tasemel aktiivsed ja saadavad pidevalt signaalivooge (toonilised impulsid), mis aktiveerivad sissehingamise neuroneid.

Hapnikuretseptorid on koondunud karotiidkehadesse (ühise unearteri hargnemispiirkond). Neid esindavad 1. tüüpi glomusrakud, mis on ümbritsetud tugirakkudega ja millel on sünaptilised ühendused glossofarüngeaalnärvi aferentsete kiudude otstega.

1. tüüpi glomusrakud reageerivad pO 2 vähenemisele arteriaalses veres, suurendades vahendaja dopamiini vabanemist. Dopamiin põhjustab neelunärvi aferentsete kiudude otstes närviimpulsside teket, mis juhitakse hingamiskeskuse inspiratoorse osa neuronitesse ja vasomotoorse keskuse pressoriosa neuronitesse. Seega põhjustab hapniku pinge vähenemine arteriaalses veres aferentsete närviimpulsside saatmise sageduse suurenemist ja inspiratoorsete neuronite aktiivsuse suurenemist. Viimased suurendavad kopsude ventilatsiooni, peamiselt tänu suurenenud hingamisele.

Süsinikdioksiidi suhtes tundlikud retseptorid esinevad unearteri kehades, aordikaare aordikehades ja ka otse medulla oblongata - tsentraalsetes kemoretseptorites. Viimased asuvad medulla oblongata ventraalsel pinnal hüpoglossaali väljapääsu ja vagusnärv. Süsinikdioksiidi retseptorid tajuvad ka muutusi H + ioonide kontsentratsioonis. Arteriaalsete veresoonte retseptorid reageerivad pCO 2 ja vereplasma pH muutustele ning pCO 2 suurenemisega ja (või) arteriaalse vereplasma pH langusega suureneb aferentsete signaalide vool neist inspiratoorsetesse neuronitesse. Vastuseks nendelt rohkemate signaalide laekumisele hingamiskeskusesse suureneb hingamise süvenemise tõttu refleksiivselt kopsude ventilatsioon.

Tsentraalsed kemoretseptorid reageerivad pH ja pCO 2, tserebrospinaalvedeliku ja pikliku medulla rakkudevahelise vedeliku muutustele. Arvatakse, et tsentraalsed kemoretseptorid reageerivad valdavalt muutustele vesinikprootonite (pH) kontsentratsioonis interstitsiaalses vedelikus. Sel juhul saavutatakse pH muutus tänu süsinikdioksiidi hõlpsale tungimisele verest ja tserebrospinaalvedelikust läbi hematoentsefaalbarjääri struktuuride ajju, kus selle koostoime tulemusena H 2 0-ga moodustub süsinikdioksiid, mis dissotsieerub vesinikgaaside vabanemisega.

Tsentraalsete kemoretseptorite signaalid kantakse ka hingamiskeskuse inspiratoorsetesse neuronitesse. Hingamiskeskuse neuronid ise on interstitsiaalse vedeliku pH muutuste suhtes tundlikud. pH languse ja süsihappegaasi akumuleerumisega tserebrospinaalvedelikus kaasneb inspiratoorsete neuronite aktiveerumine ja kopsuventilatsiooni suurenemine.

Seega on pCO 0 ja pH reguleerimine omavahel tihedalt seotud nii vesinikioonide ja karbonaatide sisaldust organismis mõjutavate efektorsüsteemide kui ka kesknärvimehhanismide tasandil.

Hüperkapnia kiire arenguga on kopsude ventilatsiooni suurenemine ainult ligikaudu 25% põhjustatud süsinikdioksiidi ja pH perifeersete kemoretseptorite stimuleerimisest. Ülejäänud 75% on seotud medulla oblongata kesksete kemoretseptorite aktiveerimisega vesinikprootonite ja süsinikdioksiidi poolt. See on tingitud hematoentsefaalbarjääri kõrgest läbilaskvusest süsinikdioksiidile. Kuna tserebrospinaalvedelikul ja aju rakkudevahelisel vedelikul on palju väiksem puhversüsteemide võimsus kui verel, tekitab verega sarnane pCO2 suurenemine tserebrospinaalvedelikus happelisema keskkonna kui veres:

Pikaajalise hüperkapnia korral normaliseerub tserebrospinaalvedeliku pH, kuna hematoentsefaalbarjääri läbilaskvus suureneb järk-järgult HC03 anioonide suhtes ja nende kogunemine tserebrospinaalvedelikku. See viib ventilatsiooni vähenemiseni, mis on tekkinud vastusena hüperkapniale.

PCO 0 ja pH retseptorite aktiivsuse liigne tõus aitab kaasa subjektiivselt valulike, valulike lämbumis- ja õhupuuduse tunnete tekkele. Saate seda hõlpsalt kontrollida, hoides pikka aega hinge kinni. Samal ajal ei teki inimesel hapnikupuuduse ja arteriaalse vere p0 2 vähenemise korral, kui pCO 2 ja vere pH hoitakse normaalsena. ebamugavustunne. Selle tagajärjeks võivad olla mitmed ohud, mis tekivad igapäevaelus või siis, kui inimene hingab suletud süsteemide gaasisegusid. Enamasti tekivad need mürgistuse ajal vingugaas(surm garaažis, muud leibkonna mürgistused), kui inimene ei võta ilmsete lämbumistunde puudumise tõttu kaitsemeetmeid.

Nagu kõik muud automaatse reguleerimise protsessid füsioloogilised funktsioonid, hingamise reguleerimine toimub kehas tagasiside põhimõttel. See tähendab, et keha hapnikuga varustamist ja selles moodustunud süsihappegaasi eemaldamist reguleeriva hingamiskeskuse tegevuse määrab selle reguleeritava protsessi olek. Süsinikdioksiidi kogunemine veres ja hapnikupuudus on tegurid, mis põhjustavad hingamiskeskuse ergutamist.

Veregaasi koostise tähtsus hingamise reguleerimisel näitas Frederick läbi risttsirkulatsiooni katse. Selleks lõigati kahel narkoosi all oleval koeral läbi unearterid ja eraldi kaelaveenid (joonis 2). keha, kuid teise koera kehast on teise koera pea esimese kehast.

Kui ühe neist koertest hingetoru on kinni surutud ja lämmatab seega keha, siis mõne aja pärast lakkab see hingamine (apnoe), samal ajal kui teisel koeral tekib tugev õhupuudus (düspnoe). Seda seletatakse asjaoluga, et hingetoru kokkusurumine esimesel koeral põhjustab tema keha verre CO 2 kogunemist (hüperkapnia) ja hapnikusisalduse vähenemist (hüpokseemia). Esimese koera kehast pärit veri siseneb teise koera pähe ja stimuleerib selle hingamiskeskust. Selle tulemusena tekib teisel koeral hingamine – hüperventilatsioon –, mis toob kaasa CO 2 pinge languse ja O 2 pinge suurenemise teise koera keha veresoontes. Selle koera keha hapnikurikas ja süsinikdioksiidivaene veri läheb kõigepealt pähe ja põhjustab apnoed.

Joonis 2 – Fredericki risttsirkulatsiooni katse skeem

Fredericki kogemus näitab, et hingamiskeskuse aktiivsus muutub koos CO 2 ja O 2 pinge muutumisega veres. Vaatleme nende gaaside mõju hingamisele eraldi.

Süsinikdioksiidi pinge tähtsus veres hingamise reguleerimisel. Süsinikdioksiidi pinge tõus veres põhjustab hingamiskeskuse ergutamist, mille tulemuseks on kopsude ventilatsiooni suurenemine ja süsihappegaasi pinge langus veres pärsib hingamiskeskuse aktiivsust, mis viib hingamiskeskuse aktiivsuse vähenemiseni. kopsude ventilatsioon. Süsinikdioksiidi rolli hingamise reguleerimisel tõestas Holden katsetega, kus inimene viibis väikese mahuga suletud ruumis. Kui sissehingatava õhu hapnikusisaldus väheneb ja süsihappegaasi sisaldus suureneb, hakkab tekkima hingeldus. Kui absorbeerida vabanenud süsihappegaasi sooda lubjaga, võib hapnikusisaldus sissehingatavas õhus langeda 12%-ni ja kopsuventilatsiooni märgatavat tõusu ei ole. Seega on kopsude ventilatsiooni mahu suurenemine selles katses tingitud süsihappegaasi sisalduse suurenemisest sissehingatavas õhus.

Teises katseseerias määras Holden erineva süsihappegaasisisaldusega gaasisegu hingamisel kopsude ventilatsiooni mahu ja alveolaarse õhu süsihappegaasi sisalduse. Saadud tulemused on toodud tabelis 1.

hingamislihas gaasiveri

Tabel 1 – kopsude ventilatsiooni maht ja süsihappegaasi sisaldus alveolaarses õhus

Tabelis 1 esitatud andmed näitavad, et samaaegselt süsinikdioksiidi sisalduse suurenemisega sissehingatavas õhus suureneb selle sisaldus alveolaarses õhus ja seega ka arteriaalses veres. Samal ajal suureneb kopsude ventilatsioon.

Katsetulemused andsid veenvaid tõendeid selle kohta, et hingamiskeskuse seisund sõltub süsihappegaasi sisaldusest alveolaarses õhus. Selgus, et CO 2 sisalduse suurenemine alveoolides 0,2% võrra suurendab kopsude ventilatsiooni 100%.

Süsinikdioksiidi sisalduse vähenemine alveolaarses õhus (ja sellest tulenevalt ka selle pinge vähenemine veres) vähendab hingamiskeskuse aktiivsust. See tekib näiteks kunstliku hüperventilatsiooni tulemusena, s.o suurenenud sügav ja kiire hingamine, mis viib CO 2 osarõhu languseni alveolaarses õhus ja CO 2 pingeni veres. Selle tulemusena hingamine peatub. Seda meetodit kasutades, st tehes esialgset hüperventilatsiooni, saate märkimisväärselt pikendada vabatahtliku hinge kinnipidamise aega. Seda teevad sukeldujad, kui neil on vaja vee all veeta 2...3 minutit (tavaline vabatahtliku hinge kinnipidamise kestus on 40...60 sekundit).

Süsinikdioksiidi otsene stimuleeriv toime hingamiskeskusele on tõestatud erinevate katsetega. Süsinikdioksiidi või selle soola sisaldava lahuse süstimine 0,01 ml pikliku medulla teatud piirkonda põhjustab hingamisliigutuste suurenemist. Euler eksponeeris isoleeritud kassi medulla oblongata süsinikdioksiidiga ja täheldas, et see põhjustas elektrilahenduste (aktsioonipotentsiaalide) sageduse suurenemise, mis viitab hingamiskeskuse ergutamisele.

Hingamiskeskus on mõjutatud vesinikioonide kontsentratsiooni suurendamine. Winterstein avaldas 1911. aastal seisukohta, et hingamiskeskuse ergastumine ei ole põhjustatud süsihappest endast, vaid vesinikioonide kontsentratsiooni suurenemisest, mis on tingitud selle sisalduse suurenemisest hingamiskeskuse rakkudes. See arvamus põhineb asjaolul, et suurenenud hingamisliigutused täheldatakse siis, kui aju varustavatesse arteritesse sisestatakse mitte ainult süsihape, vaid ka muud happed, näiteks piimhape. Hüperventilatsioon, mis tekib vesinikioonide kontsentratsiooni suurenemisega veres ja kudedes, soodustab osa veres sisalduva süsihappegaasi vabanemist organismist ja viib seeläbi vesinikioonide kontsentratsiooni vähenemiseni. Nende katsete kohaselt on hingamiskeskus mitte ainult süsinikdioksiidi pinge püsivuse regulaator veres, vaid ka vesinikioonide kontsentratsioon.

Wintersteini tuvastatud faktid said kinnitust eksperimentaalsetes uuringutes. Samal ajal väitsid mitmed füsioloogid, et süsihape on spetsiifiline hingamiskeskuse ärritaja ja sellel on sellele tugevam ergutav toime kui teistel hapetel. Selle põhjuseks osutus see, et süsihappegaas tungib kergemini kui H+ ioon läbi hematoentsefaalbarjääri, mis eraldab verd tserebrospinaalvedelikust, mis on vahetu närvirakke pesev keskkond, ning läbib kergemini läbi hematoentsefaalbarjääri. närvirakkude endi membraan. CO 2 sisenemisel rakku tekib H 2 CO 3, mis dissotsieerub H+ ioonide vabanemisega. Viimased on hingamiskeskuse rakkude tekitajad.

Teine põhjus, miks H 2 CO 3 on teiste hapetega võrreldes tugevam, on mitmete teadlaste sõnul see, et see mõjutab spetsiifiliselt teatud biokeemilisi protsesse rakus.

Süsinikdioksiidi ergutav toime hingamiskeskusele on aluseks ühele kliinilises praktikas rakendust leidnud meetmele. Kui hingamiskeskuse funktsioon on nõrgenenud ja sellest tulenev keha ebapiisav hapnikuvarustus, on patsient sunnitud hingama läbi hapniku ja 6% süsihappegaasi seguga maski. Seda gaasisegu nimetatakse süsivesikuks.

Toimemehhanism kõrgepinge CO 2 ja H+ ioonide kontsentratsiooni tõus veres hingamise ajal. Pikka aega arvati, et süsihappegaasi pinge tõus ja H+ ioonide kontsentratsiooni tõus veres ja tserebrospinaalvedelikus (CSF) mõjutavad otseselt hingamiskeskuse inspiratoorseid neuroneid. Nüüdseks on kindlaks tehtud, et CO 2 pinge ja H + ioonide kontsentratsiooni muutused mõjutavad hingamist, hingamiskeskuse läheduses paiknevad erutavad kemoretseptorid, mis on tundlikud ülaltoodud muutuste suhtes. Need kemoretseptorid paiknevad umbes 2 mm läbimõõduga kehades, mis paiknevad sümmeetriliselt mõlemal pool medulla oblongata selle ventrolateraalsel pinnal hüpoglossaalse närvi väljumiskoha lähedal.

Kemoretseptorite tähtsust medulla oblongata võib näha järgmistest faktidest. Kui need kemoretseptorid puutuvad kokku süsinikdioksiidi või H+ ioonide suurenenud kontsentratsiooniga lahustega, täheldatakse hingamise stimuleerimist. Medulla oblongata ühe kemoretseptori keha jahutamine toob Leschke katsete kohaselt kaasa hingamisliigutuste lakkamise keha vastasküljel. Kui kemoretseptorite kehad hävitatakse või mürgitatakse novokaiiniga, peatub hingamine.

Koos Koos pikliku medulla kemoretseptorid hingamise reguleerimisel oluline roll kuulub karotiid- ja aordikehas paiknevatele kemoretseptoritele. Seda tõestas Heymans metoodiliselt keeruliste katsetega, kus kahe looma veresooned ühendati nii, et unearteri siinus ja unearteri keha või ühe looma aordikaar ja aordikeha varustati teise looma verega. Selgus, et H + ioonide kontsentratsiooni tõus veres ja CO 2 pinge tõus põhjustavad unearteri ja aordi kemoretseptorite ergutamist ning hingamisliigutuste refleksi suurenemist.