Возбуждение дыхательного центра углекислым газом. Дыхательный центр, его локализация, строение и регуляция активности

⁰

В истории Генриетты Лакс сплелись расовая и социальная дискриминация, медицинская этика, торжество науки и боль семьи. Клетки этой женщины стали одновременно прорывом и стыдной историей мировой медицины. Bird in Flight пересказывает книгу Ребекки Склут «Бессмертная жизнь Генриетты Лакс».

Открытие «бессмертных» клеток HeLa называют одним из крупнейших прорывов в истории медицины. HeLa вывели на новый уровень исследования рака и помогли разработать вакцину от полиомиелита. С их помощью создавали и тестировали препараты для лечения герпеса, лейкемии, гриппа, гемофилии и болезни Паркинсона. Без них были бы невозможны генетическое картирование, клонирование и ЭКО. При этом о доноре клеток, Генриетте Лакс, долгие годы не было известно ничего, даже имени, - а ее собственная семья понятия не имела о том, что ее клетки совершили революцию в медицине.

Медицинская журналистка Ребекка Склут заинтересовалась историей Генриетты Лакс еще на первом курсе колледжа. На расследование обстоятельств Ребекка потратила десять лет, проинтервьюировав, кажется, всех, кто имел к этой истории хоть какое-то отношение («от нобелевских лауреатов до уголовников», как пишет она сама). В результате получилась книга, от которой невозможно оторваться: одновременно научпоп, детектив, семейная сага и увлекательный экскурс в историю медицины.

Та самая женщина

По мотивам короткой жизни Генриетты Лакс (она умерла в возрасте 31 года) можно было бы снять драму о темнокожем населении США в первой половине прошлого века. Генриетта родилась в 1920-м в деревянной лачуге в штате Вирджиния, где ютились ее родители и восемь старших братьев и сестер. Через четыре года мать Генриетты умерла, рожая следующего ребенка, и отец рассовал детей по родственникам.

Многочисленное семейство зарабатывало на жизнь выращивая табак на тех же плантациях, на которых его предки трудились в качестве рабов. Генриетту определили жить к дедушке - в хижину, служившую когда-то крышей над головой для рабов. Девочка каждое утро просыпалась в четыре часа: доила коров, ухаживала за огородом, а потом шла работать на плантацию.

У дедушки уже был на воспитании внук Дэй - кузен Генриетты на пять лет старше нее. В школе оба недоучились (Дэй бросил учебу после четвертого класса, Генриетта дотянула до шестого): слишком много было работы. Когда Генриетте исполнилось четырнадцать, а Дэю девятнадцать, у них родился первый ребенок; через несколько лет они поженились. В 1951 году, когда Генриетта впервые пришла в гинекологическое отделение больницы Джона Хопкинса с жалобой на «узел в матке», детей у них было уже пятеро.

Когда Генриетте исполнилось четырнадцать, а Дэю девятнадцать, у них родился первый ребенок.

Генриетте диагностировали рак шейки матки. Тогда его было принято лечить радием: многие врачи в первой половине XX века считали радий отличным средством от всех проблем. Болезнь развивалась стремительно - Генриетта умерла 4 октября 1951 года, всего через восемь месяцев после первого обращения в больницу.

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

Долгожданные клетки

На протяжении первой половины XX века врачи по всему миру безуспешно пытались культивировать живые клетки вне организма: ничего не получалось, образцы всегда погибали. Но Джордж Гай, возглавлявший исследования в области культуры тканей в больнице Хопкинса, не оставлял попыток.

Для своих экспериментов он брал любые клетки, которые только мог достать. Гай в шутку называл себя «самым известным в мире стервятником»: он договаривался с коллегами, чтобы они брали для него образцы ткани у пациентов. Во время одного из сеансов облучения образцы раковых клеток взяли и у Генриетты. Без особой надежды Гай поместил их в чашку Петри, уверенный, что и на этот раз ничего не выйдет.

И вдруг оказалось, что клетки Генриетты ведут себя иначе. Во-первых, они размножались с невиданной скоростью. Во-вторых, они оказались буквально бессмертными. Обычные клетки погибают после определенного количества делений, но у клеток Генриетты программа подавления роста была отключена - они могли воспроизводить сами себя бесконечное количество раз. И наконец, они были удивительно неприхотливы, размножаясь в любых условиях.

У клеток Генриетты программа подавления роста была отключена.

Открытие пришлось как никогда кстати - в 1951 году мир охватила крупнейшая в истории эпидемия полиомиелита. Ученые спешно разработали вакцину, но прежде чем запускать препарат в производство, его нужно было протестировать. Для этого требовались клетки, причем буквально в промышленных масштабах. Клетки HeLa подходили идеально: они адекватно имитировали свойства человеческого организма, мгновенно размножались и легко переносили «путешествия» по почте. Поэтому правительство выделило средства на строительство первой «фабрики HeLa» - масштабного предприятия, которое выращивало клетки и рассылало их в 23 центра тестирования вакцины.

Еженедельно фабрика производила 6 триллионов клеток HeLa. Тестирование оказалось успешным - вакцина вскоре была запущена в производство.

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

Бессмертие

Почему бессмертие клеток так важно? Раньше результаты, полученные на клеточных культурах, невозможно было считать достоверными: все опыты проводились на разных клеточных линиях, которые вскоре погибали (часто еще до того, как удавалось получить хоть какой-нибудь результат). Для полноценных исследований нужна была стабильная клеточная линия, идентичная во всех лабораториях мира. Клетки HeLa давали ученым принципиально новые возможности, и вскоре уже ни одна медицинская лаборатория в мире не обходилась без них.

«Если ученым надо было узнать, как будут вести себя клетки в той или иной среде, как они отреагируют на тот или иной препарат или как они строят такой-то белок, обращались к ним, - пишет Склут. - Клетки Генриетты заложили основы вирусологии: ученые заражали клетки HeLa всевозможными вирусами - герпесом, корью, свинкой, ветрянкой, лошадиным энцефалитом, - чтобы изучить, как вирус проникает в клетки, размножается и распространяется. HeLa использовали, чтобы понять, как влияют на клетки стероиды, химиотерапия, гормоны, витамины и экологические проблемы».

Ученые заражали клетки HeLa герпесом, корью, свинкой, ветрянкой и лошадиным энцефалитом.

В разгар холодной войны ученые подвергали клетки большим дозам облучения, чтобы узнать, как именно воздействует на организм ядерная бомба. Другие исследователи помещали клетки в мощные центрифуги, чтобы посмотреть, как поведут себя человеческие клетки в условиях полета в космос.

В настоящем космосе клетки тоже побывали: уже в 1960 году они отправились на орбиту на борту второго спутника советской космической программы. А вскоре и NASA запустило на орбиту несколько пробирок HeLa.

Неловкий момент

Врачебная этика - одна из ключевых тем книги. Забавно, пишет Склут, что Американская медицинская ассоциация уже в 1910 году издала правила, защищающие лабораторных животных, а вот для людей подобных правил не существовало вплоть до Нюрнбергского процесса. Именно там военный трибунал сформулировал Нюрнбергский кодекс - десять этических законов, регулирующих принципы проведения медицинских опытов над людьми.

Но Нюрнбергский кодекс был всего лишь рекомендательным. На практике в США (да и не только там) его часто нарушали - тем более что контроля за исследованиями почти не существовало. Больше всего от экспериментов страдали самые незащищенные социальные группы, в первую очередь афроамериканцы и заключенные.

Многие афроамериканцы из бедных районов испытывали по отношению к больницам суеверный ужас - городские легенды рассказывали о «ночных докторах», которые похищали чернокожих для чудовищных экспериментов. И хотя по большей части такие истории были именно легендами (Склут пишет, что в XIX веке их иногда распространяли рабовладельцы, чтобы отбить у рабов желание убегать), основания для опасений были реальными. В XIX веке многие врачи действительно испытывали лекарства на рабах и оперировали их (иногда даже без обезболивания), чтобы разработать новую хирургическую технику.

С отменой рабства такая практика не исчезла. Самым громким примером «прославился» институт Таскиги. Почти полвека (с 1932 по 1972 год) под эгидой Службы общественного здравоохранения США здесь проводили исследование стадий сифилиса - от момента заражения до смерти. Ученые привлекли 600 человек из числа бедного афроамериканского населения (треть из них заразили сифилисом уже в процессе эксперимента) - и годами наблюдали за их медленной мучительной смертью. Страдания этих людей можно было легко остановить: уже с 1940-х годов для лечения сифилиса широко применялся пенициллин. Но организаторы эксперимента не только скрыли этот факт от его участников, но и следили, чтобы те не получили возможности лечить сифилис в других больницах.

Казалось бы, клетки HeLa давали возможность проводить исследования без экспериментов на людях - но на практике случалось всякое.

Казалось бы, клетки HeLa давали возможность проводить исследования без экспериментов на людях - но на практике случалось всякое. Так, вирусолог Честер Саутэм однажды задался вопросом: могут ли клетки HeLa заразить работающих с ним ученых? Проверить эту гипотезу Саутэм решил на ничего не подозревающих пациентах (он заведовал отделением вирусологии в Мемориальном институте онкологии Слоан-Кеттеринг). В феврале 1954 года Саутэм вколол около пяти миллионов клеток HeLa в плечо женщины, госпитализированной с диагнозом «лейкемия». Ту же процедуру он повторил с дюжиной других онкологических пациентов, а потом решил проверить, как отреагируют на инъекции здоровые люди. Подопытных он набрал в тюрьме штата Огайо (в те времена заключенных регулярно использовали для медицинских экспериментов: от испытаний химического оружия до изучения влияния рентгеновского облучения на тестикулы).

«В последующие годы Саутэм ввел HeLa и другие живые раковые клетки более чем 600 людям, - пишет Склут. - Те же инъекции Саутэм начал делать каждой пациентке, обратившейся в отделение гинекологической хирургии Мемориального ракового центра, где он работал. Пациентам он говорил, что просто делает анализ на наличие рака». Возможно, Саутэм еще не один год продолжал бы в том же духе, если бы в 1963-м не договорился с Эммануэлем Манделем, директором Еврейского госпиталя в Бруклине, об участии пациентов этого учреждения в исследованиях. Мандель приказал врачам сделать инъекции 22 пациентам, не сообщая им о том, что в шприце раковые клетки. Трое молодых врачей отказались, подали заявление об уходе и рассказали об эксперименте журналистам. Последовал скандал, но значительная часть медицинского сообщества поддержала коллегу: у Саутэма даже не отняли лицензию, а вскоре его избрали президентом Американской ассоциации исследований в области рака.

…Первый пункт Нюрнбергского кодекса гласит: «Добровольное согласие подопытного человека абсолютно необходимо». Генриетта Лакс согласия не давала - она даже не знала, что у нее взяли образцы клеток. Не знала об этом и ее семья.

Родство и деньги

За годы работы над книгой Ребекка Склут очень сблизилась с семьей Лакс (кстати, после публикации книги журналистка основала Фонд стипендий для потомков Генриетты). Но поначалу даже простое интервью казалось невозможным. Лаксы были настроены предельно враждебно, и их можно понять.

О том, что клетки Генриетты уникальны, ученым стало известно еще до ее смерти. Но ни тогда, ни потом никто не удосужился связаться с семьей, так что дети Генриетты даже не подозревали о том, какую революцию в медицине совершили клетки их матери. У них не было ни малейших шансов узнать об этом самостоятельно: даже если бы дети Лакс читали медицинскую прессу (а они ее, конечно, не читали - большинство из них не окончили даже среднюю школу), в ней практически никогда не говорилось о личности донора. Крайне редко в публикациях упоминалось ее имя, да и то неправильное - в этих статьях она фигурировала как Хелен Лэйн.

Настоящее имя Генриетты стало известно лишь в 1970-х - только тогда ее муж и дети случайно узнали от знакомых, как много она дала науке и какие деньги на этом заработали коммерческие лаборатории. Сами Лаксы в то время жили в крайней бедности и даже не могли позволить себе медицинскую страховку; Генриетту похоронили в безымянной могиле, потому что на надгробный памятник не было денег. Конечно, муж и дети женщины почувствовали себя обманутыми: «Джордж Гай и больница Хопкинса украли клетки нашей матери и нажили миллионы, продавая их».

Генриетту похоронили в безымянной могиле, потому что на надгробный памятник не было денег.

Насчет Джорджа Гая они, правда, заблуждались: первооткрыватель HeLa не заработал на клетках ни копейки. Он распространял клетки бесплатно, а впоследствии отказался возглавить первую коммерческую лабораторию клеточных культур. Более того, ему и в голову не пришло запатентовать HeLa или изобретенное им устройство для культивации среды для клеток, которое по сей день используют в большинстве лабораторий. Он всегда жил небогато, и иногда его жене нечем было заплатить взнос за дом, потому что Гай снова потратил зарплату на лабораторное оборудование. А когда в 70 лет ему диагностировали рак поджелудочной железы, он связался с исследователями онкозаболеваний по всей стране, предлагая себя в качестве подопытного для экспериментов. На HeLa действительно зарабатывали миллионы - но не Гай, а те самые коммерческие лаборатории.

Джеймс Стердивант в доме, где росла Генриетта. Фото: Virginian-Pilot, Bill Tiernan / AP Photo / East News

По иронии судьбы примерно тогда, когда семья Лакс узнала правду, представители медицинского сообщества впервые вышли на нее сами - но не для того, чтобы поблагодарить или поддержать материально. Дело в том, что клетки HeLa оказались настолько жизнеспособными, что заражали все остальные клеточные культуры в лабораториях. Нужно было срочно разработать генетические тесты, которые могли бы идентифицировать клетки HeLa в других культурах, а для этого требовались образцы ДНК членов семьи.

При этом ситуация, в которой брали образцы, была далека от того, что сегодня принято считать «информированным согласием». Правда, контактировавшая с семьей научная сотрудница утверждает, что по телефону рассказала мужу Генриетты о сути исследования; но пожилой человек с четырьмя классами образования не понял из ее объяснений ни слова и сообщил детям: «У вас хотят взять кровь, чтобы посмотреть, есть ли у вас тот рак, что убил вашу мать». Во время заборов крови им уже ничего не объясняли, так что они были уверены, что делают «тест на рак». (Дочь Генриетты Дебора, которая и так со страхом ждала тридцатилетия, потому что боялась онкозаболевания, теперь запаниковала еще больше.) А позже ученые опубликовали отчет об исследовании ДНК Лаксов: в наши дни подобное разглашение генетической информации с указанием имени человека может грозить крупным штрафом или даже тюремным сроком, но в 1970-е таких законов еще не существовало.

В наши дни подобное разглашение информации может грозить тюремным сроком, но в 1970-е таких законов еще не существовало.

Некоторые эксперты считают, что Лаксы могли бы добиться полного прекращения использования клеток HeLa («обеспечить анонимность клеток HeLa уже невозможно, а поскольку значительная часть ДНК, представленной в клетках Генриетты, присутствует и у ее детей, можно утверждать, что ученые, проводя исследования над HeLa, проводят их и на детях семьи Лакс»). Или по крайней мере, подать иски за нарушение тайны частной жизни и отсутствие информированного согласия. Но дети Генриетты не собираются этого делать. «Не хочу доставлять проблемы науке, - говорит сын Генриетты Дэвид. - И кроме того, я горжусь своей матерью и тем, что она сделала для науки. Надеюсь лишь, что те, кто извлек выгоду из ее клеток, сделают что-нибудь, чтобы почтить ее память и наладить отношения с ее семьей».

Оригинал: "Популярная Механика" #4, 2014

В большую науку эти клетки попали совершенно неожиданно. Они были взяты у женщины по имени Генриетта Лакс (HEnrietta LAcks), которая вскоре после этого умерла. Но культура клеток убившей ее опухоли оказалась незаменимым инструментом для ученых.

В биомедицинских исследованиях и при разработке новых видов лечения часто используют выращенные в лаборатории культуры человеческих клеток. Среди множества клеточных линий одна из самых известных - HeLa. Эти клетки, имитирующие организм человека in vitro («в пробирке»), «вечны» - они могут бесконечно делиться, результаты исследований с их использованием достоверно воспроизводятся в разных лабораториях. На своей поверхности они несут достаточно универсальный набор рецепторов, что позволяет использовать их для исследования действия различных веществ, от простых неорганических до белков и нуклеиновых кислот; они неприхотливы в культивировании и хорошо переносят заморозку и консервацию.

Генриетта Лакс

Генриетта Лакс была красивой чернокожей американкой. Она жила в небольшом городке Тернер в Южной Виргинии вместе с мужем и пятью детьми. 1 февраля 1951 года Генриетта обратилась в госпиталь Джонса Хопкинса - ее беспокоили странные выделения, которые она периодически обнаруживала на своем нижнем белье. Медицинский диагноз был страшен и беспощаден - рак шейки матки. Восемь месяцев спустя, несмотря на хирургию и радиотерапию, она умерла. Ей был 31 год.

Пока Генриетта лежала в госпитале Хопкинса, лечащий врач отправил полученные с помощью биопсии клетки опухоли на анализ Джорджу Гею - руководителю лаборатории исследования клеток тканей в госпитале Хопкинса. В то время культивирование клеток вне организма было только на стадии становления, и главной проблемой была неизбежная гибель клеток - после определенного количества делений вся клеточная линия погибала.

Оказалось, что клетки, обозначенные «HeLa» (акроним имени и фамилии Генриетты Лакс), размножались гораздо быстрее клеток из нормальных тканей. Кроме того, злокачественная трансформация сделала эти клетки бессмертными - у них отключилась программа подавления роста после определенного количества делений. In vitro такого прежде не происходило ни с какими другими клетками. Это открывало небывалые перспективы в биологии.

Действительно, никогда до этого момента исследователи не могли считать результаты, полученные на клеточных культурах, полностью достоверными: все опыты проводились на разнородных клеточных линиях, которые в конце концов погибали - иногда даже прежде, чем удавалось получить какие-нибудь результаты. И тут ученые стали обладателями первой стабильной и даже вечной (!) клеточной линии, адекватно имитирующей свойства организма. А когда обнаружилось, что клетки HeLa способны пережить даже пересылку по почте, Гей разослал их своим коллегам по всей стране. Очень скоро спрос на клетки HeLa вырос, и их растиражировали в лабораториях по всему миру. Они стали первой «шаблонной» клеточной линией.

Так получилось, что Генриетта умерла именно в тот день, когда Джордж Гей выступал перед телевизионными камерами, держа в руках пробирку с ее клетками. Он заявил, что началась эпоха новых перспектив в поиске лекарств и медико-биологических исследованиях.

Почему ее клетки так важны?

И он был прав. Линия клеток, идентичная во всех лабораториях мира, позволила быстро получать и независимо подтверждать всё новые и новые данные. Можно смело сказать, что гигантский прыжок молекулярной биологии в конце прошлого века был обусловлен возможностью культивировать клетки in vitro . Клетки Генриетты Лакс стали первыми бессмертными человеческими клетками, которые когда-либо были выращены на искусственной питательной среде. HeLa научили исследователей культивировать сотни других линий раковых клеток. И хотя в последние годы приоритет в этой области смещается в сторону культур клеток нормальных тканей и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (за открытие метода возвращения клеток взрослого организма в эмбриональное состояние японский ученый Синья Яманака получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2012 года), тем не менее раковые клетки остаются общепринятым стандартом в медико-биологических исследованиях. Основное преимущество HeLa - неудержимый рост на простых питательных средах, что позволяет проводить масштабные исследования при минимуме затрат.

С момента смерти Генриетты Лакс клетки ее опухоли непрерывно использовались для исследования молекулярных закономерностей развития самых разных заболеваний, в том числе рака и СПИДа, для изучения воздействия радиации и токсичных веществ, составления генетических карт и огромного количества других научных задач. В мире биомедицины клетки HeLa стали столь же известны, как лабораторные крысы и чашки Петри. В декабре 1960 года клетки HeLa первыми полетели в космос в советском спутнике. Даже сегодня поражает размах экспериментов, проводившихся тогда советскими генетиками в космосе. Результаты показали, что HeLa хорошо себя чувствуют не только в земных условиях, но и в невесомости.

Без клеток линии HeLa стала бы невозможной разработка вакцины против полиомиелита, созданной Джонасом Солком. Кстати, Солк был настолько уверен в безопасности полученной вакцины (ослабленного вируса полиомиелита), что в доказательство надежности своего лекарства вколол вакцину себе, своей жене и троим детям.

С тех пор HeLa использовали и для клонирования (предварительные опыты по пересадке клеточных ядер перед клонированием знаменитой овцы Долли проводились на HeLa), для отработки методов искусственного оплодотворения и тысяч других исследований (некоторые из них приведены в таблице).

Помимо науки...

Личность самой Генриетты Лакс долгое время не афишировалась. Для доктора Гея, конечно, происхождение клеток HeLa не было тайной, но он полагал, что конфиденциальность в этом вопросе является приоритетом, и в течение многих лет семья Лакс не знала, что клетки Генриетты прославились на весь мир. Тайна раскрылась только после смерти доктора Гея в 1970 году.

Напомним, что стандарты стерильности и техники работы с клеточными линиями в то время только зарождались, и некоторые ошибки всплывали лишь спустя годы. Так и в случае с клетками HeLa - через 25 лет ученые выяснили, что множество используемых в исследованиях клеточных культур, происходящих из других типов тканей, включая клетки рака молочной и предстательной желез, оказались зараженными более агрессивными и живучими клетками HeLa. Оказалось, что HeLa могут перемещаться с частицами пыли в воздухе или на недостаточно тщательно вымытых руках и приживаться в культурах других клеток. Это вызвало большой скандал. В надежде решить проблему путем генотипирования (секвенирование - полное прочтение генома - в то время пока еще только планировалось как грандиозный международный проект), одна группа ученых разыскала родственников Генриетты и попросила образцы ДНК семьи, для того чтобы составить карту генов. Таким образом тайное и стало явным.

Кстати, американцы и сейчас переживают больше по поводу того, что семья Генриетты так и не получила компенсацию за использование клеток HeLa без согласия донора. По сей день семья живет в не очень-то хорошем достатке, и материальная помощь была бы очень кстати. Но все запросы упираются в глухую стену - ответчиков давно уж нет, а Медицинская академия и другие научные структуры предсказуемо не желают обсуждать эту тему.

11 марта 2013 года масла в огонь подлила новая публикация, где были представлены результаты полного сиквенса генома клеточной линии HeLa. Опять же, эксперимент был проведен без согласия потомков Генриетты, и после непродолжительных этических споров полный доступ к геномной информации был разрешен только для профессионалов. Тем не менее, полный геномный сиквенс HeLa имеет огромное значение для последующих работ, позволяя использовать клеточную линию в будущих геномных проектах.

Реальное бессмертие?

Злокачественная опухоль, убившая Генриетту, сделала ее клетки потенциально бессмертными. Хотела ли эта женщина бессмертия? И получила ли она его? Если задуматься, возникает фантастическое ощущение - часть живого человека, искусственно размноженная, терпит миллионы испытаний, «пробует на вкус» все лекарства перед тем, как они попадут в испытания на животных, раздраконивается до самых что ни на есть основ молекулярными биологами во всем мире...

Конечно, всё это не имеет никакого отношения к «жизни после жизни». Глупо полагать, что в клетках HeLa, беспрестанно мучимых ненасытными учеными, существует хоть какая-то частичка души несчастной молодой женщины. Тем более что человеческими эти клетки можно считать лишь отчасти. В ядре каждой клетки HeLa - от 76 до 82 хромосом из-за происшедшей в процессе озлокачествления трансформации (нормальные человеческие клетки содержат 46 хромосом), и эта полиплоидность периодически вызывает споры о пригодности клеток HeLa как модели человеческой физиологии. Было даже предложено выделить эти клетки в отдельный, близкий человеку вид, под названием Helacyton gartleri , в честь Стенли Гартлера, исследовавшего эти клетки, однако всерьез это сегодня не обсуждается.

Тем не менее исследователи всегда помнят об ограничениях, которые необходимо иметь в виду. Во-первых, HeLa, несмотря на все изменения, всё еще остаются человеческими клетками: все их гены и биологические молекулы соответствуют человеческим, а молекулярные взаимодействия в подавляющем большинстве случаев идентичны биохимическим путям здоровых клеток. Во-вторых, полиплоидия делает эту линию более удобной для геномных исследований, так как количество генетического материала в одной клетке увеличено, и результаты получаются более четкими и контрастными. В-третьих, широкое распространение клеточных линий по миру позволяет без проблем повторять опыты коллег и использовать опубликованные данные как фундамент для собственных исследований. Установив основные факты на модели HeLa (а все помнят, что это хоть удобная, но только модель организма), ученые пытаются повторить их на более адекватных модельных системах. Как видно, HeLa и подобные им клетки представляют собой фундамент для всей науки и сегодня. И, несмотря на этические и моральные споры, сегодня хочется почтить память этой женщины, поскольку ее невольный вклад в медицину неоценим: клетки, оставшиеся после нее, спасли и продолжают спасать больше жизней, чем это может сделать любой врач.

Благодарим портал biomolecula.ru за помощь в подготовке статьи

В биомедицинских исследованиях и при разработке новых видов лечения часто используют выращенные в лаборатории культуры человеческих клеток. Среди множества клеточных линий одной из самых известных является HeLa - клетки эндотелия матки. Эти клетки, имитирующие упрощенного «человека» в лабораторных исследованиях, являются «вечными» - они могут бесконечно делиться, переносить десятки лет в морозилке, могут быть поделены на части в разных пропорциях. На своей поверхности они несут достаточно универсальный набор рецепторов, что позволяет использовать их для исследования действия различных цитокинов; они очень не прихотливы в культивировании; они очень хорошо переносят заморозку и консервацию. В большую науку эти клетки попали совершенно неожиданно. Они были взяты у женщины по имени Генриетта Лакс , которая вскоре после этого умерла. Рассмотрим всю историю подробнее.

Генриетта Лакс

Рисунок 1. Генриетта Лакс с мужем Дэвидом.

Генриетта Лакс была красивой чернокожей американкой. Она жила в небольшом городке Тернер в Южной Вирджинии вместе с мужем и пятью детьми. 1 февраля 1951 года Генриетта Лакс обратилась в госпиталь Джонса Хопкинса - её беспокоили странные выделения, которые она периодически обнаруживала на своём нижнем белье. Медицинский диагноз был страшен и беспощаден - рак шейки матки. Восемь месяцев спустя, несмотря на хирургию и радиационное облучение, она умерла. Ей был 31 год.

Пока Генриетта находилась в госпитале Хопкинса, лечащий врач отправил её опухоль (цервикальная биопсия) на анализ Джорджу Гею (George Gey ) - начальнику лаборатории исследования клеток тканей в госпитале Хопкинса. Напомним, что в то время культивирование клеток вне организма было только на стадии становления, и главной проблемой была предопределённая гибель клеток - после определенного количества делений вся клеточная линия погибала.

Оказалось, что клетки, обозначенные «HeLa» (акроним имени и фамилии Henrietta Lacks), размножались вдвое быстрее клеток из нормальных тканей. Такого прежде не происходило ни с какими другими клетками in vitro . Кроме того, трансформация сделала эти клетки бессмертными - у них отключилась программа подавления роста после определенного количества делений. Это открывало небывалые перспективы в биологии.

Действительно, никогда до этого момента исследователи не могли считать результаты, полученные на клеточных культурах, столь достоверными: раньше все опыты проводились на разнородных клеточных линиях, которые в конце концов погибали - иногда прежде, чем удавалось получить какие-нибудь результаты. И тут ученые получили первую стабильную и даже вечную (!) клеточную линию, достаточно адекватно имитирующую сущность организма. А когда обнаружилось, что клетки HeLa способны пережить даже пересылку по почте, Гей разослал их своим коллегам по всей стране. Очень скоро спрос на клетки HeLa вырос, и их растиражировали в лабораториях по всему миру. Они стали первой «шаблонной» клеточной линией.

Так получилось, что Генриетта умерла именно в тот день, когда Джордж Гей выступал перед телевизионными камерами, держа в руках пробирку с её клетками, и заявил, что началась новая эпоха в медицинских исследованиях - эпоха новых перспектив в поиске лекарств и исследовании жизни.

Почему её клетки так важны?

Без клеток линии HeLa стала бы невозможной разработка вакцины против полиомиелита, созданной Джонасом Солком (Jonas Salk ). Кстати, Солк был настолько уверен в безопасности полученной вакцины (ослабленного вируса полиомиелита), что в доказательство надёжности своего лекарства сначала вколол вакцину себе, своей жене и троим детям.

С момента смерти Генриетты Лакс клетки её опухоли непрерывно использовалась для исследования таких заболеваний как рак, СПИД, для изучения воздействия радиации и токсичных веществ, составления генетических карт и огромного количества других научных задач. В биомедицинском мире клетки HeLa стали столь же известны, как лабораторные крысы и чашки Петри. В декабре 1960 года клетки HeLa первыми полетели в космос в советском спутнике. Кстати, даже сегодня поражает размах экспериментов, проводимых тогда советскими генетиками в космосе (см. врезку).

Результаты показали, что HeLa хорошо себя чувствуют не только в земных условиях, но и в невесомости. С тех пор HeLa использовали и для клонирования (предварительные опыты по пересадке ядер перед клонированием знаменитой овцы Долли проводились на HeLa), и для составления генетических карт, и для отработки искусственного оплодотворения, и тысяч других исследований (см. рисунок 2).

Космическая генетика в СССР

На третьем космическом корабле-спутнике (01.12.1960 г.) в полёт отправились ещё больше живых объектов: две собаки - Пчёлка и Мушка, две морские свинки, две белые лабораторные крысы, 14 чёрных мышей линии С57, семь мышей-гибридов от мышей СБА и С57 и пять белых беспородных мышей. Там же поместили шесть колб с высокомутабельной и семь колб с низкомутабельной линиями дрозофил, а также шесть колб с гибридами. Кроме того, две колбы с мухами были покрыты дополнительной защитой - слоем свинца толщиной 5 г/см 2 . Помимо этого на корабле находились семена гороха, пшеницы, кукурузы, гречихи, конские бобы. В специальном лотке летали проростки семян лука и нигеллы. На борту корабля имелись несколько пробирок с актиномицетами, ампулы с культурой ткани человека в термостате и вне термостата, шесть пробирок с хлореллой в жидкой среде. В эбонитовых патронах находились запаянные ампулы с бактериальной культурой кишечной палочки и двумя разновидностями фага - Т3 и Т4. В специальных устройствах содержались культура клеток HeLa, лёгочная амниотическая ткань человека, фибробласты, клетки костного мозга кролика, а также контейнер с икрой и спермой лягушки. Были размещены также вирусы табачной мозаики различных штаммов, вирус гриппа.

Из статьи Н. Делоне «У истоков космической генетики » («Наука и Жизнь», № 4, 2008).

Помимо науки...

Рисунок 3. Клетки HeLa под сканирующим микроскопом в псевдоцветах.

Steve Gschmeissner / Science Photo Library

Личность самой Генриетты Лакс долгое время не афишировалась. Доктор Гей, конечно, знал о происхождении клеток HeLa, но он полагал, что конфиденциальность в этом вопросе является приоритетом, и в течение многих лет семья Лакс не знала, что это именно её клетки прославились на весь мир. После смерти доктора Гея в 1970 году тайна раскрылась. Это случилось следующим образом. Напомним, что стандарты стерильности и техники работы с клеточными линиями только зарождались, и некоторые ошибки всплывали только спустя годы. Так и в случае с клетками HeLa - спустя 25 лет учёные выяснили, что множество клеточных культур, происходящих из других типов тканей, включая клетки молочных желез и предстательной железы, оказались заражёнными более агрессивными и живучими клетками HeLa. Оказалось, что HeLa могут перемещаться с частицами пыли в воздухе или на недостаточно тщательно вымытых руках, и приживаться в культурах других клеток. Это вызвало большой скандал. В надежде решить проблему путем генотипирования (секвенирования генома, напомним, тогда ещё не изобрели), одна группа учёных разыскала родственников Генриетты и попросила дать им образцы ДНК семьи для того, чтобы составить карту генов. Таким образом тайное и стало явным.

Кстати, сейчас американцы переживают больше по поводу того, что семья Генриетты так и не получила компенсацию за использование клеток HeLa без согласия донора. Плюс, и по сей день семья живет в не очень-то хорошем достатке, и материальная помощь была бы очень кстати. Но все запросы упираются в глухую стену - ответчиков давно уж нет, а Медицинская академия и другие научные структуры не хотят поддерживать разговор...

Реальное бессмертие?

Злокачественная опухоль, убившая Генриетту, сделала её клетки потенциально бессмертными. Хотела ли эта женщина бессмертия? И получила ли она его? Если сравнить первую и последнюю фотографии этой статьи, возникает ощущение, как в фантастическом романе - часть живого человека, искусственно размноженная, терпит миллионы испытаний, «пробует на вкус» все лекарства перед тем, как они попадут в аптеку, раздраконивается до самых что ни на есть основ молекулярными биологами во всем мире...

Конечно, всё это не имеет никакого отношения к «жизни после жизни». Мы не допускаем, что в клетках HeLa, круглый год мучимых под ламинарами лабораторий ненасытными аспирантами, существует хоть какая-то частичка души несчастной молодой женщины. Тем не менее, хочется почтить память этой женщины, поскольку её невольный вклад в медицину неоценим - клетки, оставшиеся после неё, спасли и продолжают спасать жизней больше, чем в силах сделать любой врач.

Литература

Zielinski S. (2010). Henrietta Lacks’ „immortal“ cells . Smithsonian Magazine ;
Smith V. (2002). Wonder woman . Baltimore City Paper .

Основная функция дыхательной системы заключается в обеспечении газообмена кислорода и углекислого газа между окружающей средой и организмом в соответствии с его метаболическими потребностями. В целом эту функцию регулирует сеть многочисленных нейронов ЦНС, которые связаны с дыхательным центром продолговатого мозга.

Под дыхательным центром понимают совокупность нейронов, расположенных в разных отделах ЦНС, обеспечивающих координированную деятельность мышц и приспособление дыхания к условиям внешней и внутренней среды. В 1825 г. П. Флуранс выделил в ЦНС «жизненный узел», Н.А. Миславский (1885) открыл инспираторную и экспираторную части, а позже Ф.В. Овсянниковым был описан дыхательный центр.

Дыхательный центр представляет собой парное образование, состоящее из центра вдоха (инспираторного) и центра выдоха (экспираторного). Каждый центр регулирует дыхание одноименной стороны: при разрушении дыхательного центра с одной стороны наступает прекращение дыхательных движений с этой стороны.

Экспираторный отдел - часть дыхательного центра, регулирующая процесс выдоха (его нейроны располагаются в вентральном ядре продолговатого мозга).

Инспираторный отдел — часть дыхательного центра, регулирующая процесс вдоха (локализуется преимущественно в дорсальном отделе продолговатого мозга).

Нейроны верхнего отдела моста, регулирующие акт дыхания, были названы пневмотаксическим центром. На рис. 1 показано расположение нейронов дыхательного центра в различных отделах ЦНС. Центр вдоха обладает автоматизмом и находится в тонусе. Центр выдоха регулируется из центра вдоха через пневмотаксический центр.

Ппевмотаксический комплекс — часть дыхательного центра, расположенная в области варолиева моста и регулирующая вдох и выдох (во время вдоха вызывает возбуждение центра выдоха).

Рис. 1. Локализация дыхательных центров в нижней части ствола мозга (вид сзади):

ПН — пневмотаксический центр; ИНСП — инспираторный; ЗКСП — экспираторный. Центры являются двусторонними, но для упрощения схемы на каждой из сторон изображен только один. Перерезка по линии 1 не отражается на дыхании, по линии 2 отделяется пневмотаксический центр, ниже линии 3 наступает остановка дыхания

В структурах моста тоже различают два дыхательных центра. Один из них — пневмотаксический — способствует смене вдоха на выдох (за счет переключения возбуждения из центра вдоха на центр выдоха); второй центр осуществляет тоническое влияние на дыхательный центр продолговатого мозга.

Экспираторный и инспираторный центры находятся в реципрокных отношениях. Под влиянием спонтанной активности нейронов инспираторного центра возникает акт вдоха, во время которого при растяжении легких возбуждаются механорецепторы. Импульсы от механорецепторов по афферентным нейронам возбуждающего нерва поступают вдыхательный центр и вызывают возбуждение экспираторного и торможение инспираторного центра. Это обеспечивает смену вдоха на выдох.

В смене вдоха на выдох существенное значение имеет пневмотаксический центр, который свое влияние осуществляет через нейроны экспираторного центра (рис. 2).

Рис. 2. Схема нервных связей дыхательного центра:

1 — инспираторный центр; 2 — пневмотаксический центр; 3 — экспираторный центр; 4 — механорецепторы легкого

В момент возбуждения инспираторного центра продолговатого мозга одновременно возникает возбуждение в инспираторном отделе пневмотаксического центра. От последнего по отросткам его нейронов импульсы приходят к экспираторному центру продолговатого мозга, вызывая его возбуждение и по индукции — торможение инспираторного центра, что приводит к смене вдоха на выдох.

Таким образом, регуляция дыхания (рис. 3) осуществляется благодаря согласованной деятельности всех отделов ЦНС, объединенных понятием дыхательного центра. На степень активности и взаимодействие отделов дыхательного центра влияют различные гуморальные и рефлекторные факторы.

Автомашин дыхательного центра

Способность дыхательного центра к автоматии впервые обнаружена И.М. Сеченовым (1882) в опытах на лягушках в условиях полной деафферентации животных. В этих экспериментах, несмотря на то что афферентные импульсы не поступали в ЦНС, регистрировались колебания потенциалов в дыхательном центре продолговатого мозга.

Об автоматии дыхательного центра свидетельствует опыт Гейманса с изолированной головой собаки. Ее мозг был перерезан на уровне моста и лишен различных афферентных влияний (были перерезаны языкоглоточный, язычный и тройничный нервы). В этих условиях к дыхательному центру не поступали импульсы не только от легких и дыхательных мышц (вследствие предварительного отделения головы), но и от верхних дыхательных путей (вследствие перерезки названных нервов). Тем не менее у животного сохранились ритмические движения гортани. Этот факт можно объяснить только наличием ритмической активности нейронов дыхательного центра.

Автоматия дыхательного центра поддерживается и изменяется под влиянием импульсов от дыхательных мышц, сосудистых рефлексогенных зон, различных интеро- и экстерорецепторов, а также под влиянием многих гуморальных факторов (рН крови, содержание углекислого газа и кислорода в крови и др).

Влияние углекислого газа на состояние дыхательного центра

Влияние углекислого газа на активность дыхательного центра особенно ярко демонстрируется в опыте Фредерика с перекрестным кровообращением. У двух собак перерезают сонные артерии и яремные вены и соединяют перекрестно: периферический конец сонной артерии соединяют с центральным концом этого же сосуда второй собаки. Так же перекрестно соединяют и яремные вены: центральный конец яремной вены первой собаки соединяется с периферическим концом яремной вены второй собаки. В результате кровь от туловища первой собаки поступает к голове второй собаки, а кровь от туловища второй собаки — к голове первой собаки. Все другие сосуды перевязывают.

После такой операции у первой собаки производили зажатие трахеи (удушение). Это приводило к тому, что через некоторое время наблюдались увеличение глубины и частоты дыхания у второй собаки (гиперпноэ), тогда как у первой собаки наступала остановка дыхания (апноэ). Объясняется это тем, что у первой собаки в результате зажатия трахеи не осуществлялся обмен газов, а в крови увеличивалось содержание углекислого газа (наступала гиперкапния) и уменьшалось содержание кислорода. Эта кровь поступала к голове второй собаки и оказывала влияние на клетки дыхательного центра, следствием чего явилось гиперпноэ. Но в процессе усиленной вентиляции легких в крови второй собаки уменьшалось содержание углекислого газа (гипокапния) и увеличивалось содержание кислорода. Кровь с уменьшенным содержанием углекислого газа поступала к клеткам дыхательного центра первой собаки, и раздражение последнего уменьшалось, что приводило к апноэ.

Таким образом, увеличение содержания углекислого газа в крови приводит к увеличению глубины и частоты дыхания, а уменьшение содержания углекислого газа и увеличение кислорода — к его уменьшению вплоть до остановки дыхания. В тех наблюдениях, когда первой собаке давали дышать различными газовыми смесями, наибольшее изменение дыхания наблюдалось при увеличении содержания углекислого газа в крови.

Зависимость деятельности дыхательного центра от газового состава крови

Деятельность дыхательного центра, определяющая частоту и глубину дыхания, зависит прежде всего от напряжения газов, растворенных в крови, и концентрации в ней водородных ионов. Ведущее значение в определении величины вентиляции легких имеет напряжение углекислого газа в артериальной крови: оно как бы создает запрос на нужную величину вентиляции альвеол.

Для обозначения повышенного, нормального и сниженного напряжения углекислого газа в крови используют термины «гиперкапния», «нормокапния» и «гипокапния» соответственно. Нормальное содержание кислорода называется нормоксией , недостаток кислорода в организме и тканях - гипоксией, в крови - гипоксемиеи. Увеличение напряжения кислорода есть гиперксия. Состояние, при котором гиперкапния и гипоксия существуют одновременно, называется асфиксией.

Нормальное дыхание в состоянии покоя называется эипноэ. Гиперкапния, а также снижение величины рН крови (ацидоз) сопровождаются непроизвольным увеличением вентиляции легких - гиперпноэ , направленным на выведение из организма избытка углекислого газа. Вентиляция легких возрастает преимущественно за счет глубины дыхания (увеличения дыхательного объема), но при этом возрастает и частота дыхания.

Гипокапния и повышение уровня рН крови ведут к уменьшению вентиляции, а затем и к остановке дыхания - апноэ.

Развитие гипоксии вначале вызывает умеренное гиперпноэ (в основном в результате возрастания частоты дыхания), которое при увеличении степени гипоксии сменяется ослаблением дыхания и его остановкой. Апноэ вследствие гипоксии смертельно опасно. Его причиной является ослабление окислительных процессов в мозге, в том числе в нейронах дыхательного центра. Гипоксическому апноэ предшествует потеря сознания.

Гиперкаинию можно вызвать вдыханием газовых смесей с повышенным до 6% содержанием углекислого газа. Деятельность дыхательного центра человека находится под произвольным контролем. Произвольная задержка дыхания на 30-60 с вызывает асфиксичсские изменения газового состава крови, после прекращения задержки наблюдается гиперпноэ. Гипокапнию легко вызывать произвольным усилением дыхания, а также избыточной искусственной вентиляцией легких (гипервентиляция). У бодрствующего человека даже после значительной гипервентиляции остановки дыхания обычно не возникает вследствие контроля дыхания передними отделами мозга. Гипокапния компенсируется постепенно, в течение нескольких минут.

Гипоксия наблюдается при подъеме на высоту вследствие снижения атмосферного давления, при крайне тяжелой физической работе, а также при нарушении дыхания, кровообращения и состава крови.

Во время сильной асфиксии дыхание становится максимально глубоким, в нем принимают участие вспомогательные дыхательные мышцы, возникает неприятное ощущение удушья. Такое дыхание называют диспноэ.

В целом поддержание нормального газового состава крови основано на принципе отрицательной обратной связи. Так, гииеркапния вызывает усиление активности дыхательного центра и увеличение вентиляции легких, а гипокапния — ослабление деятельности дыхательного центра и уменьшение вентиляции.

Рефлекторные влияния на дыхание с сосудистых рефлексогенных зон

Дыхание особенно быстро реагирует на различные раздражения. Оно быстро изменяется под влиянием импульсов, приходящих с экс- теро- и интерорецепторов к клеткам дыхательного центра.

Раздражителем рецепторов могут быть химические, механические, температурные и другие воздействия. Наиболее ярко выраженным механизмом саморегуляции является изменение дыхания под влиянием химического и механического раздражения сосудистых рефлексогенных зон, механического раздражения рецепторов легких и дыхательных мышц.

Синокаротидная сосудистая рефлексогенная зона содержит рецепторы, чувствительные к содержанию углекислого газа, кислорода и водородных ионов в крови. Это отчетливо показано в опытах Гейманса с изолированным каротидным синусом, который отделяли от сонной артерии и снабжали кровью от другого животного. С ЦНС каротидный синус был соединен только нервным путем — сохранился нерв Геринга. При повышении содержания углекислого газа в крови, омывающей каротидное тельце, возникает возбуждение хеморецепторовэтой зоны, вследствие чего увеличивается количество импульсов, идущих к дыхательному центру (к центру вдоха), и наступает рефлекторное увеличение глубины дыхания.

Рис. 3. Регуляция дыхания

К — кора; Гт — гипоталамус; Пвц — пневмотаксический центр; Апц — центр дыхания (экспираторный и инспираторный); Ксин — каротидный синус; Бн — блуждающий нерв; См — спинной мозг; С 3 -С 5 — шейные сегменты спинного мозга; Дфн — диафрагмальный нерв; ЭМ — экспираторные мышцы; ИМ — инспираторные мышцы; Мнр — межреберные нервы; Л — легкие; Дф — диафрагма; Th 1 — Th 6 — грудные сегменты спинного мозга

Увеличение глубины дыхания наступает и при воздействии углекислого газа на хеморецепторы аортальной рефлексогенной зоны.

Такие же изменения дыхания наступают при раздражении хемо- рецепторов названных рефлексогенных зон кровыо с повышенной концентрацией водородных ионов.

В тех же случаях, когда в крови увеличивается содержание кислорода, раздражение хеморецепторов рефлексогенных зон уменьшается, вследствие чего ослабевает поток импульсов к дыхательному центру и наступает рефлекторное уменьшение частоты дыхания.

Рефлекторным возбудителем дыхательного центра и фактором, влияющим на дыхание, является изменение АД в сосудистых рефлексогенных зонах. При повышении АД раздражаются механорецепторы сосудистых рефлексогенных зон, вследствие чего наступает рефлекторное угнетение дыхания. Уменьшение величины АД приводит к увеличению глубины и частоты дыхания.

Рефлекторные влияния на дыхание с механорецепторов легких и дыхательных мышц. Существенным фактором, вызывающим смену вдоха и выдоха, являются влияния с механорецепторов легких, что впервые было обнаружено Герингом и Брейером (1868). Они показали, что каждый вдох стимулирует выдох. Во время вдоха при растяжении легких раздражаются механорецепторы, расположенные в альвеолах и дыхательных мышцах. Возникшие в них импульсы по афферентным волокнам блуждающего и межреберных нервов приходят к дыхательному центру и вызывают возбуждение экспираторных и торможение инспираторных нейронов, вызывая смену вдоха на выдох. Это один из механизмов саморегуляции дыхания.

Подобно рефлексу Геринга-Брейера, осуществляются рефлекторные влияния на дыхательный центр от рецепторов диафрагмы. Во время вдоха в диафрагме при сокращении ее мышечных волокон раздражаются окончания нервных волокон, возникающие в них импульсы поступают в дыхательный центр и вызывают прекращение вдоха и возникновение выдоха. Этот механизм имеет особенно большое значение при усиленном дыхании.

Рефлекторные влияния на дыхание с различных рецепторов организма. Рассмотренные рефлекторные влияния на дыхание относятся к постоянно действующим. Но существуют различные кратковременные воздействия почти со всех рецепторов нашего организма, которые влияют на дыхание.

Так, при действии механических и температурных раздражителей на экстерорецепторы кожи наступает задержка дыхания. При действии холодной или горячей воды на большую поверхность кожи возникает остановка дыхания на вдохе. Болевое раздражение кожи вызывает резкий вдох (вскрикивание) с одновременным закрытием голосовой шели.

Некоторые изменения акта дыхания, возникающие при раздражении слизистых оболочек дыхательных путей, получили название защитных дыхательных рефлексов: кашель, чихание, задержка дыхания, наступающая при действии резких запахов, и др.

Дыхательный центр и его связи

Дыхательным центром называют совокупность нейронных структур, расположенных в различных отделах центральной нервной системы, регулирующих ритмические координированные сокращения дыхательных мышц и приспосабливающих дыхание к изменяющимся условиям среды и потребностям организма. Среди этих структур выделяют жизненно важные отделы дыхательного центра, без функционирования которых дыхание прекращается. К ним относятся отделы, расположенные в продолговатом и спинном мозге. В спинном мозге к структурам дыхательного центра относят мотонейроны, формирующие их аксонами диафрагмальные нервы (в 3-5-м шейных сегментах), и мотонейроны, формирующие межреберные нервы (во 2-10-м грудных сегментах, при этом испираторные нейроны сосредоточены во 2-6-м, а экспираторные — в 8-10-м сегментах).

Особую роль в регуляции дыхания играет дыхательный центр, представленный отделами, локализованными в стволе мозга. Часть нейронных групп дыхательного центра расположена в правой и левой половинах продолговатого мозга в области дна IV желудочка. Выделяют дорзальную группу нейронов, активирующих мышцы вдоха, — инспираторный отдел и вентральную группу нейронов, контролирующих преимущественно выдох, — экспираторный отдел.

В каждом из этих отделов имеются различные по свойствам нейроны. Среди нейронов инспираторного отдела выделяют: 1) ранние инспираторные — их активность повышается за 0,1-0,2 с до начала сокращения инспираторных мышц и длится в течение вдоха; 2) полные инспираторные — активны во время вдоха; 3) поздние инспираторные — активность повышается в середине вдоха и заканчивается в начале выдоха; 4) нейроны промежуточного типа. Часть нейронов инспираторного отдела обладает способностью самопроизвольно ритмически возбуждаться. Описаны аналогичные по свойствам нейроны в экспираторном отделе дыхательного центра. Взаимодействие между этими нейронными пулами обеспечивает формирование частоты и глубины дыхания.

Важная роль в определении характера ритмической активности нейронов дыхательного центра и дыхания принадлежит сигналам, приходящим к центру по афферентным волокнам от рецепторов, а также от коры большого мозга, лимбической системы и гипоталамуса. Упрощенная схема нервных связей дыхательного центра представлена на рис. 4.

Нейроны инспираторного отдела получают информацию о напряжении газов в артериальной крови, рН крови от хеморецепторов сосудов и о рН ликвора от центральных хеморецепторов, расположенных на вентральной поверхности продолговатого мозга.

К дыхательному центру поступают также нервные импульсы от рецепторов, контролирующих растяжение легких и состояние дыхательных и других мышц, от терморецепторов, болевых и сенсорных рецепторов.

Сигналы, поступающие к нейронам дорзальной части дыхательного центра, модулируют их собственную ритмическуюактивность и оказывают влияние на формирование ими потоков эфферентных нервных импульсов, передающихся в спинной мозг и далее к диафрагме и наружным межреберным мышцам.

Рис. 4. Дыхательный центр и его связи: ИЦ — инспираторный центр; ПЦ — инсвмотакснчсскнй центр; ЭЦ — экспираторный центр; 1,2- импульсы от рецепторов растяжения дыхательных путей, легких и грудной клетки

Таким образом, дыхательный цикл запускается инспираторными нейронами, которые активируются благодаря автома- тии, а его продолжительность, частота и глубина дыхания зависят от влияния на нейронные структуры дыхательного центра сигналов рецепторов, чувствительных к уровню р0 2 , рС0 2 и рН, а также от других интеро- и экстерорецепторов.

Эфферентные нервные импульсы от инспираторных нейронов передаются по нисходящим волокнам в составе вентрального и передней части бокового канатика белого вещества спинного мозга к а-мотонейронам, формирующим диафрагмальные и межреберные нервы. Все волокна, следующие к мотонейронам, иннервирующим мышцы выдоха, являются перекрещенными, а из волокон, следующих к моторным нейронам, иннервирующим инспираторные мышцы, перекрещены 90%.

Моторные нейроны, активированные потоком нервных импульсов инспираторных нейронов дыхательного центра, посылают эфферентные импульсы к нервно-мышечным синапсам мышц вдоха, обеспечивающих увеличение объема грудной клетки. Вслед за грудной клеткой увеличивается объем легких и происходит вдох.

Во время вдоха активируются рецепторы растяжения дыхательных путей и легких. Поток нервных импульсов от этих рецепторов по афферентным волокнам блуждающего нерва поступает в продолговатый мозг и активирует экспираторные нейроны, запускающие выдох. Так замыкается один контур механизма регуляции дыхания.

Второй регуляторный контур также начинается от инспираторных нейронов и проводит импульсы к нейронам пневмотаксического отдела дыхательного центра, расположенного в мосту ствола мозга. Этот отдел координирует взаимодействие между инспираторными и экспираторными нейронами продолговатого мозга. Пневмотаксический отдел перерабатывает пришедшую от инспираторного центра информацию и посылает поток импульсов, возбуждающих нейроны экспираторного центра. Потоки импульсов, приходящих от нейронов пневмотаксического отдела и от рецепторов растяжения легких, конвергируют на экспираторных нейронах, возбуждают их, экспираторные нейроны тормозят (но принципу реципрокного торможения) активность инспираторных нейронов. Посылка нервных импульсов к мышцам вдоха прекращается и они расслабляются. Этого достаточно, чтобы произошел спокойный выдох. При усиленном выдохе от экспираторных нейронов посылаются эфферентные импульсы, вызывающие сокращение внутренних межреберных мышц и мышц брюшного пресса.

Описанная схема нервных связей отражает лишь наиболее общий принцип регуляции дыхательного цикла. В действительности же афферентные потоки сигналов от многочисленных рецепторов дыхательных путей, сосудов, мышц, кожи и т.д. поступают ко всем структурам дыхательного центра. На одни группы нейронов они оказывают возбуждающее действие, на другие — тормозное. Переработка и анализ этой информации в дыхательном центре ствола мозга находится под контролем и корригируется высшими отделами головного мозга. Например, гипоталамус играет ведущую роль в изменениях дыхания, связанных с реакциями на болевые раздражения, физическую нагрузку, а также обеспечивает вовлечение дыхательной системы в терморегуляторные реакции. Лимбические структуры оказывают влияние на дыхание при эмоциональных реакциях.

Кора большого мозга обеспечивает включение дыхательной системы в поведенческие реакции, речевую функцию, пенис. О наличии влияния коры большого мозга на отделы дыхательного центра в продолговатом и спинном мозге свидетельствует возможность произвольного изменения частоты, глубины и задержки дыхания человеком. Влияние коры мозга на бульбарный дыхательный центр достигается как через кортико-бульбарные пути, так и через подкорковые структуры (стрпопаллидариые, лимбические, ретикулярную формацию).

Рецепторы кислорода, углекислого газа и рН

Рецепторы кислорода активны уже при нормальном уровне рО 2 и непрерывно посылают потоки сигналов (тоническая импульсация), активирующих инспираторные нейроны.

Рецепторы кислорода сосредоточены в каротидных тельцах (область бифуркации общей сонной артерии). Они представлены гломусными клетками 1-го типа, которые окружены поддерживающими клетками и имеют синаптоподобные связи с окончаниями афферентных волокон языкоглоточного нерва.

Гломусные клетки 1-го типа реагируют на снижение рО 2 в артериальной крови усилением выделения медиатора допамина. Допамин вызывает генерацию нервных импульсов в окончаниях афферентных волокон язы ко глоточного нерва, которые проводятся к нейронам инспираторного отдела дыхательного центра и к нейронам прессорного отдела сосудодвигательного центра. Таким образом, снижение напряжения кислорода в артериальной крови приводит к увеличению частоты посылки афферентных нервных импульсов и повышению активности инспираторных нейронов. Последние увеличивают вентиляцию легких, главным образом за счет учащения дыхания.

Рецепторы, чувствительные к углекислому газу, имеются в каротидных тельцах, аортальных тельцах дуги аорты, а также непосредственно в продолговатом мозге — центральные хеморецепторы. Последние расположены на вентральной поверхности продолговатого мозга в области между выходом подъязычного и блуждающего нервов. Рецепторы углекислого газа воспринимают также изменения концентрации ионов Н + . Рецепторы артериальных сосудов реагируют на изменения рС0 2 и рН плазмы крови, при этом поступление к инспиратор- ным нейронам афферентных сигналов от них возрастает при увеличении рСО 2 , и (или) снижении рН плазмы артериальной крови. В ответ на поступление от них большего числа сигналов в дыхательный центр рефлекторно увеличивается вентиляция легких за счет углубления дыхания.

Центральные хеморецепторы реагируют на изменения рН и рСО 2 , ликвора и межклеточной жидкости продолговатого мозга. Считают, что центральные хеморецепторы преимущественно реагируют на изменение концентрации протонов водорода (рН) в интерстициальной жидкости. При этом изменение рН достигается вследствие легкого проникновения углекислого газа из крови и ликвора через структуры гематоэнцефалического барьера в мозг, где в результате его взаимодействия с Н 2 0 образуется углекислота, диссоциирующая с высвобождением прогонов водорода.

Сигналы от центральных хеморецепторов также проводятся к инспираторным нейронам дыхательного центра. Некоторой чувствительностью к сдвигу рН интерстициальной жидкости обладают сами нейроны дыхательного центра. Снижение рН и накопление углекислого газа в ликворе сопровождается активацией инспираторных нейронов и увеличением вентиляции легких.

Таким образом, регуляция рС0 0 и рН тесно связаны как на уровне эффекторных систем, влияющих на содержание водородных ионов и карбонатов в организме, так и на уровне центральных нервных механизмов.

При быстром развитии гиперкапнии увеличение вентиляции легких лишь приблизительно на 25% вызвано стимуляцией периферических хеморсцегггоров углекислого газа и рН. Остальные 75% связаны с активацией протонами водорода и углекислым газом центральных хеморецепторов продолговатого мозга. Это обусловлено высокой проницаемостью гематоэнцефалического барьера для углекислого газа. Поскольку ликвор и межклеточная жидкость мозга имеют гораздо меньшую емкость буферных систем, чем кровь, то аналогичное с кровью по величине возрастание рС0 2 создает в ликворе более кислую среду, чем в крови:

При длительной гиперкапнии рН ликвора возвращается к норме из-за постепенного увеличения проницаемости гематоэнцефалического барьера для анионов НС0 3 и накопления их в ликворе. Это приводит к снижению вентиляции, развившейся в ответ на гиперкапнию.

Чрезмерное увеличение активности рецепторов рСО 0 и рН способствуют возникновению субъективно тягостных, мучительных ощущений удушья, нехватки воздуха. В этом легко убедиться, если сделать длительную задержку дыхания. В то же время при недостатке кислорода и снижении р0 2 в артериальной крови, когда рСО 2 и рН крови поддерживаются нормальными, человек не испытывает неприятных ощущений. Следствием этого могут быть ряд опасностей, возникающих в быту или в условиях дыхания человека газовыми смесями из замкнутых систем. Наиболее часто они имеют место при отравлении угарным газом (смерть в гараже, другие бытовые отравления), когда человек из-за отсутствия явных ощущений удушья не предпринимает защитных действий.

Как и все другие процессы автоматической регуляции физиологических функций, регуляция дыхания осуществляется в организме на основе принципа обратной связи. Это значит, что деятельность дыхательного центра, регулирующего снабжение организма кислородом и удаление образующегося в нем углекислого газа, определяется состоянием регулируемого им процесса. Накопление в крови углекислоты, а также недостаток кислорода являются факторами, вызывающими возбуждение дыхательного центра.

Значение газового состава крови в регуляции дыхания было показано Фредериком путем опыта с перекрестным кровообращением. Для этого у двух собак, находившихся под наркозом, перерезали и соединяли перекрестно их сонные артерии и отдельно яремные вены (рисунок 2) После такого соединения этих и зажатия других сосудов шеи голова первой собаки снабжалась кровью не от собственного туловища, а от туловища второй собаки, голова же второй собаки – от туловища первой.

Если у одной из этих собак зажать трахею и таким образом производить удушение организма, то через некоторое время у нее происходит остановка дыхания (апноэ), у второй же собаки возникает резкая одышка (диспноэ). Это объясняется тем, что зажатие трахеи у первой собаки вызывает накопление СО 2 в крови ее туловища (гиперкапния) и уменьшение содержания кислорода (гипоксемия). Кровь из туловища первой собаки поступает в голову второй собаки и стимулирует ее дыхательный центр. В результате возникает усиленное дыхание – гипервентиляция – у второй собаки, что приводит к снижению напряжения СО 2 и повышению напряжения О 2 в крови сосудов туловища второй собаки. Богатая кислородом и бедная углекислым газом кровь из туловища этой собаки поступает в голову первой и вызывает у нее апноэ.

Рисунок 2 – Схема опыта Фредерика с перекрестным кровообращением

Опыт Фредерика показывает, что деятельность дыхательного центра изменяется при изменении напряжения СО 2 и О 2 в крови. Рассмотрим влияние на дыхание каждого из этих газов в отдельности.

Значение напряжения углекислого газа в крови в регуляции дыхания. Повышение напряжения углекислого газа в крови вызывает возбуждение дыхательного центра, приводящее к увеличению вентиляции легких, а понижение напряжения углекислого газа в крови угнетает деятельность дыхательного центра, что приводит к уменьшению вентиляции легких. Роль углекислого газа в регуляции дыхания доказана Холденом в опытах, в которых человек находился в замкнутом пространстве небольшого объема. По мере того как во вдыхаемом воздухе уменьшается содержание кислорода и увеличивается содержание углекислого газа, начинает развиваться диспноэ. Если же поглощать выделяющийся углекислый газ натронной известью, содержание кислорода во вдыхаемом воздухе может снизиться до 12%, причем заметного увеличения легочной вентиляции не наступает. Таким образом, увеличение объема вентиляции легких в этом опыте обусловлено повышением содержания во вдыхаемом воздухе углекислого газа.

В другой серии экспериментов Холден определял объем вентиляции легких и содержание углекислого газа в альвеолярном воздухе при дыхании газовой смесью с разным содержанием углекислого газа. Полученные результаты приведены в таблице 1.

дыхание мышечная газовый кровь

Таблица 1 – Объем вентиляции легких и содержание углекислого газа в альвеолярном воздухе

Данные, приведенные в таблице 1, показывают, что одновременно с увеличением содержания углекислого газа во вдыхаемом воздухе нарастает его содержание в альвеолярном воздухе, а значит, и в артериальной крови. При этом происходит увеличение вентиляции легких.

Результаты экспериментов дали убедительное доказательство того, что состояние дыхательного центра зависит от содержания углекислого газа в альвеолярном воздухе. Выявлено, что увеличение содержания СО 2 в альвеолах на 0,2% вызывает увеличение вентиляции легких на 100%.

Уменьшение содержания углекислого газа в альвеолярном воздухе (и, следовательно, уменьшение напряжения его в крови) понижает деятельность дыхательного центра. Это происходит, например, в результате искусственной гипервентиляции, т. е. усиленного глубокого и частого дыхания, которое приводит к снижению парциального давления СО 2 в альвеолярном воздухе и напряжения СО 2 в крови. В результате наступает остановка дыхания. Пользуясь таким способом, т. е. производя предварительную гипервентиляцию, можно значительно увеличить время произвольной задержки дыхания. Так поступают ныряльщики, когда им нужно провести под водой 2…3 минуты (обычная длительность произвольной задержки дыхания составляет 40…60 секунд).

Прямое возбуждающее действие углекислоты на дыхательный центр доказано путем различных экспериментов. Инъекция 0,01 мл раствора, содержащего углекислоту или ее соль, в определенный участок продолговатого мозга вызывает усиление дыхательных движений. Эйлер подвергал изолированный продолговатый мозг кошки действию углекислого газа и наблюдал, что это вызывает увеличение частоты электрических разрядов (потенциалов действия), свидетельствующее о возбуждении дыхательного центра.

На дыхательный центр оказывает влияние повышение концентрации водородных ионов. Винтерштейн в 1911 г. высказал точку зрения, что возбуждение дыхательного центра вызывает не сама угольная кислота, а, повышение концентрации водородных ионов вследствие увеличения ее содержания в клетках дыхательного центра. Это мнение основывается на том, что усиление дыхательных движений наблюдается при введении в артерии, питающие мозг, не только угольной кислоты, но и других кислот, например молочной. Возникающая при увеличении концентрации водородных ионов в крови и тканях гипервентиляция способствует выделению из организма части содержащейся в крови углекислоты и тем самым приводит к уменьшению концентрации водородных ионов. Согласно этим экспериментам, дыхательный центр является регулятором постоянства не только напряжения углекислоты в крови, но и концентрации водородных ионов.

Установленные Винтерштейном факты нашли подтверждение в экспериментальных исследованиях. Вместе с тем ряд физиологов настаивал на том, что угольная кислота является специфическим раздражителем дыхательного центра и оказывает на него более сильное возбуждающее действие, чем другие кислоты. Причиной этого оказалось то, что углекислый газ легче, чем Н+-ион, проникает через гематоэнцефалический барьер, отделяющий кровь от цереброспинальной жидкости, которая является непосредственной средой, омывающей нервные клетки, и легче проходит через мембрану самих нервных клеток. При поступлении СО 2 внутрь клетки образуется Н 2 СО 3 , которая диссоциирует с освобождением Н+-ионов. Последние и являются возбудителями клеток дыхательного центра.

Другой причиной более сильного по сравнению с другими кислотами действия Н 2 СО 3 является, по мнению ряда исследователей, то, что она специфически влияет на некоторые биохимические процессы в клетке.

Стимулирующее влияние углекислого газа на дыхательный центр является основанием одного мероприятия, нашедшего применение в клинической практике. При ослаблении функции дыхательного центра и возникающем при этом недостаточном снабжении организма кислородом больного заставляют дышать через маску смесью кислорода с 6% углекислого газа. Такая газовая смесь носит название карбогена.

Механизм действия повышенного напряжения СО 2 и увеличенной концентрации Н+-ионов в крови на дыхание. Долгое время считалось, что повышение напряжения углекислого газа и увеличение концентрации Н+-ионов в крови и цереброспинальной жидкости (ликворе) влияют непосредственно на инспираторные нейроны дыхательного центра. В настоящее же время установлено, что изменения напряжения СО 2 и концентрации Н + -ионов действуют на дыхание, возбуждая находящиеся вблизи дыхательного центра хеморецепторы, чувствительные к указанным выше изменениям. Эти хеморецепторы находятся в тельцах диаметром около 2 мм, расположенных симметрично с двух сторон продолговатого мозга на вентролатеральной его поверхности поблизости от места выхода подъязычного нерва.

Значение хеморецепторов продолговатого мозга видно из следующих фактов. При воздействии на эти хеморецепторы углекислого газа или растворов с повышенной концентрацией Н+-ионов наблюдается стимуляция дыхания. Охлаждение одного из хеморецепторных телец продолговатого мозга влечет за собой, согласно опытам Лешке, прекращение дыхательных движений на противоположной стороне тела. Если хеморецепторные тельца разрушены или отравлены новокаином, дыхание прекращается.

Наряду с хеморецепторами продолговатого мозга в регуляции дыхания важная роль принадлежит хеморецепторам, находящимся в каротидном и аортальном тельцах. Это было доказано Геймансом в методически сложных опытах, в которых сосуды двух животных соединялись так, что каротидный синус и каротидное тельце или дуга аорты и аортальное тельце одного животного снабжались кровью другого животного. Оказалось, что увеличение концентрации Н + -ионов в крови и повышение напряжения СО 2 вызывают возбуждение каротидных и аортальных хеморецепторов и рефлекторное усиление дыхательных движений.