X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

В последнее десятилетие описан ряд заболеваний, возникновение которых обусловлено мутациями в генах белковых субъединиц натриевых, калиевых, кальциевых и хлорных ионных каналов. Эта группа заболеваний получила название болезни ионных каналов (БИК). Наибольшее количество нозологических форм представлено наследственными болезнями нервной системы с аутосомно-доминантным типом наследования, при которых нарушаются механизмы проницаемости и возбудимости клеточных мембран мышечного волокна или нейронов. Нарушение функционирования ионных каналов в мембране мышечного волокна приводит к появлению клинических симптомов периодического паралича и миотоний, а патология этих каналов в мембране нервных клеток обусловливает появление различных вариантов наследственных эпилепсии и атаксий.

Ионные каналы

Все вольтаж-зависимые ионные каналы имеют эволюционное родство и сходную структуру. Они состоят из шести трансмембранных сегментов, связанных экстрацеллюлярной и интрацеллюлярной петлями и формирующих один домен. Четвертый трансмембранный сегмент каждого домена содержит несколько положительно заряженных аминокислот, которые чувствительны к градиенту напряжения на мембране. Другой критический регион представлен погруженной в мембрану экстрацеллюлярной петлей между пятым и шестым сегментом. Согласованное действие этих петель всех четырех доменов формирует пору ионного канала. Аминокислоты этих петель детерминируют селективное проникновение через канал только определенных ионов. В калиевых каналах присутствует один такой домен, а в кальциевых и натриевых каналах четыре домена формируют одну а-субъединицу.

Мышечные каналопатии. Этиология и патофизиология

• Группа разнородных заболеваний нервной и мышечной ткани, связанных с нарушением процесса генерации аксоном потенциалов действия или блокадой ионных каналов (натриевых, калиевых или кальциевых) вследствие их дефектов; проявляются периодическим параличом и/или миотонией.

• Крайне редкие заболевания, обычно наследуемые по аутосомно-доминантному типу; патология ионных каналов может быть вызвана ядом (чаще всего ядом рыб).

• Некоторые из этих заболеваний - следствие аутоиммунного повреждения при участии антител или сочетанного воздействия антител и системы комплемента; в результате происходит либо разрушение канала, либо преходящее нарушение электропроводности.

• Некоторые типы патологии нервно-мышечной передачи ошибочно считаются следствием демиелинизации или разрушения мышцы, в действительности же они возникают в результате обратимого нарушения функции ионного канала.

• Хлорные каналы: врожденная миотония (болезнь Томсена).

• Натриевые каналы: периодический гиперкалиемический паралич, врожденная па-рамиотония.

• Кальциевые каналы: периодический гипокалиемический паралич.

- Благодаря нарушению реполяризации саркоплазматического ретикулума во время эпизодов незначительной гипокалиемии возникает мышечная слабость.

- Приступы заболевания провоцируются высокоуглеводным питанием и/или значительной физической нагрузкой сразу после сна.

Механизм нарушения работы ионных каналов

Начнем с клеток мышечной ткани. Подобно нейронам, они проводят электрические сигналы, запускаемые раскрытием натриевых каналов и завершаемые исходом из клеток ионов калия. Известно множество генных мутаций, которые увеличивают проницаемость клеточных мембран для ионов натрия — в натриевых каналах образуется натуральная «протечка», клетки чрезмерно насыщаются положительными ионами и надолго задерживаются в фазе возбуждения, что приводит к мышечной слабости и судорогам. Некоторые мутации вызывают противоположный эффект: мышечные волокна время от времени теряют способность возбуждаться, и это приводит к параличам. Носителям таких генных аномалий противопоказаны изюм, курага и другие продукты, богатые калием, поскольку они способствуют обострениям. Слишком высокий уровень калия в крови приводит к мышечной слабости и у людей с нормальной наследственностью.

У мышечных клеток потенциал действия генерируется с участием не только ионов натрия и калия, но и других заряженных частиц, особенно ионов кальция и хлора. Поломки трансмембранных каналов, по которым диффундируют эти ионы, могут вызвать целый ряд патологий. Среди них и врожденная миотония, которую в 1876 году описал немецкий врач Август Томсен, страдавший ею с раннего детства. При этом заболевании мышцы конечностей, туловища и лица долго пребывают в сокращенном состоянии и чрезвычайно медленно расслабляются. От этого возникают судороги, интенсивность которых зависит от степени стресса. Эти же симптомы характерны и для миотонии Беккера, только они проявляются в более тяжелой форме.

В конце прошлого века было доказано, что эти патологии возникают из-за дефицита нормально функционирующих каналов хлора. Такой дефицит обусловлен мутациями гена CLCN1, определяющего структуру одного из хлорных каналов скелетных мышц.

Дефектами этих каналов обусловлены и некоторые кардиологические проблемы. Таков, например, синдром, который в 1992 году описали испанские кардиологи Педро и Хосеп Бругада. Для этого генетического заболевания характерны внезапные изменения сердечного ритма, которые происходят в состоянии покоя и даже во сне и зачастую приводят к аритмии желудочков, чреватой летальным исходом. Причиной синдрома Бругада, от которого зачастую гибнут практически здоровые молодые мужчины, служат мутации нескольких генов, не обязательно связанных с ионными каналами. Однако не менее чем в 20% случаев это заболевание вызвано дефектным геном SCN5A, ответственным за натриевые каналы клеток сердечной мышцы.

Патологии натриевых каналов

Натриевый канал содержит две субъединицы — а и р. а-Субъединица состоит из четырех повторяющихся доменов, связанных как с экстрацеллюлярным, так и с интрацеллюлярным матриксом. Каждый домен в свою очередь, подразделен на шесть трансмембранных сегментов. Четвертый сегмент каждого домена содержит несколько положительно заряженных аминокислот, которые чувствительны к градиенту потенциала на мембране мышечного волокна. Другой критической областью натриевого канала является участок между 5- и 6-ым сегментом, где находится пора канала с избирательной проницаемостью для отдельных ионов. Нарушение в работе ионных каналов может быть основой наследственного заболевания. Впервые это было показано Фонтейном в 1990 году: оказалось, что периодический гиперкалиемический паралич коррелирует с неправильным функционированием натриевых каналов.

Наиболее изучена группа заболеваний, обусловленных нарушением функционирования именно натриевых каналов. Помимо гиперкалиемического периодического паралича, она включает несколько нозологических форм: врожденную парамиотонию Эйленбурга, ацетазол-зависимую миотонию и врожденную миастению. Для всех заболеваний этой группы характерен приступообразный характер течения.

Периодический гиперкалиемический паралич

Заболевание впервые описано И. Гамсторпом в 1956 г. Его этиологическим фактором являются мутации, нарушающие функционирование гена SCN4A. Ген картирован на хромосоме 17q23.1-q.25.3 и кодирует белок а-субъединицы натриевого канала, состоящий из 1836 аминокислот. Основной тип мутаций — точковые однонуклеотидные замены, обусловливающие аномалии во 2-ом и 4-ом доменах белка. Патогенетический механизм заболевания заключается в инактивации натриевых каналов скелетных мышц, в результате чего ионы натрия продолжают просачиваться внутрь мышечного волокна. В норме натрий попадает в мышечное волокно после деполяризации мембраны, которая приводит к быстрому открытию натриевого канала из-за конформационных изменений вольтаж-зависимого 4-го сегмента. Натриевый поток устремляется внутрь волокна, а поток ионов калия движется в противоположном направлении — в межклеточное пространство, обусловливая состояние гиперкалиемии. Прохождение натрия внутрь мембраны сочетается с нарастанием амплитуды потенциала действия и быстрым закрытием канала даже при персистировании процесса деполяризации. В интактных мышцах инактивация канала наступает после падения амплитуды потенциала действия. Выход канала из стадии инактивации происходит только после наступления реполяризации мембраны. В результате мутации в гене нарушается функционирование а-субъединицы натриевого канала, потенциал действия пролонгируется и нарушается процесс реполяризации мембраны мышечного волокна. Умеренная деполяризация мембраны (от 5 до 20 мв) обусловливает миотонию, а выраженная деполяризация (более 20 мв) приводит к возникновению мышечной слабости. Этапы патогенеза заболевания представляются следующим образом: увеличение концентрации внеклеточного калия -> деполяризация мембраны мышечного волокна -> открытие натриевых каналов —> персистирование внутриклеточного потока натрия и внеклеточного потока калия -> поддержание деполяризации мышечной мембраны -> инактивация нормальных натриевых каналов -> снижение электрической возбудимости мышечной мембраны.

Первые признаки заболевания возникают в возрасте от 5 до 20 лет и характеризуются приступами выраженной мышечной слабости и адинамии, в течение которых больные теряют способность двигаться. Характерная особенность этой формы пароксизмальной миоплегии - повышение уровня калия в сыворотке крови и экскреция его с мочой во время приступа и снижение уровня натрия. В большинстве случаев приступы возникают днем и провоцируются голоданием, употреблением в пищу продуктов богатых калием, а также лекарственных препаратов, содержащих калий, физическими нагрузками и переохлаждением. Выделяют три типа паралича: в комбинации с миотонией, без миотонии и с признаками парамиотонии. Зачастую возникновению приступа предшествуют парестезии в области лица и дистальных отделов конечностей. Сухожильные рефлексы во время приступа отсутствуют. У большинства больных приступ сопровождается выраженными вегетативными нарушениями — артериальной гипертензией, потливостью, тахикардией, аритмиями.

Изменения со стороны сердечно-сосудистой системы могут достигать значительной выраженности и даже приводить к внезапной смерти. После окончания приступа у ряда больных отмечается болезненность мышц и усиленный диурез. По мере развития заболевания, особенно у больных в возрасте старше 40 лет, частота и выраженность приступов уменьшается. Диагностика заболевания осуществляется на основании клинической картины, определения уровня калия в крови во время приступа, а также в результате проведения молекулярно-генетического анализа, направленного на обнаружение мутаций в гене SCN4A. Для данного заболевания возможна дородовая ДНК-диагностика.

Муковисцидоз

Муковисцидоз (кистозный фиброз) — системное наследственное заболевание, обусловленное мутацией гена трансмембранного регулятора муковисцидоза и характеризующееся поражением желёз внешней секреции, тяжёлыми нарушениями функций органов дыхания.

Начиная с 1960-х годов, муковисцидоз — одно из наиболее известных моногенных заболеваний человека. Это самое частое фатальное аутосомно-рецессивное генетическое заболевание детей в европеоидных популяциях, со встречаемостью приблизительно 1 на 2500 родов и частотой носительства около 1 на 25. Позиционное клонирование гена муковисцидоза (названного CFTR) в 1989 г. и выделение тремя годами ранее гена мышечной дистрофии Дюшенна стали первыми примерами возможностей молекулярно-генетических методов по идентификации генов болезней. Вскоре после клонирования гена муковисцидоза с помощью физиологических исследований было показано, что белок, кодируемый геном CFTR, регулирует хлорный канал, располагающийся в апикальной мембране эпителиальных клеток.

Болезнь поражает легкие и экзокринную функцию поджелудочной железы, но главный диагностический признак — повышение концентраций хлоридов и натрия в поте (часто впервые замечаемое, когда родители целуют детей). У большинства пациентов с муковисцидозом диагноз может основываться на легочной или панкреатической симптоматике и повышении уровня хлоридов пота. Менее чем 2% пациентов имеют нормальную концентрацию хлоридов пота, несмотря на типичные клинические проявления; в этих случаях надо проводить молекулярный анализ, устанавливающий наличие мутации в гене CFTR. Легочная патология при муковисцидозе развивается в результате избыточной секреции бронхиального секрета и повторной инфекции; первоначально ее описывают как хроническую обструктивную болезнь легких, переходящую в бронхоэктазию. Хотя интенсивное лечение легких продлевает жизнь, в конце концов, наступает смерть от инфекции и легочной недостаточности. В настоящее время около половины пациентов доживают до 33 лет при очень вариабельном клиническом течении. Нарушения функции поджелудочной железы при муковисцидозе — синдром мальабсорбции из-за недостаточной секреции панкреатических ферментов (липазы, трипсина, химотрипсина). Нормальное пищеварение и питание в основном могут восстанавливаться при приеме ферментов поджелудочной железы. От 5 до 10% пациентов с муковисцидозом имеют некоторую остаточную функцию поджелудочной железы для нормального пищеварения и называются панкреатически достаточными.

Фенотип при муковисцидозе

У больных муковисцидозом наблюдают множество различных фенотипов. Например, у 10-20% новорожденных с муковисцидозом после рождения встречается низкая кишечная непроходимость (меконеальный илеус), наличие которой требует исключить диагноз муковисцидоза. Затрагивается также половой тракт. Хотя женщины с муковисцидозом имеют лишь незначительное снижение фертильности, более 95% мужчин с муковисцидозом бесплодны, поскольку не имеют семявыносящих протоков, фенотип, известный как врожденная двусторонняя атрезия семявыносящих протоков. В поразительном примере аллельной гетерогенности, вызывающей частичный фенотип, было обнаружено, что некоторые бесплодные мужчины, в остальном здоровы (т.е. не имеют легочных или панкреатических проявлений), имеют врожденную двустороннюю атрезию семявыносящих протоков, сцепленную со специфическими мутантными аллелями в гене муковисцидоза. Аналогично некоторые больные идиопатическим хроническим панкреатитом имеют мутации в гене CFTR при отсутствии других клинических признаков муковисцидоза.

Ген и белок CFTR при муковисцидозе

CFTR — ген в хромосоме 7q31, ассоциированный с муковисцидозом, содержит около 190 килобаз ДНК; кодирующая область с 27 экзонами; по предсказаниям, кодирует крупный трансмембранный белок размером около 170 килодальтон. На основе предсказанной функции белок, кодируемый CFTR, назван трансмембранным регулятором проводимости муковисцидоза. Его гипотетическая структура указывала, что белок должен принадлежать к так называемому семейству транспортных белков ABC (АТФ-связанных). По крайней мере 18 транспортных белков этого семейства вовлечены в развитие менделирующих и комплексных заболеваний. Хлорный канал CFTR имеет пять областей: две области, связанные с прикреплением к мембране, каждая с шестью трансмембранными последовательностями; две области связи с АТФ; и регуляторная область с многочисленными сайтами фосфорилирования. Значение каждой области доказано идентификацией в каждой из них вызывающих муковисцидоз миссенс-мутаций. Отверстие хлорного канала формируется 12 трансмембранными сегментами. АТФ связывается и гидролизуется в нуклеотидной области, полученная энергия используется для открывания и закрывания канала. Управление канала связано, по крайней мере частично, с фосфорилированием регуляторного домена.

Заключение

В настоящее время известно очень много заболеваний, которые связаны с наследственными патологиями ионных каналов. Наиболее известные из них – это муковисцидоз и периодический гиперкалиемический паралич. Выявляются они при помощи проведения генетических тестов. Лечение возможно при помощи генной терапии.

Список литературы:

Дмитренко Д.В., Шнайдер Н.А., Мартынова Г.П., Строганова М.А., Замай А.С., Газенкампф К.А., Говорина Ю.Б., Дюжакова А.В., Шилкина О.С. Мутации натриевых каналов как генетический предиктор фебрильных приступов у детей // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 5. – С. 6-7.

Каширская Н.Ю., Капранов Н.И., Васильева Ю.И. Трудности в диагностике муковисцидоза // Вопросы современной педиатрии. – 2005. - №9. – С. 2-3.

Наумов Д.Е. Термочувствительные ионные каналы TRPM8 // Бюллетень физиологии и патологии дыхания. – 2011. - №3. – С. 10.

https://medicalplanet.su

Код для цитирования: Скопировать