Прикладная наука. Как меняются дыхание и работа диафрагмы мышей среднего возраста

Ранние исследования функциональных и структурных изменений в нейромышечных соединениях диафрагмы проводились на мышах старшего возраста. Информации об изменениях, характерных для среднего возраста, не так много.

Российские ученые из ФГБУ «Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр Российской академии наук» (ФИЦ КазНЦ РАН) продемонстрировали, что меняются как пресинаптические, так и постсинаптические параметры, а также параметры дыхания.

Диафрагма — основная дыхательная мышца, но, как и другие мышцы, она подвержена изменениям, связанным со старением. Слабость и атрофия мышечных волокон могут приводить к нарушению дыхания. Нейромышечные соединения (neuromuscular junction, NMJ) передают импульсы от мотонейронов к мышечным волокнам. Однако исследования показывают, что с возрастом у грызунов происходят структурные и функциональные изменения в компонентах NMJ. Они происходят у мышей старше 19 месяцев, но исследования старческих изменений диафрагмы в основном были сосредоточены на мышах старше 24 месяцев. Не до конца понятно, как изменяются NMJ диафрагмы у мышей среднего возраста. Чтобы разобраться в этом вопросе, исследователи из Казанский институт биохимии и биофизики, а также других российских центров проанализировали NMJ диафрагмы у мышей BALB/c возрастом 3 и 12 месяцев.

Сначала авторы измеряли скорость распространения потенциала действия у двигательных нервов. У 12-месячных мышей латентность и синаптическая задержка снижалась на 14% и 10% соответственно по сравнению с трехмесячными мышами, так что скорость распространения потенциала действия увеличивалась. Примечательно, что у девятимесячных мышей эти параметры значимо не отличались от трехмесячных.

Частоты миниатюрных потенциалов концевой пластинки значимо не отличались у мышей 3 и 12 месяцев. Но для NMJ 12-месячных мышей было характерно повышение размера кванта ацетилхолина в ответ на низкочастотную активацию нерва по сравнению с молодыми мышами. У девятимесячных мышей этой разницы не было. Увеличение выброса нейротрансмиттера с возрастом авторы продемонстрировали и при кратковременной стимуляции умеренной и высокой частот, а также при более длительной стимуляции умеренной частоты.

Также исследователи показали, что с возрастом чувствительность постсинаптической мембраны к ацетилхолину снижалась, что приводило к снижению амплитуды миниатюрных потенциалов концевой пластинки. Для сравнения морфологических параметров концевых пластинок в NMJ авторы использовали специфический маркер постсинаптического рецептора ацетилхолина — α-бунгаротоксин, конъюгированный с флуоресцентным красителем. Площадь концевой пластинки снижалась на 17% у 12-месячных мышей по сравнению с трехмесячными. При этом средний периметр вырос на 21%. Количество синапсина 1 (белка, ассоциированного с синаптическими везикулами) тоже снизилось с возрастом, что было показано с помощью антител.

Поперечные сечения областей NMJ анализировали с помощью электронного микроскопа. В аксонах 12-месячных мышей синаптические везикулы были распределены более диффузно. При анализе мышечных волокон диафрагмы было показано, что с возрастом длина саркомер увеличилась, сеть митохондрий стала более сложно организованной, а гранулы гликогена уменьшились в размерах. Диафрагма 12-месячных мышей проявляла более высокую сократительную способность.

Далее для изучения функции внешнего дыхания мышей, авторы применили метод плетизмографии. Они использовали плетизмограф всего тела от Tow Intelligent Technology, который позволяет измерять параметры дыхания лабораторных животных, находящихся в сознании и в условиях отсутствия ограничений. У животных старшего возраста частота дыхания снижалась на 27%, а объем повышался, но незначительно. Кинетика дыхания изменялась. В частности, время выдоха увеличивалось на 58%, пиковый поток выдоха и пиковый поток вдоха увеличились на 39% и 32%, соответственно. Активность дыхательных мышц, по-видимому, усиливается во время каждого цикла дыхания, что позволяет снизить частоту дыхания. Такой режим дыхания может быть более эффективным и менее энергетически затратным для мышей.

Авторы предполагают, что усиление высвобождения нейротрансмиттера и снижение количества синапсина может представлять собой своего рода адаптивную (компенсаторную) реакцию на постсинаптические изменения у мышей старшего возраста. Она коррелирует с изменениями параметров дыхания.

Andrei N Tsentsevitsky, et al. Functional and Structural Changes in Diaphragm Neuromuscular Junctions in Early Aging // Int J Mol Sci. (2024), August 17, 2024, DOI: 10.3390/ijms25168959 https://www.mdpi.com/1422-0067/25/16/8959