EFFECT OF PRENATAL PASSIVE SMOKING FOR PATTERN OF ELECTRICAL RESPIRATORY DRIVE OF NEWBORNS RATS (IN VITRO)


Cite item

Abstract

It is now established that passive smoking during pregnancy increases the frequency and duration of slip-apnea in her baby. The aim of the study was to investigate the features of the functioning of the central mechanism for the generation of respiratory activity in neonatal rats who underwent in utero effects of passive smoking. The study was performed on the brain stem (BS) of newborn rats (n = 107) under conditions in vitro. Modeling of passive smoking was carried out by fumigation cigarette smoke females from 1 to 20 days of gestation. In BS of newborn rats undergoing prenatal passive smoking duration values respiratory cycle, amplitude and duration of the inspiratory discharge were significantly lower relative to the control data. Thus was established the influence of prenatal smoking on function of the respiratory center of newborn rats.

Keywords

Full Text

Актуальность. В настоящее время установлено, что синдром внезапной младенческой смерти возникает значительно чаще у детей, чьи матери были подвержены пассивному курению во время беременности (Eugenín J., 2008; Xuesi M., 2009), а также, что пассивное курение матери во время беременности приводит к увеличению частоты и длительности слип-апноэ у ее младенца (Xuesi M., 2001). Цель нашего исследования заключалась в изучении особенностей генерации инспираторной активности бульбоспинальных препаратов мозга новорожденных крыс, подвергавшихся в период внутриутробного развития пассивному курению, моделируемого посредством фумигации (Zhang H., 2014) беременных самок табачным дымом. В изучении влияния табакокурения беременных на развитие и функционирование дыхательного центра их потомства широкое применение нашла модель хронического введения подопытным животным с помощью микропомпы (Eugenín J., 2008) или электрофореза никотина, основного нейрогенного фактора табачного дыма (Gisell S., 2010). Однако табачный дым содержит более 3000 химических веществ. Поэтому недостатком «никотиновой» модели является то, что в ней не учитывается возможность трансформирования эффектов при комбинированном воздействии полютантов (Gisell S., 2010), входящих в состав табачного дыма наряду с никотином. Использование «фумигационной» модели пассивного табакокурения повышает валидность исследования и позволяет оценить особенности последствий комбинированного воздействия компонентов табачного дыма. Материал и методы исследования. Исследование выполнено на 107 изолированных бульбоспинальных препаратах (БСП) мозга новорожденных крыс (0-1 сутки) в условиях in vitro, полученных от 25 белых крыс линии Wistar. После датирования беременности, крысы содержалась в принудительно вентилируемых со скоростью 95 м3/час герметичных стеклянных клетках объемом 0,374 м3. Животные (n=14) экспериментальной группы (ПК) с 1 по 20 сутки беременности подвергались фумигации сигаретным дымом в течение 2-3 минут (время тления 1 сигареты) 8 раз в сутки (с 10-00 до 18-00 часов местного времени) с интервалом 1 сигарета через каждые 60 минут. Фумигация проводилась 5 дней в неделю с понедельника по пятницу. Концентрация твёрдых взвешенных частиц (ТЧ) в воздухе во время фумигации составляла 1 мг/м3. Контрольная группа (НК) животных (n=11) содержалась в идентичных условиях, при этом фумигация не проводилась. Приготовление БСП мозга новорожденных крыс (ПК n=57, НК n=50) осуществлялось способом, описанным Пятиным В.Ф. (Пятин В.Ф. и соавт. 2001). Во время препаровки мозг орошали искусственной цереброспинальной жидкостью (Suzue T., 1984) с температурой +4оС, насыщенной смесью газов (5%СО2 и 95%О2), рН - 7,3 - 7,4. Регистрация электрической активность БСП проводилась в регистрационной камере объёмом 3 мл (температура перфузата +25оС, скорость перфузии 3 мл/мин). Электрическая активность вентральных корешков сегментов С3-С4отводилась с помощью всасывающего электрода (внутренний диаметр 100 мкм) и через усилитель переменного тока подавалась на входной канал АЦП. При обработке нейрограмм измерялись продолжительность цикла респираторной активности (с), время (с) и амплитуда инспираторных разрядов (мкВ). Спектральный анализ электрических разрядов производился с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье. Для построения спектрограмм использовался 1024-точечный формат при частоте дискретизации 500 Гц. В спектрограммах инспираторных разрядов выделялись максимальные пики в низко- (1-10 Гц) и среднечастотном (10-50 Гц) диапазонах. Для описания пиков спектра инспираторных разрядов использовались следующие параметры: частота пика (Гц) и спектральная плотность мощности (СПМ) пика (относительные единицы). Показатели спектральных характеристик рассчитывались на основании данных, полученных от 10 спектрограмм последовательных инспираторных разрядов. Анализ статистических различий производился с помощью t-теста Стьюдента для средних величин. Различия считались достоверными при р<0,05. Полученные результаты и их обсуждение. Значения амплитуды и продолжительности инспираторных разрядов БСП мозга новорожденных крыс группы ПК были значимо меньше, чем аналогичные показатели препаратов группы НК в среднем на 16,1% (р<0,05) и 10,9% (р<0,05) соответственно (таблица 1). При этом коэффициент вариабельности продолжительности инспираторного разряда в обеих группах достоверно не различался. Продолжительность респираторного цикла БСП мозга новорожденных крыс группы ПК была достоверно больше на 15,3% (р<0,05) аналогичного показателя контрольной группы. В то же время коэффициент вариабельности продолжительности респираторного цикла обеих групп существенных различий не имел (таблица 1). При спектральном анализе инспираторных разрядов БСП новорожденных крыс группы ПК выявлено достоверно меньшее значение СПМ пика в низкочастотном (1-10 Гц) и среднечастотном (11-50 Гц) диапазонах спектра по сравнению с группой НК на 16,3% (р<0,05) и 33,4% (р<0,05) соответственно (таблица 1). Средние значения частоты низкочастотного пика осцилляций группы ПК были значимо меньше чем в группе НК на 11,2% (р<0,05) (таблица 1), а средние значения частоты среднечастотного пика достоверно меньше на 14,3% (р<0,05). Анализ соотношения мощностей пиков низко- и среднечастотного диапазона не выявил существенных различий в данных полученных от БСП групп НК и ПК. Таблица 1. Изменение параметров инспираторной активности бульбоспинальных препаратов на фоне воздействия пассивного курения в нормокапнических условиях (М ± σ)N=107. Параметры инспираторной активности Группа НК (n=50) группа ПК (n=57) Мощность низкочастотного пика (МНЧ), о.е. 4,88±0,31 4,09±0,23* Частота низкочастотного пика, Гц. 5,95±0,32 5,29±0,26* Мощность среднечастотного пика (МСЧ), о.е. 4,37±0,76 2,91±0,17* Частота среднечастотного пика, Гц. 18,52±1,31 15,87±0,63* Соотношение МНЧ/МСЧ, о.е. 1,41±0,08 1,49±0,07 Амплитуда инспираторного разряда, с. 53,79±2,86 45,13±2,12* Продолжительность инспираторного разряда (Тр), с. 1,04±0,04 0,95±0,03* Коэффициент вариабельности Тр, о.е. 0,21±0,01 0,19±0,01 Продолжительность респираторного цикла (ПРЦ), с. 17,75±1,17 15,34±0,72* Коэффициент вариабельности ПРЦ,о.е. 0,19±0,01 0,19±0,01 Примечание: - * - достоверность различий параметров, p < 0,05 Обсуждение. Согласно современным представлениям, в дыхательном центре продолговатого мозга (in vitro) выделяют два основных механизма, обеспечивающих формирование ритма и паттерна инспираторной активности (Feldman J., 1990). Одним из показателей зрелости респираторной нейронной сети, в исследованиях in vitro, является степень вариабельности генерируемого ритма. У новорождённых (in vivo) крайней степенью высокой вариабельности дыхательного ритма является апноэ. Пренатальное введение никотина приводит к увеличению частоты возникновения апноэ у новорожденных грызунов (Robinson D., 2002; Huang Y., 2004). В исследованиях in vitro Eugenín J. и соавт. (2008), показали, что хроническое пренатальное воздействие никотина приводит к повышению вариабельности респираторного ритма. Однако в исследованиях, проведённых нами с использованием фумигации и группой Robinson D. с соавт. (2002) с использованием хронического введения никотина не было выявлено существенного возрастания вариабельности дыхательного ритма. Неоднозначные данные были получены исследователями по влиянию пренатального введения никотина на частоту генерации инспираторных разрядов. В своих исследованиях Slotkin T. и соавт. (1997) и Robinson D., и соавт. (2002) такого влияния не обнаружили. Тогда как Hu H. и соавт. (2012) установили, что пренатальное введение никотина приводит к снижению частоты генерации инспираторных разрядов БСП мозга новорожденных мышей. В свою очередь, Hafström O. и соавт. (2002), в исследованиях in vivo, обнаружили более частое дыхание у новорождённых ягнят, перенесших хроническое пренатальное воздействие никотина в сравнении с контрольными животными. В нашем исследовании пренатальное фумигирование табачным дымом также приводило к повышению частоты генерации инспираторных разрядов. Особенностью развития инспираторной активности дыхательного центра разных видов животных является увеличение с возрастом доли высокочастотных осцилляций в спектре инспираторных разрядов (Busselberg D., 2001; Marlot, D., 1976; Мирошниченко И.В., 2002). Нами в свою очередь, не было обнаружено различий в соотношении мощности среднечастотного пика осцилляций к низкочастотному в ПК и НК группах. В группе ПК значения СПМ и частоты пиков в обоих диапазонах частот и амплитуда инспираторных разрядов были значительно ниже, чем в группе НК. Подобные особенности спектральных и амплитудных параметров инспираторных разрядов могут свидетельствовать о том, что под действием пренатального пассивного курения могут меняться электрические свойства респираторных нейронов (возбудимость, лабильность) и/или эффективность синаптической передачи возбуждения между ними. Учитывая, что механизм выключения инспираторной активности новорождённых in vitro, не связан с механизмами синаптического торможения как у взрослых (Onimaru H., 1997), то более низкая продолжительность инспираторного разряда, обнаруженная нами у БСП мозга новорожденных крыс, перенесших во внутриутробном периоде развития воздействие «пассивного курения» может быть следствием, или меньшей мощности нисходящего влияния бульбарных структур и/или большей скорости «истощения» залповой активности. Выводы. Таким образом проведенные исследования подтверждают, что в период пренатального развития респираторной нейронной сети, долговременное периодическое действие факторов пассивного курения существенно изменяет характер функционирования центральных механизмов генерации инспираторного ритма и паттерна у новорожденных крыс in vitro.
×

About the authors

S E Bolychevsky

Orenburg State Medical University

Email: singlsb@mail.ru

E A Zinchenko

Orenburg State Medical University

Email: physorgma@gmail.com

I V Miroshnichenko

Orenburg State Medical University

Email: miv_2000@mail.ru

References

  1. Мирошниченко, И.В. Особенности спектральных характеристик электрической активности дыхательного центра в процессах мозга плодов и новорожденных крыс in vitro / И.В. Мирошниченко, В.Ф. Пятин, А.С. Алексеева, Н.Л. Тюрин // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. - 2002. - том 88. - №2. - с. 248-256
  2. Пятин, В.Ф. Участие NO-eргического механизма в регуляции ритмогенеза дыхательного центра бульбоспинальных препаратов новорождённых крыс // В.Ф. Пятин, И.В. Мирошниченко, В.А. Кульчицкий // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2001. Т. 132. №8.С. 129-133.
  3. Busselberg D., Bischoff A.M., Patton J.F.R. Richter D.W. Reorganisation of respiratory network activity after loss glycinergic inhibition// Pflugers Arch. 2001 Jan;441(4):444-9.
  4. Di Pasquale, E. Perinatal developmental changes in respiratory activity of medullary and spinal neurons: an in vitro study on fetal an in vitro study on fetal and newborn rats/ E.Di Pasquale, F. Tell, R. Monteau, G, Hiliaire// Dev. Brain Res.- 1996.- Vol. 91/ - P. 121 - 130.
  5. Duron B., Khater J., Wallois F. Diaphragmatic activity in preterm babies during wakefulness and sleep. In: Founding Congress of the World Federation of Sleep Research Society, edited by M. Chase, M. Mitler, and P. Walter. Los Angeles, CA: Univ. of Los Angeles. - 1991.- Vol. 20. - P. 33-35.
  6. Eugenín, J. Prenatal to early postnatal nicotine exposure impairs central chemoreception and modifies breathing pattern in mouse neonates: a probable link to sudden infant death syndrome/ J. Eugenín, M. Otarola, E. Bravo, C. Coddou// Neurosci. 2008 Dec 17; 28(51): 13907-17. doi: 10.1523/JNEUROSCI.4441-08.2008.
  7. Feldman J., Smith J., Liu G. Respiratory pattern generation in mammals: in vitro en bloc analysis// Curr. Opin. Neurobiol. - 1990 - Vol. 1. - P. 590 - 594
  8. Gisell, S. Environmental tobacco smoke exposure and perinatal outcomes: a systematic review and meta-analyses/ S. Gisell, R. Grady, J. Jones, S.D. Mc Donald//ActaObstetGynecol Scand. 2010; 89(4): 423-41.
  9. Hafstrom, O. Altered breathing pattern after prenatal nicotine exposure in the young lamb/ O. Hafstrom, J. Milerad, H.W. Sundell// Am J RespirCrit Care Med. 2002 Jul 1;166(1):92-7.
  10. Hu, H. Prenatal nicotine exposure alters the response of the mouse in vitro respiratory rhythm to hypoxia/ H. Hu, A. Brahmbhatt, R. Upadhyaya, D. Vega// Respir Physiol Neurobiol. 2012 Apr 30; 181(2): 234-47. doi: 10.1016/j.resp. 2012.03.015. Epub 2012 Mar 29.
  11. Huang, Y.H. Influence of prenatal nicotine exposure on postnatal development of breathing pattern/ Y.H. Huang, A.R. Brown, S. Costy-Bennett, Z. Luo// RespirPhysiolNeurobiol. 2004 Oct 12;143(1):1-8.
  12. Marlot, D. Cutaneous stimulations and spontaneous respiratory activity in the newborn kitten. In: Respiratory Centres and Afferent Systems/ D. Marlot, B. Duron//. Paris: INSERM. - 1976. - Vol. 59.-P.273-279.
  13. Onimaru, H. Neuronal mechanisms of respiratory rhythm generation: an approach using in vitro preparation/ H. Onimaru, A. Arata, I. Homma// J Physiol. 1997 Oct;47(5):385-403.
  14. Robinson, D.M.Prenatal, nicotineexposure increases apnoea and reduces nicotinic potentiation of hypoglossal inspiratory outputin mice/ D.M. Robinson, K.C. Peebles, H. Kwok, BMAdams// J Physiol. 2002 Feb 1;538(Pt 3):957-73.
  15. Slotkin, T.A. Impaired cardiac function during postnatal hypoxia in rats exposed to nicotine prenatally: implications foperinatal morbidity and mortality, and for sudden infant death syndrome/ T.A. Slotkin, J.L.Saleh, E.C.McCook, F.J.Seidler//Teratology. 1997 Mar;55(3):177-84.
  16. Shao, X.M. Mechanisms underlying regulation of respiratory pattern by nicotine in pre-Bötzinger complex/ X.M. Shao, J.L. Feldman// J Neurophysiol. 2001 Jun;85(6):2461-7.
  17. Xuesi, M. Mechanisms Underlying Regulation of Respiratory Pattern by Nicotine in pre-Botzinger Complex/ M. Xuesi, S. Feldman, J. Feldman//J Neurophysiol85:2461-2467, 2001.
  18. Suzue, T. Respiratory rhythm generation in the in vitro brain stem-spinal cord preparation of the neonatal rat/T. Suzue//J Physiol. 1984 Sep;354:173-83. 19. Zhang, H. Effects of electroacupuncture intervention on expression of pulmonary metalloproteinase-9 and tissue inhibitor-1 proteins in rats with chronic obstructive pulmonary disease/ H. Zhang, H. Guo, Y.C. Zhang, M. Liu// Zhen Ci Yan Jiu. 2014 Oct;39(5):367-71.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies