Медицина / Физиология / Физиология (статья)

Павлов в физиологии поджелудочной железы

ПавловПосле установления в западноевропейских физиологических лабораториях механизмов секреции и регуляции слюнных желез стала задача о роли нервной системы в регуляции секреции желез желудочно-кишечного тракта. К тому времени было известно, что его железы чувствительны к болевым воздействиям и виду наркоза во время острого эксперимента на животных, что сдерживало экспериментальные исследования. Особенно не поддавалась стимуляции секреция поджелудочной железы. Эксперименты по ее исследованию были весьма трудны и безрезультатны. Выдающийся физиолог Бреславского университета Р. Гейденгайн, которого И. П. Павлов назвал своим учителем, писал: «Наверное всякий наблюдатель, который изучал работу поджелудочной железы, на долгое время оставит эту область с недовольным чувством... Я должен откровенно признаться, что еще ни разу не предпринимал никаких опытов, столь богатых собачьими жертвами и столь бедных собственными результатами».

Вопреки предупреждению Р. Гейденгайна, студенты Петербургского университета И. Павлов и М. Афанасьев, под руководством блестящего экспериментатора и лектора, их учителя профессора И. Ф. Циона предприняли экспериментальное исследование роли иннервирующих поджелудочную железу нервов в регуляции ее секреции. В начале 1875 г. авторитетная комиссия под руководством академика Ф. В.       Овсянникова отметила и высоко оценила технически сложное исследование исполнителей, доказавших наличие секреторных нервов поджелудочной железы, и присудила им Золотую медаль (одну на двоих, на торжественное вручение которой награжденные по неизвестной причине не явились). Результаты данной работы были опубликованы в авторитетном научном немецком журнале в 1878 г. В дальнейшем опыты были продолжены с доказательством стимуляции секреции поджелудочной железы блуждающим нервом, торможения ее болевыми воздействиями и через снижение кровоснабжения органа. В ходе этих исследований были обнаружены и объяснены методические причины противоречивости результатов данных и ранее выполненных работ ряда лабораторий. В 1879 г. Иван Петрович предложил разработанную им операцию хронической фистулы протока поджелудочной железы - хирургическое выведение протока из стенки двенадцатиперстной кишки в кожную рану. Именно на оперированных таким методом собаках были выполнены эксперименты, результаты которых составили основу современных представлений о панкреатической секреции и механизмах ее регуляции. Тем не менее, И. П. Павлов критично относился к ним из-за несовершенства предложенной методики, заключающегося в хронической потере секрета и выключении его участия в кишечном пищеварении. Кроме того, агрессивный секрет, растекавшийся по брюху собаки вне эксперимента, повреждал кожные покровы, что явилось одной из причин возникновения болезни и гибели оперированных животных. Эту беду частично разрешали пористые подстилки, выстаивание собак в станках с многочасовым сбором у них сока, а также специальный пищевой рацион. Первый профилактический прием был «подсказан» подопытной собакой, делающей себе подстилку из соскобленной со стены штукатурки. Этот лабораторный эпизод был увековечен на барельефе постамента памятника собаке (по проекту Павлова) на территории Института экспериментальной медицины.

Рис. 1. Академик Иван Петрович Павлов – первый русский лауреат Нобелевской премии, почетный доктор Кембриджского университета, член 132 академий и обществ, старейшина физиологии мира. Научная деятельность Павлова продолжалась более шести десятилетий. С его именем связаны выдающиеся достижения в области физиологии кровообращения, пищеварения и высшей нервной деятельности

Автор, понимая несовершенство предложенной методики, предполагал усовершенствование исследования секреции поджелудочной железы с учетом того, что секрет отводится из нее по двум протокам. Однако этот теоретический посыл не был реализован. Гораздо позднее, в экспериментах на собаках и по итогам наблюдений оперированных больных было показано, что секреторные регионы поджелудочной железы существенно различаются в динамике секреции, механизмах ее регуляции. Впрочем, это общее правило для поджелудочной и крупных слюнных желез, секреторных полей желудка с существенными различиями секреции желез большой и малой его кривизны, передней и задней стенок слизистой оболочки органа, что было показано в исследованиях послепавловского периода.

В лаборатории И. П. Павлова в хронических экспериментах на фистульных животных устанавливаются различия секреции поджелудочной железы в ответ на скармливание животным разных видов пищи, демонстрируются ставшие знаменитыми кривые панкреатического сокоотделения в ответ на скармливание собакам мяса, хлеба или молока. Уже в то время И. П. Павловым был поставлен вопрос об учете качества секрета, активности в нем различных ферментов. В лаборатории Института экспериментальной медицины было внедрено определение ферментативных активностей секретов пищеварительных желез. В лаборатории Павлова С. Г. Меттом был разработан полуколичественный метод определения протеолитической активности пищеварительных секретов с помощью стеклянных трубочек, заполненных свернувшимся яичным белком. Метод длительное время применялся физиологами и гастроэнтерологами и в послепавловский период. В лаборатории И. П. Павлова Н. П. Шеповальниковым был открыт (1899 г.) синтезируемый в дуоденальной слизистой оболочке «фермент ферментов» - энтерокиназа (энтеропептидаза). Она активирует трипсиноген панкреатического секрета, образовавшийся в результате этого трипсин активирует другие панкреатические ферменты (химотрипсиногены, катепсины, проэластазы, прокарбоксипептидазы, профосфолипазы) в двенадцатиперстной кишке. Это открытие явилось колоссальным успехом энзимологии и физиологии.

На основании результатов экспериментов И. П. Павловым была сформулирована концепция о «непараллельности секреции» железой различных ферментов и адаптации спектра секретируемых ферментов к виду скорллленной животным пищи. Это заключение повлекло неоднозначное к нему отношение, в том числе и со стороны некоторых учеников Ивана Петровича. Последующие исследования доказали его правоту, а одной из причин дискуссии явилось то, что хроническая потеря секрета и панкреатит у фистульных животных нарушают срочную ферментную адаптированность секреции поджелудочной железы к виду пищи и нутриентному составу дуоденального химуса.

Официальной датой создания учения о периодической деятельности пищеварительного тракта в лаборатории И. П. Павлова В. Н. Болдыревым назван 1904 год. Из рассказа Л. А. Орбели все начиналось с наблюдения Болдырева периодичности секреции поджелудочной железы у фистульной собаки. Он отметил 90-минутный ритм отделения панкреатического сока и желчи у собаки с фистулой двенадцатиперстной кишки. Доклад Болдырева об этом И. П. Павлову вызвал у него бурную реакцию недоверия. Василий Николаевич повторял тщательные наблюдения, в том числе длительностью более суток. Иван Петрович сам, наблюдая за ходом экспериментов, убедился в очевидности факта периодики секреции, что стало темой докторской диссертации настойчивого экспериментатора, которая была успешно защищена в 1904 г. («Периодическая работа пищеварительного аппарата при пустом желудке»), и направлением физиологии пищеварения и гастроэнтерологии. Детально исследованная периодика панкреатической секреции в экспериментах была установлена и у человека (О. П. Куфарева, 1948 г.). Периодичность панкреатической секреции должна учитываться при ее исследовании, так как в зависимости от фазы периодики состоит реактивность секреторного аппарата к ее естественным и экзогенным стимуляторам. Да и периодика существенно трансформируется при патологии.

И. П. Павлов, воспитанный на идеях нервизма в университете и Медико-хирургической академии, явился проводником и горячим их сторонником на протяжении всей творческой жизни. Согласно этим идеям, нервная система имеет ведущее значение в регуляции всех физиологических функций. Это он в полной мере относил к регуляции секреции поджелудочной железы, в том числе к открытому в павловской лаборатории И. А. Долинским (1894 г.) явлению стимуляции секреции поджелудочной железы закислением полости двенадцатиперстной кишки. Доказательства ученого были убедительными. И. П. Павлов на лекции демонстрировал на собаке с фистулами желудка и протока поджелудочной железы резкое и скорое усиление ее секреции после введения в желудок соляной кислоты.

И. П. Павлов и И. Л. Долинский полагали, что ими открыт дуодено-панкреатический рефлекс. Поисками механизма данного рефлекса занялись Л. Б. Попельский и И. П. Павлов (1896-1901 гг.), М. Е. Вертхеймер и М. Лепаж (1901-1902 гг.). Обе научные школы в экспериментах на животных применили методы разрушения афферентной и эфферентной частей предполагаемой рефлекторной дуги, нарушения центральных структур. Однако кислотная дуодено-панкреатическая стимуляция секреции железы такими приемами не выключалась. Ученые полагали, что причина заключалась в сохраненности неких периферических нервных структур, то есть допускали неполную денервацию кишки и железы. Эти настойчивые поиски подготовили открытие гуморальной природы дуодено-панкреатической стимуляции секреции поджелудочной железы английскими физиологами У. М. Бейлисом и Э. Г. Старлингом в 1902 г. в Лондонском университете. Гуморальный фактор, высвобождаемый дуоденальной слизистой под действием на нее кислоты, был назван секретином и впервые обозначен, термином гормон. Это открытие положило начало эндокринологии пищеварительного тракта. Значительные в этой сфере успехи и достижения вызвали у некоторых ученых критику нервизма, но противопоставление механизмов гуморальной и нервной регуляции - это ушедшее в прошлое невидение сущности единства их в организации физиологических регуляций. Так, дуоденальный регуляторный пептид холецистокинин имеет несколько паракринно возбуждаемых мембранных рецепторов, в том числе на вагусных афферентах, и в минимальной физиологической концентрации стимулирует панкреатическое ферментовыделение рефлекторно, в больших концентрациях действует и на рецепторы ациноцитов поджелудочной железы и рецепторы других органов. Известна роль холецистокинина в регуляции многих функций и через центральную нервную систему. Вышесказанное относится практически ко всем продуктам APUD-системы. Таково развитие начальных представлений о «кислотном дуодено-панкреатическом секреторном рефлексе» И. П. Павлова. В нем нашлось место и тормозным эффектам в регуляции секреции поджелудочной железы. Во-первых, это болевые и аналогичные им афферентные нервные воздействия, препятствующие исследованию секреции поджелудочной железы в экспериментах на животных. Во-вторых, это возвратное торможение панкреатической секреции интрадуоденальным введением аутосекрета или его компонентов (гидрокарбоната или ферментов).

В павловской лаборатории было установлено, что предотвращение поступления в двенадцатиперстную кишку сока поджелудочной железы вызывает у фистульных собак на начальном этапе гиперсекрецию железы, а введение сока в кишку секрецию понижает. В последующие годы в нескольких лабораториях исследовался механизм данного явления. Интерес к нему был не только академический, но и практический, так как отведение сока из двенадцатиперстной кишки при его зондовой аспирации в клиническом исследовании или потере секрета через дуоденальную фистулу, или из фистулы протока искажает естественную секрецию. В этих методах учитывается неизбежная гиперсекреция органа при исключенном возвратном торможении секреции аутосекретом.

Установлено несколько механизмов возвратного торможения панкреатической секреции, но они в конечном звене связаны с торможением рилизинга холецистокинина и секретина дуоденальной слизистой и снижением ваготропных влияний на железу. Ведущая стартовая роль в данных эффектах принадлежит сигнальным влияниям панкреатических ферментов (в первую очередь, протеолитических).

И. П. Павлов, системно резюмируя накопленные знания, создал общепризнанное в настоящее время учение о фазах секреции пищеварительных желез выделив три фазы секреции поджелудочной железы, с их стимулирующими и тормозными компонентам мозговую, желудочную и кишечную.

И. П. Павлов причину болезни и смерти собак с постоянной фистулой поджелудочной железы, теряющих панкреатический секрет, видел не только в недостаточности переваривания пищи при отсутствии ферментов данного секрета, но и в потере вместе с секретом неких физиологически важных веществ. В дальнейшем сотрудники учеников Ивана Петровича предотвращали гибель фистульных животных подкожным введением аутосекрета, летальность связывали с потерей вместе с секретом биологически важных пептидов. В связи с данной не до конца разрешенной проблемой заслуживает напоминания, что синтезированные панкреатическими ациноцитами ферменты транспортируются не только в полость двенадцатиперстной кишки, участвуют в кишечном пищеварении, но и в кровь, циркулируют в ее составе, изменяясь при этом в содержании и активности в незначительных пределах в норме. Такой ферментный гомеостазис нарушается при патологии, прежде всего, при панркеатопатологии.

И. П. Павлов на раннем этапе своего творчества проводил эксперименты с перевязкой протока поджелудочной железы у кроликов, после этой манипуляции описал происходящее «всасывание» секрета и его ферментов в кровь, последующую гипотрофию паренхимы органа. Опыты имели разные последствия в отставленные послеоперационные сроки. И. П. Павлова волновала судьба «всасывающихся» в кровь ферментов. В то время ответ на этот вопрос не был найден.

Иван Петрович принял непосредственное участие в экспериментах Л.В. Соболева, в которых методом лигирования панкреатического протока у собак, кроликов и кошек в лаборатории кафедры физиологии Военно-медицинской академии в 1900 г. было установлено, что островковый аппарат железы имеет эндокринную функцию. Диссертация на эту тему была защищена в 1901 г.

У здорового человека (и млекопитающих животных) транспорт панкреатических ферментов в кровоток происходит несколькими путями (рис. 2). Во-первых, некоторое количество ферментов и их зимогенных предшественников покидает ациноцит не через его апикальную, а базолатеральную мембрану, то есть ацитоцит является дуакринной клеткой. Во-вторых, показано, что выводные протоки поджелудочной железы (и крупных слюнных желез) имеют различного типа клапаны и микрорезервуары экзосекрета, тонкая стенка которых фенестрирована и потому проницаема для секрета, транспортирующегося из полости протока в интерстиций, а из него - в лимфо- и кровоток. Этому способствует повышение внутрипротокового давления секрета. В-третьих, панкреатические ферменты реабсорбируются из тонкой (подвздошной) кишки.

Рис. 2. Транспорт ферментов поджелудочной железы

В кровотоке панкреатические ферменты растворены в плазме крови, адсорбированы ее форменными элементами и белками плазмы, а также эндотелием кровеносных капилляров. По нашим данным, аркады кровеносных сосудов двенадцатиперстной кишки имеют существенно больше адсорбированной на эндотелии их капилляров α-амилазы, чем капилляры аркад подвздошной кишки. Это может свидетельствовать о существенно большей резорбции и эндосекреции панкреатических ферментов из железы в кровоток поджелудочной железы (показана минимальная резорбция ферментов проксимальным отделом тонкой кишки), чем эти ферменты резорбируются в дистальной части тонкой кишки.

Незначительное количество панкреатических ферментов (и ферментов других пищеварительных желез) выводится из организма ренальными и экстраренальными путями, разрушается сериновыми протеиназами. Существенное количество гидролаз из крови рекретируется пищеварительными железами в полость пищеварительного тракта. Поэтому в их секретах содержатся не только ферменты, синтезированные данной железой, но и другими железами. Так, слюна содержит ферменты слюнных желез, поджелудочной и желудочных желез, что иногда используется в саливадиагностике. Желудочный сок содержит панкреатическую α-амилазу, а панкреатический секрет имеет в своем составе не только панкреатическую, но слюнную α-амилазу. Панкреатический секрет и слизистая оболочка тонкой кишки содержат собственно кишечную γ-амилазу и рекретируемую из крови α-амилазу поджелудочной и слюнных желез. Следовательно, экзосекреты пищеварительных желез имеют два пула ферментов: заново синтезированные данной железой, а также ею и другими железами рекреторный пул из кровотока (рис. 3). Оба пула гидролаз принимают участие в пищеварительном процессе и, рециркулируя, неоднократно, используются в гидролизе нутриентов.

Рис. 3. Пулы ферментов

Это принципиально важно, так как для синтеза того количества ферментного белка, которое выделяется поджелудочной железой в первые три часа после приема пищи при фактическом потенциале синтеза железы, требуется не менее 60 часов (необходимо три минуты для синтеза одной молекулы амилазы), и 1 г ткани за 1 час может синтезировать только 0,67 мг пищеварительных ферментов. По подсчетам лаборатории, фактические энергетические затраты (по потреблению кислорода) могут обеспечить синтез только 4-15% фактически выделяемого в составе секрета ферментного белка. Авторы заключают, что скорость его синтеза не способна замещать темп выделения панкреатических ферментов, и потребность в них восполняется энтеропанкреатической циркуляцией ферментов. Данная энергосберегающая технология позволяет обеспечить пищеварительный процесс по тому же принципу рециркуляции ферментов по всем пищеварительным железам (см. рис. 3).

По такому принципу построена энтерогепатическая циркуляция желчных кислот: у человека в течение суток поступает в двенадцатиперстную кишку 12-36 г желчных кислот, гепатоциты за это время синтезируют всего 0,2-0,6 г, то есть примерно столько, сколько их выводится с фекалиями. Пул желчных кислот в организме составляет 2.8-3.5 г. Представления о рециркуляции ферментов пищеварительных желез развивают учение И. П. Павлова о желудочно-кишечном тракте как пищеварительном конвейере.

Итак, циркуляция ферментов является непременным условием обеспечения нормальной ферментовыделительной деятельности пищеварительных желез, а также пищеварительного конвейера как технологии питания организма человека и животных. При этом нельзя недооценивать сигнальную роль ферментов пищеварительных желез в интеграции отделов пищеварительного тракта, его адаптации к виду принятой пищи, участии в формировании пищевого поведения в метаболизме организма, что нашло отражение в недавно опубликованной монографии Н. Б. Губергриц и А. Н. Казюлина «Метаболическая панкреатология». Вездесущность мембранных протеиназоактивируемых рецепторов практически во всех физиологических системах свидетельствует о функциональной полипотентности ферментов пищеварительного тракта и, в большой мере, панкреатических гидролаз. Однако углубление в эту актуальную современную проблему выходит за предмет настоящей статьи.

Для синтеза ферментного белка в ациноците необходимо 60-90 минут, а адаптированность секреции панкреатических ферментов отмечается гораздо раньше — в первой 30-минутной порции секрета после скармливания того или иного вида пищи или введения в двенадцатиперстную кишку раствора того или иного нутриента. Примерно через такой же промежуток времени адаптивно трансформируется ферментный спектр лимфы грудного лимфатического протока. Таким образом, время адаптированных по ферментам экзо- и эндосекреторного ответов примерно одинаково и меньшее времени его обеспечения синтезом ферментов de novo. Это было основным аргументом оппонентов И. П. Павлова его теории «непараллельной секреции ферментов» после скармливания различных видов пищи. Как же может обеспечиваться срочная ферментная адаптация начальной стимулированной секреции поджелудочной железы после кратковременного постпрандиального параллельного выделения ферментов в составе секрета, накопленного в протоковой системе натощак до стимуляции секреторной активности железы? Нам представляется, что это может быть обеспечено регулируемым транспортом рекреторного пула в экзосекрет, то есть срочно включаемым и более мобильным, чем синтез белка транспортным механизмом поджелудочной железы.

Пассаж экзосекрета по протокам железы в двенадцатиперстную кишку происходит по градиенту гидростатического давления, который производится секреторным давлением, зависящим от темпа (скорости) секреции. Это регулируемый процесс стимулирующего и тормозного влияния на гландулоциты. Градиент давления определяется величиной давления не только в начале протоковой системы, но и по ходу ее и на выходе в полость двенадцатиперстной кишки. Сопротивление оттоку из протоковой системы железы оказывает сфинктер Одди, а из секреторных ее регионов - клапаны протоков каждого секреторного модуля. При дилатированном клапане проток региона перекрывается, а при констрикции клапана региональный проток расширяется, пропуская из микрорезервуара депонированный в нем экзосекрет. С.     Э. Восканян в экспериментах установил регулируемость клапанов протоков железы рефлекторными и гуморальными миотропными механизмами. Окситоцин, как миотоник, способствовал выведению секрета из железы, дротаверин, как миолитик, выделение секрета снижал. Показано, что блокада рецепторов протоков лидокаином приводит кконстрикции клапанов и выведению секрета, аналог холицистокинина церулеин обладает обратным эффектом миолитическим, повышает сопротивление оттоку секрета из железы (это является основой экспериментальной модели острого панкреатита, вызываемого инъекцией высоких доз церулеина) за счет дилатации протоковых клапанов. Аналог соматостатина октреотид повышает высвобождение протоков от секрета, по-видимому, путем уменьшения рилизинга эндогенного холецистокинина, являющегося миолитиком протоковых клапанов. Не исключено участие данного механизма в предотвращении рефлкжса желчи из общего желчного протока и дуоденального химуса в панкреатические протоки, снятии болевого синдрома при растяжении их секретом, заместительных эффектах препаратов панкреатина, которые, как показано выше, тормозят рилизинг холецистокинина. Следовательно, выделение панкреатического секрета регулируется не только на уровне активности гландулоцитов, но и транспортных процессов протоковой системы железы (см. рис. 2).

С учетом установленной различной реактивности функциональных модулей поджелудочной железы, как совокупности секреторных и транспортных ее элементов, к различным стимуляторам и ингибиторам секреции, в том числе к селективным ее ингибиторам посредством интрадуоденально вводимых низких доз панкреатических ферментов, нарушения нутриентной адаптированности секреции при остром панкреатите, модульная морфофункциональная организация секреторной деятельности поджелудочной железы необходима и для реализации срочной адаптации панкреатической секреции ферментов к виду принимаемой пищи и нутриентному составу дуоденального химуса. Это нам представляется современным этапом развития учения И. П. Павлова о «непараллельное секреции» ферментов секрета поджелудочной железы с целью соответствия ферментного спектра секрета составу принятой пищи. Полагаем, что дальнейшие исследования важнейшего органа пищеварительной системы и организма в целом с учетом предложенной нами концепции окажется продуктивной не только в научном плане, но и в прикладном аспекте, расширяющим горизонты современной панкреатологии и гастроэнтерологии.