| Abstract | Prekomjerna aktivacija simpatikusa ili simpatoekscitacija ima važnu ulogu u
patofiziologiji poremećaja disanja tijekom spavanja. Isprekidano disanje tijekom spavanja
popraćeno je promjenama parcijalnih tlakova kisika i ugljikova dioksida u arterijskoj krvi koje
dovode do ponavljane stimulacije perifernih i središnjih kemoreceptora te posljedično dovode
do aktivacije kemorefleksa i promjena simpatičke živčane aktivnosti. Dosadašnja istraživanja
bila su većinom usmjerena prema ispitivanju uloge hipoksije u kratkoročnim i dugoročnim
promjenama respiracijskog i simpatičkog sustava, dok učinak akutne ponavljane hiperkapnije
na kratkoročne promjene aktivnosti simpatikusa do sada nije bio istražen.
Stoga je cilj ove doktorske disertacije bio ispitati učinak različitih intenziteta
hiperkapnijskog podražaja u kombinaciji s različitim udjelima kisika u udahnutoj smjesi na
veličinu simpatoekscitacije, mjerene aktivnošću renalnoga simpatičkog živca (RSNA) u
štakorskom modelu akutne ponavljane hiperkapnije (AIHc). Nadalje, ovom disertacijom
istražena je uloga alfa2-adrenorecepotra kaudalnih rafe jezgara u simpatičkom i
kardiovaskularnom odgovoru na AIHc u štakora.
Istraživanje je provedeno na vagotomiranim i mehanički ventiliranim štakorima soja
Sprague-Dawley anesteziranih uretanom. U prvoj studiji, svaka pokusna skupina (n =
7/skupini) bila je izložena različitom protokolu AIHc, koji se razlikovao u intenzitetu
hiperkapnijskog podražaja i udjelu kisika u udahnutoj smjesi. Srednji arterijski tlak (MAP),
srčana frekvencija (HR) i RSNA izmjerene su i analizirane u 7 vremenskih točaka: u početnim
uvjetima prije izlaganja pokusnom protokolu, tijekom pet hiperkapnijskih epizoda (svaka
trajanja 3 min) te 15 min nakon završetka zadnje hiperkapnijske epizode. Izlaganje značajnoj
hiperkapniji (FiCO2 = 0,15) dovelo je do povećanja RSNA odgovora koji je bio očuvan tijekom
cijelog pokusnog protokola, dok je u skupinama izloženim umjerenoj hiperkapniji (FiCO2 =
0,05) uočena tendencija progresivnog smanjenja veličine odgovora RSNA nakon prve
hiperkapnijske epizode. Izlaganje značajnoj hiperkapniji dovelo je do značajno većeg odgovora
RSNA u prvoj hiperkapnijskoj epizodi u usporedbi sa skupinama izloženima umjerenoj
hiperkapniji. Nadalje, izlaganje AIHc u kombinaciji s hiperoksijom (50% O2) dovelo je do
smanjenja veličine odgovora RSNA u odnosu na izlaganje akutnoj ponavljanoj hiperkapniji u
kombinaciji sa sobnim zrakom, kako u skupinama izloženim značajnoj, tako i u skupinama
izloženim umjerenoj hiperkapniji.
Među protokolima korištenim u prvoj studiji, ustanovljeno je da značajna akutna
ponavljana hiperoksijska hiperkapnija (15% CO2 + 50% O2) može aktivirati RSNA, međutim
veličina odgovora bila je značajno manja u odnosu na izlaganje istoj u kombinaciji sa sobnim
60
zrakom, što upućuje na uključenost središnjih mehanizama. Iz tog razloga, u drugoj studiji
životinje su bile izložene protokolu AIHc (5 x 3 min, 15% CO2 + 50% O2) u kombinaciji s
hiperoksijom (50% O2). Prije izlaganja protokolu AIHc, antagonist alfa2-adrenoreceptora –
johimbin primijenjen je intravenski (1 mg/kg, n = 9) ili izravnim mikroubrizgavanjem u
područje kaudalnih rafe jezgara (2 mM, n = 12). U kontrolnim skupinama životinja primjenjena
je fiziološka otopina intravenski (n = 7) ili u područje kaudalnih rafe jezgara (n = 10) prije
izlaganja protokolu AIHc. RSNA, MAP i HR analizirani su prije izlaganja protokolu AIHc
(T0), tijekom pet hiperkapnijskih epizoda (THc1-5) i 15 minuta nakon završetka zadnje
hiperkapnijske epizode (T15). Nakon intravenske primjene johimbina, odgovor RSNA bio je
značajno veći tijekom THc1-5 i u T15 u odnosu na kontrolnu skupinu (P < 0,05).
Mikroubrzigavanje johimbina u kaudalno rafe područje prije izlaganja protokolu AIHc dovelo
je do većeg odgovora RSNA tijekom THc1-5 u usporedbi s kontrolnom skupinom (THc1:
138,0 ± 4,0% vs. 123,7 ± 4,8%, P = 0,032; THc2: 137,1 ± 5,0% vs. 124,1 ± 4,5%, P = 0,071;
THc3: 143,1 ± 6,4% vs. 122,0 ± 4,8%, P = 0,020; THc4: 146,1 ± 6,2% vs. 120,7 ± 5,7%, P =
0,007 te THc5: 143,2 ± 7,7% vs. 119,2 ± 7,2%, P = 0,038). Za vrijeme THc1-5, HR značajno
se smanjio u odnosu na T0 u svim skupinama, dok su promjene MAP-a zabilježene isključivo
u skupini koja je johimbin primila intravenski.
Zaključno, rezultati ove doktorske disertacije upućuju da akutna ponavaljana
hiperkapnija može dovesti do značajnog povećanja aktivnosti renalnoga simpatičkog živca, u
ovisnosti o intenzitetu hiperkapnijskog podražaja i o udjelu kisika u udahnutoj smjesi. Nadalje,
blokiranje alfa2-adrenoreceptora johimbinom povećava odgovor renalnoga simpatičkog živca
na akutnu ponavljanu hiperkapniju. Konačno, mikroubrizgavanje johimbina u kaudalne rafe
jezgre dovelo je do izraženijih povećanja RSNA u odnosu na kontrolnu skupinu te možemo
zaključiti da kaudalne rafe jezgre mogu imati važnu ulogu u regulaciji simpatičke živčane
aktivnosti tijekom izlaganja AIHc. |
| Abstract (english) | The activation of the sympathetic nervous system plays an important role in the
pathophysiology of sleep-related breathing disorders. Interrupted breathing is characterized by
sudden drops in blood oxygen and rises in blood carbon dioxide leading to repeated stimulation
of, both, peripheral and central chemoreceptors, which control the sympathetic nervous activity
through the activation of the chemoreflex pathways. Until now, much attention has been
directed towards describing the short- and long-term effects of hypoxia on respiratory and
sympathetic activity, but the effects of the acute intermittent hypercapnia on short-term changes
in sympathetic activity have not been assessed as yet.
Therefore, this dissertation aimed to examine the effects of different levels of
hypercapnia in the presence of various background oxygen levels on the magnitude of
sympathoexcitation, measured by the renal sympathetic nerve activity (RSNA) in the acute
intermittent hypercapnia (AIHc) rat model. Moreover, this dissertation investigated the role of
alpha2-adrenergic receptors of the caudal raphe region in the sympathetic and cardiovascular
responses to the AIHc in rats.
The research was conducted on urethane-anesthetized, vagotomized and mechanically
ventilated Sprague-Dawley rats. In the first study, each experimental group (n = 7/group) was
subjected to a distinct AIHc protocol that varied in the applied levels of hypercapnia and
background oxygen. Mean arterial pressure (MAP), heart rate (HR) and RSNA were analyzed
in 7 experimental time points: baseline, five hypercapnic episodes (each lasting 3 min) and 15
minutes following the last hypercapnic episode. Exposure to severe hypercapnia (FiCO2= 0.15)
evoked an increase in RSNA, which was preserved throughout the protocol, whereas in
moderate hypercapnia (FiCO2 = 0.05) groups there was a trend of progressive diminution of
RSNA magnitude following the first hypercapnic episode. Exposure to severe hypercapnia
elicited significantly greater RSNA response during the first hypercapnic episode and it was
enhanced during subsequent episodes compared to exposure to moderate hypercapnia.
Additionally, hyperoxic background (50% O2) blunted the RSNA response to AIHc compared
to room air background, both in severe and moderate hypercapnia groups. Mean arterial blood
pressure was preserved throughout the experimental protocol, while HR decreased in all
studied groups.
From the protocols used in the first study, we found that severe acute intermittent
hyperoxic hypercapnia (15% CO2 + 50% O2) modestly activates the RSNA, but the magnitude
of the response was significantly lower than in a normoxic background, suggesting the
involvement of a central mechanism. For that reason, in the second study the animals were
63
exposed to the AIHc protocol (5 x 3 min, 15% CO2 + 50% O2) in a hyperoxic background (50%
O2). Prior to the exposure to AIHc, alpha2-adrenergic receptor antagonist – yohimbine was
applied intravenously (1 mg/kg, n = 9) or microinjected into the caudal raphe region (2 mM, n
= 12). Control groups of animals received saline intravenously (n = 7) or into the caudal raphe
region (n = 10) prior to exposure to AIHc. RSNA, MAP and HR were monitored before
exposure to the AIHc protocol (T0), during five hypercapnic episodes (THc1-5) and at 15
minutes following the end of the last hypercapnic episode (T15). Following intravenous
administration of yohimbine, RSNA was significantly greater during THc1-5 and at T15 than
in the control group (P < 0.05). When yohimbine was microinjected into the caudal raphe
region, AIHc elicited greater increases in RSNA during THc1-5 when compared to the controls
(THc1: 138.0 ± 4.0% vs. 123.7 ± 4.8%, P = 0.032; THc2: 137.1 ± 5.0% vs. 124.1 ± 4.5%, P =
0.071; THc3: 143.1 ± 6.4% vs. 122.0 ± 4.8%, P = 0.020; THc4: 146.1 ± 6.2% vs. 120.7 ± 5.7%,
P = 0.007 and THc5: 143.2 ± 7.7% vs. 119.2 ± 7.2%, P = 0.038). During THc1-5, significant
decreases in HR from T0 were observed in all groups, while changes in MAP were observed
in the group that received yohimbine intravenously.
In conclusion, these findings indicate that acute intermittent hypercapnia evokes
increased renal sympathetic nerve activity that is dependent on the severity of hypercapnic
exposures and the background oxygen level. Moreover, blockade of the alpha2-adrenegic
receptors by yohimbine enhances the renal sympathetic nerve response to the acute intermittent
hypercapnia. Finally, microinjections of yohimbine into the caudal raphe region resulted in
more pronounced increases in RSNA than in the control group, indicating that the caudal raphe
region might have an important role in the regulation of sympathetic outflow during exposure
to the AIHc. |
