Integração de mecanismos cardiovasculares e respiratórios na região bulbar

Integração de mecanismos cardiovasculares e respiratórios na região bulbar

Alternative title Integration of cardiovascular and respiratory mechanisms into the brainstem
Author Moreira, Thiago dos Santos Autor UNIFESP Google Scholar
Advisor Colombari, Eduardo Autor UNIFESP Google Scholar
Institution Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP)
Graduate program Farmacologia - EPM
Abstract A presente tese de doutorado vai tentar elucidar os mecanismos excitatórios do bulbo relacionados ao controle cardiovascular e respiratório. Para tanto serão discutidos 4 trabalhos recentemente publicados (controle cardiovascular: Moreira e cols., 2005 e 2007; controle cardio-respiratório: Takakura e cols., 2006; Moreira e cols., 2006). Trabalhos 1 e 2: Relacionado aos mecanismos glutamatérgicos responsáveis pelo controle cardiovascular. No presente estudo, procuramos investigar os efeitos cardiovasculares promovidos pela inibição da região caudoventrolateral (CVL) do bulbo com a injeção bilateral de muscimol, juntamente com o bloqueio glutamatérgico dos núcleos do trato solitário (NTS) (região postremal ou comissural) com a injeção de ácido quinurênico (antagonista de receptores glutamatérgicos). Foram utilizados ratos Holtzman, anestesiados com uretana e alfa-cloralose e registrou-se a pressão arterial média (PAM), frequência cardíaca (FC) e fluxo sanguíneo para os leitos renal, mesentérico e aórtico. A injeção bilateral de muscimol (agonista GABAérgico do sub-tipo A) (2 mM) na região do CVL ou a injeção de ácido quinurênico (50 mM) no NTS postremal produzem aumento de PAM (186 ± 11 ou 142 ± 6 mmHg, respectivamente, vs. controle: 105 ± 4 mmHg), de FC (407 ± 15 ou 412 ± 18 bpm, respectivamente, vs. controle: 352 ± 12 bpm) e aumento de resistência vascular renal, mesentérica e aórtica. A injeção de ácido quinurênico no NTS comissural (NTScom) não produz alterações nos valores basais da PAM, FC e resistência vascular. Entretanto, em animais com a injeção bilateral de muscimol no CVL, a injeção de ácido quinurênico no NTS (postremal ou comissural) reduziu a PAM e resistência vascular para valores abaixo do valor controle. Do mesmo modo, em ratos com o bloqueio do NTS (postremal ou comissural), a subsequente inibição do CVL produziu também uma redução da PAM e resistência vascular para valores abaixo do valor controle. Em animais com lesão eletrolítica da região do NTScom, a injeção de muscimol na região do CVL produziu redução da PAM e resistência vascular para valores abaixo do valor controle. Dinte disso, os resultados sugerem a existência de importantes mecanismos excitatórios no NTS (região postremal e comissural) e no CVL para controle da pressão arterial e resistência vascular. Trabalhos 3 e 4: Relacionado aos mecanismos bulbares ativados pelos quimiorreceptores centrais no controle cardio-respiratório. Trabalho 3: Interação entre quimiorreceptores centrais e periféricos. O núcleo retrotapezóide (NRT) contém neurônios sensíveis ao pH e são característicos como sendo quimiorreceptores centrais. A hipótese desse trabalho é procurar mostrar que a ativação dos quimiorreceptores periféricos promove a ativação dos quimiorreceptores centrais no NRT e que essa ativação é mediada por uma via direta do NTScom para o NRT. Nesse estudo foram utilizados ratos Sprague-Dawley. Uma densa projeção do NTScom para a região do NRT foi mostrada com o uso de traçadores anterógrados (amina dextrana biotinilada - BDA) injetados por iontoforese na região do NTScom. Na região do NRT, mais de 50% dos terminais que expressam BDA contêm a vesícula de transporte para glutamato (VGLUT2), mas apenas 5% contêm glutamina ácido descarboxilase (GAD67). Em um outro grupo de animais, uma semana após a injeção do traçador retrógrado cólera toxina B (CTB) no NRT, os animais foram expostos a períodos de hipóxia por 3 horas. A presença da proteína Fos serviu para identificar os neurônios que eram ativados pela hipóxia. Neurônios imunorreativos para Fos e CTB foram encontrados na região do NTScom. A grande maioria dos neurônios que eram imunorreativos para Fos e CTB, expressavam VGLUT2 mRNA, enquanto uma minoria expressou GAD67 mRNA. Na segunda parte do estudo foram utilizados animais anestesiados com uretana e alfa-cloralose e vagotomizados. A injeção bilateral de muscimol no NRT promoveu a eliminação do nervo frênico durante uma situação controle, durante a estimulação dos quimiorreceptores centrais (hipercapnia – 10% de CO2) e durante a estimulação dos quimiorreceptores periféricos (injeção endovenosa de cianeto de sódio ou hipóxia (10-15% de O2). A atividade dos neurônios quimiossensíveis do NRT foram registrados em animais intactos ou vagotomizados para possíveis comparações. Todos os neurônios quimiossensíveis do NRT foram ativados pelos quimiorreceptores periféricos. A ativação dos quimiorreceptores periféricos não promoveu a ativação dos neurônios do NRT em animais com desnervação dos quimiorreceptores. A injeção bilateral de muscimol na região do CVL promoveu a eliminação do nervo frênico e a modulação respiratória nos neurônios do NRT. A injeção de muscimol não alterou o limiar e a sensibilidade dos neurônios do NRT durante uma situação de hipercapnia e também durante a ativação dos quimiorreceptores periféricos. Portanto, podemos concluir nesse estudo que os neurônios do NRT respondem às variações de CO2 devido a presença de 2 mecanismos: sua quimiossensibilidade intrínseca e por meio da ativação dos quimiorreptores periféricos (via glutamatérgica direta do NTScom para o NRT). Trabalho 4: Quimiorreceptores centrais e atividade simpática. O próximo estudo procurou explorar como elevações na pCO2 pode aumentar a atividade simpática. Foram registrados a atividade simpática eferente do nervo esplâncnico, atividade do nervo frênico e atividade dos neurônios vasomotores da região rostroventrolateral (RVL) do bulbo. Os experimentos foram realizados em ratos Sprague-Dawley, anestesiados com halotana e completamente desnervados. Hipercapnia (variação do CO2 expirado de 5 para 10%) promoveu aumento da atividade simpática (97 ± 6%) e da atividade dos neurônios do RVL (67 ± 4%). A injeção bilateral de ácido quinurênico no RVL ou no NRT eliminou ou reduziu a atividade do nervo frênico, respectivamente, mas não alterou a atividade simpática eferente produzida pela hipercapnia. A injeção bilateral de ácido quinurênico ou muscimol na região do CVL eliminou a atividade do nervo frênico e promoveu um aumento do efeito estimulatório do CO2 na atividade simpática. A injeção de muscimol na região comissural do NTS não alterou as respostas estimulatórias do CO2 sobre a atividade simpática e atividade do nervo frênico. Como esperado, a injeção de ácido quinurênico no RVL ou a injeção de muscimol no NTS comissural, em ratos intactos, bloqueou os efeitos cardio-respiratórios da estimulação dos quimiorreceptores periféricos com a injeção endovenosa de cianeto de sódio. Em conclusão, a hipercapnia aumentou a atividade simpática por ativação dos neurônios bulbo-espinais do RVL. Os neurônios excitatórios do RVL podem ser sensíveis a variações de CO2 e/ou receber projeções excitatórias dos quimiorreceptores centrais da região do NRT. Durante uma situação de hipercapnia, o total de aumento da atividade simpática produzido pela ativação dos quimiorreceptores centrais parece estar reduzido. Esse efeito é, portanto, mediado pela ativação de neurônios barossensíveis da região do CVL ou, então, pela inibição dos quimiorreceptores centrais do NRT.

The present thesis will try to elucidate important excitatory mechanisms in the brainstem related to cardio-respiratory control. We will discuss 4 recently published papers (cardiovascular control: Moreira e cols., 2005 e 2007; cardiorespiratory control: Takakura e cols., 2006; Moreira e cols., 2006). Papers 1 and 2: Glutamatergic mechanisms related to cardiovascular control. In the present study, we investigated the effects of inhibition of the caudal ventrolateral medulla (CVLM) with the GABA(A) agonist muscimol combined with the blockade of glutamatergic mechanism in the nucleus of the solitary tract (NTS) with kynurenic acid (kyn) on mean arterial pressure (MAP), heart rate (HR), and regional vascular resistances. In male Holtzman rats anesthetized intravenously with urethane/chloralose, bilateral injections of muscimol (120 pmol) into the CVLM or bilateral injections of kyn (2.7 nmol) into the NTS alone increased MAP to 186 ± 11 and to 142 ± 6 mmHg, respectively, vs. control: 105 ± 4 mmHg; HR to 407 ± 15 and to 412 ± 18 beats per minute (bpm), respectively, vs. control: 352 ± 12 bpm; and renal, mesenteric and hindquarter vascular resistances. However, in rats with the CVLM bilaterally blocked by muscimol, additional injections of kyn into the NTS reduced MAP to 88 ± 5 mmHg and mesenteric and hindquarter vascular resistances below control baseline levels. Moreover, in rats with the glutamatergic mechanisms of the NTS blocked by bilateral injections of kyn, additional injections of muscimol into the CVLM also reduced MAP to 92 ± 2 mmHg and mesenteric and hindquarter vascular resistances below control baseline levels. Simultaneous blockade of NTS and CVLM did not modify the increase in HR but also abolished the increase in renal vascular resistance produced by each treatment alone. The results suggest that important pressor mechanisms arise from the NTS and CVLM to control vascular resistance and arterial pressure under the conditions of the present study. Papers 3 and 4: Central chemoreceptors brainstem mechanisms related to cardio-respiratory control. Paper 3: Interaction between central and peripheral chemoreceptors. The rat retrotrapezoid nucleus (RTN) contains pH-sensitive neurons that are putative central chemoreceptors. Here, we examined whether these neurons respond to peripheral chemoreceptor stimulation and whether the input is direct from the solitary tract nucleus (NTS) or indirect via the respiratory network. A dense neuronal projection from commissural NTS (commNTS) to RTN was revealed using the anterograde tracer biotinylated dextran amine (BDA). Within RTN, 51% of BDA-labelled axonal varicosities contained detectable levels of vesicular glutamate transporter-2 (VGLUT2) but only 5% contained glutamic acid decarboxylase-67 (GAD67). Awake rats were exposed to hypoxia (n = 6) or normoxia (n = 5) 1 week after injection of the retrograde tracer cholera toxin B (CTB) into RTN. Hypoxia-activated neurons were identified by the presence of Fosimmunoreactive nuclei. CommNTS neurons immunoreactive for both Fos and CTB were found only in hypoxia-treated rats. VGLUT2 mRNA was detected in 92 ± 13% of these neurons whereas only 12 ± 9% contained GAD67 mRNA. In urethane-chloralose-anaesthetized rats, bilateral inhibition of the RTN with muscimol eliminated the phrenic nerve discharge (PND) at rest, during hyperoxic hypercapnia (10% CO2), and during peripheral chemoreceptor stimulation (hypoxia and/or i.v. sodium cyanide, NaCN). RTN CO2-activated neurons were recorded extracellularly in anaesthetized intact or vagotomized rats. These neurons were strongly activated by hypoxia (10-15% O2; 30 s) or by NaCN. Hypoxia and NaCN were ineffective in rats with carotid chemoreceptor denervation. Bilateral injection of muscimol into the ventral respiratory column 1.5 mm caudal to RTN eliminated PND and the respiratory modulation of RTN neurons. Muscimol did not change the threshold and sensitivity of RTN neurons to hyperoxic hypercapnia nor their activation by peripheral chemoreceptor stimulation. In conclusion, RTN neurons respond to brain pCO2 presumably via their intrinsic chemosensitivity and to carotid chemoreceptor activation via a direct glutamatergic pathway from commNTS that bypasses the respiratory network. RTN neurons probably contribute a portion of the chemical drive to breathe. Paper 4: Central chemoreceptors and sympathetic vasomotor outflow. The present study explores how elevations in brain pCO2 increase the sympathetic nerve discharge (SND). SND, phrenic nerve discharge (PND) and putative sympathoexcitatory vasomotor neurons of the rostral ventrolateral medulla (RVLM) were recorded in anaesthetized sino-aortic denervated and vagotomized rats. Hypercapnia (end-expiratory CO2 from 5% to 10%) increased SND (97 ± 6%) and the activity of RVLM neurons (67 ± 4%). Injection of kynurenic acid (Kyn, ionotropic glutamate receptor antagonist) into RVLM or the retrotrapezoid nucleus (RTN) eliminated or reduced PND, respectively, but did not change the effect of CO2 on SND. Bilateral injection of Kyn or muscimol into the rostral ventral respiratory group (rVRG-pre-Botzinger region, also called CVLM) eliminated PND while increasing the stimulatory effect of CO2 on SND. Muscimol injection into commissural part of the solitary tract nucleus (commNTS) had no effect on PND or SND activation by CO2. As expected, injection of Kyn into RVLM or muscimol into commNTS virtually blocked the effect of carotid body stimulation on SND in rats with intact carotid sinus nerves. In conclusion, CO2 increases SND by activating RVLM sympathoexcitatory neurons. The relevant central chemoreceptors are probably located within or close to RVLM and not in the NTS or in the rVRG-pre-Botzinger/CVLM region. RVLM sympathoexcitatory neurons may be intrinsically pH-sensitive and/or receive excitatory synaptic inputs from RTN chemoreceptors. Activation of the central respiratory network reduces the overall sympathetic response to CO2, presumably by activating barosensitive CVLM neurons and inhibiting RTN chemoreceptors.
Keywords Pressão arterial
Núcleo solitário
Bulbo
Sistema nervoso central
Language Portuguese
Sponsor Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Grant number FAPESP: 03/08163-4
FAPESP: 98/06231-2
Capes: 3495/04-3
Date 2007
Published in MOREIRA, Thiago dos Santos. Integração de mecanismos cardiovasculares e respiratórios na região bulbar. 2007. 168 f. Tese (Doutorado em Ciências) – Escola Paulista de Medicina, Universidade Federal de São Paulo, São Paulo, 2007.
Publisher Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP)
Extent 168 f.
Access rights Open access Open Access
Type Thesis
URI http://repositorio.unifesp.br/handle/11600/23416

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