Μηχανισμοί ελέγχου της κινητικότητας του πεπτικού σωλήνα των εντόμων

Abstract

The present dissertation aims to further investigate the mechanisms of mobility of the insect digestive tract and focuses specifically on its last part, the posterior intestine, the rectum and the anus. For this purpose, the larva of Zophobas morio, the largest member of the Coleoptera (beetles), was selected to be studied, which includes beetles with a huge zoogeographical distribution, in almost every part of the planet except Antarctica. The correct interpretation of the mechanisms of control of the mobility of the digestive tract of insects requires first the understanding of its structure. The structure of the digestive tract was investigated and was found to consist of anterior, middle and posterior intestine. It is innervated by the last abdominal ganglion of the Central Nervous System by the four sub-branches. The study of the mechanical activity of the isolated digestive tract (ex vivo) of the larva of Zophobas morio includes the characterization of the patterns of contraction of the muscles fibers of the esophagus and the posterior intestine, rectum and anus. The electrophysiological study focused on the posterior intestine, and the presence of pacemaker muscle cells in the areas of the rectum and anus was detected. These areas present spontaneous myogenic contraction. The determination of the role of the CNS in the control of the myogenic rhythm of the pacemaker regions of the posterior intestine has been extensively investigated. The systems of motor neurons that innervate the rectum and anus were identified. Also, the neural networks driving these motor neurons were identified as rectum and anus central pattern generators (CPG) and they are located in the last abdominal ganglion. The role of the mechano-receptors related with the rectum and anus was investigated. It appears that this sensory information has an important role in the control of the rectum and anus motor neurons affecting the force of the intestinal contraction. Also, our electrophysiological results indicate that the output of the CPG modifies the membrane potential of the myogenic pacemaker muscle cells of the rectum. This neurogenic control of the CPG on the myogenic pacemaker cells of the rectum is cholinergic. This was demonstrated by the effect the neonicotinoid of the neuromuscular synapses. There was a strong excitation of the rectum muscle cells neonicotinoids when exposed neonicotinoids (imidacloprid). Our neuropharmacological experiments using the isolated rectum have shown that this preparation could be used as a reliable pharmacological tool for accessing the action of plant protection substances, such as organophosphates. In addition, such studies are considered important since all plant protection compounds must penetrate the intestine to be dissolved in the plasma of the hemolymph and finally act of the Central Nervous System, where the main target of this compounds is located. Comparison of the electrophysiological data showed that the physiological mechanisms of the control of the mobility of the larva digestive tract with the adult Zophobas morio, larva and adult Galleria mellonella and adult Apis mellifera macedonica showed no significant changes during metamorphosis. The movement of food pellets into the insect's digestive tract is due to the mobility of the latter. The mobility of the digestive tract is due to myogenic pacemaker muscle cells, muscle pacemakers, and is farther regulated by the nervous system neural networks, neurogenic regulation, that produce a pacemaker rhythm (CPG).

Η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο τη περαιτέρω διερεύνηση των μηχανισμών της κινητικότητας του πεπτικού σωλήνα των εντόμων και ιδιαίτερα εστιάζεται στο τελευταίο τμήμα του, το οπίσθιο έντερο, το ορθό και τον πρωκτό. Για τον σκοπό αυτό επιλέχθηκε να μελετηθεί η προνύμφη του Zophobas morio, του μεγαλύτερου μέλους των κολεόπτερων, που περιλαμβάνει σκαθάρια με τεράστια ζωογεωγραφική εξάπλωση, σχεδόν σε κάθε σημείο του πλανήτη εκτός της Ανταρκτικής. Η σωστή ερμηνεία των μηχανισμών ελέγχου της κινητικότητας του πεπτικού σωλήνα των εντόμων προϋποθέτει αρχικά την κατανόηση της δομής και οργάνωσης του. Για τον σκοπό αυτό διερευνήθηκε η δομή του πεπτικού σωλήνα, ο οποίος αποτελείται από πρόσθιο, το μέσο και το οπίσθιο έντερο και νευρώνεται στο οπίσθιο έντερο από το τελευταίο κοιλιακό γάγγλιο του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος με τέσσερις υποκλάδους. Η μελέτη της μηχανικής δραστηριότητας του απομονωμένου πεπτικού σωλήνα (ex vivo) της προνύμφης του Zoophobas morio περιλαμβάνει τον χαρακτηρισμό των προτύπων σύσπασης του μυός του οισοφάγου και του οπίσθιου εντέρου, ορθoύ και πρωκτού. Η έρευνα εστιάστηκε στο οπίσθιο έντερο εντοπίζοντας την ύπαρξη βηματοδοτικών μυϊκών κυττάρων στις περιοχές του ορθού και του πρωκτού. Οι περιοχές αυτές παρουσιάζουν αυθόρμητη μυογενή σύσπαση. Ο προσδιορισμός του ρόλου του ΚΝΣ στον έλεγχο του μυογενή ρυθμού των βηματοδοτικών περιοχών του οπίσθιου εντέρου διερευνήθηκε εκτενώς. Εντοπίστηκαν τα συστήματα των κινητικών νευρώνων και των πιθανών νευρωνικών δικτύων που νευρώνουν το ορθό και τον πρωκτό. Επίσης διερευνήθηκε η σημασία-ρόλος της αισθητήριας πληροφορίας των μηχανοϋποδοχέων στον έλεγχο των κινητικών νευρώνων του ορθού και του πρωκτού. Τα νευρωνικά δίκτυα που εντοπίζονται στο τελευταίο κοιλιακό γάγγλιο επηρεάζουν το μεμβρανικό δυναμικό των μυογενών βηματοδοτικών μυϊκών κυττάρων του ορθού. Ο νευρογενής έλεγχος επίσης επιδρά στην μυογενή βηματοδοτική περιοχή του ορθού, όπου χολινεργικές νευρομυϊκές συνάψεις συνάπτονται μεταξύ των κινητικών νευρώνων και των μυϊκών κυττάρων, εφόσον η δράση νεονικοτινοειδών, όπως το imidacloprid, προκαλεί δραστική ενεργοποίησή τους. Ο απομονωμένος σε φυσιολογικό ορό πεπτικός σωλήνας θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ένα αξιόπιστο φαρμακολογικό παρασκεύασμα για την ανίχνευση της δράσης φυτοπροστατευτικών ουσιών, όπως τα οργανοφωσφορικά. Επιπλέον η μελέτη της φυσιολογίας του πεπτικού σωλήνα κρίνεται σημαντική, δεδομένου ότι όλες οι φυτοπροστατευτικές ενώσεις πρέπει να διαπεράσουν το έντερο και τον πεπτικό σωλήνα για να διαλυθούν στο πλάσμα της αιμολέμφου και να δράσουν στο Κεντρικό Νευρικό Σύστημα. Η σύγκριση των φυσιολογικών μηχανισμών που ελέγχουν την κινητικότητα του πεπτικού σωλήνα της προνύμφης με το ενήλικο του Zophobas morio έδειξε ότι δεν υπάρχουν έντονες αλλαγές κατά την μεταμόρφωση και κατά τη σύγκριση με τα έντομα προνύμφη και ενήλικο Galleria mellonella και ενήλικο Apis mellifera macedonica. Η κίνηση των σβόλων της τροφής μέσα στον πεπτικό σωλήνα των εντόμων οφείλεται στην κινητικότητα που εμφανίζει ο τελευταίος. Η κινητικότητα του πεπτικού σωλήνα οφείλεται στα μυογενή βηματοδοτικά μυϊκά κύτταρα (μυϊκοί βηματοδότες) και ρυθμίζεται νευρογενώς από το νευρικό σύστημα με νευρωνικά δίκτυα παραγωγής βηματοδοτικού ρυθμού (CPG).