Введение к работе
Актуальность проблемы. Метод ЯМР спектроскопии предоставляет исследователям уникальную возможность изучать биохимические процессы непосредственно в живом организме. Вольтов значение имеет ЯМ? спектроскопия на ядраг фосфора Р для изучения биоэнергетики клетки как в норме, так и при различных патологических состояниях.
Высокая чувствительность ткани головного мозга к неблагоприятным воздействиям, в частности к ишемии и гипоксии, предъявляет жесткие требования к методам исследования метаболизма. Больному количеству методов ** vitxo присущи недостатки, связанные с необходимостью нарушать в процессе измерении целостность органа и клеток, что может стать причиной ошибок в измерениях и артефактов.
Изучение интактной ткани мозга нечивазивнымн методами ЕМР спектроскопии с применением поверхностной катупки позволяет избежать указанные недостатки и существенно повысить информативность биологических исследований.
К сожалению, низкая чувствительность метода ЯМР серьезно ограничивает его применение в изучении динамики быстропротекающих биохимических процессов. Так, например, приводимые в литературе спектры Р ЯМР органов и тканей иг two , как правило, требуют времени накопления 5-20 минут. Дальнейший прогресс в развитии приложений" метода, несомненно, связан с повышением чувствительности приборов для регистрации ЯМР спектров, и прежде всего с разработкой специальных датчиков .для регистрации слабых сигналов ЯМР.
Основная масса результатов исследований по метаболизму нервной ткани в условиях ишемии и гипоксии получена традиционными биохимическими и биофизическими методами In хчіїа , Проследить динамику изменений уровней фосфорсодержащих метаболитов с использованием этих подходов чрезвычайно сложно.
Несмотря на однозначность данных о характере изменений (снижении) уровней макроэргических фосфатов (АТР и креатинфосфата OtP) в мозге при ишемии, не существует единого мнения по поводу темпов и обратимости тих явлений. Одни исследователи приписывают особую чувствительность мозга к ишемии нарушению биоэнергетических механизмов ресинтеза АТР и <лР , в то время как другие сообщают об их быстром восстановлении в лоститемическом периоде, а необратимость повреждений связывается с другими метаболическими структурами кле-
ток: ионными насосами, биомембранами, ферментами, обменом FHK и ДНК и т.д. Имеется ряд данных о необратимости итемических повреждений клеток мозга при практически неизменных уровнях АТР и СгР в результате набухания ткани мозга, нарушения Net* К* -насоса (оте: иозга). Этим изменениям способствуют прорыв мембранного Са барь' ера и индукция переписного окисления мембранных липидов, а исполу эование Са-блокаторов и антиоксиоантов способствовало снижению трести повреждений в клетке. Однако, как изменялась при этом био энергетика, большинством авторов не исследовалось.
Тема диссертации входит в плановую тематику Института химиче кой физики АН СССР, утвержденную ГКНТ и Президиумом АН СССР (номе государственной регистрации 81 011266 от 25 февраля).
Цель настоящей работы состояла в следующем:
повысить чувствительность прибора для регистрации спектров фосфорсодержащих метаболитов мозга крысы иг vivo .
изучить динамику уровней макроэргич"ских фосфатов мозга при ише вдш, а также влияние на метаболизм нервной ткани блокаторов Са + каналов (верапаиал), антиоксидантов (витамин Е), антигипоксантов (гаммаоксимасляной кислоты - ГОМК).
Научная новизна. Предложена оригинальная конструкция поверхностной катушки для датчика ЯМР, предназначенного для регистраци спектров фосфорсодержащих метаболитов мозга крысы w two. Разработан и испытан датчик с повышенной чувствительностью и высокой пространственной избирательностью, что позволило получать спектры Р Ш? мозга крысы Ы vivo всего за I минуту накопления. Впервые зарегистрирована и описана подробная кинетика изменения уровней макроэргических фосфатов, неорганического фосфата, фосфоятанолами на и степени внутриклеточного закислення в динамике полной ишемии мозга длительностью 30 минут. Показано, что кинетика снижения уро ней макрозргических фосфатов (ОіР и АТР) в мозге во время ишемии носит бифаяный характер и описывается суммой двух экспонент: быстрой и медленной (периоды полураспадп различаются почті! в 10 раз) Выявлено достоверное положительное влияние на биоэнергетику нервной ткани блокатора кальциевых каналов верапамила, антиоксиданте витамина Е и антигипоксанта - гаммаоксимасляной кислоты.
Обнаружено существенное (в 10 раз) различие в концентрациях фосфомоноэфиров в ишемической ткани мозга иг vUto и в интактном мозге. Впервые выявлено влияние офирного и барбитуратнсгс наркоза
на уровень фосфокреатина в клетках мозга живой крысы.
Прослежена динамика восстановления исходных показателей энергетического метаболизма мозга в постншемичсском периоде у крыс, перенесших Ю данутнув клиническую смерть (после оживления).
Практическая ценность работы. Предложенная в данной работе конструкция двухсекционной поверхностной катуики может бить использована при разработке датчиков ПМР, предназначенных для медике— биологических исследований. Очевидно, что высокие характеристики описанной кптутпки (высокая чувствительность) позволят снизить затраты времени на накопление спектров и изучать быстрее изменения в метаболизме биологической ткани.
Полученные результаты исследований по метаболизму ишемической ткани мозга важны для клинической и экспериментальной медицины, прежде всего, для разработки обобщенней теории ишемических и гипо-ксических состояний, поиска эффективных критериев сценки степени тяжести нарушений метаболизма и прогнозирования восстановления физиологических функций мозга. Продемонстрировано эффективное защитное действие некоторых фармакологических препаратоз, сцижаюцих темпы ишемических изменений в составе фосфорсодержащих метаболитов. Разработанная методика оценки влияния лекарственных препаратов на биоэнергетику ткани мозга может быть использована для тестирования и отбора новых лекарственных препаратов, предназначенных для коррекции и лечения патологических состояний мозга.
Апробация работы и публикации. По материалам диссертации опубликовано б работ. Основные результаты диссертации докладывались на:
Втором Европейском конгрессе "ЯИР в биологии и медицине" (Берлин, І9В8 г.)
Всесоюзном совещании "Способы коррекции гипоксии а тканях" (Нальчик, 1968 г.)
на 2-0 всесоюзной конференции "Физиология, патофизиология, фармакология мозгового кровообращения" (Тбилиси, 138 г.)
на ХУ, ХУІ конференции молодых ученых- Ш АН СССР (1966,1967 гг.). Апробация диссертации состоялась 7 апреля 1989 г. на заседании семинара по биофизике и физико-химической биологии Отдела кинетики химических и биологических процессов Института химической физики.
Обт.ем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и выводов. Работа изложена на 149 страницах, содержит 34 рисунка, 12 таблиц. Список литературы включает
-A-
199 наименований.