Введение к работе
Актуальность исследования. Известно, что скелетные мышцы играют ключевую роль в создании оптимальных биомеханических условий, нормальной трофики и функции травмированной и удлиняемой конечности (В.А. Щуров и др., 1996). При этом репаративные возможности мышечной ткани отличаются от возможности к репаративному восстановлению костной ткани, в связи с чем, зачастую, именно функциональное состояние скелетных мышц является лимитирующим фактором при лечении и реабилитации больных ортопедотравматологического профиля (В.А. Щуров и др., 1998; 2003; 2007).
Функциональные возможности скелетных мышц зависят от их структурно-метаболического профиля, определяемого качественным и количественным составом сократительных белков, а также особенностями тканевого обмена, и, прежде всего, типом энергообеспечения (И.А. Корниенко и др., 2005; A. Sargeant, 2007.). Несмотря на то, что метаболические процессы в скелетных мышцах находятся под жестким контролем системных, локальных и генетических факторов, мышцы демонстрируют значительную пластичность и лабильность структурно-метаболического профиля в ответ на изменения их функциональной нагрузки (S.E. Dunn et al., 1997; D. Pette, 2002; A.M. Niess et al., 2007.). Материальной основой этому является значительный генетический полиморфизм как сократительных, так и регуляторных белков и ферментов, а также высокая взаимозаменяемость путей энергетического обмена (D. Pette et al., 2001.). В связи с этим восстановление функциональной активности мышц в посттравматический и реабилитационный период зависит от интенсивности восстановления ее структурно-метаболических характеристик и должно обеспечиваться достаточным количеством пластических и энергетических ресурсов в ткани.
Если многочисленные данные физиологических, морфологических и гистохимических исследований дают достаточное представление о функциональных и структурных изменениях в скелетных мышцах при ее репаративной регенерации при скелетных травмах и в условиях оперативного удлинения (Ю.В. Григорьева и др., 2003; С.А. Лытаев, 2003; С.А. Ерофеев и др., 2004; В.И. Шевцов и др., 2004; В.А. Щуров и др., 2008; И.В. Щуров и др., 2008; C.A. Lindsey et al., 2002; T. Tsujimura et al., 2006.), то результатов биохимических исследований, позволяющих объективно оценить состояние метаболизма скелетных мышц, явно недостаточно. Особенно это касается исследований при оперативном удлинении конечностей. Практически не изучены также и изменения метаболизма в конечности контралатеральной травмированной или оперированной, хотя функциональная нагрузка на нее в посттравматический и в послеоперационный период значительно возрастает. Кроме того, недостаточно разработаны критерии оценки и схемы лабораторной диагностики и мониторинга за состоянием скелетных мышц у пациентов ортопедотравматологического профиля.
Поиск и разработка эффективных средств для коррекции метаболических нарушений в скелетных мышцах имеет несомненную актуальность, что подтверждают многочисленные клинико-экспериментальные исследования (Г.Т. Сухих и др., 2001; Б.С. Шенкман и др., 2006; F.G. Hamel et al., 2003; R.B. Kreider, 2003; L. Boldrin et al., 2007; S. Grefte et al., 2007.). Однако, имеющийся недостаток фактического материала по биохимии мышц при ее регенерации не позволяет сделать вывод о целесообразности проведения коррекции метаболических изменений и необходимости создания специальных препаратов, направленных на восстановление скелетных мышц при лечении патологии опорно-двигательного аппарата. В практике травматологии и ортопедии эффективность таких разрабатываемых средств, на наш взгляд, должна быть основана на возможности одновременного влияния на репарацию костной и мышечной ткани, что должно обеспечивать синхронное восстановление целостности кости и функциональной активности скелетных мышц, составляющих единый анатомо-функциональный блок. В этом плане наиболее доступными и эффективными являются методы пищевой и фармакологической регуляции. Кроме того, эти способы наиболее перспективны в плане их дальнейшего внедрения с использованием наноматериалов и нанотехнологий.
Цель исследования. Сформировать системное представление о метаболизме скелетных мышц и оценить возможности его регуляции при скелетной травме и оперативном удлинении конечности в эксперименте.
Задачи исследования:
-
Описать возрастные изменения метаболизма скелетных мышц, характеризующие становление их метаболического профиля.
-
Изучить метаболизм скелетных мышц в условиях оперативного удлинения костей голени по методу Илизарова.
-
Разработать концепцию поведения скелетных мышц при удлинении конечности по Илизарову.
-
Выявить особенности обмена мышц при скелетных травмах в эксперименте.
-
Провести сравнительный анализ биохимических изменений в скелетных мышцах при удлинении конечности и после скелетной травмы.
-
Выявить нарушения отдельных путей метаболизма, происходящие в скелетных мышцах в посттравматический период и при удлинении костей голени, и разработать критерии для их коррекции.
-
Предложить способы коррекции метаболизма мышечной ткани в экспериментальных условиях, моделирующих скелетную травму.
-
Предложить наиболее доступные и информативные лабораторные тесты, характеризующие функциональное состояние скелетных мышц, пригодные для использования их в лабораторном мониторинге у пациентов ортопедотравматологического профиля.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
При удлинении конечности в скелетных мышцах удлиняемого сегмента происходит активация энергетических путей обмена (в том числе и «резервных»), межорганных циклов (Кори и аланиновый), реакций перекисного окисления, что приводит к снижению уровня белка в ткани и изменению кинетических характеристик сократительных белков. Подобные биохимические сдвиги, но только более низкой интенсивности, происходят и в мышцах контралатеральной конечности. Отмеченные изменения носят обратимый характер, восстановление метаболического профиля начинается с момента снятия дистракционных нагрузок.
-
Метаболические изменения в мышцах после скелетной травмы сопровождаются высокой интенсивностью белкового обмена, реакций перекисного окисления и антиоксидантного звена на фоне компенсированных энергетических затрат. Восстановление энергетического метаболизма скелетных мышц при ранних сроках снятия аппарата происходит в течение трех месяцев после лечения.
-
Введение низкомолекулярных белковых факторов в область перелома не только стимулирует процессы репаративной регенерации кости, но и вызывает анаболический эффект в скелетных мышцах, способствуя накоплению гликогена и белка в ткани за счет пролонгированного антипротеолитического эффекта. Пероральное применение смеси аминокислот предупреждает потери креатина и креатинфосфата в скелетных мышцах и является фактором, регулирующим межорганный обмен энергетических субстратов.
-
Определение активности креатинкиназы в сыворотке крови является диагностически ценным и доступным критерием оценки поражения скелетных мышц при травмах и оперативном удлинении конечности.
Научная новизна. Впервые комплексно изучены изменения процессов энергетического, белкового обмена в скелетных мышцах при оперативном удлинении костей голени по Илизарову. Впервые изучено состояние системы перекисного окисления и антиоксидантной защиты в мышцах удлиняемого сегмента. Разработана концепция поведения скелетных мышц в ответ на удлинение конечности. Обнаружено явление активации межорганных обменных путей в ходе оперативного удлинения. Обнаружен феномен снижения количества фракций саркоплазматических белков в скелетных мышцах удлиняемой конечности. Впервые изучены кинетические характеристики миозина, выделенного из скелетных мышц подверженных удлинению. Обнаружен эффект активации «резервных» метаболических путей в мышцах в ответ на возрастающие дистракционные нагрузки. Продемонстрирована высокая лабильность обменных процессов скелетных мышц в ответ на дистракцию и снятие дистракционных нагрузок. Впервые показано, что в мышцах контралатеральной конечности происходят метаболические изменения той же, что и в удлиняемой конечности направленности.
Впервые обнаружено, что метаболические изменения в скелетных мышцах после перелома костей голени в условиях стабильной фиксации аппаратом Илизарова происходят на фоне компенсированных энергетических затрат. Впервые изучены кинетические свойства миозина из скелетных мышц голени после лечения оскольчатого перелома костей голени методом Илизарова. Впервые изучены метаболические особенности в скелетных мышцах голени в зависимости от сроков лечения оскольчатых переломов костей голени. Впервые изучены метаболические изменения, происходящие в скелетных мышцах контралатеральной, не травмированной конечности. Показано, что для процесса регенерации при оперативном удлинении конечности скелетная мышца в основном использует внеклеточные пластические и энергетические источники, при репаративной регенерации в посттравматический период – внутриклеточные.
Впервые продемонстрированы анаболические свойства низкомолекулярных белковых факторов, выделенных из костной ткани, оказываемых на скелетную мышцу при ее посттравматической регенерации. Обнаружена способность смеси аминокислот (лейцин, изолейцин, аргинин и метионин) предупреждать потерю и стимулировать синтез креатина в скелетных мышцах, регулировать межторганный обмен гликогена. Обнаружены гепатотропные свойства данной смеси.
Практическая значимость работы. Полученные данные о существенных изменениях метаболических процессов в мышечной ткани дают обоснования для научного планирования мероприятий по предупреждению нарушений и восстановлению функциональных характеристик скелетных мышц в ходе лечения и в периоде реабилитации пациентов ортопедотравматологического профиля.
Полученные результаты дают теоретическое обоснование для разработки и внедрения фармакологических препаратов и биологически активных добавок на основе аминокислот и белков костной ткани для стимуляции репаративной регенерации костной и мышечной ткани.
Оценена информативность ряда биохимических показателей и предложены наиболее доступные тесты для лабораторной оценки состояния скелетных мышц, что может быть использовано в практической травматологии и ортопедии в качестве дополнительного критерия оценки тяжести скелетной травмы, а также для мониторинга состояния пациентов ортопедотравматологического профиля в период лечения и реабилитации.
Внедрение результатов исследования. По результатам работы в клинико-диагностическую лабораторию центра внедрены методы исследования, характеризующие состояние скелетных мышц при дистракционном остеосинтезе. Материалы работы включены в программу кафедры травматологии и ортопедии ФПК и ППС ГОУ ВПО ТюмГМА, используются в курсе лекций по биохимии для студентов факультета естественных наук Курганского государственного университета. Получены три патента РФ на изобретение.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертационного исследования доложены: на научно-практической конференции с международным участием «Новые технологии в медицине» (Курган, 2000); на региональной конференции биохимиков Урала, Поволжья и Западной Сибири «Актуальные проблемы теоретической и прикладной биохимии» (Ижевск, 2001); на международной научно-практической конференции «Медицина в XXI веке: эстафета поколений» (Курган, 2001); на IV всероссийской конференции «Актуальные вопросы применения гипербарической оксигенации в хирургии, травматологии и ортопедии» (Курган, 2002); на IV Зауральском фестивале научно-исследовательского, технического и прикладного творчества молодежи «Новые горизонты-2002» (КГСХА, 2002); на VI международном симпозиуме «Биологически активные добавки к пище и проблемы оптимизации питания» (Сочи, 2002); на всероссийской конференции «35 лет гипербарической оксигенации: итоги, проблемы, перспективы» (Москва, 2003); на II Всероссийском симпозиуме «Клинические и фундаментальные аспекты тканевой терапии» (Самара, 2004); на международной научно-практической конференции «Морфофункциональные аспекты регенерации и адаптационной дифференцировки структурных компонентов опорно-двигательного аппарата в условиях механических воздействий» (Курган, 2004); на I и II съездах травматологов и ортопедов Уральского федерального округа (Екатеринбург, 2005; Курган, 2008); на всероссийской научно-практической конференции «Молодые ученые: новые идеи и открытия» (Курган, 2006); на международном конгрессе по наружной фиксации (Каир, 2007); на всероссийской научно-практической конференции «Клеточные и нанотехнологии в биологии и медицине» (Курган, 2007); на юбилейной конференции посвященной 10-летию Южно-Уральского научного центра РАМН (Челябинск, 2008); на V международной конференции АСАМИ (Санкт-Петербург, 2008); на всероссийской научно-практической конференции с
международным участием
«Современные технологии в хирургии позвоночника и периферических нервов» (Курган, 2008); на областном научном обществе ортопедов и травматологов (декабрь 2002; декабрь 2005, апрель 2007, ноябрь 2007). По теме диссертации опубликовано 50 печатных работ, в том числе 2 главы в коллективной монографии. Из печатных работ 12 опубликовано в рецензируемых ВАКом изданиях.
Объем и структура работы. Работа изложена на 233 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, заключения, практических рекомендаций, выводов, списка литературы, 65 таблиц, 57 рисунков, трех схем. Библиографический указатель включает 411 источников: из них 120 – отечественные, 391 – зарубежные. Диссертационное исследование выполнено по плану НИР ФГУ «Российский научный центр «Восстановительная травматология и ортопедия» им. акад. Г.А. Илизарова Росмедтехнологий».
