Введение к работе
Актуальность проблемы
Известно, что скелетная мышца обладает высокой степенью пластичности. Механо-зависимая пластичность скелетной мышцы – это ее способность отвечать глубокой структурно-функциональной перестройкой на изменение режима сократительной активности.
При длительных однонаправленных изменениях функциональной активности изменяются формирующие мышцу мышечные волокна. Наиболее важные изменения, обнаруживаемые в мышечных волокнах при пониженной сократительной активности, сопровождаются перестройкой всех основных систем, осуществляющих сократительную деятельность мышцы.
Ранее многими авторами придавалось большое значение механическому напряжению мышечных волокон, как фактора, влияющего на соотношение анаболических и катаболических процессов в мышце. Растяжение, как фактор, моделирующий естественное механическое напряжение, приводит к увеличению вероятности актомиозинового взаимодействия [Proske U., 1999], напряжению цитоскелетных и мембранных структур [Ohira Y., 1997, 2000]. В диссертационной работе Туртиковой О. В. [Туртикова О.В., 2008] было показано, что ни облучение ионизирующей радиацией, ни блокирование системы mTOR, ни отсутствие сарколеммального белка дистрофина (у мышей линии mdx) не приводят к снижению размера мышечных волокон и не изменяет миозиновый фенотип при растяжении мышцы. Растяжение мышцы приводит также к увеличению концентрации в ней оксида азота [Koh T.J., 1999].
При хроническом растяжении мышц на фоне гравитационной разгрузки наблюдается уменьшение степени атрофии мышечных волокон [Goldspink D.F., 1997, Jaspers S., 1988]. Выделяют рефлекторный и местный компоненты [Ohira Y., 1997, 2000], которые могут быть задействованы в предотвращении атрофии в этих условиях. Есть некоторые данные, указывающие на существенную роль афферентного входа в реализации профилактического эффекта хронического растяжения [Falempin M., 1999]. Однако в диссертационной работе Т.Л.Немировской было показано, что при перерезке афферентного входа не наблюдается атрофия мышечных волокон при растяжении мышцы [Немировская Т.Л., 2003]. Следовательно, активацию афферентных входов, конвергирующих на спинальные мотонейроны, и продуцирующих соответствующий элементарный рефлекторный сократительный ответ при растяжении мышцы, нельзя считать стимулом, предотвращающим атрофию скелетных мышц при её функциональной разгрузке и растяжении.
С другой стороны известно, что при уменьшении механической активности мышц происходит их атрофия и соотношение волокон, содержащих быстрые и медленные изоформы тяжелых цепей миозина, меняется в быструю сторону [Oganov V.S., 1982, Ohira Y., 2000, Pette D., 2001]. Эти изменения, непосредственно обусловлены характеристиками импульсной активности двигательных единиц мотонейронов [Diffee G.M., 1991]. Показана преимущественная инактивация двигательных единиц медленного типа в условиях гравитационной разгрузки [Kozlovskaya I., 1988]. Обнаружено увеличение электромиографического ответа постуральных синергистов мышц конечностей при искусственной стимуляции опорных зон стопы методом оказания пневматического давления на стопу во время космического полета [Layne CS, 1998]. Весовая нагрузка на мышцы при этом отсутствовала. Было показано, что сама опорная стимуляция целиком, или частично предотвращает атрофию скелетных мышц при реальной, или моделируемой гравитационной разгрузке при отсутствии нагруженного сокращения мышцы. Однако осталось невыясненным, предотвращает ли такое профилактическое воздействие изменение соотношения тяжелых цепей миозина в быструю сторону. Вопрос о соотношении вклада центрального и локального уровней регуляции мышечной деятельности в поддержании ее миозинового фенотипа остаётся открытым.
В настоящее время также остаётся не изучен вопрос о видовой специфичности ответа скелетных мышц на функциональную разгрузку. Не известно одинаково изменяются ли структурно-метаболические характеристики скелетных мышц разных животных в космическом полёте? Поиск новых экспериментальных моделей с иной реакцией на функциональную разгрузку и исследование механизмов формирования видоспецифического ответа может помочь в поиске эффективных путей предотвращения негативных последствий снижения мышечной активности.
В последнее время всё большее внимание различных исследователей фокусируется на механизмах восстановления мышц после снижения их функциональной активности (или гравитационной разгрузки). Ранее было показано, что наиболее эффективное воздействие гипоксическими условиями обычно наблюдают при повышенной активности исследуемой мышцы [Немировская Т.Л., 2003]. Учитывая крайне низкое значение кислородного запроса неработающей мышцы [Hepple R.T., 2002], очевидно, что наибольшее значение кислородных градиентов следует ожидать при повышенной активности мышцы. В то же время известно, что m. soleus в условиях постгипокинетической реадаптации испытывает весьма существенные нагрузки, вплоть до значительного вклада эксцентрического компонента [Riley D.A., 1998]. Однако в настоящее время не исследовано, может ли применение гипоксического воздействия при реадаптации ускорить восстановительные процессы в скелетных мышцах.
В связи с вышеизложенным, целью настоящего исследования являлся анализ структурных изменений мышечных волокон в условиях функциональной разгрузки на фоне различных протекторных воздействий и в период реадаптации.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Выявить роль оксида азота в поддержании структуры мышечных волокон в условиях функциональной разгрузки.
-
Исследовать возможность участия нейрональной NO-синтазы в поддержании структуры мышечных волокон при длительной функциональной разгрузке в условиях иммобилизации мышцы в растянутом состоянии.
-
Определить влияние пониженной функциональной активности на изоформный состав тяжелых цепей миозина и размеры волокон камбаловидной мышцы.
-
Оценить степень выраженности структурных изменений мышечных волокон после космического полета у монгольских песчанок.
-
Изучить влияние гипоксического воздействия после функциональной разгрузки на скорость реадаптации путем оценки уровня атрофических изменений через 7 суток восстановления.
Положения, выносимые на защиту
-
Введение донора оксида азота во время функциональной разгрузки поддерживает структуру мышечных волокон и активацию миосателлитов.
-
Использование электростимуляции мышц и стимуляции опорных проприоцепторов в ходе моделирования гравитационной разгрузки способствует снижению атрофических изменений мышечных волокон.
-
Изменение миозинового фенотипа и размеров мышечных волокон в условиях космического полета имеет видовые особенности.
-
Гипоксическое воздействие позволяет увеличить скорость реадаптации скелетных мышц после функциональной разгрузки.
Научная новизна работы
-
Выявлено протекторное действие оксида азота на структуру мышечных волокон в условиях функциональной разгрузки. Обнаружено, что увеличение концентрации оксида азота во время функциональной разгрузки мышц препятствует падению в ней количества миосателлитов, а предотвращение снижения мышечной массы при растяжении мышц не связано с работой нейрональной NO-синтазы.
-
Показано, что электростимуляция предотвращает изменение миозинового фенотипа и размеров волокон камбаловидной мышцы человека после 7-суточного экспонирования в условиях «сухой» иммерсии.
-
Показано, что у нового объекта с измененным водно-солевым обменом - монгольской песчанки - имеет место меньшая выраженность атрофических изменений мышечных волокон после 12-суточного космического полета по сравнению с крысами в полетах аналогичной длительности. В то же время трансформация мышечных волокон в быструю сторону отсутствует.
-
Выявлена положительная роль гипоксического воздействия в условиях реадаптации мышц после функциональной разгрузки (за счет набора сухой массы мышцы).
Теоретическая и практическая значимость
В нашей работе получены новые данные об адаптации скелетных мышц к понижению их сократительной активности, а также клеточных механизмах, запускающих процессы адаптации. Повышение длительности космических полетов и усложнение условий работы экипажей диктуют необходимость разработки новых средств и методов профилактики неблагоприятных последствий невесомости. Базисные закономерности структурно-метаболической адаптации скелетных мышц являются составной частью теоретических основ разработки таких средств и методов.
Выявление протекторного действия препарата L-аргинина, электростимуляции, навязанного растяжения мышцы может способствовать поиску методов профилактики негативных последствий функциональной разгрузки.
Полученные результаты могут быть использованы для научного обоснования разработки новых методов коррекции гипокинетических мышечных синдромов, а также в разработке новых эргогенных технологий в спортивной и экстремальной медицине и новых программ тренировки спортсменов.
Результаты исследования используются в учебном процессе в Московской медицинской академии им. И.М. Сеченова.
Апробация работы
Диссертация апробирована на совместном заседании кафедры гистологии ММА им. И.М.Сеченова и лаборатории миологии ГНЦ ИМБП РАН. Результаты исследований и основные положения работы были представлены и обсуждены на: 38-й европейской мышечной конференции (Лиль, Франция, 2009); 17-м Международном симпозиуме «Человек в космосе» (Москва, Россия, 2009); 8-ой Конференции молодых ученых, специалистов и студентов, посвященных дню космонавтики (ИМБП, Москва, 2009), конференции «Ломоносов 2009» (Москва, Россия, 2009), 14-й международной конференции по биохимии упражнений (Гюэльф, Канада, 2009), 30-м симпозиуме по гравитационной физиологии (Сиань, Китай, 2009).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ на русском и английском языках.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания организации экспериментов и методик обработки биологического материала, изложения результатов исследования и их обсуждения, общего заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 124 страницах печатного текста, включает 26 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 265 наименований.
