Введение к работе
Актуальность проблемы. Практическая медицина постоянно сталкивается с проблемой защиты организма от осложнений, вызываемых недостатком кислорода Гипоксия является ключевым фактором в генезе большинства острых и хронических заболеваний (Зарубина И В , Шабанов П Д , 2004, Хватова ЕМ и др , 2007) В литературе содержится достаточно сведений, дающих представление о многочисленных способах адаптации организма человека к дефициту 02 Тем не менее вопрос о механизмах формирования гипоксического состояния и последствиях, обусловленных эпизодами кислородной недостаточности, продолжает привлекать исследователей и мотивировать их на поиск эффективных средств, способных нейтрализовать последствия перенесенной гипоксии (Bunn, Poyton, 1996, Semenza, 1999, Архипен-ко Ю В , Сазонтова Т Г, 2004)
Как известно, провести чёткую границу между гипоксией физиологической, инициирующей компенсаторные реакции, и гипоксией, запускающей каскад патологических реакций, довольно трудно Согласно известным концепциям, адаптационный процесс в ответ на воздействие экстремальных факторов проявляется в значительных перестройках морфофункциональных структур, обеспечивающих механизмы адекватного гомеостатического регулирования (Агаджанян НА и др, 2001, Шастун С А, 2005, Манухина Е Б и др 2007)
В современных производственных условиях человек рискует оказаться в сфере влияния разнообразных негативных факторов внешней среды, в ряду которых одно из первых мест отводится остро развивающейся гипоксии (Jones, 1982, Stokes, 1984, Wisano, 1989, Новиков ВС и др , 1998, Белов С В и др , 1999)
Здоровый организм особенно часто подвергается воздействию экзогенных форм острой гипоксии, которые, как правило, обусловлены уменьшением парциального давления 02 в окружающем воздухе или во вдыхаемой смеси газов (Но-chachka et al, 1999, Шевченко Ю Л и соавт, 2000) Экзогенная гипоксия может возникать, например, при эксплуатации летательных аппаратов, подводных лодок, в случае отказа систем, обеспечивающих подачу или регенерацию воздуха обитаемых замкнутых пространств (Васильев П В и др, 1992, Новиков В С, 1997) В связи с этим очевидна актуальность проблемы разработки комплекса мероприятий по профилактике гипоксии и лечению вызываемых ею осложнений
Установлено, что организмы с высоким уровнем организации ЦНС острее реагируют на экстремальные воздействия, включая и гипоксию, в сравнении с организмами, имеющими более низкий уровень организации ЦНС (Даренская Н Г и др., 1993, Hochachka, Somero, 2001, Schmidt, 2002, Bickler, 2004) В частности, показано, что ЦНС человека в целом и, прежде всего, кора головного мозга обладают повышенной чувствительностью к недостатку 02 (Auer, 1997, Ахмадеев Р Р , Еникеев Д А , 2004) Есть данные о том, что в ходе развития острого гипоксического состояния нейроны коры реагируют даже на слабые колебания уровня 02 в межклеточной жидкости В случае значительного снижения напряжения 02,
в мозговой ткани возникают грубые и необратимые изменения (Шаов М Т и др , 2002, Zhang et al, 2003, LaManna et al, 2004, Хожева A A , Молов A A , 2005)
Как было отмечено во многих исследованиях, активация аппарата внешнего дыхания, увеличение количества эритроцитов в кровяном русле, сопровождающееся повышением кислородной емкости крови, увеличение минутного объема кровообращения в первую очередь направлены на усиление доставки Ог клеткам головного мозга (Persson et al, 1992, Chavez et al, 1995, Graham, 1995, Maxime, Nonnotte, 1995, Hlastala, Berger, 1996, Черняков И H и др , 1998, Агаджанян Н А и др 2001, Вовенко Е П , Соколова И Б , 2004, Саноцкая Н В и др , 2004, Levme, Stray-Gundersen, 2005) Такого рода реакции носят адаптивный характер и позволяют организму противостоять возникающим неблагоприятным условиям (Березовский В А, 1986, Zakynthmos, Roussos, 1993, Payen et al, 1996)
В последние годы было показано, что общая направленность процессов адаптации при развитии остро нарастающей гипоксии не исключает возможности возникновения параллельных негативных реакций (Сабаев В В , Ильина С Л , 1995, Wiese et al , 1995, Галанцев В П и др , 1996, Китаев МИ и др , 1997, Архипенко Ю В , Сазонтова Т Г , 2004) В связи с этим в качестве интегрального критерия адаптации организма к недостатку 02 чаще всего используется показатель выживаемости организма, находящегося в условиях развивающейся острой гипоксии (Folk, 1969, Сло-ним А Д, 1976, Davies, 1996, Новиков ВС и др , 1998)
Многие авторы допускают, что перспективным способом увеличения выживаемости человека в условиях гипоксии экзогенной природы является ограничение уровня его физической активности, что гарантирует экономный расход доступного для дыхания 02 и наличного резерва субстратов биологического окисления (Sutton et al, 1990, Шевченко ЮЛ и др, 2000, Шабанов П Д, 2003) Как было установлено, снижение метаболических запросов организма также может быть обеспечено применением эффективных фармакологических веществ, относящихся к классу антигипоксантов (Guttierrez, 1991, Виноградов ВМ , Смирнов А В , 1994, Зарубина ИВ и др , 2006)
На сегодняшний день арсенал антигипоксических веществ, которые могли бы быть использованы прежде всего в практике экстремальной медицины, невелик (Семиголовский НЮ и др , 1994, Копцов С В и др, 2002, Левченкова О С и др, 2005) Наиболее перспективной группой антигипоксантов заслуженно считают вещества метаболического типа действия, относящиеся преимущественно к производным аминотиолов - гутимин, амтизол, бемитил, алмид, этомерзол и др (Виноградов В М , Криворучко Б И , 2001, Зарубина И В , Шабанов П Д , 2004) Перечисленные химические соединения предупреждают как нарушения энергетического обмена, так и последствия этих нарушений, повышая устойчивость клеточных элементов жизненно важных органов и организма в целом не только к недостатку 02, но также к некоторым другим воздействиям, нарушающим энергетический обмен в тканях (Смирнов А В и др , 1996, Лукьянова Л Д , 2004) Функциональный анализ активности данной группы противогипоксических веществ способствовал созданию современной методологии поиска высокоэффективных антигипоксантов (Шабанов П Д, 2002, Зарубина И В , 2005)
С появлением в поле зрения исследователей новой группы химических веществ - металлсодержащих антиоксидантов, представляющих собой комплексные соединения биометаллов с природными антиоксидантами, открылись новые возможности для изыскания антигипоксических средств (Парфенов Э А, 2000) Высокая биологическая активность и биодоступность этих химических соединений в сочетании с полимодальностью их фармакологических эффектов были отмечены в публикациях многих авторов (2001, Алейникова Т Ю , 2001, Лебедева С А , 2003, Новиков BE и др , 2005, Цеева Ф В , 2005, Протасова Н В , 2006)
Впервые синтезированные Э А Парфёновым на базе НИИ экспериментальной диагностики и терапии опухолей Российского онкологического научного центра РАМН (Parfenov et al, 2000, Парфенов Э А и др , 2002) вещества этой фармакологической группы, обозначенные лабораторным шифром «nQ» и соответствующими порядковыми номерами, оказались эффективными при развитии у животных различных видов острой экзогенной гипоксии (Лебедева С А, 2003, Арбаева М В , 2004, Левченкова О С, 2006, Яснецов С А , Сосин Д В , 2007)
Таким образом, проблема изыскания эффективных антигипоксических средств для осуществления профилактики и лечения последствий, вызванных экзогенными гипоксическими состояниями, может быть в значительной мере решена путем проведения комплексного физиологического исследования, ориентированного на ключевые звенья динамики формирования гипоксических состояний и их фармакологической коррекции металлсодержащими антиоксидантами
Цель исследования - изучить механизмы изменений состояния основных функциональных систем организма (кровообращения, дыхательной, нервной) при развитии острой экзогенной гипоксии и выявить высокоэффективные антигипок-санты среди новых металлсодержащих антиоксидантов на различных моделях острой экзогенной гипоксии
Задачи исследования:
Изучить динамику изменений ЭКГ и внешнего дыхания мышей при развитии острой экзогенной гипоксии с гиперкапнией и острой экзогенной гипоксии без гиперкапнии
Изучить динамику изменений корковых вызванных потенциалов и импульсной активности нейронов соматосенсорной коры головного мозга кошек при развитии острой экзогенной гипоксии с гиперкапнией и острой экзогенной гипоксии без гиперкапнии в условиях мониторинга ЭКГ
Изучить влияние 9 новых металлсодержащих антиоксидантов на продолжительность жизни мышей в условиях острой экзогенной нормобарической гипоксии с гиперкапнией, острой экзогенной нормобарической гипоксии без гиперкапнии и резервное время мышей в условиях острой экзогенной гипобарической гипоксии
Провести сравнительный анализ антигипоксической активности веществ в ряду исследованных химических соединений, а также сопоставить их антигипок-
сическую эффективность с таковой веществ сравнения - антигипоксантов мекси-дола, амтизола и бемитила
Установить величины средней летальной и средней эффективной доз для наиболее активных металлсодержащих антиоксидантов
Изучить влияние наиболее активных металлсодержащих антиоксидантов и наиболее эффективных веществ сравнения на характеристики условнорефлектор-ной деятельности мышей, ЭКГ и внешнего дыхания у мышей, помещенных в условия острой экзогенной нормобарической гипоксии с гиперкапнией и острой экзогенной нормобарической гипоксии без гиперкапнии, а также на параметры их стандартного энергетического обмена
Изучить влияние наиболее активных металлсодержащих антиоксидантов на процессы окислительного фосфорилирования в митохондриях клеток головного мозга крыс
Изучить влияние наиболее активных металлсодержащих антиоксидантов на параметры корковых вызванных потенциалов, импульсной активности нейронов сомагосенсорнои коры головного мозга кошек, подвергнутых воздействию периодической дыхательной асфиксии, а также помещенных в условия острой экзогенной нормобарической гипоксии с гиперкапнией и острой экзогенной нормобарической гипоксии без гиперкапнии
Научная новизна. Впервые проведен системный анализ формирующегося экзогенного гипоксического состояния по характеристикам изменений ЭКГ, внешнего дыхания, корковых вызванных потенциалов, импульсной активности отдельных нейронов соматосенсорной коры в зависимости от наличия или отсутствия фактора гиперкапнии
Изучено влияние 9 оригинальных новых металлсодержащих антиоксидантов на резистентность мышей к условиям трех моделей острой экзогенной гипоксии Установлено, что химические соединения jcQ901, uQ1104 на всех использованных в скрининге моделях гипоксии обладают выраженной антигипоксической активностью, превышающей таковую мексидола, бемитила, но сопоставимой с активностью амтизола Подтверждена низкая токсичность вещества rcQl 104. На модели избегательного оборонительного условного рефлекса обнаружено обратимое не-іативное влияние вещества 3tQ1104 и антигипоксанта амтизола на моторные реакции мышей
В ходе анализа ЭКГ и пневмобарограмм мышей доказано, что вещество jtQ1104 в условиях нормобарических видов острой экзогенной гипоксии продлевает период относительного благополучия в большей степени, чем антигипоксант амтизол при использовании данных веществ в равных дозах
Проведено измерение стандартного энергетического обмена у мышей на фоне действия цинксодержащего антиоксиданта rcQ1104 и антигипоксанта амтизола Установлено, что вещество itQl 104 в большей мере снижает величину энергетического обмена, чем амтизол Установлено, что вещество 7tQ1104 существенно ограничивает возможности митохондрий головного мозга в отношении синтеза АТФ на фоне достаточного уровня сопряжения процессов окисления и фосфорилирования, а также сохранения энергетического потенциала ткани Впервые в ка-
честве индикатора глубины экзогенного гипоксического состояния были использованы вызванные потенциалы коры головного мозга По данным регистрации активности нейронов соматосенсорной коры установлено, что введение вещества rtQl 104 значительно повышает резистентность нервных клеток к острой экзогенной гипоксии с гиперкапнией и острой экзогенной гипоксии без гиперкапнии
Научно-практическая значимость связана с разработкой новых методов моделирования острых экзогенных гипоксических состояний у животных, оценкой состояния основных функциональных систем организма (кровообращения, дыхательной, нервной) при развитии острой экзогенной гипоксии и выявлением высокоэффективных антигипоксантов среди новых металлсодержащих антиокси-дантов на различных моделях острой экзогенной гипоксии К методам моделирования острых экзогенных гипоксических состояний у животных отнесены острая экзогенная нормобарическая гипоксия с гиперкапнией (кошка, кролик) и острая экзогенная нормобарическая гипоксия без іиперкапнии (мелкие лабораторные животные)
Оригинальность и новизна выполненных физиологических исследований, а также сведения, полученные в ходе изучения нового антигипоксанта под шифром 7tQ1104 (бис (М-ацетил-Ь-цистеинато) цинк(И) сульфат октагидрат), подтверждены тремя патентами РФ на изобретение (патенты на изобретение РФ № 2265608 от 26 07 2004 г , № 2251158 от 27 04 2005 г и № 2291498 от 10 01 2007 г ) На основе установленных механизмов развития острого гипоксического состояния представляются реальными перспективы внедрения нового высокоактивного антигипоксанта nQ1104 (бис (Ы-ацетил-Ь-цистеинато) цинк(П) сульфат октагидрат) в клиническую практику
По итогам исследования выдвинута гипотеза, согласно которой точкой приложения антигипоксического действия цинксодержащего антиоксиданта nQ1104 является цитохромный фрагмент в составе дыхательной цепи митохондрий Предполагается, что двухвалентный цинк, являющийся основой изученного комплексного соединения, ограничивает объемы электронных потоков в области ци-тохромов на участке Ь—с Указанный феномен обеспечивает повышение экономичности процессов окислительного фосфорилирования, предотвращая преждевременное истощение внутриклеточных резервов 02 и субстратов окисления
Использование в работе комплексного подхода к изучению фармакологических свойств перспективных антигипоксантов при проведении опытов на животных с разным уровнем организации ЦНС (мыши, крысы, кошки) позволило экстраполировать полученные результаты на физиологические закономерности функциональной активности соответствующих гомеостатических систем человека
Работа поддержана грантом РФФИ № 07-04-96437, полученным в рамках регионального конкурса 2007 г Финансирование гранта осуществлялось из средств бюджета Смоленской области
Основные положения, выносимые на защиту:
В ходе формирования у мышей и кошек состояний острой гипоксии с ги-перкапнией и острой гипоксии без гиперкапнии динамика ЭКГ, показателей внешнего дыхания, корковых вызванных потенциалов и активности отдельных нейронов соматосенсорной коры демонстрируют большую устойчивость животных к гиперкапническим состояниям в сравнении с нормокапническими
У трех из девяти исследованных новых металлсодержащих антиоксидан-тов - веществ 7tQ262, 7iQ901, jrQ1104 - выявлена антигипоксическая активность на моделях острой экзогенной нормобарической гипоксии с гиперкапнией (ОГ+Гк), острой экзогенной нормобарической гипоксии без гиперкапнии (ОГ-Гк) и острой экзогенной гипоксии с гипобарией (ОГ+Гб)
По показателям средней летальной и средней эффективной доз, рассчитанных для вещества nQI 104, данное химическое соединение может быть отнесено к категории относительно безопасных веществ
Вещество jtQl 104 в опытах на мышах, подвергнутых воздействию ОГ+Гк и ОГ-Гк, в большей степени повышает устойчивость животных к указанным видам гипоксии, чем эталонный антигипоксант амтизол, в то время как в опытах на мышах, подвергнутых ОГ+Гб, их эффекты одинаковы
Вещество nQI 104, как и антигипоксант амтизол, относится к противоги-поксическим веществам метаболического типа действия, что подтверждено замедлением стандартного энергетического обмена у мышей на фоне их действия, а также общим снижением электрической активности миокарда и параметров внешнего дыхания
Механизм действия вещества jiQ1104 во многом обусловлен снижением интенсивности энергосинтетических процессов в митохондриальном компар-тменте клеток головного мозга Вызываемое введением вещества nQI 104 уменьшение скоростей протекания окислительных реакций в дыхательной цепи митохондрий может обеспечить оптимизацию расхода кислорода и субстратов биологического окисления при острых экзогенных гипоксических состояниях
В условиях периодической дыхательной асфиксии, при острой гипоксии с гиперкапнией и острой гипоксии без гиперкапнии профилактическое введение вещества nQI 104 кошкам способствует значительному пролонгированию активного состояния коры головного мозга, что подтверждается динамикой вызванных потенциалов, а также импульсной активности нейронов соматосенсорной коры
Реализация результатов работы. Полученные результаты используются в учебном процессе кафедры фармакологии Санкт-Петербургской Военно-медицинской академии им С М Кирова (акт внедрения от 13 04 2007 г), в лекционных курсах кафедры фармакологии и кафедры нормальной физиологии Смоленской государственной медицинской академии, в научной работе ЦНИЛ Смоленской государственной медицинской академии (акт внедрения от 11 06 2007 г) Диссертационная работа выполнена на кафедре нормальной физиологии СГМА (заведующий - доктор медицинских наук профессор В А Правдивцев) в рамках плановой темы НИР, № государственной регистрации 01200409026 (протокол
№7 от 1.06 2004 г) Исследования проведены в рамках договора о совместной научно-практической деятельности между НИИ экспериментальной диагностики и терапии опухолей Российского онкологического научного центра им Н Н Бло-хина РАМН и Смоленской государственной академией «Синтез и изучение фармакологической активности новых физиологически совместимых антиоксидан-тов»
Апробация и публикация материалов исследования. Результаты и основные положения диссертации доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Загрязнение окружающей среды и здоровье населения» (Смоленск, 1999), научной конференции «Медико-биологические аспекты экстремальных состояний» (Смоленск, 1999), областной научно-практической конференции «Проблемы охраны труда в условиях рыночной экономики и пути их решения» (Смоленск, 2002), Всероссийской научной конференции с международным участием «Современные информационные технологии в медицине и экологии» - ИТМЭ-2003» (Смоленск, 2003), 2-й Международной конференции «Патофизиология и современная медицина» (Смоленск, 2004), XIX Съезде физиологического общества им И П Павлова «От геномики до интегративной физиологии» (Екатеринбург, 2004), 11-й Международной конференции «Новые медицинские технологии и квантовая медицина» (Москва, 2005), 6-й Международной научно-практической конференции «Здоровье и образование в XXI веке» (Москва, 2005), Межрегиональной научно-практической конференции «Типовые патологические процессы» (Уфа, 2005) 4-й Российской конференции «Гипоксия механизмы адаптации, коррекция» (Москва, 2005), 6-й научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной медицины» (Смоленск, 2007), XX Съезде физиологического общества им И.П Павлова (Москва, 2007), III Съезде фармакологов России «Фармакология - практическому здравоохранению» (Санкт-Петербург, 2007), проблемной комиссии Смоленской государственной медицинской академии «Физиология и патология нервной системы» (Смоленск, 2004, 2007), ежегодных итоговых заседаниях Смоленского отделения физиологического общества (Смоленск, 2005-2007)
Апробация диссертации состоялась 24 мая 2007 г на совместном заседании кафедр нормальной физиологии, фармакологии, клинической фармакологии, неврологии и нейрохирургии, неврологии и психиатрии ФПК, патологической физиологии, общей и медицинской химии, общей гигиены, медбиофизики Смоленской государственной медицинской академии
По теме диссертации опубликовано 48 печатных работ, из них 8 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 1 монография, 3 патента на изобретения Зарегистрировано 5 рационализаторских предложений
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из следующих разделов введение, обзор литературы, описание материалов и методов исследования, 4 главы собственных экспериментальных исследований, обсуждение результатов, выводы, научно-практические рекомендации и список литературы Работа
изложена на 311 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц и 53 рисунка Библиографический указатель содержит 588 наименований, в том числе 352 отечественных и 236 иностранных
