Введение к работе
Актуальность темы. Известно, что продолжительная невесомость сопровождается снижением тонуса, уменьшением силы и выносливости скелетных мышц человека (Григорьев А.И. и др., 2002; Fitts R.H. et. al., 2010). На уровне одиночного мышечного волокна гравитационная разгрузка также сопровождается атрофическими изменениями – уменьшением объема миофибриллярного аппарата и снижением основных сократительных характеристик. Важным параметром, описывающим сократительные способности мышечного волокна, является кальциевая чувствительность, которая характеризуется зависимостью развиваемой силы от концентрации ионов Са2+ в миоплазме, т.н. кривой «кальций-сила». Сдвиг этой кривой вправо свидетельствует о снижении кальциевой чувствительности. Кальциевую чувствительность характеризуют величиной рСа50 (здесь рСа = -lg[Ca2+]), которая является отрицательным логарифмом концентрации кальция, при которой сила, развиваемая мышечным волокном, составляет половину максимальной. Уменьшение рСа50 наблюдают у животных и у человека в условиях реальной и моделируемой гравитационной разгрузки (Stevens L. et. al., 1993).
Основными причинами снижения сократительных свойств одиночных мышечных волокон при гравитационной разгрузке являются отсутствие напряжения, в связи с устранением силы тяжести, и уменьшение нейромышечной активности. Сопутствующим условием невесомости является устранение опоры, которое приводит к уменьшению активности опорного афферентного входа и сопровождается снижением тонической мышечной активности (Григорьев А.И. и др. 2004). Другие факторы, сопутствующие функциональной разгрузке, такие как деградация цитоскелетных белков, накопление ионов кальция и сдвиг экспрессии тяжелых цепей миозина в сторону быстрых изоформ, также влияют на снижение сократительных параметров волокон скелетных мышц млекопитающих.
Исследования в данной области ведутся достаточно давно, однако до сих пор неясно, какой из вышеперечисленных процессов является первичным в запуске гипогравитационного синдрома.
Цель работы. Исследование сократительных свойств одиночных волокон скелетных мышц человека и животных в условиях реальной и моделируемой гравитационной разгрузки и анализ возможных механизмов их изменения.
Задачи исследования:
-
Проанализировать сократительные параметры волокон скелетных мышц крыс после трехсуточной моделируемой микрогравитации.
-
Сравнить изменения сократительных характеристик одиночных волокон постуральных и локомоторных мышц крыс после кратковременной гравитационной разгрузки.
-
Сравнить характер и степень изменений основных сократительных параметров одиночных мышечных волокон монгольских песчанок и крыс после космического полета одинаковой продолжительности.
-
Оценить, каким образом применение блокатора медленных кальциевых каналов L-типа отражается на сократительных параметрах волокон скелетных мышц крыс после моделируемой гравитационной разгрузки.
-
Исследовать роль опорного стимула и вызванного мышечного напряжения в качестве мер предотвращения снижения сократительных свойств волокон m. soleus человека после 7 суточной «сухой» иммерсии.
Научная новизна работы:
- впервые показано, что кратковременная трехдневная моделируемая гравитационная разгрузка приводит к снижению изометрической силы сокращения одиночных скинированных волокон m. soleus крыс.
- впервые установлено, что при трехсуточном антиортостатическом вывешивании крыс основные сократительные параметры волокон быстрых мышц (m. gastrocnemius, m. tibialis anterior) остаются без изменений.
- впервые показано, что после 7 суток антиортостатического вывешивания крыс снижаются основные сократительные параметры одиночных волокон быстрых m. gastrocnemius и m. tibialis anterior.
- впервые обнаружено, что после двенадцатисуточного космического полета монгольских песчанок наблюдается уменьшение диаметра и максимальной силы сокращения волокон камбаловидной мышцы.
- впервые установлено, что трехсуточное антиортостатическое вывешивание крыс с одновременным пероральным приемом нифедипина препятствует снижению максимальной изометрической силы сокращения волокон камбаловидной мышцы.
- впервые показано, что электромиостимуляция мышц голени человека во время семисуточной «сухой» иммерсии не предотвращает снижения максимальной и удельной силы сокращения одиночных волокон m. soleus.
Научная и практическая значимость
Работа в значительной мере расширяет наши представление об изменениях сократительных параметров одиночных мышечных волокон млекопитающих после гравитационной разгрузки. Представленные результаты позволяют предположить, что ключевую роль в снижении сократительных параметров мышечных волокон играют потеря напряжения и активности на разных сроках гравитационной разгрузки. Методы тензометрических измерений сократительных свойств мышечных волокон и результаты данной работы успешно используются в процессе обучения аспирантов Института медико-биологических проблем РАН и студентов-практикантов Московского физико-технического института (ГУ).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Снижение сократительных параметров одиночных волокон постуральных мышц начинаются уже на третьи сутки моделируемой гравитационной разгрузки.
-
На раннем этапе гравитационной разгрузки у человека и животных изменения сократительных характеристик одиночных волокон определяются в первую очередь снижением нейромышечной активности.
-
Характер изменений сократительных свойств одиночных волокон в условиях микрогравитации имеет видовые отличия и зависит от функциональных особенностей мышц.
Публикации. Результаты диссертации изложены в 21 публикациях в научных журналах и сборниках конференций, из них 5 в ведущих российских и международных рецензируемых журналах, входящих в Перечень ВАК.
Апробация работы. Основные результаты были доложены на XXXVII Европейской мышечной конференции (Оксфорд, Великобритания, 2008); на Международном симпозиуме «Биологическая подвижность: новые методы исследования» (Пущино, 2010); на XXXI Международном гравитационном симпозиуме (Триест, Италия, 2010); на VII, IX «Конференции молодых ученых, специалистов и студентов», посвященной дню космонавтики (Москва, 2008, 2010); на V Международной конференции по физиологии мышечной деятельности (Москва, 2009).
Диссертация апробирована на заседании секции Ученого совета ГНЦ РФ – ИМБП РАН «Космическая физиология и биология» (протокол № 7 от 02.11.2010 г.).
Работа выполнена при поддержке программы фундаментальных исследований ГНЦ РФ – ИМБП РАН, программ отделения биологических наук РАН, грантов РФФИ: 07-04-00763а, 07-04-12153-офи, 10-04-00106-а.
Структура диссертации. Работа включает в себя введение, обзор литературы, описание материалов и методов исследования, изложение результатов и их обсуждение, а также выводы. Диссертационная работа изложена на 107 страницах, содержит 22 рисунка, 6 таблиц и список цитируемой литературы из 132 источников.
