Введение к работе
Актуальность исследования
Эритроцит – высокоспециализированная клетка организма, основная роль которой состоит в транспорте кислорода и углекислого газа. Выполнение данной функции требует от клетки способности к поддержанию функциональной полноценности гемоглобина в течение всей ее жизни (Зинчук В.В., 2001). Однако функциональные свойства как самих эритроцитов, так и крови в целом, во многом определяются еще и мембранными свойствами этих клеток крови: электрофизиологическими характеристиками, обеспечивающими суспензионную стабильность крови и играющими важную роль в процессах адсорбции и межклеточной коммуникации, механическими свойствами (способностью к поддержанию формы, адгезии и деформации при прохождении через узкие капилляры) и комплексом биофизических и биохимических параметров, обусловливающих объединение эритроцитов в агрегаты. Клеточные свойства эритроцитов во многом определяют эффективность микроциркуляции и кислородтранспортной функции крови (Козинец Г.И. и соавт., 2002; Новицкий В.В. и соавт., 2004; Muravyov A., Tikhomirova I., 2012).
При движении эритроцитов в кровеносных сосудах даже в условиях физиологических величин напряжения сдвига имеет место деформационный стресс красных клеток крови, сопровождающийся повышением проницаемости мембраны клеток для катионов, в частности, для ионов кальция (Сторожок С.А. и соавт., 1997, Oonishi T. et al., 1997). Ионизированный кальций выступает регулятором множества физиологических процессов, включая различные виды межклеточных взаимодействий и мембранные перестройки, однако механизмы этого участия остаются недостаточно изученными (Авдонин П.В., Ткачук В.А., 1994).
В капиллярах мозга, люминальный диаметр которых меньше, чем в других органах, эритроциты перемещаются в значительно деформированном состоянии, сильно вытянутыми вдоль оси микрососуда (Шошенко К.А., 1982), поэтому способность красных клеток крови к деформации играет важную роль и снижение их деформируемости может быть критическим фактором в развитии ишемических повреждений мозговой ткани.
Традиционно эритроциты считались достаточно редуцированными клетками и рассматривались лишь в качестве простых резервуаров для транспорта кислорода. В исследованиях последних лет экспериментально доказано, что, несмотря на достаточно простую организацию, эритроциты обладают значительным набором сигнальных молекул (Minetti G., Low P.S., 1997; Hines P.S. et al., 2003; Sprague R. et al., 2007). Эти факты свидетельствуют об участии красных клеток крови в регуляторных процессах, направленных на интеграцию функций организма.
Изучение молекулярных механизмов изменения клеточных свойств эритроцитов и выявление сигнальных путей, принимающих участие в регуляции микрореологических свойств эритроцитов и их транспортного потенциала представляется актуальной задачей физиологии системы крови на современном этапе (Муравьев А.В., Чепоров С.В., 2009).
Цель: оценить влияние ионизированного кальция и механического стресса на клеточные свойства эритроцитов и вклад этих свойств в обеспечение эффективности микрокровотока в норме и при нарушениях мозгового кровообращения.
Задачи исследования:
изучить роль ионизированного кальция в модификации адгезивных, микрореологических и электрофизиологических свойств эритроцитов;
оценить влияние условий сдвигового течения (механического стресса) на микрореологические и электрофизиологические свойства эритроцитов;
исследовать вклад клеточных свойств эритроцитов в гемореологический статус в норме и при нарушениях мозгового кровообращения;
изучить состояние микроциркуляции и механизмов ее регуляции в норме и в условиях ишемии сосудов головного мозга;
проанализировать значение клеточных свойств эритроцитов в обеспечении кислородного снабжения тканей в норме и при нарушениях мозгового кровообращения.
Научная новизна исследования
Впервые проведена оценка адгезивных характеристик красных клеток крови в присутствии ионов Са2+ методами атомно-силовой микроскопии. Установлена зависимость адгезивных и агрегатных свойств эритроцитов, их мембранного потенциала от концентрации экстрацеллюлярного кальция. Впервые показано, что агрегатные свойства эритроцитов зависят от содержания экстрацеллюлярного кальция, а в условиях деформационного стресса агрегируемость эритроцитов регулируется с участием потенциалзависимых (дигидропиридинчувствительных) кальциевых каналов. Продемонстрировано, что деформируемость красных клеток крови снижается при увеличении содержания внутриклеточного кальция, как при нарушениях ионного гомеостаза эритроцитов, так и в условиях воздействия механического стресса.
Впервые выполнена комплексная оценка гемореологического статуса и состояния микроциркуляции при острых нарушениях мозгового кровообращения, выявлены особенности регуляторных влияний на микрокровоток в условиях ишемии сосудов головного мозга. Зафиксированы корреляционные взаимосвязи микрореологических характеристик эритроцитов с активными и пассивными регуляторными влияниями на микрокровоток в условиях нормы и при нарушениях мозгового кровообращения.
Проанализирован вклад клеточных свойств эритроцитов в обеспечение кислородтранспортной функции крови и функционирование системы микроциркуляции.
Теоретическая и практическая значимость работы
В исследовании получены новые данные о влиянии ионизированного кальция на адгезивные, агрегатные, деформационные и электрофизиологические свойства эритроцитов человека. Изучены элементы молекулярных сигнальных путей, связанных с изменениями микрореологических параметров эритроцитов.
В работе установлены основные закономерности регуляции функциональных свойств эритроцитов в условиях модификации содержания внеклеточного и внутриклеточного свободного кальция и под влиянием механического стресса. Материалы диссертационной работы расширяют представления о механизмах регуляции функциональных свойств эритроцитов человека.
Научно-практическая значимость работы заключается в том, что полученные в процессе исследования данные позволяют расширить уже имеющиеся представления о факторах, влияющих на реализацию кислородтранспортной функции крови, и механизмах регуляции этой функции в норме и при нарушениях мозгового кровообращения.
Результаты исследования указывают на важную роль показателя гематокрита и микрореологических свойств эритроцитов в регуляции текучих свойств крови как в норме, так и при патологии. Практическое значение имеют полученные данные, свидетельствующие об особенностях регуляторных влияний на микрокровоток при нарушениях мозгового кровообращения. Результаты исследования дополняют знания о механизмах регуляции системы микроциркуляции в норме и при нарушениях мозгового кровообращения.
Полученные данные расширяют и дополняют знания по физиологии системы крови и кровообращения и могут быть использованы в преподавании физиологии, патофизиологии и клеточной молекулярной биологии, а также послужить теоретической основой для разработки методов оптимизации кровотока в норме и в условиях ишемии сосудов головного мозга.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Ионизированный кальций участвует в регуляции функциональных свойств эритроцитов человека, оказывая выраженное влияние на микрореологические, адгезивные и электрофизиологические параметры красных клеток крови.
-
Влияние механического стресса на микрореологические и электрофизиологические свойства эритроцитов обусловлено увеличением внутриклеточного пула свободного кальция.
-
В условиях ишемии сосудов головного мозга неблагоприятно измененные клеточные свойства эритроцитов вносят существенный вклад в повышение вязкости крови, снижение эффективности транспорта кислорода в ткани и оказывают влияние на функционирование регуляторных механизмов микрокровотока.
Апробация результатов работы
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: 62-й студенческой научной конференции (Ярославль, ЯГПУ, 2007); научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2007); VII Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ2007» (Москва, 2007); V и VI Всероссийских конференциях с международным участием «Механизмы функционирования висцеральных систем» (Санкт-Петербург, 2007, 2008); III и IV Всероссийских конференциях «Клиническая гемостазиология и гемореология в сердечно-сосудистой хирургии» с международным участием (Москва, 2007, 2009); VI и VII международных конференциях «Гемореология и микроциркуляция» (Ярославль, 2007, 2009); IV и V Всероссийских с международным участием школах-конференциях по физиологии кровообращения
(Москва, 2008, 2012); XV Всероссийском съезде сердечно-сосудистых хирургов (Москва, 2009); VIII Молодежной научной конференции Института физиологии НЦ УрО РАН «Физиология человека и животных: от эксперимента к клинической практике» (Сыктывкар, 2009); III Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика – 2010» (Москва, 2010); ХХI Съезде Физиологического общества им. И.П. Павлова (Калуга, 2010); IX Всемирном конгрессе по микроциркуляции (Париж, 2010); XIV и XVI Конференциях Европейского общества по клинической гемореологии и микроциркуляции (Дрезден, 2007; Мюнхен, 2011); Международной научной конференции «Системное кровообращение, микроциркуляция и гемореология (от ангиогенеза до центрального кровообращения)» (Ярославль, 2011); IV Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых «Нанобиотехнологии: проблемы и перспективы» (Белгород, 2011); Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ среди студентов и аспирантов в области биологических наук в рамках Всероссийского фестиваля науки (Ульяновск, 2011); Всероссийском конкурсе «Инновационный потенциал молодежи 2012» среди студентов и аспирантов (Ульяновск, 2011).
По теме диссертации опубликовано 33 печатные работы, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертация изложена на 143 страницах печатного текста, включает 16 таблиц и 22 рисунка. Работа состоит из введения, обзора литературы, главы с описанием материалов и методов исследования, главы с изложением полученных результатов, главы с обсуждением результатов исследования, выводов, библиографического списка, списка сокращений. Библиографический указатель включает 213 источников: 106 отечественных и 107 зарубежных.
