Введение к работе
Актуальность данного исследования определяется тем, что оно предусматривает сопоставление как повреждающих, так и позитивных эффектов острого и хронического стресса при гипокинезии (ГК) и посвящено изучению механизмов, за счет которых организм предупреждает стрессорные повреждения, и изучению вопросов активной профилактики повреждающего действия ГК на организм человека и животных.
При изучении действия на организм длительных стрессорных факторов, одним из которых является гипокинетический синдром, уже до начала этого исследования было отмечено, что ограничение двигательной активности сопровождается не только морфофункциональными сдвигами в основных жизнеобеспечивающих системах (Федоров И. В. и др., 1977; Архипенко Ю. В., Диденко В. В., Сазонтова Т. Г., 1989; Коваленко Е. А, Гуровский Н. Н., 1980; Газенко О. Г. и др., 1998; Манукян А А, Акопян А А, 1999; Kawata Т. et al., 1988), но и затрагивает клеточный генетический аппарат (Малышев И. Ю., Манухина Е. Б., 1998). Развитие гипокинетического синдрома сопровождается защитой основных жизнеобеспечивающих систем ценой деструкции тех органов, которые более приспособлены к процессам регенерации в нормальных условиях существования организма и при патологических процессах (Акопян В. П., Балян Л. С, и др., 1997). Далее, при общей тенденции к остановке роста наблюдаются разнонаправленные изменения массы органов: наибольшей устойчивостью к ГК отличается головной мозг, рост сердца и селезенки останавливается на уровне их исходной массы. Прекращается рост скелетных мышц и тимуса на фоне падения массы, но наблюдается ускорение темпов роста печени. (Меерсон Ф. 3., Фомин Н. А Павлова В. И. и др., 1988).
Таким же противоречивым фактом является, с одной стороны, нарушение микроциркуляции в органах, приводящее к развитию гипоксии, с другой стороны, констатируется факт увеличения потребления кислорода мышечной, сердечной, печеночной тканью. (Зенков Н. К, Панкин В. 3. и др., 2000).
Ограничение стресс системы на уровне органов и тканей происходит за счет активации локальных стресс-лимитирующих систем: про-стагландинов, аденозина, опиоидных пептидов (Меерсон Ф. 3., 1981-1993; Pshenikova et al, 1996); антиоксидантных систем, включающих в себя антиоксидантные ферменты (каталазу, СОД, глутатионпероксида-зу), а также антиоксидантов — а-токоферола, витамина А, аскорбиновой кислоты и др.; системы генерации окиси азота (Архипенко Ю. В., Кизи-ченко Н. В., 1998; Малышев И. Ю., Манухина Е. Б., 1998; Пшенникова М. Г., Белкина Л. М., 2001; Addicks. К, Bloch W., Feelish М., 1994; Tores М. Ceballos W., Rubio R., 1994); белков теплового шока семейства HSP70 или стресс-белков (Ванин А Ф., 2000; Малышев И. Ю., Малышева Е. В., 1998; Проскуряков С. Я., Бикетов С. И. и др., 2000).
-, Грос национальная)
J | БИБЛНОТСКА 1
В настоящее время известно, что стресс-реакция закономерно сопряжена с активизацией стресс-лимитирующих систем центрального действия, наиболее полно из которых изучены: ГАМК-ергическая, ГОМК-ергическая, дофаминергическая, серотонинергическая, опиоидергическая (Меерсон Ф. 3., Пшенникова М. Г., 1988; 1989; Павлова В. И., 1990; Меерсон Ф. 3., 1993; Юматов Е. А., 1997; Малышев И. Ю., Манухина Е. В., 1998; Камскова Ю. Г., Павлова В. И. и др., 2003), но до сих пор отсутствуют данные по активации центральных и периферических стресс-лимитирующих систем при действии хронического стресса, которым является ГК.
Фундаментальные исследования ГК направлены, прежде всего, на изучение влияния ее на основные звенья гомеостаза (Коваленко Е. А., 2000; Юшков Б. Г., 2000). ГК влияет на пластический обмен в разных тканях (Меерсон Ф. 3., Фомин Н. А., Павлова В. И., Шибкова Д. 3., 1988), атрофические изменения в мышцах, нарушения углеводного обмена (Гри-цук А. И., 1995), нарушения жирового обмена (Тигранян Р. А., 1988); нарушения микроциркуляции в тканях (Акопян В. П., Allance P. et al., 1992), угнетение иммунитета (Константинова и др., 1983; Акмаев И. Г., 1996; Stein М. etal., 1991; Sanolars S. К. etal., 1990).
Возникают многообразные изменения при действии ГК, и наступает «атрофия от неупотребления», снижается резистентность к обычным условиям внешней среды, резко снижается трудоспособность организма, могут даже возникнуть состояния «предболезни» или «болезни гипокинезии» (Коваленко Е. А., 2000).
Однако конкретная роль катехоламинов, МАО, глюкокортикоидов, продуктов ПОЛ, АОС — постоянных спутников стресс-системы в целом и при гипокинезии в частности к началу данной работы оставались неизученными. Первые же наши эксперименты показали, что при гипокинезии стресс-реализующая система активируется на протяжении месяца действия. После этого оставался открытым вопрос интерпретации факта значительной активации симпато-адреналовой и гипофизарно-адреналовой систем при незначительном увеличении ПОЛ в плазме крови и в тканях. Также оставался открытым вопрос механизма и возможности ограничения стресс-реакции при гипокинезии стресс-лимитирующими системами центрального действия (ГОМК-метаболит ГАМК) и периферического (церу-ло плаз мин — антиоксидант белковой природы).
Данная работа предусматривала решение этих открытых вопросов антистрессорной защиты при 30-суточной ГК и месячного восстановительного периода.
Цель исследования состояла в изучении влияния длительной ГК на физиологические механизмы стресс-реализующей и стресс-лимитирующей систем, в установлении механизмов повреждения организма при 30-суточной ГК, определении роли стресс-реализующей системы (катехоламинов, глюкокортикоидов, МАО, ПОЛ) и участия центрального действия систем: ГАМК-ергической, серотонинергической,
дофаминергической, а также цитокинов плазмы крови. Предполагалось выяснить участие антиоксидантной системы крови и органов (мозга, сердца, печени), роли белков теплового шока HSP70, системы оксида азота, обоснование использования гамма-оксимасляной кислоты и церу-лоплазмина для ограничения стресс-реакции при 30-ти суточной ГК.
В рамках этой общей цели решались следующие конкретные задачи:
-
Исследовать параметры стресс-реализующей системы, а именно: динамику содержания кортикостерона, катехоламинов, МАО, на протяжении действия 30-ти суточной ГК и в восстановительном периоде в ткани мозга, сердца, печени, плазме крови.
-
Изучить состояние процессов ПОЛ в динамике 30-ти суточной ГК и месячном восстановительном периоде в ткани мозга, сердца, печени, плазме крови, а также состояние АОА и динамику устойчивости к гипоксии на различных сроках ГК.
-
Оценить действие стресс-лимитирующих систем центрального действия: дофаминергической, серотонинергической в динамике 30-ти суточной ГК.
-
Исследовать роль центральной ГАМК-ергической системы в динамике 30-ти суточной гипокинезии в ткани больших полушариев и в сердце.
-
Выявить особенности активности локальных стресс-лимитирующих систем: церулоплазмина в тканях мозга и крови, антиоксидантных ферментов (каталазы, СОД, глутатионредуктазы).
-
Изучить влияние профилактического, предварительного введения ГОМК в дозе, не вызывающей снотворного эффекта, на параметры стресс-реализующей системы (ПОЛ, МДА, МАО) в ткани мозга, сердца, печени, плазме крови, а также на антиоксидантные ферменты (каталазу, СОД, глутатионредуктазу) в динамике 30-ти суточной гипокинезии.
-
Исследовать влияние церулоплазмина на параметры стресс-реализующей системы (ПОЛ, МДА, МАО) и на антиоксидантные ферменты в ткани мозга, сердца, печени, плазме крови в динамике 30-ти суточной гипокинезии.
-
Изучить роль провосполительных (ИЛ-1, ИЛ-6, (ФНО)а) и противовоспалительных (ИЛ-4, ИЛ-10, ИЛ-12) цитокинов в плазме крови при 30-ти суточной гипокинезии и в восстановительном периоде.
-
Оценить действие оксида азота в плазме крови и активацию белков теплового шока HSP70 (стресс-белков) в тканях мозга, сердца, печени в динамике 30-ти суточной гипокинезии.
-
Проанализировать действие длительной ГК и стресс-лимитирующих систем на поведенческую активность животных.
Научная новизна
Показано, что при действии 30-ти суточной ГК на организм крыс активируются две противоположные системы: стресс-реализующая и стресс-лимитирующая. При этом впервые показано:
-
При ГК, наряду с мобилизацией симпато-адреналовой и гипоталамо-гипофизарно-адреналовой системами в больших полушариях головного мозга активируется метаболизм центрального действия: ГАМК-ергической, серотонинергической, дофаминергической систем, причем ГАМК-ергическая система активируется в первую (катаболиче-скую) фазу, а дофаминергическая и серотонинергическая — во вторую (анаболическую) фазу;
-
Катехоламины, продукты ПОЛ и свободные радикалы, образующиеся при ГК, воздействуют на стресс-лимитирующую систему антиоксидант -ных ферментов (СОД, каталазу, глутатионредуктазу), гуморального ан-тиоксиданта белковой природы — церулоплазмина, которые снижаются в катаболическую фазу в плазме крови, тканях мозга и печени;
-
На органном уровне активируются локальные стресс-лимитирующие системы: система генерации оксида азота, которая, в свою очередь, активирует антиоксидантные ферменты и синтез цитопротекторных белков теплового шока семейства HSP70;
-
Увеличивается синтез и секреция провоспалительных (Ил-1, Ил-6 и (ФНО)а) и противоспалительных (Ил-4, Ил-10, Ил-12) цитокинов в первую — катаболическую стадию, которые выводят организм на адаптивную фазу; далее, во вторую стадию ГК, происходит нормализация всех исследованных цитокинов за исключением ИЛ-12, снижение которого, связано с угнетением иммунитета. Обнаружены корреляционные связи между моноцитами крови и цитокинами Ил-1 и Ил-6, а также положительная корреляция между нейтрофилами крови и Ил-1 и Ил-6. Провос-палительные цитокины (Ил-1, Ил-6, (ФНО)а) способствуют синтезу «острофазовых белков» гепатоцитами печени — церулоплазмина, который увеличивается в плазме крови при действии ГК и обеспечивает антиоксидантную защиту организмов.
-
Показано, что при ГК активируется интенсивность процессов липид-ной пероксидации, которая имеет двухфазный характер. В первой фазе гипокинезии происходит снижение уровня первичных и вторичных молекулярных продуктов ПОЛ, которые имеют органоспецифичность. Вторая фаза ГК характеризуется повышением первичных и вторичных продуктов ПОЛ. Конечный продукт ПОЛ-МДА повышается на всех сроках гипокинезии во всех исследованных органах.
-
На фоне повышенного уровня циркулирующих липопероксидов обнаружено увеличение латентности развития гипоксической комы. Установлен однонаправленный характер изменения динамики прироста АОА и динамики развития устойчивости к гипоксии на различных сроках ГК.
-
Ежедневное введение животным конечного продукта тормозного медиатора ГОМК в дозе, не вызывающей снотворного эффекта, непосредственно перед ГК и в период катаболической фазы ГК (1, 3, 7 суток) существенно ограничивает стресс-реакцию, т. е. предотвращает падение в го-
ловном мозге, сердце, печени и крови антиоксидантных ферментов, укорачивает катаболическую стадию и удлиняет анаболическую.
Установлено, что ежедневное введение метаболита другой, а именно, антиоксидантной стресс-лимитирующей системы (церуло-плазмина) перед и в период действия катаболической фазы надежно защищает организм животного от повреждения.
Полученные результаты позволяют обосновать целесообразность назначения ГОМК и церулоплазмина в период хронического стресса, каковым является 30-ти суточная гипокинезия.
Теоретическое значение работы определяется тем, что в ней впервые установлена активация системы генерации оксида азота в плазме крови при 30-ти суточной гипокинезии, играющую роль в активации антиоксидантных ферментов. Доказана при 30-ти суточной ГК также активация синтеза цитопротекторных белков теплового шока семейства HSP70 (стресс белков). Показана роль активации стресс-лимитирующих систем в головном мозге животных: ГАМК-ергической, серотонинергической, дофамин-ергической. Тема исследований является составной частью научной проблемы «Физиологические и биохимические проблемы механизмов адаптации к гипокинезии» и включена в отраслевую научно-техническую программу в области медицины (утверждена приказом Министерства здравоохранения СССР за №1137 от 26 августа 1985 года).
Практическое значение работы определяется тем, что она является экспериментальным обоснованием разработки эффективной профилактики повреждающего действия гипокинезии на организм человека. Результаты исследований нашли отражения в учебном пособии «Физиологические основы механики мышечного сокращения», включены в лекционный материал по дисциплинам «Физиология спорта», «Общая физиология», «Основы здорового образа жизни» в Челябинском государственном педагогическом университете, Южно-Уральском государственном университете, Уральском государственном университете (Екатеринбург), а также включены в содержание электронного учебника по физиологии.
Положения, выносимые на защиту.
-
При 30-ти суточной ГК активируется стресс-реализующая система, а именно: активация катехоламинов и глюкокортикоидов, ПОЛ, фермента ингибирующего катехоламины — МАО в плазме крови, больших полушариях головного мозга, сердце, печени.
-
30-ти суточная гипокинезия сопровождается активацией стресс-лимитирующих систем в больших полушариях головного мозга у крыс: ГАМК-ергической, дофаминергической. серотонинергической; антиоксидантных систем: ферментов (каталазы, СОД, глутатионредуктазы); антиок-сидантов белковой природы — церулоплазмина и локальной стресс-лимитирующей системы белков теплового шока семейства HSP70 в ткани мозга, сердца, печени, плазме крови.
-
30-ти суточная ГК сопровождается разной степенью активации стресс-лимитирующих систем в периферических органах: плазме крови, в больших полушариях головного мозга, сердце, печени.
-
Угнетение поведенческой активности при длительной ГК сочетается с активацией дофаминергической, серотонинергической и ГАМК-ергической систем.
-
Устойчивость к гипоксии у животных сочетается с увеличением содержания церулоплазмина, системы оксида азота, белков теплового шока, играющих ключевую роль в развитии адаптивных реакций.
-
Предварительное введение ГОМК и ЦП ограничивает повреждения, возникшие во время катаболической стадии ГК в органах и тканях животных.
Апробация диссертации.
Материалы диссертации были представлены на: XVII — съезде физиологов России (Ростов-на-Дону, 1998); И — Российском конгрессе по патофизиологии (Москва, 2000); XVIII съезде физиол. Общества им И. П. Павлова (Казань, 2001); 6 — международной конференции «Биоан-тиоксидант» (Москва, 2002); конференция ISP (Будапешт, 2002); Всероссийской научно практической конференции (Оренбург, 2004); XIX — съезд физиологов России (г. Екатеринбург); итоговых научных конференциях ЧГПУ (2000,2001,2002,2003, 2004)
Публикации по материалам диссертации.
По материалам диссертации опубликовано 18 работ, 8 научных статей, напечатанных в лицензируемых ВАКом журналах.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, обзора литературы, описания методов исследования, трех глав собственных исследований, выводов, списка литературы. Во введении обоснованна актуальность работы, сформулирована ее цель и основные задачи, отражена научная цель, теоретическая и практическая значимость полученных результатов. В первой главе дан анализ современных представлений о стресс-реализующих стресс-лимитирующих системах организма и проблеме профилактики стрессорных повреждений организма при гипокинезии.
Во второй главе описаны методы исследования. В последующих трех главах представлены собственные результаты, проведено их обсуждение и сопоставление с данными литературы, позволяющие сформулировать основные выводы диссертации. Диссертация изложена на 250 страницах машинописного текста, иллюстрирована 26 рисунками, 27 таблицами, библиография состоит из 105 отечественных и 103 иностранных источников литературы.