Введение к работе
Актуальность
Генерация активных форм кислорода (АФК) и свободно-радикальное окисление происходят во всех тканях живых организмов в процессе нормального метаболизма (Козлов Ю.П., 1973; Бурлакова Е.Б., 1998). Умеренные количества АФК необходимы для физиологической регуляции функций сперматозоидов, гиперактивации и акросомальной реакции (Зоркин С.Н. и др., 2009; Божедомов В.А. и др., 2012; Aitken R.J., 1998; Lombardo F. et al., 2011).
В публикациях последнего десятилетия фактором, снижающим мужскую фертильность, ученые считают гиперпродукцию АФК (Божедомов В.А. и др., 2008, 2009, 2010, 2012; Торопцева М.В., 2009; Agarwal A. et al., 2006; Tremellen K., 2008). Липидный состав плазматической мембраны сперматозоидов существенно отличается от состава липидов соматических клеток. Мембрана мужских половых клеток содержит большие количества насыщенных и полиненасыщенных жирных кислот, фосфолипидов и стеринов – основных субстратов для окисления, поэтому сперматозоиды особенно чувствительны к повреждающему действию АФК (Sanocka D., Kurpisz M., 2004). Избыточная продукция свободных радикалов вызывает нарушение митохондриальной цепи переноса электронов, повреждает мембраны и ДНК хромосом половых клеток, а также запускает каскад реакций, инициирующих апоптоз (Kemal Duru N. et al., 2000; Villegas J. et al., 2005; Aitken R.J. et al., 1998, 2010). В результате этих событий снижается подвижность и оплодотворяющая способность гамет, что, в конечном счете, приводит к бесплодию (Божедомов В.А. и др., 2008; Торопцева М.В., 2009; Tremellen K., 2008).
Актуальность поиска способов стимуляции сперматогенеза обусловлена тенденцией снижения показателей спермограммы. Согласно популяционным исследованиям, скорость падения концентрации сперматозоидов в сперме здоровых мужчин составляет около 2% в год при параллельном уменьшении доли подвижных и морфологически полноценных форм гамет (Рыжаков Д.И., Артифексов С.Б., 2002; Камилов Ф.Х. и др., 2007; Delbes G. et al., 2010). Кроме того, с начала ХХ века по настоящее время произошли беспрецедентные изменения общепринятых стандартов фертильной концентрации сперматозоидов – с 60-100 млн/мл до 40, а затем и до 15 млн/мл (Cooper T.G. et al., 2010; WHO, 2010). Происходящее снижение активности сперматогенеза диктует необходимость его стимуляции не только при различных патологических состояниях, но и при нормальной, согласно критериям ВОЗ 2010 года, продукции половых клеток.
В связи с этим, актуальным является поиск физико-химических воздействий, способных стимулировать сперматогенез путем нормализации свободно-радикального баланса спермы, мужских репродуктивных органов и организма в целом.
Согласно концепции мембранного механизма стимулирующего действия низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ), порфирины, поглощая световую энергию НИЛИ, индуцируют фотосенсибилизированные свободно-радикальные реакции (Клебанов Г.И. и др., 1997, 1998, 2000). Термоактивация воды приводит к изменению ее кислотно-основных свойств и появлению в ней микродоз АФК (Домрачев Г.А. и др., 2001; Черников А.В., 2005; Калниньш К.К., 2010; цит. по Зайцева О.В. и др., 2013). Сообщается, что в присутствии аргона происходит более интенсивная диссоциация воды и в ней увеличивается концентрация АФК (Селивановский Д.А., 2006).
Дальнейшее изучение влияния свободных радикалов на генеративную функцию самцов является актуальным вопросом физиологии, а возможность немедикаментозной стимуляции сперматогенеза посредством модуляции про-антиоксидантной системы организма НИЛИ и активированными водами представляет значительный интерес.
Цель работы – изучить влияние низкоинтенсивного лазерного излучения, аргонированной и термоактивированной воды на баланс про-антиоксидантной системы организма самцов белых нелинейных крыс и сперматогенез экспериментальных животных.
Задачи исследования:
-
Изучить изменения водородного показателя (pH) и окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) воды после воздействия НИЛИ, аргонирования и термоактивирования.
-
Проанализировать состояние про-антиоксидантной системы организма самцов белых нелинейных крыс при действии НИЛИ, аргонированной и термоактивированной воды.
-
Исследовать характер изменений в спермограмме экспериментальных животных при действии НИЛИ, аргонированной и термоактивированной воды.
-
Разработать оптимальные режимы воздействия НИЛИ, аргонированной и термоактивированной водой для стимуляции сперматогенеза.
-
Определить наличие и выраженность взаимосвязей между параметрами свободно-радикального баланса организма экспериментальных животных и функциональными показателями эякулята самцов белых нелинейных крыс.
Научная новизна
Впервые установлено, что действие НИЛИ с длинами волн 475 и 405 нм (облучение в течение 1 минуты), аргонированной и термоактивированной воды in vitro увеличивает время сохранения подвижности половыми клетками.
Показано, что воздействие НИЛИ с длинами волн 475 и 405 нм, аргонированной и термоактивированной водой в относительной физиологической норме приводит к изменениям активности свободно-радикальных процессов. Общими эффектами для изучаемых физико-химических воздействий являются повышение общей антиоксидантной активности (ОАА) организма и снижение концентрации продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ) в эякуляте экспериментальных животных. Установлено, что воздействие НИЛИ увеличивает подвижность сперматозоидов (патент «Способ стимуляции сперматогенеза в эксперименте» № 2481132), в то время как употребление активированных вод положительно влияет на активность половых клеток. Комбинация воздействий позволила добиться стимуляции как подвижности, так и активности сперматозоидов.
Показана важность выбора режима воздействия для стимуляции сперматогенеза, а именно: употребление активированных вод экспериментальными животными в течение 2 недель увеличивало количество и активность половых клеток, в то время как более длительное воздействие, напротив, приводило к угнетению сперматогенеза.
Выявлена высокая корреляционная взаимосвязь между параметрами свободно-радикальной активности организма, количеством и подвижностью половых клеток. Показано, что эякулят и семенники, по сравнению с плазмой крови, являются более чувствительными к изменению свободно-радикальной активности организма.
Теоретическая и практическая значимость работы
Выявлен эффект стимулирующего сперматогенез действия НИЛИ и активированных вод, заключающийся в корригирующем влиянии НИЛИ и активированных вод на основные показатели про- и антиоксидантного статуса эякулята, тестикул, крови и печени экспериментальных животных.
Полученные сведения о взаимосвязи свободно-радикального баланса с функциональными параметрами сперматозоидов могут быть включены в образовательные программы по биологии, физиологии и биохимии при подготовке специалистов медико-биологического и ветеринарного профиля.
Результаты работы позволяют дать физиологически обоснованные рекомендации по применению НИЛИ и активированных вод в качестве немедикаментозных средств, улучшающих метаболизм и стимулирующих сперматогенез. Показана важность выбора режима воздействия и подобран безопасный эффективный режим для стимуляции сперматогенеза.
Положения, выносимые на защиту:
-
Барботация воды аргоном (аргонирование) и обработка водопроводной воды при повышенной температуре (термоактивирование) приводят к повышению водородного показателя и снижению окислительно-восстановительного потенциала воды.
-
Действие низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) с длинами волн 475 и 405 нм (облучение в течение 1 минуты), аргонированной и термоактивированной воды in vitro увеличивает время сохранения подвижности половыми клетками.
-
Воздействие НИЛИ с длинами волн 475 и 405 нм (облучение в течение 1 минуты, курс – 10 суток), аргонированной и термоактивированной водой (длительность – 2 недели) в относительной физиологической норме приводит к изменениям активности свободно-радикальных процессов. Общими эффектами для изучаемых физико-химических воздействий являются повышение ОАА организма и снижение содержания продуктов ПОЛ в эякуляте экспериментальных животных. На фоне повышения антиоксидантного статуса организма происходит стимуляция сперматогенеза.
-
Облучение семенников НИЛИ увеличивает подвижность сперматозоидов, в то время как употребление активированных вод положительно влияет на активность половых клеток. Комбинация воздействий позволяет добиться стимуляции как подвижности, так и активности сперматозоидов.
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 17 научных форумах различного уровня: научной сессии молодых ученых и студентов «Современное решение актуальных научных проблем в медицине» (Н. Новгород, 2011); 16-ой и 17-ой Нижегородской сессии молодых учёных (Н. Новгород, 2011, 2012); II международной научной конференции «Высокоинтенсивные физические факторы в медицине, биологии, сельском хозяйстве и экологии» (Саров, 2011); I международной научно-практической конференции «Современные проблемы отечественной медико-биологической и фармацевтической промышленности» (Пенза, 2011); I ежегодной международной конференции ИБХФ РАН-ВУЗы «Биохимическая физика» (Москва, 2011); VII региональной конференции молодых ученых-онкологов «Актуальные вопросы экспериментальной и клинической онкологии» (Томск, 2012); XVI научной школы молодых ученых «Нелинейные волны – 2012» (Н. Новгород, 2012); межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых и студентов с международным участием «Проблемы медицины и биологии» (Кемерово, 2012); XVIII конференции молодых ученых «Актуальные проблемы патофизиологии» (Санкт-Петербург, 2012); VII международном симпозиуме «Актуальные проблемы биофизической медицины» (Киев, 2012); IV съезде биофизиков России «Физика – медицине и экологии» (Н. Новгород, 2012); II Всероссийском фестивале науки (Н. Новгород, 2012); X международной научной конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» ФРЭМЭ’2012 (Владимир, 2012); X международной научной конференции студентов и молодых ученых «Актуальные вопросы спортивной медицины, лечебной физической культуры, физиотерапии и курортологии» (Москва, 2012); Всероссийской научной сессии молодых ученых и студентов «Современные решения актуальных научных проблем в медицине» (Н. Новгород, 2013); IV international symposium «Topical Problems of Biophotonics – 2013» (N. Novgorod, 2013).
По материалам диссертации опубликовано 17 научных работ, из них 2 работы в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 1 патент.
Объем и структура диссертации
Диссертация изложена на 136 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, характеристики материалов и методов исследования, главы собственных результатов и их обсуждения, заключения и выводов. Список цитируемой литературы включает 257 источников, из которых 157 зарубежных. Работа иллюстрирована 16 рисунками и 20 таблицами.
Благодарности
Автор выражает глубокую признательность к.ф.-м.н., с.н.с. отдела нелинейной динамики ИПФ РАН В.В. Чернову за помощь в обсуждении результатов, предоставление экспериментальной модели источника НИЛИ и аргонированной воды, ведущему научному сотруднику ЗАО «Крионорд» В.В. Борискину за предоставление термоактивированной воды, д.м.н., проф., зав. каф. патологической физиологии НижГМА Т.Е. Потеминой за консультативную помощь при освоении метода функционального исследования сперматозоидов.
