Введение к работе
Актуальность проблемы
Исследования гипокинезии как стресс-фактора началось в 60-70-годы ХХ века в связи с активным развитием космической биологии (В.В. Португалов, 1967; Г.П. Быков, 1970; И.В. Федоров и др., 1972; С.Е. Ли, О.И. Кириллов, 1974; Е.А. Коваленко, 1975). Экспериментальные работы 80-90-ых годов прошлого века характеризовались изучением адаптационных изменений на различных уровнях организации биологических систем (Е.А. Коваленко, Н.Н. Гуровский, 1980; П.Д. Горизонтов, 1983; В.Н. Швец и др., 1984; С.М. Иванова и др., 1986; Д.З. Шибкова, 1987; Ф.З. Меерсон, Н.А. Фомин, В.И. Павлова, Д.З. Шибкова, 1988; И.А. Попова, 1988; Д.И. Бельченко, 1990).
В работах Е.А. Воротниковой (1984), О.Г. Газенко и др. (1986), Ф.З. Меерсона и др. (1988), Р.А. Тиграняна (1990), А.Г. Грицука (1995), Е.А. Коваленко (2000), T. Kawata et. al. (1988) длительная гипокинезия являлась моделью, при которой реализуются резервные механизмы адаптации организма на морфо-функциональном, биохимическом и генетическом уровне (Ф.З. Меерсон, И.Ю. Малышев, Е.Б. Манухина, 1998).
В исследованиях Б.И. Кузника, Н.Н. Цыбикова (1981), Д.Н. Маянского (1991), В.П. Акопяна, Л.С. Баляна и др. (1997) показано, что, попав в экстремальные условия, организм мобилизует различные адаптационные программы, достигая полноценного приспособления к стрессирующим факторам внутренней и внешней среды.
В настоящее время известно, что система крови играет большую роль при ответной реакции организма на любое стрессорное воздействие (И.А. Волчегорский, 1993; Н.В. Васильев, Ю.М. Захаров, Т.И. Коляда, 1992;; Е.Д. Гольдберг и др., 2005; П.Д. Горизонтов и др., 1983; А.М. Дыгай и др.,2005; В.П. Шахов и др, 2008; В.Э. Цейликман, 1998; Б.Г. Юшков и др., 1996; А.П. Ястребов и др., 2009; В.А. Черешнев и др.2004,; Д.З. Шибкова , А.В. Аклеев, 2006, С.Л Сашенков и др., 2006, 2008).
В последние десятилетия активно изучаются влияния стресса на механизмы регуляторных процессов в организме человека и животных, показана их роль в адаптационном процессе при участии цитокиновой сети и антиоксидантов на моделях эмоционального, болевого, травматического и прочих стрессов. При действии стресса вся регулирующая информация идет от нервной системы через гипофизарно-адреналовую, лимфоидную систему и гемопоэтические органы. Существенно, что весь этот процесс реализуется на уровне исполнительных тканей и органов (Р.М. Хаитов, 2001; Ю.Б. Лишманов и др., 2003; А.С. Симбирцев, 2004).
Очевидно, что общий адаптационный синдром развивается на фоне перестройки активности локального микроокружения, в построении которого большую роль играют стромальные элементы и цитокины (Б.Г. Юшков, В.Г. Климин, М.В. Северин, 1999, В.П. Шахов и др., 2005, 2008).
В настоящее время разрабатываются новые схемы восстановления гемопоэза. Особая роль принадлежит мультипотентным мезенхимальным стромальным клеткам (ММСК). Они способствуют росту гемопоэтических предшественников путем секреции таких цитокинов как ИЛ-6, ИЛ-8, ИЛ-11, ИЛ-12, ИЛ-14, ИЛ-15 (И.Ю. Маклакова, А.П. Ястребов, Д.Ю. Гребнев, 2009). Мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки участвуют в формировании специфического микроокружения многих органов, включая и костный мозг. Они являются основой матричной единицы, так называемых «ниш», в которых происходят процессы хранения, созревания и дифференцировки предшественников эритропоэза, гранулоцитомонопоэза, тромбоцитопоэза и их малодифференцированных прекурсов (А.М. Дыгай, В.П. Шахов, 1989; Ю.А. Романов и др., 2005; Beyer et. al., 2006; L.M. da Silva et al, 2008; F.M. Watt, B.L. Hogan, 2000, 2006).
Исследований взаимодействия системы мезенхимопоэза и цитокиновой сети при хроническом стрессе крайне мало. Имеются противоречивые сведения об уровнях содержания цитокинов и костномозговых мезенхимальных стволовых клеток при хроническом стрессе, вызванном гипокинезией (И.Л. Чертков, О.А. Гуревич, 1984; А.С. Симбирцев, 2004; F.M. Watt, B.L. Hogan, 2000; Y. Miura, Z. Gao, M. Miu, 2006).
Также противоречивы сведения об участии системы крови и регулирующих её факторов в обеспечении резистентности организма к неблагоприятному действию гипокинезии (Г.И. Козинец и др., 1983; Г.Н. Дурнова и др., 1989; Б.И. Кузник и др., 1989; Р.А. Тигранян и др., 1990; С.Н. Теплова, Д.А. Алексеев, 2002). По-прежнему остаются открытыми вопросы коррекции повреждающего действия гипокинезии на организм человека, животных и систему крови, в частности.
Большой интерес представляет собой гранулоцитарный колониестимулирующий фактор (Г-КСФ), который является ростовым фактором для гранулоцитарно-макрофагальных типов клеток – предшественников, способным усиливать процессы фагоцитоза в лейкоцитах. В отдельных работах по изучению действия Г-КСФ на пул мезенхимальных стволовых клеток показано, что под действием данного цитокина увеличивается выброс их количества из костного мозга в кровь (В.П. Шахов, И.А. Хлусов, Г.Ц. Дамбаев и др., 2004; R.W. Johnson et al, 1997). Однако эти работы касаются преимущественно заболеваний со стороны сердечно - сосудистой системы. При таком стресс-факторе, как гипокинезия, закономерности молекулярно-клеточных адаптационных процессов в системе крови изучены недостаточно и отражены лишь в единичных работах (Ф.И. Ершов и др., 2004).
В связи с отсутствием систематизированных данных о влиянии длительной гипокинезии на состояние костномозгового кроветворения (показатели миелопоэза), регулирующего влияния цитокинов на кроветворение актуальным является изучение молекулярно-клеточных изменений в крови при адаптации к гипокинезии и возможности коррекции повреждающего действия гипокинетического фактора. Указанные предпосылки определили цель и направления настоящего исследования.
Цель исследования: установить закономерности адаптации системы крови на молекулярно-клеточном уровне к действию острого и хронического гипокинетического стресса с целью обоснования коррекции аплостических нарушений.
В рамках этой общей цели решались следующие задачи:
-
Выявить динамику содержания гуморальных факторов регуляции в плазме крови и тканях костного мозга, селезенки и тимуса на разных этапах развития гипокинетического синдрома.
-
Определить активность системы «перекисное окисление липидов – антиоксидантная защита» у экспериментальных животных в динамике 30-ти суточной гипокинезии.
-
Выявить характер взаимосвязей между исследуемыми параметрами системы крови экспериментальных животных на разных стадиях формирования адаптационных процессов при гипокинетическом стрессе.
-
Оценить возможность снижения деструктивных процессов в органах системы крови в условиях 30-ти суточной гипокинезии при использовании препарата церулоплазмина.
-
Оценить возможность ускорения репарационных процессов в органах системы крови в условиях 30-ти суточной гипокинезии при использовании препарата граноцита.
Научная новизна исследования
Установлен комплекс параметров, характеризующих состояние органов системы экспериментальных животных в зависимости от длительности воздействия гипокинетического стресса: на ранних сроках (1-ые – 7-ые сутки) в периферической крови достоверно повышается содержания кортикостерона, цитокинов (ИЛ-1, ИНФ-, ФНО-, ИЛ-4), наблюдается выраженный лейкоцитоз; в костном мозге увеличивается содержание цитокинов (ИЛ-1, ИЛ-6, ИЛ-4), отмечена активация антиоксидантных ферментов и миелопоэза; в хронической фазе гипокинетического синдрома в плазме крови повышается содержание цитокинов (ИЛ-1, ИЛ-2, ИЛ-6, ИЛ-4, ИЛ-10), а в костном мозге – ИЛ-1, ИЛ-2, ИЛ-4, ИЛ-10.
С увеличением сроков гипокинетического воздействия достоверно нарастает уровень ПОЛ в костном мозге, селезенке и тимусе на фоне снижения содержания антиоксидантных ферментов.
Дестабилизация гомеостаза, выраженная в ранние сроки гипокинетического воздействия, сопровождается перестройкой регуляторных механизмов и включением процессов компенсации с участием мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК), миелоидного ростка костного мозга.
Деструктивные процессы (клеточное опустошение и снижение массы) в кроветворных органах носят гетерохронный характер (эти явления наблюдаются в тимусе с 1-ых по 30-ые сутки, в селезенке с 1-ых по 15-ые сутки, в костном мозге - с 10-ых суток).
Впервые дана оценка соотношения провоспалительных и противовоспалительных цитокинов в периферической крови и ткани костного мозга при остром и хроническом гипокинетическом стрессе: содержание провоспалительных цитокинов повышалось впервые 15-ть суток, а в дальнейшем нормализовалось к 30-ым суткам; содержание противовоспалительных цитокинов на всех сроках гипокинезии было достоверно повышенно.
Введение гуморального антиоксиданта церулоплазмина на ранних стадиях гипокинетического стресса сопровождалось повышением активности антиоксидантных ферментов (СОД, каталаза), снижением интенсивности липопероксидации и восстановлением массы исследованных органов, а регенеративные процессы, индуцированные граноцитом, уже к 3-им суткам сопровождались увеличением количества стромальных клеток и активацией миелопоэза в костном мозге. Баланс между продукцией и гибелью клеточных элементов в системе крови при действии гипокинетического стресса, таким образом, был обусловлен активацией процесса пролиферации мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток.
Использование цитокиновой стимуляции с целью предотвращения срыва гомеостатических механизмов регуляции обеспечило повышение устойчивости организма к гипокинетическому воздействию.
Теоретическая и практическая значимость работы
Результаты исследования дополняют современные представления в области физиологии адаптации о закономерностях молекулярно-клеточных адаптационных процессов в системе крови при остром и хроническом гипокинетическом стрессе. Установлена активация цитокиновой системы при адаптации системы крови к длительному 30-ти суточному гипокинетическому стрессу. Доказана эффективность использования препарата граноцита в качестве средства, предупреждающего клеточное опустошение костного мозга и лимфоидных органов при гипокинетическом стрессе. Установлено, что введение метаболита антиоксидантной системы – церулоплазмина защищает организм экспериментальных животных от аплостических повреждений. По данным исследованиям подана заявка №2009139735 (056294) на патент.
Внедрение результатов исследования
Результаты исследований нашли отражения в монографии «Принципы использования фундаментальных основ клеточной и молекулярной биоинженерии для повышения физиологических возможностей живых систем», включены в лекционный материал по дисциплинам «Общая физиология», «Физиология спорта», «Основы здорового образа жизни» в Челябинском государственном педагогическом университете, Южно-Уральском государственном университете, Уральском государственном университете им. Горького (г. Екатеринбург).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Содержание гуморальных факторов регуляции в периферической крови, ткани костного мозга, селезенки и тимуса экспериментальных животных зависит от срока гипокинетического воздействия и определяется последовательностью развития адаптационных процессов.
-
Реакции системы «перекисного окисления липидов – антиоксидантная защита» у экспериментальных животных в динамике 30-ти суточной гипокинезии характеризуются различными фазами активации.
-
Формирование адаптационных процессов при гипокинетическом стрессе сопровождается: количественно - качественной перестройкой взаимосвязей между параметрами системы крови, что отражает напряжение механизмов регуляции (с 1-ых по 7-ые сутки); изменением общего количества взаимосвязей и соотношения прямых (активирующих) и обратных (стабилизирующих) связей к 15-ым суткам эксперимента.
-
Использование препаратов церулоплазмина и граноцита эффективно снижает деструктивные и ускоряет репарационные процессы в системе крови экспериментальных животных в условиях 30-ти суточного гипокинетического воздействия.
Апробация работы
Основные материалы диссертации были представлены на I съезде физиологов СНГ (Сочи, 2005); XX съезде Физиологического общества им. И.П. Павлова (Москва, 2007); VIII World Congress International society for adaptive medicine (ISAM, Москва, 2006); II Международной научно – практической конференции «Адаптация биологических систем к естественным и экстремальным факторам среды» (Челябинск, 2008); IV съезде физиологов Урала (с международным участием) (Екатеринбург, 2009); итоговых научных конференциях ГОУ ВПО «ЧГПУ» (2006, 2007, 2008, 2009).
Публикации по материалам диссертации
По теме диссертации опубликовано 20 работ, из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, – 14.
Структура и объем диссертации
Диссертация изложена на 280 страницах печатного текста и включает: введение, литературный обзор (глава 1), описание материалов и методов исследования (2), результаты собственных исследований (главы 3, 4 ,5), заключение, выводы, иллюстрирована 21 рисунком и 20 таблицами. Список литературы включает 124 зарубежных источника и 281 отечественных.
