Введение к работе
Актуальность данной работы
В 1989 - 90 годах был открыт феномен адаптационной стабилизации
Труктур (ФАСС) (MeepcOH Ф.З., 1990; Meerson F.Z., Malyshev I.Yu., amotrinsky A.V., 1991; Meerson F.Z., Sazontova T.G., Arkhipenko
u.v., 1990), который состоит в том, что при адаптации организма к :трессорным воздействиям резко возрастает устойчивость не только іелого организма, но также изолированных органов, и прежде всего :ердца, к широкому спектру повреждающих факторов от токсических ганцентраций катехоламинов до реперфузионного парадокса, ідновременно увеличивается резистентность к аутолизу таких іитоплазматических структур как саркоплазматический ретикулум и ттохондрии. Таким образом ФАСС можно определить как звено щаптации, обеспечивающее повышение устойчивости клеточных структур, йсазалось, что ФАСС лишен антиишемического эффекта, но обладает :ильным антинекротическим, т.е. цитопротекторным эффектом после
ГереВЯЗКИ Коронарной артерии (Meerson F.Z., 1991). ОчеВИДНО, ЧТО
5АСС является одним из факторов адаптационной зашиты организма.
Исследования последних лет показали, что адаптация животных к ювторным кратковременным стрессовым ситуациям влечет за собой активацию ГАМК-ергической, ошюидергической, антиоксидантной и других стресс-лимитирущих систем и одновременно повышает эезистентность организма к многообразным повреждающим факторам среды
(МеерСОН Ф.З. И Др., 1987; МеерСОН Ф.3.,1984; Wallance J., Cohen M.( L984; Kuroshima A. et al., 1984; Андреев Б.В. И Др., 1982).
Доказано, что в условиях организма такая адаптация может эграничивать или полностью предупреждать нарушения сократительной функции, электрической стабильности, аритмии сердца при стрессорном товрекдении (Меерсон Ф.З.лава), острой ишемии, инфаркте миокарда и. юстинфаркгном кардиосклерозе (Меерсон Ф.З. и др., 1986). Ранее нами 5ыло показано, что эти эффекты формируются не только за счет їейро-эндокринной регуляции, глубокие изменения которой развиваются з процессе адаптации, но также реализуются за счет локальных механизмов, действующих на уровне самого сердца (Малышев И.Ю., 1990;
leerson F.Z., Malyshev I.Yu., Zanotrinsky A.V., 1991). В СВЯЗИ С
этими данными возникло представление об адаптационной стабилизации
структур сердца (ФАСС). Однако, многие вопросы развития ФАСС и его молекулярного механизма оставались открытыми.
Так до последнего времени было неизвестно защищает ли ФАСС сердце от такого важного в кардиологии повреждающего фактора, как реперфузия после тотальной ишемии; повышает ли ФАСС устойчивость сердца к тепловому повреждению и к токсическим концентрациям антибиотиков, блокирующих процессы транскрипции или протеинкиназу С.
Установлено, что ФАСС значительно увеличивает устойчивость таких цитоплазматических структур как саркоплазматический ретикулум
И МИТОХОНДРИИ (Meerson F.Z., Sazontova T.G., Arkhipenko Yu.V.,
1990), но неизвестно было распространяется ли ФАСС на ядра клеток, где локализован их генетический аппарат.
Далее при изучении клеточных механизмов защиты оставалась
Неизученной рОЛЬ беЛКОВ ТеПЛОВОГО ШОКа (heat shock proteins), И Е
частности белков из семейства hsp70. Между тем известно, ЧТО эти белки обладают защитными свойствами и играют важную роль е
ПОСТСТреССОрНОМ ВОСТаНОВЛеНИИ СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ КЛеТОК (Welch W.J., Suhan J.P., 1986; Pelham Н.R.B., 1986; Carper S.W. et.al., 1987; Tomasovic S.P., 1989). СЛЄДОВаТЄЛЬНО, В03М0ЖНЭЯ рОЛЬ
адаптивного изменения содержания этих белков в механизме стабилизации структур, защите сердца и других органов заслуживает самого серьезного внимания.
Первоначально ФАСС был обнаружен на уровне сердца и егс клеточных структур. Соответственно возник вопрос, является ли ФАСС локальным явлением, или он также формируется на уровне других органов кроме сердца.
Известно, что кардиопротекторный эффект, подобный тому, который дает адаптация к иммобилизационным стрессам, можно воспроизвести е условиях организма с помощью адаптации к гипоксии (Меерсон Ф.З.,
1986; МеерСОН Ф.З., УСТИНОВа Е.Е., Орлова Э.Х., 1988; Ostadal В. et
ai., 1989). Установлено, что адаптация к гипоксии также приводит в активации некоторых центральных и локальных стресс-лимитирующш систем (Меерсон Ф.З., 1986). Однако, вопрос о том формируется т ФАСС при адаптации к гипоксии и какова роль в этом случае белкоЕ теплового шока до сих пор не решен.
Данное исследование посвящено изучению этих неясных вопросоЕ адаптационной защиты сердца и молекулярных механизмов ФАСС.
Цель настоящей работы состояла в том, чтобы проанализировать влияние адаптации к стрессу на устойчивость изолированного сердца и выделенных из миокарда ядер к различным повреждающим воздействиям; провести детальное сопоставление изменения содержания, изоформного состава и субклеточного распределения белков теплового шока при адаптации с устойчивостью изолированного сердца и ядерной ДНК; исследовать развитие ФАСС в печени; и наконец изучить особенности развития ФАСС при адаптации к гипоксии и роли hsp70 в этих процессах.
В рамках этой общей цели решались следующие конкретные задачи:
І.Как влияет адаптация к повторным кратковременным иммобилизационным воздействиям на устойчивость изолированного сердца к реперфузионному парадоксу, к тепловому повреждению и к кардиотоксическим эффектам антибиотиков.
2.Как влияет адаптация к иммобилизационным стрессам на устойчивость ядерной ДНК сердечных клеток к повреждающему действию эднонитевой экзогенной ДНК, которая как известно активирует
ЗуКЛеОПрОТеОЛИЗ И Деградацию ЯДерНОЙ ДНК (Surovy C.S., Berger N.A., 1.983).
З.Как влияет адаптация к стрессорным воздействиям на
содержание, субклеточное распределение и изоформный состав hsp70 в зердце.
4.Какова динамика развития и снижения повышенной устойчивости изолированного сердца к реперфузионному и гипертермическому ювреждениям в процессе адаптации и после нее.
5.Какова динамика содержания hsp70 в миокарде в процессе адаптации и после ее прекращения и совпадает ли она с динамикой &АСС.
6.Как влияет адаптация к стрессорным воздействиям на устойчивость ядерных структур клеток печени к повреждающему действию автолиза.
7.Как влияет адаптация к стрессорным воздействиям на содержание, субклеточное распределение и изоформный состав hsp70 в іечени.
8.Как влияет адаптация к гкпоксическим воздействиям на остойчивость изолированного сердца к реперфузионноглу и тепловому
повреждению и устойчивость ядерной ДНК сердечных клеток к повреждающему действию однонитевой экзогенной ДНК.
9.Как влияет адаптация к гипоксическим воздействиям на содержание, субклеточное распределение и изоформный состав hsp70 в сердце.
Работа выполнена в лаборатории патофизиологии сердца Института общей патологии и патофизиологии Российской АМН, в лаборатории молекулярной и радиационной биофизики С.-Петербургского института ядерной физики РАН, в Московском и Томском институтах медицинской генетики Российской АМН.
Научная новизна исследования определяется следующими его основными результатами:
Показано, что адаптация организма к периодическим иымобилизационным стрессам обладает прямым кардиопротекторным действием: при реперфузии предварительная адаптация в 6 раз снижает контрактуру, в 2 раза уменьшает длительность аритмий и существенно ограничивает выход ферментов в перфузат изолированного сердца; при гипертермическом воздействии адаптация в 3 раза уменьшает контрактуру и практически полностью ограничивает выход ферментов в перфузат; при действии токсических доз антибиотиков адаптация предупреждает развитие контрактуры, вызванной ингибитором транскрипции - рифампицином, но неэффективна по отношению к токсическим эффектам ингибитора протеинкиназы С - полимиксина В.
Показано, что защитные эффекты адаптации к стрессу формируются не только на уровне органа, но и на уровне клеточных структур и в частности ядерной ДНК. Предварительная адаптация -животных к иммобилизационным стрессам в 5-6 раз уменьшает деградацию ДНК при действии экзогенной однонитевой ДНК на суспензию изолированных ядер сердечных клеток.
Впервые показано, что адаптация организма к периодическим иммобилизационным стрессам сопровождается накоплением в клетках сердца белков теплового шока из семейства hsp70- Причем степень накопления, изоформный состав и субклеточное распределение в значительной мере предопределяет развитие ФАСС и защитных эффектов. Так при адаптации к иммобилизационным стрессам в цитоплазме накапливаются 5 изоформ hsp70, а в нуклеоплазме 2 изоформы, и соответственно 'формируются мощные кардиопротекторные эффекты:
ъеличивается устойчивость -. изолированного сердца как к )еперфузионндму, так и к тепловому повреждению. Кроме того ювышается устойчивость ядерной ДНК к нуклеопротеолизу.
Впервые показано, что динамика прямого и обратного развития іащитннх эффектов ФАСС и содержания hsp70 в миокарде в процессе адаптации к стрессу и после нее коррелируют между собой. При этом ршамика накопления hsp70 имеет нелинейный характер и :арактеризуется определенным латентным периодом - 6-8 дней, после соторого происходит очень быстрое увеличение синтеза этих белков и Армирование защитных эффектов адаптации к стрессу.
Впервые показано, что ФАСС имеет нелокальный характер, и зазвивается не только в сердце, но и в других органах и в частности з печени. Так, предварительная адаптация к стрессу почти в два раза ювысила устойчивость ядерных гистонных белков печени к ювреждающему действию автолиза.
Впервые показано, что адаптационное накопление белков теплового гака также имеет нелокальный характер - в процессе адаптации .к ^мобилизационным стрессам эти белки накапливаются в сердце и Т9Ч9НИ. Наиболее выраженное накопление hsp70 при адаптации к ^мобилизационному стрессу происходит в сердце - 5 изоформ в датоплазме и 2 в ядре, а в печени - I изоформа в цитоплазме и І в эдре.
Показано, что между защитными эффектами адаптации к стрессу и эдаптации к гипоксии существуют глубокие различия как на уровне делого органа, так и на клеточном уровне. Это может быть связано с эсобенностями накопления hsp70 при разных типах адаптации. Так, при эдаптации к гипоксии накапливаются только 2 изоформы в цитоплазме из іяти выявляемых при адаптации к стрессу и соответственно некоторые защитные эффекты, характерные для адаптации к стрессу, при адапатции с гипоксии отсутствуют, а именно: при адаптации к гипоксии повышалась устойчивость сердца к тепловому повреждению, а к реперфузионному - нет. В ядре повышения hsp7o при адаптации к гипоксии не происходило, соответственно не увеличивалась устойчивость ядер к однонитевой ДНК.
Теоретическое значение работы. Выяснение роли hsp 70 в механизме ФАСС и таким .образом раскрытие одного из молекулярных механизмов защитных эффектов адаптации к стрессу и к высотной гипоксии.
Практическое значение работы. Полученные результаты о динамике развития и исчезновения ФАСС создают основу для разработки рекомендаций по выбору оптимального режима адаптации для получения наиболее эффективной защиты как на уровне сердца, так и на уровне других органов.
Результаты работы внедрены в учебный процесс в 3 медицинских вузах. Материалы исследований нашли отражение в монографиях:
F.Z.Meerson. Adaptive protection of the heart. CRC Press.- Boca Raton, 1990; Ф.З.МеерСОН, И.Ю.Малышев. РОЛЬ CTpeCC-бЄЛКОВ В
адаптации и защита сердца. М.: Наука, :Ї992.
Положения выносимые на защиту:
І.При адаптации к стрессорным воздействиям развивается феномен адаптационной стабилизации структур (ФАСС), который состоит' в том, что при адаптации организма происходит резкое увеличение устойчивости органов и клєточішХ' структур к повреждающим факторам: в частности повышается устойчивость изолированного сердца к реперфузионному, термическому повреждению и токсическим дозам антибиотиков и одновременно увеличивается резистентность ядерной ДНК к нуклеопротеолизу. '
2.Адаптация организма к периодическим иммобилизационкым стрессам сопровождается накоплением в клетках органа белков теплового шока из семейства hsp70. Причем степень накопления, изоформный состав и субклеточное распределение в значительной мере предопределяет развитие ФАСС и защитных эффектов. Динамика прямого и обратного развития защитных эффектов. ФАСС и содержания hsp70 в миокарде в процессе адаптации к стрессу и после нее коррелируют между собой. Это свидетельствует о том, что белки теплового шока составляют важное звено в механизме ФАСС.
З.ФАСС имеет нелокальный характер, то есть он развивается не только з сердце, но и в других органах и в частности в печени.
4.Между защитными эффектами адаптации к стрессу и адаптации к гипоксии существуют глубокие различия как на уровне целого органа, так и на клеточном уровне. Это может быть связано с особенностями накопления, изоформного состава и субклеточного распределения hsp?o при разных типах адаптации.
Апробация работы. Материалы диссертации
доложены и обсуждены на: 4 Всесоюзном симпозиуме "Кровообращение в условиях высокогорной и экспериментальной гипоксии" (Душанбе, 1990);
Sth Erwin Riesch Symposium (Freudenstadt, 1990); Constituent :ongress International Society for Pathophysiology (Hoscoh, 1991); 4
всесоюзном симпозиуме "Стресс, адаптация и дисфункция" (Кишенев,
1991); 2nd International Symposium on Hypoxia "Hypoxia and ischemia: ;asic and applied aspects" (Berlin, 1991); The International Society 'or Heart Research "The calcium paradox: the first quarter century" Utrecht, 1991); The International meeting on two-dimensional ilectrophoresis (London, 1991).
Структура диссертации. Диссертационная )абота состоит из введения, двух глав обзора литературы, :арактеристики экспериментальных моделей и методов исследования, свух глав собственных исследований с обсуждением полученных іезультатов, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 51 странице, содержит 43 рисунка и II таблиц. Список литературы іключает 251 источник, из которых 37 опубликовано в отечественных и 14 в зарубежных изданиях.
