Введение к работе
Актуальность данной работы определяется м, что она посвящена изучению количественных характеристик различных імпонентов микроциркуляторной системы в разных органах (мозг, сердце, (шечник, скелетная мышца) при типовых патологических процессах (ишемии, спалений, гипертензии), при воздействии физических факторов (гипер- и іпотермия, магнитное поле) и фармакологических веществ, что является юбходимой - основой для разработки методов коррекции возникающих ірушений.
Развитие микроциркуляции как самостоятельной области науки началось :оло сорока лет назад в США при активном участии Paul Johnson'a и :njamin Zweifach'a. Особое значение этого отдела сосудистого русла іусловлено огромной суммарной поверхностью капилляров, через которую :уществляется обмен, и которая составляет у человека около 560 кв.м (Keele
al., 1982). Значительные достижения в исследованиях микроциркуляции,
.ізвавшие резкий подъем интереса к новому научному направлению во всем
пре, в немалой степени были обусловлены применением в этих исследованиях
кледних технических достижений, телевизионной и видеоаппаратуры, лазерной
вычислительной техники.
В нашей стране усилиями школ В.В.Куприянова, А.М.Чернуха, И.Мчедлишвили, К.А.Шошенко, многих лабораторий и ученых в условиях :сперимента и клиники разрабатываются фундаментальные проблемы изиологии и патологии микроциркуляции. До недавнего времени уровень ечественных исследований микроциркуляции соответствовал тенденциям ізвития мировой науки, но в последние годы возник разрыв между >стнжениями зарубежных и отечественных ученых в этой области. В то время ІК во многих странах нарастает объем фундаментальных работ, посвященных юблемам регуляторных механизмов (Altura, 1982), физиологии и фармакологии нкроцнркуляции (Mortillaro, 1984), роли свободных радикалов в повреждении нкрососудистого русла (Arfors, Del Maestro, 1986), ишемическнм и реперфузион->ш нарушениям (Hammersen, Messmer, 1989), современным методам исследова-ія микроциркуляции (Baker, Nastuk, 1986) и клинической капилляроскопии iollinger, Fagrell, 1990), в нашей стране число работ, по актуальным проблемам нкроцнркуляции, сокращается. Об этом свидетельствуют и материалы 4-го Международного конгресса по микроциркуляцин (г.Луисвилль, США, 1991) и 17-) конгресса Европейского общества по микроциркуляции (Лондон, 1992).
В значительной мере, такой спад обусловлен ограниченными возможностями зименяемых методов исследования, и в первую очередь микроскопии, которая ггается одним из основных инструментов для изучения микроциркуляцин. эзможности применения субъективных, качественных оценок, на основе зторых основана большая часть исследований, ограничены и в значительной епени исчерпаны. В связи с этим, все более важной становится проблема ізработки количественных методов исследования микроциркуляцин и, в істности, методов количественной микроскопии.
Для количественного анализа необходим системный подход, который требуе установления субординации в системе микроциркуляцин и выделения элементе ее структуры, которые функционируют относительно самостоятельно. Результат обобщения многих частных наблюдений явилось обоснование А.М.Чернухо (1976, 1979) положения о функциональном элементе органа или ткани, по которым понимается единство кровеносных микрососудов, лимфатически капилляров, прилежащей к сосудам ткани и средств регуляции протекающих этом участке процессов, а также введение понятия модуля, заключающего себя комплекс повторяющихся элементов, взаимодействующих в предела ограниченного пространства (В.В.Куприянов, 1986).
В данной работе осуществлена разработка новых количественных методе оценки состояния микроциркуляции, основу которых составляют автоматически анализ изображений - для определения морфофункциональных параметре микрососудистого русла, и метод микропризматической решетки - для изучены микрогемодинамики. С помощью этих методов проведены нсследовани нарушений микроциркуляцин в разных органах и у разных видов животны при типовых патологических процессах: ишемии, гипертензии, воспалении, также при фармакологических и физических воздействиях.
На фоне большого числа работ о влиянии ишемии и реперфузии н состояние различных систем и органов - сердца (Gavin et al., 1983; F.Z.Meersoi 1984), скелетной мышцы (Burton et at., 1987; Lewis, 1980) и др. очень мал исследований влияния ишемии и реперфузии на структуру и функції микрососудистого русла (Gidloef et al., 1980; Hammersen F., Hammersen E. 198' Hammersen F., Messmer K., 1989; П.Н.Александров и др., 1986). Известно, чт гипертензия сопровождается уменьшением васкуляризацин тканей (Hutchii Darnell, 1974; Henrich, 1980; Prewitt et al., 1982), обнаружено уменьшени плотности сосудистой сети головного мозга у гипертензивных крыс, уменьшен! числа капилляров в коре у людей, страдавших гипертонической болезнь (Г.Ф.Демиденко, 1981). Поскольку такое уменьшение может приводить возникновению ишемическнх зон в мозговой ткани (И.А.Соколова, С.М.Блинко 1981), изучение васкуляризацин мозга при гипертензии непосредственно связан с исследованиями проблем ишемии.
Для коррекции ишемическнх нарушений наряду со многим фармакологическими препаратами все шире применяются различные физическі факторы. В ряде случаев, особенно в хирургической практике, для этой цел используются температурные воздействия. Однако, изменения мнкроциркуляци под воздействием повышенной или пониженной температуры не изучены.
В последнее время в терапевтических целях при ишемическнх гипертензивных состояниях все чаще используются магнитные поля (магнитнь браслеты, "магнитотроны" и др.). С другой стороны, проблема воздействі магнитных полей (МП) на организм человека становится все более актуальне в связи с широким распространением электрических и электронных приборо используемых в лабораториях, на производстве и в быту. Эти приборы обыч^ создают МП небольшой интенсивности (до 3 мТл, по данным Miller (1974 которые, однако, при достаточно длительной экспозиции, могут вызыват неблагоприятные последствия для здоровья: от слабости, головных болей расстройств зрения до увеличения частоты самопроизвольных аборто
5 іеринатальной смертности, врожденных уродств и др. (Loevsund, 1980; Ericson, iCaellen, 1986). Сведения о влиянии магнитных полей на состояние никроциркуляции весьма ограничены (А.М.Демецкий и др., 1979; Э.Л.Соболева и Ф-, 1981).
Несмотря на широкое изучение воспалительного процесса (A.M.Чернух, 1979; rlauck, Irwin, 1979; Movat, 1979 и др.), сведений о влиянии этого процесса на :остояние микроциркуляции недостаточно.
Экспериментальные исследования нарушений, возникающих в
инкроциркуляторном русле при разных видах патологии и внешних воздействий, федставляют собой основу для разработки методов их патогенетической фофилактики и терапии, что является непосредственной задачей патофизиологии Т.Н.Крыжановский, 1984).
Цель работы - изучить возможности количественного анализа эазных компонентов микроциркуляторнои системы для объективной оценки ее :остояння в условиях нормы и патологии, а также при фармакологических и физических воздействиях. Дать количественную характеристику развития «которых типовых патологических процессов на уровне микрососудистого русла.
В рамках этой общей цели решались следующие задачи:
1. Разработать методы определения морфофункциональных характеристик
:истемы микроциркуляции на основе автоматического анализа изображений.
2. Сравнить результаты оценки морфофункциональных параметров
инкрососудистого русла, получаемые при компьютерном анализе, с данными
градншюнных ручных методов измерений.
-
Оценить возможности применения метода мнкропризматической решетки іля измерения скорости кровотока в микрососудах в условиях нормы и при нарушениях микрогемодинамики.
-
Определить характер распределения скорости кровотока в разных звеньях инкрососудистого русла брыжейки тонком кишки в условиях нормы.
5. Провести количественный анализ изменений состояния разных
сомпонентов микроциркуляторнои системы, возникающих при ишемии, воспалении
і гипертензни.
6. На основании количественного анализа выявить реакции мпкроцир-
суляторного русла на воздействие фармакологических и физических факторов.
Научная новизна работы. Впервые проведен соличественный анализ состояния разных компонентов микроциркуляторнои :истемы в условиях нормы, при патологических состояниях и при воздействии фармакологических и физических факторов. Показаны возможности «пользования компьютерного анализа изображений для прижизненного изучения микроциркуляции.
Впервые для измерения скорости кровотока в микрососудах применен метод мнкропризматической решетки. С помощью нового метода установлен характер распределения скоростей кровотока в терминальных звеньях микрососуднстого зусла в пределах функционального элемента органа. Обнаружено, что гаибольшие изменения скорости кровотока происходят в прекапиллярных іртериолах и посткапиллярных венулах.
Обнаружен феномен разнонаправленных реакций сходных звеньев микрососудистого русла на одинаковые воздействия. Установлено, что близкие
по морфофункдиональиым характеристикам и локализации микрососуды, входящие в один функциональный элемент, на одно и то же внешнее воздействие отвечают различно: дилатацией, констрикцией или отсутствием реакции. Показано, что эти различия в типах реакции могут быть связаны с пространственной ориентацией гладкомышечных клеток в стенке микрососуда, а также с относительной толщиной стенки.
Установлено, что непрерывная остановка кровотока и сопровождающая ее ишемия вызывают меньшие нарушения микрогемодинамики, чем несколько последовательных выключений кровотока меньшей суммарной продолжительности.
В динамике развития ишемии кишечника и в процессе реперфузии выявлен феномен экстравазации эритроцитов из венул и венулярных отделов капилляров.
Установлено, что повышение температуры кишечной петли до 40С в
постишемическом периоде сопровождается усилением нарушений
микроциркуляции, вызванных ишемией и реперфузией. Понижение температуры органа до 20С в тех же условиях способствует нормализации возникающих при ишемии нарушении.
Выявлена реакция периферической микрогемодинамики и ряда системных показателей на кратковременные и длительные воздействия на мозг слабых магнитных полей.
Теоретическое значение работы.
Как в условиях развития типового патологического процесса, так и при физических воздействиях обнаружена разнородность реагирования микрососудов, близких по морфофункциональным характеристикам и входящим в один функциональный элемент. Эта неоднородность реагирования может быть обусловлена разными свойствами стенок микрососудов.
В условиях ишемии кишечника и при реперфузии показана динамика процесса экстравазации эритроцитов из микрососудистого русла, что свидетельствует о нарушениях резистентности сосудистой стенки.
Проведенные экспериментальные исследования с помощью количественных методов оценки позволили выявить неизвестные до настощего времени звенья патогенеза микрососудистых расстройств при ишемии. Показана важная роль состояния стенок микрососудов в развитии нарушений микроциркуляции.
Практическое значение работы определяется тем, что в ней показаны возможности применения автоматического анализа изображений для количественных исследований микроциркуляции, не только в эксперименте, но и в клинических условиях, разработаны необходимые методические приемы, алгоритмы анализа и программное обеспечение. Показано на практике, что результаты автоматического анализа коррелируют с данными традиционных ручных методов, но компьютерный анализ обеспечивает большую точность и объективность результатов, возможность определения значительно большего числа параметров, высокое быстродействие и эффективность исследований.
Проведены испытания и определены возможности практического применения прибора MPV-Compact-Vel для измерения скорости кровотока в микрососудах. Показано, что новый метод обеспечивает высокую точность измерений в широком диапазоне скоростей и диаметров микрососудов.
Установлено, что наибольшее изменение скорости кровотока в микрососудистом русле брыжейки происходит в прекапиллярных артериолах и посткапиллярных венулах.
Методом количественной морфометрии показано, что предварительное введение маннитола до временной остановки мозгового кровотока позволяет сохранить проходимость микрососудов в период реперфузии и значительно уменьшить проявления феномена невосстановления кровотока.
Установлено, что снижение температуры кишечной петли до 20С в постишемическом периоде способствует более быстрому восстановлению нарушений микроциркуляции, вызванных ишемией и реперфузией.
Определен характер реакции периферической микрогемодинамики и ряда системных показателей на воздействие пременных магнитных полей. Показано, что длительное облучение организма магнитным полем 0,6 мТл сопровождается стойким уменьшением частоты дыхания.
Положения, выносимые на защиту:
-
Метод компьютерного анализа изображений обеспечивает определение всех основных параметров мнкроциркуляции во всех звеньях микрососудистого русла как в условиях нормы, так и при разных видах патологии, фармакологических и физических воздействиях, обладая высокой точностью, быстродействием, значительно повышая эффективность исследований. Результаты автоматического анализа коррелируют с данными, полученными традиционными методами ручной морфометрии.
-
Метод микропризматической решетки обеспечивает высокую точность, объективность и эффективность исследовании микрогемодинамики в физиологических условиях и при различных нарушениях микроциркуляции, обладая существенными преимуществами перед другими методами.
-
Микрососуды, аналогичные по морфофункциональным характеристикам и локализации, на одинаковые воздействия могут отвечать разнонаправленными реакциями. Важную роль в возникновении такой неоднородности играют свойства сосудистой стенки.
-
В условиях реперфузии после ишемии повышение температуры стенки кишки до 40С сопровождается усилением нарушений мнкроциркуляции, вызванных ишемией. Понижение температуры в этих условиях до 20С способствует нормализации возникших нарушений.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на 1-м Советско-Шведском симпозиуме "Прижизненная микроскопия: ее настоящее и будущее" (Упсала, Швеция. 1981); 9-м Всемирном конгрессо по кардиологии (Москва, 1982); 3-м Советско-западногерманском симпозиуме "Количественные методы в медицинских и биологических исследованиях" (Москва, 1983); Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы нарушений гемодинамики и регуляции микроциркуляции в клинике и эксперименте" (Москва, 1984); 2-м Советско-шведском симпозиуме "Исследование микроциркуляции в эксперименте и клинике" (Москва, 1986); 5-м Советско-западногерманском симпозиуме "Новые методы и приборы для микроскопии в медицине и биологии" (Москва, 1987); 15-м Съезде Всесоюзного физиологического общества пм.И.П.Павлова (Кишинев, 1987); Симпозиуме СССР-
ГДР "Субстанция Р в регуляции физиологических и патологических процессов" (Москва, 1988); IV Всесоюзном съезде патофизиологов (Кишинев, 1989); 3-м Советско-шведском симпозиуме "Клинические и экспериментальные исследования микроциркуляции" (Линчепинг, Швеция, 1989); 16-й Европейской конференции по микроциркуляции (Цюрих, Швейцария, 1990); Учредительном конгрессе Международного общества по патофизиологии (Москва, 1991) и др.
Структура работы:
