CC BY
17
Г.А. Кудря вцева
Изменение циркадианной организации жизнедеятельности и функционального состояния организма у животных в ответ на хемострессорное воздействие
ФГУП «Научно-исследовательский институт гигиены, токсикологии и профпатологии»
ФМБА России, г. Волгоград
G.A. Kudryavtseva
Changes in circadian cycles and vital signs in animals in response to hemostressornoe
Federal State Unitary Enterprise «Research Institute for Hygiene, Toxicology and Occupational Pathology» at Federal Medical and Biological Agency (FSUE «RIHTOP» FMBA Russia), Volgograd
Ключевые слова: циркадианные биоритмы, функ- Keywords: circadian biorhythms, functional state of
циональное состояние организма, уровень общей the overall level of non-specific reactivity of the body.
неспецифической реактивности организма.
Цель. Выявить особенности циркадианной динамики у животных с различным уровнем общей неспецифической реактивности организма (УОНРО) при воздействии хемострессорного раздражителя.
Материалы и методы. Исследования проводились на 60 морских свинках обоего пола живой массой 300—350 г. Оценивался УОНРО в течение суток после внутрибрюшинного введения липополиса-харида S. thyphimurium (ЛПС) в дозе 0,5 мг/кг. Исследовалась также аурикулярная температура тела в градусах по Цельсию за первые 30 мин. после введения токсина (AT0), динамика количества лейкоцитов за первые 180мин. после введения ЛПС (М10).
Результаты. Экспериментальные исследования показали зависимость циркадианной организации отдельных физиологических показателей лабораторных животных с дневным циклом активности от УОНРО. Полученные доказательства касались таких интегральных показателей активности жизнедеятельности, как температура тела и содержание лейкоцитов в периферической крови. Выводы. По результатам тестовых нагрузок с введением бактериального ЛПС были зарегистрированы стереотипные реакции в виде повышения температуры на 0,8—1,8 °С, снижения количества лейкоцитов в крови до 40%. Для суточного ритма этих реакций в основном были характерны акрофазы с 12:00 до 15:00 и амплитуды в пределах от 20 до 80% от мезора.
Objective. To identify the characteristics of circadian dynamics in animals with different levels of general non-specific reactivity, exposed to stress stimulus. Materials and Methods. The study included 60guinea pigs of both genders with body weight 300—350g. We assessed the level of general non-specific reactivity of the body within 24 hours after intraperitoneal injection of lipopolysaccharide S. Thyphimurium (LPS) — 0.5 mg/kg. We measured auricular body temperature in °C within the first 30 min after administration of the toxin (AT3) and followed the dynamic of leukocytes count for the first 180 minutes after administration of LPS (AL10). Results. Performed experimental studies showed dependence of the circadian organization ofindividual physiological parameters of laboratory animals with the daily cycle of activity on the level of general nonspecific reactivity. Obtained evidence concerned such integrated indicators of life activity, body temperature and white blood cell count in the peripheral blood. Conclusion. The experimental exposure to bacterial LPS caused stereotyped responses: increase of the body temperature by 0,8—1,8 °C, lower leukocytes count by 40%. For the 24 hours rhythm of these reactions, acrophase between 12.00—15.00 and amplitudes ranging from 20 to 80 % of mezora were typical.
Animals with a high level of general non-specific reactivity show specific characteristics of circadian organization in response to stressful stimuli forming later and larger in amplitude rhythms.
Животные с высоким УОНРО обладают специфическими особенностями циркадианной организации реагирования на стрессорные стимулы в виде более поздних и больших по амплитуде ритмов. Для суточных ритмов животных с низким УОНРО характерны меньшие амплитуды и относительно более ранние сроки акрофаз температуры и содержания лейкоцитов в крови. Таким образом, можно сделать заключение, что сила и циркадианная вариабельность этих реакций различались в экспериментальных группах в зависимости от особенностей циркадианной организации жизнедеятельности и функционального состояния организма у животных с различным УОНРО.
For the daily rhythms of animals with low Exactly general non-specific reactivity have smaller amplitudes and relative to earlier acrophase of temperature and contents of leukocytes in the blood. Thus, it can be concluded that the strength and circadian variability of these reactions differ in the experimental groups, depending on the characteristics of the circadian organization of life and functional status in animals with a different level of general nonspecific reactivity .
B последние годы наибольший интерес в научных исследованиях приобретает изучение физиологических механизмов адаптации человека и животных к воздействию периодически изменяющихся условий внешней среды. Адаптационные изменения, происходящие при этом, нередко характеризуются выраженным напряжением механизмов регуляции гомеостаза, что проявляется изменениями структуры биологических ритмов различных физиологических функций [1, 3].
Из всего многообразия колебательных процессов основное внимание исследователей привлекают циркадианные (околосуточные; от лат. circa — «около» и dies — «день») биоритмы. Циркадианные ритмы, или часы, — весьма консервативная особенность организмов всех живых существ на Земле, связанная с циклической сменой освещенности, т.е. вращением Земли вокруг своей оси, и проявляющаяся изменениями в организме, происходящими, соответственно, с ритмичностью около 24 ч на уровне клетки, ткани и самого организма. Наличие этих колебаний свидетельствует о способности организма предвидеть изменения окружающей среды и заранее перестроить физиологические механизмы и поведение в соответствии с условиями, изменяющимися в течение суток [5, 6], поэтому согласованность циркадианных ритмов различных функций организма является биологическим критерием его функционального состояния [2].
По литературным данным, в качестве диагностического критерия оценки функционального состояния организма активно используется УОНРО, качественно и количе-
ственно отражающий степень индивидуальной чувствительности к различным экзогенным воздействиям. В качестве показателя УОНРО используется порог болевой чувствительности (ПБЧ) [2].
Цель исследования — выявить особенности циркадианной динамики у животных с различным УОНРО при воздействии хемострессорного раздражителя.
Материалы и методы исследования. Исследования выполнялись на 60 морских свинках обоего пола живой массой 300— 350 г. Животные содержались в условиях естественного освещения группами по 20 особей в стандартных клетках Т-4. Температура воздуха в помещении вивария поддерживалась в пределах +18—22 °С, относительная влажность составляла 50—60%.
В качестве показателя УОНРО использовали ПБЧ при применении специального электропола со стандартизированной управляемой подачей разницы потенциалов на конечности животных от 5 до 30 В с шагом в 0,5 В. Основу электропола составляла сте-клотекстолитовая пластина 30х50 см с поперечно закрепленными на ней медными шинами шириной 6 мм и интервалом между ними 3 мм. Напряжение подавали между соседними токопроводящими шинами через лабораторный автотрансформатор и плавно повышали реостатом от 10 В и выше до возникновения реакции устранения конечностей от поверхности электропола. В момент возникновения реакции фиксировали напряжение электротока, принимая его за ПБЧ. При этом было установлено, что минимальному ПБЧ (10,1—15,4 В) соответствует высокий
УОНРО, среднему (15,5-20,8 В) - средний УОНРО, максимальному ПБЧ (20,926,2В) - низкий УОНРО [2].
В качестве сильного стрессора вводили ЛПС S. thyphimurium (Sigma, USA) в дозе 0,5 мг/кг массы внутрибрюшинно, что по токсикологической характеристике производителя соответствует LD10. В результате в первые 3 ч погиби 4 морские свинки (две в группе с высоким УОНРО и по одной в группах со средним и низким УОНРО) - 6,7% всех животных.
У исследуемых свинок в течение суток с интервалом в 3 ч определяли выраженность пирогенной реакции как прирост аурикулярной температуры в градусах по Цельсию за первые 30 мин. после введения токсина (AT), динамику количества лейкоцитов за первые 180 мин. после введения ЛПС (AL180).
Статистическая обработка получен-ных результатов проводилась стандартными методами с использованием t-критерия Стьюдента, с вероятностью ошибки р <0,05. Все основные экспериментальные результаты получены с использованием встроенных функций программ Microsoft Excel (Microsoft, USA) и STATISTICA 6.0 (StatSoft Inc., USA).
Результаты исследования. Результаты определения температурной реакции в ответ на введение бактериального ЛПС у морских свинок с различным УОНРО в течение суток представлены в таблице 1.
Пирогенная реакция на введение бактериального ЛПС — фундаментальный биологический ответ теплокровных животных на введение этого токсина. Норма реакции при таких дозах ЛПС для морских свинок хорошо определена и составляет около 1,5 °С за первые 30 мин после его введения. В нашем исследовании во всех группах и на каждом временном интервале был зарегистрирован положительный АТ30, но величина подъема температуры зависела как от времени введения токсина, так и от УОНРО подопытных животных. У морских свинок с высоким УОНРО она составляла в среднем 1,37±0,13 °С, у животных со средним УОНРО - 1,34±0,12 °С, с низким -1,11±0,09 °С.
Циркадианный ритм АТ30 имел монофазный характер: в утренние часы регистрировались умеренная реакция, акрофаза АТ30 приходилась во всех группах на интервал с 12:00 до 15:00, затем температурная реакция снижалась. Батифазы выявлены для животных с высоким и средним УОНРО в 21:00, с низким УОНРО - в 18:00 (для последних был характерен небольшой подъем АТ30 к 21:00).
Таким образом, результаты исследования показали, что УОНРО влияет на интенсивность температурной реакции в ответ на введение ЛПС в большей степени, чем суточный биоритм. Для животных с высоким и средним УОНРО характерны примерно на треть более высокие значения АТ30 в
Таблица 1 Циркадианная динамика температурной реакции на введение бактериального ЛПС (АТ30, °С) у морских свинок с различным УОНРО (М±т)
Время Уровень общей неспецифической реактивности организма
высокий (n=20) средний (n=20) низкий (n=20)
9:00 1,60±0,20 1,27±0,14 1,07±0,12
18* Н* 12* В*
12:00 1,77±0,21 1,64±0,17 1,33±0,15
18* Н* 9* 18* Н* 18* В* С*
15:00 1,67±0,19 1,73±0,20 1,30±0,15
18* 9* 18* 18*
18:00 1,10±0,12 1,13±0,12 0,83±0,10
15* 21* 15* 15*
21:00 0,73±0,09 0,92±0,09 1,04±0,11
18* Н* 15* В*
Примечания. Буквой п обозначено количество животных. В ячейках под значениями отмечены ближайшие предшествующие и последующие во времени достоверные различия (например, 9* — это р <0,05 со значением в 9:00) и различия между группами с различным УОНРО: В* — с высоким УОНРО, С* — со средним УОНРО, Н* — с низким УОНРО.
сравнении с животными с низким УОНРО. Только животным с низким УОНРО присущ вечерний подъем температурной чувствительности к введению ЛПС (рис. 1).
Результаты исследования лейкоцитарной реакции у морских свинок с различным УОНРО в ответ на введение ЛПС в различное время суток представлены в таблице 2.
Поскольку в лейкоцитарной формуле у морских свинок преобладают лимфоциты (до 80%), введение ЛПС сопровождается у этих животных стереотипной реакцией миграции лимфоцитов в ткани и развитием лейкопении. В нашем исследовании был выявлен ряд особенностей, связанных с циркади-анным ритмом и УОНРО лабораторных животных (таблица 2).
У морских свинок с высоким УОНРО средняя величина Л^180 составила 3,18х 109/л, со средним УОНРО — 2,20х109/л, с низким — только 0,81х109/л. Для животных с высоким и средним УОНРО было характерно нарастание (по модулю) величины лейкоцитарной реакции с максимумом к 15:00 и постепенным повышением к 21:00. У морских свинок с низким УОНРО до 12:00 реакция практически отсутствовала и даже была инвертированной, а затем регистрировалось снижение количества лейкоцитов, но в значительно меньшей степени, чем у животных с высоким или средним УОНРО.
Выявленные различия ярко свидетельствуют о зависимости циркадианных ритмов
лейкоцитарной реакции на введение ЛПС от реактивности организма (рис. 2).
Выводы
По результатам тестовых нагрузок с введением бактериального ЛПС были зарегистрированы стереотипные реакции в виде
Рис. 1. Циркадианная динамика температурной реакции (АТ30, °С) морских свинок с различным УОНРО в ответ на введение бактериального ЛПС
Рис. 2. Циркадианная динамика лейкоцитарной реакции морских свинок с различным УОНРО в ответ на введение бактериального ЛПС
Таблица 2 Циркадианная динамика количества лейкоцитов в периферической крови (х109/л) морских свинок с различным УОНРО (М±ш)
Время Уровень общей неспецифической реактивности организма
высокий (n=20) средний (n=20) низкий (n=20)
9:00 -1,77±0,12 —1,45±0,10 —0,22±0,05
12* Н* 12* 12* В*
12:00 -2,76±0,15 —2,91±0,14 0,35±0,06
9* 15* Н* 9* 15* 9* 15* В*
15:00 —4,57±0,23 -3,34±0,16 —0,77±0,09
12* 18* Н* С* 12* 18* В* Н* 12* 18* В* С*
18:00 -3,68±0,17 —2,26±0,12 — 1,52±0,13
15* 21* Н* С* 15* 21* В* Н* 15* 21* В* С*
21:00 -3,13±0,15 — 1,03±0,08 — 1,88±0,14
18* Н* С* 18* В* Н* В* С*
Примечания. Буквой n обозначено количество животных. В ячейках под значениями отмечены ближайшие предшествующие и последующие во времени достоверные различия (например, 9* — это p <0,05 со значением в 9:00) и различия между группами с различным УОНРО: В* — с высоким УОНРО, С* — со средним УОНРО, Н* — с низким УОНРО.
At, °C
10 '/л
повышения температуры на 0,8—1,8 °С, снижения количества лейкоцитов в периферической крови до 40%. Для суточного ритма этих реакций в основном были характерны акрофазы в период с 12:00 до 15:00 и амплитуды в пределах от 20 до 80% от мезора.
Животные с высоким УОНРО обладают специфическими особенностями циркадианной организации реагирования на стрес-сорные стимулы в виде более поздних и больших по амплитуде ритмов.
Для суточных ритмов животных с низким УОНРО характерны меньшие амплитуды и относительно более ранние сроки акро-фаз температуры и содержания лейкоцитов в крови.
Таким образом, можно сделать следующее заключение: сила и циркадианная вариабельность этих реакций различались в экспериментальных группах в зависимости от особенностей циркадианной организации жизнедеятельности и функционального состояния организма у животных с различным УОНРО.
Литература
1. Иванов С.В., Мороков В.А., Герасимова Н.Д. и др. Хроноэпидемиология — инструмент доказательной медицины / / Мат-лы I Рос. съезда по хронобиологии и хрономедицине с международным участием. Владикавказ, 2008. С. 26—27.
2. Ивахник О.Н., Батурин В.А., Кузнецова И.Г. и др. Циркадианный ритм внутриклеточного магния у крыс при инверсии светового режима // Экология человека. 2006. Приложение 4/2. С. 123-125.
3. Маркина В.В., Кузин С.М. Роль механизмов саморегуляции в синхронизации клеток и формировании ритмов пролифера-тивной активности // Мат-лы I Рос. съезда по хронобиологии и хрономедицине с международным участием. Владикавказ, 2008. С. 36-37.
4. Мулик А.Б., Постнова М.В., Мулик Ю.А. Уровень общей неспецифической реактивности организма человека: монография // Волгоград: Волгоградское науч. изд-во, 2009. 224 с.
5. Bass J., Takahashi J.S. Circadian integration of metabolism and energetics // Science. 2010. № 330 (6009). P. 1349-1354.
6. Haus E. Chronobiology in the endocrine system // Adv. Drug Deliv. Rev. 2007. Vol. 59. № 7. P. 985-1014.
Контакты:
Кудрявцева Галина Алексеевна,
научный сотрудник лаборатории иммунологии
ФГУП «НИИ ГТП» ФМБА России,
кандидат биологических наук.
Тел. раб.: 8-442-78-62-59
E-mail: [email protected]
