CC BY
69
И. С. АБАЗОВА1, М. Т. ШАОВ2, О. В. ПШИКОВА2
КИСЛОРОДЗАВИСИМЫЕ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ПРОТЕКЦИИ НЕРВНЫХ КЛЕТОК ОТ ГИПОКСИИ
Ютделение анестезиологии и реаниматологии Республиканской клинической больницы КБР,
Россия, 360004, г. Нальчик, Затишье;
2кафедра физиологии человека и животных биологического факультета Кабардино-Балкарского госуниверситета,
Россия, 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173. E-mail: [email protected]
Исследовано влияние импульсно-гипоксической адаптации в бионическом режиме ее генеза на напряжение кислорода, импульсную электрическую активность и температуру нейронов коры головного мозга экспериментальных животных. Выдвигается гипотеза, что возрастание напряжения кислорода на фоне снижения электрической активности и температуры нервных клеток может быть одним из механизмов защиты мозга от гипоксии и злокачественных опухолей.
Ключевые слова: нейрон, гипоксия, напряжение кислорода, импульсная электрическая активность, температура, адаптация, бионический режим, злокачественные опухоли.
I. S. ABAZOVA2, M. T. SHAOV1, O. V. PSHIKOVA1
OXYGEN DEPENDENT ELECTROPHYSIOLOGICAL AND THERMODYNAMIC MECHANISMS OF THE PROTECTION OF NEURONZ FROM HYPOXIA
department of Human and Animal Physiology, Kabardino-Balkaria State University, Russia, Nalchik, 360004; 2Branches anesthesiology and reanimation of Republican clinic hospital KBR,
Russia, Nalchik, 360004. E-mail: [email protected]
The influence impulse hypoxia of adaptation in bionics a regime it genesis on oxygen tension, impulse electrical activity and temperature of cerebral cortex neurons of experimental animals is investigated. The hypothesis is put forward, that the increase of oxygen tension on a background of decrease of electrical activity and temperature of neurons can be one mechanisms of protection of a brain from hypoxia and malignant tumors.
Key words: neuron, hypoxia, oxygen tension, impulse electrical activity, temperature, adaptation, bionics a regime, malignant tumors.
Введение
Ранее установлено защитное действие бионического режима импульсно-гипоксической адаптации, скопированного у нервных клеток экспериментальных животных, на восстановительные процессы коры мозга после удаления внутричерепных злокачественных опухолей. Механизмом защиты мозга от рецидива со стороны злокачественных опухолей может быть модуляция бионическим режимом метаболических процессов в нервных клетках, о чем можно судить с помощью кис-лородзависимых электрофизиологических и термодинамических показателей. В этой связи ставились цель и задачи настоящей работы - исследовать динамику напряжения кислорода, импульсной электрической активности и температуры нейронов коры головного мозга экспериментальных животных (крысы вистар) под воздействием бионического режима адаптации.
Методика исследования
Исследовались напряжение кислорода (Ро2), биоэлектрическая активность (ИЭА) и температура (°С) отдельных нервных клеток сенсомоторной зоны коры головного мозга крыс вистар в условиях острой гипоксии и после адаптации к импульсной гипоксии в бионическом режиме ее генеза, предложенном нами при разработке
горно-гипоксического метода протекции мозга от злокачественных опухолей [8]. Ро2 и ИЭА регистрировались с помощью ультрамикроэлектрода из платины [7] и скоростного дифференциально-осциллографического полярографа модели ОП-02А. Синхронно с Ро2 через общий ультрамикроэлектрод регистрировалась и ИЭА нервных клеток на пятиканальной электрофизиоло-гической установке УЭФПТ-5. Температура нейронов измерялась параллельно с Ро2 и ИЭА с помощью микротермопары ПМТ-2 и регистрировалась на самописце КСП-4. Обездвижение животного, погружение измерительных микродатчиков в ткань мозга на глубину от 750 до 850 мкм осуществлялись с помощью стереотакси-ческой техники по общепринятой в электрофизиологии методике. Состояние острой гипоксии создавалось с помощью барофизиологической техники (барокамера для лабораторных животных ГК-100-1). Опыты ставились на 80 животных: 40 контрольных (n=40) и 40 после адаптации (n=40). Все результаты исследования статистически обработаны в программе Excel с использованием t- критерия Стьюдента (* - р<0,05). Для интерпретации температурных изменений определялась динамика энергии активации путем ее вычисления с помощью модифицированного уравнения С. Аррениуса. Эксперименты проводились с соблюдением норм
Кубанский научный медицинский вестник № 3 (108) 2009 УДК 612.822.3: 612.26
Кубанский научный медицинский вестник № 3 (108) 2009
Динамика Ро2, ИЭА, і °С нейронов коры головного мозга
Барокамера, км Ро2, мм рт. ст. ИЭА, имп./сек. Температура, °С
Контр. Адаптир. Контр. Адаптир. Контр. Адаптир.
п=40 п=40 п=40 п=40 п=38 п=38
0 21,4±1,26 31,4±2,30* 7,50±0,92 4,26±1,47* 35,1±0,13 28,6±0,49*
4 16,3±1,19 30,0±1,28* 8,70±0,67 5,29±1,44* 33,9±0,10 28,3±0,69*
10 9,05±1,14 25,3±1,16* 19,6±1,52 7,90±1,58* 32,7±0,09 27,9±0,61*
12 2,30±0,12 14,7±0,96* 0,00±0,00 3,20±0,11* - -
Примечание: * - р<0,05.
гуманного обращения с животными, чему способствовал выбор адекватного метода анестезии и синхронной регистрации исследуемых показателей.
Результаты исследования и обсуждение
Результаты опытов приведены в таблице.
Из данных таблицы видно, что в условиях нормы (0 км, уровень г. Нальчика) Ро2 над поверхностью нейронов адаптированных животных возрастает на 10 мм рт. ст. Такое повышение Ро2 нейронов имеет чрезвычайно важное значение для адаптационной физиологии. Так, в случае критического напряжения кислорода для митохондрий в пределах 0,1-1 мм рт. ст. энергоадаптационный потенциал адаптированных нервных клеток может возрастать в 100 раз по сравнению с контролем (10:0,1).
Сравнение Ро2 нейронов опытных и контрольных животных показывает, что нервные клетки контрольных животных на «высотах» от 0 до 10 км потребляют 12,4, а адаптированные - 6,10 мм рт. ст. кислорода от исходных уровней Ро2. На «высотах» от 10 до 12 км потребление кислорода нейронами контрольных животных составляет 6,75, а адаптированных -10,6 мм рт. ст., т. е. скорость утилизации кислорода у последних возрастает.
Из полученных данных следует, что уровень Ро2 нейронов адаптированных животных превосходит в
6,4 раза уровень Ро2 нейронов контрольных животных в условиях крайней степени гипоксии (12 км «высоты»). Это свидетельствует о высокой эффективности бионического режима адаптации.
ИЭА нервных клеток адаптированных животных снижается в среднем с 7,50±0,90 (контроль) до 4,26±1,47 имп./сек. В снижении ИЭА, видимо, основную роль играют биоэлектрогенные функции кислорода. Известно, что [6] кислород за счет своих магнитных свойств создает ионные ловушки для потенциалообразующих элементов ^а+ , К+) , которые закрывают поры про-топлазматических мембран клеток. Вследствие этого транспорт ионов Na+ в цитоплазму замедляется, т. к. размеры комплексов «кислород - натрий» больше диаметра пор. Адаптационное возрастание Ро2 приводит к еще большему увеличению размеров комплексов «кислород - натрий», в результате чего количество закрытых ими пор в мембранах клеток возрастает. Следовательно, молекулы кислорода являются регуляторами проницаемости потенциалообразующих ионов через поры плазматических мембран возбудимых клеток, что еще раз подтверждает ранее предложенную нами [6] теорию о биоэлектрогенной роли кислорода.
Действие острой барокамерной гипоксической гипоксии вызывает фазные изменения ИЭА нейронов контрольных животных. На «высоте» 4 км происходит возрастание частоты электрических разрядов нервных клеток в 1,2 раза, а в условиях 10 км «высоты» ИЭА резко возрастает - до 19,6±1,52 имп./сек. (в 2,6 раза по сравнению с нормой) и через 1-2 секунды прекращается, т. е. наступает «электрофизиологическая смерть» клеток. В литературе обсуждается вопрос о критических величинах Ро2 для разных тканей [2]. Из полученных нами данных следует, что Ро2, равное
9,05 мм рт. ст., является критической величиной для электрогенных процессов в нервных клетках, переживающих действие острой гипоксии. В этих условиях гипоксии (10 км «высоты») ионные ловушки кислорода, видимо, распадаются: часть ионов Na+ проникает по градиенту в цитоплазму, а другая часть вымывается из межклеточного пространства. Неизбежное при этом возрастание концентрации ионов Na+ в клетке связано в целом с негативным влиянием на ее энергопродукцию - натрийзависимая АТФ-аза начинает работать в режиме гидролазы с последующим распадом АТФ до АМФ, что может быть одной из основных причин отсутствия электрической активности у значительной части нервных клеток в условиях глубокой острой гипоксии. Возможно, из-за этого на «высоте» 12 км, несмотря на относительно высокий уровень Ро2 (2,30 мм рт. ст.), ИЭА нейронов практически не регистрируется.
Совершенно иная динамика ИЭА нейронов адаптированных животных в условиях действия острой гипоксии. По достижении «высоты» 10 км ИЭА нейронов адаптированных животных возрастает в 1,8 раза (от 4,26±1,47 до 7,90±1,58 имп./сек). Однако это возрастание значительно ниже, чем у контрольных (2,6 раза). Чрезвычайно важным является то, что нейроны адаптированных животных в отличие от контрольных и на «высоте» 12 км сохраняют свою электрическую активность (ИЭА =3,20±0,11 имп./сек.) в течение 1-2 минут. Следует отметить, что на этой «высоте» и уровень Ро2 у этих животных больше критической величины Ро2 для нейронов и составляет в среднем 14,7±0,96 мм рт. ст. Из этих данных следуют важные выводы и рекомендации для практического использования в области здравоохранения, при полетах в стратосферу и космос, подводном плавании и др. Так, простой расчет с учетом доминирующего времени прекращения ИЭА контрольных животных на «высоте» больше 10 км (1 сек.) и времени ее сохранения у адаптированных животных на «высоте» 12 км (2 мин) показывает, что время жизни нервных клеток адаптированных животных возрастает в 120 раз.
Большую роль в понимании механизмов формирования адаптации, особенно на клеточном уровне, играет температура - одно из самых глубоких понятий термодинамики, которое служит мерой только неупорядоченного движения частиц и является, таким образом, именно термодинамическим свойством системы многих частиц. Так, по нашим данным, в условиях нормы в глубоких структурах исследуемой зоны коры головного мозга (глубина погружения 750-850 мкм) температура нервных клеток контрольных животных составляет 35,1° С. У адаптированных животных она понижается до 28,6° С, т. е. на 6,5° С. Для обеих групп животных, как видно из таблицы, на нейрональном уровне проявляется хорошо известная в литературе [1] реакция сброса температуры органами в ответ на действие гипоксии. Однако у адаптированных животных температура нейронов на «высотах» 4-10 км снижается незначительно -на 0,3-0,7° С. У контрольных животных она снижается на этих «высотах» в большей мере - на 1,2 и 2,4° С. Снижение температуры нейронов имеет большое значение для биофизического анализа механизмов адаптации, т. к. с помощью производных от нее термодинамических величин, например энергии активации (Еа), скрытые от нас физиологические процессы адаптации приобретают большую наглядность и точность. Так, Еа (показатель неактивных нейронов), определяемая расчетным путем, у контрольных животных на «высоте» 10 км составляет 221,7 ккал/моль. Полученное значение Еа достаточно велико, т. к. Еа большинства биологических процессов в условиях нормы того же порядка, что для химических реакций, и соответствует 20 ккал/моль. Сравнение значений Еа показывает, что Еа нейронов контрольных животных в условиях острой гипоксии (10 км «высоты) возрастает в 11 раз (221,7:20). Следовательно, количество неактивных клеток, а может быть, даже разрушенных, под влиянием острой гипоксии возрастает в 11 раз. Еа нервных клеток опытных животных в этих же условиях гипоксии равна 108,1 ккал/моль, т. е. в 2,1 раза меньше, чем в контроле. Данные расчета Еа подтверждают, что у адаптированных животных в условиях острой гипоксии (10 км «высоты») количество неактивных (или погибших) нейронов уменьшается в 5,2 раза (11:2,1).
Обращает на себя внимание следующее удивительное совпадение. Согласно результатам ранее сделанного расчета [3], понижение температуры до 28° С должно было сопровождаться возрастанием Ро2 в центре модельной нервной клетки с 16 до 22 мм рт. ст., т. е. в 1,4 раза. Проведенные нами исследования на живой нервной клетке показали, что понижение температуры до 28,6° С сопровождается возрастанием Ро2 на ее поверхности с 21,4 до 31,4 мм рт. ст., т. е. в 1,5 раза. Такое близкое совпадение расчетных и экспериментальных данных дает основание считать, что в этих исследованиях мы приблизились к методическому уровню и точности, которые характерны для экспериментов в области физики. Следует также отметить, что данные по температуре нейронов, зарегистрированной в весьма ограниченной структуре коры головного мозга, возможно, распространяются и на весь мозг, т. к. температура в отличие от энергии не зависит от размеров системы [9]. Поэтому снижение температуры нейронов
в результате адаптации на 6,5° С приобретает принципиальное значение для феноменологического анализа механизмов протекции нервных клеток головного мозга от гипоксии и злокачественных опухолей, произрастающих в гипоксических структурах тканей мозга и других органов [8]. Так, энергетическая потребность мозга большинства теплокровных составляет примерно 400 ккал/сутки, что равняется 106,2 г глюкозы. С учетом этого, как показывает простой расчет, при снижении температуры в нервной ткани животных на 6,5° С мозг будет потреблять 325,9 ккал/сутки, или в пересчете на глюкозу 86,5 г. Эти результаты дают нам возможность для проникновения в интимные механизмы протекции нервных клеток от гипоксии - основы почти всех тяжелых заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей [8, 10]. Согласно теории О. Варбурга [10] (эффект Варбурга), злокачественная опухоль произрастает в бескислородных (гипоксических) структурах тканей путем переключения энергопродукции клеток с аэробного дыхания на гликолиз - анаэробный синтез энергии. Это положение теории О. Варбурга теперь признается многими учеными [5]. Адаптировавшиеся к гликолизу раковые клетки для удовлетворения своих энергетических потребностей поглощают в 19-20 раз больше глюкозы, лишая здоровые клетки источников энергии. Параллельно с этим в опухолевых клетках происходят и другие значимые изменения: энергетический заряд клеток падает с 9 до 6,5 [4], проницаемость мембран возрастает [4], теряется контактное торможение из-за резкого возрастания электрокинетического дзета - потенциала на клеточной поверхности.
Как следует из данных настоящей статьи и ранее установленного нами факта [8] протекции мозга от злокачественных опухолей гипоксическими адаптациями, с перечисленными негативными явлениями можно бороться вполне успешно. Так, существенное снижение потребности адаптированных нейронов в притоке глюкозы способствует возрастанию их надежности и работоспособности в условиях злокачественного роста глиом и астроцитом. Повышение Ро2, следовательно, упакованности нервной ткани молекулами кислорода лишает опухолевые клетки их энергетической базы - гликолиза, т. к. под влиянием растущего парциального давления кислорода в трансформированных клетках нормализуются аэробные процессы на фоне ингибирования гликолиза [4] (эффект Пастера). Кроме того, возрастание уровня Ро2 в примембранном пространстве клеток снижает проницаемость их мембран по отношению к потенциалообразующим ионам, о чем свидетельствует снижение ИЭА клеток адаптированных животных. Следовательно, частота попадания Na+ в цитоплазму снижается, что способствует натрийзависимой АТФ-азе повышать свою синтетазную активность и таким образом восстанавливать энергетический заряд трансформированных клеток и снижать их дзета-потенциал. В результате этих процессов, вполне реальных на основании наших данных, возрастает энергоадаптационный потенциал нервных клеток, а толерантность части раковых клеток к кислороду восстанавливается. Другая же их часть погибает (апоптоз) от агрессивных форм кислорода, являющихся его спутниками.
Итак, механизмом протекции нервных клеток от гипоксии и злокачественных опухолей, по нашим данным, являются: возрастание уровня Ро2 и снижение частоты
Кубанский научный медицинский вестник № 3 (108) 2009
УДК 616.7-08:615.83 Кубанский научный медицинский вестник № 3 (108) 2009
импульсных электрических разрядов нейронов, понижение температуры в нервной ткани. Дальнейшее детальное изучение этих механизмов позволит предложить надежную научную основу для развиваемой нами концепции адаптационной оксигенотерапии раковых клеток и протекции нейронов головного мозга от гипоксии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Баженов Ю. И. Терморегуляция при адаптации к гипоксии. -Л., 1986. - 125 с.
2. Герасимов А. М. и соавт. Формирование системы противо-кислородной защиты организма. - М., 1998. - 187 с.
3. Иванов К. П., Кисляков Ю. Я. Энергетические потребности и кислородное обеспечение головного мозга. - Л., 1979. - 212 с.
4. Медведев Ю. В., Толстой А. Д. Гипоксия и свободные радикалы в развитии патологических состояний организма. - М., 2000. -277 с.
5. Фокин В. Ф., Пономарева Н. В. Энергетическая физиология мозга. - М., 2003. - 288 с.
6. Шаов М. Т. Влияние напряжения кислорода на электрические проявления возбуждения нервного волокна // Сб. науч. труд. «Актуальные проблемы гипоксии». - Москва - Нальчик, 1995. -С. 74-87.
7. Шаов М. Т. Динамика напряжения внутриклеточного кислорода при возбуждении клетки нителла флексили // Биологические науки. - М., 1968. - С. 129-131.
8. Шаов М. Т. и соавт. Механизмы защиты мозга от злокачественных опухолей импульсно-гипоксической адаптацией // Гипоксия в медицине. - М., 2002. - С. 52-55.
9. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. - М., 1987. - 223 с.
10. Warburg O. On original of cell. Science. - 1956. -P. 309-314.
Поступила 09.04.2009
Х. Ю. АФАШАГОВ2, Г. Д. ИБАДОВА2, К. В. ГОРДОН1
ЛЕЧЕБНО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ МЕДИЦИНЫ ПРИ ПАТОЛОГИИ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Кафедра восстановительной медицины, физиотерапии, спортивной медицины и лечебной физкультуры, мануальной терапии КГМУ,
Россия, 35OOOO, г. Краснодар, ул. Седина, 4;
2ФГУ«Научно-исследовательский центр курортологии и реабилитации» (г. Сочи) Федерального медико-биологического агентства, Россия, 35OOOO, Краснодарский край, г. Сочи, ул. Дорога на Большой Ахун, I4. E-mail: [email protected]
Включение процедур транскраниальной электронейростимуляции в комплексное восстановительное лечение больных остеоартрозом с сопутствующим остеохондрозом способствует нормализации психовегетативного статуса пациентов, потенцирует противовоспалительный и анальгезирующий эффект дифференцированной аппаратной физиотерапии, включающей применение электрофореза обогащенной адлерской иловой грязи, лазеротерапии.
Ключевые слова: транскраниальная электронейростимуляция, восстановительное лечение, остеоартроз, остеохондроз, сероводородная бальнеотерапия, гальванопелоидотерапия, лазеротерапия.
H. J. AFASHAGOV2, G. D. IBADOVA2, K. V. GORDON1
TREATMENT-AND-PROPHYLACTIC EFFICIENCY OF APPLICATION OF TECHNOLOGIES OF REGENERATIVE MEDICINE AT THE PATHOLOGY OF THE OPORNO-IMPELLENT DEVICE
1Chair of regenerative medicine, physiotherapy, sports medicine and physiotherapy exercises, manipulation KGMU,
Russia, 350000, Krasnodar;
2FGU «The Research centre of balneology and rehabilitation» (of Sochi) Federal medical and biologic agency,
Russia, 350000, Sochi. E-mail: [email protected]
Inclusion of procedures transcranial elektrostimulaition in complex regenerative treatment sick revmatoids arthritis and osteoartrosis with an accompanying osteochondrosis promotes normalisation of the psycho-vegetative status of patients, provides anti-inflammatory and anaesthetising effect of the differentiated equipment room of the physiotherapy including application электрофореза enriched Adler иловой of a dirt, lazero - and KVCH-therapies.
Keywords: transcranial elektrostimulaition, regenerative treatment, ревматоидный an arthritis, osteoartrosis, an osteochondrosis, hydrosulphuric balneotherapies, galvanopeloidotherapies, lazero - and KVCH- therapies.
Болевой синдром, нарушение подвижности разнообразных суставов, экстравертебральные синдромы являются одними из ведущих факторов, снижающих качество жизни и физическую работоспособность
больных с патологией опорно-двигательного аппарата. Остеоартрозы относятся к дегенеративным заболеваниям, частота которых в условиях экологического неблагополучия, неправильного образа жизни
