CC BY
34
В. В. Воробьева, П. Д. Шабанов
МОРФОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ МИОКАРДА КРОЛИКА
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ОБЩЕЙ ВИБРАЦИИ И ПОСЛЕ ФАРМАКОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ЯНТАРНОЙ КИСЛОТОЙ
Военно-медицинская академия им. С. М. Кирова, Санкт-Петербург
Высокая смертность среди трудоспособного населения, в 4,5 раза превышающая показатели Евросоюза, в том числе обусловленная профессиональными заболеваниями, требует более углубленного изучения патогенеза вибрационной болезни, как одной из основных нозологических форм в структуре профессиональной патологии [1].
Биологическое воздействие вибрации расценивается как экстремальный дизрегу-лирующий фактор, вызывающий нейроэндокринные, капиллярно-трофические нарушения, формирующий цито- и мембранопатии, активирующий перекисное окисление липидов, нарушающий сосудисто-тромбоцитарное звено гомеостаза, способствующий развитию гиперкальциемии и гипоксии [2-4]. Угнетение аэробного синтеза АТФ, усиление анаэробного гликолиза, разобщение окислительного фосфорилирования в митохондриях ведет к выраженному нарушению биоэнергетики и, как следствие, к дистрофии органов и тканей [5, 6]. Одним из наиболее чувствительных к воздействию вибрации органов является сердце [5-7].
В патогенезе ряда сердечно-сосудистых заболеваний дисфункции митохондрий рассматриваются как базисные элементы развития болезни [8]. Целостное представление о механизмах перестройки энергетического обмена миокарда под действием вибрации до сих пор отсутствует, не определены роль и закономерности развития дисфункций митохондрий, вовлеченных в патогенез вибрационной болезни, не установлены связи между состоянием энергетического обмена и морфологией миокарда, низка эффективность лечения [7].
Целью настоящего исследования явилось параллельно проведенное изучение морфологических изменений миокарда кролика и состояния энергетического обмена миокарда, оцененного в тесте «временной деградации митохондрий» на фоне различных режимов вибрации до и после введения янтарной кислоты.
Материал и методики исследования. В качестве биологического объекта использовали 80 кроликов-самцов породы Шиншилла весом 2,5-3 кг в возрасте 3-4 месяца. Исследование проводили с соблюдением «Правил проведения работ с использованием экспериментальных животных» (приказ №755 от 12.08.1977 г. МЗ СССР). Действие общей вертикальной вибрации с амплитудой 0,5 мм осуществляли с помощью промышленной установки УВ 70/200 (производства машиностроительного объединения «Маяк», г. Киров). Ежедневные сеансы вибрации с частотой 8 Гц и 44 Гц по 60 мин проводили в утренние часы с 9.00 до 11.00 в осенне-зимний период. Дозу янтарной кислоты (8,4 мг/кг массы животного) вычисляли с помощью коэффициента перерасчета равноэффективных доз для разных видов млекопитающих и человека с
© В. В. Воробьева, П. Д. Шабанов, 2010
учетом зависимости между массой тела и относительной площадью его поверхности [9]. Препарат вводили внутрь за 60 мин до вибрации. Контрольная группа животных перед вибрацией вместо лекарственного препарата получала 0,9%-ный раствор хлорида натрия (физиологический раствор).
Обработка гистологического материала (ткань мышцы миокарда левого желудочка в области верхушки) осуществлялась в ходе стандартной гистологической спиртопарафиновой проводки. Окрашивание препаратов производили гематоксилином и эозином.
Изучение энергозависимых реакций нативных митохондрий гомогената сердца кроликов проводили полярографическим методом в ячейке 1 мл, при 37° С в среде инкубации, уравновешенной с кислородом воздуха. Скорость дыхания митохондрий (V) выражали в нг-атом О мин1мг-1белка [10]. Динамику истощения эндогенных энергетических субстратов в ткани сердца в зависимости от типа воздействия на целостный организм оценивали в тесте «временной деградации митохондрий». Сопоставляли изменчивость скорости эндогенного дыхания (V^ на протяжении 60 минут хранения гомогената в аэробных условиях при комнатной температуре 18-20°C. Каждые 20 минут отбирали пробы для измерения Vэ и относили значения к исходной скорости, измеренной тотчас же после получения свежего гомогената.
Статистическую обработку данных проводили с помощью программ STATISTICA for Windows 6.0. Значимость межгрупповых различий оценивали по параметрическому (t-критерий Стьюдента) или непараметрическому (U-тест Вилкоксона-Манна-Уитни) критериям в зависимости от типа распределения.
Результаты и их обсуждение. После 56 сеансов вибрации 8 Гц в кардиомиоци-тах субэндокардиального отдела формировались признаки стойкой гипертрофии (рис. 1А). На фоне воздействия вибрации 44 Гц признаки гипертрофии сочетались с дистрофическими изменениями (рис. 1Б), накапливались очаги некроза.
Степень полнокровия при воздействии вибрации 8 Гц нарастала пропорционально числу сеансов, но более интенсивно от 7 до 21 сеанса. После 56 сеансов отмечали признаки стабилизации кровообращения и даже незначительное его уменьшение. Вибрация с частотой 44 Гц неуклонно увеличивала полнокровие по мере нарастания числа сеансов. Отечность стенок артерий достигала максимума к 56 сеансу общей вибрации.
Суммация эффектов высокочастотной (44 Гц) вибрации [2] длительностью 56 сеансов резко изменила архитектонику кровеносных сосудов. В капиллярах миокарда регистрировали клетки с набухшим эндотелием и гиперхромными ядрами, систему пустотелых венул и капилляров, разрежение артериолярной сети, подтверждая формирование вибрационных ангиопатий [3].
В тесте «временной деградации митохондрий» 7-й и 21-й сеансы вибрации 8 Гц вызывали снижение скорости эндогенного дыхания относительно исходного уровня: к 60 минуте — в 1,4 раза (р < 0,01) и 1,2 раза соответственно. После 56 сеансов наблюдался значительный рост скорости дыхания гомогената на 40 и 60 минутах в 1,2 раза относительно исходного уровня (р < 0,01) и превосходящий изменения в ткани интактного контроля в 5 раз к завершению инкубации (р < 0,01).
Динамика изменения скорости эндогенного дыхания после 7 сеансов вибрации 44 Гц на 20 и 40 минуте идентична интактному контролю (рис. 2А). И только на 60 минуте отмечается снижение показателя относительно V^ в 1,1 раза и в 1,4 раза относительно V^ интактного контроля (р < 0,01). Двадцать один сеанс вызвал резкий подъем Vэ относительно нулевого показателя в 1,4 раза (р < 0,01) через 20 минут инкубации гомогената; в 1,1 раза — через 40 минут, оставаясь на данном уровне и через 60 минут переживания ткани в тесте «временной деградации митохондрий». Пятьдесят шесть
В
Рис. 1. Морфогистологическая архитектоника миокарда кролика после различных режимов общей вибрации и защиты янтарной кислотой
А — после 56 сеансов вибрации 8 Гц: а — сформировавшаяся гипертрофия кардиомиоци-тов; б — зональная вакуольная дистрофия; в — слабый межклеточный отек; Б — после 56 сеансов вибрации 44 Гц: а — сформировавшаяся гипертрофия кардиомиоцитов; б — вакуольная дистрофия; в — отек интерстиция межпучкового характера; В — после защиты янтарной кислотой: а — кардиомиоциты сформированы, компактно уложены, умеренные признаки гипертрофии; б — слабовыраженный отек. Окраска гематоксилин — эозин, ув. X 320.
сеансов вибрации 44 Гц привели к падению скорости Уэ через 40 минут инкубации в 1,4 раза (р < 0,05), и дальнейшему плавному ее снижению к завершению теста.
Морфологическая картина миокарда на фоне фармакологической защиты экзогенным субстратным антигипоксантом янтарной кислотой [11-13, 17, 18] от наиболее «жесткого» режима вибрации (44 Гц 56 сеансов) характеризовалась (рис. 1В) формированием компенсаторной гипертрофии [14]. Гипертрофированные клетки обладали
А
Б
Рис. 2. Влияние вибрации 44 Гц (А) и янтарной кислоты (Б) на изменчивость эндогенного дыхания нативных митохондрий сердца кроликов в тесте «временной деградации»
Ось абсцисс — время инкубации гомогената в минутах; ось ординат — диапазон и направленность изменений скорости эндогенного дыхания (Уэ) в % от исходного уровня (Уэ1). Цифры
возле кривых — количество сеансов вибрации. * — р...<0,05, ** — р<0,01 в сравнении с исходным
показателем Уэ1.
плотной гомогенной цитоплазмой и плотными ядрами. Дистрофических изменений в них гораздо меньше, чем в группе с аналогичным режимом вибрации, но без фармакологической защиты. Лекарственный препарат способствовал развитию скудной стро-мальной реакции, представленной гистиоцитарными клетками, и значительно сократил диапедезные кровоизлияния, степень набухания стенок артериол. Морфологическая картина отразила явления активной васкуляризации интерстиция. Капиллярная реакция с признаками полнокровия ярко выражена и представлена большим количеством тонких линейных, хорошо сформированных капилляров. Янтарная кислота усилила артериальный и венулярный компонент микроциркуляции, уменьшила проявления дистрофии и повреждения стромы. В целом, на фоне применения данного препарата были минимизированы структурно-сосудистые нарушения в кардиомиоцитах, вызванные длительным воздействием высокочастотного вибрационного фактора.
На фоне введения янтарной кислоты в условиях длительной высокочастотной вибрации (рис. 2Б), когда в системах энергопродукции формировался устойчивый низкоэнергетический сдвиг [15, 16], на 20 минуте инкубации гомогената различия с динамикой Уэ интактного контроля отсутствовали, на 40 минуте — отмечалось снижение показателя относительно Уэ1 в 1,4 раза (р < 0,05), на 60 минуте различия нивелировались и Уэ возвращалась к уровню интактного контроля, превосходя показатель вибрирован-ных животных в 2 раза (р < 0,01).
Сопоставление морфогистологической картины вибрационно-опосредованных изменений клеточных, стромальных элементов миокарда, состояния микроциркуляторного русла с изменением оснащенности митохондрий миокарда эндогенными субстратами указывает на зависимость изменений от характеристик (частоты и длительности) режима вибрации.
Динамика показателей эндогенного дыхания в тесте «временной деградации митохондрий» после воздействия кратковременной (7, 21 сеансов) низкочастотной вибрации
обусловлена, по-видимому, включением компенсаторных механизмов, направленных на сохранение гомеостаза. Основным таким механизмом на уровне системы энергопродукции является активизация сукцинатзависимых реакций, в том числе и в переживающей ткани [13], вызывающая эффект «энергетического затормаживания», или «превентивного торможения» по М. Н. Кондрашовой [10]. Подобное активное сдерживание системы окисления янтарной кислоты соответствует отрегулированному состоянию энергетического обмена и препятствует морфологическим изменениям в ткани (рис. 1А). Именно это явление обеспечивает усиление процессов саногенеза и лечебный эффект вибрации, широко используемый в лечении целого ряда заболеваний [2]. Значительный рост скорости эндогенного дыхания (Уэ) после 56 сеансов свидетельствует о «возбужденном» состоянии системы энергопродукции, которое характеризуется резким преобладанием окисления эндогенной янтарной кислоты. Доминирование метаболизма сукцината играет решающую роль в адаптации к различным стрессорным факторам [10, 12, 13], соответствует I стадии биоэнергетической гипоксии [13, 15, 16] и нарастанию дистрофических изменений в ткани сердца (рис. 1Б).
Компенсаторные механизмы, запускаемые вибрацией 44 Гц, по-видимому, в некоторой степени «купируют» воздействие длительностью 7 сеансов. Состояние энергетического обмена миокарда в тесте «временной деградации митохондрий» сопоставимо с интактным контролем (рис. 2А), что подчеркивает активную роль эндогенных субстратов в дыхательном метаболизме переживающего гомогената. Однако данный режим вибрации через 21 сеанс приводит ткань в активное, «возбужденное» состояние. Именно в этот отрезок времени скорости эндогенного дыхания нативных митохондрий достигают максимальных величин (табл.), и происходит смена метаболических путей субстратного обеспечения миокарда с НАДН-зависимого на ФАД-зависимый [15, 16].
Параметры эндогенного дыхания митохондрий миокарда кролика при разных режимах общей вибрации
Факторы вибрации и их уровни п Уэ
Частота Гц Количество сеансов вибрации
0 0 20 16,3±4,3
8 7 10 16,3±3,2
8 21 10 18,8±5,2
8 56 10 23,4±5,7
44 7 10 22,6±5,2
44 21 10 25,9±6,7
44 56 10 17,9±5,8
К завершению 56 сеансов вибрации 44 Гц в ткани развивается угнетение в системе окисления и утилизации эндогенной янтарной кислоты, возможно вследствие пируват-ного торможения и снижения доступности эндогенных субстратов к дыхательной цепи митохондрий кардиомиоцитов. Ярко выраженные изменения в системе микроциркуляции, отмеченные при этом режиме вибрации, очевидно, явились одной из предпосылок, ведущих к ишемической (циркуляторной) гипоксии миокарда, как проявления вибрационно-опосредованных повреждений и источника биоэнергетической гипоксии в митохондриях [16]. Это состояние соответствует II стадии биоэнергетической гипоксии, сопровождается формированием некомпенсируемого низкоэнергетического сдвига, проявляется быстрым снижением величины скорости эндогенного дыхания (Уэ) при хранении нативных митохондрий в гомогенате и наиболее неблагоприятной морфологической картиной ткани миокарда (рис. 1Б).
Динамика скорости эндогенного дыхания (Уэ) на фоне применения янтарной кислоты (рис. 2Б) в, так называемой, сигнальной дозе [17, 18] свидетельствует о достаточном оснащении дыхательной цепи эндогенными субстратами, доступности их для митохондрий миокарда, что способствует сохранности морфологической структуры, близкой к интактному контролю (рис. 1В). Очевидно, янтарная кислота уравновесила структурно-функциональную перестройку в клетках с изменениями сосудов, вывела сердечную мышцу на новый уровень метаболических процессов, когда энергообеспечение функциональной активности ткани сердца осуществляется за счет отрегулированной работы ФАД-зависимого звена дыхательной цепи митохондрий [11].
Установленные взаимосвязи между вибрационно-опосредованными морфогистологическими и биоэнергетическими изменениями миокарда требуют дальнейшего изучения. Однако доказанная вовлеченность системы энергопродукции в патологический процесс [15, 16], способность янтарной кислоты сохранять морфофункциональные характеристики миокарда [11], позволяют рекомендовать ее для испытания в клинической практике с целью профилактики и лечения у лиц, профессионально связанных с воздействием вибрации.
Литература
1. Измеров Н. Ф. Роль профпатологии в системе медицины труда // Медицина труда и пром. экология. 2008. №11. С. 1-11.
2. Лытаев С. А., Шангин А. Б. Физиологические механизмы действия на организм инфра-и низкочастотной вибрации // Вестник новых мед. технологий. 1999. Т. 6. №2. С. 11-14.
3. Потеряева Е. Л. Вибрационные висцеропатии в контексте системных микроангиопатий: (патоморфогенез, особенности клиники, вопросы терапии): Автореф. дис. ... д-ра мед. наук. Новосибирск, 1999. 52 с.
4. Matoba T. Pathophysiology and clinical pucture of hand-arm vibration syndrome in Japanes workers // Nagoya J. Med. Sci. 1994. Уо1. 57. P. 19-26.
5. Рахимов Я. А., Сапин М. Р., Белкин В.Ш., Этинген Л.Е. Морфология внутренних органов при действии вибрации. Душанбе, 1979. 264 с.
6. Сухаревская Т. М., Ефремов А. В., Непомнящих Г. И., Лосева М. И., Потеряева Е. Л. Микроангио- и висцеропатии при вибрационной болезни. Новосибирск, 2000. 238 с.
7. Третьяков С. В., Шпагина Л. А., Войтович Т. В. К вопросу ремоделирования сердца при вибрационной болезни // Медицина труда и пром. экология. 2002. № 3. С. 18-23.
8. Постнов Ю. В., Орлов С. Н., Будников Е. Ю., Дорошук А. Д., Постнов А. Ю. Нарушение преобразования энергии в митохондриях клеток с уменьшением синтеза АТФ как причина стационарного повышения уровня системного артериального давления // Кардиология. 2008. №8. С. 49-59.
9. Волчегорский И. А., Долгушин И. И., Колесников О. А., Цейликман В. Э. Экспериментальное моделирование и лабораторная оценка адаптивных реакций организма. Челябинск, 2000. 167 с.
10. Кондрашова М. Н., Ананенко А. А. Обследование состояния выделенных митохондрий. Руководство по изучению биологического окисления полярографическим методом. М., 1973. 198 с.
11. Воробьева В. В., Шабанов П. Д. Экзогенная янтарная кислота уменьшает вибрационноопосредованные нарушения энергетического обмена в кардиомиоцитах кролика // Рос. фи-зиол. журн. им. И. М. Сеченова. 2009. Т. 95. №8. С. 857-864.
12. Ивницкий Ю.Ю., Головко А. И., Софронов Г. А. Янтарная кислота в системе средств метаболической коррекции функционального состояния и резистентности организма. СПб., 1998. 45 с.
13. Лукьянова Л. Д. Проблемы гипоксии: молекулярные, физиологические и медицинские аспекты. М., 2004. 520 с.
14. Меерсон Ф. З. Патогенез и предупреждение стрессорных и ишемических повреждений сердца. М., 1984. 268 с.
15. Воробьева В. В., Шабанов П. Д. Функциональная активность системы энергопродукции миокарда кролика при воздействии общей вибрации // Рос. физиол. журн. им. И. М. Сеченова. 2009. Т. 95. №1. С. 19-27.
16. Воробьева В. В., Шабанов П. Д. Вибрационная модель гипоксического типа клеточного метаболизма, оцененная на кардиомиоцитах кролика // Бюл. эксперим. биол. и мед. 2009. Т. 147. №6. С. 712-715.
17. Лукьянова Л. Д. Сигнальная функция митохондрий при гипоксии и адаптации // Патогенез. 2008. Т. 6. №3. С. 4-12.
18. He W. Citric acid cycle intermediates as ligands for orphan G-protein-coupled receptors // Nature. 2004. Vol. 429. P. 188-193.
Статья поступила в редакцию 15 июня 2010 г.
