CC BY
14
УДК 612.592.3.019:59
ВЛИЯНИЕ МОЧЕВИНЫ, ЕЕ АНАЛОГОВ И САХАРОЗЫ НА ВЫЗВАННЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ МОЗГА КРЫС ПРИ ГИПОТЕРМИИ
© 2013 г. Р.Г. Абдурахманов,
Абдурахманов Радик Гамзабекович - кандидат биологических наук, доцент, кафедра биохимии и биофизики, Дагестанский государственный университет, ул. Гаджиева, 43а, г. Махачкала, Республика Дагестан, 367000, e-mail: [email protected].
Мейланов Иззет Сиражудинович~\ - доктор биологических наук, профессор, кафедра биохимии и биофизики, Дагестанский государственный университет, ул. Гаджиева, 43а, г. Махачкала, Республика Дагестан, 367000.
Эмирбеков Эмирбек Зиядович - доктор биологических наук, профессор, кафедра биохимии и биофизики, Дагестанский государственный университет, ул. Гаджиева, 43а, г. Махачкала, Республика Дагестан, 367000.
Э.З. Эмир6екоe
Abdurakhmanov Radik Gamzabekovich - Candidate of Biological Science, Associate Professor, Department of Biochemistry and Biophysics, Dagestan State University, Gadjiev St., 43a, Makhachkala, Republic Dagestan, Russia, 367000, e-mail: [email protected].
Meylanov Izzet Sirazhudinovich\ - Doctor of Biological Science, Professor, Department of Biochemistry and Biophysics, Dagestan State University, Gadjiev St., 43a, Makhachkala, Republic Dagestan, Russia, 367000.
Emirbekov Emirbek Ziyadovich - Doctor of Biological Science, Professor, Department of Biochemistry and Biophysics, Dagestan State University, Gadjiev St., 43a, Makhachkala, Republic Dagestan, Russia, 367000.
И.С. Мейланов,
Исследована зависимость вызванных потенциалов мозга крыс от температуры тела. Охлаждение организма приводит к их распаду на отдельные составляющие компоненты, которые затем полностью исчезают. Мочевина и некоторые ее аналоги влияют на температуру исчезновения и восстановления прямых ответов мозга крыс при общей гипотермии. Введение сахарозы не повлияло на температуру исчезновения вызванных потенциалов.
Ключевые слова: гипотермия, вызванные потенциалы, крысы, мочевина, мозг, механизм, температура, импульсы.
Dependence of the caused potentials of a brain of rats on body temperature is investigated. Cooling of an organism leads to disintegration of the caused potentials on separate making components, and then completely disappear. Urea and its some analogs influence temperature on disappearance and recovery of direct answers of the rats brain at the general hypothermia. Introduction of sucrose didn't affect temperature of disappearance of the caused potentials.
Keywords: hypothermia, evoked potentials, rats, urea, brain, mechanism, temperature, impulses.
Умеренная гипотермия (33-31 °С) оказывает ней-ропротективное действие при гипоксических и ишеми-ческих состояниях мозга и используется в хирургии при операциях на сердце и мозге [1]. Ее применение обусловлено уменьшением потребности в энергии при низких температурах тела, что повышает выживаемость клеток тканей при гипоксических состояниях, возникающих при пережатии кровеносных сосудов. В то же время гипотермия (в особенности глубокая) может приводить к неврологическим нарушениям [2], снижать электрическую активность мозга, потребление кислорода тканью мозга, проницаемость гематоэнце-фалического барьера, образование свободных радикалов, выделение экситотоксических нейротрансмитте-ров [3]. Снижение электрической активности мозга при гипотермических состояниях, возможно, является ключевым фактором её защитного действия при ишемиче-ских состояниях. Однако механизм подавления электрической активности мозга при снижении температуры тела не выяснен.
В мозгу энергия расходуется главным образом на активный транспорт ионов К и № как в состоянии покоя, так и при генерации потенциалов действия [4].
Чем ниже температура тела, тем меньше потребление кислорода организмом в целом и тканями отдельных органов [5].
Снижение температуры тела сопровождается прогрессивным снижением электрической активности мозга [6]. Это проявляется как в уменьшении частоты колебаний на электроэнцефалограмме (ЭЭГ), так и в уменьшении амплитуды этих колебаний. При температуре тела около 20 °С (крыса) ЭЭГ становится изо-электрической.
Причины снижения электрической активности мозга при гипотермии не вполне ясны. Возможно, понижение температуры ткани подавляет энергетический обмен в нейронах, что в свою очередь приводит к уменьшению электрической активности. Это обусловлено энергетическим дефицитом, что, тем не менее, ведет к уменьшению расхода энергии и вызывает энергосберегающий эффект. Возможно также, что снижение температуры ткани уменьшает способность мембран генерировать биопотенциалы вследствие прямого действия низких температур на структуры биомембран. И в этом случае гипотермия приведет к сбережению энергии. Однако глубокая гипотермия
(20 °С) настолько снижает энергетический метаболизм, что производимой энергии не хватает на откачку ионов, движущихся пассивно по градиенту электрохимического градиента в состоянии покоя. В результате ионы натрия проникают в нейроны, что в свою очередь приводит в конечном итоге к их набуханию и гибели [7].
Известно, что введение мочевины в организм животного вызывает защитный эффект при глубокой гипотермии [8]: выживаемость животных увеличивается. Механизм защитного действия мочевины неизвестен.
Цель работы - исследование влияния мочевины, ее структурных аналогов и сахарозы (табл. 1) на вызванные потенциалы (ВП) мозга крыс при гипотермии.
Таблица 1
Структура мочевины, ее аналогов и сахарозы
Структура Соединение Молекулярный вес Радиус молекулы, 10 10 м
О || H2N-C-NH2 Мочевина 60 2,70
O || H-C-(CH3)2 Диметилформамид 70 3,20
O || CH2-HN-C-NH2-CH3 Диметилмочевина 88 3,10
O || CH3-C-NH2 С12Н22О11 Ацетамид Сахароза 59 342 2,81 5,30
Методика исследования
Опыты проводили на белых беспородных крысах-самцах весом 180^200 г. В каждой серии использовали по 12 животных. Мочевину, ее аналоги и сахарозу вводили внутрибрюшинно в дозе 0,003 моля на 100 г веса тела (водный раствор) за 10 мин до начала охлаждения. Животных наркотизировали (40 мг/кг веса тела) и охлаждали, обкладывая тело полиэтиленовыми пакетами со льдом. Температуру тела (Тр) измеряли ректально на глубине 5^6 см. Скорость охлаждения составляла в среднем 0,3 °С/мин (рис. 1). При этой скорости охлаждения температура поверхности мозга (измерялась с помощью термопары через специально имплантированный отрезок металлической трубки) на 0,5^1,0 °С выше, чем ректальная. По достижении температуры исчезновения электрической активности в мозгу охлаждение прекращали и начинали согревание, подложив под тело животного грелку с теплой водой.
Регистрация ВП. Животным вживляли две пары хронических макроэлектродов (нихром, d = 0,3 мм) в соматосенсорную область (примерные координаты (АР + 1, D2) и ^ + D3)), [5] у поверхности коры, заземляющий электрод - в носовую кость. ВП регистрировали в соматосенсорной коре при раздражении задней лапки через игольчатые электроды, прямые ответы (ПО) мозга - при подаче раздражающего импульса на одну пару электродов и отведении от другой пары, вживленной в мозг. ВП и ПО регистрировали с помощью усилителя биопотенциалов УБП-01 и осциллографа С8-1. Раздражающий импульс длительностью 0,1 мс и амплитудой 25 В подавался от элек-
тростимулятора ЭСТ-10А. Ответы мозга фотографировали с экрана осциллографа. Измерения проводили при изменении температуры тела на каждые 3 °С.
Рис. 1. Зависимость температуры мозга от ректальной температуры: по оси абсцисс - ректальная температура; по оси ординат - температура мозга
Обработка экспериментальных данных. Для ВП измеряли длительность латентного периода: время от момента раздражения до появления ВП. Количественный анализ температурной зависимости ПО за-
труднителен, так как при изменении температуры тела форма ПО существенно изменяется. Поэтому в настоящей работе измерялась лишь температура тела, при которой ПО полностью исчезает. Статистический анализ экспериментальных данных проводили с помощью пакета 81аИ8Йса 6.0.
Результаты исследования
По мере снижения температуры тела форма ПО изменяется. Исходный сигнал «диссоциирует» на отдельные компоненты, а затем полностью исчезает.
Причины диссоциации неизвестны, можно лишь предположить, что ПО являются результатом наложения друг на друга многих сигналов, температурная зависимость которых различна. Поэтому при снижении температуры тела этот сигнал начинает «распадаться» на составляющие компоненты. В табл. 2 приведены значения температур исчезновения (Тисч) и восстановления (Твосст) ПО в контроле и при введении мочевины и ее аналогов, а также сахарозы. Мочевина, диметилформамид и ацетамид снижают температуру исчезновения, диметилмочевина и сахароза существенно не влияют на этот показатель.
Таблица 2
Влияние мочевины, ее аналогов и сахарозы на температуру исчезновения (Тисч) и восстановления (Твосст) ПО мозга
крыс при общей гипотермии
Опыт, тестируемые вещества Т °С 1 исч? ^ Т °С Твосст; ^
Контроль 18,13 ±0,59 25,31 ±0,13
Сахароза 18,63 ±0,24 25,62 ±0,51
Мочевина 15,12 ±0,66* 25,11 ±0,11
Диметилмочевина 18,75 ±0,25 26,32 ± 0,22
Диметилформамид 1222 ±0,49* 25,23 ±0,10
Ацетамид 10,25 ±0,.47* 24,20 ± 020
Примечание. Данные представлены в виде среднего арифметического ± ошибка среднего; * - достоверность различий по отношению к контролю при уровне значимости р <0,05.
При согревании ПО восстанавливаются примерно при 25 °С (как в контроле, так и при введении тестируемых веществ), причем появляются они с характеристиками, близкими таковым при той же температуре тела, но достигнутой при охлаждении. Явление «диссоциации» при согревании уже не наблюдается. Причина такого изменения ПО при охлаждении и последующем согревании организма неизвестна.
Сахароза обладает коэффициентом отражения большим, чем мочевина и ее аналоги. Поэтому она создает осмотическое давление даже большее, чем эти соединения. Кроме того, сахароза хуже проникает через гематоэнцефалический барьер. Если предположить, что влияние мочевины и ее аналогов на температурную зависимость ПО обусловлено осмотическими эффектами, то сахароза должна оказывать не меньший, если не больший эффект на температурную зависимость ВП при гипотермии.
Поскольку этого не происходит, следует признать, что влияние этих веществ имеет более специфический характер. На это же указывает тот факт, что диметил-мочевина, обладая близкими к мочевине физико-химическими свойствами, как и сахароза, не оказала существенного влияния на электрическую активность мозга крыс при гипотермии. Следовательно, влияние мочевины, диметилформамида и ацетамида обусловлено специфическими взаимодействиями с какими-то структурами, играющими важную роль в генерации и распределении биопотенциалов в нервной ткани.
К таким структурам в первую очередь относятся ионные каналы проводящих путей, пресинаптических окончаний, рецепторы пре- и постсинаптических
мембран, а также белковые комплексы, обеспечивающие выделение медиатора в синаптическую щель. Можно предположить, что мочевина, диметилформа-мид и ацетамид могут связываться с соответствующими белковыми структурами и тем самым влиять на их активность. Исследование влияния перечисленных выше веществ на проницаемость натриевых, калиевых и кальциевых каналов синаптических окончаний, а также на количество медиатора, выделяемого в си-наптическую щель при поступлении в терминаль потенциала действия, представляется в связи с этим весьма перспективным.
На рис. 2, 3 представлены зависимости латентных периодов ВП от температуры тела при общей гипотермии крыс. По мере снижения Тр латентные периоды растут и увеличиваются примерно в 3 раза при температуре тела 15 °С. Дальнейшее ее снижение приводит к полному исчезновению ВП. Согревание животного после полного исчезновения электрической активности мозга приводит к восстановлению ВП, однако первые признаки активности проявляются при температурах более высоких, чем тех, при которых ВП исчезают (рис. 2). Причиной этого гистерезиса, возможно, является развивающийся при низких температурах тела отек мозга [9], который приводит к увеличению сопротивления нервной ткани вследствие уменьшения внеклеточного пространства. Поэтому при прочих равных условиях раздражающие импульсы напряжения будут в случае отека вызывать меньшие токи, а значит, и меньшую деполяризацию нейрональных мембран. Следовательно, эффективность раздражающих импульсов снизится. По мере того как кровообращение мозга
нормализуется и восстанавливается работа ионных насосов, отек может быть устранен. Как только это произойдет, ВП восстанавливаются. При этом их временные характеристики будут соответствовать температуре ткани. Поэтому латентные периоды уже при первом появлении ВП при согревании короткие.
Рис. 2. Зависимость длительности латентных периодов ВП
мозга крыс от температуры тела при общей гипотермии (контроль): по оси абсцисс - ректальная температура, °С, по оси ординат - длительность латентного периода, мс
Введение мочевины существенно снижает температуру исчезновения ВП (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость длительности латентных периодов ВП мозга крыс от температуры тела при общей гипотермии при внутрибрюшинном введении мочевины в дозе 0,003 ммоль на 100 г веса тела. Обозначения - как на рис. 2
Однако мочевина слабо повлияла на температуру восстановления ВП при согревании животного после охлаждения до полного исчезновения ВП. Из полученных нами данных следует, что для устранения отека при введении мочевины требуется поднять температуру тела до той же величины, что и в контроле. Значит, мочевина не оказывает существенного влияния на работу ионных насосов, регулирующих объем клеток и внеклеточного пространства при согревании.
Таким образом, изменения ВП в мозгу при гипотермии в общих чертах одинаковы как при раздражении периферических нервов, так и при прямом раздражении самого мозга. Снижение биологического нуля в мозгу гомойотермного животного при введении мочевины и ее аналогов является важным фактом. Выяснение механизма этого влияния позволит лучше понять связь между температурой тела и физиологической активностью.
Литература
1. Mallet M.L. Pathophysiologi of accidental hypothermia // Q
J. Med. 2002. Vol. 95. P. 775-785.
2. Zhang H., Zhou М., Zhang J. Therapeutic effect of post-
ischemic hypothermia duration on cerebral ischemic injury // Neurol. Res. 2008. Vol. 30. Р. 332-336.
3. Liu L., Yenari M.A. Therapeutik hypothermia:
neuroprotective mechanisms // Frontiers in Bioscience. 2007. Vol. 12. P. 816-825.
4. Иванов К.П. Биоэнергетика и температурный гомеоста-
зис. Л., 1972. 172 с.
5. Popovic V., Popovic P. Hypothermia in Biology and in
Medicine. N.-Y., 1974. P. 86-95.
6. Mihailovic L.J. Cortical and subcortical activity in hiberna-
tion and hypothermia. A comparative analysis of two states // Hibernation and Hypothermia. Amsterdam, 1972. P. 487-534.
7. Mendler N., Reulen H.J., Brendel W. Cold swelling and
energy metabolism in the hypothermic brain of rats and dogs // Hibernation and Hypothermia. Amsterdam, 1972. P. 167-190.
8. Гершенович З.С., Кричевская А.А., Векслер Я.И., Агафо-
нова Н.Г., Готлобер И.В., Херувимова В.А., Шугалей В.С., Щербина Л.А. Мочевина и амиды в метаболизме мозга в нормальных и экстремальных условиях существования // Биохимия и функция нервной системы. Л., 1967. С. 90-96.
9. Massopust L.C., Wolin L.R. Evoked potentials from the vis-
ual system in hypothermic hibernators and nonhibernators // Exper. Neurol. 1966. Vol. 14. P. 134-143.
Поступила в редакцию
24 мая 2013 г.
