МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ТАВРІЙСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
імені В.І. ВЕРНАДСЬКОГО
МОСКАЛЕЦЬ Тетяна Валентинівна
УДК 612.745.1 +612.44+612.018
ЕНЕРГЕТИКА ІЗОМЕТРИЧНОГО СКОРОЧЕННЯ СКЕЛЕТНОГО М’ЯЗА БІЛИХ ЩУРІВ ЗА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ГІПОТИРЕОЗУ І СТИМУЛЯЦІЇ АДРЕНАЛІНОМ (дослідження in situ )
03.00.13 – фізіологія людини і тварин
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата біологічних наук
Сімферополь – 2008
Дисертацією є рукопис
Робота виконанана кафедрі фізіології людини і тварин в Донецькому національному університеті
Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник доктор біологічних наук, професор
Соболєв Валерій Іванович
Донецький національний університет
завідувач кафедри фізіології людини і тварин
Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор
Коренюк Іван Іванович
Таврійський національний університет
ім. В.І.Вернадського
професор кафедри фізіології людини
і тварин та біофізики;
кандидат медичних наук, доцент
Родинський Олександр Георгійович
Дніпропетровська державна медична Академія
доцент кафедри фізіології
Захист відбудеться “ 13 “ червня 2008 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 52.051.04 у Таврійському національному університеті ім. В.І. Вернадського за адресою: 95007, Крим, м. Сімферополь, пр. Вернадського, 4
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Таврійського національного університету ім. В. І. Вернадського за адресою:
95007, Україна, Крим, м. Сімферополь, пр. Вернадського, 4
Автореферат розісланий “10 “травня 2008 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради К 52.051.04 Д.Р.Хусаінов
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Вивчення закономірностей нейрогуморальної регуляції функцій як і раніше залишається основою фундаментальної фізіології і практичної медицини. В сучасній медично-біологічній науці важливе місце відводиться проблемам, пов'язаним з вивченням можливостей існування людини і тварин в несприятливих умовах зовнішнього середовища (Ю.І. Баженов,2002; К.П.Іванов, 2006; В.М. Казаков,2002; В.І. Соболєв,2007; В.В. Удут,2001; Jansky L.,1995). Втім численні аспекти даної проблеми залишилися маловивченими. В першу чергу це відноситься до проблеми гормональної регуляції температурного гомеостазісу і його фізіологічних механізмів, зокрема вивчення ролі тиреоїдних гормонів і катехоламінів в забезпеченні сталості температури тіла, у тому числі при екстремальних і граничних станах (Є.В. Майстрах,1984; А.О. Панько,2004; В.І. Соболєв,2001; Г.І. Чирва, 2002).
Другий важливий аспект проблеми нейрогуморальної регуляції функцій, що має інтерес для фізіології і медицини, пов'язаний з вивченням механізмів дії гормонів щитовидної залози в умовах зміненого тиреоїдного статусу (Б.В. Агафонов,1984; Н.А. Бабенко,1994; М.И. Балаболкін,1998; Е.В. Валдіна,2001; О.Г. Родинський,2001). Погіршення екологічної обстановки на Україні стало однією з причин збільшення частоти захворювань щитовидної залози, які можуть бути викликані як патологічними змінами в самій залозі, так і певними порушеннями периферичного метаболізму тиреоїдних гормонів (В.Г. Бардов,1998; Н.Р. Косцик.2000; С.І. Сичик,1999). Тиреоїдна патологія приводить, як правило, до порушень з боку опорно-рухового апарату, які, разом з розладами в серцево-судинній системі, можуть служити причиною інвалідизації хворих. Питання, що стосуються механізмів і точок дії тиреоїдних гормонів на функціональний стан соматичної мускулатури, не дивлячись на численні дослідження в цій області, до теперішнього часу залишаються дискусійним. Якщо з клінічних спостережень відомо, що зміна тиреоїдного статусу індивіда супроводжується зниженням сили і підвищенням стомлюваності скелетних м'язів (Б.В. Агафонов,1984; Б.М. Гехт, Н.А. Ільіна.,1982), то в умовах in vitro ряд фахівців (В.В. Попова,2001; В.В. Труш,2005; CarocciaL.,1988; Connelly T.J.,1994; EvertsM.E.,1996; WarnickP.R.,1993), навпаки, спостерігали позитивні ефекти фізіологічних і підвищених доз йодтиронинів на окремі структури м'язового волокна, що мають відношення до реалізації скоротливого акту.
Не дивлячись на великий фактичний матеріал щодо впливу тиреоїдних гормонів на окремі ізольовані структури м'язового волокна, питання, що стосується характеру змін в нервово-м'язовому апараті при різному тиреоїдному статусі в умовах функціонально цілісного організму, вивчене недостатньо. Крім того, уявлення, які отримані на підставі дослідження впливу йодтиронинів або ефекту їх «виключення» з гормональної системи на ізольовані структури м'язового волокна in vitro , не завжди і, ймовірно, не повною мірою відповідають тим механізмам, які реалізуються в умовах in vivo і in situ , що утрудняє їх інтерпретацію. Разом з тим пошук засобів, що забезпечують корекцію стану нервово-м'язового апарату при тиреоїдній патології, неможливий без детального аналізу механізмів дії йодтиронинів на енергетику скорочення м'яза. Особливо інформативним підходом в дослідженні фізіологічних механізмів дії тиреоїдних гормонів є використання моделі гіпотиреоїдного стану, зокрема моделі експериментального гіпотиреозу в результаті повної тироїдектомії.
Нарешті, при вивченні механізмів нейрогуморальної регуляції функцій є актуальним дослідження проблеми взаємодії ендокринних чинників, зокрема тиреоїдних гормонів і катехоламінів (Л.М. Гольбер,1978; Нізар Осман,1997; М.Є. Рєзник,2001; Г.І. Чирва,2001). В даний час цей аспект проблеми відносно добре вивчений лише відносно регуляції серцево-судинної системи (Ф.Ф. Бурумкулова,1995; Ю.О. Девяткова,2003; С.Г. Панфілова,2002) і практично залишається відкритим в частині, що стосується взаємодії цих ендокринних систем в забезпеченні функцій нервово-м'язової системи і енергетики цілісного організму в умовах нормо- і гіпотермії.
У зв'язку з цим є актуальним дослідження функціонального стану скелетних м'язів в умовах in situ і енергетики цілісного організму за експериментального гіпотиреозу і адренергічної стимуляції. Експериментальній розробці ряду аспектів окреслених проблем і присвячена дисертаційна робота.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі фізіології людини і тварин Донецького національного університету в межах держбюджетних тем: ''Фізіологічні механізми адаптації людини і тварин до температурних чинників середовища і виробництва" (номер держреєстрації - 01860099045), ''Енергетика м`язового скорочення при порушенні функції щитоподібної залози і дія катехоламінів'' (номер держреєстрації Г-02/45 0102U243), ''Дослідження та розробка заходів відновлення антропогенно трансформованих екосистем південного сходу України'' (номер держреєстрації №021 ВВ/17).
Об'єкт дослідження: нейрогуморальна регуляція функцій організму в умовах зміненого тиреоїдного статусу і за адренергічної стимуляції.
Предмет дослідження: показники енергетики ізометричного скорочення скелетного м'яза в умовах in situ і цілісної системи терморегуляції в умовах in vivo .
Методи дослідження: в умовах in vivo – вимірювання параметрів фізіологічного калоригенезу (термометрія, швидкість поглинання кисню, електрокардіографія); в умовах in situ – вимірювання температурного ефекту ізометричного скорочення переднього великогомілкового м'яза білих щурів (прецизійна міотермія), визначення абсолютної і середньої величини ізометричної напруги, швидкості розвитку скорочення, латентного періоду скоротливого акту (тензометрія).
Метою роботи було виявлення закономірностей і визначення кількісних параметрів характеру впливу експериментального гіпотиреозу (тироїдектомії) і катехоламінів на енергетику скорочення скелетного м'яза білих щурів (m. tibialis anterior ) в умовах in situ і енергетику цілісного організму за нормо- і глибокої гіпотермії в умовах in vivo .
Для досягнення поставленої мети передбачалося вирішення наступних задач:
· в умовах in situ провести кількісний аналіз характеру впливу тироїдектомії на параметри енергетики тривалого ізометричного скорочення великогомілкового м'яза білих щурів: латентний період скоротливого акту, час і швидкість розвитку ізометричної напруги, її абсолютну величину, сумарний показник обсягу ізотонічної напруги, а також температурний ефект скорочення м'яза і теплову вартість скоротливого акту;
· в умовах in situ виявити характер дії тироїдектомії на головні параметри енергетики великогомілкового м'яза білих щурів під час багатократних послідовних ізометричних скорочень: латентний період скоротливих актів, час і швидкість розвитку максимальної ізометричної напруги, її абсолютну величину, об'єм ізотонічної напруги, а також температурний ефект скорочення м'яза і його теплову вартість;
· в умовах in situ дати кількісну оцінку характеру впливу тироїдектомії на здібність адреналіну до регуляції основних параметрів енергетики ізометричного скоротливого акту: латентний період скорочення м'яза, час і швидкість розвитку максимальної ізометричної напруги, її абсолютну величину, а також температурний ефект скорочення м'яза;
· в умовах in vivo провести кількісний кореляційний аналіз найважливіших симптомів експериментального гіпотиреозу (температури тіла, швидкості поглинання кисню і тахікардії) за нормо- і глибокої гіпотермії у тому числі за адренергічної стимуляціїю.
Наукова новизна отриманих результатів. В комплексному дослідженні в умовах in situ виявлені основні закономірності характеру впливу глибокого гіпотиреозу (тироїдектомії) на енергетику скорочення скелетного м'яза, у тому числі за одночасної адренергічної стимуляції.
Вперше показано, що експериментальний гіпотиреоз істотно подовжує (до 95%) латентний період ізометричного скорочення великогомілкового м'яза білого щура, зменшує (на 58...68%) значення максимальної швидкості розвитку скоротливого акту і збільшує показник «час досягнення максимальної величини ізометричної напруги» (до 37%) незалежно від моделі ізометричного акту.
Вперше встановлено, що термогенна вартість ізометричного скорочення м'яза (+ D То С/Н ) за еутиреозу в ході розвитку стомлення спочатку знижується, а потім неухильно наростає; після видалення щитовидної залози теплова вартість одиниці ізометричної напруги скелетного м'яза (Н ) початково вища за рівень контролю (+47%), а в ході розвитку стомлення спочатку падає (31%), а потім знов зростає (+45%).
В експериментах in situ встановлено, що при гіпотиреозі в значній мірі послаблюється стимулююча дія адреналіну на найважливіші ерготропні показники ізометричного скорочення великогомілкового м'яза білих щурів (максимальна сила скорочення, час його розвитку і латентний період). За адренергічної стимуляції спостерігається зростання теплової вартості скорочення м'яза, проте у тироїдектомованих тварин вона збільшується істотно більше (до 41%), що може розглядатися як свідоцтво зростання енергетичної ціни одиниці ізометричної «роботи» у разі виключення з гормональної системи організму щитовидної залози.
Практичне значення отриманих результатів. Виявлені особливості впливу експериментального гіпотиреозу і адреналіну на енергетику скорочення м'яза, його силові параметри, теплову вартість скоротливого акту, цілісну систему терморегуляції і її фізіологічні механізми в умовах екстремального охолоджування можуть бути використані: а) у фізіології і гігієни праці при розробці засобів і методів підвищення холодової стійкості організму; б) у фізіології спорту при прогнозуванні працездатності і силових характеристик скелетної мускулатури у зв'язку з сезонною адаптацією, біоритмами, переміщенням в інші годинні пояси, кліматичні зони, характером психоемоційного стресу і в ін. випадках, що супроводжуються активацією функції гіпоталамо-гіпофизарно-тиреоїдної системи; в) в клінічній ендокринології і патофізіології при виборі засобів і методів корекції порушеного тиреоїдного статусу за тиреоїдної патології; г) у фізіології екстремальних станів для корекції силових характеристик м'язів і стійкості організму до гіпотермії; д) у Вузах при вивченні фізіології ендокринної, нервово-м'язової і терморегуляторної систем людини і тварин.
Особистий внесок претендента. Автор самостійно провів патентно-інформаційний пошук і аналіз наукової літератури за темою дисертаційної роботи.
Автором самостійно проведені експериментальні дослідження, аналіз отриманих даних і їх статистична обробка. Вибір теми дисертаційної роботи, постановка мети і задач дослідження проведений спільно з науковим керівником. Інтерпретація отриманих даних і формулювання висновків проведена з участю наукового керівника.
Апробація результатів. Основні положення дисертаційної роботи були представлені на VIII Міжнародній конференції «Центральні і периферичні механізми вегетативної нервової системи» (Донецьк,2003), IV з'їзді Українського біофізичного товариства (Донецьк,2006); Міжнародній науково-практичній конференції «Актуальні проблеми медицини праці і екології Донбасу» (Донецьк,2005), II-ій і III-ій Всеукраїнських науково-методичних конференціях “Здоров`я та освіта: проблеми та перспективи (Донецьк,2002, 2004), 9-у Міжнародному Медичному конгресі студентів і молодих вчених (Тернопіль,2005), Наукових конференціях професорсько-викладацького складу Донецького національного університету.
Публікації. З теми дисертації опубліковано 12 наукових робіт: 6 статей в журналах і збірках наукових праць за списком ВАК України і 6 тез в матеріалах наукових конференцій.
Структура і обсяг дисертації . Дисертація включає вступ, огляд літератури, опис матеріалів і методів досліджень, 3 розділи із викладом результатів досліджень, розділ, присвячений аналізу і узагальненню отриманих результатів, висновки і список літературних джерел (308 найменувань). Матеріали дисертаційної роботи викладені на 197 сторінках (основна частина 164 листа), ілюстровані 37 малюнками і 33 таблицями.
ОСНОВНІЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Матеріали і методи дослідження. Експерименти були виконані на дорослих білих щурах-самцях з середньою масою 305±2,5 г. Всього було використано 180 тварин. Тварини першої групи (90) були контрольними. У щурів другої групи (90 тварин) викликався експериментальний гіпотиреоз шляхом видалення за 30 діб до проведення дослідів щитовидної залози - тироїдектомована група.
В першій частині роботи вивчалася загальна енергетика організму за експериментального гіпотиреозу і стимуляції катехоламінами в умовах нормотермії і розвитку глибокої гіпотермії. В ході дослідів у наркотизованих тварин вимірювалися ректальна температура, швидкість споживання кисню (газоаналізатор фірми "Radiometer") і хронотропна функція серця (електрокардіограф з кардиотахометром) в умовах термонейтральної зони (1 серія). Після вимірювання вихідних значень фізіологічних показників внутрішньовенно вводився адреналін – 2 серія (2,0 мкг/кг хв) або ізопропілнорадреналін – 3-я серія дослідів (2,0 мкг/кг хв). В подальших серіях експериментів (4-6) тварини охолоджувалися при -200 С доки ректальна температура не досягала значення 200 С - глибока гіпотермія. У тварин досліджувалися параметри холодового калоригенезу, загальна холодовая стійкість і хронотропна функція серця (4 серія), у тому числі після інфузії адреналіну (5 серія) або ізопропілнорадреналіну (6 серія).
В другій частині дисертаційної роботи в умовах insitu проводилося вивчення впливу експериментального гіпотиреозу і адреналіну на енергетику ізометричного скорочення переднього великогомілкового м'яза білого щура.
Експериментальна установка складалась з двох вимірювальних каналів: термометричного і ергометричного. Перший з них представлений датчиком температури (термопара), фотопідсилювачем типа Ф-116, цифровим термометром і комп'ютерним самописцем. Ергометричний канал створений на основі тензометричної установки. Особливістю методики є застосування у якості графічного реєстратора комп'ютера з відповідним програмним забезпеченням для «читання» ергограм, що дозволяло провести аналіз динаміки ізометричного скорочення м'яза в первинній стадії його розвитку з кроком вимірювання 2 мс . В ході експериментів у наркотизованих тварин препарувався малогомілковий нерв. Без порушення природної теплоізоляції відсікався дистальний сухожилок переднього великогомілкового м'яза. Сухожилля жорстко кріпилося до тензодатчика. У всіх дослідах величина електричного подразнення (стимулятор ЕСЛ-1, тривалість імпульсів 5 мс, частота 60 Гц) вибиралася вище за пороговий рівень (1 В), що дозволяло м'язу скорочуватися з граничною силою.
З використанням даного методу були проведено дві серії експериментів, що розрізнялись режимом подразнення скелетного м'яза. В 1-й серії дослідів режим скорочення м'яза був наступним: 1с - скорочення в ізометричному режимі – 10 с пауза. Всього наносилося 10 подразнень. Після 10-го скорочення внутрішньовенно (v.dors. penis) інфузувався адреналін в дозі 2.0 мкг/кг хв. Тривалість інфузії складала 1 хв. Після закінчення періоду інфузії досліджувані показники вимірювалися знову. В 2-й серії експериментів досліджувалася інша модель скоротливого акту – тривалий ізометричний тетанус (10с) .Спочатку м'яз скорочувався двічіз інтервалом 10 секунд. Після закінчення другого тетанічного скорочення тварині внутрішньовенно протягом 1 хв інфузувався адреналін в дозі 2,0 мкг/кг хв, після чого м'яз утретє скорочувався в 10-секундному ізометричному тетанусі.
Зрештою при аналізі комп'ютерних записів ізометричного м'язового скорочення у всіх експериментах вираховували наступні показники: максимальну величину ізометричної напруги м'яза при кожному скоротливому акті (Нмакс. ) ; час, необхідний для розвитку максимальної напруги м'яза, мс; латентний період скорочення, мс; середню величину ізометричної напруги за весь період скоротливого акту (Нсеред .); швидкість його розвитку (dНі /dti ) ; величину приросту температури м'яза при його скороченні (+ДТ0 С) . Наведені параметри дозволили розрахувати для кожного окремого скоротливого акту температурну вартість м'язового скорочення: ТВСМ-1 (+D То С/Нмакс. ) і ТВСМ-2 (+D Т0 С/Нсеред. ).
Для оцінки достовірності відмінностей використовувалися t-критерій Ст’юдента, критерій Манна-Уїтні і критерій Вілкоксона, а також методи регресійного і кореляційного аналізу. Статобробка матеріалу здійснювалася за допомогою програм STATISTIKA і Excel.
Результати досліджень та їх обговорення. Характеристика енергетики скорочення м’яза за гіпотиреозу і адренергічної стимуляції. Багатократні ізометричні скорочення м'яза білих щурів обох груп супроводжувалися виразними змінами з боку показника максимальної напруги. Так, за даними табл. 1 видно, що м'язи щурів контрольної групи при першому скороченні розвивали напругу 1,44±0,026Н. При наступних скороченнях величина напруги, що розвивалася м’язом, поступово збільшувалася, досягаючи до 4-го скорочення максимального значення 1,56±0,031Н. Надалі в скелетному м'язі поступово розвивався процес стомлення: на останньому, десятому, скороченні значення даного показника для м'яза контрольної групи зменшувалось до 1,24±0,032Н, що було на 14% менше (р<0,05) вихідної величини.
Аналіз характеру впливу тироїдектомії на енергетику м'яза дозволяє зробити наступні висновки. По-перше, видалення щитовидної залози не вчиняло ефекту на максимальну силу скорочення м'яза на перших етапах робочого циклу. По-друге, скелетний м'яз тироїдектомованих тварин стомлювався швидше, ніж м'яз щурів контрольної групи. Так, до 10-го скорочення максимальна величина напруги м'яза тироїдектомованих щурів складала 1,01±0,039Н , що було на 27% менше вихідної величини.
Другою групою показників ерготропної функції скелетного м'яза є показники, що відображають швидкісні можливості розвитку скорочення (табл.1). Так, величина латентного періоду скорочення м'яза при багатократних скоротливих актах була величиною не сталою. Дійсно, у щурів контрольної групи вихідна величина латентного періоду складала 40±2 мс , але вже до п'ятого скорочення збільшилася до 49±4 мс , тобто на 9±4,4 мс (р<0,05). Надалі латентний період ще більше подовжувався, і до 10-го скоротливого акту склав 61±6 мс , що було на 52% більше вихідної величини.
Видалення щитовидної залози істотно змінювало функціональну характеристику м'яза. Так, вже при першому скоротливому акті м'яз тироїдектомованих щурів починав скорочуватися через 61±5 мс , що було на 52% більше рівня контрольної групи (40±2 мс ). Отже, експериментальний гіпотиреоз подовжує латентний період ізометричного скорочення м'яза білого щура. В процесі серії ізометричних скорочень м'яз гіпотиреоїдних щурів скорочувався все повільніше і повільніше. Так, до 10-го скорочення латентний період досягав значення 97±8 мс , що було на 59% більше, ніж при першому скоротливому акті (61±5 мс ).
Важливе інформаційне значення для характеристики мобільних властивостей скелетного м'яза має використаний в нашій роботі показник «час розвитку максимальної напруги». В процесі серії ізометричних скорочень цей показник для м'яза щурів контрольної групи змінювався від 856±7 мс
при першому скороченні до 809±7 мс
при третьому скороченні і 981±10 мс
при останньому, 10-му скороченні. Отже, на першому етапі, коли скелетний м'яз «впрацьовувався» (3-є скорочення) час розвитку максимальної напруги зменшувався на 47±10 мс.
У подальшому, аж до закінчення серії ізометричних скорочень (10-е скорочення), час розвитку максимальної напруги м'яза зростав на 15% в порівнянні з
9-09-2015, 00:43