НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗІОЛОГІЇ ім. О. О. Богомольця

ЛЕВАШОВ ОЛЕГ МИХАЙЛОВИЧ

УДК 577.359:591.044-612.275

ВПЛИВ ГіПОКіНЕЗії НА БІОЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КІСТКИ

14.03.04 - патологічна фізіологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата медичних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі клінічної патофізіології

Інституту фізіології ім. О.О.Богомольця НАН України

Науковий керівник: заслужений діяч науки та техніки України,

доктор медичних наук, професор

Березовський Вадим Якимович,

Інститут фізіології ім. О.О.Богомольця НАН України,

завідувач відділу клінічної патофізіології

Офіційні опоненти: доктор медичних наук, професор

Гуляр Сергій Олександрович,

Інститут фізіології ім.О.О.Богомольця НАН України,

провідний науковий співробітник відділу загальної

та молекулярної патофізіології

доктор медичних наук, професор

Бруско Антон Тимофійович,

завідувач відділу патоморфології з експериментально -

біологічним відділенням Інституту травматології та

ортопедії АМН України

Захист відбудеться “08 квітня” 2008 р. в 14.00 годин на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 26.198.01 при Інституті фізіології

ім. О.О.Богомольця НАН України за адресою:

01024, м. Київ, вул. Богомольця, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізіології

ім.О.О.Богомольця НАН України за адресою:

01024, м. Київ, вул. Богомольця, 4.

Автореферат розісланий “05” березня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор біологічних наук Сорокіна-Маріна З.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зменшення фізичного навантаження на скелет людини внаслідок зниження частки фізичної праці в матеріальному виробництві, поширення гіпокінетичних станів, збільшення середньої тривалості життя є головними причинами широкого розповсюдження захворювань кісткової системи серед мешканців промислово розвинених країн (Рожинская Л.Я., 2000; Корж Н.А. и соавт., 2002; Оганов В.С., 2003; Поворознюк В.В., 2004-2006; Geusens P.P., 2006; Johnell O., 2006). У зв'язку з цим дослідження патофізіологічних механізмів порушень, які виникають у кістковій тканині при низькому функціональному навантаженні, з метою розробки нових методів їхньої ранньої діагностики, профілактики та корекції є одним із актуальних завдань сучасної медицини.

Специфічним фактором регуляції фізіологічної перебудови кісткової тканини є механічні деформації та напруження, що виникають у кістці під впливом функціонального навантаження. Відповідно до біоелектричної теорії, одним із месенжерів у процесі взаємодії фізичного навантаження з остеогенними клітинами можуть бути електричні струми, що виникають у кістці у відповідь на її деформацію. Механізми генерації електричних потенціалів (потенціалів навантаження - ПН) пов'язують із п'єзоелектричними та електрокінетичними явищами, що виникають у кістковій тканині при механічному навантаженні (Hastings G.W., 1998). Однак дотепер питання про роль біоелектричних явищ у фізіології та патології кісткової системи залишається невирішеним (Williams P.A.,1996, Бруско А.Т., Гайко Г.В, 2005). Не існує чітких уявлень про закономірності виникнення, поширення, а також про механізми передачі електричного сигналу до клітин, що беруть участь у процесах перебудови кістки. Немає обґрунтованої відповіді на питання, чому відновлення фізіологічного рівня функціонального навантаження після тривалої гіпокінезії не достатньо для повного відновлення структури та складу кістки. Відповісти на ці та багато інших питань неможливо без комплексних досліджень біоелектричних властивостей кісткової тканини. Підтвердженням тому є результати робіт сучасних дослідників (Oostendorp T.F. et al., 2000; El-Lakkani A., 2001; Gabriel C., 2005), в яких показано, що процеси генерації та передачі електричних сигналів у кістковій тканині значною мірою залежать від її пасивних електричних властивостей (ПЕВ) - поляризаційної здатності, електропровідності тощо. Вважають, що показники, які характеризують ПЕВ кістки, можуть істотно змінюватися вже на початкових, доклінічних стадіях розвитку патології кісткової системи, що має важливе значення для практичної медицини (Gu W.Y., 1999; Legare A., 2002; Sierpowska J., 2005-2006). Необхідність більш глибокого розуміння ролі біоелектричних механізмів у розвитку патологічних процесів у кістці при низькому функціональному навантаженні стала підставою для проведення цього дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно з планами наукових досліджень відділу клінічної патофізіології Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України за темою “Дослідити механізми адаптації організму до гіпокінезії та можливі шляхи попередження її негативних наслідків” (Номер державної реєстрації 0101U002635), і проекту NN-26 (R) НТЦ України “Дослідити вплив мікрогравітації на кісткову тканину та профілактичну дію газових сумішей зі зниженим вмістом кисню на розвиток остеопенії”, який виконувався на замовлення Національного космічного агентства України.

Мета та завдання дослідження. Мета роботи - встановити патофізіологічні закономірності змін біоелектричних властивостей кістки в умовах низького функціонального навантаження.

Завдання дослідження:

1. Дослідити закономірності виникнення електричного потенціалу навантаження у стегновій кістці молодих, дорослих і старих щурів при різних ступенях механічного впливу й експериментальної гіпокінезії.

2. Визначити характер і спрямованість змін пасивних електричних властивостей стегнової кістки щурів різних вікових груп в умовах стереотипного функціонального навантаження.

3. Дослідити закономірності змін біоелектричних властивостей кістки в умовах дозованої гіпокінезії та роль змін складу й структури кісткової тканини у цих процесах.

4. Дослідити стан кисневого метаболізму м'язової та кісткової тканин задніх кінцівок щурів в умовах гіпокінезії і його зміни під впливом переривчастої нормобаричної гіпоксії (ПНГ).

5. На підставі порівняльного аналізу результатів проведених досліджень оцінити можливість використання біоелектричних показників для оцінки стану кісткової тканини.

Об'єкт дослідження - біоелектричні властивості кісткової тканини.

Предмет дослідження – потенціал навантаження та пасивні електричні властивості стегнової кістки білих щурів в умовах стереотипного й низького функціонального навантаження та парціального тиску кисню.

Методи дослідження. При виконанні роботи використано методи дозованого обмеження рухливості щурів, переривчастої нормобаричної гіпоксичної стимуляції, відведення потенціалу навантаження з поверхні кістки, мультичастотного імпедансометричного тестування, остеометрії, гравіметрії, термічної денатурації, хімічної демінералізації кістки та варіаційної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. Уперше проведено комплексні дослідження біоелектричних властивостей (БВ) стегнової кістки білих щурів в умовах стереотипного та низького функціонального навантаження. Встановлено закономірності змін електричного потенціалу навантаження в залежності від ступеня механічного впливу на кістку та віку тварин. Уперше показано, що характер і виразність змін БВ кістки протягом життя тварини визначаються віковими особливостями складу та морфометричних показників кістки. Встановлено, що жорстка тривала гіпокінезія призводить до істотних змін біоелектричних властивостей кістки. Показано важливу роль мінералорганічної складової кісткового матриксу та води у зміні окремих показників БВ кістки в умовах гіпокінезії. Встановлено, що критичним моментом у розвитку гіпокінетичної остеопенії є підвищення гідратації кісткової тканини, що спричинює різке збільшення її електропровідності. Вперше показано, що ПНГ зменшує прояви гіпокінетичних порушень кисневого метаболізму і БВ стегнової кістки. Встановлено, що у механізмі остеопротекторної дії ПНГ важливу роль відіграє активація анаболічних процесів у кістковій тканині, що супроводжується підвищенням вмісту органічних речовин.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати сприяють більш глибокому розумінню ролі біоелектричних факторів у регуляції фізіологічної перебудови кістки при зміні режимів функціонального навантаження. Результати роботи свідчать про те, що на певному етапі розвитку гіпокінетичної остеопенії зміни ПЕВ можуть сягати такого рівня, коли реалізація біоелектричних механізмів регуляції ремоделювання кістки стає суттєво обмеженою. Виконані дослідження дають змогу говорити про перспективність використання методу мультичастотної імпедансометрії для оцінки якості кісткової тканини в клінічній практиці. Нові дані про закономірності та специфіку змін ПЕВ кістки в умовах гіпокінезії можуть бути використані для розробки діагностичних алгоритмів, а створений пристрій для досліджень електричних характеристик біологічних об'єктів вже використовується у відділі клінічної патофізіології Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України. Результати досліджень можуть бути використані при викладанні курсу патофізіології та фізіології кісткової системи для фахівців медико-біологічного профілю.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно проведений аналіз літератури, досліджені пасивні електричні властивості, склад і остеометричні показники стегнової кістки щурів, проведені обробка й аналіз отриманих результатів. Частину досліджень з реєстрації потенціалу навантаження та визначенню кисневого метаболізму м'язової та кісткової тканини виконано в співробітництві зі співавторами друкованих праць - провідним інженером Сафоновим С.Л., п.н.с. Левашовым М.І. і м.н.с. Лахіним П.В. Планування досліджень, обговорення результатів і формулювання висновків проводилося разом з науковим керівником - доктором медичних наук, професором Березовським В.Я.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи були представлені на конференції для молодих учених Інституту фізіології ім. О. О. Богомольця НАН України „Перспективні напрями досліджень сучасної фізіології” (Київ, 2003); школі-семінарі для молодих учених ”Наукові космічні дослідження”, (Жукін, 2003); науково-практичній конференції “Вторинний остеопороз: епідеміологія, клініка, діагностика, профілактика та лікування”, (Київ-Тернопіль, 2003); IV Міжнародному симпозіумі “Актуальні проблеми біофізичної медицини” (Київ, 2004); школі-семінарі для молодих учених ”Наукові космічні дослідження”, (Жукін, 2004); IV Національному конгресі геронтологів і геріатрів України (Київ, 2005); школі-семінарі для молодих учених ”Наукові космічні дослідження”, (Жукін, 2005); V науково-практичної конференції „Морфогенез і патологія кісткової системи в умовах промислового регіону”, (Луганськ, 2005); XVII з'їзді фізіологів України (Чернівці, 2006); VIII World Congress of International society for Adaptive Medicine (Moscow, 2006); V Міжнародному симпозіумі “Актуальні проблеми біофізичної медицини”, (Київ, 2007). Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 статей у наукових журналах, з них 5 – у фахових виданнях, 12 тез доповідей на наукових конференціях, з'їздах, симпозіумах, отримано 1 деклараційний патент України на винахід.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація викладена на 186 сторінках (обсяг основного тексту -157 стор.) і складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел (233 найменування), робота проілюстрована 53 рисунками та 20 таблицями.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ МАТЕРІАЛИ та МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ

Дослідження виконані на 233 щурах-самцях лінії Вістар віком від 1 до 24 міс. Усі тварини отримані з віварію Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України, де вони знаходилися на стандартному раціоні харчування. Доступ тварин до їжі та води не обмежувався. Щурів виводили з експерименту за допомогою декапітації після знерухомлення в умовах ефірного наркозу. Всі маніпуляції з тваринами здійснювали відповідно до вимог біоетики та міжнародних принципів Європейської конвенції про захист хребетних тварин, які використовуються для експериментальних та інших наукових цілей.

Дозовану гіпокінезію створювали обмеженням рухливості тварин у герметичному контейнері, що складається з блоку комірок. Жорсткому режиму обмеження рухливості відповідало відношення площі проекції тіла тварини до площі обмежувальної комірки - 1:1 (Літовка І.Г.,2006). Конструкція контейнера забезпечувала можливість заміни в ньому атмосферного повітря на нормобаричну гіпоксичну газову суміш (НГГС) із заданим парціальним тиском кисню.

Гіпоксичну газову суміш одержували за допомогою мембранного газорозподільного елемента. Об'ємну швидкість подання повітря та НГГС контролювали ротаметром "РМ-063", вміст кисню - газоаналізатором "МИК-М". Періодичність подання газової суміші й атмосферного повітря в контейнер для щурів забезпечувалася в автоматичному режимі за допомогою програмного блоку керування роботою компресорів. НГГС із парціальним тиском кисню 90-98 мм рт. ст., що еквівалентно об'ємній частці кисню рівній 12-13% кисню, подавали дослідним тваринам щодня протягом 8 год у режимі 20 хв - гіпоксична газова суміш, 20 хв - атмосферне повітря.

Д

Б

9

10

ослідження ПН свіжовиділених стегнових кісток щурів проводили на установці, до складу якої входили: електронний блок з підсилювачем електричних сигналів, таймер, пристрій для фіксації та зволоження кістки, Ag-AgCl електроди із сольовим містком (0,9%-й розчин NaCl у 2%-му агарі, Cochran G.V. et al., 1989) і регістратор. Електроди розташовували в центрі діафіза стегнової кістки. При цьому електрод, який був розташований на ввігнутому боці кістки, підключали до інвертуючого, а електрод протилежного боку - до неінвертуючого входу підсилювача. Реєстрацію ПН проводили з точністю ±10 мкВ і базової похибки 0,05%. Для підтримки кістки у вологому стані використовували систему зволоження 0,9%-м розчином NaCl, рН 7,4. Дослідження проводили при 20-22°С.

Механічне навантаження на кістку здійснювали в аксіальному напрямку. Його значення розраховували виходячи з умов фізіологічного розподілу вагового навантаження між передніми та задніми кінцівками щура, згідно з яким 40% вагового навантаження припадає на передні кінцівки, а 60% - на задні (Fukuda S. et al., 2004). Дослідження проводили при 3 ступенях навантажень: І ступінь - 30%, ІІ ступінь - 50% і ІІІ ступінь - 100% від маси тіла тварини. Реєстрацію ПН проводили на двокоординатному самописці XY Recorder (Прага). Вимірювали амплітуду ПН (мкВ) та розраховували його величину, яка припадає на одиницю навантаження (мкВ/г).

П

Б