Автореферат и диссертация по медицине (14.00.32) на тему:Физиологические и гормональные стимулы в развитии гипогравитационной атрофии мышечных волокон и капилляров у человека

РГб од

з 1 лвг та

На правах рукописи

ЧЕГЛОВА Ирина Алексеевна

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И ГОРМОНАЛЬНЫЕ СТИМУЛЫ В РАЗВИТИИ ГИПОГРАВИТАЦИОННОЙ АТРОФИИ МЫШЕЧНЫХ ВОЛОКОН И КАПИЛЛЯРОВ У ЧЕЛОВЕКА

14.00.32 - Авиационная, космическая и морская медицина 14.00.03 - Эндокринология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Москва, 1999 г.

Работа выполнена в Государственном научном центре РФ Институт медико-биологических проблем.

Научные руководители ■

Официальные оппоненты

Ведущая организация:

кандидат биологических наук Б.С.Шенкман

кандидат медицинских наук И.М.Ларина

доктор биологических наук профессор О.Л.Виноградова доктор медицинских наук профессор Р.С.Тишешша

Московская медицинская академия имени И.М.Сеченова

Защита диссертации состоится "

1999 г. в

заседании диссертационного совета К 074.31.01 в ГНЦ РФ Институт медико-биологических проблем по адресу: Хорошевское шоссе, 76А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ИМБП.

Автореферат разослан "_

1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.б.н. И.П.Пономарева

ктуальность темы

Гипогравитационная атрофия мышц является одним из наиболее значительных и неблагоприятных эффектов невесомости (W.E. Thornton, J.A.Rummel, 1974; V.R.Edgerton et al., 1995 и др.). В условиях микрогравитации также уменьшается жесткость и сила мышц (Л.И Какурин и соавт, 1971. Ch. A.Berry, 1973.; I.B.Kozlovskaya, et al., 1981.; O.G. Gazenko, A.I. Grigoriev, I.B. Kozlovskaya, 1986). Известно, что мышцы, разгибающие нижние конечности, в наибольшей степени подвержены как снижению скоростно-силовых свойств, так и гипогравитационной атрофии (O.G. Gazenko, A.I. Grigoriev, I.B. Kozlovskaya, 1986 и др.). Обусловленные невесомостью структурные и функциональные сдвиги в мышечной системе развиваются на фоне значительных изменений параметров гормональной регуляции белкового обмена, что неоднократно отмечалось как непосредственно в условиях космических полетов, так и в начале послеполетного периода (C.S. Leach,

A.I.Grigoriev, Yu.V. Natochin, 1998).

Для поддержания работоспособности космонавтов в СССР разработана система физических упражнений, которая успешно используется в длительных пилотируемых полетах. Исследована и подтверждена эффективность этих мероприятий в отношении скоростно-снловых характеристик мышц (А.И.Григорьев, И.Б.Козловская,

B.И.Степанцов и др., 1986). Однако в настоящее время еще недостаточно изучены закономерности развития морфологических изменений в мышцах и влияния физических упражнений на структуру мышц в условиях гравитационной разгрузки.

Понимание физиологических механизмов, лежащих в основе гипогравитационной мышечной атрофии, необходимо для решения задач, связанных с совершенствованием средств и методов профилактики и коррекции неблагоприятных эффектов невесомости.

Принципиально важным представляется вопрос о том, какой из факторов, обусловленных невесомостью, запускает процесс гипогравитационной атрофии, и

какими механизмами опосредуется его воздействие на структуру скелетных мышц. Одновременность воздействия комплекса факторов на организм человека в условиях реальной невесомости и обязательность выполнения профилактических мероприятий в длительных космических полетах обусловили необходимость применения наземных исследований, моделирующих воздействие гипогравитации на структурные характеристики мыши.

Помимо вышесказанного, исследования структуры мышц при гравитационной разгрузке имеют прикладное значение и в отношении такой важной "наземной" социально-медицинской проблемы, как гипокинезия, обусловленная долговременным снижением уровня двигательной активности человека. Результаты исследований в области космической физиологии и медицины показали, что ведущая роль в генезе гипокинетических нарушений принадлежит изменениям в деятельности гравитационно-зависимых механизмов, обеспечивающих двигательную активность организма в наземных условиях. В частности, в ГНЦ РФ ИМБП на основе экспериментальных данных была разработана концепция о роли опорной афферентации как необходимого звена в регуляции работы двигательной системы млекопитающих (1.В.Ког1оУБкауа, Уг.У.КгеуйкЬ, А.Б. ИакИтапоу, 1981, И.Б.Козловская, 1986 и др.). Однако до сих пор остаются нераскрытыми физиологические механизмы, посредством которых дефицит опорной афферентации оказывает негативное влияние на структуру мышц в условиях гипокинезии. Дефицит мышечных нагрузок, приводящий к дисфункции исполнительного мышечного аппарата является постоянным спутником гипокинезии. Многочисленные исследования эффектов физических нагрузок в условиях гипокинезии привели к пониманию ведущей роли этого фактора для поддержания структурно-функциональных характеристик мышц. В то же время остается неясным, какой режим упражнений является оптимальным для предотвращения и коррекции обусловленных гипокинезией нарушений.

Представляемая работа посвящена исследованию воздействия опорной депривации на структурные характеристики мышц-разгибателей нижних конечностей человека в условиях наземных экспериментов, моделирующих физиологические эффекты гравитационной разгрузки. Наряду с этим изучалось влияние физической тренировки на развитие гипогравитационной атрофии этих мышц, а также динамика изменений уровней гормонов, участвующих в регуляции белкового обмена.

layman гипотеза

Пусковым фактором для развития гипогравитационной атрофии волокон и капилляров мышц-экстензоров нижних конечностей является опорная депривация, воздействие которой опосредуется механизмами гормонального контроля.

¡ели и задачи исследования

Цель работы - изучение структурных характеристик экстензоров нижних конечностей человека и уровней гормонов, участвующих в регуляции белкового обмена, в ходе экспериментов с моделированием физиологических эффектов гипогравитации.

Задачи исследования:

1. Выявление особенностей динамики изменений морфологических показателей мышц-экстензоров нижних конечностей (площади поперечного сечения мышечных волокон быстрого и медленного типов и параметров капилляризации), а также уровней кортизола, гормона роста, инсулина в ходе экспериментов, моделнр>тощих физиологические эффекты гравитационной разгрузки.

2. Оценка влияния физических упражнений на структурные характеристики мышц и уровни исследуемых гормонов в условиях антиортостатической гипокинезии.

3. Сопоставление данных о динамике изменений морфологических и гормональных показателей в ходе экспериментов с антиортостатической гипокинезией (AHOF) и сухой иммерсией (ИМ).

Чаучная новизна

В работе прослежена динамика изменений морфологических характеристик экстензоров нижних конечностей испытуемых в ходе экспериментов, моделирующих эффекты гипогравитации, и произведено ее сопоставление с динамикой изменений уровней гормонов, участвующих в регуляции белкового обмена.

Установлено, что кратковременная (3- и 7-суточная) сухая иммерсия приводит в m.vastus lateralis к выраженному сокращению площади поперечного сечения мышечных волокон I и II типа. В ходе эксперимента с сухой иммерсией описана

нелинейная динамика изменений уровня гормона роста и кортизола в плазме крови и разнонаправленные индивидуальные колебания уровня инсулина.

В эксперименте со 120-суточной АНОГ исследована динамика атрофического процесса в m.gastrocnemius lateralis. При этом обнаружены различия в скорости развития атрофии мышечных волокон медленного и быстрого типа. При изучении влияния физической тренировки на морфологические характеристики исследуемой мышцы в условиях гипокинезии показано, что высокоинтенсивные интервальные локомоторные упражнения на бегущей дорожке оказали выраженное профилактическое воздействие на размеры волокон медленного типа, будучи менее эффективными в сохранении площади поперечного сечения волокон быстрого типа. Физическая тренировка не только способствовала поддержанию уровня капилляризации исследуемой мышцы, но и привела к существенному увеличению в ней количества капилляров. В данном эксперименте атрофия мышечных волокон сопровождалась снижением уровня плазменного инсулина и возрастанием содержания гормона роста, тогда как изменения уровня кортизола были весьма неоднородными. При этом направленность изменений гормонального профиля испытуемых не зависела от применения физической тренировки.

Практическая значимость работы

Получила подтверждение гипотеза о роли опорной разгрузки как пускового фактора для формирования изменений структурных характеристик мышц-экстензоров нижних конечностей в условиях гипогравитации.

Исследование эффектов комплекса физических упражнений на морфологические характеристики ^..gastrocnemius lateralis в условиях длительной антиортостатической гипокинезии подтвердило оптимальность применения аналогичных профилактических программ на борту орбитальных станций.

Результаты работы свидетельствуют о перспективности исследования морфологических показателей для индивидуального контроля эффективности комплекса профилактических мероприятий, используемых в ходе долговременных космических полетов.

Основные положения диссертации, выносимые па защиту.

1. В ходе длительной антиортостатической гипокинезии наблюдается специфическая динамика атрофии волокон m.gastrocnemius lateralis: площадь поперечного сечения волокон I ("медленного") типа уменьшается на всем протяжении эксперимента, в то время как атрофия волокон II ("быстрого") типа в период с 60 по 120 сутки эксперимента замедляется.

2. Опорная разгрузка является ведущим фактором в инициировании гипогравитационной атрофии мышечных волокон мышц-экстензоров нижних конечностей, что следует из сопоставления результатов изучения их морфологических изменений в условиях длительной антиортостатической гипокинезии и кратковременной сухой иммерсии.

3. Изменения морфологических характеристик исследуемых мышц и уровней гормона роста, кортизола и инсулина в плазме крови в условиях наземного моделирования физиологических эффектов гипогравитации не проявили причинно-следственных связей между собой.

Апробация работы

Материалы проведенных исследований представлены:

- на конференции "Физиологические механизмы экстремальных состояний", Санкт-Петербург, 1995 г.

- на конференции "Прикладные аспекты исследований скелетных, сердечных и гладких мышц ", Пущино, 1996 г.

- на конференции "Ломоносов-97" (секция фундаментальной медицины, подсекция авиакосмической и экологической медицины), Москва, 1997 г.

- на II Международном аэрокосмическом конгрессе (секция авиационной и космической медицины), Москва, 1997 г.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа представляет собой рукопись объемом 115 страниц и состоит из введения, обзора литературы, трех глав, содержащих описание

собственных исследований, заключения и выводов. Работа иллюстрирована 17 таблицами, 11 графиками и диаграммами. Перечень использованной литературы включает 205 источников, из них 150 - зарубежных.

Диссертация апробирована на межотдельческой научной конференции ГНЦ РФ-ИМБП 4 февраля 1999 г. По материалам исследований опубликовано 6 научных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Содержание работы

Испытуемые и методы экспериментальной работы

Таблица 1. Общий объем исследований

Модель Длительность Пробы мышц Испытуемые n Возраст, лет Масса тела, кг

АНОГ 120 сут m.gastrocnemius lateralis женщины 8 27+3 56,9 2+2,3

Сухая иммерсия (ИМ) 3 сут m. vastus lateralis мужчины 6 31+3 71,7± 5,0

7 сут 4 31+5 75,4+5,3

Материалом для исследований являлись пробы мышц и крови, взятые у здоровых испытателей-добровольцев (табл. 1) в экспериментах со 120-суточной антиортостатической гипокинезией (АНОГ) с участием женщин, а также 3- и 7-суточной иммерсией (ИМ) с участием мужчин. Все обследуемые были заблаговременно проинформированы о характере и возможных неблагоприятных последствиях экспериментальных воздействий и дали письменное согласие на участие в экспериментах в соответствии с Хельсинкской декларацией и нормами международного права. Программы экспериментов были одобрены Комиссией ГНЦ РФ ИМБП по биомедицинской этике.

В АНОГ исследовалась m.gastrocnemius lateralis, а в иммерсии - m.vastus lateralis. Обе эти мышцы являются экстензорами ног. Ранее в ИМБП исследовали влияние опорной разгрузки на функциональные характеристики разгибателей ног в

аналогичных модельных условиях (И.Б.Козловская, Л.С.Григорьева, Г.И.Гевлич, 1984; A.I.Grigoriev, I.B.Kozlovskaya, 1991; Л.С.Григорьева, И.Б.Козловская, 1983).

Взятие материала производилось в фоновом периоде до начала модельных воздействий, на 60 и 120 сутки АНОГ и на 3 и 7 сутки иммерсии. Морфологические и гормональные показатели, которые исследовались в данной работе, а также методы их определения представлены в таблице 2.

Таблица 2. Исследуемые показатели и методы их определения

Показатели Морфологические Гормональные

Площадь поперечного сечения (ППС) мышечных волокон (MB) I и II типов Количество капилляров на одно мышечное волокно(К/В) Плотность капилляров (ПК) Уровни кортизола, гормона роста, инсулина Уровень кортизола (в эксп. с ИМ)

Взятие материала Игольчатая биопсия по Bergström Пункция локтевой вены (Шприц с раствором ЭДТА)

Хранение В жидком азоте при t°= - 186°С В спец. морозильной камере при е= -60°С

Обработка - изготовление сре: мкм с адгезией на п ов толщиной 10 редметное стекло Радиоиммунологический метод (РИА) Иммуно-ферментный метод (ИФА)

- Окраска на миофибриллярную АТФазу с преинкубацией при рН=4,35 - Окраска на кислые мукополисахари ды капилляров методом амилаза-ШИК

Колич. определение Определение площади MB (ASM-68k (LEICA, Germany) - в среднем 25 волокон. Подсчет капилляров и МВ в нескольких полях зрения (не менее 4) Определение содержания гормона на счетчике Тгасог Analytical Определение содержания гормона на считывателе Canberra Packard

Площадь поперечного сечения (ППС) мышечных волокон (MB) определяли в препаратах, окрашенных на АТФазу миозина (L.Guth, F.L.Samapha, 1970). При этом выделяли волокна I типа ("медленные" - темноокрашенные) и волокна II типа ("быстрые" - светлоокрашенные).

Капилляры определяли в препаратах, окрашенных на кислые гликозоаминогликаны базальной мембраны на фоне лизиса внутриволокопного гликогена методом амилаза-ШИК (P.Andersen, and J.Henriksson, 1977). Точность данного метода, который позволяет выявить все капилляры в пробе, ранее была

оценена в работе (Е.Каг^гст, В. Ез$еп-Сиз1а\,55оп, Ы.Норре1ег й а1., 1992) в сравнении с электронной микроскопией. При анализе данных вычисляли два показателя: количество капилляров, приходящееся на одно мышечное волокно, и плотность капилляров, равная числу капилляров в 1 мм2 среза мышцы. Последний показатель позволяет судить о диаметре цилиндра Крога (Кгс^Ь А., 1919) и оценивать таким образом степень кислородного и субстратного обеспечения капиллярами мышечной ткани. Количество капилляров на волокно может изменяться только при появлении новых капилляров, их ветвлении или потере старых, а плотность капилляров зависит также и от площади поперечного сечения волокон. При неизменном количестве капилляров их плотность уменьшается по мере увеличении площади поперечного сечения волокон и увеличивается по мере их уменьшения.

Уровни гормона роста, инсулина и кортизола в крови определяли в основном радиоиммунологическим методом (табл. 2).

Для изучения влияния физической тренировки на структуру мышц в условиях АНОГ испытуемые были разделены на 2 группы по 4 человека в каждой (см. табл. 4). Одна из групп служила контролем и в ней никакие профилактические мероприятия не проводились. Испытуемые второй группы выполняли в ходе АНОГ комплекс физических упражнений, близкий к используемому в длительных космических полетах (А.И.Григорьев, И.Б.Козловская, В.И.Степанцов и др., 1986). Основу тренировок составляли локомоторные интенсивные интервальные упражнения, выполняемые испытуемыми в горизонтальном положении на подвеске на вертикально расположенной бегущей дорожке с регулируемой притяжной системой. Тренировки были построены по принципу 4-суточных микроциклов (табл. 3).

Таблица 3. Структура 4-суточного микроцикла физической тренировки

День целевая направленность Объем нагрузки Интенсивность нагрузки Энергозатраты, КК&1 Объем ходьбы и бега, м

1 анаэробная работоспособность малый субмаксимальная и максимальная 200-220 3000-3100

2 силовая выносливость средний средняя 230-250 3500-3600

3 аэробная работоспособность большой малая 260-270 4300-4400

4 активный отдых малый 150 ad libitum

Для анализа экспериментальных данных был использован методологический подход, разработанный при исследовании функциональных свойств мышц (И.Б. Козловская и соавт., 1983, 1984, 1991). В основу этого подхода заложено сопоставление изменений, регистрируемых в ходе экспериментов с АНОГ и сухой иммерсией. Мы предположили, что иммерсия, которая наиболее корректно воспроизводит эффекты опорной разгрузки, может привести к развитию мышечной атрофии примерно в те же сроки, что и космический полет, и намного раньше, чем АНОГ (см. табл.4).

Таблица 4. Логическая схема организации исследований

Условия эксперимента Механическая разгрузка Опорная разгрузка Особенности биомеханики движений

АНОГ + + норма

Сухая иммерсия + +++ повышенное сопротивление среды

При статистических расчетах использовались программы MS Excel 5.0 и Statistica for Windows 4.3. (Statsoft Inc, 1993). Графики и диаграммы построены при помощи программы MS Excel 5.0. Для оценки достоверности изменения исследовавшихся показателей после экспозиции в модельных условиях по отношению к исходному уровню был использован t-критерий Стьюдента для парных сравнений, а также непараметрические статистические методы. Необходимость применения последних обусловлена мачочисленностью экспериментальных групп и невозможностью осуществления отбора испытуемых и формирования экспериментальных групп исходя из фоновых значений исследуемых параметров. Различия в степени атрофии мышечных волокон у испытуемых контрольной и тренировавшейся групп в эксперименте с АНОГ оценивались по U-критерию Mann -Whitney. Взаимосвязь между изменениями морфологических и гормональных характеристик, зарегистрированными в ходе экспериментальных воздействий, исследовалась путем вычисления соответствующих коэффициентов корреляции.

9.2. Основные результаты исследования и их обсуждение

В ходе обеих экспериментальных серий существенно изменились как морфологические характеристики исследованных мышц, так и уровни гормонов.

Результаты, полученные в 120-суточном эксперименте с антиортостатической гипокинезией с участием женщин.

120-суточная АНОГ

привела к уменьшению площади поперечного сечения волокон m.gastrocnemius lateralis, причем на 60 сутки АНОГ степень атрофии составила 23% для MB I типа ("медленных") и 16% для MB II типа ("быстрых"). К 120 суткам ППС волокон медленного типа была меньше исходного уровня на 34%, а быстрого типа -на 18% (рис. 1). Аналогичные данные были получены в экспериментах с вывешиванием задних конечностей крыс: 7-суточное вывешивание приводило к сокращению ППС волокон обоих типов в равной степени (D.B.Thomason, F.W.Booth, 1990), а более продолжительная экспозиция в этих условиях (15 суток и более) - к более выраженному уменьшению поперечных размеров волокон I типа (D.Desplanches et al., 1987:, E.O.Hauschka et al., 1988 и др.). Возможно, эти факты свидетельствуют о существовании некоторых различий в механизмах реализации гипогравитационной атрофии быстрых и медленных мышечных волокон. Так, в работе (P.F.Gardiner, M.Favron and P.Corriveau, 1992) сообщается, что полная блокада проведения импульса по моторному нерву на фоне вывешивания привела к более выраженной атрофии волокон II типа в соответствующей мышце, чем простое вывешивание. Размеры волокон I типа при этом были сходными, т.е. "лишение" опорного стимула приводило к той же степени атрофии волокон I типа, что и полная денервация мышцы,

СРЕДНЯЯ ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ВОЛОКОН M.GASTROCNEMIUS LATERALIS У ЖЕНЩИН В ХОДЕ АНОГ

фон

¡1

$0сут*

120 сут*

- MB I типа

-*-МВН типа

Рис.1. *Р<0,05

оказавшись недостаточным для достижения максимальной степени атрофии- волокон II типа. Кроме того, данные литературы и полученные нами результаты свидетельствуют о различной реакции ППС MBI и MBII на физическую тренировку в экспериментальных условиях (см. ниже), что также может быть обусловлено некими различиями в механизмах атрофии двух типов волокон.

Исследование эффектов

системы физических тренировок (ФТ) на фоне АНОГ показало, что ППС волокон I типа в группе с ФТ уменьшалась заметно слабее, чем в контрольной группе (рис. 2). На 60 сутки воздействия степень атрофии MB I составляла в группе с ФТ 8%, а в контрольной группе 23%. К моменту окончания эксперимента степень атрофии MB I составляла 11% и 34% соответственно. Вместе с тем динамика изменений размеров волокон II типа в обеих группах была сходной (рис. 3).

Высокая чувствительность волокон I типа к воздействию профилактических физических упражнений была выявлена и ранее в экспериментах с длительной АНОГ (С.Л.Кузнецов, В.В.Степанцов, 1990).

После 120 суток гипокинезии плотность капилляров в m.gastrocnemius lateralis у испытуемых контрольной группы увеличилась на 54%. Это указывает на значительное уменьшение площади поперечного сечения мышечных волокон.

Количество капилляров на волокно при этом уменьшилось на 60 сутки воздействия на 10%. Таким образом, капиллярная сеть в настоящем эксперименте демонстрирует большую стабильность, чем мышечные волокна.

СРЕДНЯЯ ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ВОЛОКОН 1ТИПА М.GASTROCNEMIUS LATERALIS В ХОДЕАНОГ

Рис. 2. Различия между группами р<0,05

СРЕДНЯЯ ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ВОЛОКОН11 ТИПА |И.<ЗЛ5ГЯОСЛ|£/И/и5 М ГЕЯДиЗ Я ХОДЕ АНОГ

*

80 суш

120сут

-о-Без ФТ

— «Т

Рис.3

Этот феномен в экспериментах с антиортостатической гипокинезией был отмечен также в работе (С.Л.Кузнецов, В.В.Степанцов, 1990). К сожалению, в доступной нам литературе практически не обсуждается вопрос о тонких физиологических механизмах атрофии капилляров, однако есть основания полагать, что, как и в случае их роста, определенную роль играют гемодинамические факторы (АЬои<1гаг в., В.БезрЫсЬез, й а!., 1992.; Лобачик В.И. и соавт., 1990)

КОЛИЧЕСТВО КАПИЛЛЯРОВ, ПРИХОДЯЩЕЕСЯ НА 1 МЫШЕЧНОЕ ВОЛОКНО (АНОГ)

60 120

сут сут

|

I 30¡

0 20

л»

g ю t)

i S о«

i 0, | a -l( . ¡i

1 -so ------------------------ i¡

! s :!

Рис. 4. Различия между группами р<0,05

Количество капилляров на волокно в группе с физической тренировкой выросло на 31%. Из литературы известно, что выполнение физических упражнений способствует росту капилляров в нагружаемых мышцах в обычных условиях (P.Andersen, J.Henriksson, 1977; Frontera W.R. et al., 1990 и др.). Результаты настоящего исследования показывают, что тренировка может увеличивать количество капилляров и при разгрузке.

* -БезФТ

• я-ФТ

Атрофия мышечных волокон и капилляров в гипокинезии сопровождалась на всем протяжении воздействия значительным увеличением содержания гормона роста и снижением уровня инсулина (рис. 5, 6).

ДИНАМИКА УРОВНЯ гормона роста в ПОСУТОЧНОЙ АНОГ

гЬ

LlñlL

60 сут* I ФТ

120 сут* ПбезФТ

S О

ДИНАМИКА УРОВНЯ ИНСУЛИНА ВХСДЕАНСГ 60 сут* 120cynf

■ ФТ

О 6м <РТ

Рис. 5. * Р<0,05

Рис.6. * Р<0,05

Однозначных сдвигов уровня кортизола обнаружено не было. Как видно из сравнения результатов, полученных в контрольной и тренировавшейся группах, физическая нагрузка не оказала выраженного воздействия на направленность индуцированных экспозицией в экспериментальных условиях изменений уровней исследуемых гормонов у испытуемых в условиях данного эксперимента.

ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ВОЛОКОН I ТИПА

бОсут 120сут

О

Щ -20

О* ,зо * -40

зПРИ

ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ВОЛОКОН II ТИПА

УРОВЕНЬ СТГ

щ

I \

400 Т 300 4 200 I 100 + о — ■ню -

во сугп

f45105 ! _Пп1 In! НП ;

120 сут

УРОВЕНЬ ИНСУЛИНА б0 сут

120 сут

'«"-7S

-90

УРОВЕНЬ КОРТИЗОЛА

4l

о А

300 т 200 -}■ 100 I

I

■100

Ппг

«г12

40

_h_Q

ПГ

■57

тзсг

•5J41

бОсут

120 сут

Рис.7. Индивидуальные изменения исследуемых показателей у испытуемых в ходе 120-суточной АНОГ.

С целью выявления возможной роли изменений гормонального профиля испытуемых в развитии атрофии волокон и капилляров m.gastrocnemius lateralis в условиях АНОГ, проводился статистический анализ полученных данных, который не обнаружил корреляционной зависимости между изменениями уровнен исследуемых гормонов и морфологических характеристик данной мышцы. Качественный анализ индивидуальных изменений (рис. 7) также не выявил закономерной связи между морфологическими и гормональными показателями.

Таким образом, вышеописанные результаты не дают оснований для утверждения, что атрофия мышечных волокон и

капилляров m.gastrocnemius lateralis, обнаруженная у испытуемых в даннном эксперименте, обусловливается изменениями уровней исследованных гормонов.

Результаты. полученные в эксперименте с сухой иммерсией продолжительностью 3 и 7 суток с участием мужчин

В ходе кратковременной сухой иммерсии в m.vastus lateralis зарегистрировано близкое по величине уменьшение размеров волокон обоих типов. В среднем степень атрофии составила 8,5% на 3 сутки и 16% на 7 сутки (рис. 8).

При сравнении данных, полученных в ходе иммерсии и гипокинезии, было обнаружено следующее. Степень атрофии мышечных волокон после 7-дневной иммерсии соответствовала глубине изменений, наблюдаемых в АНОГ в значительно более поздние сроки. По-видимому, это объясняется эффектом опорной разгрузки, который адекватно воспроизводится при иммерсии.

По данным американских авторов (V. R Edgerton et al., 1995), в ходе кратковременных космических полетов размеры волокон уменьшились примерно в той же степени, что и в нашем иммерсионном эксперименте, а 7-дневная гипокинезия не изменила размеров мышечных волокон. Отсюда можно заключить, что опорная афферентация является необходимым условием для поддержания нормальной структуры мышц и, соответственно, опорная депривация приводит к развитию гипогравитаыионной мышечной атрофии.

Нами обнаружено, что к 3 суткам воздействия иммерсии в исследуемой мышце количество капилляров, приходящееся на одно MB, уменьшилось на 7%. Впоследствии этот показатель оставался примерно на том же уровне.

Плотность капилляров увеличивалась на всем протяжении эксперимента, что, по-видимому, обусловлено уменьшением площади поперечного сечения мышечных волокон.

СРЕДНЯЯ ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ВОЛОКОН U.VASTUS LATERALS У МУЖЧИН В !' ХОДЕ ИММЕРСИИ

Рис. 8 ♦♦Р<0,01, п=10; ♦ Р<0,05, п=4

Уровень базального кортизола в плазме крови испытуемых был выше исходного по окончании 1 и 3 суток эксперимента с сухой иммерсией. В это же время обнаруживается также повышение уровня гормона роста (рис. 8).

Эти данные согласуются с результатами реального космического полета, где имела место сходная динамика (Leach C.S., Rambaut P.C., 1975). После 7 суток экспозиции в экспериментальных условиях содержание гормона роста оказалось значительно сниженным у всех испытуемых. Сходная динамика уровней этого гормона отмечена и в первую неделю полетов по программе Skylab (С.S.Leach, P.C.Rambaut, 1975).

Причиной снижения уровня СТГ к 7 суткам иммерсионного эксперимента может являться уменьшение его секреции вследствие изменения проприоцептивной афферентации при сочетанном воздействии опорной и механической разгрузки -эффектов невесомости, достаточно корректно воспроизводимых в условиях данной модели. Это было показано ранее в экспериментах на животных. Так, например, в работе американских авторов (K.Gosselink, R.Grindeland, V.R.Edgerton et al., 1998) описывается повышение концентрации СТГ в плазме крови и снижение ее в гипофизе вывешенных крыс при стимуляции проксимального конца изолированных нервов, иннервирующих быстрые мышцы нижних конечностей.

Сопоставление динамики атрофии мышечных волокон с динамикой изменений содержания гормона роста, инсулина и кортизола в эксперименте с 3- и 7-суточной иммерсией как в целом по группе, так и при рассмотрении индивидуальных изменений исследуемых параметров (рис. 9) не дает оснований утверждать, что изменение уровня гормонов является фактором, определяющим развитие гипогравитационной мышечной атрофии, зарегистрированной в данном эксперименте. Корреляционный аначиз морфологических и гормональных показателей так же не выявил значимой взаимосвязи между ними. Тем не менее мы не можем исключить, что кортизол и гормон роста принимают участие в регуляции морфологических характеристик скелетных мышц как при ИМ, так и в начальный период реальных космических полетов.

^tvHVAta.BBtvypoBBimjmoHAPOCTm ишвкзч

м — — — — —

¿0 rffl

11 -i

40 -

□ СТГ I КОРТИЗОЛ

Рис.8 *Р<0,05

3-суточная иммерсия

Г ппафдьпа1ЕР£ЧН<уосгчшявсла<сн1тпА

{

: 8е ________

-га + г,* ;

=ГПЗ|

7-суточная иммерсия

ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ВОЛОКОН I ТИПА

, О 6 т .10

:

§ £ -20

I'

ш иг

-12 -9

ппсиш^пспЕР&гюгосЕчтявопаанп ТИПА

¡Ьр-5 >

■ * § Р-м * в*.я;

□О"

ПЛОЩАДЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ВОЛОКОН II ТИПА

« О 9-20 ,

у5-зо ;

1

нэнп

УРОВЕНЬ СТГ

5|8

НП,

□

УРОВЕНЬ ИНСУЛИНА

.1*

300 200 ■

УРОВЕНЬ ИНСУЛИНА

260

ив

•ю.5 -вв'1 -ао.в

УРОВЕНЬ КОРТМЗОЛА

УРОВЕНЬ кар ТИЗОЛА

г

50 -о - -

Рис. 9. Индивидуальные изменения исследуемых показателей у испытуемых в ходе 120-суточной АНОГ.

о

При анализе результатов наших исследований можно обнаружить как общие закономерности, так и различия, связанные со спецификой использованных методик моделирования эффектов гипогравитации.

В частности, обе экспериментальные серии привели к атрофии волокон исследуемых мышц-экстензоров нижних конечностей. Однако скорость этого процесса в АНОГ и ИМ была различной. При наиболее корректном моделировании опорной разгрузки, т.е. в иммерсии, размеры волокон уменьшались значительно быстрее, чем в гипокинезии. По-видимому, это подтверждает гипотезу о том, что опорная разгрузка (и, соответственно, опорная депривация) могут рассматриваться в качестве пускового механизма для развития гипогравитационной атрофии мышц.

При сравнении динамики структурных изменений мышц и уровней исследуемых гормонов нам не удалось обнаружить причинно-следственной связи между ними.

Выводы

1. В ходе проведенных исследований показано, что наземные эксперименты, воспроизводящие физиологические эффекты гравитационной разгрузки (антиортостатическая гипокинезия и сухая иммерсия), приводят к уменьшению поперечных размеров мышечных волокон и количества капилляров в разгибателях нижних конечностей, а также к изменениям гормонального профиля испытуемых. При этом скорости развития атрофии исследованных мышц не совпадают при разгрузке различного характера: площадь поперечного сечения мышечных волокон уменьшается быстрее при использовании безопорной модели (сухая иммерсия), что указывает на важную роль опорной депривации в формировании гипогравитационной атрофии мышц.

2. 120-суточная АНОГ привела к выраженному снижению площади поперечного сечения мышечных волокон и количества капилляров в m.gastrocnemius lateralis. При этом динамика атрофии мышечных волокон I и II типов была различной: площадь поперечного сечения волокон I типа уменьшалась на всем протяжении воздействия, а волокон II типа - ступенчато, претерпевая более глубокие изменения в первые 60 суток воздействия и выходя на плато к моменту окончания эксперимента.

3. Интенсивные интервальные локомоторные упражнения на бегущей дорожке, использовавшиеся на фоне АНОГ, оказали выраженный профилактический эффект в отношении величины площади поперечного сечения волокон I типа. Поперечные размеры волокон II типа уменьшались в обеих группах сходными темпами. Физическая тренировка привела также к значительному увеличению количества капилляров, приходящегося на одно мышечное волокно.

4. В ходе эксперимента с ИМ обнаружено уменьшение площади поперечного сечения обоих типов волокон m.vastus lateralis на 3 сутки и продолжение процесса атрофии к 7 суткам. Кроме того, выявлена тенденция к снижению капилляризации на 3 сутки эксперимента и стабилизация этого параметра ко времени его окончания.

5. Уровень базального кортизола в плазме крови испытуемых был достоверно выше исходного в конце I и 3 суток эксперимента с ИМ. После 7-суточной иммерсии, как и в ходе АНОГ, индивидуальные показатели были крайне противоречивыми.

6. В эксперименте с АНОГ уменьшение площади поперечного сечения мышечных волокон сопровождается снижением уровня инсулина, тогда как в эксперименте с ИМ не зафиксировано однонаправленных изменений уровня данного гормона вследствие неоднородности индивидуальных значений.

7. При использовании безопорной модели (ИМ) по окончании 1 и 3 суток эксперимента наблюдается некоторое повышение уровня иммунореактивного гормона роста, а к 7 суткам эксперимента обнаружено как сокращение поперечных размеров мышечных волокон, так и уменьшение содержания данного гормона в плазме. При использовании АНОГ процесс атрофии MB сопровождается повышением уровня гормона роста.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Влияние кратковременной сухой иммерсии на размеры мышечных волокон у человека; Материалы чтений "Ломоносов-97" (секция фундаментальной медицины, подсекция авиакосмической и экологической медицины) М., МГУ, 1997, с.2.

2. Fiber muscle atrophy in microgravity: time-course, ultrastructural background and afferent control. XXXIII Int. Congress of physiological sciences. St. Petersburg. June 30-July 5,

p.043.11,1997. Соавторы: B.S.Shenkman, V.V.Stepantsov, I.B.Kozlovskaya, T.L.Nemirovskaya

3. Human muscle fiber atrophy in supportlessness: effects of short-term exposure to dry immersion. J. Gravit. Р/гул'о/.,4(2):Р137-Р138,1997. Соавторы: B.S.Shenkman, I.B.Kozlovskaya, T.L.Nemirovskaya

4. Muscle atrophy and hormonal regulation in women in 120 day bed rest. J. Gravit. Physiol, 4(2):P121-P122,1997. Соавторы: I.M.Larina, B.S.Shenkman, T.L.Nemirovskaya, I.B.Kozlovskaya