CC BY
33
ПАРАМЕТРЫ ОДИНОЧНЫХ И СУММИРОВАННЫХ СОКРАщЕНИЙ
СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ IN VIVO И IN VITRO
Р.А. Эшпай 1, А.Е. Хайруллин 2, Р.Г. Каримова 3, Л.Р. Нуриева 2, А.А. Ризванов 4, М.А. Мухамедьяров 2, А.У. Зиганшин 2, С.Н.Гоишин12
1 Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева, Казань, Россия
2 Казанский государственный медицинский университет, Казань, Россия
3 Казанская государственная академия ветеринарной медицины им. Н.Э. Баумана, Казань, Россия
4 Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия
Parameters of single and summated contractions of skeletal muscles in vivo and in vitro
R.A. Eshpay1, A.E. Khairullin 2, R.G. Karimova 3, L.R. Nurieva 2, AA. Rizvanov4, MA. Mukhamedyarov 2, A.U. Ziganshin 2, S.N. Grishin 1■2
1 A.N. Tupolev Kazan National Research Technical University, Kazan, Russia
2 Kazan State Medical University, Kazan, Russia
3 N.E. Bauman Kazan State Academy of Veterinary Medicine, Kazan, Russia
4 Kazan (Volga region) Federal University, Kazan, Russia
Известно, что используемые современные неинва-зивные методы регистрации параметров функциональной активности скелетных мышц in vivo ввиду ограничения, налагаемого самими методическими установками, стоят не ближе к получению точных значений амплитудно-временных параметров мышечных сокращений, чем это происходит при работе с выделенной тканью . Целью данной работы явилась регистрация и соотношение параметров одиночных и тетанических сокращений различных типов скелетных мышц теплокровных, полученных in vitro и с минимально необходимыми инвазивными операциями in vivo Оказалось, что параметры одиночных сокращений in vitro и in vivo неразличимо близки к друг другу, в то время как частота слияния тетанусов и даже их форма отличаются
Ключевые слова: механомиография, мышечное сокращение, различные типы скелетных мышц, сила и скорость мышечного сокращения
Введение
Опорно-двигательная система организма обеспечивает его важнейшую функцию — локомоцию . На протяжении столетий наиболее объективным методом ее исследования остается регистрация параметров сократительной активности скелетных мышц [1].
Известные классические методы регистрации контрактильных кривых предусматривают предварительную экстирпацию мышцы, либо ее части, а затем проведение эксперимента in vitro [2, 3]. При этом, по принятому стандарту [4—6], выделенные мышцы фиксируют, присоединяя один конец к датчику механической активности . В зависимости от типа датчика регистрация сократимости производится, обычно, либо в изометрическом, либо в изотоническом режимах
Однако, экспериментальные данные, полученные на выделенной мышце, не могут быть адекватно аппроксимированы на интактную, содержащуюся в организме, так как выделенный мышечный орган находится в неестественном состоянии [7, 8]. С другой стороны, используемые современные неинвазивные методы регистрации параметров функциональной активности скелетных мышц in vivo ввиду ограничения, налагаемого самими методическими установками, отстоят еще дальше от получения точных значений параметров, чем это происходит при работе с выделенной тканью [9].
e-mail: sgrishin@inbox. ru
It is well known that modern non-invasive methods for registration of functional activity of skeletal muscles in vivo due to technical reasons reflect amplitude and temporal parameters of muscle contractions not better than in vitro approaches The aim of present study is to register and compare parameters of single and tetanic contractions of different types of skeletal muscles of warm-blooded animals in vitro and under minimally invasive surgery in vivo It was found that single muscle contractions in vitro and in vivo indistinguishably close to each other, whereas frequency of tetanus fusion and waveform of tetanic contractions are different
Keywords: mechanomyography, muscle contraction, different types of skeletal muscles, force and velocity of muscle contraction
Исходя из всего этого, мы задались целью зарегистрировать и соотнести параметры одиночных и суммированных (тетанических) сокращений различных типов («быстрых» и «медленных») скелетных мышц теплокровных, полученных in vitro и с минимально необходимыми инвазивными операциями in vivo
Материал и методы
Подготовительные процедуры. Эксперименты проводились на белых лабораторных крысах массой 140—180 г согласно Европейской Конвенции по защите лабораторных позвоночных животных с разрешением Этического комитета КГМУ. Для наркоза животным вводили внутрибрюшинно этаминал натрия в дозе 40 мг/кг .
Условия проведения экспериментов in vivo. В экспериментах использовалась оригинальная двухка-нальная установка, позволяющая одновременно регистрировать сокращения 2 скелетных мышц in vivo [8]. У предварительно наркотизированной крысы полувыделяли камбаловидную (m . soleus — мышца, содержащая максимальное число «медленных» волокон) и длинный разгибатель пальцев (m. extensor digitorum longus (m . EDL) — «быстрая» мышца) на одной из задних конечностей В бедро внедряли погружной электрод, в который помещался седалищный нерв Через него осуществляли непрямое раздражение
мышц стимулятором Digitimer MultiStim D330 (Великобритания) .
Условия проведения экспериментов in vitro. Полностью выделяли m . soleus и m . EDL на обеих задних конечностях крысы . Мышцы фиксировали вертикально, присоединяя один конец к датчику механической активности, и погружали в термоста-тируемые ванночки объемом 10 мл, заполненные раствором Кребса следующего состава (в мМ): NaCl (118,0), KCl (4,75), CaCl2 (2,5), NaHCO3 (24,8), KH2PO4 (1,18), MgSO4x7H2O (1,18), глюкоза (11), рН 7,4, температура 37±0,5°C . Раздражение мышц электрическим полем производили стимулятором Digitimer MultiStim D330 (Великобритания) при помощи двух платиновых колец диаметром 2,5 мм, расположенных на расстоянии 15 мм друг от друга, через которые была пропущена мышца
Процедуры стимуляции и регистрации сократительных ответов. Одиночные сократительные ответы мышц вызывали электрическими прямоугольными импульсами частотой 0,1 Гц, длительностью 0,5 мс и напряжением 10 В в течение 30 с . Для регистрации 10-секундных тетанических ответов последовательно повышали частоту стимуляции до получения вначале зубчатого, а следом и гладкого тетанусов . Фиксировали значение частоты стимуляции, начиная с которой наблюдались исключительно гладкие тетанусы как «частоту слияния». Ответы регистрировали изометрически с помощью датчика механической активности Linton FSG-01 (Великобритания), фиксировали аналогово-цифровым преобразователем Biopack (Великобритания) MP100WSW и сохраняли на персональном компьютере . Средняя величина амплитуд одиночных сокращений, записанных в течение 30 с (4 сокращения), обрабатывалась как одно измерение
Результаты
Регистрация одиночных мышечных
сокращений
Регистрация одиночных мышечных сокращений in vivo. В условиях регистрации in vivo мы получили следующие параметры одиночных контрактиль-ных ответов m. soleus: сила сокращения составила 2,09±0,06 г, время сокращения 0,083±0,008 с и время полурасслабления 0,190±0,011 с (n = 20) .
Что касается «быстрой» мышцы, сила сокращения m . EDL составила 0,98±0,07 г при времени сокращения 0,039±0,004 с и полурасслабления 0,114±0,008 с (n = 21) .
Регистрация одиночных мышечных сокращений in vitro. В описанных ранее условиях in vitro усредненная кривая сокращения m soleus имела следующие параметры: сила сокращения камбаловидной мышцы крысы составила 2,02±0,06 г, время сокращения 0,079±0,007 с и время полурасслабления 0,170±0,009 с (n = 24), что достоверно не от-
личалось (р>0,05) от значений, полученных нами in vivo .
Сходные условиям in vivo результаты мы получили и в экспериментах с m . EDL . Так, сила сокращения этой мышцы in vitro составила 0,92±0,05 г без изменения времен сокращения — 0,037±0,003 с и полурасслабления — 0 . 112±0 . 006 с (n = 22; р>0 . 05) .
Регистрация суммированных сокращений
Регистрация суммированных мышечных сокращений in vivo. Исследование тетанических сокращений in vivo выявило, что одиночные мышечные сокращения камбаловидной мышцы никак не отображались в общем гладком тетанусе, начиная с частоты 8,4±0,3 Гц (n = 19), тогда как эта картина у икроножной мышцы наблюдалась при гораздо большей интенсивности раздражения . Так, по результатам 19 экспериментов частота слияния икроножной мышцы в теле крысы составила 18,5±0,4 Гц .
Фаза «плато» тетанусов in vivo во всех случаях имело пологий наклон в сторону уменьшения со временем амплитуды сокращения
Регистрация суммированных мышечных сокраще-нийin vitro. Оказалось, что суммированные сокращения выделенной камбаловидной мышцы переходят в гладкий тетанус при 9,2±0,3 Гц, а у икроножной мышцы частота слияния — 20,0±0,5 Гц (n = 16) . В обоих случаях значение частоты слияния достоверно (р<0,05) отличались от этого параметра у соответствующей мышцы при регистрации тетанусов in vivo
Передний фронт гладких тетанусов обоих мышц, зафиксированных в условиях in vitro, был «классической» формы [10]: имел небольшой постоянный прирост к силе в районе фазы «плато»
Последовательная регистрация сокращения
мышц in vivo и in vitro
И, наконец, нами с целью верификации ранее полученных данных была произведена следующая серия поэтапных экспериментов . На первом этапе мы регистрировали одиночные и суммированные сокращения камбаловидной мышцы и m . EDL in vivo — так же, как это описано выше . Нами были получены схожие с изложенными в этих разделах результаты, представленные на рисунках 1А и 1В (одиночные сокращения), а также 2А и 2В (тетану-сы)
Далее мы экстирпировали исследуемые мышцы из тела крысы и помещали их ванночку, согласно описанной методике in vitro . На рисунках 1Б, 1Г, 2Б и 2Г представлены результаты регистрации, соответственно, одиночных и тетанических сокращений данных мышц . Их параметры не существенно (р>0,05) отличаются от результатов, приведенных выше
Рис. 1. Усредненные кривые одиночных мышечных сокращений (по 4 реализации) m. soleus и m. EDL крысы in vivo и in vitro: А — m. soleus in vivo; Б — m. soleus in vitro; В — m. EDL in vivo; Г — m. EDL in vitro
Рис. 2. Репрезентативные кривые суммированных мышечных сокращений (при 20 Гц) m. soleus и m. EDL крысы in vivo и in vitro: А — m. soleus in vivo; Б — m. soleus in vitro; В — m. EDL in vivo; Г — m. EDL in vitro
Обсуждение
Традиционно модель нижней конечности как опорно-двигательного сегмента с тремя степенями свободы описывается в сагиттальной плоскости набором из 3 элементов (бедра, голени и стопы), приводящихся в движение восемью мышцами [11]. Безусловно, существует согласованность в работе мышц . Известны синергическое соучастие мышц в определенных двигательных актах и антагонистические отношения
Также понятно сообщение мышцы как органа со своим непосредственным окружением Так, мио-фасциальная передача усилия происходит между мышцами (межмышечная миофасциальная передача усилия) и от мышц к окружающим немышечным структурам, таким, как сосудисто-нервные пути и кости (внемышечная миофасциальная передача усилия) [7]. Основная задача данной работы была в том, чтобы исследовать, насколько сильно влияет мышечное окружение на параметры сокращения скелетных мышц различного типа и не будет ли в условиях in vivo драматических отличий этих параметров от контрактильных характеристик полностью выделенной из тела мышцы
В ходе представленных исследований обнаружено, что в плане одиночных мышечных сокращений ни «быстрая», не «медленная» мышцы существенно не прибавляют ни во временных, не в амплитудных параметрах, находясь на своем естественном месте в голени крысы, относительно условий in vitro . Однако, как мы все знаем, мышечное сокращение в одиночном режиме крайне малоэффективно ввиду краткости нахождения в активном состоянии сократительного механизма и поэтому выраженные двигательные акты сопровождаются серией активности двигательных единиц
Ритмически стимулируя мышцы in vivo мы подтвердили ранее опубликованные данные о понятном значительном различии в частотах слияния зубча-
того в гладкий тетанус у «быстрой» и «медленной» мышц [12]. Переходя к экспериментам in vitro, мы обнаружили, что в этом режиме достижение полностью гладкого тетануса требует достоверного повышения частот стимуляции на единицы герц Причем, это справедливо и для «быстрой», и для «медленной» мышц . Мы делаем вывод, что in vivo из-за меж-фасциальных отношений частично страдает эффективность механического сложения элементарных усилий
В чем-то неожиданными показался сам внешний облик, отличный от «классического», самых гладких тетанусов всех типов мышц in vivo . Вместо пологого возрастания фазы «плато» (которое и наблюдалось в представленных экспериментах с полностью выделенной мышцей), обусловленного постоянным приростом мышечной силы, нами in vivo был отмечен пологий наклон в сторону уменьшения со временем амплитуды сокращения . Это, на наш взгляд, может объяснятся теми же межфасциальными противодействиями
Главный вывод, который можно сделать из данной работы, что бытующая повсеместно практика исследований с регистрацией контрактильных характеристик скелетных мышц in vitro вполне корректно отражает нативные процессы лишь в случае одиночных мышечных сокращений . При опытах с суммированными сокращениями необходимо оглядываться на реальные процессы, происходящие в совокупности мышечных (и окружающих их немышечных) органов
Благодарности
Поддержано грантом РФФИ № 16-04-00101, а также программой повышения конкурентоспособности Казанского федерального университета и субсидией, выделенной КФУ для выполнения государственного задания в сфере научной деятельности.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Введенский Н . Е . О соотношениях между раздражением и возбуждением при тетанусе . СПб ., 1886: 336 .
2 . Бериташвили И . С . Общая физиология мышечной и нервной систем . М .: Изд-во АН СССР . 1937; 1: 570 .
3 . Хилл А. Механика мышечного сокращения . M . , 1972: 176 .
4 . Ахметзянов Р . Х . , Филиппов Е . Б . Измерение силовых характеристик мышечных волокон с помощью фотоэлектрического преобразователя . Физиол . журн . СССР 1986; 72(3): 387-90 .
5 . Teplov A .Y ., Grishin S . N ., Mukhamedyarov M . A. et al . Ovalbumin-induced sensitization affects non-quantal acetylcholine release from motor nerve terminals and alters contractility of skeletal muscles in mice . Exp . Physiol . 2009; 94(2): 264-8 .
6 . Mukhamedyarov M .A. , Leushina A.V ., Zefirov A. L. et al . Extraneuronal toxicity of Alzheimer's p-amyloid peptide: comparative study on vertebrate skeletal muscles . Muscle & Nerve . 2011; 43(6): 872-7
7 . Yucesoy C .A., Baan G . C ., Koopman B . H . et al . Pre-strained epimuscular connections cause muscular myofascial force transmission
to affect properties of synergistic EHL and EDL muscles of the rat . J . Biomech . Eng . 2005; 127(5): 819-28 .
8 . Эшпай Р . А . , Гришин С . Н . , Теплов А . Ю . и др . Одновременная регистрация сокращения различных типов скелетных мышц in vivo . Известия Самарского научного центра РАН 2014; 16(5): 1812-4 .
9 . Шилько С . В ., Черноус Д . А. , Бондаренко К . К . Метод определения in vivo вязкоупругих характеристик скелетных мышц Российский журнал биомеханики 2007; 11(1): 45-54 .
10 . Матюшкин, Д . П . Глазодвигательный аппарат млекопитающих . Ленинград: Медицина . 1972: 184 .
11. Schiehlen W ., Ackermann M . Estimation of Metabolical Costs for Human Locomotion . In: International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference 2005, Sep 24-28; California, USA, 2005: 299-315
12 Морозов Г А , Сафиуллин Р С , Еремеев А А и др Функционирование скелетных мышц крысы в условиях моделирования невесомости Известия Самарского научного центра Российской академии наук 2010; 12(4): 717-21.
Поступила: 25.10.2015
