CC BY
19
УДК 612.171 -001 16.714+616.831J-001.5
В.В. РУСАКОВ
Омская государственная медицмккая академия
ВЛИЯНИЕ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ к гипоксии НА СОКРАТИТЕЛЬНУЮ ФУНКЦИЮ СЕРДЕЦ КРЫС В ОСТРОМ ПЕРИОДЕ ТЯЖЕЛОЙ ЧЕРЕПНО-МОЗГОВОЙ ТРАВМЫ
На модели изолированного сердца по Е.Т. Fallen et al. изучена сократимость миокарда высокоустойчивых (ВУ) и ниэкоустойчивых (НУ) к гипоксии крыс, перенесших тяжелую черепно-мозговую травму. Различия в уровне развиваемого левым желудочком давления, вели«м<ах скоростей сокращемм и расслабления миокарда ВУ и НУ иоаотных выявлялись уже в 1-й ч после травмы и увеличивались при проведен»« гипоксической пробы с последующей реоксигенацией. Большая депрессия сократимости сердец НУ крыс в условиях дефицита кислорода и глюкозы сочеталась с более выраженными признаками повреждения мембран кардиомиоцитов и митохондриальной дисфункции.
Нарушение центральной регулирующей роли головного мозга при черепно-мозговой травме (ЧМТ) вызывает серьезные и порой плохо управляемые изменения со стороны сердечно-сосудистой системы, легких, желудочно-кишечного тракта, почек, печени, иммунитета, коагуляции, электролитного и кислотно-основного состояния [9]. Наиболее значимыми и рано развивающимися являются сдвиги в сердечно-сосудистой и дыхательной системах [12,13]. Формирующиеся экстрацеребральные нарушения могут, в свою очередь, приводить к изменению перфузии и оксигенации мозга на фоне сниженной реактивности сосудов и измененной ауторегуляции мозгового кровообращения и запускать различные механизмы формирования церебральной дисфункции [ 1,9].
Поданным [14], частота вторичных ишемических повреждений мозга, наряду с прочими факторами, определяется уровнем артериального давления. Этот интегративный показатель отражает функционирование сердечно-сосудистой системы вцелом и зависит, в частности, от работы сердца как насоса. Функция же серд ца лимитируется его прямой зависимостью от постоянного обеспечения кислородом, так как анаэробный метаболизм не в состоянии адекватно удовлетворить потребность этого органа в энергии.
Известно, что в любой популяции неинбредных животных существуют особи с различной резистентностью к гипоксии [2]. Высокоустойчивым (ВУ) и низкоустойчивым (НУ) к гипоксии животным соответствуют два принципиально разных "функционально-метаболических портрета", в основе которых лежат характерные различия в функционировании ЦНС, стрессакти-вирующих и сгресслимитирующих систем, особенности нейро-гуморальной регуляции, кислородтранспортнои функции крови, а также мембранных и рецепторных процессов. Наибольшими являются отличия, выявляемые в трех ведущих регуляторных системах, обеспечивающих доставку кислорода к тканям: дыхательной, сердечно-сосудистой, системе крови. Для НУ животных характерна более высокая возбудимость дыхательного центра, чем у ВУ, быстрая его истощаемосгь, увеличенная реактивность внешнего дыхания в условиях гипоксии, более быстрая декомпенсация. У НУ крыс отмечается склонность к тахикардии и, по сравнению с ВУ, к более резкой активации при острой гипоксии сердечной деятель-
ности с последующей быстрой декомпенсацией. НУ животные отличаются от ВУ также более низкими значениями р02 крови и артериовенозной разницы, меньшими величинами рН и более высокими значениями рС02, гиперкалиемией, тенденцией к гипергликемии и гиперлипидемии, бульшими значения ми активности некоторых ферментов крови — маркеров состояния плазматических мембран [6].
В остром периоде ЧМТ, как следствие нарушения функции аппарата внешнего дыхания, закономерно формируется гипоксемия [ 10]. Нарушение доставки кислорода к тканям или его утилизации может также быть следствием изменения гемодинамики [9] и тканевого дыхания [4]. Можно предположить, что в условиях дефицита кислорода, характерных для посттравматического периода, у крыс с разной устойчивостью к гипоксии будут выявляться особенности функционирования сердечно-сосудистой системы и, в частности, сердца.
Целью нашего исследования явилось изучение влияния индивидуальной устойчивости к дефициту кислорода на сократительную функцию сердец крыс в остром периоде тяжелой черепно-мозговой травмы.
Материалы и методы исследования. Опыты выполнены на 39 белых беспородных крысах-самцах массой 160-250 г. До начала эксперимента выявляли чувствительность животных опытных групп к кислородному голоданию. Для этого с помощью компрессора создавали раз-ряженность воздуха, соответствующую подъему на высоту 12000 м. Животные, у которых возникало атональное дыхание в течение 10 мин экспозиции, считались НУ к гипоксии, позже 10 мин - ВУ. Через 24 ч животным, находящимся под эфирным наркозом, наносили тяжелую ЧМТ посредством удара свободно падающим грузом определенной массы по средней линии теменной области [8]. Сократительную функцию сердец крыс изучали через 1 ч после травмы на модели изолированного изоволюмически сокращающегося серд ца по Е.Т. Fallen et al. [ 11 ]. Перфузию сердец осуществляли раствором Кребса-Хензелайта при температуре 37°С и рН = 7,4. Работа сердец с частотой 240мин"' достигалась посредством поддчи импульсов от электросгимулятора ЭС-50-1. Через 30 мин стабилизации работы сердец, в течение 10-минутной гипоксической пробы и последующей 20-минутной реоксигенации регистрировали дав- I
ление в левом желудочке изолированных сердец, и в дальнейшем рассчитывали диастолическое, систолическое и развиваемое давления, а также скорости сокращения и расслабления миокарда левого желудочка. После стабилизации, гипоксической пробы и реоксигенации собирали пробы перфузата, прошедшего через коронарное русло, и определяли в нем концентрацию глюкозы, лактата и активность АсАТ с помощью реагентов фирмы "Нозрйех" (Италия) на автоматическом биохимическом анализаторе "Марс" производства фирмы МесШоп (Корея). Потребление 1 г сухого миокарда за 1 мин глюкозы и выделение лактата рассчитывали на 1 мм рт. ст. развиваемого д авления. Потерю кардиомиоцитами АсАТ вычисляли на единицу массы миокарда. Биохимические исследования выполнялись в Центральной научно-исследовательской лаборатории ОмГМА (зав. — профессор Т.И. Долгих). Статистическую обработку результатов проводили с использованием Ькритерия Стьюдента.
Результаты и их обсуждение. Различия в силовых и скоростных показателях сократимости миокарда НУ и ВУ к гипоксии животных через 1 ч после тяжелой ЧМТ выявлялись уже на этапе стабилизации работы изолированных сердец. Систолическое и развиваемое давления у НУ крыс было соответственно на 19,7% и 21,4% (Р<0,05) ниже, чем у ВУ. Скорости сокращения и расслабления у НУ составляли соответственно 82,4% (Р<0,02) и 68,0% (Р<0,001) от значений ВУ животных. Выявлялись существенные отличия в эффективности метаболических процессов, определяющих энергетическое обеспечение сократительной функции миокарда НУиВУ особей (табл. 1). Сердца НУ к ги поксии животных потребляли на 34,4% больше глюкозы на 1 мм рт. ст. развиваемого давления (Р<0,001) и на 27,9% больше выделяли лактата (Р<0,02).
В группе травмированных ВУ животных лишь скорость расслабления миокарда левого желудочка отличалась от контрольных величин (597 ± 27 мм рт. ст./с по сравнению с 719±47 мм рт. ст./с., Р<0,05). В группе НУ крыс, перенесших ЧМТ, все силовые и скоростные показатели были снижены по сравнению с контролем. Систолическое и развиваемое давления составляли соответственно 76,4% (Р<0,01) и 74,3% (Р<0,01) отзначений в контроле, а скорости сокращения и расслабления — 71,2% (Р<0,05) и56,5% (Р<0,001). Исследование перфузата, прошедшего через коронарное русло, выявило после ЧМТу ВУ особей увеличение на 34,0% (Р<0,02) по сравнению с контролем выхода из кардиомиоцитов АсАТ. У НУ животных, перенесших травму, кроме возрастания на 54,5% (Р<0,001) по сравнению с контролем потери АсАТ, обнаруживалось также увеличение на 49,5% (РОДИ) выделения лактата и на 54,0% (Р<0,001) потребления глюкозы на 1 ммрт. ст. развиваемого давления.
Во время последующей гипоксической пробы значительные изменения сократимости изолированных сердец отмечались даже в контрольной группе животных. Уровень развиваемого левым желудочком давления к 10-й мин гипоксии снижался до 23,5% (Р<0,001) исходных величин, а скорости сокращения и расслабления миокарда левого желудочка - соответственно до 23,1% (Р<0,001) и 18,5% (Р<0,001) исходных значений. Нарушение функции основного потребителя энергии в клетке - сократительного аппарата — объясняется прекращением синтез в митохондриях АТФ и бысгрым снижением содержания в кар-диомиоцитах креатинфосфата, а затем и АТФ [3]. Это сопровождается уменьшением количества и скорости образования мостиков между актиновыми и миозино-выми нитями и, следовательно, снижением силы и скорости сокращения. Одновременно происходит формирование неразмыкающихся связей между некоторыми молекулами миозина и актина, привод ящее к нарушению перемещения нитей в саркомере и возникновению контрактуры. По мере увеличения количества контрактур происходит нарушение растяжимости миокарда, затрудняющее наполнение сердца В наших экспериментах это проявлялось устойчивым ростом уровня диастолического давления в левом желудочке. К окончанию гипоксической перфузии оно увеличивалось с 3,4±0,78 мм рт. ст. до 26,1 ±3,40 мм рт. ст. (Р<0,001).
Через 10 мин гипоксии сердца контрольных животных выделяли в коронарный проток на 50,5% (Р<0,01) больше лактата, чем до начала пробы. Образование в условиях дефицита кислорода значительного количества молочной кислоты в кардиомиоци-тах и, как следствие, формирование ацидоза, могло способствовать дальнейшему нарушению энергетических процессов и сократимости миокарда.
Реоксигенация после гипоксической пробы сопровождалась быстрым восстановлением показателей сократимости миокарда, которые, однако, не достигали исходных величин. Развиваемоелевым желудочком давление составляло 75,9% (Р<0,01) от исходного, а скорости сокращения и расслабления — соответственно 71,9% (Р<0,02) и 64,3% (Р<0,001). Быстрое восстановление сократительной функции миокарда после пробы объясняется вымыванием из него метаболитов, ранее сдерживавших сократительную активность [3]. Однако, одновременно с восстановлением аэробных окислительных процессов и вымыванием токсичных метаболитов, восстановление оксигенации сердца приводит к резкому увеличению образования в кардиомиоцитах активных форм кислорода и активации процессов переписного окисления липидов (ПОЛ) [5]. Увеличение содержания в клетках миокарда Са2+ сопровожд ается перемещением
Влияние ЧМТ на потребление глюкозы и выделение лактата и АсАТ
Таблица 1
Изучаемые показатели Серии опытов Этапы экспервмента
Стабилизация [ Гипоксическая проба |
АсАТ, МЕ/мин • кг Ковтроль (п= 10) 297 ±27,5 365 ±34,7 319±2В,7
ВУ(п=10) НУ (п = в) 398±20,3" 459±22, Г 423±19,5 52В±26,3' 386=1=20,1 497±23,8' "
Глюкоза, нмоль/ивв ■ г Ковтроль (п = 10) 198±14.3 - 207±19,1
ВУ(п=10) НУ (п = В) 227±10,3 305=44,2' " 258 ±11,1* 312*15,Г-"
Лактат, вмоль/мвк • г Контроль (п = 10) 95±6,3 143=Ы2,9 103±9,7
ВУ(п=10) НУ(п = В) 111 ±5,7 142±6,8' " 168*7,6 223*10,4' " 121 ±6,9 184 ±8,7-—
Р<0,05 по сравнению * с контролем, ** - с ВУ.
значительного его количества в митохондрии и разобщением процессов окисления и фосфорилирования Поэтому восстановление сократимости сердца после гипоксии в наших экспериментах было неполным.
Сердца крыс, перенесших тяжелую ЧМТ, значительно хуже переносили условия гипоксии и дефицита глюкозы, что проявлялось более выраженной депрессией сократимости и большими нарушениями метаболизма. На первых этапах острой гипоксии снижение сократительной функции сердец НУ животных было меньшим по сравнению с ВУ. Достоверные различия показателей сократимости между группами, имевшиеся до начала пробы, к 30-й с гипоксии уже не выявлялись. Однако продолжение гипоксической перфузии выявило существенные отличия в реакции сердец ВУ и НУ крыс, перенесших травму, на патогенный фактор. Причем выраженность этих различий к 10-й мин пробы была значительно большей, чем исходная. Развиваемое давление в группе ВУ животных составляло 14,9±0,8 мм рт. ст. (в группе НУ - 8,3±0,7 мм рт. ст., Р<0,001), скорости сокращения и расслабления миокарда левого желудочка равнялись соответственно 274±16 мм рт. ст./с (в группе НУ - 118±11 мм рт. ст./с., Р<0,001) и 171 ± 11 мм рт. ст./с (в группе НУ-97±8 мм рт. ст./с., Р<0,001). Выделение лактата сердцами НУ животных в этот срок наблюдения превышал подобный показатель у ВУ на 32,7% (Р<0,001).
Последующая за гипоксической пробой реоксигена-ция сохранила различия показателей сократимости сердец ВУ и НУ к гипоксии крыс. К завершению эксперимента развиваемое давление, скоросги сокращения и расслабления в группе ВУ животных превышали показатели НУ крыс соответственно на 34,8% (Р<0,01), 41,4% (Р<0,001) и 33,1 % (Р<0,02). Различия между группами проявились еще по одному показателю, характеризующему измененную диастолическую функцию. Диастолическое давление влевом желудочке сердец НУ животных, перенесших травму, было на 54,4% (Р<0,02) выше аналогичного показателя ВУ особей, что свидетельствовало о сохранявшихся после гипоксической перфузии контрактурах.
Гипоксические и реоксигенационные повреждения кардиомйоцитов сердец НУ крыс, перенесших ЧМТ, сопровождались бульшими нарушениями функций митохондрий, о чем свидетельствовало превосходящее на 52,1 % (Р<0,001) выделение миокардом в коронарный проток молочной кислоты и на 20,9% (Р<0,01) большее потребление глюкозы на единицу выполняемой работы. Более значительные нарушения энергообеспечения сократительной функции у НУ животных сочетались с выраженными изменениями барьерной функции, а возможно, и структурной целостности сарколеммы. Косвенным проявлением последнего являлась на 28,8% (Р<0,01) бульшая потеря кардиомиоцитами сердец НУ особей АсАТ по сравнению с группой ВУ животных.
Согласно данным В.Е. Романовой и соавт. [7], в митохондриях интактных НУ и ВУ к гипоксии крыс исходно одинаковая эффективность окислительного фосфорилирования достигается за счет большей скорости фосфорилирующего дыхания и большей напряженности энергообразующих процессов у НУ. Указанные особенности энергетического обмена НУ особей свидетельствуют об исходно меньшей экономичности у них окислительного фосфорилирования. Вероятно, поэтому тяжелая ЧМТ, характеризующаяся в остром периоде явлениями гиперметаболизма, энтогенной интоксикацией, гипоксией и окислительным стрессом, вызывала именно у НУ животных наиболее значительные нарушения метаболизма и сократительной функции сердец. Последнее относилось как к силовым, так и к скоростным показателям сократимости.
Таким образом, на модели изолированного сердца по Е.Т. Fallen et al. показано, что сократительная функция сердецВУи НУкгипоксии животных, перенесших тяжелую ЧМТ, характеризовалась существенными отличиями уже в 1 -й ч после травмы. Различия выявлялись на этапе стабилизации работы изолированных сердец и увеличивались при проведении гипоксической пробы и последующей реоксигенации. Бульшая депрессия сократимости сердец НУ крыс в условиях дефицита кислорода и глюкозы сочеталась с более выраженными признаками повреждения мембран кардиомиоцитов и митохондри-альной дисфункции. Полученные данные свидетельствуют о снижении функциональных резервов сердец НУ к гипоксии животных вследствие меньшей эффективности работы их энергетического аппарата [6] и значимости гипоксических повреждений сердца после ЧМТ.
Библиографический список
1 Амчеславский В.Г. Интенсивная терапия вторичных повреждений головного мозга в остром периоде черепно-мозго-войтравмы: Автореф.дис.... д-рамед. наук. - М.,2002. - 57 с.
2. Березовский В.А. Гипоксии/В.А. Березовский. - Киев: Наук, думка, 1978. - 250 с.
3. Капелько В.И. Эволюция концепций и метаболическая основа ишемической дисфункции миокарда/В.И. Капелько// Кардиология. - 2005. - №9. - С. 55-61.
4. Кармен Н.Б. К механизму нейропротекторного действия кло-нидина/Н.Б, Кармен//Анест. и реаниматол. - 2005. - №3. - С. 53-57.
5. Литвицкий П.Ф. Патогенные и адаптивные изменения в сердце при его регионарной ишемии и последующем возобновлении коронарного кровотока /П.Ф. Литвицкий //Патол. физиология и эксперим. терапия. - 2002. - №2. - С. 2-12.
6. Лукьянова Л. Д. Функционально-метаболические особенности животных с различной индивидуальной резистентностью к гипоксии /Л.Д. Лукьянова. Под ред. Л.Д. Лукьяновой, И.Б. Ушакова //Проблемы гипоксии: молекулярные, физиологические и медицинские аспекты - М.; Воронеж: Истоки, 2004. - С. 156-169.
7. Романова В.Е. Особенности окислительного фосфорилирования в митохондриях мозга крыс с различной чувствительностью к кислородной недостаточности / В.Е, Романова, Г.Н. Чернобаева, Л.Д. Лукьянова // Бюл. эксперим. биологии и медицины. - 1991. - Т. 112, №7. - С. 49-51.
8. Соколова Т Ф. Иммунореактивностъ организма при тяжелой черепно-мозговой травме: Автореф. дис. ... канд. мед. наук.-Омск, 1986. -21с.
9. С.В. Нейрореаниматология в начале нового тысячелетия / С.В. Царенко // Российский медицинский журнал. - 2005. -№5. - С. 3-8.
10. Chesnul R.M. Secondary brain insults after head Injury: clinical perspectives//New Horizons. - 1995. - Vol.3. - P. 366-375.
11. Fallen E.T., Elliott W.G., Gorlin R. Apparatus for study of ventricular function and metabolism in the isolated rat // J. Appl. Physiol. - 1967. - Vol 22, № 4. - P. 836-839.
12. Kaufman H.H., timberlake G„ Voelker J. et al. Medical complications of head injury//Med. Clin. N. Am. - 1993. - Vol. 77, №1. - P. 43-60.
13. Piek J., Chesnut R.M., Marshall L.F. et al. Extracranial complications of severe head injury//J. Neurosurg. - 1992. -Vol. 77. №6. - P. 901-907.
14. Prough D, S. Perioperative management of head trauma. Pap. 72nd Clin. And Sci. Congr. Int. Anesth. Res. Soc. - Orlando, Fla, March 7-11, 1998, Suppl. Rev. Course Lect. - P.91-99.
РУСАКОВ Владимир Валентинович, кандидат медицинских наук, старший преподаватель кафедры патофизиологии с курсом клинической патофизиологии ОмГМА.
Дата поступления статьи в редакцию: 01.03.2006 г. © Русаков В.В.
