CC BY
16
© Т.А.Барабанова, С.К.Чурина, 2003 УДК [611.127-008.318+663.6+664.4].00i.S
Т.А. Барабанова, С.К. Чурина
МЕХАНИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, РИТМОИНОТРОПНЫЕ ОТНОШЕНИЯ В МИОКАРДЕ КРЫС И ДЕФИЦИТ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ В ПИТЬЕВОЙ ВОДЕ
Т.А. Barabanova, S.K. Churina
MECHANICAL ACTIVITY, RHYTHMOINOTROPIC RELATIONSHIPS IN MYOCARDIUM OF RATS AND DEFICIENCY OF MINERAL SUBSTANCES IN DRINKING WATER
Лаборатория клинической и экспериментальной кардиологии Института физиологии им. акад. И.П. Павлова РАН, Санкт-Петербург, Россия
РЕФЕРАТ
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Сравнительное исследование механических свойств миокарда крыс, получавших дефинитивное питание. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ. В условиях изометрического и физиологического режимов механических нагрузок проведен анализ сократимости миокарда крыс, получавших воду с нормальным низким содержанием катионов Са++ и Мд++. РЕЗУЛЬТАТЫ. При нормальном содержании кальция (120 мг/л) и магния (45 мг/л) в питьевой воде у крыс отмечается увеличение сократимости миокарда, которое сопровождается замедлением релаксации при всех конечносистолических длинах по сравнению с параметрами, регистрируемыми у животных, получавших воду с низким содержанием кальция и магния (петербургская водопроводная вода). ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Миокард крыс, получавших воду с нормальным содержанием кальция и магния, характеризуется ярко выраженной лестницей Боудича и постстимуляционной потенциацией, в отличие от животных, получавших воду с низким содержанием кальция и магния. Ключевые слова: миокард, сократимость, релаксация, дефицит кальция и магния, питьевая вода.
ABSTRACT
THE AIM of the work was to comparatively investigate the mechanical properties of the myocardium of rats receiving difinitive diet. MATERIAL AND METHODS. An analysis of myocardium contractility of rats drinking water with normal low content of Ca++ and Mg++ cations was carried out under conditions of isometric and physiological regimens of mechanical loading. RESULTS. Under conditions of normal content of calcium (120 mg/l) and magnesium (45 mg/l) in drinking water the rats showed increased contractility of the myocardium followed by delayed relaxation in all end-systolic lengths as compared to the parameters registered in the animals given water with low concentrations of calcium and magnesium (St. Petersburg pipe water). CONCLUSION. The myocardium of rats drinking water with normal concentration of calcium and magnesium is characterized by well pronounced Bowditch scale and post-stimulation potentiation unlike the animals given water with low concentration of calcium and magnesium.
Keywords: myocardium, contractility, relaxation, calcium and magnesium deficiency, drinking water.
ВВЕДЕНИЕ
В свое время нами была сформулирована гипотеза, объясняющая высокую распространенность артериальной гипертензии в Ленинграде и Северо-Западном регионе Европы, согласно которой выявлены минералозависимые (кальций-магний дефицитные) ее формы. Гипотеза основана на сопоставлении распространения гипертензии в Ленинграде и особенностей ионного состава воды в этом регионе. Критическая оценка региональных различий в частоте артериальной гипертензии позволила предположить возможную связь ее с какими-то экологическими факторами, отличающими данный регион от остальных и имеющими отношение к формированию реакций сердечно-сосудистой системы [I].
Оказалось, что показатели общей минерализации и ионного состава воды рек и озер Северо-Запада Европы отличаются от должных в десятки раз [2]. Показатели жесткости воды этого региона крайне низки и составляют 0,8 мг-экв/л вместо 7,0 мг-экв/л. Вопрос о значении Са2+ воды для развития артериальной гипертензии в литературе практически не обсуждается, а физиологические работы по этой проблеме отсутствуют. Кажется целесообразным проведение экспериментальных исследований в этом направлении для исключения одной из возможных причин высокой распространенности артериальной гипертензии в Северо-Западном регионе Европы [I].
Ранее нами было показано, что миокард крыс, получавших питьевую воду с нормальным содер-
жанием кальция и магния, и крыс, содержащихся в условиях дефицита этих ионов в составе воды (невская вода), отличался рядом особенностей действия основного кальцийрегулирующего гормона (паратиреоидного гормона) [3].
В настоящее время очевидно, что ионизированные минералы питьевой воды имеют высокие показатели физиологической адекватности [4], биологической доступности [5,6] и всасывания [7]. Благодаря этому относительно небольшие концентрации вносимых в «мягкую» питьевую воду минеральных веществ могут оказывать выраженный физиологический эффект и в большой степени компенсировать минеральную недостаточность. Была продемонстрирована большая важность кальция и магния питьевой воды для формирования критической массы костного скелета и цитоскелета, для уровня артериального давления и распространенности гипертонической болезни, а также для состояния сократительного миокарда, стромы и клапанных структур сердца. Настоящая работа посвящена исследованию механических свойств и ритмоинотро-пии миокарда у животных с дефицитом минеральных веществ в водном пуле суточного рациона.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
В опытах использовались крысы-самцы линии Вистар в возрасте 24-26 нед. С момента перехода к дефинитивному питанию животные содержались на стандартном пищевом рационе. Воду животные получали т НЬНит: 1-я группа животных содержалась в течение двух месяцев на воде с должной концентрацией в ней двухвалентных катионов Са и Mg (120.0 и 45.0 мг/л соответственно) (п =10); 2-я группа получала воду с низким содержанием Са и Mg (8.0 и 3.0мг/л соответственно) - петербургская водопроводная вода (п=10).
Эксперименты выполнены на тонких папиллярных мышцах правого желудочка сердца крыс. Под эфирным наркозом производили декапитацию. После быстрого иссечения препараты сердечной мышцы помещали в ванночку с физиологическим раствором следующего состава: № С1-139,30; КС1-3,50; ШН2Р04-0,58; Ш2НР04-2,11; ШНС03-1,79; глюкоза-8,33; СаС1р-2,25; MgS04-0,63 ммоль/л. Буферные компоненты обеспечивали рН - 7.0-7.2. Температура раствора в экспериментах с миокардом теплокровных 28°С. Стимуляцию проводили через широкие платиновые электроды, расположенные вдоль мышцы, сверхпороговыми импульсами (длительность межимпульсного интервала - 3,0 с).
Одним концом мышцу прикрепляли к датчику силы, а другим - к рычагу прецизионного эргометра, с помощью которого осуществляли нагружение.
В режиме с физиологической последовательностью нагрузок одновременно регистрировали изменение длины и силы. В этом режиме мышца вначале сокращалась изометрически до тех пор, пока сила не становилась равной заданному грузу. Затем она укорачивалась под переменной нагрузкой, пропорциональной изменению длины и скорости её изменения (ауксотоническое укорочение). После достижения конечносистолической длины (Ькс) мышца изометрически расслаблялась до уровня предварительной нагрузки, а затем растягивалась по линейному закону. Описание сервосистемы и деталей экспериментов дано ранее [3,8].
При регистрации сокращений в изометрическом режиме в качестве измеряемых параметров служили: максимум силы изометрических сокращений (Ро), характерное время расслабления 1;. Последний параметр отражает время расслабления изометрического сокращения до 30% от его максимальной амплитуды.
Для более полной оценки сократимости миокарда, а также его способности к расслаблению использовали описанный выше физиологический режим. В последнем случае в качестве меры механической функции миокарда получали связь конечносистоли-ческая длина (кс)- конечносистолическая сила (Ркс), а также Ькс- 1;30, где 1;30 - характерное время расслабления изолированного миокарда в фазу изометрического расслабления.
В нормальном растворе регистрировали серии сокращений для разных уровней постнагрузки.
При статистической обработке материалов использован метод Вилкаксона. Статистические расчеты выполнялись с использованием стандартных пакетов прикладного статистического анализа (STATGRAРНIСS У.3.0)
РЕЗУЛЬТАТЫ
Механическая активность миокарда крыс с нормальным и низким содержанием Са и Mg в питьевой воде.
И з о м е т р и ч е с к и й р е ж и м. В экспериментах на папиллярных мышцах крыс, получавших воду с нормальным содержанием Са и Mg, при постоянной частоте стимуляции (длительность межимпульсного интервала - 3.0с) наблюдалось увеличение максимальной силы сокращения (Ро), регистрируемой в изометрическом режиме в среднем на 45,0% от уровня, регистрируемого у крыс, получавших воду с низким содержанием Са и Mg (петербургская водопроводная вода). Рост силы изометрического сокращения у крыс 1 -й группы сопровождается увеличением характерного времени расслабления 1;30, т.е. уменьшением относительной
скорости изометрического расслабления на 55,0±6,5% по сравнению с результатами, регистрируемыми у крыс 2-й группы. При этом не наблюдалось достоверных изменений времени достижения максимума (ВДМ).
Ф и з и о л о г и ч е с к и й р е ж и м. При проведении сравнительного исследования механической функции препаратов миокарда крыс, получавших воду с нормальным содержанием Са и Mg, и крыс, получавших воду с низким содержанием Са и Mg, в физиологическом режиме механических нагрузок были получены дополнительные сведения о влиянии диеты на эту функцию. На рис. 1 приведены нормированные связи конечносистолическая длина - конечносистолическая сила (Ькс-Ркс) для препаратов миокарда крысы двух исследуемых групп.
При нормировке по оси ординат откладывали значения конечносистолического груза относительно максимальной силы сокращения, развиваемой в изометрическом режиме. Точно так же по оси абсцисс откладывали значение конечносистолической длины по отношению к этой длине в изометрическом режиме. В результате имелась возможность оценить угол наклона связи Ькс-Ркс в указанных координатах. Поскольку тангенс угла наклона нормированной связи Ькс-Ркс отражает сократимость миокарда [9], по изменению этого параметра можно оценить влияние диеты с нормальным содержанием кальция и магния на сократимость миокарда. Так, из рис. 1 видно, что у крыс 1-й группы тангенс угла наклона связи Ькс-Ркс увеличивается на 30% по сравнению с результатами, регистрируемыми у крыс 2-й группы. Полученные результаты свидетельствуют об увеличении сократимости миокарда у крыс, получавших воду с нормальным содержанием Са и Mg. При изучении связи конечносистоли-ческая длина - характерное время расслабления 130 (Ькс- г ) было показано, что увеличению сократимости миокарда у крыс 1-й группы при всех конеч-носистолических длинах (Ькс) сопутствует увеличение параметра 130, т.е. уменьшение относительной скорости изометрического расслабления при всех фиксированных длинах (Ькс) (рис. 2).
Таким образом, у крыс, получавших воду с нормальным содержанием Са и Mg в питьевой воде, регистрируется увеличение сократимости миокарда, сопровождающееся уменьшением относительной скорости изометрического расслабления, т.е. замедлением релаксации при всех конечносистолических длинах по сравнению с параметрами, регистрируемыми у крыс, получавших воду с низким содержанием Са и Mg (петербургская водопроводная вода )
Ритмоинотропные отношения в миокарде
0.94 0.945 0.Й5 0.955 0.96 0.965 0.97 0.9750.9850-985 0,99 0.996 1 ¡.ксДтах
Рис. 1. Связь конечносистолическая длина - конечносистолическая сила (1_кс/Ркс) в миокарде. По оси ординат -конечносистолическая сила в долях от Ртах. По оси абсцисс - конечносистолическая длина в долях от 1_тах. 1 - Крысы, получавшие воду с низким содержанием Са и Мд (петербургская водопроводная вода). 2 - Крысы, получавшие воду с нормальным содержанием Са и Мд.
Рис. 2. Связь конечносистолическая длина - характерное время расслабления. По оси ординат - характерное время расслабления ^ По оси абсцисс - конечносистолическая длина в долях от 1_тах. 1-2 - как на рис. 1.
Рис. 3. Переходные процессы при изменении частоты стимуляции. Калибровка - 100 мг.
А - Крысы, получавшие воду с низким содержанием Са и Мд (петербургская водопроводная вода). Б - Крысы, получавшие воду с нормальным содержанием Са и Мд.
крыс, получавших воду с нормальным и с низким содержанием Са и Мg в питьевой воде.
При исследовании связи частота-сила поступали следующим образом. Препарат «врабатывался» при базовом интервале между стимулами 3 с. 30 мин. После достижения стационарной амплитуды сокращений с базового периода стимуляции переключали стимулятор на новый период стимуляции (1 с) и записывали переходный
процесс сокращений, т.е. динамику величин сокращений до достижения нового стационарного уровня. После установления стационарного уровня сокращений при новом периоде сокращений ступенчато переключали стимулятор на базовый ритм и вновь записывали переходный период. Таким образом, осуществляли следующую программу изменения межимпульсного интервала: 3 с - I с - 3 с.
Рис. 3 иллюстрирует изменение силы сокращений препаратов миокарда крыс при переходе от стимуляции с межимпульсным интервалом 3,0 с к стимуляции с межимпульсным интервалом 1,0 с. На рис. 3Б показан переходный процесс, наблюдаемый у крыс, получавших воду с, нормальным содержанием Са и Mg в питьевой воде. При увеличении частоты стимуляции сила сокращения вначале падает, а затем растет, стационарные сокращения при высокой частоте стимуляции превосходят величину сокращений при базовой частоте на 20-25%. Переходный процесс с хорошо выраженной лестницей Боудича быстрый, его крутизна достаточно большая, требуется всего 8-10 сокращений, чтобы достичь стационарного уровня, не наблюдается рост диастолического напряжения. На рис. ЗА представлен переходный процесс, наблюдающийся у крыс, получавших воду с низким содержанием Са и Mg . При переходе с базового периода стимуляции на период стимуляции с интервалом 1,0 с выраженность лестницы Боудича незначительна: величина стационарной амплитуды сокращений при высокой частоте стимуляции практически равна ее величине на базовой частоте. Рост диастолического тонуса отсутствует.
При переходе с высокой частоты стимуляции при межимпульсном интервале 1,0 с на базовую частоту, когда интервал равен 3,0 с, у животных 1-й группы наблюдалась выраженная постстимуляционная потенциация (ПСП). Разность между величиной первого сокращения после перехода с высокой частоты на базовую и стационарной величиной сокращения на базовой частоте составляет 30-40%. У крыс 2-й группы выраженность постстимуляционной потен-циации значительно меньше - 7-10%.
Таким образом, полученные результаты показывают, что у крыс, получавших воду с нормальным содержанием Са и Mg, наблюдается более ярко выраженная лестница Боудича, что свидетельствует о влиянии водного пула минеральных веществ на ритмоинотропные отношения в миокарде. При увеличении частоты стимуляции сила сокращения вначале падает, а затем растет. Постстимуляционная потенциация выражена хорошо. У крыс, получавших воду с низким содержанием Са и Mg, наблюдается сглаженная частотная зависимость силы сокраще-
ний и менее выраженные лестница Боудича и пост-стимуляционная потенциация .
В ряде случаев переходные процессы в миокарде изучаются после предварительной паузы. При этом первое после паузы сокращение в сердцах некоторых животных, в частности крыс, оказывается высокоамплитудным (потенциация покоем).
По методике, описанной ранее [1], оценивали изменения прироста амплитуды сокращений в лестницах Боудича, получаемых стимуляцией препарата с интервалом между стимулами 3,0 с после трехминутных интервалов покоя. У крыс, получавших воду с нормальным содержанием Са и Mg, после трехминутного периода покоя амплитуда первого сокращения составила 128,0±7,0%. У крыс, получавших воду с низким содержанием Са и Mg, наблюдается меньший прирост первого после периода покоя сокращения по сравнению с последним - 112,0±5,5%.
Таким образом, у крыс, получавших воду с нормальным содержанием Са и Mg, наблюдается более выраженная потенциация покоем по сравнению с группой крыс, получавших воду с низким содержанием Са и Mg.
Полученные результаты показывают, что рит-моинотропные явления в миокарде (связь частота-сила, ПСП, потенциация покоем) более выражены у животных 1 -й группы, получавших воду с нормальным содержанием Са и Mg. Снижение (вплоть до подавления) постстимуляционной потенциации и по-тенциации покоем, наблюдающиеся у крыс, получавших воду с низким содержанием Са и Mg, являются показателями очень низкой сократительной активности миокарда животных 2-й группы.
ОБСУЖДЕНИЕ
Особенность нашей работы заключается в том, что влияние дефинитивного питания животных на механическую функцию миокарда исследовалось не только в изометрическом, но и в физиологическом режимах механических нагрузок, причем оценивали не только процесс сокращения сердечной мышцы, но и процесс расслабления, а также изменения ритмоинотропных отношений в миокарде крыс.
Результаты исследований, приведенные на рис. 1-2, показывают влияние Са- Mg диеты на уровень и кинетику внутриклеточного кальция в кардиомио-цитах крысы. Об этом косвенно свидетельствуют характерные изменения тангенса угла наклона нормированной связи Ькс-Ркс и выраженный положительный инотропный эффект у крыс, получавших воду с нормальным содержанием Са и Mg.
Установлено, что между параметрами сокращения и расслабления в определенных ситуациях имеется тесная корреляция [3]. Поскольку у крыс 1-й
группы, получавших воду с нормальным содержанием Са и Mg, имеет место выраженный инотроп-ный эффект, то можно полагать, что по крайней мере частично влияние дефинитивного питания на расслабление опосредуется через изменение силы сокращений. В данном контексте появляется задача выделения чисто расслабляющего (лузитропного) эффекта Са-Mg диеты. Это можно реализовать путем изучения влияния диеты на расслабление в строго контролируемых механических условиях, т.е. при фиксированных значениях длины и нагрузки. Так, для разделения инотропного и лузитропного влияния дефинитивного питания животных использовали режим с физиологической последовательностью нагрузок, который позволил учесть влияние механических переменных. Было показано, что увеличению сократимости миокарда у крыс 1-й группы при всех конечносистолических длинах (Ькс) сопутствует увеличение параметра ^ т.е. замедление релаксации при всех Ькс (см. рис.2) по сравнению с результатами, регистрируемыми у крыс 2-й группы, получавших воду с низким содержанием Са и Mg.
Mожно предположить, что содержание животных на питьевой воде с должной концентрацией в ней двухвалентных катионов Са2+ и Mg2+ приводит к росту силы сокращения и замедлению релаксации при всех конечносистолических длинах путем фосфорилирования тропонина, увеличения сродства тропонина к кальцию и замедления распада кальций -тропониновых комплексов. Возможно, при получении животными воды с нормальным содержанием Са и Mg происходит мобилизация дополнительного ионизированного кальция из комплекса кальсеквестрин-кальций, находящегося в терминальных цистернах саркоплазматического ре-тикулума. Об этом свидетельствуют и изменения ритмоинотропных отношений у крыс 1-й группы: ритмоинотропные явления (связь частота-сила, ПСП, потенциация покоем) более выражены у животных, получавших воду с нормальным содержанием Са и Mg. У крыс 2-й группы, получавших воду с низким содержанием Са и Mg, наблюдается снижение (вплоть до подавления) постстимуляционной потенциации и потенциации покоем, что является показателем очень низкой сократительной активности миокарда этих животных.
Учитывая, что ключевую роль в ритмоинотро-пии миокарда выполняет саркоплазматический ре-тикулум (СР), можно дать интерпретацию полученных нами данных. Появление «положительной лестницы» у крыс, получавших воду с нормальным содержанием Са и Mg, обусловлено увеличением входа Са+2 по кальциевым каналам и
нагружением СР. Сглаживание лестницы Боудича у крыс 2-й группы является результатом снижения как кальцийвысвобождающей, так и кальцийпоглощаю-щей функции ретикулума при каждом цикле возбуждения. Снижение ПСП и потенциации покоем у крыс, получавших воду с низким содержанием Са и Mg, может быть следствием большой утечки Са из терминальных цистерн СР в интервалах между сокращениями.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты исследования сократимости миокарда показали, что у крыс питомника Колтуши (Санкт-Петербург), которые находятся в условиях низкой минерализации воды [2], когда показатели жесткости воды региона составляют 0,8 мг-экв/л вместо 7,0 мг-экв/л, двухмесячное получение воды с нормальным получением Са и Mg (120,0 и 45,0 мг-экв/л соответственно) приводит к адаптивным изменениям функции миокарда: росту силы сокращений и замедлению релаксации. Исследования ритмоинотропии миокарда у крыс, получавших в течение 2 месяцев воду с нормальным содержанием Са и Mg, свидетельствует о восстановлении сниженной кальцийпог-лощающей и кальцийвысвобождающей функции саркоплазматического ретикулума.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чурина СК. Эколого-физиологические аспекты формирования артериальной гипертензии в условиях Ленинграда (факты и гипотезы). Физиол журн СССР 1988; 74(11):1615-1621
2. Международные стандарты питьевой воды. ВОЗ. Женева. Медицина, М. 1973; 68 с
3. Барабанова ТА, Мархасин ВС, Никитина ЛВ, Чурина СК. Особенности влияния паратиреоидного гормона на механическую активность миокарда крыс при дефиците кальция и магния в питьевой воде. Физиол журн СССР 1992; 78(7):71-77
4. РМ de la Sierra, Aquilera M et al. Increased acttivity of Mg2+/Na+ exchanger in red blood cells from essential hypertension patients. Hypertension 1994; 23(2): 987-991
5. Abdulla M, Beybeani A, Dashti H. Dietary intake and bioavailability of trace elements. Biol Trace Elem Res 1989; 21:173
6. Couzy F, Kastenmayer P, Vigo M et al. Ca bioavailability from Ca- and sulfate-rich mineral water, compared with milk in adult women. Am J Clin Nutr 1995; 62(6): 1239-1244
7. Quo P, Sun P, Stacewicz-Sapuntzakis M. Bioavailability of calcium from various diet formulations in rats. FASEB J 1995; 9,abstr. 3620.
8. Бляхман ФА, Изаков ВЯ, Мих АД. Метод задания физиологического режима в изолированных полосках миокарда (имитация сердечного цикла). Физиол журн СССР 1984; 70(11): 1581-1583
9. Изаков ВЯ, Бляхман ФА, Проценко ЮЛ. Сокращение и расслабление миокарда в режиме с физиологической последовательностью нагрузок. Физиол журн СССР 1988; 74(2):209-215
Поступила в редакцию23.06.2003 г.
