CC BY
120
Экспериментальная медицина
IVh
МЕДИЦИНСКИЙ
АЛЬМАНАХ
УДК 577.71:519.945
МОЛЕКУЛЯРНО-КЛЕТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ГОМЕОСТАЗА БИОСИСТЕМ АКТИВНЫМИ ФОРМАМИ КИСЛОРОДА И АЗОТА
С.П. Перетягин1, А.К. Мартусевич1, А.Ф. Ванин2,
1ФГБУ «Нижегородский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии»,
2ФГБУН «Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук», г. Москва
Мартусевич Андрей Кимович - e-mail: [email protected]
Целью работы явилась интеграция данных экспериментальных и клинических исследований молекулярных, клеточных и организменных эффектов источников активных форм кислорода и азота, а также разработка обобщенной стратегии применения последних в лечебных целях. Платформой для реализации работы явился многолетний опыт использования озона в различных областях клинической и экспериментальной медицины, а также продолжительные исследования по физико-химии и физиологии оксида азота. Нами проведено сопоставление эффектов различных активных форм кислорода и азота, получаемых с использованием различных генерирующих устройств и химического синтеза, на абиогенные и биологические системы. Продолжение исследований в области изучения клеточных, молекулярных и организменных эффектов действия физических факторов-источников биорадикалов позволит разработать новые технологии для травматологии, комбустиологии и восстановительной медицины. Ключевые слова: активные формы кислорода и азота, озон, синглетный кислород, оксид азота.
The aim of this work was integration of clinical and experimental data about molecular, cellular and organ-ismic effects of oxygen and nitrogen reactive species for its complex medical use. The basis for this paper was longitudinal experience of ozone use in different fields of experimental and clinical medicine, and investigation of physical chemistry and physiology of nitric oxide. We executed comparison of different oxygen and nitrogen reactive species (produced with some generators or chemical synthesis) effects to abiogenic and biological systems. Prolongation of investigations of molecular and cellular effects of physical factors-bioradicals could be useful for generation of new technologies in traumatology, combus-tiology and restorative medicine.
Key words: reactive oxygen and nitrogen species, ozone, singlet oxygen, nitric oxide.
Последние десятилетия характеризуются лавинообразным нарастанием интереса исследователей, работающих в области биомедицинских наук, к лечебным технологиям, базирующимся на использовании различных активных форм кислорода (гипербарическая оксигенация, озонотерапия, применение синглетного кислорода и др.) и монооксида азота (NO) [1-3, 4]. Следует подчеркнуть, что наиболее изученными являются биологические эффекты озона [4], тогда как о характере молекулярно-клеточного действия других активных форм кислорода (АФК) имеется существенно меньше сведений, причем они не систематизированы, отрывочны [4, 5, 6, 7].
Большой объем экспериментальных и клинических данных в настоящее время публикуется относительно NO, однако в большинстве случаев он касается лекарственных препаратов, являющихся донорами данного соединения [3]. Кроме того, минимально разработан вопрос взаимосвязи метаболизма АФК и активных форм азота (АФА). С этих позиций необходима систематизация имеющихся сведений и целенаправленное их дополнение для формирования единой синтетической идеологии применения АФК и АФА для направленной коррекции гомеостаза.
В связи с этим, целью работы явилась интеграция данных экспериментальных и клинических исследований молекулярных, клеточных и организменных эффектов источников АФК и АФА, а также разработка обобщенной стратегии применения последних в лечебных целях.
Платформой для реализации работы явился многолетний опыт использования озона в различных областях кли-
нической и экспериментальной медицины, а также продолжительные исследования по физико-химии и физиологии оксида азота [1, 3, 5].
Нами проведено сопоставление эффектов различных АФК и АФА, получаемых с использованием различных генерирующих устройств и химического синтеза, на абиогенные и биологические системы. В спектр изученных источников биорадикалов вошли: кислород, озон, синглетный и модифицированный дарсонвализацией кислород, ультрафиолетовое облучение, газообразный оксид азота и его связанная форма (динитрозильные комплексы железа). Озон получали с применением сертифицированных озонаторов различных производителей. Синглетный кислород генерировали с использованием аппарата Airerngy. Газообразный оксид азота создавали с помощью аппарата «Плазон», а также специализированной экспериментальной установки, позволяющей синтезировать NO в широком диапазоне концентраций.
В качестве абиогенных систем использовали бидистил-лированную воду и 0,9% раствор хлорида натрия. В них определяли рН, окислительно-восстановительный потенциал, уровень растворенного молекулярного кислорода и концентрацию активных форм кислорода в динамике воздействия биорадикалов.
Основной биологической моделью для исследований in vitro служила консервированная кровь здоровых людей, в которой оценивали состояние энергетического метаболизма (по активности лактатдегидрогеназы в прямой и обратной реакциях, плазменному и эритроцитарному уровню
лактата и глюкозы), ферментных систем детоксикации (по каталитическим свойствам алкогольдегидрогеназы и аль-дегиддегидрогеназы), интенсивность процессов липопе-роксидации в плазме крови и эритроцитах (по параметрам биохемилюминесценции и уровню малонового диальдегида в плазме крови и эритроцитах, объему резервов ферментных антиоксидантных систем, по активности суперок-сиддисмутазы и каталазы, состоянию кислотно-щелочного равновесия и парциальному давлению газов крови, кристаллогенной активности плазмы и другим показателям).
Проведенные экспериментальные исследования позволяют сформулировать следующие положения [4, 5, 6, 8, 9]:
1. Установлено, что все изученные факторы-источники активных форм кислорода и азота (озон, синглетный кислород, Дарсонваль, оксид азота) оказывают существенное и разнонаправленное действие на физико-химические параметры абиогенных и биогенных сред.
2. Выявлено, что оксигенация способствует снижению окислительно-восстановительного потенциала физиологического раствора, увеличивая содержание растворенного кислорода при сохранении исходного рН, т. е. не вызывает химических реакций в растворе. Обработка физиологического раствора кислородом, модифицированным дарсовализацией, приводит, кроме увеличения содержания растворенного кислорода, к повышению ОВП раствора. Озонирование, также не изменяя рН жидкой системы, дозозависимо стимулирует ее окислительный потенциал. Исследование влияния оксида азота позволило установить, что непродолжительное барботирование (не более 3 минут) демонстрирует эффекты, аналогичные низким концентрациям озона (1000 мкг/л) и кратковременному (1 минута) воздействию активированного током Д'Арсонваля кислорода. Продолжительная (5 минут) обработка раствора оксидом азота способствует сильному закислению раствора, сопровождающемуся выраженным ростом его ОВП и снижением количества растворенного кислорода.
3. В газовом потоке, генерируемом медицинским аппаратом NO-терапии «Плазон», определяется наличие активных форм кислорода в концентрации 350-600 мкг/л, что сопоставимо с уровнем, регистрируемым для озонокислородной смеси с содержанием озона 600 мкг/л. При растворении данного газового потока в 0,9% растворе хлорида натрия обнаруживаемая в нем концентрация АФК на порядок выше регистрируемой в газовой фазе. Она сохраняется на постоянном уровне на протяжении не менее 10 минут.
4. Обнаружено, что барботирование консервированной крови кислородом, озоно-кислородной смесью и синглет-ным кислородом благоприятно стимулирует энергетические резервы биосреды. Напротив, нитроксилирование
Экспериментальная медицина
потоком, генерируемым аппаратом «Плазон», угнетает их, что связано с поступлением в биологическую жидкость достаточно высоких концентраций оксида азота и активных форм кислорода.
5. Обработка цельной крови здоровых доноров холодной плазмой, содержащей высокие концентрации оксида азота, способствовала ряду сдвигов энергетического метаболизма, ионного состава и кислотно-щелочного равновесия в биологическом субстрате. Кроме того, нитроксилирование крови в использованном режиме, оказывая преимущественное влияние на состояние эритроцитов, обуславливает образование метгемоглобина.
6. Проведение курсового ингаляционного воздействия синглетного кислорода на здоровых животных способствует нарастанию антиоксидантного резерва крови и активности оксидоредуктаз (ЛДГобр. и АлДг) крови, обеспечивая повышение адаптационного потенциала организма крысы. Кроме того, СК, являясь физиологическим метаболитом, оптимизирует обмен веществ без излишней стимуляции липопероксидации.
Продолжение исследований в области изучения клеточных, молекулярных и организменных эффектов действия физических факторов-источников биорадикалов позволит разработать новые технологии для травматологии, комбустиологии и восстановительной медицины.
Ш
ЛИТЕРАТУРА
1. Ванин А.Ф. Оксид азота в биомедицинских исследованиях. Вестник Российской академии медицинских наук. 2000. № 4. С. 3-5.
2. Ванин А.Ф., Писаренко О.И., Студнева И.М. с соавт. Действие динитро-зильного комплекса железа на метаболизм и клеточные мембраны ишемизированного сердца крысы. Кардиология. 2009. № 12. С. 43-49.
3. Граник В.Г., Григорьев Н.Б. Оксид азота (NO). Новый путь к поиску лекарств. М.: Вузовская книга, 2004. 360 с.
4. Мартусевич А.К., Камакин Н.Ф., Иванникова Е.В., Жукова Н.Э. Характер действия физико-химических факторов на особенности структуризации сыворотки крови человека in vitro. Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2012. Вып. 43. С. 112-115.
5. Мартусевич А.К., Перетягин С.П. Молекулярная стереотипия в реализации эффекта некоторых лечебных физико-химических факторов: роль NO. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2012. № 2. Ч. 3. С. 205-210.
6. Мартусевич А.А., Перетягин С.П., Мартусевич А.К. Молекулярные и клеточные механизмы действия синглетного кислорода на биосистемы. Современные технологии в медицине. 2012. № 2. С. 128-134.
7. Peretyagin S.P., Struchkov A.A. Ozone therapy in traumatology and burns treatment. Revista Espaoola de Ozonoterapia. 2013. Vol. 3. № 1. Р. 75-89.
8. Мартусевич А.К., Перетягин С.П., Жданова О.Б., Ашихмин С.П. К вопросу изучения действия соединений азота на организм на примере оценки влияния нитроксилирования на кристаллогенные свойства сыворотки крови. Здоровье населения и среда обитания. 2012. № 12. С. 41-43.
9. Мартусевич А.К., Перетягин С.П., Иванникова Е.В. Физико-химические свойства физиологического раствора при действии активных форм кислорода и азота. Фундаментальные исследования. 2012. № 11. Ч. 1. С. 197-201.
