CC BY
9Ученые записки Крымского федерального университета имени В. И. Вернадского Биология. Химия. Том 3 (69). 2017. № 3. С. 131-146.
УДК 612.44:75.016
ОСОБЕННОСТИ ТИРЕОИДНОЙ РЕГУЛЯЦИИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ В ПРЕДЕЛАХ ЭУТИРЕОИДНОЙ ЗОНЫ
Соболев В. И.
Гуманитарно-педагогическая академия (филиал) ФГАОУ ВО «Крымский федеральный
университет имени В. И. Вернадского», Ялта, Республика Крым, Россия
Е-шой: v.sobolev@mail.ru
Сравнительный анализ индивидуальных значений параметров в парах «величина физиологического показателя - уровень циркулирующего свободного трийодтиронина» позволил установить форму зависимости функциональной активности гормона от его концентрации в пределах эутиреоидной зоны у белых крыс. Установлен неравномерный характер нарастания физиологической активности трийодтиронина в разных секторах шкалы его концентрации. При росте уровня трийодтиронина в пределах эутиреоидной зоны его физиологическая активность в отношении частоты сердечных сокращений, мощности, развиваемой мышцей, и латентного периода М-ответа нарастает по закону «ломаной линии» с точкой перегиба в области 3.8-4.1 пмоль/л; такая «точка активации» служит условной границей, разделяющей зону низкой и зону прогрессивно нарастающей активности гормона. Такая закономерность не распространяется на скорость потребления кислорода целостным организмом, которая при росте уровня трийодтиронина нарастает прямо пропорционально во всем исследованном диапазоне концентрации гормона.
Ключевые слова: тиреоидная регуляция физиологических функций, трийодтиронин, сокращение мышцы, сердце, общий обмен.
ВВЕДЕНИЕ
Механизмы тиреоидной регуляции физиологических функций являются предметом многочисленных исследований и литературных обзоров, в том числе и последних лет [1-6]. Базовые сведения относительно направленности действия активных йодтиронинов в значительной степени основаны на результатах экспериментов, выполненных на моделях с измененным тиреоидным статусом: от гипотиреоза до тиреотоксикоза [5, 7-12 и др.]. Особо показательны эксперименты с выяснением так называемого «тиреоидного вклада» в обеспечении функционирования того или иного физиологического механизма. Так, в ряде публикаций тиреоидологами в клинике заболеваний щитовидной железы и экспериментах на животных показано, что гипотиреоз различной этиологии сопровождается существенным снижением степени функциональной выраженности ряда физиологических функций и величины физиологических констант: хронотропной функции сердца [13], уровня общего метаболизма [1, 3, 7, 12], эрготропной функции скелетной мышцы [2, 7], латентных периодов возбуждения различных структур [1, 8], концентрации субстратов окисления, активности ферментов окислительно-восстановительных реакций, скорости биосинтеза белков
[3, 4, 14, 15] и мн. др. На основании сравнительного анализа моделей «эутиреоз -гипотиреоз _ гипертиреоз» сделан вывод о тиреоидных гормонах как естественных регуляторах разнообразных биологических явлений и физиологических механизмов. Между тем остается практически не изученным вопрос о характере и закономерностях тиреоидной регуляции функций в рамках так называемой эутиреодной зоны гормонов, т. е. в пределах диапазона концентраций циркулирующих йодтиронинов эутиреоидного (интактного) организма. Такой диапазон характеризуется, в частности, показателем отношения уровня гормона в конце шкалы концентрации к уровню в ее начале, достигающего 3 единиц [2, 10, 16]. В настоящее время уже не требует дополнительных доказательств факт высокой межиндивидуальной вариабельности при прочих равных условиях многих физиологических констант как системных (скорость потребления кислорода, хронотропная функция сердца, артериальное давление и др.), так и частных (латентный период сокращения мышцы, амплитуда М-ответа, концентрация некоторых отдельно взятых гормонов и т. п.). Безусловно, что такая вариабельность связана с большим числом факторов, но и не вызывает сомнение предположение о том, что значительная часть вариабельности обусловлена разным уровнем циркулирующих тиреоидных гормонов.
Все сказанное позволяет предполагать, что в рамках диапазона колебаний концентрации активных йодтиронинов в интактном организме функционируют механизмы регуляции физиологических функций, реализующиеся по закону «доза -эффект». A priori можно утверждать, что вместе с ростом уровня циркулирующих тиреоидных гормонов выраженность их физиологических эффектов: а) нарастает прямо пропорционально концентрации йодтиронинов, б) возрастает по закону, который описывается уравнением, отличимым от уравнения прямой линии, или в) усиливается начиная с определенной физиологически детерминированной концентрации гормона. Попытке ответить на поставленный вопрос и посвящено настоящее исследование.
Целью работы явилось установление формы зависимости степени функциональной активности свободного трийодтиронина от его концентрации в пределах диапазона эутиреоидной зоны на основе сопоставления индивидуальных значений в парах «величина физиологического показателя - уровень циркулирующего трийодтиронина».
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Все исследования проведены в соответствии с «Руководством по уходу и использованию лабораторных животных» (публикация Национального института здоровья № 85-23, США) и «Руководством по экспериментальному (доклиническому) изучению новых фармакологических веществ» [17]. В качестве лабораторных животных были использованы 50 взрослых белых крыс-самцов одного возраста (3 месяца) с массой тела (288 ± 3 г), содержащихся в стандартных условиях вивария при температуре 22-26 0С.
В ходе экспериментов у животных исследовали состояние четырех физиологических показателей: в условиях in vivo - скорость потребления кислорода
и частота сердечных сокращений, in situ - мощность, развиваемая мышцей при выполнении внешней работы, и латентный период генерации М-ответа волокнами передней большеберцовой мышцы. Выбор перечня исследованных показателей определялся соображениями о представительстве и иерархии функциональных систем.
Измерение скорости потребления кислорода (V02, мл/кг/мин) проводили в открытой камерной системе с помощью газового анализатора «Radiometer» (Дания) в состоянии покоя, без наркоза, при естественной позе животного и в условиях термонейтральной зоны (для мелких грызунов 28-30 0С).
Хронотропную функцию сердца оценивали по частоте сердечных сокращений (ЧСС, уд/мин), которую измеряли с помощью электронного тахометра (по частоте R-зубцов электрокардиограммы). Во время регистрации ЧСС животное без применения наркоза помещали в индивидуальную клеточку с ЭКГ-электродами (латунными пластинами), встроенными в ее дно.
Показатель мощности (W, мВт), развиваемой передней большеберцовой мышцей (m. tibialis anterior), определяли путем вычисления отношения объема внешней работы, выполненной мышцей в ходе изотонического сокращения с грузом 100 г, к затраченному времени. Миографический канал экспериментальной установки был представлен датчиком углового перемещения (потенциометрический датчик ПТП1), электрическим мостом Уитсона, усилителем тока и регистрирующим устройством (запоминающий осциллограф Tektronix TDS 2004C или Siglent SDS 1062CM). Для раздражения малоберцового нерва, иннервирующего исследуемую мышцу, использовали электростимулятор прямоугольных электрических импульсов, построенный на основе функционального генератора ICL8038CCDP, оптронную гальваническую развязку и стабилизатора тока, а также игольчатые электроды, накладываемые на малоберцовый нерв. Для раздражения нерва использовали электрические импульсы прямоугольной формы частотой 60 имп/с длительностью 100 мкс каждый при постоянной силе тока 500 мкА; продолжительность раздражения нерва составляла 5 с. При раздражении нерва мышца сокращалась и стопа задней лапки, соединенная стальной лигатурой с потенциометрическим датчиком, изгибалась, поднимая груз массой 100 г на высоту «h». В дальнейшем при анализе цифровой записи миограммы возможно было рассчитать выполненную мышцей внешнюю работу, а затем и развиваемую интегральную мощность.
Латентный период генерации М-ответа (ЛП, мс) передней большеберцовой мышцы вычисляли на основании анализа цифровой записи вызванного М-ответа. Регистрацию М-ответа проводили с помощью электрофизиологической установки, представленной отводящими биполярными стальными электродами (межэлектродное расстояние 1 мм), биоусилителем на базе инструментального усилителя INA 118, гиратором - режектором сетевой помехи, оптронной гальванической развязкой (HCNR200), запоминающим осциллографом Tektronix (TDS 2004C) или Siglent (SDS1062CM) и компьютером. В ходе анализа CSV-файлы из памяти осциллографа импортировали в программу Excel, после чего измеряли латентный период М-ответа (время от момента нанесения раздражения на нерв до
начала генерации М-ответа). Параметры импульсов для стимуляции малоберцового нерва, иннервирующего мышцу, были следующими: длительность импульса 100 мкс, частота 2 имп/с, сила тока 500 мкА (стабилизатор тока стимулятора).
Ход опыта был следующим. Первоначально у животного в условиях термонейтральной зоны, в состоянии покоя и естественной позе измеряли скорость потребления кислорода и частоту сердечных сокращений (исследование in vivo, длительность не более 20 мин.), после чего внутрибрюшинно вводили этаминал натрия (75 мг/кг). Далее отпрепаровывали малоберцовый нерв, иннервирующий переднюю большеберцовую мышцу, который помещали на электроды электростимулятора. В среднюю часть мышцы вводили электромиографические электроды для регистрации М-ответа. После подготовительных процедур вначале записывали М-ответ мышцы, а затем, после изменения режима раздражения нерва, регистрировали миограмму при изотоническом сокращении. Длительность регистрации указанных двух показателей не превышала 1 мин.
После завершения опыта животное сразу же декапитировали и в пробе крови определяли содержание свободного трийодтиронина (Т3). Определение гормона проводили с помощью метода иммуноферментного анализа с использованием системы «Thermo Labsystems» (Финляндия) и стандартного набора реагентов «ТироидИФА-трийодтиронин свободный» производства России.
Цифровые данные обрабатывали с помощью стандартных методов вариационной статистики (Excel, Statistica 7.0). Каждый анализируемый вариационный ряд предварительно оценивали на предмет соответствия нормальному закону распределения (W-тест Шапиро - Уилка). Оценку различий между средними арифметическими проводили с помощью t-критерия Стьюдента (двухвыборочный t-тест для выборок с различными дисперсиями) при заданном уровне значимости p < 0.05. Характер зависимости между уровнем циркулирующего трийодтиронина и величиной исследуемого физиологического показателя определяли на основе регрессионного анализа. Анализ целостных вариационных рядов на предмет наличия независимых множеств проводили с помощью дисперсионного анализа: двухвыборочного F-теста для дисперсий (параметрический показатель) и дополнительно - с помощью критерия Краскела -Уоллиса и медианного теста (непараметрические показатели). В общем случае сравнение анализируемых показателей и статистическую оценку различий проводили общепринятыми методами, используемыми в вариационной статистике, на основании проверки нулевой и альтернативной гипотез.
РЕЗУЛЬТАТЫ И обсуждение
Уровень циркулирующего свободного трийодтиронина (таблица 1). Данный показатель в силу своей значимости для всего последующего анализа результатов исследования требует отдельного описания. Объективную характеристику вариационного ряда, прежде всего, отражают результаты итоговой статистики. Помимо всего прочего, видно, что отношение максимального уровня Т3 к минимальному составило 3.45 (показатели «Максимум / Минимум»), а коэффициент вариации достигал значения 27.5 %; все это свидетельствует о
широком диапазоне колебаний уровня трийодтиронина в крови эутиреоидного организма. Отмеченный факт открывает широкие возможности для последующего анализа характера зависимости исследуемых физиологических показателей от уровня циркулирующего трийодтиронина. Показатели эксцесса, асимметрии и медианы свидетельствуют в пользу нормального распределения данных в ряду. На это же указывает тест Шапиро - Уилка (р = 0.071) с построением гистограммы частот распределения. Выяснилось, что, несмотря на определенную степень правосторонней асимметрии, распределение по частоте встречаемости значений уровня трийодтиронина в вариационном ряду соответствует нормальному закону. Последнее может рассматриваться как свидетельство однородности выборки, отсутствия на краях вариационного ряда нетипичных вариант и позволяет в ходе статистического анализа использовать его параметрические методы.
Таблица 1
Характеристика вариационных рядов исследованных физиологических
показателей
Статистический показатель Концентрация свободного трийодтиронина, пмоль/л Скорость потребления кислорода, мл/кг/мин Частота сердечных сокращений, уд/мин Латентный период М-ответа, мс Мощность, развиваемая мышцей, мВт
Среднее 4.46 23.4 417 2.68 29.0
Стандартная ошибка 0.17 0.18 2.5 0.074 0.34
Медиана 4.2 23.2 416 2.85 28.5
Мода 4.3 21.9 409 3.1 28.1
Стандартное отклонение 1.23 1.25 17.8 0.52 2.42
Дисперсия выборки 1.51 1.56 319 0.28 5.88
Эксцесс 0.22 -0.11 -0.50 -0.32 1.63
Асимметрия 0.6 0.58 0.09 -0.69 1.24
Интервал 5.4 5.1 78 2.2 11.1
Минимум 2.2 21.1 380 1.3 24.9
Максимум 7.6 26.2 458 3.5 35.9
Коэффициент вариации, % 27.5 5.3 4.3 19.4 8.3
Число вариант 50 50 50 50 50
Скорость потребления кислорода (таблицы 1 и 2, рис. 1А). Уровень основного обмена, показателем которого служит скорость потребления кислорода в условиях термонейтральной зоны, является важнейшим интегральным параметром энергетического баланса гомойотермного организма.
Таблица 2
Значение физиологических показателей (М ± т) в разных диапазонах концентрации циркулирующего свободного трийодтиронина у белых крыс с
эутиреоидным статусом
Физиологический показатель Диапазон низкой активности трийод-тиронина Диапазон нарастающей активности трийод-тиронина Разница
Скорость потребления кислорода Рамки диапазона уровня трийодтиронина (в круглых скобках) и его среднее значение (М ± т), пмоль/л (2.2-4.1) 3.46±0.13 п = 22 (4.2-7.6) 5.24±0.19 п = 28 +1.78±0.23 Р = 2.64Е-09
Значение скорости потребления кислорода в разных диапазонах, мл/кг/мин. 22.4±0.14 24.2±0.20 +1.8±0.27 +8 % Р = 6.98Е-09
Частота сердечных сокращений Рамки диапазона уровня трийодтиронина (в круглых скобках) и его среднее значение (М ± т), пмоль/л (2.2-3.7) 3,02±0,12 п = 12 (3.8-7.6) 4,91±0,17 п = 38 +1.89±0.21 Р = 6Е-11
Частота сердечных сокращений в разных диапазонах, уд./мин. 399±3.8 422±2.5 23±4.5 +5.8 % Р = 5Е-05
Латентный период М-ответа Рамки диапазона уровня трийодтиронина (в круглых скобках) и его среднее значение (М ± т), пмоль/л (2.2-3.8) 3.08±0.14 п = 13 (3.9-7.6) 4.94±0.17 п = 37 +1.9±0.24 Р = 8.8Е-11
Латентный период М-ответа в разных диапазонах, мс 3.2±0.04 2.5±0.08 -0.7±0.09 -22 % Р = 4.12Е-09
Мощность, развиваемая мышцей Рамки диапазона уровня трийодтиронина (в круглых скобках) и его среднее значение (М ± т), пмоль/л (2.2-4.1) 3.46±0.13 п = 22 (4.2-7.6) 5.24±0.19 п = 28 +1.78±0.23 Р = 8.48Е-10
Мощность, развиваемая мышцей в разных диапазонах, мВт 28.0±0.23 29.8±0.54 +1.8±0,59 +6.4 % Р = 0.0037
Результаты экспериментов показали, что у животных с эутиреоидным статусом между величиной скорости потребления кислорода, с одной стороны, и уровнем циркулирующего трийодтиронина, с другой, существует выраженная положительная прямо пропорциональная связь, хорошо описываемая уравнением прямой линии (рис. 1А):
У02 = 0.87 [Т3] + 19.6 при Ьх/у = 0.87 ± 0.07 (р < 0.01), коэффициентах детерминации Я2 = 0.73 и корреляции Пирсона 0.85 ± 0.08 (р < 0.01).
3 4 5 6 7
Концентрация свободного трийодтиронина, пмоль/л
2 3 4 5 6 7
Концентрация свободного трийодтиронина, пмоль/л
А Б
Рис. 1. Зависимость скорости потребления кислорода (А) и частоты сердечных сокращений (Б) от уровня циркулирующего свободного трийодтиронина в рамках эутиреоидной зоны.
Обозначения. Овалы (1, 2) выделяют независимые множества вариант в целостных вариационных рядах; прямые линии отображают регрессионные зависимости.
8
Обращает на себя внимание факт нарастающей вариабельности значений У02 вместе с ростом уровня трийодтиронина (рис. 1,А). Так, во второй части диапазона концентрации Т3 («4.2 - 7.6 пмоль/л») величина дисперсии, согласно двухвыборочному Б-тесту, была в 2.7 раза выше (р = 0.0098), чем в начале диапазона эутиреоидной зоны («2.2 - 4.1 пмоль/л»). Разделение экспериментально установленного целостного вариационного ряда (диапазона концентрации Т3) на две части выполнено на основании значения статистического показателя «Медиана», равного 4.2 пмоль/л, с дальнейшей оценкой вновь образованных множеств на «независимость» с помощью двухвыборочного Б-теста для дисперсий, критерия Краскела - Уоллиса и медианного теста. В выделенных овалами на рис. 1А двух множествах средние значения У02 составляли соответственно 22.4 ± 0.14 и 24.2 ± 0.20 мл/кг/мин., т. е. различались на 8.0 % (р < 0.01). Зависимости «физиологический эффект - уровень Т3» в отдельных частях выборки описывались, как и в случае целостного вариационного ряда, уравнениями прямых линий (на рис. 1А не указаны), однако коэффициенты регрессий в уравнениях статистически достоверно не различались. Таким образом, во второй, правосторонней, части физиологической шкалы колебаний уровня трийодтиронина («4.2-7.6 пмоль/л») интенсивность потребления кислорода характеризовалась более высокой степенью вариабельности. Однако характер нарастания физиологической активности Т3 во всем диапазоне его концентрации оставался монотонным.
Хронотропная функция сердца (таблицы 1 и 2, рис. 1Б). Характер зависимости частоты сердечных сокращений (ЧСС) от концентрации Т3 у крыс эутиреоидной группы имел сложный характер. На графике рассеивания (рис. 1Б) видно, что в
разных участках шкалы концентрации Т3 характер зависимости «ЧСС - Т3» различается по параметрам вариабельности точек и их абсолютным значениям. Применив метод последовательного вычисления семейства регрессионных уравнений, удалось в целостном вариационном ряду выделить два независимых множества, располагающихся в начале и конце оси абсцисс, т. е. в разных секторах шкалы концентрации Т3.
Уровень свободного трийодтиронина, пмоль/л Уровень свободного трийодтиронина, пмоль/л
А Б
Рис. 2. Зависимость латентного периода М-ответа (А) и мощности, развиваемой мышцей при выполнении внешней работы (Б), от уровня циркулирующего свободного трийодтиронина в рамках эутиреоидной зоны.
Обозначения. Овалы (1, 2) обозначают независимые множества вариант в целых вариационных рядах; прямые линии в овалах - линии регрессии.
В ходе анализа путем пошагового удлинения вариационного ряда (начиная с первого значения ЧСС) формировали пакет новообразованных множеств с шагом п = 1. В тот момент, когда в очередном множестве регрессионный коэффициент в зависимости «ЧСС - Т3» становился статистически значимым (т. е. отличался от нуля), процесс анализа останавливали, а в качестве искомого считалось предшествующее множество. Таким способом находили первое из независимых множеств, расположенных в начале диапазона концентрации. Второе множество определяли автоматически путем вычленения из целостного вариационного ряда вариант первого множества. Затем два множества с помощью дисперсионного анализа дополнительно оценивали на предмет независимости (двухвыборочный Б-тест для дисперсий, критерий Краскела-Уоллиса и медианный тест), после чего делался вывод о вероятном существовании в целостном вариационном ряду двух независимых множеств. Таким способом на шкале концентрации трийодтиронина были выделены два отдельных сектора, в рамках которых зависимости «ЧСС - Т3» различались. Собственно зависимости описывались уравнениями прямой линии и имели следующий вид:
ЧСС = 0.0002 [Тз] + 3.12 при Ьху = 0.0002 ± 0.0И (р = 0.98), коэффициентах детерминации Я2 = 4Е-05 и корреляции Пирсона г = -0.0065 ± 0.31 (р > 0.8) - для диапазона концентрации трийодтиронина «2.2-3.7 пмоль/л» - диапазон низкой активности гормона;
ЧСС = 12.2 [Т3] + 362 при bx/y = 12.2± 1.4 (р < 0.001), коэффициентах детерминации R2 = 0.68 и корреляции Пирсона г = 0.82 ± 0.09 (p < 0.001) - для диапазона концентрации трийодтиронина «3.8-7.6 пмоль/л» - диапазон прогрессивно нарастающей активности гормона.
Видно, что в начальном секторе шкалы концентрации, занимающем 28 % всего исследуемого диапазона, при росте уровня Т3 величина ЧСС статистически достоверно не изменялась, о чем свидетельствуют значение коэффициента регрессии и его стандартная ошибка. Во втором секторе («3.8-7.6 пмоль/л»), наоборот, при увеличении уровня циркулирующего трийодтиронина на единицу концентрации Т3 (1.0 пмоль/л) частота сердечных сокращений стремительно нарастала с шагом (12.2 ± 1.4) уд./мин. Значение средних величин ЧСС в выделенных секторах шкалы концентрации Т3 соответственно составляли 399 ± 3.8 и 422 ± 2.5 уд./мин., т. е. различались на 23 ± 4.5 уд./мин. (p < 0.01). Границы диапазонов концентрации Т3 и их характеристика представлены в Табл. 2.
Латентный период (ЛП) генерации М-ответа (таблицы 1 и 2, рис. 2А). Средняя величина ЛП составила 2.68 ± 0.074 мс при соответствующих значениях стандартного отклонения и дисперсии. Характерен высокий коэффициент вариации (19.4 %).
При оценке характера распределения значений ЛП в целостной совокупности оказалось, что он не соответствует нормальному закону (тест Шапиро - Уилка, р = 0.0072). В подобном случае предполагается возможность существования нескольких независимых множеств в целостной совокупности. Действительно, с помощью метода расчета семейства регрессионных уравнений выяснено, что целостный вариационный ряд значений ЛП разделяется минимум на два независимых множества, расположенных в двух разных диапазонах концентрации трийодтиронина и уже с параметрами нормального распределения (рис. 2А). Обоснованность выделения двух множеств подтверждается также двухвыборочным F-тестом для дисперсии (р = 3.5 Е-05), а также методами непараметрической статистики (критерием Краскела - Уоллиса и медианным тестом). Среднее значение ЛП во втором множестве (2.5 ± 0.08 мс) оказалось статистически достоверно ниже (-22 %, p < 0.01), чем в первом (3.2 ± 0.04 мс).
Определенные таким способом независимые множества значений ЛП располагаются в рамках двух диапазонов концентрации трийодтиронина: «2.2-3.8 пмоль/л» при среднем значении (3.08 ± 0.14) пмоль/л и «3.9-7.6 пмоль/л» при среднем значении (4.94 ± 0.17) пмоль/л (разница составила +1.9 ± 0.24 пмоль/л).
Зависимости «ЛП - Т3» в выделенных двух множествах описываются уравнениями прямых линий при статистически достоверных (p < 0.01) различиях в коэффициентах регрессии и корреляции Пирсона:
ЛП = 0.0062 [Тз] + 3.20 при bx& = 0.0062 ± 0.084 (р = 0.94), коэффициентах детерминации R2 = 0.0005 и корреляции Пирсона 0.022 ± 0.32 (p > 0.05) - диапазон концентрации Т3 «2.2 - 3.8 пмоль/л» (30 % всего исследованного диапазона) -диапазон низкой активности гормона;
ЛП = -0.41 [Тз] + 4.61 при Ьх/у = -0.41 ± 0.027 (р < 0.01), коэффициентах детерминации R2 = 0.86 и корреляции Пирсона -0.92 ± 0.05 (p < 0.01) - диапазон
концентрации Т3 «3.9-7.6 пмоль/л» - диапазон прогрессивно нарастающей активности гормона.
Мощность выполнения внешней работы (таблицы 1 и 2, рис. 2Б). Средняя величина данного показателя составила 29.0 ± 0.34 мВт при коэффициенте вариации 8.3 %. Распределение значений «W, мВт» в вариационном ряду далеко не соответствовало нормальному закону (p = 0.00025), что побудило к поиску независимых множеств и границ их представительства. Использовав аналогичные описанным выше процедуры анализа, выделили два отдельных множества, значения которых располагаются в начале и конце шкалы концентрации циркулирующего трийодтиронина. Так, на рис. 2Б видно, что точки значений «W» целостного ряда четко группируются в две группы. Новообразованные множества уже описываются нормальным законом (тест Шапиро - Уилка, р = 0.84 и 0.11). Средние значения показателя мощности работы «W» для 1-го и 2-го множеств статистически достоверно различались (p < 0.05) и составили соответственно 28.0 ± 0.23 и 29.8 ± 0.54 мВт. Обоснованность разделения целостного вариационного ряда на два независимых множества подтверждается и результатами двухвыборочного F-теста для дисперсий (p < 0.01), а также методами непараметрической статистики (критерием Краскела - Уоллиса и медианным тестом). Границы диапазонов концентрации Т3 и их характеристика в случае измерения мощности сокращения мышцы представлены в Табл. 2.
В выделенных областях зависимость «W - Т3» описывается уравнениями прямых линий при разных значениях коэффициентов регрессии и корреляции Пирсона:
W = 0.41 [Тз] + 26.6 при Ьх/у = 0.41 ± 0.34 (р = 0.25) и коэффициентах детерминации R2 = 0.064 и корреляции Пирсона 0.25 ± 0.21 (p > 0.05) - диапазон концентрации Т3 «2.2-4.1 пмоль/л» (35 % всего исследованного диапазона) -диапазон низкой активности гормона;
W =2.42 [Т3] + 16.6 при Ьх/у = 2.42 ± 0.21 (р < 0.01) и коэффициентах детерминации R2 = 0.83 и корреляции Пирсона 0.91 ± 0.08 (p < 0.01) - диапазон концентрации Т3 «4.2-7.6 пмоль/л» - диапазон прогрессивно нарастающей активности гормона.
Различия между коэффициентами регрессии в двух уравнениях статистически значимы (p<0.01).
Представляет интерес вопрос о «сравнительной силе» физиологического эффекта трийодтиронина по отношению к отдельным исследованным показателям в рамках «диапазона нарастающей активности трийодтиронина» (3.8-7.6 пмоль/л). С этой целью были построены зависимости «доза - эффект» в относительных величинах, где за 100 % принималось максимально достигнутое значение физиологического параметра (рис. 3). Анализ показал следующее. Во-первых, все зависимости «доза - эффект» описывались уравнениями прямых линий при достаточно высоких значениях коэффициентов детерминации (0.71-0.84). Во-вторых, все линии регрессий располагались кучно, а относительная «сила» эффекта трийодтиронина для всех исследованных физиологических показателей не различалась, о чем свидетельствует отсутствие статистически достоверных
различий в значениях коэффициентов регрессий. В-третьих, тренд всех трех линий регрессий направлен за пределы исследованной зоны концентрации гормона.
£ 05
О)
-е--е-
КП X X ГС
со
ГС X
л
X О)
с:
О
3.8 48 58 6.8 7.8 38 9.8 1Q8
Уровень своВодноготрийодтироннна, пмоп^л
Рис. 3. Зависимость между уровнем свободного трийодтиронина и степенью нарастания его физиологического эффекта.
Обозначения. 1, 2, 3 - соответственно регрессионные зависимости для частоты сердечных сокращений, латентного периода М-ответа и мощности, развиваемой мышцей при сокращении; стрелка указывает направление тренда регрессионных прямых; за 100 % принимался максимальный физиологический эффект трийодтиронина в секторе шкалы концентрации гормона «3.8-7.6 пмоль/л».
При обсуждении полученных результатов представляют интерес два основных момента: а) особенности индивидуальной вариабельности физиологических показателей; б) характер зависимостей «физиологический эффект - доза Т3» в разных секторах шкалы концентрации циркулирующего трийодтиронина.
В первом случае статистический анализ экспериментальных данных позволил на основе величины показателя вариации выстроить следующий ранжированный ряд: «латентный период М-ответа > мощность, развиваемая мышцей > скорость потребления кислорода > частота сердечных сокращений». Особенностью такого ряда является эффект уменьшения степени вариабельности физиологического показателя вместе с усложнением уровня организации соответствующей функциональной системы (при условии ее стационарного состояния), а также степенью биологической значимости параметра. С приведенными обстоятельствами, возможно, связан один из источников вариации как следствие присутствия в целостной совокупности (для латентного периода М-ответа и мощности, развиваемой мышцей) определенного числа вариант, выделяющихся по своей абсолютной величине, но тем не менее ей принадлежащих. На гистограммах распределения частот эти варианты образуют так называемые «хвосты», а целостный вариационный ряд не поддается описанию нормальным законом распределения.
Что касается уровня циркулирующего свободного трийодтиронина, то последний характеризуется особо высокой вариабельностью (коэффициент вариации 27.5 %, размах ряда 5.4 пмоль/л при отношении значений «Максимум/Минимум» 3.45). Эти результаты в целом совпадают с данными, полученными для человека [10, 16], и свидетельствуют об особом статусе данного гормонального регулятора физиологических функций. Можно полагать, что уровень свободного трийодтиронина, колеблющийся у эутиреоидных белых крыс-самцов в рамках «2.2-7.6 пмоль/л», занимает только небольшую часть более широкого диапазона концентрации гормона, в том числе за пределами эутиреоидной зоны, в рамках которого свободный трийодтиронин характеризуется нарастающей физиологической активностью. Такого рода предположение согласуется с результатами ранее опубликованных работ [1, 2].
Второй момент настоящей работы, требующий отдельного обсуждения, связан с неоднородностью характера зависимостей «физиологический эффект - доза Т3» для ряда показателей в разных секторах шкалы концентрации циркулирующего трийодтиронина. Так, было установлено, что при росте концентрации свободного трийодтиронина в пределах эутиреоидной зоны (в нашем случае от 2.2 до 7.6 пмоль/л) физиологическая активность гормона в отношении частоты сердечных сокращений, мощности, развиваемой мышцей, и латентного периода М-ответа изменяется по закону «ломаной линии» с областями, расположенными в среднем в диапазонах «2.2-3.9 пмоль/л» (низкая активность гормона при интегральной частоте попадания данных в указанный сектор 30 %) и «4.0-7.6 пмоль/л» (зона нарастающей активности гормона при интегральной частоте попадания данных в обозначенный сектор 70 %). «Точки перегиба» соответствующих кривых зависимостей расположены в области 3.8-4,1 пмоль/л. Следовательно, в начальном секторе шкалы концентрации Т3, занимающего около 30 % всей эутиреоидной шкалы, гормон обладает низкой или очень низкой биологической активностью и лишь затем, с ростом его уровня, реализуются специфические физиологически значимые тиреоидные эффекты. Можно предположить, что на эутиреоидной шкале концентрации трийодтиронина существует своеобразная «точка активации» (в нашем случае в области «3.8-4.1 пмоль/л»), по достижении которой физиологическая активность гормона начинает прогрессивно нарастать. Следует отметить, что возможна и другая интерпретация описанного феномена.
В отношении характера зависимости «скорость потребления кислорода -уровень Т3» можно прийти к выводу, что при росте уровня трийодтиронина потребление кислорода нарастает прямо пропорционально его концентрации во всем эутиреоидном диапазоне. По-видимому, это связано с высокой степенью интегральности данного физиологического показателя, отражающего такой системный параметр, как интенсивность общего обмена целостного организма. Как хорошо известно, метаболические эффекты тиреоидных гормонов связаны с активностью базовых (для клетки) ферментных систем и отдельных ферментов [3-5]. В этой связи результаты, касающиеся скорости потребления кислорода, могут рассматриваться с точки зрения предположения о преимущественно прямой зависимости между активностью ферментов окислительно-восстановительного
цикла, обеспечивающих высокую скорость потребления кислорода, и
концентрацией циркулирующего свободного трийодтиронина.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Сравнительный анализ индивидуальных значений параметров в парах «величина физиологического показателя - уровень циркулирующего свободного трийодтиронина» позволил установить форму зависимости функциональной активности гормона от его концентрации в пределах эутиреоидной зоны у белых крыс.
2. Установлен неравномерный характер физиологической активности свободного трийодтиронина в разных секторах шкалы его концентрации. При росте уровня циркулирующего трийодтиронина в пределах эутиреоидной зоны его физиологическая активность в отношении частоты сердечных сокращений, мощности, развиваемой мышцей, и латентного периода М-ответа нарастает по закону «ломаной линии» с выраженной зоной перегиба в области 3.8-4.1 пмоль/л; такая «точка активации» отсекает около 30 % начального сектора эутиреоидной шкалы концентрации трийодтиронина и служит условной границей, разделяющей зону низкой («2.2-3.9 пмоль/л») и зону прогрессивно нарастающей активности трийодтиронина («4.0-7.6 пмоль/л»). Такая закономерность не распространяется на скорость потребления кислорода целостным организмом, которая при росте уровня трийодтиронина нарастает прямо пропорционально во всем исследованном диапазоне концентрации гормона.
3. На основании сравнительной оценки зависимостей между уровнем свободного трийодтиронина, с одной стороны, и частотой сердечных сокращений, латентным периодом М-ответа и мощностью, развиваемой мышцей, выраженных в относительных величинах (% от максимального значения), с другой, сделан вывод о том, что «сравнительная сила» физиологического эффекта гормона для всех исследованных показателей в рамках диапазона «активной зоны» концентрации трийодтиронина («4.0-7.6 пмоль/л») не различается, а собственно зависимости имеют вид прямых линий, располагаясь кучно с выраженным трендом за пределами эутиреоидной зоны концентрации гормона.
Список литературы
1. Соболев В. И. Характер действия адреналина на латентный период М-ответа скелетной мышцы крыс в зависимости от уровня циркулирующего трийодтиронина / В. И. Соболев // Ученые записки Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского. Серия «Биология, химия». - 2016. - Т. 68, № 2. - С. 58-69.
2. Соболев В. И. Зависимость функциональных параметров сокращения скелетной мышцы крыс от уровня циркулирующего трийодтиронина / В. И. Соболев // Росс. физиол. журнал им. И. М. Сеченова. - 2016. - Т. 102, № 11. - С. 1369-1382.
3. Williams Textbook of Endocrinology / 11th ed. Henry M. Kronenberg, Shlomo Melmed, Kenneth S. Polonsky, P. Reed Larsen. Philadelphia. - 2008. - P. 1-4264.
4. Lombardil A. Regulation of skeletal muscle mitochondrial activity by thyroid hormones: focus on the "old" triiodothyronine and the "emerging" 3,5-diiodothyronine / Lombardil Assunta, Moreno Maria, Lange Pieterde [et al.] // Front. Physiol. - 2015. - August. 6, Article 237. - P. 1-8. doi: 10.3389/fphys.2015.00237.
5. Sobolev V. I. Frequency dependence of parameters of the М-response of the rat m. tibialis in the norm and in experimental hyperthyroidism and hypercorticoidism / V. I. Sobolev, V. V. Trush, K. A. Litvyak, I. N. Morozova // Neurophysiology. - 2015. - Vol. 7, No 1. - P. 53-60.
6. Tata Jamshed R. Looking for the mechanism of action of thyroid hormone / Jamshed R. Tata // Journal of Thyroid Research. - 2011. - Article ID 730630. - 12 p. doi:10.4061/2011/730630. 2011.
7. Литвяк К. А. Термогенная функция скелетной мышцы белых крыс при различном тиреоидном статусе (исследование in situ) / К. А. Литвяк, В. И. Соболев // Вестник проблем биологии и медицины. - 2013. - Т. 98, № 1. - С. 224-228.
8. Маккий Е. А. Вызванная активность афферентных и эфферентных волокон седалищного нерва у крыс в условиях экспериментального гипертиреоза / Е. А. Макий, П. А. Неруш, А. Г. Родинский // Нейрофизиология. - 2002. - Т. 34, № 1. - С. 51-59.
9. Основы нейроэндокринологии / Ред. В. Г. Шаляпина, П. Д. Шабанов. - СПб.: ЭЛБИ-СПб, 2005. -472 с.
10. Andersen S. Narrow individual variations in serum T4 and T3 in normal subjects: a clue to the understanding of subclinical thyroid disease / S. Andersen, K. M. Pedersen, N. Henrik // Journal of Clinical Endocrinology Metabolism. - 2002. - Vol. 87, No 3. - P. 1068-1072.
11. Gloss B. Thyroid hormone-induced stimulation of the sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase gene is inhibited by LIF and IL-6 / B. Gloss., S. Villegas, F. J. Villarreal // American Journal of Physiology. -2000. - Vol. 278, No 4. - E738-E743.
12. Hulbert A. J. Thyroid hormones and their effects: a new perspective / A. J. Hulbert // Biological review of the Cambridge Philosophical Society. - 2009. - Vol. 75, No 4. - P. 519-631.
13. Villet J. V. H. Thyroid hormone control of cardiac substrate metabolism / J. V. H. Villet. - Helsinki, 2009. - P. 1-37.
14. Arruda A. P. Hyperthyroidism increases the uncoupled ATPase activity and heat production by the sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase / A. P. Arruda, W. S. Da-Silva, D. P. Carvalho // Biochem. J. -2003. - Vol. 375. - P. 753-760.
15. Enriques Jose A. Direct regulation of mitochondrial RNA synthesis by thyroid hormone / Jose A. Enriques, Patricio Fernandez-Silva, Nuria Garrido-Pezez // Mol. and Cell. Biol. - 1999. -Vol. 19, No 1. - P. 657-670.
16. Jonklaas J. Correlations of free thyroid hormones measured by tandem mass spectrometry and immunoassay with thyroid-stimulating hormone across 4 patient populations / Jacqueline Jonklaas, Natasa Kahric-Janicic, P. Offie Soldin // Clin. Chemistry. - 2009. - Vol. 55, No 7. - P. 1380-1388.
17. Руководство по экспериментальному (доклиническому) изучению новых фармакологических веществ / Ред. Р. У. Хабриев и др. - М.: ОАО «Издательство «Медицина», 2005. - 832 с.
FEATURES OF THYROID REGULATION OF PHYSIOLOGICAL FUNCTIONS
WITHIN EUTHYROID ZONE
Sobolev V. I.
V. I. Vernadsky Crimean Federal University, Simferopol, Russian Federation
E-mail: v.sobolev@mail.ru
The mechanisms of thyroid regulation of physiological functions are the subject of numerous studies. However, the question of the nature and regularities of thyroid regulation of functions within the euthyroid hormone zone remains insufficiently studied (within the range of concentrations of circulating iodothyronines of the euthyroid (intact)
organism). The determination of the form of the dependence of the degree of functional activity of free triiodothyronine on its concentration within the range of the euthyroid zone was the aim of this paper.
During the experiments, the state of four physiological parameters of the animals was studied: at in vivo conditions - the rate of oxygen consumption and heart rate, in situ - the power developed by the muscle during external work, and the latent period of the M-response generation by the muscle fiber of the m. tibialis anterior. After completion of the experiment, the animal was decapitated, and the content of free triiodothyronine (T3) was determined in the blood sample. The hormone was determined by the enzyme immunoassay using the «Thermo Labsystems» system (Finland) and the standard set of reagents «Thyiroid IFA-triiodothyronine free» from Russia.
The comparative analysis of the individual parameter importance in pairs "the value of the physiological parameter - level of circulating free triiodothyronine" allowed to establish a form of dependence of the hormone functional activity from its concentration at within of the euthyroid zone at white rats. The uneven character of the physiological activity triiodothyronine in various sectors of the scale of its concentration was established. It has been shown that at increasing of the triiodothyronine level within the euthyroid zone its the functional activity of relation on physiological parameters (heart rate, muscle power and latent period of M-response) increases according to the law «polyline» with a point of inflection in the 3.8 - 4,1 pmol / L. The point of inflection cuts off about 30 % of the initial sector of euthyroid scale triiodothyronine concentration and serves as a conditional boundary between the low level («2.2 - 3.8 pmol / L») and the high level («3.9 - 7.6 pmol / L») of the hormone activity. Such regularity in the relation of the oxygen consumption rate by the animals is not marked. In this case, with increasing of the triiodothyronine concentration the oxygen consumption rate in the whole researched range is increasing accordance with the law of a straight line.
Keywords: thyroid regulation of physiological functions, triiodothyronine, muscle contraction, heart, general metabolism.
References
1. Sobolev V. I. Kharakter deystviya adrenalina na latentnyy period M-otveta skeletnoy myshtsy krys v zavisimosti ot urovnya tsirkuliruyushchego triyodtironina, Uchenye zapiski Krymskogo federal'nogo universiteta im. V. I. Vernadskogo. Seriya «Biologiya. Khimiya», 68(2), 58 (2016).
2. Sobolev V. I. Zavisimost' funktsional'nykh parametrov sokrashcheniya skeletnoy myshtsy krys ot urovnya tsirkuliruyushchego triyodtironina, Ross. fiziol. zhurnal im. I. M. Sechenova, 102(11), 1369 (2016).
3. Williams Textbook of Endocrinology, 11th ed. Henry M. Kronenberg, Shlomo Melmed, Kenneth S. Polonsky, P. Reed Larsen, 4264 p, Philadelphia, (2008).
4. Lombardi1 Assunta, Moreno Maria, Lange Pieterde, Iossa Susanna, Busiello Rosa A., Goglia Fernando Regulation of skeletal muscle mitochondrial activity by thyroid hormones: focus on the "old" triiodothyronine and the "emerging" 3,5-diiodothyronine, Front. Physiol., August. 6, Article 237, 1 (2015).
5. Sobolev V. I., Trush V. V., Litvyak K. A., Morozova I. N. Frequency dependence of parameters of the М-response of the rat m. tibialis in the norm and in experimental hyperthyroidism and hypercorticoidism, Neurophysiology, 47(1), 53 (2015).
Co6oneB B. M.
6. Tata Jamshed R. Looking for the mechanism of action of thyroid hormone, Journal of Thyroid Research., Article ID 730630, 12 pages, doi:10.4061/2011/730630, (2011).
7. Litvyak K. A., Sobolev V. I. Termogennaya funktsiya skeletnoy myshtsy belykh krys pri razlichnom tireoidnom statuse (issledovanie in situ), Vestnikproblem biologii i meditsiny, 98(1), 224 (2013).
8. Makiy E. A., Nerush P. A., Rodinskiy A. G. Vyzvannaya aktivnost' afferentnykh i efferentnykh volokon sedalishchnogo nerva u krys v usloviyakh eksperimental'nogo gipertireoza, Neyrofiziologiya, 34(1), 51 (2002).
9. Osnovy neyroendokrinologii / Red. V. G. Shalyapina, P. D. Shabanov, 472 s, SPb.: ELBISPb, (2005).
10. Andersen S., Pedersen K. M., Henrik N. Narrow individual variations in serum T4 and T3 in normal subjects: a clue to the understanding of subclinical thyroid disease, Journal of Clinical Endocrinology Metabolism, 87(3), 1068 (2002).
11. Gloss B., Villegas S., Villarreal F. J. Thyroid hormone-induced stimulation of the sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase gene is inhibited by LIF and IL-6, American Journal of Physiology, 278(4), E738 (2000).
12. Hulbert A. J. Thyroid hormones and their effects: a new perspective, Biological review of the Cambridge Philosophical Society, 75(4), 519 (2000).
13. Villet J. V. H. Thyroid hormone control of cardiac substrate metabolism, 37 p, Helsinki, (2009).
14. Arruda A. P., Da-Silva W. S., Carvalho D. P., De Meis L. Hyperthyroidism increases the uncoupled ATPase activity and heat production by the sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase, Biochem. J., 375, 753 (2003).
15. Enriques Jose A., Patricio Fernandez-Silva, Nuria Garrido-Pezez Direct regulation of mitochondrial RNA synthesis by thyroid hormone, Mol. and Cell. Biol., 19(1), 657 (1999).
16. Jonklaas Jacqueline, Kahric-Janicic Natasa, Offie P. Soldin Correlations of free thyroid hormones measured by tandem mass spectrometry and immunoassay with thyroid-stimulating hormone across 4 patient populations, Clin. Chemistry, 55(7), 1380 (2009).
17. Rukovodstvo po eksperimental'nomu (doklinicheskomu) izucheniyu novykh farmakologicheskikh veshchestv, Red. R. U. Khabriev i dr., 832 s,M.: OAO «Izdatel'stvo «Meditsina», (2005).
