CC BY
36
616-092.4
В.П. КУЛИКОВ, П.П. ТРЕГУБ, А.Г. БЕСПАЛОВ
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Алтайский государственный медицинский университет Министерства Здравоохранения Российской Федерации, г. Барнаул, Россия,
ВОЗРАСТАНИЕ РЕЗИСТЕНТНОСТИ К ОСТРОЙ ГИПОКСИИ ПРИ СОЧЕТАННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НОРМОБАРИЧЕСКОЙ ГИПОКСИИ И ПЕРМИССИВНОЙ ГИПЕРКАПНИИ
Гипоксия является эффективным средством повышения толерантности органов и тканей к острому дефициту кислорода. Многие исследования в этой области посвящены интервальному гипоксическому воздействию *2,6+. Описана сравнительная эффективность различной кратности сеансов интервальной гипоксии *4+. Недостатком такого воздействия является необходимость длительной экспозиции и большого количества сеансов, как правило, 1-15 часовое гипоксическое воздействие с кратностью сеансов не менее 7 раз *1,4+. Поэтому, актуальным является поиск и оптимизация альтернативных вариантов применения гипоксии для увеличения устойчивости организма к стрессовым факторам.
Мы предполагаем, что сочетание нормобарической гипоксии с пермиссивной гиперкапнией может быть более эффективным для повышения резистентности к острой гипоксии. Имеются данные, свидетельствующие о протекторном потенциале гиперкапнического воздействия. Доказано, что углекислый газ эффективен для нейропротекции при гипоксическом/ишемическом повреждении головного мозга *8+. В 2010 году был показан терапевтический эффект пермиссивной гиперкапнии при экспериментальном ишемически-реперфузионном повреждении головного мозга *9+. При этом, исследований, демонстрирующих эффективность гиперкапнии в качестве фактора увеличения резистентности к острой гипоксии, не проводилось.
Ранее мы обнаружили выраженный протекторный эффект гиперкапнической гипоксии при ишемии головного мозга. Однако, мы не встретили работ, посвященных изучению сравнительной эффективности изолированного и сочетанного воздействия гиперкапнии и гипоксии для увеличения резистентности организма к острой гипоксии. Ключевые слова: гипоксия, гиперкапния, толерантность к гипоксии.
Цель. Сравнение эффективности изолированного
« v и
сочетанного курсового воздействие гипоксии и гиперкапнии
дле повышение устойчивости организма к острой гипоксии, а
также изучение динамики формирование резистентности при
различной кратности сеансов.
Материал и методы исследования. Все используемые экспериментальные процедуры, были одобрены локальным комитетом по защите животных медицинского университета в городе Барнаул. Эксперименты проводились на 240 взрослых крысах самцах линии Wistar (240 - 320 г, приблизительно 8-9 месецев; Институт Цитологии и Генетики СО РАМН, Новосибирск, Россие). Животные в каждой серии были рандомизированы с использованием SPSS 11.5 (SPSS Inc, Чикаго, IL). Крысы находились в клетках при контролируемой комнатной температуре (~22 °C) и естественном освещении. У крыс был свободный доступ к еде и воде. До и после экспериментов животные взвешивались. Группы животных. Данное исследование вклячало 4 серии экспериментов с равным количеством групп и животных. В серии №1 крысы помещались в камеру дле респираторных воздействий однократно на 20 минут. В серии №2 крысы помещались в камеру дле респираторных воздействий три раза по 20 минут, с интервалом 24 часа. В серии №3 крысы помещались в камеру дле респираторных воздействий семь раз по 20 минут, с интервалом 24 часа. В серии №4 крысы помещались в камеру дле респираторных воздействий 15 раз по 20 минут, с интервалом 24 часа. За 14 суток до начала экспериментов у всех животных производилась оценка исходного уровне резистентности к острой гипоксии. Повторнае оценка резистентности производилась у крыс через 24 часа после последнего респираторного воздействие. В каждой серии было 4 группы животных по 15 крыс: НГ группа (нормобарическае гипоксие: PO2 ~ 90 мм.рт.ст.; PCO2 ~ 1 мм.рт.ст.): в этой группе крысы дышали газовой смесья в течение 20 минут, таким образом, чтобы PO 2 сохранелось в пределах 90 мм.рт.ст.
ПГ группа (пермиссивнае гиперкапние: PO2 ~ 150 мм.рт.ст.; PCO 2 ~ 50 мм.рт.ст.): в этой группе крысы так же дышали газовой смесья в течение 20 минут, но PO 2 сохранелось в пределах 150 мм.рт.ст., а PCO2 в пределах 50 мм.рт.ст. ГГ группа (гиперкапническае гипоксие: PO2 ~ 90 мм.рт.ст.; PCO2 ~ 50 мм.рт.ст.): в этой группе крысы так же дышали газовой смесья в течение 20 минут, но PO2 сохранелось в пределах 90 мм.рт.ст., а PCO2 в пределах 50 мм.рт.ст. К группа (контрольнае группа: PO2 ~ 150 мм.рт.ст.; PCO2 ~ 1 мм.рт.ст.): эти крысы подвергались всем экспериментальным процедурам, за исклячением респираторных воздействий. Респираторные воздействие. Дле проведение респираторных воздействий использовалась проточнае камера. Общий объем камеры составлел 60 л. Газовае смесь подавалась в камеру компрессором со скоростья 15 л/мин. Дле поддержание равномерного давление в камере, имелось выпускное отверстие, соединенное шлангом с емкостья, наполненной водой. Это предотвращало обратнуя диффузия газов в камеру. Экспериментальные группы крыс дышали газовой смесья, состав которой зависел от назначение группы. Контрольнае группа помещалась в камеру при аналогичных условиех, но вместо газовой смеси компрессором нагнеталсе атмосферный воздух. Контроль газового состава в камере производилсе газоанализатором Микон (Ласпек, Россие). Оценка резистентности к острой гипоксии. Резистентность определели по устойчивости к острой гипобарической гипоксии *7+. Острае гипобарическае гипоксие моделировалась в барокамере с объемом 7 л. Воздух из барокамеры откачивалсе вакуумным насосом в течение 1 минуты. Уровень атмосферного давление в ходе эксперимента контролировалсе альтиметром. Атмосферное давление в барокамере соответствовало высоте ~11500 м над уровнем море (~ 180 мм.рт.ст.). Дле восстановление исходного уровне атмосферного давление барокамера имела впускной клапан. После выклячение вакуумного насоса восстановление давление происходило в течение 1 минуты. После завершение
эксперимента все крысы выживали и восстанавливали активное поведение без признаков патологии. Эксперимент проводилсе при внешней температуре 20 - 22 °C и влажности 40-50%. После установление в барокамере давление 180 мм.рт.ст. регистрировались параметры: време потери позы (ВПП, сек) и време жизни (ВЖ, сек). Регистрацие проводилась треме экспериментаторами, двое из которых не знали о назначении группы. Време фиксировалось с помощья электронного секундомера. ВПП - период от момента установление атмосферного давление 180 мм.рт.ст. до момента принетие крысой бокового положение с переходом на патологические типы дыхание. Этот параметр характеризует устойчивость организма к экстремальным условием (состоение двигательной активности и дыхание). ВЖ - период от момента установление атмосферного давление 180 мм.рт.ст. до наступление агонии (патологический тип дыхание до 2 агонального вдоха). Этот параметр характеризует предельные возможности защитных функций организма (жизнеспособность организма в условиех острого дефицита кислорода).
Статистический анализ. Статистический анализ выполнелсе на программе SPSS 11.5. Гипотеза о нормальности распределение проверелась по критерия Шапиро-Уилкса. Часть данных не соответствовала закону нормального распределение, поэтому сравнение между группами производилось по непараметрическому критерия Манна-Уитни. Достоверными считались различие, дле которых уровень P был меньше 0,05. Данные представлены как медиана ± 25/75 перцентили. Результаты исследования. Масса тела и исходные параметры ВПП и ВЖ не отличались среди всех групп крыс (данные не представлены). В контрольных группах крыс всех серий исследование резистентность к острой гипоксии не увеличивалась.
В серии № 1 (однократное 20 минутное дыхание газовой смесья) в группах ГГ и ПГ, показатель ВПП был выше чем в контрольной группе на 26% (p<0.05) и 31% (p<0.01), ВЖ на 25% (p<0.05) и 28% (p<0.01), соответственно (Рис.1). В группе НГ показатели ВПП и ВЖ не отличались от контрольной группы. Следует отметить что, ВЖ в группе ПГ было значимо выше, чем в группе НГ (p<0.05). Таким образом, разовое воздействие пермиссивной гиперкапнии и гиперкапнической гипоксии увеличивает резистентность животных к острой гипоксии.
В серии № 2 (трехкратное 20 минутное дыхание газовой смесья с интервалом 24 часа) в группах ГГ и ПГ, показатель ВПП был выше чем в контрольной группе на 49% (p<0.05) и 42,5% (p<0.01), ВЖ на 51% (p<0.05) и 80% (p<0.01), соответственно (Рис.2). В группе НГ показатели ВПП и ВЖ не отличались от контрольной группы, однако были значимо ниже групп ПГ и ГГ (p<0.05). Таким образом, трехкратное 20-минутное респираторное воздействие пермиссивной гиперкапнии и гиперкапнической гипоксии увеличивает резистентность животных к острой гипоксии. В серии № 3 (семикратное 20 минутное дыхание газовой смесья с интервалом 24 часа) в группах ГГ, ПГ и НГ показатель ВПП был выше чем в контрольной группе на 104% (p<0.01), 96% (p<0.01) и 61% (p<0.01), ВЖ на 287% (p<0.01), 166% (p<0.01) и 103% (p<0.01), соответственно (Рис.3). Следует отметить, что группы ПГ и ГГ по показателем резистентности были значительно выше группы НГ и отличались на 21% (p<0.01) и 26% (p<0.01) дле ВПП и на 31% (p<0.05) и 91% (p<0.01) дле ВЖ, соответственно. Наибольшее увеличение резистентности достигнуто при воздействии гиперкапнической гипоксии, по сравнения с группой ПГ(р<0.05).
В серии № 4 у всех экспериментальных групп существенно увеличились ВПП и ВЖ (Рис.4). Самый низкий прирост ВПП и ВЖ, по отношения к контроля, был в группе НГ. Показатель ВПП в этой группе возрос почти на 30%, а ВЖ в 1,5 раза (р<0.01). В группе ПГ ВПП был выше контрольного почти в 2,5 раза, а ВЖ в 3,5 раза (р<0.01). Респираторное воздействие гиперкапнической гипоксии показало наибольшее увеличение резистентности среди экспериментальных групп. ВПП в этой группе было больше контрольного в 3,5 раза, а ВЖ больше чем в 5,5 раз (р<0.01). Все показатели экспериментальных групп значимо отличались между собой (р<0.01). Динамика формирование резистентности к острой гипоксии различалась среди экспериментальных групп. Показатель ВЖ более нагледно демонстрирует этот факт. Так, уже 1-кратное 20 минутное воздействие в группах ГГ и ПГ существенно увеличивало резистентность крыс к острой гипобарической гипоксии, по сравнения с контрольной группой (р<0.01). В группе НГ резистентность значимо увеличивалась лишь в период от 3 до 7 суток воздействие (р<0.01). Кроме того, в период от 7 до 15 суточного воздействие в группе НГ наблядалось снижение резистентности, чего не наблядалось в группах ГГ и ПГ. В группах ГГ и ПГ происходило выраженное увеличение резистентности по сравнения с группой НГ (р<0.01), а в группе ГГ по сравнения с группой ПГ (р<0.01). По данным литературы, используятсе различные варианты кратности гипоксического воздействие. Существует большое количество работ по исследования эффективности 1-кратного гипоксического прекондиционирование *5+. По данным этих исследований прекондиционируящий эффект после гипоксического воздействие развиваетсе при дыхании воздухом с РО2 ~ 57 - 71 мм.рт.ст., в течение 1-6 часов. Отсутствие подобного эффекта при 1-кратном воздействии нормобарической гипоксии в нашем исследовании можно объеснить малой длительностья экспозиции (20 мин) и более высокой концентрацией кислорода (РО2 ~ 90 мм.рт.ст.). Такие параметры гипоксического воздействие были выбраны нами в свези с их высокой эффективностья в сочетании с пермиссивной гиперкапнией (РСО2 ~ 50 мм.рт.ст.) дле профилактики экспериментального инсульта у крыс. В работе Lukyanova L.D et а1. *4+ дле повышение резистентности к острой гипоксии использовались 3-, 7-, 15- и 21-кратные воздействие нормобарической гипоксии. В нашем исследовании, результаты по 3-, 7- и 15-кратному гипоксическому воздействия, практически аналогичны данным по курсовому воздействия гипоксии, описанным Lukianova LD. et а1. [4]. Так же, как и в цитируемой работе резистентность максимально возрастала к 7 сеансу воздействие с дальнейшим ее снижением. Использование пермиссивной гиперкапнии и гиперкапнической гипоксии как средства увеличение резистентности к острой гипоксии не представлено в научной литературе. Исклячение составлеет одно наше раннее исследование, показавшее увеличение коллатерального резерва мозгового кровообращение под влиением курса гиперкапнически-гипоксических воздействий *3+. Однако, доказано, что углекислый газ оказывает протекторное действие на головной мозг при гипоксическом/ишемическом повреждении *8+.
В нашем исследовании наиболее ранний эффект увеличение резистентности к острой гипоксии достигалось уже при 1-кратном воздействии пермиссивной гиперкапнией. При этом, резистентность возрастала пропорционально увеличения кратности воздействие. Наиболее выраженное увеличение
наблядалось к 7 и 15 сеансу, значительно превышав эффективность нормобарической гипоксии. Использование 1 и 3 кратного воздействие гиперкапнической гипоксии дле увеличение резистентности показало сходнуя динамику с пермиссивной гиперкапнией. Но к 7 сеансу воздействие гиперкапнической гипоксии резистентность значительно превысила показатели в других экспериментальных группах. Этот феномен может свидетельствовать о потенцировании гиперкапнией протекторных эффектов гипоксии. При этом, доминируящим фактором евлеетсе гиперкапние, так как ее эффективность при лябой кратности воздействие, была выше эффективности нормобарической гипоксии.
Заключение. Гиперкапническае гипоксие наиболее эффективно повышает толерантность к острой гипобарической
гипоксии, по сравнения с нормобарической гипоксией и пермиссивной гиперкапнией.
Положительный эффект после гиперкапнического и гиперкапнически-гипоксического воздействие возникает уже после 1-кратного использование. Увеличение кратности этих воздействий сопровождаетсе пропорциональным
возрастанием резистентности.
Эффективность пермиссивной гиперкапнии дле повышение резистентности к острой гипобарической гипоксии, при лябой кратности воздействие, значительно выше эффективности нормобарической гипоксии. Поэтому, можно предположить, что гиперкапние евлеетсе доминируящим фактором в формировании резистентности при сочетанном воздействии с гипоксией.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Chen W.J., Chen H.W., Yu S.L., Huang C.H., et al. / Gene expression profiles in hypoxic preconditioning using cDNA microarray analysis: altered expression of an angiogenic factor, carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule 1 // Shock. - 2005. -№24 (2). -Р. 124-131.
2 Goryacheva A.V., Kruglov S.V., Pshennikova M.G. et al. / Adaptation to intermittent hypoxia restricts nitric oxide overproduction and prevents beta-amyloid toxicity in rat brain. // Nitric Oxide. - 2010. -№23(4). -Р. 289-299.
3 Kulikov V. P., Bespalov A. G., Yakushev N. N. / The State of Cerebral Hemodynamics in Conditions of Prolonged Adaptation to Hypercapnic Hypoxia // Neuroscience and Behavioral Physiology. - 2009. - № 39 (3). - P.269-273.
4 Lukyanova L.D., Germanova E.L., Kopaladze R.A. / Development of resistance of an organism under various conditions of hypoxic preconditioning: role of the hypoxic period and reoxygenation. // Bull Exp Biol Med. - 2009. - №147(4). - Р. 400-404.
5 Miller B.A., Perez R.S., Shah A.R. et al. / Cerebral protection by hypoxic preconditioning in a murine model of focal ischemia-reperfusion. // Neuroreport. - 2001 -Vol.12. -№8. - P. 1663-1669.
6 Neckar J., Papousek Е., Novakova О., et al. / Cardioprotective effects of chronic hypoxia and ischemic preconditioning are not additive. // Basic Res. Cardiol. - 2002. -№ 97 (2). - Р. 161-167.
7 Shrivastava K, Ram MS, Bansal A, Singh SS, Ilavazhagan G. / Cobalt supplementation promotes hypoxic tolerance and facilitates acclimatization to hypobaric hypoxia in rat brain // High Alt Med Biol. - 2008. -№ 9(1). -Р. 63-75.
8 Vannucci R.C., Towfighi J., Heitjan D.F., Brucklacher R.M. / Carbon dioxide protects the perinatal brain from hypoxic-ischemic damage: an experimental study in the immature rat. // Pediatrics. - 1995. -№95(6). - Р. 868-874.
9 Zhou Q., Cao B., Niu L. et al. / Effects of permissive hypercapnia on transient global cerebral ischemia-reperfusion injury in rats. // Anesthesiology. - 2010. - № 112. - Р. 288 -297.
Resume: The comparative effectiveness of isolated and joint effects of normobaric hypoxia (90 mmHg) and permissive hypercapnia (50 mmHg) to the increasing of rat tolerance to acute hypobaric hypoxia (180 mmHg) was studied. The hypercapnic hypoxia was reported to increase the tolerance to acute hypobaric hypoxia most efficiently in comparison with normobaric hypoxia and permissive hypercapnia. The positive effect after hypercapnic and hypercapnic hypoxic exposure occurs even after a single use. Meanwhile, the increasing of exposure numbers is accompanied by proportional tolerance rising. The effectiveness of permissive hypercapnia to the increasing of tolerance to acute hypobaric hypoxia at any number of exposures is significantly higher than that of normobaric hypoxia. Therefore, we suppose that hypercapnia is the dominant factor in forming the tolerance in case of joint effect with hypoxia. Keywords: hypoxia, giperkapniya, tolerance to a hypoxia.
20
0 -1-1-1-1-.
К НГ ПГ ГГ
Г и (Л. Гезнстентиость к острой гип о барической гипоксии у крыс после "-кратных респираторных воздействий. Данные представлены как медиана ± 25/75 перценгили *р<0.01 различия с группой К. #р<0.0? различия с группой НГ —р- 0 01 различия с группой НГ &р<0.05 различия с группой ПГ Bill I = время потери позы ВЖ = время жизни К = контрольная группа НГ = нормоблрпческая гипоксия. ПГ = пермисснвная гнперканния. ГГ = гиперкапннческая гипоксия
