CC BY
4
DOI 10.31718/2077-1096.20.2.114 УДК 612.135:612.176.4:613.73 Войтенко В. Л., Гунна Л. М.
ЗМ1НИ УЛЬТРАСТРУКТУРИ ТКАНИН ЛИТКОВОГО М'ЯЗУ ТА М1ОКАРДА П1Д ВПЛИВОМ Ф1ЗИЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ В ЕКСПЕРИМЕНТ1
Сумський державний педагопчний унiверситет iменi А. С. Макаренка Нацюнальний унiверситет фiзичного виховання i спорту УкраТни, м. КиТв
Тривалi ф1'зичн1' навантаження викликають перебудови рiзних функ^й та систем органзму, що но-сять, як правило, пристосувальний характер / в(дбуваються на всх рiвнях структурноУ оргашзацИ органзму. Питання про змни функцонального стану серцево-судинно'У системи ¡, особливо, мiкро-циркуля^йно'У ланки кровообгу в нормi / за ф/'зичних навантажень та )х зв'язок з ультраструктур-ними перебудовами в тканинах, клтинах / клтинних органелах залишаеться недостатньо з'ясованим. Метою досл'дження була оценка структурних перебудов у тканинах литкового м'язу та мокарду, як приводять до формування адапта^йних механ1'зм1в у вдповдь на тривале фiзичне навантаження. В експеримент!' з використанням електронно-мiкроскопiчного анал'зу структурних компонент'¡в тканин було досл'джено зразки литкового м'язу та верх'тки серця статевозрлих щу-рiв-самцiв лш Встар масою 220-250 г при тривалому фiзичному навантаженн¡. Показано, що тривале та нтенсивне фiзичне навантаження викликае в органiзмi розвиток низки компенсаторно-пристосувальних реакций, спрямованих на оптимiзацiю процесв мiкроциркуляцiУ, полiпшення кисне-постачання скелетних м'язв та мокарду, а також пiдтримання адекватного р'тня метабол'чних процесв. Детальна оценка функцонального стану вказаних тканин необх'дна для раннього вияв-лення ознак дезадаптацИ при постшних навантаженнях у спортi та запобгання формування па-толог'чних станв.
Ключов1 слова: ф1зичн1 навантаження, ультраструктура, пперпдратац1я тканин, функцюнальы каптяри, ендотел1альна дисфункц1я.
Роботу виконано в рамках НДР «Адаптацшн реакцп органiзму на дю ендогенних i екзогенних факторiв середовища» (№ де-ржреестрацп 011би008030).
Вступ
Пщ впливом занять спортом в органiзмi вщ-буваються морфолопчш змши, як забезпечують пристосування оргашзму спортсмена до високих тренувальних i змагальних навантажень [2]. Тривалi фiзичнi навантаження (ФН) викликають перебудови рiзних функцш оргашзму, особливо-ст i ступшь яких залежать вщ штенсивносп, характеру руховоТ дiяльностi та тренованостк В основi розвитку тренованосп, у свою чергу, ле-жить процес адаптаци оргашзму до фiзичних навантажень.
Численш дослщження показали велик адап-тивш можливосп скелетних м^в. При помiрних навантаженнях м'язи збтьшуються в об'ем^ в них покращуеться кровопостачання, вщкрива-ються резервш каптяри. Пперфунк^я м'язовоТ системи е важливим компонентом бiльшостi пристосувальних реакцш здорового органiзму i проявляеться у людини при вах видах фiзичноТ роботи. Змiни в процесi систематично' м'язовоТ роботи носять, як правило, пристосувальний характер i вiдбуваються на всiх рiвнях структурно'' оргашзацп органiзму [14].
Фiзичне навантаження прямо впливае на змн ни структури як м'язовоГ тканини, так i шших тканин органiзму та Тхнш функцiональний стан [15]. Мiокардiальна тканина, подiбно тканинi скелетних м^в, пiд впливом систематичного виконан-ня фiзичних вправ збiльшуеться в об'ем^ що пщ-вищуе функцюнальш можливостi серця. Проте за умови систематичного виконання оргашзмом тривалих навантажень велико' штенсивносп
може сформуватися вже не робоча, а патолопч-на гiпертрофiя мiокарду, яка знижуе функцюнальш можливосп цього органу та попршуе зага-льний стан оргашзму.
Питання про змши в серцево-судиннш систе-мi та, особливо, мiкроциркуляцiйнiй ланцi в нор-мi i при фiзичних навантаженнях та Т'х зв'язок з ультраструктурними перебудовами в тканинах, кл^инах i клiтинних органелах до цього часу залишаеться недостатньо з'ясованим [16]. Ви-вчення морфофункцюнальних перебудов в кпн тинах мiокарда е актуальним, оскiльки дае змогу оцшити роль спiввiдношення механiзмiв активно' та пасивноТ модуляци тканинного кровотоку у формуванш нашого розумшня процесiв адаптаци до тривалих фiзичних навантажень.
Мета роботи
Оцшити структурш перебудови в тканинах литкового м'язу та мюкарда, якi приводять до формування адаптацшних механiзмiв у вщповщь на тривале фiзичне навантаження.
Матерiали i методи дослiдження
Експериментальш дослiдження змiн, котрi вiдбуваються при тривалому фiзичному наван-таженнi (ФН) у тканиш серця та тканиш литкового м'язу, було проведено на базi вiддiлу вивчен-ня ппоксичних станiв 1нституту фiзiологiТ iм. О.О. Богомольця НАН УкраТни у 20 статевозртих щу-рiв-самцiв лшп Вiстар масою 220-250 г, яких утримували на стандартному рацюш вiварiю. ФН моделювали шляхом плавання тварин у п^грь тiй до 30-320С водi; висота водяного стовпа ста-
АктуальН проблеми сучасно! медицины
новила 80 см, що не дозволяло тваринам стояти на задшх лапах. Тритижневе щоденне плавання щурiв протягом 30 хв у дослiднiй групi тварин проводили з додатковим навантаженням, яке пщбирали шдивщуально задля того, щоб швид-кiсть споживання кисню досягала 70-75 % вщ VO2max i характеризувала значення VO2, пiсля досягнення якоТ зростання iнтенсивностi ФН не було пов'язано з ТТ подальшим збiльшенням (±5 %) [17]. Контрольна група тварин складалася з 10 штактних щурiв, тобто за кшьмстю тварин контрольна та дослiдна групи були репрезента-тивнi.
По закшченш експерименту тварин декашту-вали шд слабким ефiрним наркозом, що, зпдно бiоетичних вимог вiдповiдаe Положенням "бвро-пейськоТ конвенцiТ про захист хребетних тварин, що використовуються для експериментальних та iнших цiлей" [18], та принципам ГельсшськоТ Де-кларацiТ [3].
У морфологiчних i морфометричних дослн дженнях використовували зразки литкового м'язу та верхiвки серця експериментальних тварин. Препарати для електронно^кроскошчних дослщжень виготовляли за загальноприйнятою методикою, котра включала фксацш бюлопчно-го матерiалу при миттевому - пюля отримання -внесеннi зразкiв у забуферений 2,5% розчин глютарового альдегщу. Дофiксацiю проводили за допомогою реактиву Колфтда (на основi 2 % OsO4, рН - 7,4), зневоднення здшснювали у спиртах зростаючоТ концентраций абсолютному спиртi та ацетонi з наступною заливкою в епон-аралд^ [5]. Ультратонкi зрiзи товщиною 40-60 нм контрастували за допомогою 1% розчину ураш-лацетату i розчину цитрату свинцю i перегляда-
ли в електронному MiKpocKoni ПЕМ-124с (УкраТ-на).
Оцiнку значення середньоТ арифметичноТ (М) товщини гicтoгематичних баp'epiв (ГГБ) у литко-вому м'язi та мioкаpдi (т) та Тх окремих шаpiв проводили за принципом випадкового вщбору зpазкiв (по 80 при кожному вплив^. Загальну кн лькють функцioнуючих капiляpiв (ФК) визначали зпдно до методики, запропонованш H. Hoppeler та cпiвавт. [4, 10], на екран електронного мiкpo-скопа при малому збтьшенш.
Статистичну обробку отриманих даних здшснювали за допомогою програми «Microsoft Excel» та «OriginPro» [8] з обчисленням середшх значень (М), помилки середнього (m). Пвень статистичноТ ймoвipнocтi мiжгpупoвих вщмшнос-тей оцшювали за t-кpитеpieм Стьюдента. Ре-зультати представляли як середне значення ± похибка середнього (M±m), осктьки вiдпoвiднo до кpитеpiю Шапipo-Уiлка вони вщповщали нормальному закону розподту. Дocтoвipнicть мiж-групових poзбiжнocтей оцшювали за t-кpитеpiем Стьюдента. Результати вважали статистично значимими при Р<0,05.
Результати до^дження та 1х обговорення
При моделюванн фiзичнoгo навантаження в ультpаcтpуктуpi тканини литкового м'яза щуpiв було виявлено збтьшення ступеня гшергщрата-цп тканини, яке виражалося у набряку пстогема-тичного бар'еру з суттевим збтьшенням його середньоТ гаpмoнiчнoТ товщини (зростання на 65,5%) за рахунок зростання перикаптярного простору (ПКП) на 50,0% та дещо бтьшою мн рою - ендoтелiальнoТ уcтiлки (ЕН) капiляpiв на 57,0% (Рис. 1).
Рис. 1. ЗмНи середньоf арифметичноГ товщини гстогематичного бар'еру в тканинiлиткового м'яза пiд впливом фiзичного навантаження.
Примтки: ГГБ - гютогематичний бар'ер, ПКП - перикаплярний прост':р,
ЕН - ендотелiальна устлка капiлярiв. * - р<0,05 вiдносно контрольних значень.
В ЕН спостер^али активацш пшоцитозу з утворенням значноТ ктькосп пшоцитозних везикул, що свщчить про посилення обмшних i транспортних процеав в кл^инк Цей процес вщ-
носять до компенсаторноТ i, навiть, адаптивноТ pеакцiТ на неcпpиятливi або напpужуючi ендо- чи екзогенн фактори [11, 12]. Слщ зазначити, що обидва вказанi мехаызми окремо е адаптивни-
ми, однак у сполученш призводять до суттевого збтьшення дифузшного шляху для кисню при ФН, що супроводжуеться попршенням його доставки до тканин оргашзму ^ вщповщно, до фо-рмування проявiв вторинноТ тканинноТ гiпоксiТ [9]. Поряд з вказаними змшами ультраструктури, мозаТчно спостерiгали утворення вакуолей у м'язових волокнах, появу дтянок краевого на-бряку кл^ин бiля сарколеми, що вказуе на наяв-нiсть в м'язах проявiв вторинноТ тканинноТ ппо-
Kciï, а також формування ультраструктурного компоненту сарколемальноТ дисфункци', котра свiдчить про порушення мiжклiтинного обмiну речовин i рщини [6].
До адаптивних перебудов у тканиш скелетного м'язу слщ вiднести й змiни його каптяризацп. Пiсля тримiсячного фiзичного навантаження се-редня кiлькiсть капiлярiв на одиницю площi м'язу зростала бiльше, шж на 57% (Табл. 1).
Таблиця 1
Змни каптяризацп тканин литкового м'язу та MioKapda при фiзичному HaeaHma^;eHHi (M±m)
Групи тварин Кiлькiсть функцiонуючих кашля|^в у тканинi, од./мкм2
Литковий м'яз
Контрольна група (n=10) 15,6±1,9
1-а дослщна група (n=10) 24,5±2,7*
Мюкард
Контрольна група (n=10) 20,6±1,5
1-а дослщна група (n=10) 34,5±2,7*
Примтки: * - р<0,05 eidHOCHO даних контрольноï групи, ** - р<0,01 eidHOCHO даних контрольноï групи
Рис. 2. Змни середньоТ арифметичноГ товщини гстогематичного бар'еру в мiокардi nid впливом фiзичного навантаження. Примiтки: ГГБ - гстогематичний бар'ер, ПКП - перикаплярний простiр,
ЕН - ендотелiальна устлка капiлярiв. * - р<0,05 вiдносно контрольних значень.
Практично не спостер^алося порожшх, а також спалих капiлярiв. Суттеве зростання ктькос-т функцюнуючих капiлярiв, на нашу думку, мож-на розглядати як ознаку первинного ангюгенезу, котрий е компенсаторною вщповщдю на ФН [1].
Значна ктькють змш ультраструктури мюка-рда пюля тривалого ФН подiбна до перебудов, виявлених у тканиш литкового м'язу, i в^зня-еться вщ них переважно ступенем вираженостк Так, ппергщрата^я ГГБ у мiокардi була меншою, шж у вщповщному бар'ерi м'язовоТ тканини (Рис. 2).
Зростання значення середньоТ гармошчноТ товщини ендотелiальноï устiлки капiлярiв було вщносно незначним i становило усього 23,3% (для порiвняння - 67,7% у ГГБ литковому м'яз^. Тобто, по-перше, менш вираженою була ультра-структурна складова ендотелiальноï дисфункцiï,
по-друге, шлях дифузп для О2 зростав також значно меншою мiрою, оскiльки загальна тов-щина ГГБ, через який саме вщбуваеться дифузiя з кровi до кисневоспоживаючих органел, в мю-кардi визначалася на 25,2% меншою, шж у м'я-зовiй тканиш.
Щодо капiляризацiï тканини серця, то спосте-рiгалося значне зростання ктькосп капiлярiв на одиницi площi (див. табл. 1). Збтьшення ктько-CTi функцiонуючих капiлярiв досягало 67,5% вщносно контрольно!' ктькосп, що перевищувало величини, визначеш у м'язовiй тканиш. Таю змн ни призводять до суттевого зростання штенсив-ностi кровооб^у по мiкроциркуляцiйному руслу та полтшення енергозабезпечення скоротливоТ дiяльностi кардiомiоцитiв за рахунок покращення киснепостачання тканини, що е надважливим для забезпечення працездатност оргашзму при
АктуальН проблеми сучасно!' медицины
ФН, в першу чергу, з аеробним мехашзмом ене-ргозабезпечення. Збiльшення обсягу каптярно-го Kp0B006iry свiдчить також про зростання кть-KOCTi циркулюючих еритроципв в капiлярах мю-карда, прирют киснево'1 eмностi кровi i, вщповщ-но, зменшення тканинно'1 гшоксп у серцевому м^ [13].
Оскiльки екстрак^я кисню з кровi, що притн кае до мiокарда, е дуже ефективною - якщо в середньому в органiзмi поглинаеться з кровi до 30% кисню, то мюкардом його екстрагуеться до 70-75% нав^ь в умовах вiдносного спокою. Будь-яке збтьшення функцiонального навантаження, що пщвищуе потреби мiокарда в кисш, вимагае вiдповiдного збiльшення об'ему та/або швидкост коронарного кровообiгу [7]. Надзви-чайно важливим е збереження вщповщносп рiв-ня коронарного кровотоку вимогам киснево'1 потреби мiокарда. При зменшенн постачання серця кров'ю швидко порушуеться аеробний енер-гетичний метаболiзм в мiокардi i негайно попр-шуеться скоротлива функцiя серцевого м'яза, що в подальшому значною мiрою впливае на мь тохондрiальний апарат кардiомiоцитiв.
Висновки
1. Збтьшення пперпдратаци тканин скелетного та серцевого м^в з активацiею пшоцитозу, що супроводжуеться посиленням обмiнних i транспортних процеав у клiтинi, свщчить про розвиток компенсаторно!' i, нав^ь, адаптивно!' реакцп на несприятливi або напружуючi ендо- чи екзогеннi фактори.
2. Тривалi фiзичнi навантаження супрово-джуються зростанням кiлькостi функцiонуючих капiлярiв, що можна розглядати як ознаку при-скорення первинного ангiогенезу, який е компенсаторною вщповщдю на фiзичнi навантаження.
Автори пiдтверджують вщсутнють конфлiкту iнтересiв.
Лiтература
1. Breen E, Tang K, Olfert M, Knapp A, Wagner P. Skeletal muscle capillarity during hypoxia: VEGF and its activation. High Alt Med Biol. Summer 2008;9(2):158-66. doi: 10.1089/ham.2008.1010.
2. Douglas J, Pearson S, Ross A, McGuigan M. Chronic Adaptations to Eccentric Training: A Systematic Review. Sports Med. 2017 May;47(5):917-941. doi: 10.1007/s40279-016-0628-4.
3. Gelsinska deklaratsiya Vsesvitnoyi medychnoyi asotsiatsiyi «Etychni pryntsypy medychnykh doslidzhen za uchastyu lyudyny u yakosti ob'yekta doslidzhennya» vid 01.06.1964 [Helsinki declaration of the world medical association "Ethical principles of medical research with human participation as an object of study" from 01.06.1964]. Available from: http://zakon4.rada.gov.ua/laws/show/990_005
4. Hoppler H, Vogt M. Muscle tissue adaptation to hypoxia. J. Experim. Biol. 2001 Sep;204(18):3133-9.
5. Karupu VYa. Elektronnaya mykroskopyya [Electron microscopy]. K.: Vyshcha shkola. 1984;208p. (Ukrainian).
6. Lee JHF, Boland-Freitas RK. Physiological differences in sarcolemmal excitability between human muscles. Muscle Nerve. 2019 0ct;60(4):433-6. doi: 10.1002/mus.26645.
7. Lipson KL, Fonseca SG, Urano F. Endoplasmic reticulum stress-induced apoptosis and auto-immunity in diabetes. Current Molecular Medicine. 2006 Feb;6(1):71-7. doi: 10.2174/156652406775574613.
8. Osypov VP, Lukyanova EM, Antypkyn YuG, Chernyshov VP, Vykhovanets EV. Metodyka statystycheskoy obrabotky medytsynskoy ynformatsyy v nauchnykh yssledovanyyakh [Methods of statistical processing of medical information in scientific research]. K.: Planeta lyudey; 2002. 200 p. (Ukrainian).
9. Mankovska IM, Gavenauskas BL, Nosar VI, Nazarenko AI, Rozova KV, Bratus LV. Mezanizmy adaptatsiyi m'yazovoyi tkanyny do gipoksiyi navantazhennya za umov diyi intervalnoyi gipoksychnoyi gipoksiyi [Mechanisms of adaptation of muscle tissue to load hypoxia under conditions of interval hypoxic hypoxia]. Sportyvna medytsyna. 2005;1:3-11. (Ukrainian).
10. Mathieu-Costello O. Muscle adaptation to altitude: tissue capillarity and capacity for aerobic metabolism. High Alt Med Biol. 200l;2(3):413-25. doi: 10.1089/15270290152608598.
11. Palm W, Thompson CB. Nutrient acquisition strategies of mammalian cells. Nature. 2017 Jun;546(2): 234-42. doi: 10.1038/nature22379.
12. Palm W. Metabolic functions of macropinocytosis. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2019 Feb;374(1765):20180285. doi.org/10.1098/rstb.2018.0285.
13. Perrey S, Ferrari M. Muscle Oximetry in Sports Science: A Systematic Review. Sports Medicine. 2018 Mar;48(3):597-616. doi: 10.1007/s40279-017-0820-1.
14. Pidluzhna SA. Strukturna perebudova m'yazovoyi systemy pid vplyvom fizychnykh navantazhen [Structural restructuring of the muscular system under the influence of physical loads]. Metodychnyy posibnyk. Poltava; 2003. 18 p. (Ukrainian).
15. Rozova KV, Bolgova TV, Timoshenko KR, Vinnychuk YuD, Gunia LM, Bezugla VV. Restructuring of tissues of skeletal muscles, lungs and hearts of rats under conditions of load hypoxia in experiment. Physiol J. 2016;62(6):72-80. (Ukrainian).
16. Rozova KV, Tymoshenko KR, V'yunytskyy VP, Byelikova MV, Sydoryak NG. Osoblyvosti strukturnykh zmin u tkanyni lytkovogo m'yaza ta miokardi i pokaznykiv mikrotsyrkulyatsiyi krovi pry dozovanomu fizychnomu navantazhenni u tvaryn z riznym stupenem trenovanosti [Features of structural changes in the tissue of the calf muscle and myocardium and blood microcirculation during dosed exercise in animals with varying degrees of training]. Fiziol. zhurn. 2019;65(4):20-30. (Ukrainian).
17. Vilmor DzhX, Kostill DL. Fiziologiya sportu [Physiology of sport]. K.: Olimpiyska literature; 2003. 655 p. (Russian).
18. Yevropeyska konventsiya pro zakhyst khrebetnykh tvaryn, shcho vykorystovuyutsya dlya doslidnykh ta inshykh naukovykh tsiley vid 18.03.1986 [European convention for the protection of vertebrate animals used for research and other scientific purposes 18.03.1986]. Available from: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/994_137
Реферат
ИЗМЕНЕНИЯ УЛЬТРАСТРУКТУРЫ ТКАНЕЙ ИКРОНОЖНЫХ МЫШЦ И МИОКАРДА ПОД ВЛИЯНИЕМ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ Войтенко В. Л, Гунина Л. М.
Ключевые слова: физические нагрузки, ультраструктура, гипергидратация тканей, функциональные капилляры, эндотелиальная дисфункция.
Длительные физические нагрузки вызывают перестройки различных функций и систем организма, носящих, как правило, приспособительный характер и происходят на всех уровнях структурной организации организма. Вопрос об изменениях функционального состояния сердечно-сосудистой системы и, особенно, микроциркуляторного звена кровообращения в норме и при физических нагрузках и их связь с ультраструктурными перестройками в тканях, клетках и клеточных органеллах остается недостаточно выясненным. Целью исследования было оценка структурных перестроек в тканях икроножной мышцы и миокарда, которые приводят к формированию адаптационных механизмов в ответ на длительную физическую нагрузку. В эксперименте с использованием электронно-микроскопического анализа структурных компонентов тканей были исследованы образцы икроножной мышцы и верхушки сердца половозрелых крыс-самцов линии Вистар массой 220-250 г при длительной физической на-
грузке. Показано, что длительная и интенсивная физическая нагрузка вызывает в организме развитие ряда компенсаторно-приспособительных реакций, направленных на оптимизацию процессов микроциркуляции, улучшение снабжения кислородом скелетных мышц и миокарда, а также поддержание адекватного уровня метаболических процессов. Подробная оценка функционального состояния указанных тканей необходима для раннего выявления признаков дезадаптации при постоянных нагрузках в спорте и предотвращения формирования патологических состояний.
Summary
CHANGES IN ULTRASTRUCTURE OF CALF MUSCLE AND MYOCARDIUM UNDER PHYSICAL LODADING IN EXPERIMENT Voitenko V. L., Gunina L.M.
Key words: physical exertion, ultrastructure, tissue hyperhydration, functional capillaries, endothelial dysfunction.
Long-term physical activity causes restructuring in the various functions and systems of the body, which are, as a rule, adaptive in nature and occur at all levels of the structural organization of the body. The question of changes in the functional state of the cardiovascular system and, especially, the microcirculatory section of the circulatory system in normal and under the physical exertion and their relationship with ultrastructural remodelling in tissues, cells and cellular organelles is still remaining unclear. The aim of the study was to assess structural changes in the tissues of the calf muscle and myocardium that cause the development of adaptive mechanisms in response to prolonged physical exertion. We studied the structural components of tissue samples of calf muscle and the apex of the heart taken from mature Wistar male rats weighing 220-250 g in mass exposed to prolonged physical exertion by using electron microscopy. It has been shown that a long and intense physical loading causes the development of a number of compensatory-adaptive reactions directed at improving microcirculation processes, oxygen supply of skeletal muscles and myocardium, as well as maintaining an adequate level of metabolic processes. A detailed assessment of the functional state of the tissues studied is necessary for the early detection of signs of maladjustment under the constant loading in sports and the prevention of pathological states.
