НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗІОЛОГІЇ ІМ. О.О. БОГОМОЛЬЦЯ

ЛІТОВКА ІРИНА ГЕОРГІЇВНА

УДК:612.769+612.014.41

Адаптивна перебудова кісткової тканини при дефіциті навантаження та
механізми її відновлення під впливом дозованої гіпоксичної стимуляції

03.00.13 – фізіологія людини і тварин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора біологічних наук

Київ-2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі клінічної патофізіології Інституту

фізіології ім.О.О.Богомольця НАН України

Науковий консультант: Доктор медичних наук, професор

Березовський Вадим Якимович

зав.відділом клінічної
патофізіології

Інституту фізіології

ім.О.О.Богомольця НАН України

Офіційні опоненти: Доктор біологічних наук

Костюков Олександр Іванович

зав.відділом фізіології рухів

Інституту фізіології

ім.О.О.Богомольця НАН України

Доктор медичних наук, професор

Бруско Антон Тимофійович

зав.відділом патоморфології з

експериментально-біологічним

відділенням (віварієм)
Інституту

травматології та ортопедії АМН
України

Доктор біологічних наук,
професор

Макарчук Микола Юхимович

зав.кафедрою фізіології людини
і тварин

Київського Національного
Університету

імені Тараса Шевченка

Провідна установа: Інститут геронтології АМН України

Захист дисертації відбудеться “14” листопада 2006 року о “14” годині на
засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.198.01 при Інституті
фізіології ім.О.О.Богомольця НАН України за адресою: 01024, Київ, вул.
акад.Богомольця,4.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізіології
ім.О.О.Богомольця НАН України за адресою: 01024, Київ, вул.
акад.Богомольця,4.

Автореферат розіслано “5” жовтня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор біологічних наук
Сорокіна-Маріна З.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Адаптація організму до умов існування – одна з
фундаментальних рис живих організмів, що відрізняє їх від об’єктів
неживої природи (Меерсон Ф.З., 1981, 1993; Hochachka e.a., 1999).
Будь-які зміни середовища існування викликають перебудову фізіологічних
процесів, що зберігає життєздатність організмів навіть в екстремальних
умовах.

Широко відомі і добре вивчені структуроутворюючі властивості адаптації.
Так, перехід частини хрящових риб з насиченої солями морської води до
прісної води річок стимулював розвиток кісткового скелету. Вихід живих
істот з моря на сушу ініціював розвиток легеневого дихання і кінцівок
опорного типу. Навіть відносно короткочасний відпочинок людини в горах
викликає адаптивну перебудову діяльності кісткового мозку – підвищення
кількості еритроцитів та концентрації гемоглобіну в крові (Сиротинін
М.М., 1958). В усіх цих випадках адаптація виконує нову
структуроутворюючу та активно функціонуючу субстанцію. Такий тип
пристосування в літературі прийнято позначати терміном “продуктивна
адаптація”.

Менш відомі редуктивні можливості адаптації. Вони викликають ефекти,
спрямовані на спрощення або навіть усунення існуючих утворень та їх
фізіологічних функцій. Так, позбавлені світла троглобіонти (печерні
форми життя) втрачають органи зору. Позбавлені змоги літати острівні
птахи зони сильних мусонів втрачають пір’я на крилах. Вторинно морські
ссавці, що повернулися від наземного способу життя до океану – втрачають
опорні кінцівки. Певні види риб в полярних водах повністю втрачають
гемоглобін крові. Це відбувається тому, що при низьких температурах
істотно збільшується розчинність кисню в плазмі крові. Киснева ємність
плазми стає достатньою для забезпечення тканин киснем при повній
відсутності гемоглобіну та червонокрівців. Такі реакції пристосування в
літературі позначають терміном “редуктивна адаптація”. Цей варіант
адаптації чітко визначено у класичному постулаті видатного біолога
минулого – Ернеста Геккеля (Геккель Э., 1909). Він наголошував, що
орган, який не використовується – поступово редукується. Перетворення
життєво важливого для птахів літального грудного червоного м’язу на
білий м’яз наземного птаха – домашньої курки – один з прикладів
редукційних тенденцій адаптації.

Науково-технічна революція останніх століть надала людству можливість
широкого використання енергії органічних сполук та корисних копалин.
Потреба у тяжкій м’язовій праці задля харчування майже зникла. За даними
академіка Берга, протягом останніх ста років доля м’язових зусиль людини
на виробництві скоротилася з 94% до 1%, тобто зменшилася майже у 100
разів (Оганов В.С., 1998). У результаті виникла ситуація, що може
вплинути на майбутнє. Адаптація серцево-судинної та опорно-рухової
системи до нового “цивілізованого” способу життя принесла з собою певні
проблеми. Вони пов’язані з негативними змінами загального стану здоров’я
мешканців промислово-розвинутих країн. Проте, якщо фізіологія
серцево-судинної системи, або фізіологія системи крові завжди були в
центрі уваги дослідників, то кістковою тканиною (КТ) займалися переважно
ортопеди та травматологи, яких цікавила не стільки фізіологія кістки,
скільки позитивний результат нормалізації стану опорно-рухової системи
після травми.

“Кісткова тканина – “terra incognita” для більшості спеціалістів, як
науковців, так і лікарів, що працюють в різних галузях медицини, — писав
видатний фізіолог В.Фролькіс. — Кісткова тканина виявилася
функціонально активною сполучною тканиною, зміни в якій поступово
виникають навіть у здорової людини” (Фролькис В.В., 1998). Активне
довголіття людини неможливе без збереження нормального стану
фізіологічної системи сполучної тканини (Богомолець О.О., 1969).

Численними дослідженнями показано, що недостатнє функціональне
навантаження ініціює процес редуктивної адаптації кісток кінцівок та
хребта (Григорьев А.И. и др., 1994; Оганов В.С., 2003, Моруков Б.В. и
др., 2005), а першим проявом такої адаптації, є зменшення кількості
структуроутворюючих одиниць кісткової тканини — остеонів та розвиток
стану остеопенії (Риггз Б.Л. и др., 2000; Дурнова Г.Н. и др., 2005).
Вікові зміни стану КТ також починаються з розвитку остеопенії.

Яскравим прикладом адаптаційної етиології остеопенії стали наслідки
освоєння людиною космічного простору. Встановлено, що зменшення впливу
сили гравітації на організм космонавта під час перебування на орбіті,
особливо в умовах тривалого польоту, викликає відчутні зміни стану
багатьох структур організму, в тому числі ЦНС, ВНС, серцево-судинної та
опорно-рухової системи. Відсутність навантаження на кістяк ініціює
адаптивну редукцію м’язів та кісток, втрату організмом кальцію,
порушення біомеханічних властивостей, біохімічних показників метаболізму
кісткової тканини, низку супутніх явищ (Газенко О.Г. и др., 1987).

Комплекс цих змін стану КТ дещо подібний до початкових стадій проявів
остеопорозу. В останні десятиріччя ця форма клінічної патології набула
надзвичайного поширення серед населення багатьох цивілізованих
суспільств. За даними медичної статистики, станом на 2004 рік вона
становить близько 10% у структурі загальної захворюваності. Не зважаючи
на значні успіхи у створенні лікарських засобів, остеопороз залишається
основною причиною більшої частини переломів кісток, тимчасової або
постійної втрати працездатності та інвалідизації населення. Якщо у
минулі часи така патологія була типова лише для старших вікових груп
населення, то зараз вона вражає і молодь. Більшість дослідників
пов’язують це з дефіцитом навантаження та малорухомим способом життя
сучасної молоді, що підтверджують наведені нижче власні дослідження
(Поворознюк В.В и др., 2000; Подрушняк Е.П., 1997).

Як земні, так і космічні проблеми збереження здоров’я людини,
потребують ретельних досліджень процесів адаптації КТ до дефіциту
навантажень. Такі відомості можуть допомогти у пошуках і розробці нових
технологій попередження змін фізіологічного стану кісткової тканини,
викликаних малорухомим способом життя людини цивілізованого суспільства.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема
дисертаційної роботи є частиною науково-дослідної роботи “Дослідження
механізмів деструкції кісткової тканини під впливом модельованої
мікрогравітації”, що виконувалася згідно Загальнодержавної
(Національної) космічної програми України (ЗУ від 24.10.2002 р. №203-IV)
цільова програма “І. Наукові космічні дослідження” за напрямком “3.
Космічна біологія, фізика невагомості, технологічні дослідження” (шифр
“Космобіологія”); “Дослідити вплив мікрогравітації на кісткову тканину
та профілактичну дію газових сумішей зі зниженим вмістом кисню на
розвиток остеопенії” (2003-2004 р.р.) проекту NN26 (R) Українського
науково-технічного центру; “Дослідити фізіологічні, біофізичні та
біомеханічні показники стану кісткової тканини в різних статокінетичних
умовах (1998-2000 р.р.), теми №0198001934; “Дослідити механізми
адаптації організму до гіпокінезії та можливі шляхи попередження її
негативних наслідків” (2001-2004 р.р.), № 0101U002635, які входили до
зведеного плану НДР НАН України.

Об’єкт досліджень – сироватка крові, кісткова тканина хребетних.

Предмет досліджень – механізми редуктивної адаптації кісткової тканини в
умовах дефіциту навантаження.

Методи досліджень – фізіологічні, біохімічні, морфологічні,
гістохімічні, імунно-ферментні, електронно-мікроскопічні,
рентгено-структурні та варіаційно-статистичні.

Мета роботи. Метою даної роботи було дослідження адаптивної перебудови
кісткової тканини при дефіциті навантаження та механізмів її відновлення
під впливом дозованої гіпоксичної стимуляції.

Завдання дослідження

Вивчити наслідки обмеження рухливості протягом 28 та 45 діб на
фізіологічні, біохімічні та морфологічні показники стану кісткової
тканини у молодих щурів;

Вивчити наслідки обмеження рухливості протягом 28 та 45 діб на
фізіологічні, біохімічні та морфологічні показники стану кісткової
тканини у дорослих тварин;

Дослідити вплив фенотипових відмінностей спонтанної рухової активності
щурів на показники стану кісткової тканини при дефіциті навантаження;

Вивчити наслідки моделювання впливу мікрогравітації шляхом аксіального
розвантаження задніх кінцівок щурів на фізіологічні та біохімічні
показники стану кісткової тканини;

Вивчити ефективність дії різних режимів дозованої переривчастої
нормобаричної гіпоксії на стан кісткової тканини щурів під час обмеження
рухливості та аксіального розвантаження задніх кінцівок;

Дослідити можливість преадаптації щурів до впливу обмеження рухливості
шляхом періодичного дихання газовою сумішшю зі зниженим парціальним
тиском кисню;

Проаналізувати механізми стимулюючої дії штучної газової суміші зі
зниженим парціальним тиском кисню на стан кісткової тканини після
поєднаного впливу дефіциту навантаження та дозованої нормобаричної
гіпоксії.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі вперше показано, що
обмеження рухливості щурів лінії Вістар в атмосферному повітрі протягом
45 діб знижує масу кісткової тканини та активність біохімічних маркерів
ремоделювання кісткової тканини у молодих тварин у більшій мірі, ніж у
дорослих. Доведено, що аксіальне розвантаження задніх кінцівок щурів в
атмосферному повітрі пригнічує біохімічні показники метаболізму
кісткової тканини, аналогічно тому, що спостерігається в умовах
гіпокінезії та реальної мікрогравітації. Вперше встановлено, що у
молодих тварин з обмеженням рухливості періодичне дихання газовою
сумішшю зі зниженим парціальним тиском кисню (Ро2 = 91±8 мм рт.ст)
зменшує втрати кісткової маси та пригнічення метаболізму кісткової
тканини, викликаних дефіцитом навантаження. Показано, що у дорослих
щурів з обмеженням рухливості протягом 45 діб періодичне дихання
газовою сумішшю зі зниженим парціальним тиском кисню (Ро2 = 91±8 мм
рт.ст) викликає менш виразні зміни, ніж у молодих тварин. У роботі
вперше встановлено, що в субпопуляції молодих щурів з високою
фенотиповою спонтанною руховою активністю в умовах періодичного дихання
гіпоксичною газовою сумішшю 45-добове обмеження рухливості викликає
більш виразні зміни стану кісткової тканини, порівняно із тваринами з
низькою спонтанною руховою активністю. Стимулюючий вплив гіпоксичної
газової суміші виявився більш ефективним у тварин з високою спонтанною
руховою активністю. Показано, що преадаптація дорослих тварин шляхом
періодичного дихання газовою сумішшю зі зниженим парціальним тиском
кисню протягом двох тижнів позитивно впливає на стан кісткової тканини
після наступного впливу жорсткої гіпокінезії протягом 28 діб в
атмосферному повітрі. Вперше одержано докази на користь того, що на
щурів з аксіальним розвантаженням задніх кінцівок максимально позитивний
ефект справляє дозована переривчаста гіпоксія у режимах 10/10 та 10/20
хвилин, які характеризуються найбільшою кількістю повторних циклів
деоксигенації-реоксигенації. Вперше показано, що дозована переривчаста
гіпоксія підвищує ступінь структурного зв’язку між глікозаміногліканами
і колагеновими волокнами в ділянках активної продукції кристалів
гідроксиапатиту, що забезпечує високу стабільність фізіологічних
властивостей кісткової тканини.

Теоретичне і практичне значення отриманих результатів. Теоретичні
положення, отримані за результатами проведеної роботи, розширюють
уявлення про спрямованість адаптації кісткової системи щурів різного
віку до умов гіпокінезії та дефіциту навантаження. Отримані дані
свідчать, що гіпокінезія протягом 45 діб уповільнює фізіологічні темпи
зростання кісткової маси молодих щурів у більшій мірі, ніж дорослих.
Відсутність навантаження задніх кінцівок у щурів призводить до
встановлення нового динамічного співвідношення між процесами утворення і
руйнування кісткової тканини. Дозоване зниження парціального тиску кисню
з різним співвідношенням періодів деоксигенації та реоксигенації гальмує
розвиток остеопенії, підвищує ступінь структурного зв’язку між
глікозаміногліканами і колагеновими волокнами в ділянках активної
продукції кристалів гідроксиапатиту, підвищує біомеханічні властивості
кістки.

Періодичне дихання газовою сумішшю з дозованим зниженням парціального
тиску кисню може бути рекомендовано до апробації у клінічних умовах для
профілактики остеопенії, відновлення маси і фізіологічних властивостей
кісткової тканини у осіб з малорухомим способом життя та недостатнім
обсягом фізичних навантажень.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулювала мету та
завдання дослідження, розробила методику градації ступеня гіпокінезії у
щурів різного віку, що дозволило дослідити зміни в процесах
ремоделювання кісткової тканини (заявка на винахід №20041210501). Брала
участь у розробці методики аксіального розвантаження кінцівок у щурів.
Самостійно виконувала основну частину експериментів та досліджень,
здійснювала аналіз, статистичне опрацювання й узагальнення результатів і
написання статей.

Деякі експерименти було проведено разом із співавторами опублікованих
робіт, співробітниками відділу клінічної патофізіології Інституту
фізіології ім.О.О.Богомольця НАН України: д.м.н., проф.Березовським
В.Я., зав.відділом клінічної патофізіології, к.б.н.Чакою О.Г., молодшим
науковим співробітником, Лахіним П.В., науковим співробітником, к.б.н.
Березовською О.П., старшим науковим співробітником, професором кафедри
нормальної анатомії людини Луганського державного медичного університету
д.м.н. Лузіним В.І.

Апробація результатів дисертації

Усі матеріали дисертації викладено на засіданнях Сектору фізіології
вісцеральних систем Інституту фізіології ім.О.О.Богомольця НАН України
та на Всеукраїнських і міжнародних наукових форумах: XV з’їзді
Українського фізіологічного товариства (Донецьк, Україна, 1998); ІІ
Всеросійській конференції “Гипоксия: механизмы, адаптация, коррекция”
(Москва, Росія, 1999); науково-практичній конференції “Возможность и
перспективы использования индифферентных газов в водолазной практике,
биологии и медицине” (Москва, Росія, 1999); ІІІ Національному Конгресі
патофізіологів України з міжнародною участю, присвяченому 100-річчю від
дня народження акад. АМН СРСР М.М.Горєва (Одеса, Україна,2000); ІІ
міжнародному симпозиумі “Актуальні проблеми біофізичної медицини” (Київ,
Україна, 2000); Російській конференції “Организм и окружающая среда:
жизнеобеспечение и защита человека в экстремальных условиях” (Москва,
Росія, 2000); Materials 22 Annual International Gravitational Physiology
Meeting (Будапешт, Угорщина, 2001); матеріалах ХІІ конференції по
космічній біології та авіакосмічній медицині (Москва, Росія, 2002 ); II
Українскій конференції по перспективним космічним дослідженням
(Кацивелі, Крим, 2002); 24-th Annual International Gravitational
Physiology Meeting (Санта-Моніка, Каліфорнія, США, 2003); Російській
конференції з міжнародною участю “Организм и окружающая среда:
адаптация к экстремальным условиям” (Москва, Росія, 2003); ІІІ
Українскій конференції по перспективним космічним дослідженням
(Кацивелі, Крим, 2003); ІV науково-практичній конференції “Вторинний
остеопороз: Епідеміологія, клініка, діагностика, профілактика та
лікування” (Тернопіль, Україна, 2003); V науково-практичній конференції
“Вторинний остеопороз: Епідеміологія, клініка, діагностика, профілактика
та лікування” (Одеса, Україна, 2003); ІІІ міжнародному симпозиумі
“Актуальні проблеми біофізичної медицини” (Київ, Україна, 2004); 25
Annual International Gravitational Physiology Meeting (Москва, Росія,
2004); науково-практичній конференції з міжнародною участю
“Использование природных и преформированных факторов в восстановительном
лечении и реабилитации больных с сердечно-сосудистыми заболеваниями”
(Запоріжжя, Україна, 2004); IV Українській конфекренції по космічним
дослідженням (Понизівка, Крим, 2004); І Всеукраїнській
науково-практичній конференції “Актуальні проблеми біомінералогії”
(Луганськ, Україна, 2004); V Українскій конференції по космічним
дослідженням (Євпаторія, Крим, 2005); ХVІІ з’їзді Українського
фізіологічного товариства з міжнародною участю (Чернівці, Україна,
2006); 13-й Російській конференції по Космічній біології та
Авіакосмічній медицині з міжнародною участю (Москва, Росія, 2006), VIII
World Congress of the International Society for Adaptive Medicine
(Москва, Росія, 2006).

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 25 статей у фахових
вітчизняних і закордонних журналах та 20 тез доповідей у матеріалах
наукових конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на
323 сторінках друкованого тексту і складається із вступу, огляду
літератури, опису матеріалів і методів досліджень, результатів
досліджень, аналізу й узагальнення цих результатів, висновків, списка
використаних літературних джерел із 407 найменувань. Робота ілюстрована
63 рисунками та 35 таблицями.

МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Загальна характеристика об’єктів дослідження. Дослідження стану
гіпокінезії та моделювання стану мікрогравітації шляхом створення
безопорного положення задніх кінцівок проведено на 320 щурах-самцях
лінії Wistar молодих (3 міс) і дорослих (6 міс). Середня вага молодих
щурів на час початку експериментів складала 100±10 г. Середня вага
дорослих щурів на час початку експериментів складала 280±10 г. У групах
досліджуваних щурів щотижнево натщесерце реєстрували масу тіла кожної
особини. Щоденно здійснювали контроль загального стану тварин, що
перебували у стані гіпокінезії та аксіального розвантаження задніх
кінцівок (АРЗК).

Всі щури знаходилися на стандартному раціоні віварію з фізіологічним
вмістом кальцію і мали вільний доступ до питної води. Стан гіпокінезії у
тварин 6 серій відтворювали шляхом перебування щурів у обмежуючих
комірках. Співвідношення площі проекції тіла тварини та площі
обмежуючої комірки становило 1:1. Експериментальне моделювання стану
мікрогравітації здійснювали шляхом аксіального розвантаження задніх
кінцівок (АРЗК) щурів (3 серії). Загальний стан тварин та інтенсивність
метаболізму КТ контролювали за допомогою фізіологічних, біохімічних,
морфометричних та морфологічних методів дослідження. Всі експерименти
проводили з урахуванням вимог Європейської конвенції про захист
хребетних тварин, що використовуються для дослідних та інших наукових
цілей.

З метою дослідження впливу вихідного стану тварин на фізіологічні
реакції пристосування проведено 2 серії експериментів з преадаптацією
(прекондиціюванням) щурів. Преадаптацію здійснювали шляхом 14-добового
впливу ШГС зі зниженим парціальним тиском кисню та наступним обмеженням
рухливості через 2 доби по закінченні курсу прекондиціювання (табл.1).

Для вибору оптимальної тривалості дозованої деоксигенації-оксигенації
проведено 2 серії досліджень тривалості перехідного періоду при заміні
атмосферного повітря на ШГС. Враховували час стабілізації напруження О2
в підшкірній клітковині при диханні газовою сумішшю10 об.% О2 в азоті у
щурів в активному стані та під наркозом.

Напруження кисню в тканинах лабораторних тварин реєстрували
хроноамперометрично на платиновому індикаторному електроді з реєстрацією
на полярографі LP-7e виробництва Чеської фірми “Laboratorni Pristrii”.

Таблиця 1

Варіанти та обсяг проведених досліджень

№ Назва дослідження Кількість

Серій Кількість об’єктів

дослідження

1. Гіпокінезія 6 168

2. Аксіальне розвантаження задніх кінцівок

3

152

3. Преадаптація 2 48

4. Експериментальне обґрунтуван-

ня тривалості періодів дозованої деоксигенації-реоксигенації

2

26

Усього: 394 щурів

5. Визначення показників мікроциркуляції

а) контрольні

б) гіпокінезія

в) реактивна гіперемія

1

1

1

12

9

14

Усього: 35 осіб

Показники мікроциркуляції та прояви реактивної гіперемії при диханні
атмосферним повітрям та гіпоксичною газовою сумішшю визначали шляхом
застосування оклюзійної проби у 35 практично здорових осіб віком 25-40
років. Показник мікроциркуляції у магістральних артеріях та шкірі
визначали методом лазерної допплерівської флоуметрії апаратом “ЛАКК-01”
науково-виробничого підприємства “ЛАЗМА”, Росія.

Моделювання стану гіпокінезії у щурів. Для вивчення початкових стадій
функціональних змін КТ, з’ясування механізмів розвитку остеопенії,
викликаної дефіцитом навантаження, та досліджень впливу на її перебіг
коригуючих засобів створювали стан жорсткої гіпокінезії.

Схему побудови експерименту та розподіл тварин по групам наведено у
таблиці 2. Використовували жорсткий режим обмеження рухливості протягом
28 діб для тварин ІІ і ІІІ груп та 45 діб для щурів V і VI груп. У
кожній групі було від 8 до 12 щурів. Загальна кількість тварин складала
168. Тварини мали вільний доступ до корму і води. Штучну газову суміш
(ШГС) зі зниженим парціальним тиском кисню (91±8 мм рт.ст) подавали по 8
год. на добу (з 24.00 до 8.00 години) у переривчастих режимах 10/20 – 10
хвилин ШГС (Ро2=90-110 мм рт.ст.) з наступним періодом дихання
атмосферним повітрям протягом 20 хвилин, або 20/20 – 20 хвилин ШГС зі
зниженим Ро2, 20 хвилин – атмосферне повітря. Досліди проводили з
урахуванням вимог про гуманне ставлення до тварин.

Таблиця 2

Побудова експерименту та розподіл тварин по групам

Вік тварин Тривалість експерименту Умови впливу

№ групи

Молоді щури

(3 міс)

28 діб

45 діб І – віварний контроль

ІІ – гіпокінезія в атмосферному повітрі

ІІІ – гіпокінезія + ШГС зі зниженим Ро2

IV – віварний контроль

V – гіпокінезія в атмосферному повітрі

VI – гіпокінезія + ШГС зі зниженим Ро2

Дорослі щури

(6 міс)

28 діб

45 діб І – віварний контроль

ІІ – гіпокінезія в атмосферному повітрі

ІІІ – гіпокінезія + ШГС зі зниженим Ро2

IV – віварний контроль

V – гіпокінезія в атмосферному повітрі

VI – гіпокінезія + ШГС зі зниженим Ро2

Розробка засобів попередження негативних наслідків гіпокінезії. Одним
із шляхів біофізичної стимуляції тварин в стані гіпокінезії може бути
застосування ШГС зі зниженим Ро2. Для одержання ШГС було створено
пристрій мембранного газорозподілу елементів атмосферного повітря до
складу якого входять: мембранний газорозподільчий елемент, безмасляний
компресор, дросель регулювання Ро2, ротаметр, програмоване реле часу
подачі ШГС, програмоване реле часу подачі атмосферного повітря,
допоміжні технічні вузли.

Мембранний газорозподільчий елемент використовує капілярні рури
діаметром 10-12 мкм, виготовлені з полі-4-тетраметилпентену. Цей полімер
має селективну спорідненість до молекул кисню, пенетрація яких через
напівпроникну мембрану (принцип молекулярного сита) дозволяє
відокремлювати молекули кисню повітря від молекул азоту. Змішуючи
потоки О2 і N2 на виході пристрою у різних пропорціях, ми одержували ШГС
з заданим рівнем Ро2. Для контролю складу ШГС за вмістом кисню
використовували газоаналізатор кисню МИК-М з діапазоном вимірювання від
0 до 21 об.% кисню.

Для забезпечення періодичної подачі ШГС у автоматичному режимі, створено
програмований блок керування. За допомогою цього блоку задавали
тривалість роботи компресора установки газорозподілення з періодичним
вмиканням і вимиканням через задані інтервали часу. Під час інтервалу в
контейнер подавали атмосферне повітря від окремого мембранного
компресора з такою ж самою об’ємною швидкістю під контролем ротаметру
РМ-063 Г (рис.1).

1. Мембранний газорозподільний елемент; 2. Компресор для створення
газової суміші; 3. Компресор подачі атмосферного повітря; 4. Дросель
регулювання Ро2 ШГС; 5. Ротаметр; 6. Програмоване реле
часу подачі газової суміші; 7. Програмоване реле часу подачі повітря;
8. Клапан переключення струмів повітря; 9. Штуцер подачі газової суміші
або атмосферного повітря на колектор контейнеру.

Загальну тривалість гіпоксичного впливу та число циклів
деоксигенації-реоксигенації за 28 і 45 діб експерименту для кожного з
режимів наведено в таблиці 3.

Таблиця 3

Тривалість гіпоксичного впливу та число циклів

деоксигенації-реоксигенації за 28 і 45 діб гіпокінезії

Режим впливу За 1 добу, За 28 діб За 45 діб

хв. число

циклів

хв.

число

циклів

хв.

число циклів

10/20

20/20

160

240

16

12 4480

6720

448

336

7200

10800 720

540

Полярографічний контроль тривалості перехідних процесів при зміні
атмосферного повітря на штучну газову суміш. При подачі штучної газової
суміші лабораторним тваринам або людині для досягнення стану рівноваги
необхідний певний проміжок часу. Визначення тривалості перехідного
процесу необхідно при виборі часу подачі газової суміші для досягнення
певної метаболічної реакції тканин у відповідь на зміну рівня кисневого
постачання.

Газову суміш з вмістом кисню 10±1 об.% подавали тварині через маску
протягом 3-8 хвилин до повного врівноваження ШГС та напруження кисню в
підшкірній клітковині. Момент врівноваження реєстрували за досягненням
мінімального рівня хроноамперограми по відношенню до вихідних значень.
Підрахунок часу врівноваження здійснювали за графічною реєстрацією
хроноамперограми при швидкості руху діаграмної стрічки 10 мм/хв.

В спеціальній серії експериментів на 26 щурах проведено визначення
напруження кисню в підшкірній клітковині щура під час дихання
атмосферним повітрям та після переходу на дихання ШГС. Подачу газової
суміші здійснювали до стабілізації мінімального рівня Ро2.

Досліди показали, що тривалість перехідного періоду для різних щурів
варіює в межах від 180 до 360 сек. Проте, у тварин під наркозом
тривалість періоду врівноваження значно зростає порівняно з щурами, які
знаходилися в активному стані. У наркотизованих тварин середня
тривалість перехідного періоду при подачі газової суміші протягом
становила 400-460 сек. Тобто була майже вдвічі довшою, ніж у щурів без
наркозу.

Середня тривалість процесу, враховуючи час, потрібний для періоду
врівноваження газів тканин з газами керованої атмосфери (ШГС) та
тривалість адаптивної перебудови переключення метаболічних процесів на
роботу в умовах зниженого напруження кисню, потрібно подвоїти і навіть
потроїти мінімальний час експозиції тварин у ШГС. Таким чином,
тривалість дихання тварин гіпоксичною газовою сумішшю було встановлено
не менше, ніж 10 хвилин. Ця експозиція може бути і більшою, враховуючи
необхідність не тільки викликати певні метаболічні зміни, але і
закріпити їх у структурі метаболічних процесів організму.

ШГС подавали тваринам з 24.00 до 8.00 ранку автоматично в чотирьох
різних переривчастих режимах: щоночі по 8 годин протягом 28 або 45 діб.
Крім режиму 20/20 хвилин, досліджували також дію режимів 10/10, 10/20 і
30/20 хвилин.

Моделювання впливу мікрогравітації. Для відтворення ефектів стану
невагомості ми використали принцип методики Morey-Holton. Нами було
розроблено та створено власний варіант спеціального пристрою для
розвантаження задніх кінцівок у щурів.

Пристрій являє собою систему рухомої фіксації тіла другого хвостового
хребця в центральній його частині. При цьому задні кінцівки тварини не

торкаються ні платформи, ні бокових стінок контейнера, а тулуб
утримується до горизонту під кутом 40о-45о (рис.2). Такий спосіб
фіксації хвоста щура забезпечує рухомість тварини, мінімальну
травматизацію без компресії кровоносних і лімфатичних судин, без набряку
та некрозу тканин хвоста.

1. Напівсферична зйомна кришка контейнеру; 2. Фіксатор кришки;
3.Кронштейн підвіски фіксатора хвоста; 4. Поїлка для щурів; 5.
Годівничка для щурів; 6.Отвори розподілу газової суміші; 7. Колектор
фекалій і сечі; 8. Шланг подачі газової суміші.

У першій серії експериментів з АРЗК досліджено 56 молодих (3 міс.)
щурів-самців з безопорним положенням задніх кінцівок (рис.2) в умовах
періодичної подачі ШГС зі зниженим Ро2. Експеримент тривав 28 діб.
Газову суміш зі зниженим Ро2 подавали у трьох різних переривчастих
режимах щоденно з 24.00 до 8.00 години. Розподіл тварин здійснювавали
наступним чином: І – віварний контроль; ІІ – АРЗК в атмосферному
повітрі; ІІІ – АРЗК щурів, які дихали ШГС у переривчастому режимі 20
хвилин (Ро2=91±8 мм рт.ст.) з наступним періодом дихання атмосферним
повітрям протягом 20 хвилин (20/20), IV – АРЗК щурів, які дихали ШГС у
режимі – 10 хвилин ШГС зі зниженим Ро2, 20 хвилин – атмосферне повітря
(10/20); V – АРЗК щурів, які дихали ШГС у режимі – 10 хвилин ШГС зі
зниженим Ро2, 10 хвилин – атмосферне повітря (10/10). Загальну
тривалість гіпоксичного впливу на тварин та число циклів
деоксигенації-реоксигенації за 28 діб експерименту для кожного з режимів
наведено у таблиці 4.

Таблиця 4

Загальна тривалість гіпоксичного впливу та число циклів

деоксигенації-реоксигенації за 28 діб аксіального розвантаження
задніх

кінцівок щурів

№ групи Режим впливу (хв)

Тривалість впливу (хв) Число циклів (n)

за 1 добу за 28 діб

за 1 добу за 28 діб

І

ІІ

ІІІ

IV

V —

20/20

10/20

10/10 —

240

160

240 —

6720

4480

6720 —

12

16

24

336

448

672

Другу і третю серії експериментів з АРЗК проведено на 48 молодих і 48
дорослих щурах-самцях лінії Вістар. Вік тварин становив 3 і 6 міс.
Парціальний тиск кисню у створюваній нами ШГС становив 91 ± 8 мм рт.ст.
що відповідає вмісту 12 об.% О2. АРЗК і генерацію ШГС здійснювали по
описаній вище методиці. Режим подачі ШГС зі зниженим Ро2 здійснювали у
режимі – 30 хвилин ШГС з наступним періодом дихання атмосферним повітрям
протягом 20 хвилин (30/20).

Варіанти експериментів наведено у таблиці 5.

Стандартний корм і воду всі щури отримували без обмежень. Масу
тварин контролювали щотижнево, температуру і газову суміш у комірках
— щоденно. За 24 год. до закінчення дослідів збирали добову сечу і
фекалії. Щурів декапітували під рауш-наркозом, з урахуванням вимог про
гуманне ставлення до експериментальних тварин.

Таблиця 5

Серії експерименту та загальна тривалість гіпоксичного впливу на

щурів за 28 діб аксіального розвантаження задніх кінцівок

№ групи

та мета експерименту Вік щурів,

міс Режим впливу,

хв Тривалість впливу (хв) Число повторю-ваних циклів, n

за 1 добу за 28

діб

І, IV — віварний контроль 3 – – – –

ІІ, V — розвантаження

задніх кінцівок

в атмосферному

повітрі

3

ІІІ, VI- розвантаження

задніх кінцівок

в ШГС

3

30/20

300

8400

280

Тестування спонтанної рухової активності щурів. В кожній популяції
тварин існують індивідуальні варіації фенотипових форм поведінки. Для
визначення спонтанної рухової активності ми обрали “колесо вивірки”
(тредбан) з пасивним обертанням конструкції за рахунок енергії рухів
тварин.

Колесо сконструйовано таким чином, що дозволяє запускати у його
внутрішній замкнутий простір лабораторну тварину і вільно спостерігати
за її поведінкою через прозору бокову поверхню. Технічні особливості
конструкції дозволяють вільне обертання в одному напрямку і автоматичну
реєстрацію кількості обертів за певний відрізок часу. Після повторних
випробувань середню кількість обертів за 3 хвилини перебування тварини у
колесі ми розглядали як показник спонтанної, немотивованої
індивідуальної рухової активності.

Підготовка тканин для остеометричного і гістоморфологічного
дослідження. Анатомічно видаляли стегнові, плечові, великогомілкові
кістки. Для гістологічного дослідження ізольовані з організму щура
стегнові та інші кістки очищали від м’яких тканин і фіксували
нейтральним 4% формаліном на фосфатному буфері. Визначали остеометричні
параметри з точністю до 0,1 мм. Обробку гістологічних препаратів
проводили за стандартними методиками з попередньою декальцифікацією у
10% розчині ЕДТА протягом 28 діб, зневодненням у спиртах. Зразки
заливали в парафін, отримували повздовжні зрізи товщиною 5-10 мкм і
фарбували гематоксиліном і еозином.

На гістологічних зрізах вимірювали висоту ростової пластинки і кількість
хондроцитів у колонці, оцінювали об’ємну щільність трабекулярної кістки
в первинній і вторинній спонгіозі – параметр, який відбиває просторову
організацію її структури. Вимірювали товщину компактної кістки в
середині діафіза.

Для дослідження в скануючому мікроскопі і проведення зондового
мікроаналізу повздовжньо розколоті в ділянці fossa intercondylaris
кістки занурювали в рідкий азот, відмивали від клітин крові і кісткового
мозку, висушували і напилювали золотом у вакуумному запилювачі JFC-1100.

Для проведення зондового рентгенівського мікроаналізу стегнові кістки
після зневоднення заливали в епоксидну смолу й одержували повздовжні
шліфи діафіза. Розподіл кальцію по товщині кістки досліджували в
скануючому електронному мікроскопі з рентгенівським мікроаналізатором
JEOL Superprobe 733 при напрузі прискорення 25 kV і збільшенні х 2000.
Аналіз проводили по лінії Са – КL. Розміри зони кальцифікованого хряща,
товщину трабекул вторинної спонгіози вимірювали в ділянці дистального
метафіза.

Масу наднирників і тимуса – показників стійкості тварин до
експериментального емоційного стресу, визначали гравіметрично, на
аналітичних терезах. Визначали вміст еритроцитів і концентрацію
гемоглобіну в крові щурів загальноприйнятими методами.

Біохімічні показники адаптивної перебудови КТ, до яких відносять лужну
фосфатазу (ЛФ) та її кістковий ізофермент, остеокальцин, С-термінальний
пропептид колагену І типу (маркери формування КТ) та маркери резорбції —
лізосомальні ферменти: кисла фосфатаза (КФ) і тартратрезистентна кисла
фосфатаза (ТРКФ), гіалуронідазна активність (ГА), глікозаміноглікани
(ГАГ), паратиреоїдний гормон (ПТГ), креатинін, уронові кислоти
досліджували за допомогою спектрофотометричних та імуноферментних
методів реактивами фірм: Metra Osteocalcin EIA, Quidel Corporation, USA;
Rat Intact PTH ELISA Kit, Immutopics, Inc., USA; Лахема, Чехія.

Статистична обробка результатів. Цифрові дані обробляли з використанням
пакету програмного забезпечення “Magellan 3.0”, програми Microsoft
Excel. Для визначення вірогідності відмінностей між двома вибірками
використовували t-критерій Стьюдента.

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Показники загального стану організму щурів у нормі, при гіпокінезії та
розвантаженні задніх кінцівок. Як показали проведені експерименти у
молодих тварин контрольної групи, які мають можливість вільно рухатися в
межах стандартної комірки і дихають атмосферним повітрям, маса тіла
закономірно збільшується. Такий процес є типовою ознакою для молодих
щурів, у тому числі лінії Вістар. У щурів такого ж віку при обмеженні
рухливості в атмосферному повітрі показники маси тіла за 28 і 45 діб
практично не відрізнялися від контрольних значень. Наприкінці
експерименту збільшення маси становило 78,2% і 135,7% відповідно. В той
же час у дорослих тварин ідентичні умови експерименту уповільнювали
зростання маси тіла. Протягом 28 і 45 діб маса тіла дорослих тварин
практично не змінювалася або дещо підвищувалася в середньому на 5-6%.
Через 28 діб маса тіла цих тварин зросла лише на 12,7%, через 45 діб –
на 6,4%.

Однією з можливих причин розбіжності може бути добре відома пластичність
молодих тварин та їх здатність краще адаптуватися до реальних умов
середовища. На відміну від дорослих, у молодих щурів відносно більша
маса вилкоподібної залози (на 1 г маси тіла), вища концентрація в крові
та тканинах гормону росту, більша інтенсивність споживання кисню на 1 г
білку тканин. Вірогідно, всі ці відмінності та більш висока здатність
молоді пристосовуватися до умов існування забезпечували тенденцію до
збільшення маси тіла навіть у таких несприятливих умовах як жорстке
обмеження рухливості.

У щурів з АРЗК в атмосферному повітрі зростання маси тіла відбувалося
вдвічі повільніше відносно контрольної групи тварин і не перевищувало
15-20% за тиждень. У сумі протягом чотирьох тижнів експерименту маса
тіла зросла на 66,6%, що на 57,4% менше вихідних значень для контрольної
групи тварин. Ці дані отримано в умовах дихання атмосферним повітрям.

Треба зауважити, що на відміну від жорсткої гіпокінезії, АРЗК має
елементи гіпокінезії середнього ступеню. Умови проведення експерименту з
АРЗК залишали можливість тварині переміщати тіло в просторі, міняти
позу. Проте, тіло тварини знаходилося не в горизонтальному положенні, а
мало нахил до лінії горизонту 40-450, що зумовлювало гравітаційне
переміщення рідин у краніальному напрямку. Це один із елементів, який
моделює реакцію організму на перебування в стані мікрогравітації. Не
зважаючи на незвичайне положення осі тіла загальний стан цих тварин
протягом всього експерименту залишався задовільним. У них не
спостерігалося змін волосяного покрову, а приріст маси тіла майже не
відрізнявся від змін маси тіла молодих щурів у стані жорсткої
гіпокінезії.

Результати проведених нами дослідів показали, що при обмеженні
рухливості та АРЗК в умовах перебування в ШГС відбувається уповільнення
приросту маси тіла як молодих, так і дорослих щурів порівняно з
контрольними групами тварин. У молодих щурів з обмеженням рухливості
через 28 діб перебування в ШГС маса тіла зросла на 37,7%, а через 45
діб – на 63%. У дорослих тварин через 28 діб досліджень спостерігали
зниження цього показника на 11,6% і тенденцію до збільшення на 0,5%
(Р>0,05) через 45 діб.

За показниками приросту маси тіла у щурів з АРЗК у ШГС виявлено, що
максимальне зростання маси тіла відбувалося при режимі подачі ШГС 10/20
хвилин. Це збільшення становило в кінці експерименту 69,4% відносно
вихідних значень. За той же термін при режимі подачі 10/10 хвилин цей
показник не перевищував 30,2%, а при режимі 20/20 хвилин – 56,9%
порівняно з контрольними показниками.

Таким чином, обмеження рухливості і розвантаження задніх кінцівок щурів
неоднаково впливає на динаміку зростання маси тіла молодих і дорослих
тварин. Спільна дія гіпокінезії і зниженого парціального тиску кисню в
газовій суміші гальмує приріст тіла щурів пропорційно тривалості
експерименту. А з трьох застосованих режимів впливу штучних газових
сумішей оптимальним виявилося співвідношення у циклі: дереоксигенація
тривала 10 хвилин, а ререоксигенація — 20 хвилин.

У проведених дослідженнях маса вилкоподібної залози у щурів кожної
вікової групи залишалася достатньо стабільною. Характер зовнішніх
впливів і їх тривалість не викликали вірогідних змін цього показника. Із
цього можна зробити висновок, що обраний нами варіант обмеження
рухливості у молодих і дорослих щурів протягом 28- та 45- діб не
викликає вірогідних змін вагових коефіцієнтів вилкоподібної залози.
Одноманітність маси залози можна розглядати як свідчення фізіологічної
стабільності соматичного стану тварин при гіпокінезії. В серії
експериментів з моделюванням АРЗК у молодих щурів відбувалося зниження
відносних вагових коефіцієнтів вилкоподібної залози у тварин IV групи,
що дихали ШГС зі зниженим Ро2 в режимі 10/20 хвилин.

Маса наднирників молодих щурів за даними гравіметричного контролю
вірогідно збільшувалася (Р<0,05). У дорослих тварин після поєднаної дії 28-добової гіпокінезії і гіпоксії маса наднирників, навпаки, зменшувалася (Р<0,05). Відносні вагові коефіцієнти наднирників вірогідно зростали (Р<0,05) у щурів ІІ, ІІІ і IV груп і мали тенденцію до збільшення у тварин V групи. Одержані дані дозволяють констатувати, що поєднана дія гіпокінезії і гіпоксії протягом 28 і 45 діб підвищує відносні вагові коефіцієнти наднирників молодих щурів. У дорослих щурів такий же стан практично не змінював або навіть зменшував відносні вагові коефіцієнти наднирників через 28 діб або 45 діб відповідно. Неоднорідність реакції двох груп тварин може бути наслідком більш високої рухової активності молодих тварин і більш гострої реакції молодого організму на обмеження рухливості. Показники стану кісткового мозку тварин контролювали, визначаючи кількість еритроцитів та концентрацію гемоглобіну. Кількість еритроцитів мала тенденцію до підвищення у щурів з АРЗК ІІ, ІІІ, V груп. У тварин ІV групи кількість еритроцитів вірогідно підвищувалася на 25,6% порівняно з контролем (Р<0,05). Концентрація гемоглобіну залишалася практично стабільною у щурів всіх досліджуваних груп. Максимальний стимулюючий гемопоез ефект виявляв режим подачі ШГС 10/10 і 10/20 (хвилин). Така реакція крові, коли кількість еритроцитів зростає, а концентрація гемоглобіну залишається незмінною, типова для процесу адаптації до умов високогір’я, де парціальний тиск кисню істотно знижений. Зменшення розмірів кожного червонокрівця дозволяє збільшити їх сумарну поверхню, що відіграє істотну роль у прискоренні дифузії кисню з альвеолярного повітря до гемоглобіну еритроцита та від еритроцита до клітин організму. Стан неорганічного матриксу кісткової тканини щурів при обмеженні рухливості. Стан КТ молодих і дорослих щурів контролювали, визначаючи масу та щільність стегнових і великогомілкових кісток. Після обмеження рухливості молодих тварин протягом 28 діб в атмосферному повітрі відбувалося зменшення маси стегнових кісток на 7-8%. У дорослих щурів в тих же умовах через 28 діб маса стегнових кісток знизилася на 5%, а через 45 діб – на 21%. Більш значне зниження маси стегнових кісток відбувалося після поєднаного впливу гіпокінезії та гіпоксії. Це зниження становило в середньому 21-25% для щурів обох вікових груп. Таку ж тенденцію спостерігали і для динаміки зміни маси великогомілкових кісток у молодих і дорослих тварин. При цьому спектрофотометричні визначення не виявили відчутних змін концентрації кальцію ні в КТ, ні в сироватці крові лабораторних тварин. Поскільки загальна маса кісток при дефіциті навантаження вірогідно зменшувалася, варто припустити, що це зменшення відбувалося за рахунок компонентів органічного матриксу. Водночас, певна стабільність концентрації кальцію у КТ може свідчити, що адаптивні зміни стану кісток не виходили за межі фізіологічних варіацій їх стану. Щільність КТ стегнової кістки у молодих тварин ІІ групи після 28- добової гіпокінезії в атмосферному повітрі мала тенденцію до зменшення на 6% і не перевищувала 2,4% після 45 діб. У дорослих щурів спостерігали таку ж тенденцію через 28 діб обмеження рухливості. Через 45 діб відзначили невірогідне (на 4,8%) збільшення щільності КТ стегнових кісток дорослих щурів. У гіпоксичному газовому середовищі щільність стегнової кістки молодих тварин ІІІ групи через 28 діб обмеження рухливості виявлялася вірогідно зниженою (Р< 0,05) на 10%. У молодих щурів VI групи після 45-добової гіпокінезії і при диханні ШГС у режимі 20/20 хвилин щільність КТ стегнової кістки поверталася до вихідного рівня. У дорослих щурів щільність КТ стегнової кістки мала тенденцію до зниження у межах 3% після 28 діб обмеження рухливості і дещо підвищувалася (4,0%) через 45 діб. Таку ж саму тенденцію змін відзначали і при дослідженні стану великогомілкової кістки. Ці дані можуть свідчити про те, що 45-добова експозиція дозволяє організму включити механізми пристосування і відносної стабілізації стану КТ, чого не спостерігалося при 28-добовому впливі. Аксіальне розвантаження задніх кінцівок молодих (ІІ група) і дорослих (V група) щурів у атмосферному повітрі гальмувало ріст стегнових і великогомілкових кісток. Це проявлялося в зниженні їх маси та об’єму. Маса стегнових і великогомілкових кісток у щурів ІІ і V груп була нижчою від контрольних значень на 10 і 12% відповідно. У молодих і дорослих тварин, що в стані безопорного положення задніх кінцівок дихали ШГС (20/20 хвилин), маса стегнових кісток вірогідно не відрізнялася від контролю. Такий ефект свідчить про наявність стабілізуючої дії сеансів дозованої нормобаричної гіпоксії на процеси ремоделювання КТ. Зменшення маси та об’єму стегнових кісток у щурів після розвантаження в атмосферному повітрі супроводжувалось зниженням їх щільності, мінеральної насиченості і зольності. У різних ділянках стегнової кістки ці процеси розвивалися нерівномірно. В епіфізах стегнових кісток щурів з АРЗК в атмосферному повітрі (ІІ група) вірогідно знижувалася щільність, мінеральна насиченість, зольність. У молодих щурів ІІ групи щільність епіфізів була на 10%, мінеральна насиченість – на 23%, зольність – на 15% нижчою порівняно з контролем. У дорослих тварин V групи ці показники знизилися порівняно з контролем на 10, 27 і 18% відповідно. Істотне зниження цих показників скоріше за все пов’язано з гальмуванням процесів мінералізації, які, як відомо, регулюються механічним навантаженням. Крім того відомо, що швидкість та інтенсивність змін у губчастих структурах КТ значно вище, ніж у компактних. Аксіальне розвантаження задніх кінцівок молодих і дорослих щурів у атмосферному повітрі гальмує ріст стегнових і великогомілкових кісток. Це проявляється в зниженні їх маси та об’єму. У діафізах не зареєстровано вірогідного зниження щільності, мінерального насичення і зольності у щурів всіх експериментальних груп. Такі наслідки можуть бути пов’язані з тим, що за умов АРЗК гальмуються як процеси фізіологічного формування, так фізіологічної деструкції КТ. Внаслідок цього збільшується частка старої КТ з високим ступенем мінералізації. Це призводить до відносного збільшення вмісту високомінералізованих структур. Дихання гіпоксичною газовою сумішшю нормалізувало щільність, мінеральну насиченість, зольність КТ, повертало основні показники її стану до рівня контрольних значень, не зважаючи на обмеження рухливості. Це можна розглядати як ще один доказ стабілізуючої дії дозованого зниження парціального тиску кисню при обмеженні рухливості та моделюванні умов мікрогравітації. Стан органічного матриксу кісткової тканини щурів при обмеженні рухливості. Метаболічний стан клітинних елементів КТ, які характеризують інтенсивність її фізіологічного відновлення-руйнування, ми оцінювали на підставі активності відповідних біохімічних маркерів обох основних типів клітин, які беруть участь у фізіологічному ремоделюванні КТ. Оцінювали функцію остеобластів, що формують нові елементи кісткової тканини. Для цього вимірювали в сироватці крові та КТ активність лужної фосфатази (ЛФ). Визначали також функцію остеокластів, які здійснюють резорбцію КТ. Для цього вимірювали в сироватці крові та КТ активність кислої фосфатази (КФ) і тартратрезистентної кислої фосфатази (ТРКФ). Вимірювали також концентрацію ПТГ та остеокальцину. Основні біохімічні механізми обміну колагену та протеогліканів у КТ аналізували, визначаючи С-термінальні пропептиди колагену І типу (СІСР), концентрацію глікозаміногліканів (ГАГ), гіалуродідазну активність, креатинін. у КТ активність КФ і ЛФ виявляла тенденцію до зниження. Рис.3. Активність кислої фосфатази в сироватці крові молодих контрольних щурів (I, IV) та тварин після гіпокінезії, які дихали атмосферним повітрям (II, V), або ШГС зі зниженим Ро2 (III, VI) протягом 28 та 45 діб * – вірогідність зміни порівняно з І і ІV групами (Р<0,05) ** – вірогідність зміни порівняно з V групою (Р<0,05) У молодих щурів з обмеженням рухливості протягом 45 діб біохімічні маркери у КТ змінювалися іншим чином. Активність ЛФ підвищувалася в обох (V і VІ) досліджуваних групах (Р<0,05). У щурів V групи активність КФ знижувалася, в той час, як у сироватці крові вона вірогідно підвищувалася. У тварин VІ групи активність КФ у сироватці крові вірогідно знижувалася (Р<0,05), тоді як у КТ зростала (Р<0,05) порівняно з контрольними значеннями. Рис.4. Активність тартратрезистентної кислої фосфатази в сироватці крові молодих контрольних щурів (I, IV) та тварин після гіпокінезії, які дихали атмосферним повітрям (II, V ), або ШГС зі зниженим Ро2 (III, VI гр.) протягом 28 та 45 діб * – вірогідність зміни порівняно з ІV групою (Р<0,05) Добре відомо, що креатинін як кінцевий продукт розпаду креатину, відіграє важливу роль у кістковому метаболізмі. Проведені дослідження показали, що концентрація креатиніну у молодих щурів ІІ групи (28 діб обмеження рухливості) не змінювалася. У щурів V групи (45 діб обмеження рухливості) рівень креатиніну мав тенденцію до підвищення. Таким чином, даних за те, що обмеження рухливості істотно змінює метаболізм креатиніну немає. Глікозаміноглікани (кислі полісахариди) входять до складу протеогліканів. Їх фізіологічна функція в КТ полягає в підтриманні цілісності органічного матриксу та неорганічного компонента сполучної тканини, в регуляції фібрилогенезу колагену. Проведені нами експерименти показали, що концентрація ГАГ у молодих щурів ІІ групи (28 діб обмеження рухливості) не змінювалася. У щурів V групи (45 діб обмеження рухливості) рівень ГАГ вірогідно зменшувався в 1,7 рази (рис.5). ПТГ – гормон паращитоподібної залози. Він діє безпосередньо на КТ, збільшуючи її резорбцію та вивільнюючи іони кальцію. Відомо також, що ПТГ зменшує рівень фосфату в плазмі крові збільшує його екскрецію з сечею. Це є наслідком зменшення реабсорбції фосфату в проксимальних канальцях. ПТГ активує утворення 1,25-дигідроксихолекальциферолу, а це посилює абсорбцію Са2+ з кишечника. Встановлено, що при тривалому впливі ПТГ стимулює як остеокласти, так і остеобласти, при чому вплив на остеокласти переважає, саме тому збільшується мобілізація кальцію з КТ. У наших дослідженнях обмеження рухливості молодих щурів в атмосферному повітрі протягом 28 діб вірогідно підвищувало концентрацію ПТГ у сироватці крові тварин ІІ групи в 2,4 рази (Р<0,05, рис. 6). У Рис.5. Концентрація глікозаміногліканів у сироватці крові молодих контрольних щурів (I, IV) та тварин після гіпокінезії, які дихали атмосферним повітрям (II, V), або ШГС зі зниженим Ро2 (III, VI групи) протягом 28 та 45 діб * – вірогідність зміни порівняно з ІV групою (Р<0,05). тварин V групи (обмеження рухливості протягом 45 діб) спостерігали лише тенденцію до підвищення рівня ПТГ. Отримані результати ми схильні розглядати як свідоцтво наявності чинника, який посилює процеси резорбції КТ молодих щурів у стані гіпокінезії. Рис.6. Концентрація паратиреоїдного гормону в сироватці крові молодих контрольних щурів (I, IV) та тварин після гіпокінезії, які дихали атмосферним повітрям (ІІ,V) або ШГС зі зниженим Ро2 (III, VI) групи протягом 28 та 45 діб, * – вірогідність зміни порівняно з І групою (Р<0,05). У тварин ІІІ групи, які також знаходилися у стані гіпокінезії, але дихали ШГС зі зниженим Ро2, активність ЛФ у сироватці крові залишалася близькою до контрольних величин, що свідчить на користь нормалізуючого впливу обмеження надходження кисню при гіпокінезії. У щурів VI групи активність ЛФ у сироватці крові вірогідно знизилася в 1,5 рази порівняно з контролем (Р<0,05). Виключення становила лише концентрація ПТГ у сироватці крові, яка вірогідно підвищилася у тварин ІІІ групи в 3,2 рази (рис.6). Можливо, така реакція пов’язана зі зменшенням всмоктування кальцію в шлунково-кишковому тракті або зниженням ниркової функції, при реакції на поєднану дію двох стресогенних подразників – гіпокінезії та гіпоксії. Про це ж свідчать і рівень креатиніну в сироватці крові, який підвищився в 1,2 рази. Як показали проведені експерименти, більшість досліджуваних показників у тварин ІІІ та VI груп, які в стані гіпокінезії дихали ШГС зі зниженим Ро2, залишалися близькими до контрольних значень, незважаючи на стан жорсткої гіпокінезії. Це можна розглядати як наслідок стабілізуючої дії нормобаричної газової суміші зі зниженим Ро2, яка стимулює процеси відновлення КТ, незважаючи на відсутність фізіологічного обсягу біомеханічних подразників. У дорослих щурів після 28 добової гіпокінезії в атмосферному повітрі вірогідно зростає активність КФ, ТРКФ в 1,6 рази кожна, порівняно з контрольними величинами. Підвищується концентрація ГАГ у 3,2 рази (Р<0,05) у сироватці крові, що свідчить про посилення процесів резорбції КТ. Пусковим механізмом цього стану може бути дефіцит рухової активності, який зменшує інтенсивність кровопостачання, лінійну та об’ємну швидкість плину крові у капілярах. Внаслідок обмеження рухливості та зменшення кровообігу послаблюється механостимуляція ендотелію судин, зменшується виділення ендотеліальних факторів, які відповідають за локальну регуляцію метаболізму. Вміст ПТГ виявив тенденцію до підвищення. Рівень креатиніну у сироватці крові тварин цієї групи не змінювався. Звертає на себе увагу те, що активність лізосомальних ферментів КТ тварин з обмеженням рухливості у природному газовому середовищі, за нашими даними, практично не змінювалася. Вірогідно підвищувалася лише концентрація уронових кислот у КТ, що є характерною ознакою порушення стану ГАГ, які забезпечують міцність функціональних зв’язків між елементами єдиного комплексу ГАГ-колаген-гідроксиапатит. Це може свідчити про те, що у дорослих тварин через 28 діб дефіциту рухової активності переважно активуються процеси руйнування КТ. У щурів ІІІ групи, які також знаходилися в стані гіпокінезії, але дихали ШГС зі зниженим Ро2, активність ЛФ у сироватці крові вірогідно підвищилася в 1,5 рази. Активність КФ і ТРКФ у сироватці крові, незважаючи на обмеження рухливості, практично залишалася в межах контрольних величин. Концентрація ГАГ у щурів ІІІ групи, які дихали ШГС, була в 2,2 рази нижчою порівняно з тваринами ІІ групи, що дихали атмосферним повітрям (рис.7). Такі відмінності реакції біохімічних маркерів матаболізму КТ на обмеження рухливості при диханні тварин атмосферним повітрям та ШГС зі зниженим вмістом кисню дають підстави вважати, що дозована гіпоксія здатна попереджувати або усувати значну частину негативних наслідків гіпокінезії. На відміну від молодих тварин, моделювання жорсткої гіпокінезії протягом 45 діб в атмосферному повітрі у дорослих щурів не призводить до таких істотних змін біохімічних показників ні в сироватці крові, а ні в КТ. Вірогідно, що у дорослих тварин баланс між процесами формування і резорбції КТ більш сталий, ніж у молодих щурів, яким фізіологічно необхідна висока рухова активність. Проте, у них зростала концентрація ПТГ у сироватці крові та знижувалася активність ЛФ у КТ. Це може свідчити про наявність певних вікових особливостей процесів резорбції КТ у дорослих тварин на фоні більш сталого підтримання балансу процесів фізіологічного руйнування і формування КТ у зрілому віці. Поєднана дія гіпокінезії та дозованої гіпоксії протягом 45 діб викликала істотні зміни стану КТ у щурів VI групи порівняно з тваринами V групи, які в умовах гіпокінезії дихали атмосферним повітрям. Про це свідчить, зокрема, вірогідне підвищення КФ у 1,5 рази у сироватці крові, концентрації ГАГ в 1,3 рази. Вміст креатиніну знижувався як у тварин V групи, так і VI групи у 1,5 і 2,2 рази відповідно (P<0,05). У КТ тварин VI групи відзначили тенденцію до підвищення активності ЛФ, зниження ГА і вірогідне зменшення концентрації уронових кислот. Активність КФ у КТ досліджуваних тварин VI групи, не зважаючи на обмеження рухливості, залишалася на фізіологічному рівні. Фенотипові особливості реагування щурів на обмеження рухливості та дію дозованої гіпоксії. Відомо, що як серед тварин, так і серед людей є індивіди з різною фенотиповою спонтанною руховою активністю. Це дає підстави вважати, що обмеження рухливості може по-різному впливати на індивідів з високою (ВР) та низькою руховою (НР) активністю. Тварини зі спадково детермінованою низькою рухливістю повинні менше реагувати на гіпокінезію та аксіальне розвантаження задніх кінцівок. Встановлено, що у молодих НР щурів з обмеженням рухливості в атмосферному повітрі протягом 45 діб активність ЛФ у сироватці крові підвищувалася в 1,6 рази, КФ – у 2 рази, ТРКФ – у 3,1 рази. Концентрація ГАГ знижувалася у 2,3 рази, а ПТГ зростала в 1,7 рази. Заміна атмосферного повітря на ШГС зі зниженим Ро2, незважаючи на таке ж тривале обмеження рухливості, нормалізує всі вищеописані показники у щурів з НР, повністю чи частково, повертаючи їх до вихідних величин. Відновлення відбувається в середньому до 90% норми. У ВР молодих щурів з обмеженням рухливості в середовищі атмосферного повітря активність КФ, що характеризує ступінь резорбції КТ, зросла у 2,3 рази, а ТРКФ — у 3,3 рази. Якщо відхилення показників у НР тварин становили в середньому 150% від вихідних значень, то загальна реакція фенотипово ВР тварин за тим же показником виявила більш високу амплітуду відхилень. Варто звернути увагу на різницю основного показника активності остеобластів — ЛФ. У тварин з НР фенотипом після обмеження рухливості її активність зросла до 160% від контролю. У ВР тварин за тих же умов активність ЛФ становила лише 117%, тобто практично не змінилася на фоні того, що істотно зросла активність остеокластів — КФ (до 230%). Співвідношення ЛФ/КФ та ЛФ/ТРКФ також підтверджує наявність істотної різниці у балансі процесів відновлення та руйнування у обох фенотипових варіантах щурів лінії Вістар. Заміна газового середовища на ШГС зі зниженим Ро2 повернула активність досліджуваних ферментів до вихідних значень, а концентрація ГАГ підвищилася в1,5 рази , ПТГ – у 2 рази. Таким чином, 45-добове обмеження рухливості в умовах періодичного дихання ШГС зі зниженим Ро2 сприймається молодими тваринами з НР значно краще, ніж щурами з ВР. Вплив примусового обмеження рухливості та ШГС на тварин з ВР як за абсолютними показниками змін, так і за статистичним критерієм знаків виявив більш суттєві відхилення від вихідних величин більшості показників. Певні переваги фенотипово НР субпопуляції в умовах вимушеної гіпокінезії молодих щурів добре ілюструє різниця показників співвідношення формування та руйнування за коефіцієнтами ЛФ/КФ та ЛФ/ТРКФ. При вихідному значенні першого 0,69, під впливом обмеження рухливості він знизився до 0,56, а в умовах поєднаної дії обмеження рухливості та ШГС – зріс до 0,80, тобто перевищив вихідну величину на 16%. Така реакція дозволяє стверджувати, що гіпоксична стимуляція, незважаючи на 45-добову гіпокінезію, відновлює фізіологічний баланс процесів ремоделювання КТ у цій субпопуляції. Майже аналогічну реакцію засвідчують показники коефіцієнту ЛФ/ТРКФ: 2,06 (100%) – 1,06 (51% після гіпокінезії) – 1,49 (72% відновлення) після поєднаного депресуючого процес ремоделювання впливу гіпокінезії та стимулюючого КТ впливу дозованої гіпоксії. Різниця в реакціях ВР та НР молодих тварин особливо виразно проявилася після впливу на них поєднаної дії гіпокінезії та гіпоксії. Так, активність ЛФ у НР щурів знизилася на 18%. Аналогічна реакція у ВР молодих тварин виявилася майже втричі більшою і становила 43% від вихідного значення. Аналогічно змінювалися показники концентрації ГАГ. У НР молодих щурів концентрація ГАГ знизилася на 12%, а у ВР тварин – зросла на 49%. Концентрація ПТГ в сироватці крові НР молодих щурів зросла на 28%, в той час як у ВР тварин вона підвищилася у 3,5 рази. Дорослі щури з НР і ВР майже однаково реагували на 45-добове обмеження рухливості в атмосферному повітрі. У дорослих щурів відмічено лише зростання концентрації ПТГ (у НР і ВР щурів) і зниження активності ЛФ у КТ у цілому по групі. Такий ефект свідчить про наявність активних процесів резорбції кістки як у НР, так і ВР тварин. Застосування ШГС зі зниженим Ро2 для дорослих щурів не дало такого виразного позитивного ефекту, як у молодих тварин. Біологічні ефекти гіпоксичної преадаптації. З метою визначення максимально ефективного способу подачі ШГС зі зниженим Ро2 для профілактики явищ дефіциту навантаження у молодих і дорослих щурів проведено спреціальні дослідження з застосуванням принципу преадаптації (прекондиціювання). До початку обмеження рухливості щури ІІ і V групи протягом 14 діб дихали ШГС зі зниженим Ро2. У цей період часу їх рухливість не обмежувалася. Через 2 доби після закінчення курсу преадаптації (прекондиціювання) тварин переводили на 28 діб в умови жорсткої гіпокінезії в атмосферному повітрі. Щурам ІІІ, VІ груп протягом 14 діб також здійснювали прекондиціювання, а через 2 доби їх переводили в умови жорсткої гіпокінезії з диханням ШГС зі зниженим Ро2. , 0 O , . . 0 ? ? O O Oe O U Ue TH a ` E I & ? ? ? ? ? ›kd ? ?? ? ? ????? ?? ?? ? ? ? A ?? ?? , . ? ?? ?? " * Iтенденцію до підвищення. У кістковій тканині ГА не змінювалася у тварин ІІ групи і дещо підвищувалася у щурів ІІІ групи. Водночас концентрація ГАГ у цих тварин зростала у 4,2 і 3,2 рази відповідно порівняно з контролем. Тобто у молодих щурів преадаптація істотно змінювала реакцію КТ на обмеження рухливості. У дорослих щурів V і VІ груп активність ЛФ, КФ, ТРКФ у сироватці крові і КТ не змінювалася порівняно зі значеннями у тварин контрольної групи (ІV). Гіалуронідазна активність мала тенденцію до підвищення у сироватці крові як у щурів V групи так і VІ групи. У кістковій тканині ГА вірогідно знижувалася у 3,3 рази (V група) і 4,2 рази (VІ група) порівняно з контрольними значеннями. Концентрація ГАГ у сироватці крові знизилася у 2,1 рази у щурів V групи і не змінювалася у тварин VІ групи відносно контрольних значень. Як показали проведені експерименти, прекондиціювання дорослих щурів у ШГС зі зниженим Ро2 позитивно впливає на стабільність показників стану КТ тварин, що перебували 28 діб в умовах жорсткої гіпокінезії та дихали атмосферним повітрям. Подовження строку перебування у ШГС зі зниженим Ро2 не погіршує, а навіть дещо поліпшує показники ремоделювання КТ. У молодих щурів гіпоксичне прекондиціювання і подальше дихання ШГС зі зниженим Ро2 зменшує прояви дисбалансу біохімічних показників формування і руйнування у КТ. Для вивчення можливості усунення наслідків гіпокінезії у четвертій серії експерименту було використано метод дозованої кисневої депривації у режимі: 10 хв.- ШГС зі зниженим Ро2, 20 хв. – атмосферне повітря (10/20). Показано, що такий режим стимуляції остеогенезу нормалізуєї значну частину досліджуваних показників. Так, концентрація остеокальцину у сироватці крові щурів ІІІ групи після курсу сеансів дозованої гіпоксії вірогідно знизилася у 1,2 рази. Рівень ПТГ, С-термінального пропептиду колагену І типу виявляв тенденцію до підвищення. Концентрація ГАГ у сироватці крові залишалася у 1,5 рази підвищеною порвняно з контрольними значеннями. Активність ТРКФ у сироватці крові була значно нижчою порівняно із показниками у тварин, що знаходилися в умовах обмеження рухливості і дихали атмосферним повітрям, але залишалася вірогідно підвищеною (на 140%, P<0,05) відносно значень контрольної групи. Таким чином, за допомогою дозованої кисневої депривації у режимі 10/20 вдалося вдвічі знизити активність ТРКФ, викликаної попереднім обмеженням рухливості та наблизити її до значень типових для контрольних тварин. Наведені дані свідчать, що у молодих щурів з обмеженням рухливості протягом 28 діб, які дихали атмосферним повітрям, вірогідно підвищувалася активність КФ і ТРКФ у сироватці крові, тоді як у КТ активність КФ і ЛФ мала тенденцію до зниження порівняно з контрольними значеннями. Наступний період посткондиціонуючого впливу ШГС виявив нормалізацію показників стану КТ. Біохімічні показники ремоделювання кісткової тканини при аксіальному розвантаженні задніх кінцівок щурів. Результати проведених досліджень показали, що після 28-добового АРЗК щурів в атмосферному повітрі суттєво порушується рівень багатьох показників стану КТ, у тому числі і основного показника ступеню упорядкованості колагену – наявності достатньої кількості молекул глікозаміногліканів. Після 28-добового АРЗК у сироватці крові тварин концентрація ГАГ підвищилася на 53,3% (P<0,05). Дихання ШГС зі зниженим Ро2 (76±10 мм рт. ст.) у трьох досліджуваних режимах (20/20, 10/20, 10/10 хвилин) повністю нормалізувало зрушення концентрації ГАГ при розвантаження задніх кінцівок (табл.5, рис.8). Рис. 8. Концентрація глікозаміногліканів у сироватці крові контрольних тварин (І) та щурів з аксіальним розвантаженням задніх кінцівок, які дихали атмосферним повітрям (ІІ) або ШГС зі зниженим Ро2 у різних режимах (ІІІ -20/20, IV -10/20, V -10/10 хвилин). *– статистично вірогідні ефекти порівняно з І групою, Р<0,05 Що стосується інших, не менш важливих показників процесу ремоделювання, то експерименти показали таке. Активність КФ і ТРКФ у щурів з АРЗК у атмосферному повітрі вірогідно збільшилася на 263,8% і 361,6% відповідно порівняно з контрольними значеннями (рис.9). КФ ТРКФ Рис. 9. Активність кислої і тартратрезистентної кислої фосфатази у сироватці крові контрольних тварин (І) та щурів з аксіальним розвантаженням задніх кінцівок, які дихали атмосферним повітрям (ІІ) або ШГС зі зниженим Ро2 у різних режимах (ІІІ-20/20, ІV-10/20, V-10/10 хвилин). *– статистично вірогідні ефекти порівняно з І групою, (Р<0,05). Газова суміш зі зниженим Ро2, яку подавали у режимі 20/20, сприяла значному зниженню активності КФ у сироватці крові щурів ІІІ групи, але недостатньо для того, щоб отримані дані не відрізнялися від контрольних значень. Разом з тим виявлено, що подача ШГС у режимі 10/20 повністю нормалізувала цей показник, а у режимі 10/10 навіть надмірно зменшила активність КФ і ТРКФ у сироватці крові тварин ІІІ, IV, V груп (рис.9). Дослідження, проведені, на тих же тваринах показали, що концентрація ПТГ проявляла тенденцію до підвищення як у щурів з АРЗК у атмосферному повітрі, так і при диханні ШГС зі зниженим Ро2 (табл.5). Таблиця 5 Біохімічні показники стану кісткової тканини молодих щурів після 28-добового розвантаження задніх кінцівок (ІІ) та під впливом режимів подачі ШГС (ІІІ – 20/20, IV – 10/20, V – 10/10 хвилин , М±m). Показники І група n=19 ІІ група n=12 ІІІ група n=12 ІV група n=6 V група n=6 Сироватка крові: Лужна фосфатаза, МО/л 99,97 ±3,209 100,28 ±3,916 87,27 ±3,586 85,82 ± 6,515 75,06 ± 4,132* Остеокальцин, пг/мл 3,67 ± 0,105 5,52 ±0,141* 5,63 ± 0,196* 3,74 ± 0,083 3,03 ± 0,212 С-термінальний пропептид колагену І типу, пг/мл 7,94 ± 0,267 13,10 ± 0,997* 10,74 ± 0,412 8,47 ± 0,687 7,18 ± 0,200 Кисла фосфатаза, МО/л 38,14 ± 3,123 138,74 ±7,087* 65,07 ± 2,689* 38,12 ± 2,832 29,21 ± 2,862 Тартратрезистентна кисла фосфатаза, МО/л 19,21 ± 2,536 88,68 ± 5,389* 4,31 ±0,903 12,96 ± 1,316* 12,18 ± 1,087* Глікозаміноглікани, г/л 0,15 ± 0,01 0,23 ± 0,014* 0,15 ±0,007 0,13 ± 0,008 0,13 ± 0,005 Паратиреоїдний гормон, нг/мл 37,74 ± 5,862 184,31 ±46,303 59,18 ±17,670 183,93 ±61,752 41,69 ± 0,704 Креатинін, мкМ/л 182,74 ± 8,553 97,57 ± 4,558* 107,41 ± 4,610* 417,10 ±15,106* 149,05 ± 10,378* Кісткова тканина: Лужна фосфатаза, мкМ /хв· г 0,52 ± 0,047 0,50 ± 0,033 0,43 ± 0,042 0,85 ±0,165 0,56 ± 0,058 Кисла фосфатаза, мкМ /хв· г 0,015 ± 0,003 0,021 ± 0,003 0,02 ± 0,005 0,041 ± 0,009* 0,013 ± 0,001 Гіалуронідазна активність, мкМ /хв· г 0,18 ± 0,018 0,26 ± 0,037 0,22 ± 0,042 0,21 ± 0,020 0,19 ± 0,014 Креатинін у сечі, мкМ/добу 0,086 ± 0,0015 0,15 ± 0,023* 0,07 ± 0,012 0,07 ± 0,022 0,07 ± 0,050 * – вірогідність зміни порівняно з ІV групою (Р<0,05) Вміст креатиніну в сироватці крові вірогідно зменшувався в межах від 18% до 40% у тварин ІІІ та V груп. У щурів ІV групи рівень креатиніну підвищувався на 128,2% (P<0,05, табл.5). У щурів з АРЗК в атмосферному повітрі збільшилася екскреція з сечею креатині на 87,5% (P<0,05). Для перевірки ефективності нормалізуючих впливів ШГС зі зниженим Ро2 визначали рівень екскретованого креатиніну у сечі у щурів ІІІ, ІV, V груп. Дихання дозованою гіпоксичною сумішшю сприяло нормалізації цього показника з максимальним наближенням до вихідного рівня (81%) у тварин, що одержували ШГС у режимі 10/20 та 10/10 хвилин . При АРЗК у щурів ІІІ, ІV групи в ШГС зі зниженим Ро2 спостерігали тенденцію до зниження активності ЛФ сироватки крові. У тварин, які дихали ШГС у режимі 10/10 хвилин (V група) це зниження було статистично вірогідним (P<0,05, табл.5). Концентрація остеокальцину в сироватці крові щурів після 28-добового АРЗК в атмосферному повітрі вірогідно підвищилася на 50% (P<0,05). Подача гіпоксичної газової суміші в режимі 20/20 хвилин дала майже таку саму реакцію. Проте, дихання ШГС у режимі 10/20 хвилин дозволило нормалізувати рівень остеокальцину, незважаючи на розвантаження задніх кінцівок (рис.10). Рис. 10. Концентрація остеокальцину у сироватці крові контрольних тварин (І) та щурів з аксіальним розвантаженням задніх кінцівок, які дихали атмосферним повітрям (ІІ) або ШГС зі зниженим Ро2 у різних режимах (ІІІ-20/20, IV-10/20, V-10/10 хвилин). *– статистично вірогідні ефекти порівняно з І групою, (Р<0,05). Кількість С-термінальних пропептидів колагену І типу у сироватці крові тварин ІІ групи підвищилася на 65% (P<0,05). У щурів ІІІ і IV групи цей показник мав тенденцію до збереження високого рівня, проте по мірі збільшення числа циклів дереоксигенація/реоксигенація почав зменшуватися від 135 до 106 у IV групі і 90% у V групі, тобто навіть знизився відносно контрольних значень (табл.5). Активність ЛФ у КТ щурів з АРЗК як у атмосферному повітрі, так і при гіпоксичному стимулюванні, зважаючи на індивідуальні варіації вірогідно не змінювалася відносно контрольних значень, що свідчить про достатню стабільність біохімічних маркерів процесів формування КТ. Активність лізосомальних ферментів КФ і ГА у кістковій тканині мала тенденцію до підвищення у тварин з АРЗК у атмосферному повітрі, що також зрозуміло із спрямованості редуктивної адаптації. При гіпоксичному стимулюванні в режимі 10/20 хвилин активність КФ зростала на 173% (P<0,05). Проте, режими подачі ШГС 20/20 та 10/10 хвилин дозволили нормалізувати активність КФ і ввести її майже в межі вихідних величин – 87% від вихідного значення для тварин V групи (табл.5). Отже, відсутність аксіального навантаження на задні кінцівки щурів ініціює встановлення нової динамічної рівноваги між процесами формування та руйнування КТ. Підвищення активності КФ і ТРКФ, концентрації ГАГ та вмісту ПТГ у сироватці крові свідчать про перевагу процесів резорбції, що зумовлює розвиток деструктивних процесів у КТ яка перестає виконувати свої опорні функції. Як показали проведені досліди, у більшості випадків дихання ШГС і стабілізуючий вплив дозованої гіпоксії дозволяють зберегти КТ у близькому до фізіологічної норми стані, не зважаючи на 28-добове безопорне положення задніх кінцівок. Порівняння різних режимів впливу ШГС свідчить, що найбільш сприятливим для КТ щура є співвідношення тривалості деоксигенації/оксигенації 10/10 та 10/20 хвилин. Не виключено, що можуть бути і інші співвідношення, що виявляться достатньо ефективними. Разом з тим одержаний матеріал дає підстави стверджувати, що ШГС спроможна за деякими показниками – повністю, а за іншими – частково усувати негативні наслідки АРЗК лабораторних тварин, аналогічно тому, що було показано у випадках моделювання гіпокінезії. Гістоморфометрія КТ щурів при модельованій гіпокінезії. Дослідження зразків кісток у скануючому електронному мікроскопі показало, що просторова структура трабекулярної кістки - метафізів стегнових кісток молодих щурів, що знаходилися в умовах обмеження рухливості, значно змінена в порівнянні з контролем (рис.11 а, б). Рис. 11. Структура трабекулярної кістки щурів: а – віварний контроль; б – гіпокінезія в атмосферному середовищі; в- гіпокінезія в газовому середовищі зі зниженим Ро2. Сканограма. Лінійна мітка відповідає 1 мм. Трабекули первинної спонгіози, які включали ділянки кальцифікованого матриксу хряща, вкритого шаром кістки, у нормі характеризуються невеликими поперечними розмірами (близько 33 мкм). Обмеження рухливості у щурів спричиняє візуальне потоншення трабекул. Об’єм вторинної спонгіози з боку кістково-мозкової порожнини значно зменшується. Трабекули, які залишилися, не мають звичайної для цієї ділянки поздовжньої орієнтації, їх спрямованість стає хаотичною, а товщина майже на 25% знижена в порівнянні з контролем. У щурів, що перебували в умовах гіпокінезії з дозованою подачею ШГС зі зниженим Ро2, об’єм трабекулярної кістки також знижений у порівнянні з контролем, але в меншому ступені. Просторова структура трабекулярної кістки змінена в меншій мірі (рис.11, а, в). Трабекули в первинній спонгіозі вужчі, ніж у щурів з обмеженням рухливості в атмосферному повітрі. Простір, який займала вторинна спонгіоза, приблизно відповідає тому, що спостерігається в контролі. Однак, питома щільність трабекул знижена за рахунок меншої товщини трабекул (68,0 проти 86,3 мкм) у контролі (Р<0,05) і більшої відстані між ними. Аксіальна орієнтація трабекул уздовж довгої осі кістки збережена. Різниця у структурі кальцифікованого хряща і трабекулярної зони дистальних метафізів стегнових кісток показана на рис.12. Відновлення структури органічного матриксу після впливу ШГС добре ілюструється подібністю патернів “а” і “в”, на відміну від стану “б”, що характеризує негативний вплив обмеження рухливості. Рис.12. Сканограма метафізів стегнових кісток щурів: а – віварний контроль; б – гіпокінезія в атмосферному середовищі; в- гіпокінезія в газовому середовищі зі зниженим Ро2. Збільшення х 60. Результати виміру гістоморфометричних показників стегнової кістки у щурів, що знаходилися протягом 28 діб в умовах обмеження рухливості в атмосферному середовищі, гіпокінезії при дозованому зниженню вмісту кисню та віварному контролі наведено в таблиці 6. Висота епіфізарного хряща, який оцінено за кількістю хондроцитів, у щурів, що знаходилися в умовах гіпокінезії при зниженому парціальному тиску кисню приблизно на 20% менше в порівнянні з тим, що спостерігається у щурів з обмеженням рухливості при звичайному складі повітря і щурів, які знаходились в умовах віварію. Така ж тенденція виявляється при оцінці висоти епіфізарного хряща по лінійних розмірах, хоча розходження статистично не вірогідні. Довжина області кальцифікованого хряща в метафізах змінюється пропорційно розмірам зони росту. Це видно з оцінок, отриманих за допомогою скануючої електронної мікроскопії: 147,5 ± 21,0; 145,0 ± 12,9; 118,8 ± 13,1 (мкм) у контролі, при гіпокінезії в атмосферному повітрі та при обмеженні рухливості в умовах дозованої гіпоксії відповідно. Питомий обсяг трабекул первинної спонгіози у щурів після обмеження рухливості зберігається приблизно на рівні контролю, тоді як через сильну редукцію об’єму підрахунок цього показника для вторинної спонгіози виявився неможливим. Гістологічна картина свідчить про пригнічення остеогенезу. Остеобласти не покривають усієї поверхні трабекул і в більшості мають сплющену форму. Це свідчить про відсутність активного синтезу органічних компонентів кісткового матриксу. Остеокласти досить численні і локалізовані, головним чином, у ділянці вторинної спонгіози. Розширені міжтрабекулярні простори заповнені клітинами кісткового мозку. Серед клітин кісткового мозку відносно висока кількість жирових клітин, що можна розглядати як показник зниження активності кровотворення при обмеженні рухливості в порівнянні з контролем. Таблиця 6. Гістоморфометричні показники структури стегнової кістки щурів Серія експери- менту Висота зони росту Питомий об’єм трабекулярної кістки Товщина кісткового цилиндра (мм) М + m число клітин ( М + m) мм ( М+ m ) первинна спонгіоза (%) вторинна спонгіоза (%) Віварный контроль 14,9 + 2,2# 0,29 + 0,05 36,8 + 0,4‡ 38,7 + 4,6† 0,4 + 0,02 Гіпокінезія 14,8 + 0,7* 0,26 + 0,02 33,8 + 1,3‡ - 0,32 + 0,07 Гіпокінезія + гіпоксия 11,9 + 0,6*# 0,25 + 0,04 - 23,6 + 6,4† 0,32 + 0,04 Оцінки дані як середні М+m для трьох тварин. Відмінності між показниками, позначеними однаковими символами (#, *,‡,†), вірогідні за критерієм Стьюдента (Р< 0,05). У щурів з гіпокінезією, що дихали ШГС зі зниженим вмістом кисню, навпаки виявилося можливим кількісно оцінити тільки об’ємну щільність вторинної спонгіози. Цей показник виявився на 39% вище відносно контролю. Ознаки зниження функціональної активності остеогенних клітин виявляються в меншому обсязі, ніж при гіпокінезії в умовах атмосферного повітря. Остеокласти в ділянці метафазу численні не тільки поблизу кістково-мозкової порожнини, але і безпосередньо в ділянках резорбції кальцифікованого хряща під ростовою пластинкою, що свідчить про стимулюючу дію ШГС при гіпокінезії. Гістоструктура діафіза стегнової кістки не змінена. Зниження середніх показників товщини стінки кісткового циліндру в середині діафіза в обох експериментальних групах щурів з гіпокінезією розрізнялися статистично невірогідно і можуть розглядатися лише як тенденція. Вимір відносного вмісту кальцію в діафізах стегнових кісток за допомогою рентгенівського мікроаналізу також не виявив істотних розходжень у рівні мінералізації (рис.13). Тангенс кута нахилу кривої вмісту кальцію на межі з кістково-мозковою порожниною склав: 0,9; 0,5; 1,1 і з боку періостальної поверхні: 1,0; 1,6; 1,0 відповідно для віварного контролю, гіпокінезії в атмосферному повітрі або газовому середовищі зі зниженим Ро2. Цей показник відбиває швидкість зростання вмісту кальцію від поверхні всередину кістки, залежить від рівня мінералізованості компактної кістки і товщини слабо мінералізованого поверхневого шару. Видно, що вплив ШГС наблизив цей показник до рівня контролю на внутрішній поверхні кістки, що може свідчити про стабілізуючий вплив дозованої гіпоксії на ендостальний остеогенез і його домінування в цих умовах над періостальним остеогенезом. Рис.13. Сканограма з накладенням кривої вмісту кальцію, обмірюваного по виділеній лінії з боку медулярної поверхні в діафізі стегнових кісток щурів: а – віварний контроль; б – гіпокінезія в атмосферному середовищі; в- гіпокінезія в газовому середовищі зі зниженим Ро2. У тварин контрольної групи чітко виражена зональна будова діафізів, добре виражені ділянки зовнішніх і внутрішніх генеральних пластин, остеонний шар. Зі збільшенням віку тварин відбувається незначне зростання загальної ширини компактного шару з пропорційним розширеням усіх його ділянок. Діаметри остеонів і їх каналів зі збільшенням віку зменшуються. У дорослих контрольних тварин на поперечних зрізах діафізів зростали площа кортикального шару і кістково-мозкової порожнини. Після 45-добової гіпокінезії у молодих тварин ІІ групи встановлено значне збільшення ширини зони зовнішніх оточуючих пластин (майже у 1,5 рази). Відзначена тенденція до збільшення ширини остеонного шару при незмінній загальній ширині кортикального шару діафіза, що свідчить про порушення дозрівання пластинчатої КТ. Вірогідних розбіжностей у показниках гістоморфометрії поперечного зрізу середини діафіза стегнової кістки дорослих щурів ІІ групи практично не спостерігали. Площі поперечного зрізу кортикального шару діафізів у молодих тварин ІІ групи перебільшували контрольні значення на 7,69% через 28 діб і на 6,55% (Р<0,05) через 45 діб. Площі поперечного зрізу кістково-мозкової порожнини, навпаки, зменшувалися, що підтверджує висунуте вище припущення. У дорослих щурів в тих же умовах вірогідні відхилення після гіпокінезії спостерігали лише для діаметрів каналів остеонів, які після 45 діб експерименту виявлялися розширеними і перебільшували контрольні значення на 41,4% (збільшення діаметру каналу остеона – одна з ознак старіння). При поєднаній дії гіпокінезії та ШГС зі зниженим Ро2 у молодих щурів гістоморфологічні параметри середини діафізів стегнових кісток не відрізнялися від контрольних значень. Це можна розцінювати як компенсацію негативного впливу обмеження рухливості гіпоксичним збудженням метаболізму. Вимірювання площі компактної речовини і кістково-мозкового каналу показало, що через 28 діб відхилення в цій групі були аналогічні результатам у щурів ІІ групи: збільшення площі компактної речовини на 7,36% і зменшення площі кістково-мозкової порожнини на 7,27%. Однак, через 45 діб площа поперечного зрізу компактної речовини вже була на 5,65% менша контрольної. Це свідчить про прискорене формування пластинчастої КТ і згладжування проявів дії гіпокінезії. У дорослих тварин дихання ШГС зі зниженим Ро2, на відміну від молодих тварин, лише частково компенсувало дію гіпокінезії. Діаметри остеонів перебільшували контрольні на 24,79% і 25,99% відповідно двом термінам дії гіпокінезії. Аналогічно змінювався і діаметр каналів остеонів. Дослідження поперечного зрізу середини діафіза показало тенденцію до збільшення площі компактної речовини і зменшення площі кістково-мозкової порожнини. Це можна розглядати як підтвердження уповільнення дозрівання пластинчатої кістки. Після гіпокінезії у молодих і дорослих тварин спостерігали тенденцію до звуження епіфізарних хрящів, більш виразну в молодих. Дія обмеження рухливості призводить до звуження дистальних епіфізарних хрящів стегнової кістки зі зменшенням об’ємного вмісту первинної спонгіози у зоні первинного остеогенезу. Амплітуда відхилень більша у молодих тварин ІІ групи. Гіпоксичне стимулювання в значній мірі гальмує розвиток негативних наслідків обмеження рухливості. Гальмівний ефект більш виражений у молодих тварин. Гістологічна будова середини діафізів змінюється несуттєво, а епіфізарних хрящів, навпаки, більш виразно. Це фізіологічно виправдано, бо епіфізарний хрящ — реактивна зона. Губчаста речовина кістки реагує на зміни умов існування активніше, ніж компактна. Між тим, у молодих тварин відхилення проявлялися у розширенні зони зовнішніх генеральних пластин і остеогенного шару через 45 діб, а також у збільшенні компактної речовини і зменшення площі кістково-мозкової порожнини. Такі зміни можна розцінювати як сповільнення дозрівання пластинчастої кістки. У дорослих тварин обмеження рухливості супроводжувалося лише збільшенням розмірів каналів остеонів. Це може свідчити про вікові відмінності реакції на гіпокінезію дорослих тварин. Гіпоксична стимуляція гальмує процеси розвитку остеопенії бездіяльності у молодих щурів. У дорослих цей ефект маскується більш стабільним балансом остеогенезу та остеодеструкції, віковим зниженням інтенсивності фізіологічної регенерації та споживання кисню, що обмежує можливості адаптивної реконструкції кісткової тканини. ОБГОВОРЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕННЯ Аналіз одержаних результатів досліджень дозволяє побудувати схему початкових етапів адаптивних змін КТ до умов гіпокінезії та модельованої мікрогравітації. Дефіцит навантаження позбавляє КТ фізіологічного обсягу декількох важливих чинників. До них необхідно віднести аферентну сигналізацію в ЦНС від механорецепторів м’язів та окістя, гравірецепторів КТ та пропріорецепторів. Крім того, стан гіпокінезії або мікрогравітації обмежує місцеву регуляцію кровообігу та метаболізму, яка пов’язана з п’єзоелектричними явищами, гідродинамічними ефектами, виділенням ендотеліальних вазоактивних факторів, кінінів та клітинних факторів росту. Як показано в наших дослідженнях дефіцит навантаження підвищує концентрацію ПТГ, який безпосередньо впливає на активність остеокластів та остеобластів. Зміни, що відбуваються у КТ щурів з обмеженням рухливості або АРЗК в атмосферному повітрі можна відобразити схемою (рис.14). ГІПОКІНЕЗІЯ Рис.14. Послідовність етапів та механізми розвитку остеопенії бездіяльності. Структурний механізм процесу, з нашої точки зору, полягає у послабленні зв’язків між елементами комплексу ГАГ–колаген-гідроксиапатит та подальшому його руйнуванні. Деструкція комплексу є початком порушення фізіологічної послідовності наступних етапів ремоделювання КТ. У кінцевому результаті ланцюг цих реакцій ініціює порушення фізіологічної структури та біомеханічних властивостей КТ. Взаємозв’язки органічного матриксу та мінерального компоненту схематично зображено на рис.15. Колаген у КТ переважно знаходиться у складі колагенових фібрил, згрупованих у волокна. З цих волокон за участю протеогліканів створюється єдиний комплекс ГАГ–колаген-гідроксиапатит. ГАГ (структурний компонент протеогліканів) відіграють роль інтерфібрилярної цементуючої речовини, від якої залежать міцність, пружність і біомеханічні властивості КТ. Мінеральні кристали гідроксиапатиту являють собою тонкий шар фосфату кальцію, розміщеного між фібрилами колагену. Тобто існує тісний взаємозв’язок мінерального і органічного компонентів КТ. Вважаємо, що зміни стану цього комплексу починаються з порушення зв’язку між фібрилами колагену та ГАГ. У результаті щільність упаковки волокон колагену зменшується, втрачається частина поперекових зшивок колагену, що призводить до вивільнення кристалів гідроксиапатиту. Рис.15. Схема клітинно-молекулярних механізмів розвитку адаптивних змін кісткової тканини в умовах. Дефіцит механічного навантаження, незалежно від того відбувається він в умовах земного тяжіння чи у стані мікрогравітації, викликає відповідну адаптаційну редукцію КТ. Тому, найбільш перспективними для відновлення процесів фізіологічного ремоделювання КТ можуть бути саме методи адаптаційної медицини. Вони пов’язані з використанням активуючих стресогенних факторів біомеханічної та біофізичної природи. Ми здійснили спробу застосувати декілька варіантів біофізичної стимуляції КТ з використанням принципу переривчастої нормобаричної гіпоксії шляхом подачі тваринам ШГС у різних режимах. Використання дозованої переривчастої гіпоксії у режимі: 10 хвилин - ШГС зі зниженим Ро2, 20 хвилин – атмосферне повітря (10/20 хвилин) показало, що такий режим стимуляції ремоделювання КТ сприяє нормалізації багатьох досліджуваних показників. Концентрація остеокальцину в сироватці крові щурів ІІІ групи вірогідно знизилася у 1,2 рази. Рівень ПТГ, С-термінального пропептиду колагену І типу мав тенденцію до підвищення. Концентрація ГАГ у сироватці крові зростала у 1,5 рази порівняно з контрольними значеннями. Активність ТРКФ у сироватці крові була значно нижчою порівняно із значеннями у тварин, що знаходилися в умовах обмеженої рухливості і дихали атмосферним повітрям. За допомогою дозованої гіпоксії вдалося майже вдвічі знизити реактивне підвищення активності ТРКФ у щурів після гіпокінезії та наблизити її рівень до значень, типових для контрольних тварин. Наведені дані дають підстави стверджувати, що періодичне застосування нормобаричних газових сумішей з помірно зниженим парціальним тиском кисню може бути одним з немедикаментозних засобів попередження донозологічних форм змін КТ, які виникають у зв’язку з недостатнім фізичним навантаженням і обмеженою рухливістю сучасної людини. В залежності від віку пацієнта цей позитивний ефект може варіювати, що потребує диференційованого дозування ступеня зниження парціального тиску кисню у вдихуваній газовій суміші, тривалості її інспірації та відповідного співвідношення періодів деоксигенації-реоксигенації. Матеріали власних досліджень і дані сучасної літератури дозволяють побудувати схему вірогідних шляхів стимулюючого впливу дозованої переривчастої гіпоксії на процеси фізіологічного ремоделювання КТ при дефіциті навантаження (рис. 16). Гіпокінезія + Гіпоксія Рис.16. Механізми стимулюючої дії дозованої переривчастої гіпоксії на процеси ремоделювання кісткової тканини при дефіциті навантаження. Аналіз даних, отриманих на молодих і дорослих тваринах з АРЗК, які дихали ШГС в різних режимах, дозволяє констатувати, що найбільш сприятливим для КТ щура є співвідношення 10/10 хвилин та 10/20 хвилин. Відновлення КТ у молодих щурів з АРЗК, що дихали ШГС у режимі 30/20 хвилин відбувалося недостатньо.Складається враження, що відносно коротші цикли дозованої кисневої депривації виявляються більш ефективними для активації процесу ремоделювання і відновлення фізіологічного стану КТ. Виходячи з наших даних, варто підкреслити, що для одержання максимально позитивного ефекту від застосування ШГС зі зниженим Ро2 для активації процесів фізіологічного ремоделювання, необхідно враховувати співвідношення тривалості періодів деоксигенації та реоксигенації. Максимальний ефект за нашими даними досягнуто при співвідношенні 1:1 або 1:2 (цикли 10/10 хвилин та 10/20 хвилин). Режим 30/20 хвилин, де період реоксигенації у 1,5 рази коротший по відношенню до періоду деоксигенації, не давав позитивних наслідків. У дорослих тварин при такому режимі подачі ШГС рівень ГАГ залишався підвищеним відносно контролю. Гіпоксичне стимулювання дещо знижувало активність КФ у цих щурів, але вона не досягала рівня контролю. Така реакція може бути результатом недостатнього гальмування активності остеокластів. Відомо, що з віком у дорослої тварини відбувається поступове зниження інтенсивності метаболізму порівняно з молодими щурами. Відзначені зміни стану КТ у цих щурів подібні до розвитку біологічно обумовленого вікового остеопорозу в організмі людини. Певну роль відігріють також ступінь гіпокінезії і її тривалість. Як показали результати проведених досліджень, для попередження остеопенії бездіяльності, може бути успішно застосоване гіпоксичне прекондиціювання. У молодих щурів прекондиціювання і подальше періодичне дихання ШГС зі зниженим Ро2 зменшує прояви деструктивних змін у КТ, викликані обмеженням рухливості. Найбільш ефективним режим прекондиціювання виявився для дорослих щурів. Проведені нами експерименти показали, що прекондиціювання дорослих щурів у ШГС зі зниженим Ро2 позитивно впливає на стан КТ тварин, що 28 діб перебували в умовах жорсткої гіпокінезії при диханні атмосферним повітрям. Збільшення терміну перебування у ШГС зі зниженим Ро2 поліпшує показники досліджуваних біохімічних маркерів ремоделювання КТ, незважаючи на те, що з віком інтенсивність резорбції КТ змінюється. Наведені дані дають підстави вважати, що застосування нормобаричних газових сумішей з помірно зниженим парціальним тиском кисню може бути одним з немедикаментозних засобів боротьби з донозологічними формами змін КТ, які виникають у зв’язку з недостатнім фізичним навантаженням і обмеженою рухливістю сучасної людини. В залежності від віку пацієнта цей позитивний ефект може варіювати, що потребує диференційованого дозування ступеня зниження парціального тиску кисню у вдихуваній газовій суміші та тривалості її інспірації. Наявність принципової тотожності в регуляції процесів регенерації у хребетних надає впевненості, що принцип періодичного саногенного впливу дозованої нормобаричної гіпоксії при оптимальному співвідношенні періодів деоксигенації та оксигенації і дозованій інтенсивності гіпоксичної стимуляції, може бути одним із біофізичних елементів комплексу профілактичних засобів попередження та корекції проявів остеопенії бездіяльності при малорухомому способі життя, недостатньому обсягу фізичних навантажень або у реальних умовах мікрогравітації ВИСНОВКИ В роботі наведено результати досліджень фізіологічних, біохімічних і морфологічних показників стану кісткової тканини за умов дефіциту навантаження. Здійснено аналіз механізмів розвитку остеопенії бездіяльності, експериментальну перевірку різних режимів попередження і корекції негативних наслідків обмеження рухливості та розвантаження задніх кінцівок за допомогою штучних газових сумішей зі зниженим Ро2. Встановлено, що обмеження рухливості у молодих щурів протягом 28 та 45 діб у атмосферному повітрі активує процес адаптивної перебудови зі зменшенням маси кісткової тканини. У крові тварин підвищується концентрація паратиреоїдного гормону, зростає активність лізосомальних ферментів, підвищується концентрація глікозаміногліканів, що свідчить про посилення функціональної активності остеокластів та розвиток процесів редуктивної адаптації. Показано, що обмеження рухливості у дорослих щурів протягом 28 та 45 діб у атмосферному повітрі підвищує активність кислої фосфатази на 60,5%, тартратрезистентної кислої фосфатази на 56,4%, концентрацію глікозаміногліканів сироватки крові на 219,6%, що свідчить про послаблення зв’язків між органічним та неорганічним матриксом кісткової тканини у системі глікозаміноглікани-колаген-гідроксиапатит. У дорослих щурів обмеження рухливості в атмосферному повітрі протягом 45 діб спричиняє менш виразні зміни стану кісткової тканини, ніж у молодих тварин, що є ознакою більш стабільної регуляції процесів ремоделювання кісток у дорослому організмі. Аксіальне розвантаження задніх кінцівок щурів в атмосферному повітрі викликає істотні зміни фізіологічних і біохімічних маркерів ремоделювання кісткової тканини, аналогічно тому, що спостерігається в умовах гіпокінезії та реальної мікрогравітації. Періодичне дихання молодих щурів з обмеженням рухливості газовою сумішшю зі зниженим парціальним тиском кисню (Ро2 = 91±8 мм рт.ст.) забезпечує високий ступінь збереження нормального стану кісткової тканини. У субпопуляції молодих щурів з високою фенотиповою спонтанною руховою активністю в умовах періодичного дихання гіпоксичною газовою сумішшю 45-добове обмеження рухливості викликало більш виразні зміни стану кісткової тканини, порівняно із тваринами з низькою спонтанною руховою активністю. Відновлюючий вплив гіпоксичної газової суміші виявився ефективнішим у тварин з високою спонтанною руховою активністю. У механізмах розвитку остеопенії бездіяльності значну роль відіграє підвищення концентрації паратиреоїдного гормону, який ініціює активацію функцій остеокластів (зростання активності кислої і тартратрезистентної кислої фосфатази, гіалуронідазної активності), та відносне послаблення життєдіяльності остеобластів, про що свідчить зниження активності лужної фосфатази в кістковій тканині, підвищення концентрації глікозаміногліканів і С-термінальних пропептидів І типу у сироватці крові. Преадаптація дорослих тварин в умовах дозованої гіпоксії протягом двох тижнів позитивно впливає на стан кісткової тканини після наступного впливу обмеження рухливості. Порівняння ефективності різних режимів впливу дозованої нормобаричної гіпоксії на щурів з розвантаженням задніх кінцівок виявило чіткі стабілізуючі стан кісткової тканини саногенні впливи при співвідношенні періодів деоксигенації-реоксигенації 10/10 та 10/20 хвилин. Провідним механізмом стабілізації стану кісткової тканини при остеопенії бездіяльності після впливу дозованої гіпоксії може бути підвищення ступеня структурного зв’язку між глікозаміногліканами і колагеновими волокнами в ділянках активної продукції кристалів гідроксиапатиту, про що свідчать нормалізація активності лужної фосфатази, концентрації глікозаміногліканів і С-термінальних пропептидів І типу. 12. Періодичне дихання газовою сумішшю з помірно зниженим парціальним тиском кисню при оптимальному співвідношенні тривалості періодів деоксигенації та реоксигенації і дозованій інтенсивності гіпоксичної стимуляції, може бути одним із біофізичних елементів комплексу профілактичних засобів попередження та корекції проявів остеопенії бездіяльності при малорухомому способі життя, недостатньому обсягу фізичних навантажень або у реальних умовах перебування хребетних у стані невагомості. СПИСОК СТАТЕЙ ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ Березовский В.А., Литовка И.Г., Чака Е.Г., Магомедов С., Мехед Н.В. Биофизическая стимуляция остеогенеза//Проблеми остеології. – 1999. Т.2, №2. – С.12-15. Березовський В.Я., Літовка І.Г., Чака О.Г. Вплив дозованої гіпоксії на розвиток ситуаційної остеопенії// Фізіол. журн. – 2000. – Т.46, №1.- С.10-16. Березовский В.А., Литовка И.Г., Чака Е.Г., Магомедов С., Мехед Н.В. Влияние дозированной гипоксии на метаболизм костной ткани в условиях осевой разгрузки задних конечностей//Космічна наука і технологія. 2000. – Т.6, №2/3. – С.77-84. Березовський В.Я., Літовка І.Г., Чака О.Г., Лахін П.В. Вплив зниженого Ро2 на модуляцію остеодистрофії у щурів за різних статокінетичних умов//Фізіол.журн.- 2001. – Т.47, №1 (частина 2). – С.50-54. Березовская О.П., Литовка И.Г. Остеогенез в условиях гипокинезии и гипоксии//Проблеми екологічної та медичної генетики і клінічної імунології. Збірник наукових праць. – Вип. 6 (45). – Київ; Луганськ; Харків, 2002. – С.19-31. Литовка И.Г. Дозированная гипоксия как фактор коррекции остеопении бездействия//Космічна наука і технологія. – 2002. – Т.8, №4. – С.81-85. Літовка І.Г., Березовська О.П. Киснева депривація як ініціатор остеогенезу при гіпокінезії//Фізіол.журн.–2003.–Т.49, №2. – С.58-65. Літовка І.Г. Ремоделювання кісткової тканини щурів при гіпокінезії різної тривалості//Український медичний альманах. – 2003. – Т.6, №2. – С.171-174. Літовка І.Г. Ремоделювання кісткової тканини у низько- і високоактивних щурів в умовах 45-добової гіпокінезії та впливу дозованої кисневої депривації//Космічна наука і технологія. – 2003. – Т.9, №1. – С.92-95. Літовка І.Г. Катаболічний ефект гіпокінезії та пошук засобів попередження остеодистрофії//Проблеми остеології. – 2003. – Т.6, №1-2. – С.81-82. Літовка І.Г. Ремоделювання кісткової тканини щурів в умовах тривалої гіпокінезії та впливу дозованої кисневої депривації//Проблеми остеології. – 2003. – Т.6, №3. - С.73-74. Літовка І.Г. Вікові особливості реакції кісткової тканини щурів на дозоване зменшення парціального тиску у вдихуваному повітрі//Український медичний альманах. – 2004. – Т.7, №3 (додаток). – С.57-59. Березовський В.Я., Лахін П.В., Літовка І.Г., Сафонов С.Л., Чака О.Г., Безчасна В.О. Моделювання експериментальної остеопенії та розробка технології її профілактики у щурів//Фізіол.журн. – 2004. – Т.50, №5. – С.87-90. Березовський В.Я., Літовка І.Г. Склад повітря та стан здоров’я людини// Медична гідрологія та реабілітація.-2004.-Т.2,№4.– С.4-16. Березовський В.Я., Левашов М.І., Літовка І.Г., Динник О.Б., Ярошенко В.Т. Гіпокінезія та сучасні засоби попередження її негативних наслідків для здоров’я людини//Медична гідрологія та реабілітація. 2004.– Т.2, N3. – С.4-14. Литовка И.Г., Лузин В.И. Применение дозированной гипоксии с целью коррекции негативных последствий гипокинезии//Проблеми екологічної та медичної генетики і клінічної імунології.–Збірник наукових праць.–2004.– Вип.9, N 62.– С. 348-358. Литовка И.Г., Лузин В.И. Особенности гистологического строения диафизов бедренной кости белых крыс различного возраста в условиях гипокинезии и гипоксии//Проблеми екологічної та медичної генетики і клінічної імунології.–Збірник наукових праць.–2004.– Вип.10, N 63.– С. 253-260. Berezovskii V.A., Litovka I.G., Kostyuchenko A.S. Low oxygene tension may defence the bone tissue from unloading simulated osteopenia//J. of Gravitational Physiology. – 2004. – V.11, №2. – Р.153-154. Березовський В.Я, Лахін П.В., Літовка І.Г., Сафонов С.Л., Безчасна В.О., Чака О.Г. Моделювання гіпокінезії у щурів і попередження її негативних наслідків // Фізіол. журн.- 2005.– Т.51, №1.– С.95-98. Березовський В.Я, Літовка І.Г., Костюченко О.С. Дозовані біофізичні впливи стабілізують маркери ремоделювання кісткової тканини при остеопенії розвантаження//Космічна наука і технологія. 2005.–Т.11, N1/2. – С.93-97. Лахін П.В., Чака О.Г., Літовка І.Г. Метод роздільного збору екскрементів у дрібних лабораторних тварин//Медична гідрологія та реабілітація. – 2005. – Т.3, №1. – С.64-67. Березовський В.Я., Левашов О.М., Сафонов С.Л., Левашов М.І., Літовка І.Г. Імпедансометричне тестування компактної кісткової тканини щурів за умов обмеження рухливості//Фізіологічний журнал. – 2005. – Т.51, №5. – С.23-30. Тофан Н.І., Літовка І.Г., Владимиров О.А. Підвищення функціональних резервів організму вагітних за допомогою переривчастої нормобаричної гіпоксичної стимуляції//Медична реабілітація, курортологія, фізіотерапія. – 2005. – Т.1, №4. – С.22-25. Березовський В.Я., Чака О.Г., Літовка І.Г. Вплив переривчастої нормобаричної гіпоксії на біофізичні показники стану кісткової тканини в експерименті//Вісник ортопедії, травматології та протезування. – 2005. - №4. – С.40-44. Березовський В.Я., Динник О.Б., Літовка І.Г. Реактивна гіперемія як показник якості функціонування ендотелію//Медична гідрологія та реабілітація. – 2006. – Т.6, №1. – С.4-11. ВИБРАНІ ТЕЗИ ДОПОВІДЕЙ (2000-2006) Березовський В.Я., Літовка І.Г., Чака О.Г. Моделювання остеодистрофії та її корекція//Фізіол.журн. – 2000. – Т.46, №2 (додаток). – С.111-112. Матеріали ІІІ Національного Конгресу патофізіології України з міжнародною участю присвячені 100-річчю від дня народження акад.АМН СРСР М.М.Горєва. Березовский В.А., Литовка И.Г., Чака Е.Г. Прерывистая гипоксия – метод профилактики остеопении бездействия//Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в экстремальных условиях. В 2-х томах. М.: Фирма “Слово”, 2000. – Т.1. – С.42-44. Материалы Российской конф. Москва, 26-29.ІХ.2000. Berezovsky V.A., Litovka I.G., Magomedov S. Biophysical stimulation of osteogenesis//Material 22 Annual International Gravitational Physiology Meeting. Budapest, 22-27 April, 2001. – P.112. Brik A.B., Atamanenko O.N., Litovka I.G., Scherbina O.I. New approaches for study of mechanisms of bone demineralization due to microgravity//Material 22 Annual International Gravitational Physiology Meeting. Budapest, 22-27 April, 2001. – P.61. Березовський В.Я., Літовка І.Г., Чака О.Г., Лахін П.В. Фізіологічна стимуляція ремоделювання кісткової тканини//Фізіол.журн. – 2002. – Т.48, №2. – С.49. Березовский В.А., Литовка И.Г. Возрастные различия развития экспериментальной остеодистрофии и эффективности ее коррекции.- Москва. – 2002. – С.59-60. Мат-лы ХІІ конф. по космич. биологии и авиакосмич. медицине. 10-14 июня 2002 г., Москва. Оганов В.С., Брик А.Б., Щербина О.И., Калиниченко А.М., Литовка И.Г. О влиянии дефицита опорной нагрузки на взаимосвязь “колаген-кристалл” в костной ткани крыс по данням ЭПР. – Москва, 2002. – С.255-256. Мат-лы ХІІ конф. по космич. биологии и авиакосмич. медицине. 10-14 июня 2002 г., Москва. Литовка И.Г. Аэротерапевтическая стимуляция метаболизма костной ткани. Сборник тезисов II Украинской конф. по перспективным космическим исследованиям. 21-27.09.2002, Кацивели, Крым, 2002. – С.172. Litovka I.G., Berezovskiy V.A. Hypoxic gaz mixture partially compensate negative influences of hypokinesia//24-th Annual International Gravitational Physiology Meeting, 4-9 May, 2003, Santa-Monica, California, USA. Abstract. Березовский В.А., Литовка И.Г. Остеосинтез и остеосорбция как кислородзависимые процессы//Мат-лы Российской конф. с межд. участием “Организм и окружающая среда: адаптация к экстремальным условиям”. Москва, 3-5.ХІ.2003. – С.47-49. Березовский В.А., Левашов М.И., Литовка И.Г. Генетические перспективы космической медицины. Сборник тезисов 3-ей Украинской конф. по перспективным космическим исследованиям. Кацивели, Крым, 2003. – С.46. Berezovskiy V.A., Litovka I.G., Kostyuchenko A.S. Low oxygene tension may defence the bone tissue from unloading simulated osteopenia//25 Annual International Gravitational Physiology Meeting, 6-11 June, 2004, Moscow, Russia. Abstract. Березовский В.А., Левашов М.И., Литовка И.Г. Парциальное давление кислорода как физиологический стимулятор пролиферативных процессов. Научно-практич. конф. с межд. участием “Использование природных и преформированных факторов в восстановительном лечении и реабилитации больных с сердечно-сосудистыми заболеваниями”. Запорожье, 15-17.09.2004 г. – С.9-11. Березовский В.А., Литовка И.Г., Костюченко А.С. Дозированные биофизические воздействия стабилизируют биохимические показатели костной ткани при моделированной остеопении//IV Украинская конф.по космическим исследованиям. Понизовка, Крым, 19-26.09.2004. – С.209. Літовка І.Г. Спосіб дозування ступеню гіпокінезії у лабораторних тварин. Заявка на патент N 200412101. – 2004. Березовський В.Я., Літовка І.Г. Остеопенія – проблема земної і космічної медицини//Сборник тезисов V Украинской конф. по космическим исследованиям. Евпатория, НЦУИКС, Крым, 4-11.09.2005. – С.181. Літовка І.Г., Костюченко А.С., Лахін П.В., Безчасна В.О. Обмеження рухливості щурів та корекція її наслідків//Матеріали ХVІІ з’їзду Українського фізіологічного товариства з міжнародною участю. Чернівці, 18-20.05.2006. – С.218-219. Березовский В.А., Литовка И.Г., Костюченко А.С. Фенотипические особенности реагирования живоных на ограничение подвижности и коррегирующее действие дозированной гипоксии//Космическая биология и Авиакосмическая медицина.13 Российская конф. Материалы. Москва, 13-16.06.2006. – С.36-38. Брик А.Б., Оганов В.С., Атаманенко О.Н., Литовка И.Г., Калиниченко А.М., Багмут Н.Н. Физические модели описывающие процессы деминерализации костей в условиях невесомости//Космическая биология и Авиакосмическая медицина.13 Российская конф. Материалы. Москва, 13-16.06.2006. – С.46-47. Berezovsky W., Litovka I. Phenotypical feature in the adaptability to hypoxy and microgravitation// VIII World Congress of the International Society for Adaptive Medicine (ISAM), Moscow, Russia, 21-24.06.2006.- P.89. АНОТАЦІЇ Літовка І.Г. Адаптивна перебудова кісткової тканини при дефіциті навантаження та механізми її відновлення під впливом дозованої гіпоксичної стимуляції. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук за спеціальністю 03.00.13 – фізіологія людини і тварин. Інститут фізіології ім.. О.О.Богомольця НАН України, Київ, 2006. Дисертація присвячена дослідженню адаптивної перебудови кісткової тканини при дефіциті навантаження та механізмів її відновлення під впливом дозованої гіпоксичної стимуляції. В роботі наведено результати досліджень фізіологічних, біохімічних і морфологічних показників стану кісткової тканини щурів за умов дефіциту навантаження. Здійснено перевірку різних режимів корекції негативних наслідків обмеження рухливості та розвантаження задніх кінцівок за допомогою штучних газових сумішей зі зниженим Ро2. Встановлено, що гіпокінезія у молодих щурів протягом 28 та 45 діб у атмосферному повітрі ініціює процес адаптивної перебудови зі зменшенням маси кісткової тканини. Показано, що у крові тварин підвищується концентрація паратиреоїдного гормону, зростає активність лізосомальних ферментів, підвищується концентрація глікозаміногліканів, що свідчить про посилення функціональної активності остеокластів. У дорослих щурів гіпокінезія 28 та 45 діб у атмосферному повітрі підвищує активність кислої фосфатази на 60,5%, тартратрезистентної кислої фосфатази на 56,4%, концентрацію глікозаміногліканів сироватки крові на 219,6%, що свідчить про послаблення зв’язків у системі глікозаміноглікани-колаген-гідроксиапатит. У дорослих щурів гіпокінезія в атмосферному повітрі протягом 45 діб виявляє менш виразні зміни стану кісткової тканини, ніж у молодих тварин, що можна розглядати як ознаку більш стабільної регуляції процесів ремоделювання кісток у дорослому організмі. Встановлено, що аксіальне розвантаження задніх кінцівок щурів в атмосферному повітрі викликає негативні зміни фізіологічних і біохімічних маркерів ремоделювання кісткової тканини, аналогічно тому, що спостерігається в умовах гіпокінезії та реальної мікрогравітації. В умовах обмеження рухливості та періодичного дихання газовою сумішшю зі зниженим Ро2 (91±8 мм рт.ст.) у молодих щурів виявлено високу ступінь збереження нормального стану кісткової тканини. У субпопуляції молодих щурів з високою фенотиповою руховою активністю в умовах дихання гіпоксичною газовою сумішшю 45-добове обмеження рухливості викликало більш виразні зміни стану кісткової тканини, порівняно із тваринами з низькою руховою активністю. Відновлюючий вплив гіпоксичної газової суміші виявився більш ефективним у тварин з високою спонтанною руховою активністю. Показано, що у механізмах розвитку остеопенії бездіяльності значну роль відіграє підвищення концентрації паратиреоїдного гормону, який ініціює активацію остеокластів (зростання активності кислої і тартратрезистентної кислої фосфатази, гіалуронідазної активності), та обмеження функції остеобластів (зниження активності лужної фосфатази в кістковій тканині, підвищення концентрації глікозаміногліканів і С-термінальних пропептидів І типу у сироватці крові). Преадаптація до гіпоксії позитивно впливає на стан кісткової тканини дорослих щурів після наступного впливу жорсткої гіпокінезії. Вперше показано, що оптимальні стабілізуючі стан кісткової тканини впливи виявлено при співвідношенні періодів дереоксигенація-реоксигенація 10/10 та 10/20 хвилин, коли тваринам з розвантаженням задніх кінцівок надано найбільшу кількість повторних циклів змін рівня Ро2. Вперше показано, що одним із провідних механізмів стабілізації стану кісткової тканини при остеопенії бездіяльності під впливом дозованої гіпоксії може бути підвищення ступеня структурного зв’язку між глікозаміногліканами і колагеновими волокнами в ділянках активної продукції кристалів гідроксиапатиту. Періодичний вплив дихання газовою сумішшю з помірно зниженим Ро2 при оптимальному співвідношенні тривалості періодів деоксигенації-реоксигенації та загальної інтенсивності гіпоксичної стимуляції, може бути одним із біофізичних чинників комплексу профілактичних засобів попередження та корекції проявів остеопенії бездіяльності у осіб з малорухомим способом життя, недостатнім обсягом фізичних навантажень або у реальних умовах мікрогравітації. Ключові слова: адаптація, кісткова тканина, ремоделювання, гіпокінезія, розвантаження задніх кінцівок, переривчаста нормобарична гіпоксія. Литовка И.Г. Адаптивная перестройка костной ткани при дефиците нагрузки и механизмы ее восстановления под воздействием дозированной гипоксической стимуляции. - Рукопись. Диссертация на получение научной степени доктора биологических наук по специальности 03.00.13 - физиология человека и животных. Институт физиологии им. А.А.Богомольца НАН Украины, Киев, 2006. Диссертация посвящена исследованию адаптивной перестройки костной ткани при дефиците нагрузки и механизмов ее восстановления под воздействием дозированной гипоксической стимуляции. В работе приведены результаты исследований физиологичных, биохимических и морфологических показателей состояния костной ткани в условиях дефицита нагрузки. Осуществлен анализ механизмов развития остеопении бездействия. Проведена экспериментальная проверка различных режимов предупреждения и коррекции негативных последствий ограничения подвижности и разгрузки задних конечностей путем периодического дыхания искусственной газовой смесью со сниженным Ро2. Установлено, что ограничение подвижности у молодых крыс на протяжении 28 и 45 суток в атмосферном воздухе активирует процесс адаптивной реконструкции с уменьшением массы костной ткани, уменьшением ее плотности и ухудшением биомеханических свойств (предела прочности, модуля упругости, жесткости). Показано, что в крови животных повышается концентрация паратиреоидного гормона, растет активность лизосомальных ферментов, повышается концентрация гликозаминогликанов, что свидетельствует об усилении функциональной активности остеокластов. Выявлено, что ограничение подвижности у взрослых крыс на протяжении 28 и 45 суток в атмосферном воздухе повышает активность кислой фосфатазы на 60,5%, тартратрезистентной кислой фосфатазы на 56,4%, концентрацию гликозаминогликанов сыворотки крови на 219,6%, что свидетельствует об ослаблении связей в системе гликозаминогликаны-коллаген-гидроксиапатит.Вместе с тем, концентрация кальция и фосфора в костной ткани и сыворотке крови не выходят за пределы физиологических вариаций. Это дает основания считать, что снижение массы костной ткани при гипокинезии и ухудшение ее биомеханических свойств происходит, главным образом, за счет компонентов органического матрикса. У взрослых крыс ограничение подвижности в атмосферном воздухе на протяжении 45 суток выявляет менее выраженные изменения состояния костной ткани, чем у молодых животных, что можно рассматривать как признак более стабильной регуляции процессов ремоделирования костей во взрослом организме. Установлено, что аксиальная разгрузка задних конечностей крыс в атмосферном воздухе вызывает негативные изменения физиологичных и биохимических маркеров ремоделирования костной ткани, аналогично тому, что наблюдается в условиях гипокинезии и реальной микрогравитации. В условиях ограничения подвижности и периодического дыхания газовой смесью со сниженным парциальным давлением кислорода (Ро2 = 91±8 мм рт.ст.) у молодых крыс выявлена высокая степень сохранения нормального состояния костной ткани. В субпопуляции молодых крыс с высокой фенотипической спонтанной двигательной активностью в условиях периодического дыхания гипоксической газовой смесью 45-суточное ограничение подвижности вызывало более выразительные изменения состояния костной ткани, сравнительно с животными с низкой спонтанной двигательной активностью. Установлено, что стимулирующее влияние гипоксической газовой смеси оказалось более эффективным у животных с высокой спонтанной двигательной активностью. Показано, что в механизмах развития остеопении бездействия значительную роль играет повышение концентрации паратиреоидного гормона, который инициирует повышение функциональной деятельности остеокластов (роста активности кислой и тартратрезистентной кислой фосфатазы, гиалуронидазной активности), и относительное ослабление функции остеобластов (снижение активности щелочной фосфатазы в костной ткани, повышение концентрации гликозаминогликанов и С-терминальных пропептидов I типа в сыворотке крови). Применение преадаптации к гипоксии на протяжении двух недель периодическое дыхание газовой смесью со сниженным парциальным давлением кислорода положительно влияет на состояние костной ткани взрослых крыс при последующем влиянии жесткой гипокинезии длительностью 28 суток в атмосферном воздухе. Впервые показано, что максимальное стабилизирующее состояние костной ткани достигается при соотношении периодов деоксигенация-оксигенация 10/10 и 10/20 минут, когда животным с аксиальной разгрузкой задних конечностей предоставлено наибольшее количество повторных циклов изменений уровня Ро2. Впервые показано, что одним из ведущих механизмов стабилизации состояния костной ткани при остеопении бездействия после влияния дозированной гипоксии может быть повышение степени структурной связи между гликозаминогликанами и коллагеновыми волокнами в участках активной продукции кристаллов гидроксиапатита, о чем свидетельствуют нормализация активности щелочной фосфатазы, концентрации гликозаминогликанов и С-терминальных пропептидов I типа в сыворотке крови). Периодическое воздействие такого натурального активирующего метаболизм стрессогенного фактора как дыхание газовой смесью с умеренно сниженным парциальным давлением кислорода при оптимальном соотношении длительности периодов деоксигенация-реоксигенация и общей интенсивности гипоксической стимуляции, может быть одним из биофизических элементов комплекса профилактических способов предупреждения и коррекции развития остеопении бездействия у лиц с малоподвижным образом жизни, недостаточным объемом физических нагрузок или в реальных условиях микрогравитации. Ключевые слова: адаптация, костная ткань, ремоделирование, гипокинезия, разгрузка задних конечностей, прерывистая нормобарическая гипоксия. Litovka I.G. Adaptive reconstruction of bone tissue at a deficit loadings and mechanisms of its recovery under act of the dosed hypoxic stimulation. Manuscript. Dissertation for doctor of science degree by speciality 03.00.13 – Human and animal physiology. A.A. Bogomoletz Institute of Physiology NAS of Ukraine, Kiev, 2006. Dissertation is devoted to studying of adaptive reconstruction of bone tissue at the deficit of loading and mechanisms of its recovery under act of the dosed hypoxic stimulation. The results of researches of physiology, biochemical and morphological indexes of the state of bone tissue in the conditions of deficit of loading are resulted in work. The analysis of mechanisms of development of osteopenia inaction is carried out. Experimental verification of different modes of warning and correction of negative consequences of limitation of mobility and unloading of back extremities is carried out by artificial gas mixtures with reduced Ро2. It is set that limitation of mobility at young rats during 28 and 45 days in atmospheric air activates the process of adaptive reconstruction with diminishment of mass of bone tissue. It is shown that concentration of parathyroid hormone rises in the blood of animals, activity of lyzosomal'nykh enzymes grows, concentration of glycosamynoglycans rises, that osteoclast testifies to strengthening of functional activity. It is exposed, that limitation of mobility at adult rats during 28 and 45 days in atmospheric air promotes activity of acid phosphatase on 60,5%, tartratresistant acid phosphatase on 56,4%, concentration of glycosamynoglycans whey of blood on 219,6%, that glycosamynoglycans -collagen- bone-salt testifies to weakening of communications in the system. At the adult rats of limitation of mobility in atmospheric air during 45 days exposes the less expressive changes of the state of bone tissue, than at young animals, that it is possible to examine as sign of more stable adjusting of processes of remodeling bones in an adult organism. It is set that the axial unloading of back extremities of rats in atmospheric air causes the negative changes of physiology and biochemical markers of remodeling bone tissue, like to that is observed in the conditions of hypokinesia real микрогравитации. In the conditions of limitation of mobility and periodic breathing by a gas mixture with the reduced partial pressure of oxygen (Ро2 = 91±8 mm рт.ст.) at young rats the high degree of saving of the normal state of bone tissue is exposed. In subpopulation of young rats with high phenotypic spontaneous motive activity in the conditions of the periodic breathing by a hypoxic gas mixture 45-day's limitation of mobility caused more expressive changes of the state of bone tissue, comparative with animals with low spontaneous motive activity. It is set that the recuperative influencing of hypoxic gas mixture appeared more effective at animals with high spontaneous motive activity. It is shown that in the mechanisms of development of osteopenia inaction considerable part is acted by the increase of concentration of parathyroid hormone which initiates the increase of activating of osteoclast (growth of activity of sour and tartratresistant acid phosphatase, gyaluronydaznoy activity), and relative poslablenye of function of osteoblast (decline of activity of alkaline phosphatase in bone tissue, increase of concentration of glycosamynoglycans and C-terminal propeptide I type in the whey of blood). Application of preadaptatsyy during two weeks of breathing by a gas mixture with the reduced partsyal'nym pressure of oxygen positively influences on the state of bone tissue of adult rats after a next influencing of hard hypokinesia by duration 28 days in atmospheric air. It is first shown that maximal stabilizing the state of bone tissue of influencing exposed at correlation of periods deoxygenation-reoxygenation 10/10 and 10/20 minutes, when most of the repeated cycles of changes of the level Ро2 is given to the animal unloading of back extremities. It is first shown that one of leading mechanisms of stabilization of the state of bone tissue at osteopenia inactivity after influencing of dosed hypoxia can be the increase of degree of structural communication between glycosamynoglycans and collagen fibres in the areas of active products of crystals of bone-salt, to what testify normalization of activity of alkaline phosphatase, concentration of glycosamynoglycans and terminal propeptide I type in the whey of blood). Periodic influence of such natural stresogen factor activating metabolism as breathing by a gas mixture with the moderately reduced partial pressure of oxygen at optimum correlation of duration of periods deoxygenation-reoxygenation and general intensity of hypoxicstimulation, can be one of biophysical elements of complex of preventives of warning and correction of displays of osteopenyy inaction at persons with the not mobile way of life, by the insufficient volume of the physical loadings or in the real terms of microgravitation. Key words: adaptation, bone tissue, remodeling, hypokinesia, hind-limb unloading, normobaric dosed hypoxia. Рис.1. Пристрій для одержання штучної газової суміші (ШГС). Рис.2. Схема сферичного контейнеру для аксіального розвантаження задніх кінцівок щурів та утримання тварин в умовах дихання ШГС зі зниженим парціальним тиском. * * ** 0 100 200 300 групи А,% ** групи I IV II V ІІІ VІ А, % групи 600 400 200 0 * * групи I IV II V III VI 100 100 101,89 60,26 103,77 110,26 0 50 100 150 групи С, % С,% * I IV II V III VI групи * С, % групи 400 300 200 100 0 * I IV II V III VI С,% С,% групи 1 0 * 400 200 300 * 100 групи Рис.7. Концентрація глікозаміногліканів у сироватці крові дорослих контрольних щурів (I) та тварин після гіпокінезії, які дихали атмосферним повітрям (II) або ШГС зі зниженим Ро2 (III) протягом 28 діб. * – вірогідність зміни порівняно з І групою (Р<0,05). I II III С, % І ІІ ІІІ IV V * групи 200 100 0 А, % * 500 * 400 300 200 100 група 0 I II III IV V I II III IV V С, % група 200 150 100 50 0 * * I II III IV V Дефіцит навантаження та специфічної механостимуляції Підвищення концентрації паратиреоїдного гормону Активація діяльності остеокластів Пригнічення діяльності остеобластів Підвищення концентрації ГАГ Зменшення активності ЛФ Підвищення активності ГА Підвищення активності КФ Підвищення активності ТРКФ Підвищення концентрації СІСР Послаблення функціонального зв’язку між органічним матриксом і мінеральним компонентом кісткової тканини Пригнічення фізіологічного ремоделювання кістки, зниження її біомеханічних властивостей її біомеханічних властивостей Зменшення щільності кісткової тканини Зменшення кісткової маси Хаотичне розташування трабекул Розвиток стану та проявів остеопенії дефіциту навантаження Молекула колагену Гідроксиапатит Дефіцит навантаження Неспецифічна стимуляція метаболізму Підвищення концентрації ПТГ Нормалізація концентрації ПТГ HIF 1 Нормалізація діяльності остеобластів (активність ЛФ, ГАГ, СІСР) Нормалізація діяльності остеокластів (активність КФ, ТРКФ,ГА) Посилення локального кровопостачання та секреції вазодиляторних ендотеліальних факторів Відновлення фізіологічного балансу процесів руйнування та відновлення КТ Нормалізація щільності кісткової тканини Відновлення взаємодії органічного і неорганічного матириксу Збереження кісткової маси та її біомеханічних властивостей

Похожие записи