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

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.

Проведені експерименти показали, що реакція КТ у молодих і дорослих тварин проявлялася по-різному. Наступний після прекондиціювання період утримання щурів в стані жорсткої гіпокінезії не викликав істотних змін активності ЛФ у молодих щурів ІІ і ІІІ групи, як у сироватці крові, так і КТ. Активність КФ у сироватці крові тварин ІІ групи не змінювалася, а у щурів ІІІ групи знизилася в 1,3 рази (Р<0,05) відносно контрольних значень. Активність ТРКФ і ГА у сироватці крові щурів ІІ і ІІІ групи мала лише статистично невірогідну тенденцію 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).

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).

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).

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.

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.

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

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 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.

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.

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).

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

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Преадаптація дорослих тварин в умовах дозованої гіпоксії протягом двох тижнів позитивно впливає на стан кісткової тканини після наступного впливу обмеження рухливості.

10. 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.

11. 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.

Размещено на Allbest.ru