Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

03.00.02- біофізика

Зміни біофізичних властивостей кісткової тканини після розвантаження та обмеження надходження кисню

Чака Олена Георгіївна

Київ 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі клінічної патофізіології Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України

Науковий керівник: доктор медичних наук, професор Березовський Вадим Якимович Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України, завідувач відділу клінічної патофізіології

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук Костюков Олександр Іванович, Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України, завідувач відділу фізіології руху

кандидат біологічних наук Лук`янець Олена Олександрівна, Міжнародний центр молекулярної фізіології НАН України, головний науковий співробітник

Провідна установа: кафедра біофізики біологічного факультету Київського Національного Університету імені Тараса Шевченка

Захист відбудеться “26 “лютого 2002 року о “ 14 “ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.198.01 при Інституті фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України за адресою: 01024 Київ, вул. Богомольця, 4.

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

Автореферат розіслано “19” січня 2002 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор біологічних наук Сорокіна-Маріна З.О.

1. Загальна характеристика роботи

біофізичний кістка щур кальцій

Актуальність теми. Відомо, що тривала відсутність функціонального навантаження на скелет людини чи тварини порушує рівновагу між процесами остеосинтезу та фізіологічної резорбції кісткової тканини, створює негативний баланс кальцію в організмі, зменшує мінеральну щільність, механічну міцність кісток (Григорьев А.И., Воложин А.И., Ступаков Г.П., 1994, Оганов В.С., 2000, Прохончуков А. А., Десятниченко К.С., Тигранян Р.А, 1982, Le Blanc A.D., Schneider V.S., Evans H., 1990, Matsumoto T., Nakagama K., Kodama J., 2000). Комплекс цих змін називають іммобілізаційною остеодистрофією, яка призводить до підвищення ламкості кістки, знижує її здатність опиратися навантаженню (Беневоленская Л.И., 2000). За клінічними проявами остеодистрофія нагадує розповсюджене серед людей похилого віку захворювання - остеопороз, який має дещо іншу етіологію (Франке Ю., Рунге Г., 1995).

Для попередження розвитку остеодистрофії використовують вітаміни В і Д, гормони, препарати, що містять кальцій, біфосфонати, комплекс фізичних вправ (Рожинская Л.Я., 1998, Hoskin S.M., Biuvioet L.M., 1976). Застосування цих методів сприяє збереженню біомеханічних властивостей кісток за умов гіпокінезії або мікрогравітації, однак цілком попередити розвиток остеодистрофії не вдається.

Одним з можливих методів активації синтетичних процесів у кістковій тканині може бути дихання газовими сумішами зі зниженим парціальним тиском кисню. Дослідженнями низки авторів (Сиротинін М.М., 1939, Ван Лир 1947, Ужанский Я.Г., 1949, Барбашова З.И. 1951, Ruecert R., Mueller G., 1960) показано, що за допомогою підбору оптимальної інтенсивності гіпоксичного стимулу й виключення деяких негативних ефектів гіпобаричної гіпоксії можна значно підвищити стимулюючу дію зниженого парціального тиску кисню як індуктора кістково-мозкового кровотворення, мікроциркуляції та кисеньзалежного метаболізму клітин.

Літературні дані про вплив газових сумішей зі зниженим парціальним тиском кисню на кісткову тканину суперечливі. Дослідження, проведені Воложиным А.И (1970,1974) та Легиным Г.Л. (1982) показали, що підйом тварин у барокамері на висоту 5 тис. м. над рівнем моря сприяв включенню Са45 у кісткову тканину. Проте підйом тварин на висоту 7 тис. м. над рівнем моря пригнічував ріст кісток, збільшував втрату 45 Са кістковою тканиною у щурів за умов гіпокінезії. Водночас на культурі остеобластів спостерігали активацію проліферації клітин уразі зниження парціального тиску в середовищі інкубації (Tuncay O.C. 1994, Weinberg, 1995, Астахова В.С. та ін., 2001). Відмічено також посилення росту кісток при венозному стазі, який призводить до місцевої гіпоксії тканини (Hanson L.I. 1975, Servold S.A. 1991, Rewell W.J. 1994, Шевцов В.И. 2000). Таким чином, залежно від сили й тривалості кисневої депривації, режиму подачі газової суміші, гіпоксія може як стимулювати, так і пригнічувати процеси остеосинтезу. Подальше вивчення впливу зниженого парціального тиску кисню на кісткову тканину має теоретичний і практичний інтерес, особливо з метою з`ясування межі між саногенною та патогенною дією зниженого парціального тиску кисню (Березовский В. А., Левашов М.И. 1998).

Мета й задачі дослідження. Вивчити зміни біофізичних властивостей кісткової тканини стегнових та великогомілкових кісток під впливом газової суміші зі зниженим парціальним тиском кисню у щурів з розвантаженням задніх кінцівок. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

Вивчити біофізичні показники стану стегнових і великогомілкових кісток у контрольних тварин.

Дослідити вплив розвантаження задніх кінцівок на несучу спроможність, модуль пружності, межу міцності, енергію пружної деформації, щільність, мінеральну насиченість і зольність стегнових і великогомілкових кісток щурів, які дихали атмосферним повітрям.

Вивчити зміни концентрації кальцію, фосфору та магнію в сироватці крові і в кістковій тканині у щурів під впливом розвантаження задніх кінцівок.

Дослідити вплив розвантаження задніх кінцівок на стан органічного матриксу кісткової тканини щурів.

Вивчити вплив переривчастої подачі газової суміші зі зниженим Ро2 на біофізичні та біохімічні показники стану кісткової тканини щурів за умов розвантаження задніх кінцівок.

Зв`язок роботи з науковими програмами. Дослідження проводили в рамках науково-дослідної роботи відділу клінічної патофізіології Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця “Вивчити фізіологічні, біофізичні і біохімічні показники стану кісткової тканини за різних статокінетичних умов“ № держреєстрації 2.2.2.12 УДК 6111.08.539.4: 611. 018: 612. 014.482.5.

Наукова новизна отриманих результатів. Уперше було досліджено вплив газової суміші зі зниженим Ро2 за умов нормобарії на біомеханічні властивості стегнових і великогомілкових кісток, вміст мінеральних речовин, стан органічного матриксу кісткової тканини у щурів з розвантаженням задніх кінцівок. Отримані результати свідчать, що тривале розвантаження задніх кінцівок істотно знижує несучу спроможність, межу міцності, модуль пружності, енергію пружної деформації стегнових і великогомілкових кісток, підвищує екскрецію кальцiю, фосфору, оксипроліну, посилює деструкцію протеогліканів. Негативний вплив розвантаження може бути компенсовано подачею газової суміші зі зниженим Ро2 у переривчастому режимі. У щурів, які дихали газовою сумішшю, поліпшувалися біомеханічні властивості стегнових і великогомілкових кісток, знижувалася екскреція кальцію, фосфору, оксипроліну, нормалізувалася концентрація глікозаміногліканів і сіалових кислот у кістковій тканині. Вперше встановлено, що ефективність профілактичної дії гіпоксичної газової суміші на кісткову тканину залежить від режиму її подачі. Залежно від співвідношення тривалості періоду дихання газовою сумішшю зі зниженим Ро2 та дихання звичайним атмосферним повiтрям, можна або послаблювати патогенний вплив безопорного положення заднiх кінцівок, або посилювати деструктивні процеси у кістковій тканині.

Теоретичне та практичне значення роботи. Отримані експериментальні результати доповнюють існуючі уявлення про стимулюючий вплив зниженого парціального тиску кисню на остеосинтез, процеси біомінералізації у кiстковій тканині. Показано, що дихання нормобаричною гіпоксичною газовою сумішшю в переривчастому режимі знижує добову екскрецію кальцію та фосфору, сприяє збереженню міцності стегнових і великогомілкових кісток у щурів з розвантаженням задніх кінцівок, гальмує розвиток деструктивних процесів у кістковій тканині. На підставі проведених досліджень можна зробити висновок про перспективність використання газової суміші зі зниженим Ро2 для профілактики остеодистрофії, що виникає за умов недостатнього навантаження на опорно-руховий апарат. Отримані результати можуть бути покладені в основу розробки нового методу профілактики й корекції остеопенії, який базується на використанні переривчастої дії газової суміші з дозованим зниженням парціального тиску кисню.

Особиста участь здобувача. Автором самостійно проведено аналіз літературних даних, виконано експериментальну частину досліджень, яка присвячена визначенню біофізичних властивостей стегнових і великогомілкових кісток, виміру концентрації кальцію та фосфору у сироватці крові, сечі та в кістковій тканині. Розробка методу створення умов осьового розвантаження задніх кінцівок та подачі газової суміші зі зниженим Ро2, а також визначення біохімічних маркерів ремоделювання кісткової тканини проводилося разом зі співробітниками відділу клінічної патофізіології І.Г.Літовкою, П.В. Лахіним. Визначення концентрації вільного та білковозв`язаного оксипроліну в сироватці крові та загального в сечі, а також креатиніну проводилося разом із співробітниками лабораторії біохімії Українського НДІ травматології та ортопедії під керівництвом д.б.н. С.Магомедова.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися на XV з'їзді Українського фізіологічного товариства (Донецьк, 1998), Пленумі Товариства патофізіологів України (Ужгород, 1998), II Всеросійській конференції “Гипоксия: механизмы, адаптация, коррекция” (Москва, 1999), Російській конференції “Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в экстремальных условиях” (Москва, 2000), III національному конгресі патофізіологів України (Одеса, 2000), II Міжнародному симпозіумі “Актуальні проблеми біофізичної медицини” (Київ, 2000), та на “XXII Annual International Gravitational Physiology Meeting” (Budapest, 2001)

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 12 робіт з них 5 статей і 8 тез у фахових журналах.

Обсяг і структура дисертації. Дисертацію викладено на 127 сторінках тексту, ілюстровано 18 таблицями, 14 рисунками. Складається зі вступу, огляду літератури, матеріалів і методів досліджень, розділу власних досліджень і обговорення отриманих результатів, закінчення, висновків та списку використаної літератури, який містить 133 джерел.

2. Основний зміст роботи

Матеріали та методи досліджень

Досліди проведені на 120 щурах-самцях лінії Вістар з початковою масою 110-120 г. Тварин розподілили на чотири групи: I група - контрольні щури, знаходилися за звичайних умов віварію, ІІ група - щури з аксіальним розвантаженням задніх кінцівок в атмосфері повітря, III і IV групи - щури з аксіальним розвантаженням задніх кінцівок у середовищі газової суміші зі зниженим Ро2. Аксіальне розвантаження задніх кінцівок створювали “вивішуючи” щурів за хвіст за методом Морей- Холтон (1981). Газову суміш зі зниженим Ро2 (100-110 мм. рт. ст.) подавали по 8 год. на добу щодня протягом всього експерименту у переривчастому режимі А і Б за допомогою мембранного газорозподільника "Борей". ІІІ група щурів одержувала газову суміш у режимі А: 20 хв. газова суміш, 20 хв. атмосферне повітря, IV група тварин - у режимі Б: 30 хв. газова суміш, 20 хв. атмосферне повітря. Таким чином, III група щурів за 28 діб отримувала гіпоксичну газову суміш протягом 6720 хв., а IV група - впродовж 8400 хв. Тобто, щури IV групи отримували газову суміш на 28 год. довше, ніж щури III групи. Було проведено три серії експериментів з тривалістю розвантаження задніх кінцівок 7, 14 і 28 діб. Воду та їжу всі тварини одержували без обмежень. Щотижня контролювали масу тіла щурів.

В останній день експерименту тварин висаджували на 24 год. в спеціальні клітки для збирання добової сечі та фекалій. Щурів декапітували під рауш-наркозом. Скелетовані стегнові та великогомілкові кістки зневоднювали та знежирювали у суміші спирту з ефіром (3:1). Об`єм кістки визначали об`ємно-ваговим методом, розраховували їх щільність. Діафізи та епіфізи стегнових кісток спалювали окремо в муфельній печі протягом 5 год. при 7000С. Визначали масу золи та розраховували щільність, мінеральну насиченість (МН) і зольність (ЗЛ) діафізів і епіфізів стегнових кісток.

Визначення біомеханічних властивостей стегнових і великогомілкових кісток на вигин проводили за триточковою схемою навантаження. Вимірювання проводили на приладі МР-200 зі швидкістю збільшення навантаження 0,118 мм/с. Під час випробування автоматично реєстрували графік залежності деформації кістки від сили навантаження.

Основними біофізичними характеристиками кісток, як елементів скелету, є несуча здатність (P), жорсткість, де l - відносне подовження кістки та енергія пружної деформації. Біомеханічними характеристиками кістки, як матеріалу, є межа міцності та модуль пружності. Для того, щоб розрахувати ці показники, визначали діаметр кістки у місці розлому та площину кортикального шару діафіза. Ці вимірювання проводили під мікроскопом АУ-12 за допомогою окуляр-мікрометра. Модуль пружності розраховували за формулою:

=M/W,

де М- момент згину, W- момент опору;

межу міцності розраховували за формулою:

Е=Рl3/48Il,

де І-момент інерції, l-відстань між опорами.

Концентрацію кальцію, фосфору і магнію визначали у сироватці крові, сечі, фекаліях, у золі діафізів, дистальних та проксимальних епіфізів стегнових кісток. Розраховували добову екскрецію кальцію та фосфору, а також коефіцієнт Са/Р для всіх досліджених об`єктів. Вимірювання концентрації кальцію, фосфору і магнію проводили фотометрично. Кальцій та магній визначали за допомогою стандартних тест-наборів фірми “Sentinel” (Італія), фосфору - за методом Бялко Н.К. (1969).

Для виявлення ранніх змін активності остеобластів та остеокластів вимірювали загальну каталітичну активність лужної фосфатази (К.Ф. 3.1.3.1), кислої фосфатази (К.Ф. 3.1.3.2.) та тартрат-резистентної кислої фосфатази за допомогою стандартних тест-наборів ”Лахема” (Чехія). Основні біохімічні механізми обміну колагену в кістковій тканині аналізували визначаючи такі показники: у сироватці крові - концентрацію глікозаміногліканів за методом Кляцкіна С.А. (1989), білокповозв`язаний і вільний оксипролін - за методом Stegemann H.J.H. (1952), фракції оксипроліну розділяли за методом Frey S. (1965), у сечі вимірювали концентрацію загального оксипроліну за методом Крель і співавтори (1968), креатиніну за методом Поппера (1982), глюкуронових кислот за методом Bitter, Meuir (1962), вміст сіалових кислот у кістковій тканині визначали за методом Уоррена в модифікації Леонтьєва (1976). Вимірювання біофізичних та біохімічних показників стану кісткової тканини здійснювали після 7, 14 та 28 діб розвантаження задніх кінцівок. Статистичну обробку результатів проводили з використанням критерію t Стьюдента.

Результати досліджень та їх обговорення

Безопорне положення задніх кінцівок уповільнювало темпи приросту маси тіла і стегнових кісток дослідних щурів. Вже після 7 діб розвантаження спостерігали гальмування темпів приросту маси тіла. У щурів II групи приріст маси тіла був на 12% меншим ніж у контрольних тварин, а в щурів IV групи - на 8 %. У щурів III групи збільшення маси тіла через 7 діб експерименту не спостерігали. Після 14 діб розвантаження приріст маси тіла контрольних щурів становив 41%, у щурів II групи - 15%, IV - 20% , а у щурів III групи маса тіла залишалася на вихідному рівні. За 28 діб експерименту у контрольних щурів маса тіла збільшилася на 60-62%, у тварин II групи - на 36%. У щурів III групи, які отримували газову суміш у режимі А, приріст маси тіла за 28 діб був 5%, що на 31% нижче, ніж у щурів II групи. У щурів IV групи, яким подавали газову суміш у режимі Б, збільшення маси тіла за 28 діб становило 30% і суттєво не відрізнялося від приросту маси тіла у щурів ІІ групи.

Маса стегнових кісток після 14 діб розвантаження задніх кінцівок була на 9%, а об`єм на - 13% меншим ніж у контрольних тварин. Після 28- добового розвантаження задніх кінцівок маса стегнових кісток у щурів II групи була на 12,5%, а об'єм на 8% меншим порівняно з контрольними значеннями, у щурів III групи ці показники були на 8% і 3,5% відповідно менше. У щурів IV групи відбувалося зниження маси та об`єму на 21% (р<0,05). Таким чином, відставання росту стегнових кісток у щурів III групи, які дихали газовою сумішшю в режимі А, було меншим порівняно з показниками у щурів II групи. У щурів IV групи, що дихали газовою сумішшю в режимі Б, маса та об`єм стегнових кісток знижувалися більш істотно ніж у щурів II групи.

Зменшення маси та об`єму стегнових кісток викликало закономірне зниження їх щільності, зольності та мінеральної насиченості. Найбільш значне зниження значень цих показників після 28 діб розвантаження задніх кінцівок у щурів II групи відбувалося у проксимальному епіфізі стегнових кісток. В діафізі стегнових кісток щурів цієї групи щільність, МН і ЗЛ залишалися практично незмінними (рис.1). Це може бути пов`язано з більшою швидкістю процесів обміну в епіфізах, які містять метаболічно активну губчасту тканину, порівняно з діафізами, які складаються з метаболічно інертної компактної тканини. Дослідники припускають, що під впливом зниження вагового навантаження на першому етапі в кістках відбувається загальне зниження інтенсивності моделювання і резорбції кісткової тканини (Ступаков Г.П. та Воложин А.И. (1994)). При більш тривалому розвантаженні наступає друга фаза - активація процесів резорбції, яка виходить з біологічної “недоцільності” зберігання вихідної кісткової маси за умов зниження аксіального навантаження. Після 28 діб аксіального розвантаження у діафізах стегнових кісток ще продовжується І етап, а епіфізи вже знаходяться на ІІ етапі цих змін.

Подача газової суміші у режимі А та Б гальмувала зниження МН та ЗЛ у проксимальних епіфізах стегнових кісток, а у діафізах спостерігали підвищення цих показників відносно контролю. Незмінність щільності діафіза за умов зниження маси та об`єму стегнових кісток, може спостерігатися при зменшенні діаметра діафіза і свідчити про гальмування періостального кісткоутворення у відповідь на зниження вагового навантаження на кістяк.



Рис. 1 Зміни мінеральної насиченості (1), щільності (2) та зольності (3), проксимальних епіфізів стегнових кісток у дослідних щурів.

У плечових кістках щурів II групи, які під час експерименту зазнавали додаткове навантаження, після 14 діб “вивішування” підвищувалась щільність на 8%, МН - на 17 %. Кореляційний аналіз показав існування прямої позитивної залежності між щільністю та мінеральною насиченістю, а також між щільністю та зольністю. Значення коефіцієнта кореляції між цими показниками у щурів усіх груп було найбільшим для діафізу (0,9-0,8) і найменшим для дистального епіфізу (0,4-0,7).

Вивчення біофізичних властивостей стегнових кісток у щурів II групи після 28 діб розвантаження задніх кінцівок при триточковому вигині показало значне вірогідне зниження несучої спроможності на 37%, межі міцності - на 31%, модуля пружності - на 53%, енергії пружної деформації-на 43% (табл. 1). У великогомілкових кістках зареєстровано зниження несучої спроможності на 24%, межі міцності на 30%, модуля пружності - на 53%, енергії пружної деформації - на 38%. Вірогідних змін жорсткості у стегнових та великогомілкових кістках не спостерігалось. Одержані нами результати відповідають даним інших дослідників, які встановили меншу ступінь зниження жорсткості порівняно з іншими показниками біомеханічних властивостей кісток після реальних космічних польотів на біосупутниках серії “Космос” щурів, собак та інших тварин. Фахівці поясняють це стоншенням кортикального шару діафіза (Григорьев А.И. и соавт., 1989).

Таблиця 1 Показники біомеханічних властивостей стегнових кісток у контрольних і дослідних тварин (М+m)

Показник	I група, (n=24)	ІІ група, (n=16)	ІІІ група, (n=16)	ІV група, (n=8)
Несуча спроможність (кгс)	8,71+0,46	5,53+0,49*	6,69+0,76*	4,47+0,64*
Жорсткість (кгс/мм)	15,70+0,97	13,23+1,25	13,62+1,91	11,16+1,89*
Енергія пружної деформації (кгс*мм)	2,60+0,18	1,48+0,18*	1,82+0,28	1,22+0,33*
Модуль пружності (кгс/мм2)	32,04+3,23	15,00+2,57*	21,68+4,96	19,07+9,10
Межа міцності (кгс/мм2)	14,80+0,72	10,27+0,98*	12,10+1,91	8,37 +1,27*

У щурів ІІІ групи, які отримували газову суміш у режимі А, спостерігали нормалізацію характеристик біомеханічних властивостей стегнових і великогомілкових кісток. Несуча спроможність стегнових кісток у цієї групи щурів була на 14 % вищою, ніж у щурів, які дихали атмосферним повітрям, енергія пружної деформації - на 23% більше, модуль пружності - на 45%, межа міцності -на-18%. Модуль пружності, межа міцності, енергія пружної деформації великогомілкових кісток III групи щурів не відрізнялися від значень, зареєстрованих у щурів контрольної групи (табл.2), а несуча спроможність знижувалася на 13% відносно контролю. Іншими словами, газова суміш зі зниженим Ро2, яку подавали в режимі А, поліпшувала біомеханічні властивості стегнових і великогомілкових кісток у щурів з безопорним положенням задніх кінцівок.



Рис. 2 Комплексна характеристика біофізичних властивостей стегнових кісток дослідних щурів після 28 добового розвантаження задніх кінцівок та дихання газовою сумішшю зі зниженим Ро2

У щурів, які отримували газову суміш у режимі Б, навпаки, спостерігали більш виражене зниження значень усіх показників біомеханічних властивостей стегнових кісток порівняно з щурами, які дихали атмосферним повітрям (табл.1). Так, несуча спроможність у щурів цієї групи після 28 діб розвантаження знизилася на 49%, межа міцності - на 43,5%, енергія пружної деформації - на 53%. Тільки модуль пружності у щурів IV групи був вищим, ніж у щурів II групи.

Таблиця 2 Зміни біомеханічних властивостей великогомілкових кісток після 28 добового розвантаження задніх кінцівок (М+m)

Показник	I група , (n=24)	ІІ група, (n=16)	ІІІ група, (n=16)
Несуча спроможність (кгс)	7,58+0,31	5,76+0,30*	6,64+0,29*
Жорсткість (кгс/мм)	12,19+0,90	14,61+1,34	11,72+1,13
Енергія пружної деформації (кгс*мм)	2,33+0,21	1,49+0,23*	2,17+0,25
Модуль пружності (кгс/мм2)	13,21+1,59	6,28+0,92*	13,40+2,21
Межа міцності (кгс/мм2)	24,90+1,73	17,56+1,37*	20,61+1,30

Аналіз результатів експериментів свідчить, що залежно від режиму подачі, газова суміш зі зниженим Ро2 може або нормалізувати, або знижувати біомеханічні властивості стегнових і великогомілкових кісток у щурів з безопорним положенням задніх кінцівок.

Концентрація основних мінеральних елементів кісткової тканини кальцію, фосфору та магнію, після 28- добового розвантаження задніх кінцівок залишалася без змін як у щурів, які дихали атмосферним повітрям, так і у щурів, які дихали газовою сумішшю. Зниження біомеханічних властивостей кісток, при сталій концентрації мінеральних елементів, може бути пов`язано з порушенням взаємодії між матриксм та його неорганічним компонентом - кристалами гідроксиапатиту.

Відомо, що щільність та мінеральна насиченість кісткової тканини мають експоненціальний зв`язок з біомеханічними властивостями кістки. Проведений нами кореляційний аналіз показав незначну позитивну залежність між щільністю та показниками біомеханічних властивостей стегнових кісток. Найбільше значення коефіцієнта кореляції у щурів усіх груп спостерігали між модулем пружності та щільністю. У контрольних щурів він дорівнював 0,64, у щурів II групи -0,45, III групи - 0,89, IV групи - 0,81. Коефіцієнт кореляції між несучою спроможністю та щільністю у щурів всіх груп був приблизно однаковим і становив 0,5. Значення коефіцієнта кореляції між жорсткістю та щільністю варіювало від 0,58 у щурів I групи до 0,66 у щурів IV групи. Таким чином, ми спостерігали підвищення залежності біомеханічних властивостей кісток від щільності за умов розвантаження та дихання гіпоксичною газовою сумішшю. Коефіцієнт кореляції між концентрацією кальцію та жорсткістю становив 0,658 у контрольних щурів і 0,762- у щурів II групи. Такі високі значення коефіцієнта кореляції свідчать про велику ступінь залежності жорсткості кістки від вмісту мінеральних елементів.

Розвантаження задніх кінцівок в атмосфері повітря вірогідно збільшувало добову екскрецію кальцію та фосфору у дослідних щурів. Збільшення виведення мінеральних речовин спостерігали вже після 7 діб розвантаження задніх кінцівок. Екскреція кальцію збільшилася в 1,3 раза порівняно з контролем, фосфору - в 1,2 раза. Після 28 діб експерименту у щурів, які дихали атмосферним повітрям, добова екскреція кальцію збільшилася в 1,5-2 раза, а фосфору в 1,4 раза порівняно з контролем. Збільшення екскреції кальцію та фосфору при незмінному вмісті цих елементів в кістковій тканині за думкою Диденко И.Е., Воложина А.И. (1981) пов`язано зі зменшенням загальної маси скелету за умов зниження вагового навантаження на кістяк без істотних змін кристалічної структури мінеральних речовин. Може існувати і інше тлумачення цих змін. Відомо, що відсутність або недостаток навантаження гальмує активність метаболічних процесів у кістковій тканині, знижує споживання кисню кістковими клітинами і темпи ремоделювання м`язової та сполучної тканини. Знижується потреба кісткової тканини в надходженні нових порцій кальцію, але споживання його з їжею залишається на попередньому рівні. Невикористаний кальцій виводиться з організму разом з залишками їжі.

У щурів III групи, які отримували газову суміш зі зниженим Ро2, добова екскреція кальцію зменшилася на 23% порівняно з такою у контрольних щурів та на 158% - з показниками тварин II групи, які дихали атмосферним повітрям. Екскреція фосфору у щурів III групи була в 1,7 раза нижчою ніж у щурів, які дихали атмосферним повітрям і не відрізнялася від показників контрольних тварин. Зниження екскреції кальцію та фосфору у щурів, які отримували гіпоксичну газову суміш, підтверджує наявність активації метаболізму кісткової тканини під впливом кисневої депривації незважаючи на зменшення механічного навантаження скелета.

Кількість екскретованого кальцію та фосфору у тварин всіх груп була неоднаковою в різні сезони. У контрольних тварин влітку добова екскреція кальцію перевищувала таку восени майже в 3 рази. У щурів II групи екскреція кальцію влітку була в 7 разів, а у щурів III групи - в 8 разів більшою ніж восени. Газова суміш зі зниженим Ро2 у режимі А істотно знижувала добову екскрецію кальцію восени. Тоді як літом нормалізуюча дія зниженого Ро2 була менш виражена.

Екскреція фосфору у контрольних щурів влітку була на 74% більшою порівняно з кількістю фосфору екскретованого восени, у щурів II і III групи - на 17% і 53% відповідно більшою. Разом з тим, у кожній групі тварин відмічено суттєві індивідуальні відмінності в кількості добової екскреції мінеральних елементів.

Сезоні зміни добової екскреції кальцію та фосфору можуть бути пов`язані з різною активністю щитовидної залози, яка секретує тіреокальцитонін і тироксин - гормони, що регулюють ремоделювання кісткової тканини. За даними Торбенко В.П. (1975) активність щитовидної залози в березні вища у 1,5 рази порівняно з такою у грудні. У працях Слонима А.Д. (1971), Devgun M.S. et.al (1981), Tothill P. (1986) відмічено підвищення вдвічі активності кальціотропних гормонів, кортикостерону, лужної фосфатази в сироватці крові влітку та взимку порівняно з їх активністю весною та осінню, що також може викликати зміни добової екскреції кальцію та фосфору.

У сироватці крові протягом 28 діб розвантаження задніх кінцівок спостерігали різноспрямовані зміни концентрації кальцію та фосфору. Так, після 7 діб розвантаження у сироватці крові щурів II групи виявили тенденцію до збільшення концентрації кальцію на 13% порівняно з контролем, а концентрація фосфору та магнію залишалася незмінною. Через 14 діб експерименту істотних змін концентрації мінеральних речовин у сироватці крові не зареєстровано. Після 28 діб розвантаження у щурів II групи відмічено тенденцію до зменшення концентрації кальцію в сироватці крові на 11%, а фосфору - до збільшення на 10%. У щурів, які отримували газову суміш у режимі А, після 28 діб експерименту концентрація кальцію у сироватці крові не відрізнялася від контролю, а фосфору знижувалася на 17%. У щурів IV групи, які отримували газову суміш в режимі Б, спостерігали зниження вмісту кальцію на 12% (р<0,05) і підвищення вмісту фосфору на 12%. Таким чином, концентрація кальцію та фосфору в сироватці крові щурів IV групи не відрізнялася від значень, які спостерігались у щурів II групи, а у щурів III групи наближалася до значень контрольних тварин. Це дає нам підстави зробити висновок, що подача газової суміші в режимі А компенсувала негативний вплив розвантаження задніх кінцівок на концентрацію кальцію та фосфору в сироватці крові дослідних щурів. Можливо, гіпокальціємія у щурів IV групи і гіпофосфатемія у щурів ІІІ групи є наслідком підвищення екскреції мінеральних елементів у цих груп тварин. Отримані нами результати свідчать про стабілізуючий вплив зниженого Ро2 в навколишньому середовищі на кальцій-фосфорний метаболізм за умов розвантаження задніх кінцівок.

Оскільки 28-добове розвантаження задніх кінцівок призводило до значного зниження біофізичних властивостей стегнових і великогомілкових кісток, а зміни концентрації мінеральних речовин у стегнових кістках були незначними, доцільно припустити, що деструктивні зміни в кістковій тканині починаються з порушення стану органічного матриксу. Відомо, що біомеханічні характеристики кістки зумовлені тісною взаємодією кристалів гідроксиапатиту, волокон колагену та протеогліканів. Для з`ясування причин зниження міцності кісток ми дослідили вплив розвантаження та гіпоксичної газової суміші на біохімічні маркери ремоделювання кісткової тканини .

У щурів ІІ групи вмявлено тенденцію до збільшення активності лужної фосфатази (ЛФ) у сироватці крові та в діафізах стегнових кісток. Підвищення активності ЛФ, може бути наслідком встановлення нової динамічної рівноваги між процесами мінералізації та резорбції кісткової тканини за умов зниження вагового навантаження на скелет. Перехід у новий стан спрямовано на компенсацію порушень, які викликають зниження щільності та міцності кісток. У щурів III та IV групи активність ЛФ в сироватці крові та в кістковій тканині була близькою до контрольних значень. Нормалізація активності ЛФ у дослідних щурів, які отримували газову суміш зі зниженим Ро2 , свідчить про участь органічного матриксу в гіпоксичному гальмуванні деструкції кісткової тканини за умов зниження навантаження на кісткову систему.

Водночас у сироватці крові тварин всіх експериментальних груп після 28 діб розвантаження задніх кінцівок активність кислої фосфатази (КФ) та тартратрезистентної кислої фосфатази не змінювалися. Можливо на ранніх етапах іммобілізації резорбція кісткового матрикса може здійснюватися без додаткової активації функції остеокластів, а внаслідок зниження активності остеобластів (Аврунин А.С., 1998 р.). Відсутність вірогідних змін активності ЛФ і КФ також може бути пов`язана з тим, що у щурів ріст кістяка відбувається протягом усього життя, процеси моделювання ідуть паралельно з процесами резорбції. Розвантаження задніх кінцівок, як показали проведені нами дослідження, дещо сповільнює процеси росту кісток, але не спиняє їх. Внаслідок цього активність остеобластів та остеокластів у щурів з розвантаженням задніх кінцівок в атмосфері повітря зберігається близькою до контрольних значень .

Після 28 діб розвантаження задніх кінцівок у щурів ІІ групи відбувалось вірогідне збільшення концентрації глікозаміногліканів (ГАГ) у сироватці крові (в 2,1 рази). Це свідчить про посилення деструкції протеогликанів, які підтримують цілісність органічного матриксу кісткової тканини, з'єднуючи поперечними зв'язками кристали гідроксиапатиту з молекулами колагену. Після 28 діб розвантаження у щурів ІІІ групи, які періодично дихали газовою сумішшю, концентрація ГАГ у сироватці крові була вдвічі нижчою, ніж у щурів ІІ групи і наближалася до контрольних значень. У щурів ІV групи також спостерігали нормалізацію концентрації ГАГ під впливом зниженого Ро2 . Проте у тварин цієї групи концентрація ГАГ перевищувала на 64% значення зареєстровані у щурів контрольної групи. Таким чином, якщо газову суміш подавали в режимі А, гальмування деструктивних процесів у метаболізмі протеогліканів було в 1,8 рази більш вираженим, ніж при подачі газової суміші в режимі Б. Нормалізація метаболізму протеогліканів могла бути однією з причин збереження біомеханічних властивостей стегнових та великогомілкових кісток у щурів III групи.

Для того, щоб встановити чи існує залежність між концентрацією ГАГ і біомеханічними властивостями кісток, ми розраховували коефіцієнти кореляції між цими показниками. У щурів контрольної групи коефіцієнти кореляції між концентрацією ГАГ та несучою спроможністю, жорсткістю, межею міцності, енергією пружної деформації були близькими і дорівнювали 0,34-0,37. Тобто між показниками міцності і концентрацією ГАГ у контрольних тварин існує певний позитивний зв`язок. У щурів ІІІ групи виявлено істотно більшу залежність між концентрацією ГАГ та несучою спроможністю, межею міцності і особливо жорсткістю стегнової кістки, порівняно з контрольними тваринами. Коефіцієнт кореляції між жорсткістю та концентрацією ГАГ у цієї групи тварин дорівнював 0,94, що характеризує пряму залежність між цими показниками. Збільшення значень коефіцієнтів кореляції свідчить про підвищення залежності біофізичних властивостей кістки від стану органічного матриксу за умов розвантаження та дихання гіпоксичною газовою сумішшю

Сіалові кислоти, що входять до складу глікопротеїдів, мають здатність зв`язувати катіони кальцію та брати участь у процесах кальцифікації. У щурів ІІ групи відзначена тенденція до збільшення концентрації сіалових кислот на 23% у тканині діафізів стегнових кісток, що може свідчити про посилення деструкції білків. Подача газової суміші нормалізувала концентрацію сіалових кислот у стегнових кістках щурів ІІІ та IV груп. Вміст сіалових кислот у діафізах стегнових кісток тварин, що отримували газову суміш зі зниженим Ро2, не відрізнявся від контрольних значень. Концентрація глюкуронових кислот, які входять до складу протеогліканів, у діафізі стегнової кістки щурів усіх дослідних залишалася близькою до контрольних значень.

Розвантаження задніх кінцівок у тварин II групи викликало вірогідне зниження концентрації вільного оксипроліну в сироватці крові в 1,5 рази. У щурів ІII групи, які дихали газовою сумішшю в режимі А, цей показник не відрізнявся від контрольних значень. Вміст білковозв'язанного оксипролину мав тенденцію до збільшення у щурів як ІІ так і ІІІ групи. Водночас кількість екскретованого креатиніну у щурів всіх експериментальних груп не змінювалася. Добова екскреція оксипроліну знижувалася на 40% у щурів ІІ групи та на 61% у щурів ІІІ, а у щурів ІV групи виведення оксипроліну зменшувалося втричі порівняно з контролем. Значне зниження кількості екскретованого оксипроліну у щурів, які дихали гіпоксичною газовою сумішшю, свідчить про гальмування деструктивних процесів у кістковій тканині щурів з розвантаженням задніх кінцівок під впливом зниженого Ро2. При відсутності або зменшенні механічних стимулів для активації метаболізму кістки пнеобхідно застосування додаткового подразника, який здатний підвищити фізіологічну активність остеобластів. Як показали проведені нами дослідження, таким подразником може бути початковий етап кисневого голодування. Про стабілізуючий вплив зниженого парціального тиску кисню на метаболізм кісткової тканини за умов розвантаження кістяка свідчить збереження біофізичних властивостей стегнових і великогомілкових кісток, зниження добової екскреції кальцію та фосфору, нормалізація метаболізму протеогліканів та активності ЛФ у щурів, які отримували газову суміш зі зниженим Ро2 у переривчастому режимі. Наведені дані дають підстави вважати, що дихання газовими сумішами зі зниженим Ро2 у певному режимі, може бути корисним для попередження розвитку остеодистрофії за умов гіпокінезії або тимчасового виключення опорної функції кінцівок.

Висновки

Аксіальне розвантаження задніх кінцівок щурів істотно змінює біофізичні властивості стегнових і великогомілкових кісток. Знижується їх модуль пружності, несуча спроможність, енергія пружної деформації та межа міцності.

Мінеральна насиченість, зольність і щільність проксимальних епіфізів стегнових кісток щурів після 28 діб розвантаження задніх кінцівок в атмосфері повітря вірогідно знижувалися порівняно з аналогічними значеннями контрольних тварин.

Розвантаження задніх кінцівок щурів в атмосфері повітря підвищувало добову екскрецію кальцію і фосфору, вірогідно збільшувало концентрацію глікозаміногліканів у сироватці крові, що може свідчити про посилення деструкції протеогликанів.

У щурів з розвантаженням задніх кінцівок , які 8 годин за добу дихали газовою сумішшю зі зниженим парціальним тиском кисню в переривчастому режимі біофізичні характеристики стану стегнових і великогомілкових кісток (модуль пружності, несуча спроможність, енергія пружної деформації, межа міцності) залишались близькими до вихідних значень.

Дихання газовою сумішшю зі зниженим парціальним тиском кисню в переривчастому режимі нормалізувало концентрацію глікозаміногліканів та активність лужної фосфатази в сироватці крові, знижувало добову екскрецію кальцію та фосфору. Це підтверджує нормалізуючий вплив зниженого парціального тиску кисню на збереження вихідних фізіологічних властивостей кісткової тканини за умов розвантаження задніх кінцівок.

Порівняння двох режимів (А та Б) періодичної подачі газової суміші зі зниженим парціальним тиском кисню показало, що при співвідношенні періодів дихання газовою сумішшю та атмосферним повітрям 1:1 відбувається більш виражений позитивний вплив на кісткову тканину, ніж при співвідношенні 3:2.

Періодичне дихання азотно-кисневою газовою сумішшю з дозованим зниженням парціального тиску кисню може бути корисним для стимуляції проліферативних властивостей кісткової тканини за умов гіпокінезії, гіподинамії або мікрогравітації.

Перелік робіт, опублікованих за темою дисертації

Статті у наукових виданнях:

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. жур..- 2000.- Т.46, №1.-С.10-16

Березовский В.А., Литовка И.Г., Чака Е.Г, Магомедов С., Мехед Н.В. Влияние прерывистой гипоксии на состояние костной ткани в условиях моделированной микрогравитации //Космическая наука и технология. 2000.- Т.6, №2/3ю- С.77-84

Березовський В.Я. , Літовка І.Г., Чака О.Г., Лахін П.В. Вплив зниженного Ро2 на модуляцію остедистрофії у щурів в різних стато-кинетичних умовах //Фізіол. жур..- 2001.- Т.47. -№ 1.(ч.2.).- С.50-54.

Brik A.B., Chaka E.G., Brik V.B., Ulyanchich N.V.,Kalinichenko A.M., Kalmykova N.R.. Influence of the unloading of hind extremites on the EPR characterics of bone tissue of rats // Фізіол. жур..- 2001. -Т.47, № 1,(ч.2.).- С.55-62

Тези доповідей:

Березовський В.Я. , Літовка І.Г., Чака О.Г. Остеодистрофія при моделюванні стану невагомості //Фізіологічний журнал. -1998.- Т.44, № 4. - С.55-56.

Чака О.Г., Хасабова І.А. Стан кісткової тканини щурів при моделю ванні невагомості // Оротерапия. Доклады Академии проблем гипоксии.К.: “Логос”. 1998.- С.36.

Березовський В.Я., Левашов М.І.,Хасабова І.А., Носар В.І., Літовка І.Г., Чака О.Г. Дозована гіпоксія як метод профілактики та коррекції порушень стану кісткової тканини //Фізіологічний журнал.- 1998.- Т.44, № 3.- С.283-284.

Березовский В.А., Литовка И.Г., Чака Е.Г. Влияние пониженного Ро2 во вдыхаемом воздухе на биомеханические свойства костной ткани //Гипоксия: механизмы, адаптация, коррекция. Материалы 2-й Всеросийской конференции. Москва БЭБиМ.- 1999.- С.11-12.

Березовский В. А., Литовка И.Г., Чака Е.Г. Прерывистая гипоксия -метод профилатики остеопении бездействия // Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в экстремальных условиях. Москва, 2000.- Т.1.- С.42-43.

Березовський В.Я. , Літовка І.Г., Чака О.Г. Моделювання остеодистрофії та її коррекція // Фізіологічний журнал (Матеріали ІІІ Національного Конгресу патофізіологів України).- 2000. Т.46, № 2 (додаток).- С.111-112.

Beresovskii V.A., Chaka H.G. The influence of intermittent hypoxia on the biomechanical properties of femoral bones hind limb unloading rats// Mat.22nd Annual International Gravitational Physiology Meeting, 22-27 april, Budapest, 2001.-P.111.

Анотація

Чака О.Г.

Зміни біофізичних властивостей кісткової тканини після розвантаження та обмеження надходження кисню.

Рукопис.-Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.02.-біофізика. - Інститут фізіології ім. О.О.Богомольця НАН України, Київ, 2002.

Мета роботи - вивчити зміни біофізичних властивостей стегнових і великогомілкових кісток під впливом газової суміші зі зниженим Ро2 у щурів з розвантаженням задніх кінцівок.

Дослідження проведені на 120 білих щурах-самцях лінії Вістар.

Показано, що при аксіальному розвантаженні задніх кінцівок в атмосфері повітря значно знижуються модуль пружності, несуча спроможність, енергія пружної деформації, межа міцності стегнових і великогомілкових кісток. У тварин, які періодично отримували газову суміш зі зниженим Ро2, модуль пружності, несуча спроможність, енергія пружної деформації, межа міцності стегнових і великогомілкових кісток зберігалися на вихідному рівні. У щурів, які отримували газову суміш, щільність, мінеральна насиченість і зольність епіфізів стегнових кісток залишались близькими до контрольних значень, тоді, як у щурів, які дихали атмосферним повітрям відбувалося вірогідне зниження значень цих показників. Під впливом зниженого Ро2 у щурів з розвантаженням задніх кінцівок зменшувалася добова екскреція кальцію та фосфору, нормалізувався метаболізм протеогліканів, активність лужної фосфатази в сироватці крові та в кістковій тканині. Одержані результати свідчать, що періодична подача гіпоксичної газової суміші за умов розвантаження задніх кінцівок знижує добову екскрецію кальцію та фосфору, гальмує деструкцію протеогліканів і поліпшує біофізичні характеристики кісток.

Ключові слова: кісткова тканина, біофізичні характеристики (модуль пружності, несуча спроможність, енергія пружної деформації, межа міцності), гіпокісія, екскреція кальцію.

Аннотация

Чака Е.Г.

Изменение биофизических свойств костной ткани после разгрузки и ограничения поступления кислорода.

Рукопись. - Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук,- по специальности 03.00.02.-биофизика.- Институт физиологии им. А. А. Богомольца.-2002.

Диссертация посвящена изучению биофизических свойств бедренных и большеберцовых костей крыс после разгрузки задних конечностей и вдыхания азотно-кислородной газовой смеси с пониженным Ро2 .

Исследования проведены на 120 белых крысах-самцах линии Вистар.

Результаты исследований показали, что 28 суточная разгрузка задних конечностей в атмосфере воздуха (Ро2 = 159 мм рт. ст.), приводит к существенному изменению биомеханических свойств бедренных и большеберцовых костей. Достоверно снижается их несущая способность, предел прочности, модуль упругости, энергия упругого деформирования. Уменьшается способность кости противостоять деформирующей нагрузке, возрастает степень риска переломов. Отсутствие осевой нагрузки замедляет процессы физиологической реструктуризации костной ткани, о чем свидетельствует снижение темпов прироста массы и объема бедренных и большеберцовых костей .

Периодическое вдыхание крысами газовой смеси азота и кислорода с пониженным Ро2 (110 мм рт.ст.) на протяжении 224 ч. за 28 сут. вывешивания изменяло состояние бедренных и большеберцовых костей. У подопытных крыс, периодически вдыхавших газовую смесь с пониженным Ро2 в режиме А, показатели биомеханических свойств бедренных и большеберцовых костей практически не отличались от показателей характеризующих состояние костной ткани контрольных животных. Вдыхание газовой смеси в режиме Б ухудшало показатели биомеханических свойств бедренных и большеберцовых костей крыс с разгрузкой задних конечностей.

Разгрузка задних конечностей в атмосфере воздуха снижала плотность, минеральную насыщенность и зольность проксимальных эпифизов бедренных костей. После разгрузки задних конечностей на фоне дыхания газовой смесью с пониженным Ро2 минеральная насыщенность, зольность и плотность эпифизов бедренных костей сохранились на исходном уровне. Концентрация кальция, фосфора и магния в бедренных костях крыс всех подопытных групп мало отличались от физиологического уровня.

У крыс с разгрузкой задних конечностей, дышавших атмосферным воздухом, суточная экскреция кальция повышалась в 2 раза, фосфора в 1,3 раза. Увеличение суточной экскреции этих элементов свидетельствует о нарушении усвоения кальция и фосфора после снятия физиологической нагрузки на задние конечности. Вдыхание гипоксической газовой смеси снижало суточную экскрецию кальция и фосфора у животных с разгрузкой задних конечностей. Это свидетельствует о стабилизирующем влиянии периодического понижения парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе на метаболизм костной ткани в условиях осевой разгрузки.

Разгрузка задних конечностей изменяет состояние органического матрикса костной ткани, который регулирует процессы минерализации. Это проявляется в повышении концентрации гликозаминогликанов в 2,1 раза в сыворотке крови, что свидетельствует об усилении деструкции протеогликанов. Нарушение их структуры может быть одной из причин снижения механической прочности костной ткани у этих животных, несмотря на сохранность концентрации неорганических элементов Са, Р, Мg. При вдыхании газовой смеси в режиме А концентрация гликозамигликанов в сыворотке крови не отличалась от контрольных значений, а в режиме Б - превышала контрольные значения на 64%. Таким образом при вдыхании газовой смеси в режиме А нормализующее действие сниженного Ро2 на метаболизм протеогликанов было более выраженным.

Полученные нами результаты позволяют утверждать, что азотно-кислородная газовая смесь с пониженным Ро2, периодически подаваемая животным с разгрузкой задних конечностей, улучшает биомеханические свойства бедренных и большеберцовых костей, тормозит развитие деструктивных процессов в костной ткани. Сравнение двух режимов подачи газовой смеси с пониженным Ро2 показало, что при соотношении продолжительности периодов дыхания газовой смесью и атмосферным воздухом 1:1 происходит более выраженное нормализующее влияние на костную ткань, чем при соотношении 3:2. Полученные нами данные дают основания полагать, что периодическое вдыхание азотно-кислородной газовой смеси с дозированным снижением парциального давления кислорода может быть полезным для стимуляции пролиферативных свойств костной ткани в условиях гипокинезии, гиподинамии или микрогравитации.

Ключевые слова: костная ткань, биофизические характеристики кости ( несущая способность, предел прочности, модуль упругости, енергия упругой деформации), гипоксия, экскреция кальция, протеогликаны.

Annotation

Chaka E.G. The changes of biophysical properties of bone tissue after influence of hind-limb unloading and restriction of oxygen supply

Manuscript.-Dissertation for awarding scientific degree of candidate of biology, specialisation 03.00.02. - biophysic - Bogomolets Institute of Physiology, National Academy of Science of Ukraine, Kiev,2002.

The aim of this work was to study the change of biophysical indices of the state of femoral and tibial bone tissue under influence of hind-limb unloading and of gas mixture with low Po2 .

Experiments were performed on 120 male Wistar rats.

It is shown that module of elasticity, load capacity, energy of elastic deformation, breaking point of femoral and tibial bones essentialy decreased under influence of hind-limb unloading in the atmospheric air. The module of elasticity, load capacity, energy of elastic deformation, breaking point in rats, which breathed of gas mixture with low Po2 remained without change. Density, mineral saturation and ash content in femoral bones epiphysis of rats which received the gas mixture of low Po2 were close to control value. Whereas in rats which breathed the atmospheric air these indices definitely decreased after 28 days of experiments. Under influence of gas mixture with low Po2 daily excretion of calcium and phosphorus diminished, metabolism of proteoglycans and the activity of alkaline and acid phospatases in blood serum and in bone tissue became normal. The obtained results suggest that intermittent supply of hypoxic gas mixture depress calcium and phosphorus utilization, slow down the destruction processes in metabolism of proteoglycans, improves biophysical properties of bones in condition of hind-limb unloading.