Размещено на http://www.allbest.ru/

03.00.13 - физиология

14.00.32 - авиационная, космическая и морская медицина

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата медицинских наук

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПУСКОВЫЕ СТИМУЛЫ

ИЗМЕНЕНИЯ РАЗМЕРОВ ВОЛОКОН СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ

ПРИ ТРЕНИРОВКЕ И ГРАВИТАЦИОННОЙ РАЗГРУЗКЕ

Таракин Павел Петрович

Москва 2007

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем Российской академии наук.

Научные руководители - доктор биологических наук Шенкман Борис Стивович

доктор медицинских наук Ларина Ирина Михайловна

Официальные оппоненты

доктор биологических наук, профессор, Маевский Евгений Ильич

доктор медицинских наук, Моруков Борис Владимирович

Ведущая организация - Институт общей патологии и патофизиологии РАМН

Защита диссертации состоится на заседании диссертационного совета Д 002.111.01 при ГНЦ РФ - Институте медико-биологических проблем РАН по адресу: 123007, Москва, Хорошевское шоссе, д. 76 а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ - Института медико-биологических проблем РАН.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор медицинских наук, профессор Буравкова Л.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

мышечный сократительный гипертрофия гравитационный

Актуальность проблемы

Пластичность - одно из важнейших свойств скелетной мышцы. Оно позволяет мышечной ткани адаптироваться к изменению условий функционирования, воздействующих как на мышцу, так и на организм в целом. Важную роль в реализации феномена мышечной пластичности занимает регуляция размеров мышечных волокон на системном и местном уровне. Согласно классическим представлениям, изменения показателей размеров мышечных волокон, таких как площадь поперечного сечения, влечет за собой существенные изменения сократительных возможностей целой мышцы.

Необходимость повышения мышечной работоспособности возникает как в спорте, так и при гиподинамии и гравитационной разгрузки. В спорте, при постоянно повышающемся уровне интенсивности и объема тренировочных нагрузок, структурно-функциональные изменения рабочих мышц обусловливают повышение работоспособности и обеспечивают повышение спортивных результатов. В качестве гравитационно-зависимой функциональной системы, мышечная система человека подвергается гипотрофии при пребывании в невесомости и в условиях моделирования ее действия [Португалов, Ильина-Какуева, 1973; Fitts et al., 2001]. В невесомости и при длительном ограничении двигательной активности структурные изменения мышечных волокон в значительной степени сопровождаются снижением их функциональных возможностей и работоспособности человека, что в свою очередь сильно затрудняет последующую реабилитацию как двигательной, так и других систем [Козловская, Шенкман, 1997]. Следовательно, задачи управления сократительными возможностями мышечной системы диктуют необходимость более глубокого и всестороннего исследования базисных закономерностей мышечной пластичности в условиях повышенной и пониженной сократительной активности мышц. Однако, до настоящего времени недостаточно изучены пусковые стимулы, определяющие изменения размеров мышечных волокон в условиях тренировки и реальной или моделируемой гравитационной разгрузки.

Принято считать, что развитие гипертрофии мышечных волокон в ходе силовой тренировки определяется уровнем резистивной нагрузки на мышцу [Gollnick et al., 1973]. В тоже время, гипертрофический ответ скелетных мышц наиболее интенсивно развивается при комбинированном использовании хронического растяжения (резистивной нагрузки) и хронической вызванной активности мышц [Goldspink et al., 2002]. Не до конца ясно, что имеет ключевое значение для регуляции размеров мышечных волокон: сократительная активность мышцы или механическая нагрузка на нее.

Одним из подходов в поисках пусковых стимулов развития рабочей гипертрофии мышц является выявление специфических молекулярных компонентов, сопровождающих мышечную работу, приводящую к гипертрофическому эффекту. Силовая нагрузка, как правило, сопровождается интенсивным распадом одного из важнейших макроэргических фосфатов - креатинфосфата с образованием свободного креатина. Это обстоятельство позволяет предположить, что повышенная концентрация креатина является одним из стимулов, обусловливающих развитие рабочей гипертрофии мышечного волокна. Прием креатина приводит к более выраженной гипертрофии скелетно-мышечных волокон в условиях силовой тренировки [Volek et al., 1999]. Однако, не все авторы подтверждают представление об анаболических эффектах креатина. Так некоторые исследователи сообщают об отсутствии изменений уровня синтеза белка в волокне при использовании креатина на фоне силовой тренировки и в покое [Magali Louis et al., 2003].

На системном уровне инсулиноподобный фактор роста-1 является важнейшим стимулятором белкового синтеза в мышечных волокнах [Adams et al., 1998], который интенсивно экспрессируется в мышечной ткани и секретируется в системный кровоток при повышении сократительной активности мышц. В тоже время, чрезвычайно мало известно о роли инсулиноподобного фактора роста-1 в регуляции размеров мышечных волокон в ходе гравитационной разгрузки и послеразгрузочной реадаптации.

В последние годы к дистрофину мышечных волокон скелетных мышц, как к цитоскелетному белку с возможной сигнальной функцией, привлечено большое внимание исследователей. Так, известно, что помимо выполнения структурной функции в организации и защите сарколеммального комплекса и регуляции трансмембранного переноса макромолекул, дистрофин и ассоциированные с ним белки играют важную роль в регуляции дигидропиридиновых каналов [Johnson et al., 2005], нейрональной NO-синтетазы и аквапоринового комплекса [Wakayama et al., 1997; Crosbie et al., 2002]. Недавно было показано, что у животных, дефектных по синтезу дистрофина, при развитии системной кахексии, обусловленной интенсивным канцерогенезом, наблюдается лавинообразное усиление протеолитических процессов в мышечной ткани [Acharyya et al., 2005]. По мнению D. Glass, эти данные могут свидетельствовать о центральной роли дистрофина в негативной регуляции сигнальных механизмов, запускающих протеолитический комплекс [2005]. Некоторые данные последнего времени указывают на определенное сходство сигнальных механизмов, интенсифицирующих протеолиз в скелетной мышце при атрофических процессах различной природы [Lecker et al., 2004]. Поэтому естественно было предположить, что наличие дистрофина определенным образом сдерживает развитие атрофии и при функциональной разгрузке.

Известно, что редукция площади поперечного сечения мышечных волокон при гравитационной разгрузке обусловлена не только уменьшением содержания мышечных белков, но и дегидратацией. Причем соотношение белкового и небелкового компонента массы мышц в этих условиях остается неизменным [Ohira et al., 2002]. В то же время, существенное увеличение (до 50%) площади поперечного сечения мышечных волокон, регистрируемое на замороженных срезах в течение первой недели после возвращения животного к нормальной двигательной активности после разгрузки, часто рассматривают в качестве свидетельства восстановления мышечной массы [Ильина-Какуева и соавт., 2005]. Остается неизвестным, насколько эти изменения обусловлены приростом мышечных белков, а не ускоренной регидратацией.

Цель работы

Изучить действие некоторых физиологических пусковых стимулов, которые могут определять изменения размеров мышечных волокон в условиях тренировки и реальной или моделируемой гравитационной разгрузки.

Задачи исследования

1. Оценить значимость механического напряжения для детерминации размеров скелетно-мышечных волокон в условиях длительной сократительной активности (на модели низкочастотной низкоинтенсивной электростимуляционной тренировки).

2. Изучить роль креатина, как гипотетического фактора, влияющего на степень мышечной гипертрофии на фоне тренировки и гравитационной разгрузки.

3. Исследовать функциональную взаимосвязь между уровнем инсулиноподобного фактора роста-1 в крови и размерами мышечных волокон в условиях реальной и моделируемой гравитационной разгрузки, послеразгрузочной реадаптации и на фоне силовой тренировки.

4. Определить вклад процессов регидратации в восстановление размеров мышечных волокон в периоде реадаптации после гравитационной разгрузки.

5. Оценить возможную роль дистрофина в регуляции размеров мышечных волокон на фоне моделируемой гравитационной разгрузки.

Научная новизна

1. Впервые морфологически показано, что растяжение мышцы на фоне длительной низкочастотной электростимуляционной тренировки приводит к увеличению площади поперечного сечения волокон в m. vastus lateralis человека.

2. Обнаружено, что при 14-суточном антиортостатическом вывешивании крыс редукция размеров мышечных волокон m. soleus сопровождается уменьшением концентрации инсулиноподобного фактора роста-1 в сыворотке крови, а последующая 7-суточная реадаптация приводит к значительному увеличению секреции инсулиноподобного фактора роста-1.

3. Впервые выявлено, что увеличение площади поперечного сечения мышечных волокон во время послеразгрузочного восстановительного периода в первые 7 суток определяется увеличением содержания воды в m. soleus крыс.

Научно-практическая значимость

Полученные данные расширяют представления о влиянии механического напряжения на размеры мышечных волокон, углубляя имеющиеся данные о феномене механозависимой пластичности скелетных мышц. Эти результаты имеют большое практическое значение, поскольку исследование пусковых стимулов, определяющих изменения размеров мышечных волокон при моделируемой и реальной гравитационной разгрузке позволяет оценить эффективность подходов, направленных на уменьшение или предотвращение негативного влияния невесомости на мышцы. Полученные результаты могут быть использованы в спортивной медицине как компоненты комплексных методов увеличения мышечной массы спортсменов при различных видах тренировок. Полученные данные, несомненно, имеют и важное клиническое значение, поскольку могут использоваться в практической медицине для ускорения восстановления после клинической постельной гипокинезии.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Ключевым фактором для изменения размеров мышечных волокон на фоне длительной сократительной активности является наличие или отсутствие нагрузочного (резистивного) компонента сокращения.

2. Повышение концентрации инсулиноподобного фактора роста-1 является одним из ключевых пусковых стимулов для увеличения размеров волокон скелетных мышц, а снижение его уровня в крови - для уменьшения размеров мышечных волокон.

3. Восстановление площади поперечного сечения мышечных волокон m. soleus крыс в ранние сроки послеразгрузочного реадаптационного периода главным образом связано с увеличением содержания воды в мышце.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на Конференциях молодых специалистов, аспирантов и студентов, посвященных Дню космонавтики (Москва, 20032006); Международном симпозиуме «Биологическая подвижность» (Пущино, 2004, 2006); III Всероссийской с международным участием школе-конференции по физиологии мышц и мышечной деятельности (Москва, 2005); 27-й Международной конференции по гравитационной физиологии (Осака, Япония, 2006).

Диссертация апробирована на заседании секции Ученого совета ГНЦ РФ - ИМБП РАН «Космическая физиология и биология» (протокол № 3 от 16 апреля 2007 года).

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов, обсуждения, выводов, списка литературы. Текст диссертации изложен на 102 страницах, иллюстрирован 17 рисунками. Полученные данные представлены в 4 таблицах и 14 графиках. Список литературы включает 184 источника, из них 25 - работа отечественных и 159 иностранных авторов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служили пробы сыворотки крови и биоптаты мышечной ткани человека и животных. Здоровые обследуемые - добровольцы (33 человека, в том числе 3 космонавта) были отобраны врачебно-экспертной комиссией и дали информированное письменное согласие на участие в эксперименте в соответствии с нормами Хельсинской декларации. Процедуры сбора проб биологического материала являлись частью комплексных экспериментов, организованных и проведенных под руководством д.б.н. Виноградовой О. Л. Биоптаты мышц и образцы крови были получены также в опытах с лабораторными животными. В работе были использованы 76 половозрелых самца крыс линии Wistar, 14 самцов мышей линии mdx и 14 самцов мышей линии C57black. Протоколы исследований с участием человека и эксперименты на животных были одобрены Комиссией по биомедицинской этике ГНЦ РФ - ИМБП РАН.

Методы исследования

1. Измерение площади поперечного сечения мышечных волокон проводили на поперечных криостатных срезах мышечной ткани толщиной 10 мкм. Для выявления различных изоформ тяжелых цепей миозина использовали иммуногистохимический метод [Awede et al., 1999]. Площадь поперечного сечения была измерена не менее чем у 100 волокон каждого типа с помощью системы анализа изображений QUANTIMET-500 (Leica, Германия) с цветной цифровой видеокамерой JVC TK-1280E.

2. Определение уровня инсулиноподобного фактора роста-1 в сыворотке крови проводили методом иммуноферментного анализа [Adams et al., 1998] с использованием стандартных коммерческих наборов фирмы DSL с использованием комплекта оборудования компании Bio-Rad.

3. Определение сухого веса и расчет содержания воды в мышце. Для определения сухого веса мышцы, предварительно взвешенный кусочек мышечной ткани помещали в сухожаровой шкаф на 24 часа при температуре 90 C [Ohira et al., 2002]. На следующий день, данный образец ткани мышцы снова взвешивали на электронных весах. Расчет содержания воды в мышце проводили по следующей формуле:

Вес сырой мышцы - вес сухой мышцы

4. Измерение размеров единичных скинированных мышечных волокон Пучки мышечных волокон диаметром 0,1-0,3 мм немедленно после взятия мышцы помещали в скинирующий раствор. Методика химического скинирования, при котором происходит частичное разрушение клеточной мембраны, была раннее описана Stevens et al. [1993]. Затем пробу перемещали в раствор для хранения при -20°С. Диаметр волокна измеряли с помощью бинокуляра, имеющего микрометр (х80).

Статистическая обработка результатов выполнена с использованием компьютерной программы «Statistica-6.0». Различие средних значений показателя в сравниваемых выборках считали значимым при уровне значимости p0,05. Результаты представлены в виде Мm. Для оценки корреляции был использован коэффициент Пирсона.

Организация экспериментов

1. Силовая тренировка мышц-разгибателей коленного сустава на фоне применения креатина

18 добровольцев тренировали мышцы-разгибатели коленного сустава обеих ног на тренажере Leg Extention в течение 10 недель. Недельный цикл состоял из одной развивающей (с нагрузкой 85% от максимальной произвольной силы) и двух тонизирующих тренировок (с нагрузкой 5060% от максимальной произвольной силы). Испытуемые контрольной группы (9 человек, средний возраст 23,3±4,7 г) принимали пищевые добавки: витамины, минералы, аминокислоты, протеин, коллаген. Испытуемые опытной группы (9 человек, средний возраст 20,8±1,3 г) дополнительно принимали препарат моногидрат креатина по 5 г в день 6 раз в нед [Нетреба c соавт., 2006]. Пробы крови отбирали на 3, 6 и 10-й неделе тренировочного цикла. Образцы мышечной ткани забирали из m. vastus lateralis до начала силовой тренировки и через 5 дней после ее окончания методом игольчатой биопсии по Бергстрему Bergstrom, 1975. Взятие венозной крови было произведено методом пункции антекубитальной вены до начала силовой тренировки и через 5 дней после ее окончания.

2. Хроническое растяжение мышцы на фоне ее хронической низкочастотной низкоинтенсивной электростимуляции

Мышцы-разгибатели коленного сустава обеих ног подвергали хронической низкоинтенсивной (до порога болевого ощущения) низкочастотной электростимуляции прямоугольными импульсами частотой 15 Гц, стимуляция проводилась по 6 часов в день, 6 раз в неделю в течение 4,5 недель. У испытуемых первой группы (6 человек, средний возраст 21,3±2,0 г) тренируемые мышцы находились в среднем физиологическом положении, у испытуемых второй группы (6 человек, средний возраст 23,35,3 г) в состоянии пассивного растяжения. Пробы мышечной ткани m. vastus lateralis и образцы венозной крови отбирались до и через 5 дней после окончания стимуляции.

3. Космический эксперимент «Мион»

Исследование мышечной ткани в рамках космического эксперимента «Мион» проводилось у 3 членов экипажей Международной Космической Станции, участвующих в длительных космических полетах (185, 193 и 188 суток). Пробы мышечной ткани отбирали из m. soleus дважды: в предполетном периоде и к концу нулевых суток после посадки. Вместе с взятием проб мышечной ткани было произведено взятие венозной крови методом пункции антекубитальной вены, кроме того, взятие крови проводилось в ходе космического полета.

4. 14-суточное антиортостатическое вывешивание крыс с последующим 3 и 7-суточным восстановлением

В эксперименте животные были разделены на четыре группы: группа № 1 (n = 6) - «Контроль», крысы, содержались в виварийных клетках в течение 14 дней. Животные группы № 2 (n = 6) - «Вывешивание» - в течение 14 дней находились в положении антиортостатического вывешивания по Morey-Holton [Morey-Holton E.R, 2002]. Животные группы № 3 (n = 6) - «Вывешивание + восстановление 3 дня» - и группы № 4 (n = 6) - «Вывешивание + восстановление 7 дней» - после 14 дней вывешивания помещались в клетки и забивались через 3 и 7 дней восстановительного периода соответственно.

5. 30-суточное антиортостатическое вывешивание крыс в сочетании с приемом креатина

Перед началом эксперимента животные были разделены на 4 группы. Группа «Вывешивание» состояла из 6 крыс, которые в течение 30 суток находились в положении антиортостатического вывешивания по Morey-Holton [Morey-Holton E.R, 2002]. Животные экспериментальной группы «Вывешивание + креатин» (n = 6) получали перорально препарат моногогидрат креатина в дозировке 1% от массы потребляемого корма на фоне 30-суточного антиортостатического вывешивания [McBride et al., 2002]. Группа животных с приемом креатина и контрольная группа находились в виварийных клетках в течение 30 дней.

6. Антиортостатическое вывешивание мышей линии mdx

В эксперименте были использованы 28 животных: 14 мышей линии mdx и 14 мышей линии C57black. Животные были разделены на 4 группы: группа № 1 «Контроль», (n = 7) и группа № 2 «Контроль-mdx», (n = 7), животные находились в виварийных клетках в течение 10 дней; группа № 3 «Вывешивание», (n=7) и группа № 4 «Вывешивание-mdx», (n=7), в течение 10 дней животные находились в положении антиортостатического вывешивания Dapp et al., 2004.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Влияние механического напряжения мышцы на размеры мышечных волокон на фоне повышенной сократительной активности (на модели хронической низкочастотной электростимуляции)

В ходе эксперимента с хронической низкочастотной электростимуляцией нам не удалось обнаружить значимых изменений размеров мышечных волокон m. vastus lateralis в группе, где в качестве экспериментального воздействия применялась только низкочастотная электростимуляция (рис. 1). Полученные нами данные свидетельствовали только о наличии тенденции к снижению размеров волокон в этой группе. В экспериментальной группе, где применялась комбинация растяжения мышцы с ее электростимуляцией, было обнаружено увеличение размеров мышечных волокон m. vastus lateralis, которое составило 11%.

Увеличение размеров мышечных волокон в ходе силовой тренировки определяется уровнем резистивной нагрузки на мышцу [Falempin et al., 1997]. С другой стороны, в ходе тренировки повышается сократительная активность мышцы [Lemon et al., 1991]. Известно, что применение низкочастотной электростимуляции в клинике в качестве метода, повышающего сократительную активность мышц, позволило добиться улучшения функционального состояния и увеличения размеров мышечных волокон у больных с частичным нарушением спинальной проводимости [Bajd et al., 1989]. В нашем эксперименте увеличения размеров волокон обнаружено не было, прослеживалась тенденция к снижению размеров волокон в группе, где в качестве экспериментального воздействия применялась только низкочастотная электростимуляция. Ранее при низкочастотной электростимуляции у здоровых людей, как правило, не обнаруживали достоверных изменений площади поперечного сечения мышечных волокон [Theriault et al., 1994]. В большинстве работ, выполненных на животных, наблюдали уменьшение площади поперечного сечения волокон. Так, в экспериментах на кошках, кроликах, овцах и лабораторных грызунах в условиях нормальной сократительной активности мышц показано, что применение хронической низкочастотной электростимуляции приводит к уменьшению площади поперечного сечения мышечных волокон [Gordon et al., 1997; Pette et al., 1976; Gruber, 1993; Pette et al., 1999]. Следовательно, применение электростимуляционной тренировки в условиях нормальной сократительной активности мышц не является достаточным фактором не только для увеличения размеров мышечных волокон, но и для поддержания их на исходном уровне.

Увеличение площади поперечного сечения мышечных волокон m. vastus lateralis в группе, где применялась электростимуляция мышцы в комбинации с ее растяжением, свидетельствует о том, что на фоне повышенной сократительной активности мышцы решающим фактором для изменения размеров мышечных волокон является наличие или отсутствие нагрузочного (резистивного) компонента сокращения. Подтверждается это и литературными данными. В своей работе, Goldspink et al. сообщают, что при использовании электростимуляции растянутой мышцы кролика наблюдалось увеличение размеров мышечных волокон [2002]. При хронической электростимуляции растянутой мышцы (m. latissimus dorsi) козы не происходило снижение размеров мышечных волокон, по сравнению с группой животных, где применялась только электростимуляционное воздействие [Chachques et al., 1996].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Площадь поперечного сечения мышечных волокон m. vastus lateralis человека до и после низкочастотной хронической электростимуляции с растяжением мышцы и без него (slow - волокна медленного типа, fast - волокна быстрого типа, * - p< 0,05).

Итак, нами впервые в исследованиях с участием человека показано, что низкочастотная электростимуляция растянутой мышцы позволяет добиться значимого увеличения площади поперечного сечения мышечных волокон.

Влияние приема креатина на размеры мышечных волокон в ходе тренировки, нормальной сократительной активности мышц и на фоне гравитационной разгрузки

После силовой тренировки, мы наблюдали, достоверное увеличение площади поперечного сечения как медленных, так и быстрых типов волокон m. vastus lateralis, причем в группе с приемом креатина оно было более выражено (рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Прирост площади поперечного сечения мышечных волокон m. vastus lateralis человека в ходе длительной силовой тренировки с приемом креатина и без него (плацебо), slow - волокна медленного типа, fast - волокна быстрого типа.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Уровень инсулиноподобного фактора роста-1 в сыворотке крови испытуемых в ходе длительной силовой тренировки с приемом креатина и без него (плацебо).

Увеличение размеров мышечных волокон сопровождалось увеличением уровня инсулиноподобного фактора роста-1 в крови (рис. 3). Прием креатина не оказывал влияния на степень атрофии мышечных волокон m. soleus в ходе антиортостатического вывешивания крыс и не приводил к гипертрофии мышечных волокон у контрольных животных.

Большинство авторов полагают, что сферой действия креатина являются волокна скелетной мышцы, степень рабочей гипертрофии которых во многих случаях применения креатина на фоне тренировки возрастает [Volek et al., 1999; Moura et al., 2002]. Полученные нами результаты вполне согласуются с данными Volek et al., которые показали большую степень рабочей гипертрофии мышечных волокон при приеме креатина по сходному протоколу на фоне 10-недельной силовой тренировки [1999]. Аналогичные данные были получены в экспериментах на крысах, получавших креатин на фоне плавания с отягощением [Moura et al., 2002]. Прием креатина приводил к более выраженному увеличению содержания белков миофибрилл и экспрессии тяжелых цепей миозина [Willoughby et al., 2001].

Эффекты применения креатина обычно связывают с накоплением в мышце фосфорилированного креатина - креатин-фосфата [Kreider et al., 2003]. В ходе проведения данного эксперимента не удалось обнаружить значимых изменений уровня креатин-фосфата после 10-недельной тренировки, сочетанной с приемом креатина. В то же время концентрация свободного креатина в мышце у испытуемых из группы с приемом креатина возросла на 36% [Нетреба и соавт., 2006]. Не исключено, что возможная сигнальная роль креатина при силовой тренировке выявляется при его накоплении в условиях интенсивной мышечной работы. В ряде работ рассматриваются возможные механизмы стимулирующего действия креатина на увеличение мышечной массы. Так, показано, что применение креатина стимулирует размножение миосателлитных клеток [Vierck et al., 2003] и вызывает активацию регуляторных факторов транскрипции [Willoughby et al., 2003].

Интересно, что в ходе силовой тренировке увеличение размеров мышечных волокон сопровождалось возрастанием концентрации инсулиноподобного фактора роста-1 в сыворотке крови, несколько более выраженное в группе, принимавшей креатин (рис. 3). Недавно было показано, что даже кратковременный (в течение 5 суток) прием креатина на фоне повседневной двигательной активности приводит к значительному возрастанию экспрессии м-РНК инсулиноподобного фактора роста-1 в m. vastus lateralis человека [Deldicque et al., 2005]. Известно, что инсулиноподобный фактор роста-1 повышает интенсивность процессов синтеза в мышечном волокне, и, по-видимому, наряду с другими факторами роста, способствует слиянию клеток-миосателлитов с мышечным волокном, увеличивая тем самым количество ядер в волокне [Adams et al., 2002]. Повышение интенсивности белкового синтеза и активация клеток миосателлитов ранее были отмечены при использовании креатина на фоне тренировки [Vierck et al., 2003; Willoughby et al., 2003].

В то же время, некоторые авторы сообщают об отсутствии изменений уровня синтеза белка в волокне при использовании креатина на фоне тренировки [Magali Louis et al., 2003]. При этом изменения мышечной массы при приеме креатина рассматриваются как следствие высокой осмотической активности креатина, способствующей интенсивной гипергидратации клетки, что в свою очередь снижает ионную силу клеточных растворов [Ziegenfuss et al., 1998]. Так, в эксперименте McBride et al., после цикла силовой тренировки сырой вес мышцы животных, принимавших креатин, был в 2 раза больше, чем у животных, принимавших плацебо. В то же время сухой вес мышц у животных этих групп не различался между собой [2002]. В ходе эксперимента с приемом креатина на фоне силовой тренировке не удалось выявить изменений диаметра изолированных скинированных мышечных волокон после тренировки. Учитывая разницу в технике первичной обработки материала при гистоморфометрии на замороженных срезах и при анализе диаметра скинированных волокон, следует, вероятно, принять во внимание и возможность того, что изменения поперечных размеров замороженных волокон обусловлены увеличением содержания воды в мышце.

Инсулиноподобный фактор роста-1 и размеры мышечных волокон в ходе гравитационной разгрузки

Анализируя образцы крови и пробы мышечной ткани космонавтов - участников длительных космических экспедиций, мы получили неоднозначные результаты по содержанию инсулиноподобного фактора роста-1 в крови и размерам мышечных волокон (рис. 4 и 5). В ходе эксперимента с моделированием эффектов микрогравитации на животных, нами было обнаружено снижение размеров мышечных волокон в m. soleus крыс и уменьшение концентрации инсулиноподобного фактора роста-1 в крови.

Принято считать, что пребывание в условиях микрогравитации приводит к атрофии мышечных волокон [Козловская, Шенкман, 1997]. В работах ряда авторов показано, что атрофический ответ, демонстрируемый антигравитационными мышцами в условиях гравитационной разгрузки, обусловлен, прежде всего, дефицитом резистивной нагрузки [Falempin, Mounier, 1996]. Полученные нами результаты можно объяснить различным объемом выполненных во время космического полета профилактических физических

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Площадь поперечного сечения мышечных волокон m. soleus человека до и после длительного космического полета (slow - волокна медленного типа, fast - волокна быстрого типа).

упражнений, используемых для предотвращения неблагоприятных последствий влияния эффектов микрогравитации на организм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Уровень инсулиноподобного фактора роста-1 в сыворотке крови космонавтов до, в ходе и после длительного космического полета.

В эксперименте с моделированием эффектов микрогравитации на животных нами было обнаружено, что уменьшение площади поперечного сечения волокон в m. soleus крыс сопровождалось снижением концентрации инсулиноподобного фактора роста-1 в крови. Известно, что инсулиноподобный фактор роста-1 является важнейшим системным стимулятором белкового синтеза в мышечных волокнах [Adams et al., 1997], который интенсивно экспрессируется в мышечной ткани и секретируется в системный кровоток при повышении сократительной активности мышц. Снижение уровня синтеза белка в волокнах m. soleus при гравитационной разгрузке ранее отмечалось F. Booth et al., [1987] и впоследствии неоднократно наблюдалось многими авторами. Снижение концентрации инсулиноподобного фактора роста-1 в крови отмечали Adams et al. [2000], после 17-суточного космического полета, причем его концентрация демонстрировала высокую корреляцию с размерами волокон I медленного типа. Не исключено, что снижение интенсивности синтеза белка в мышце при гравитационной разгрузке в определенной степени обусловлено снижением концентрации инсулиноподобного фактора роста-1.

Размеры мышечных волокон и инсулиноподобный фактор роста-1 в ходе послеразгрузочной реадаптации

В ходе послеразгрузочной реадаптации мы наблюдали достоверное увеличение площади поперечного сечения мышечных волокон m. soleus крыс, значительное увеличение уровня инсулиноподобного фактора роста-1 в крови к 7 суткам (табл. 1). В течение 7-суточного восстановления произошло достоверное увеличение сырого веса m. soleus и веса воды в этой мышце по сравнению с вывешенными крысами (рис. 6). Достоверных изменений сухого веса и диаметра изолированных скинированных мышечных волокон m. soleus крыс в ходе 7-суточной реадаптации выявлено не было.

Табл. 1. Площадь поперечного сечения (ППС) мышечных волокон, диаметр единичных скинированных мышечных волокон m. soleus крыс и уровень в крови инсулиноподобного фактора роста 1 после 14-суточного антиортостатического вывешивания и реадаптации 3 и 7 суток (*- достоверное отличие от контрольного уровня при p<0,05; T - достоверное отличие от группы вывешивания).

Уменьшение массы мышечной ткани является обязательным следствием гравитационной разгрузки [Ohira et al., 2002]. По нашим данным, 3-суточное восстановление практически не повлияло на изменение этого показателя по сравнению с вывешенными животными. Однако, через 7 дней сырой вес мышцы m. soleus практически полностью восстанавливается до контрольных значений. По данным серии работ Musacchia et al., в которых сравнивали вывешивание крыс с другими моделями микрогравитации, масса мышц задних конечностей нормализуется через 1-2 недели после 7-, 14-, и 18-суточного вывешивания крыс [1990]. Аналогичную динамику на данных сроках реадаптации демонстрирует площадь поперечного сечения медленных и быстрых волокон. Эти результаты вполне согласуются с результатами Ильиной-Какуевой и соавт. [2005], которые показали почти полное восстановление размеров волокон m. soleus крыс через 7-10 суток после вывешивания. Несколько иная картина наблюдается при анализе динамики соотношения воды и неводного компонента мышцы в нашем эксперименте. После вывешивания обнаруживается пропорциональное уменьшение как воды, так и сухого веса мышцы. В то же время, если содержание воды в мышце уже после трех суток реадаптации существенно возрастает и достигает еще более высоких значений после 7 суток реадаптации, повторяя динамику сырого веса мышцы, то сколько-нибудь существенного восстановления сухого веса мышцы даже после 7 суток реадаптации не наблюдается. Одним из феноменов, сопровождающих кратковременное пребывание в условиях гравитационной разгрузки (иммерсия, космический полет), является снижение уровня гидратации организма, очевидно, затрагивающее как объем циркулирующей плазмы и внеклеточную воду, так и внутриклеточную воду [Григорьев, 1978; Лобачик, 1998; Носков , 2005] . Как показали Ohira et al., наибольший вклад в потерю сырого веса m. soleus после моделирования гравитационной разгрузки вносит потеря жидкости [2002]. При этом, по данным этих авторов, потеря воды и белка мышечной ткани при вывешивании оказывается пропорциональной и не меняет соотношения этих компонентов в сыром весе мышцы. Не исключено, что в редукцию площади поперечного сечения мышечных волокон m. soleus в условиях разгрузки свой вклад вносит и уменьшение содержания воды в волокнах. Значимое восстановление сырого веса и площади поперечного сечения волокон может быть также результатом как регидратации мышцы, так и восстановления ее белкового состава. Наши данные указывают на видимую асинхронность восстановительных процессов. К седьмым суткам реадаптации наблюдается очевидное восстановление сырого веса мышцы и площади поперечного сечения волокон за счет восстановления ее водного содержимого. Об этом свидетельствует отсутствие значимого увеличения сухого веса мышцы по сравнению с его послеразгрузочными значениями. Аналогичные данные были получены в экспериментах Goto et al. [2004].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Параметры водосодержания m. soleus крыс после антиортостатического вывешивания и последующего восстановления.

На третьи сутки послеразгрузочной реадаптации каких-либо значимых изменений концентрации инсулиноподобного фактора роста-1 в крови (по сравнению со значениями, полученными сразу после завершения разгрузки) нами отмечено не было. Резкий (более чем пятикратный) рост концентрации инсулиноподобного фактора роста-1 наблюдался только после 7 суток возвращения к нормальной двигательной активности. Если считать, что в основе возвращения к опорным нагрузкам после вывешивания (или космического полета) лежит эксцентрическая (несомненно, резистивная) работа атрофированных мышц [Riley et al., 1995], то можно предположить, что в данном случае происходила отставленная экспрессия инсулиноподобного фактора роста-1, которую наблюдали McKoy et al. после резистивной нагрузки [1999].

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что на ранних этапах послеразгрузочной реадаптации происходит преимущественно регидратация ткани при отсутствии значимого восстановления ее сухой массы. При этом изменения площади поперечного сечения волокон, измеренной на замороженных срезах, отражают не только изменения белкового компонента волокна, но и изменения его водного компонента. В период реадаптации только к 7 суткам наблюдается отставленный резкий многократный скачок концентрации инсулиноподобного фактора роста-1 в крови, который может впоследствии быть одним из факторов, обусловливающих восстановление белкового синтеза в ткани.

Влияние дистрофина на размеры мышечных волокон в ходе гравитационной разгрузки

В ходе антиортостатического вывешивания мы не обнаружили различий по степени атрофии мышечных волокон контрольных мышей линии C57black и мышей линии mdx. Известно, что у мутантных мышей линии mdx синтез дистрофина нарушен Sicinski et al., 1989. В ходе антиортостатического вывешивания крыс уменьшение размеров мышечных волокон сопровождается значительной деструкцией дистрофинового слоя сарколеммы [Гасникова, 2005]. У мышей линии mdx, генетически дефектных по гену дистрофина при развитии системной кахексии, обусловленной интенсивным канцерогенезом, наблюдается лавинообразное усиление протеолитических процессов в мышечной ткани [Acharyya et al., 2005]. Предполагается, что дистрофин играет ключевую роль в негативной регуляции сигнальных механизмов, запускающих процессы протеолиза в мышечных волокнах [Glass, 2005]. Однако, полученные нами результаты опровергают гипотезу о возможном участии дистрофина в регуляции размеров скелетно-мышечных волокон применительно к условиям гравитационной разгрузки.

ВЫВОДЫ

1. Длительная низкочастотная низкоинтенсивная электростимуляционная тренировка мышц человека не является достаточным фактором для увеличения размеров мышечных волокон.

2. Для увеличения размеров мышечных волокон m. vastus lateralis человека в ходе длительной низкочастотной низкоинтенсивной электростимуляционной тренировки необходимо наличие нагрузочного (резистивного) компонента сокращения.

3. Гипертрофический эффект креатина на мышцу реализуется только на фоне ее повышенной резистивной сократительной активности.

4. Атрофические изменения мышечных волокон m. soleus крысы в ходе 14-суточного антиортостатического вывешивания сопровождаются уменьшением концентрации инсулиноподобного фактора роста-1 в крови.

5. Возрастание концентрации инсулиноподобного фактора роста-1 в крови крыс при возвращении к нормальной двигательной активности после гравитационной разгрузки предшествует значимым изменениям неводного компонента мышцы.

6. Восстановление площади поперечного сечения мышечных волокон m. soleus крыс в первую неделю послеразгрузочного восстановительного периода главным образом связано с увеличением содержания воды в мышце.

7. Генетически обусловленная деструкция дистрофинового слоя мышечных волокон не вносит дополнительного вклада в атрофию мышц, вызванную гравитационной разгрузкой.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Хронические эффекты низкочастотной электромиостимуляции разгибателей коленного сустава на фоне их статического пассивного растяжения у человека // Физиология человека 2006 т.32 No.1 С. 84-92. (соавт. Б.С. Шенкман, Е.В. Любаева, Д.В. Попов, А.И. Нетреба, О.С. Тарасова, А.Б. Вдовина, Ю.С. Лемешева, О.И. Беличенко, В.Е. Синицын, Д.В. Устюжанин, О.Л. Виноградова).

2. PPAR_ gene variation and physical performance in Russian athletes // Eur. J. Appl. Physiol 2006 97 С. 103-108 I.I. (coauthors Ahmetov, I.A. Mozhayskaya, D.M. Flavell, I.V. Astratenkova, A.I. Komkova, E.V. Lyubaeva, B.S. Shenkman, A.B. Vdovina, A.I. Netreba, D.V. Popov, O.L. Vinogradova, H.E. Montgomery, V.A. Rogozkin).

3. Креатин как метаболический модулятор структуры и функции скелетных мышц при силовой тренировке у человека. Клеточные механизмы // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2006. 92. № 1. С. 100-112. (соавт. Б.С. Шенкман, К.С. Литвинова, Н.М. Гасникова, И.Н. Чистяков, Ю.С. Лемешева, И.М. Вихлянцев, З.А. Подлубная, Т.Л. Немировская, В.П. Хотченков, Т.Н. Стеханова, М.А. Ковалева, Д.В. Попов, А.И. Нетреба, О.Л. Виноградова).

4. Влияние антиортостатического вывешивания на течение дистрофического процесса в мышцах задних конечностей мышей линии mdx // Бюлл. Эксп. Биол. Мед. - 2006. - Т. 141. - № 6. - С. 702-705. (соавт. Н.М. Гасникова, В.Ф. Ситников, Б.С. Шенкман).

5. Rat soleus muscle properties and serum IGF-1 after hindlimb unloading and reloading // J. Grav. Physiol - 2006 - 2 - 13 - 1 - P89-90 (coauthors K.S. Litvinova, I.M. Larina, B.S. Shenkman).

6. Chronic effects of low-frequency low-intensity electrical stimulation of stretched human muscle // Acta Astronautica - 60 - 2007 - 505-511 (coauthors B.S. Shenkman, E.V. Lyubaeva, D.V. Popov, A.I. Netreba, Ya.R. Bravy, Yu.S. Lemesheva, O.L. Vinogradova).

Размещено на Allbest.ru