Вплив гіпокінезії на біоелектричні властивості кістки - Автореферат

У звязку з цим дослідження патофізіологічних механізмів порушень, які виникають у кістковій тканині при низькому функціональному навантаженні, з метою розробки нових методів їхньої ранньої діагностики, профілактики та корекції є одним із актуальних завдань сучасної медицини. Специфічним фактором регуляції фізіологічної перебудови кісткової тканини є механічні деформації та напруження, що виникають у кістці під впливом функціонального навантаження. Відповідно до біоелектричної теорії, одним із месенжерів у процесі взаємодії фізичного навантаження з остеогенними клітинами можуть бути електричні струми, що виникають у кістці у відповідь на її деформацію. Не існує чітких уявлень про закономірності виникнення, поширення, а також про механізми передачі електричного сигналу до клітин, що беруть участь у процесах перебудови кістки. Богомольця НАН України за темою “Дослідити механізми адаптації організму до гіпокінезії та можливі шляхи попередження її негативних наслідків” (Номер державної реєстрації 0101U002635), і проекту NN-26 (R) НТЦ України “Дослідити вплив мікрогравітації на кісткову тканину та профілактичну дію газових сумішей зі зниженим вмістом кисню на розвиток остеопенії”, який виконувався на замовлення Національного космічного агентства України.Дослідження ПН свіжовиділених стегнових кісток щурів проводили на установці, до складу якої входили: електронний блок з підсилювачем електричних сигналів, таймер, пристрій для фіксації та зволоження кістки, Ag-AGCL електроди із сольовим містком (0,9%-й розчин NACL у 2%-му агарі, Cochran G.V. et al., 1989) і регістратор. Дослідження проводили при 3 ступенях навантажень: І ступінь - 30%, ІІ ступінь - 50% і ІІІ ступінь - 100% від маси тіла тварини. Схема остеометричних досліджень складалася з визначення таких показників: маса та довжина стегнової кістки й препарату, максимальний, мінімальний і середній діаметр діафіза та кістковомозкового каналу, середня товщина стінки діафіза. У щурів, що перебували в умовах 28-добової жорсткої гіпокінезії, амплітуда ПН стегнової кістки при навантаженнях I, II і III ступеня була на 37, 35 і 23% відповідно менше, ніж у тварин контрольної групи. Дослідження впливу вікових змін кісткової тканини на ПН стегнових кісток проводили на щурах віком 2 , 6 і 24 міс.У дисертації наведено результати досліджень впливу гіпокінезії на біоелектричні властивості стегнової кістки щурів, які отримані методом визначення електричного потенціалу навантаження на поверхні кістки та мультичастотного імпедансометричного тестування в умовах дозованого механічного навантаження й обмеження рухливості. Отримано нові результати про закономірності змін потенціалу навантаження та пасивних електричних властивостей кістки в різних режимах гіпокінезії і переривчастої нормобаричної гіпоксії, які можуть бути використані для розробки нових підходів до діагностики й корекції патології кісткової системи. Електричний потенціал, який виникає на поверхні стегнової кістки щура при механічному навантаженні, зростає в експоненціальній залежності від величини прикладеного зусилля. У періоді постнатального життя щурів електричний потенціал навантаження стегнової кістки залежить від віку тварини. Це може бути однією з причин низької ефективності профілактичного використання фізичних навантажень при розвитку вікової остеопенії та уповільненого відновлення кісткової тканини в період післядії гіпокінезії.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ МАТЕРІАЛИ та МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ

У дисертації наведено результати досліджень впливу гіпокінезії на біоелектричні властивості стегнової кістки щурів, які отримані методом визначення електричного потенціалу навантаження на поверхні кістки та мультичастотного імпедансометричного тестування в умовах дозованого механічного навантаження й обмеження рухливості. Отримано нові результати про закономірності змін потенціалу навантаження та пасивних електричних властивостей кістки в різних режимах гіпокінезії і переривчастої нормобаричної гіпоксії, які можуть бути використані для розробки нових підходів до діагностики й корекції патології кісткової системи.

1. Електричний потенціал, який виникає на поверхні стегнової кістки щура при механічному навантаженні, зростає в експоненціальній залежності від величини прикладеного зусилля. Найбільший приріст потенціалу на одиницю навантаження забезпечують впливи, що не перевищують 50% маси тіла тварини.

2. У періоді постнатального життя щурів електричний потенціал навантаження стегнової кістки залежить від віку тварини. Амплітуда потенціалу та його приріст на одиницю навантаження найменші у щурів пубертатного періоду, у дорослих - вони сягають максимальних значень, а в періоді вікової інволюції - зменшуються.

3. У дорослих щурів після жорсткої 28-добової гіпокінезії електричний потенціал навантаження знижується на 20-25%. Найбільш чітко ці зміни виявляються у діапазоні навантажень, що не перевищують 50% від маси тіла тварини. Це може бути однією з причин низької ефективності профілактичного використання фізичних навантажень при розвитку вікової остеопенії та уповільненого відновлення кісткової тканини в період післядії гіпокінезії.

4. Вікові відмінності пасивних електричних властивостей стегнової кістки щурів визначаються особливостями її складу та структури в різні періоди життєвого циклу. Встановлено наявність вірогідного прямого кореляційного звязку між електричною ємністю та вмістом води (r= 0,858) і органічних речовин (r= 0,485), а також між імпедансом, активним і реактивним опором і вмістом мінеральних речовин (r= 0,766; r= 0,765; r= 0,893). Найбільш істотні зміни пасивних електричних властивостей кістки щурів відбуваються в періоди пубертації (1-3 міс) та інволюції (вік тварин перевищує 18 міс).

5. Жорстке тривале обмеження рухливості щурів призводить до зменшення маси, щільності та збільшення ступеня гідратації кістки. Для розгорнутої картини індукованої гіпокінезією остеопенії притаманно зменшення імпедансу, активного й реактивного опору і значне збільшення ємності кісткової тканини.

6. Критичним етапом у зміні пасивних електричних властивостей кістки при низькому функціональному навантаженні є підвищення гідратації кісткової тканини, що призводить до значного збільшення її електропровідності. Наявність тісного зворотного кореляційного звязку між вмістом води та мінералів у кістковій тканині (r=-0,890) дозволяє використати показник рівня гідратації як додатковий критерій ступеня її демінералізації.

7. Жорстка гіпокінезія зменшує напруження кисню в недостатньо навантажених мязах і швидкість споживання кисню кістковою тканиною. Переривчаста нормобарична гіпоксія попереджає істотні зміни цих показників та активує анаболічні процеси у кістковій тканині, про що свідчить збільшення вмісту органічних речовин у кістковому матриксі.

8. Переривчаста нормобарична гіпоксія зменшує прояви індукованої гіпокінезією остеопенії та змін пасивних електричних властивостей кісткової тканини. Максимальний остеопротекторний ефект виявлено після впливу газових сумішей з низьким РО2 на етапі преадаптації та у період обмеження рухливості.

1. Левашов О.М., Сафонов С.Л. Влияние моделирования микрогравитационной разгрузки задних конечностей на пассивные электрические свойства бедренной кости белых крыс//Пробл. управления и информатики - 2003, №5. -С.122-130. (Особистий внесок здобувача: Моделювання розвантаження задніх кінцівок щурів, проведення досліджень електричних властивостей стегнової кістки, написання статті).

2. Березовский В.А., Левашов О.М., Сафонов С.Л. Пассивные электрические свойства компактной костной ткани в норме и при дефиците механической нагрузки//Укр. мед. альманах. -2003. -Т.6, №2. -С.162-164. (Особистий внесок здобувача: Моделювання дозованої гіпокінезії, проведення досліджень електричних властивостей стегнової кістки, статистична обробка результатів, участь у написанні статті).

3. Березовский В.А., Левашов О.М., Сафонов С.Л. Влияние дозированной гипертермии на пассивные электрические свойства компактной костной ткани//Клін. та експерим. патологія. -2004. -Т.ІІІ, №2,Ч.1. -С.212-214. (Особистий внесок здобувача: Проведення дозованої термічної денатурації кістки та досліджень її електричних властивостей, участь у написанні статті).

4. 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//Фізол. журн. -2005. -Т.51, №5. -С.23-30. (Особистий внесок здобувача: Проведення імпедансометричного тестування кісткової тканини, участь у написанні статті).

5. Березовский В.А., Левашов О.М., Сафонов С.Л., Лахин П.В. Мультичастотная импедансометрия состояния костной ткани//Укр. морфол. альманах. -2005. -Т.3, №4. -С.5-10. (Особистий внесок здобувача: Проведення досліджень стану кісткової тканини за методом мультичастотної імпедансометрії, статистична обробка результатів, участь у написанні статті).

6. Левашов О.М., Березовский В.А., Левашов М.І., Сафонов С.Л. Влияние прерывистой нормобарической гипоксии на кислородный метаболизм и биофизические свойства кости при гипокинезии//Укр. мед. альманах. -2007. -Т.10, №5. -С.105-109. (Особистий внесок здобувача: Проведення досліджень споживання кисню кістковою тканиною, статистична обробка даних, участь у написанні статті).

7. Деклараційний патент №750019А, Україна, МКІ А61К 50/00 G01R 17/00. Пристрій для досліджень електричних характеристик біологічних обєктів: Березовський В.Я., Сафонов С.Л., Левашов О.М.; Заявлено12.06.2003; Опубл.15.12.2006, Бюл. №2. - 4 с. (Особистий внесок здобувача: Участь у розробці технічного завдання на пристрій, проведення лабораторних випробувань, участь у написанні заявки на видачу патенту).

8. Левашов О.М., Сафонов С.Л. Влияние микрогравитации на пассивные электрические свойства кости//Наукові космічні дослідження: Школа-семінар для молодих науковців: Матеріали доповідей. - Жукін, 2003. - К.:ІВЦ Політехніка, 2003. -С.47-49.

9. Березовский В.А., Левашов М.И., Сафонов С.Л., Левашов О.М. Использование метода импедансометрии в остеологии //“Вторинний остеопороз: епідеміологія, клініка, діагностика, профілактика та лікування”, 19-21 березня 2003 р., Київ-Тернопіль. - Пробл. остеології. -2003. -Т.6, №1-2. -С.53-54.

10. Levashov M., Berezovskiy V., Saphonov S., Levashov O. The bone electrical properties in hypokinetic rats//24th Annual International Gravitational Physiology Meeting. -Santa Monica, California, USA, 4-9 May 2003. Abstracts. -P.S. I,NN15.

11. Левашов О.М., Сафонов С.Л. Влияние гипокинезии на состав костного матрикса и пассивные электрические свойства костной ткани//Наукові космічні дослідження: Школа-семінар для молодих науковців: Матеріали доповідей. - Жукін, 2004. -К.:ІВЦ Політехніка, 2003. -С.55-56.

12. Левашов О.М. Спрямована хімічна модифікація кісткової тканини як метод моделювання патофізіологічних змін її електричних властивостей при дефіциті механічного навантаження: Конф. для мол. учених Інституту фізіології ім.О.О.Богомольця НАН України „Перспективні напрями досліджень сучасної фізіології”. Київ, 17-18 листопада 2003 р. //Фізіол. журн. -2004. -Т.50, №3. -С.105-106.

13. Berezovskiy V., Levashov O., Saphonov S. Changes in composition and passive electrical properties of rats compact bone tissue in hypokinesia and normobaric hypoxic stimulation//25th Annual International Gravitational Physiology Meeting. - Moscow, Russia, 6-11 June 2004. Abctracts. P.S. II, NN7.

14. Левашов О.М. Потребление кислорода костной тканью приуменьшении функциональной нагрузки на кость//Наукові космічні дослідження: Школа-семінар для молодих науковців: Матеріали виступів доповідей. - Жукін, 2004. -К.:ІВЦ Політехніка, 2005. -С.26-27.

15. Левашов О.М. Возрастные особенности гидратации компактной кости ткани белых крыс: Тези доп. IV Нац. конгр. геронтологів і геріатрів України. - Київ, 11-13 жовтня 2005р. //Пробл. старения и долголетия -2005. -Т.14, приложение. - С.32

16. Березовский В.А., Левашов М.И., Сафонов С.Л., Левашов О.М., Лахин П.В. Возрастные изменения пассивных электрических свойств костной ткани: Тези доп. IV Нац. конгр. геронтологів і геріатрів України. - Київ, 11-13 жовтня 2005 р.//Пробл. старения и долголетия -2005. -Т.14, приложение. - С.82.

17. Березовський В.А., Левашов О.М., Сафонов С.Л., Левашов М.І., Безчасна В.О. Склад і біоелектричні властивості компактної кістки білих щурів у різні періоди постнатального онтогенезу: Матеріали XVII з‘їзду Укр. фізіол. т-ва з міжнарод. участю, Чернівці, 18-20 травня 2006 р. //Фізіол. журн. -2006. -Т.52, №2. -С.213.

18. Levashov O.M., Saphonov S.L., Levashov M.I. The effects of normobaric hypoxic preadaptation on bone electrical properties and bone composition in hypokinetic rats//VIII World Congress International society for Adaptive Medicine (ISAM), Moscow, Russia, June 21-24, 2006. Abstracts. - II-4.16. -P.91.

19. Березовский В.А., Левашов О.М., Сафонов С.Л., Левашов М.И. Stress generated potential (SGP) как индикатор состояния кости//Материалы V Международ. симпоз. “Актуальные проблемы биофизической медицины”, Киев, 17-19 мая 2007 г. - С. 21-22.