Влияние гипербарической оксигенации в клинических режимах на перекисное окисление липидов и антиоксидантную защиту головного мозга здор

 

На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

Шепелева Ярослава Викторовна

 

ВЛИЯНИЕ ГИПЕРБАРИЧЕСКОЙ ОКСИГЕНАЦИИ В КЛИНИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ НА ПЕРЕКИСНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ И АНТИОКСИДАНТНУЮ ЗАЩИТУ ГОЛОВНОГО МОЗГА

ЗДОРОВОГО ОРГАНИЗМА

 

03.00.13 – физиология

 

 

 

АВТОРЕФЕРАТ

 

диссертации на соискание ученой степени

кандидата медицинских наук

 

 

 

 

 

Курск – 2004

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная медицинская академия им. Н.Н. Бурденко» Министерства здравоохранения Российской  Федерации.

 

Научный руководитель:

доктор медицинских наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ Яковлев Виктор Николаевич

 

Официальные оппоненты:	доктор медицинских наук, профессор Ласков Виталий Борисович кандидат медицинских наук Савченко Анатолий Антонович
Ведущая организация:	Российский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации

Защита состоится «____» ________________ 2004 г. в  «____» часов на заседании диссертационного совета Д 208.039.01. при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Курский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации по адресу: 305041, г. Курск, ул. К. Маркса, д. 3.

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО КГМУ Министерства здравоохранения Российской Федерации.

 

Автореферат разослан «_____» _____________ 2004 г.

 

 

Ученый секретарь диссертационного совета        Калуцкий П.В.

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

Актуальность проблемы. В настоящее время гипербарическая оксигенация (ГБО) применяется у здоровых людей в связи с их профессиональной деятельностью (реабилитация спортсменов, летчиков, водолазов) (Мясникова Н.А., 1987; Плисак Л.М., и др., 2002; Gabb G., 1987; Babul S., Rhodes E.C., 2000 и др.), а также при лечении заболеваний, не сопровождающихся системной гипоксией организма или локальной церебральной гипоксией (Белокуров Ю.Н. и др., 2002; Васильев М.В., 1997; Jamil M.U. et al., 2000; Dwyer K.M. et al., 2002  и др.). Наиболее часто используют режимы ГБО (1,2-2,5 ата, 45-60 мин. изопрессии, 5-20 сеансов), при этом большая суммарная курсовая нагрузка ставит вопрос о возможности развития неблагоприятных субклинических изменений, особенно в органах, чувствительных к гипероксии, например, в головном мозге (Селивра А.И., 1974; Bergo М., 1992; Bert P., 1878; Elayan I.M. et al., 2000).

Известно, что одним из основных механизмов токсического действия ГБО является повышение генерации свободных радикалов (Леонов А.Н., 2003; Gerschman R., 1954; Jerrett S.A. et al., 1973; Piantadosi C.A. et al., 1990) и нарушение равновесия процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) и антиоксидантной защиты, формирующее в организме состояние окислительного стресса (Казанцева Н.В., 1996; Dean J.B., 2003; Rothfuss A., 2002). Вместе с тем, согласно адаптационно-метаболической теории (Леонов А.Н., 1969-2003), гипербарический кислород может выступать регулятором развития и соотношения компенсаторно-приспособительных реакций организма. Однако действие ГБО в клинических режимах в этом аспекте остается малоизученным, и вопрос о возможных механизмах действия ГБО на головной мозг с нормальным кислородным режимом остается открытым.

 

Цель исследования заключается в выявлении динамики проявлений окислительного стресса в головном мозге здорового организма по взаимоотношению процессов ПОЛ, реакций антиоксидантной системы и поведенческой активности здоровых животных при клинических режимах ГБО.

 

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить динамику  процессов ПОЛ по содержанию  диеновых конъюгатов (ДК), кетодиенов и сопряженных триенов, малонового диальдегида (МДА) в ткани ствола, мозжечка и больших полушарий головного мозга, артериальной и венозной крови здоровых животных при ГБО (2 ата – 50 мин, 1, 5, 10, 18 сеансов, 1 сеанс в сутки).

2. Исследовать  динамику изменения активности  ферментных (СОД, каталаза) и неферментных (мочевина, мочевая кислота) антиоксидантов в отделах головного мозга и в крови здоровых животных при указанных режимах ГБО.

3. Определить  влияние ГБО в указанных режимах  на двигательную, ориентировочно-исследовательскую и эмоциональную активность здоровых животных.

4. Установить  фазность развития проявлений  окислительного стресса в отделах  головного мозга и в крови в процессе нарастания гипероксической нагрузки (1, 5, 10, 18 сеансов) по соотношению про- и антиоксидантных реакций и содержанию внеэритроцитарного гемоглобина (ВЭГ) в плазме крови.

5. Выявить последействие  ГБО (2 ата – 50 мин, 1 и 5 ежедневных сеансов) на динамику процессов ПОЛ (по МДА), активность ферментных (СОД, каталаза) и неферментных (мочевина, мочевая кислота) антиоксидантов в отделах головного мозга и в крови, а также на двигательную, ориентировочно-исследовательскую и эмоциональную активность здоровых животных.

 

Научная новизна. Впервые исследованы механизмы действия ГБО (одного и курсовых сеансов) на головной мозг с анализом взаимосвязи показателей прооксидантной (процессы ПОЛ), антиоксидантной систем и поведенческой активности здорового организма. Установлено, что ГБО в этих условиях вызывала окислительный стресс, проявления которого в головном мозге носили двухфазный характер: некомпенсированный окислительный стресс после 1 и 5 сеансов сменялся фазой компенсации после 10 сеансов и 18 сеансов. Выявлено стимулирующее действие ГБО на поведенческую активность животных и снижение стимулирующего действия ГБО (преимущественно на двигательную активность) после 18 сеансов. Установлено, что ГБО (1 и 5 сеансов) обладала длительным последействием (5-10 дней), в течение которого в головном мозге сохранялись проявления окислительного стресса, при этом стимулирующее действие ГБО на поведение крыс снижалось.

 

Теоретическое значение работы заключается в расширении представлений об адаптации здорового организма к дискретному многократному действию гипербарического кислорода. Показано, что к десятому сеансу ГБО вызывала оптимальную реакцию антиоксидантных механизмов и формирование устойчивой адаптации головного мозга к гипероксии, которая сохранялась при нарастании гипероксической нагрузки до 18 сеансов. Учитывая феномен перекрестной адаптации, это явление создает перспективы использования ГБО в данных режимах при различных состояниях человека как в норме (адаптационная профилактика), так и при патологии (адаптационная терапия). Полученные результаты могут быть использованы для дальнейшего развития адаптационно-метаболической теории ГБО (Леонов А.Н., 1969-2003) и концепции адаптационной медицины (Меерсон Ф.З., 1993).

 

Практическая значимость работы. Учитывая обнаруженное адаптогенное действие ГБО (2 ата – 50 мин), данная работа обосновывает использование этого метода при реабилитации здорового организма после нагрузок, как фактора адаптационной профилактики и при лечении заболеваний, как фактора адаптационной терапии. Длительное последействие 1 и 5 сеансов ГБО, характеризующееся сохранением проявлений окислительного стресса в мозге в течение 5-10 суток после заключительного сеанса, ставит вопрос о целесообразности назначения антиоксидантной терапии. Результаты данной работы при сравнении с предыдущими исследованиями (Яковлев Н.В., 2004), показывают, что органы-мишени действия гипербарического кислорода (головной мозг и легкие) при определенных курсовых режимах ГБО по динамике окислительного стресса находятся в различных состояниях.

Внедрение полученных результатов. Основные положения исследования внедрены в лечебную работу Межклинического отделения гипербарической оксигенации Московской медицинской академии им. И.М. Сеченова, в учебную работу кафедры военной токсикологии и медицинской защиты Государственного института усовершенствования врачей Министерства Обороны.

Работа выполнена в соответствии с программно-целевым исследованием Воронежской государственной медицинской академии им. Н.Н. Бурденко «Общие закономерности и фундаментальные механизмы адаптации организма при  гипо- и гипероксии» (руководитель – Заслуженный деятель науки РСФСР, профессор А.Н. Леонов) и планом работы проблемной комиссии «Гипербарическая оксигенация» (председатель – лауреат Государственной премии СССР, профессор В.Л. Лукич) Научного совета по хирургии.

Положения, выносимые на защиту:

1. Действие ГБО (2 ата – 50 мин, 1, 5, 10, 18 сеансов, 1 сеанс в сутки) вызывает  в головном мозге здорового  организма развитие проявлений  окислительного стресса, что сопровождается изменениями поведенческой активности. При этом динамика взаимоотношений процессов ПОЛ и антиоксидантных реакций характеризуется сменой некомпенсированного окислительного стресса (после первого и пятого сеансов) фазой компенсации (после десятого и восемнадцатого сеансов).

2. В течение 18-дневного курса  ГБО (2 ата – 50 мин, 1 сеанс в сутки) период оптимальной выраженности реакций антиоксидантов мозга и формирование устойчивой адаптации к гипероксии наблюдается после 10 сеансов ГБО и сохраняется до 18 сеансов. Состояние головного мозга в течение курса ГБО соответствует дотоксической стадии гипероксического воздействия.

3. Гипербарическая оксигенация (2 ата  – 50 мин, 1 и 5 ежедневных сеансов) оказывает  выраженное последействие на процессы ПОЛ, реакции антиоксидантной защиты головного мозга и поведенческую активность здорового организма в течение 5-10 суток, что свидетельствует о сохранении в организме состояния окислительного стресса.

 

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на XII научно-практической конференции по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва, 2002), XXI международном симпозиуме «Эколого-физиологические проблемы адаптации» (Москва, 2003), V Всеармейской научно-практической конференции «Баротерапия в комплексном лечении раненых, больных и пораженных» (Санкт-Петербург, 2003), III Всероссийской конференции с международным участием «Механизмы функционирования висцеральных систем» (Санкт-Петербург, 2003), VII международной конференции «Высокое давление в биологии и медицине» (Москва, 2003), конференции молодых ученых ВГМА (Воронеж, 2003), межкафедральной научно-практической конференции ВГМА (Воронеж, 2004).

По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 141 странице машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, двух глав результатов собственных исследований, обсуждения полученных результатов, заключения, выводов и библиографического указателя, включающего 292 источника, из них 149 отечественных и 143 зарубежных. Диссертация иллюстрирована 23 таблицами и 10 рисунками.

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Материалы и методы исследования

Исследование выполнено на 220 здоровых белых крысах-самцах. Материалом исследования служили отделы перфузированного головного мозга (ствол, мозжечок, полушария), плазма и отмытые эритроциты артериальной и венозной крови. Работа выполнена в 8 сериях опытов: 1-я серия – контроль (здоровые неоксигенированные животные), 2-я – животные, исследованные после 1 сеанса ГБО, 3-я – после 5 сеансов, 4-я – после 10 сеансов, 5-я – после 18 сеансов, 6-я – через 5 суток после 1 сеанса ГБО, 7-я – через 10 суток после 1 сеанса ГБО, 8-я – через 5 суток после 5 сеансов ГБО. Гипербарическую оксигенацию проводили медицинским кислородом в режиме 2 ата – 50 мин изопрессии, 1 сеанс в сутки.

Для оценки ПОЛ в отделах головного мозга, артериальной и венозной крови спектрофотометрически исследовали: содержание диеновых конъюгатов, кетодиенов и сопряженных триенов (Волчегорский И.А. и др., 1988), малонового диальдегида (Андреева Л.И. и др., 1988). Для характеристики ферментных антиоксидантов определяли активность СОД хемилюминесцентным методом (Пашков А.Н., Романов А.Ю., 1990), каталазы – спектрофотометрически (Королюк М.А. и др., 1988). Определение содержания антиоксидантных метаболитов (мочевины и мочевой кислоты) проводили колориметрически с использованием реактивов фирм «Лахема» (Чехия) и «Vital Diagnostics» (Санкт-Петербург, Россия) соответственно. Содержание внеэритроцитарного гемоглобина, как маркера нарушения проницаемости мембран эритроцитов, в плазме крови определяли колориметрически (Идельсон Л.И., Бриллиант М.Д., 1970). Поведение животных исследовали в тесте «открытое поле» (Буреш Я. и др., 1991).

Результаты исследований (независимые выборки) обрабатывали с использованием параметрического t-критерия Стьюдента с предварительной проверкой гипотезы о нормальности выборочного распределения и непараметрического критерия Манна-Уитни, для обработки парных выборок использовали критерий Вилкоксона для связанных выборок (Стентон-Гланц А., 1991). Достоверными считали изменения при р<0,05. Статистический анализ проводили с использованием пакетов «Statistica 5.0 Statsoft», «Biostat» и «Microsoft Excel».

 

Полученные результаты и их обсуждение

Соотношение про- и антиоксидантов при ГБО. После 1 сеанса ГБО (2-я серия опытов) в мозжечке и больших полушариях наблюдалось снижение содержания ДК, кетодиенов и сопряженных триенов и рост концентрации МДА на фоне активации СОД (рис. 1). Рост содержания МДА и активацию СОД в этих отделах мозга можно рассматривать как проявления окислительного стресса (Nordmann R., 1993; Villalobos M.A. et al., 2000), носившего, учитывая повышение концентрации МДА, некомпенсированный характер. В стволе мозга, филогенетически более старом отделе, обнаруживалась активация СОД на фоне нормального содержания продуктов ПОЛ, что свидетельствовало о развитии компенсированного окислительного стресса. В плазме крови уровень исследованных продуктов ПОЛ не отличался от контроля, что обеспечивалось активацией СОД и мочевой кислоты – ведущих факторов защиты липопротеидов крови от окисления (Kanner J. et al., 1987; Dringen R. et al., 1999), в то время как в эритроцитах венозной крови содержание МДА увеличилось (рис. 1). Быстрая активация СОД после 1 сеанса ГБО связана, вероятно, с влиянием интенсивно образующихся свободных радикалов на существующий пул фермента (Sies H., 1989).

Таким образом, после 1 сеанса ГБО в головном мозге и крови наблюдались признаки окислительного стресса. При этом в стволе мозга и плазме крови процесс носил компенсированный характер, а в больших полушариях и мозжечке обнаруженные изменения свидетельствовали о развитии некомпенсированного окислительного стресса. Интересно отметить, что в другом органе-мишени гипербарического кислорода, в легких, однократное действие ГБО не вызывало повышения содержания МДА (Яковлев Н.В., 2004), что обеспечивалось стимуляцией всех изученных антиоксидантов.

После 5 сеансов ГБО (3-я серия) содержание ДК, кетодиенов и сопряженных триенов в отделах мозга было ниже контроля, в то время как содержание МДА значительно повышалось по сравнению с контролем и уровнем 1 сеанса (рис. 2).

Повышение содержания МДА косвенно указывает на повышение интенсивности свободнорадикальных процессов в головном мозге. Опасность этого состояния для нейронов обусловлена тем, что повышение генерации свободных радикалов может стать индуктором апоптоза и инициировать процессы программированной гибели клетки (Болдырев А.А., 2000; Завалишин И.А., 1999; Пескин А.В., 1997). Рост концентрации МДА в исследованных отделах мозга не могли компенсировать реакции АОС, выражавшиеся в активации СОД и повышении содержания мочевой кислоты – антиоксидантного азотистого метаболита, обладающего способностью ингибировать образование синглетного кислорода и эффективно связывать ионы железа (Лукаш А.И. и др., 1998; Sevanian А. et. al., 1991). В плазме крови стабильный уровень исследованных продуктов ПОЛ поддерживался активацией СОД; в эритроцитах продолжение действия ГБО вызывало интенсификацию ПОЛ (по МДА). Учитывая структурное сходство мембран нервных клеток и эритроцитов (Архипенко Ю.В. и др., 1975), можно провести аналогию между динамикой развития в них окислительного стресса.