Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

PLASTICITY OF «FAST» AND «SLOW» SKELETAL MUSCLES OF THE MOUSE OF PROTEINACEOUS SENSITIZATION. CONTRACTION IN VITRO ON CHOLINOMIMETIK AND KCL

Mitrofanov M.S. 1 Farkhutdinov A.M. 1 Teplov A.Y. 1
1 Kazan State Medical University
В представленной работе исследовано влияние аллергической перестройки организма на сократительную функцию изолированных скелетных мышц (СМ) голени мыши. Показано, что при белковой сенсибилизации (БС) как «быстрая» (m. EDL), так и «медленная» (m.soleus) СМ изменяют свои сократительные свойства. Вектор этих изменений для мышц с различным фенотипом носит разнонаправленный характер. Сила сокращения, вызванного агонистом холиномиметиком карбахолином (КХ) у «медленной» мышцы повышается, у «быстрой» – убывает. Скорость сокращения на гуморальный агент KCl при БС у m.EDL снижается, у m.soleus возрастает. Высказывается предположение, что изменения сократительной функции СМ обусловлены как изменениями холиноопосредованных процессов возбуждения мембраны мышечных волокон (МВ), так и изменениями в системе электромеханического сопряжения (ЭМС).
In work influence of allergic reorganization of an organism on contractility function of the isolated skeletal muscles (SM) of a shin of a mouse is investigated. It is shown that at the protein sensitization (PS) as «fast» (m. EDL), and «slow» (m.soleus) of CM change the contractility properties. The vector of these changes for muscles with various phenotype has multidirectional character. Force of the reduction caused by a cholinomimetic Carbacholinum (KH) in a «slow» muscle increases, at «fast» – decreases. Speed of reduction on KCl at BS at m.EDL decreases, at m.soleus increases. It is suggested that changes of the CM contractility function are caused as changes the cholinomediate of processes of excitement of a membrane of the muscle fibers (MF), and changes in system of electromechanical connection (EMC).
skeletal muscle
contractility properties
protein sensitization
1. Ado A.D., Stomahina N.V., Tuluevskaja L.M., Fedoseeva V.N. Belkovye spektry i fosfolipidnyj sostav membran, obogashhennyh holinoreceptorami iz skeletnyh myshc krys v uslovijah sensibilizacii. Bjul. jeksperim. biol. mediciny.1984. T. 99, no. 7. рр. 84–86.
2. Gushhin I.S. Anafilaksija gladkoj i serdechnoj muskulatury. M.: Medicina, 1973.175 р.
3. Gushhin I.S., Zebreva A.I., Bogush N.L. i dr. Jeksperimental’naja model’ dlja razrabotki i ocenki sposobov kontrolja nemedlennoj allergii. Patol. fiziol. i jeksperiment. terapija. 1986. no.4. рр. 18–23.
4. Zhukov E.K. Ocherki po nervno-myshechnoj fiziologii. – L: Nauka, 1969. 288 р.
5. Nasledov G.A. Tonicheskaja myshechnaja sistema pozvonochnyh. – L: Nauka; 1981. 187 р.
6. Dulhunty A.F. Slow potassium contractures in mouse limb muscles. J. Physiol. 1981. no. 314. рр. 91–105.
7. Fahim M.A., Holley J.A., Robbins N. Topographic comparison of neuromuscular junctions in mouse slow and fast twitch muscles. Neuroscience. 1984. Sep. no. 13(1). рр. 227–35.
8. Florendo J.A., Reger J.F., Law P.K. Electrophysiologic differences between mouse extensor digitorum longus and soleus. Exp Neurol. 1983. Nov. no. 82(2). рр. 404–12.
9. Lawler J.M., Hu Z., Barnes W.S. Effect of reactive oxygen species on K+- contractures in the rat diaphragm. J. Appl. Physiol. 1998. V. 84, no. 3. рр. 948–953.
10. Lorcovich H Potassium contractures in mouse limb muscles. J. Physiol. 1983. no. 343. рр. 569–576.
11. Teplov A.Y., Grishin S.N., Mukhamedyarov M.A., Ziganshin A.U., Zefirov A.L., Palotas A. Ovalbumin-induced sensitization affects non-quantal acetylcholine release from motor nerve terminals and alters contractility of skeletal muscles in mice. Experimental Physiology. 2009. no. 94 (2). рр. 264–268.
12. Yuan P., Leonetti M.D., Hsiung Y., MacKinnon R. Open Structure of the Ca2+ Gating Ring in the High-Conductance Ca2+-Activated K+ Channel. Nature. 2011. no. 481(7379). рр. 94–97.

Аллергическая перестройка организма сопровождается изменением морфофункционального состояния скелетных мышц (СМ) теплокровных животных [2]. Белковая сенсибилизация (БС) в качестве экспериментальной модели широко используется в медико-биологических исследованиях в практике изучения аллергии. Одним из ярких проявлений процессов адаптации является показанная ранее в условиях БС функциональная вариабельность мышечной системы [11]. Широкий спектр механизмов, обеспечивающих развитие приспособительных процессов при аллергии, включает как изменение поверхностной мембраны [1, 11], так и калий зависимые процессы возбуждения сократительных структур [12]. И, если механизмы, в том числе и калийопосредованные, функциональной вариабельности гладкомышечных органов при аллергии изучены достаточно подробно, то вопросы пластичности СМ в вышеназванных условиях остаются совершенно не исследованными. Актуальность же данной проблемы определяется нераскрытыми путями компенсаторных изменений в работе двигательных мышц при обязательной вакцинации спортсменов перед соревнованиями. Изучение механизмов участия калийзависимых процессов в адаптации различных скелетных мышц к условиям аллергической перестройки позволит предположить новые варианты коррекции их функции, а также наметить возможную стратегию медикаментозного воздействия на конкретные поперечнополосатые мышцы с учетом их волоконного состава.

Цель – изучить возможные различия во влиянии белковой сенсибилизации на сократительные ответы мышц голени мыши in vitro: «быстрой» (длинного разгибателя пальцев – m.EDL) и «медленной» (камбаловидной – m.soleus), вызываемые гуморальными агентами – холиномиметиком карбахолином (КХ) хлоридом калия (KCl).

Материалы и методы исследования

Эксперименты проводились на мышах, обоего пола, массой тела 17–22 г. Животные сенсибилизировались овальбумином (ОА) с гелем гидроокиси алюминия (2 мкг сухого вещества геля + 150 мкг ОА в 0,5 мл физиологического раствора) парентерально, дважды [3]. Вторая инъекция – через 14 дней после первой. В эксперимент животные забирались на пике сенсибилизации – на 7–10 день после второй сенсибилизирующей инъекции. Механомиографические исследования проводились на препарате изолированной мышцы в условиях изометрии, которая достигалась растяжением препарата мышцы в течение 20 минут с силой 0,5 г при постоянной перфузии раствором типа Кребса. Сокращение регистрировалось с помощью датчика силы. Агонист (КХ) исследовался в концентрациях от 2×10–5 М до 3×10–3 М. KCl – в концентрациях от 50 до 250 ммоль/л. Сократительная функция анализировалась по силе и скорости сокращения мышцы на КХ и KCl в субмаксимальной и максимальной концентрациях.

Сокращение изолированной СМ на повышение концентрации ионов К+ является удобным «тестом» для изучения процессов ЭМС [9]. Отношение максимальной силы, способной развивать мышцей при сокращении на КХ к максимальной силе, развиваемой мышцей при сокращении на KCl (РКХmax/PKClmax) позволяет количественно отделять роль холиноопосредованных процессов возбуждения мембраны МВ от механизмов ЭМС.

Результаты исследования и их обсуждение

Показано, что КХ в субмаксимальной концентрации (7×10-4 М) вызывал сократительный ответ m.EDL несенсибилизированной мыши с силой 76,6 + 6,1 мг и скоростью 14,3 + 1,6 мг/сек. При БС сила сокращения «быстрой» мышцы уменьшалась до 61,9 + 12,2 мг, скорость при этом практически не менялась – 13,6 + 4,1 мг/сек. Сокращение m.EDL мышцы несенсибилизированной мыши на максимальную концентрацию КХ (4×10–3 М) имела скорость – 11,15 ± 1,97 мг/сек. При БС этот показатель сокращения «быстрой» мышцы снижался – до 4,62 ± 1,68 мг/сек (p < 0,05).

У m.soleus несенсибилизированной мыши КХ в субмаксимальной концентрации (5×10–4 М) вызывал сокращение силой 237,8 + 20,6 мг и скоростью 13,1 + 1,0 мг/сек. БС приводила к увеличению силы – 353,2 + 23,1 мг (p < 0,01) и скорости – 16,6 + 1,5 мг/сек сокращения «медленной» мышцы. Максимальная концентрация КХ (2×10–3 М) вызывала сокращение «медленной» мышцы несенсибилизированной мыши со скоростью 24,64 ± 3,65 мг/сек. При БС этот показатель «медленной» мышцы снижался – до 13,44 ± 2,43 мг/сек (p < 0,05).

Сила сократительных ответов m.EDL на максимальные концентрации агониста (4×10–3 М) и KCl (250 ммоль/л) в контроле имела следующие значения: 103,83 + 15,70 мг и 136,69 + 6,73 мг (РКХmax/PKClmax – 75,9 %) при БС становилась соответственно 52,13 + 14,66 мг (p < 0,05) и 142,72 + 23,83 мг (РКХmax/PKClmax – 36,5 %), т.е. показатель РКХmax/PKClmax – при БС снизился до 48,1 % от контроля.

Для m.soleus сила сократительных ответов на агонист в максимальной концентрации (2×10–3М) и KCl (150 ммоль/л), которая в контроле имела значения: 322,32 + 30,18 мг и 643,23 + 69,59 мг (РКХmax/PKClmax – 50,1 %) при БС изменялась соответственно до 475,14 + 52,66 мг (p < 0,05) и 1470,49 + 186,05 мг (p < 0,01) (РКХmax/PKClmax – 32,3 %), т.е. показатель РКХmax/PKClmax при БС снизился до 64,5 % от контроля.

В ходе экспериментов получены сократительные ответы m.EDL и m.soleus мыши in vitro на гуморальные агенты. Для обеих мышц определены рабочие – субмаксимальные и максимальные – концентрации обоих инициаторов сокращения. Анализ карбахолинового сокращения позволяет оценивать как холиноопосредованные процессы возбуждения МВ, так и последующие этапы работы миоцита [5]. Калиевая контрактура является удобным «тестом» для изучения процессов ЭМС [6, 10]. Использование в анализе показателя РКХmax/PKClmax (соотношение силы сокращения на разные гуморальные его инициаторы) предоставляет возможность вычленять этапы, определяемые механизмами ЭМС от предшествующих.

Сокращения «быстрых» и «медленных» мышц голени мыши на КХ и KCl существенно различаются друг от друга. Вариабельность карбахолиновых ответов имеет морфологическую основу. Разница в силе напрямую связана с составом волокон. m.Soleus мыши содержит 50–60 % «медленных» волокон, а m.EDL на 97–100 % состоит из «быстрых» [8]. Размеры концевой пластинки у МВ «медленной» мышцы (m.soleus) в 3 раза протяженнее, чем у МВ «быстрой» (m.EDL) [7]. Соответственно большая сила сокращения «медленной» мышцы на КХ является следствием большей ее чувствительности к холиномиметику и обусловлена большим числом холинорецепторов (ХР) в области синапса.

Обнаруженные различия в сокращениях обеих мышц на KCl согласуются с данными Dulhunty A.F. [6] и Lorcovich H. [10]. Эти авторы, работая на различных мышцах мыши, подтвердили высказанное еще Жуковым Е.К. [4] и Наследовым Г.А. [5] предположение, что калиевая контрактура характеризует систему ЭМС и для каждого типа мышечных волокон (МВ) имеет свои особенности.

БС изменяет сократительные свойства СМ мыши. По данным литературы, изменения МВ при сенсибилизации затрагивают поверхностную мембрану [1, 11], механизмы ЭМС либо систему сократительных белков [2]. Нами показана вариабельность как силы, так и скорости сокращения обеих мышц на КХ в этих условиях. Разнонаправленность вектора динамики силы у m.soleus и m.EDL свидетельствует, что различия функциональных изменений двух мышц при БС обеспечиваются, в первую очередь, холиноопосредованными процессами возбуждения мембраны МВ. Угнетение скорости карбахолиновых ответов обеих мышц указывает на механизмы ЭМС как на участников процесса адаптации СМ в условиях БС.

Таблица 1

Параметры сокращения m.EDL и m.soleus in vitro на КХ в субмаксимальной и максимальной концентрации в норме (контроль) и при белковой сенсибилизации (опыт)

Мышца

Концентрация

Условия

Эксперимента

Параметры сокращения

Рос, мг

Vос,мг/с

m.EDL

Субмаксимальная

7×10–4 М КХ

Контроль

n = 26

76,59 ± 6,51

14,26 ± 1,55

Опыт

n = 5

61,92 ± 12,42

13,62 ± 4,09

Максимальная

4×10–3 М КХ

Контроль

n = 10

103,83 ± 15,70

11,15 ± 1,97

Опыт

n = 5

52,13 ± 14,66

4,62 ± 1,68*

m.soleus

Субмаксимальная

5×10–4 М КХ

Контроль

n = 28

237,77 ± 20,61

13,10 ± 0,99

Опыт

n = 11

353,24 ± 23,11**

16,62 ± 1,50

Максимальная

2×10–3 М КХ

Контроль

n = 17

322,32 ± 30,18

24,64 ± 3,65

Опыт

n = 12

475,14 ± 52,66*

13,44 ± 2,43*

Примечание. * – р < 0,05; ** – р < 0,01 ; *** – р < 0,001.

Таблица 2

Параметры сокращения m.EDL и m.soleus in vitro на KCl в субмаксимальной и максимальной концентрации в норме (контроль) и при белковой сенсибилизации (опыт)

Мышца

Концентрация

Условия

Эксперимента

Параметры сокращения

Рос, мг

Vос, мг/с

m.EDL

Субмаксимальная

200 мМ КСl

Контроль

n = 33

95,86 ± 15,48

13,48 ± 1,25

Опыт

n = 7

105,03 ± 29,06*

13,25 ± 4,16

Максимальная

250 мМ КСl

Контроль

n = 26

136,69 ± 6,73

16,71 ± 2,27

Опыт

n = 5

142,72 ± 23,83

7,86 ± 1,11**

m.soleus

Субмаксимальная

110 мМ КСl

Контроль

n = 26

478,10 ± 38,57

20,44 ± 1,74

Опыт

n = 10

967,93 ± 222,05*

29,44 ± 2,67*

Максимальная

150 мМ КСl

Контроль

n = 22

643,23 ± 69,59

21,31 ± 2,33

Опыт

n = 12

1470,49 ± 186,05**

40,62 ± 3,20***

Примечание. * – р < 0,05; ** – р < 0,01 ; *** – р < 0,001.

Разнонаправленность изменений скорости калиевой контрактуры свидетельствует о неоднозначной способности Са2+ зависимых механизмов сокращения мышц с различным фенотипом к адаптации в условиях БС. Это подтверждается анализом РКХmax/PKClmax. В обоих случаях показатель снижается, однако, для «быстрой» мышцы более выраженно (до 48,1 % от исходной), чем для «медленной» (до 64,5 %). Очевидно, что оба факта разнонаправленного влияния БС на «медленную» и «быструю» мышцы: и на силу КХ-вызванного сокращения, и на скорость калиевой контрактуры являются проявлением механизмов адаптации, определяющих пластичность СМ.

Механизмы, обеспечивающие пластичность СМ при БС, включают как холиноопосредованные процессы возбуждения, так и этапы ЭМС, и для мышц с различным фенотипом имеют свои характерные особенности. Детальное раскрытие способностей СМ к адаптации при аллергической перестройке позволит предположить новые варианты коррекции их функции, а так же наметить возможную стратегию медикаментозного воздействия с учетом волоконного состава конкретной двигательной мышцы.

Выводы

Механизмы пластичности поперечнополосатых мышц мыши в условиях БС включают изменение функциональных свойств, затрагивающее как холиноопосредованные процессы возбуждения мембраны МВ, так и механизмы ЭМС, и в характере этих изменений у «быстрых» и «медленных» мышц имеются существенные различия.

Рецензенты:

Исламов Р.Р., д.м.н., профессор, заведующий кафедрой медицинской биологии и генетики ГБОУ ВПО «Казанский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Казань;

Сайфутдинов М.С., д.б.н., ведущий научный сотрудник лаборатории патологии осевого скелета и нейрохирургии ФГБУ «РНЦ «ВТО» им. акад. Г.А. Илизарова Минздрава России, г. Курган.

Работа поступила в редакцию 29.12.2014.