Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Санталова И.М. 1 Захарова Н.М. 2 Фахранурова Л.И. 1 Аверин А.С. 2 Рогачевский В.В. 2 Храмов Р.Н. 1

---

1 ФГБУН «Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук»

2 ФГБУН «Институт биофизики клетки Российской академии наук»

Исследовано действие солнечного света, преобразованного с помощью экранов, состоящих из люминофорсодержащих материалов, на гипертензивных крыс линии SHR. Показано, что после курса облучения крыс происходит значительное увеличение объемов саркоплазматического ретикулума миокарда и параллельно с этим укорачиваются временные параметры динамики сокращения сердечной мышцы, что косвенно указывает на повышение скорости обмена кальция в кардиомиоцитах. Мы полагаем, что нормализация структурных и физиологических показателей миокарда гипертензивных крыс обусловлена, вероятно, увеличением буферной емкости саркоплазматического ретикулума, а также активацией Ca2 + –ATФазы ретикулума. Выявленные также качественные и количественные изменения в соотношениях капилляров, миофибрилл и митохондрий в миоцитах указывают на развитие адаптивно-компенсаторных процессов, ведущих к активизации биосинтетических процессов и возрастанию энергетического потенциала сердечной мышцы, что способствует увеличению ее функциональных возможностей.

Статья в формате PDF

366 KB

светопреобразующие материалы

ритмоионотропные характеристики миокарда

морфометрические показатели миокарда

1. Байбеков И.М., Косимов А.Л., Козлов В.И., Мусаев Э.М., Самойлов Н.Т. Морфологические основы низкоинтенсивной лазеротерапии. – Ташкент: Изд-во Ибн-Сины, 1991. – 216 c.

2. Дроздова Г.А., Мустяца В.Ф., Пасечник А.В. Функционально-морфологическая характеристика регрессии гипертрофии миокарда при применении нифедипина // Вестник РУДН. – 2006. – № 3. – С. 50–56.

3. Накипова О.В., Гайнуллин Р.З., Андреева Л.А., Сафронова В.Г., Косарский Л.С., Колаева С.Г., Соломонов Н.Г., Кукушкин Н.И. Влияние инсулина на миокард активного, гибернирующего и пробуждаемого суслика Citellus undulatus // Биофизика. – 2000. – Т. 45, вып. 2. – С. 344–355.

4. Олесин А.И., Maксимов В.А., Maжара Ю.П., Павлова Р.Н., Лобанов Н.A., Дьячук Г.И. Биологическое действие лазерного излучения на функциональное состояние кардиомиоцитов // Журнал патол. физиологии и экспер. терапии. – 1992. – № 5–6. – С. 17–20.

5. Самойлов Н.Г. Морфологические основы лазерной терапии / Низкоинтенсивная лазерная терапия; под ред. С.В. Москвина, В.А. Буйлина. – М.: Техника. – 2000. – С. 95–114.

6. Санталова И.М., Захарова Н.М., Храмов Р.Н., Краев И.В., Мурашев А.Н., Аверин А.С., Фахранурова Л.И. Стратегия «Полезное солнце» повышает физическую работоспособность и вызывает адаптивные структурные перестройки в миокарде мышей // Биофизика. – 2008. – Т. 53, вып.5. – С. 879–885.

7. Alturi P., Panlilio C.M., Liao G.P., Suarez E.E., McCormick R., Hiesinger W, Cohen JE, Smith M.J., Patel A.B., Feng W., Woo Y.J. Transmyocardial revascularization to enhance myocardial vasculogenesis and hemodynamic function // J Thorac Cardiovasc Surg. – 2008. – Vol. 135 (2). – Р. 283–291.

8. Armstrong B.K., Kricker A. The epidemiology of UV induced skin cancer // J Photochem Photobiol. – 2001. – Vol. 63(1–3). – Р. 8–18.

9. Bers D.M. Calcium fluxes involved in control of cardiac myocyte contraction // Circ Res. – 2000. – Aug 18;87(4). – Р. 275–81.

10. Cohen ME, Bing OH Performance of papillary muscles from the aging spontaneously hypertensive rat: temporal changes in isometric contraction parameters // Proc Soc Exp Biol Med. – 1987 Jul. – 185(3), Р. 318–24.

11. Mill J.G., Vassallo D.V., Leite C.M. Mechanisms underlying the genesis of post-rest contractions in cardiac muscle // Braz J Med Biol Res. – 1992. – Vol. 25. – № 4. – P. 399–408.

12. Penefsky Z.J. The determinants of contractility in the heart // Comp Biochem Physiol. – 1994. – Vol. 109 A, № 1. – Р. 1–22.

13. Perez G., Petroff M., Mattiazzi A. Rested-state contractions and rest potentiation in spontaneously hypertensive rats // Hypertension. – 1993. – Vol. 22. – P. 306–314.

14. Phan T.A., Halliday G.M., Barnetson R.S., Damian D.L. Spectral and dose dependence of ultraviolet radiation-induced immunosuppression // Front Biosci. – 2006. – Vol. 11. – Р. 394–411.

15. Zhang W., Wu C., Pan W., Tian L., Xia J. Low-power Helium-Neon laser irradiation enhances the expression of VEGF in murine myocardium // Chinese Medical Journal. – 2004. – 117 (10). – Р. 1476–1480.

Фототерапия, или терапия светом, существовала всегда. Еще в древнем Египте, например, существовал специальный храм, посвященный «всеисцеляющему лекарю» – солнечному свету. Однако наличие в его спектре опасного УФ излучения приводит к преждевременному старению, иммуносупрессии и раку кожи [8, 14]. Стратегия «полезного солнца» основывается на использовании новых материалов, специальных пленок-экранов, в состав которых введены мельчайшие частицы – субмикронные фотолюминофоры [6], которые не только поглощают негативное для организмов УФ излучение, но преобразуют его в оранжево-красную часть спектра, обладающего биостимулирующим действием [1, 7]. Использование таких материалов, содержащих фотолюминофоры, как мы показали ранее, обеспечило достижение позитивных результатов за счет преобразованного солнечного света на организм мышей линии СD-1 [6].

Целью данной работы было изучение действия солнечного света, преобразованного с помощью новых светопреобразующих материалов? на функциональные и структурные характеристики клеток сердечной мышцы гипертензивных крыс линии SHR.

Материал и методы исследования

Исследование проводилось на самцах гипертензивных крыс линии SHR (Spontaneously Hypertensive Rat) и нормотензивных крыс WKY (Wistar Kyoto), выращенных в питомнике лабораторных животных «Пущино» Филиала Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова и содержащихся в стандартных условиях при свободном доступе к пище и воде. Работа проведена на 15 крысах SHR (3 мес., вес 300 ± 50 г), 5 крысах Wistar-Kyoto (3 мес., вес 300 ± 50 г). У гипертензивных крыс наблюдалось стабильное повышенное артериальное давление (175 ± 9 мм рт.ст.), в отличие от нормотензивных крыс с давлением 115–130 мм рт.ст. У всех животных удаляли шерсть со спины площадью 4×6 см.

В качестве источника искусственного солнечного света использовали осветитель ЛОС-1 с ксеноновой лампой (мощность 150W). Для получения преобразованного солнечного света его пропускали через светопреобразующий экран на основе поликарбонатного пластика, покрытого слоем мелкодисперсного фотолюминофора Y_1.9Eu_0.1O₂S, который трансформировал часть ультрафиолета в дополнительную оранжево-красную люминесцентную компоненту с λ_max = 626. Крысы были разбиты на четыре группы. Первую группу сформировали контрольные нормотензивные WKY (контроль I), вторую – контрольные гипертензивные SHR (контроль II). В третьей группе крыс SHR облучали солнечным светом без УФ-компоненты (СС-УФ, опытная группа III; 30,6 Дж/см2), в четвертой группе – преобразованным солнечным светом (ПСС; опытная группа IV; 31,1 Дж/см2). Во время облучения животные находились в ограниченном пенале. Облучали ежедневно по 30 мин в день в течение 16 дней. Для устранения теплового эффекта был применен тепловой фильтр.

Выделенную из миокарда правого желудочка папиллярную мышцу помещали в термостатируемую (30 ± 1 °С) проточную камеру с физиологическим раствором (pH 7,4). Раствор оксигенировали карбогеном: О₂ (95 %) и СО₂ (5 %). Выделение папиллярных мышц, стимуляцию и регистрацию изометрических мышечных сокращений на базовой частоте 0,3 Гц проводили по ранее описанной методике [3]. Измерялись кинетические параметры сокращения: время достижения максимума сокращения, время полурасслабления. Для гистологического и электронномикроскопического изучения выделяли ткани из субэндокардиального отдела левого желудочка миокарда. Полученные образцы обрабатывали по общепринятой методике и заливали в эпон-812. Полутонкие срезы, ориентированные поперечно, окрашивали гематоксилином и эозином. На светооптическом уровне с помощью микроскопа NU-2E определяли относительную площадь капилляров (%), число капилляров на 1 мм2 среза, площадь сечения капилляров (мкм2). Ультратонкие срезы, ориентированные поперечно, изготавливали на ультратоме LKB-3 и контрастировали уранилацетатом и цитратом свинца. Срезы просматривали в электронном микроскопе JEOL 1010 при увеличении 10000. В процессе ультраструктурного анализа основное внимание уделяли изменениям в структуре саркоплазматического ретикулума. Измеряли также относительную площадь миофибрилл и относительную площадь митохондрий.

Статистическую обработку полученных данных проводили с помощью программы Microsoft Excel, SigmaPlot 11.0. Оценку достоверности результатов проводили по критерию Стьюдента, Манни ‒ Уитни, Пирсона.

Результаты исследования и их обсуждение

Папиллярные мышцы миокарда экспериментальных животных (крыс, морских свинок) являются удобной моделью для изучения сократительной активности сердца при различных воздействиях. Исследуемыми параметрами изометрического сокращения папиллярных мышц в наших экспериментах являлись кинетические характеристики сокращения, а именно, время достижения максимума сокращения и время полурасслабления. Поскольку известно, что саркоплазматический ретикулум является ключевым регулятором электромеханического сопряжения в сердечной мышце, то об эффективности работы саркоплазматического ретикулума можно косвенно судить по временным характеристикам развития сокращения мышцы [9].

В результате экспериментов было установлено, что кинетические параметры изометрических сокращений папиллярной мышцы у контрольной SHR группы превышают значения, полученные у нормотензивных крыс WKY группы, что обычно характерно для крыс линии SHR (рисунок) [13].

Хроническое облучение крыс SHR группы искусственным солнечным светом (СС-УФ) выявило дальнейшее увеличение временных параметров сокращения папиллярной мышцы (p < 0,05).

Длительное воздействие преобразованным светом у крыс (опытная группа IV; ПСС) показало уменьшение времени достижения максимума сокращения и времени расслабления более чем на 20 % относительно показателей, полученных у нативных гипертензивных крыс (контроль II). Таким образом, данное воздействие значительно нормализовало сократительную активность папиллярных мышц крыс SHR, достоверно приближая их функциональные значения к кинетическим характеристикам мышц нормотензивных крыс, полученных в наших исследованиях (р < 0,05).

На светооптическом уровне было выявлено, что у крыс SHR имеются значительные отличия в структуре сердечной мышцы по сравнению с нормотензивными крысами. В первую очередь отмечается низкий уровень капилляризации, что согласуется с литературными данными [2]. Число капилляров снижено почти на 30 %, также существенно ниже средняя площадь сечения капилляров (табл. 2).

Электронно-микроскопическое изучение кардиомиоцитов левого желудочка клеток сердечной мышцы выявило, что у нативных гипертензивных крыс линии SHR (контроль II) имеются значительные отличия в структуре сердечной мышцы по сравнению с нормотензивными крысами WKY. Особенно это различие было заметно в структуре саркоплазматического ретикулума. Он имел недостаточное развитие и был представлен короткими канальцами и малочисленными цистернами, а его относительная площадь в миоцитах гипертензивных крыс была почти в 3 раза меньше по сравнению с нормотензивными животными (р < 0,005). Также была снижена относительная площадь митохондрий на 14 % (р < 0,05). Эти данные согласуются с результатами, полученными нами в предыдущих экспериментах [6].

а

 б

Временные характеристики изометрического сокращения папиллярной мышцы: а – время достижения максимума; б – время полурасслабления. * – сравнение значений между WKY и SHR, контроль; # – сравнение значений SHR, контроль, и SHR, облученными преобразованным солнечным светом (р < 0,05, U-критерий; M ± σ)

Продолжительное облучение крыс SHR солнечным светом без УФ-компоненты (СС-УФ) заметно повлияло на структуру кардиомиоцитов. Были обнаружены выраженные изменения ультраструктуры митохондрий и миофилламентов, свидетельствующие об их гиперфункции с признаками патологического сдвига (табл. 1). Наблюдался некоторый отёк миофибрилл, их разволокнение, ход миофилламентов менялся от продольного к косому, относительная площадь миофибрилл заметно снижалась на 25 % (р < 0,005). В противоположность этому, относительная площадь митохондрий увеличивалась (на 20 %, р < 0, 005), однако в структуре многих митохондрий встречались патологические изменения: набухание, разрывы внутренней и внешней мембран с частичной деградацией митохондрий. Обнаруженные изменения ультраструктуры митохондрий и миофилламентов свидетельствуют об их гиперфункции. Так же увеличивалась относительная площадь саркоплазматического ретикулума (на 20 %, р > 0,05). Эти данные отражают повышенную функциональную активность кардиомиоцитов и свидетельствуют об отрицательном воздействии продолжительного курса облучения искусственным солнечным светом на организм животных.

Облучение гипертензивных крыс SHR преобразованным солнечным светом положительно повлияло на структуру кардиомиоцитов (табл. 1).

Как видно из табл. 2, у контрольных крыс SHR площадь, занимаемая капиллярами, количество капилляров на единицу площади среза и средняя площадь сечения капилляров были достоверно ниже по отношению к показателям нормотензивных животных. После облучения ПСС у крыс достоверно увеличиваются все три показателя. Между числом капилляров на единицу площади и площадью сечений капилляров наблюдается слабая отрицательная связь (P = –0,392, p > 0,05), что может свидетельствовать о большем вкладе неоангиогенеза в увеличение процентного отношения площади, занимаемой капиллярами, чем о вкладе увеличения диаметра капилляров или увеличения числа открытых капилляров после облучения ПСС. Интересно, что стимуляцию неоваскулогенеза часто наблюдают после облучения красным светом лазера [5, 15].

Ультраструктурный анализ показал, что облучение преобразованным солнечным светом привело к увеличению относительной площади митохондрий (на 11 %, р > 0,05) и улучшению их морфологического состояния. Отмечались скопления митохондрий, преимущественно небольшого размера, в центральных областях клеток и околоядерной зоне. Предполагается, что это свидетельствует об активизации процессов биосинтеза в клетках [5]. Хотя мы не обнаружили увеличения относительной площади профилей миофилламентов по отношению к значениям, полученным у контрольных крыс, следует отметить практически полное отсутствие патологических изменений в их структуре. Основное изменение претерпевала структура саркоплазматического ретикулума, его размеры увеличились более чем в 2 раза (р < 0,001).

Таблица 1

Количественная морфологическая характеристика паренхиматозно-стромальных взаимоотношений миокарда крыс (M ± m)

Примечания:

* – уровень значимости p < 0,05; ** – уровень значимости p < 0,001, t-критерий

1 – сравнение значений в группах крыс WKY и SHR II

2 – сравнение значений в группах крыс WKY и SHR III

3 – сравнение значений в группах крыс SHR II и SHR III

4 – сравнение значений в группах крыс SHR II и SHR IV

5 – сравнение значений в группах крыс SHR III и SHR IV

Таблица 2

Анализ капилляров субэндокарда левого желудочка крыс

Примечание. * – достоверная разница по сравнению с контролем (р < 0,05; Х критерий).

Таким образом, мы обнаружили, что в результате продолжительного воздействия искусственного солнечного света (СС-УФ) наблюдаются патологические изменения в ультраструктуре кардиомиоцитов, сопровождающиеся пролонгированием кинетических характеристик мышечного сокращения, что характерно, в частности, для стареющих гипертензивных крыс in situ [10]. В отличие от этого, воздействие преобразованным солнечным светом (ПСС) улучшает ультраструктурные характеристики кардиомицитов гипертензивных животных, в частности, происходит значительное увеличение объемов саркоплазматического ретикулума, и параллельно с этим сокращаются временные параметры сокращения, что косвенно указывает на повышение скорости обмена кальция в клетке [12].

Как известно, саркоплазматический ретикулум активно регулирует гомеостаз ионов кальция и поскольку установлено, что у крыс и мышей основной вклад в регуляцию силы сокращения сердечной мышцы вносит именно кальций ретикулума [9], увеличение его буферных возможностей может иметь дополнительное положительное влияние на процессы сокращения-расслабления в сердечной мышце [11]. Возможно также, что облучение оранжево-красным светом улучшает работу Ca2+ –ATФазы ретикулума, как это было обнаружено в экспериментах с низкоинтенсивным лазерным облучением [4].

Таким образом, мы установили, что облучение оранжево-красным светом, полученным путем трансформации УФ-компоненты через специальный светопреобразующий экран, оказывает положительное влияние на структурно-функциональные характеристики в клетках сердечной мышцы гипертензивных крыс линии SHR, и хорошо согласуется с результатами, полученными нами ранее в экспериментах на мышах [6].

Работа выполнена при поддержке стипендии Президента (СП-6350.2013.4).

Рецензенты:

Павлик Л.Л., д.б.н., ФГБУН «Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук», г. Пущино;

Гапеев А.Б., д.ф.-м.н., профессор, ФГБУН «Институт биофизики клетки РАН», г. Пущино.

Работа поступила в редакцию 28.07.2014.

Библиографическая ссылка