Морфоструктурные особенности и функциональное состояние эритроцитов при моделировании черепно-мозговой травмы и её экспериментальной коррекции цитопротекторами
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Современные представления о структурно-функциональной организации мембран эритроцитов
1.1.1. Структурная организация мембран эритроцитов
1.1.2. Функциональные показатели в реализации структурных свойств
эритроцитов
1.1.3
1.2
1.3
Влияние про- и антиоксидантной систем на мембрану эритроцитов
Гемомикроциркуляция
Изменения в организме при ЧМТ
СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
2.1. Характеристика материалов исследования
2.2. Модели исследования
2.3. Методы исследования
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Исследование морфоструктурного и функционального состояния эритроцитов
и системы гемостаза в посттравматический период ЧМТ
3.2. Исследование морфоструктурного и функционального состояния эритроцитов и системы гемостаза в посттравматический период ЧМТ при действии мексикора и цитофлавина
3.3. Механизмы ответной реакции эритроцитов в условиях гиперадреналемии, окислительного стресса и лактоацидоза при действии цитофлавина и мексикора in vitro……………………………………………………………………………………..64
3.4. Исследование морфофункционального состояния головного мозга и моторной функции крыс в посттравматический период ЧМТ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
В главе 1 представлен обзор литературы, посвященный следующим основным темам: структурно-функциональная организация эритроцитов, влияние про-и антиоксидантных систем на мембрану эритроцитов, вклад эритроцитов в реализацию процесса свертывания крови, а также особенности развивающихся патофизиологических и биохимических каскадов повреждения клеток в ответ на ЧМТ.
В главе 2 перечислены использованные в работе объекты исследований, реактивы, оборудование и описаны методики исследований.
Лабораторные животные. Эксперименты выполнены на 350 белых нелинейных крысах – самках.
Модели исследования. В работе использовались модели in vivo и in vitro.
1. Для экспериментов in vivo крысам, фиксированным на планшете, моделировали закрытую ЧМТ путем свободного падения груза массой 100 г с высоты 80 см на теменно-затылочную область черепа (Цымбалюк, Кочин, 2008). Через 1 час после нанесения травмы, а затем в течение 10 суток ежедневно крысам группы – «мексикор» – вводили мексикор (ООО «ЭкоФармИнвест», г. Москва) в дозе 8.0 мг/кг в сутки, группе – «цитофлавин» – вводили цитофлавин (ООО «НТФФ «Полисан», г. Санкт- Петербург) в дозе 0.2 мл/кг в сутки, группы – «контроль» – вводили физиологический раствор в эквивалентном объеме. Уровень физиологической нормы определяли у интактных животных. Образцы крови брали из подъязычной вены на 1, 3, 7 и 12 сутки после нанесения травмы.
2. Эксперименты in vitro проводили на предварительно отмытых эритроцитах крыс. Каждая серия включала по 20 опытов.
А) Лактатную модель гипоксического состояния моделировали инкубацией эритроцитов при 37°С в течение 30 мин с 10 мМ/л раствором
молочной кислоты, что соответствует концентрации, имитирующей умеренный ацитоз (Boning t.al., 1989).
Б) Окислительный стресс моделировали путем добавления к фракции отмытых эритроцитов 25 мМ раствора FeSO4×7H2O с последующей инкубацией 30 мин при 37°С (Rise-Erans C.et al., 1987).
В) Гиперадреналемию осуществляли путем инкубации эритроцитов в течение 30 мин с адреналином (1*10-9г/мл), что соответствует его концентрации в организме при стрессовой реакции.
Во всех сериях проводили исследование действия мексикора (2*10- 6г/мл эритроцитов) и цитофлавина (1*10-4мл/мл эритроцитов) на эритроциты, инкубируя их с цитопротекторами в течение 30 мин.
Методы исследования.
Изучение комплексной фазометрии эритроцитов методом лазерной модуляционной интерференционной микроскопии проводили на лазерном микроскопе МИМ-340 (Уральский оптико-механический завод им. Э.С. Яламова, Россия), лазер с длиной волны 650 нм и объектив с увеличением 30 (NA=0.65), разрешение по поверхности — до 15 нм, разрешение по вертикали — 0.1 нм. Для захвата изображений применяли CCD видеокамеру VS-415U (НПК «Видеоскан», Россия) с разрешением 782×582 пикселей. Обработку полученных изображений проводили в программе MIM Visualizer 1.0 (MIM Software Inc., США).
(ЭФПЭ) методом микроэлектрофореза с использованием цитоферометра в нашей модификации (Deryugina et al., 2017), агрегацию эритроцитов методом оптической микроскопии путем подсчета одиночных эритроцитов и их агрегатов (Дерюгина и др., 2006), концентрацию малонового диальдегида (МДА) по реакции с тиобарбитуровой кислотой (Лившиц, 2007), активность каталазы связанной со снижением пероксида (Н2О2) в пробе (Beers, Sizer, 1952), концентрацию АТФ и 2.3-ДФГ неэнзиматическим методом (Виноградова и др., 1980; Boyarinov et al., 2017) и активность Na-К-АТФазы по приросту неорганического фосфата (Казеннов и др., 1984). Для оценки гематологических показателей крови определяли количество эритроцитов (RBC) и концентрацию гемоглобина (HGB) на гематологическом анализаторе
«Abacus Junior» 30ND (Diatron, Австрия).
Состояние системы гемокоагуляции оценивали по показателям
свертывающей системы плазмы крови: активированное частичное тромбопластиновое время (АЧТВ), протромбиновое время (ПВ), фибриноген (ФБ). Показатели гемостаза определяли на анализаторе АПГ4-01 «Минилаб 9
Для анализа функционально-метаболического состояния эритроцитов
исследовали электрофоретическую подвижность эритроцитов
704» (ООО «Эйлитон» г. Москва) с помощью стандартных наборов реагентов. Показатели свертывания цельной крови: начало свертывания (тромбопластиновое время), конец свертывания, продолжительность процесса свертывания и время начала ретракции и фибринолиза регистрировали методом коагулографии (Булавкин и др., 2003).
Для микроскопического исследования состояния ангио- и цитоархитектоники коры больших полушарий головного мозга проводили гистологическую обработку и окрашивание образцов по стандартному протоколу. Структуру микроциркуляторного русла, состояние паренхимы, нейронов и глиальных клеток и их морфометрический анализ исследовали с помощью микровизора проходящего света Vizo 103 (Ломо, Санкт-Петербург) на увеличениях 20х и 40х.
Исследование наличия и степени выраженности моторных нарушений крыс проводили по тесту «метод оценки передвижения по бруску» (Saatman, 1996).
Статистический анализ данных.
Полученные экспериментальные данные рассчитывали, как среднее значение (Мean) со стандартным отклонением (SD) или ошибкой среднего (SEM). Сравнительный анализ данных проводили с помощью пакетов прикладных программ Statistica 6.0. и Microsoft Excel. Для проверки гипотезы о виде распределения применялся метод Шапиро-Уилка. Изучение статистических закономерностей осуществлялось с применением параметрического (критерий Стьюдента с поправкой Бонферрони) метода статистики. За величину уровня статистической значимости различий принимали p≤0,05.
Глава 3 содержит изложение и обсуждение результатов исследования.
1. Исследование морфоструктурного и функционального состояния эритроцитов и системы гемостаза в посттравматический период ЧМТ.
Визуализация эритроцитов методом лазерной интерференционной микроскопии показала, что фазовые портреты характеризовались статистически значимым увеличением фазовой высоты, диаметра, площади, объема и периметра эритроцитов относительно значений тех же показателей у интактной группы животных (рис. 1 А, Б, В). Было установлено, что с 1 суток посттравматического периода ЧМТ фазовые портреты эритроцитов характеризовались увеличенной сферичностью и появлением большого количества выпуклостей на поверхности тора (рис. 1 Г, Д).
Рис. 1. Динамика морфометрических показателей эритроцитов крыс при ЧМТ (А – гистограмма морфометрических размеров, Б – типичное фазово-интерференционное изображение эритроцита интактных животных, В – фазовый профиль эритроцита интактных животных, Г – типичные фазово- интерференционные изображения эритроцитов крыс в динамике посттравматического периода, Д – профиль эритроцитов крыс в динамике посттравматического периода). Среднее ± SEM, обсчет проводили по 50 – 75 клеткам для каждой временной точки. «*» – статистически значимые различия относительно значений интактной группы, р ≤0.05.
При оценке электрокинетических, агрегационных, метаболических показателей эритроцитов после ЧМТ было выявлено снижение ЭФПЭ, повышение агрегации эритроцитов, увеличение концентрации МДА на фоне снижения активности каталазы, инактивации Na-К-АТФазы, снижения концентрации АТФ и увеличения содержания 2.3-ДФГ относительно интактной группы животных (рисунок 2).
Рис. 2. Динамика функциональных показателей эритроцитов в посттравматический период ЧМТ крыс (А – гистограмма поверхностных, про-и антиоксидантных свойств эритроцитов, Б – гистограмма активности Na-К-АТФазы, содержания АТФ и 2.3-ДФГ эритроцитов). Среднее ± SD. «*» – статистически значимые различия относительно значений интактной группы, р <0.05.
Оценка корреляционных зависимостей фазово-интерференционных изображений и динамики функционального состояния эритроцитов выявила взаимосвязь морфометрических показателей эритроцитов с исследуемыми функциональными характеристиками. Увеличение фазовой высоты сочеталось со снижением концентрации АТФ (r=0.89), активности Na-K- АТФазы (r=0.93), каталазы (r=0.91) и с увеличением концентрации МДА (r=0.84). В свою очередь, была выявлена высокая корреляционная зависимость ЭФПЭ и агрегации – показателей оказывающих существенную роль на микрореологию крови, от диаметра эритроцитов: для ЭФПЭ r=0.87, агрегации r=0.91.
Увеличение фазово-интерференционных показателей эритроцитов при ЧМТ сопровождалось уменьшением количества эритроцитов и гемоглобина. Также с первых суток посттравматического периода наблюдали активацию процессов коагуляции (рис. 3). Было зарегистрировано укорочение времени свертывания крови и времени начала ретракции и фибринолиза на 17%, 24%, 33.3% и 13% соответственно (р≤0.05). Наблюдалось уменьшение АЧТВ на 19% и ПВ на 17.8%, увеличение уровня ФБ в 2.6 раза относительно нормы (р≤0.05).
Рис. 3. Динамика изменения гемостатических показателей крови в посттравматический период ЧМТ крыс (А – изменение показателей свертывания плазмы крови; Б – изменение показателей свертывания цельной крови). Среднее ± SD. «*» – статистически значимые различия относительно значений интактной группы, р≤0.05. Сокращения: АЧТВ – активированное частично тромбопластиновое время, ПВ – протромбиновое время, ФБ – фибриноген, Т1 – начало свертывания крови, Т2 – конец свертывания крови, Т3 – продолжительность свертывания крови, Т4 – время ретракции и фибринолиза.
Таким образом, выявлена зависимость морфоструктурных показателей эритроцитов от функционального состояния клеток при ЧМТ. Появление и нарастание морфологически измененных клеток «запускает» патологически порочный круг, приводящий к снижению доставки кислорода к тканям, развитию внутрисосудистого гемолиза с высвобождением большого количества АДФ, способного активировать свертывание крови и гиперкоагуляцию (Чумакова и др., 2018). Это приводит к нарушению микро- и макрореологии крови, и, как следствие, необратимым повреждениям головного мозга при травме (Герасимов и др., 2010; Кармен и др., 2011). Учитывая, важность морфофункциональных показателей эритроцитов в газотранспортной функции крови и тот факт, что клетки, расположенные вокруг очага первичного повреждения, крайне чувствительны к малейшим изменениям доставки кислорода (Крылов, Пурас, 2013) было проведено исследование цитопротекторов – мексикора и цитофлавина на морфоструктурные и функциональные характеристики эритроцитов.
2. Исследование морфоструктурного и функционального состояния эритроцитов и системы гемостаза в посттравматический период ЧМТ при действии мексикора и цитофлавина.
В ходе проведения сравнительной цитопротекторной терапии цитофлавином и мексикором при моделировании ЧМТ с 3-7 суток было выявлено восстановление геометрических размеров клетки до значений интактной группы (рис. 4Д).
Рис. 4. Динамика морфометрических показателей эритроцитов крыс в посттравматический период ЧМТ при действии цитопротекторов (А – типичные фазово-интерференционные изображения эритроцитов крыс при действии цитофлавина, Б – профиль эритроцитов при действии цитофлавина, В – типичные фазово-интерференционные изображения эритроцитов крыс при действии мексикора, Г – профиль эритроцитов при действии мексикора, Д – диаграммы морфометрических размеров). Среднее ± SEM, обсчет проводили по 50 – 75 клеткам для каждой временной точки. «*» – статистически значимые различия относительно значений интактной группы, р ≤ 0.05; «#» – статистически значимые различия опыта от контроля, р ≤ 0.05. Сокращения: М – мексикор, ЦФ – цитофлавин.
Более активные процессы восстановления геометрических размеров клетки отмечали при действии мексикора начиная с 3 суток (рис. 8 В, Г, Д),
тогда как при действии цитофлавина снижение исследуемых морфометрических характеристик эритроцитов до показателей нормы регистрировали с 7 суток посттравматического периода (рис. 8 А, Б, Д).
Исследование функциональных показателей эритроцитов при действии цитофлавина и мексикора выявило, что действие препаратов сопровождалось повышением ЭФПЭ, снижением агрегации эритроцитов и концентрации МДА на фоне увеличения активности каталазы, Na-К-АТФазы и концентрации АТФ и 2.3-ДФГ относительно соответствующих показателей контрольной группы животных (рис. 5). Применение мексикора способствовало значительному снижению концентрации МДА с восстановлением данного показателя до значений интактных животных к 3 суткам посттравматического периода, увеличению активности каталазы и Na- K-АТФазы на 1 – 7 сутки после травмы. Применение цитофлавина в большей степени приводило к повышению ЭФПЭ с 3 суток, что характеризовалось восстановлением показателя до значений интактных животных, и пролонгированному увеличению содержания АТФ в эритроцитах с 7 суток посттравматического периода.
Рис. 5. Изменение функциональных показателей эритроцитов при действии мексикора и цитофлавина в посттравматический период ЧМТ. Среднее ± SD. «*» – статистически значимые различия относительно значений интактной группы, р≤0.05; «▲» – статистически значимые различия опыта от контроля, р≤0.05. Сокращения: М – мексикор, ЦФ – цитофлавин.
Анализ полученных данных свидетельствует, что внутрибрюшинное введение цитофлавина вызывало наиболее выраженное положительное влияние на поверхностно-структурные и метаболические показатели эритроцитов. Данный эффект подтверждается высокой корреляционной зависимостью, связанной с увеличением ЭФПЭ от снижения агрегации эритроцитов (r=0.91) и увеличения концентрации АТФ (r=0.92) в клетке. Тогда как при действии мексикора отмечали значительное уменьшение концентрации МДА, что коррелировало с повышением электроотрицательности эритроцитов (r=0.98) и уменьшением агрегации эритроцитов (r=0.98).
На фоне восстановления функционального статуса эритроцитов при действии мексикора и цитофлавина было отмечено снижение
интенсивности
активации гемостаза, уменьшение количества фибриногена.
Внутрибрюшинное введение мексикора увеличивало время свертывания
крови в первую фазу гемостаза на протяжении всего периода исследования,
тогда как цитофлавин увеличивал продолжительность свертывания крови как
в первую, так и во вторую фазу (рис. 6). Следует отметить, что снижение
фибрина в плазме крови коррелировало с уменьшением агрегационной
способности эритроцитов при действии цитофлавином
(r=0.95)
и мексикором
, а снижение гиперсвертываемости крови с восстановлением
морфологии клеток.
(r=0.86)
Рис. 6. Динамика изменения гемостатических показателей крови в посттравматический период ЧМТ крыс при действии цитопротекторов (А – изменение показателей свертывания цельной крови при действии мексикора; Б – изменение показателей свертывания цельной крови при действии цитофлавина). Среднее ± SD. «*» – статистически значимые различия относительно значений интактной группы, р≤0.05; «▲» – статистически значимые различия опыта от контроля, р≤0.05. Сокращения: М – мексикор, ЦФ – цитофлавин. Т1 – начало свертывания крови, Т2 – конец свертывания крови, Т3 – продолжительность свертывания крови, Т4 – время ретракции и фибринолиза.
Таким образом, использование цитопротекторов в посттравматическом периоде ЧМТ снижало скорость протекания дезинтеграционных процессов в эритроцитах с последующей компенсацией коагулянтных каскадов. Эффекты действия цитофлавина и мексикора регистрировали на всем протяжении исследования, что позволяет предположить, как непосредственное действие препаратов на эритроциты, так и опосредованное их влияние. Обсуждая выявленные эффекты
сукцинатсодержащих препаратов мексикора и цитофлавина, следует отметить, что антигипоксическое действие сукцината пролонгируется его влиянием на стабильность и активность чувствительного к гипоксии фактора HIF-1. Этот фактор является кислород-чувствительным протеиновым комплексом и запускает экспрессию целого ряда пептидов, в том числе эритропоэтина (EPO), белков-транспортёров глюкозы (GLUT 1, 3), ферментов гликолиза (Liu et al., 2020). Кроме того, выявлено наличие сукцинатных рецепторов на эритроидных клетках-предшественниках, действие которых сопряжено с G-белками и определяет повышение концентрации внутриклеточного Са2+ (Grimolizzi, 2018). По всей видимости, введение сукцинатсодержащих препаратов крысам в посттравматическом периоде стимулирует эритропоэз и метаболизм клеток, что отражается на динамике морфоструктурных показателей эритроцитов.
Для выявления возможности непосредственного действия цитофлавина и мексикора на эритроциты далее были проведены эксперименты in vitro с моделированием процессов, сопровождающих развитие ЧМТ: гиперадреналемии, окислительного стресса и лактоацидоза.
3. Механизмы ответной реакции эритроцитов в условиях гиперадреналемии, окислительного стресса и лактоацидоза при действии цитофлавина и мексикора in vitro
Известно, что при ЧМТ увеличение количества адреналина в крови происходит на фоне гипоксии и ацидоза. Моделирование гиперадреналемии, окислительного стресса и лактоацидоза сопровождалось снижением ЭФПЭ, увеличением агрегации при усилении липопероксидации и энергодефицита (рис. 7). Истощение АТФ, а также накопление продуктов перекисного окисления липидов снижают вязкоэластические свойства мембраны эритроцита, что существенно уменьшает возможность их прохождения через капилляры и ведет к нарушению микроциркуляции и ухудшению оксигенации тканей (Piagnerelli et al., 2009).
Использование цитофлавина и мексикора вызывало снижение концентрации МДА, что сопровождалось повышением ЭФПЭ и уменьшением агрегации эритроцитов (рис. 7).
Рис. 7. Динамика изменения функциональных показателей эритроцитов при разных видах стресса на фоне действия цитофлавина и мексикора. Среднее ± SD. Примечание: «*» – статистически значимые различия относительно значений интактной группы, р≤0.05; «▲» – статистически значимые различия опыта от контроля, р≤0.05.
Применение мексикора в большей степени приводило к снижению концентрации МДА (рис. 7 В), тогда как цитофлавин сохранял ЭФПЭ на уровне нормы и сдерживал рост агрегации эритроцитов (рис. 7 А, Б). При этом в исследуемых модельных системах препараты усугубляли энергодефицит в эритроцитах (рис. 7 Г, Д).
Анализ результатов свидетельствует, что цитофлавин и мексикор действуя на эритроциты в условиях гиперадреналемии, окислительного стресса и лактоацидоза вызывают изменения подобные тем, что регистрируются в условиях in vivo на начальном этапе ЧМТ, т.е. снижают интенсивность липопероксидации, ЭФПЭ и падение агрегации на фоне энергодефицита. Однако, в динамике посттравматического периода в исследовании in vivo действие мексикора и цитофлавина вызывало увеличение энергетического потенциала клеток, что, вероятно, обусловлено наличием цитопротекторной активности мексикора и цитофлавина в обеспечении регенерации эритроидного ростка костного мозга и увеличении в крови количества высокорезистентных эритроцитов.
Таким образом, результаты доказывают целесообразность использования мексикора и цитофлавина в качестве корректора морфоструктурных и функциональных показателей эритроцитов, что
связано, в том числе и с уменьшением восстановительного периода функциональных показателей красной крови. Проведенное экспериментальное исследование цитопротекторов, которые в настоящее время наиболее широко используются в комплексной терапии сердечно- сосудистых и неврологических заболеваний, позволяет наметить новое направление их использования, в частности, в коррекции ЧМТ.
4. Исследование морфофункционального состояния головного мозга и моторной функции крыс в посттравматический период черепно-мозговой травмы
Для подтверждения эффективности мексикора и цитофлавина при ЧМТ были проведены исследования микроциркуляции, морфофункционального состояния мозга и моторной функции крыс. Закрытая ЧМТ приводила к острому расстройству кровообращения в коре головного мозга, сосудистому полнокровию с проявлениями застоя в сосудах микроциркуляторного русла и венах, уменьшением диаметра капилляров и площади капиллярного русла, диапедезом, тромбами, сладжами и агрегатами из эритроцитов, набуханием ядер эндотелиоцитов, увеличением площади отека (рис. 8). Максимальные изменения отмечались на 1 и 3 сутки после нанесения травмы.
Рис. 8. Морфологические изменения коры головного мозга при действии мексикора и цитофлавина в посттравматический период ЧМТ (А – динамика изменения микроциркуляторного русла, Б – динамика изменения
клеток глии и нейронов, В – гистограммы изменения морфометрических показателей капиллярного русла). Масштабная линейка 50 мкм, исходное увеличение ×400. Среднее ± SD, обсчет проводили по 10 полям зрения для каждой временной точки. «*» – статистически значимые различия относительно значений интактной группы, р <0.05; «▲» – статистически значимые различия опыта от контроля, р <0.05. Сокращения: М – мексикор, ЦФ – цитофлавин.
Внутрибрюшинное введение мексикора с 3 суток
посттравматического периода способствовало увеличению капиллярного русла на 20%, уменьшению площади перикапиллярного отёка в 2 раза относительно показателей контрольной группы. При внутрибрюшинном введение цитофлавина регистрировали «включение» компенсаторных механизмов, способствующих уменьшению отека и деформации эндотелия на 7 – 12 сутки посттравматического периода, при этом площадь капиллярного русла увеличивалась с 1 суток на протяжении всего периода исследования.
Сдерживание микроциркуляторных нарушений сопровождалось менее выраженными дегенеративно-дистрофическими изменениями в нейронах головного мозга. Об этом свидетельствует сохранность большинства нейронов с хорошо выраженным ядром, ядрышком и длинными отростками с 7 суток эксперимента при действии мексикором, к 12 суткам исследования при действии цитофлавином. Тогда как в контроле определялись нейроны с кариолизисом, в состоянии нейроцитолизиса, вакуолизированной цитоплазмой, деформированной клеточной мембраной и выраженным перицеллюлярным отеком.
Улучшение кислородтранспортной функции крови, показателей гемостаза, восстановление ангио-, цитоархитектоники коры головного мозга при действии цитофлавина и мексикора оказывало положительное влияние на восстановление моторной функции крыс в посттравматический период. Положительная динамика показателей двигательной активности наблюдалась уже к 1 суткам применения мексикора и цитофлавина, значительное улучшение двигательных реакций регистрировалось к 3 суткам после введения препаратов и достигало значений интактных животных к 7 суткам эксперимента при терапии мексикором и к 12 суткам при применении цитофлавина (рис. 9).
площади
21
Рис. 9. Динамика изменения двигательной активности крыс в посттравматический период черепно-мозговой травмы (А – динамика времени передвижения по бруску, Б – частоты соскальзывания лап крыс в тесте «метод передвижения по бруску» при действии мексикора и цитофлавина на фоне моделирования черепно-мозговой травмы). Среднее ± SD. «*» – статистически значимые различия относительно значений интактной группы, р <0.05; «▲» – статистически значимые различия опыта от контроля, р <0.05. Сокращения: М – мексикор, ЦФ – цитофлавин.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В исследовании впервые был проведен комплексный анализ мофро- функционального состояния эритроцитов, микроциркуляции, гистологический анализ структур головного мозга и двигательной активности крыс при ЧМТ и действии цитопротекторов (мексикора и цитофлавина). С помощью лазерной модуляционной интерференционной микроскопии и анализа функционального состояния эритроцитов выявлено, что в ответ на ЧМТ в эритроцитах запускается процесс дезинтеграции мембран и нарушение метаболизма, и, как следствие, в токе крови в большом количестве появляются морфологически измененные формы клеток. На фоне вовлечения адаптационных систем клеток и организма в целом при действии мексикора и цитофлавина происходит восстановление морфоструктурных показателей эритроцитов с повышением их энергетического потенциала. Восстановление состояния эритроцитов сопровождается улучшением состояния микроциркуляторного русла, снижением вакуолизации межклеточного пространства и отёчности коры головного мозга, восстановлением кровотока в зоне пенумбры, сохранением нейронов и клеток глии в посттравматическом периоде ЧМТ при использовании цитопротекторов.
Таким образом, восстановление морфоструктурного и функционального состояния эритроцитов при действии цитофлавина и мексикора способствует сохранению морфофункционального состояния микроциркуляторного русла коры головного мозга в посттравматическом
периоде, что может быть отправной точкой для определения компенсаторных механизмов, направленных на увеличение кислородтранспортной функции крови, уменьшение нарушений ангио- и цитоархитектоники коры головного мозга, дефектов двигательной функции и координации движений
Рис. 10. Взаимосвязь морфоструктурных показателей эритроцитов с их функциональными характеристиками в посттравматический период ЧМТ.
(рис. 10).
1.
ВЫВОДЫ
Усиление процеессов липопероксидации, уменьшение
содержания АТФ, гемоглобина, снижение активности Na-K-АТФазы и
каталазы сочетались с увеличением фазовых параметров эритроцитов,
нарушением микроморфологии, вызывая падение ЭФПЭ и увеличение
агрегации эритроцитов. Выявленные морфоструктурные и функциональные
изменения эритроцитов сопровождались нарушениями в системе гемостаза.
Действие мексикора и цитофлавина сохраняло морфологию, снижало
скорость протекания дезинтеграционных процессов и вызывало увеличение
энергетического потенциала в эритроцитах с последующей компенсацией
коагулянтных каскадов.
2.
3. Острый период ЧМТ крыс характеризовался выраженными макро- и микроциркуляторными нарушениями коры головного мозга в ответ на возросшую вследствие травмы кислородную потребность. Действие цитопротекторов вызывало уменьшение перикапиллярного и периваскулярного отёка, агрегации и тромбообразования, увеличение среднего диаметра капилляров и сохранение структурной целостности эндотелиальной выстилки при действии мексикора на 3-7 сутки, при действии цитофлавином на 7-12 сутки исследования. Быстрое и своевременное восстановление кровотока в зоне пенумбры обеспечивало сохранение ультраструктуры большинства нейронов.
4. Выявленные механизмы стабилизации и защиты эритроцитов мексикором и цитофлавином в ранние сроки посттравматического периода ЧМТ позволяют сдерживать нарушения двигательных функций и предотвращать развитие вторичных повреждений головного мозга, начиная с 1 суток посттравматического периода.
Актуальность проблемы
Каждый год от ЧМТ в мире погибает 1.5 млн человек, a 2.4 млн становятся инвалидами. В России ежегодно ЧМТ получают около 600 тыс. человек, из них 50 тыс. погибают, а еще 50 тыс. становятся официальными инвалидами. В настоящее время общее количество инвалидов, перенесших ЧМТ, превышает 2 млн человек (Лихтерман, 2016; Benedictus, 2010; Nguyen, 2011; McDonald et al., 2016). По долгосрочным прогнозам, ожидается дальнейший рост нейрoтравматизма как по частоте, так и пo тяжести, что обусловлено неизбежным техническим развитием, интенсификацией дорожного движения, военными конфликтами и урбанизацией населения (Потапов и др., 2010; McAllister, 2011; Ponsford, 2014; Abdul-Muneer, 2015). В связи с этим изучение механизмов, связанных с ЧМТ и развитием вторичных последствий травмы является актуальной задачей не только медицины, но фундаментальной задачей биологии, направленной на решение общегосударственной проблемы, связанной с колоссальными расходами на лечение и реабилитацию пациентов с травмой.
формируется на всех звеньях жизнедеятельности организма: системном, органном, клеточном и носит, как правило, смешанный характер (Montivero et al., 2021; Baker et al., 2021). При этом чаще всего тканевая гипоксия определяет исход критического состояния (Пурас и др., 2012; Лихтерман и др., 2016; Царев, 2018; Salehi et al., 2017; Obenaus et al., 2017). На степень проявления тканевой гипоксии существенное влияние оказывают эритроциты, поскольку от их функционального состояния зависят реологические свойства крови и микроциркуляция (Муравьев и
Ведущим механизмом нейротравмы является гипоксия, которая
др., 2012; Fujino, 2000).
ишемизированной тканью обуславливает тканевое повреждение. Гипоперфузия тканей ведет к гипоксии сосудистого эндотелия, у которого появляются прокоагулянтные свойства, что сопровождается адгезивно-агрегационной функцией клеток крови. Микроциркуляторные и эндотелиальная дисфункции при
Реципрокное взаимодействие между кровотоком и травме, в свою очередь, рассматриваются как причина полиорганной
недостаточности, состояние которой усугубляется развитием окислительного стресса (Токмакова и др., 2012; Klijn et al., 2008; Wolin et al., 2009).
Учитывая, что одним из возможных механизмов развития каскадных
реакций, приводящих к полиорганной недостаточности, могут являться поврежденные эритроциты, ответственные за перенос кислорода к тканям, представляется важным понять, какие молекулярные механизмы реализуются в эритроцитах в ответ на дестабилизацию системы гомеостаза при травматическом стрессе, могут ли они иметь адаптивный характер или осуществляются изменения, имеющие необратимый деструктивный характер.
Коррекция морфофункционального состояния эритроцитов при травме, может быть важным фактором в предотвращении ишемии и гипоксии органов и тканей. В настоящее время особое внимание в лечении критических состояний сконцентрировано на исследовании цитопротекторов (Förster, Reiser, 2016). К данной группе соединений относится мексикор и цитофлавин, обладающие антиоксидантным и антигипоксическим действием (Завалий и др., 2018; Павлюченко, Бат, 2018; Kesarev et al., 2017). Мексикор – производное 3- оксипиридина (2-этил-6-метил-3-гидроксипиридина сукцинат) широко используется при терапии кардиологических заболеваний (Бояринов и др., 2010), хронической ишемии головного мозга (Фирсов и др., 2011) и в цитопротекторной терапии при инсульте (Фирсов, Смирнов, 2011). Цитофлавин представлен кoмплексом из двух витaминов (В2 и РР), янтaрной кислoты и инoзина (рибоксина). Препарат обладает комплексным действием: способствует компенсации дефицита энергетических субстрaтов и кoррекции нaрушений метaболизма (Джумагазиев, Рахимова, 2015; Силина и др., 2014; Скоромец и др., 2005). Однако механизмы корригирующего влияния данных цитопротекторов на морфофункциональное состояние эритроцитов при ЧМТ не изучены.
Для оценки состояния живых клеток целесообразно использование неинвазивных методик, вносящих наименьшее количество повреждений и
уменьшающих, таким образом, погрешность метода измерений. Перспективным в области исследования состояния эритроцитов является метод лазерной модуляционной интерференционной микроскопии, позволяющий оценивать клетки в режиме реального времени и получать количественную информацию об объемном распределении показателя преломления объекта, зависящем от динамики кооперативных внутриклеточных процессов, протекающих на мембране, примембранной областях и в цитоплазме эритроцитов (Jiang, Yin, 2016; Butola et al., 2018).
Цели и задачи исследования
Цель – исследовать взаимосвязь морфоструктурных показателей и функционального состояния эритроцитов на модели ЧМТ и выявить их роль в развитии репарационных процессов в посттравматический период при использовании цитопротекторов.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1.
агрегационные, окислительные, метаболические характеристики эритроцитов, состояние системы гемостаза при моделировании ЧМТ и действии цитопротекторов в посттравматический период.
2. Выявить зависимость изменения функциональных показателей эритроцитов в модельных системах окислительного стресса, гиперадреналемии и лактоацидоза in vitro при действии цитопротекторов.
3. Оценить морфофункциональное состояние головного мозга,
Изучить фазово-интерфренционные, электрокинетические,
микроциркуляторного русла головного мозга и двигательную активность крыс в динамике посттравматического периода ЧМТ и в ходе цитопротекторной терапии. 4. Обосновать значимость адаптационно-приспособительных процессов в эритроцитах для ограничения вторичных повреждений мозга в
посттравматический период при применении цитопротекторов. Научная новизна
Впервые с использованием комплексного подхода изучены фазово- интерференционные изображения, мембранные и метаболические показатели эритроцитов в посттравматический период ЧМТ и при её коррекции цитопротекторами. Показана зависимость морфоструктурных показателей эритроцитов от их функционального состояния при экспериментальной ЧМТ и действии цитопротекторов в посттравматический период. Выявлено, что увеличение фазовых характеристик эритроцитов определяется усилением процессов липопероксидации, снижением активности каталазы, содержания гемоглобина и коррелирует с уменьшением ЭФПЭ и усилением агрегации в посттравматический период ЧМТ. При действии цитофлавина и мексикора нормализация морфоструктурных характеристик сопровождается восстановлением окислительно-восстановительного баланса и повышением метаболического статуса эритроцитов.
Впервые в экспериментах in vivo и in vitro показано непосредственное действие препаратов на эритроциты, так и опосредованное их влияние, обуславливающее повышение энергетического потенциала клеток. Доказана целесообразность использования мексикора и цитофлавина для сохранения морфофункциональных показателей и энергетической стабильности эритроцитов, что является необходимым элементом коррекции гипоксических состояний организма. Установленное улучшение морфофункциональных характеристик эритроцитов в сочетании с восстановлением гемокоагуляции и микроциркуляции при ЧМТ определяет ограничение вторичных повреждений мозга при использовании цитопротекторов.
Научно-практическая значимость
Обоснован подход, основанный на анализе нефиксированных эритроцитов методом фазово-интерференционной микроскопии в визуализации динамики метаболических процессов в эритроцитах при ЧМТ и действии цитопротекторов. Выявлены зависимости морфометрических показателей фазово- интерференционных изображений эритроцитов от активности метаболических и окислительных процессов в посттравматический период ЧМТ, что позволяет существенно дополнить и упростить способы клеточной диагностики функционального состояния эритроцитов.
Полученные данные об изменении морфофункциональных показателей эритроцитов при действии цитофлавина и мексикора, которые в настоящее время наиболее широко используется в комплексной терапии сердечно-сосудистых и неврологических заболеваний, позволяют наметить нoвoе нaправление их испoльзования: в качестве кoрректора структурнo-функциoнальных покaзателей эритроцитoв при травме и расширить внедрение мексикора и цитoфлавина в медицинскую практику.
Оснoвные результаты рабoты мoгут быть включены в сooтветствующие рaзделы спецкурсoв и лекций oбщего курса по физиолoгии человека и животных, патoфизиологии и биoмедицине.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Фазово-интерфренционные показатели эритроцитов сочетаются с метаболической активностью клеток и содержанием гемоглобина, отражают динамику ЭФПЭ и агрегации эритроцитов, что сопряжено с состоянием гемостаза при ЧМТ и действии цитопротекторов.
2. Действие мексикора и цитофлавина определяет улучшение фазово- интерференционного профиля, электрокинетических, агрегационных, метаболических показателей эритроцитов на фоне восстановлением гемостаза и микроциркуляции головного мозга в посттравматический период ЧМТ.
3. Мексикор и цитофлавин снижают уровень ПОЛ, уменьшают агрегацию эритроцитов, концентрацию АТФ и повышают ЭФПЭ в условиях энергодефицита при моделировании окислительного стресса, гиперадреналемии и лактоациодоза в экспериментах in vitro. 4. Коррекция морфофункциональных показателей эритроцитов и микроциркуляторного русла способствуют уменьшению дисфункции вторичных повреждений мозга в посттравматический период при действии цитопротекторов.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 45 научных работ, из них 12 статей в рецензируемых научных изданиях (Web of Science, Scopus), рекомендованных Перечнем ВАК, и 33 тезиса конференций.
Достоверность полученных результатов
Достоверность научных результатов и выводов, полученных в работе, обусловлена использованием широко применяемых на практике в биологии и медицине методов оптической визуализации биологических объектов. Полученные данные подтверждены общепринятыми методами и соответствуют теоретическим выводам и обоснованиям.
Апробация работы
Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 67-ой ежегодной научной студенческо-аспирантской конференции «Биосистемы: организация, поведение, управление» (Нижний Новгород, 2014), 68 областной научной конференции студентов и аспирантов «Биосистемы: организация, поведение, управление» (Нижний Новгород, 2015), II Всероссийской XIII Межрегиональной с международным участием научной сессии молодых ученых и студентов «Современные решения актуальных научных проблем в медицине» (Нижний Новгород, 2015), XXII Всероссийской конференции молодых учёных с международным участием «Актуальные проблемы патофизиологии» (Санкт- Петербург, 2016), 69-ой Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Биосистемы: организация, поведение, управление» (Нижний Новгород, 2016), Volga Neuroscience Meeting 2018 (Санкт-Петербург – Нижний Новгород, 2016), III Всероссийской 14-й межрегиональной с международным участием научной сессии молодых ученых и студентов «Современное решение актуальных научных проблем медицины» (Нижний Новгород, 2017), 70-ой Всероссийской с международным участием школе-конференции молодых ученых «Биосистемы: организация, поведение, управление» (Нижний Новгород, 2017), Научной сессии молодых учёных и студентов «Медицинские этюды» (Нижний Новгород, 2018), 71-ой Всероссийской с международным участием школе-конференции молодых ученых «Биосистемы: организация, поведение, управление» (Нижний Новгород, 2018), XXIV Всероссийской конференции молодых учёных с международным участием «Актуальные проблемы патофизиологии» (Санкт-Петербург, 2018), объединенном Международном конгрессе «Congress on Open Issues in Thrombosis and Hemostasis совместно с 9‐ой Всероссийской конференцией по клинической гемостазиологии и гемореологии» (Санкт-Петербург, 2018), 72-ой Всероссийской с международным участием школе конференции молодых ученых «Биосистемы: организация, поведение, управление» (Нижний Новгород, 2019), 24-ой Нижегородской сессии молодых ученых (технические, естественные, математические науки) (Нижний Новгород, 2019), VI Съезде физиологов СНГ (Сочи, 2019), IIV Всероссийской с международным участием школе-конференции «Физиология и патология кровообращения» (Москва, 2020), VI Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных и студентов с международным участием «V olgaMedScience» (Нижний Новгород, 2020), Российском Форуме по тромбозу и гемостазу совместно с 10‐й (юбилейной) конференцией по клинической гемостазиологии и гемореологии (Москва, 2020), 73-ей Всероссийской с международным участием школе конференции молодых ученых «Биосистемы: организация, поведение, управление» (Нижний Новгород, 2020), 25-ой Нижегородской сессии молодых ученых (естественные, математические науки) (Нижний Новгород, 2020), XXVII Всероссийской конференции молодых учёных с международным участием «Актуальные проблемы биомедицины – 2021» (Санкт-Петербург, 2021), 74-я всероссийской с международным участием школе-конференции молодых ученых «Биосистемы: организация, поведение, управление» (Нижний Новгород, 2021).
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!