Начало >> Статьи >> Архивы >> Феномен адаптационной стабилизации структур и защита сердца

Механизмы ФАСС участвуют в повышении устойчивости организма к тяжелой гипоксии - Феномен адаптационной стабилизации структур и защита сердца

Оглавление
Феномен адаптационной стабилизации структур и защита сердца
Основные механизмы долговременной адаптации
Роль HSP70
Кардиопротекторные эффекты адаптации к стрессу
Динамика становления и обратного развития ФАСС коррелирует с изменением содержания hsp70 в миокарде
Формирование феномена адаптационной стабилизации структур
Роль инозитол-фосфатного цикла в кардиопротекторном эффекте адаптации к повторным стрессорным воздействиям
Феномен адаптационной стабилизации структур при адаптации организма к периодической гипоксии
Адаптация к гипоксии по сравнению с адаптацией к стрессу сопровождается меньшим накоплением стресс-белков
Биологическое значение белков теплового шока
Клеточная локализация и функции hsр70 в стрессированных клетках
Функции hsp 70, локализованных вдоль актиновых миофиламентов
Механизмы транскрипции и стресс-индуцированной активации синтеза hsp70
Роль hsp70 в адаптивных реакциях на примере развития термотолерантности и гипертрофии сердца
Компенсаторная гипертрофия и роль белков теплового шока в ее механизме
Механизм адаптационного накопления белков теплового шока
Роль белков теплового шока в механизме формирования феномена адаптационной стабилизации клеточных структур
Место защитной системы, связанной с hsp70 среди других клеточных систем защиты
Перспективы использования активации системы белков теплового шока в адаптационной медицине
Другие механизма феномена адаптационной стабилизации структур
Возможности воспроизведения ФАСС и его использование для защиты сердца
Механизмы ФАСС участвуют в повышении устойчивости организма к тяжелой гипоксии
Summary

Выраженный кардиопротекторный эффект, полученный нами при адаптации к стрессу и замене стресса курсом физиотерапевтических воздействий, сделали важным вопрос, можем ли мы с помощью адаптации к кратковременным стрессорным воздействиям, используя перекрестный эффект этой адаптации, защитить весь организм от действия различных опасных для жизни факторов, и в частности от сублетальной гипоксии. Поскольку мы априори рассматривали ФАСС как генерализованный феномен, охватывающий в той или иной мере весь организм, было решено осуществить попытку такого рода адаптационной защиты, т.е. применить адаптацию к стрессу для предупреждения повреждения и гибели животных при сублетальной гипоксии.
Эта возможность была детально изучена в совместных экспериментах с В. Пожаровым и Т. Меняйленко (28). В этой работе осуществлялась количественная оценка функции дыхания, кровообращения, потребления кислорода, выраженности ацидоза, активации перекисного окисления липидов и фосфолиполиза при действии гипоксии, которая сопровождалась значительной летальностью.
Гипоксию вызывали путем ингаляции в течение 2 ч газовой смесью, содержащей 6% кислорода. При этом крыс наркотизировали, проводили трахеостомию, катетеризацию общей сонной артерии и устья полых вен. В ходе опыта оценивали влияние адаптации на выживаемость животных и основные факторы, ее определяющие, в условиях острой гипоксии. Такими факторами являются нарушения внешнего дыхания и легочного газообмена, несоответствие транспорта кислорода кровью фактическому потреблению его тканями, лактат-ацидоз, активация перекисного окисления липидов (ПОЛ) и липолиза,  ограничение скорости диффузии кислорода через биологические барьеры. Все эти показатели определяли в ходе эксперимента ранее описанными методами (29,36).
Полученные данные свидетельствуют о том, что адаптация животных к регулярно повторяющимся стрессорным воздействиям резко повышала их устойчивость к острой тяжелой гипоксии. Без предварительной адаптации к стрессу дыхание газовой смесью, содержащей 6% кислорода в течение 120 мин, приводило к гибели около 65% животных. После адаптации за это же время смертность составила всего ю%, т.е. была в 6,5 раз меньше. Этот поразительный факт является свидетельством того, что в процессе адаптации к стрессу в организме произошло значительное увеличение эффективности механизмов, ответственных за адаптацию к гипоксии. Анализ внешнего дыхания и легочного газообмена позволил установить весьма существенные различия между контрольными и адаптированными к стрессу животными, проявляющиеся уже на первом этапе транспорта кислорода в организме (рис. 58). Так, обычное увеличение минутного объема дыхания в ответ на снижение


Рио. 58. Изменение показателей внешнего дыхания (М ± м) в условиях дыхания газовой смесью, содержащей 6% кислорода, у контрольных (1) и адаптированных к повторным иммобилизационным воздействиям (2) животных
концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе у контрольных животных отмечалось лишь в первые минуты гипоксии. В дальнейшем величина этого показателя снижалась до исходного уровня. В то же время адаптированные к стрессу животные поддерживали в 2,5 раза более высокий объем вентиляции на всем протяжении гипоксической экспозиции. Существование различий между группами были также обнаружены и в структуре дыхательного цикла. Так, неадаптированные животные при гипоксии осуществляли вентиляцию легких за счет энергетически расточительного тихипноэ. Дыхательный объем, т.е. объем одного вдоха у них увеличивался лишь в первые 15 мин дыхания смесью, а затем резко падал и составлял всего около 75% от величины, характерной для нормоксических условий. Напротив, у адаптированных к стрессу животных по мере удлинения гипоксической экспозиции неуклонно увеличивалась глубина и снижалась частота дыхания. В результате этого, начиная с 60 мин гипоксии дыхательный объем у них был почти в 2 раза выше, чем в контроле, а тихипноэ не проявлялась вовсе. Помимо того, что редкое и глубокое дыхание энергетически более выгодно, оно обеспечивает и более высокую эффективность газообмена, поскольку в этом случае улучшается соотношение между дыхательным объемом и мертвым дыхательным пространством. Как видно на рис.  58, это приводит к увеличению объема воздуха, принимающего участие в газообмене, т.е. альвеолярной вентиляции. Действительно, расчет показал, что, если у неадаптированных животных при гипоксии такой важный показатель эффективности внешнего дыхания как отношение альвеолярной вентиляции к минутному объему дыхания составлял 60-70%, то после адаптации он возрастал до 80-95%. В свою очередь, рост альвеолярной вентиляции приводил к резкому повышению доставки кислорода к газообменной поверхности легких с 2-з до 6-7 мл/100г.мин, т.е. в 2-3 раза. Таким образом, предварительная адаптация к умеренным стрессорным воздействиям способствовала повышению экономичности и эффективности внешнего дыхания, что создавало предпосылки для улучшения легочного газообмена.
Дальнейший анализ данных позволил установить, что у адаптированных к стрессу животных помимо увеличения доставки кислорода в альвеолы возрастала также скорость его перехода из воздуха в кровь. Скорость перехода, в свою очередь, зависит как от разности парциальных давлений кислорода по обе стороны аэрогематического барьера, так и от условий для его диффузии через этот барьер. Данные, представленные в табл. 9, показывают, что при гипоксии различие по кислороду между воздухом и кровью резко уменьшалось. Так, если до гипоксии у животных обеих групп разность парциальных давлений кислорода между альвеолярным воздухом и смешанной венозной кровью составляла около 60 мм рт.ст., а альвеоло-артериальное различие было около 15 мм рт.ст., то при дыхании газовой смесью, содержащей 6% кислорода, эти величины упали до 15-20 и 1-5 мм рт.ст. соответственно (табл.9). Иными словами, напорный градиент, обеспечивающий переход кислорода из воздуха в кровь в условиях гипоксической гипоксии уменьшился в 3-4 раза. Для компенсации этого крайне неблагоприятного явления и обеспечения перехода требуемого количества кислорода в условиях гипоксии существует единственная возможность - увеличение диффузионной способности легких. Однако данные настоящего исследования показывают, что у животных контрольной группы рост диффузионной способности легких отмечался лишь в первые минуты гипоксии, после чего величина этого показателя падала более чем в 3 раза, составляя всего лишь около 40% от исходного уровня (табл.9). Вследствие этого объем кислорода, переходящий из воздуха в кровь на протяжении дыхательного цикла уменьшился в 3 раза - с 23-25 до 7-8 мкл/100г (табл.9).

Таблица 9. Влияние, адаптации к умеренным стрессорным воздействиям на парциальное давление кислорода во вдыхаемом и альвеолярном воздухе, артериальной и смешанной венозной крови, кислородный эффект дыхательного цикла (М±м) Данные соответствуют 60 мин дыхания воздухом или газовой смесью, содержащей 6% кислорода

Примечание. *-р <0,05 по сравнению с контролем; +-р <0,05 по сравнению с гипоксией до адаптации.
В то же время, у адаптированных к стрессу крыс диффузионная способность легких в условиях гипоксии была В 1,5- 2,5 раза, а кислородный эффект дыхательного цикла - в 1,3-2,0 раза выше, чем у неадаптированных. Тем не менее в условиях крайне низкого парциального давления кислорода в газовой смеси даже столь значительное возрастание эффективности легочного газообмена не могло существенно повысить напряжение кислорода в артериальной крови. Действительно, как показывает табл. 9, в норме парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе составляло 145-150, а в артериальной крови - 85-90 мм рт.ст. При дыхании газовой смесью, содержащей 6% кислорода, величины этих показателей снижались у неадаптированных крыс до 40-43 и 28-зо мм рт.ст. соответственно. Иными словами, различия по кислороду между вдыхаемым воздухом и артериальной кровью снижались с 60-65 до 10-14 мм рт.ст. Адаптация к стрессу приводила к тому, что такой весьма незначительный резерв повышения напряжения кислорода в крови при гипоксии использовался в максимально возможной степени за счет повышения легочной вентиляции и эффективности газообмена. В итоге, напряжение кислорода в артериальной крови у адаптированных животных было выше на 4-6 мм рт.ст., что, в свою очередь, означало увеличение его концентрации в крови на 15-20%.


Рис. 59. Изменение кислородной емкости крови, кровотока, соотношения доставка/потребление (СДП) и потребления кислорода (М±м) в условиях дыхания газовой смесью, содержащей 6% кислорода, у контрольных (1 ) и адаптированных к повторным иммобилизационным воздействиям (2) животных

Напряжение кислорода в крови является лишь одним из факторов, определяющих доставку его к тканям. Концентрация гемоглобина и кровоток составляют два других важнейших показателя, увеличение которых в принципе может играть роль в адаптации к гипоксии. Известно, что в условиях хронической и умеренной острой гипоксии одним из механизмов адаптации является увеличение кислородной емкости крови (1 ). Данные, полученные в настоящем исследовании, показывают, что в условиях тяжелой острой гипоксической гипоксии этот компенсаторный эффект не проявлялся. Более того, в первые минуты воздействия у неадаптированных животных отмечалось резкое падение концентрации гемоглобина и кислородной емкости крови (рис. 59). У адаптированных к стрессу животных это явление было выражено значительно меньше, что также могло иметь некоторое значение для снижения смертности в начальном периоде гипоксии.


Рио. 60. Изменение напряжения углекислого газа, концентрации молочной кислоты, буферных оснований и pH в артериальной крови (М±м) в условиях дыхания газовой смесью, содержащей 6% кислорода, у контрольных (1) и адаптированных к иммобилизационным воздействиям (2) животных

Таким образом, единственная реальная возможность увеличить доставку кислорода к тканям в условиях гипоксической гипоксии состоит в увеличении кровотока. И действительно, мы обнаружили весьма значительный рост кровотока - почти в 5 раз - у неадаптированных животных в первые 15 мин гипоксии, сменявшийся последующим уменьшением до величин, характерных для дыхания атмосферным воздухом (рис. 59). Однако в ходе дальнейшего исследования выяснилось, что это возрастание кровотока не могло привести к реальному снижению степени тканевой гипоксии вследствие низкого напряжения кислорода в артериальной крови и нарушения диффузии кислорода через биологические барьеры. По существу, это чрезмерное напряжение работы системы кровообращения связанное с дополнительным расходом энергии, оказывается бесполезным. Об этом свидетельствует также тот факт, что мобилизация функции кровообращения полностью отсутствует у адаптированных животных смертность которых от гипоксии в 6,5 раз меньше.

Таким образом, доставка кислорода % тканям у адаптированных животных существенно не увеличена, и этот фактор не играет роли в повышении резистентности к гипоксии. Более того, анализ соотношения доставка/потребление кислорода (рис. 59) показал, что после адаптации к стрессу его величина в условиях гипоксии составляет около 2 единиц, что, как известно/ является свидетельством сраженного несоответствия доставки кислорода к тканям кислородному запросу организма.
Данные/ представленные на рис. 59, показывают также, что у адаптированных животных такой важный показатель, как потребление кислорода, оказывается увеличенным на 60% по сравнению с неадаптированными, несмотря на то, что доставка кислорода кровью к тканям в обеих группах примерно одинакова.
Далее, из рис. 60,61 видно, что это увеличение потребления кислорода у адаптированных животных ограничивало восстановление пирувата в лактат, снижало накопление лактата в печени почти в 2 раза, в сердце на 45, в легких на 30 и в крови на 36%. Такое значительное ограничение накопления молочной кислоты одновременно с рассмотренной выше гипервентиляцией/ которая способствовала удалению из организма углекислого газа, приводила к снижению концентрации водородных йонов, повышению концентрации бикарбонатов и достоверному повышению pH крови (см. рис. 60).
Дальнейший анализ экспериментальных данных свидетельствует о том, что острая гипоксическая гипоксия у неадаптированных животных приводила к большой активации гликолиза и как следствие к увеличению концентрации свободных жирных кислот в крови более чем в 3,5 раза, а также к росту величины этого показателя во всех изучаемых органах (рис. 61). Одновременно с усилением липолиза гипоксия вызывала включение еще одного важного механизма повреждения биологических мембран - активацию процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) (рис. 61). В то же время адаптация к иммобилизационному стрессу закономерно ограничивала активацию липолиза и ПОЛ во всех исследованных органах. Так, концентрация СЯК оказалась уменьшенной по сравнению с контролем в 1,7- 2,3 раза, а накопление начальных продуктов ПОЛ - диеновых конъюгатов - было уменьшено в 1,6 раза в мозге и на 30-40% в печени, сердце и легких. Концентрация конечных продуктов ПОЛ, вступающих в реакцию с тиобарбитуровой кислотой, была у адаптированных животных меньше в сердце в и раза в легких - на 15% и в мышцах - в 1,5 раза. Диаграмма на рис.  62 характеризует накопление продуктов ПОЛ в процессе инкубации гомогенатов тканей в присутствии ионов железа.


Рис. 61. Влияние адаптации к прерывистым стрессорным воздействиям на концентрации молочной кислоты (МК), свободных жирных кислот (СЖК), диеновых конъюгатов (ДК) и продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ), вступающих в реакцию с тиобарбитуровой кислотой, в различных органах, в условиях дыхания газовой смесью, содержащей 6% кислорода
а - дыхание атмосферным воздухом; б - дыхание газовой смесью в течение 60 мин (до адаптации); в - дыхание газовой смесью в течение 60 мин (после адаптации); 1 - мозг; 2 - печень; 3 - сердце; 4 - легкие; 5 - мышцы; * - р<0,05 по сравнению с дыхание атмосферным воздухом; + - р<0,05 различие между дыханием газовой смесью до и после адаптации
Видно, что гипоксическая гипоксия достоверно потенцирует накопление ТБК-активных продуктов ПОЛ в сердце, а адаптация к стрессу значительно снижает их накопление во всех без исключения исследованных органах. Это позволяет думать, что
адаптация к стрессу в наших экспериментах повышала активность антиоксидантных систем организма.


Рис. 62. Накопление продуктов ПОЛ, вступающих в реакцию с тиобарбитуровой кислотой, в гомогенатах органов, через 30 мин после инкубации при 37 С в присутствии ионов железа
* - р<0,05 по сравнению с дыхание атмосферным воздухом; + - р<0,05 различие между дыханием газовой смесью до и после адаптации
Таким образом, представленные факты позволяют считать, что перекрестный защитный эффект адаптации к стрессу многократно снижает смертность и увеличивает резистентность животных к тяжелой острой гипоксии за счет экономизации функции дыхания и кровообращения, значительного повышения способности тканей потреблять кислород из крови, ограничения ацидоза и развивающихся при гипоксии процессов повреждения клеточных мембран, а именно: липолиза и перекисного окисления липидов.
Анализируя механизмы повышения устойчивости к гипоксии в процессе адаптации к периодически повторяющимся умеренным стрессорным воздействиям следует иметь в виду, что одним из главных результатов адаптации к стрессу является отсутствие расточительной реакции, включающей гипервентиляцию, усиление кровотока со стороны кровообращения и дыхания в начальном, наиболее опасном периоде гипоксии. Оценивая эту обнаруженную нами экономизацию функции дыхания и кровообращения под влиянием адаптации к стрессу, следует иметь в виду, что данная адаптация закономерно сопровождается активацией таких центральных стресс-лимитирующих тормозных систем, как холинергическая, опиоидергических, ГАМК-ергическая, серотонин-ергическая. Можно думать, что эти системы играют роль в ограничении неэффективной, энергетически расточительной мобилизации дыхания и кровообращения в первой стадии реакции на гипоксию. Кроме того, определенное значение для предотвращения чрезмерного роста вентиляции может иметь обнаруженное в последнее время изменение чувствительности дыхательного центра к углекислому газу (190). Причем, если у адаптированных животных вообще не отмечается усиления кровотока в ответ на гипоксию, то уменьшение затрат энергии на дыхание достигается иным путем - переходом его на энергетически более выгодный режим вентиляции легких, обусловленный ростом дыхательного объема и падением частоты дыхательных движений.
Однако только одним лишь снижением затрат энергии невозможно объяснить столь значительное падение смертности, наблюдаемое у адаптированных животных. Главным механизмом, лежащим в основе этого феномена, является повышение способности тканей утилизировать доставляемый к ним кровью кислород. Этот важный сдвиг может быть обусловлен по меньшей мере двумя факторами. Во-первых, большей сохранностью мембранного барьера капилляр-клетка у адаптированных животных и соответственно большей скоростью диффузии ^через него кислорода. Такой взгляд согласуется с фактом адаптационного ограничения повреждающих мембраны процессов, а именно: активации липолиза и ПОЛ. Во-вторых, более высокое потребление кислорода у адаптированных животных может быть обусловлено большей сохранностью протекающих на уровне митохондрий процессов утилизации кислорода и окислительного фосфорилирования. Разумеется, эти положения требуют экспериментальной проверки. Однако уже в настоящее время известно, что адаптация к повторным иммобилизационным стрессам приводит к развитию феномена адаптационной стабилизации структур - ФАСС, который проявляется увеличением резистентности плазматической мембраны и саркоплазматического ретикулума, митохондрий и клеточных ядер к аутолизу и ПОЛ. Можно думать, что в условиях нашего эксперимента развитие ФАСС сыграло свою роль в сохранении клеточных структур при тяжелой гипоксии, а тем самым в сохранении высокой скорости диффузии кислорода и его потребления в клетках.
Таким образом, повышение устойчивости адаптированного к стрессу организма к тяжелой гипоксии, по-видимому, обусловлено двумя главными факторами, а именно: регуляторной экономизацией транспорта кислорода и ФАСС.
Теоретическое значение этой заключительной части исследования состоит в том, что полученные данные с высокой степенью вероятности указывают, что ФАСС действительно является нелокальным, а генерализованным явлением, которое охватывает организм в целом и может защитить его даже от таких, в большинстве случаев смертоносных, факторов, как глубокая и длительная гипоксия.
Практическое значение полученных данных состоит в том, что так же, как и в экспериментах с защитой сердца, они побудили нас использовать вместо стрессорных воздействий подробно описанные выше физиотерапевтические процедуры. При этом мы получили аналогичный по качеству, но количественно менее выраженный защитный эффект - смертность подвергшихся тяжелой гипоксии животных уменьшилась под влиянием курса физиотерапевтических процедур не в 6,5 раза, как после адаптации к стрессу, а только в 2 раза. Этот скромный, но высоко достоверный эффект создает реальную перспективу расширения арсенала средств адаптационной медицины.



 
« Фармакотерапия сердечной недостаточности у детей   Физико-биологические основы лучевой терапии »