Оценка биологического действия низкоинтенсивного электромагнитного излучения на миокард при экспериментальной ишемии

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Оценка биологического действия низкоинтенсивного электромагнитного излучения на миокард при экспериментальной ишемии

С.Л. Малиновская

А.П. Баврина

Т.И. Соловьева

Цель исследования -- изучение особенностей модификации уровня перекисного окисления липидов и микроструктуры миокарда сердца крыс низкоинтенсивным лазерным излучением (НИЛИ) на основе сравнения с эффектами, обусловленными широкополосным красным светом (ШКС).

Материалы и методы. Исследования проводили на самцах беспородных белых крыс массой 250-280 г. Экспериментальные животные (91 крыса) были разделены на две опытные и две контрольные группы: 1-я контрольная группа (n=23) -- ложное облучение без ишемии, 2-я контрольная группа (n=22) -- ишемия + ложное облучение, 1-я опытная группа (n=21) -- воздействие НИЛИ и 2-я опытная группа (n=25) -- облучение ШКС. Моделирование ишемии сердца осуществляли путем окклюзии левой коронарной артерии крыс in situ в течение 5 мин. Световое облучение в опытных группах начинали сразу после снятия лигатуры и продолжали 10 мин. Источниками света являлись гелиево-неоновый лазер ЛГ-13 (Россия) и люминесцентный оптоволоконный аппарат собственной разработки.

Результаты и обсуждение. Облучение миокарда как лазерным, так и широкополосным светом снижало уровень продуктов перекисного окисления в тканях миокарда. Исключение составили триеновые конъюгаты в группе, обработанной лазерным светом. Более эффективное снижение уровня первичных продуктов ПОЛ выявлено в группе, облученной ШКС.

Электронно-микроскопическое исследование миокарда животных показало, что при облучении НИЛИ в большинстве случаев кардиомиоциты были в сокращенном состоянии с участками пересокращения, выявлены дилатация саркомеров, гипертрофированные формы митохондрий, их набухание, саркоплазматический ретикулум был расширен, содержание цитогранул незначительно. В то же время при воздействии ШКС в кардиомиоцитах саркоплазма не имела признаков просветления, митохондрии были слабо набухшие с сохраненными кристами, был хорошо выражен комплекс Гольджи. В саркоплазме выявлено цитогранул больше, чем в контрольной группе с ишемией и ложным облучением, и гораздо больше, чем в группе, экспонированной НИЛИ. Ядра с диспергированным хроматином содержали 1-2 ядрышка.

Заключение. Изучение субклеточной структуры кардиомиоцитов после оксидативного стресса, вызванного наложением ишемии и последующим возобновлением перфузии, выявило адаптивные изменения лишь в образцах, экспонированных ШКС (активация ядер -- эухроматин, наличие ядрышек, сохранность структуры митохондрий и значительное содержание цитогранул).

Разница изменений в микроструктуре клеток мышцы сердца двух опытных групп наглядно свидетельствует об отличии процессов фотобиомодификации, вызываемых лазерным излучением по сравнению с широкополосным светом (одинаковой интенсивности в зоне светового пятна, со спектральным максимумом, близким к линии лазерного излучения).

Полученные данные позволяют говорить о возможности применения в клинической практике технологии облучения сердца низкоинтенсивным ШКС для восстановления сократительной активности миокарда после ишемии и последующей реперфузии: его использование способно сгладить последствия оксидативного стресса в тканях мышцы сердца и улучшить характеристики гемодинамики коронарной системы.

Сравнение эффектов, вызванных низкоинтенсивным лазерным излучением (НИЛИ) и широкополосным красным светом (ШКС), на основе такой хорошо документируемой методики, как анализ микрофотографий, позволяет ответить на один из принципиальных для фотобиологии и лазерной медицины вопросов о значимости свойств когерентности и монохроматичности излучения для формирования отклика живых тканей на нетепловое световое воздействие.

Работа направлена на создание технологии регенерации тканей мышцы сердца после оксидативного стресса, вызванного ишемией и реперфузией миокарда.

Цель исследования -- изучение особенностей модификации уровня перекисного окисления липидов и микроструктуры миокарда открытого сердца крыс, вызванных лазерным излучением на основе сравнения с эффектами, обусловленными широкополосным красным светом.

Материалы и методы. Моделирование ишемии сердца осуществляли путем окклюзии левой коронарной артерии крыс in situ в течение 5 мин. После трахеотомии и торакотомии животное подключали к аппарату искусственной вентиляции легких. Под левым ушком сердца накладывали лигатуру на левую ветвь венечной артерии. В результате развивалась острая ишемия миокарда.

Световое облучение НИЛИ или ШКС области синусного узла открытого сердца начинали сразу после снятия лигатуры и продолжали 10 мин. Источниками света являлись гелиево-неоновый лазер ЛГ-13 (Россия) и люминесцентный оптоволоконный аппарат собственной разработки [1]. Длина волны в максимуме спектра люминесцентного излучения составляла 640 нм, ширина спектра излучения -- 70 нм. Диаметр светового пятна -- 3 мм. Интенсивность излучения в зоне засветки -- 5 мВт/см2.

Уровень процессов перекисного окисления липидов оценивали по содержанию в тканях миокарда молекулярных продуктов пероксидации: диеновых конъюгатов (ДК), триеновых конъюгатов (ТК) и малонового диальдегида (МДА) [2]. Состояние ферментативной антиоксидантной защиты клеток определяли по активности супероксиддисмутазы (СОД) [3].

Для электронно-микроскопического исследования образцы ткани брали из левого желудочка в области сосочковых мышц. Методика приготовления образцов соответствовала описанной ранее [2]. Просмотр выполняли на электронном микроскопе Morgagni 268D (FEI, США). Морфометрические измерения осуществляли с помощью программы AnalySIS.

Исследования проводили на самцах беспородных белых крыс массой 250-280 г, которые содержались на стандартном рационе вивария. При этом неукоснительно соблюдались этические принципы, установленные Европейской конвенцией по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей (принятой в Страсбурге 18.03.1986 г. и подтвержденной в Страсбурге 15.06.2006 г.). Исследование одобрено Этическим комитетом НижГМА.

Экспериментальные животные (91 крыса) были разделены на две опытные и две контрольные группы: 1-я контрольная группа (n=23) -- ложное облучение без ишемии, 2-я контрольная группа (n=22) -- ишемия + ложное облучение, 1-я опытная группа (n=21) -- воздействие НИЛИ и 2-я опытная группа (n=25) -- облучение ШКС. Достоверность различий между характеристиками изучаемых групп животных определяли с использованием t-критерия Стьюдента. При множественных сравнениях вводили поправку Бонферрони [4].

Результаты и обсуждение. Облучение как лазерным, так и широкополосным светом снижало уровень продуктов перекисного окисления в тканях миокарда (табл. 1). Исключение составили ТК в группе, экспонированной лазерным светом.

По отношению к образцам 2-й контрольной группы снижение уровня первичных продуктов ПОЛ в группе, подвергшейся воздействию ШКС, составило 26%, а в группе, экспонированной лазерным излучением, -- 16%.

Снижение уровня молекулярных продуктов ПОЛ может быть обусловлено фотохимическими процессами, связанными с изменением активности СОД и других ферментов, имеющих полосы поглощения в диапазонах красного и ближнего инфракрасного света. СОД является одним из важных компонентов ферментативного звена системы антиперекисной защиты клеток и имеет полосу поглощения в диапазоне красного света [5]. Полученные в данной работе результаты показали, что ШКС повышает активность СОД в тканях миокарда, тогда как лазерное излучение вызывает противоположный эффект (см. табл. 1).

Согласно данным электронно-микроскопического исследования миокарда животных, в образцах 2-й контрольной группы кардиомиоциты (КМЦ) находились в состоянии сокращения, отдельные участки -- пересокращения, а также дилатации в субсарколеммальной области. В КМЦ наблюдалось умеренное расширение саркоплазматического ретикулума (СПР) (табл. 2), наличие в просветах хлопьевидного осмиофильного материала (см. рисунок, б). Ядра большей частью были без ядрышек, имели небольшие инвагинации и маргинацию хроматина. В ряде КМЦ ядра локализовались в субсарколеммальной зоне. Сарколемма была набухшей, с очагами деструкции. Отмечалась гиперплазия митохондрий, их набухание, просветление матрикса, деструкция и дезориентация крист. У части митохондрий выявлена альтерация наружной мембраны. В саркоплазме обнаружены липидные включения, вторичные лизосомы, немногочисленные цитогранулы.

В образцах, облученных НИЛИ, в большинстве случаев КМЦ были в сокращенном состоянии, с участками пересокращения. В некоторых наблюдениях выявлена дилатация саркомеров. Выраженная гетерогенность митохондрий проявлялась в наличии как обычных, так и гипертрофированных их форм (см. рисунок, в). Отмечалось набухание митохондрий, просветление матрикса, фрагментация крист. Ядра -- с незначительным просветлением нуклеоплазмы и маргинацией хроматина. В некоторых КМЦ ядра находились на периферии клетки, СПР расширен.

В саркоплазме наблюдались участки просветления, в отдельных случаях обнаружены диффузный внутриклеточный отек, липидные включения, первичные и вторичные лизосомы. Содержание цитогранул было незначительным.

В образцах 2-й опытной группы (облучение ШКС) саркоплазма КМЦ не имела признаков просветления, митохондрии были слабо набухшие с сохраненными кристами. Комплекс Гольджи хорошо выражен, в отдельных случаях -- гипертрофирован. В саркоплазме выявлено больше цитогранул, чем во 2-й контрольной и в 1-й опытной группах (см. рисунок, г). Ядра с диспергированным хроматином содержали 1-2 ядрышка.

Изучение субклеточной структуры КМЦ после оксидативного стресса, вызванного наложением ишемии и последующим возобновлением перфузии, выявило адаптивные изменения лишь в образцах, экспонированных ШКС (активация ядер -- эухроматин, наличие ядрышек, сохранность структуры митохондрий и значительное содержание цитогранул).

Отличия в микроструктуре клеток сердечной мышцы в двух опытных группах наглядно свидетельствуют об особенностях процессов фотобиомодификации, вызываемых лазерным излучением и широкополосным светом (одинаковой интенсивности в зоне светового пятна, со спектральным максимумом, близким к линии лазерного излучения). Эти особенности можно связать с несколькими факторами. Во-первых, полученные в нашей работе результаты свидетельствуют о разнонаправленных эффектах фотохимического действия НИЛИ и ШКС на активность СОД. Можно предположить также наличие разницы в световом воздействии НИЛИ и ШКС на другой сложный белок, обладающий несколькими хромоформными центрами -- цитохром С-оксидазу. Роль данного фермента как первичного молекулярного акцептора света давно дискутируется в литературе [6]. Если последующие эксперименты подтвердят это предположение, то особенности биологических эффектов, вызываемых НИЛИ, найдут вполне значимый комментарий. Второй возможный фактор, обусловливающий эти особенности, -- когерентность НИЛИ [7, 8]. Лазерный свет интерферирует на биологических неоднородностях, вызывает в зонах максимумов переоблучение живых тканей с последующими локальными изменениями микроструктуры КМЦ, отмеченными выше. миокард ишемия лазерный липид

Еще одним фактором, объясняющим особенности фотобиомодификации, вызываемой НИЛИ по сравнению с ШКС, может служить фотохимическое действие инфракрасного света на комплекс цитохром С-оксидаза-оксид азота [9]. Высвобождение окиси азота оказывает сосудорасширяющее действие, которое способно инициировать цепочку процессов восстановления микроциркуляции, снижение уровня перекисного окисления липидов в тканях миокарда и восстановление микроструктуры КМЦ. В данном случае значимой особенностью НИЛИ является узость спектра (л=632,8 нм), тогда как ШКС имеет диапазон, охватывающий красный и ближний инфракрасный свет. Низкоинтенсивный видимый свет является значимым физическим агентом, инициирующим каскады процессов фотобиомодификации.

Заключение

Полученные данные свидетельствуют об эффективности применения в клинической практике технологии облучения сердца низкоинтенсивным широкополосным светом для восстановления сократительной активности миокарда после ишемии и последующей реперфузии (вызванной, например, стентированием).

Использование ШКС способно сгладить последствия оксидативного стресса в тканях мышцы сердца, улучшить характеристики гемодинамики коронарной системы и в конечном итоге ускорить выздоровление после острого нарушения кровоснабжения миокарда.

Финансирование исследования и конфликт интересов. Исследование финансировалось Нижегородской государственной медицинской академией. Конфликты интересов, связанные с данным исследованием, отсутствуют.

Литература

Монич В.А., Монич Е.А., Голиков В.М. Патент РФ 25007201. 1994.

Меньщикова Е.Б., Зенков Н.К., Ланкин В.З., Бондарь И.А., Труфакин В.А. Окислительный стресс: патологические состояния и заболевания. Новосибирск: АРТА; 2008; 284 с.

Nishicimi M., Appaji Rаo A., Yagi K. The occurrence of superoxide anion in the reaction of reduced phenazine methosulfate and molecular oxygen. Biochem Biophys Res Commun 1972; 146(2): 849-854, http://dx.doi.org/10.1016/s0006-291x(72)80218-3.

Гланц С. Медико-биологическая статистика. М: Практика; 1999; 459 с.

Vladimirov Yu.A., Osipov A.N., Klebanov G.I. Photobiological principles of therapeutic applications of laser radiation. Biochemistry (Moscow) 2004; 69(1): 81-90, http://dx.doi.org/10.1023/b:biry.0000016356.93968.7e.

Кару T.Й. Универсальный клеточный механизм лазерной биостимуляции: фотоактивация фермента дыхательной цепи цитохром-с-оксидазы. В кн.: Современные лазерно-информационные и лазерные технологии. Под ред. Панченко В.Я., Голубева В.С. М: Интерконтакт наука; 2005; с. 131-143.

Баврина А.П., Монич В.А., Малиновская С.Л., Ермолаев В.С., Дружинин Е.А., Кузнецов С.С. Коррекция последствий облучения ионизирующей радиацией путем воздействия низкоинтенсивным светом. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины 2013; 156(11): 608-610.

Баврина А.П., Монич В.А., Малиновская С.Л., Яковлева Е.И., Бугрова М.Л., Лазукин В.Ф. Способ коррекции последствий радиационно-индуцированной болезни сердца при помощи низкоинтенсивного электромагнитного излучения в эксперименте. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины 2015; 159(1): 115-119.

Размещено на Allbest.ru