Розвиток утоми muscle soleus у результаті його тривалої активації при розвитку ішемічної контрактури

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розвиток утоми muscle soleus у результаті його тривалої активації при розвитку ішемічної контрактури

Світлана Зай, Тетяна Матвієнко, Владислав Білобров, Софія Парадізова, Дарія Вулицька, Олександр Мотузюк

Анотація

У роботі досліджували процес розвитку м'язової втоми при ішемічних патологіях. Аналіз проводився визначенням сили на початку та в кінці поодиноких тетанічних скорочень і різниці між цими величинами. Результати досліджень показали, що при розвитку ішемічних контрактур відбувається значне пригнічення скоротливої активності скелетних м'язів. Установлено, що порушення скоротливої здатності скелетних м'язів виникає внаслідок нехолінергічних ефектів цієї патології.

Ключові слова: м'язова втома, алкогольна інтоксикація, м'язове скорочення, muscle soleus.

Зай Светлана, Матвиенко Татьяна, Билобров Владислав, Парадизова София, Вулицкая Дарья, Мотузюк Александр. Развитие усталости muscle soleus в результате его длительной активации при развитии ишемической контрактуры. В работе исследовали процесс развития мышечной усталости при ишемических патологиях. Анализ проводился путем определения силы в начале и в конце отдельных тетанических сокращений и разницы между этими величинами, что и определяет динамический компонент падения силы в течение короткого промежутка непрерывной стимуляции. Измеряли время уменьшения силы сокращения до 50 и 30 % от исходного уровня. Усталость мышцы определялась, если амплитуда отдельных тетанических сокращений уменьшалась более чем на 50 % относительно начального уровня.

Неспособность мышцы поддерживать постоянную величину силы тетанических сокращений свидетельствовала не только о влиянии на сократительную активность ишемических повреждений, но и о различиях в молекулярных механизмах генерации силового ответа. Различия в работе мышцы в течение исследуемых этапов сокращения можно объяснить разницей в процессах взаимодействия филаментов на этапах тетани- ческого и дотетанического сокращений и влиянием на эти процессы изменений в соединительнотканных оболочках мышцы при развитии данной патологии.

Таким образом, результаты наших исследований показали, что при развитии ишемических контрактур происходит значительное снижение сократительной активности скелетных мышц. Установлено нарушение сократительной способности скелетных мышц в результате нехолинергических эффектов данной патологии.

Ключевые слова: мышечная усталость, алкогольная интоксикация, мышечное сокращение, muscle soleus.

Zay Svitlana, Matvienko Tetyana, Bilobrov Vladyslav, Paradizova Sofiya, Vulits'ka Daryna, Motuzyuk Oleksandr. Rozvitok Vtomu M'yazy Kambalovydnoy v RezulDtate Eho Trivaloyi Aktivatsiyi Pry Rozvytku Ishemichnoyi Kontraktury The process of muscle fatigue development under ischemic pathologies was studied. The analysis was performed determining the muscle force level at the beginning and end of single tetanic contractions and the difference between these values, which determines the dynamic component of force decrease during a short period of continuous stimulation. We also calculated the time reduction of the contractions force down to 50 % and 30 % of the initial level. The muscle was considered tired if the amplitude of the single tetanic contractions decreased by more than 50 % relative to the initial level.

The muscle insufficiency to support a significant force of the tetanic contractions demonstrated influence on the contractile activity of ischemic damage and the differences between molecular mechanisms of the force generation and the development of muscle fibers dynamic process. Differences in muscle contraction during the studied stages can be explain by the difference in the process of filaments interaction at tetanic and pre-tetanic contractions and the influence of the membranes of muscle connective tissue changes on these processes under pathology conditions.

The results showed that during development of ischemic contractures there is a significant inhibition of contractile activity of skeletal muscles. It was established that a disfunction of skeletal muscles contractile ability is a result of the noncholinergic effects of this disease.

Key words: muscle fatigue, alcohol intoxication, muscle contraction, muscle soleus.

Постановка наукової проблеми та її значення

Ішемія є причиною важких морфофунк- ціональних порушень у м'язовій тканині як на рівні окремих міофібрил, так і м'яза загалом. Найхарактернішими патологічними змінами ішемічного ушкодження скелетних м'язів є масивний некроз, що супроводжується депігментацією [1, 2], дифузний інтерстиціальний фіброз та центральний некроз з інтерстиціальним фіброзом [3]. Некротичні м'язові волокна характеризуються утворенням численних випинів та вип'ячувань на мембрані [4]. Уже через 30 хв після ішемії простежено грануляцію м'яза з потемнінням поперечної посмугованості, яка спочатку супроводжується набряком волокон і навколоядерної саркоплазми, вакуолізацією, білковою та ліпідною дегенерацією [5], а далі відбувається деструкція тканин та ануклеація, якій передують зміни хроматину, зменшення кількості гранул глікогену, аж до повної елімінації, що є передумовою інтрафібрилярного набряку [6]. м'язовий втома ішемічний скелетний

Успіхи в розкритті молекулярних механізмів патологічних змін при розвитку м' язових захворювань значною мірою залежать від адекватної оцінки зміни їх кінематичних характеристик. Принципова різниця динамічних властивостей скорочення та розслаблення м'язів, а також істотна залежність динамічних характеристик від напрямку руху суттєво ускладнює експериментальний аналіз цих процесів. Часова взаємозалежність між частотним кодуванням та реальними патернами еферентної активності навіть не пошкоджених м'язових одиниць поки що детально не досліджена.

Серед патологій, які розвиваються в скелетних м'язах при травмах, ішемічні ушкодження становлять понад 55 % від загальної кількості ушкоджень опорно-рухового апарату. Загалом ішемія - патологічний стан місцевого недокрів'я, що, зазвичай, зумовлений судинним чинником (звуженням просвіту артерії), що призводить до тимчасової дисфункції або стійкого пошкодження тканини чи органа. Наслідки ішемії залежать від ступеня й швидкості зниження параметрів кровотоку, тривалості ішемії, чутливості тканин до гіпоксії, загального стану організму. Зазвичай післятравматичне ішемічне ушкодження м' язів виникає внаслідок місцевого гіпертензійного ішемічного синдрому. Ішемічні контрактури виникають у результаті порушення кровообігу в м' язах, нервах й інших тканинах із наступними їх рубцевими змінами. У походженні цих контрактур важливу роль відіграє ішемічне ушкодження нервових стовбурів і навколосуглобових нервових сплетінь. У більшості випадків лікування вимагає інвазійного втручання.

На сьогодні питання ішемії та симптомів, якими вона супроводжується, є недостатньо вивченими й цікавить багатьох науковців. Клінічні прояви ішемії несистематизовані й досить складні. Дослідниками ще тільки нещодавно були описані ступені тяжкості та стадійність гіпертензійного ішемічного синдрому й ішемічної контрактури, що виникає потім. Вивчено та описано лише невелику кількість проявів, якими супроводжується ішемія. Цікавим і недостатньо вивченим залишається питання про функціонування уражених ішемією кінцівок. Отримані на сьогодні дані на експериментальних об'єктах стосовно ініціалізації та прогресування ішемічного ураження фрагментарні часто описують окремі випадки чи етапи патогенезу. Швидке виявлення ступеня ішемічної травми має вирішальне значення для подальшої терапії, проте нині немає ні точних діагностичних тестів, які б уважалися достатньо достовірними, особливо на початкових етапах ушкоджень, ні методів медикаментозного терапевтичного лікування цих патологій.

М'язова втома - це захисний механізм організму від перенавантажень загалом та подальшого розвитку больової чутливості м'язів. Її характер й оптимальний ступінь є ключовими факторами для формування адаптації та підвищення рівня функціональних і фізичних можливостей організму. Показано, що за інтенсивних фізичних навантажень для підтримання оптимальної працездатності й нормального фізіологічного стану м'язів, що активно скорочуються, достатньо важливою є тривалість періодів їх відновлення (активного відпочинку) [7]. У процесі розвитку втоми спостерігають уповільнення генерації сили та розслаблення м'яза [8, 9]. Ось чому за втоми тетанус можна отримати за менших значень частоти стимуляції й розряду мотонейронів [10]. У випадку підтримування певного рівня сили на фоні зменшення частоти імпульсації одних мотонейронів відбувається залучення нових моторних одиниць [11]. Таке зменшення частоти імпульсації є певною адаптацією до втоми. Якщо б частота залишалася сталою, тоді за вповільненої генерації сили це могло б призвести до блокування проведення імпульсу на рівні електромеханічного сполучення.

Тому аналіз утоми при ішемічнійї контрактурі може бути якісним показником рівня розвитку ішемічних патологій.

Методика

Експерименти, виконували на дорослих щурах масою 170±5г. Силу скорочення м'яза вимірювали після 3-годинної ішемізації, одразу після реперфузії. При попередній підготовці до експерименту анестезію здійснювали внутрішньочеревним уведенням нембуталу (40 мг/кг). Для ішемізації м'язів лігатурами перетягувалася гілка стегнової артерії яка забезпечує кровопостачання експериментального м'яза. Стандартна підготовка поряд із вищезазначеними заходами включала канюлювання (a. carotis communis sinistra) для введення фармпрепаратів і для вимірювання тиску, трахеотомію, ламінектомію на рівні поперекового відділу спинного мозку. Камбалоподібний м'яз щура (muscle soleus) звільняли від навколишніх тканин, у дистальній частині перерізали його сухожильну частину впоперек. Для підготовки до модульованої стимуляції еферентів у сегментах L7-S1 перерізали вентральні корінці безпосередньо в місцях їх виходу зі спинного мозку.

Зміну сили вимірювали за допомогою тензодатчиків, працюючих на основі виміру зміни опору при деформації нанотрубок, які розташовані в задній частині мікропіпетки, до передньої частини якої приєднувався сухожилок досліджуваного м' яза. Для формування стимуляційних сигналів використовували програмовані генератори сигналів спеціальної форми.

Дослідження динамічних властивостей м' язового скорочення проводили в умовах активації м'яза з використанням методу модульованої стимуляції еферентів. П'ять філаментів перерізаних вентральних корінців закріплювали на стимуляційних електродах і за допомогою спеціального пристрою здійснювався циклічний розподіл послідовності стимулів по філаментах. Розподілена стимуляція давала змогу одержувати монотонне та однорідне скорочення м' яза на невисоких частотах стимуляції окремих філаментів. Стимуляцію еферентів у сегментах L7-S1 виконували електричними імпульсами тривалістю 2 мс, сформованими за допомогою генератора імпульсів, керованим АЦП, через платинові електроди. Характеристики стимуляційного сигналу задавали програмно й передавали з комплексу АЦП-ЦАП на генератор. Контроль зовнішнього навантаження на м'яз здійснювали за допомогою системи механостимуляторів. Збурення навантаження виконували лінійним електромагнітним двигуном. Усі представлені криві відображають зміну у відсотках від контрольних значень непошко- дженого м'яза, які приймаються за 100 %.

Рис. 1. Криві генерації сили muscle soleus, викликані безрелаксійним подразненням електростимуляцією частотою 1 ГЦ: a - контроль, b - скорочення після ішемізації протягом 3 годин; Аї1 - час зменшення сили скорочення до 50 % від початкового рівня; Аї2 - час зменшення сили скорочення до 30 % від початкового рівня.

Статистичну обробку результатів дослідження проводили за методами варіаційної статистики за допомогою програмного забезпечення Ог^іп 8,0.

Виклад основного матеріалу й обґрунтування отриманих результатів дослідження

Аналіз утомних процесів проводили із застосуванням постійної стимуляції з частотами 1 і 2 Гц (рис. 1, 2). Вимірювали час падіння сили скорочення на 50 і 30 % від початкового рівня.

Рис. 2. Криві генерації сили muscle soleus, викликані безрелаксійним подразненням електростимуляцією частотою 2 ГЦ:

a - контроль;

b - скорочення після ішемізації протягом 3 годин;

At] - час зменшення сили скорочення до 50 % від початкового рівня;

At2 - час зменшення сили скорочення до 30 % від початкового рівня.

Час зменшення сили скорочення досліджуваних muscle soleus з ішемічною деструкцією до 50 % при частоті стимуляції 2 Гц становить 33 с, а до 30 % - 46 с. У той час як для контрольних значень цей час був 300 і 400 с відповідно. Час зменшення сили скорочення досліджуваних параметрів muscle soleus з ішемічною деструкцією до 50 % при частоті стимуляції 1 Гц складає 59 с, а до 30 % - 54 с (рис. 4).

Рис. 3. Час зменшення сили скорочення muscle soleus при його штучній ішемізації, до 50 % (1) і 30 % (2) від початкового рівня при безрелакційному подразненні електростимуляцією частотою 1 та 2 Гц; а - контроль;

б - стимуляція ішемічно пошкодженого м 'яза;

- час зменшення сили скорочення до 50 % від початкового рівня;

- час зменшення сили скорочення до 30 % від початкового рівня.

Рис 4. Зменшення максимальної сили скорочення muscle soleus при розвитку ішемічної контрактури від початкового рівня при безрелаксійному подразненні електростимуляцією частотою 1 ГЦ тривалістю 100 секунд:

Рис. 5. Зміна інтегрування силової потужності при скороченні muscle soleus у щурів при розвитку ішемічної контрактури, викликана безрелакційним подразненням електростимуляцією частотою 1 ГЦ (1) та 2 Гц (2) тривалістю 100 секунд

Дані представлені у відсотках від контрольних значень, прийнятих за 100 %: а - контроль;

b - стимуляція ішемізованого м 'яза.

Інтегрована потужність при скороченні м'яза muscle soleus у щурів із компресійною деструкцією нервової тканини, викликана безрелакційним подразненням електростимуляцією частотою 1 Гц, була 23 %. На частоті стимуляції 2 Гц цей показник становив 16 % (рис. 5). Отримані значення свідчать про серйозні пошкодження як нервової тканини, так і м'язової. У нормальних умовах прояви втоми в динаміці скорочення muscle soleus проявляються тільки після 5-6-годинної стимуляції [12]. В умовах ішемізації (рис. 5) вже після 30-40 хвилин безрелаксаційної стимуляції muscle soleus не здатний відповідати генерацією сили на стимуляційний сигнал. Лінійне зниження силової продуктивності ішемізо- ваних м'язи спостерігалося протягом усього часу експерименту. Цей компонент м'язової динаміки особливо важливий при контролі скорочення кисті рук у людини [13]. Ішемічне ушкодження м'язової тканини призводить до зниження цієї швидкості, що ускладнює, а в деяких випадках і повністю блокує можливість точнісного позиціонування суглоба з пошкодженим м'язом.

Значне збільшення внутрішньо м'язових колагенових структур, велика кількість нефункціонуючих м'язових волокон, запальні процеси й залучення в осередок пошкодження активованих нейтрофілів вивільняють додаткові вільні радикали, знижують рівень динамічних параметрів скорочення. Останні провокують вазоконстрикцію, яка є характерним проявом ішемічних ушкоджень. Хоча гетерогенний склад скоротливого елементу скелетного м'яза й ускладнює оцінку пошкодження кожного окремого компонента, загальну картину рівня розвитку патологічного процесу можливо прослідкувати, вимірюючи рівень змін максимальної сили скорочення впродовж декількох днів (рис. 4-5). У контрольних значеннях м' язова активність мала тенденцію до лінійного зменшення силової продуктивності в міру збільшення часу після реперфузії, що може свідчити про розвиток м'язової втоми. Але, на відміну від процесів утомлюваності, починаючи з 2 дня експерименту, на силових кривих прослід- ковуються яскраво виражені флуктуаційні компоненти. Якщо падіння сили зумовлене зменшенням кількості молекулярних генераторів сили, тобто кількості працюючих поперечних містків, то у випадку флуктуаційних скорочень повинні відбуватися порушення майже у всіх скоротливих компонентах міоциту. Отже, у цьому випадку ми можемо говорити лише про відносну подібність силових відповідей при втомі й штучній ішемії та саме на ранніх стадіях патологічного процесу. Істотна залежність динамічних характеристик скорочення від активності основних типів пропріоцепторів суттєво ускладнює контроль рухової активності пошкодженого м'яза зі сторони ЦНС у разі виникнення неконтрольованих флуктуаційних відповідей ішемічно пошкодженого м'яза, навіть на простий стимуляційний сигнал.

Наведені результати вказують на складність побудови досконалої моделі скорочення м'яза за умов розвитку ішемії.

Джерела та література

1. Tipton M. C. Exercise physiology: people and ideas / M. C. Tipton. - Amsterdam : Elsevier, 1993. - 510 p.

2. Mosso A. Fatigue (1904). - Whitefish : Kessinger Publishing, 2008. - 348 p. Mosso A. Fatigue (1904) / Angelo Mosso. - Whitefish : Kessinger Publishing, 2008. - 348 p.

3. Eberstein A, Sandow A. Fatigue mechanisms in muscle fibers / A. Eberstein, A. Sandow. - Amsterdam : Elsevier, 1963. - 610 p.

4. Physiological typesand histochemical profiles in muscle motor units of the cat gastrocnemius / R. E. Burke,

5. N. Levine, P. Trairis, F. E. Zajac // J Physiol. - 1973. - Vol. 234(3). - P. 723-748.

6. Dittner A. J. The assessment of fatigue: a practical guide for clinicians and researchers / A. J. Dittner, S. C. Wessely, R. G. Brown J // Psychosom Res. - 2004. - Vol. 56, № 2. - P. 157-70.

7. Boyas S. Neuromuscular fatigue in healthy muscle: underlying factors and adaptation mechanisms / S. Boyas, A. Guervel // Ann Phys Rehabil Med. - 2011. - Vol. 54, № 2. - P. 88-108.

8. Edwards R. H. Human muscle function and fatigue / R. H. Edwards // Ciba Found Symp. - 1981. - № 82. - P. 1-18.

9. Fatigue-related changes in electromyogram activity of cat gastrocnemius during frequency-modulated efferent stimulation / [A. I. Kostyukov, S. Day, F. Hellstrom et al] // Neurosci. - 2000. - Vol. 97, № 4. - P. 801-809.

10. Spreading of fatigue-related effects from active to inactive parts in the medial gastrocnemius muscle of the cat / [A. I. Kostyukov, I. Kalezic, S. G. Serenko et al] // Eur J Appl Physiol. - 2002. - Vol. 86, № 4. - P. 295-307.

11. Experimental muscle pain changes motor control strategies in dynamic contractions / U. F. Ervilha,

12. Farina, L. Arendt-Nielsen, T. Graven-Nielsen // Exp Brain Res. - 2005. - Vol. 164, № 2. - P. 215-224.

13. Harris R. C. Beta-alanine supplementation in high-intensity exercise / R. C. Harris, C. Sale // Med Sport Sci. - 2012. - Vol. 59. - P. 1-17.

14. Thomas C. K. Force-frequency relationships of human thenar motor units / C. K. Thomas, B. Bigland- Ritchie, R. S. Johansson // J Neurophysiol. - 1991. - Vol. 65, № 6. - P. 1509-1516.

15. Edwards R. H. T. Metabolic changes associated with the slowing of relaxation in fatigued mouse muscle / R. H. T. Edwards, D. K. Hill, D. A. Jones // J Physiol. - 1975. - Vol. 251, № 2. - P. 287-301.

16. Garland S. J. Role of small diameter afferents in reflex inhibition during human muscle fatigue / S. J. Garland // J Physiol. - 1991. - Vol. 435. - P. 547-558.

17. Woods J. J. Evidence for a fatigue-induced reflex inhibition of motoneuron firing rates / J. J. Woods, F. Furbush, B. Bigland-Ritchie // J Neurophysiol. - 1987. - Vol. 58, № 1. - P. 125-137.

Размещено на Allbest.ru