Цитоскелетные компоненты мышечных волокон и коллаген в условиях реальной и моделируемой гравитационной разгрузки

Актуальность. Пребывание в условиях гравитационной разгрузки не является физиологическим состоянием, и приводит к значительным изменениям структуры и функции органов и тканей человеческого организма. Значительным изменениям подвергаютсясвойства как сократительной, так и соединительной ткани скелетной мышцы. Известно, что состояние скелетных мышц человека и млекопитающих, как в норме, так и в различных экстремальных условиях зависит от:

1 объёма сократительных белков миофибриллярного аппарата (миозин, актин);

2 качественного и количественного состава субсарколеммальных белков (дистрофин-гликопротеиновый белковый комплекс, синтрофин, дистробревин и проч.);

3 состояния клеточного цитоскелета (ПФ, десмин, виментин, нестин, сименин, синкоилин, и проч.);

4 экстрацеллюлярного матрикса (коллагены, интегрины, ламинин и проч.);

Влияние этих факторов взаимосвязано, тем не менее, изменения структуры сократительной и соединительной ткани, и комплекс физиологических эффектов этих изменений при гравитационной разгрузке по-прежнему остаются малоизученными.

Степень разработанности проблемы. Известно, что у человека после космического полета наблюдается снижение функциональной активности скелетных мышц (12−16, 41, 59, 75, 96, 171, 177, 207, 222, 245, 262, 308). В многочисленных исследованиях были показаны морфологические изменения, вызываемые микрогравитацией (270), в том числе, снижение объема мышцы (89, 96, 172, 177) — избирательное уменьшение площади поперечного сечения MB (12−16, 245) — изменения спектра изоформ миозина (59, 71) — нарушения целостности мембраны MB.

1, 74, 75) — изменения внутриклеточного цитоскелета (63, 88, 96, 309) и внеклеточного матрикса (104, 111, 123, 133, 162, 164, 203).

В условиях увеличения длительности космических полётов, эти изменения значительно усложняют работу космонавта-исследователя. Необходимость контроля сократительных возможностей мышц требует комплексного исследования физиологических закономерностей мышечной адаптации в условиях вынужденной сниженной сократительной активности (18, 23, 225). Однако в настоящее время противоречивые литературные и экспериментальные данные не дают системного представления о механизмах взаимодействия компонентов мышечных волокон на разных структурных уровнях и адаптационных процессах, происходящих в мышце в условиях гравитационной разгрузки (240). Более того, действие этических норм (3) не позволяет подвергать человека неблагоприятным воздействиям, одним из которых является для космонавтов невесомость, без соответствующих мер профилактики и коррекции, что в свою очередь затрудняет корректный анализ феноменологии процессов и физиологических механизмов мышечной атрофии человека. Использование физических упражнений в условиях космического полета, как уже испытанного и наиболее оптимального средства профилактики неблагоприятных изменений большинства физиологических систем, требует дополнительных исследований на экспериментальных животных для оценки реальных процессов, происходящих при гравитационной разгрузке. Экспериментальные исследования на животных позволяют не только провести детальный анализ описываемых процессов, но и изучить глубинные механизмы структурно-функциональных перестроек, что требует применения более жестких, чем это возможно для человека методов воздействия (23, 41, 53, 75, 76, 96, 107, 123, 162, 171, 197).

Современные данные о качественных и количественных изменениях сократительных, цитоплазматических и цитоскелетных белков постуральных мышц в условиях микрогравитации по-прежнему остаются единичными, что обуславливает продолжение дальнейшего изучения происходящих в скелетной мышце адаптационно компенсаторных процессов. На фоне интенсивного развития представлений о структуре и функции изучаемых в данной работе мышечных и экстрацеллюлярых белков в сердечной и гладкой мускулатуре, увеличение их вклада в клиническую медицину и диагностику при отсутствии чёткого понимания системных функций различных структур МВ в скелетной мышце и явилось причиной наших исследований.

Целью настоящего исследования являлся экспериментальный гистоморфологический анализ изменений цитоскелетных и экстрацеллюлярных белковых структур мышц человека и животных при различных сроках гравитационной разгрузки.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить изменения изоформного состава и объёма белков саркомерного, цитоплазматического и внеклеточного цитоскелета скелетных мышц человека и животных на разных сроках гравитационной разгрузки.

2. Исследовать роль накопления кальция и использование хелаторов кальция в процессе изменений характеристик цитоплазматических и экстрацеллюлярных белков в тонических мышцах человека и животных в условиях гравитационной разгрузки.

3. Исследовать роль мышечного напряжения в изменении характеристик цитоплазматических и экстрацеллюлярных белков в тонических мышцах человека и животных в условиях гравитационной разгрузки, (метод пассивного растяжения).

Методологической основой исследования являлись биохимические и биологические исследования нативных материалов полученных в процессе длительного экспериментального моделирования полета в условиях гравитационной разгрузки экспериментальных животных и оценка их достоверности, что обеспечило оценку состояния сократительных, цитоскелетных и экстрацеллюлярных белков скелетных мышц в условиях адаптации к воздействию микрогравитации, и учёт зависимости степени повреждения от сроков воздействия, что в конечном итоге обеспечивает понимание системных механизмов атрофии мышечной ткани при гравитационной разгрузке и предпринимать соответствующие профилактические меры.

Научная новизна работы:

Впервые показано изменение содержания десмина в мышце в постуральной мышце человека и животных в экспериментах с моделированной гравитационной разгрузкой.

Установлена хронологическая зависимость изменения содержания компонентов внутриклеточного цитоскелета и экстрацеллюлярного матрикса мышечного волокна в камбаловидной мышце животных в экспериментах с моделированной гравитационной разгрузкой.

Выявлены количественные изменения в структуре экстрацеллюлярного матрикса мышечного волокна, сдвиг в сторону изоформы коллагена Ш типа к более поздним срокам гравитационной разгрузки. Резкий спад содержания десмина на ранних сроках разгрузки, со стабилизацией этих изменений в течение короткого периода времени.

Показана возможность частичного предотвращения атрофических изменений внутриклеточного цитоскелета и экстрацеллюлярного матрикса мышечного волокна камбаловидной мышцы животных при гравитационной разгрузке на фоне введения б локаторов кальциевых каналов Ь-типа.

Показана возможность воздействия пассивного растяжения для компенсации адаптационных эффектов изменений компонентов внутриклеточного цитоскелета и экстрацеллюлярного матрикса мышечного волокна камбаловидной мышцы животных при гравитационной разгрузке.

Научная и практическая значимость работы обусловлена пониманием молекулярных механизмов адаптации мышечных волокон мышц человека и животных к условиям гипогравитации и выявляет возможную роль белков цитоплазматического и экстрацеллюлярного цитоскелета в формировании клеточных адаптационных механизмов, направленных на поддержание структуры и сократительной функции постуральных мышц человека и животных к условиям невесомости. Полученные данные об изменениях изоформного состава коллагена и содержания десмина в скелетной мышце на разных сроках гравитационной разгрузки, одновременно с данными об изменениях сократительных белков, могут быть использованы для разработки систем профилактики длительных космических полётов и реабилитации космонавтов после них. Данные, полученные в экспериментах с использованием хелаторов кальция, могут быть использованы для дальнейшей разработки терапевтических методов профилактики КБД. Новые данные о состоянии белков цитоплазматического и экстрацеллюлярного цитоскелета также могут быть использованы в поддержании функции скелетных мышц в клинической практике и оптимизировать длительные космические полеты.

Личный вклад соискателя. Материалы исследования, полученные в результате многолетнего труда (с 2002 года по настоящее время), которые существенным образом расширяют понимание воздействие механизмов невесомости при имитации длительных космических полетов и способствуют выявлению биологических и биохимических структурных изменений, происходящих в склетной мускулатуре подопытных животных и человека, что существенным образом приближает исследовательские работы к пониманию специализированных методов неспецифическрой и специфической адаптации человека в процессе космических полетов, колонизации планет и при возвращении в условия земной гравитации. В течение этого периода автор самостоятельно проводил исследования и изучение механизмов атрофии скелетных мышц при гравитационной разгрузке, а также осуществлял разработку диагностических критериев некоторых патологических состояниях человека с учетом их применения в различных медико-биологических дисциплинах и, а том числе в анатомии, гинекологии, неврологии.

Материалы исследования доложены и обсуждены на:

1. «Физиологические реакции обезьян в условиях 9-суточного иммерсионного воздействия и длительной антиортостатической гипокинезии" — Новости медико-биологических наук, № 4, 2004, С. 46−51.

2. «Physiological reactions of primates to 9-D immersion and head-down immobilization» J. Gravit. Physiol. 2004, V. l 1, #2: P. 29-P30.

3. «Случай дистальной мышечной дистрофии с поздним дебютом (тип Веландер)» Неврологический журнал, 2006, № 6, С. 25−29.

4. «Креатин как метаболический модулятор структуры и функции скелетных мышц при силовой тренировке у человека. Клеточные механизмы» Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, 2006, 92 N-1, Р.100.

5. «Синдром ригидного человека с глазодвигательными и мозжечковыми нарушениями» Анналы неврологии, 2007, т.1, № 4, С. 15−22.

6. «Патофизиологические аспекты дисфункции тазового дна» Российский медицинский форум, № 2, 2008, С. 16−23.

Публикации в трудах научных мероприятий.

7. «Роль опоры в развитии изменений постуральных (m.soleus) и локомоторных (m. vastus lat.) мышц нижних конечностей обезьян в эксперименте 7-суточной сухой иммерсии» Конференция молодых учёных ГНЦ РФ ИМБП РАН, Москва 2004, С. 35.

8. «Изменения коллагенового матрикса и десминового цитоскелета m. soleus крысы при разных сроках гравитационной разгрузки» Конференция молодых учёных ГНЦ РФ ИМБП РАН, Москва 2005.

9. «Time course changes of collagen matrix and desmin cytoskeleton alteration in rat soleus at 3, 7, 14 и 30 days of gravitational unloading» XXXIV European Muscle Conference, 2005 P. 17.

10."Изменения коллагенового матрикса и десминового цитоскелета m. soleus крысы при 3,7, 14 и 30 сутках гравитационной разгрузки" XIII международное совещание и VI школа по эволюционной физиологии, Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова, 23−28.01.2006, ВММ, 2006 С. 235.

11."Resting Intracellular Calcium Level as a Triggering Signal for Soleus Fiber Alterations during Unloading" 27th Annual International Gravitational Physiology Meeting, Osaka, Japan, 2006, C.

12."Time course changes of Desmin immunoreactivity in unloaded rat soleus" Journal of Muscle Research and Cell Motility, 2006.

13."Effects of gravitational unloading in soleus fibers of dystrophin-deficient mice" Journal of Muscle Research and Cell Motility, 2006, Vol. 27 № 5−7, P. 510.

14."Time course changes of cytoskeletal proteins and collagen isoforms in rat soleus during hindlimb suspension" 16th IAA Human in Space Symposium, 21−24.05.2007, P.207.

15."Состояние экстрацеллюлярного матрикса m. soleus крысы при хроническом растяжении на фоне антиортостатического вывешивания" VI Конференция молодых учёных ГНЦ РФ ИМБП РАН, 2007, Москва С. 62.

16."Влияние космического полёта на состояние постуральных мышц монгольской песчанки" VII Конференция молодых учёных ГНЦ РФ ИМБП РАН, 2007, Москва, С. 74.

17."Синдром ригидного человека с глазодвигательными и мозжечковыми нарушениями: сдвиг в сторону синтеза медленных форм миозина, деструкция цитоскелетных белков пораженных мышц" VII.

Конференция молодых учёных ГНЦ РФ ИМБП РАН, 2007, Москва, С. 28.

18."Влияние нифедипина на состояние дистрофинового слоя т. Бокиз крысы при гравитационной разгрузке" VI Симпозиум Химия протеолитических ферментов, 2007, Москва, С. 172.

Основные положения, выносимые на защиту.

Нарастание общего объёма коллагена в камбаловидной мышце при моделируемой гравитационной разгрузке прямо пропорционально её продолжительности и сопровождается увеличением доли изоформы коллагена III типа и уменьшением доли изоформы коллагена I типа.

Адаптация системы промежуточных филаментов десмина к условиям гипогравитации происходит на ранних сроках гравитационной разгрузки, к 7-м суткам активность процесса адаптации существенно снижается.

Пассивное растяжение мышцы и введение блокатора кальциевых каналов Ь-типа позволяет частично предотвратить деструкцию цитоскелетных сократительных и несократительных белковых структур в условиях гравитационной разгрузки.

Заключение

.