Contractions dynamic of “fast” and “slow” rat muscle under spinal shock and modulators of contraction

V V Valiullin; Валиуллин Виктор Владимирович; A E Khairullin; Хайруллин Адель Евгеньевич; A A Eremeev; Еремеев Антон Александрович; A Yu Teplov; Теплов Александр Юрьевич; A R Shaikhutdinova; Шайхутдинова Асия Равильевна; N M Kashtanov; Каштанова Наталия Михайловна; S N Grishin; Гришин Сергей Николаевич

doi:10.17816/KMJ2021-329

Динамика сокращений «быстрой» и «медленной» мышц крысы при спинальном шоке и введении модуляторов сокращения

Авторы: Валиуллин В.В.¹, Хайруллин А.Е.¹, Еремеев А.А.², Теплов А.Ю.¹, Шайхутдинова А.Р.¹, Каштанова Н.М.¹, Гришин С.Н.¹
Учреждения:
1. Казанский государственный медицинский университет
2. Казанский (Приволжский) федеральный университет
Выпуск: Том 102, № 3 (2021)
Страницы: 329-334
Тип: Экспериментальная медицина
Статья получена: 13.02.2021
Статья одобрена: 27.05.2021
Статья опубликована: 10.06.2021
URL: https://kazanmedjournal.ru/kazanmedj/article/view/60826
DOI: https://doi.org/10.17816/KMJ2021-329
ID: 60826

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Цель. Изучение динамики нейромоторной регуляции сократительной функции «быстрых» и «медленных» мышц грызунов при развитии спинального шока посредством перерезки спинного мозга на уровне Тh11–Тh12.

Методы. Эксперименты проводили на лабораторных крысах с массой тела 140–180 г. Животных разделили на две группы: «Контроль» (8 крыс) и «Спинальный шок» (6 крыс). Мышцы голени, m. soleus и m. extensor digitorum longus (m. EDL), препарировали, частично выделяя без нарушения связи с системой кровообращения организма. Стимулировали седалищный нерв одиночными электрическими импульсами (10 В, 0,5 мс). Сокращения обеих мышц, вызванные электростимуляцией седалищного нерва до и после введения в бедренную артерию веществ — тубокурарина (1 мМ) или норадреналина (10 мМ) — регистрировали на животных обеих групп. После спинализации повторно регистрировали сокращения мышц при электростимуляции седалищного нерва до и через 10 мин после введения в бедренную артерию тубокурарина или норадреналина в прежних концентрациях.

Результаты. После спинализации животного сила сокращения мышечных волокон m. EDL возрастала до 0,43±0,03 г (p=0,040), но временны́е параметры оставались неизменными. В m. soleus, напротив, время сокращения уменьшалось до 0,053±0,005 с (p=0,045), а изменения силы сокращения в этих условиях не было. Внутриартериальное введение норадреналина приводило к увеличению у контрольной группы сокращений m. soleus до 1,21±0,17 г (p=0,048), а у m. EDL — до 0,57±0,07 г (p=0,043). У спинализированных же животных введение норадреналина вызывало усиление сокращения m. soleus до 1,21±0,09 г (p=0,047), а m. EDL — до 0,66±0,05 г (p=0,043). Введение блокатора постсинаптических холинорецепторов тубокурарина снижало силу сокращения обеих мышц как у контрольных [m. soleus до 0,39±0,03 г (p=0,039), m. EDL до 0,11±0,02 г (p=0,042)], так и у спинализированных [m. soleus до 0,34±0,05 г (p=0,039), m. EDL до 0,15±0,04 г (p=0,040)] животных.

Вывод. Полученные данные демонстрируют наличие существенных различий в механизмах контроля сократительной деятельности у «быстрых» и «медленных» скелетных мышц теплокровных; сохранение сходного влияния базовых модуляторов на сокращение обеих мышц при столь разительной реакции на спинализацию оттеняет вклад нейротрофического контроля в функционирование «быстрых» и «медленных» двигательных единиц.

Ключевые слова

спинальный шок, «быстрые» и «медленные» скелетные мышцы, изометрическое сокращение, модуляторы сократительной активности

Полный текст

Актуальность. Поиск лечения больных с травмами спинного мозга остаётся актуальным для медицины и биологии. Причём, естественно, основное внимание уделяют восстановлению двигательной функции. При этом нет данных о том, как меняются параметры самих мышечных сокращений после повреждения спинного мозга, хотя наличие этих изменений не подвергаются никакому сомнению [1–4]. Эти изменения должны обеспечиваться так называемой «нервной трофикой», под которой понимают нейрональные влияния, необходимые для поддержания нормальной жизнедеятельности иннервируемых структур: нейронов и соматических клеток [2, 5].

Термин «нервная трофика» не вполне точен, так как выделяемые нервными окончаниями и оказывающие трофическое влияние вещества не относятся к питательным субстратам и не обеспечивают питание клетки-мишени [5]. В большей степени они регулируют структурно-метаболические процессы, поэтому в последние годы наибольшее распространение получил термин «нейротрофический контроль» [2]. Под нейротрофическим контролем понимают управление, связанное со специальными трофическими факторами, образующимися в нейронах и иннервируемых структурах, — так называемыми нейротрофическими факторами [1–5].

При спинальном шоке происходит устранение влияния нейротрофических факторов. Спинальный шок возникает при различных травмах спинного мозга. И хотя механизмы этого посттравматического состояния до конца не выявлены [6–9], современная концепция развития спинального шока основана, в первую очередь, на работах Шеррингтона и его последователей [9–11]. Предполагают, что посттравматическое угнетение функций спинномозговых структур, лежащих ниже места повреждения, во многом бывает результатом снятия возбуждающего влияния нейронов супраспинальных отделов центральной нервной системы (ЦНС), что в конечном итоге и приводит к изменению эффективности синаптической передачи в двигательных единицах [11].

Исходя из гетерогенности скелетных мышц по многим морфологическим и функциональным признакам, мы можем предположить различный ответ «быстрых» и «медленных» двигательных единиц теплокровных на повреждение спинного мозга.

Цель данной работы — изучение влияния спинального шока на амплитудные и временны́е параметры сокращения «быстрой» m. extensor digitorum longus (m. EDL) и «медленной» m. soleus скелетных мышц голени крысы.

Материал и методы исследования. Все исследования осуществляли по разрешению локального этического комитета Казанского государственного медицинского университета (протокол № 10 от 23.12.2014).

Эксперименты проводили на лабораторных крысах с массой тела 140–180 г.

Для наркотизации использовали масляный раствор эфира [12, 13]. Мышцы голени — m. soleus и m. EDL — подготавливали к проведению эксперимента in situ: частично выделяли без нарушения связи с системой кровообращения организма по нашей оригинальной методике [12]. Седалищный нерв отсепаровывали без нарушения иннервации мышц голени, после чего бедренную артерию катетеризировали.

К нерву подводили стимулирующий погружной электрод (на который подавали одиночные прямоугольные электрические импульсы напряжением 10 В и длительностью 0,5 мс). Сокращение мышцы регистрировали помощью мини-лаборатории PowerLab фирмы ADInstruments, анализ сокращения осуществляли по его силе и длительности [13].

Все эти операции проводили как над первой («Контроль», состоящей из 8 крыс), так и над второй («Спинальный шок», состоящей из 6 крыс) группами животных. Количество животных в обеих группах соответствует расчётному объёму выборки при заданных значениях надёжности (95%) и точности.

Ламинэктомию и последующую перерезку осуществляли во второй группе животных на уровне Тh₁₁–Тh₁₂ по методу перерезки спинного мозга МакДауэлла [7]. Животное помещали в механомиографическую установку, дистальные сухожильные концы мышц с помощью лигатур фиксировали к изометрическим датчикам силы сокращения.

Сокращения обеих мышц, вызванные электростимуляцией седалищного нерва до и после введения в бедренную артерию веществ — тубокурарина (1 мМ) или норадреналина (10 мМ) (Tocris Cookson и Research Biochemicals International, USA) — регистрировали у животных как первой, так и второй групп [11].

После спинализации повторно регистрировали сокращения мышц при электростимуляции седалищного нерва до и через 10 мин после введения в бедренную артерию тубокурарина или норадреналина в прежних концентрациях.

Механомиографические эксперименты на m. soleus и m. EDL крысы анализировали с использованием ANOVA. За достоверный принимался уровень значимости менее 0,05. Экспериментальные данные представлены в виде среднего арифметического ± стандартной ошибки среднего.

Результаты. Кривые сокращения m. soleus и m. EDL крыс первой, контрольной группы представлены слева на рис. 1. Сила сокращения m. soleus составила 0,80±0,05 г, время сокращения — 0,078±0,005 с; сила сокращения m. EDL — 0,31±0,02 г, время сокращения — 0,032±0,003 с.

Рис. 1. Влияние спинального шока на параметры сокращения m. extensor digitorum longus (m. EDL) и m. soleus крысы (представлены отдельные репрезентативные треки)

Введение норадреналина животным первой группы увеличивало силу, но не время сокращения m. soleus до 1,21±0,17 г (p=0,048), а у m. EDL — до 0,57±0,07 г (p=0,043). Введение тубокурарина крысам первой группы снижало силу сокращения m. soleus до 0,39±0,03 г (p=0,039), m. EDL — до 0,11±0,02 г (p=0,042). Временны́е параметры сокращения при этом также не отличались от таковых до введения агентов.

Как показано справа на рис. 1, у животных второй группы (с повреждением спинного мозга) сила сокращения m. soleus не отличалась от первой группы (0,830±0,084 г), а время сокращения при этом уменьшалось до 0,053±0,005 с (p=0,045). Сила сокращения m. EDL животных второй группы (см. рис. 1) возрастала до 0,43±0,03 г (p=0,040), время сокращения при этом не менялось (0,036±0,005 с).

Динамика силы и длительности сокращения обеих мышц при влиянии норадреналина и тубокурарина у животных второй группы сохранялась. Норадреналин увеличивал силу сокращения у обеих мышц: у m. soleus до 1,21±0,09 г (p=0,047), у m. EDL до 0,66±0,05 г (p=0,043). Тубокурарин снижал силу сокращения обеих мышц: m. soleus до 0,34±0,05 г (p=0,039), m. EDL до 0,15±0,04 г (p=0,040).

Обсуждение. Итак, нами были проведены сравнительные эксперименты на «быстрых» m. EDL и «медленных» m. soleus мышцах грызунов. Скелетные мышцы составляют гетерогенную популяцию, и среди них различают «быстрые» и «медленные», различающиеся силой, скоростью сокращения и, соответственно, качественным составом сократительных белков [1, 2].

Известно, что различные характеристики скелетных мышц находятся под контролем со стороны нервной системы — «феномен нейротрофического контроля» [3, 4]. Такой контроль осуществляется двигательными нейронами при помощи низкомолекулярных факторов, синтезируемых в α-мотонейронах и доставляемых к мышце аксональным транспортом, а также реализуется за счёт специфического для каждого вида мышц паттерна импульсной активности.

Вместе с тем, нет однозначного ответа о возможной роли вышестоящих отделов ЦНС в реализации нейротрофического контроля. Неясно, какую роль играют в такой регуляции ассоциативные нейроны, хотя знание о возможном вкладе таких нейронов в реализацию нейротрофического контроля чрезвычайно важны для клиники, особенно в той её части, которая связана с травмами спинного мозга [1–4]. Недостаточная исследованность последствий повреждения спинного мозга связана с недостаточной информацией о взаимосвязанных изменениях параметров самих мышечных сокращений после спинального шока.

Спинальный шок — обусловленное травмой состояние временного угнетения рефлекторной деятельности спинного мозга, которое описывают при различных вариантах его разрушения. В наших исследованиях при выборе экспериментальной модели спинального шока мы, руководствуясь необходимостью полного разрушения спинного мозга, остановились на его анатомической перерезке [7, 11]. Такая модель обеспечивает наступление наиболее полного и продолжительного спинального шока, который характеризуется, в том числе, и резким изменением тонуса мускулатуры парализованных конечностей [5, 14].

Результаты проведённых нами исследований свидетельствуют о том, что повреждение спинного мозга изменяет характер мышечной деятельности. Так, спинализация вызывала у «медленной» m. soleus увеличение скорости, а у «быстрой» m. EDL — силы сокращения. Было обнаружено, что «быстрые» и «медленные» мышцы интактных крыс, одинаково реагирующие на норадреналин и тубокурарин, по-разному отвечают на повреждение спинного мозга. Это позволяет говорить о более глубоких, чем предполагали ранее, различиях между ними, которые заключаются не только в различиях по качественному составу сократительных белков, но и в чувствительности к нарушению нейротрофического контроля.

Оценивая результаты собственных исследований, мы опирались на следующие положения. Общепринято, что нейротрофический контроль различных скелетных мышц осуществляется мотонейронами при помощи трофических факторов, доставляемых к мышечным волокнам посредством аксонального транспорта, и реализуется за счёт импульсной активности. Вклад каждого из вышеперечисленных компонентов в реализацию нейротрофического контроля скелетной мышцы изучен достаточно подробно [10, 15]. Вместе с тем, очевидно, что нейротрофический контроль скелетных мышц, не ограничиваясь вкладом двигательных нейронов, включает и нервные клетки вышележащих отделов ЦНС [2, 6]. Вклад вышеперечисленных клеток в нейротрофический контроль различных скелетных мышц неоднозначен [1–4] и до сих пор остаётся мало исследованным.

Итак, найдены существенные различия в сократительной деятельности «быстрых» и «медленных» скелетных мышц теплокровных при спинализации. Почему спинализация вызывала у m. soleus увеличение скорости, а у «быстрой» m. EDL — силы сокращения? Как можно судить даже из самих названий, в норме «медленная» мускулатура уступает быстрой в скорости, а «быстрая» — в выносливости. Представленные в данной статье результаты исследований позволяют говорить о том, что за эту специфику отвечает в первую очередь нейротрофический контроль. И действительно, подобное отмечали ранее даже в более специфически отличающихся от исследуемых здесь нами фазных мышц «тонической» мускулатуры [16].

Денервация от «тонических» нервов и последующая первоначальная реиннервация более быстро растущими «фазными» аксонами приводят к тому, что тоническая мышца утрачивает свои специфические свойства и сокращается как фазная [17], что, правда, не сопровождается образованием типичной по морфологии «фазной» нервной терминали [18]. Также при «подшивании» к тонической мышце не содержащего «тонических» аксонов нерва от фазной мышцы тоническая мышца теряла свой специфический компонент сокращения на всё время наблюдения (до 15 мес) [17]. Таким образом, можно предположить, что выраженность «быстрого» и «медленного» функционирования при спинализации «сглаживается», и характер контрактильной активности становится более усреднённым.

Тем не менее, по-видимому, для ответа на поставленные вопросы необходимо проведение дальнейших исследований.

Выводы

1. Полученные данные демонстрируют наличие существенных различий в механизмах контроля сократительной деятельности у «быстрых» и «медленных» скелетных мышц теплокровных.

2. Сохранение сходного влияния базовых модуляторов на сокращение обеих мышц при столь разительной реакции на спинализацию оттеняет вклад нейротрофического контроля в функционирование «быстрых» и «медленных» двигательных единиц.

Участие авторов. А.Е.Х. и А.Р.Ш. проводили исследования; А.А.Е. и Н.М.К. отвечали за сбор и анализ результатов; А.Ю.Т. отвечал за содержание и предэкспериментальные операции с животными; В.В.В. и С.Н.Г. — руководители работы.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов по представленной статье.
Источник финансирования. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ №19-04-01067.