Стан мікрогемоциркуляторної системи та вегетативної регуляції серцевого ритму щурів в умовах різних режимів холодової аклімації

Abstract

АНОТАЦІЯ

Холод є одним із основних адаптогенних факторів зовнішнього середовища. Тому механізми, які забезпечують адаптацію організму до перебування в умовах низьких температур, запускаються навіть після короткочасної дії холоду. При цьому відбуваються зміни як на рівні усього організму, так і на рівні окремих тканин і органів. Враховуючи дію холоду не тільки як специфічного подразника, що сприяє підвищенню стійкості гомойотермного організму до охолодження, а й як фактора, що стимулює імунітет та загальну резистентність організму до стресу, різні типи холодових впливів із успіхом використовуються у тваринництві для підвищення стійкості тварин до хвороб та збільшення приросту їх маси тіла, для підготовки людей до роботи у різних екстремальних умовах, для підвищення функціональних можливостей спортсменів та в медицині для корекції та лікування різних захворювань і травматичних пошкоджень. Дослідження аклімації до холоду ведуться давно, але й до теперішнього часу немає одностайності в розумінні механізмів її формування. Сучасні методи дозволяють вивчати внутрішньоклітинні процеси, які запускаються дією температурних факторів на організм, зафіксовано оборотний перерозподіл типу міофібрил у м’язах у процесі адаптації до тривалої дії холоду, розглядаються різні фізіологічні механізми, спрямовані або на підвищення метаболічної потужності та ефективності теплоутворення, або на зменшення віддачі тепла в зовнішнє середовище. Але досі ще не існує єдиного пояснення, яке б враховувало всі відомі на теперішній час види холодової аклімації (ХА). Абсолютну більшість робіт було виконано на моделі довготривалої аклімації (long-term acclimation), заснованій на використанні режиму безперервної тривалої дії холоду на організм тварин, які не мають жодної можливості хоча б на короткий час уникнути цього впливу. Але акліматизація завжди відбувається на тлі циркадних і сезонних коливань ендогенних фізіологічних ритмів. Та й холодовий вплив часто підпадає під ритмічні чинники. Таким чином, екологічно більш адекватними є ритмічні режими аклімації, що враховують біоритми природних факторів або ендогенні фізіологічні ритми організму. Окремі порівняльні дослідження різних форм адаптації показали існування відмінностей між експериментальною довготривалою аклімацією до холоду та природною аклімацією до зимових умов і, навпаки, схожість з останньою по більшості вивчених ознак ритмічної аклімації до холоду, заснованої на дії ритмічних холодових впливів. Однією з найважливіших ланок, що задіяні у процесі аклімації до холоду, є серцево-судинна система (ССС). Слід зазначити, що при дослідженні температурних адаптацій одним із інформативних методів являється вивчення капілярного кровотоку. Наразі є лише поодинокі роботи, в яких показано різноспрямованість вазомоторних мікроциркуляторних реакцій у адаптованих і неадаптованих ссавців. Але й тут більшість робіт була проведена за умов тривалого перебування на холоді, хоча відомо, що така аклімація призводить до тривалого збільшення навантаження на апарат кровообігу та зниження компенсаторних можливостей ССС. Також недостатньо досліджено адаптацію до холоду на мікрогемоциркуляторному рівні. З огляду на вищенаведене доцільним є дослідити особливості функціонування серцево-судинної системи в умовах аклімації до холоду з урахуванням ритмічних складових дії холоду. У дисертаційній роботі підтверджено, що використання ритмічного режиму холодової аклімації приводить до значного підвищення адаптаційних здібностей організму щурів на відміну від неперервного режиму холодової аклімації. Так після ритмічної холодової аклімації (РХА) тривалість плавання в холодній воді у щурів значно підвищувалася (на 92,3%) і значущо відрізнялася і від показників тварин контрольної групи та від групи з неперервною холодовою аклімацією (НХА). Слід зазначити, що у тварин контрольної групи тривалість плавання у холодній воді навіть перевищувала таку у тварин з НХА. Це може свідчити про високе фізіологічне та енергетичне навантаження на організм в умовах НХА. Уперше показано, що застосування неперервного і ритмічного режимів холодової аклімації призводять до різної відповіді мікросудин піальної оболонки головного мозку, шкіри, м'язів і печінки щурів. Після НХА ми помітили збільшення діаметрів прекапілярів, капілярів і посткапілярів в шкірі в порівнянні з контролем. У м'язах стегна також спостерігалося значиме збільшення діаметрів усіх капілярних судин. У той же час діаметри венул і артеріол значущо не відрізнялись від показників тварин контрольної групи, хоча у випадку з артеріолами у м'язах спостерігалася тенденція до зниження діаметрів артеріол. Після РХА в шкірі щурів діаметри артеріол, прекапілярів і венул значимо не відрізнялись від таких у тварин контрольної групи. Але діаметри прекапілярів після РХА були значимо менше, ніж у тварин після НХА. У той же час діаметри посткапілярів після РХА не відрізнялися від показників, зареєстрованих у тварин після НХА, але були значимо більші, ніж у тварин контрольної групи. У м'язах середні діаметри артеріол і венул після РХА не відрізнялися від показників тварин контрольної групи, проте діаметри артеріол після РХА були значимо більші, ніж у тварин після НХА. Що ж стосується пре- і посткапілярів, то їх діаметри були більші, ніж у контрольних тварин, а діаметри посткапілярів були значимо менші, ніж після НХА. У мікрогемоциркуляторному руслі головного мозку щурів після НХА спостерігалось збільшення відносної площі мережі мікросудин на поверхні та їх звивистості, в той же час значимих змін діаметрів мікросудин не реєструвалося, хоча можна відмітити незначне зменшення діаметрів артеріол і збільшення діаметрів венул у порівнянні з контролем. Уперше встановлено, що тварини з різним вихідним рівнем вегетативної регуляції серця при тривалих режимах аклімації до холоду реалізують різні вегетативні стратегії, які відрізняються за ступенем залучення симпатичної і парасимпатичної ланок вегетативної нервової системи. Після проведення РХА і НХА нами було виявлено, що тварин можна розділити на дві підгрупи залежно від спрямованості змін загальної потужності спектра ВСР (ТР) після аклімації: у одних тварин після аклімації спостерігалося помітне збільшення цього показника, а в інших, навпаки, — значне зниження. У зазначених підгрупах спостерігалася певна кореляція змін показника ТР із змінами ЧСС, VLF, HF, LF, LF/HF і SDNN. У першу підгрупу нами були віднесені тварини з меншим вихідним значенням ЧСС, більш високим значенням ТР, більш високим значенням потужності спектра в діапазоні VLF і більшими значеннями SDNN і CV, ніж у другій підгрупі. Після РХА у тварин обох підгруп спостерігалося певне підвищення ЧСС, що відповідає динаміці, зареєстрованої у контрольних тварин, і може бути пов'язано з сезонними змінами в організмі. У першій підгрупі спостерігалося достовірне зниження потужності спектра у всіх діапазонах, що супроводжувалося зміною структури спектру ВСР (зменшення частки VLF та підвищення часток LF і HF) і незначним зниженням показників SDNN і CV. Значення показника індексу LF/HF вказувало на переважання парасимпатичної ланки в регуляції ВСР у тварин цієї підгрупи. У тварин 2-ї підгрупи, навпаки, відбувалося значне зростання ТР за рахунок підвищення потужності у всіх діапазонах, збільшення значень SDNN і CV. Окремо слід зупинитися на змінах індексу LF/HF. Серед тварин, що потрапили до цієї групи, в початковому стані у 40% щурів відзначалося значне переважання LF, і після проведення аклімації таке переважання LF також відзначалося у 40% тварин, але тепер ці значення були близькі до одиниці. Виходячи з вищенаведеного можна відзначити, що в результаті РХА у тварин підгрупи 2 відбувається активація парасимпатичної ланки регуляції серцевого ритму. Після проведення НХА спостерігалися подібні з РХА зміни ВСР. Тварин також були розділені на 2 підгрупи. У підгрупі 1 відзначалося значне зниження ТР за рахунок зменшення потужності всіх діапазонів, але в першу чергу за рахунок зниження в VLF діапазоні, зменшення показників SDNN і CV, що свідчить про переважання симпатичних механізмів регуляції ВСР. Таким чином, ми бачимо, що при аклімації до холоду в організмі активуються всі рівні регуляції серцевого ритму. Велике значення має вихідний рівень вегетативної регуляції серцевого ритму. Тварини з різним вихідним рівнем загальної потужності спектра ВСР при аклімації до холоду реалізують різні стратегії вегетативної регуляції, які відрізняються за ступенем залучення симпатичної і парасимпатичної ланок ВНС. При початковому високому значенні ТР у тварин адаптація до холоду реалізовувалася переважно за рахунок активації симпатичної регуляції. Якщо ж тварини мали низькі значення ТР, то в процесі аклімації активувалися і симпатична і парасимпатична ланки ВНС. Виявлені закономірності вказують на важливість попереднього аналізу вихідного рівня показників варіабельності серцевого ритму для прогнозування результатів адаптації до холоду. Вперше показано, що ритмічний та неперервний режими холодової аклімації приводять до змін осмотичної крихкості еритроцитів крові щурів. І це знаходить відображення у зміні їх популяційного складу. НХА приводила до збільшення кількості як еритроцитів, що мають форму близьку до сферичної, так і еритроцитів зі сплощеною формою. Після РХА також спостерігалося збільшення кількості еритроцитів із формою близькою до сферичної, але відбувалося зменшення кількості сплощених форм еритроцитів. Вперше показано, що при тривалих режимах холодової аклімації, як неперервної, так і ритмічної, спостерігається зниження концентрації метаболітів оксиду азоту (NO) в сироватці крові. Вплив НХА призводить до значного підвищення рівня метаболітів NO в міокарді щурів, а РХА — до значимого зниження їх рівня в тканинах кори головного мозку. Виявлене значне підвищення адаптаційних здібностей щурів після РХА вказує на доцільність використання ритмічних режимів ХА для поліпшення адаптації гомойотермних тварин до впливу низьких температур.

__________________________________________________________________________________________________________________ ANNOTATION

Cold is one of the main adaptogenic environmental factors. Therefore, the mechanisms that ensure the organism's adaptation to low temperatures are triggered even after a short-term cold effect. There are changes both at the level of the whole organism and at one of the tissues and organs. The cold is not only a specific stimulus, which increases the resistance of homoiotherms to cooling but also is a factor, stimulating the immunity and resistance of the body to stress. Various types of cold effects are successfully used in livestock to increase animal resistance to disease and increase their body mass, to prepare people for working in various extreme conditions, to enhance the functionality of athletes, and in medicine for the correction and treatment of various diseases and traumatic damages. The cold acclimation has been investigated for a long time, but now there have not understood all mechanisms of its formation are. Modern methods allow us to study the intracellular processes, triggered by the action of temperature factors on the body, fixed reversible redistribution of the type of myofibrils in muscles during adaptation to prolonged cold exposure, various physiological mechanisms are directed, either to increase the metabolic capacity and efficiency of heat formation or to reduce the heat output to an environment. But there is no single explanation that would take into account all the currently known types of acclimation to the cold yet. An absolute majority of studies were performed in a model of long-term acclimation, based on the use of a regime of continuous prolonged cold exposures on an animal body, which has not any possibility to avoid this effect. But acclimatization occurs always against the background of circadian and seasonal fluctuations of physiological rhythms. As well the cold exposures in nature often have some periodicity. Thus, rhythmic regimes of acclimation taking into account the rhythms of natural factors or physiological rhythms of the organism are more environmentally relevant. Some comparative studies of various forms of adaptation showed the existence of some differences between the experimental long-term cold acclimation and a natural acclimatization to winter conditions, and, conversely, the similarity of cold acclimation, based on the effects of rhythmic cold exposures, with the natural acclimatization. One of the most important links involved in cold acclimation is the cardiovascular system (CVS), which provides the increased demands for thermoregulatory homeostasis against the background of adaptation. Studying the capillary blood flow is one of the informative methods to investigate temperature adaptations. Now there are few investigations that showed the altered microhemocirculatory response in adapted and non-adapted mammals. But even here most of the studies were conducted under long-term stay in cold, although it is known that such an acclimation leads to a prolonged increased load on blood circulation and reducing the compensatory capacity of the CVS. Adaptation to cold at the microhemocirculatory level has not been also not sufficiently studied. In view of the above mentioned, it is expedient to investigate the features of the CVS functioning under acclimation to cold, taking into account the rhythmic components of cold effect. In the thesis it is evidenced that the rhythmic cold acclimation (RCA) has been shown to improve the cold to a greater extent the adaptive capacity of rats versus continuous cold acclimation (CCA). After the RCA the duration of cold water swimming in rats increased by 92.3% and significantly differed from the control group and the group after the CCA. The time of swimming in the cold water of the control group rats even exceeded that of the rats after the CCA. This may point to a high physiological and energy load on the body after the CCA. For the first time, it has been shown that the use of the continuous and rhythmic regimens of cold acclimation leads to a different response of the pial microvessels of the brain, skin, muscle, and liver of rats. After the CCA we noticed an increase in average diameters of all the capillary vessels in skin and thigh muscles compared with the control. At the same time, the diameters of venules and arterioles did not differ from those of the control animals. After the RCA the average diameters of arterioles, capillaries and venules in rat skin did not differ from those in the control. But the diameters of precapillaries after the RCA were less than those after the CCA. The postcapillary diameters after the RCA did not differ from those after the CCA, but they were larger than those in the control. The diameters of arterioles of thigh muscles after the RCA were larger than the ones after the CCA. After RCA the diameters of pre- and postcapillaries were larger than that in the control, and the diameters of postcapillaries were lower than those after the CCA. After the CCA we observed an increase in the relative area of microvessel network on the brain surface and their tortuosity, while significant changes in microvessels diameters were not recorded as compared to the control. It was first established that animals with different initial levels of autonomic heart regulation under prolonged regimens of cold acclimation implemented various vegetative strategies that differ in the degree of involvement of the sympathetic and parasympathetic parts of autonomic nervous system. After the RCA and CCA we found that the rats can be divided into two subgroups depending on the direction of change in the total power (TP) of heart rate variability (HRV) after the CA. In some animals after the CA this index was increased, while in others it was decreased on the contrary. In these subgroups, there was a certain correlation between the changes of TP with those in heart rate (HR), VLF, HF, LF and LF/HF. In subgroup 1 we identified the rats with a lower baseline HR, a higher TP and VLF values than in subgroup 2. In subgroup 1 we observed a decrease in the spectral power in all bands, which was accompanied by a changed structure of the HRV spectrum (a decrease in the VLF-band and an increase in the LF and HF bands). The LF/HF value indicated the predominance of the HRV parasympathetic regulation in the animals of this subgroup. In the animals of the subgroup 2, on the contrary, there was a rise in TP due to increased power in all bands. After the RCA the LF was prevalent in 40% of animals, but these values were about a unit. Based on this fact, we have noted that after the RCA in the rats of the subgroup 2 the parasympathetic regulation of the HR was partially activated.After the CCA we observed the changes of HRV similar to those after the RCA. Subgroup 1 demonstrated a reduced TP caused by decreased power of all bands, but primarily due to a decrease in the VLF band, indicating the predominance of HRV sympathetic regulation mechanisms. Thus, we see that the CA activated all levels of the HR regulation. As well the initial level of the HR autonomic regulation is very important for this process. Animals with various initial levels of the TP during the CA implement different strategies of vegetative regulation, as well the animals actually differ in the degree of involvement of sympathetic and parasympathetic links of the autonomic nervous system. At the initially high value of TP an adaptation to cold was implemented mainly due to the activation of sympathetic regulation. If the animals had initial low values of TP, then both the sympathetic and parasympathetic links of autonomic nervous system are activated in the CA process. The revealed patterns point to the importance of preliminary analysis of the baseline heart rate variability for predicting the results of adaptation to cold. For the first time, it has been shown that the rhythmic and continuous regimens of cold acclimation have led to the changes in osmotic fragility of erythrocytes in rats. Also, this is reflected in the alteration of their composition. The CCA led to the increased number of erythrocytes with a nearly spherical shape and flattened forms. After the RCA there was also an increase in the number of erythrocytes with a shape close to spherical but there was a decrease in the number of flattened forms of erythrocytes. It was for the first time shown that after RCA and CCA there was a decrease in the concentration of NO metabolites in serum. The CCA led to an increase in the level of NO metabolites in the myocardium and the RCA did to a decrease in their level in the cerebral cortex tissues. The revealed significant increase in adaptive abilities of rats after the RCA indicates the expediency of using the CA rhythmic modes to improve the adaptation of homoiothermic animals to the effect of low temperatures.