Сегодня: 29.03.2024
RU / EN
Последнее обновление: 01.03.2024

Оценка биологического действия низкоинтенсивного электромагнитного излучения на миокард при экспериментальной ишемии

С.Л. Малиновская, А.П. Баврина, Т.И. Соловьева, М.В. Рахчеева, Е.И. Яковлева, В.А. Монич

Ключевые слова: низкоинтенсивное лазерное излучение; широкополосный красный свет; миокард.

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.


monich-tabl-1.jpgТаблица 1. Активность СОД, содержание диеновых и триеновых конъюгатов, малонового диальдегида в миокарде крыс в контрольных и опытных группах после моделирования ишемии и 10 мин реперфузии

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.


monich-tabl-2.jpgТаблица 2. Морфометрические показатели миокарда белых крыс в постишемическом периоде

monich-ris.jpgУльтраструктура кардиомиоцитов белых крыс: — после ложного облучения без ишемии, ×8900; б — после ложного облучения с ишемией, ×11 000; в — после воздействия НИЛИ, ×11 000; г — после воздействия ШКС, ×14 000. Здесь: Я — ядро, МХ — митохондрия, Л — липидная капля, СПР — саркоплазматический ретикулум, ЯД — ядрышко, ЦГ — 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.

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 (λ=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

  1. Монич В.А., Монич Е.А., Голиков В.М. Патент РФ 25007201. 1994.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Гланц С. Медико-биологическая статистика. М: Практика; 1999; 459 с.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. Zhang R., Mio Y., Pratt P.F., Lohr N., Warltier D.C., Whelan H.T., et al. Near infrared light protects cardiomyocytes from hypoxia and reoxygenation injury by a nitric oxide dependent mechanism. J Mol Cell Cardiol 2009 Jan; 46(1): 4–14, http://dx.doi.org/10.1016/j.yjmcc.2008.09.707.


Журнал базах данных

pubmed_logo.jpg

web_of_science.jpg

scopus.jpg

crossref.jpg

ebsco.jpg

embase.jpg

ulrich.jpg

cyberleninka.jpg

e-library.jpg

lan.jpg

ajd.jpg