ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ ПОКАЗАТЕЛЯМИ ДЫХАНИЯ ЖИВОТНЫХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ НАГРУЗОК

Цель исследования: выявление корреляционных связей между морфологическими показателями бронхиального дерева и связей между морфологическими и физиологическими показателями дыхания у животных при различных типах нагрузок.

Материалы и методы: Объектом исследования были беспородные собаки - самцы, которых содержали в стандартных условиях вивария. Исследования проводились в соответствии с приказами Минвуза СССР № 742 от 13.11.84 «Об утверждении правил проведения работ с использованием экспериментальных животных» и № 48 от 23.01.85 «О контроле за проведением работ с использованием экспериментальных животных». До и после нагрузки определяли частоту дыхания (ЧД, цикл/мин), дыхательный объем (ДО, л), потребление кислорода (ПО2, л/мин) (по данным спирограммы спирографа Метатест), время бега (мин), частоту сердечных сокращений (ЧСС, уд/мин), вычисляли минутный объем дыхания (МОД, л) (данные отдела адаптационной морфологии ЦНИЛ). Особенностью методического подхода в организации эксперимента является индивидуальное дозирование воздействия (Сорокин А.П., Стельников Г.В., Вазин А.Н., 1977). Описано 6 стадий в реакции кардио- респираторной системы. Величина ЧСС, ЧД и времени достижения стадии индивидуальны. В основе этих различий лежат морфо-функциональные особенности организмов. Для стандартизации величины физической нагрузки использовали бег животных со скоростью 15 км/ч на тредмилле с регулируемой скоростью движения ленты. Структура эксперимента включала формирование у животных увеличения длительности бега («пика» работоспособности) с помощью нагрузок оптимальной величины. «Пик» определяли по наибольшему времени бега при стабильных значениях частоты сердечных сокращений и частоты дыхания в процессе нагрузки (вторая серия).  После  достижения  высокого  уровня  работоспособности  животных  переводили  на  нагрузки, дезинтегрирующие работу кардио-респираторной системы (Кочетков А.Г., 1988). Через 6-8 нагрузок переходили вновь к нагрузкам оптимальной величины, что вызывало развитие второго увеличения длительности бега (третья серия). Подобный комплекс тренировок назван макроциклом (Сорокин А.П., Вазин А.Н., Кочетков А.Г., 1980; Кочетков А.Г., 2001).

Общее количество животных, использованных в эксперименте – 42, семь из них выбраковано в процессе тренировок (отказ собак от бега, проблемы при снятии параметров внешнего дыхания и др.). Распределение собак по сериям представлено в Табл.1.

Таблица 1  

Экспериментальные модели

Для проведения гистологических методов исследования использовали парафин-целлоидиновые срезы толщиной 5-7 мкм. Гистологические срезы окрашивали по Вейгерту и тиазиновым красным – пикрофуксином для демонстрации эластических и коллагеновых волокон (Ромейс Б., 1953). Для характеристики диафрагмальной доли правого легкого использовали относительный объем воздуха и структур ацинуса, паренхимы и непаренхимных компонентов. В 60-и полях зрения с помощью окулярной сетки Г.Г. Автандилова на 100 точек проводили подсчет относительного объема воздуха и структур ацинуса, результат выражали в процентах. Относительный объем паренхимы представлял собой сумму относительного объема воздуха и структур ацинуса, а непаренхимных компонентов – разницу полного объема (то есть 100%) и объема паренхимы. Вычисляли долю воздуха от объема паренхимы путем деления относительных объемов воздуха и паренхимы (Вейбель Э., 1970).

При определении терминальных бронхиол и дыхательных бронхиол первого, второго и третьего порядков и сопровождающих артерий были использованы критерии отличия этих бронхиол и артерий между собой, также отличия ветвей легочных и бронхиальных артерий, рекомендуемые И.К. Есиповой, А.Д. Соболевой, Г.С. Шишкиным (1969).

Для оценки состояния ацинуса как структурно-функциональной единицы легкого определяли толщину стенки, мышечный индекс, коэффициент относительных объемов коллагеновых и эластических волокон терминальных и дыхательных бронхиол. Мышечный индекс (отношение в % толщины мышечной пластинки слизистой оболочки к толщине всей стенки) терминальных бронхиол и дыхательных бронхиол первого, второго и третьего порядков определяли на этих же срезах при помощи морфометрической установки MACS-1005, состоящей из микроскопа ЛЮМАМ И1, черно-белой видеокамеры Oscar CDD CAMERA "OS-45D" , установленной на микроскопе, видеоблока ВБ-1 и компьютера IBMPC 386 с программным обеспечением MACS- 1 005 и монитора для наблюдения исходного изображения. Мышечный индекс используется для количественной оценки изменения размеров бронхиол при различных патологических состояниях организма  (Есипова И.К., Мягков М.А., 1975; Choe M.M., Sporn P.H.S., Swartz M.A., 2003). С помощью окулярной сетки на 289 точек определяли относительные объемы коллагеновых и эластических волокон у бронхиол соответствующего порядка. Вычисляли коэффициент объемов волокон в виде соотношения объемов коллагеновых и эластических волокон.

Для характеристики тканевого уровня организации легких использовали толщину мышечной пластинки слизистой оболочки терминальных и дыхательных бронхиол, размеры средней оболочки соответствующих ветвей легочной артерии, просвета поперечного сечения легочных капилляров. О реакции миоцитов артерий уровня терминальных и дыхательных бронхиол всех порядков судили по изменению площади поперечного сечения средней оболочки этих артерий. Данный показатель широко применяется при изучении мелких сосудов легкого (Есипова И.К., Кауфман О.Я., 1968; Davies P., Reid L., 1991; Krous H.F. et al., 2002). С помощью окулярной сетки Г.Г. Автандилова на 289  точек определяли площадь поперечного сечения средней оболочки артерий бронхиол всех порядков. Размеры ядер миоцитов бронхиол характеризовали клеточный уровень организации легких. На препаратах, окрашенных гематоксилином-эозином, проводили кариометрию миоцитов бронхиол всех уровней после оцифровки. Обработку полученного варианта в формате Windows Bitmap (720×540 пикселов) осуществляли в программе Image Tool 3.01 (Курникова А.А., Безденежных А.В., 2004). Определяли площадь объекта.

Проводили расчет линейных корреляций Пирсона на электронных вычислительных машинах типа IBM PS в программах Microsoft Excel 7.0.

Результаты исследования. Контрольная группа животных.

В контрольной группе определено 26 корреляционных связей между морфологическими показателями, из которых 7 – на уровне структурно-функциональной единицы, 6 – на тканевом уровне, 3 – на клеточном, 8 – между уровнем структурно-функциональной единицы и тканевым уровнем. Корреляционные связи отражают как влияние вышележащего отдела бронхиального дерева и сосудистого русла на нижележащий, так и взаимодействие соседних участков дыхательной трубки.

Выявлено шесть корреляционных связей с функцией внешнего дыхания. Взаимосвязи частоты дыхания и дыхательного объема с параметрами терминальных бронхиол и дыхательных бронхиол первого порядка свидетельствуют о вкладе функции внешнего дыхания в вентиляционно-перфузионные отношения на уровне ацинуса.

Группа животных после многократных двигательных нагрузок.

Количество корреляционных связей между морфологическими показателями больше (32), чем в контрольной группе (26). На уровне структурно-функциональной единицы определено 4 корреляционные связи, на тканевом уровне – 5, на клеточном – 3, между уровнем структурно-функциональной единицы и тканевым уровнем – 9, между тканевым и клеточным – 4. Таким образом, увеличивается количество межуровневых связей и уменьшается – внутриуровневых. Вероятно, ведущая роль терминальных бронхиол в вентиляционных отношениях определяет корреляции размеров ядер терминальных и ядер всех дыхательных бронхиол.

Нарушение уровня функциональной активности органа приводит к изменению структуры популяции гладкой мышечной ткани, которое сопровождается дифференцированным пролиферативным ответом различных субпопуляций гладких миоцитов, особенности ультраструктурной организации и наиболее активная реакция малых клеток позволяет их рассматривать как камбиальные элементы гладкой мышечной ткани (Зашихин А.Л., Агафонов Ю.В., 1996). У животных с наибольшим временем бега выявлены мелкие ядра миоцитов в стенках терминальных бронхиол (r=-0,653, p<0,05).

Мы предполагаем, что возрастание кровотока, воздушных потоков, напряженное функционирование бронхиального дерева и сосудистого русла в легких происходят параллельно и одновременно, а учитывая тесную взаимосвязь сосудистых и бронхиальных нервных сплетений (Андриеш В.Н., 1987), и показатели должны быть взаимозависимы. Кроме того, легочные капилляры, наряду с артериями и венами, расположенными в альвеолярном отделе легких, являются главными элементами легочной сосудистой податливости (возможности растяжения, деформации) (Brower R.G. et al., 1986).

В состоянии покоя (до бега) выявлены 4 корреляции с функцией внешнего дыхания и газообмена, что меньше, чем в контрольной группе. Общее количество связей морфологических показателей с параметрами газообмена, внешнего дыхания и временем бега 27. Наибольшее количество корреляционных связей выявлено с уровнем структурно-функциональной единицы органа (10) и тканевым уровнем  (11). Относительный объем воздуха коррелирует с дыхательным объемом до бега, МОД после бега и увеличением частоты дыхания, определенными на последней нагрузке, всего обнаружено 3 положительных достоверных связи с функциональными показателями, что подчеркивает вклад состояния внешнего дыхания в перераспределение воздуха. Толщина стенок и мышечной пластинки слизистой оболочки, особенности волоконного состава у дыхательных бронхиол второго и третьего порядков коррелируют с дыхательным объемом, то есть состояние внешнего дыхания влияет на более равномерное распределение воздушных потоков между дочерними ветвями в бронхиолярном дереве легких. В респираторном отделе легкого вентиляционные пути и кровеносные сосуды заложены в строму, менее стабилизирующую просвет, чем фиброзная строма проводящего отдела. В этих условиях гладкие мышцы ветвей легочной артерии могут обусловить понижение или повышение сопротивления току воздуха и крови (Есипова И.К., 1976). Это положение подтверждается корреляционными связями площадей поперечного сечения средней оболочки артерий терминальных и дыхательных бронхиол и показателей функции внешнего дыхания. У собак, вероятно, эти взаимосвязи влияют и на длительность бега животных (4 корреляционные связи).

1 ImageTool was written using Borland's C++ version 5.02, and the source code for the executable is available free of charge. ImageTool was developed in the Department of Dental Diagnostic Science at The University of Texas Health Science Center, San Antonio, Texas. The program was developed by Dr. C. Donald Wilcox, DSc, Dr. S. Brent Dove, DDS, Dr. W. Doss McDavid, PhD and David B. Greer. Copyright 1995-2002, The University of Texas Health Science Center, San Antonio.

Группа животных после тренирующих нагрузок.

Количество корреляционных связей между морфологическими показателями – такое же, как в контрольной группе (26). На уровне структурно-функциональной единицы определено 7 корреляционных связей, на тканевом уровне – 6, на клеточном – 4, между уровнем структурно-функциональной единицы и тканевым уровнем – 5. Таким образом, количество межуровневых и внутриуровневых связей почти не отличается от  контрольных животных.

Гладкие миоциты в составе стенки воздухоносных путей образуют единую функциональную систему и взаимодействуют друг с другом, формируя многочисленные и разнообразные специализированные связи (Зашихин А. Л., 1988). Кроме того, начальный отдел ацинуса (терминальные бронхиолы и дыхательные бронхиолы первого порядка и сопровождающие их артерии) может играть главную роль в вентиляционно- перфузионных отношениях. Все это и приводит к появлению корреляционных связей вышележащих (проксимальных) и нижележащих (дистальных) отделов бронхиолярного дерева ацинуса. Известно, что гипоксия усиливает синтез коллагена (Сорокин А.П., Кочетков А.Г., 1983). Небольшой относительный объем воздуха взаимосвязан с преобладанием коллагеновых волокон над эластическими у дыхательных бронхиол второго порядка (r=-0,605, p<0,05). С другой стороны, оба морфологических показателя взаимосвязаны с изменением минутного объема дыхания при нагрузке: значительное увеличение МОД сопровождалось большим относительным объемом воздуха и большим относительным объемом эластических волокон у дыхательных бронхиол второго порядка. Значительное воздушное пространство, окружающее бронхиолы, приводит к близким показателям внутриплеврального давления и давления около бронхиол, следовательно, растяжения и сокращения вышележащих отделов бронхиального дерева (вектор изменяется от положительных до отрицательных значений) могут быть причиной увеличения относительных объемов эластических волокон (Кочетков А.Г. и др., 1997).

В состоянии покоя (до бега) выявлены 3 корреляционные связи с функцией внешнего дыхания и газообмена. Общее количество связей морфологических показателей с параметрами газообмена, внешнего дыхания и временем бега – такое же, как во второй серии (27). Наибольшее количество корреляционных связей выявлено с уровнем структурно-функциональной единицы органа (10) и тканевым уровнем (10). Взаимосвязи относительного объема непаренхимных компонентов с частотой и минутным объемом дыхания подчеркивают влияние двигательных нагрузок на перераспределение воздуха. Толщина стенки и мышечной пластинки слизистой оболочки у дыхательных бронхиол всех порядков коррелирует с дыхательным  объемом, то есть состояние внешнего дыхания влияло на размеры бронхиолярного дерева легких.

В обеих группах с двигательными нагрузками (серии 2 и 3) выявлена корреляционная связь между площадью поперечного сечения средней оболочки артерий терминальных бронхиол и длительностью бега, что говорит о «сильной взаимозависимости» показателей. Положительные связи мышечных индексов дыхательных бронхиол первого и второго порядков с увеличением минутного объема дыхания после нагрузки в конце эксперимента демонстрируют большее значение именно этого уровня в изменении параметров внешнего дыхания. При длительных многократных двигательных нагрузках они отсутствуют. Меньшее количество корреляций по сравнению со второй серией определено для коэффициента относительных объемов коллагеновых и эластических волокон (одна против восьми). Размеры средней оболочки артерий дыхательных бронхиол второго порядка взаимосвязаны с минутным объемом дыхания до бега (во второй серии корреляции только с частотой дыхания и дыхательным объемом).

Выводы

1.     Влияние индивидуально дозированных двигательных нагрузок на перераспределение воздуха в легких животных второй серии отражается корреляциями относительного объема воздуха с дыхательным объемом до бега, МОД после бега и увеличением частоты дыхания, определенными на последней нагрузке, отрицательными взаимосвязями относительных объемов непаренхимных компонентов легких и воздуха, структур ацинуса.

2.     Количество корреляционных связей и их распределение между уровнями морфологических показателей у животных, подвергнутых макроциклу тренировок, было таким же, как в контрольной группе.

3.     Общее количество связей морфологических показателей с параметрами газообмена, внешнего дыхания

и временем бега у животных второй и третьей серий совпадало. Толщина стенки и мышечной пластинки слизистой оболочки дыхательных бронхиол всех порядков коррелировали с дыхательным объемом, то есть состояние внешнего дыхания влияло на размеры бронхиолярного дерева легких.

Полученные  данные  свидетельствуют  о  вкладе  функции  внешнего  дыхания  в  вентиляционно- перфузионные отношения на уровне ацинуса.

Список литературы

1.     Андриеш, В.Н. Межорганные нервные коммуникации в иннервации бронхов  и сосудов малого круга кровообращения // Арх. Анат. – 1987. – Т. 92, вып.4. – С. 25-34

2.     Вейбель, Э.Р. Морфометрия легких человека / Э.Р. Вейбель; пер. с англ. Н.П. Вольберг. – М.: Медицина,1970. – 176 с.

3.     Есипова, И.К. Инволюция легких / И.К. Есипова, М.А. Мягков // Легкое в норме. – Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1975. – С. 174-194.

4.     Есипова, И.К. Патологическая анатомия легких / И.К. Есипова. – М.: Медицина, 1976. – 183 с.

5.     Есипова, И.К. Постнатальная перестройка малого круга кровообращения и ателектаз новорожденных / И.К. Есипова, О.Я. Кауфман. – Л.: Медицина, 1968. – 224 с.

6.     Есипова, И.К. Сравнительная морфология легких / И.К. Есипова, А.Д. Соболева, Г.С. Шишкин. – Новосибирск, 1969. – С. 5-40.

7.     Зашихин, А.Л. Структурно-метаболические аспекты реактивности гладкой мышечной ткани / А.Л. Зашихин, Ю.В. Агафонов // Морфология. – 1996. – Т. 109, вып. 2. – С. 54

8.     Зашихин, А.Л. Ультраструктура межклеточных контактов гладких миоцитов дыхательных путей // Арх.Анат. – 1988. Т. 95, вып. 12. – С. 49-54

9.     Кочетков, А.Г. Онтогенетические адаптации. Принципы их реализаций / А.Г. Кочетков // Аспекты адаптации. Критерии индивидуальных адаптаций. Закономерности и управление: сб. науч. тр. / под ред. А.Г. Кочеткова. - Н. Новгород: Изд-во Нижегородской медицинской академии, 2001. - С. 80-94.

10. Кочетков, А.Г. Теоретические и практические аспекты интегративных и дезинтегративных состояний адаптационного процесса / А.Г. Кочетков // Морфофункциональные  эквиваленты гипокинезии и двигательной активности. Аспекты адаптации: сб. науч. тр. Горьковского мед. института / под ред. А.Г. Кочеткова. - Горький, 1988. - С. 59-73.

11. Курникова, А.А. Методика получения и обработки изображений при морфометрическом исследовании легких и щитовидной железы / А.А. Курникова, А.В. Безденежных // Фундаментальные науки и прогресс клинической медицины: материалы III конф. Молодых ученых России с международным участием (Москва, 20-24 января 2004 г.). – М., 2004. – С. 37-38.

12. Опорные структуры человеческого организма / А.Г. Кочетков [и др.]. – Н. Новгород: Изд-во Нижегородский медицинской академии, 1997. – 148 с.

13.    Ромейс, Б. Микроскопическая техника / Б. Ромейс; пер. с нем. – М: 1953

14. Сорокин, А.П. Факторы изменчивости стромально-паренхиматозных отношений / А.П. Сорокин, А.Г. Кочетков // Эпителий и соединительная ткань в нормальных, экспериментальных и патологических условиях. – Тюмень, 1983. – С. 13-15

15. Сорокин, А.П. Способ физической тренировки организма: а. с. 733641 СССР: А 61 в 5/00, 10/00 / А.П. Сорокин, А.Н. Вазин, А.Г. Кочетков (СССР). – опубл. 15.05.80, Бюл. № 18. – С. 26.

16. Сорокин, А.П. Адаптация и управление свойствами организма / А.П. Сорокин, Г.В. Стельников, А.Н. Вазин. - М.: Медицина, 1977. - 263 с.

17. Choe, M.M. an in vitro airway wall model of remodeling // M.M. Choe, P.H.S. Sporn, M.A. Swartz // Am. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol. – 2003. – Vol. 285, N 2. – P. 427-433.

18. Davies, P. Hypoxic remodeling of the rat pulmonary arterial microcirculation assessed by microdissection / P. Davies, L. Reid // J. Appl. Physiol. – 1991. – Vol. 71, N 5. – P. 1886-1891.

19. Longitudinal distribution of vascular compliance in the canine lung / R.G. Brower [et al.] // J. Appl. Physiol. – 1986. – Vol. 61, N1. – P. 240-247.

20.    Medial smooth muscle thickness in small pulmonary arteries in sudden Infant Death Syndrome Revisited / H.F.Krous [et al.] // Pediatric and Developmental Pathology. – 2002. – Vol. 5, N 4. – P. 375-385