Роль серотонина в регуляции тканевого кровотока при действии низкоинтенсивного электромагнитного излучения крайне высокой частоты

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

Роль серотонина в регуляции тканевого кровотока при действии низкоинтенсивного электромагнитного излучения крайне высокой частоты Чуян Е.Н.1, Раваева М.Ю.2

1Чуян Елена Николаевна / Chuyan Elena Nikolaevna - доктор биологических наук, профессор;

2Раваева Марина Юрьевна /Ravaeva Marina Yurievna - кандидат биологических наук, доцент, кафедра физиологии человека и животных и биофизики, факультет биологии и химии, Таврический национальный университет имени В.И. Вернадского, г. Симферополь

Аннотация: показано, что при изолированном и комбинированном с гипокинетическим стрессом действии электромагнитным излучением крайне высокой частоты происходит увеличение содержания серотонина в лейкоцитах периферической крови экспериментальных животных. Рассматривается роль серотонина в модуляции параметров эндотелий-зависимого и миогенного эндотелий-независимого компонентов регуляции тканевого кровотока при действии электромагнитным излучением крайне высокой частоты. Abstract: it is shown that when isolated and combined with hypokinetic stress electromagnetic radiation of extremely high frequency increases serotonin in peripheral blood leukocytes in experimental animals. Examines the role of serotonin in the modulation parameters of endothelium-dependent and endothelium-independent myogenic components of the regulation of tissue bloodflow under the action of electromagnetic radiation of extremely high frequency.

Ключевые слова: электромагнитное излучение крайне высокой частоты, микроциркуляция, серотонин. Keywords: electromagnetic radiation of extremely high frequency, microcirculation, serotonin.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, в рамках научного проекта р_юг_а № 14-44-01569 «Механизмы действия низкоинтенсивного электромагнитного излучения крайне высокой частоты на тканевую микрогемодинамику»

В наших исследованиях [1] методом лазерной допплеровской флоуметрии показано, что низкоинтенсивное электромагнитное излучение крайне высокой частоты (ЭМИ КВЧ) оказывает выраженное действие на кожную микроциркуляцию человека и экспериментальных животных, что выражается в увеличении перфузии периферических тканей, изменении осцилляторных характеристик базального кровотока и показателей микрососудистого тонуса и приводит к снижению периферического сопротивления, увеличению притока крови в нутритивное микрососудистое русло, улучшению венулярного оттока.

Исследование структуры ритмов колебаний кровотока в микрорусле позволило установить, что в механизмах действия низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ основную роль играют эндотелий-зависимый и миогенный эндотелий-независимый компоненты регуляции тканевого кровотока [1].

Зарегистрированные эффекты могут быть связаны с действием вазоактивных агентов, в частности, биогенных аминов (адреналин, дофамин, серотонин, брадикинины), к которым обнаружены специфические рецепторы на эндотелии сосудов и которые проявляют различные эффекты при перфузии в сосудистую систему [2].

Однако изменение содержания серотонина (СТ), важнейшего вазодилататора, в периферической крови под влиянием ЭМИ КВЧ остается не изученным, что и явилось целью настоящего исследования.

Материалы и методы

Экспериментальная часть работы выполнена на 40 белых беспородных белых крысах-самцах, массой 180220 граммов, полученных из опытно-экспериментального питомника Института Гигиены и Медицинской Экологии, фирмы «Феникс» (г. Киев).

В экспериментальные группы отбирали животных одинакового возраста и веса со средней двигательной активностью и низкой эмоциональностью, определяемых в тесте «открытого поля» [3]. Такой отбор позволил сформировать однородные группы животных, однотипно реагирующих на воздействия. Предварительно отобранные животные были разделены на четыре группы по десять особей в каждой.

К первой группе относились животные, которые в течение девяти суток содержались в обычных условиях вивария и служили биологическим контролем (К). Крысы второй группы ежедневно подвергались 30-тиминутному воздействию ЭМИ КВЧ на затылочно -воротниковую область (КВЧ). Третью группу составляли крысы, находившиеся в условиях экспериментальной стресс-реакции, которая моделировалась девятисуточным ограничением подвижности (гипокинезия, ГК). Крысы четвертой группы подвергались комбинированному воздействию ГК и ЭМИ КВЧ (ГК+КВЧ).

Воздействие ЭМИ КВЧ осуществляли на затылочно-воротниковую зону ежедневно с 8.30 до 11.00 часов по 30 минут в течение девяти суток с помощью одноканальных генераторов «Луч. КВЧ-071» (регистрационное свидетельство №2 783/99 от 14.07.99, выданное КНМТ МОЗ Украины о праве на применение

в медицинской практике в Украине): рабочая длина волны - 7,1 мм; плотность потока мощности - 0,1 мВт/см2; частота модуляции 10±0,1 Гц; габаритные размеры излучателя, выполненного в виде «точки» - 18 x 23 мм. Для осуществления контроля над наличием ЭМИ и его мощности на выходе канала излучателя использовали сервисный прибор «РАМЕД. ЭКСПЕРТ» (ТМ 0158.00.00.00. - СП). Приборы изготовлены Центром радиофизических методов диагностики и терапии «РАМЕД» Института технической механики НАНУ, г. Днепропетровск.

ГК создавалась путем помещения крыс в специальные кассеты из оргстекла (140 х 60 х 60 мм для каждой крысы), в которых они находились в течение девяти суток по 20 часов. Ограничение подвижности крыс в клетках-пеналах вызывает стрессовую реакцию, которая зависит от степени жесткости ГК [4]. В течение четырех остальных часов проводили экспериментальные исследования, кормление и уход за животными. Полученная экспериментальная модель позволила создать одинаковую степень «жесткости» ГК для всех животных, что является необходимым условием для получения сопоставимых результатов.

Крыс содержали в условиях вивария при температуре 18-22оС на стандартном пищевом рационе и в стандартных условиях освещения (12 часов темнота - 12 часов свет). Световая фаза начиналась в 7.00 утра. Эксперименты проводились с соблюдением принципов «Европейской конвенции о защите позвоночных животных, которые используются для экспериментальных и других научных целей».

Забор периферической крови осуществлялся в первые, третьи, пятые, седьмые и девятые сутки эксперимента путем пункции хвостовой вены.

В настоящее время активно разрабатываются методы, позволяющие in vivo исследовать функциональные изменения органов и тканей на клеточном и молекулярном уровнях. Наиболее перспективными и активно разрабатываемыми подходами для решения подобных задач являются флуоресцентные методы [5]. Содержание СТ в лейкоцитах периферической крови проводили по методу B. Falck [6] в модификации В.П. Новицкой [7]. Метод основан на реакции моноаминов с формальдегидными парами, в ходе которой образуются флуоресцирующие соединения, дающие ярко-зеленое свечение.

Установка для регистрации спектров люминесценции одиночных лейкоцитов состоит из люминесцентного микроскопа МЛ-4 со спектрализующим устройством (фотометрическая насадка ФМЭЛ-1К), фотоэлектронного умножителя (ФЭУ - прибор, необходимый для преобразования света в электрический ток), аналогово-цифрового преобразователя, персонального компьютера.

После инкубации в формальдегидных парах мазки крови исследовали под глицериновой иммерсией с использованием люминесцентного микроскопа на длине волны 525 нм при длине возбуждающего света 405 нм. Величину сигнала рассчитывали в условных единицах, что не является истинным показателем абсолютного количества вещества в клетке, но прямо пропорционально этому количеству. Среднее содержание СТ рассчитывали после измерения яркости свечения десяти лейкоцитов в каждом мазке крови. Автофлуоресценцию предметного стекла без мазка крови использовали как контроль и вычитали из средней величины флуоресценции лейкоцитов.

Оценку достоверности наблюдаемых изменений проводили с помощью t-критерия Стьюдента для независимых выборок после проверки на нормальность распределения. Расчеты и графическое оформление полученных в работе данных проводились с использованием программы Microsoft Excel [8] и программного пакета «STATISTICA - 6.0» [9].

Результаты

Результаты проведенного исследования показали, что у интактных животных содержание СТ в лейкоцитах находилось в пределах от 250,16317,63 до 271,501112,88усл.ед.

Рис. 1.

Изменение содержания серотонина в лейкоцитах крови при воздействии ЭМИ КВЧ (КВЧ), гипокинезии (ГК) и их комбинации (ГК+КВЧ) в % по отношению к таковому в крови у интактных крыс (К).

Примечание: * - достоверность различий при сравнении с данными контрольной группы; # - достоверность различий при сравнении с данными группы КВЧ; " - достоверность различий при сравнении с данными группы ГК, & -достоверность различий при сравнении с данными группы ГК+КВЧ.

При воздействии ЭМИ КВЧ на животных второй группы на третьи сутки эксперимента наблюдалась тенденция к повышению уровня СТ в лейкоцитах крови (р>0,05), а, начиная с 5-х суток - достоверные различия по сравнению с контролем. К девятым суткам эксперимента различие между группами составило 37,42% (р<0,05) (рис. 1).

Таким образом, воздействие ЭМИ КВЧ привело к возрастанию уровня СТ. Эти результаты согласуются с данными других авторов, в которых показано, что воздействие ЭМИ низкой интенсивности вызывает активацию СТ-ергической системы в двигательной коре мозга крыс [10]. Антиноцицептивный эффект ЭМИ КВЧ, зарегистрированный как в наших [11], так и других исследованиях [12], также связан с активацией СТ-ергической анальгезирующей системы ствола головного мозга.

Следовательно, полученные результаты согласуются с литературными и дополняют их сведениями об увеличении содержания СТ в лейкоцитах периферической крови при многократном воздействии ЭМИ КВЧ.

Изменение содержания СТ в лейкоцитах в течение девятисуточной ГК имело определенные особенности. Так, произошло резкое повышение уровня СТ в лейкоцитах на третьи сутки наблюдения (на 50,64%, р<0,01) с последующим снижением до уровня значений в контрольной группе к пятым суткам эксперимента. На 7-9-е сутки ограничения подвижности было зафиксировано дальнейшее снижение этого показателя. При этом минимальное значение содержания СТ зарегистрировано на девятые сутки ГК стресса и составило 71,38% (р<0,01) от значений контрольной группы крыс.

Повышение уровня СТ в первые сутки ГК, по-видимому, связано с активацией стресс-лимитирующей системы организма, медиатором которой и является СТ. Благодаря наличию СТ рецепторов в корковом слое надпочечников, СТ тормозит выделение железами глюкокортикоидов, снижая тем самым активность одной из основных стресс-реализующих систем [13]. Однако при более продолжительном стрессе происходит истощение защитных сил организма [14], с чем, возможно, и связано падение уровня СТ в последующие дни наблюдения.

При систематическом воздействии ЭМИ КВЧ на животных с ограниченной подвижностью характер и направленность изменений содержания СТ были отличны от группы животных, находившихся в условиях изолированной стресс-реакции (см. рис. 1 ). Так, на третьи сутки эксперимента также наблюдалось повышение уровня СТ, но менее выраженное (на 32,66% (р<0,05) от значения в контроле). Однако в последующие сутки одновременного с ГК воздействия ЭМИ КВЧ наблюдалось снижение содержания СТ в лейкоцитах крови, однако оно было достоверно выше, чем в группе животных, подвергавшихся изолированному действию ГК (на 54%, р<0,05).

Таким образом, воздействие ЭМИ КВЧ на животных, находившихся в условиях хронического стресса, привело к возрастанию уровня СТ. Известно, что СТ является одной из важнейших стресс-лимитирующих систем организма. СТ тормозит выделение железами глюкокортикоидов [13] и угнетает высвобождение

катехоламинов из нервных окончаний и надпочечников, тем самым, ограничивая чрезмерную стресс-реакцию и ее повреждающее действие на организм [14, 15].

Следовательно, при изолированном и комбинированном с ГК стрессом действии ЭМИ КВЧ происходит увеличение содержания СТ в лейкоцитах периферической крови экспериментальных животных, что подтверждает антистрессорное действие ЭМИ КВЧ.

Проблема первичной рецепции ЭМИ КВЧ на уровне целого организма до сих пор остается нерешенной. Практически все ЭМИ КВЧ поглощается в кожных покровах на глубине до 1 мм, а максимум удельной поглощаемости в коже локализован на глубине 0,7 мм [16]. Поэтому именно элементы кожи рассматриваются в качестве основных мишеней для миллиметровых волн, а кожа выполняет функцию распределенного рецептора излучения. Под непосредственное действие излучения попадают периферические кровеносные и лимфатические сосуды, клетки иммунной системы, диффузной нейроэндокринной системы (ДНЭС или APUD-система), разнообразные рецепторы (механорецепторы, ноцицепторы и т.д.), нервные окончания, периферические нервы, а также БАТ.

Элементы APUD-системы, синтезирующие биогенные амины и пептидные гормоны, в том числе и СТ, расположены практически во всех органах и тканях организма, в том числе и в коже [17, 18], и воспринимают ЭМИ КВЧ, поглощаемое в ее верхних слоях. Из литературных данных известно, что под влиянием ЭМИ КВЧ происходит дегрануляция тучных клеток кожи и выделение СТ [16, 19], который впоследствии может захватываться лейкоцитами для дальнейшей транспортировки. С помощью радиоавтографического и флуоресцентного методов продемонстрировано, что СТ интенсивно поглощается клетками эндотелия, активно катаболизируется митохондриальной моноаминооксидазой [2] и стимулирует эндотелий-зависимую вазодилатацию с выработкой оксида азота [20]. Оксид азота обеспечивает физиологическую регуляцию тонуса гладких мышц сосудов и играет важную роль в регуляции давления и распределении потока крови. Действительно, в ответ на действие низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ в ЛДФ-грамме произошло увеличение амплитуды миогенных колебаний на фоне снижения миогенного тонуса [1]. Согласно литературным данным, осцилляции миогенного диапазона отображают активность миоцитов прекапиллярных сфинктеров и прекапиллярных метартериол и являются ведущим механизмом регуляции числа функционирующих кожных капилляров [22, 23]. Кроме того, выявлена положительная корреляция между числом функционирующих капилляров по данным капилляроскопического исследования, и амплитудой миогенных колебаний по данным ЛДФ-метрии [20]. Поскольку известно, что ритмы данного диапазона обусловлены колебаниями концентрации Са2+ через мембраны мышечных клеток [24], следовательно, можно предположить, что одним из пусковых механизмов для развития Са2+-зависимой вазодилатации является СТ, для которого показана [25, 26] триггерная роль для входа Ca2+ в клетку, где он связывается в единый комплекс с кальмодулином в цитозоле, что и приводит к развитию вазодилатации.

Таким образом, увеличение параметров эндотелий-зависимого и миогенного эндотелий-независимого компонентов регуляции тканевого кровотока, отмечавшиеся при действии ЭМИ КВЧ, может быть связано с увеличением концентрации СТ в периферической крови.

Выводы

1. При изолированном и комбинированном с ГК стрессом действии ЭМИ КВЧ происходит увеличение содержания СТ в лейкоцитах периферической крови экспериментальных животных.

2. Увеличение параметров эндотелий-зависимого и миогенного эндотелий-независимого компонентов регуляции тканевого кровотока, отмечавшиеся в результате спектрального анализа ЛДФ-граммы при действии ЭМИ КВЧ, может быть связано с увеличением содержания СТ в периферической крови.

Литература

1. Механизмы действия низкоинтенсивного миллиметрового излучения на тканевую микрогемодинамику / Е.Н. Чуян, Н.С. Трибрат, М.Н. Ананченко, М.Ю. Раваева. - Симферополь: Информ.-изд. отдел ТНУ им. В. И. Вернадського. - 2011. - 324 c.

2. Куприянов В.В. Микроциркуляторное русло / В.В. Куприянов, Я.Л. Караганов, В.И. Козлов. - М.: Медицина, 1975. - 216 с.

3. Hall C.S. Emotional behavior in the rat: 1. Defecation and urination as measures of individual differences in emotionality // J. Сотр. Psychol. - 1934. - Vol. 18. - P. 385-403.

4. Коваленко Е.А., Гуровский Н.Н. Гипокинезия. - М.: Медицина, 1980. - 307 с.

5. Самойлов В.О., Барский И.Я., Бигдай Е.В. и др. Прижизненная флюориметрия в физиологии и клинике // Мед. техника. - 1997. - № 3. - С. 3-7.

6. Falck, В., Owman, C. A detailed methodological description of the fluorescence method for the cellular demonstration of biogenic monoamines // Acta Univ. Lundensis. - № 7. - 1965. - P. 79-83.

7. Новицкая В.П. Модификация метода определения моноаминов в лейкоцитах на мазках периферической крови // Клиническая лабораторная диагностика. - 2002. - № 1. - 2002. - С. 24-33.

8. Лапач С.Н., Чубенко А.В., Бабич П.Н. Статистические методы в медико-биологических исследованиях с использованием Ехсе1. - К.: Модмон, 2000. - 319 с.

9. Реброва О.Ю. Статистический анализ медицинских данных. Применение пакета прикладных программ Statistica. М.: МедиаСфера, 2006. - 312 с.

10. Штемберг А.С., Узбеков М.Г., Шихов С.Н. Некоторые нейротропные эффекты электромагнитных волн малой интенсивности у крыс с разными типологическими особенностями высшей нервной деятельности // ЖВНД. - 2000. - Т. 50, № 5. - С. 867 - 877.

11. Чуян Е.Н. Роль различных нейрохимических систем в механизмах антиноцицептивного действия электромагнитного излучения крайне высокой частоты / Е. Н. Чуян, Э. Р. Джелдубаева // Нейрофизиология / Neurophysiology. - 2007. - Т. 37, № 2. - С. 165-173.

12. Repacholi M.H. Low-lewel explosure to radiofrequensy electromagnetic fields: health effects and research needs // Bioelektromagnetics. - 1998. - № 1. - P. 1-19.

13. ФедосееваГ.В., Жихарев С.С., ГончароваВ.А., и др. Роль серотонина, гистамина и калликреин-кининовой системы в патогенезе приступов удушья при бронхиальной астме // Тер. Архив. - 1992. - № 1. - С. 47-53.

14. Пшенникова М.Г. Феномен стресса. Эмоциональный стресс и его роль в патологии // Пат. физиол. - 2001. - № 2. - С. 26-30.

15.Меерсон Ф.З., Пшенникова М.Г., Кузнецова Б.А. Развитие адаптации к стрессу в результате курса транскраниальной электростимуляции // Бюл. экспер. биол. и мед. - 1994. - № 1. - С. 16-18.

16. Воронков В.Н. Морфологические изменения в коже при действии КВЧ ЭМИ / В.Н. Воронков, Е.П. Хижняк // Миллиметровые волны нетепловой интенсивности в медицине: межд. симпоз.: сб. докл. - М.: ИРЭ АН СССР, 1991. - С. 635-638.

17. Кветной И.М. АПУД-система (структурно-функциональная организация, биологическое значение в норме и патологии) // Успехи физиол. наук. - 1987. - № 1. - С. 84-102.

18. Кветной И.М., Райхлин Н.Т., Южаков В.В. и др. Экстрапинеальный мелатонин: место и роль в нейроэндокринной регуляции гомеостаза // Бюлл. эксперимент. биологии и медицины. - 1999. - Т. 127, № 4. - С. 364-370.

19. Попов В.И., Рогачевский В.В., Гапеев А.Б. и др. Дегрануляция тучных клеток кожи под действием низкоинтенсивного электромагнитного излучения крайне высокой частоты // Биофизика. - 2001. - Т. 46, № 6. - С. 1096-1102.

20. Крупаткин А.И. Лазерная допплеровская флоуметрия микроциркуляции крови / А.И. Крупаткин, В.В. Сидоров. - М.: Медицина, 2005 - 254 с.

21. Звягина Т.В., Белик И.Е., Аникеева Т.В. и др. Методы изучения метаболизма оксида азота // Вестн. эпидемиол. и гиг.— 2001.— No 2.— С. 253—257.

22. Микроциркуляция в кардиологии / [под ред. В.И. Маколкина]. - М., 2004. - 36с.

23. Prato F.S., Desjardins D., Keenliside L.D. et al. Light intensityand wavelength alters nociceptive effects of magnetic field shielding // BEMS. - Washington, 2006. - P. 156-158.

24. Крупаткин А.И. Влияние симпатической иннервации на тонус микрососудов и колебания кровотока кожи / А. И. Крупаткин // Физиология человека. - 2006. - Т. 32, № 5. - С. 95.

25. Марков Х.М. Роль оксида азота в патогенезе болезней детского возраста.// Российский вестник перинатологии и педиатрии. 2000. Вып.4 . С.43-47.

26. Черток В.М., Коцюба А. Е. Оксид азота в механизмах афферентной иннервации артерий головного мозга // Цитология. 2010. Т.52. Вып. 1. С. 24-29.