Значение окислительного метаболизма скелетных мышц в оценке течения их регенерации при удлинении конечности

© Е.Б. Трифонова, А.В. Осипенко , 1999

Значение окислительного метаболизма скелетных мышц в оценке течения их регенерации при удлинении

конечности

Е.Б. Трифонова, А.В. Осипенко

The role of oxidative metabolism of skeletal muscles in evaluation of their regeneration process during limb elongation

E.B. Trifonova, A.V. Osipenko

Россия, Екатеринбург, Уральский научно - исследовательский институт травматологии и ортопедии; директор - доктор медицинских наук С. М. Кутепов

В эксперименте на 104 взрослых беспородных собаках исследованы некоторые показатели окислительного метаболизма удлиняемой до 50 % скелетной мышцы, а также креатинфосфотрансферазная реакция и активность Са2+ - зависимой АТФ-азы. Установлена зависимость между режимом удлинения конечности и изучаемыми параметрами. Показаны преимущества билокального дистракционного остеосинтеза с суточным темпом удлинения 1 мм на каждом уровне с точки зрения метаболической адаптации мягких тканей.

Проведение корреляционного анализа данных показателей метаболизма в удлиняемой мышце и сыворотке крови позволило использовать последние в качестве критерия регенерации мышцы.

Ключевые слова: скелетные мышцы, регенерация, дистракционный остеосинтез, окислительный метаболизм.

Creatine phosphotransferase reaction and activity of Ca2+ - dependent ATP, as well as some indices of oxidative metabolism of skeletal muscle, being elongated to 50%, are studied, using 104 adult mongrel dogs. Dependence of limb elongation mode and the parameters studied is established. Advantages of bifocal distraction osteosynthesis with 1 mm daily rate of lengthening at each level are demonstrated from the aspect of metabolic adaptation of soft tissues. Correlation analysis of the metabolism indices in elongated muscle and blood serum allows using the latters as criterion of muscular regeneration.

Keywords: skeletal muscles, regeneration, distraction osteosynthesis, oxidative metabolism.

Формирующаяся концепция дистракционного гистогенеза открывает новые подходы к проблеме регенерации тканей и не исключает пересмотр некоторых устоявшихся положений о ее возможностях у млекопитающих [1-4]. Вместе с тем, в этих условиях остаются малоизученными механизмы регулирования восстановительных процессов в мышечной ткани.

Как известно, регенерация скелетных мышц характеризуется комплексом процессов деструкции, последующей дифференцировки и интеграции мышечных элементов регенерата. В основе ее заложены те же механизмы, которые формируются в эмбриональном гистогенезе [5]. Они включают внутриклеточную регенерацию миофибрилл в виде гипертрофии мышечных

волокон и клеточную дифференцировку миоб-ластов из миосателлитоцитов [6, 7].

Данные литературы свидетельствуют о зависимости оптимального режима растяжения мягких тканей «от физиологического диапазона удлинения, который определяется тестами изометрической флексии и экстензии» [8]. Тем не менее, способов оценки течения регенерации скелетных мышц с использованием показателей метаболизма, в частности, окислительных энзимов, нами в литературе не найдено. Поэтому целью работы явилось прогнозирование течения регенерации скелетной мышечной ткани при дистракции конечности на основе определения некоторых параметров окислительного метаболизма.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Эксперимент выполнен на 104 взрослых беспородных собаках в трех сериях. В первой серии (31 животное) удлинение голени проводили методом монолокального дистракционно-го остеосинтеза после компактотомии больше-берцовой кости на уровне средней трети ее диа-физа при сохранении внутрикостного кровоснабжения (МДО, 1 мм в сутки). Темп удлинения составлял 1 мм в сутки. Сроки наблюдения: 10, 50, 90 суток дистракции; 60, 120 и 180 суток фиксации. Во второй серии (30 животных) удлинение голени осуществляли методом било-кального дистракционного остеосинтеза после компактотомии большеберцовой кости на уровнях верхней и нижней трети (БДО, 1 мм в сутки). Дистракцию с темпом 1 мм в сутки на каждом уровне начинали на седьмой день после операции. Сроки наблюдения составили: 5, 25, 45 суток дистракции; 60, 120 и 180 суток фиксации. В третьей серии (32 животных) голень также удлиняли методом билокального дист-ракционного остеосинтеза с суточным темпом дистракции 2 мм на каждом уровне (БДО, 2 мм в сутки). Сроки наблюдения: 3, 12, 23 дня дист-

ракции, 60, 120 и 180 суток фиксации.

Контролем служили интактные животные (7 собак), содержащиеся в аналогичных условиях, и животные (4 собаки), у которых проводили компактотомию без дистракции.

В сыворотке крови и мышечной ткани определяли активность следующих ферментов: лак-татдегидрогеназы (ЛДГ), малатдегидрогеназы (МДГ), креатинфосфокиназы (КФК), сукцинат-дегидрогеназы (СДГ), Са2+-зависимой АТФ-азы, изоферментный спектр ЛДГ; также концентрации лактата (МК) и пирувата (ПВК) унифицированными методами (Маурер Д., 1971; Баба-скин А.М., 1976; Ещенко Н.Д., 1982; Северин С.Е., 1989). При расчетах использовали соотношения Н/М субъединиц ЛДГ и МК/ПВК.

Исследования сыворотки крови проводили в соответствии с опытными сроками, а взятие фрагмента малоберцовой мышцы - при выведении из опыта.

Полученные данные обработаны методами вариационной статистики с использованием пакета программ Statgraph 3.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Дистракционный миогистогенез характеризуется существенными изменениями показателей окислительного метаболизма скелетной мышечной ткани. На отдельных этапах эксперимента нами выявлен рост активности ЛДГ, МДГ, СДГ; превалирование анаэробных фракций ЛДГ; рост концентрации лактата и пирувата как в удлиняемых мышечных волокнах, так и в сыворотке крови. Эти данные свидетельствуют о стимуляции основных метаболических путей в регенерирующих скелетных мышцах. Положительная динамика отмечена и для КФК - реакции.

Обнаруженные изменения зависели от темпа, величины и режима удлинения. Рост активности исследуемых параметров наблюдали во всех группах животных на этапе дистракции, во время фиксации конечности тенденция менялась на противоположную.

Значительный рост общей активности ЛДГ выявлен в первой серии эксперимента (МДО, 1 мм в сутки) - 400 % на фоне преобладания М-фракций энзима, во второй группе животных наблюдался наименьший рост как общей активности ЛДГ (292 %), так и ее анаэробных тетра-меров (БДО, 1 мм в сутки, табл. 1).

Таблица 1

Динамика показателей гликолиза скелетной мышечной ткани в условиях билокального дистракционного остеосинтеза с темпом удлинения 1мм в сутки на каждом уровне

Исследуемые показатели Исход- Дистракция

уровень 5 25 45 60 120 180

Общая

актив-

ность 307,0 126,5 434,0 895,3 435,7 396,2 376,6

ЛДГ, ±20,0 ±21,7 ±11,1* ±23,2* ±4,6* ±587* ±65,9

нмоль n=7 n=3 n=6 n=7 n=4 n=4 n=5

НАДН /мин х

мг белка

Соотно-

шение 0,63 0,59 0,52 0,41 0,57 0,56 0,60

НЖ ±0,03 ±0,03* ±0,07 ±0,01* ±0,01* ±0,04 ±0,09

субъ- n=7 n=3 n=6 n=7 n=4 n=4 n=5

единиц

ЛДГ

Уровень МК 0,98 0,92 3,52 4,30 3,88 1,30 0,95

мкмоль ±0,05 ±0,13 ± 0,14* ± 0,41* ±0,02* ±0,53 ±0,07

МК n=7 n=3 n-6 п=7 n=4 n=4 n=5

/г ткани

Уровень ПВК, 0,128± 0,101 0,692 0,507 0,456 0,459 0,383

Мкмоль 0,009 ±0,015 ±0,013* ±0,0б8* ±0,03б* ±0,081* ±0,083

ПВК n=7 n=3 n=6 n=7 n=4 n=4 n=5

/г ткани

: p < 0,05 по сравнению с исходным уровнем

С середины периода дистракции повышалась активность энзимов аэробного метаболизма, коррелирующая с режимом растяжения ткани. Существенная стимуляция аэробного окисления (рост МДГ до 386 %; СДГ до 264 %) происходила у животных второй группы (БДО, 1 мм в сутки, табл. 2).

Период роста активности КФК самый продолжительный: с начала удлинения голени и до середины периода фиксации. Максимальные значения обнаружены во второй экспериментальной группе (438 %, БДО, 1 мм в сутки, табл. 2), что по литературным данным, предполагает высокий уровень синтеза миозина [13].

Таблица 2

Динамика показателей аэробного метаболизма и креатинфосфокиназы удлиняемой мышцы в условиях билокального дистракционного остеосинтеза с су-

* р < 0,05 по сравнению с исходным уровнем

Полученные результаты коррелируют с состоянием гистоструктуры регенерирующих мышечных волокон. Уменьшение диаметра мышечного волокна, склерозирование, распространение очагов миоцитолизиса, появление «волокон-мишеней» соответствуют высокой активности гликолитического цикла, что наблюдали в первой и третьей группах животных (МДО, 1 мм в сутки и БДО, 2 мм в сутки). Оптимальным режимом удлинения с точки зрения метаболической адаптации растягиваемых мио-фибрилл является билокальный дистракцион-ный остеосинтез с суточным темпом удлинения 1 мм на каждом уровне. В этой группе собак выявили существенную стимуляцию аэробного метаболизма, креатинфосфотрансферазной реакции, что является благоприятным свидетельством восстановительных процессов в ткани. Морфологические данные показывают распространенные признаки регенерации миофибрилл именно при этом режиме удлинения.

Учитывая динамику аналогичных исследуемых показателей регенерирующих миофибрилл и сыворотки крови при проведении корреляци-

онного анализа, мы выявили следующую математическую зависимость, которую можно применить для оценки метаболической адаптации мягких тканей:

К=(МДГсыв+КФКсыв-ЛДГсыв)хН/МхМК/ПВК, где к - коэффициент метаболической адаптации скелетной мышцы; МДГсыв - общая активность малатдегидрогеназы сыворотки крови , мккат/л; КФКсыв - общая активность креатинфосфокиназы сыворотки крови, Е/л; ЛДГсыв - общая активность лактатдегидрогеназы сыворотки крови, мккат/л; Н, М - субъединицы ЛДГ, %; МК -концентрация молочной кислоты в сыворотке крови, ммоль/л; ПВК - концентрация пировино-градной кислоты в сыворотке крови, ммоль/л.

При значении к > «-8» течение регенерации скелетной мышечной ткани можно оценить как благоприятное. При значении к < «-8» требуется коррекция режима удлинения.

Принимая во внимание полученные результаты, можно рекомендовать метод монолокального дистракционного остеосинтеза только до 30 % удлинения конечности. В случае дальнейшего растяжения существует риск возникновения необратимых изменений функционирования основных путей метаболизма и гистоструктуры удлиняемых мышц. В частности, в первой серии животных (МДО, 1 мм в сутки) в срок 180 суток фиксации отмечено угнетение всех метаболических циклов на фоне невосстановленного кровоснабжения ткани.

Оптимальным режимом дистракционного остеосинтеза, с точки зрения активности окислительных энзимов и креатинфосфокиназы удлиняемой скелетной мышцы, является БДО с темпом удлинения 1 мм в сутки. Дополнительным подтверждением преимуществ БДО перед МДО является динамика активности Са2+ - зависимой АТФ-азы (табл. 3).

Таблица 3

Динамика активности Са2+-зависимой АТФ-азы в растягиваемой малоберцовой мышце

Некоторые авторы используют ее в качестве «маркера функциональной активности мышц» [14, 15]. Полученные нами данные свидетельствуют об удовлетворительной сократительной способности удлиняемых волокон во второй группе собак (БДО, темп 1 мм в сутки), в то

точным темпом дистракции 1мм на каждом уровне

Исследуемые пока- Исходный Дистракция

затели уровень 5 25 45 60 120 180

Общая

активность

МДГ, 281,3 161,5 258,6 1087,1 350,2 358,3 240,1

нмоль- ±23 ±61,6* ±8,9 ±67,0* ±17,5* ±53,3 ±66,3

НАДН/ п=7 п=3 п=6 п=7 п=4 п=4 п=6

мин х мг

белка

Общая

активность

СДГ,мкг 2,21 1,13 3,32 6,44

Ре(СЫб)/ ±0,87 ±0,22 ±0,41* ±1,44* — — —

мин X мг п=7 п=3 п=6 п=7

белка

Актив-

ность 124,0 329,1 469,2 542,8 537,1 150,1 158,9

КФК, Е/г ±14,1 ±60,5* ±41,2* ±48,2* ±27,6* ±26,5 ±16,6

ткани п=7 п=3 п=6 п=7 п=4 п=4 п=6

Серия эксперимента Исходный уровень Дистракция

10% 30% 50%

МДО 0,127 ±0,030 п=7 0,120 ±0,016 п=4 0,202 ±0,056 п=7 0,089 ±0031 п=4

БДО (1мм) 0,127 ±0,030 п=7 0,137 ±0,025 п=4 0,164 ±0,034 п=5 0,163 ±0,017 п=4

МДО - монолокальный дистракционный остеосинтез БДО - билокальный дистракционный остеосинтез

время как в первой экспериментальной группе формируется тенденция к ее угнетению.

Таким образом, исследование активности некоторых ферментов гликолиза и цикла Креб-са, а также креатинфосфотрансферазной реакции позволяет на ранней стадии оценить со-

стояние регенерационных процессов удлиняемой мышцы и решить вопрос об индивидуализации режима удлинения (уменьшение или увеличение темпа дистракции, либо приостановка ее на некоторое время), что важно для клинической практики.

ЛИТЕРАТУРА

1. Илизаров Г. А. Напряжение растяжения как фактор, возбуждающий регенерацию и рост костной и мягких тканей // Тезисы докладов республиканской конференции. - 1984. - Киев, 1984. - С. 38-39.

2. Десятниченко К. С. Неколлагеновые белки костной ткани в регуляции скелетного гомеостаза, минерализации и репаративного остеогенеза: Автореф. дис... доктора мед. наук. - Челябинск, 1997 -35с.

3. Осипенко А.В., Черешнев В.А. Иммунобиологические механизмы регенерации тканей. - Екатеринбург, 1997. -130с.

4. Unchanged muscle after bilateral femoral lengthening. A prospective study of 9 patients with a 2-year follow up / I. Holm, H. Steen, P. Ludvigsen, I. Bjerkreim //Acta Orthop. Scand. - 1995. - Vol. 66, N 3. - P. 258-260.

5. Клишов А. А. Концепция клеточно-дифферонной организации тканей и проблемы регенерации // Реактивность и регенерация тканей: Тез.докл. науч. конф. - Л., 1990. - С. 32.

6. Центральные и местные механизмы, реализующие на клеточно-молекулярном уровне стимулирующее влияние чрескостного остеосинтеза на репаративные процессы / Г.А. Илизаров, К.С. Десятниченко, Ю.М. Ирьянов и др. // Эксперим. - теорет. и кли-нич. аспекты чрескостного остеосинтеза, разрабат. в КНИИЭКОТ: Тез. докл. Международ. конф. - Курган, 1986. - С. 16-17.

7. Кочутина Л.Н. Регенерационный миогенез мышц голени при ее удлинении в эксперименте // Изв. АН СССР: Сер. Биол. - 1990. - №4. - С. 565-570.

8. Шпунтов А.Е. Удлинение бедра полностью имплантируемыми управляемыми аппаратами Блискунова и реакция нервно-мышечного комплекса: Автореф. дис... канд. мед. наук. - М., 1995. - 22с.

9. Бабаскин А.М. Метод определения ПВК в сыворотке крови // Лаб. дело. - 1976. - N° 8.

10. Ещенко Н.Д. Методы биохимических исследований. - Л.: ЛГУ, 1982. - С. 190-195, 222-226, 207-222.

11. Практикум по биохимии / Под ред. С.Е. Северина, Г.А. Соловьевой. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 279с.

12. Маурер Д. Диск-электрофорез. Теория и практика электрофореза в полиакриламидном геле. - М.: Мир, 1971. - 247с.

13. Control of respiration in vivo by mitochondrial outer membrane and by creatine kinase: A new speculative hypotesis possible involvement of mitochondrial-cytoskeleton interactions / V. A. Saks, A.V. Kuznetsov, Z.A. Khuchua et al. // J. Mol. Cell. Cardiol. - 1995. - Vol. 27, N 1. - P. 625-645.

14. Сырбу С.И. Моноклональные антитела к Са- зависимой АТФ-азе саркоплазматического ретикулюма: их характеристика и применение для изучения структуры и функции Са насоса: Автореф. дис... канд. мед. наук. - Кишинев, 1987. - 21с.

15. Кальциевый насос сарколеммы контролирует расслабление гладкой мышцы /Ф. В. Бурдыга, Л. Г. Бабич, Т.Т. Таран, С.А. Кос-терин // Биофизика. - 1994. - Vol.39, № 2. - С. 365-371.

Рукопись поступила 05.04.1999.

Вышли из печати_

С.И. Швед, В.И. Шевцов, Ю.М. Сысенко Лечение больных с переломами костей предплечья методом чрескостного остеосинтеза

Курган, 1997. - 294 с., ил. 190, библиогр. назв. 200. ISBN 5-86-047-095-9. Тв. пер-т. Ф. 21х15 см.

В монографии определены показания и противопоказания к чрескостному остеосинтезу, подробно описана предоперационная подготовка, приведены методики чрескостного остеосинтеза при различных переломах костей предплечья, описано ведение больных в послеоперационном периоде. Дан анализ ошибок и осложнений, показаны пути их предупреждения и устранения, изучены отдаленные анатомо-функциональные результаты и проведен их анализ. Цена - 50 руб.