Зависимость электрофоретической подвижности эритроцитов от состояния кислотно-щелочного равновесия крови

УДК 612.117.7+616.155.392

Вестник СПбГУ. Сер. 3, 2005. вып. 1

В. Б. Матюшичев, В. Г. Шамратова

ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ ЭРИТРОЦИТОВ ОТ СОСТОЯНИЯ КИСЛОТНО-ЩЕЛОЧНОГО РАВНОВЕСИЯ КРОВИ

Информация об электрофоретической подвижности эритроцитов (ЭФПЭ) — биофизическом показателе этих клеток, косвенно определяющем их поведение в сосудистом русле, агрегатную устойчивость, деформируемость, а также реологические характеристики крови и интенсивность микроциркуляции в капиллярах [11], представляет большой научный и клинический интерес. Однако механизмы контроля этого жизненно важного параметра до сих пор не изучены. Поскольку эритроциты и плазма крови функционируют в организме как единое целое, прогрессу здесь, по-видимомуГ способствовали бы сведения о характере связи изменений ЭФПЭ и сдвигов в физико-химическом состоянии крови. Одним из существенных элементов подобного плана является кислотно-щелочное равновесие крови. Влияние рН (интегрального показателя этого равновесия) на ЭФПЭ систематически изучалось лишь в модельных опытах in vitro [6, 7]. Гораздо меньше сведений о сопряженном поведении электрокинетических свойств эритроцитов в условиях организма. Установлено, что ЭФПЭ крови человека изменяется под влиянием сдвигов рН, даже не выходящих за пределы его физиологических колебаний [12]. Однако при этом динамика соответствующей зависимости не исследовалась. Восполняя этот пробел, мы поставили своей задачей проанализировать характер связей ЭФПЭ с состоянием кислотно-щелочного равновесия крови у здоровых людей и при патологии.-

Материал и методика. Измеряли рН крови спортсменов-пятиборцев (гс=14) в возрасте 16-19 лет до начала цикла соревнований, после выполнения соревновательной нагрузки в первый день выступления и перед четвертым днем'состязаний. В качестве примера патологических состояний под аналогичным наблюдением находилась группа из 15 пациентов (17-73 года), оперированных по поводу язвенной болезни желудка или двенадцатиперстной кишки. Чтобы обеспечить в этих условиях формирование максимально широкого диапазона значений совместно варьирующих показателей, отбор проб крови проводили перед операцией, на высоте оперативного вмешательства и по окончании операции.

Контрольную группу составили клинически здоровые лица в возрасте 22-25 лет (п=20). Поскольку ЭФПЭ и рН крови не зависят от возраста человека, различия в возрастном составе групп не влияли на результаты сопоставлений. Для изучения частных показателей кислотно-щелочного равновесия крови и ее кислородного режима использовали кровь студентов (17-20 лет), взятую у них в период эмоционального покоя (гс=51) и через 3 часа после сдачи экзаменов (гс=15). У всех обследуемых студентов измеряли содержание гемоглобина в капиллярной крови. На анализаторе «AVL Compact-1» (Австрия) одновременно определяли рН проб, буферные основания (ВВ), дефицит буферных оснований (BE), напряжение углекислого газа и кислорода, степень насыщения гемоглобина крови кислородом (НЮ2). Для определения ЭФПЭ 0,02 мл крови разбавляли (1:200) 0,1моль/л фосфатным буфером (рН 7,4). Измерения проводили при 25 °С на'микроскопической установке «Пармоквант-2» (Германия), в автоматическом режиме. На базе 300 показаний индивидуальной подвижности эритроцитов в каждой из анализируемых проб производили расчеты средних ЭФПЭ, а также коэффициентов As-и- Ех распределения ЭФПЭ, для отдельных проб и в целом по группам. Достоверность различия средних значений оценивали с помощью t-критерия. Обработку данных по схемам корреляционного, регрессионного и факторного анализа выполняли с использованием пакета программ Statistica.

Результаты и их обсуждение. Результаты обследования показали, что при дли-

© В. Б. Матюшичев, В. Г. Шамратова, 2005

тельном психофизическом напряжении в ходе первого дня соревнований рН крови спортсменов достоверно возрастает с 7,36±0,01 %о 7,43±0,01 без существенного отклонения средней ЭФПЭ от своего предстартового уровня. При этом, однако, согласно полученным значениям коэффициентов Аб и Ех, происходит изменение структуры популяций эритроцитов по соотношению долей клеток с разной подвижностью в электрическом поле. В конце соревновательного цикла средняя ЭФПЭ снизилась на 2,8% (поскольку ЭФПЭ — чрезвычайно устойчивый показатель, Столь, казалось бы, малозаметные и даже меньшие изменения могут быть вполне достоверными и иметь значение для состояния организма),"а.уровень рН, напротив, нормализовался. Тем не менее в этот период наблюдения, наряду с отсутствием нарушений кислотно-щелочного равновесия крови в среднем, у части обследуемых отмечался ацидоз (рН менее 7,3), а у некоторых алкалоз (рН более 7,45). Видимо, к концу соревновательного цикла таким образом проявлялись индивидуальные особенности реагирования организма на интенсивную психофизическую нагрузку [2-4]. Соответственно, анализ' корреляций измеряемых параметров показал, что перед и после первого дня состязаний линейная зависимость ЭФПЭ от рН крови спортсменов отсутствует, тогда как перед последним днем соревнований между этими характеристиками выявляется достоверная связь (/-=--0,63).

Поскольку отрицательный исход попытки обнаружить линейную корреляцию параметров все же допускает возможность существования между ними связей иного рода, в дальнейшем мы изучили закономерности взаимоотношений значений ЭФПЭ и рН крови с помощью регрессионного анализа матрицы данных. Такой подход широко используется при составлении аЛлометрических уравнений [14]. Оказалось, что-эти взаимоотношения вполне реальны, а линия тренда зависимости ЭФПЭ спортсменов от рН их крови представляет собой параболическую кривую (/?2=0,99, е=8,2%) с максимумом,, приходящимся на значение 7,37. Сдвиг рН в сторону его уменьшения или возрастания на 0,1 единицы в обоих случаях сопровождается достоверным снижением средней подвижности клеток красной крови. . >

Интересно, что у больных людей среднегрупповая ЭФПЭ была снижена по сравнению с контрольным значением на 3,1% и в ходе операции изменялась незначительно. Величина рН крови обследуемых (7,42±0,02) в целом оставалась в пределах физиологической нормы, но тем не менее достоверно превышала уровень этого показателя в контроле (7,37±0,01). Сформированная группа больных оказалась неоднородной по индивидуальным реакциям: у ряда пациентов отмечался ярко выраженный алкалоз или ацидоз и лишь у половины больных колебания рН не выходили за границы нормы, что согласуется с литературными данными об особенностях распределения значений водородного показателя для патологии подобного типа [5]. Проведенный анализ не выявил достоверных линейных корреляций между рН и подвижностью эритроцитов крови обследуемых, но после составления суммарной матрицы данных и выполнения процедуры регрессионного анализа выяснилось, что взаимосвязь сопоставляемых параметров адекватно (/?2=0,99, е= 6,7%) аппроксимируется параболой третьего порядка с вершиной в точке, соответствующей рН 7,42 — в диапазоне физиологической нормы (7,35-7,45)..

При отклонениях рН крови от оптимума отмечается снижение электрокинетического потенциала эритроцитов, причем в.принятых нами границах оно отчетливей выражено при уменьшении рН, то есть при сходной в целом картине соподчиненности рН крови и ЭФПЭ в случае патологии обнаруживаются некоторые особенности. В частности, несколько различается положение точек оптимума рН. Кроме того, у больных изменение рН на такую же величину, как и у здоровых людей, приводит в среднем к более ощутимому замедлению ЭФПЭ.

Вопрос о механизме выявленного нами влияния рН крови на ЭФПЭ, очевидно, не

имеет однозначной интерпретации. Дело в том, что в опытах in vitro колебания рН в клинически значимом интервале совместимых с жизнью величин концентрации водородных ионов и при физиологических значениях ионной силы среды инкубации клеток совершенно не сказываются на уровне ЭФПЭ. Это означает, что изменения степени диссоциации ионогенных групп гликокаликса эритроцитарной мембраны не имеют отношения к наблюдаемым нами эффектам in vivo. К аналогичному заключению подводит и сам характер обнаруженной зависимости: ЭФПЭ снижается при отклонениях рН крови в обе стороны от оптимальных значений. Действие изменений рН, т. е дисбаланса кислотно-щелочного равновесия крови, по-видимому, опосредуется, главным образом, через процессы обмена веществ в плазме и эритроцитах, поскольку подобные сдвиги рН отражают факт перегрузки буферной системы крови избытком метаболитов, что способно повлиять на состояние мембран эритроцитов и их общий статус.

Воздействие колебаний рН крови на биоэлектрические свойства эритроцитов может реализоваться и с подключением внутриклеточных "механизмов. Даже незначительные изменения рН крови человека способны вызвать нарушения метаболизма и функционирования клеток. Известно, что метаболический ацидоз приводит к снижению в эритроцитах уровня глутатиона, АДФ и АТФ [13]. Изменение соотношения между активностью различных путей превращения глюкозы в эритроцитах, сопровождающееся угнетением синтеза АТФ, отмечается также и при выраженном алкалозе [1]. На метаболическую основу отмечаемых реакций ЭФПЭ указывает и то обстоятельство, что в норме изменения этого показателя выражены менее значительно. Поскольку у спортсменов явления алкалоза и ацидоза носят чисто функциональный, «психофизический», преходящий характер и существенно не нарушают общее состояние метаболизма, степень воздействия на ЭФПЭ сдвигов кислотно-щелочного равновесия крови у них не столь заметна [4]. Напротив, затяжные болезни сопряжены со стойкими расстройствами, затрагивающими множество звеньев метаболической сети [10]. Главное же здесь состоит в том, что равновеликим отклонениям рН в норме и при патологии соответствует качественно различная картина крови, особенности ее состава, которые, очевидно, и обусловливают поведение ЭФПЭ в этих случаях.

Рассматривая возможные механизмы влияния кислотно-щелочного равновесия на электрокинетический статус клеток красной крови, следует, видимо, учитывать также то, что для общего состояния эритроцитов имеет значение количество содержащегося в них гемоглобина, уровень его оксигенации и степень сродства к кислороду [8, 9]. В свою очередь, концентрация водородных ионов служит важнейшим модулятором этого сродства, а процессы оксигенации и дезоксигенации гемоглобина изменяют электрические характеристики эритроцитарных мембран [15]. Не исключено поэтому, что вклад колебаний рН крови в контроль электроповерхностных свойств эритроцитов отчасти проявляется и через регуляцию соотношения этих форм гемоглобина. Значение подобного механизма может оказаться весьма важным при стрессе, когда процессы адаптации направлены на улучшение снабжения тканей кислородом.

Предпринятая нами попытка изучения кислородного режима и кислотно-щелочного равновесия у студентов в состоянии эмоционального напряжения, возникающего при экзаменационном стрессе, показала, что взаимоотношения этих параметров гомеостаза в новых условиях функционирования организма резко изменяются. Судя по факторным структурам изучаемых показателей, при эмоциональных нагрузках, в отличие от контроля, усиливается влияние рН как на напряжение в крови кислорода и углекислого газа, так и на уровень оксигенации гемоглобина" Ведущий фактор, охватывающий 31 % общей дисперсии с высокой нагрузкой НЬО,, р02, рС02 и рН крови, характеризует систему,

обеспечивающую действие эффекта Бора — зависимость.сатурации гемоглобина от концентрации водородных ионов и СО,. •

Наличие связей рН крови с показателями кислородного режима подтверждает анализ матриц интеркорреляций (таблица). В частности, в покое величина водородного показателя коррелирует лишь с ВВ и ВЕ. При стрессе эти связи дополняются статистическим взаимодействием рН с концентрацией в крови НЬ и эритроцитов, с уровнем НЮ2, рС02 и р02. Помимо ковариаций рН, в покое к взаимодействиям НЬ-эритроциты и ВВ-ВЕ добавляются корреляции рС02 с ВВ и ВЕ , р02 и НЬ02, при эмоциональном же напряжении, кроме того', возникают взаимозависимости рС02 с р02 и НЬ02, р09 с НЬ02 и концентрацией эритроцитов, концентрации эритроцитов с НЬ02.

Поскольку водородные ионы- и С02 являются отрицательными модуляторами сродства гемоглобина к кислороду, повышающими дезоксигенацию НЬО.;, можно полагать, что адаптация организма к стрессовой ситуации осуществляется не только за счет «количественной» стратегии, но и путем роста эффективности механизмов, определяющих отдачу эритроцитами кислорода тканям. Однако усиление дезоксигенации гемоглобина может негативно сказаться на микрореологических свойствах крови. Анализ регрессионной кривой, отражающей зависимость ЭФПЭ от насыщения гемоглобина кислородом, показал, что резкое снижение уровня НЬ02 сопровождается ухудшением электрокйнетичес-ких характеристик эритроцитов.

Таким образом, проведенное исследование с определенностью продемонстрировало, что кислотно-щелочное состояние крови существенно влияет на биоэлектрический статус эритроцитов даже в пределах физиологических значений рН. Отклонения рН от оптимальных значений сопровождаются снижением ЭФПЭ крови, выраженность которого заметно усиливается при патологииЛВ совокупности с информацией о процессах,

Корреляционные матрицы показателей крови студентов в различных фазах

эмоционального состояния

Фаза Показатель НЬ рН рС02 ВВ ВЕ р02 НЮ2

Покой рН -0,20

рСОг -0,39 -0,04

ВВ -0,2 0,89* , 0,43*

ВЕ -0,36 0,88* 0,45* 0,99*

р02 0,23 -0,06 . -0,33 -0,18 -0,22

ню2 0,15 0,32 -0,35 0,16 0,12 0,91*

Эритроциты 0,89* -0,11 -0,35 -0,11 -0,26 0,16 0,14

Эмоциональное напряжение рН о

рСОг 0,19 -0,66*

ВВ -0,05 0,50* 0,28

ВЕ -0,34 0,60* 0,21 0,96*

р02 -0,54* 0,66* -0,70* -0,04 0,11

ню2 -0,46* 0,78* -0,77* 0,08 0,20 0,93* /

Эритроциты 0,97* -0,43* 0,13 -0,13 -0,41 -0,56* -0,47*

* Достоверные корреляции, р<0,05.

стоящих за изменениями рН крови, это означает, что контроль ЭФПЭ в сосудистом русле носит многофакторный характер и не ограничивается участием в нем такого интегрального параметра, как рН крови. В плане же интересов практической биофизики и гематологии во избежание возможных осложнений процедур кровозамещения важно, видимо, иметь в виду, что поскольку сдвиги рН негативно влияют на ЭФПЭ, они отрицательно сказываются и на реологических свойствах переливаемой крови.

Статья рекомендована проф. В. Н. Кокряковьт. Suriamary

Matyushichev V. В., Shamratova V. G. Dependence of electrophoretic mobility of erythrocytes on the state of blood acid-alkaline equilibrium.

The influence of blood acid-alkaline equilibrium changes on erythrocyte electrophoretic mobility of healthy people as well as deseases alimentary canal is studied. The distinct statistical intercommunications described with parabolic dependence under maximum falling on hydrogen index physiological variation diapason are discovered both at the state of a clinical norm and with examined patients between pH of blood and the erythrocyte mobility. It is ascertained that the deviation of blood pH into both sides from optimum are accompanied with decrease of erythrocyte electrophoretic mobility which becomes intensified at the pathology. More over the system of pH correlations with private indices of the blood acid-alkaline equilibrium is not distinguished with its stability and is modified under the change of organism functional state.

Литература

1. Борисюк M.B. Системный анализ механизмов регуляции сродства^крови к кислороду. 1. Внутриэритроцитарная регуляция сродства гемоглобина к кислороду // Успехи физиол. наук. 1983. №1. С. 85-101. 2. Вербицкий О. Н., СкЬрик JI. В., Мельниченко Е.В., Гаевой А. Применение гидрокарбонатсодержащей солевой смеси при коррекции деадаптационных процессов // Физиология человека. 1996. № 1. С. 116-122. 3. Милашюс К. М. Использование показателей энергетического обмена для'определения адаптации организма высококвалифицированных спортсменок / / Физиология человека. 1996. №6. С. 5-9. 4. Милашюс К. М. Влияние различных физических нагрузок, развивающих выносливость,на биохимические показатели крови у высококвалифицированных спортсменок / / Физиолргия человека. 1998. №4. С. 108-112. 5. Сенютович В. Ф., Геных С. И., Котурбаш В. Т. Кислотно-щелочное равновесие у больных с язвенной болезнью // Врачебное дело. 1977. №7. С. 75-78. 6. Сунгуров А. Ю. Электрофорез клеток // Цитология. 1984. №9. С. 983-996. 7. Трещинский А. И., Мищук И. И. Электрокинетические свойства крови // Анестезиол. и реаниматология. 1981. №9. С. 17 20. 8. Фок М.В., Зарицкий А. Р., Прокопенко Г. А., Грачев В. И. Эритроцит как физическая система. Кинетика трансмембранного переноса кислорода // Журн. общей биологии. 1994. №4-5. С. 583-613. 9. Фок М. В., Зарицкий А. Р., Прокопенко Г. А., Лобченко И. М. Кинетика переноса кислорода кровью / / Журн. общей биологии. 1994. №1. С. 84-95. 10. Циммерман Я.С., Михайловская JJ.B. Нарушение регионального кровотока и активность процессов перекйсного окисления липидов при рецидиве язвённой болезни и возможности их медикаментозной коррекции //Клиническая медицина. 1996. №4. С. 33-34. 11 .Чижевский А. Л. Биофизические механизмы реакции оседания эритроцитов. • Новосибирск, 1980. 12. Шамратова В. Г., Баширова P.M., Гареев Е.М. Электрокинетические свойства эритроцитов человека при психоэмоциональном напряжении и патологии. Уфа, 1995. 13. Шепотинов-ский В. И. Обменные процессы в эритроцитах при стрессе и экстремальных воздействиях // Патол. физиол. и эксперим. терапия. 1984*..№2. С. 70-74. 14. Шмидт-Ниельсен К. Размеры животных: почему они так важны? М„ 1987.15. Glaser R., Donath J. Temperature and transmembrane potential dependence of shape transformations of human erythrocytes / / Bioelectrochemistry and Bioenergetics. 1992. Vol.27. P. 429-440. ' /.

Статья поступила в редакцию 17 октября 2004 г.