способ восстановления массы постуральных мышц голени после воздействия гипокинезии и/или гипогравитации

Формула изобретения

Способ восстановления массы постуральных мышц голени после воздействия гипокинезии и/или гипогравитации, включающий воздействие физическими факторами на организм в интервальном режиме в течение 7 дней, отличающийся тем, что в качестве физического фактора воздействия используют нормобарическую кислородно-газовую смесь, которую подают циклами по 15 мин с 7-минутными перерывами нормоксии между циклами, при этом в 1-е и 2-е сутки подают кислородно-газовую смесь с содержанием 12% кислорода и 88% азота, а на 3-7-е сутки периода воздействия подают кислородно-газовую смесь с 10% кислорода и 90% азота, в 1-е сутки проводят 6 циклов общей длительностью 2 ч, 2-7-е сутки проводят 8 циклов, общей длительностью 3 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, более точно к физиотерапии, и может быть использовано в реабилитологии при восстановлении организмов, подвергшихся воздействию гипокинезии или гипогравитации.

Изобретение может найти применение как в медицине, так и в ветеринарии для восстановления массы опорных мышц голени после травм, при неврологических и нервно-мышечных заболеваниях, а также после космических полетов.

Актуальность проблемы определяется большой распространенностью заболеваний, приводящих к длительной постельной гипокинезии, а также длительным процессом восстановления мышц, в особенности постуральных мышц, отвечающих за поддержание позы, после их атрофии, вызванной гипокинезией и/или гипогравитацией.

К постуральным мышцам относится, прежде всего, камбаловидная мышца голени - основная мышца, отвечающая за поддержание вертикального положения туловища. Поддержание камбаловидной мышцы в активном состоянии возможно только при контакте мышцы с опорой (то есть земной поверхностью). В условиях гипокинезии, вызванной соблюдением длительного постельного режима, и/или гипогравитации (в ряде экстремальных условий, в том числе в космическом полете), где отсутствует опора, камбаловидная мышца становится неактивной и в короткое время атрофируется, поэтому поддерживать позу в период восстановления после гипокинезии и/или гипогравитации сложно. Период восстановления после воздействия гипокинезии и/или гипогравитации весьма длительный, в связи с чем проводится поиск условий или воздействий на данную мышцу с целью ускорить восстановительный процесс.

В настоящее время известен ряд способов восстановления мышечной массы скелетных мышц человека и животных после гипокинезии и/или гипогравитации.

Известен способ интенсификации восстановления скелетных, в том числе постуральных мышц человека, в условиях микрогравитации и/или гипокинезии, включающий ежедневные сеансы электромиостимуляции от 5 недель до 3-4 месяцев по 0,5-6 часов в день с подачей стимулирующих импульсов на электроды, установленные на поверхности кожи, и регуляцией значения амплитуды стимулирующего импульса до достижения одинаковой силы сокращения мышц на данной конечности при предотвращении ее движения в суставах, осуществляемый до и после выполнения дополнительно заданного комплекса физических упражнений (патент РФ № 2227048 от 11.09.2002 г.).

Недостатком известного способа является значительная длительность восстановительного периода.

Кроме того, при указанном воздействии могут возникать болевые ощущения, что является стрессорным фактором как для людей, так и для животных. К числу недостатков известного способа следует отнести необходимость выполнения дополнительно к электромиостимуляции комплекса физических упражнений, что требует увеличения общего времени воздействия, а также может негативно сказаться на здоровье людей, длительное время соблюдавших постельный режим, так как структурные элементы, которые воспринимают физическую нагрузку и участвуют в выполнении движений атрофированы после длительного нахождения людей и животных в условиях гипокинезии и/или гипогравитации. Об эффективности известного способа судят по увеличению работоспособности мышц, но не учитывают изменения массы и структуры мышц.

Известен способ восстановления мышц животных, включающий применение эксцентрических упражнений перед помещением животных в условия гипокинезии и/или гипогравитации с целью активировать восстановительные процессы в скелетных мышцах после эксцентрических упражнений (эксцентрическое сокращение мышцы - тип сокращения, при котором действующая на мышцу нагрузка больше, чем напряжение, развиваемое поперечными мостиками, образованными основными сократительными белками мышцы, актином и миозином. В кн. Фундаментальная и клиническая физиология./ Под. Ред. Камкина А. и Каменского А. Изд. Центр «Академия», 2004. стр.322 ст.2) и перед помещением животных в условия гипокинезии/гипогравитации (статья Prisby R.D. et al., Eccentric exercise prior to hindlimb unloading attenuated reloading muscle damage in rats в журнале Aviation and Space Environmental Medicine, 2004, 75(11): 941-6).

Недостатком известного способа является то, что при применении эксцентрических упражнений у животных возникают серьезные повреждения структуры мышц (J-G. Yu and L.-E. Thornell Desmin and actin alterations in human affected by delayed onset muscle soreness: a high resolution immunocytochemical study в журнале Histochemical Cell Biology, 2002, V.118, 171-179; Hack A.A., Lam M.-Y., Cordier L., Shoturma D., Ly C.T., Hadhazy M.A., Hadhazy M.R., Sweeny H.L., McNally E.M. Differential requirement for individual sarcoglycans and dystrophin in the assembley and function of the dystrophin-glycoprotein complex в журнале Journal of Cell Science, 2000, V.I 13, 2535-2544), которые при помещении животных в условия гипокинезии и/или гипогравитации с большой долей вероятности будут прогрессировать и инициировать развитие еще более глубоких атрофических повреждений мышцы.

Известен способ восстановления работоспособности скелетных мышц с использованием специального гимнастического устройства для тренировок (патент РФ № 2004135314 от 20.10.2005 г.). Недостатком известного способа является необходимость использования дорогостоящего оборудования (гимнастического устройства) и привлечения для выполнения воздействия высококвалифицированного персонала.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом заявляемого способа) является способ восстановления структуры постуральной мышцы животных, включающий воздействие на животных в период восстановления после гипокинезии и/или гипогравитации интервальной гипертермии, при которой животных помещают в специальную камеру с постоянной температурой в ней 41-41,5°С на 30 минут ежедневно в течение 7 суток (статья Selsby J.T., Rother S., Tsuda S., Pracash O., Quindry J., Dodd S.L. Intermittent hyperthermia enhances skeletal muscle regrowth and attenuates oxidative damage following reloading. В журнале Journal Applied Physiology 2007, 102(4): 1702-7).

Недостатком известного способа является значительное стрессорное воздействие на животных и человека при их нахождении в условиях повышенной температуры.

Технический результат предлагаемого изобретении состоит в уменьшении стрессорного воздействия вследствие исключения воздействия повышенной температуры, в возможности избежать повреждений мышцы, ослабленной при гипокинезии и/или гипогравитации, вызванных избыточной физической нагрузкой на мышцы; в снижении трудоемкости процедуры восстановления и материальных затрат, а также затрат труда высококвалифицированных специалистов.

Этот технический результат достигается тем, что в известном способе восстановления массы постуральных мышц голени после воздействия гипокинезии и/или гипогравитации, включающем воздействие физическими факторами на организм в интервальном режиме в течение 7 дней, в качестве физического фактора воздействия используют нормобарическую кислородно-газовую смесь, которую подают циклами по 15 минут с 7-минутными перерывами нормоксии между циклами, при этом в 1-е и 2-е сутки подают кислородно-газовую смесь с содержанием 12% кислорода и 88% азота, а на 3-7-е сутки периода воздействия подают кислородно-газовую смесь с 10% кислорода и 90% азота. В 1-е сутки проводят 6 циклов воздействия общей длительностью 2 часа, во 2-7-е сутки проводят 8 циклов общей длительностью 3 часа.

Способ осуществляют следующим образом.

В случае применения способа у животных.

Животных после их предварительного содержания в условиях гипокинезии/гипогравитации помещают в камеру, соединенную с аппаратом «Эдельвейс» так, что они имеют возможность свободно перемещаться по камере. Воздействие гипоксией осуществляют в интервальном режиме. Цикл включает 15 минут, когда животным подают воздух со сниженной концентрацией кислорода (10-12% кислорода и 88-90% азота), и 7 минут, когда животным подают воздух с нормальной концентрацией кислорода (21%). В 1-е сутки восстановительного периода проводят 6 циклов, общей длительностью 2 часа. Во 2-7-е сутки восстановительного периода общая длительность воздействия составляет 3 часа и включает 8 циклов. В 1-е и 2-е сутки восстановительного периода животным подают воздух с концентрацией кислорода 12% (88% азота). В 3-7-е сутки восстановительного периода, включительно, животным подают воздух с концентрацией кислорода 10% (90% азота). В остальное время животных содержат в стандартных условиях вивария.

В случае использования способа у человека.

После пребывания в условиях гипокинезии/микрогравитации пациент ежедневно дышит газовой смесью с пониженной концентрацией кислорода с помощью переносных или стационарных установок для нормобарической гипокситерапии. Кислородно-газовую смесь подают в интервальном режиме. Цикл подачи газовой смеси составляет 15 минут. В 1-е сутки восстановительного периода проводят 6 циклов, общей длительностью 2 часа. Во 2-7-е сутки восстановительного периода общая длительность воздействия составляет 3 часа и включает 8 циклов. В 1-е и 2-е сутки восстановительного периода пациентам подают воздух с концентрацией кислорода 12% и азота 88%. В 3-7-е сутки восстановительного периода, включительно, подают воздух с концентрацией кислорода 10% и азота 90%. В остальное время пациенты находятся в обычных условиях.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого способа интенсификации восстановления мышечной массы камбаловидной мышцы позволяет значительно снизить трудоемкость, материальные затраты, так как осуществление гипоксического воздействия не требует дорогостоящей аппаратуры и реактивов и может выполняться средним медицинским персоналом.

Аппаратура, необходимая для гипоксического воздействия на животных представляет собой стационарную установку «Эдельвейс» для нормобарической гипокситерапии, для человека - переносную или стационарную установку «Эдельвейс», производства ЗАО «НВФ Метакс» (г. Москва, Россия).

Предлагаемый способ интенсификации восстановления мышечной массы камбаловидной мышцы животных после воздействия гипокинезии/гипогравитации был использован для ускорения восстановления мышечной массы постуральных мышц после содержания животных в условиях гипокинезии в Государственном научном центре РФ - Институте медико-биологических проблем РАН (г. Москва).

Примеры осуществления способа

Самцов крыс линии Вистар после их предварительного содержания в условиях гипокинезии/гипогравитации, которые создавали по стандартной методике вывешивания задних конечностей животных (Globus R.K., Bikle D.D., Morey-Holton E. Effects of simulated weightlessness on bone mineral metabolism // Endocrinology, 114(6): 2264-70, 1984), помещали в камеру, соединенную с аппаратом «Эдельвейс», так, что животные имели возможность свободно перемещаться по камере. Воздействие гипоксией было проведено в интервальном режиме. Цикл составлял 15 минут, когда животным подавали воздух со сниженной концентрацией кислорода, и 7 минут, когда животным подавали воздух с нормальной концентрацией кислорода (21%). В 1-е сутки восстановительного периода проведено 6 циклов, общей длительностью 2 часа. Во 2-7-е сутки восстановительного периода общая длительность воздействия составила 3 часа и включала 8 циклов. В 1-е и 2-е сутки восстановительного периода подавали воздух с концентрацией кислорода 12% и азота 88%. В 3-7-е сутки восстановительного периода, включительно, подавали воздух с концентрацией кислорода 10% и азота 90%. В остальное время животных содержали в стандартных условиях вивария.

Помимо группы животных, проходивших курс восстановления в гипоксии после гипокинезии/гипогравитации, в работе также исследовали группу животных, которая не восстанавливалась после гипокинезии/гипогравитации, и группу крыс, которые проходили 7-суточный период восстановления в нормальных условиях. Эти группы служили контролем, позволяющим определить эффективность исследуемого воздействия.

По окончании курса восстановления крыс усыпляли введением пентобарбитала натрия (50 мг/кг веса животных), извлекали у них камбаловидную мышцу из обеих задних конечностей. Мышцы взвешивали, одну камбаловидную мышцу замораживали в жидком азоте и хранили при температуре -85°С. Вторую камбаловидную мышцу разрезали вдоль на 2 части примерно по 30 и 70%. Малую часть взвешивали и сушили при температуре +90°С в течение 2-х суток, после чего снова взвешивали для определения массы сухой мышцы, что позволило определить изменение массы белковой составляющей мышечной ткани. Большую часть использовали для исследований. Для определения площади поперечного сечения волокон камбаловидной мышцы и изменения числа клеток-сателлитов с замороженной мышцы делали поперечные срезы диаметром 10 мкм с помощью микротома («Leica», Германия). Затем срезы окрашивали с помощью специфических антител и делали фотографии срезов на флуоресцентном микроскопе с фотокамерой («Leica», Германия). Фотографии затем анализировали с использованием программного обеспечения фирмы «Leica» (Германия).

Результаты сравнения прироста массы мышечной ткани при восстановлении животных после гипокинезии/гипогравитации в нормальных условиях и при использовании предлагаемого способа интенсификации с помощью нормобарической гипоксии представлены таблице.

Как видно из таблицы, у животных после воздействия гипокинезии и/или гипогравитации масса сырой постуральной мышцы составляла в среднем 62,0±4,2 мг.

У животных, на которых воздействовали гипоксией после гипокинезии и/или гипогравитации, масса сырой постуральной мышцы составляла 131,4±9,4 мг, что в 2,1 раза (на 69,4±5,2 мг) больше, чем масса мышцы животных непосредственно после воздействия гипокинезии и/или гипогравитации. В группе животных, не подвергавшихся воздействию гипоксии в восстановительный период, масса постуральной мышцы увеличилась лишь в 1,6 раза (на 34,7±3,9 мг) по сравнению с массой мышц животных непосредственно после воздействия гипокинезии и/или гипогравитации.

По сравнению с интактными животными масса постуральной мышцы у животных, подвергавшихся воздействию гипоксии, увеличилась в 1,3 раза (на 28,5±5,9 мг). Результаты получены на 8 самцах крыс в каждой группе и достоверны с вероятностью 98%. Достоверность определяли с использованием критерия статистической достоверности Стьюдента.

Нами дополнительно исследовалась масса высушенной мышцы, которая отражает количество белка в мышце, то есть степень деградации или восстановления основных структурных компонентов мышцы. Масса высушенной постуральной мышцы у животных, подвергнутых воздействию гипоксии после гипокинезии и/или гипогравитации, увеличилась в 2,3 раза (на 20,9±6,4 мг) по сравнению с таковой массой у животных после воздействия гипокинезии и/или гипогравитации без восстановления, превысив при этом значение массы высушенной мышцы в контроле (у животных, не подвергавшихся никакому воздействию) в 1,4 раза (на 10,2±5,5 мг). По сравнению с массой высушенной постуральной мышцы животных, не подвергавшихся воздействию гипоксией в восстановительный период, масса постуральной мышцы животных, восстанавливавшихся в условиях гипоксии, увеличилась в 1,8 раза (на 16,2±5,3 мг). Результаты получены на 8 самцах крыс в каждой группе и достоверны с вероятностью 95%. Достоверность определяли с использованием критерия статистической достоверности Стьюдента.

У всех животных было исследовано количество клеток-сателлитов на одно мышечное волокно постуральной мышцы. Рост числа клеток-сателлитов отражает увеличение числа миоядер в скелетных мышцах, а следовательно, интенсификацию синтеза структурных белков мышцы. Клетки-сателлиты являются основным источником дополнительных ядер в скелетных мышцах взрослых особей.

У животных, на которых воздействовали гипоксией в период восстановления после гипокинезии и/или гипогравитации, количество клеток-сателлитов на одно мышечное волокно постуральной мышцы увеличилось в 1,5 раза (на 0,189±0,022 клеток/волокно) по сравнению с постуральной мышцей животных непосредственно после воздействия гипокинезии и/или гипогравитации. Количество клеток-сателлитов на одно мышечное волокно постуральной мышцы животных, восстанавливавшихся в условиях гипоксии, увеличилось в 1,6 раза (на 0,203±0,032 клетки/волокно) по сравнению с животными, не содержавшимися в восстановительный период в нормальных условиях. По сравнению с контролем (животные, не подвергавшиеся никакому воздействию) количество клеток-сателлитов на одно мышечное волокно в постуральной мышце животных, подвергавшихся воздействию гипоксией в период восстановления, увеличилось в 1,2 раза (на 0,106±0,035 клеток/волокно). Результаты получены на 8 самцах крыс в каждой группе и достоверны с вероятностью 95%. Достоверность определяли с использованием критерия статистической достоверности Стьюдента.

Таким образом, применение способа интенсификации восстановления мышечной массы камбаловидной мышцы с использованием нормобарической гипоксии позволило получить достоверный прирост мышечной массы сырой мышцы, достоверный прирост сухой массы мышцы и значительное увеличение числа клеток-сателлитов, что отражает повышение активности процесса синтеза белка, а следовательно, усиление прироста мышечной массы камбаловидной мышцы.

Наши наблюдения показали, что в результате применения предлагаемого способа происходит активация защитных механизмов организма животного, в том числе пролиферации клеток-сателлитов, восстановление сниженной при гипокинезии и/или гипогравитации мышечной массы, в том числе опорных мышц голени.

Способ позволяет обеспечить прирост мышечной массы постуральной мышцы за достаточно короткий период общего воздействия (7 суток), не снижая при этом концентрацию кислорода во вдыхаемой смеси.

Кроме того, появилась возможность избежать негативного эффекта как возникающего при гипобарии (снижение проходимости евстахиевых труб, вероятность выделения микросфер газообразного азота, что может привести к эмболии жизненно важных структур (В.Кадунцев, 1995)), так и негативного и возможного повреждающего действия гипероксии (30-100% кислорода).

Все перечисленное дает возможность применять предлагаемое изобретение как способ интенсификации восстановления мышечной массы постуральной мышцы после воздействия гипокинезии/гипогравитации, так как воздействие интервальной нормобарической гипоксией позволяет сократить общую длительность восстановительного периода, снизить материальные затраты, существенно уменьшить вероятность дополнительного стресса и повреждений, осуществлять воздействие непосредственно на камбаловидную мышцу.

Предлагаемый способ позволяет существенно снизить трудоемкость, затраты материальных и человеческих ресурсов при восстановлении камбаловидной мышцы, так как не требует использования дополнительной дорогостоящей аппаратуры и реактивов, специальных условий для содержания животных и/или человека в период восстановления после воздействия гипокинезии/гипогравитации.

Способ можно использовать в лечебных учреждениях для интенсификации восстановления мышечной массы камбаловидной мышцы, а следовательно, позы, после гипокинезии больных, вследствие заболеваний, долгое время соблюдавших постельный режим, для людей, пребывавших длительное время в условиях микрогравитации, в том числе в космическом полете.

Сравнительная характеристика эффективности восстановления мышечной массы камбаловидной мышцы после воздействия на нее гипокинезии/гипогравитации (усредненные данные по всей выборке, М±m, n=8)
Параметр	Группа
Контроль	Воздействие гипокинезией/ гипогравитацией	Воздействие гипокинезией/ гипогравитацией с восстановлением в норме 7 суток	Воздействие гипокинезией/ гипогравитацией с восстановлением в гипоксии 7 суток
Масса камбаловидной мышцы, сырая, мг	102,93±3,42	62,00±4,20	96,70±8,10	131,40±9,40
Масса камбаловидной мышцы, сухая, мг	27,25±2,27	16,56±1,32	21,30±2,44	37,45±7,76
Количество клеток-сателлитов на 1 волокно	0,457±0,021	0,374±0,034	0,360±0,024	0,563±0,056