Физиологические пусковые стимулы изменения размеров волокон скелетных мышц при тренировке и гравитационной разгрузке

Актуальность проблемы.

Пластичность — одно из важнейших свойств скелетной мышцы. Оно позволяет мышечной ткани адаптироваться к изменению условий функционирования, воздействующих как на мышцу, так и на организм в целом. Важную роль в реализации феномена мышечной пластичности занимает регуляция размеров мышечных волокон на системном и местном уровне. Согласно классическим представлениям, изменения показателей размеров мышечных волокон, таких как площадь поперечного сечения, влечет за собой существенные изменения сократительных возможностей целой мышцы.

Необходимость повышения мышечной работоспособности возникает как в спорте, так и при гиподинамии и гравитационной разгрузки. В спорте, при постоянно повышающемся уровне интенсивности и объема тренировочных нагрузок, структурно-функциональные изменения рабочих мышц обуславливают повышение работоспособности и обеспечивают повышение спортивных результатов. В качестве гравитационно-зависимой функциональной системы, мышечная система человека подвергается гипотрофии при пребывании в невесомости и в условиях моделирования ее действия [Козловская, Шенкман, 1997]. В невесомости и при длительном ограничении двигательной активности структурные изменения мышечных волокон в значительной степени сопровождаются снижением их функциональных возможностей и работоспособности человека, что в свою очередь сильно затрудняет последующую реабилитацию как двигательной, так и других систем. Необходимость исследования механизмов и динамики развития структурных изменений мышц в данных условиях связана не только с увеличением длительности и усложнением условий работы человека в космических экспедициях, но и тем, что гипокинезия, обусловленная значительным уменьшением объема двигательной активности человека, стала одной из важнейших социально-медицинских проблем современности. Длительное ограничение подвижности характерно для многих профессий, связанных с ведением работ в замкнутых объемах: подводники, летчики военной и гражданской авиации. Следовательно, задачи управления сократительными возможностями мышечной системы диктуют необходимость более глубокого и всестороннего исследования базисных закономерностей мышечной пластичности в условиях и и и повышенной и пониженной сократительнои активности мышц. Однако, до настоящего времени недостаточно изучены пусковые стимулы, определяющие изменения размеров мышечных волокон в условиях тренировки и реальной или моделируемой гравитационной разгрузки.

Принято считать, что развитие гипертрофии мышечных волокон в ходе силовой тренировки определяется уровнем резистивной нагрузки на мышцу [Ра1ешрт е1 а1., 1997]. В тоже время, гипертрофический ответ скелетных мышц наиболее интенсивно развивается при комбинированном использовании хронического растяжения (резистивной нагрузки) и хронической вызванной активности мышц [ХЗоШзртк е1 а1., 2002]. Применение электростимуляции в условиях пониженной сократительной активности мышц снижает степень атрофии скелетных мышечных волокон [811епктап е1 а1., 1996, Черепахин и др., 1981, Ильина-Какуева и др., 1989, От^вт е1 а1, 1989]. Не до конца ясно, что имеет ключевое значение для регуляции размеров мышечных волокон: сократительная активность мышцы или механическая нагрузка на нее.

Одним из подходов в поисках пусковых стимулов развития рабочей гипертрофии мышц является выявление специфических молекулярных компонентов, сопровождающих мышечную работу, приводящую к гипертрофическому эффекту. Силовая нагрузка, как правило, сопровождается интенсивным распадом одного из важнейших макроэргических фосфатов — креатинфосфата с образованием свободного 6 креатина. Это обстоятельство позволяет предположить, что повышенная концентрация креатина является одним из стимулов, обусловливающих развитие рабочей гипертрофии мышечного волокна. Прием креатина приводит к более выраженной гипертрофии скелетно-мышечных волокон в условиях силовой тренировки [Volek et al., 1999]. Однако, не все авторы подтверждают представление об анаболических эффектах креатина. Так некоторые исследователи сообщают об отсутствии изменений уровня синтеза белка в волокне при использовании креатина на фоне силовой тренировки и в покое [Magali Louis et al., 2003].

Инсулиноподобный фактор роста-1 — полипептид, который синтезируется в печени и в скелетных мышцах под действием соматотропного гормона гипофиза [Harridge, 2002]. На системном уровне инсулиноподобный фактор роста-1 является важнейшим стимулятором белкового синтеза в мышечных волокнах [Adams et al., 1998], который интенсивно экспрессируется в мышечной ткани и секретируется в системный кровоток при повышении сократительной активности мышц. В тоже время, чрезвычайно мало известно о роли инсулиноподобного фактора роста-1 в механизме контроля размеров мышечных волокон в ходе гравитационной разгрузки и послеразгрузочной реадаптации.

В последние годы к дистрофину мышечных волокон скелетных мышц, как к цитоскелетному белку с возможной сигнальной функцией, привлечено большое внимание исследователей. Так, известно, что помимо выполнения структурной функции в организации и защите сарколеммального комплекса и регуляции трансмембранного переноса макромолекул, дистрофии и ассоциированные с ним белки играют важную роль в регуляции дигидропиридиновых каналов [Johnson et al., 2005], нейрональной NO-синтетазы и аквапоринового комплекса [Wakayama et al., 1997; Crosbie et al., 2002]. Недавно было показано, что у животных, дефектных по гену дистрофина, при развитии системной кахексии, обусловленной интенсивным канцерогенезом, наблюдается лавинообразное усиление 7 протеолитических процессов в мышечной ткани [Acharyya et al., 2005]. По мнению D. Glass [2005], эти данные могут свидетельствовать о центральной роли дистрофина в негативной регуляции сигнальных механизмов, запускающих протеолитический комплекс. Некоторые данные последнего времени указывают на определенное сходство сигнальных механизмов, интенсифицирующих протеолиз в скелетной мышце при атрофических процессах различной природы [Lecker et al., 2004]. Поэтому естественно было предположить, что наличие дистрофина определенным образом сдерживает развитие атрофии и при функциональной разгрузке.

Известно, что редукция площади поперечного сечения мышечных волокон при гравитационной разгрузке обусловлена не только уменьшением содержания мышечных белков, но и дегидратацией. Причем соотношение белкового и небелкового компонента массы мышц в этих условиях остается неизменным [Ohira et al., 2002]. В то же время, существенное увеличение (до 50%) площади поперечного сечения мышечных волокон, регистрируемое на замороженных срезах в течение первой недели после возвращения животного к нормальной двигательной активности после разгрузки, часто рассматривают в качестве реального свидетельства восстановления мышечной массы [Ильина-Какуева и соавт., 2005]. Остается неизвестным, насколько эти изменения обусловлены реальным приростом мышечных белков, а не ускоренной регидратацией.

Цель работы.

Изучить действие некоторых физиологических пусковых стимулов, которые могут определять изменения размеров мышечных волокон в условиях тренировки и реальной или моделируемой гравитационной разгрузки.

Задачи исследования.

1. Оценить значимость механического напряжения для детерминации размеров скелетно-мышечных волокон в условиях длительной сократительной активности (на модели низкочастотной низкоинтенсивной электростимуляционной тренировки).

2. Изучить роль креатина, как гипотетического фактора, влияющего на степень мышечной гипертрофии на фоне тренировки и гравитационной разгрузки.

3. Исследовать функциональную взаимосвязь между уровнем инсулиноподобногр фактора роста-1 в крови и размерами мышечных волокон в условиях реальной и моделируемой гравитационной разгрузки, послеразгрузочной реадаптации и на фоне силовой тренировки.

4. Определить вклад процессов регидратации в восстановление размеров мышечных волокон в периоде реадаптации после гравитационной разгрузки.

5. Оценить возможную роль дистрофина в регуляции размеров мышечных волокон на фоне моделируемой гравитационной разгрузки.

Научная новизна.

1. Впервые морфологически показано, что растяжение мышцы на фоне длительной низкочастотной электростимуляционной тренировки приводит к увеличению площади поперечного сечения волокон в ш. vastus lateralis человека.

2. Обнаружено, что при 14-суточном антиортостатическом вывешивании крыс редукция размеров мышечных волокон сопровождается уменьшением концентрации инсулиноподобного фактора роста-1 в сыворотке крови, а последующая 7-суточная реадаптация приводит к значительному увеличению секреции инсулиноподобного фактора роста-1.

3. Впервые выявлено, что увеличение площади поперечного сечения мышечных волокон во время послеразгрузочного восстановительного периода в первые 7 суток определяется увеличением содержания воды в ш. soleus крыс.

Научно-практическая значимость.

Полученные данные расширяют представления о влиянии механического напряжения на размеры мышечных волокон, углубляя имеющиеся данные о феномене механозависимой пластичности скелетных мышц. Эти результаты имеют большое практическое значение, поскольку исследование пусковых стимулов, определяющих изменения размеров мышечных волокон при моделируемой и реальной гравитационной разгрузке позволяет оценить эффективность подходов, направленных на уменьшение или предотвращение негативного влияния невесомости на мышцы. Полученные результаты могут быть использованы в спортивной медицине как компоненты комплексных методов увеличения мышечной массы спортсменов при различных видах тренировок. Полученные данные, несомненно, имеют и важное клиническое значение, поскольку могут использоваться в практической медицине для ускорения восстановления после клинической постельной гипокинезии.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Ключевым фактором для изменения размеров мышечных волокон на фоне длительной сократительной активности является наличие или отсутствие нагрузочного (резистивного) компонента сокращения.

2. Инсулиноподобный фактор роста-1 участвует в регуляции размеров волокон скелетных мышц.

3. Восстановление площади поперечного сечения мышечных волокон т. 8о1еш крыс в ранние сроки послеразгрузочного реадаптационного периода главным образом связано с увеличением содержания воды в мышце.

выводы.

1. Длительная низкочастотная низкоинтенсивная электростимуляционная тренировка мышц не является достаточным фактором для увеличения размеров мышечных волокон.

2. Для увеличения размеров мышечных волокон в ходе длительной низкочастотной низкоинтенсивной электростимуляционной тренировки необходимо наличие нагрузочного (резистивного) компонента сокращения.

3. Прием креатина на фоне силовой тренировки привел к более выраженному увеличению площади поперечного сечения мышечных волокон m. vastus lateralis человека.

4. Прием креатина не оказывал влияния на размеры мышечных волокон m. soleus крыс в ходе антиортостатического вывешивания.

5. Атрофические изменения мышечных волокон m. soleus крысы в ходе 14-суточного антиортостатического вывешивания сопровождаются уменьшением концентрации инсулиноподобного фактора роста-1 в крови.

6. Возрастание концентрации инсулиноподобного фактора роста-1 в крови крыс при возвращении к нормальной двигательной активности после гравитационной разгрузки предшествует значимым изменениям неводного компонента мышцы.

7. Восстановление площади поперечного сечения мышечных волокон m. soleus крыс в первую неделю послеразгрузочного восстановительного периода главным образом связано с увеличением содержания воды в мышце.

8. Гипотеза об ограничении, дистрофином, атрофических процессов не находит своего подтверждения в условиях гравитационной разгрузки.

Автор работы выражает глубокую признательность научным руководителям Шенкману Борису Стивовичу и Лариной Ирине Михайловне. Автор искренне благодарит Гасникову Н. М., Литвинову К. С. и Саяпину М. В., Веселову Оксану, Третьякова Виктора и Доброхотова Игоря за помощь в проведении экспериментов на животных, Хотченкова В. П., и Пастушкову Л. Х. за помощь в обработке экспериментального материала, сотрудников лаборатории Физиологии мышечной деятельности и Физиологии движения ГНЦ РФ — ИМБП РАН. Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность рецензентам Нечипоруку Игорю Александровичу и Фокиной Наталье Михайловне за помощь в работе над текстом. Автор также признателен сотрудникам ЦУП и ЦПК им. Ю. А. Гагарина за оказанную поддержку и помощь при взятии биопроб. Автор благодарит за сотрудничество добровольцев и российских космонавтов, участвовавших в экспериментах.

Работа была поддержана Программой фундаментальных исследований Российской академии наук и Министерства промышленности, науки и технологий РФ, контрактом с Федеральным агентством по науке и инновациям № 02.467.11.3005, грантами РФФИ 04−04−49 044 и 04−04−48 757а.