Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Морфофункциональная характеристика капиллярного русла матки крыс при лазерном облучении

ВАК РФ 03.00.11, Эмбриология, гистология и цитология

Автореферат диссертации по теме "Морфофункциональная характеристика капиллярного русла матки крыс при лазерном облучении"

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВЛАДИВОСТОКСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МОРФОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КАПИЛЛЯРНОГО РУСЛА МАТКИ КРЫС ПРИ ЛАЗЕРНОМ ОБЛУЧЕНИИ

03.00.11 - эмбриология, гистология и цитология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

* «"V

На правах рукописи

Шакунов Сергей Аркадьевич

}

Владивосток, 1997

Работа выполнена во Владивостокском государственном медицинском университете

Научный руководитель: доктор медицинских наук, профессор

В. М. ЧЕРТОК

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор.

Член-корреспондент РАЕН В.М. КОЛДАЕВ;

доктор биологических наук Е.Я. Фрисман.

Ведущее учреждение: ЦНИЛ Дальневосточного государственного медицинского университета.

Защита состоится " 199 Р- г. на заседании

специализированного совета Д/084.24.01 при Владивостокском государственном медицинском университете (690600, г. Владивосток, пр. Острякова, 2, тел. 25-17-06)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владивостокского государственного медицинского университета (г. Владивосток. пр. Острякова, 2).

Автореферат разослан "У-^ " 199 ^г.

Ученый секретарь специализированного совета, доцент

Г.М. Холоденко

- 1 -

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Известно, что математическое описание работы биосистем существенно детализирует и углубляет представления о механизмах их функционирования в конкретных условиях эксперимента (Антомонов Ю.Г., 1977). Тем не менее, сведения о применении морфолого-математических подходов для описания и прогнозирования преобразований капиллярного звена микроциркуляции при воздействии низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) в литературе практически отсутствуют. Данное обстоятельство обусловливают необходимость исследований по разработке и приложению нетрадиционных для морфологии, в частности, математических подходов для анализа и прогнозирования результатов действия НИЛИ на биоткани.

Практически вне исследовательских интересов оказались вопросы о закономерностях и взаимосвязях количественных преобразований энзиматических систем микрососудов в период после воздействия на организм НИЛИ и при повторном облучении. В связи с этим, оказались недостаточно изученными вопросы о структурно-количественной взаимосвязи морфофункциональных процессов в организме во время и после воздействия НИЛИ, а отсутствие в настоящее время объективных методов и количественных алгоритмов для целевого планирования и прогнозирования эффектов НИЛИ в биотканях обусловливает во многом чисто эмпирический характер, используемый в клинической практике лазеротерапии (Байбеков И.М., с соавт., 1991; Козлов В.И., с соавт., 1989).

Объектом для морфолого-математического анализа результатов действия НИЛИ на биоткани мы выбрали микрососуды матки - полифункционального органа репродуктивной системы млекопитающих, обладающего хорошо развитым, пластичным микроциркуляторным руслом (МЦР), чутко реагирующим на эндогенные и экзогенные воздействия (Измалкова Г. Г., с соавт., 1994; Недобыльская Ю. П., с соавт. 1993; Немков Ю.П.. 1991; ЧертокА.Г.. 1987).

Цель работы. С использованием морфофункциональных и математических подходов выявить основные закономерности реакции капиллярного русла матки крыс на лазерное облучение.

В работе решались следующие задачи:

1. Изучить количественные морфофункциональные характеристики капиллярного русла эндометрия у интактных крыс и при облучении животных гелий-неоновым-лазером с различной продолжительностью.

2. Исследовать особенности реакции капиллярного русла матки

J

- 2 - г

при накожном и непосредственном воздействии на орган излучением гелий-неонового лазера.

3. Изучить количественные преобразования морфофункциональных показателей капиллярного русла матки в восстановительном периоде после лазерного облучения различной продолжительности.

4. Систематизировав опытные данные, построить и исследовать структурный портрет поведения изучаемой биосистемы в эксперименте.

5. Построить и исследовать математическую модель кинетики изменения АТФазной активности в гемокапиллярах при лазерном облучении и количественно описать взаимосвязь морфофункциональных показателей в изучаемых процессах.

Научная новизна. В работе представлены новые данные о морфофункциональных процессах в капиллярном русле матки крыс во время повторного лазерного воздействия и в восстановительных периодах, после однократного и двукратного облучений.

Проведен системный анализ морфофункциональных процессов в капиллярном русле в эксперименте, базирующийся на методах структурного и математического моделирования, в результате которого представлен адекватный механизм преобразования фермента при воздействии НИЛИ. Впервые лазероиндуцированные экспозиционные и восстановительные морфофункциональные процессы в капиллярах матки представлены во взаимосвязи, как непрерывный полифазный процесс. Построена математическая модель кинетики АТФазной активности капилляров матки при воздействии НИЛИ.

Теоретическое и практическое значение. Полученные материалы дополняют и детализируют имеющиеся данные о структуре морфофункциональных изменений микрососудов матки при воздействии неспецифических экзогенных факторов.

Результаты, полученные в работе, могут предсталять интерес при изучении механизмов биологического действия электромагнитных из-" лучений оптического диапазона, а также для теоретического обоснования показаний и режимов воздействия лазерным светом на органы репродуктивной системы млекопитающих и человека.

Представленные в исследовании материалы могут быть использованы в преподавании морфологических дисциплин, биохимии, медицинской и биологической физики.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Изменения морфометрических показателей капилляров матки при

накожном и непосредственном воздействии на орган излучением гелий-неонового лазера носят полифазный характер.

2. В экспозиционном и восстановительном процессах характер поведения энзима в стенке капилляров матки адекватно отражается моделью двухступенчатого преобразования фермента.

3. Построенная математическая модель кинетики АТФазной активности в стенке капилляров адекватно отражает процессы преобразования энзима в экспозиционном и восстановительных периодах.

Апробация материалов диссертации. Материалы диссертации доложены и обсуждены на заседаниях Приморского отделения ВНОАГЭ (Владивосток. 1995, 1996, 1997), IV научной конференции молодых ученых Владивостокского государственного медицинского института (Владивосток, 1988), Международной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора Н.В. Поповой-Латкиной "Структурные преобразования органов и тканей на этапах онтогенеза в норме и при воздействии антропогенных факторов. Проблемы экологии в медицине" (Астрахань, 1996), научной конференции, посвященной 90-летию со дня рождения профессора И.С. Кудрина "Структурно-функциональная организация органов и тканей в норме, патологии и эксперименте" (Тверь, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы и 4 глав собственных исследований, заключения, выводов, раздела внедрения результатов в практику, списка литературы и приложения. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста и содержит 10 таблиц, 20 рисунков, включающих 17 микрофотографий и 16 графиков. Указатель литературы представлен работами 146 отечественных и 103 иностранных авторов. Диссертация изложена на русском языке.

II. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучалось капиллярное русло (КР) эндометрия аналогичных участков правых маточных рогов (в дальнейшем матки) у 66 интактных, 13 ложновскрытых и 190 подвергнутых лазерному облучению (ЛО) половозрелых нелинейных белых крыс массой 180-200 г. Исследование образцов у животных проводили в начале фазы диэструс, выявляемой на основе трехнедельного анализа вагинальных смывов, окрашенных 5% раствором метиленового синего. Животных забивали декапитацией.

Выявление гемокапиллярного русла эндометрия осуществляли не-

разведенной, профильтрованной черной тушью после предварительного его промывания через грудную аорту подогретым до 37° С физиологическим раствором. Затем выделяли исследуемые участки органа и-готовили из них срезы толщиной 25 и 250 мкм.

Выявление в стенке сосудов магнийактивируемой АТФазы (КФ 3.6.1.4.) производили по методу Koenlg С. и Vial J.D. (1973). Образцы тканей инкубировали 15 минут при t = 37°С и рН = 7,2.

В работе измерялись: средний диаметр капилляров, суммарная длина капилляров в 1 мм3 ткани (СДК) и показатель активности фермента (ПАФ). В каждом срезе измерялось не менее 50 поперечных размеров различных капилляров. СДК рассчитывалась по методике С.М. Блинкова и Г.Д. Моисеева (1961). За ПАФ принимали экстинкцию капилляров на срезах, измеряемую сканирующим монохроматическим микроденситометром "Vickers М85" (Великобритания) с диаметром зонда 0,2 мкм. Фотометрирование в каждом случае проводили в 30-ти полях зрения, делая не менее 15 замеров на каждом капилляре.

В экспериментах применялось два способа лазерного воздействия на КР матки - накожное Л0 и непосредственное экспонирование (прямое облучение) органа. В первом случае особям экспонировали накожные биологически активные точки матки FeXIII/12XIII/ в правой паховой области, связанные с регуляцией ее функции (Hyodo М.D., 1975). Во втором, при лапаротомии выделяли правый маточный рог и подвергали непосредственному облучению его нижний сегмент.

Исследовалось 5 групп животных. Особям I группы однократно с различной длительностью (от 10 сек до 4 часов) облучали накожную зону. У животных II группы облучали непосредственно матку с длительностями экспозиций от 1 сек до 1 часа. В этих группах материал исследовали непосредственно после однократных ЛО.

В III группе животным однократно облучали накожную зону в течение 15 минут или 3-х часов. Затем, через определенное время (от 30 мин до 5 часов) после воздействия (в восстановительном периоде) материал подвергался исследованию.

Животные IV группы разделялись на две подгруппы. В первой подгруппе особям вначале облучали накожную зону в течение 15 минут, затем через 4 часа повторно производилось накожное ЛО в течение 15 минут. Животных второй подгруппы вначале подвергали накожному ЛО в течение 3-х часов, а через 1,5 или 4 часа производили повторное облучение накожной зоны с длительностями от 1 до 2.5 часов или от 3 мин до 1 часа соответственно. Материал во всей

группе исследовался непосредственно после повторного ЛО.

Крысам V группы вначале облучали накожную зону в течение 3-х часов, затем через 1,5 часа после окончания первичного ЛО их облучали повторно тем же способом в течение 2,5 часа. Материал в группе исследовали через 1 час после повторного экспонирования.

Контрольными в I. III, IV и V группах являлись интактные животные, во П-ой группе - ложновскрытые необлученные крысы, содержащиеся в одинаковых с экспериментальными особями условиях. Во всех группах исследованию подвергался правый рог матки.

Первичное воздействие лазером проводились в одно и то же время суток - между 12 и 16 часами при стандартном комнатном освещении (=250 люкс).

Источником НИЛИ служил гелий-неоновый лазер ЛГН-104, излучающий в непрерывном режиме свет с длиной волны 632,8 нм, со средним потоком излучения 20 мВт, величина которого устанавливалась градуированными светофильтрами типа НС и контролировалась измерителем средней мощности и энергии лазерного излучения "ИМ0-2Н".

Регрессионное сглаживание эмпирических зависимостей осуществлялось на основе минимизации среднего квадратического отклонения б с использованием машинных программ, построенных на основе метода итераций (Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д., 1972) и алгоритма Мар-куарта (Reich et al., 1972). Абсолютные ошибки параметров моделей определяли с использованием метода Монте-Карло (Дулепов В.И., 1995). При этом, на ЭВМ производилось по несколько тысяч реализаций коэффициентов уравнений регрессии для каждого случая. В каждой реализации они высчитывались для псевдослучайных значений, лежащих в интервале ошибок эмпирических кривых. Затем находились средние ошибки коэффициентов по всем реализациям.

Количественные данные обрабатывали используя вариационную статистику (Ивашев-Мусатов O.e., 1979), определяя взвешенное среднее арифметическое (Тейлор Дж., 1987) и границы доверительного интервала, при уровне значимости 0,05. Достоверность различий средних оценивали по непараметрическому критерию Вилкоксона-Манна-Уитни (Гублер У.В., 1978) при уровне доверия 95%. Фильтрацию вариационных рядов производили на основе однократного применения критерия Шовене (Тейлор Дж., 1987). Анализ качества аппроксимаций и взаимосвязи между величинами проводился на основе расчета коэффициента линейной корреляции г (Тейлор Дж.. 1987). а достоверность корреляционной связи и регрессионного сглаживания определялись с ис-

- 6 -

пользованием F-критерия (ГублерУ.В., 1978).

III. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При исследовании интактных крыс установлено, что инъекционный метод хорошо выявляет органную сосудистую сеть. Большая часть артерий наружного сосудистого сплетения в миометрии проходит цирку-лярно, отдельные ветви сосудов направляются в эндометрий, образуя их внутреннее сплетение. Артериальные сосуды, как правило, имеют меньшую кривизну по их ходу и более четкие контуры по сравнению с венами. Последние имеют многочисленные изгибы, локальные выбухания и перетяжки на стенках. В эндометрии сосуды различных порядков, ветвясь и анастомозируя, образуют петли полигональной и реже овальной формы. В отдельных слоях матки сосудистые сети имеют довольно равномерную плотность и лишь в участке миометрия, соответствующем мезометриальному треугольнику, образуются более густые сети.

Сосуды различного типа с положительной реакцией на АТФазу определяются во всех оболочках матки, но более они выражены в эндометрии. Помимо кровеносных сосудов, АТФазная активность выявляется в миоцитах миометрия и отдельных децидуальных клетках. Активность фермента более высока в артериальных сосудах, чем в венозных. Наблюдается гетерогенное распределение активности фермента как среди капилляров, так и по их ходу. В группах интактных животных, исследованных в разное время суток (от 12 до 20 часов), достоверных различий морфометрических параметров, измеренных при использовании гистохимического метода, не выявлено.

Для решения задач нашего исследования тактика эксперимента планировалась последовательно и направлялась на выявление в изучаемой биосистеме передаточных и регуляторных функций. Для этого, вначале была получена эмпирическая модель динамики морфогистохи-мических характеристик капилляров матки при воздействии на них НИЛИ с продолжительностью до 4-х часов через различные функциональные входы: накожную зону ~ (рис.1) и непосредственно' матку (рис.2). Затем, в опыте изучалась динамика морфометрических показателей в восстановительных периодах продолжительностью до 5 часов после однократного накожного ЛО с длительностями 15 минут (рис.3) и 3 часа (рис.4), а также при повторном облучении (рис.5) длительностью до 2,5 часов, возобновляемым после однократного 3-часового воздействия через 1,5 или 4 часа, и в 1-часовом вое-

120 -

110 -

100 -

130 -

120 -

110 -

100 -

Диаметр (%)

т т

л

—I-1-1-1-1-1-1—

10с 30с 1мин 5мин 15мин ЗОмин 1ч

Н—

Зч

I

44

обл

Рис.1. Динамика морфофункциональных показателей (ПАФ - о, СДК - «а и среднего диаметра капилляров - Д) при накожном ЛО. За .100% приняты контрольные уровни показателей, ^вл - длительность ЛО. Метод выявления микрососудов - гистохимический.

- 130

- 120

- 110

- 100

- 90

- 80

120 -

110 -

1*об л

Рис.2. Динамика морфофункциональных показателей (ПАФ - о, СДК - о и среднего диаметра капилляров - д) при прямом облучении матки. За 100% приняты контрольные уровни показателей. Метод выявления микрососудов - гистохимический.

становительном периоде после вторичного ЛО (рис.5).

Данные экспериментов свидетельствует, что морфофункциональные изменения КР эндометрия выявляются как на качественном, так и количественном уровнях через 5-15 минут при накожном ЛО и через 10-30 секунд при непосредственном облучении матки. При этом, плотность энзимпозитивной сосудистой сети, СДК и ПАФ возрастают. Дальнейшее увеличение экспозиции при обоих способах ЛО вызывает уменьшение числа энзимпозитивных сосудов, понижение ПАФ и СДК.

У облученных животных, по сравнению с интактными крысами, отмечается увеличение среднего диаметра и извитости микрососудов, появление выбуханий и перетяжек по их ходу.

Сравнение качественных преобразований КР, происходящих во время накожного ЛО и после его устранения указывает на их взаимно-обратную последовательность, что также отражается и во взаимно-инвертированном характере преобразований морфофункциональных показателей в восстановительных периодах (рис.3, рис.4) и сопряженных с ними экспозиционных процессах соответственно с длительностями облучения 15 минут и 3 часа (рис.1).

При накожном ЛО (рис.1) и непосредственном экспонировании матки (рис.2) выявляется структурное подобие морфофункциональных процессов: одновершинный характер преобразований для ПАФ и СДК с выходом на стационарное плато, Б-образный - для среднего диаметра капилляров с одновременной стабилизацией всех морфометрических показателей. Основное различие между этими двумя процессами состоит в наличии лаг-периода у ПАФ и СДК при накожном ЛО и в его отсутствии при прямом воздействии НИЛИ на орган. Последнее, очевидно, свидетельствует об инерционности передаточного звена биосистемы кожа орган-мишень. В свою очередь, выход на стационарное плато всех показателей свидетельствует о толерантности КР к воздействию НИЛИ в рамках изучаемых морфогистохимических величин.

Следующий этап нашего исследования был направлен на выявление принципов функционирования исследуемой биосистемы и анализ характера ее регуляторных функций, проявляющихся в эксперименте. Для этого весь массив экспериментальных данных был систематизирован в виде структурного портрета биосистемы (рис.6), отражающего ее поведение (фазовые маршруты) в масштабе непрерывного времени Ь.

В ходе анализа построенного структурного портрета были выявлены эквивалентные хронологически разделенные состояния биосистемы, из которых при адекватных на неё воздействиях она отвечает одно-

ПАФ (%)

130 -

120 -

110 -

100 -

СДК (Я) Ь 140

- 130

- 120

- 110

- 100

108 - т

104 -

100 -

30 мин

1 час

т-г

2 часа 3 часа

4 часа и

Рис.3. Динамика морфофункциональных показателей (ПАФ - о, СДК

- □ и среднего диаметра капилляров - Д) после устранения накожного лазерного воздействия,' продолжавшегося в течение 15 минут. За 100% приняты контрольные уровни показателей. ^осст

- длительность восстановительного периода. Метод выявления микрососудов - гистохимический.

Рис.4. Динамика морфофункциональных показателей (ПАФ - о, СДК - а и среднего диаметра капилляров - д) после устранения накожного лазерного воздействия, продолжавшегося в течение 3 часов. За 100% приняты контрольные уровни показателей. Метод выявления микрососудов - гистохимический.

ПАФ (%) 130 ■

120 -

110 -

100

4 час

—I-

4,5 час

т 0

и-

5 час

1 час

ьвосст ^>об л

3 мин 15 мин

Рис.5. Динамика ПАФ: после однократного 3-часового накожного ЛО (о); во время и после повторного накожного ЛО (в - сплошная и пунктирная линии соответственно). "Т" и "1" - моменты начала и устранения повторного ЛО соответственно. За 100% принят контрольный уровень показателя.

типным поведением по всему набору изучаемых показателей. Адекватными воздействиями в данном случае считались либо равнодлительные лазерные экспозиции, либо их устранения. При этом оказалось, что маршруты биосистемы, соединяющие ее эквивалентные состояния, обязательно содержат в себе отрезки экспозиционных и восстановительных фазовых траекторий, что подтверждает взаимно-компенсационный характер этих процессов.

Рис.6. Структурный портрет биосистемы, отражающий морфофункци-ональные процессы в энзимпозитивных капиллярах матки в масштабе непрерывного времени Ь, в экспозиционных (сплошные линии) и восстановительных (пунктир) процессах. Способ облучения - накожный. Объяснение в тексте.

)

На основании статистической адекватности следующих пар фазовых траекторий: 0->А и Г->К, Р->К и 1->П, А-*В. и М-Р была выявлена функциональная близость (квазиэквивалентность) состояний биосистемы, изображаемых на рис.6 точками О, Г и I. При этом, учитывая, что процессы Р-*К и соответствуют повторному облучению, можно заключить, что после однократного ЛО изучаемая биосистема способна переходить в состояние функционально близкое к интактному режиму.

Аналогично была выявлена эквивалентность состояний биосистемы, изображаемых на структурном портрете фазовыми точками А и Н, которая следует из адекватности маршрутов А-»В-»С и Н->Ь-»М.

Из этих данных следует, что маршрут биосистемы А-»Е-*Г, сопрягающий фазовые траектории 0-*А и Г->К, по конечным состояниям адекватен мнимому переходу А->0, фазовые траектории А-*В-»С и ОЕ->Н имеют взаимно-компенсирующий характер, а процессы А-»Е-»Е и Н->1 равнозначны. Следовательно, в восстановительном процессе биосистема ре-лаксирует к состоянию параметрически близкому к интактному.

Релаксация биосистемы проявляется и после устранения повторного ЛО. Свидетельством этому служит выявленная адекватность восстановительных маршрутов С-^ и М-»<1.

Анализ поведения биосистемы в эксперименте также указывает на отсутствие явного функционирования в ней замкнутых регуляторных контуров. Так. Б-образный характер изменения среднего диаметра капилляров в экспозиционных процессах и различие (Р < 0,05) на 58% его значений, принимаемых в режимах стабилизации при разных способах ЛО (рис.1, рис.2), свидетельствует об отсутствии в системе регуляции по отклонению этого показателя, что свойственно системам, работающим в режимах управления внешним возмущающим воздействием (Антомонов Ю.Г., 1977). Управление этим показателем по возмущению проявляется и в том, что во время ЛО средний диаметр только возрастает, а при устранении облучения только убывает.

Статистическая воспроизводимость (Р < 0,05) максимумов ПАФ и СДК при одновершинном характере преобразования этих показателей как при различных способах ЛО (рис.1, рис.2), так и в восстановительном периоде (рис.4) в общем случае может указывать на регуляцию этих параметров биосистемы по их отклонению (по принципу обратной связи). Однако, анализ структурного портрета (рис.6) и в этом случае не выявил присутствия данного вида регуляции в биосистеме. Функциональный характер регуляции названных морфометри-

ческих величин также соответствует управлению по возмущению, что четко проявляется при тестировании системы периодическим ЛО. Так, устранение облучения в режиме стабилизации ПАФ и СДК, вызывает их возрастание (процесс С-ЧНН), что говорит о прямой зависимости уровня регуляции от возмущающего фактора. Возобновление облучения в постэкспозиционном периоде, соответствующем фазе убывания показателей - вызывает одновершинный переходный процесс МНР. что указывает на отсутствие регуляции в первой его фазе ИТ. Аналогичный эффект наблюдается и в процессе Е-»К. Следовательно, в ходе восстановительных процессов регуляторная функция системы, направленная на уменьшение показателей, утрачивается, в чем и проявляется ее пассивный характер и зависимость от возмущающего лазерного фактора (Ь-фактора).

Зависимость регуляции от возмущения выявляется и в эксперименте с прямым экспонированием матки. Глубина регуляции при этом значительно больше, чем при накожном облучении (Р < 0,05), хотя, как указывалось выше, зависимость максимальных значений ПАФ и СДК от способа ЛО статистически не выявляется. Вместе с этим, к аналогичным выводам приводит учет существенного влияния способа ЛО на кинетику регуляторной фазы (рис.1, рис.2).

Все эти данные убеждают о зависимости всех фаз экспозиционного процесса от возмущения. Поэтому, экспозиционный процесс выглядит как нелинейное возмущение биосистемы Ь-фактором, а восстановительные процессы, как релаксация возмущения.

Учитывая, что время полуобмена для различных мембранных ферментов составляет от 4 часов до 16 суток (Ко1ук А., Лпасек К.. 1979, 1980), относительно быструю активацию энзима в эксперименте можно связать с переходом его неактивных молекул Г0 в активированное состояние Г+, а дальнейшее уменьшение ПАФ в экспозиционном процессе (рис.1, рис.2) можно интерпретировать только двумя альтернативными механизмами: релаксацией в исходное состояние Г+ -» Г0 или переходом молекул Г+ в неактивное состояние Г., отличное от исходного Г0. Однако, результаты, полученные при анализе структурного портрета биосистемы, позволяют исключить механизм уменьшения ПАФ по типу релаксации Г+ Г0, так как фазовый маршрут биосистемы А-В-*С (рис.6) не эквивалентен маршруту вдоль мнимого перехода А-»0. Следовательно, из состояния А биосистема через маршрут А-»В-*С переходит в новое состояние С, отличающееся не только параметрически от состояния 0, но и качественно. Выражая

этот факт через введенные состояния фермента, можно заключить, что уменьшение ПАФ в процессе ЛО связано с переходом энзима из активного состояния F+ в неактивное - F-, отличающееся по качеству от исходного F0. Очевидно, что состоянию F. может отвечать ин-гибированный или солюбилизированный энзим.

На основании изложенного можно заключить, что общая структура изменений ПАФ в эксперименте качественно отвечает кинетической модели двухступенчатого преобразования фермента в виде

a i

О > s + > - F(.), (1)

где прямые переходы (слева-направо) соответствуют экспозиционным

процессам, а обратные (справа-налево) - восстановительным; а, 1 -квазиконстанты равновесия процессов, зависимые от уровня возмущающего L-фактора.

Приведенные рассуждения позволяют дать объяснение коррелированному изменению ПАФ и СДК во всех изученных процессах. Так, принимая во внимание гетерогенность реальных биосистем, следует ожидать распределения состояний фермента (F0, F*, F.) по длине капилляров, вследствие чего каждому микроучастку KP с разными состояниями фермента можно поставить в соответствие их длины (L0. L+, L.) и таким образом однонаправленно связать изменения СДК и ПАФ по аналогичной схеме:

L0 - L+ = L-. (2)

Допуская квазистационарность процессов (1) (это согласуется с наблюдаемым влиянием способа ЛО на кинетику АТФазной активности), и сохранение общего количества фермента в мембранах, нами была получена следующая система стационарных кинетических уравнений: f( + ) = а- CF(o) + f(0)), f(-> = i- (f( + ) + fo>. \

f(e) + f( + ) + f(-) = 0. f(0) + <F( + ) + <F<-, = F, /

где Т(0). f<+). f(-) ~ исходные концентрации энзима в рассматриваемых состояниях, соответствующие среднефизиологическому уровню; f(o), f(+>. f(-)~ текущие отклонения концентраций энзима от начальных значений; F - общее количество фермента.

При составлении уравнений (2) учитывалось влияние возмущающего фактора на весь ансамбль состояний F(0) и F(+) (это согласуется с кинетическим процессом при прямом ЛО органа), а восстановительный процесс представлен как гомеостатическая релаксация текущих отклонений концентраций от интактного равновесного состояния.

При моделировании кинетики L-фактора (эффектора), учитывая хи-

мизм первичного взаимодействия света с биосредой (Конев С.В., Во-лотовский И.Д., 1979), считалось, что скорость его образования в зоне непосредственного облучения пропорциональна интенсивности лазерного света и снижается по мере увеличения концентрации эффектора к данному моменту времени. Также, основываясь на результатах экспериментов и анализа их результатов, считалось, что скорость образования эффектора в органе-мишени пропорциональна его концентрации в зоне облучения и снижается по мере ее увеличения в органе к данному моменту времени. Эти рассуждения нами были выражены в виде системы дифференциальных уравнений

dlj ( а-Е, о < t < т,1

- + р-1,

dt

diz

dt

( см

= С =

v 0.

t > т.

+ E-lj

Tf-li.

(4)

где 11, 12 - средние уровни Ь-фактора в зоне ЛО и органе-мишени соответственно; а, р, К, е - коэффициенты размерности и пропорциональности; С - функция переключения режимов (облучения и восстановления); Е - интенсивность света; х - длительность ЛО. Члены р•1! и е-12 характеризуют обратимое накопление фактора за счет его диссипации в биосистеме.(в согласии с экспериментом).

Используя линейное приближение, константы равновесия в системе (1) были приняты пропорциональными концентрации эффектора. С целью уменьшения количества параметров модели, коэффициент пропорциональности между квазиконстантой равновесия а и концентрациями Ь-фактора был принят за единицу. Выразив ПАФ в процентах его отклонения от среднефизиологического уровня, в качестве начального условия было принято следующее: Т(+) = 100%. При этом, решение уравнений (4) и (3) привело соответственно к зависимостям вида:

li (Т)

12(Т)

= - [l - ехр(-рт)] + 1 о i ехр(-рт),

ехр(-рт) Р

Y-С К-С г ехр(-ЕТ)

Lz Lz. Г Р-Е Е-Р L

]

rio

Z

т = t - t0

Y * 1

+ -—^ [ехр(-рт) - ехр(-ЕТ)] + loz-exp(-eT), С = а-Е НТ - т), a = 13. i = К13,

(5а)

- 18 -

а-[Т(0) - 100-1]

ПАФ(Ж) » Г(+)(Ж) =■ - . (56)

1 + а <1 + 1)

где А = аЕ/р; В = а^Е; К - константа; 10|. 1ог - концентрации эффектора в начальный момент времени Ь = ^ в зоне облучения и органе-мишени соответственно; д - единичная функция; т - длительность ЛО, отсчитываемая от начального момента 3 = 1,2. При 3 = 1 модель соответствует прямому воздействию лазером на орган-мишень, при 3=2- опосредованному (через накожную зону).

Используя решения (5а, б) для аппроксимации экспериментальных зависимостей ПАФ от длительностей ЛО и восстановительных периодов, соответствующих однократному циклу и разным способам облучения, были получены следующие оценки для параметров модели, соответствующие времени, выраженному в секундах: А = 68,08 ± 4,10; В = (5,92 ± 0.14)-10"5; К = (1,01 ± 0,08)-10"2; Т(0>=46.2± ±3,2; р = (6,02 + 0,17)-10"3; с = (3,11 ± 0,25)-Ю'4. При центральных значениях параметров среднее квадратическое отклонение теоретических кривых от эмпирических оказалось не выше 1,85, а коэффициенты корреляции не ниже 0,99 (Р < 0,01), что говорит о превосходном согласовании модели и экспериментальных зависимостей, соответствующих как различным способам воздействия лазером на капилляры матки, так и восстановительным процессам.

Использование модели (5а, б) для прогнозирования процессов изменения ПАФ, связанных с повторным ЛО, позволило получить достоверный прогноз для всех хронометрических сечений процессов (Р < 0,05).

Машинное исследование параметрических реакций модели указывает на принципиальную возможность формирования динамических процессов путем выбора зоны облучения, интенсивности лазерного излучения, а также длительностей ЛО и постэкспозиционных периодов.

Применение регрессионного и корреляционного анализа позволило построить линейную модель связи между морфометрическими параметрами КР и модельными величинами, которая имеет следующий вид

= (0.72 ± 0.08)-Г(-). г(Б+, Г(.)) - 0.87; (6а) и = (1.21 ± 0.15)-Го. г(Ь+, Г( + )) = 0.93; (66)

и = (1.20 ± 0.19) ПАФ, г(Ь+. ПАФ) = 0.91; (6в)

Г(.) - (1.16 ± 0.03) 1, г«(.). 1) ■= 0.98; (бг)

где 0+, Ь+, 1 - средний диаметр, суммарная длина энзимпозитивных капилляров и концентрация Ь-фактора соответственно; г - коэффици-

енты линейной корреляции. Значения величины f(.) моделировались на основе системы (3) и зависимостей (5). Модель (6а - 6г) отражает связь величин по всему разнообразию изучаемых процессов. Величины в ней выражены в процентах отклонения от среднефизиологи-ческого уровня.

Тесная связь между D+ и f(-} указывает на то. что изменение среднего диаметра связано с накоплением фермента в капиллярах в состоянии F-, вследствие чего энзиматическая активность перераспределяется на микрососуды с относительно большим диаметром.

Процесс преобразования фермента (1) при воздействии НИЛИ вдали от ее начального равновесия можно рассматривать как односторонний

F0 - F+ - F., (7)

для которого имеет смысл линейное приближение с константой к

df(-)/dt = kf(+), (8) откуда, на основе соотношений (6а, 66) имеем следующее:

dD+/dt = kif( + ) = k2L+ = (kif (+ > + k2L J/2, (9)

где ki, k2 - константы, а их соотношение определяется из (6а, 66).

Дифференциальное соотношение (9) связывает все три морфометри-ческие показателя. Очевидно, что оно не выражает зависимости между величинами, а является их феноменологическим соотношением, которое свидетельствует о том, что более быстрое возрастание среднего диаметра энзимпозитивных капилляров сочетается с более высокой активностью фермента и большей энзимпозитивной СДК.

С целью выяснения функциональной роли, которую может иметь перераспределение АТФазной активности в процессе ЛО на капилляры с относительно большим диаметром нами была рассмотрена геометрическая модель гематоцеллюлярных компартментов (рис.7).

Рассматривая обмен веществ между компартментами как физиологическую функцию, на основании принципа адекватности конструкции биосистем их заданной функции (Rachevsky N.. 1960), очевидно, что более эффективный обмен веществ для данного компартмента будет соответствовать минимизации следующего оценочного показателя:

V/S - min, (10)

где V - объем компартмента; S - площадь его обменной поверхности.

В соответствии с рис.7, объемы цилиндрических компартментов, площади базальной S6 и люминальной Бл границ на единицу длины капилляра пропорциональны следующим величинам:

VK ~ (D - а)г; Vc ~ 2да - az; VT - 2Dß + ß2; (11)

S6 ~ (D - а); Бл ~ D. (12)

- 20 -D

I vT

I T К А

IB1 Ibii

P

К . p

0

.B.. .b.,

T

к

А H Ь

Рис.7. Геометрическая модель гематоцеллюлярных компартментов. О - внешний диаметр капилляра; а - толщина его стенки; р - характерное расстояние перикапиллярного транспорта; Ук, Чс, Ут -объемы цилиндрических компартментов.

а

а

X

В качестве показателя, характеризующего геометрическую адекватность компартмента его обменным функциям можно рассматривать величину обратную оценочному показателю (10)

Р = s/v, (13)

которая, на основании (11) и (12), выражается в виде

1 D - а Рк.б ~ I—Рс.б--—--Г. (14а)

D - а 1

a(D - а/2) 1

с . л

(146)

2а - а2/л' ' 2{5 + (52/Т)

где индексы указывают компартменты и соответствующие им обменные

капиллярные поверхности (к - кровь; с - стенка; т - ткань; б -базальная; л- люминальная).

Из полученных выражений следуют соотношения: аРк.б -1 . . йРс.б 1

dD

ДРс.л dD

(D - а)2

< О,

Dz(2a - а2/D) '-

< о.

dD

ДРт.л dD

> О,

(D - а/2)2 ß2

D2 (2ß + ßzA)):

> О,

(15)

из которых следует, что чем меньше диаметр капилляра, тем больше адекватность его конструкции обмену веществами из крови в ткань и тем она меньше для обмена из ткани в кровь. Больший же диаметр капилляра повышает его адекватность обмену из ткани в кровь и по-

нижает эффективность эвакуации веществ в направлении кровь-ткань.

Учитывая сопрягающую функцию АТФазы во всех обменных процессах (активных и пассивных), можно полагать, что уровень топологической активности данного фермента является "индикатором" интенсивности локального обмена в капиллярах.

С этих позиций, поведение изучаемой биосистемы при ЛО выглядит, как направленное на уменьшение трофики эндотелия и перивас-кулярной ткани с увеличением обменных функций по их метаболической разгрузке.

В целом, приведенные в работе материалы показывают, что структура морфофункциональных процессов в KP матки крыс отвечает адаптивным реакциям' на воздействие экзогенного раздражающего фактора. Нам представляется также, что результаты математического моделирования могут являться базой для решения задач прогнозирования и управления АТФазной системой капилляров при воздействии на организм НИЛИ. Исследованная структура морфофункциональных процессов может являться основой для дальнейшего изучения реакций капиллярного русла на различные факторы, действие которых в совокупности с лазерным облучением может вести к выявлению механизмов фотоин-дуцированных биопроцессов.

ВЫВОДЫ

1. У животных, подвергшихся лазерному облучению, по сравнению с интактными крысами, отмечается увеличение извитости микрососудов, появление выбуханий и перетяжек по их ходу, а также изменения суммарной длины, среднего диаметра и активности фермента в стенке капилляров.

2. Характер и выраженность изменений морфометрических показателей капилляров матки при накожном облучении зависит от его длительности. Для ПАФ и СДК выделено 4 стадии: I - лаг-период (длительность облучения до 1 минуты); II - быстрое возрастание показателей (от 1 до 15 минут); III - относительно медленное убывание величин (от 15 минут до 3 часов); IV - режим стабилизации показателей (от 3 до 4 часов). Для среднего диаметра капилляров выделено 3 стадии: I - лаг-период (до 5-15 минут); II - возрастание (от 5-15 минут до 3 часов); III - режим стабилизации (от 3 до 4 часов).

3. При прямом облучении матки для всех морфометрических показателей выделено в процессе их преобразований 3 стадии. Для ПАФ

и СДК: I - быстрое возрастание (длительность облучения от 1 до 10-30 секунд); II - относительно медленное убывание (от 10-30 секунд до 15 минут); III - стабилизация (от 15 минут до 1 часа). Для среднего диаметра: I - лаг-период (от 10 до 30 секунд); II -возрастание (от 30 секунд до 5-15 минут); III - стабилизация (от 5-15 минут до 1 часа).

4. При накожном и непосредственном облучении матки выявлена структурная общность морфофункциональных процессов: синхронное, одновершинное преобразование ПАФ и СДК, S-образное - среднего диаметра; одновременная стабилизация всех исследованных показателей. Основное различие между этими двумя процессами состоит в наличии лаг-периода у ПАФ и СДК при накожном облучении и отсутствии при прямом.

5. Характеру поведения энзима в стенке капилляров матки в эксперименте адекватно отвечает двухступенчатая модель его преобразования: F0 s F+ »F..

6. Исследование математической модели указывает на принципиальную возможность управления АТФазной активностью в капиллярах матки путем выбора зоны облучения, интенсивности ИГНЛ, длительностей экспозиции и периодов восстановления.

7. Динамическая взаимосвязь между СДК и ПАФ в изучаемых морфофункциональных процессах аппроксимируется линейной зависимостью вида СДК = (1,20 ± 0,19)-ПАФ. Связь между всеми исследуемыми мор-фометрическими показателями капилляров выражается феноменологическим дифференциальным соотношением dD+/dt = (kif<+) + kzL+)/2.

ВНЕДРЕНИЕ В ПРАКТИКУ

Материалы диссертации по ангиоархитектонике матки интактных крыс и гистоэнзимологии капилляров их эндометрия при воздействии НИЛИ используются при чтении лекций и проведении практических занятий на кафедрах анатомии человека, гистологии и эмбриологии, а данные по математическому моделированию кинетики энзиматической активности на кафедре медицинской и биологической физики Владивостокского государственного медицинского университета и гинекологическом отделении Владивостокского клинического роддома N 3.

СПИСОК РАБОТ. ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Шакунов С.А., Ефремов Я.П. Информационная энтропия как обобщенный отклик биологического процесса в системе // Тез. докл.

YI науч. конф. молодых ученых. - Владивосток.: МЗ РСФСР. ВГМИ, 1988. - С. 145.

2. Шакунов С.А., Немков Ю.К. Математическое моделирование структурных преобразований капиллярного русла матки крыс при облучении гелий-неоновым лазером // Структурные преобразования органов и тканей на этапах онтогенеза в норме и при воздействии антропогенных факторов: Матер, мевдунар. конф. - Астрахань. 1996. - С. 210.

3. Шакунов С.А.. Черток В. М. Математическое моделирование ангиоархитектоники капиллярного русла матки крыс при облучении гелий-неоновым лазером // Структурные преобразования органов и тканей на этапах онтогенеза в норме и при воздействии антропогенных факторов: Матер, междунар. конф. - Астрахань. 1996. - С. 208.

4. Шакунов С.А.. Черток В.М.. Немков Ю.К. Математическое моделирование морфофункциональной динамики гемокапилляров матки крыс при лазерном облучении // Структурно-функциональная организация органов и тканей в норме, патологии и эксперименте: Матер, конф. - Тверь, 1996. - С. 168.

5. Черток В.М., Недобыльская Ю.П., Немков Ю. К., Шакунов С.А. Влияние лазерного излучения на фоне фолликулина на капилляры матки крыс // Бюлл. эксперим. биол. - 1997. - Т.123, N 6. - С. 718-720.