Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности некоторых биохимических и биомеханических свойств тканей животных и человека при различных структурно-функциональных состояниях

ВАК РФ 03.00.04, Биохимия

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Королева, Ольга Александровна, Москва

/

/

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР БИОМЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ВИЛАР

КОРОЛЕВА ОЛЬГА АЛЕКСАНДРОВНА

ОСОБЕННОСТИ НЕКОТОРЫХ БИОХИМИЧЕСКИХ И БИОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТКАНЕЙ ЖИВОТНЫХ И ЧЕЛОВЕКА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЯХ.

03.00.04. - БИОХИМИЯ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители:

доктор биологических наук Ребров Л. Б.

доктор биологических наук Николаева С. С.

МОСКВА - 1998

СОДЕРЖАНИЕ.

Введение............................................................................................................................. 4

Обзор литературы.

Глава 1. Биохимические и биомеханические свойства тканей животных и

человека при различных структурно-функциональных состояниях.................... 10

1.1. Основные принципы строения соединительной и мышечной тканей животных и человека........................................................................................ 10

1.2. Деформационные свойства тканей млекопитающих.................................... 15

1.3. Взаимосвязь между биохимическим составом, содержанием воды и механическими свойствами в биологических тканях.................................... 19

1.4. Биохимические и биомеханические свойства некоторых биологических тканей в зависимости от возраста и патологии.................... 24

1.5. Влияние длительности посмертного периода на биохимические и биомеханические свойства соединительной и мышечной тканей животных и человека....................................................................................... 29

1.6. Влияние фиксирующих и консервирующих растворов, факторов искусственного старения (температура, УФ, световое и у - облучение)

на физико-химические свойства биологических тканей............................... 33

Экспериментальная часть.

Глава 2. Материалы и методы исследования........................................................................................................................37

2.1. Материалы исследования..............................................................................................................................................................37

2.2. Методы исследования..........................................................................................................................................................38

2.2.1. Биохимические методы исследования..................................................................................................................38

2.2.2. Акваметрическое и калориметрическое определение общего влагосодержания и фракций свободной и связанной воды..............................................40

2.2.3. Измерение деформационных свойств при одноосном растяжении и

тангенциальном сжатии в статическом и динамическом режимах нагружения..................................................................................................... 42

2.2.4. Определение параметров гидротермического сокращения...................... 47

2.2.5. Оценка количества поперечных сшивок в соединительной ткани.......... 49

2.2.6. Электронномикроскопические исследования............................................ 49

2.2.7. Метод ускоренного старения....................................................................... 50

Результаты собственных исследований и их обсуждение.

Глава 3. Особенности биохимического состава, содержания воды, механических свойств и структурной организации соединительной и мышечной тканей животных и человека.................................................................... 51

3.1. Взаимосвязь между биохимическим составом, механическими свойствами и морфологической структурой кожи, ахиллового сухожилия, хряща и мышцы........................................................................... 51

3.2. Топографические и возрастные особенности композитного состава и реологии биологических тканей...................................................................... 61

3.3. Влияние воды и гликозаминогликанов на деформационные

свойства соединительной ткани.................................................................... 66

Глава 4. Влияние длительности посмертного периода на биохимические и физико-химические свойства тканей животных и человека.................................. 72

4.1. Биомеханические особенности тканей в посмертном периоде....................72

4.2. Изменение структурных превращений белков, гликозаминогликанов и состояния воды в посмертном периоде......................................................... 78

Глава 5. Влияние растворов формальдегида и консервирующих растворов на биохимические и физико-химические свойства биологических тканей......... 82

5.1. Изменение биохимических, деформационных и гидротермических параметров биологических тканей под влиянием фиксации формальдегидом............................................................................................... 82

5.2. Влияние консервирующих растворов на физико-химические свойства

биологических тканей..................................................................................... 93

Глава 6. Экспериментальное старение как метод прогнозирования

степени сохранности биологических тканей.............................................................. 98

6.1. Влияние температуры, УФ и светового облучения на физико-химические свойства консервированной кожи человека............... 98

6.2. Влияние ионизирующей радиации на биохимические и реологические свойства соединительной и мышечной тканей..................100

Выводы............................................................................................................................. 107

Список литературы........................................................................................................109

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы. В настоящее время в связи с возрастающим интересом к различным биологическим системам на стыке механики, биологических и медицинских наук возникло и развивается новое научное направление - биомеханика. Ее основная задача состоит в изучении закономерностей движения и деформирования биологических систем и тканей в различных условиях функционирования организма. Биологические ткани являются композитной системой, свойства которой определяются каждым структурным компонентом, в частности его химическим составом, и их взаимодействием между собой. Механические нагрузки, старение, адсорбция влаги и ряд других факторов внешней среды также в значительной степени влияют на реологические характеристики композитных материалов [170,207,269,288,291]. С точки зрения медико-биологических наук изучение механических свойств живых тканей и явлений биомеханического характера, происходящих в них в процессе жизнедеятельности, дает возможность оценить процессы функционирования в биологических структурах, создать эффективные методы диагностики, а также отработать новые подходы к лечению различных заболеваний.

Хотя последние десятилетия характеризуются интенсивным и разносторонним исследованием реологических свойств различных, особенно твердых тканей, лишь немногочисленные работы посвящены изучению возрастных, топографических и посмертных аутолитических особенностей биомеханических свойств тканей животных и человека [203,257,296]. При этом недостаточно внимания уделялось изучению участия в деформационных процессах воды и отдельных структурных биополимеров (белков, протеогликанов, липидов и др.), количество и структурная конформация которых может меняться при различных заболеваниях, в посмертном периоде, а также при химических и физических воздействиях.

Остаются по-прежнему мало изученными и вопросы влияния факторов ускоренного старения, ионизирующего излучения, различных условий и видов консервации на биомеханические свойства твердых и мягких биологических тканей. Очевидно, что такой аспект и оценка биомеханических и биохимических свойств тканей (кожи, сухожилия, хряща, мышечной ткани и др.) при их различных структурно-

функциональных состояниях представляет несомненный интерес и научно-практическую значимость для проблем консервирования и длительного хранения консервированного биоматериала, трансплантологии, дерматологии и косметологии.

Изучение механических свойств биологических тканей связано с большими экспериментальными трудностями. Отмечающийся в литературе значительный разброс данных [305,272,238] объясняется различиями применяемых методик, а также влиянием биологических (возраст, пол, болезни, причина смерти) и небиологических факторов (влажность образца и способ нагружения, величина нагрузки, вид консервации и т.д.). Поскольку при медицинских обследованиях применяются небольшие нагрузки, далеко отстоящие от разрушающих, актуальной проблемой является разработка и дальнейшее совершенствование методов исследования биомеханических свойств тканей животных и человека в области неразрушающего контроля.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось изучение биохимических и биомеханических свойств соединительной и мышечной тканей животных и человека при различных структурно-функциональных состояниях. В связи с этим были поставлены для решения следующие задачи:

• разработать научно-методические подходы для комплексного структурно-механического анализа тканей опорно-двигательного аппарата и кожи;

• изучить взаимосвязь некоторых биохимических и биомеханических свойств со структурной организацией кожи, ахиллова сухожилия, хряща и мышцы;

• оценить биомеханические свойства тканей животных и человека в зависимости от топографии, возраста и посмертных аутолитических изменений;

• исследовать влияние структурной модификации коллагена и степени дезорганизации углеводно-белковых комплексов на физико-химические свойства соединительной ткани;

• оценить влияние фиксирующих и консервирующих растворов на биохимические и биомеханические свойства биологических тканей;

• установить характер влияния факторов искусственного старения и ионизирующего излучения на физико-химические свойства исследуемых консервированных тканей.

Научная новизна. Создана научно-методическая основа изучения особенностей биохимических и биомеханических свойств тканей. Разработаны новые оригинальные методы исследования механических свойств биологических тканей при одноосном растяжении и тангенциальном сжатии в области неразрушающего контроля.

Получена комплексная структурно-механическая характеристика соединительной и мышечной тканей животных и человека, включающая анализ данных биохимических, биомеханических, акваметрических и электронномикроскопических методов исследования. Показано, что упругая (обратимая) и пластическая (остаточная) компоненты деформации тканей (кожа, ахиллово сухожилие, хрящ, мышца) в сочетании с данными их биохимического состава (белки, гликозаминогликаны, вода) являются высоко информативными характеристиками, определяющими закономерности биомеханических свойств биологических тканей при различных видах нагружения.

Проведенные исследования позволили впервые дать сравнительную количественную оценку биохимических и биомеханических свойств разных тканей при различных структурно-функциональных состояниях: в норме, в онтогенезе, при посмертном аутолизе, при структурных нарушениях, связанных с денатурацией коллагена и дезорганизацией белково-полисахаридного комплекса, при формальдегидной фиксации и специальной консервации, в условиях "ускоренного старения" и действия ионизирующей радиации.

Получены принципиально новые данные о взаимосвязи между структурной организацией, биохимическим составом, влажностными параметрами и биомеханическими характеристиками биологических тканей животных и человека, имеющие значение для расшифровки механизмов посмертных и патологических изменений органов и тканей, оценки их стабильности при консервации и разных условиях старения.

Научно-практическая значимость. В результате использования комплекса биохимических, реологических, физико-химических методов исследования и метода электронной микроскопии разработаны научно-методические принципы, позволяющие проводить объективную количественную оценку структурно-функционального состояния тканей животных и человека и контролировать их сохранность при посмертном аутолизе, в онтогенезе, разных патологиях, химических и физических воз-

действиях. Для этой цели разработаны оригинальные приборы (термоэластодинамометр, прибор контроля деформируемости тканей (КДТ - 1) и эла-стограф), позволяющие изучать биомеханические свойства микрообразцов тканей в жидкой и воздушной среде в области неразрушающего контроля.

Экспериментальные данные, характеризующие структуру, физико-химические и реологические свойства коллагенового комплекса сухожилий и волокнистого каркаса хряща представляют существенный интерес для интерпретации функциональных нарушений сердечно-сосудистой деятельности и опорно-двигательного аппарата при системных заболеваниях соединительной ткани.

Определенную практическую значимость для решения проблем длительного сохранения и восстановления внешнего вида мумий и биообъектов, сточки зрения биотехнологических задач в археологии и палеобиохимии имеют результаты исследования механизма возникновения пергаментации при сушке и разработка специального метода реставрации древних рукописей и пергаментированных тканей посредством ее регидратации.

Результаты исследования влияния посмертного аутолиза на изменение характера связывания и содержания воды в биологических тканях, биохимического состава и физико-химических свойств имеют важное значение для теории и практики реаниматологии, трансплантации органов и тканей, их консервации и в различных судебно-медицинских исследованиях.

Сведения о влиянии фиксации и содержания воды на механические свойства кожи, дермы и коллагена могут быть использованы в технологических процессах переработки и хранения кожи и меха.

Выводы работы по изучению биологической консервации и механических свойств тканей человека, фиксированных формальдегидом и обработанных консервирующими растворами, могут быть использованы при разработке искусственных трансплантантов тканей с заранее заданными свойствами.

Ценную практическую значимость для решения проблем длительного сохранения и восстановления внешнего вида древних рукописей имеют результаты реологи-

ческих исследований и выявления действия ионизирующей радиации на структуру коллагеновых волокон подобных объектов.

Результаты изменения структуры и свойств биологических тканей в условиях, моделирующих "ускоренное старение" (повышенная температура, УФ, световое и у - облучение), использованы для прогнозирования состояния консервированных тканей при их длительном хранении.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Разработаны физико-химические принципы и научно-методические подходы изучения биологических тканей в зависимости от их биохимического состава, содержания воды, морфологической структуры и механических свойств.

2. Изучены особенности биохимических свойств, состояния воды и реологических показателей тканей животных и человека.

3. Исследован механизм возникновения пергаментации кожи и разработан метод ее восстановления.

4. Впервые показано влияние дезорганизации углеводно-белковых комплексов основного вещества на структуру и физико-химические свойства соединительной ткани.

5. Исследована динамика биохимического состава, влагообмена и структурной устойчивости тканей животных и человека в посмертном периоде.

6. Изучено влияние растворов формальдегида, консервирующих растворов и искусственного старения на биохимические и физико-химические свойства соединительной и мышечной тканей человека.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 13 работ. Основные результаты диссертации доложены: на XI Всесоюзном симпозиуме по реологии, г. Суздаль, 1980 г.; на Всесоюзном симпозиуме "Механизмы действия ионизирующего излучения на структуру и функцию белков", г. Львов, 1986 г., АН СССР; на Всесоюзной научно-технической конференции "Реология и оптимизация процессов переработки полимеров", г. Ижевск, 1989 г.; на VIII Всесоюзной школе по биологии опорно-двигательного аппарата, г. Киев, 1990 г.; на Всесоюзном научном симпозиуме "Структурно-энергетическое обеспечение механической работы мышц",

г. Москва, 1990 г.; на Международном симпозиуме "Биологическая подвижность: Современные методы исследования", г. Пущино, 1998 г.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 135 страницах, содержит 19 таблиц, 43 рисунка. Работа состоит из введения, обзора литературы (1гл.), экспериментальной части (4 гл.), выводов и списка литературы, включающего 309 источников (из них 119 на русском языке и 190 на иностранных языках).

Список сокращений, используемых в работе. АТФ - аденозинтрифосфат ГАГ - гликозаминогликаны КР - консервирующий раствор СЭМ - сканирующая электронная микроскопия

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Глава 1. Биохимические и биомеханические свойства тканей животных и человека при различных структурно-функциональных состояниях.

1.1. Основные принципы строения соединительной и мышечной тканей

животных и человека.

Кожа представляет собой многокомпонентную систему, образованную эпидермисом, дермой и подкожножировой клетчаткой, которые находятся в морфофункцио-нальном единстве. В ней содержатся все виды органических и неорганических веществ, встречающихся в организме: белки, липиды, вода, углеводы, аминокислоты, пигмен�