Вестник Томского государственного университета. Биология. 2019; : 97-114
Влияние длительности ультразвукового воздействия на состояние микроциркуляторного русла и системы гемостаза у крыс
https://doi.org/10.17223/19988591/48/5Аннотация
С помощью ультразвукового воздействия с частотой 25 кГц, силой 7,73±0,03 Вт/см² и уровнем звукового давления 89,0 дБ моделировали состояние неизбегаемого стресса у крыс. В качестве критериев развития психоэмоционального стресса использовались показатели микроциркуляции и гемостаза. Установлено, что 24-часовая и 7-дневная экспозиции ультразвука вызывали у опытных крыс состояние стресса, выражавшееся в формировании спазма сосудов микроциркуляторного русла, повлекшего за собой развитие ишемии тканей. Кроме того, выявлена вторичность сдвигов показателей гемостаза по отношению к изменениям микроциркуляторного русла, также демонстрирующих развитие стресс-реакции, подтвержденной данными по увеличению концентрации в крови адренокортикотропного гормона (АКТГ), кортизола и результатами изменения поведенческих реакций в тесте «Открытое поле». У крыс, подвергшихся однодневной экспозиции ультразвуком, показатели гемостаза отреагировали более выраженными отклонениями по сравнению с таковыми после семидневного воздействия, что свидетельствует о формировании адаптации в ответ на длительное действие стрессора. Таким образом, полученные результаты исследования могут свидетельствовать о том, что диагностика параметров системы микроциркуляции и гемостаза является чувствительным способом оценки состояния психоэмоционального стресса.
Список литературы
1. Горлова А.В., Павлов Д.А., Ушакова В.М., Зубков Е.А., Морозова А.Ю., Иноземцев А.Н., Чехонин В.П. Динамика развития депрессивно-подобного состояния у крыс, стрессированных хроническим воздействием ультразвука переменных частот // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2017. Т. 163, № 3. С. 271–274.
2. Перцов С.С., Коплик Е.В., Сахаров Д.С., Судаков К.В., Каркищенко Н.Н. Информационное ультразвуковое взаимодействие у крыс // Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова. 2012. № 2. С. 109–118.
3. Nweke F.U. Test to investigate the use of ultrasound as an alternative means of repelling and eradicating rodents // Journal of Electrical and Electronics Engineering. 2015. Vol. 10, № 4. РР. 91-93. doi: 10.9790/1676-10439193
4. Takahashi N., Kashino M., Hironaka N. Structure of Rat Ultrasonic Vocalizations and Its Relevance to Behavior // PLoS One. 2010. Vol. 5, № 11. РP. 109-115. doi: 10.1371/journal.pone.0014115
5. Gwirtz P.A. Teaching the interrelationship between stress, emotions, and cardiovascular risk using a classic paper by Walter Cannon // Adv. Physiol. Educ. 2008. Vol. 32, № 32 (1). РP. 18-22. doi: 10.1152/advan.00051.2007
6. Луцкий И.С. Влияние хронического психоэмоционального стресса на формирование эндотелиальной дисфункции, процессы ремоделирования сосудов и снижение мозгового кровотока // Кубанский научный медицинский вестник. 2015. № 3 (152). С. 65–72.
7. Носова М.Н., Шахматов И.И., Вдовин В.М., Бондарчук Ю.А., Киселев В.И. Влияние однократной физической нагрузки на параметры гемостаза у спортсменов // Фундаментальные исследования. 2011. № 9-1. С. 107–110.
8. Стоменская И.С., Кострова О.Ю., Стручко Г.Ю., Тимофеева Н.Ю. Тромбоэластометрия – метод лабораторной диагностики нарушений системы гемостаза // Медицинский альманах. 2017. № 2 (47). С. 96–98.
9. Chojnowski K., Gоrski T., Robak M., Trelinski J. Effects of Rivaroxaban Therapy on ROTEM Coagulation Parameters in Patients with Venous Thromboembolism // J. Adv. Clin. Exp. Med. 2015. № 24 (6). РP. 995-1000. doi: 10.17219/acem/42147
10. Schumake S.A. Electronic Rodent Repellent Devices: A Review of Efficacy Test Protocols and Regulatory Actions. // National Wildlife Research Center Repellents Conference. Mason
11. J.R. editor. USDA, National Wildlife Research Center, Fort Collins, CO; 1995. РР. 253–270.
12. Жебентяев А.И., Каткова Е.Н. Иммуноферментный метод анализа // Вестник фармации. 2013. №2 (60). С. 90–97.
13. Ярец Ю.И. Тромбоэластография: основные показатели, интерпретация результатов. Гомель : ГУ «РНПЦ РМиЭЧ», 2018. 26 с.
14. Момот А.П., Тараненко И.А., Цывкина Л.П. Состояние тромботической готовности – возможности современной диагностики и перспективы // Медицинский алфавит. Современная лаборатория. 2013. № 1. С. 20–23. doi: 10.18411/d-2016-062
15. Ройтман Е.В. «Проблема гемостаза» в лабораторной диагностике // Лаборатория ЛПУ. 2016. № 8. С. 29–36.
16. Рыжков С.В., Полонская Е.И., Заболотняя Е.В., Жилина Е.Б., Алехина М.А., Курбатова Э.В., Курбатов М.Г., Демидова А.А. Клиническая значимость проведения тромбоэластографии в практике акушера-гинеколога // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 12. С. 101–104.
17. European Convention for the Protection of vertebrate animals used for experimental and other scientific purposes. Strasbоurg: Council of Europe. 1986. 51 p.
18. Носова М.Н., Бондарчук Ю.А., Шахматов И.И., Мацюра А.В., Маршалкина П.С., Прокопец Д.А. Развитие признаков дистресса у крыс на фоне однократного ультразвукового воздействия // Казанский медицинский журнал. 2019. Т. 100, № 1. С. 140–146. doi: 10.17816/KMJ2019-140
19. Мацюра А.В., Антоненко Т.В., Улитина О.М., Бондарчук Ю.А., Шахматов И.И., Карманова Т.А., Коргополова И.С. Влияние ультразвука на поведение серых крыс // Ukrainian Journal of Ecology. 2018. Т. 8, № 2. С. 1–4. doi: http://ojs.mdpu.org.ua/index.php/biol/article/view/_3021
20. Голубева М.Г. Некоторые аспекты антистрессогенного действия тиролиберина и его синтетического аналога на эритроциты // Тромбоз, гемостаз и реология. 2012. № 3 (51). С. 48–51.
21. Кузник Б.И. Клеточные и молекулярные механизмы регуляции системы гемостаза в норме и патологии. Чита : Экспресс-издательство, 2010. 827 с.
22. Du V.X., Huskens D., Maas C., Al Dieri R., de Groot PG., de Laat B. New insights into the role of erythrocytes in thrombus formation // Semin. Thromb. Haemost. 2014. Vol. 40. РP. 72–80. doi: 10.1055/s-0033-1363470
23. Голубева М.Г. Современные представления о влиянии эритроцитов на реактивность тромбоцитов в процессе тромбогенеза // Успехи современной биологии. 2017. Т. 137, № 6. С. 586–592. doi: 10.7868/S0042132417060059
24. Kamada H., Imai Y., Nakamura M., Ishikawa T., Yamaguchi T. Computational analysis on the mechanical interaction between a thrombus and red blood cells: possible causes of membrane damage of red blood cells at microvessels // Med. Eng. Phys. 2012. Vol. 34, № 10. РP. 1411–1420. doi: 10.1016/j.medengphy.2012.01.003
25. AlMomani T., Udaykumar H.S., Marshall J.S., Chandran K.B. Micro-scale dynamic simulation of erythrocyte-platelet interaction in blood flow // Ann. Biomed. Eng. 2008. Vol. 36, № 6. РP. 905–920. doi: 10.1007/s10439-008-9478-z
26. Омельяненко М.Г., Шумакова В.А., Суховей Н.А., Щапова Н.Н. Психоэмоциональные нарушения и эндотелиальная дисфункция в развитии сердечно-сосудистых заболеваний, ассоциированных с атеросклерозом // Сибирский медицинский журнал. 2014. Т. 29, № 3. С. 18–24.
27. Шевченко Е.В., Хлопенко Н.А. Действие ультразвука на организм // Сибирский медицинский журнал. 2006. № 2. С. 96–99.
28. Николаев В.Ю., Шахматов И.И., Киселев В.И., Москаленко С.В. Система гемостаза у крыс при долговременной гипертермической нагрузке // Сибирский научный медицинский журнал. 2015. № 35 (2). С. 43–46.
29. Schobersberger W., Hoffmann G., Gunga H. Interаktionen von Hypoxie und Hämostase - Hypoxie als prothrombotischer Faktor in der Höhe? // Wien. Med. Wochenschr. 2005. № 155. РР. 157–162. doi: 10.1007/s10354-005-0163-7
30. Жалялов А.С., Баландина А.Н., Купраш А.Д., Шривастава А., Шибеко А.М. Современные представления о системе фибринолиза и методах диагностики ее нарушений // Вопросы гематологии / онкологии и иммунопатологии в педиатрии. 2017. Т. 16, № 1. С. 69‒82. doi: 10.24287/1726-1708-2017-16-1-69-82
31. Лычева Н.А., Шахматов И.И. Состояние системы гемостаза и микроциркуляторного русла в постгипотермическом периоде у крыс // Программа и научные труды Научной конференции молодых ученых по медицинской биологии ФГБУ ФНКЦ физико- химической медицины ФМБА / под ред. Е.Н. Ильиной, Е.С. Кострюковой. М. : ФНКЦ ФХМ ФМБА России, 2016. С. 85–86.
Tomsk State University Journal of Biology. 2019; : 97-114
Effect of ultrasound exposure duration on the state of microcirculation and hemostasis system in rats
https://doi.org/10.17223/19988591/48/5Abstract
In modern society, people are often subjected to chronic unavoidable stress provoking depressive-like states that play a significant role in the formation mechanisms of psycho-emotional stress. In view of this, the need to create an experimental model of psycho-emotional stress as a cause of cardiovascular disease development arose. By means of ultrasound waves which cause the depressive-like state in animals, it is possible to create such model as long as ultrasound has material properties and certain energy. We used the parameters of microcirculation and hemostasis as criteria for psycho-emotional stress development. Stress stimulation results in vasoconstriction and can be associated with the development of microcirculatory disorders due to a significant increase in blood levels of catecholamines. The development of acute tissue ischemia depends both on the state of neurohumoral regulation of vascular tone, and on the rheological blood properties. Hemostasis system is one of the most reactive body systems, and hemostasiological parameters play an important role in the process of adaptation to the effect of stress factors. Currently, studies aimed at finding possible predictors of cardiovascular diseases and their complications are relevant. In this regard, it seems promising to study the role of microcirculatory and hemostasis parameters as criteria for psycho-emotional stress development. The aim of this research was to assess the effect of ultrasound exposure duration on the state of microcirculation and hemostasis system in rats. The study was performed on 42 Wistar male rats divided into three groups: 1 control group and 2 experimental groups subjected to a 24-hour (Group 1) and a 7-day (Group 2) ultrasound exposure using a repellent-generator “Filin” (SPE “DonKont” Ltd., Russia) at a frequency of 25 kHz. Emitters were installed in a vertical position at a distance of 10 cm on both sides of the side cell walls made of coarse-meshed wire. The microphone of the ultrasonic vibration meter was located inside the cell and oriented towards the generator “Filin”. The sound pressure level was 89.0 dB and the power flow density was 7.73±0.03 W/cm2. After exposure termination, microcirculation parameters were studied by laser Doppler flowmetry (LDF) method with analysis of the amplitude-frequency spectrum of blood flow oscillations by LAKK-02 apparatus (SPE “LAZMA” Ltd., Russia). The optical probe was fixed at the base of the animal’s tail. The recording duration of LDF-gram was 5 minutes. The main microcirculation parameters were recorded, and the analysis of the amplitude-frequency spectrum of blood flow oscillations in the frequency range of 0.005 to 3 Hz was conducted. Four non-overlapping frequency ranges were formed in this range that allowed to estimate the state of “active” and “passive” links of micro-blood flow regulation. Blood levels of ACTH and cortisol were determined by enzyme immunoassay (EIA). The hemostasis system was assessed by an integral method, thromboelastometry. Thromboelastometry was performed by the “Rotem” device (“Pentapharm GmbH”, Germany) using the “Natem” reagent which includes calcium chloride. The statistical significance was assessed using the non-parametric Mann-Whitney U-test. The use of rats in experiments was carried out in accordance with the requirements of the European Convention for the Protection of Vertebrate Animals used for Experimental and other Scientific Purposes (Strasbourg, 1986). In this research we revealed that in experimental rats, the 24-hour ultrasound exposure, primarily, caused significant disorders in microcirculation area in the form of vasoconstriction and dilation reserve reduction, and, secondly, it led to significant adverse changes in the hemostasis system that is a sign of stress. Evidence of the development of stress reaction was significantly increased concentration of ACTH by 227% (p=0.001) and cortisol by 37% (p=0.01) in the blood of these animals and the test results of the animals according to the “Open Field” method. A statistically significant decrease in the studied active factors of blood flow modulation, microcirculation and flax rates (by 66% and 68%), that characterize the role of the myogenic component as a reason of increased value of the wall shear stress was observed. The reduction of passive factors, pulse and respiratory waves, was also obtained. In experimental rats after the 24-hour ultrasound exposure a drop by 75% and 69% in the parameters was recorded compared to the control animals, and in the 7-day exposure group it was by 79% and 71% (See Table 1). In summation, these changes prove a formed spasm of microcirculation vessels. Reduction of blood flow into microcirculation in experimental animals of both groups was registered on the basis of reducing the amplitude of endothelial waves (by 75 and 63%) and vasomotor waves (by 78 and 74%) which inevitably leads to the development of stasis and disruption of tissue metabolism due to a blood flow bypass. Unidirectional changes in microcirculation in rats of the two experimental groups were accompanied by secondary changes in the hemostasis system. Based on the analysis of deviations of hemostasiological parameters from the control values, stress reaction development was recorded in rats exposed to the 24-hour ultrasound and the tendency of smoothing the deviations of hemostasis parameters after the 7-day exposure (See Table 2) was observed. We found that after the 24-hour and the 7-day exposures there was a decrease in the maximum lysis (ML) by 100 and 75% compared with the control which indicates the inhibition of fibrinolytic activity and represents a risk factor for venous thromboembolism and arterial thrombosis. Lower evidence of the decline in ML after the7-day exposure to stress factors together with the absence of signs of infringement of fibrin polymerization process and the growth of the clot density amplitude in the 10th minute after the beginning of its formation shows a tendency towards the gradual normalization of the hemostatic system. Thus, ultrasound exposure simulates the state of chronic unavoidable stress in experimental animals. The state of psycho-emotional stress is confirmed by the data on the increased concentration of hormones (ACTH and cortisol) in blood as well as by the results of testing on animals using the “Open Field” method. The study results indicate that the diagnosis of the microcirculation and hemostasis parameters is a sensitive way to assess the development of psycho-emotional stress and organism adaptedness. The return of some parameters of the hemostasis system in response to the 7-day stress exposure compared to the 24-hour exposure to the indicators specific for control animals can be regarded as a manifestation of the initial stages of adaptation to the stress factor.
References
1. Gorlova A.V., Pavlov D.A., Ushakova V.M., Zubkov E.A., Morozova A.Yu., Inozemtsev A.N., Chekhonin V.P. Dinamika razvitiya depressivno-podobnogo sostoyaniya u krys, stressirovannykh khronicheskim vozdeistviem ul'trazvuka peremennykh chastot // Byulleten' eksperimental'noi biologii i meditsiny. 2017. T. 163, № 3. S. 271–274.
2. Pertsov S.S., Koplik E.V., Sakharov D.S., Sudakov K.V., Karkishchenko N.N. Informatsionnoe ul'trazvukovoe vzaimodeistvie u krys // Rossiiskii mediko-biologicheskii vestnik imeni akademika I.P. Pavlova. 2012. № 2. S. 109–118.
3. Nweke F.U. Test to investigate the use of ultrasound as an alternative means of repelling and eradicating rodents // Journal of Electrical and Electronics Engineering. 2015. Vol. 10, № 4. RR. 91-93. doi: 10.9790/1676-10439193
4. Takahashi N., Kashino M., Hironaka N. Structure of Rat Ultrasonic Vocalizations and Its Relevance to Behavior // PLoS One. 2010. Vol. 5, № 11. RP. 109-115. doi: 10.1371/journal.pone.0014115
5. Gwirtz P.A. Teaching the interrelationship between stress, emotions, and cardiovascular risk using a classic paper by Walter Cannon // Adv. Physiol. Educ. 2008. Vol. 32, № 32 (1). RP. 18-22. doi: 10.1152/advan.00051.2007
6. Lutskii I.S. Vliyanie khronicheskogo psikhoemotsional'nogo stressa na formirovanie endotelial'noi disfunktsii, protsessy remodelirovaniya sosudov i snizhenie mozgovogo krovotoka // Kubanskii nauchnyi meditsinskii vestnik. 2015. № 3 (152). S. 65–72.
7. Nosova M.N., Shakhmatov I.I., Vdovin V.M., Bondarchuk Yu.A., Kiselev V.I. Vliyanie odnokratnoi fizicheskoi nagruzki na parametry gemostaza u sportsmenov // Fundamental'nye issledovaniya. 2011. № 9-1. S. 107–110.
8. Stomenskaya I.S., Kostrova O.Yu., Struchko G.Yu., Timofeeva N.Yu. Tromboelastometriya – metod laboratornoi diagnostiki narushenii sistemy gemostaza // Meditsinskii al'manakh. 2017. № 2 (47). S. 96–98.
9. Chojnowski K., Gorski T., Robak M., Trelinski J. Effects of Rivaroxaban Therapy on ROTEM Coagulation Parameters in Patients with Venous Thromboembolism // J. Adv. Clin. Exp. Med. 2015. № 24 (6). RP. 995-1000. doi: 10.17219/acem/42147
10. Schumake S.A. Electronic Rodent Repellent Devices: A Review of Efficacy Test Protocols and Regulatory Actions. // National Wildlife Research Center Repellents Conference. Mason
11. J.R. editor. USDA, National Wildlife Research Center, Fort Collins, CO; 1995. RR. 253–270.
12. Zhebentyaev A.I., Katkova E.N. Immunofermentnyi metod analiza // Vestnik farmatsii. 2013. №2 (60). S. 90–97.
13. Yarets Yu.I. Tromboelastografiya: osnovnye pokazateli, interpretatsiya rezul'tatov. Gomel' : GU «RNPTs RMiECh», 2018. 26 s.
14. Momot A.P., Taranenko I.A., Tsyvkina L.P. Sostoyanie tromboticheskoi gotovnosti – vozmozhnosti sovremennoi diagnostiki i perspektivy // Meditsinskii alfavit. Sovremennaya laboratoriya. 2013. № 1. S. 20–23. doi: 10.18411/d-2016-062
15. Roitman E.V. «Problema gemostaza» v laboratornoi diagnostike // Laboratoriya LPU. 2016. № 8. S. 29–36.
16. Ryzhkov S.V., Polonskaya E.I., Zabolotnyaya E.V., Zhilina E.B., Alekhina M.A., Kurbatova E.V., Kurbatov M.G., Demidova A.A. Klinicheskaya znachimost' provedeniya tromboelastografii v praktike akushera-ginekologa // Mezhdunarodnyi zhurnal prikladnykh i fundamental'nykh issledovanii. 2014. № 12. S. 101–104.
17. European Convention for the Protection of vertebrate animals used for experimental and other scientific purposes. Strasbourg: Council of Europe. 1986. 51 p.
18. Nosova M.N., Bondarchuk Yu.A., Shakhmatov I.I., Matsyura A.V., Marshalkina P.S., Prokopets D.A. Razvitie priznakov distressa u krys na fone odnokratnogo ul'trazvukovogo vozdeistviya // Kazanskii meditsinskii zhurnal. 2019. T. 100, № 1. S. 140–146. doi: 10.17816/KMJ2019-140
19. Matsyura A.V., Antonenko T.V., Ulitina O.M., Bondarchuk Yu.A., Shakhmatov I.I., Karmanova T.A., Korgopolova I.S. Vliyanie ul'trazvuka na povedenie serykh krys // Ukrainian Journal of Ecology. 2018. T. 8, № 2. S. 1–4. doi: http://ojs.mdpu.org.ua/index.php/biol/article/view/_3021
20. Golubeva M.G. Nekotorye aspekty antistressogennogo deistviya tiroliberina i ego sinteticheskogo analoga na eritrotsity // Tromboz, gemostaz i reologiya. 2012. № 3 (51). S. 48–51.
21. Kuznik B.I. Kletochnye i molekulyarnye mekhanizmy regulyatsii sistemy gemostaza v norme i patologii. Chita : Ekspress-izdatel'stvo, 2010. 827 s.
22. Du V.X., Huskens D., Maas C., Al Dieri R., de Groot PG., de Laat B. New insights into the role of erythrocytes in thrombus formation // Semin. Thromb. Haemost. 2014. Vol. 40. RP. 72–80. doi: 10.1055/s-0033-1363470
23. Golubeva M.G. Sovremennye predstavleniya o vliyanii eritrotsitov na reaktivnost' trombotsitov v protsesse trombogeneza // Uspekhi sovremennoi biologii. 2017. T. 137, № 6. S. 586–592. doi: 10.7868/S0042132417060059
24. Kamada H., Imai Y., Nakamura M., Ishikawa T., Yamaguchi T. Computational analysis on the mechanical interaction between a thrombus and red blood cells: possible causes of membrane damage of red blood cells at microvessels // Med. Eng. Phys. 2012. Vol. 34, № 10. RP. 1411–1420. doi: 10.1016/j.medengphy.2012.01.003
25. AlMomani T., Udaykumar H.S., Marshall J.S., Chandran K.B. Micro-scale dynamic simulation of erythrocyte-platelet interaction in blood flow // Ann. Biomed. Eng. 2008. Vol. 36, № 6. RP. 905–920. doi: 10.1007/s10439-008-9478-z
26. Omel'yanenko M.G., Shumakova V.A., Sukhovei N.A., Shchapova N.N. Psikhoemotsional'nye narusheniya i endotelial'naya disfunktsiya v razvitii serdechno-sosudistykh zabolevanii, assotsiirovannykh s aterosklerozom // Sibirskii meditsinskii zhurnal. 2014. T. 29, № 3. S. 18–24.
27. Shevchenko E.V., Khlopenko N.A. Deistvie ul'trazvuka na organizm // Sibirskii meditsinskii zhurnal. 2006. № 2. S. 96–99.
28. Nikolaev V.Yu., Shakhmatov I.I., Kiselev V.I., Moskalenko S.V. Sistema gemostaza u krys pri dolgovremennoi gipertermicheskoi nagruzke // Sibirskii nauchnyi meditsinskii zhurnal. 2015. № 35 (2). S. 43–46.
29. Schobersberger W., Hoffmann G., Gunga H. Interaktionen von Hypoxie und Hämostase - Hypoxie als prothrombotischer Faktor in der Höhe? // Wien. Med. Wochenschr. 2005. № 155. RR. 157–162. doi: 10.1007/s10354-005-0163-7
30. Zhalyalov A.S., Balandina A.N., Kuprash A.D., Shrivastava A., Shibeko A.M. Sovremennye predstavleniya o sisteme fibrinoliza i metodakh diagnostiki ee narushenii // Voprosy gematologii / onkologii i immunopatologii v pediatrii. 2017. T. 16, № 1. S. 69‒82. doi: 10.24287/1726-1708-2017-16-1-69-82
31. Lycheva N.A., Shakhmatov I.I. Sostoyanie sistemy gemostaza i mikrotsirkulyatornogo rusla v postgipotermicheskom periode u krys // Programma i nauchnye trudy Nauchnoi konferentsii molodykh uchenykh po meditsinskoi biologii FGBU FNKTs fiziko- khimicheskoi meditsiny FMBA / pod red. E.N. Il'inoi, E.S. Kostryukovoi. M. : FNKTs FKhM FMBA Rossii, 2016. S. 85–86.
