Поведенческий статус крыс при экспериментальной коморбидности хронической обструктивной болезни легких и острой ишемии головного мозга

Авторы:
  • Б. И. Гельцер
    Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия
  • В. Н. Котельников
    Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия
  • Ю. В. Заяц
    Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия
Журнал: Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2019;119(7): 54-59
Просмотрено: 944 Скачано: 39

Коморбидность относится к одной из самых актуальных проблем современной медицины, а ее всестороннее изучение связано с выяснением фундаментальных механизмов и патофизиологических закономерностей «неслучайного» сочетания ряда болезней — синтропии [1, 2]. Классическим примером такого сочетания является коморбидность хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ) и ишемического инсульта (ИИ), при которой каждое из этих заболеваний имеет высокий риск неблагоприятного исхода. Так, летальность от ИИ в РФ составляет 35—40%, а ХОБЛ занимает 4-е место среди причин смертности населения [3]. В ряде исследований было показано, что коморбидность ХОБЛ и ИИ существенно модифицирует клиническое течение этих заболеваний, отягощает их, ухудшая прогноз [2]. Наиболее характерными проявлениями респираторного и цереброваскулярного варианта коморбидности являются функционально-анатомические ограничения, индуцированные ИИ, что позволяет выделить отдельный фенотип ХОБЛ, который существенно отличает больных этой группы по совокупности нейрофизиологических признаков [4]. «Неслучайное» сочетание ХОБЛ и ИИ доказано в ряде исследований. Установлено, в частности, что распространенность ИИ среди больных ХОБЛ на 20% выше, чем в общей популяции, а в период обострения заболевания этот показатель резко возрастает [3]. По данным патоморфологических исследований, острые формы нарушений мозгового кровообращения на фоне мультифокального атеросклероза выявляются у 21% больных ХОБЛ, а хроническая ишемия головного мозга — у 40,2% [5, 6]. К предикторам развития ИИ у больных ХОБЛ относят снижение легочных функций, артериальную гипоксемию и гиперкапнию [1]. В ряде исследований была выявлена обратная линейная зависимость между инцидентами ИИ и значением объема форсированного выдоха за 1-ю секунду [2]. В патогенезе цереброваскулярных расстройств при ХОБЛ важная роль принадлежит формированию циркуляторно-гипоксемической или венозной энцефалопатии, хроническому системному воспалению, ускоренному атерогенезу и реализации других патологических процессов, продукты которых нарушают функционирование центральной нервной системы (ЦНС). К одним из важнейших проявлений дисфункции ЦНС при ХОБЛ относят когнитивные расстройства, значение которых неизбежно возрастает при ее сочетании с цереброваскулярной патологией. При этом когнитивный дефицит рассматривают в качестве независимого предиктора инвалидизации и смертности больных ХОБЛ [7]. Несмотря на актуальность проблемы респираторной и цереброваскулярной коморбидности, в литературе недостаточно освещены вопросы, характеризующие особенности модификаций когнитивного статуса у больных при сочетании ХОБЛ и ИИ.

Цель исследования — сравнительная оценка поведенческих паттернов крыс с экспериментальной ХОБЛ, острой ишемией головного мозга (ОИГМ) и при сочетании этих патологий.

Материал и методы

Исследование было выполнено на 70 лабораторных крысах-самцах линии Wistar массой 250—300 г, разделенных на пять групп. В 1-ю группу вошли интактные животные (n=10), во 2-ю — ложнооперированные (n=10), в 3-ю — животные с экспериментальной ХОБЛ (ЭХОБЛ) (n=10), в 4-ю — с ОИГМ (n=20), в 5-ю — с ЭХОБЛ в сочетании с ОИГМ (n=20).

ЭХОБЛ моделировали, используя комбинацию индукторов, воспроизводящих протеолитическую деградацию легочной ткани и системное воспаление, что соответствует современным представлениям о патогенезе данного заболевания. Крысам, находящимся в стеклянном гермообъеме емкостью 500 мл, с помощью ультразвукового устройства (UN-231, США) ингалировали раствор очищенного папаина («Upeen», КНР) в концентрации 10 мг/мл в течение 3 нед, в суммарной дозе 480 мг. В течение этого же периода воспроизводили системное воспаление путем внутрибрюшинного введения животным бактериального ЛПС (ЛПС Escherichia coli, «Sigma», США) в суммарной дозе 400 мг. Прижизненную верификацию ЭХОБЛ проводили через 3 мес от начала эксперимента на рентгеновском микротомографе сверхвысокого разрешения Skyscan-1176 («Bruker», США) в спиральном инспираторно-экспираторном режиме. Частоту дыхания контролировали с помощью подсистемы физиологического мониторинга. Оценивали объемные, денситометрические и визуальные характеристики сканограмм, характеризующие выраженность ремоделирования органов дыхания [8]. Сатурацию артериальной крови кислородом (SpО2) исследовали на ветеринарном пульсоксиметре MouseOxPlus («Starr Life Sciences», США).

Модель неполной глобальной ОИГМ была выполнена анестезированным животным (внутримышечное введение смеси золетил 100 + рометар в соотношении 1:4 из расчета 10 мг на 1 кг массы тела) методом одномоментной билатеральной окклюзии общих сонных артерий путем наложения лигатур. Неврологический и поведенческий статусы животных 3—5-й групп исследовали через 24, 48 и 72 ч после рентгенологической верификации ЭХОБЛ и моделирования ОИГМ. Выраженность неврологического дефицита оценивали с использованием 10-балльной шкалы NSS в модификации для крыс [7]. Тяжесть неврологических нарушений определяли по сумме баллов, характеризующих совокупность отдельных признаков поражения ЦНС. Легкая степень неврологического дефицита соответствовала сумме баллов от 1 до 3, умеренная — от 4 до 6, тяжелая — от 7 до 10. Поведенческие реакции оценивали в тестах «открытое поле» (ОП), «8-лучевой радиальный лабиринт» (ВРЛ), «О-образный приподнятый лабиринт» (ОПЛ). Исследования выполняли в соответствии со стандартными протоколами на оборудовании «Open Science», РФ. В тесте ОП анализировали локомоторную функцию животных (пройденная дистанция и общая вертикальная активность), исследовательскую активность (время обнюхивания норок), эмоциональное состояние (количество актов дефекации, число актов груминга: кратковременного — 1—2 быстрых круговых движений лап вокруг носа и небольшой области около него длительностью до 5 с и продолжительного — умывание области глаз с заведением лап за уши и переходом на умывание всей головы, лап, боков, туловища, аногенитальной области, хвоста более 10 с). В тесте ВРЛ оценивали параметры пространственной памяти, используя подсчет количества корректных (однократных) и некорректных (повторных) входов в рукава лабиринта. Уровень тревожности животных исследовали в тесте ОПЛ по количеству выходов в открытый сектор и времени, проведенному в нем. Видеофиксацию экспериментов проводили в режиме реального времени с использованием цифровой видеосистемы EthoVision XT (США) в специальном помещении при освещенности 500 Лк и уровне шума 30 дБ. Подсчет анализируемых показателей осуществляли в течение 5 мин после адаптации животных к условиям эксперимента.

Опыты были проведены в соответствии со статьей 11 Хельсинкской декларации Всемирной медицинской ассоциации (1964 г.), международными рекомендациями по проведению медико-биологических исследований с использованием животных (1985 г.) и Правилами лабораторной практики в Российской Федерации (приказ МЗ РФ № 267 от 19.06.03).

Статистическую обработку данных выполняли с использованием программы Excel 2016 («Microsoft Corporation», США). Межгрупповой сравнительный анализ проводили с помощью U-критерия Манна—Уитни с поправкой Бонферрони. Статистически значимыми считали отличия при p<0,05.

Результаты

Результаты микротомографического исследования респираторной системы у крыс с ЭХОБЛ демонстрировали ремоделирование ее отдельных элементов, которое проявлялось ограничением инспираторно-экспираторного воздушного потока и гиперинфляцией. Так, у крыс с ЭХОБЛ объем легких на вдохе был на 34% ниже, чем в контрольной группе (3224,6±118,3 и 4318,6±193,9 мм3 соответственно, p=0,032), а на выдохе он достоверно увеличивался (2538,6±79,3 и 2091,8±88,7 мм3 соответственно, p=0,046). Кроме того, повышенная воздушность легких иллюстрировалась снижением денситометрических показателей, рассчитанных в единицах Хаунсфилда: на вдохе (–674,2±27,4 и –531,1±21,1 соответственно, p=0,0293), на выдохе (–468,2±24,3 и –377,8±18,1 соответственно, p=0,0346). О развивающейся дыхательной недостаточности и артериальной гипоксемии у крыс с ЭХОБЛ свидетельствовала динамика изменений ее функциональных индикаторов — SpO2 и частоты дыхания (ЧД) в 1 мин. SpO2 снижался на 16% (при ЭХОБЛ 83,2±2,53%; в контроле 96,5±2,1%, p=0,047), ЧД увеличивалась на 42% (при ЭХОБЛ 118,6±3,84 в 1 мин, в контроле 83,7±3,8 в 1 мин, p=0,0021). Визуальная оценка сканограмм свидетельствовала об эмфизематозно-пневмосклеротическом варианте ремоделирования легочной ткани, связанном с ее эластолитической деструкцией и хроническим воспалением. Выраженность визуальных изменений, а также количественная оценка индикаторов ремоделирования позволяли отнести данный вариант ЭХОБЛ к среднетяжелой форме [8].

Реализация модели неполной глобальной ОИГМ у животных приводила в большинстве случаев к необратимому нарушению мозгового кровообращения и их гибели (табл. 1).

Таблица 1. Оценка выживаемости и неврологического дефицита у крыс с ЭХОБЛ и ОИГМ Примечание. Достоверность различий: * — по сравнению с 1-й группой; # — по сравнению с 3-й группой; — между 4-й и 5-й группами.
Так, в группе крыс с сочетанной патологией через 72 ч смертность животных была максимальной и достигала 80%, а в группе с изолированной ОИГМ — 65%. При этом выживаемость крыс 1, 2 и 3-й групп составила 100%. Оценка неврологического статуса выживших животных показала, что его наиболее заметные изменения имеют место при комбинации ЭХОБЛ и ОИГМ. У крыс этой группы неврологический дефицит проявлялся резким ограничением подвижности, заторможенностью, дезориентацией, координаторными нарушениями, неспособностью удерживать равновесие на перекладине и осуществлять целенаправленные движения вдоль нее. У всех животных имели место нарушения глазодвигательной иннервации, мелко- или среднеамплитудный тремор головы, передних лап или хвоста, слабость мышц конечностей. Кроме того, у большинства из них снижались рефлексы вздрагивания, мигания, испуга при хлопке. Сумма баллов, характеризующая выраженность неврологического дефицита у животных этой группы, была максимальной через 48 ч после окклюзии общих сонных артерий и достоверно превышала данный показатель, зафиксированный через 24 ч после моделирования ОИГМ. При этом через 72 ч заметной динамики изменений неврологического статуса не наблюдали. При сочетании ЭХОБЛ и ОИГМ неврологический дефицит соответствовал тяжелому повреждению ЦНС, а при изолированной ОИГМ — умеренному. Это иллюстрировалось достоверными различиями в сумме баллов по шкале NSS у крыс 4-й и 5-й групп через 24—72 ч после моделирования ОИГМ. У животных с ЭХОБЛ без ОИГМ неврологические изменения были незначительно выраженными и не нарастали в течение всего периода наблюдения. Вместе с тем их неврологический статус достоверно отличался от интактных и ложнооперированных животных, что чаще проявлялось ограничением поискового поведения и сокращением дистанции, пройденной вдоль перекладины. Неврологический статус интактных и ложнооперированных крыс не отличался между собой.

Поведенческие паттерны крыс с изолированной ЭХОБЛ в сравнении с интактными и ложнооперированными животными характеризовались снижением локомоторной функции, что проявлялось сокращением на 25% пройденной дистанции при относительно стабильном показателе вертикальной активности. Среди животных этой группы не наблюдали снижения исследовательской активности и пространственной памяти, но фиксировали проявления тревожности, что иллюстрировалось увеличением количества актов кратковременного («тревожного») груминга, укорочением на 24% времени длительного («комфортного») груминга и снижением уровня показателей в тесте ОПЛ (табл. 2).

Таблица 2. Поведенческие характеристики крыс с ЭХОБЛ и ОИГМ Примечание. n — количество актов кратковременного груминга; с — продолжительность длительного груминга в секундах; * — p<0,05; ** — p<0,01; *** — p<0,001.
Поведенческие реакции животных с ОИГМ проявлялись значительным сокращением пройденной дистанции (в 2 раза по отношению к контролю) и времени вертикальной активности, что свидетельствовало о резком ограничении локомоторной функции.

Кроме того, у крыс этой группы в 1,8 и 1,6 раза снижался уровень индикаторов пространственной памяти, зафиксированный в тесте ВРЛ. У этих животных на 54% сокращалось время длительного груминга, характеризующее комфортное эмоциональное состояние животных, при относительно стабильном по отношению к контролю количестве актов кратковременного груминга. У крыс с ОИГМ снижалась исследовательская активность продолжительного груминга, что проявлялось уменьшением времени обнюхиваний норок на 64%. Усиление тревожности иллюстрировалось резким сокращением количества выходов крыс в открытый участок ОПЛ и времени нахождения в нем. Среди животных этой группы, как и среди крыс с ЭХОБЛ, была зафиксирована тенденция к увеличению числа болюсов помета, что также относят к индикаторам тревожного состояния и нестабильного статуса вегетативной нервной системы.

Расстройства поведения у крыс с сочетанной патологией значительно отличались от группы с изолированной ОИГМ. Так, эти животные по отношению к контролю демонстрировали резкое снижение уровня показателей горизонтальной (в 3,5 раза) и вертикальной (в 2,7 раза) активности, минимальные значения времени длительного груминга и обнюхивания норок. Отличительной особенностью поведенческого фенотипа крыс этой группы было почти 2-кратное увеличение числа болюсов помета в тесте ОП, что может свидетельствовать о нарушении вегетативного обеспечения деятельности и тревожно-фобическом дисбалансе. Кроме того, имели место выраженные нарушения пространственной памяти, показатели которой в тесте ВРЛ имели максимальное отклонение от контрольных значений (в 3,3 и 2,6 раза). О резком возрастании тревожности свидетельствовали минимальные уровни показателей в тесте ОПЛ, что существенно отличало этих крыс от других групп животных. Показатели поведенческого статуса ложнооперированных и интактных крыс не имели достоверных различий.

Обсуждение

Результаты проведенного исследования продемонстрировали наличие определенных паттернов поведенческих реакций у животных с ЭХОБЛ, ОИГМ и при комбинации этих патологий. Поведенческий фенотип крыс с ЭХОБЛ ассоциировался прежде всего с последствиями процессов ремоделирования респираторной системы, индуцированных избыточным протеолизом и системным воспалением, которые проявлялись ограничением легочной вентиляции и артериальной гипоксемией. В ряде работ было показано, что выраженность когнитивных расстройств при ХОБЛ тесно коррелирует со степенью насыщения крови кислородом. Эти изменения выявляют у 27% лиц с умеренной гипоксемией, у 62% — с тяжелой, а при снижении уровня сатурации ниже 88% частота когнитивных дисфункций возрастает в 2,4 раза [9]. К ключевым механизмам этих расстройств относят тканевую гипоксию, которая, помимо прямого действия на структуры головного мозга, оказывает существенное влияние на синтез ряда нейромедиаторов и ухудшает нейропластичность [10]. Со снижением когнитивных функций тесно взаимосвязана избыточная продукция медиаторов системного воспаления (С-реактивного протеина) и провоспалительных цитокинов (интерлейкинов — 1β, -6, фактора некроза опухоли-α и др.) [11]. Неврологические нарушения у крыс с изолированной ЭХОБЛ были выражены незначительно, а поведенческие расстройства проявлялись умеренным ограничением локомоторной функции, незначительным повышением тревожности на фоне сохраненной исследовательской активности и пространственной памяти. Полученные данные указывают на то, что даже при ЭХОБЛ средней степени тяжести имеют место экстрапульмональные проявления заболевания, которые в нашем исследовании проявлялись в поведенческих девиациях.

Неполная ОИГМ, вызванная необратимой билатеральной окклюзией общих сонных артерий, приводила к высокой (65%) смертности крыс в течение 72 ч наблюдения и сопровождалась умеренным неврологическим дефицитом у выживших животных. Их поведенческий паттерн характеризовался значительным ограничением локомоторной функции, исследовательской активности, пространственной памяти, усилением тревожности и появлением признаков вегетативной дисфункции. Указанные изменения демонстрировали известные эффекты ОИГМ, обусловленные нарушением метаболизма нейронов в результате резкого ограничения кровоснабжения головного мозга. Показано, что окклюзия общих сонных артерий у крыс уже через 1 ч приводит к снижению мозгового кровотока с 55 до 37 мл/100 г/мин и развитию острой церебральной ишемии с последующим каскадом патобиохимических реакций, индуцирующих повреждение нейронов и нейроглии [12]. Биомаркерами этих нарушений у животных являются неврологические и поведенческие расстройства.

Наиболее значительные изменения неврологического и поведенческого статусов имели место при моделировании ОИГМ у животных с ЭХОБЛ. В этом эксперименте наблюдали их самую высокую (80%) смертность, а выраженность неврологических нарушений была максимальной (птоз, тремор, вялость движений, дезориентация). Поведенческие реакции этих животных характеризовались минимальной локомоторной и исследовательской активностью, резким нарушением пространственной памяти, высокой тревожностью и нарастающим вегетативным дисбалансом. Неврологические и поведенческие расстройства у крыс этой группы развивались на фоне артериальной гипоксемии и системного воспаления, связанных с ЭХОБЛ, что создавало условия для исходной церебральной дисциркуляции и формирования более тяжелых последствий моделируемой ОИГМ. В ряде работ было показано, что при ХОБЛ уже на ранних стадиях заболевания нарушается ауторегуляция мозгового кровообращения за счет развития эндотелиальной дисфункции в пре- и интрацеребральных артериях, проявляющейся снижением их дилатационного резерва и усилением констрикторной активности [7]. Установлено, что по мере прогрессирования заболевания дисциркуляторные нарушения в церебральном сосудистом русле нарастают за счет ускорения процессов ремоделирования сосудистой системы мозга, увеличения ее жесткости и дальнейшего снижения скорости кровотока. Доказано, что эти изменения тесно связаны с выраженностью вентиляционных нарушений, артериальной гипоксемии и гиперкапнии [10]. По данным воксель-базированной морфометрии головного мозга, при ХОБЛ уменьшается объем серого вещества и большинства подкорковых ядер, что также находится в отрицательной корреляционной связи с парциальным напряжением кислорода в периферической крови и в положительной — с длительностью этого заболевания [12].

Данные литературы подтверждают наличие патофизиологических закономерностей «неслучайного» сочетания ХОБЛ и цереброваскулярной патологии, что определяется общими факторами риска этих заболеваний и системными эффектами хронического воспаления в респираторной системе [1, 9]. Результаты наших исследований доказывают, что экспериментальная модель коморбидности ЭХОБЛ и ОИГМ позволяет объективно оценить особенности нарушений неврологического и когнитивного статуса у животных с сочетанной патологией, что может быть полезным для уточнения механизмов патогенеза этих состояний и разработки персонифицированных программ их фармакокоррекции.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.

Сведения об авторах

Гельцер Б.И. — e-mail: boris.geltser@vvsu.ru

Котельников В.Н. — e-mail: 671235@mail.ru

Заяц Ю.В. — e-mail: yulia.zayats.1990@gmail.com

Как цитировать:

Гельцер Б.И., Котельников В.Н., Заяц Ю.В. Поведенческий статус крыс при экспериментальной коморбидности хронической обструктивной болезни легких и острой ишемии головного мозга. Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2019;119(7):54-59. https://doi.org/10.17116/jnevro201911907154

Автор, ответственный за переписку: Котельников Владимир Николаевич — e-mail: 671235@mail.ru

Список литературы:

  1. Куценко М.А., Чучалин А.Г. Парадигма коморбидности: синтропия ХОБЛ и ИБС. Российский медицинский журнал. 2014;22(5):389-392.
  2. Bernardo I, Bozinovski S, Vlahos R. Targeting oxidant-dependent mechanisms for the treatment of COPD and its comorbidities. Pharmacol Ther. 2015;155:60-79. https://doi.org/10.1016/j.pharmthera.2015.08.005
  3. Стаховская Л.В., Ключихина О.А., Богатырева М.Д., Коваленко В.В. Эпидемиология инсульта в России по результатам территориально-популяционного регистра. Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2013;113(5):4-10.
  4. Верткин А.Л., Скотников А.С., Губжокова О.М. Коморбидность при хронической обструктивной болезни легких: роль хронического воспаления и клинико-фармакологические ниши рофлумиласта. Лечащий врач. 2013;9:10-23.
  5. Portegies ML, Lahousse L, Joos GF. Chronic obstructive pulmonary disease and the risk of stroke. The Rotterdam Study. Am J Respir Crit Care Med. 2016;193(3):251-258. https://doi.org/10.1164/rccm.201505-0962OC
  6. Chindhi S, Thakur S, Sarkar M, Negi PC. Subclinical atherosclerotic vascular disease in chronic obstructive pulmonary disease: Prospective hospital-based case control study. Lung India. 2015;32(2):137-341. https://doi.org/10.4103/0970-2113.152624
  7. Lahousse L, Tiemeier H, Ikram MA, Brusselle GG. Chronic obstructive pulmonary disease and cerebrovascular disease: a comprehensive review. Respir Med. 2015;109(11):1371-1380. https://doi.org/10.1016/j.rmed.2015.07.014
  8. Гельцер Б.И., Заяц Ю.В., Котельников В.Н. Прижизненная верификация экспериментальной хронической обструктивной болезни легких различной степени тяжести. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2018;104(1):78-87.
  9. Kazmierczak M, Ciebiada M, Pekala-Wojciechowska A, Pawlowski M, Nielepkowicz-Gozdzinska A, Antczak A. Evaluation of markers of inflammation and oxidative stress in COPD patients with or without cardiovascular comorbidities. Heart lung circ. 2015;24(8):817-823. https://doi.org/10.1016/j.hlc.2015.01.019
  10. Уракова М.А., Брындина И.Г., Герасимов П.Н., Зеленина О.А., Колыева Э.И. Метаболическая активность легких при экспериментальной ишемии головного мозга в условиях капсаициновой блокады блуждающего нерва. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2016;102(5):567-574.
  11. Austin V, Crack PJ, Bozinovski S, Miller AA, Vlahos R. COPD and stroke: are systemic inflammation and oxidative stress the missing links? Clin Sci. 2016;130(13):1039-1050. https://doi.org/10.1042/CS20160043
  12. Лобанова Н.Н., Медведев Н.И., Попов В.И., Мурашев А.Н. Моделирование глобальной ишемии головного мозга путем билатеральной окклюзии сонных артерий у бодрствующих гипертензивных крыс (SHR-SP). Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2008;146(12):617-630.