Role of passive and active myostimulation for the changing levels of some cytokines

Full Text

Введение

Повреждение передней крестообразной связки (ПКС) у спортсменов происходит с частотой около 4-5 случаев на 1000 человек в год [1], по данным зарубежных авторов, в среднем 69 случаев на 100 000 человек в год, у мужчин-спортсменов чаще примерно 82 случая на 100 000, у женщин – 59 случаев на 100 000. При сопоставлении данных показателей по возрасту и полу у женщин-спортсменок в возрасте 14-18 лет самый высокий уровень травм – 227,6 на 100 000, у мужчин пик травм ПКС регистрируется в возрасте от 19 до 24 лет – 241 на 100 000 [12].

Спортсменки в восемь раз чаще напрягают переднюю крестообразную связку в тех видах спорта, которые включают в себя прыжки, при этом самый высокий процент травм ПКС был зафиксирован в спортивной гимнастике 33 случая на 1000 спортсменок в год. Гендерные различия травматизма ПКС обусловлены, с одной стороны преобладанием эстрогенового фона у женщин и высокой степенью рыхлостью и разволокненностью связок, с другой – различиями в выравнивании ног/таза при движении [7].

Артрогенное мышечное торможение (АМТ), возникающее вследствие травмы передней крестообразной связки, продолжает оставаться ограничивающим фактором в успешном оперативном лечении и последующей реабилитации, вследствие неспособности произвольной активации четырехглавой мышцы, что значительно замедляет восстановление [8, 9].

Аномальные суставные афферентные выбросы, являющиеся причиной АМТ при травме ПКС, влияют на возбудимость спинномозговых и супраспинальных путей, ограничивая мышечную активацию, и могут оказывать тормозное влияние на центральную нервную систему, в частности на кортикомоторные и внутрикорковые пути. Игнорирование дисфункции четырехглавой мышцы бедра приводит к стойкой гипокинезии, атрофии мышц, увеличивает риск повторного травмирования и способствует развитию посттравматического остеоартрита коленного сустава [10, 11]. Ряд исследований показывает эффективность пассивной электромиостимуляции в качестве дооперационной подготовки, обусловленную выбросом в кровь особых цитокинов, продуцируемых активно работающими мышечными клетками – миокинами, обладающими богатым спектром биологического действия, включающего противовоспалительный и репаративный эффекты [4].

В связи с вышеизложенным целью исследования явилось изучение показателей электромиографии, уровней некоторых цитокинов-миокинов при пассивной и активной миостимуляции при травматическом повреждении передней крестообразной связки.

Материалы и методы

В исследовании принимали участие 28 мужчин, занимающихся анаэробными видами спорта (легкая атлетика, плавание, баскетбол) с диагнозом по МКБ-10 S83.5. Растяжение, разрыв и перенапряжение передней крестообразной связки коленного сустава с давностью травмы менее 3-4 месяцев, поступивших для реконструктивного хирургического вмешательства в отделение травматологии и ортопедии ГБУЗ «Челябинская областная клиническая больница». Средний возраст пациентов основной группы составил 35,2±2,3 года. Верификация диагноза осуществлялась при наличии положительных тестов Лахмана, «переднего выдвижного ящика» при сгибании 90 градусов и рентгенологическом исследовании КС.

Среди жалоб преобладали умеренные болевые ощущения (65%), чувство нестабильности в поврежденном коленном суставе (93%), слабость в мышцах поврежденной конечности (48%). Все пациенты при поступлении проходили электромиографическое (ЭМГ) исследование прямой головки четырехглавой мышцы бедра травмированной конечности на 4-канальной системе ЭМГ/ВП Viking Quest (Nicolet, США). Проводилась суммарная поверхностная ЭМГ при развитии максимального произвольного мышечного напряжения с оценкой среднеквадратичной амплитуды (Root Mean Square amplitude), мкВ. Далее, лица, имеющие сниженные показатели по ЭМГ, методом простой рандомизации были разделены на две равновеликие группы. Группу 2 составили 14 пациентов, которым за 10 дней до начала артроскопического оперативного вмешательства проводили пассивную электромиостимуляцию (ЭМС) четырехглавой мышцы бедра в ежедневном режиме, рабочий цикл 10 с стимуляция / 10 с расслабление, в течение 20 мин на аппарате комбинированной терапии INTELECT^® Advanced (Chattanooga (DJO), США). Силу тока наращивали через каждые 2-3 цикла после начала воздействия, до появления ощутимых мышечных сокращений. В третью группу вошли 14 пациентов, которым оперативное вмешательство проводилось без предварительной ЭМС. После реконструктивной артроскопической операции, заключающейся в аутопластике ПКС при помощи артроскопа Karl Storz (Германия), пациенты 2-й и 3-й групп на протяжении 2-недельной иммобилизации конечности получали ЭМС в описанном выше режиме, с 3-й недели после достижения угла сгибания в коленном суставе более 90 градусов и снятия ортеза все пациенты перешли к режиму активных тренировок. В динамике ЭМГ проводили через 2 и 7 недель после операции.

Контрольную группу 1 составили 12 здоровых мужчин, средний возраст 34,2±2,4 года. ЭМГ прямой головки четырехглавой мышцы бедра и забор крови у здоровых лиц проводился однократно.

Уровни цитокинов IL-6 и TGF-β в сыворотке венозной крови исследовали у здоровых лиц, в основной группе при поступлении, в динамике после 10-дневной пассивной ЭМС в группе 2, через 2 и 7 недель после оперативного вмешательства с помощью набора реагентов для иммуноферментного анализа (АО «Вектор-Бест», Новосибирск) в диапазоне концентраций 0-300 пг/мл, при длине волны 450 нм; концентрацию трансформирующего фактора роста β с помощью набора фирмы Cloud-Clone Corp. (China) в диапазоне концентраций 5,8-1000 пг/мл, при длине волны 450 нм.

Статистическая обработка материала проводилась с помощью пакета лицензионных программ Statistica. Vers. 10.0 (StatSoft Inc., США). При сравнении данных использовали непараметрический критерий Манна–Уитни, в динамике ЭМС с помощью критерия Вилкоксона. Данные представлены в виде медианы (Ме) и значений интерквартильного размаха (Q_0,25-Q_0,75). Сравнение групп производили, используя непараметрический критерий Манна–Уитни, с учетом поправки Бонферрони, значимыми считали различия при p ≤ 0,02.

Результаты и обсуждение

 

Рисунок 1. Показатели ЭМГ в динамике пассивной и активной миостимуляции

Figure 1. EMG parameters in the dynamics of passive and active myostimulation

 

Наиболее высокая средняя амплитуда (мкВ) при проведении ЭМГ регистрировалась у здоровых лиц и составила по медиане 521,4 (489,3; 562,4) (рис. 1). При поступлении в стационар у пациентов 2-й и 3-й групп зафиксированы значимо меньшие величины средней амплитуды, соответственно, 247,3 (197,3-275,6) и 250,2 (196,5-321,3). После проведения 10-дневной ЭМС во второй группе отмечено значимое увеличение показателя до значений здоровых лиц. В динамике после оперативного вмешательства показатели ЭМГ через 2 и 7 недель в 3-й группе оставались на прежнем низком уровне, в то время как показатели ЭМГ второй группы были сравнимы со здоровыми лицами, что отражает более быстрое и качественное восстановление мышц после травмы, позволяющее спустя 7 недель после оперативного вмешательства перейти в тренирующий режим нагрузок.

Известно, что во время ЭМС и активных физических нагрузок мышцы проявляют эндокринную активность за счет продукции миоцитами и сателлитными клетками ряда цитокинов, называемых миокинами, таких как IL-6, иризин, IGF-1, FGF2, TGF-β, миостатина, декорина и др., выполняющих как аутокринную функцию регуляции мышечного метаболизма, так и паракринную/эндокринную регулирующую функцию в отдаленных органах и тканях, таких как кость, жировая ткань, мозг и печень, проявляя в определенных концентрациях противовоспалительные и репаративные свойства [6].

Нами наглядно показаны исходно низкие концентрации IL-6 в группах 2 и 3 при поступлении (соответственно по медиане 1,4 (1,2-1,6) и 2,2 (1,2-2,3) в сравнении с уровнем здоровых лиц 6,2 (4,2-7,1) и значимое повышение концентрации IL-6 крови пациентов группы 2, получающей процедуру пассивной ЭМС до оперативного вмешательства до уровня здоровых лиц (рис. 2).

 

Рисунок 2. Уровни миокина – IL-6 в динамике пассивной и активной миостимуляции

Figure 2. Levels of myokine – IL-6 in the dynamics of passive and active myostimulation

 

Через 2 и 7 недель после оперативного вмешательства уровень миокина во второй группе не имел различий со здоровыми лицами, в отличие от группы 3, где он оставался на уровне 3,2 (2,5-4,5). Биологическое значение повышения уровня IL-6, не превышающее референсные значения здоровых лиц, при мышечной нагрузке заключается в активации на уровне скелетной мускулатуры АМФ-киназы и/или фосфатидилинозитол-3-киназы через рецептор gp130rβ/IL-6ra, что приводит к увеличению поглощения глюкозы и окислению жирных кислот, обеспечивая энергетическим субстратом сокращающиеся мышцы. Эндокринное действие циркулирующего IL-6 направлено на мобилизацию энергетических ресурсов организма в виде липолитического эффекта за счет повышения активности липопротеинлипазы. Также IL-6 способен проявлять ингибирующее влияние на продукцию инсулина за счет угнетения синтеза SOSC-3 (suppressor of cytokine signaling), реципрокно отвечающего за сигнальный путь IL-6. SOSC-3 может связываться и угнетать активность как мембранного рецептора инсулина, так и IRS-1, и препятствовать проведению инсулинового сигнала. Формируя таким образом инсулинорезистентность, IL-6 способствует более эффективной мобилизации глюкозы и жирных кислот в качестве источников энергии [2]. Некоторые авторы отмечают, что контролируемые физические упражнения также способны модулировать иммунный ответ, уменьшая выраженность воспалительных изменений в виде снижения в крови уровней CXCL8/IL-8, CCL2/MCP-1, IFNã с параллельным повышением концентраций IL-2, IL-6, IL-4 и IL-10 [5].

Исследования последних лет показали важнейшую роль в процессах воспаления, ремоделирования и репарации тканей трансформирующего фактора роста β, полимодального цитокина, активирующего ряд каскадных сигнальных путей как в иммунных, так и в других типах клеток [3]. Нами изучены уровни данного цитокина в динамике пассивной и активной миостимуляции. Установлено, что в условиях вынужденной гипокинезии в крови значимо снижается уровень TGF-β в сравнении со здоровыми лицами, что демонстрирует рисунок 3. После проведения предоперационной пассивной ЭМС и в динамике пассивной и активной миостимуляции во 2-й группе пациентов концентрация TGF-β увеличилась до значений здоровых лиц.

 

Рисунок 3. Уровни TGF-β на фоне пассивной и активной миостимуляции

Figure 3. TGF-β levels against the background of passive and active myostimulation

 

Известна способность TGF-β принимать участие в процессах репарации, путем запуска каскада сигнальных путей, в частности Smad-белков, Erk1/2, JNK и p38, PI3K, а также посредством активации рецептора эпидермального ростового фактора (EGF), фактора роста эндотелия сосудов (VEGF). Отмечено, что повышенное содержание TGF-β1 снижает активность NO-синтазы, приводящее к падению генерации NO, и как следствие – NO-радикалов, снижая риск развития нитрозативного клеточного стресса. Кроме того, описано, что TGF-β1 способствует пролиферации фибробластов, увеличивает содержание коллагена, путем регуляции экспрессии генов, кодирующих фибриллярный коллаген I и III типов.

Заключение

Таким образом, проведение пассивной ЭМС до начала оперативного лечения травматического повреждения ПКС, после оперативного лечения в течение 2 недель и активной ЭМС после периода ортезирования приводит к улучшению показателей электромиографии, повышению концентрации в крови миокинов – IL-6 и TGF-β в пределах значений здоровых лиц, что способствует улучшению энергетического баланса, повышению противовоспалительного и репаративного потенциала поврежденных тканей.

About the authors

Rustam R. Ahmetyanov

Chelyabinsk Regional Clinical Hospital

Email: dr.ahm345@gmail.com

Traumatologist-Orthopedist, Department of Traumatology and Orthopedics

Russian Federation, 70 Vorovsky St.Chelyabinsk, 454048

Evgenia V. Davydovа

Chelyabinsk Regional Clinical Hospital; South Ural State Medical University

Author for correspondence.
Email: davidova-ev.med@yandex.ru

PhD, MD (Medicine), Associate Professor, Professor, Department of Medical Rehabilitation and Sports Medicine, Head, Early Medical Rehabilitation

Russian Federation, 70 Vorovsky St.Chelyabinsk, 454048; st. Vorovskogo, 64, Chelyabinsk

Artur R. Sabiryanov

South Ural State Medical University

Email: Lfksar@mail.ru

PhD, MD (Medicine), Professor, Head, Department of Medical Rehabilitation and Sports Medicine

Russian Federation, st. Vorovskogo, 64, Chelyabinsk

Irina L. Shcherbakova

Chelyabinsk Regional Clinical Hospital

Email: ii_ri_na@mail.ru

Head, Department of Neurophysiology

Russian Federation, 70 Vorovsky St.Chelyabinsk, 454048

References

Supplementary files