Анализ
характера организации управляющих
систем в норме, при развитии
экспериментальной гипертЕнзии
и лечении ее b-блокатором лопрессором
Т.Ю.ЗОТОВА,
В.А. ФРОЛОВ*
1. Введение
Живой организм является
сложной системой, организованной на основе иерархического принципа управления
[1, 3-6], обеспечивающего его целостное поведение во внешней среде. Однако просто аналитические методы исследования не позволяют
анализировать тип устройства управляющих систем организма, в то время как для
понимания и объяснения механизмов развития патологического процесса в клетке
нужно изучать не только структурно-функциональные взаимоотношения, но и тип и
характер управления ею, позволяющий объединить структурные элементы системы в
единый комплекс по извлечению, обработке, хранению и использованию информации
[1, 2, 5]. Представляемый ниже анализ мы проводили на модели экспериментальной
артериальной гипертензии и ее лечения β-блокатором лопрессором.
2. Материал и методы
Эксперименты были поставлены на 40 самцах кроликов породы
"шиншилла", массой 2,5-3,0 кг. Животные были разбиты на 4
группы (по 10 кроликов в группе): контроль (животные с фальш-операцией);
контроль (животные с фальш-операцией) и с ежедневным
внутримышечным введением в течение двух недель по 0,5 мг лопрессора;
кролики с вазоренальной артериальной гипертензией (по Goldblatt)
- через 8 недель после сужения брюшной аорты над местом отхождения почечных
артерий; кролики с вазоренальной артериальной гипертензией, которым в
течение двух недель, начиная с шести недель после операции, вводился лопрессор в приведенных выше дозах. В указанные сроки
животные забивались, сердца экстирпировались и перфузировались 2,5 % раствором глютарового
диальдегида. Участки папиллярных мышц иссекались,
фиксировались четырехокисью осмия при рН = 7.2-7.4, и заливались в смесь эпона с аралдитом. На
ультрамикротоме "Reicher-Jung-Ultracut" приготавливались
полутонкие и ультратонкие срезы. Полутонкие срезы окрашивались по Anthony et al. (1982) для
морфометрического исследования (в тридцати полях зрения в каждом случае) в
светооптическом микроскопе с помощью сетки Автандилова.
Ультратонкие срезы контрастировались гидроокисью свинца
и уранилацетатом для исследования в трансмиссионном
электронном микроскопе "Zeiss-10". Морфометрия
при увеличении 2 500 раз осуществлялась на экране монитора с помощью
морфометрической сетки, основанной на том же принципе, что и при светооптической
микроскопии. Числовые данные подвергались статистической обработке по Стьюденту.
За достоверную принималась разность средних при Т
=> 2 (p <= 0.05).
Таблица 1
Изменения
некоторых морфологических показателей в сердце под воздействием b-блокаторов
(полутонкие срезы)
|
Показатель |
Норма |
Норма +b-блокатор |
Гипертензия |
Гипертензия +b-блокатор |
|
Левый желудочек (об%) |
||||
Мышечные
волокна
|
67,1+1,53 |
70,0+1,29 |
77,8+1,05 |
61,3+2,36 |
|
Ядра |
0,96+0,16 |
0,83 + 0,14 |
1,48 + 0,18 |
1,35 + 0,2 |
|
Коллаген |
4,37+ 0,47 |
3,10 + 0,33 |
2,30 + 0,28 |
3,44 + 0,58 |
|
Кровеносные сосуды |
7,14+0,66 |
6,31 + 0,58 |
1,53 + 0,28 |
4,12 + 0,43 |
|
Просвет кровеносных сосудов |
1,88+0,24 |
3,07+0,38 |
1,17+0,18 |
1,2+0,3 |
|
Все остальное |
21,4+1,05 |
21,9+1,52 |
16,8+0,92 |
25,92+2,3 |
|
Нарушения архитектоники |
0,003+0,003 |
0,63 + 0,32 |
7,56+1,3 |
4,00+0,88 |
Внутриклеточный
отек
|
2,48+0,26 |
5,56+0,51 |
13,4+1,21 |
15,89+1,08 |
|
Внеклеточный отек |
0,81+0,18 |
1,04+0,22 |
6,89+1.02 |
4.48+0.87 |
|
Правый желудочек (об%) |
||||
Мышечные
волокна
|
56,1+0,95 |
50,6+0,80 |
73,97+1,1 |
45,63+1,86 |
|
Ядра |
1,83+0,30 |
0,68+0,15 |
2,1+ 0,27 |
1,08+0,20 |
|
Коллаген |
12,0+1,17 |
17,1+1,1 |
6,35+0,64 |
11,47+1,2 |
|
Кровеносные сосуды |
2,54+0,3 |
4,1+ 0,50 |
2,10+0,19 |
2,58+0,37 |
|
Просвет кровеносных сосудов |
0,67+0,14 |
0,43+0,11 |
0,480+0,1 |
1,1+0,23 |
|
Все остальное |
27,04+1,3 |
25,64+1,37 |
14,84+1,01 |
33,29+2,0 |
|
Нарушения архитектоники |
0,77 + 0,37 |
0,17 + 0,85 |
5,43 + 0,93 |
7,97 + 1,9 |
Внутриклеточный
отек
|
5,20 + 0,50 |
5,76 + 0,49 |
8,00 + 0,81 |
17,0 + 1,94 |
|
Внеклеточный отек |
4,40 + 0,72 |
11,46 + 0,91 |
8,03 + 1,20 |
9,00 + 1,14 |
На основе полученных
морфологических данных нами в соответствии со специальной методикой [1, 2] были
рассчитаны величины: энтропия изучаемой структуры (S), ее относительная энтропия (S%), коэффициент
избыточности (R), который собственно
отражает степень "информированности" системы и позволяет установить тип ее
управления. При величине этого коэффициента от 1 до 0,3 система является
детерминированной, при 0,3 до 0,1 - квазидетерминированной,
при его величине, не превышающей 0,1, - стохастической [1, 2]. Число значимых
корреляций - n, средняя сила корреляций
между структурными показателями
- r.
3. Результаты исследования
Анализ данных табл. 1
позволяет утверждать, что формирование гипертрофии
миокарда при гипертензии обусловлено
преимущественным увеличением количества мышечных волокон.
Таблица 2
Количество ядер, свободно лежащих в межклеточных пространствах
Желудо-
чек
|
Кол-во ядер |
Кол-во "свободно лежащих ядер" |
Отношение
кол-ва "свободно лежащих"
ядер к общему их кол-ву, % |
Норма
|
|||
Левый
|
2.82 + 0.35 |
0.93 + 0.21 |
33.0 |
|
Правый |
1.81 + 0.25 |
0.76 + 0.15 |
42.0 |
Норма + b-блокатор
|
|||
Левый
|
3.07 + 0.38 |
1.52 + 0.26 |
49.5 |
|
Правый |
2.67 + 0.32 |
1.59 + 0.25 |
59.6 |
Гипертензия
|
|||
Левый
|
6.21 + 0.38 |
1.64 + 0.25 |
26.4 |
|
Правый |
6.62 + 0.55 |
0.89 + 0.15 |
13.4 |
Гипертензия
+ b-блокатор
|
|||
Левый
|
4.82 + 0.84 |
2.23 + 0.26 |
46.2 |
|
Правый |
4.62 + 0.56 |
2.93 + 0.41 |
63.4 |
Морфологическим субстратом
формирования относительной
коронарной недостаточности, часто
сопровождающей в клинике артериальную
гипертензию, по представленным даным, может явиться
уменьшенное количество кровеносных
сосудов по сравнению с
возросшим числом мышечных
волокон.
Наблюдающиеся при гипертензии нарушения
архитектоники в структуре
сердечной мышцы, наиболее
выраженные в левом
желудочке, сопровождаются так же
внутри- и внеклеточным отеком.
Данные, приведенные в табл. 2, касаются показателя, характеризующего
интенсивность апоптоза, т.е. количества ядер,
свободно лежащих во внеклеточном пространстве ("выброшенных" из клетки, и их
отношения к общему их числу). В связи с небольшим количеством таких ядер
подсчет в данном случае производился не с помощью сетки Автандилова,
а просто - в 30 полях зрения, в связи с чем общее
количество ядер отличается от этого же показателя в табл. 1.
Анализ данных
указывает на еще
один механизм формирования гипертрофии
миокарда при экспериментальной гипертензии. Это - изменение (снижение)
интенсивности апоптоза
при гипертензии, визуализируемое показателем
отношения количества "свободно лежащих"
ядер к общему
их числу.
Назначение b-блокатора
при гипертензии (табл. 1, 2), приводя
к нормализации соотношения количества мышечных
волокон и кровеносных сосудов,
а также интенсивности апоптоза, не
устраняет такие явления, как
вне- и внутриклеточный отек, свидетельствующие о
сохранении повреждающего воздействия на
миокард.
Это
воздействие, учитывая полученные
данные, не может
быть реализовано за
счет нарушения кровоснабжения, что заставило
нас изучить характер
организации управляющих систем
организма в норме,
при гипертензии и при
использовании b-блокаторов в норме
и патологии (табл. 3-5).
Необходимо
отметить, что существующая
иерархия управляющих систем
в организме предопределяет, что высшие управляющие центры
работают по принципу
стохастической системы, чье
вероятностное поведение непосредственно регулируется
путем изменения энерго-информационного обеспечения системы [9]. Управляющие системы, реализующие конкретную функцию,
являются детерминированными и квазидетерминированными.
Таблица 3
Изменения некоторых морфологических показателей в сердце
под воздействием b-блокаторов (ультратонкие срезы)
|
Показатель |
Норма |
Норма + b-блокатор |
Гипертензия |
Гипертензия +b-блокатор |
|
Левый желудочек (об%) |
||||
Митохондрии
|
13.2 + 0.67 |
11.8 + 0.95 |
9.62 + 0.99 |
11.3 + 0.95 |
Миофибриллы
|
37.7 + 1.00 |
33.8 + 0.94 |
46.5 + 1.50 |
28.1 + 1.13 |
|
Ядра |
2.8 + 0.93 |
1.80 + 0.95 |
1.00 + 0.52 |
4.30 + 1.30 |
|
"Свободно лежащие" ядра |
1.17 + 0.66 |
0.43 + 0.44 |
0.40 + 0.23 |
3.9 + 1.35 |
|
Капилляры |
1.57 + 0.68 |
3.10+ 1.00 |
1.00 + 0.36 |
2.43 + 0.93 |
|
Просвет капилляров |
0.77 + 0.42 |
1.97 + 0.84 |
0.20 + 0.10 |
1.13 + 0.52 |
|
Лизосомы |
0.46 + 0.10 |
0.23 + 0.08 |
0.60 + 0.14 |
0.60 + 0.17 |
|
СПР |
0.58 + 0.14 |
0.30 + 0.11 |
0.82 + 0.13 |
0.33 + 0.13 |
|
Коллаген |
1.64 + 0.46 |
1.00 + 0.34 |
0.75 + 0.27 |
3.13 + 1.08 |
|
Все остальное |
38.34+ 2.2 |
42.4 + 1.97 |
36.7 + 1.96 |
49.9 + 2.12 |
|
Правый желудочек (об%) |
||||
Митохондрии
|
13.5 + 0.82 |
13.4 + 0.72 |
9.88 + 0.43 |
13.0 +1.00 |
Миофибриллы
|
33.4 + 1.28 |
36.8 + 1.48 |
41.2 + 1.1 |
30.0 + 1.15 |
|
Ядра |
3.03 + 0.70 |
2.60 + 0.89 |
1.27 + 0.46 |
1.36 + 0.41 |
|
"Свободно лежащие" ядра |
0.07 + 0.07 |
1.23 + 0.77 |
0.17 + 0.14 |
2.33 + 0.78 |
|
Капилляры |
2.47 + 0.68 |
3.20 + 1.37 |
1.60 + 0.63 |
3.37 + 1.06 |
|
Просвет капилляров |
1.03 + 0.37 |
1.37 + 0.79 |
0.53 + 0.27 |
1.63 + 0.53 |
|
Лизосомы |
0.66 + 0.15 |
0.44 + 0.10 |
0.60 + 0.09 |
0.87 + 0.21 |
|
СПР |
0.83 + 0.13 |
0.37 + 0.10 |
0.37 + 0.10 |
1.23 + 0.25 |
|
Коллаген |
6.96 + 0.80 |
3.69 + 0.56 |
1.93 + 0.39 |
6.23 + 1.54 |
|
Все остальное |
39.0 + 2.0 |
38.3 + 1.14 |
40.0 + 1.39 |
42.2 + 0.83 |
Анализ
"информированности" открытой системы сердца в норме позволяет утверждать, что
по типу устройства она стоит на границе между детерминированной и квазидетерминированной управляющей системой. Именно поэтому
существует статистически определяемая значимая взаимосвязь, отражающая неполную
функциональную зависимость, между рядом структурных параметров (8 пар
корреляций из 10 при средней величине коэффициента корреляции 0,44).
Таблица
4
Информационные характеристики ультраструктуры сердца
кролика
|
Показатель |
Норма |
Норма + b-блокатор |
Гипертензия |
Гипертензия + b-блокатор |
|
S |
1,28 |
1,15 |
0,71 |
1,11 |
|
S% |
69,19 |
62,23 |
37,50 |
60,08 |
|
R |
0,30 |
0,37 |
0,63 |
0,34 |
|
r |
0,44+0,05 |
0,28+0,04 |
0,48+0,05 |
0,40+0,07 |
|
n |
8 из 10 пар (4+,4-) |
2 из 10 пар (1+,1-) |
9 из 10 пар (6+,3-) |
5 из10 пар ( 5+) |
|
*) |
0,82 |
0,73 |
-0,18 |
0,70 |
|
**) левый желуд. правый желуд. |
+0,11 -0,13 |
+0,08 -0,61 |
+0,66 +0,25 |
- 0,45 -0,59 |
*) Корреляция между
объемом митохондрий и
миофибрилл
**)Корреляция между
внутри - и внеклеточным отеком
Формирование гипертензии
приводит к резкому усилению в системе детерминированных процессов: коэффициент
избыточности достигает 0,63. Возрастание количества участков с нарушенной
архитектоникой указывает на формирование повреждающего воздействия на миокард,
развивающегося при условиях нарушенного энергетического обеспечения механизма
сокращения миокарда; также отсутствует взаимосвязь между объемом митохондрий и
миофибрилл, существовавшая в условиях нормы. Наблюдается замедление процессов апоптоза, нарушается нормальное соотношение числа сосудов и
миофибрилл, формируется взаимосвязь между внутри- и внеклеточным отеком на уровне
левого желудочка
Назначение β-блокатора (табл. 4), хотя и
нормализует системную регуляцию за счет нарастания доли стохастических
процессов (уменьшение числа пар корреляций), на уровне микроструктуры полностью
не устраняет повреждающего действия на миокард.
Таблица
5
Стереометрические показатели
ультраструктуры сердца кроликов (M+m)
|
Стереометрический признак |
Норма |
Норма+ b-блокатор |
Гипертензия |
Гипертензия +b-блокатор |
||||
|
Л |
П |
Л |
П |
Л |
П |
Л |
П |
|
|
кол-во участков с
нарушенной
архитектоникой |
0,003 +0,01 |
0,77 +0,37 |
0,63 +0,32 |
0,17 +0,85 |
7,56 +1,13 |
5,43 +0,93 |
4,00 +0,88 |
7,97 +1,91 |
|
внеклеточный отек |
0,81 +0,18 |
4,40 +0,72 |
1,04 +0,22 |
11,46 +0,91 |
6,89 +1,02 |
8,03 +1,20 |
4,48 +0,87 |
9,0 +1,14 |
|
внутриклеточный отек |
2,48 +0,26 |
5,20 +0,50 |
5,56 +0,51 |
5,76 +0,49 |
13,38 +1,21 |
8,00 +0,81 |
15,89 +1,08 |
17,00 +1,94 |
|
соотношение: "свободно лежащие ядра"/ ядра |
0,42 |
0,02 |
0,24 |
0,47 |
0,40 |
0,134 |
0,97 |
0,61 |
|
соотношение: "кровеносные сосуды /мышечная масса" |
0,11 |
0,05 |
0,09 |
0,08 |
0,02 |
0,03 |
0,07 |
0,06 |
Примечание: Л - левый
желудочек, П - правый желудочек.
При этом анализ влияния β-блокатора на миокард сердца
кроликов в условиях нормы позволяет высказать предположение, что структурные
изменения миокарда в виде участков с нарушенной архитектоникой не связаны с
процессами энергообеспечения сократительного акта, так как сохраняется корреляция
между объемом митохондрий и миофибрилл. Возможно, эти
изменения обусловлены следующими факторами:
1) перегрузкой правого желудочка за счет роста сосудистого сопротивления
в малом кругу кровообращения, о чем может свидетельствовать появления
внеклеточного отека в правом желудочке; 2) большей чувствительностью правого
желудочка к отсутствию информационного потока [7], необходимого для адекватной
адаптации структур сердца; 3) снижением адаптационных возможностей системы по
устранению избытка энтропии путем снижения лизосомной
активности. Необходимо отметить нормализующее воздействие β-блокатора на процесс апоптоза сердечной мышцы, что может лежать в основе
обратного развития гипертрофии миокарда левого желудочка.
4.
Заключение
Результаты
представленного исследования демонстрируют принципиальную возможность
формирования повреждающего воздействия на миокард при изменении типа устройства
управляющих систем. Так, переход на высокую степень детерминированности
рабочих процессов в миокарде при гипертонии может приводить к энергетическому
дефициту за счет потери внутренней энергии системы в ходе рабочих процессов по
поддержанию ее гомеостаза на новом системном уровне существования. Объяснить данный
феномен воздействия информации
на систему можно
на основе анализа записи
полного дифференциала внутренней
энергии системы:
dU = TdS - p dV
где: U - внутренняя энергия, S - энтропия системы, p
dV - уход
энергии из системы
за счет выполнения ею работы (функции) на
основе использования системой
информации. С другой
стороны, при нарастании уровня
спонтанных термодинамических процессов,
проявляющихся снижением числа
и силы корреляции
между структурными рабочими параметрами,
формируется повреждающее воздействие
на миокард, но не за
счет энергетического дефицита
в системе, а за
счет неадекватного
использования информационных процессов, имеющих следствием
накопление "избытка" энтропии
в системе.
В свою очередь,
как дефицит внутренней энергии
в системе с
избыточным уровнем детерминированности рабочих
процессов, так и
увеличение уровня ее стохастичности приводит к
снижению адаптационных возможностей
системы, которое проявляется
при установлении динамического равновесия живого организма
со средой обитания.
Интересно,
что в условиях
нормы, когда управляющие системы
организма работают в режиме
квазидетерминированных систем,
наблюдается оптимальное соотношение
между стохастическими и
информационными процессами. Последнее
обстоятельство и обеспечивает как возможность
сохранения системой внутренней
энергии, так и оптимальный
уровень ее устойчивости,
гарантирующий состояние динамического
равновесия живого организма с внешней средой
обитания. Конкретные механизмы
достижения данного оптимума
еще требуют своего
изучения.
Литература
1. Автандилов Г.Г.
Вероятностные принципы изучения патогенеза и
морфогенеза ИБС: Микроциркуляция
в патологии.- М.: МОНИКИ, 1975.- С. 23-27.
2. Автандилов
Г.Г. Проблемы патогенеза
и патологической диагностики
болезней в аспекте
морфометрии.- М.: Медицина,1984.- 288 с.
3. Афанасьев
В.Г. Мир живого:
системность, эволюция, управление.- М.: Политиздат, 1986.- 333 с.
4. Богданов
А.А. Всеобщая организационная наука (тектология).- ч. 3.- Л.-М.: Книга, 1928.- 224 с.
5.
Винер Н. Кибернетика,
или управление и
связь в животном
и машине.- М.:
Наука, 1983.- 343 с.
6. Возможность управляющих
воздействий на функциональные системы
человека / Под ред. А.А. Хадарцева, Ф.Э. Фризена.-
Тула.: ТулГУ, 1999..- 208 с.
7. Волькенштейн М.В.
Биофизика.- М.: Наука, 1981.- 575 с.
8. Казанская Т.А., Фролов
В.А. Правый желудочек.- М.: Изд-
во РУДН,1996.- 1995 с.
9. Фролов
В.А., Моисеева Т.Ю. // Патол. физиол. и эксперим. тер.- 1999.-N 4.- С. 8-10.
The Analysis of an Organization Mode of
Controlling Systems Being both in the Norm and in the Course of an Experimental
Hypertension Development and its Treatment with b-Blocker of Lopressor
T.Yu. Zotova, V.A. Frolov
Summary
One of the basic
reasons of a change of a substance condition in time is its thermodynamic
chaos, which an alive organism can resist at due to a continuous flow of substance and
energy into system and an outflow of entropy from it. The adjustment of the
flows is carried out on the basis of using information by the system, what
being realized in a concrete morphological structure provides a performance of
specific functions of the organism on maintaining its homeostasis. Offered by Avtandilov GG(1975, 1980гг.), the method of calculation
of relative entropy of structural
parameters and redundancy factor on the basis of the analysis of morphometric data allows to define a degree of system
"knowledge"(information, realized in structure,) both in norm and during
development of a pathology and can be used for the analysis of an organization
mode of organism's controlling systems.
Key
words: thermodynamic chaos, entropy, information, homeostasis.
|
|
Фролов
Виктор Алексеевич - декан
медицинского факультета
РУДН, зав. кафедрой патологической физиологии, д.м.н., профессор.
Сфера интересов: патофизиология,
экспериментальная кардиология, термодинамика, информатика. Автор концепции
о болезни, как о "стесненной в
своей информации жизни".
|
|
Зотова
(Моисеева) Татьяна Юрьевна - доцент кафедры
патологической физиологии РУДН, д.м.н. Сфера интересов: практическая кардиология, термодинамика, информатика.