III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИЗУЧЕНИЕ МОДЕЛИ ГИПОКСИИ НА ДОЖДЕВЫХ ЧЕРВЯХ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Исаченкова Е.А. 1Шумейко А.А. 1

---

1МБОУ "СШ№ 24" г.Смоленск

Блажко Н.Н. 1

---

1МБОУ "СШ №24" г.Смоленск

Работа в формате PDF

180 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Актуальность исследования: все время своего существования человек сталкивался с разного рода проблемами биологического характера (хищники, экологические и климатологические катастрофы), которые угрожали не только здоровью, но даже существованию всего рода. В современном же мире человек постоянно испытывает влияние разных техногенных факторов, которые оказывают вредное воздействие на его здоровье. К таким факторам относится: плохая экология, постоянные стрессы, вредные привычки, нездоровый образ жизни и т.д. Всё это может вызвать у человека проблемы со здоровьем и даже в некоторых случаях привести к смерти. Одной из таких проблем является состояние гипоксии, которое негативно действует не только на отдельные процессы или системы в организме человека, но и на весь организм в целом. С понятием «Гипоксия» мы познакомились на уроках биологии, изучая темы: «Кровеносная система» и «Дыхательная система» и решили изучить это понятие более подробно.

Цель работы: изучить состояние гипоксии и её влияние на организм человека.

Объект: моделирование процесса гипоксии с использованием дождевых червей.

Предмет: гипоксия как патологическое состояние.

Задачи:

1. Изучить литературу по данному вопросу.

2. Познакомиться с моделями гипоксии.

3. Изучить действие различных препаратов с антигипоксической активностью.

Методы исследования: изучение литературы по данной теме, проведение опытов, консультация преподавателей СГМУ, анализ полученных результатов.

Наша работа состояла из четырех этапов.

Первый этап заключался в изучении литературы по нашей теме.

Второй этап включал в себя изучение фармакологических свойств и препаратов, входящих в группу антигипоксантов, и отбор веществ для опытов. Третий – моделирование состояния гипоксии с данными веществами на дождевых червях. И, наконец, четвертый этап это анализ полученных результатов и формулировка выводов о нашей работе.

Результаты деятельности:

1.Проведен анализ литературы по данной теме.

2.Освоена модель гипоксии в гермообъеме.

3.Проведёны опыты по изучения антигипоксической активности отдельных веществ и препаратов.

4.Проведен анализ и сравнение результатов с результатами научных трудов сотрудников СГМУ.

1.Гипоксия.

Гипоксия (кислородная недостаточность) это состояние, возникающее при недостаточном снабжении тканей организма кислородом или нарушении его использования в процессе биологического окисления [1].

1.1. Общая характеристика понятия «Гипоксия».

Данный термин предложил американский физиолог Уигерс в 1940 году. Большую роль в изучении проблемы гипоксии сыграли отечественные учёные. Основу разработки проблемы Гипоксии заложил И. М. Сеченов фундаментальными работами по физиологии дыхания и газообменной функции крови в условиях нормального, пониженного и повышенного атмосферного давления. В. В. Пашутин впервые создал общее учение о кислородном голодании как одной из основных проблем общей патологии и в значительной мере определил дальнейшее развитие этой проблемы в России. В «Лекциях общей патологии» В.В. Пашутин (1881) дал близкую к современной классификацию гипоксических состояний. П. М. Альбицкий (1853—1922) установил значение фактора времени в развитии Гипоксии, изучил компенсаторные реакции организма при недостатке кислорода и описал Гипоксию, возникающую при первичных нарушениях тканевого обмена. Проблему Гипоксии разрабатывали Е. А. Карташевский, Н. В. Веселкин, Н. Н. Сиротинин, И. Р. Петров, особое внимание уделявший роли нервной системы при развитии гипоксических состояний [7].

За рубежом: Поль Бер (P. Bert) изучал влияние колебаний барометрического давления на живые организмы; исследования высотной и некоторых других форм гипоксии принадлежат Цунтцу и Леви (N. Zuntz, A. Loewy, 1906), Ван-Лиру (Е. Van Liere, 1942); механизмы нарушений системы внешнего дыхания и их роль в развитии Гипоксии описали Дж. Холдейн, Пристли (J. Priestley). Значение крови для транспорта кислорода в организме было изучено Дж. Баркрофтом (1925). Роль тканевых дыхательных ферментов в развитии Гипоксии подробно исследовал О. Варбург (1948) [12].

Гипоксия относится к типичным патологическим процессам, которые могут протекать в организме при различных заболеваниях и состояниях.. Изменения на клеточном уровне, возникающие при гипоксии, активируют приспособительные реакции организма, которые могут в течение некоторого времени поддерживать относительно нормальную работу органов и тканей в условиях кислородного голодания. Для уменьшения последствий состояния гипоксии задействуются, главным образом, органы сердечно-сосудистой и дыхательной систем, а также происходит изменение биохимических процессов в клетках тканей и органов, которые наиболее сильно страдают от недостатка кислорода.

Так, при острой гипоксии защитные реакции организма заключаются в усилении дыхания и кровообращения, повышается артериальное давление, возникает тахикардия, дыхание становится глубоким и частым, сердце за минуту прокачивает больший объем крови, чем в норме. Кроме того, в ответ на острую гипоксию из костного мозга и селезенки выходят в кровоток все "запасы" эритроцитов, которые необходимы для переноса кислорода к клеткам [5]. При очень тяжелой острой гипоксии организм направляет весь кислород к мозгу и сердцу – органам, критически важным для выживания, и как бы "обделяет" те структуры, которые на текущий момент не нужны для выживания. Такие реакции являются рефлекторными, поэтому при устранении кислородного голодания они прекращают свое действие, а органы и системы полностью возвращаются к состоянию, которое было до развития гипоксии.

При хронической гипоксии такие реакции не рефлекторны, они развиваются за счет перестройки режима функционирования органов и систем, и потому их действие не может быть быстро прекращено после устранения кислородного голодания [3].

1.2.Типы гипоксии.По этиологии:

• Гипоксическая (экзогенная) — при снижении парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе;

• Дыхательная (респираторная) — при нарушении транспорта кислорода из атмосферы в кровь;

• Гемическая (кровяная) — при снижении кислородной емкости крови;

• Циркуляторная — при недостаточности кровообращения, сопровождается снижением артериовенозной разницы по кислороду;

• Тканевая (гистотоксическая) — при нарушении использования кислорода тканями;

• Перегрузочная - вследствие чрезмерной функциональной нагрузки на орган или ткань;

• Смешанная — любая тяжелая/длительная гипоксия приобретает тканевой компонент.

По распространенности (только для циркуляторной):

• Общая

• Местная

По скорости развития:

• Молниеносная – развивается в течение нескольких секунд (не дольше 2 – 3 минут)

• Острая – развивается в течение нескольких десятков минут или часов (не дольше 2 часов)

• Подострая – развивается в течение нескольких часов (не дольше 3 – 5 часов)

• Хроническая – развивается и длится в течение недель, месяцев или лет [12].

1.  

   1. Симптомы гипоксии.

Симптомы острой нехватки кислорода: начинает кружиться и болеть голова, нарушается координация, затем начинается упадок сил, переходящий в полную неспособность двигаться. Настроение вначале беспричинно резко повышается, через некоторое время появляются апатия, депрессия. Обменные процессы нарушаются, повышается проницаемость мелких кровеносных сосудов. Сильнее всего страдают нервная и сердечно-сосудистая системы – длительное лишение кислорода приводит к гибели клеток головного мозга, прекращается функционирование сердца.

Хроническая гипоксия проявляется стойким снижением иммунитета и общей работоспособности организма, высокой утомляемостью, непереносимостью физических нагрузок. В условиях постоянной нехватки кислорода замедляется умственная деятельность, возможны сонливость и апатия.

1.  

   1. Диагностика и лечение.

Выявить признаки гипоксии можно при первом осмотре пациента. Кроме внешнего осмотра доктор назначает и лабораторные исследования:

• Пульсоксиметрию – таким способом определяется, насколько ткани насыщаются кислородом, в организме человека показатель должен быть не ниже 95%.

• Химический анализ крови. Этим методом удается проверить газовый состав, и оптимальный баланс кислот и щелочей в клетках тканей.

• Проводиться проверка качества вдыхаемого воздуха. Идет проверка на присутствие в нем тяжелых металлов, свободных радикалов и органических соединений.

После того как подтверждено гипоксическое состояние организмав первую очередь больной должен обеспечить хорошую вентиляцию в своем жилище. Очень полезны прогулки на природе, где-нибудь за городом в лесу. В большинстве случаев гипоксия тканей возникает при наличии нескольких негативных факторов (плохо проветриваемое помещение, загрязнение воздуха предприятиями или выхлопными газами авто - и железнодорожного транспорта, отравление химическими веществами и т.д.). После определение этого фактора лечение должно быть направлено на устранение причины. Если говорить проще, то для каждого отдельного пациента подбирается индивидуальное лечение после тщательного обследования.

Для лечения разных типов гипоксии могут применяться такие меры:

применение кислородных концентратов и искусственная вентиляция легких; переливание крови; употребление в пищу продуктов, в которых присутствует большое количество железа, для стимуляции кровообразования; хирургическое вмешательство на сердце или на кровеносных сосудах, необходимое для улучшения работы клапана и мышц сердца; применение антидотов, которые помогут справиться с токсинами и в короткие сроки выводят их из организма, устраняя вредное воздействие [13].

1.  

   1. Фармакотерапия гипоксии.

В большинстве случаев при лечении гипоксии назначают препараты, которые могут искусственным путем насытить кислородом легкие, а также лекарственные средства, помогающих восстановить равновесие полезных веществ в крови, и народные методы лечения, которые не менее полезны.

Для повышения устойчивости человека к гипоксии уже на протяжении нескольких десятилетий широко применяются фармакологические средства, оказывающие стимулирующее действие на многочисленные защитные реакции организма. В настоящее время целый ряд лекарственных соединений выделяют в самостоятельный класс, называемый антигипоксантами. К ним традиционно относят любые вещества, предупреждающие развитие гипоксии, облегчающие реакции организма, или ускоряющие восстановление деятельности клеток после состояния гипоксии. Многие препараты, относящиеся к категории антигипоксантов, по праву нашли применение в повседневной практике врача [16].

Перечень препаратов, применяемых в качестве антигипоксантов: амтизол, мексидол, мексикор, кислота глутаминовая, кислота аспарагиновая, пирацетам, олифен, цитохром-С, кислота аскорбиновая, коэнзим витамина В12, коэнзим витамина В1, коэнзим витамина В6, рибоксин, гипоксен.

Мы изучили фармакологическое действие и ценовые особенности данных веществ, которые представили в виде таблицы №1 (Приложение №1).

Мы выбрали доступные в любой аптеке по ценовой категории и самые часто назначаемые врачами препараты из перечня антигипоксантов: мексидол, мексикор, кислота аскорбиновая, коэнзим витамина В12, пирацетам, рибоксин.

1. Изучение антигипоксической активности препаратов.

Прежде чем лекарственные вещества будут использоваться в медицине для лечения больных, они проходят исследования их антигипоксической активности на лабораторных животных (мышах и крысах в первую очередь). Существуют способы первичной фармакологической оценки антигипоксической активности, в основе которых лежит снижение концентрации кислорода, которое достигается различными путями, при этом активность действия препарата определяется по продолжительности жизни животных в экспериментальных условиях или по количеству выживших животных [13].

1.  

   1. Модели гипоксии.

В настоящее время существует несколько моделей гипоксии, которые используются для оценки антигипоксической активности вещества: 1)Нормобарическая гипоксия, когда животных одинаковой массы помещают по одному в герметически закрывающиеся банки объемом 200 см³ при нормальном атмосферном давлении, но низким давлением кислорода. 2)Гемическая гипоксия воспроизводится путем однократного введения мышам нитрита натрия в дозе 150-250 мг/кг подкожно. Гемическая гипоксия возникает вследствие нарушения способности эритроцитов переносить кислород. 3)Гипобарическая гипоксия (высотная) создается в проточно-вытяжной барокамере с поглотителем углекислого газа (СО₂). Животных «поднимают на высоту» 11 км (198,7 – 185 мм рт. ст.) со скоростью 25 – 50 м/сек [4].

Самый распространенный из способов оценки специфической антигипоксической активности является модель нормобарической гипоксии с гиперкапнией в гермообъеме, которая заключается в том, что животных контрольной и опытной групп (обычно мышей или крыс) по одному помещают в стеклянные банки одинакового объема, которые герметично закрывают. По мере потребления кислорода животными его концентрация в сосуде снижается, что приводит к их гибели. Сравнивая продолжительность жизни животных в контрольной и опытной группах, судят об антигипоксической активности испытуемого препарата или соединения, который предварительно вводят животным экспериментальной группы [10].

1.  

   1. Моделирование состояния гипоксии на контрольных и опытных группах.

Основным недостатком метода с гермообъемом для использования в школьном опыте является его затратность и высокая трудоемкость. Приобретение подопытных животных требует денежных затрат на приобретение и создание определенных условий для их содержания для соблюдения этических норм работы с позвоночными животными. Введение лекарственного вещества или контрольного раствора каждому животному внутрь или внутрибрюшинно требует навыков человека, проводящего опыты, и затраты времени. Поэтому в своих опытах мы использовали дождевых червей.

Дождевые черви потребляют небольшое количество кислорода, поэтому даже небольшое количество воздуха обеспечивает им длительное выживание. Например, объем 10 мл воздуха обеспечит выживание дождевого червя в течение 10 суток и более [2]. Для червей вредным фактором является высыхание их покровов в воздушной среде, а в водной среде в открытом сосуде они могут жить довольно долго [14].

Мы моделировали гипоксию следующим образом: отбирали половозрелых дождевых червей вида Eisenia felida andrei (красный калифорнийский червь) одинакового размера. Мы брали пробирки (объем 5 мл) заполняли кипяченой водопроводной водой комнатной температуры в контрольной группе и раствором исследуемого препарата, приготовленного на такой же воде, - в опытной, помещали в них червей и при температуре 20°С (так как это температура является верхним пределом температуры нормальной жизнедеятельности этого вида червей и в течение 10 часов наблюдали за состоянием червей, а об активности препарата судили по количеству выживших особей в контрольной и опытной группах [15]. Концентрацию растворов исследуемых веществ устанавливали по методу В.Б. Прозоровского [9]. Через 10 часов содержимое пробирок выливали в чашки Петри, определяли количество выживших особей по их подвижности, и сравнивали число выживших особей в контрольной и опытной группах. Для каждого препарата мы брали 20 особей и делали опытные растворы одинаковой концентрации, для того чтобы сравнивать результаты.

Но так как в качестве лабораторных животных используют мышей и крыс, то нужно было подтвердить возможность использования червей для достоверности полученных результатов. Для этого мы обратились за помощью к преподавателям Смоленского медицинского университета, которые занимаются в своих работах данной проблемой (так как наш учитель биологии и химии раньше там работал). С их участием мы провели опыт на червях с веществами, которые они использовали в своих работах: это πQ1968 и πQ1981. Последовательность и условия опыта были такими же, как и с другими препаратами.

Мы отобрали 20 половозрелых дождевых червей одинакового размера и по одному поместили в пробирки объемом 5 мл. 10 пробирок заполнили раствором соединения πQ1968, приготовленным на кипяченой водопроводной воде комнатной температуры, закрыли пробками, поместили в штатив. 10 пробирок (контрольная группа) заполнили кипяченой водопроводной водой комнатной температуры, закрыли пробками, и наблюдали за ними при температуре 20°С на протяжении 10 часов. Через 10 часов содержимое пробирок опытной и контрольной групп вылили в разные чашки Петри. Установили, что в опытной группе из 10 червей проявили подвижность 8 особей, а в контрольной группе 2 особи. Для точности различий повторили еще раз. В общей сложности в опыте из 20 червей выжило 16 особей, а в контрольной группе из 20 особей выжило 4. Эти данные совпали с результатами работ Е.О.Марковой. С соединением πQ1981 проделали тот же самый опыт, данные совпали с результатами работы Д.В.Сосина. [6, 11]. Все это подтвердило достоверность нашего опыта и возможность использование червей в рамках школьного опыта.

1.  

   1. Анализ полученных результатов.

В ходе наших опытов мы получили следующие результаты: самую высокую антигипоксическую активность показали препараты Мексидол (9 особей из 20) и Мексикор (8 особей выжили из 20), средние показатели активности у Аскорбиновой кислоты (6 особей из 20) и Рибоксина (7 особей из 20). Самые низкие результаты показали препараты Витамин В12 и Пирацетам (всего 5 особей из 20). По этим данным можно сделать вывод, что из всех изученных препаратов только Мексидол и Мексикор обладают высокой антигипоксической активностью и могут использоваться для устранения негативного воздействия состояния гипоксии на организм. При этом Мексикор, кроме того, что по результатам проявляет почти одинаковую с Мексидолом активность, еще и по цене дешевле. А остальные препараты могут использоваться для поддержания общего состояния организма в целом.

С веществами под шифрами πQ1981 и πQ1968 мы получили данные, которые соответствуют результатам опытов на мышах. Вещество πQ1981 показало низкую антигипоксическую активность - всего 5 особей выжило из 20, что практически одинаково с показателями контрольной группы (4 особи). Вещество же πQ1968 показало самую высокую активность (16 особей из 20), что является показателем выше, чем у Мексидола и других препаратов.

Результаты нашего опыта с данными веществами и препаратами на антигипоксическую активность с использованием дождевых червей представлены в таблице №2 «Выживаемость дождевых червей в растворах с исследуемыми веществами в условиях гипоксии с гиперкапнией в гермообъеме» (Приложение №2).

Результаты опыта обрабатывали в программе Microsoft Exel, а также оценки статистических различий частностей [8]. Из таблицы №2 (Приложение №2) следует, что результаты соответствуют данным, полученным ранее на позвоночных животных (мышах) в условиях данной модели гипоксии.

Заключение.

В ходе нашей работы мы начали изучать понятие «Гипоксия», изучили фармакологическое действие препаратов, оказывающих антигипоксическое действие на организм, познакомились с разными моделями гипоксии, освоили одну из них и изучили действие некоторых лекарственных препаратов, которые используются во врачебной практике для лечения гипоксии. Проведя опыты с веществами под шифрами πQ1981 и πQ1968, смогли сделать вывод, что опыты на дождевых червях показывают такие же достоверные результаты, как и при опытах на мышах и крысах. Наглядно увидели действие недостатка кислорода на живые организмы.

В перспективе мы планируем продолжать дальнейшее изучение данной темы, освоить другие модели гипоксии на этих же препаратах и при возможности изучить и новые вещества и препараты.

Список литературы.

1. Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В., 3-е издание.

2. Бызова Ю.Б. О влиянии напряжения кислорода на интенсивность дыхания у дождевых червей) //Журн. эвол, биохим. и физиол., 1967. Т.3. №1. С. 74-75.

3. Леонова Е.В. Гипоксия (патофизиологические аспекты): Метод. Рекомендации /Е.В. Леонова, Ф.И. Висмонт – Мн.: БГМУ, 2002. – 22 с.

4. Малкова Я. Г., Кальченко Г. Использование различных моделей гипоксии в экспериментальной фармакологии // Молодой ученый. — 2010. — №3. — С. 318-319.

5. Малкин В.Б. и Гиппенрейтер Е.Б. Острая и хроническая гипоксия.- М., 2007. – 145с.

6. Маркова Е.О. Антигипоксантные свойства новых комплексных соединений аскорбиновой кислоты: Дис…канд.биолог.наук. Смоленск. 2013-162с.

7. Сорокина, Т. С. История изучения гипоксии / Т.С. Сорокина, Е.Н. Ткачук // Проблемы социальной гигиены, здравоохранения и истории медицины.- 2002. - № 1. - С. 48-52 . - Библиогр. в конце ст. .

8. Петри А. Наглядная медицинская статистика: учебное пособие /А.Петри, К.Сэбин; пер.санг. Подред.В.П.Леонова.-3-еизд.,перераб. и доп.-М.,ГЭОТАР-Медиа,2015.-216.с.:ил.

9. Прозоровский В.Б., Прозоровский М.П., Демченко В.М. Экспресс метод определения средней дозы и её ошибки// Фармакол. и токсикология.- 1978.-№4.-С.497-502.

10. Лукьянова Л.Д. «Методические рекомендации по экспериментальному изучению препаратов, предлагаемых для клинического изучения в качестве антигипоксических средств» ФК МЗ СССР под редакцией Л. Д. Лукьяновой. - М, 1990- С.10.

11. Сосин Д.В. Селенсодержащие металлокомплексные соединения при острой экзогенной гипоксии: Дис…докт. мед. наук. Санкт-Петербург. 2015 - 312с.

12. Шевченко Е.А., Ляляев В.А., Потемина Т.Е. Гипоксия и гепероксия в вопросах и ответах: учебное пособие / под ред. О. В. Хлющевой. – НижГМА, 2012. 46 с.

13. Шевченко Ю.Л. Гипоксия. Адаптация, патогенез, клиника / Под общ. ред. Ю.Л.Шевченко. СПб, 2000. 384 с.

14. Roots B.J.1956. The water relations of earthworms. ІІ. Resistance to dessication and immersion and bahaviour when submerged and when allowed a choice of environment//J.Exp.Boil.Vol.33.No.1.P.20-44.

15. Dominguez J.2004.State-of-the Art and New Perspectiveson Vermicomposting Research. CRC Press. USA. 456p.

16. http://www.academ-clinic.ru/bolezny/gipoksija

Приложение №1.

Таблица №1.

*Цены взяты в нашей местной аптеке

Приложение 2.

Таблица №2.

Выживаемость дождевых червей в растворах с исследуемыми веществами в условиях гипоксии с гиперкапнией в гермообъеме

Примечание - *достоверное отличие от контроля