Инфракрасное лазерное воздействие в комбинации с приемом аминокислот с разветвленной боковой цепью стимулирует физиологическую адаптацию скелетных мышц

ВВЕДЕНИЕ

Физическая нагрузка оказывает многогранное влияние на организм животных и человека: происходит перестройка работы всех важнейших органов и систем, сдвиги в нервной и эндокринной регуляции, изменения состава крови и других биологических жидкостей. Мышцы отвечают на адекватную тренировочную физическую нагрузку адаптацией биохимических процессов, энергетического обмена и гипертрофией [1–4]. Однако при несоблюдении ряда требований к частоте, интенсивности физической нагрузки, технике движений, процесс тренировок может сопровождаться дезадаптацией различной степени тяжести, что ведет к ухудшению физиологического состояния спортсмена, спортивным травмам и потере трудоспособности [5–9].

Повышение эффективности и безопасности тренировочного процесса достигается использованием различных фармакологических средств, физиотерапевтических методик и спортивного питания. Лазерное воздействие хорошо зарекомендовало себя как способ повысить пролиферацию и неоангиогенез в тканях, что создает возможность восстановить имевшиеся поврежденные участки и оптимизировать функции сохранившихся структур [10–13]. Эффективность применения лазеров для реабилитации спортсменов при интенсивном тренировочном процессе также связывают с усилением микроциркуляции и нормализации кровоснабжения мышц, что играет роль в развитии гипертрофии [14][15], но влияние лазерного излучения на пролиферативный потенциал мышечных клеток при тренировках с приемом аминокислот с разветвленной цепью (BCAA) не изучался.

Спортивное питание сочетает пищевой рацион, соответствующий потребностям организма тренирующегося, и прием особых пищевых добавок, необходимых для более быстрого и полноценного восстановления организма после физической нагрузки. Аминокислоты с разветвленной цепью (BCAA) в виде пищевой добавки представляют собой смесь трех незаменимых аминокислот: валин, лейцин, изолейцин и являются эффективным средством стимуляции процессов восстановления мышечной ткани, синтеза белков, гормонов, цитокинов, характеризуясь высокой скоростью усваивания организмом, при минимальных затратах на пищеварение [16][17]. Однако эффективность этой добавки изучалась преимущественно при силовых тренировках, а проведенные исследования касались влияния на процессы гипертрофии мышц [17][18].

В доступной литературе отсутствуют работы, отражающие комбинированное влияние лазерного воздействия на мышцы и приема BCAA на мышечную ткань при тренировках, хотя можно предполагать, что объединение эффектов этих воздействий существенно улучшит адаптацию мышц и организма в целом к физической нагрузке.

Целью исследования являлось изучение влияния инфракрасного лазерного воздействия в комбинации с приемом аминокислот с разветвленной боковой цепью на миосателлитоциты и миоциты скелетной мышечной ткани при тренировках принудительным плаванием.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Исследование выполнялось на 30 крысах-самцах серии Вистар в возрасте 5–7 месяцев с массой от 270 до 320 г. Содержание и обращение с животными в эксперименте соответствовали требованиям приказа Минздрава РФ № 199Н от 01.04.2016 «Об утверждении правил надлежащей лабораторной практики». Животные были разделены на пять групп по 6 особей: 1-я группа – интактный контроль, 2-я группа – динамический контроль (тренировки принудительным плаванием), 3-я группа – тренировки и прием BCAA, 4-я группа – тренировки и лазерное инфракрасное воздействие на мышцы бедра (970 нм, 1 Вт, 60 с), 5-я группа – тренировки и воздействие лазера комбинированное с приемом ВСАА.

Тренировка принудительным плаванием воспроизводилась погружением животных в емкость с водой (диаметр – 60 см, высота – 85 см, емкость – 200 л). Глубина от поверхности воды до дна, необходимая для свободного движения животного и исключающая опору конечностей, составляла не менее 55 см. Температура воды, предотвращавшая переохлаждение животных во время тренировки, поддерживалась на уровне 30 ± 1 °С. Эксперимент длился 42 дня (6 недель), тренировки проводили 3 раза в неделю, с увеличением времени плавания каждую неделю на 5 минут. В первую неделю время плавания составляло 30 минут, на последней неделе время плавания составляло 55 минут.

Пищевую добавку BCAA («Fitness Formula», Россия) животные получали вместе с питьевой водой. На поилку объемом 500 мл добавляли 2 г смеси (содержание на 1 г: L-лейцин – 0,46 г, L-валин и L-изолейцин – по 0,22 г). В день каждое животное потребляло 27 ± 1,02 мл жидкости, что в пересчете на BCAA эквивалентно 0,049 г L-лейцина и по 0,024 г L-валина и L-изолейцина. Питьевую смесь ежедневно заменяли на свежую.

Лазерное воздействие проводилось после каждой тренировки. Фотомодуляцию осуществляли лазерным аппаратом «ИРЭ Полюс» (Россия) с длиной волны 970 нм, мощностью 1,0 Вт, в непрерывном режиме излучения. Обработку таргетных поверхностей задних конечностей проводили с расстояния 5,0 мм, сканирующими движениями в течение 1 минуты. В области бедра облучали зоны двуглавой мышцы и полусухожильной мышцы.

Животных выводили из опыта на 42-е сутки путем дислокации спинного мозга под эфирным ингаляционным наркозом. Для оценки морфофункционального состояния скелетной мышечной ткани препараты двуглавой мышцы бедра фиксировали 10%-ным нейтральным забуференным формалином. После стандартной гистологической проводки и приготовления парафиновых блоков срезы окрашивались гематоксилин-эозином.

Гистологические препараты анализировали с помощью микроскопа Leica DMRXA (Германия), оснащенного цифровой видеокамерой Leica DFC 290 (Германия), сопряженной с программой анализа изображений ImageScope М (Россия). Получившиеся изображения микропрепаратов в формате графических файлов *.tiff в цветовом пространстве RGB использовали в качестве объектов для морфометрических исследований.

Количество миосателлитоцитов и миоцитов рассчитывалось на увеличении 400 (об. ×40; ок. ×10), площадь ядер миосателлитоцитов и миоцитов – с использованием функции «ручное выделение» на увеличении 1000 с использованием масляной иммерсии.

Статистическая обработка данных проводилась с помощью лицензионного пакета прикладных программ Excel 2020 и PAST версии 4.03. При обработке полученных данных использовались методы вариационной статистики. Для оценки достоверности различий между группами использовали непараметрический метод Манна – Уитни. Данные представлены в виде среднего арифметического значения и его ошибки (M ± m). Статистически значимыми считали различия при р ≤ 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

После 42-дневного тренировочного цикла принудительного плавания (2-я группа) в двуглавой мышце бедра животных происходило достоверное увеличение площади ядер миоцитов, снижалось количество миоцитов на единицу площади препарата и повышалась толщина мышечных волокон (табл. 1, рис. 1). Количество и размеры ядер миосателлитов при этом не отличались от группы интактных животных.

В группе животных, получавших на фоне тренировок плаванием дополнительные нутриенты в виде BCAA (3-я группа), по сравнению группами интактного и динамического контроля, увеличивались показатели площади ядер и на 60–70 % возрастало количество миосателлитов, количество миоцитов повышалось на 20 % при одновременном увеличении размеров ядра этих клеток, на 50 % возрастала площадь поперечного сечения мышечных волокон и их толщина. Прирост массы животных в два раза превышал показатели группы динамического контроля.

Воздействие лазерного излучения на мышцы бедра после регулярных тренировок принудительным плаванием (4-я группа) привело к увеличению площади ядер зрелых и сателлитных мышечных клеток, росту количества этих клеточных элементов. У подопытных крыс 4-й группы площадь поперечного сечения мышечных волокон увеличилась в среднем на 35 %, толщина волокон возросла на 15 % по сравнению с динамическим контролем. Достоверных отличий по приросту массы животных этой группы не обнаруживалось.

В группе крыс, получавших комбинированное воздействие лазера и ВСАА, происходило наиболее выраженное увеличение всех исследуемых показателей мышечного волокна по сравнению с другими экспериментальными группами. У животных этой группы на 20–25 % увеличилась площадь ядер миосателлитов, их количество выросло в 2,6 раза, площадь ядер миоцитов увеличилась на 20 %, количество миоцитов – на 40 %, площадь поперечного сечения волокна увеличилась в 1,5 раза, толщина волокна увеличилась на 30 % по сравнению с динамическим контролем. По сравнению с группой динамического контроля и изолированного лазерного воздействия на 60–70 % увеличился прирост массы животных.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Паттерн двигательной активности крыс во время принудительного плавания характеризуется значительной нагрузкой на мышцы задних конечностей и, в частности, на двуглавую мышцу бедра. Данный способ моделирования физической нагрузки у животных отличается высокими общими энергозатратами, развитием утомления и реализуется при максимальном напряжении систем адаптации организма животного. Эти особенности модели нашли отражение в изменении исследуемых нами показателей. С одной стороны, в группе динамического контроля наблюдалось увеличение площади ядер миоцитов при увеличении толщины мышечных волокон, что характеризует явления гипертрофии. Однако наряду с адаптивными изменениями было зафиксировано снижение количества миоцитов на единицу площади препарата, причем в некоторых препаратах мышц визуализировалась картина глыбчатого распада, что указывало на истощение резервов адаптации и могло быть обусловлено чрезмерной интенсивностью тренировочного процесса или же недостаточностью поступающих энергетических и пластических ресурсов. Полученные в нашем эксперименте результаты подтверждаются данными работ, где были показаны фрагментация и очаговый глыбчатый распад миоцитов крыс при плавательной нагрузке [1]. Регенерация скелетных мышц путем активации сателлитных клеточных элементов при регулярном принудительном плавании отсутствовала, так как исследуемые характеристики миосателлитов не отличались от показателей интактной группы животных. Наблюдаемая морфологическая картина в целом характеризовала незавершенный процесс адаптации мышечной ткани к физической нагрузке.

Иная картина наблюдалась в группе животных, принимавших BCAA. Данные аминокислоты являются наиболее важными для обмена веществ и составляют 35 % от общего аминокислотного состава мышечной ткани [17][19]. Лейцин активно участвует в поддержании положительного азотистого баланса при интенсивных тренировках, энергетическом обеспечении физических нагрузок (до 10 %), повышает чувствительность тканей к инсулину, а также влияет на гемопоэз и приводит к повышению уровня гемоглобина. Изолейцин и валин активно участвуют в восстановлении миофибриллярного компонента, влияя на нормальное протекание биохимических процессов [16][17]. Эти данные объясняют адекватный адаптивный ответ мышечной ткани, когда дополнительные нутриенты и источники энергии позволяют сохранить имеющиеся зрелые мышечные клетки, обеспечить процессы гипертрофии и активацию процессов пролиферации комитированных клеток-предшественников. Наблюдавшийся в этой экспериментальной группе небольшой прирост массы животных являлся отражением происходящей перестройки пластического обмена на фоне добавочного поступления аминокислот. Полученные нами результаты демонстрируют влияние ВСАА на физиологическую регенерацию мышц при тренировке на выносливость, а не только при силовых тренировках, как было показано ранее.

Сочетание регулярных тренировок принудительным плаванием и лазерного воздействия также привело к регенераторным изменениям двуглавой мышцы бедра, сочетавшим явления гиперплазии и гипертрофии, так как происходила пролиферация миосателлитов и перестройка имеющихся миоцитов. Известно, что эффекты лазерного воздействия могут быть связаны как с улучшением регионарной микроциркуляции и неоангиогенезом, что позволяет удовлетворять энергетические и кислородные запросы мышечной ткани в процессе тренировки, так и с воздействием на продукцию факторов роста, вызывающих митотические изменения в покоящихся клетках, таких как миосателлиты [13][16][20][21]. Повышение содержания в мышечных тканях фактора роста сосудистого эндотелия и инсулиноподобного фактора роста связывают с успешно протекающими процессами адаптации к физическим нагрузкам [6][8].

Комбинированное применение лазерного воздействия и приема ВСАА логично привело к объединению эффектов двух воздействий. Наши результаты показали, что в этой группе животных наблюдались самые высокие показатели количества миосателлитов и размеров их ядер. Сохранение пула зрелых мышечных клеток, увеличение поперечных размеров мышечного волокна и повышение количества сателлитоцитов на фоне нарастающей продолжительности тренировки можно расценивать как показатели завершенной адаптации к принудительному плаванию. Комбинация этих воздействий как поддерживала нутриентные и энергетические потребности клеток при физической нагрузке, так и обеспечивала адекватное кровоснабжение и пролиферативный ответ скелетной мышечной ткани.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Инфракрасное лазерное воздействие в комбинации с приемом аминокислот с разветвленной боковой цепью эффективно стимулирует регенерацию, приводя к гипертрофии скелетной мышечной ткани, что обеспечивает физиологическую адаптацию при тренировочном процессе.

Конфликт интересов

Авторы заявили об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interest

The authors declare no conflict of interest.

Соответствие нормам этики

Авторы подтверждают, что соблюдены права людей, принимавших участие в исследовании, включая получение информированного согласия в тех случаях, когда оно необходимо, и правила обращения с животными в случаях их использования в работе.

Compliance with ethical principles

The Authors confirm that respect the rights of the people participated in the study, including obtaining informed consent when it is necessary and the rules of treatment of animals when they are used in the study.