Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 3, 2022 199 Georgian Scientists ქართველი მეცნიერები Vol. 4 Issue 4, 2022 https://doi.org/10.52340/gs.2022.04.04.22 მარცხენა პარკუჭის ჰიპერტროფია და კარდიომეგალია 10-11 კვირის ცურვით დატვირთულ თეთრ ექსპერიმენტულ ვირთაგვებში ანზორ გოგიბერიძე1, რამაზ ხეცურიანი2, მანანა არაბული-ჭლიკაძე3, ელენე შვანგირაძე4, სოფიკო კანდელაკი5 1ანატომიის დეპარტამენტი, თბილისის სახელმწიფო სამედიცინო უნივერსიტეტი; 2ადამიანის ანატომიის დეპარტამენტის ხელმღვანელი, პროფესორი, თბილისის სახელმწიფო სამედიცინო უნივერსიტეტი; 3ადამიანის ანატომიის დეპარტამენტის ასოცირებული პროფესორი, თბილისის სახელმწიფო სამედიცინო უნივერსიტეტი 4ადამიანის ანატომიის დეპარტამენტის ასისტენტ- პროფესორი, თბილისის სახელმწიფო სამედიცინო უნივერსიტეტი; 5ადამიანის ანატომიის დეპარტამენტის ასოცირებული პროფესორი, თბილისის სახელმწიფო სამედიცინო უნივერსიტეტი აბსტრაქტი კვლევის მიზანს წარმოადგენდა 10-11 კვირის ვირთაგვებში 6 კვირიანი დოზირებული ცურვით დატვირთვის შემდეგ მარცხენა პარკუჭის ჰიპერტროფიის ხარისხის შეფასება. ზოგადად, ვირთაგვას ცურვით დატვირთვა მიჩნეულია მარცხენა პარკუჭის ჰიპერტროფიის და საბოლოო დიასტოლური მოცულობის ზრდის საუკეთესო ფიზიოლოგიურ ტრიგერად. ჩვენ საკუთარი კვლევის ფარგლებში უზრუნველვყავით მამრობითი სქესის 10-11 კვირის ვირთაგვების დოზირებული ცურვითი დატვირთვა 6 კვირის მანძილზე და შემდეგ შევისწავლეთ გულის მაკრო და მიკროსტრუქტურული პარამეტრები, რათა შეგვეფასებინა ჰიპერტროფიის ხარისხი. ვირთაგვები დავყავით 3 ჯგუფად: 1) საკონტროლო ჯგუფი, რომელიც არ იღებდა დატვირთვას (n=7); 2) პირველი საკვლევი ჯგუფი, რომელსაც უტარდებოდა ყოველდღიური, 40წთ-იანი დატვირთვა ცურვით 6 კვირის მანძილზე, კუდზე მიმაგრებული ტვირთის მასა შეადგენდა ვირთაგვას წონის 2%-ს (n=7). 3) მეორე საკვლევი ჯგუფი, რომელსაც უტარდებოდა ყოველდღიური, 60წთ-იანი დატვირთვა ცურვით 6 კვირის მანძილზე, კუდზე მიმაგრებული ტვირთის მასა შეადგენდა ვირთაგვას წონის 4%-ს (n=7). ჰიპერტროფია ნანახი იქნა მხოლოდ საკვლევი ჯგუფის ვირთაგვებში (დატვირთვა 40 წთ-ის მანძილზე სხეულის მასის 2% ტვირთით ან დატვირთვა 60 წთ-ის მანძილზე სხეულის მასის 4% ტვირთით). გულის წონის შეფარდება სხეულის წონასთან პროპორციულ დამოკიდებულებაშია დატვირთვის ინტენსივობისა და ხანგრძლივობის ზრდასთან. გულის მასის ზრდა ძირითადად ხდებოდა მარცხენა პარკუჭის მასის ზრდის ხარჯზე. Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 3, 2022 200 ჰისტოლოგიურად 60 წუთიანმა დატვირთვამ გამოიწვია ჰიპერტროფია 7-დან 7 ვირთაგვაში. ხოლო 40 წუთიანი დატვირთვა საკმარისი აღმოჩნდა ჯგუფში ჩარიცხული 7 ვირთაგვიდან 4 ვირთაგვას მარცხენა პარკუჭის ჰიპერტროფიის განვითარებისთვის. აღნიშნული კვლევა შეიძლება ჩაითვალოს კიდევ ერთ წინ გადადგმულ ნაბიჯად მიოკარდიუმის ჰიპერტროფიის და რემოდელირების პათოგენეზური მექანიზმების კვლევის საქმეში. საძიებო სიტყვები: ვირთაგვა, ჰიპერტროფია, ცურვით დატვირთვა, კარდიომიოციტი, გული შესავალი სხვადასხვა სტიმულზე საპასუხოდ მიოკარდიუმი იძენს უნარს, რომ გაზარდოს შეკუმშვის ძალა და განავითაროს ადაპტაცია მექანიკურ, ჰემოდინამიკურ თუ ჰორმონულ ძვრებზე. ადაპტაციის უმთავრეს მექანიზმად გვევლინება ჰიპერტროფია, განვითარებული ინდივიდუალური კარდიომიოციტების დონეზე (1-6). ჰიპერტროფია ვითარდება არა მხოლოდ პათოლოგიურ (სარქვლოვანი მანკები, არტერიული ჰიპერტენზია და ა.შ.), არამედ ფიზიოლოგიურ გამღიზიანებლებზე საპასუხოდ (მაგ. დოზირებული დატვირთვა ფიზიკური ვარჯიშით) (3,4). ბოლომდე გარკვეული არ არის ჰიპერტროფიის მოლეკულური საფუძვლები, ზოგიერთი ავტორი ვარაუდობს გენეტიკური და გარემო ფაქტორების კომბინაციურ როლს როგორც ექსცენტრული, ისე კონცენტრული ჰიპერტროფიის ჩამოყალიბებაში (7-13). არსებული ლიტერატურის მიმოხილვა ცხადყჰოფს, რომ პათოლოგიური ჰიპერტროფია ასოცირებულია სხვადასხვა გენების (მათ შორის ნატრიურეზული პეპტიდების მაკოდირებელი გენების) ჰიპერექსპრესიასთან, ხოლო ფიზიკური დატვირთვის საპასუხოდ განვითარებული ჰიპერტროფიის შემთხვევაში აღნიშნული გენების ჭარბი ექსპრესია არ აღინიშნა (9,17,22). ვირთაგვას დოზირებული ხანგრძლივი ფიზიკური დატვირთვა იწვევს ისეთი კარდიოლოგიური პარამეტრების ცვლილებას, როგორებიცაა: გულისცემის სიხშირე, გულის წუთმოცულობა, მარცხენა პარკუჭის წონა და მოცულობა, პარკუჭის კედლის სისქე (15-18). ფიზიკური დატვირთვის მიმართ ადაპტაციის განვითარება დამოკიდებულია დატვირთვის ინტენსივობაზე, ხანგრძლივობასა და სიხშირეზე (13). ცურვით დატვირთვა მიჩნეულია მარცხენა პარკუჭის ჰიპერტროფიის და საბოლოო დიასტოლური მოცულობის ზრდის საუკეთესო ფიზიოლოგიურ ტრიგერად ვირთაგვებში (10,11). ჩვენ საკუთარი კვლევის ფარგლებში უზრუნველვყავით მამრობითი სქესის 10-11 კვირის ვირთაგვების დოზირებული ცურვით დატვირთვა 6 კვირის მანძილზე და შემდეგ შევისწავლეთ გულის მაკრო და მიკროსტრუქტურული პარამეტრები, რათა შეგვეფასებინა ჰიპერტროფიის ხარისხი. Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 3, 2022 201 მასალა და მეთოდები საკვლევ მასალად შევარჩიეთ 10-11 კვირის მამრობითი სქესის ვირთაგვები (n=21), რომელთათვისაც უზრუნველყოფილი იყო შენახვის სტანდარტული პირობები (12 საათიანი განათება, 22 გრადუსი ტემპერატურა, კვება სპეციალური დიეტის მიხედვით (16,17) და თავისუფალი წვდომა წყალზე). დატვირთვა ხორციელდებოდა ვირთაგვას ცირკადული რითმის სიბნელის ფაზაში (ჩვენი კვლევის შემთხვევაში 07:00-19:00 პერიოდი). ვირთაგვები დავყავით 3 ჯგუფად: 1) საკონტროლო ჯგუფი, რომელიც არ იღებდა დატვირთვას (n=7); 2) პირველი საკვლევი ჯგუფი, რომელსაც უტარდებოდა ყოველდღიური, 40წთ-იანი დატვირთვა ცურვით 6 კვირის მანძილზე, კუდზე მიმაგრებული ტვირთის მასა შეადგენდა ვირთაგვას წონის 2%-ს (n=7). 3) მეორე საკვლევი ჯგუფი, რომელსაც უტარდებოდა ყოველდღიური, 60წთ- იანი დატვირთვა ცურვით 6 კვირის მანძილზე, კუდზე მიმაგრებული ტვირთის მასა შეადგენდა ვირთაგვას წონის 4%-ს (n=7). ვირთაგვებზე ჩატარებული ყველა მანიპულაცია განხორციელდა საერთაშორისოდ აღიარებული გაიდლაინებისა და ეთიკის ნორმების სრული დაცვით (19-22). ყველა ვირთაგვას აწონვა ხდებოდა კვირაში ერთხელ, რათა სწორად შეფასებულიყო წონის კლება ან მატება და განსაზღვრულიყო ტვირთის სიდიდე, რომელიც უნდა დამაგრებულიყო ცურვის დროს ვირთაგვას კუდზე (წონის 2% ან 4%). საკონტროლო ჯგუფის ვირთაგვები კვირაში 3-ჯერ თავსდებოდნენ საცურაო აპარატში, რათა გარემო მიმსგავსებულიყო საკვლევი ვირთაგვებისთვის განკუთვნილ სივრცეს. ბოლო დატვირთვიდან 24 საათის შემდეგ, ანესთეზიის საერთაშორისო პროტოკოლის დაცვით განხორციელდა ვირთაგვების დაძინება, გაკვეთა და მათგან გულის აღება შემდგომი კვლევებისთვის. პირველ ეტაპზე განისაზღვრა გულის მაკროპრეპარატის ზომები და წონა. აღებული იქნა ქსოვილოვანი ნიმუშები პარკუჭებიდან და წინაგულებიდან ცალ-ცალკე, აღნიშნული ნიმუშები ჩაიყურსა 4%-იან ფორმალინის ხსნარში, შემდეგ ჩაყალიბდა პარაფინში, შეიღება ჰემატოქსილინ-ეოზინით და შესწავლილი იქნა ჰისტოლოგიურად სინათლის მიკროსკოპის გამოყენებით. სტატისტიკური ანალიზი მონაცემები დამუშავებული იქნა სპეციალური კომპიუტერული პროგრამების გამოყენებით. კვლევაში მონაწილე სამივე ჯგუფისთვის ცალ-ცალკე დამუშავდა პარამეტრები და შემდეგ მოხდა შედეგების შედარება სტიუდენტის t ტესტის გამოყენებით. Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 3, 2022 202 შედეგები კვლევაში მონაწილე ვირთაგვების საშუალო წონა შეადგენდა 250გ-ს. ჰიპერტროფია ნანახი იქნა მხოლოდ საკვლევი ჯგუფის ვირთაგვებში (დატვირთვა 40 წთ-ის მანძილზე სხეულის მასის 2% ტვირთით ან დატვირთვა 60 წთ-ის მანძილზე სხეულის მასის 4% ტვირთით). გულის წონის შეფარდება სხეულის წონასთან პროპორციულ დამოკიდებულებაშია დატვირთვის ინტენსივობისა და ხანგრძლივობის ზრდასთან. გულის მასის ზრდა ძირითადად ხდებოდა მარცხენა პარკუჭის მასის ზრდის ხარჯზე. ჰისტოლოგიურად 60 წუთიანმა დატვირთვამ გამოიწვია ჰიპერტროფია 7-დან 7 ვირთაგვაში (იხ.ცხრილი3, გრაფიკი 2), ხოლო 40 წუთიანი დატვირთვა საკმარისი აღმოჩნდა ჯგუფში ჩარიცხული 7 ვირთაგვიდან 4 ვირთაგვას მარცხენა პარკუჭის ჰიპერტროფიის განვითარებისთვის (იხ.ცხრილი2, გრაფიკი 1). გულის როგორც მაკროსტრუქტურის ანალიზმა, ისე ჰისტოლოგიური პრეპარატების შესწავლამ დაადასტურა ჰიპერტროფიის არსებობა საკვლევი ჯგუფის ვირთაგვებში, მომატებული იყო მიოფიბრილების სისქე და რაოდენობა (იხ.სურ 1,2). შედეგების განხილვა ჩვენი კვლევის მიზანს წარმოადგენდა ქრონიკული სტრესის პირობებში გულის ადაპტაციური შესაძლებლობების შესწავლა 10-11 კვირის მამრობითი სქესის ვირთაგვებში. აქცენტი გაკეთებული იყო დატვირთვის ინტენსივობაზე, ხანგრძლივობასა და სიხშირეზე. სათანადო პროტოკოლის დაცვით წარმოებულმა 6 კვირიანმა ცურვით დატვირთვამ შემთხვევათა უმრავლესობაში გამოიწვია მარცხენა პარკუჭის საგრძნობი ჰიპერტროფია, რომელიც ვლინდებოდა გულის მასის ზრდაში და ულტრასტრუქტურულ დონეზე მიოფიბრილების რაოდენობის მატებაში (იხ.სურ.1,2). აღნიშნული კვლევა შეიძლება ჩაითვალოს კიდევ ერთ წინ გადადგმულ ნაბიჯად მიოკარდიუმის ჰიპერტროფიის და რემოდელირების პათოგენეზური მექანიზმების კვლევის საქმეში. საკონტროლო ჯგუფი n=7 სურ1 სურ 2 Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 3, 2022 203 სხეული (გ) გული (გ) გული/სხეული (%) 1 260 2.7 1.03 2 250 2.6 1.04 3 245 2.4 0.97 4 275 2.6 0.94 5 250 2.7 1.08 6 250 2.6 1.04 7 270 2.7 1 ცხრილი N1 - საკონტროლო ჯგუფის ვირთაგვების გულისა და სხეულის მასათა ფარდობა პროცენტებში I საკვლევი ჯგუფი n=7 სხეული (გ) გული (გ) გული/სხეული (%) 1 260 3.1 1.19 2 255 2.3 0.90 3 245 2.4 0.97 4 250 2.7 1.08 5 250 2.8 1.12 6 255 2.7 1.05 7 250 2.9 1.16 ცხრილი N2 – I საკვლევი ჯგუფის ვირთაგვების გულისა და სხეულის მასათა ფარდობა პროცენტებში Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 3, 2022 204 II საკვლევი ჯგუფი n=7 სხეული (გ) გული (გ) გული/სხეული (%) 1 260 3.4 1.30 2 255 3.1 1.21 3 245 3 1.22 4 245 3.1 1.26 5 250 3.5 1.4 6 265 3.4 1.28 7 260 3.3 1.26 ცხრილი N3 – II საკვლევი ჯგუფის ვირთაგვების გულისა და სხეულის მასათა ფარდობა პროცენტებში გრაფიკი N1 – I საკვლევი ჯგუფის ვირთაგვების გულისა და სხეულის მასათა ფარდობა პროცენტებში 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 0 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 გული(გ)/სხეული(გ) (%) გული (გ) Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 3, 2022 205 გრაფიკი N2 – II საკვლევი ჯგუფის ვირთაგვების გულისა და სხეულის მასათა ფარდობა პროცენტებში გამოყენებული ლიტერატურა: 1. Houser SR. When does spontaneous sarcoplasmic reticulum Ca2+ release cause a triggered arrhythmia? Cellular versus tissue requirements. Circ Res.2000; 87: 725–7. 2. Mann DL, Bristow MR. Mechanisms and models in heart failure: The biomechanical model and beyond. Circulation. 2005; 111: 2837–49. 3. Pogwizd SM, Schlotthauer K, Li L, Yuan WL, Bers DM. Arrhythmogenesis and contractile dysfunction in heart failure - Roles of sodium-calcium exchange, inward rectifier potassium current, and residual beta-adrenergic responsiveness. Circ Res. 2001; 88:1159–67. 4. Sipido KR, Volders PGA, Vos MA, Verdonck F. Altered Na/Ca exchange activity in cardiac hypertrophy and heart failure: a new target for therapy? Cardiovasc Res. 2002; 53: 782–805. https://animal.research.uiowa.edu/iacuc-guidelines-anesthesia 5. Bers DM. Cardiac excitation-contraction coupling. Nature. 2002; 415: 198–205. 6. Hilgemann DW. New insights into the molecular and cellular workings of the cardiac Na+/Ca2+ exchanger. Am J Physiol. 2004; 287: C1167–C1172. https://academic.oup.com/ilarjournal/article/62/1-2/238/6299201 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 0 1 2 3 4 1 2 3 4 5 გული(გ)/სხეული(გ) (%) გული (გ) Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 3, 2022 206 7. Reuter H, Pott C, Goldhaber JI, Henderson SA, Philipson KD, Schwinger RHG. Na+- Ca2+exchange in the regulation of cardiac excitation-contraction coupling. Cardiovasc Res. 2005; 67: 198–207. 8. Gaughan JP, Furukawa S, Jeevanandam V, Hefner CA, Kubo H, Margulies KB, et al. Sodium/calcium exchange contributes to contraction and relaxation in failed human ventricular myocytes. Amer J Physiol. 1999; 277: H714–H724. 9. Houser SR, Piacentino V, Weisser J. Abnormalities of calcium cycling in the hypertrophied and failing heart. J Mol Cell Cardiol. 2000; 32: 1595–607. 10. Terracciano CMN, DeSouza AI, Philipson KD, MacLeod KT. Na+ - Ca2+ exchange and sarcoplasmic reticular Ca2+ regulation in ventricular myocytes overexpressing the Na+ - Ca2+ exchanger. J Physiol London. 1998; 512: 651–67. 11. Weisser-Thomas J, Piacentino V, Gaughan JP, Margulies K, Houser SR. Calcium entry via Na/Ca exchange during the action potential directly contributes to contraction of failing human ventricular myocytes. Cardiovasc Res. 2003; 57: 974–85. 12. Hampton TG, Wang JF, DeAngelis J, Amende I, Philipson KD, Morgan JP. Enhanced gene expression of Na+/Ca2+ exchanger attenuates ischemic and hypoxic contractile dysfunction. Amer J Physiol. 2000; 279: H2846–H2854. 13. Hobai IA, ORourke B. Enhanced Ca2+-activated Na+-Ca2+ exchange activity in canine pacing- induced heart failure. Circ Res. 2000; 87: 690–8. 14. Kent RL, Rozich JD, McCollam PL, McDermott DE, Thacker UF, Menick DR, et al. Rapid expression of the Na+-Ca2+ exchanger in response to cardiac pressure overload - rapid communication. Am J Physiol. 1993; 265: H1024–H1029. 15. Schillinger W, Fiolet JW, Schlotthauer K, Hasenfuss G. Relevance of Na+-Ca2+ exchange in heart failure. Cardiovasc Res. 2003;57: 921–33. 16. Studer R, Reinecke H, Bilger J, Eschenhagen T, Bohm M, Hasenfuss G, et al. Gene expression of the cardiac Na+ - Ca2+ exchanger in end-stage human heart failure. Circ Res. 1994; 75: 443–53. 17. Wang ZY, Nolan B, Kutschke W, Hill JA. Na+-Ca2+ exchanger remodeling in pressure overload cardiac hypertrophy. J Biol Chem. 2001; 276: 17706–11. 18. Zhang XQ, Song JL, Rothblum LI, Lun MY, Wang XJ, Ding F, et al. Overexpression of Na+/Ca2+ exchanger alters contractility and SR Ca2+ content in adult rat myocytes. Amer J Physiol. 2001; 281: H2079–H2088. 19. Gomez AM, Valdivia HH, Cheng H, Lederer MR, Santana LF, Cannell MB, et al. Defective excitation-contraction coupling in experimental cardiac hypertrophy and heart failure. Science. 1997; 276: 800–6. 20. Schultz JEJ, Glascock BJ, Witt SA, Nieman ML, Nattamai KJ, Liu LH, Lorenz JN, et al. Accelerated onset of heart failure in mice during pressure overload with chronically decreased SERCA2 calcium pump activity. Am J Physiol. 2004; 286: H1146–H1153. 21. Petit-Demouliere B, Chenu F, Bourin M. Forced swimming test in mice: a review of antidepressant activity. Psychopharmacology. (Berl) 2005; 177: 245–255. Georgian Scientists/ქართველი მეცნიერები ტ. 4 N 3, 2022 207 22. David DJ, Renard CE, Jolliet P, Hascoet M, Bourin M. Antidepressant-like effects in various mice strains in the forced swimming test. Psychopharmacology (Berl) 2003; 166: 373–382. Left Ventricular Hypertrophy and Cardiomegaly in swimming exercised 10-11- week-old white experimental rats Anzor Gogiberidze1, Ramaz Khetsuriani2, Manana Arabuli-Tchlikadze3, Elene Shvangiradze4, Sophiko Kandelaki5 1Department of Human Anatomy, TSMU, Tbilisi, Georgia; 2Head of the Department of Human Anatomy, TSMU, Tbilisi, Georgia; 3Associate professor of the Department of Human Anatomy, TSMU, Tbilisi, Georgia; 4Assistant-Professor of the Department of Human Anatomy, TSMU, Tbilisi, Georgia; 5Associate professor of the Department of Human Anatomy, TSMU, Tbilisi, Georgia ABSTRACT The aim of the study was to assess the quality of hyperthrophy of the left ventricle in 10-11 week-old rats after a 6-week dosed swimming load. In general, rat swimming is considered one of the best physiological triggers for hypertrophy of the left ventricle and end-diastolic volume increase. As part of our study, we ensured 10-11 week-old rats to undergo dosed swimming exercises for 6 weeks and afterward, we studied micro and macro-structural parameters of the heart in order to assess the quality of hypertrophy. The rats were divided into 3 groups: 1) a control group that did not receive any load (n=7); 2) The first study group was subjected to a daily 40-minute swimming load for 6 weeks with a weight in the amount of 2% of the body weight of the rat (n=7) attached to the tail, 3) The second study group, which was subjected to a daily 60-minute swimming exercise for 6 weeks, the weight of the load attached to the tail amounted to 4% of the weight of the rat (n=7). 3) Hypertrophy was observed only in rats of the experimental group (exercise load for 40 minutes with a load of 2% of body weight or exercise load for 60 minutes with a load of 4% of body weight). The ratio of heart weight to body weight is proportional to the intensity of load and to the increase in the duration of exercise. The increase in the mass of the heart was mainly due to an increase in the mass of the left ventricle. 60 minutes of histological exercise load induced hypertrophy in 7 of 7 rats. And a 40- minute load was sufficient for the development of left ventricular hypertrophy in 4 out of 7 rats included in the group. The mentioned study can be considered another step forward in the study of the pathogenetic mechanisms of myocardial hypertrophy and remodeling. KeyWords: Rat, hypertrophy, Swimming exercise, cardiomyocytes, heart