1.2.Вибрационная нагрузка в скоростных видах зимнего спорта (скоростной спуск, ски-кросс, бобслей)

В 2011 году в первом номере журнала «Спортивная медицина, наука и практика» [4] была опубликована статья: «Первый опыт системного подхода к восстановительному лечению представителей скоростных видов зимнего спорта в санаторно-курортных условиях Черноморского побережья Кавказа», где среди факторов, оказывающих серьёзное влияние на организм и здоровье профессионального спортсмена, представляющего скоростные виды зимнего спорта, наряду с действием предельных психологических нагрузок [1, 5, 16], были особо выделены факторы физического воздействия:

• низкая температура окружающей среды [15-17];

• высокая скорость движения [7];

• высокая скорость встречного холодного воздуха [10];

• гравитационные перегрузки [4];

• вынужденная поза [7, 8];

• перегрузки вестибулярного аппарата (балансирование вынужденной позы, балансирование равновесия) [4, 6];

• мышечные перегрузки [2, 15, 16];

• меняющееся мышечное напряжение [4, 15];

• градиент атмосферного давления (на старте и финише) [11, 15];

• вибрация спортивного снаряда [7, 8].

Более того, авторы статьи [4], пришли к заключению, что у спортсменов, профессионально занимающихся высокогорными и высокоскоростными видами зимнего спорта со стажем подготовки 5 и более лет, отчётливо прослеживаются хронические нарушения практически всех систем органов и тканей. Авторы предположили, что наряду с поражением верхних дыхательных путей, пазух носа (следствие действия холодного воздуха), опорно-двигательного аппарата и нейрососудистых пучков (следствие травм и высоких физических нагрузок), сердечно-сосудистой и мочеполовой системы (следствие физических и психологических нагрузок), патология органов малого таза и коленных суставов - это результат воздействия вибрации спортивного снаряда [4] и, как результат, этиологическая составляющая вибрационной болезни.

Выдвинутое предположение побудило нас целью настоящего исследования избрать измерение и динамическую регистрацию физической нагрузки и частоты механических колебаний спортивного снаряда на этапе прохождения горнолыжных трасс и трассы бобслея.

Это представлялось ещё более интересным, поскольку в доступной нам литературе, несмотря на большое количество работ [2, 6-9, 12-14, 18 и т.д.], конкретным измерениям механических колебаний, составляющих весомую часть экстремального физического воздействия [16], найти не удалось.

Глава 2. Материал и методы исследования

2.1.Материал и методы исследования вибрационных и ударных нагрузок на спортсменах.

Исследование было выполнено силами сотрудников выездной бригады (рук. – Е.М. Соловьёва) Отдела инновационных биомедицинских технологий (рук. – М.А. Мигалёва) ФГБУ «Научно-исследовательский центр курортологии и реабилитации Федерального медико-биологического агентства» (дир. – проф. В.Д. Остапишин) на олимпийских трассах ГК «Роза Хутор» Красной Поляны (г. Сочи) (рисунок 1) совместно со спортсменами и тренерами сборных команд России и региональных сборных по ски-кроссу Федерации по фристайлу России (гл. тренер – А.В. Покашников) и на трассе «Санки» (Эсто-Садок, г. Сочи) со спортсменами и тренерами сборных команд России и региональных сборных Федерации бобслея России (гл. тренер - Пьер Людерс).

Рисунок 1 Горнолыжные трассы ГК «Роза Хутор», г. Сочи

Расчёты были произведены по результатам 49 заездов на горнолыжных дистанциях 1800 м (трасса № 8 «плато-беседка»), 1240 м (трасса № 6 ски-кросса «экстрим парк») (рисунок 2), 1200 м (трасса № 8 «плато-беседка»), 600 м (трасса № 8 «Б-52») и

Рисунок 2 Трасса № 6 «Экстрим-парк», Ски-кросс, Роза Хутор, г. Сочи, Чемпионат России-2013

5-ти заездов на дистанции бобслея 1814 м (женская трасса «Санки», Эста-Садок, г. Сочи) (рисунок 3).

Рисунок 3 Трасса «Санки», Эста-Садок, г. Сочи, Чемпионат России-2013

В качестве регистрирующей аппаратуры использовали комплект интеллектуальных датчиков ZETSENSOR, в состав которых входили специальные измерительные модули на шине CAN 2.0 (Vibrosensor 3D-CAN ZET 7152) для измерения частоты механических колебаний и физической нагрузки в единицах ускорения свободного падения (g), ориентированных по X-, Y- и Z-координатам (рисунок 4).

Датчик	Крепление датчика на лыжном ботинке
Рисунок 4 Тензометрический датчик Vibrosensor 3D-CAN ZET 7152 для измерения первой производной ускорения свободного падения

Аналоговый сигнал датчиков снимали на аналогово-цифровой преобразователь интерфейса CAN-USB с функцией автономного регистратора и flash-накопителя ZET 7174 (рисунок 5), оснащённого запоминающим устройством Apacer 16 GB Micro S (рисунок 6), изготовленным

Рисунок 5 Аналогово-цифровой преобразователь CAN-USB: ZET 7174 регистрирующего устройства	Рисунок 6 Запоминающее устройство Apacer 16 GB и адаптер Adata Micro S

фирмой - производителем ЗАО «Электронные технологии и метрологические системы» (рук. – У.Ф. Фейзханов, г. Москва, г. Зеленоград, Россия). Питание устройства было обеспечено двумя аккумуляторными батареями JVC Battery pack BN-VM200U DC7.2V 800mAh Li-ion (рисунок 7), гарантирующими бесперебойную работу устройства в течение 4 часов с частотой регистрации 100 Гц.

Аккумуляторная батарея	Контейнер
Рисунок 7 Аккумуляторная батарея и контейнер, содержащий аналогово-цифровой преобразователь, запоминающее устройство и аккумуляторные батареи

Перед стартом датчик жёстко фиксировали на внешней поверхности тульи лыжного ботинка (рисунок 8), а контейнер, содержащий аналогово-цифровой преобразователь, запоминающее устройство и аккумуляторные батареи, размещали на поясном ремне спортсмена (рисунок 9).

Рисунок 8 Крепление датчика на лыжном ботинке	Рисунок 9 Расположение устройства на поясном ремне горнолыжника

За 2-3 минуты до старта питание батарей включали, а на финише его отключали с целью экономии электропитания (рисунок 10). По завершении работ полученную информацию обрабатывали на ПК с использованием программного обеспечения фирмы ZetLab, версия 04.03.2013. Одновременно фиксировали время прохождения трассы.

Рисунок 10 Мастер спорта Кирилл Рябов, экипированный датчиком и регистрирующим устройством, на старте и финише трассы № 6 ски-кросса «экстрим парк» Чемпионата России 2013 г.

При работе на трассе бобслея датчик фиксировали на арматуре спортивного снаряда слева от места пилота, а контейнер, содержащий аналогово-цифровой преобразователь, запоминающее устройство и аккумуляторные батареи - справа (рисунок 11).

Датчик 3D	Контейнер регистрирующего устройства
Рисунок 11 Размещение датчика и регистрирующего устройства на спортивном снаряде бобслея

Параллельно производимым измерениям регистрировали время нахождения спортсмена по трассе: время разгона, время спуска (рисунок 12).

Рисунок 12 Спортивный снаряд мастера спорта Анастасии Тамбовской, экипированный датчиком и регистрирующим устройством, на линии старта трассы бобслея «Санки» Чемпионата России 2013 г.

Статистическую обработку данных и необходимые дополнительные расчёты скорости движения (Vмакс, Vср.) осуществляли с помощью программного обеспечения Microsoft Office Excel-2003-2007, определяя средние значения выборки (М) и стандартное среднеквадратическое отклонение (m) от среднего: по нагрузке (G), частоте механических колебаний (f) и скорости (Vмакс, Vср.). Достоверность результатов (р) оценивали по таблицам Стьюдента, а общую графическую аппроксимацию - с применением полинома шестой степени и критерия достоверности аппроксимации R².

Суммарные расчёты зависимости производных нагрузки и частоты от скорости движения по трассе производили, используя весь массив полученных данных (результаты 42,816 млн. измерений).

2.2. Проведение экспериментальных исследований по оценке эффективности применения способов клеточной, тканевой и органной восстановительной терапии, основанных на использовании БАВ животного происхождения, в общем курсе восстановительного лечения и профилактики развития вибрационной болезни.

Экспериментальными и клинико-физиологическими наблюдениями установлено, что механизм вибрационной болезни весьма сложен, но ведущими в патогенезе вибрационной болезни признаются нарушения функционального состояния центральной и периферической нервной системы с развитием синдрома вегетативно-сенсорной полинейропатии конечностей и синдрома пояснично-крестцовой радикулопатии [41,42].

Огромный вклад в изучение отдельных аспектов вибрационной болезни вносят экспериментальные исследования с использованием лабораторных животных и моделированием различных специфических состояний, в той или иной степени повторяющих и отражающих вибрационные воздействия производственной среды. Как правило, в качестве подопытных животных используют лабораторных крыс, а для воспроизведения условий производственной вибрации используют различного рода вибростенды с теми или иными заданными параметрами (амплитуда, частота, виброускорение и т.п.) [43].

Необходимо отметить, что, несмотря на широкое использование подобных биологических моделей, смоделировать вибрационную болезнь как таковую, в эксперименте практически невозможно. Это, во-первых, обусловлено тем, что вибрационная болезнь развивается при соблюдении сугубо специфических условий, трудно достижимых в эксперименте, а проявляется она в полной мере лишь по прошествии значительного временного промежутка; соответственно проводить эксперименты с животными подвергая их воздействию вибрации в течении длительного времени, весьма затруднительно. Кроме того, в силу полиморфности данного заболевания и определенных особенностей диагностики, которая наряду с объективными аппаратными и инструментальными методами (включая специальные методы диагностики: холодовая проба, термометрия, капилляроскопия, исследование вибрационной и болевой чувствительности, рентгенография костей конечностей и позвоночника) также включает в себя опрос больного и составление анамнеза с учетом его жалоб (субъективные исследования), а также, принимая во внимание, что определенных и высоко достоверных маркеров наличия ВБ на сегодняшний день не существует, то постановка диагноза – вибрационная болезнь, в эксперименте не представляется возможным. Вдобавок к этому, большую проблему представляет экстраполяция данных полученных при работе с животными на человека [42,43].

Тем не менее, моделирование различных патологических состояний, которые наблюдаются у больных вибрационной болезнью, или постановка экспериментов с целью изучения отдельных аспектов действия вибраций на те, или иные структуры и процессы в организме, является вполне оправданным. И это подтверждает тот громадный экспериментальный материал, накопленный на протяжении нескольких десятилетий, как российским, так и зарубежными исследователями.

Анализируя и обобщая литературные данные по исследуемой проблеме, можно сформулировать следующее положение, характеризующее патогенез вибрационной болезни. Согласно большинству авторов, в основе патогенеза вибрационной болезни лежит сложный комплекс функциональных и трофических нарушений, который характеризуется прежде всего развитием двух синдромов — периферического ангиодистонического и синдрома вегетативно-сенсорной (сенсорной) полинейропатии [44]. Воздействуя на рецепторные аппараты кожи, нервы и нервные стволы, вибрация приводит к увеличению секреции норадреналина на симпатических нервных терминалях. Так как норадреналин не может полностью ими захватываться и накапливаться в них, как в обычных условиях, то значительная часть его попадает в кровь и обусловливает увеличение тонуса сосудов, что приводит к повышению артериального давления и ангиоспазму[45]. Чрезмерное действие вибрации вызывает деструктивные явления в тельцах Фатера-Пачини, нервных волокнах, нейронах спинного мозга, ретикулярной формации ствола мозга, спинномозговых ганглиях и ганглиях симпатических пограничных стволов. При этом отмечается снижение афферентной иннервации, в особенности восприятие вибрационной чувствительности. По мере развития патологических изменений в соматоневрологическом и вегетативном аппаратах происходят дистрофические изменения в коже, мышцах, костной системе. Особенно поражаются рецепторы крупных суставов плечевого пояса, что обусловливает их болезненность [46]. Иными словами, в результате нарушения регулирующих влияний центральной нервной системы (ЦНС) на сосудистый тонус развиваются расстройства регионарного кровообращения, имеющие тенденцию к генерализации [47].

Из сказанного выше можно заключить, якобы вся цепь причинно-следственных отношений, формирующих патогенез вибрационной болезни сводится к довольно несложном взаимодействиям патогенного фактора (вибрации) и вызываемого им ответа (реакции) в пределах нервных окончаний регулирующих тонус сосудов. Но на деле все гораздо сложнее и масштабнее, так как в патогенезе заболевания большую роль играет нарушение механизмов гомеостаза в целом. То есть, в действительности патогенетическое описание болезни затрагивает более широкий круг процессов. В основе развития патологии действительно лежат сложные механизмы нейрогуморальных и нервно-рефлекторных расстройств, которые развиваются при длительном воздействии вибрации на организм, в следствии чего возникают многообразные изменения на уровне мембран, клеток, тканей и органов. Но на ряду с этим, действие вибрации затрагивает и самые разнообразные процессы в организме, влияя на метаболизм тех или иных компонентов, на отдельные органы и системы органов.

Так, некоторые авторы указывают на нарушение минерального обмена и активность про- и антиоксидантной активности крови при вибрационных воздействиях [48,49,50,51]. Есть данные описывающие влияние вибраций на реологию крови [43], кислотную резистентность эритроцитов [52], а также на метаболические изменения в эритроцитах и лейкоцитах периферической крови при вибрационной болезни [53,54].

Таким образом, можно сказать, что действие вибрации затрагивают довольно широкий спектр процессов, приводящих к различным структурным, метаболическим и функциональными изменениям в организме.

Обобщая весь материал, приведенный выше, патогенез вибрационной болезени в масштабах клеток и субклеточных структур можно представить следующим образом. Длительное воздействие вибрации на рецепторы вибрационной чувствительности создает условия для нарастания возбудимости соответствующих вышележащих центров. В результате нарушения регулирующих влияний центральной нервной системы (ЦНС) на сосудистый тонус, наблюдаются специфические проявления ангиоспазма [42]. К спазму сосудов и повышению АД, также приводит увеличенная секреция норадреналина, избыток которого циркулирует в сосудистом русле [45]. Спазм сосудов, в свою очередь, приводит к затруднению кровообращения и застойным явлением, соответственно в данной области нарушается трофика и развивается гипоксия, в конечном счете приводящая к деструктивным процессам в клетках и в определенной степени к интоксикации. Самыми уязвимыми структурами клетки при гипоксии и интоксикации являются мембраны митохондрий, изменения в которых вызывают нарушение клеточного дыхания, снижение интенсивности энергетического обмена, дефицит АТФ, деструктивные процессы в других органеллах и клетках [55]. С нарушением в митохондриях процессов окислительного фосфорилирования и усилением гликолиза возникает активация ключевого фермента гликолиза – фосфофруктокиназы (ФФК) [56,57]. Активация ФФК на начальных этапах ишемического или гипоксического повреждения клеток приводит к усилению мобилизации гликогена, при этом истощаются запасы гликогена и усиливается ацидоз. А как известно, типовой реакцией тучных клеток и тромбоцитов на развитие гипоксии и ацидоза является их дегрануляция с освобождением в окружающую среду высокоактивных соединений (гистамины, серотонин, лейкотриены, интерлейкины и пр.), избыток которых, в свою очередь, приводит к резкому увеличению проницаемости биологических мембран и активации процессов свободно-радикального окисления [58]. Известно, что одним из эфферентных звеньев нарушения структуры и функции нейронов является образование активных форм кислорода с последующей индукцией свободнорадикальных реакций и дестабилизации биологических мембран [58]. Исходя из этого, можно предположить, что упомянутые выше гипоксия и нарушения трофики затрагивают головной мозг уже на ранних стадиях, переходя, со временем в хроническую ишемию головного мозга. Об этом свидетельствует и указанные в литературе [42] весьма рано возникающие функциональные изменения ЦНС, например: повышенная утомляемость, раздражительность, головные боли с головокружениями, нарушение сна, общее недомогание, а также тремор век и вытянутых пальцев рук, стойкий красный дермографизм, а в некоторых случаях анизорефлексия; отмечаются горизонтальный нистагм, положительный симптом Хвостека, оральный автоматизм Маринеску, – все это свидетельствующие о функциональных нарушениях головного мозга.

Таким образом, можно говорить о явном дисбалансе в системе ПОЛ и АОС, причиной чему, несомненно, служат деструктивные процессы клеточных мембран, вызванные вибрационным воздействием.

В связи с этим получает обоснование предположение о том, что использование методов клеточной, тканевой и оранной восстановительной терапии (в частности, применение перфузатов, включающих комплекс инкретов жизненно-важных органов) в лечении и профилактике ВБ несомненно окажутся действенными. Это, во-первых обусловлено тем, что указанные методы, в ранее проведенных исследованиях, показали высокую эффективность в регуляции и нормализации процессов липопероксидации в организме спортсменов [59,60]. Во-вторых, с учетом того, что в патогенезе ВБ большую роль играет нарушение механизмов гомеостаза, то использование данных методов аргументировано еще тем, что действие их направлено именно на активацию тех защитно-физиологических реакций на уровне клеток, которые и составляют суть процессов адаптации [4,6].

Механизм действия биологически активных веществ (БАВ), входящих в состав инкретов, еще не до конца изучен и описывать его на данном этапе весьма затруднительно. Тем не менее, учитывая уже имеющийся опыт и накопленные данные по разноплановым исследованиям методов клеточной, тканевой и органной восстановительной терапии, можно сказать, что положительный эффект от их применения достигается за счет способности БАВ активировать собственные возможности клетки за счет своей чужеродности и реактивности. Именно эти свойства способствуют активации иммунной системы организма и запуску неспецифических реакций в ответ на мощный чужеродный раздражитель. Активированная таким образом клетка (клетка-мишень) и весь организм в целом способны вновь противодействовать имеющимся нарушениям собственными резервами, которые в силу действия разного рода патогенов были подавлены.

Данное предположение подкрепляется следующим обстоятельством. В результате исследования композиции биологически активных веществ, входящих в состав инкрета, методами высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЖХ) и хромато-масс-спектрометрического анализа [4] был получен перечень уникальных БАВ, в число которых входит вещество именуемое как Nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (эритроидный ядерный фактор 2), или сокращенно Nrf 2, действие которого заключается во взаимодействии его со специфической областью ДНК в промоторных областях генов, кодирующих белки ответа клетки на окислительный стресс [61]. По мнению многих авторов [62,63,64,65,66] Nrf 2 считается одним из важнейших звеньев в системе защиты организма от оксидантов. Не смотря на его минимальное содержание в исследуемых образцах [4], есть основания полагать, что при попадании в организм реципиента, даже столь мизерное количество будет способно вызвать адекватный ответ, так как в данном случае будет иметь место феномен сверхмалых доз и концентраций [67,68].

Как известно, для защиты от оксидантов клетка выработала сложный механизм, включающий в себя две фазы ответа на окислительный стресс. Если попавшее в цитозоль соединение гидрофобно, то в процессе первой фазы ответа осуществляется его перевод в водорастворимую форму [61]. Однако получаемые в итоге соединения часто ядовиты (в основном именно они и вызывают появление активных форм кислорода), поэтому требуется дополнительная модификация (как правило, конъюгация с гидрофильными молекулами, например с глутатионом) для безопасного вывода образовавшихся продуктов из клетки. Эта стадия осуществляется белками т.н. второй фазы ответа клетки на окислительный стресс. Если же соединение, проникшее в клетку, уже растворимо в воде, то оно сразу подвергается действию ферментов второй фазы ответа. Основным регуляторным белком второй фазы ответа клетки на окислительный стресс и является транскрипционный фактор Nrf 2, под контролем которого находятся все гены, кодирующие детоксифицирующие ферменты [61].

Исходя из вышесказанного, можно предположить, что при использовании БАВ животного происхождения в лечения больных с симптомами вибрационной болезни, в патогенезе которой немаловажную роль играют деструктивные процессы, вызванные дисбалансом в системе ПОЛ и АОС (иными словами окислительный стресс), входящий в состав инкретов фактор Nrf2 послужит стимулом для активации экспрессии генов кодирующих синтез собственных антиоксидантов клетки, что в конечном итоге должно поспособствовать излечению организма.

Исследование было выполнено на 25 белых лабораторных крысах-самках линии CD весом 244,5±22,3 г.

Популяция участвующих в эксперименте крыс была разделена на 2 группы по степени воздействия общей вибрации, ограниченной временными рамками 30 суток (12 животных) и 160 суток (5 животных). В контрольную группу были включены 12 животных. Время вибрационного воздействия – 30 минут, ежедневно.

Вибрационная установка включала вибрационный стенд, выполненный на основе низкооборотной лабораторной центрифуги, и позволяла варьировать параметрами вибрационной нагрузки (время, частота, нагрузка) (рис.7).

Рисунок 7 – Вибростенд для мелких лабораторных животных

В качестве регистрирующей аппаратуры частоты вибрационного воздействия служил комплект датчиков ZETSENSOR, в состав которых входили специальные измерительные модули (Vibrosensor 3D-CAN ZET 7152, фирма-производитель ЗАО «Электронные технологии и метрологические системы», г. Москва, Россия) для измерения частоты механических колебаний и физической нагрузки, представленные на рисунке 8. В качестве контролируемого значения нагрузки принимали максимальное из рассчитанных значений по трем направлениям измерения вибрации по X-, Y-, Z- координатам [69].

Аналоговый сигнал датчиков снимали на аналогово-цифровой преобразователь интерфейса CAN-USB с функцией автономного регистратора и flash-накопителя ZET 7174, показанный на рисунке 9.

Рисунок 8 – Тензометрический датчик Vibrosensor 3D-CAN ZET 7152	Рисунок 9 – Аналогово-цифровой преобразователь CAN-USB: ZET 7174 регистрирующего устройства

По результатам исследований нагрузочных характеристик, полученных в установке, включающей вибрационный стенд, выполненный на основе низкооборотной лабораторной центрифуги, максимальная нагрузка экспериментальных животных достигла Gмакс=3,80g при средних значениях Gср=2,08±0,25g, а частота механической вибрации составила fср=20,88±0,80 Гц, как представлено на рисунке 10.

Рисунок 10 – Характеристика виброустановки для моделирования вибрационной нагрузки у животных

Уровень биохимических показателей в сыворотке крови определяли на биохимическом анализаторе Liasys 2 (AMS, Италия), используя для этого стандартные наборы реактивов (Италия). Общий анализ крови выполняли на автоматическом гематологическом анализаторе Rayto RT-7600S (Rayto, Китай).

Определение концентрации малонового диальдегида в эритроцитах [70,71], каталазы [72], церулоплазмина [73], как показателей перекисного окисления липидов (ПОЛ) и антиоксидантной защиты (АОС) осуществляли по общепринятым методикам.

Морфологические исследования осуществляли в парафиновых срезах по общепринятой методике. Образцы фиксировали в 10 %-ном формалине, заливали в парафин, срезы толщиной 5–10 мкм окрашивали гематоксилин-эозином.

Статистическую обработку материала проводили с помощью программного обеспечения Microsoft Excel. Для этого вычисляли среднее значение выборки (М), стандартное среднеквадратическое отклонение от среднего значения по выборке (m) по нагрузке (G) и частоте механических колебаний (f). Достоверность результатов определяли по таблицам Стьюдента (критерий р, применимый к малым выборкам).