Экспериментальная оценка устойчивости организма к инфекционным заболеваниям в условиях воздействия низкочастотного шума

Полный текст

Введение. В современных условиях человеческая популяция подвергается воздействию достаточно большого количества антигенных раздражителей, экологически неблагоприятных факторов (ЭНФ), причем последние способны существенно усилить восприимчивость организма к антигенным раздражителям. Не исключение в этом отношении военнослужащие, которые помимо широкого спектра ЭНФ подвергаются воздействию так называемых факторов военного труда. К последним относят механические, физические, химические, биологические, информационные, социально-психологические и трудовые. Причем для условий военного труда характерно их комплексное воздействие [6]. Одними из наиболее распространенных ЭНФ, в том числе в сфере военно-профессиональной деятельности, являются шум и вибрация [6]. Длительное воздействие шума в процессе профессиональной деятельности приводит к увеличению уровня общей заболеваемости с преобладанием болезней органов дыхания и инфекционных заболеваний (преимущественно грипп и острые респираторные заболевания), а также утяжелению течения инфекционных болезней и возникновению других патологических процессов [5, 6]. Влияние шумовой нагрузки на восприимчивость человека к инфекции зависит от характеристик шума (уровень, частота, длительность воздействия и др.), состояния организма человека, вида инфекционного возбудителя [4]. Воздействие шума и вибрации на организм человека и животных вызывает нарушения функций иммунной системы с вовлечением клеточного (изменение количественного состава и функционально-метаболической активности иммунокомпетентных клеток), гуморального (увеличение содержания в крови IgA, IgM, циркулирующих иммунных комплексов) звеньев и системы неспецифической иммунной резистентности [1, 2]. При воздействии низкочастотного шума (НЧШ), достаточно широко распространенного в связи с непрерывным развитием промышленности, увеличением мощностей двигателей и техники, особенно выражены нарушения в иммунной системе [3, 7]. Это обусловлено изменением нейроэндокринных взаимосвязей, проявляющихся изменениями гормонального статуса и нарушением функции нейромедиаторных систем (холин-, норадреналин-, серотонини дофаминергической. Повышается выработка глюкокортикоидных гормонов, прежде всего кортизола, являющегося мощным иммунодепрессантом [13], вследствие чего происходит уменьшение абсолютного содержания CD3+, CD4+-лимфоцитов в периферической крови, снижение числа NK-клеток, увеличение процентного содержания CD8+-лимфоцитов, уменьшение CD4+/CD8+ индекса и абсолютного количества В-лимфоцитов, значительное возрастание уровня циркулирующих иммунных комплексов, что сопровождается нарушением функционально-метаболической активности лейкоцитов и дисбалансом продукции цитокинов [4, 12]. Кроме опосредованного влияния через нейроэндокринную систему, воздействие НЧШ приводит к местным изменениям структуры мембранного и генетического аппарата клеток, что приводит к усилению свободно-радикального окисления в клетках, а в дальнейшем к истощению антиоксидантной системы и потенцирования синдрома эндогенной интоксикации. Все это приводит к снижению общей резистентности тканей [8]. Вследствие описанных механизмов воздействия НЧШ на организм последний может привести к повышению восприимчивости организма к инфекционным агентам [10].

Цель исследования. Изучить влияние различных режимов воздействия НЧШ на устойчивость экспериментальных животных к заражению инфекционными агентами бактериальной этиологии.

Материалы и методы. Исследования выполнены на 200 белых беспородных мышах-самцах, массой от 28 до 34 г, полученных из питомника Российской академии медицинских наук «Рапполово» (пос. Рапполово Ленинградской обл.). До постановки экспериментов животных содержали в стандартных условиях вивария, по 10 особей в одной клетке с постоянным доступом к гранулированному корму и воде. При проведении исследования выполняли требования нормативно-правовых актов о порядке экспериментальной работы с использованием животных, в том числе по гуманному отношению к ним [11]. По завершении экспериментов животных подвергали эвтаназии в соответствии с Федеральным законом Российской Федерации «О защите животных от жестокого обращения» [9].
Исследование проводили поэтапно: первоначально мышей подвергали шумовому воздействию в низкочастотном диапазоне в периодическом (5 дней в неделю в течение 1 часа) и апериодическом режимах (2,5 часа два раза в неделю) в течение 30 суток. Затем заражали возбудителями инфекций (брюшного тифа – Sal. typhimurium и туляремийной – F. tularensis) на 1–4-й неделе после окончания шумового воздействия.
Мышей 3-й группы не подвергали воздействию шума (заражали соответствующими микроорганизмами). В качестве инфекционных агентов были выбраны возбудители брюшного тифа и туляремии, вызывающие инфекционные заболевания с принципиально различным патогенезом. Животных 4-й группы не подвергали никакому воздействию (биологический контроль), рисунок 1.

 

Рис. 1. Схема эксперимента

Моделирование воздействия НЧШ проводили на экспериментальном стенде, предназначенном для воспроизведения акустического поля переменного давления. В состав стенда входят акустическая камера, контрольноизмерительный и излучающий тракты. Акустическая камера представляла собой конструкцию прямоугольной формы, склеенную из многослойной фанеры: длиной 1000 мм, шириной 440 мм, высотой 740 мм. Для наблюдения за животными были предусмотрены четыре круглых отверстия диаметром 150 мм. В камере имелась специальная дверь, герметично закрывающаяся при помощи прижимных болтов. На торцевых стенках камеры размещались громкоговорители, с помощью которых в рабочем объеме камеры создавалось акустическое давление уровнем до 110 дБ с максимумом энергии в диапазоне частот от 50 до 250 Гц.
Излучающий тракт состоял из генератора шума типа 1027 фирмы «Bruel & Kjær» (Дания) и усилителя мощности типа «Корвет 200У-068С» (Россия). Усилитель подключался к двум громкоговорителям типа «15В-01» (Россия) мощностью 200 Вт. Прецизионный генератор синусоидального сигнала, белого, розового и узкополосного шума в октавных полосах частот с центральными частотами: 3,16; 10; 31.6; 100 Гц типа 1027 соответствует 0 классу и имеет малые искажения.
Контрольно-измерительный тракт состоял из микрофона типа 4147, микрофонной системы типа 2631, анализатора спектра типа 2031, измерительного усилителя типа 2610 и пистонфона типа 4220 (фирмы «Bruel & Kjær», Дания).
Для оценки влияния НЧШ на устойчивость организма к инфекциям бактериальной этиологии были спланированы острые опыты по заражению животных, подвергнутых шумовому воздействию, Sal. typhimurium и F. tularensis в различные сроки после окончания воздействия акустических колебаний.
При моделировании брюшнотифозной инфекции использовали культуру возбудителя – Sal. typhimurium (штамм Breslau), туляремии – F. tularensis (штамм 15 НИИЭГ). Экспериментальных животных однократно заражали суспензиями возбудителя в инфекционной дозе, вызывающей гибель половины особей в группе (1 ЛД50).
В обоих случаях возбудителей вводили внутрибрюшинно (Sal. typhimurium –0,5 мл, F. tularensis – 0,2 мл). Контроль специфичности гибели животных подтверждали микробиологическим методом идентификации возбудителей.
В качестве оцениваемых показателей устойчивости экспериментальных животных к заражению возбудителями инфекций использовали величины выживаемости и средней продолжительности жизни (СПЖ) инфицированных особей.
Статистическую обработку результатов осуществляли с использованием пакета компьютерных программ «Statistica 10.0» (StatSoft, Inc.). Достоверными считали различия между группами при уровне р<0,05. Величины СПЖ инфицированных животных представлены как среднее значение и стандартное отклонение (M±SM). Для выявления различий между величинами СПЖ в подопытных и контрольных группах использовался U-критерий Манна – Уитни.
Динамику выживаемости животных представляли графически по оценкам Каплана – Каплана – Мейера: по оси Х – время жизни (в днях), по оси Y – кумулятивная доля выживших. Для каждого режима и времени воздействия НЧШ, а также вида возбудителя на одном графике для наглядности помещены несколько графиков по неделям заражения (1, 2, 3, 4) вместе с соответствующей контрольной группой. Сравнение выживаемости мышей в группах проводили по непараметрическому критерию Вилкоксона – Гехана. Для количественных сравнений применялся критерий χ2 с поправкой Йетса.
Результаты и их обсуждение. В течение 30-суточного воздействия НЧШ (до заражения) в подгруппах 2, 11 и 12 пало по одной особи. После заражения возбудителями в контрольных группах выживаемость составила 50%, что соответствовало заражающей дозе этиопатогена, вводимого животным. При этом выживаемость животных, подвергшихся воздействию НЧШ, после заражения Sal. typhimurium и F. tularensis была ниже, чем в «контроле заражения». Наименьшая выживаемость (менее 20%) наблюдалась в подгруппах, подвергнутых заражению Sal. typhimurium после воздействия НЧШ (подгруппы 1–4 и 11–14). В этих же подгруппах величины СПЖ были примерно в 2 раза меньше, чем в «контроле заражения» (табл. 1).

 

Таблица 1

Показатели выживаемости и средней продолжительности жизни мышей, инфицированных возбудителями туляремии и сальмонеллеза после воздействия НЧШ

Группа	Подгруппа	Условия эксперимента			Количество вы- живших животных / общее количество животных в подгруппе	Выживаемость, %	СПЖ, сут (M±SM)
		режим воздействия НЧШ	заражение
			возбудитель	неделя
1-я	1	периодический	Сальмонелла	1	1/10	10±0,32	12,4±7,07*
	2	периодический	Сальмонелла	2	0**/9	0±0,00	8,4±2,70*
	3	периодический	Сальмонелла	3	2/10	20±0,42	12,7±9,58*
	4	периодический	Сальмонелла	4	2/10	20±0,42	10,9±10,98*
	5	периодический	Туляремия	1	6/10	60±0,52	22,0±10,33
	6	периодический	Туляремия	2	0**/10	0±0,00	5,7±2,95*
	7	периодический	Туляремия	3	3/10	30±0,48	14,1±11,09
	8	периодический	Туляремия	4	3/10	30±0,48	17,0±10,26
2-я	11	апериодический	Сальмонелла	1	0**/9	0±0,00	8,6±1,74*
	12	апериодический	Сальмонелла	2	0**/9	0±0,00	8,8±2,64*
	13	апериодический	Сальмонелла	3	0**/10	0±0,00	16,1±8,48
	14	апериодический	Сальмонелла	4	1/10	10±0,32	9,6±8,95*
	15	апериодический	Туляремия	1	10/10	70±0,48	24,0±9,66
	16	апериодический	Туляремия	2	0**/10	0±0,00	5,8±2,90*
	17	апериодический	Туляремия	3	1/10	10±0,32	13,6±9,31*
	18	апериодический	Туляремия	4	4/10	40±0,52	19,6±9,13
3-я	9	контроль	Сальмонелла	1	5/10	50±0,53	22,3±9,04
	10	контроль	Туляремия	1	5/10	50±0,53	21,7±10,11

Примечание: * – отличие от контрольной группы по U-критерию Манна – Уитни; ** – отличие от контрольной группы по критерию χ2; р<0,05.

В целом, в 1-й и 2-й группах отмечается 100% гибель животных, подвергнутых заражению инфекционными возбудителями на 2-й неделе после окончания воздействия НЧШ, коррелирующая с наименьшими показателями СПЖ. На 3-й и 4-й неделях выживаемость животных повышалась, но оставалась ниже, чем среди животных, не подвергавшихся воздействию низкочастотного шума до заражения.
Поскольку выбранные инфекционные модели отличаются между собой, что обусловлено имеющимися различиями в вызываемых возбудителями заболеваниях, представлялось интересным провести сравнительный анализ выживаемости, СПЖ и функции выживания в зависимости от этиологической природы экспериментального септического состояния, использованного в данном исследовании. Первоначально был проведен анализ данных по влиянию шумового воздействия на показатели выживаемости, СПЖ и динамики выживаемости. Предварительно отмечено, что максимальная гибель (до 80%) наблюдалась в подгруппах, подвергнутых заражению Sal. typhimurium на фоне воздействия НЧШ (подгруппы 1–4 и 11–14) по сравнению с заражением в аналогичных условиях F. tularensis. При этом в подгруппах 11–14 выживаемость в целом была ниже, чем в подгруппах 1–4, несмотря на отсутствие статистически достоверных различий.
В 1-й и 2-й группах в зависимости от срока заражения Sal. typhimurium после окончания воздействия НЧШ значимых различий выживаемости между подгруппами 1–4 и 11–14 не выявлено (табл. 2), но по показателю выживаемости эти подгруппы значимо различались c контролем (подгруппа 9, p<0,05). При этом уровень выживаемости животных, предварительно подвергнутых воздействию НЧШ, а затем заражению, значимо зависит от времени, прошедшего с момента воздействия НЧШ, но практически не связан с режимом воздействия шума на животных.
Установлено, что в подгруппах животных, подвергнутых воздействию НЧШ при различных режимах и в дальнейшем инфицированных Sal. typhimurium в разные сроки после окончания шумового воздействия, гибель мышей наступает на 4 неделе после окончания воздействия НЧШ. В «контроле заражения» гибель животных наблюдается лишь к 10 суткам (рис. 2).

 

Таблица 2
Сравнение выживаемости подгрупп в зависимости от срока заражения S. typhimurium после окончания воздействия НЧШ

Подгруппа	11	12	13	14	9 (контроль)
1	0,06	–	–	–	0,02*
2	–	0,69	–	–	0,0003*
3	–	–	0,85	–	0,05*
4	–	–	–	0,10	0,04*
9 (контроль)	0,0003*	0,0004*	0,04*	0,01*	–

Примечание: * – р < 0,05.

Рис. 2. Динамика выживаемости животных, подвергнутых заражению Sal. typhimurium, предварительно находившихся под шумовым воздействием: а – НЧШ 1 ч/сут 5 раз в неделю в течение 30 сут (периодический режим); б – НЧШ 2,5 ч/сут по 2 раза в неделю в течение 30 сут (апериодический режим)

Выявленная динамика гибели животных, повидимому, обусловлена двумя основными причинами. Во-первых, формированием иммунодефицита в отсроченный период (приблизительно к 30 суткам) после окончания воздействия НЧШ. Во-вторых, иммуномодулирующими эффектами НЧШ, направленными на активацию противомикробных сил организма, выраженность которых с увеличением интервала между окончанием воздействия НЧШ и временем заражения снижается. Учитывая, что инфицирующая доза возбудителя в условиях эксперимента не превышала
1 ЛД50, а летальность в подопытных подгруппах приближалась к 100%, то при длительном воздействии НЧШ его проявления как внешнего фактора развития
иммунодефицита отчетливо регистрируются через 1 неделю и достигают наибольшей выраженности через 4 недели после окончания шумового воздействия.
При моделировании туляремийной инфекции выживаемость зараженных животных варьировала в зависимости от срока заражения относительно прекращения воздействия шумового фактора (табл. 3, рис. 3).

 

Таблица 3

Сравнение выживаемости подгрупп в зависимости от срока заражения F. tularensis после окончания воздействия НЧШ

Подгруппа	11	12	13	14	9 (контроль)
1	0,06	–	–	–	0,02*
2	–	0,69	–	–	0,0003*
3	–	–	0,85	–	0,05*
4	–	–	–	0,10	0,04*
9 (контроль)	0,0003*	0,0004*	0,04*	0,01*	–

Примечание: * – р < 0,05.

 

Рис. 3. Динамика выживаемости животных, подвергнутых заражению F. tularensis, предварительно находившихся под шумовым воздействием: а - НЧШ 1 ч/сут 5 раз в неделю в течение 30 сут (периодический режим); б – НЧШ 2,5 ч/сут по 2 раза в неделю в течение 30 сут (апериодический режим)

 

При этом если в случае инфицирования сальмонеллезом гибель животных, зараженных на 4-й неделе после окончания воздействия НЧШ, наступала раньше, то при заражении возбудителем туляремии раньше погибали животные, когда инфицирование осуществлялось на 2-й неделе после окончания воздействия НЧШ.
Выявлено, что заражение животных возбудителями туляремии на 1 неделе после окончания воздействия НЧШ приводило к гибели животных на 10-20% меньше, чем в контрольной группе. Если же заражение осуществлялось на 2 неделе после окончания воздействия НЧШ, то регистрировали 100% гибель мышей. В дальнейшем, при заражении животных в более отдаленные сроки от момента окончания воздействия НЧШ устойчивость их к инфекции несколько повышалась, однако оставалась ниже контрольных параметров. Следовательно, при инфицировании F. tularensis и Sal. typhimurium наблюдается развитие вторичного иммунодефицита под воздействием НЧШ.

Учитывая отсутствие различий в динамике гибели между подгруппами животных, подвергнутых воздействию НЧШ до заражения сальмонеллезом и туляремией, провели сравнение выживаемости мышей в 1-3-й группах по непараметрическому критерию Вилкоксона. Динамика выживаемости мышей представлена графически по оценкам Каплан – Мейера (рис. 4). Из рисунка 4 видно, что все 3 группы достоверно отличаются друг от друга.

 

Рис. 4. Динамика выживаемости животных в 1-3-й группах

 

Таким образом, воздействие НЧШ повышает восприимчивость животных к заражению инфекциями бактериальной этиологии, в частности к брюшному тифу и туляремии. Также наблюдается ускорение развития инфекционного процесса и увеличение степени его тяжести. При этом данные закономерности не зависят от режима генерации шумового фактора при условии равенства дозы шума. Вероятно, они обусловлены дисфункциональными изменениями в иммунной системе на уровне неспецифической иммунологической резистентности животных, подвергнутых воздействию НЧШ.

Выводы

1. Выживаемость и средняя продолжительность жизни животных, зараженных инфекционными возбудителями брюшного тифа и туляремии и подвергшихся воздействию НЧШ в течение 30 сут, ниже, чем среди животных, не подвергавшиеся воздействию низкочастотного шума до заражения. При этом наиболее тяжело инфекционный процесс протекает на
   2-й неделе после окончания шумового воздействия, в конечном итоге животные в 100% случаев погибали.
   2. Апериодический и периодический режимы воздействия НЧШ (при условии равенства дозы шума) не различаются по показателям выживаемости, СПЖ и динамике гибели животных.
   3. Установлено, что НЧШ снижает устойчивость организма к инфекционным заболеваниям. Одним из возможных механизмов снижения устойчивости является формирование под влиянием НЧШ дисфункциональных изменений в иммунной системе, прежде всего на уровне неспецифической иммунологической резистентности.

Об авторах

Р. Ф. Сайфуллин

Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова

Email: +79118307913@yandex.ru
Россия, г. Санкт-Петербург

А. Б. Селезнев

Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины

Email: +79118307913@yandex.ru
Россия, г. Санкт-Петербург

С. Н. Сергеев

Научно-исследовательский институт прикладной акустики

Email: +79118307913@yandex.ru
Россия, г. Дубна

А. В. Степанов

Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины

Email: +79118307913@yandex.ru
Россия, г. Санкт-Петербург

Н. В. Комиссаров

Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины

Email: +79118307913@yandex.ru
Россия, г. Санкт-Петербург

А. В. Гордиенко

Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова

Автор, ответственный за переписку.
Email: +79118307913@yandex.ru
Россия, г. Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы