Б.П. Буряченко, И. В. Саенко, Ю. В. Ряполов, О. В. Пиманчев, А. Д. Сиренко, П. В. Подгорнов, С. Н. Утенкова
EFFECTS OF FOOT AFFERENTATION ON THE MUSCULAR SYSTEM IN ELDERLY PATIENTS
РЕЗЮМЕ
В статье разобраны закономерности функционирования мышечной системы в условиях гиподинамии, приведены механизмы развития нарушений, связанных с устранением опорной нагрузки со стоп, преимущественно у лиц пожилого возраста. В качестве профилактики приведенных нарушений предложено использование подошвенной имитации опорной нагрузки.
Ключевые слова: опорная афферентация, подошвенная имитация опорной нагрузки, мышечная система, гиподинамия, гипокинезия, пациенты пожилого возраста.
SUMMARY
This article analyzes the patterns of the functioning of the muscular system in the hypodynamic condition, the mechanisms of the developing disturbances associated with the elimination of the support load from the feet mainly in the elderly population. This article suggests the use of plantar simulation of the bearing load as a prevention of the analyzed disturbances.
Keywords: foot afferentation, plantar imitation of bearing load, muscular system, hypodynamy, hypokinesia, elderly patients
ВВЕДЕНИЕ
Мышечная система играет ведущую роль в жизнедеятельности человеческого организма. Обеспечивая физическую активность, скелетные мышцы не только реализуют локомоторную функцию, но также регулируют гомеостаз и влияют на течение различных заболеваний и состояний, встречающихся в клинической практике. Большой вклад в изучение функционирования мышечной системы внесли исследования в сфере космической медицины и гравитационной физиологии. В экспериментах в невесомости и её имитации определено влияние гипокинезии на скелетную мускулатуру, раскрыты механизмы развития мышечной гипотрофии от бездействия, определено ключевое влияние опорной афферентации от стоп на тонус постуральной мускулатуры. Полученные данные позволили разработать методы реабилитации космонавтов, которые также показали свою эффективность в клинической практике.
Мышечная система играет ведущую роль в обеспечении жизнедеятельности организма. Составляя около 40 – 50 % от общей массы тела человека[1], скелетная мускулатура обеспечивает в первую очередь выполнение движений тела и поддержание равновесия в условиях гравитации. Являясь активным звеном опорно-двигательного аппарата, мышцы обеспечивают реализацию локомоторной функции. Важнейшим и одним из самых сложных локомоторных актов является ходьба. Навыки ходьбы формируются в раннем детстве, совершенствуются по мере развития организма и претерпевают изменения со старением и развитием различных заболеваний, преимущественно дегенеративно-дистрофического характера, опорно-двигательного аппарата. Ходьба обеспечивает передвижение организма в условиях гравитации. Функциональное единство мышечной и нервной систем обеспечивает реализацию двух компонентов в процессе ходьбы: поддержание равновесия, неустойчивого за счет смещения центра масс, и непосредственного перемещения тела относительно поверхности опоры. Поддержание равновесия осуществляется бессознательно, путем взаимного уравновешивания различных частей тела и переноса нижних конечностей в пределах опорного контура.
Чаще всего в клинической практике принимаются во внимание только связанные с сокращением мышц функции, обеспечивающие все разнообразие движений, необходимых для приспособления организма к окружающей среде [2]. Однако, согласно позициям физиологии, мышечная система также играет важную роль в теплопродукции, кровообращении и поддержании гомеостаза [3].
В последние десятилетия понимание гомеостатической функции мышц вышло далеко за понятие только лишь энергообмена: активно развивается и находит научные подтверждения предложенная B.K. Pederson теория миокинов. Миокины — это цитокины и другие пептиды, продуцируемые и высвобождаемые работающими мышечными волокнами и обладающие эндокринными, паракринными и аутокринными эффектами. Пути реализации эффектов миокинов вовлечены в патогенез таких социально значимых заболеваний, как абдоминальное ожирение, сахарный диабет 2 типа, болезни системы кровообращения, нейродегенеративные патологии, депрессия, онкологические заболевания толстой кишки и молочной железы. В основе патогенеза этих заболеваний лежит персистенция хронического низкоактивного воспаления. Перечисленные патологии отнесены в кластер «болезней гиподинамии» (неинфекционных заболеваний, согласно определению ВОЗ [4]), и частота их развития возрастает с возрастом. Физическая активность вызывает повышение уровня миокинов и обладает протективным эффектом относительно болезней гиподинамии [5-8]. По данным ВОЗ, недостаточная физическая активность считается четвертым из важнейших факторов риска, которые являются причинами смерти в глобальном масштабе [4].
С учетом сложившейся тенденции к старению населения развитых стран политика обеспечения активного долголетия имеет большое социальное значение [9]. 7 мая 2018 года Президент Российской Федерации подписал Указ «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года», в котором, в частности, поставлена национальная цель повышения ожидаемой продолжительности жизни до 78 лет к 2024 году, а к 2030 году — до 80 лет. Правительству к 2024 году необходимо обеспечить увеличение ожидаемой продолжительности здоровой жизни до 67 лет.
Функциональные возможности мышечной системы зачастую ограничивают физическую активность. Их снижение, как правило, встречается у лиц пожилого возраста и проявляется в виде прогрессирующей потери мышечной массы, силы и работоспособности. Перечисленные изменения известны под термином «саркопения». Саркопения наблюдается у 30 % лиц в возрасте 60–80 лет; более чем у 50 % — в возрасте 80 лет и старше, приводит к развитию немощности, снижению качества жизни и преждевременной смерти [10]. Классическим примером негативного влияния максимального снижения активности на состояние здоровья является перелом проксимального отдела бедренной кости. Консервативное лечение такой травмы подразумевает значимое снижение физической активности в виде длительного постельного режима и приводит к высокой вероятности летального исхода у пожилых пациентов [11].
Постельный режим, в большинстве случаев являющийся неотъемлемой составляющей стационарного лечения, у пожилых пациентов приводит к потере до 5 % мышечной массы в день, преимущественно за счет антигравитационной мускулатуры [12, 13].
Таким образом, изучение закономерностей функционирования мышечной системы, характера и механизмов изменений в скелетных мышцах, особенностей реализации различных двигательных режимов (в том числе применяемых в клинической практике) является важной задачей, позволяющей оптимизировать лечебный процесс, улучшить результаты лечения, профилактику осложнений и реабилитацию, увеличить продолжительность жизни пациентов.
Неоценимый вклад в развитие знаний о закономерностях функционирования мышечной системы внесла космическая медицина. С 60-х годов XX века началась история пилотируемой космонавтики. Благодаря данным, полученным в результате космических полетов и наземных экспериментов, бурное развитие получила космическая медицина. Одним из основных факторов космического полета является микрогравитация (невесомость). С самого рождения организм развивается и функционирует под воздействием земной гравитации, все органы и системы, а в первую очередь опорно-двигательный аппарат, формируются для преодоления этого воздействия. В условиях космического полета тело человека не обладает весом, в связи с чем происходит глубокое угнетение статической и динамической двигательной активности. Поэтому невесомость рассматривается как крайняя форма гипокинезии. На основании исследований, проводимых в Институте медико-биологических проблем РАН, детально раскрыты механизмы и описана картина гипокинетических нарушений. В гипогравитационном двигательном синдроме ведущее место занимают костно-мышечные и двигательные нарушения. При длительном воздействии невесомости синдром проявляется развитием гипотрофии антигравитационной мускулатуры, снижением работоспособности и силы мышц, уменьшением мышечной массы, глубокими координаторными расстройствами. Кроме того, развиваются нарушения в костной ткани, сердечно-сосудистой, эндокринной и других системах организма. Механизм развития гипогравитационных нарушений изучен как в невесомости, так и на экспериментальных моделях — сухой иммерсии, антиортостатическом вывешивании лабораторных животных. Вышеописанные изменения, но выраженные в меньшей степени, выявлены при постельном режиме. Ключевым звеном в развитии гипогравитационного двигательного синдрома является устранение ОПОРНОЙ АФФЕРЕНТАЦИИ [14]. Рецепция опоры осуществляется посредством механорецепторов подошвенной поверхности стоп — телец Мейснера и Фатера-Пачини [15] (рис. 1), расположение которых соответствует опорному контуру. Информация от них поступает в систему регуляции позы и обеспечивает удержание центра масс в пределах опорного контура с целью сохранения вертикальной устойчивости тела и предотвращения падения в условиях гравитации (рис. 2).
Рисунок 1 — Механорецепторы подошвенной поверхно-
сти стоп: тельца Мейснера (а), тельца Фатера-Пачини (б)
Рисунок 2 — Схемы расположения механорецепторов на
подошвенной поверхности стоп (а); опорный контур при
вертикальной стойке (б)
Исполнительным звеном системы регуляции позы является антигравитационная (позно-тоническая, постуральная) мускулатура, представленная медленными двигательными единицами. Двигательная единица состоит из мотонейрона переднего рога спинного мозга с отходящим от него аксоном и всеми его разветвлениями, иннервирующими мышечные волокна (рис. 3).
Мышечные волокна по гистохимическому типу делятся на I, IIA и IIB типы. I тип — медленные мышечные волокна, характеризующиеся низкой силой сокращения и устойчивые к утомлению, тонические. IIB тип — быстрые мышечные волокна, характеризующиеся коротким сокращением высокой силы, но быстрым утомлением. IIA тип — промежуточные, в зависимости от функциональных потребностей перестраивающие свою структуру и метаболизм под задачу быстрых или медленных волокон, что определяется характером импульсации двигательного нейрона и дальнейшим изменением структуры тяжелых цепей миозина [16]. В пределах одной двигательной единицы встречаются мышечные волокна только одного типа, что определяет ее функциональную характеристику (рис. 3). Таким образом, регуляция позы, поддержание равновесия тела в условиях гравитации реализуются через управление медленными двигательными единицами, определяющими тонус антигравитационных мышц (преимущественно экс-тензоров).
Рисунок 3 — Схематическое изображение строения дви-
гательных единиц. Одним цветом показаны мышечные
волокна одного типа
В случае устранения опоры в первую стадию происходит рефлекторное падение активности медленных ДЕ и позно-тонических волокон. При сохранении опорной депривации в течение длительного времени развивается структурное изменение мышц в виде гипотрофии медленных двигательных единиц, снижения мышечной силы и, соответственно, потери мышечной массы. Наиболее чувствительны к указанным изменениям экстензоры нижних конечностей как содержащие наибольший процент мышечных волокон медленного типа [14] (рис. 4).F. Strollo с группой исследователей установил, что физиологические изменения в органах и системах во время космического полета соответствуют тем, которые развиваются в пожилом возрасте [17].
Рисунок 4 — Роль опорной афферентации в системе
позно-тонических регуляций
С возрастом в мышечной системе человека происходят инволютивные изменения. За счет редукции количества двигательных нейронов уменьшается количество двигательных единиц и увеличивается их размер — количество мышечных волокон в пределах одной двигательной единицы. Это приводит к уменьшению их специфичности и контроля со стороны ЦНС, что отражается в снижении четкости и плавности движений. Уменьшается мышечная масса, преимущественно за счет количества быстрых волокон, в результате чего происходит относительный рост числа медленных мышечных волокон [18] (рис. 5).
Рисунок 5 — Изменения характера мышц бедра в зависимости от возраста и физической активности [19]
В свете механизмов изменений мышечной системы, описанных гравитационной физиологией, становится понятным, что у лиц пожилого возраста длительный постельный режим за счет устранения опорной афферентации приводит к рефлекторному падению тонуса медленных двигательных единиц, наиболее широко представленных у этой категории лиц и преобладающих в антигравитационной мускулатуре. Следующим этапом снижается мышечная масса, преимущественно за счет антигравитационной мускулатуры, что приводит к нарушению локомоторной функции и изменениям в органах и системах. Профилактика таких нарушений в клинической практике может проводиться как путем вертикализации пациентов, так и с помощью подошвенной имитации опорной нагрузки.
В ИМБП РАН с целью профилактики развития у космонавтов гипогравитационного двигательного синдрома разработан подошвенный компенсатор опорной нагрузки (ПИОН). Устройство состоит из компрессора с контроллером и пневмоортезов, в переднем и заднем отделах которых расположены надуваемые камеры. Пневмоортезы плотно фиксируются на стопах, а камеры надуваются, нагружая опорные зоны стоп и имитируя циклограмму шага в разных режимах ходьбы, бега. Исследования показали эффективность применения ПИОН в профилактике гипогравитационных двигательных нарушений в экспериментах на земле и в космосе, метод имитации опорной нагрузки внедрен в комплекс восстановительных мероприятий для космонавтов, находящихся на МКС. Для клинической практики ПИОН исполнен в модели компенсатора опорной разгрузки (КОРВИТ). Устройство успешно внедрено в практику лечения ДЦП для нормализации мышечного тонуса, лечения инсульта в остром периоде с целью уменьшения двигательного дефицита, изучены положительные эффекты применения при переломах костей голени у детей [14, 20, 21].
В настоящее время в Центре травматологии и ортопедии ГВКГ им. Н.Н. Бурденко проводится клиническое исследование влияния опорной афферентации на состояние мышечной системы пациентов пожилого возраста, моделями для которого выбраны пациенты после эндопротезирования суставов нижних конечностей [22, 23]. Целью исследования является определение реабилитационного потенциала КОРВИТ в послеоперационном периоде у пожилых пациентов с вынужденным постельным режимом.
REFERENCES \ ЛИТЕРАТУРА
1. Min Du, Xu Yan, Jun F. Tong, Junxing Zhao, Mei J. Zhu. Maternal Obesity, Inflammation, and Fetal Skeletal Muscle Development // Biology of Reproduction. – 2010, January; 82(1). – P.4 –12.
2. Нормальная физиология: учбеник / Под ред. В.П. Дегтярева, С.М. Будылиной. М.: Медицина, 2006. 336 с.
3. Физиология человека: учебник / Под ред. В.М. Смирнова. М.: Медицина, 2002. 608 с.
4. Глобальные рекомендации по физической активности для здоровья ВОЗ. 2010 г.
5. Pedersen BK, Akerstrom TC, Nielsen AR, Fischer CP. Role of Myokines in Exercise and Metabolism // Journal of Appled Physiology. – 2007, September; 103. – P. 1093-1098.
6. Цориев Т.Т., Белая Ж.Е., Рожинская Л.Я. Роль миокинов в межтканевом взаимодействии и регуляции обмена веществ: обзор литературы // Остеопороз и остеопатии. – 2016. – №1. – С. 28–34.
7. Васина А.Ю., Дидур М.Д., Иыги А.А., Утехин В.И., Чурилов Л.П. Мышечная ткань как эндокринный регулятор и проблема гиподинамии // Вестник СПБГУ – 2014. – Т. 11. – №2. – С. 5–15.
8. Щербаков В. И., Скосырева Г. А., Рябиченко Т. И. Роль миокинов в регуляции энергетического обмена // Бюллетень сибирской медицины – 2012. – №3. – С. 173–178.
9. Колосницына М.Г., Хоркина Н.А. Государственная политика активного долголетия: о чем свидетельствует мировой опыт // Демографическое обозрение. – 2016. – Т. 3. – №4. – С 27–46.
10. Шостак Н.А., Мурадянц А.А., Кондрашов А.А. Саркопения и перекрестные синдромы — значение в клинической практике // Клиницист. – 2016. – Т. 10. – №3. – С. 10–14.
11. Т.М. Абиев, М.Ж. Давлетбаев, Б.Е. Тулеубаев, Ж.К. Кадырбаев, С.Н. Артыкбай. Принципы лечения переломов проксимального отдела бедра у лиц пожилого и старческого возраста // Вестник Казахского Национального медицинского университета. – 2015. – №1. – С. 216–219.
12. Zagaria MА. Sarcopenia: Loss of Muscle Mass in Older Adults // U.S. Pharmacist. – 2010, September; 35(9). – P. 24–30.
13. The Merck Manual of Diagnosis and Therapy: 18 Ed. MH Beers, RS Porter, TV Jones, JL Kaplan, M Berkwits / Elsevier Science. – 2006. P. 2748.
14. Восстановительная неврология. Инновационные технологии в нейрореабилитации / Под ред. проф. Л.А. Черниковой. М.: МИА, 2016. 294–330 с.
15. Тельце Фатер— Пачини / Отелин А.А., Машанский В. Ф., Маркин А.С. Л.: Наука, 1976. 173 с.
16. Глашев М.М., Разговорова И.А., Михайлова Е.В., Кравцова В.В., Кривой И.И. Электрофизиологические и сократительные характеристики m. soleus крысы и монгольской песчанки при функциональной разгрузке // Вестник СПбГУ. – 2011. – Т. 3. –№ 4. – С. 73–83.
17. Strollo F, Gentile S, Strollo G, Mambro A, Vernikos J. Recent Progress in Space Phisiology and Aging. // Frontiers in Physiology. – 2018, November; 1(9). – P. 1–9.
18. Macintosh BR, Gardiner PF, McComas AJ. Skeletal Muscle: Form and Function. Second Edition / Human Kinetics, 2006. P. 322–339.
19. McLeod M, Breen L, Hamilton DL, Philp A. Live strong and prosper: the importance of skeletal muscle // Biogerontology. – 2016, January; 17. – P. 497–510.
20. Левченкова В.Д., Матвеева И.А., Батышева Т.Т., Петрушанская К.А., Семенова К.А., Титаренко Н.Ю. Использование метода опорной стимуляции в абилитации детей с различными формами церебрального паралича // Детская и подростковая реабилитация. – 2014. — № 1. – С. 19–24.
21. Серова Н.Ю. Применение имитации опорной нагрузки при малоинвазивном остеосинтезе переломов костей у детей: Автореф. дис. канд. … мед. наук. / Н.Ю. Серова. – М., 2013 – 30 с.
22. Крюков Е.В., Брижань Л.К., Буряченко Б.П., Варфоломеев Д. И. Опыт использования цифрового планирования при эндопротезировании тазобедренного сустава в ортопедическом отделении ГВКГ им. Н.Н. Бурденко МО РФ // Кафедра травматологии и ортопедии. – 2017. – Т. 3. – № 29. – С. 95–99
ЛЕЧЕБНАЯ ФИЗКУЛЬТУРА И СПОРТИВНАЯ МЕДИЦИНА №2 (152) 2019