Our journals
Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

STATE OF ENDOTOXIN-ANTIENDOTOXIN PROTECTION OF BODY IN RESPONSE TO PHYSICAL EXERCISES

Research article
Oparina O.N.
Toma J.V.
Emelin V.N.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2020.97.7.039
Issue: № 7 (97), 2020
Published:
2020/07/17
PDF

СОСТОЯНИЕ ЭНДОТОКСИН-АНТИЭНДОТОКСИНОВОЙ ЗАЩИТЫ ОРГАНИЗМА В ОТВЕТ НА ФИЗИЧЕСКУЮ НАГРУЗКУ

Обзорная статья

Опарина О.Н. 1, *, Тома Ж.В. 2, Емелин В.Н. 3

1, 2 Пензенский государственный университет, Пенза, Россия;

3 Пензенский государственный аграрный университет, Пенза, Россия

* Корреспондирующий автор (oparina2011[at]yandex.ru)

Аннотация

В последнее время в научной литературе появились работы, в которых имеются сообщения о зависимости реакций организма спортсмена на интенсивные физические нагрузки от поступления липополисахарида кишечной микрофлоры (ЛПС) в кровоток. Липополисахарид внешней мембраны клеточной стенки грамотрицательных бактерий принято называть эндотоксином (ЭТ). Известно, что во время выполнения мышечной работы происходит перераспределение кровотока за счет усиления притока крови к мышцам, жизненно важным органам, коже [23]. Уменьшается приток крови к висцеральным органам (печень, кишечник, др.), это приводит к повышению температуры тела, повреждению слизистой оболочки, ишемии кишечной стенки, проницаемости кишечной стенки, в том числе и для эндотоксина грамотрицательных бактерий кишечной микрофлоры [16], [21].

Ключевые слова: адаптация, эндотоксин, кишечная микрофлора, антиэндотоксиновая защита, физическая нагрузка.

STATE OF ENDOTOXIN-ANTIENDOTOXIN PROTECTION OF BODY IN RESPONSE TO PHYSICAL EXERCISES

Review article

Oparina O.N. 1, *, Toma J.V. 2, Emelin V.N. 3

1, 2 Penza State University, Penza, Russia;

3 Penza State Agrarian University, Penza, Russia

* Corresponding author (oparina2011[at]yandex.ru)

Abstract

Several scientific works containing the reports on the dependence of the athlete's body reactions to intense physical activity on coming intestinal microflora lipopolysaccharide (LPS) into the bloodstream have appeared recently. The lipopolysaccharide of the outer cell wall membrane of gram-negative bacteria is called endotoxin (ET). It is known that the redistribution of blood flow occurs due to its increased flow to muscles, vital organs, and skin during muscle work [23]. The blood flow to visceral organs (liver, intestines, etc.) decreases; this leads to an increase in body temperature, damage to the mucous membrane, intestinal wall ischemia, intestinal wall permeability, including for endotoxin of gram-negative bacteria of the intestinal microflora [16], [21].

Keywords: adaptation, endotoxin, intestinal microflora, antiendotoxin protection, physical activity.

Основой для адаптации организма к действию внешнего раздражителя является активация симпатоадреналовой системы, которая способна мобилизовать резервные ресурсы различных органов и систем органов для выполнения поставленной задачи. Это является базовой составляющей процесса адаптации на уровне целого организма. Вместе с тем, тонкие (интимные) механизмы участия симпатоадреналовой системы, как в процессах адаптации, так и патологии изучены недостаточно. В частности, до настоящего времени никто из исследователей не ставил перед собой задачу изучить возможную роль кишечного ЭТ в этих процессах, хотя высокая вероятность наличия таковой предполагалась и была теоретически обоснована при анализе многочисленных клинических и экспериментальных исследований автором "эндотоксиновой теории физиологии и патологии человека" М. Ю. Яковлевым [6].

В научной литературе имеются единичные сообщения о возможной роли кишечного ЛПС в дизадаптации организма к физическим нагрузкам (перегрузкам). A. R. Jeukendrup et al. [17] предприняли попытку установить по показателям титров антител (АТ) наличие эндотоксинемии до, во время и через 1, 2, 16 часов после физической нагрузки у 29 триатлонистов. Возраст спортсменов составлял 33±6 лет. Группа контроля состояла из 20 здоровых волонтеров, средний возраст которых - 38 лет. Авторы провели исследование показателей титров антител к ЛПС и выявили наличие зависимости между гастроинтестинальными жалобами, концентрацией ЭТ, цитокинов, СРБ и предбелка сыворотки крови. Кроме вышеуказанных показателей, авторы определяли креатининкиназу как показатель повреждения мышц после выполнения физической нагрузки. Во время выполнения мышечной работы триатлонистами установлено, что 93% спортсменов предъявляли гастроинтестинальные жалобы. 45% спортсменов имели тяжелое состояние, а 7% участников отказались от продолжения работы из-за резкого ухудшения состояния здоровья. В 68% случаях выявлена умеренная эндотоксинемия сразу после выполнения физической нагрузки (5-15 пг/мл) и отмечено уменьшение титров антиэндотоксиновых АТ. Через 2 часа у 19% спортсменов была выявлена умеренная эндотоксинемия, которая нарастала через 16 часов после нагрузки и определялась у 79% триатлонистов. В это время отмечено дальнейшее снижение титров АТ к ЛПС. Сразу после выполнения физической нагрузки авторы отмечали увеличение IL-6 в 27 раз, СРБ - в 20 раз, снижение предбелка - на 12%. В последующие часы содержание СРБ увеличивалось и сохранялось в течение 16 часов на одном уровне Показатель предбелка снижался и был ниже, чем до нагрузок, показатель TNF-a возвращался к показателю нормы к концу 16 часа после выполнения мышечной работы. Аналогичные результаты были получены другими авторами [11], [20], [22].

Некоторыми авторами установлена достоверная зависимость между уровнем IL-6 и жалобами у триатлонистов на рвоту и диарею. Многие исследователи отмечают, что IL-6 может быть маркером стресса у спортсменов разной специализации во время тренировочного процесса [15], [18], [19].

При обработке плазмы крови антигеном ЛПС E.coli 014 выявлена скудная стимуляция иммунных клеток у спортсменов по сравнению с лицами, ведущими малоподвижный образ жизни. Такая реакция указывает на то, что иммунные клетки спортсменов менее чувствительны к стрессу. Этот факт свидетельствует о хорошей подготовке спортсменов к соревнованиям. IL-6 играет роль в эндокринном ответе на стресс через стимуляцию выработки кортизола за счет синтеза АКТГ и стимуляции коры надпочечников [13].

Имеются сообщения, что введение добровольцам ЛПС сопровождалось повышением концентрации ЭТ в плазме крови до 7-13 пг/мл, TNF-a - до 68-1374 пг/мл, IL-6 - до 672-2820 пг/мл [22].

A. T. Bosenberg et al. [9], J. G. Brock-Utne et al. [10] выявляли у 81% марафонцев концентрацию ЭТ в плазме крови выше 100 пг/мл, у 18 триатлонистов повышение уровня ЛПС - от 81 пг/мл до 294 пг/мл после выполнения мышечной работы, при этом отмечалось, что содержание ЛПС у триатлонистов было высоким еще до выполнения физической нагрузки.

G. J. Darlington et al. [14] выявили умеренную эндотоксинемию (5-14 пг/мл) у 8 из 18 марафонцев, при этом у 1 спортсмена отмечали высокий уровень ЛПС - 72 пг/мл.

В исследованиях B. Baker et al. [8] у всех спортсменов отмечали более низкие показатели титров антител к ЛПС, чем в группе контроля. Авторы объясняют это тем, что во время подготовительного и соревновательного периодов отмечается повышенное поступление ЛПС в кровоток, а для купирования его патологического воздействия используются антитела. При концентрации ЛПС в плазме крови 10 пг/мл после выполнения физической нагрузки показатели TNF-a повышались в 2 раза [11], [12].

По мнению Аполлонина А.В. и др. [2]; Лиходеда В.Г. и др. [4]; Яковлева М.Ю. [6], проявление полезных или преобладание патогенных свойств ЛПС определяется главным образом двумя факторами: концентрацией эндотоксина в общем кровотоке и активностью антиэндотоксинового иммунитета (АЭИ).

Среди гуморальных факторов антиэндотоксиновой защиты ведущая роль принадлежит антигликолипидным антителам, которые могут инактивировать ЭТ любого происхождения, поскольку они способны взаимодействовать с липидом А, входящим в состав ЛПС самых различных Гр‾ бактерий. В силу этого обстоятельства титры этих антител можно рассматривать как интегральные показатели гуморального звена АЭИ [7].

В работе И. А. Аниховской [1] показана возможность использования показателей гуморального звена АЭИ в качестве интегрального показателя, характеризующего состояние здоровья человека. Суть методики состоит в том, что по результатам определения содержания двух видов антиэндотоксиновых антител (антител к гликолипиду хемотипа Re и антител к ЛПС E.coli O14) и соотношения между полученными показателями можно судить о состоянии здоровья человека. Разработанный автором метод позволил провести целенаправленную диагностику и рациональное лечение. Было отмечено, что после лечения у пациентов восстанавливались показатели гуморального АЭИ.

Важную роль в защите организма от эндотоксина играют клеточные факторы иммунитета. После проникновения из кишечника в систему воротной вены эндотоксин захватывается и подвергается разрушению в клетках ретикулоэндотелиальной системы (РЭС), преимущественно в клетках Купфера, с последующей детоксикацией в клетках печени. При нарушении функций печени и РЭС свободный эндотоксин обнаруживается в циркулирующей крови [3].

Одной из основных клеток крови, связывающих эндотоксин, является полиморфноядерный лейкоцит [3], [5]. Такие лейкоциты играют значимую роль в детоксикации эндотоксина, их можно рассматривать в качестве факторов клеточного антиэндотоксинового иммунитета.

Благодаря способности ЛПС взаимодействовать с рецепторами (CD, Fc, Toll-like, др.) клеточных мембран, многие клетки способны участвовать в процессах связывания и элиминации ЭТ из системного кровотока. В связи с этим, определение активности гранулоцитарного звена АЭИ может дать полезную для клиницистов информацию о состоянии антиэндотоксиновой защиты и резервных возможностях организма противостоять патогенному действию избытка ЛПС.

На основании проведенного анализа литературы мы считаем, что метод оценки концентрации эндотоксина в системном кровотоке и показателей гуморального и клеточного иммунитета при физической нагрузке у спортсменов позволяет адекватно оценивать эффективность тренировок, выявлять скрыто протекающие заболевания с последующим целенаправленным диагностическим обследованием и патогенетическим лечением. 

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. Аниховская И.А. Выявление групп риска, выбор тактики обследования и оценка эффективности лечения различных заболеваний по показателям антиэндотоксинового иммунитета: дис.… канд. мед.наук: 14.00.05, 14.00.16: защищена 27.11.2001 /Аниховская Ирина Альфредовна. - М., - 2001. – 83с.
  2. Аполлонин А.В. Эндотоксинсвязывающие системы крови // Журнал микробиологии, эпидемиологии, иммунобиологии / А.В. Аполлонин, М.Ю. Яковлев, А.А. Рудик, В.Г. Лиходед. - 1990.- №11.- С.100-106.
  3. Лиходед В.Г. Способ оценки состояния антиэндотоксинового иммунитета в отношении грамотрицательных бактерий (ЛПС-Тест-ИФА) / В.Г. Лиходед, М.Ю. Яковлев, А.В. Аполлонин и др.. Патент РФ №2088936 на изобретение, 1996 с приоритетом от 18 апреля 1994 г.
  4. Лиходед В. Г., Яковлев М. Ю., Мосежный А. Е., Кочурко Л. И. Антиэндотоксиновый иммунитет в физиологии и патологии человека / В. Г. Лиходед, М. Ю. Яковлев, А. Е. Мосежный, Л. И. Кочурко // Медицина экстремальных ситуаций. - -№ 1. - С. 22-26.
  5. Першин Б.Б. Реакции иммунной системы на физические нагрузки / Б.Б. Першин, А.Б. Гелиев, Д.В. Толстов и др. // Russ. J. Immunol. - 2002. - № 1. - Р. 1-24.
  6. Яковлев М.Ю. Элементы эндотоксиновой теории физиологии и патологии человека //Физиология человека. -2003.- том 29.- №4. – С.98-109.
  7. Amberger A. Co-expression of ICAM-1, VCAM-1, ELAM-1 and Hsp60 in human arterial and venous endothelial cells in response to cytokines and oxidized low-density lipoproteins / A. Amberger, C. Maczek, G. Jurgens, D. Michaelis et al. // Cell. Stress. Chaperones. - 1997. - V. 2(2). - P.94.
  8. Baker C.H. Arteriolar endothelium-dependent vasodilation occurs during endotoxin shock / Baker C.H., Sutton E.T. // Am-J-Physiol.- 1993. - V. 264(4 Pt 2). - P.H1118.
  9. Bosenberg A. T. Strenuous exercise causes systemic endotoxemia / Bosenberg A. T., Brock-Utne J. G., Gaffin S. L. et al. // J. Appl. Physiol.-1988. - 65. - P.106–108.
  10. Brock-Utne J. G. Endotoxaemia in exhausted runners after a long distance race / Brock-Utne J. G., Gaffin S. L., Wells M. T. et al. // S. Afr. Med. J. 1988. - V.7 P.533–536.
  11. Camus G. Mild endotoxaemia and the inflammatory response induced by a marathon race / Camus G., Poortmans J., Nys M. et al. // Clin. Sci. 1997. - V.92. - P.415–422.
  12. Castell L. M. Some aspects of the acute phase response after a marathon race, and effect of glutamine supplementation / Castell L. M., Poortmans J. R., Leclercq R. et al. // Eur. J. Appl. Physiol.- 1997. -V.75. - P.47–53.
  13. Cox G. Structure and function of interleukin-6 / Cox G, Gauldie J. / In: S L Kukel and D G Remick (eds) Cytokines in Health and Disease. Dekker. - New York. - 1992. - P.97-120.
  14. Darlington G. J. Monocyte-conditioned medium, interleukin-1, and tumor necrosis factor stimulate the acute phase response in human hepatoma cells in vitro / Darlington G. J., Wilson D. R. and Lachman L.B.// J. Cell Biol. 1986. - V.103. - P.787–793.
  15. Fong Y. Endotoxemia elicits increased circulating beta 2-IFN/IL-6 in man / Fong Y., Moldawer L. L., Marano M. et al. // J. Immunol. - 1989. - V.142. - P.2321–2324.
  16. Haglund U. Gut ischaemia // Gut. - 1994. - V. 35. - P.73–76.
  17. Jeukendrup A.R. Relationship between gastro-intestinal complaints and endotoxaemia, cytokine release and the acute-phase reaction during and after a long-distance triathlon in highly trained men / Jeukendrup AR, Vet-Joop K, Sturk A. et al. // Clin. Sci.- 2000. - V.98. - P.47-55.
  18. Northoff H. The cytokine response to strenuous exercise. / Northoff H., Weinstock C. Berg A. // Int. J. Sports Med. -1994. - V.15. - P.167–171.
  19. Rehrer N. J. Physiological changes and gastro-intestinal symptoms as a result of ultra-endurance running / Rehrer N. J., Brouns F., Beckers E. J. et al. // Eur. J. Appl. Physiol.- 1992. - V.64. -P.1–8.
  20. Rohde T. The immune system and serum glutamine during a triathlon / Rohde T., MacLean D. A., Hartkopp A. and Pedersen B. K. // Eur. J. Appl. Physiol. 1996. - V.7 - P.428–434.
  21. Rowell L. Integration of cardiovascular control systems in dynamic exercise / Rowell L. B., O'Leary. D. S. and Kellogg. D. L. // Handb. Physiol. Sect. 12 Exercise Regul. Integr. Mult. Syst. 1996. - P.770–838.
  22. Van Deventer S. J. H. Experimental endotoxemia in humans: analysis of cytokine release and coagulation, fibrinolytic and complement pathways / Van Deventer S. J. H., ten Cate J. W., Aarden L. A. et al // Blood- 1990. - V.7 - P.2520–2526.
  23. Weinstock C. Effect of exhaustive exercise stress on the cytokine response / Weinstock C., Konig D., Harnischmacher R. et al. // Med. Sci. Sports. Exerc. - 1997. - V.29. - P.345-354.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Anihovskaya I.A. Vyyavlenie grupp riska, vybor taktiki obsledovaniya i ocenka effektivnosti lecheniya razlichnyh zabolevanij po pokazatelyam antiendotoksinovogo immuniteta [Identification of risk groups, selection of survey tactics and evaluation of the effectiveness of treatment of various diseases by indicators of anti-endotoxin immunity]: dis....of PhD in Medicine: 14.00.05, 14.00.16: defense of the thesis 27.11.01 / Anikhovskaya Irina Alfredovna. – M., 2001. – 83p. [in Russian]
  2. Apollonin A.V. Endotoksinsvyazyvayushchie sistemy krovi [Endotoxin-binding blood systems]/ A.V. Apollonin, M.Yu. Yakovlev, A.A. Rudik, V.G. Lihoded // Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii, immunobiologii [Journal of microbiology, epidemiology, and immunobiology]. ‒ 1990. ‒ №11. ‒ P.100-106. . [in Russian]
  3. Lihoded V.G. Sposob ocenki sostoyaniya antiendotoksinovogo immuniteta v otnoshenii gramotricatel'nyh bakterij (LPS-Test-IFA). Patent RF №2088936 na izobretenie [The ability to assess sostoyaniya antiendotoxinovogo immunitet in otnoshenia gramotricatel'nyh bacteria (LPS-test-IFA). Patent RF №2088936] / V.G. Lihoded, M.Yu. Yakovlev, A.V.Apollonin. 1996. [in Russian]
  4. Lihoded V. G. Antiendotoksinovyj immunitet v fiziologii i patologii cheloveka [Antiendotoxin immunity in human physiology and pathology] /V. G. Lihoded, M. Yu. Yakovlev, A. E. Mosezhnyj, L. I. Kochurko // Medicina ekstremal'nyh situacij [Emergency medicine]. ‒ 1999. ‒ № 1. ‒ P. 22-26. [in Russian]
  5. Pershin B.B. Reakcii immunnoj sistemy na fizicheskie nagruzki [Immune system responses to physical activity] / B.B. Pershin, A.B. Geliev, D.V. Tolstov // Russ. J. Immunol. [Russ. J. Immunol.] ‒ 2002. ‒ № 1. ‒ P. 1-24. [in Russian]
  6. Yakovlev M.Yu. Elementy endotoksinovoj teorii fiziologii i patologii cheloveka [Elements of the endotoxin theory of human physiology and pathology] / M.Yu. Yakovlev //Fiziologiya cheloveka [Human physiology]. ‒2003. ‒ V. 29. ‒ №4. – P.98-109. [in Russian]
  7. Amberger A. Co-expression of ICAM-1, VCAM-1, ELAM-1 and Hsp60 in human arterial and venous endothelial cells in response to cytokines and oxidized low-density lipoproteins / A. Amberger, C. Maczek, G. Jurgens, D. Michaelis et al. // Cell. Stress. Chaperones. - 1997. - V. 2(2). - P.94.
  8. Baker C.H. Arteriolar endothelium-dependent vasodilation occurs during endotoxin shock / Baker C.H., Sutton E.T. // Am-J-Physiol.- 1993. - V. 264(4 Pt 2). - P.H1118.
  9. Bosenberg A. T. Strenuous exercise causes systemic endotoxemia / Bosenberg A. T., Brock-Utne J. G., Gaffin S. L. et al. // J. Appl. Physiol.-1988. - 65. - P.106–108.
  10. Brock-Utne J. G. Endotoxaemia in exhausted runners after a long distance race / Brock-Utne J. G., Gaffin S. L., Wells M. T. et al. // S. Afr. Med. J. 1988. - V.7 P.533–536.
  11. Camus G. Mild endotoxaemia and the inflammatory response induced by a marathon race / Camus G., Poortmans J., Nys M. et al. // Clin. Sci. 1997. - V.92. - P.415–422.
  12. Castell L. M. Some aspects of the acute phase response after a marathon race, and effect of glutamine supplementation / Castell L. M., Poortmans J. R., Leclercq R. et al. // Eur. J. Appl. Physiol.- 1997. -V.75. - P.47–53.
  13. Cox G. Structure and function of interleukin-6 / Cox G, Gauldie J. / In: S L Kukel and D G Remick (eds) Cytokines in Health and Disease. Dekker. - New York. - 1992. - P.97-120.
  14. Darlington G. J. Monocyte-conditioned medium, interleukin-1, and tumor necrosis factor stimulate the acute phase response in human hepatoma cells in vitro / Darlington G. J., Wilson D. R. and Lachman L.B.// J. Cell Biol. 1986. - V.103. - P.787–793.
  15. Fong Y. Endotoxemia elicits increased circulating beta 2-IFN/IL-6 in man / Fong Y., Moldawer L. L., Marano M. et al. // J. Immunol. - 1989. - V.142. - P.2321–2324.
  16. Haglund U. Gut ischaemia // Gut. - 1994. - V. 35. - P.73–76.
  17. Jeukendrup A.R. Relationship between gastro-intestinal complaints and endotoxaemia, cytokine release and the acute-phase reaction during and after a long-distance triathlon in highly trained men / Jeukendrup AR, Vet-Joop K, Sturk A. et al. // Clin. Sci.- 2000. - V.98. - P.47-55.
  18. Northoff H. The cytokine response to strenuous exercise. / Northoff H., Weinstock C. Berg A. // Int. J. Sports Med. -1994. - V.15. - P.167–171.
  19. Rehrer N. J. Physiological changes and gastro-intestinal symptoms as a result of ultra-endurance running / Rehrer N. J., Brouns F., Beckers E. J. et al. // Eur. J. Appl. Physiol.- 1992. - V.64. -P.1–8.
  20. Rohde T. The immune system and serum glutamine during a triathlon / Rohde T., MacLean D. A., Hartkopp A. and Pedersen B. K. // Eur. J. Appl. Physiol. 1996. - V.7 - P.428–434.
  21. Rowell L. Integration of cardiovascular control systems in dynamic exercise / Rowell L. B., O'Leary. D. S. and Kellogg. D. L. // Handb. Physiol. Sect. 12 Exercise Regul. Integr. Mult. Syst. 1996. - P.770–838.
  22. Van Deventer S. J. H. Experimental endotoxemia in humans: analysis of cytokine release and coagulation, fibrinolytic and complement pathways / Van Deventer S. J. H., ten Cate J. W., Aarden L. A. et al // Blood- 1990. - V.7 - P.2520–2526.
  23. Weinstock C. Effect of exhaustive exercise stress on the cytokine response / Weinstock C., Konig D., Harnischmacher R. et al. // Med. Sci. Sports. Exerc. - 1997. - V.29. - P.345-354.