Физиологические закономерности реологии желчи животных

Показано, что многочисленные функциональные признаки гепатобилиарной системы у животных су­щественно дифференцированы по полу и сезонноизменчивы. Выявленные изменения поверхностной активности желчи в зависимости от сезона года связаны с уровнем организации животных, разным образом их жизнедеятельности, различной степенью выраженности тех или иных функций гепатоби-лиарной системы, молярно-процентным соотношением ингредиентов желчи. Комплексное исследова­ние физико-химических свойств желчи позволило с новых позиций провести оценку функционально­го состояния гепатобилиарной системы у животных и показать перспективность применения данного комплекса исследований у человека в норме и при различных нарушениях функций гепатобилиарной системы.

Актуальность исследования. Хронизация многих заболеваний гепатобилиарной системы обу­словлена изменениями реологических свойств желчи. Нарушение реологии желчи, как правило, не зависит от этиологических факторов. Билиарная недостаточность и билиарный сладж, как следствие холестаза, лежат в основе механизма возникновения большинства патологий печени, которые зачас­тую имеют проградиентный характер клинического течения с частой индивидуализацией и высоким риском развития осложнений [1-4].

Цель исследования. Исследовать взаимосвязь функционального состояния гепатобилиарной сис­темы у животных с физико-химическими свойствами желчи.

Методы исследования. Исследование биохимического состава желчи проводили спектрофото-метрическим методом. Исследование поверхностно-активных свойств желчи проведено методом межфазной тензометрии. Исследование реологических свойств желчи проводилось методом ротаци­онной вискозиметрии.

Объект исследования. Было проведено комплексное исследование функционального состояния гепатобилиарной системы (ГБС) у рыб (50), кур (40), собак (10), коров (10).

Результаты исследования. Для углубления представлений о механизме реологии желчи и жел-чевыделения были исследованы количественные критерии реологических свойств желчи животных — предел текучести, структурная и эффективная вязкость, критическая концентрация мицеллообра-зования. В таблице приведены результаты исследований реологических свойств желчи у разных видов животных в летний и зимний периоды.

При сравнительном анализе было установлено, что наибольшие величины структурной вязкости (0,785±0,015 мПа) и предела текучести (0.823±0.03 мПа) были в желчи у коровы, а наименьшие вели­чины структурной вязкости (0, 215±0,020 мПа) и предела текучести (0.150±0.01 мПа) — в желчи у рыбы. Величины структурной вязкости и предела текучести в желчи у курицы и собаки имели про­межуточные величины, причем эти показатели у курицы были ниже, чем у собаки.

Предел текучести в желчи у курицы был больше в 1,54 раза, в желчи у собаки — больше в 3,58 раза, в желчи у коровы — больше в 5,5 раза, чем предел текучести в желчи у рыбы. Определено, что структурная вязкость в желчи у курицы была меньше в 0,72 раза, в желчи собак — меньше в 0,42 раза, в желчи у коровы — меньше в 0,15 раза, чем структурная вязкость в желчи у рыбы.

По мере усложнения структуры гепатобилиарной системы у разных видов животных мы наблю­дали увеличение предела текучести, структурной и эффективной вязкости желчи.

На ротационном вискозиметре со свободно плавающим цилиндром был смоделирован процесс изменения реологических показателей желчи в зависимости от скорости сдвига, который позволил определить динамику изменения реологических показателей желчи в физиологических условиях у животных. Ротационный вискозиметр позволил установить быстрый переходной процесс, необхо­димый для формирования достаточно быстрых перепадов скорости сдвига для исследования восста­новления структуры желчи. Скорость сдвига, получаемая при вращении свободно плавающего ци­линдра в вискозиметре, являлась аналогом скорости течения желчи в желчных протоках.

Установлено, что вязкость и предел текучести желчи у разных видов животных при заданной температуре не оставались постоянными, а изменялись по нелинейной зависимости от скорости сдвига.

Для желчи, являющейся гетерогенной системой, были определены структурная и эффективная вязкость. Выявлено, что структурная вязкость желчи у рыбы имела величину 0,215±0.020 мПа, а эф­фективная вязкость желчи у рыбы — 0,052±0.013 мПа при максимальной скорости сдвига (35 с^-1); у курицы — 0,339±0,003 и 0,154+0,003 мПа; у собаки — 0,567±0,010 и 0,331±0,003 мПа; у коровы — 0,785±0,030 и 0,633±0,001 мПа соответственно. Отмечено, что эффективная вязкость желчи, незави­симо от способов и условий ее измерений, была пропорциональна вязкости дисперсионной среды и зави­села от критической концентрации мицеллообразования.

Выявлено, что структурная вязкость желчи у животных имела сезонную изменчивость. Установ­лено, что имелось уменьшение структурной вязкости в зимний период в желчи у рыбы (0,158±0,037 мПа) и у коровы (0,597±0,005 мПа) по сравнению с летним периодом (0,215±0,020 мПа, 0,785±0,015 мПа соответственно), у курицы и собаки структурная вязкость желчи осталась на прежнем уровне (0,335±0,013 мПа, 0,567±0,010 мПа соответственно).

Исследование коллоидоустойчивости и мицеллообразования желчи необходимо для лучшего понимания механизма желчевыделения и реологии желчи. Наличие поверхностно-активных веществ в желчи (желчных кислот, белка, холестерина), а также силы внутреннего взаимодействия между ни­ми способствует процессу мицеллообразования и оказывает влияние на реологию желчи и на режим желчевыделения. Мицеллообразование желчи следует рассматривать как результат самопроизволь­ного контактного взаимодействия составляющих ее ингредиентов, обусловленного физико-химическими процессами или вызванного действием внешних сил, образования и разрушения ми­целл (макромолекулярных комплексов). В мицеллы включается только часть ингредиентов желчи, остальная же часть находится в межмицеллярной фазе, в свободном состоянии, или непрочно соеди­нена с ионами поверхностно-активных веществ желчи. Роль печени и желчного пузыря в процессе мицеллообразования сводится к созданию определенной концентрации ингредиентов желчи, входя­щих в состав мицелл, при этом мицеллы образуются самопроизвольно. В этом же ракурсе (как влия­ние на контактные взаимодействия) рассматривают и роль адсорбированной на компонентах желчи дисперсионной среды и растворенных в ней ПАВ желчи.

На рисунках 1 и 2 представлены зависимости вязкости и предела текучести желчи у разных ви­дов животных от скорости сдвига.

В наших исследованиях было выявлено, что при малой степени разведения желчи физиологиче­ским раствором на поверхности подкладки (физиологического раствора) был образован насыщенный адсорбционный слой, поверхностное натяжение которого существенно не изменялось. Дальнейшее разведение желчи физиологическим раствором приводило к постепенному распаду мицелл. При пол­ном распаде мицелл желчи происходило снижение как объемной, так и поверхностной концентрации молекул ПАВ, что и являлось причиной резкого повышения поверхностного натяжения желчи.

Таким образом, мицеллы не являются стабильно неизменным структурным образованием. Вы­явлено, что при разведении желчи физиологическим раствором происходило изменение объемной концентрации основных ингредиентов желчи, гидролитическое расщепление мицелл и разупорядо-ченность их структуры вследствие развертывания цепей, приводящих к метастабильности макромо-лекулярного комплекса. Распад мицелл приводил к изменению реологических, поверхностно-активных и солюбилизирующих свойств желчи, которые оказывали влияние на процесс желчевыде-ления.

Одним из физико-химических показателей устойчивости гетерогенной коллоидной системы (коллоидоустойчивости) желчи является критическая концентрация мицеллообразования (ККМ). В растворах мицеллообразующих поверхностно-активных веществ как таковой является желчь, выше критической концентрации мицеллообразования возникают коллоидные частицы (мицеллы), состоя­щие из десятков или сотен молекул (ионов). Мицеллы обратимо распадаются на отдельные молекулы или ионы при разбавлении раствора (точнее, коллоидной дисперсии) до концентрации ниже ККМ.

В наших исследованиях величина критической концентрации мицеллообразования была опреде­лена графически по зависимости статического поверхностного натяжения желчи от логарифма степе­ни ее разведения физиологическим раствором. По оси ординат были отложены величины статическо­го поверхностного натяжения, а по оси абсцисс — концентрация желчи в единицах разведения. По резкому излому данной зависимости выявлялась величина ККМ в единицах логарифма разведе­ния желчи физиологическим раствором (рис. 3).

Анализ результатов данной серии исследований показал, что физико-химические свойства жел­чи у животных претерпели существенные перемены с изменением концентрации ПАВ в мономолеку­лярном слое. Установлено, что изотермы поверхностного натяжения желчи у животных отличались как величиной критической концентрации мицеллообразования, так и величиной прироста начально­го и конечного участков изотермы, а также и углом ее наклона.

Обнаружено, что наибольшую величину ПН_стат имела желчь у рыбы (27,52±1.81 мН/м), а затем происходило снижение величин ПН_стат в ряду: желчь у курицы (23,53±1.14 мН/м), желчь у собаки (14,13±1.18 мН/м), желчь у коровы (12,42±1.36 мН/м).

Рисунок 3. Изотерма статического поверхностного натяжения желчи у разных видов животных

Динамика величины статического поверхностного натяжения показала, что произошло умень­шение концентрации ПАВ в поверхностном слое желчи в ряду исследуемых животных: коро-ва^собака^курица^рыба.

Выявленное относительно малое поверхностное натяжение желчи у коровы означало, что пере­ход ее поверхностно-активных ингредиентов в мицеллы происходил при относительно их более вы­сокой концентрации в желчи.

Установленные относительно большие величины ПНстат в желчи у рыбы показали, что в ней при­сутствовало малое содержание ПАВ по сравнению с желчью других видов животных.

Обнаружено, что для желчи у рыбы, начиная с величины ПН_стат — 27,52±1,81 мН/м, шло мед­ленное нарастание поверхностного натяжения до величины ПН_стат — 30,22±1,40 мН/м. Затем на лога­рифме концентрации разведения желчи lg С = 1 выявлен резкий рост поверхностного натяжения до величины 56,44±1,12 мН/м, что объясняется тем, что произошел процесс разрушения мицелл, при­водящий к изменению ее поверхностной активности и резкому увеличению ее поверхностного натя­жения. По-видимому, коллоидный раствор желчи у рыбы представлен плотными, но непрочными мицеллами, доля желчи в свободном состоянии относительно большая, вязкость такой желчи при ма­лых напряжениях сдвига минимальная. Малое контактное взаимодействие между ингредиентами желчи у рыбы является условием образования непрочных мицелл высокой плотности. По мере уве­личения скорости сдвига плотные мицеллы желчи у рыбы разрушаются и образуют равновесные данному уровню механических воздействий мицеллы, менее плотные, но захватывающие больше свободной прослойки. В такой желчи образование и разрушение мицелл является равновесным, с со­ответствующим уровнем силовых воздействий — напряжением сдвига. Для их разрушения необхо­димо некоторое время, что способствует ее релаксации. По мере увеличения скорости сдвига наблю­далось уменьшение эффективной вязкости. Разрушение или уплотнение мицелл и тем самым изме­няющаяся вязкость желчи — один из факторов, влияющих на процесс желчевыделения у рыбы.

Для желчи у курицы рост поверхностного натяжения происходил с величины ПН_стат — 23,53±1.14 мН/м до величины ПН_стат — 26,22±1.46 мН/м, затем на логарифме концентрации lg С = = 1,25 наблюдался резкий излом зависимости и затем статическое поверхностное натяжение желчи возросло до величины 51,03±1.62 мН/м. Изотермы желчи у рыбы и курицы шли почти параллельно друг другу, но при этом желчь у рыбы и курицы имела различную критическую концентрацию мицеллообразования и статическое поверхностное натяжение желчи.

Прирост поверхностного натяжения для желчи у собаки начинался с величины ПН_стат — 14,13±1.18 мН/м до величины ПН_стат — 26.22±1.46 мН/м, затем на логарифме концентрации lg С = 1,5 наметился резкий излом и затем статическое поверхностное натяжение желчи возросло до величины 48,23±1.69 мН/м.

Для желчи у коровы, начиная с величины ПН_стат — 12,42±1.36 мН/м, шло медленное нарастание до значения ПН_стат — 19,62±1.18 мН/м, затем на логарифме концентрации lg С = 1,5 произошел рез­кий излом и дальнейшее нарастание ПН_стат до величины 52,56±1.69 мН/м. Мы полагаем, что мицеллы желчи у коровы находятся во всем объеме желчи. В свободном состоянии остается предельно малая доля желчи и малые сдвиговые воздействия неспособны существенно разрушить мицеллы, а вязкость желчи при этом остается предельно большой. Когда же сдвиговые напряжения становятся достаточно высокими, начинается разрушение мицелл желчи у коровы. Уплотнение, а затем и разрушение ми­целл привело к уменьшению вязкости вследствие увеличения доли жидкой фазы в свободном состоя­нии. При превышении некоторого порогового напряжения сдвига прослойки свободной желчи уве­личивались пропорционально росту сдвиговых напряжений; заключенная в мицеллах желчи у коровы, дисперсионная среда переходила в свободное состояние, в результате чего вязкость желчи уменьшалась. Данное предположение согласуется с проведенными нами исследованиями по опреде­лению показателя критической концентрации мицеллообразования. Обнаружено, что в желчи у коро­вы имеется более высокое объемное содержание мицелл, чем в желчи у рыбы. Для разрушения гид-ратной оболочки мицеллы желчи у коровы необходимо было приложить большее усилие, чем для рыбы.

Таким образом, установлено, что в процессе жизнедеятельности животных нормальное эквива­лентное соотношение ингредиентов желчи определяет коллоидоустойчивость желчи и ее реологию. Результаты наших исследований показали, что желчь исследуемых животных имеет следующие количественные кртитерии коллоидоустойчивости, показывающие, что разрушение мицелл в желчи у рыбы возникает при lg С = 1, в желчи у курицы — при lg С = 1,25, в желчи у собаки и коровы — при lg С = 1,5.

Разные величины критической концентрации мицеллообразования рассматриваемых биообъек­тов выявили различный биохимический состав желчи, содержание ПАВ в желчи и различную сте­пень коллоидоустойчивости, которые оказали влияние на поверхностно-активные, реологические свойства желчи и процесс желчевыделения. Величины критической концентрации мицеллообразова-ния желчи позволили выявить некоторые отличительные особенности функционирования гепатобилиарной системы у разных видов животных.

Нами установлено, что биохимический состав желчи, а также показатели, отражающие поверх­ностно-активные и реологические свойства желчи, имели различную тенденцию в сравниваемом ряду животных.

Выраженность поверхностно-активных свойств в желчи у животных постепенно убывала в ряду: растительноядные млекопитающие (корова)—всеядные млекопитающие (собака)—курица—рыба (в зимний период); корова—собака—курица—рыба (в летний период). Показатели структурной вяз­кости в желчи у животных постепенно убывали в ряду: рыба— курица— всеядные млекопитающие— растительноядные млекопитающие.

Для разрушения гидратной оболочки мицеллы в желчи у животных прикладывали большее уси­лие в ряду: растительноядные млекопитающие —всеядные млекопитающие— курица— рыба.

Содержание общих желчных кислот в желчи у животных убывало в ряду: растительноядные млекопитающие— всеядные млекопитающие— рыба —курица. Наличие холестерина в желчи у жи­вотных убывало в ряду: всеядные млекопитающие— растительноядные млекопитающие— кури­ца—рыба.

Процентное содержание воды в желчи у животных убывало в ряду: всеядные млекопитаю-щие—растительноядные млекопитающие— рыба —курица.

Результаты исследований физико-химических показателей желчи у исследуемых животных представлены на рисунке 4.

На рисунке 5 представлены корреляционные связи между биохимическими показателями и результатами межфазной тензометрии, реометрии желчи у разных видов животных

Рисунок 5. Корреляционные связи между биохимическими показателями и результатами межфазной тензометрии, реометрии желчи у животных

Таким образом, многочисленные функциональные признаки гепатобилиарной системы у живот­ных существенно дифференцированы по полу и сезонноизменчивы. Выявленные изменения поверх­ностной активности желчи в зависимости от сезона года связаны с уровнем организации животных, разным образом их жизнедеятельности, различной степенью выраженности тех или иных функций гепатобилиарной системы, молярно-процентным соотношением ингредиентов желчи. У курицы не было выявлено явной зависимости между поверхностным натяжением желчи и сезоном года, как это было отмечено у коровы. Отмеченное возрастание поверхностной активности желчи у коровы зимой было связано со стойловым содержанием животных, при котором произошло уменьшение двигатель­ной активности животного и изменение рациона питания по сравнению с летним периодом. Для жел­чи у самца собаки не было отмечено зависимости между поверхностным натяжением желчи и сезо­ном года, как это было отмечено для особи женского пола, для которой произошло некоторое умень­шение поверхностной активности желчи зимой.

Интерпретация результатов исследования поверхностно-активных свойств, биохимического со­става желчи и закономерностей реологии желчи позволила дать оценку функционального состояния гепатобилиарной системы у животных. Целостный организм у животных представляет собой гармо­ническое взаимодействие множества функциональных систем молекулярного, гомеостатического и поведенческого уровней. Взаимодействие функциональных систем в живом организме базируется на основе принципов доминирования, мультипараметрического и последовательного взаимодействия.

С точки зрения биологии процессы, происходящие в живом организме, представляют собой результат когерентных непрерывных биохимических реакций последовательностей метаболических циклов, содержащих чередующиеся процессы анаболизма — синтеза веществ и катаболизма — расщепления веществ. В процессе жизнедеятельности живого организма каждая клетка, каждый орган, каждая сис­тема и целостный организм в результате этих реакций характеризуются определенными физиологи­ческими нормами, в пределах которых происходят непрерывные колебания соответствующих физио­логических и физико-химических показателей относительно средних величин как по частоте, так и по амплитуде. Эти показатели находятся в тесной взаимосвязи и определяются как внутренними свойст­вами соответствующих элементов организма, так и их ролью в составе того или иного органа или системы. Поскольку каждый живой организм по-своему уникален, для него будет характерен соот­ветствующий только ему оптимальный образ жизни: время сна и бодрствования, режим и рацион кормления, соответствующая среда обитания, необходимые физические нагрузки и многое другое.

Обобщая полученные результаты исследования физико-химических свойств желчи у животных, можно утверждать, что

• содержание воды в желчи у животных является индикатором в оценке функционирования ге-патобилиарной системы;
• критерием угнетения всасывательной и концентрационной функций печени у исследуемых биообъектов является увеличение содержания воды в желчи;
• физиологическая компенсация изменения молярно-процентного соотношения ингредиентов в желчи у животных в различные периоды года позволяет значительно расширить допустимое коли­чественное содержание основных ингредиентов в желчи, не нарушая функций печени, компенсиро­вать слабые места в самом процессе пищеварения, в преобладании тех или иных функций гепатоби-лиарной системы;
• поддержание нормального соотношения ингредиентов в желчи печенью играет существенную роль в коллоидоустойчивости желчи, в предотвращении выпадения холестерина в осадок и образова­ния желчных камней в гепатобилиарной системе у животных;
• вариабельность скорости секреции желчи, биохимического состава желчи, характера и интен­сивности желчевыделения в организме животного зависит от особенностей функционального состоя­ния гепатобилиарной системы у животных, от уровня организации животного, от сезонных и годовых циклов протекания физиологических процессов, рациона кормления животных, а также от влияния множества факторов внешней и внутренней среды;
• в основе вариабельности фракционного содержания желчи лежит интенсивность и направ­ленность адаптационных механизмов, протекающих в гепатобилиарной системе у животных, кото­рые регулируются с помощью температурных, кормовых факторов, условий жизнедеятельности, дви­гательной активности животных;
• изменение биохимического состава желчи, физиологических функций гепатобилиарной сис­темы в зависимости от организации животных, условий обитания, ритмичности функционирования организма животного является показателем оптимальных адаптивных реакций гепатобилиарной сис­темы, выработанных в процессе эволюционного развития;
• выраженность поверхностно-активных свойств желчи связана со структурой гепатобилиарной системы у разных видов животных, различными показателями метаболических реакций в организме, показателями жидких сред организма и показателями поведения, которые были выработаны в про­цессе адаптации к условиям обитания для удовлетворения своих жизненно важных потребностей;
• активизация солюбизирующих свойств поверхностно-активных веществ, входящих в состав желчи у животных, происходит при уменьшении величины критической концентрации мицеллообра-зования;
• желчные кислоты оказывают стимулирующее действие на процесс мицеллообразования;
• поверхностно-активные вещества в зависимости от молярно-процентного содержания в жел­чи вызывают изменение агрегируемости и сорбционной способности твердой фазы;
• многочисленные функциональные признаки гепатобилиарной системы у животных, поверх­ностно-активные, реологические свойства и биохимический состав желчи существенно дифференци­рованы по полу и сезонноизменчивы;
• уменьшение вязкости желчи и улучшение ее динамических свойств приводит к увеличению скорости желчетока в желчных протоках и капиллярах, способствуя поддержанию нормального уровня обмена веществ;
• реологические свойства желчи в значительной мере определяют желчевыделение и наиболее тесно взаимодействуют с объемным содержанием ингредиентов желчи, процессом образования и разрушения мицелл.

Таким образом, проведенное комплексное сравнительное исследование физико-химических свойств и биохимического состава желчи у животных различных видов позволило выявить важность роли всех фракций желчи в процессах мицеллообразования, эмульгирования, солюбилизации, в желчевыделении, кинетике структурообразования, солюбилизации холестерина, текучести желчи; позво­лило оценить различные физиологические функции количественно, показать ряд важных закономер­ностей развития гепатобилиарной системы в ряду позвоночных и показать перспективность приме­нения данного комплекса исследований у человека в норме и при различных нарушениях функций гепатобилиарной системы. Комплексное исследование физико-химических свойств желчи позволило с новых позиций провести оценку функционального состояния гепатобилиарной системы у живот­ных.

Практическая значимость. В процессе проведенных исследований был разработан и апробиро­ван метод комплексного исследования физико-химических свойств гепатобилиарной системы у раз­ных видов животных, позволивший изучить механизм реологии и желчевыделения у животных на основе исследования физико-химических показателей желчи. Данный метод был использован в исследованиях реологии желчи у животных для определения восстановления структуры желчи и ее кинетики. Исследование физико-химических показателей желчи у животных позволило глубже изу­чить процессы, происходящие в гепатобилиарной системе у животных (мицеллообразование и струк-турообразование и их кинетику, солюбилизацию холестерина, реологию и текучесть желчи); показать ряд важных закономерностей функционирования их гепатобилиарной системы.

References

1. Rodkiewicz C.M., Otto W.J., Scott G.W. Empirical relationships for the flow of bile // J.Biomech. — 1979. — 12. — P. 411-413.
2. Everson G.T., Braverman D.Z., Johnson M.L., Kern FJr. A critical evaluation of real-time ultrasonography for the study of gallbladder volume and contraction // Gastroenterology. — 1980. — 79. — P. 40-46.
3. Dodds W.J., Groh W.J., Darweesh R.M., LawsonL., Kishk S.M., Kern M.K. Sonographic measurement of gallbladder vol­ume // AJR Am. J.Roentgenol. — 1985. — Vol. 145. — P. 1009-1011.
4. Gill P.T., Dillon E., Leahy A.L., Reeder A., Peel A.L. Ultrasonography, HIDA scintigraphy or both in the diagnosis of acute cholecystitis? // Br. J.Surg. — 1985. — 72. — P. 267-268.