Pre-clinical studies of cold exposure to evaluate the efficiency and functionality of a specialized product

• Nina A. Frolova
• Irina Yu. Reznichenko
• Natalia V. Shkrabtak
• Valentina A. Pomozova
• Tatyana V. Babiy

Abstract

Strengthening the adaptive capabilities of the human body during cold exposure is one of the conceptual elements of solving the problem of the well-being of the population of the northern regions of Russia.

The aim of the work was to determine the dynamic performance, endurance and to study the morphological parameters of the rat tracheal mucosa against the background of the consumption of functional confectionery products containing the juice of Chinese lemongrass berries (Schisandra chinensis) and dry extract of eleutherococcus (Eleutherococcus) in regular exposure to cold.

Material and methods. The study was carried out on albino rats weighing 190±10 g. Functional confectionery were not introduced into the diet of rats of the 1^st group. Rats of the 2^nd and 3^rd experimental groups were fed 1 g of marmalade and 1 g of caramel three times a day. Rats of the 3^rd group were additionally regularly exposed to cold in the Memmert climate chamber (Germany) for an hour three times a day for 30 days. The groups were formed according to the principle of analogs, using body weight as a criterion (the difference in average weight did not exceed 10%), while each group had the same number of males and females. The physical performance was evaluated by the swimming time of the albino rats until complete exhaustion. The endurance to static load was determined by the retention time on a vertical metal grid. To study the morphological parameters of the rat tracheal mucosa after removal from the experiment, the isolated lung tissue, carefully treated without crushing, was fixed in 9% formaldehyde, then added to paraffin and stained with a hematoxylin-eosin solution.

Results. The studied indices of physical performance and static endurance indicate that the cold exposure statistically significantly increased the swimming time and the hanging time of rats on the grid after thirty days of consumption of functional confectionery. The morphological parameters of the tracheal mucosa of the 2^nd experimental group did not differ significantly from those of the 1^st experimental group. The content of ciliated and goblet cells in the 3^rd experimental group was higher than in the 2^nd and 1^st groups of laboratory animals (p<0.05). The ratio of goblet cells to ciliated cells in rats of the 3^rd group was 1:3.1, in the 2^nd group - 1:3.5 vs 1:4.6 in the 1^st group (p<0.05). This indicates an important role of secretion in the functioning of the epithelium when consuming functional confectionery products against the background of regular cold exposure. In this regard, it can be assumed that functional confectionery products can serve as a mean of protecting the mucociliary apparatus of rats during prolonged exposure to cold.

Conclusion. The inclusion of sugary confectionery products, containing Schisandra chinensis berries juice and dry Eleutherococcus extract, in the diet of albino rats increased physical performance and endurance and the regeneration of the epithelial layer of the tracheal mucosa during cooling.

Keywords:preclinical tests, efficiency, functional products, specialized sugar confectionery products, cold exposure, endurance

References

1. Babiy N.V., Pomozova V.A., Pekov D.B. Features of the design of tonic drinks to increase the body's resistance. Tekhnika i tekhnologiya pishchevykh proizvodstv [Technics and Technology of Food Production]. 2016; 41 (2): 13–20. (in Russian)

2. Bulygina E.N., Kogina O.Yu. Influence of cold on the human body. Byulleten' Severnogo gosudarstvennogo meditsinskogo universiteta [Bulletin of the Northern State Medical University]. 2018; (1): 132–3. (in Russian)

3. Garmaeva D.K., Belolyubskaya D.S., Fedorova A.I., Arzhakova L.I., Afanasyeva O.G. The influence of cold stress on the morphofunctional parameters of the thymus in the experiment. Morfologicheskie vedomosti [Morphological Bulletin]. 2019; 27 (2): 19–23. DOI: https://doi.org/10.20340/mv-mn.19(27).02.19-23 (in Russian)

4. Zaitseva M.S., Ivanov D.G., Alexandrovskaya N.V. Performance of rats in the test “Forced swimming with a load” and the reasons for its variability. Biomeditsina [Biomedicine]. 2015; (4): 30–42. (in Russian)

5. Zobov V.V., Nazarov N.G., Vyshtakalyuk V.B., Galyametdinova I.V., Semenov V.E., Reznik V.S. The effectiveness of the influence of new pyrimidine derivatives on the physical performance of rats under the conditions of the test “Swimming to failure”. Ekologiya cheloveka [Human Ecology]. 2015; (4): 28–35. (in Russian)

6. Perova I.B., Malinkin A.D., Bessonov V.V., Eller K.I. Investigation of lignans and anthocyanins as the main biologically active substances of the polyphenolic nature of Schisandra chinensis fruits. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2018; 87 (3): 79–87. DOI: https://doi.org/10.24411/0042-8833-2018-10035 (in Russian)

7. Frolova N.A., Reznichenko I.Yu. Evaluation of the effectiveness of the use of functional sugary confectionery products by laboratory animals under physical and cold stress. Norwegian Journal of Development of the International Science. 2018; (6-2): 23–7. (in Russian)

8. Stepakova N.N., Reznichenko I.Yu., Kiseleva T.F., Shkrabtak N.V., Frolova N.A., Praskova Yu.A. Vegetable raw materials of the Far East region as a source of biologically active substances. Pishchevaya promyshlennost' [Food Industry]. 2020; (3): 16–21. DOI: https://doi.org/10.24411/0235-2486-2020-10025 (in Russian)

9. Frolova N. A., Reznichenko I. Yu., Shkrabtak (Babii) N.V., Balandin A.V. Analysis of the chemical composition of wildlife raw material of the Far Eastern region having endoecological action. IOP Conf. Series: Earthand Environmental Science. 2020: 421 (7): 072011. DOI: https://doi.org/10.1088/1755-1315/421/7/072011

10. Reznichenko I.Yu., Frolova N.A. The influence of climatic conditions on the biological value of berry raw materials of the Amur region. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya [Storage and Processing of Agricultural Raw Materials]. 2018; (4): 92–100. (in Russian)

11. Saltykova M.M. The main physiological mechanisms of human adaptation to cold. Rossiyskiy fiziologicheskiy zhurnal imeni I.M. Sechenova [Russian Journal of Physiology]. 2017; 103 (2); 138–51. (in Russian)

12. Labbé S.M., Caron A., Bakan I., Laplante M. In vivo measurement of energy substrate contribution to cold ‐ induced brown adipose tissue thermogenesis. FASEB J. 2015; 29 (5): 2046–58. DOI: https://doi.org/10.1096/fj.14-266247

13. Rybak O., Hudz N., Svidenko L., Grygorieva О., Makarenko O., Brindza J. The role of herbal adaptogens and immunomodulators in dietary food and phytotherapy. Agrobiodiversity for Improving Nutrition, Health and Life Quality. 2017; (1). DOI: https://doi.org/10.15414/agrobiodiversity.2017.2585-8246.179-187

14. Jang D., Lee J., Eom S., Lee S. Composition, antioxidant and antimicrobial activities of Eleutherococcus senticosus fruit extracts. J App Pharm Sci. 2016; 6 (3): 125–30. DOI: https://doi.org/10.7324/JAPS.2016.60322

15. Załuski D., Olech M., Verpoorte R., Khan I. Phytoconstituents and nutritional properties of the fruits of Eleutherococcus divaricatus and Eleutherococcus sessiliflorus: a study of non-European species cultivated in Poland. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2017 (11): 8374295. DOI: https://doi.org/10.1155/2017/8374295

16. Zhai C., Wang M., Raman V., Rehman J. Eleutherococcus senticosus (Araliaceae) leaf morpho-anatomy, essential oil composition, and its biological activity against Aedes aegypti (Diptera: Culicidae). J Med Entomol. 2017; 54 (3): 658–69. DOI: https://doi.org/10.1093/jme/tjw221

Рис. 2. Длительность висения на сетке крыс на фоне употребления функциональных кондитерских изделий (M±m, n=10)

Fig. 2. Duration of hovering on the grid of mice fed functional confectionery (M±m, n=10)

Динамика выносливости крыс свидетельствует о том, что включение кондитерских изделий функциональной направленности в рацион экспериментальных животных 2-й и 3-й групп статистически значимо (р<0,05) увеличивало время висения крыс на сетке в среднем на 40-111 и 83-139% от показателя контрольной группы. Длительность висения на сетке крыс в 3-й группе выше, чем во 2-й группе, в среднем на 13-31% (р<0,05).

При гистологическом исследовании экспериментального материала крыс-альбиносов контрольной группы слизистая оболочка имела типичный план строения, характерный для верхних отделов воздухоносных путей. Эпителиальная выстилка во всех экспериментальных группах представлена 6 видами клеток: базальными, промежуточными, мигрирующими, щетинчатыми, бокаловидными и реснитчатыми (рис. 3).

Рис. 3. Морфологические показатели слизистой оболочки трахеи крыс в экспериментальных группах на 30-й день эксперимента (M±m, n=10)

Fig. 3. Morphological parameters of the mucous membrane of the trachea of mice during cooling (M±m, n=10)

Полученные результаты (см. рис. 3) свидетельствуют о том, что морфология слизистой оболочки трахеи крыс при охлаждении на фоне потребления кондитерских изделий функционального назначения имеет характер слизеобразования. Морфологические показатели 2-й экспериментальной группы отличаются от 1-й экспериментальной группы несущественно (р>0,05). Содержание реснитчатых и бокаловидных клеток в 3-й экспериментальной группе выше, чем во 2-й и 1-й группах лабораторных животных. Соотношение бокаловидных клеток с реснитчатыми в 3-й группе составило 1:3,1, во 2-й группе - 1:3,5 против 1:4,6 в 1-й группе (р<0,05), что указывает на важную роль секреции в функционировании эпителия при потреблении кондитерских изделий.

Таким образом, результаты оценки морфологических показателей слизистой оболочки трахеи крыс в 3-й экспериментальной группе указывают на важную роль секреции в функционировании эпителия при потреблении кондитерских изделий функциональной направленности на фоне длительного воздействия холода. В связи с этим можно предположить, что кондитерские изделия функциональной направленности являются весьма эффективным средством защиты мукоцилиарного аппарата крыс при длительном холодовом воздействии.

Заключение

Результаты настоящего исследования показывают, что введение в рацион животных кондитерских изделий на основе адаптогенов растительного происхождения: сока ягод Schisandra chinensis и сухого экстракта Eleutherococcus - снижает физическую усталость, вызванную изнурительными упражнениями. Таким образом, их можно рекомендовать к потреблению волонтерам-добровольцам для проведения клинических исследований по оценке адаптационных возможностей организма человека к физическим нагрузкам и холодовому воздействию.

Литература

1. Бабий Н.В., Помозова В.А., Пеков Д.Б. Особенности проектирования тонизирующих напитков для повышения резистентности организма // Техника и технология пищевых производств. 2016. Т. 41, № 2. С. 13-20.

2. Булыгина Е.Н., Когина О.Ю. Влияние холода на организм человека // Бюллетень Северного государственного медицинского университета. 2018. № 1. С. 132-133.

3. Гармаева Д.К., Белолюбская Д.С., Федорова А.И., Аржакова Л.И., Афанасьева О.Г. Влияние холодового стресса на морфофункциональные показатели тимуса в эксперименте // Морфологические ведомости. 2019. Т. 27. № 2. С. 19-23. DOI: https://doi.org/10.20340/mv-mn.19(27).02.19-23

4. Зайцева М.С., Иванов Д.Г., Александровская Н.В. Работоспособность крыс в тесте "Вынужденное плавание с грузом" и причины ее вариабельности // Биомедицина. 2015. № 4. С. 30-42.

5. Зобов В.В., Назаров Н.Г., Выштакалюк В.Б., Галяметдинова И.В., Семенов В.Э., Резник В.С. Эффективность влияния новых производных пиримидина на физическую работоспособность крыс в условиях выполнения теста "Плавание до отказа" // Экология человека. 2015. № 4. С. 28-35.

6. Перова И.Б., Малинкин А.Д., Бессонов В.В., Эллер К.И. Исследование лигнанов и антоцианинов как основных биологически активных веществ полифенольной природы плодов лимонника китайского // Вопросы питания. 2018. Т. 87, № 3. С. 79-87. DOI: https://doi.org/10.24411/0042-8833-2018-10035

7. Фролова Н.А., Резниченко И.Ю. Оценка эффективности употребления функциональных сахаристых кондитерских изделий лабораторными животными при физическом и холодовом стрессе // Norwegian Journal of Development of the International Science. 2018. № 6-2 (19). С. 23-27.

8. Степакова Н.Н., Резниченко И.Ю., Киселева Т.Ф., Шкрабтак Н.В., Фролова Н.А., Праскова Ю.А. Растительное сырье Дальневосточного региона как источник биологически активных веществ // Пищевая промышленность. 2020. № 3. С. 16-21. DOI: https://doi.org/10.24411/0235-2486-2020-10025

9. Frolova N.A., Reznichenko I.Yu., Shkrabtak (Babii) N.V., Balandin A.V. Analysis of the chemical composition of wildlife raw material of the Far Eastern region having endoecological action // IOP Conf. Series: Earthand Environmental Science. 2020. Vol. 421, N 7. P. Article ID 072011. DOI: https://doi.org/10.1088/1755-1315/421/7/072011

10. Резниченко И.Ю., Фролова Н.А. Влияние климатических условий на биологическую ценность ягодного сырья Амурской области // Хранение и переработка сельхозсырья. 2018. № 4. С. 92-100.

11. Салтыкова М.М. Основные физиологические механизмы адаптации человека к холоду // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2017. Т. 103, № 2. С. 138-151.

12. Labbé S.M., Caron А., Bakan I., Laplante M. In vivo measurement of energy substrate contribution to cold‐induced brown adipose tissue thermogenesis // FASEB J. 2015. Vol. 29, N 5. P. 2046-2058. DOI: https://doi.org/10.1096/fj.14-266247

13. Rybak O., Hudz N., Svidenko L., Grygorieva О., Makarenko O., Brindza J. The role of herbal adaptogens and immunomodulators in dietary food and phytotherapy // Agrobiodiversity for Improving Nutrition, Health and Life Quality. 2017. N 1. DOI: https://doi.org/10.15414/agrobiodiversity.2017.2585-8246.179-187

14. Jang D., Lee J., Eom S., Lee S. Composition, antioxidant and antimicrobial activities of Eleutherococcus senticosus fruit extracts // J. App. Pharm. Sci. 2016. Vol. 6, N. 3. P. 125-130. DOI: https://doi.org/10.7324/JAPS.2016.60322

15. Załuski D., Olech M., Verpoorte R., Khan I. Phytoconstituents and nutritional properties of the fruits of Eleutherococcus divaricatus and Eleutherococcus sessiliflorus: a study of non-European species cultivated in Poland // Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2017. N 11. Article ID 8374295. DOI: https://doi.org/10.1155/2017/8374295

16. Zhai C., Wang M., Raman V., Rehman J. Eleutherococcus senticosus (Araliaceae) leaf morpho-anatomy, essential oil composition, and its biological activity against Aedes aegypti (Diptera: Culicidae) // J. Med. Entomol. 2017. Vol. 54, N. 3. P. 658-669. DOI: https://doi.org/10.1093/jme/tjw221

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.