Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Становление функциональной системы ритмогенеза синоатриального узла сердца в онтогенезе

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Сердюков, Василий Гаврилович, Астрахань

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ АСТРАХАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

СЕРДЮКОВ ВАСИЛИИ ГАВРИЛОВИЧ

СТАНОВЛЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РИТМОГЕНЕЗА СИНО-АТРИАЛЬНОГО УЗЛА СЕРДЦА В ОНТОГЕНЕЗЕ

03.00.13 - Физиология человека и животных

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор медицинских наук, профессор И.Н.ПОЛУНИН

АСТРАХАНЬ -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ _

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Основные этапы в изучении автоматии сердца _12

1.2. Структурная характеристика дифференцировки миокардиальной ткани у различных видов животных и человека в эмбриогенезе _18

1.3. Формирование иннервации сердца _31

1.4. Структурные особенности сино-атриального узла проводниковой системы сердца _36

1.5. Современные представления о морфофункциональ-ной организации сино-атриального узла проводниковой системы сердца _39

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ _47

ГЛАВА 3. РАЗВИТИЕ СИНО-АТРИАЛЬНОГО УЗЛА СЕРДЦА В ПРЕНАТАЛЬНОМ ПЕРИОДЕ

3.1. Морфофункциональная характеристика сердца куриного эмбриона с 1-х по б-е сутки

инкубации __53

3.2. Морфофункциональная характеристика правого предсердия и сино-атриального узла сердца куриного эмбриона с 7-х по 9-е сутки

инкубации _ 57

3.3. Морфофункциональная характеристика сино-атриального узла сердца куриного эмбриона

с 9-х по 12-е сутки инкубации _ 62

3.4. Морфофункциональная организация системы

ритмогенеза сердца куриного эмбриона с 12-х

по 21-е сутки инкубации _68

ГЛАВА 4. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА РИТМОГЕНЕЗА ОСНОВНОГО ВОДИТЕЛЯ РИТМА СЕРДЦА В ПОСТНАТАЛЬНОМ ПЕРИОДЕ

4.1. Система ритмообразовательной функции сино-атриального узла сердца цыплят с 1-го по

15-й день развития _7 4

4.2. Система ритмообразовательной функции сино-атриального узла сердца у 30-ти дневных

цыплят _77

4.3. Система ритмообразовательной функции сино-атриального узла сердца цыплят и кур 2-х

и 3-х месячного возраста _8 0

ГЛАВА 5. ОБСУЖДЕНИЯ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Становление функциональной системы ритмогенеза сердца в различные сроки онтогенеза _8 6

ВЫВОДЫ _109

УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ 111

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

По статистическим данным среди причин увеличения смертности сердечно-сосудистые заболевания занимают одно из первых мест. Общее число кардиологических больных в России составляет около 17 миллионов человек. Каждый третий из них страдает нарушением ритма сердца, более 412 тысяч - дети. Ежегодно регистрируется не менее 500 тысяч больных с фибрилляцией предсердий. Современные методы лечения не всегда эффективные.

Лечение сердечных аритмий должно быть на базе знаний тончайших механизмов ритмогенеза на уровне основных центров проводящей системы сердца. Тоесть существует настоятельная необходимость в фундаментальных исследованиях физиологических механизмов деятельности сердца. Изучение становления функциональной системы ритмогенеза в период эмбрионального и постэмбрионального развития является одной из актуальных проблем современной кардиологии .

Сотрудниками кафедры нормальной физиологии Астраханской государственной медицинской академии на протяжении ряда лет изучаются механизмы ритмогенеза различных отделов проводящей системы сердца. Основное внимание уделяется исследованию морфофункциональных особенностей сино-атриального узла, являющегося основным водителем частоты и ритма сердечных сокращений, нарушение функции которого часто наблюдаются в клинической практике.

По данным научных исследований кафедры нормальной физиологии АГМА (Полунин И.Н.,1987, Митрохина Н.М., 1985, Иванова Н.И.,1992 и др.) в основе деятельности сино-атриального узла сердца лежат механизмы межклеточного и межкластерного взаимодействия. Основная роль в процессах взаимодействия совокупностей пейсмекерных клеток (истинных, латентных, пуркинеподобных) принадлежит механизмам внутрикластерной и межкластерной синхронизации и формированию усредненной частоты и ритма сино-атриального узла. Важную роль в этих процессах играет авторитмическая активность, метаболическая кооперация, электротоническое взаимодействие однокластерных пейсмекерных клеток и взаимостимуляция кластеров сино-атриального узла интегральными электрическими разрядами .

В клинической практике наиболее часто встречаются нарушения ритма сердца, связанные с поражением («слабости») сино-атриального узла. Это настоятельно требует проведения дальнейших комплексных экспериментальных исследований .

Цель исследования

В настоящей работе целью исследования явилось комплексное морфофункциональное изучение динамики становления системы ритмогенеза сино-атриального узла сердца в онтогенезе.

Задачи исследования

1. Исследовать ультраструктурные особенности клеточных образований сино-атриального узла куриных эмбрионов и цыплят в различные периоды онтогенеза;

2. Провести анализ морфофункциональных изменений основного водителя ритма сердца в процессе роста и развития куриных эмбрионов;

3. Провести анализ динамики морфофункциональных преобразований сино-атриального узла - основного водителя ритма сердца цыплят в постнатальном онтогенезе;

4. Изучить закономерности становления функциональной системы ритмообразовательной функции сино-атриального узла сердца в онтогенезе.

Научная новизна и практическая ценность работы

В настоящей работе впервые изложены результаты комплексных морфофункциональных исследований динамики становления ритмообразовательной функции сино-атриального узла - основного водителя ритма сердца в пренатальном и постнатальном онтогенезе.

Изучены закономерности становления функциональной системы ритмогенеза сердца в ходе эмбрионального и постэмбрионального развития организма цыпленка. Выявлено, что в начальной стадии эмбриогенеза межклеточное взаимодействие осуществляется в основном через тканевую жидкость.

С развитием вставочных дисков и образованием межфибриллярных зон, нексусов, десмосом появляются специфические механизмы межклеточного взаимодействия (электрото-

ническое, метаболическая кооперация). Особую роль в проявлении механизмов межклеточного взаимодействия играет генерация биоэлектрической активности и разность концентрационных ионных градиентов и метаболитов.

Формирование кластерных образований определяет появление интегральных электрических разрядов и усиление электромагнитного поля, лежащих в основе более высокого (дистантного) уровня взаимодействия структур сино-атриального узла. Кластеры выполняют роль функциональных единиц системы ритмогенеза сердца.

В работе впервые описана динамика становления функциональной системы ритмогенеза сердца в онтогенезе. Выявлены особенности морфофункциональных преобразований на различных этапах становления системы ритмогенеза -основного водителя ритма сердца с первых дней эмбриогенеза до половозрелого возраста.

Разработанные методы исследования регистрации внутриклеточных электрических потенциалов нашли применение в научно-исследовательской работе на кафедрах гистологии, нормальной физиологии и патофизиологии. Материалы настоящего исследования используются в учебном процессе при проведении практических занятий и лекционных курсов в соответствующих разделах дисциплин на кафедрах гистологии, анатомии, патофизиологии и факультетской терапии Астраханской государственной медицинской академии.

На защиту выносятся следующие положения

1. Доказательства наличия закономерностей морфофунк-ционального параллелизма и опережающего развития кле-

точных структур сино-атриального узла проводниковой системы сердца.

2. Положение о структурных преобразованиях разрозненных кардиобластических клеток в дифференцируемые истинные, латентные и пуркинеподобные клетки с развитыми межклеточными контактами, объединенные в кластерные группировки.

3. Последовательный процесс дифференцировки, определяющий структурную и функциональную специализацию клеточных элементов сино-атриального узла генерирующих на первых этапах эмбриогенеза разночастотную, на последующих стадиях - синхронную биоэлектрическую активность, лежащую в основе генеза интегральных разрядов кластеров сино-атриального узла.

4. Ускоренное развитие сино-атриального узла сердца куриного эмбриона в процессе кардиогенеза формирует систему ритмогенеза сердца, способную генерировать частоту и ритм сердечных сокращений и перестраиваться посредством нейрогуморальной регуляции в соответствии с возникающими потребностями в организме.

5. Закономерности - прогрессирующая гетерогенность, морфофункциональная взаимообусловленность, нарастающий синергизм биоэлектрической активности пейсмекерных клеток и кластеров, определяющие динамику развития системы ритмогенеза основного водителя ритма сердца в онтогенезе .

Апробация работы

Результаты исследования доложены и обсуждены:

1. На заседании Астраханского отделения Всесоюзного физиологического общества им. И.П.Павлова. Астрахань, 1991.

2. На 1-ой Республиканской научной конференции посвященной 95-летию со дня рождения М.В.Сергиевского. Самара, 1993.

3. На Ш-ом Международном симпозиуме по сравнительной электрофизиологии. Сыктывкар, 1993.

4. На объединенной конференции кафедр нормальной физиологии, нормальной анатомии, гистологии и Центральной научно-исследовательской лаборатории Астраханской государственной медицинской академии. Астрахань, 1995.

5. На Ш-ем Конгрессе Международной Ассоциации морфологов. Тверь, 1996.

6. На юбилейной научной конференции АГМИ к 75-летию со дня основания. Астрахань, 1993.

7. На итоговой научной конференции Астраханского государственного педагогического университета. Астрахань, 1997 .

8. На конференции: «Актуальные вопросы социальной медицины и организации здравоохранения». Астрахань, 1997.

9. На городской научной конференции студентов и молодых ученых: «Экологические проблемы и их междисциплинарные исследования». Астрахань, 1997.

10. На конференции: «Фундаментальные и прикладные аспекты современной морфологии». Санкт-Петербург, 1997.

11. На 1У-ом Международном симпозиуме по сравнительной электрофизиологии. Сыктывкар,1997.

12. На республиканской научной конференции морфологов по проблеме: «Закономерности морфогенеза и регуляции тканевых процессов в нормальных, экспериментальных и патологических условиях». Тюмень, 1998.

13. На Российской научно-практической конференции: «Сердечная недостаточность. Актуальные вопросы патогенеза и терапии». Посвященной памяти академика Г.Ф. Лан-га. Санкт-Петербург, 1998.

14. На объединенной конференции кафедр нормальной физиологии, нормальной анатомии, гистологии и Центральной научно-исследовательской лаборатории Астраханской государственной медицинской академии. Астрахань, 1999.

Зарегистрированные технические разработки по теме диссертации

1. Устройство поддерживающее заданную температуру физиологического раствора. Рационализаторское предложение №1034 от 24 марта 1992. Астраханский медицинский институт.

2. Устройство для изготовления стеклянных микроэлектродов . Рационализаторское предложение №1050 от 28 октября 1992. Астраханский медицинский институт.

3. Столик для сбора и отведения перфузионной жидкости. Рационализаторское предложение №1051 от 2 8 октября 1992. Астраханский медицинский институт.

и

4. Предусилитель внутриклеточных биопотенциалов. Рационализаторское предложение №1053 от 9 декабря 1992. Астраханский медицинский институт.

5. Способ морфометрии гетерогенных структур проводящей системы сердца. Рационализаторское предложение №1057 от 9 апреля 1993. Астраханский медицинский институт .

6. Универсальная рамка для анализатора "Интеграл-2МТ". Рационализаторское предложение №105 9 от 14 апреля 1993. Астраханский медицинский институт.

7. Унифицированный предусилитель биопотенциалов. Рационализаторское предложение №1060 от 13 апреля 1993. Астраханский медицинский институт.

Структура работы

Диссертация состоит из введения; пяти глав, включающих обзор литературы, описания методов исследования, изложение фактического материала, обсуждения полученных результатов; выводов; указателя использованной литературы .

Работа содержит 12 9 страниц, в том числе 12 таблиц и 34 рисунка. Библиографический указатель включает 154 наименований, из них 62 на иностранных языках.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Основные этапы в изучении автоматии сердца

Представления о сино-атриальном узле (САУ), как водителе ритма сердца у позвоночных животных возникло более 90 лет назад. Морфологическое и функциональное изучение проводящей системы сердца ведутся уже давно. Впервые в 1839 году J.Purkine описал волокна проводящей системы сердца. H.Stannius (1852) обнаружил, что при перевязке сердца лягушки по границе между венозным синусом и предсердиями синус продолжал сокращаться в прежнем режиме, а предсердия и желудочек останавливались . Полученные данные позволили выявить ведущую роль синуснопредсердной области в инициировании сокращений сердца. В 1887 году W.H.Gaskell обнаружил, что водитель ритма сердца амфибий расположен в ткани венозного синуса. Затем в 1893 году W.His сообщил об открытом им предсердножелудочковом пучке и его ножках. Точная локализация водителя ритма была установлена значительно позднее M.I.Meek, I.A.Ejester (1915); она соответствует месту перехода синуса в предсердия.

В 1906-1907 годах A.Keit и М.Flack описали местоположение сино-атриального узла млекопитающих, который относительно постоянен по топографии. Гистотопографиче-ски сино-атриальный узел локализован под эпикардом и своей передневерхней частью - в передней стенке верхней полой вены. Задненижняя часть располагается в миокарде правого предсердия вдоль пограничной борозды на 1-5 мм

влево и кзади от стыка стенки правого ушка с верхней полой веной. Сино-атриальный узел имеет форму уплощенного овоида или сигарообразную, а передневерхний конец несколько заострен. Макроскопически узел отличается от рабочего миокарда тем, что выглядит более светлым, гомогенным и через него проходит артерия - г.nodi sinu-atrialis диаметром до 1 мм. Под микроскопом при малом увеличении сино-атриальный узел кролика обнаруживается в виде просвечивающейся мышечной полоски.

Использование современных методов исследования позволило определить границы сино-атриального узла для разных видов животных. Так, самый большой продольный размер сино-атриального узла размер в сердце кролика не превышает 5-6 мм, в поперечном измерении составляет 3-4 мм. Важной особенностью является кольцевой пучок - тонкая полоска ткани, простирающаяся по периферии узла. В сино-атриальном узле принято различать головную часть, тело узла и хвостовую часть (Полунин И.Н., Баядарес A.A., Кабрера A.A., 1973; James Т.N.,1977; Anderson R.H., 1980, 1983; Бликер В.К., е.а. 1981; Усыкин А.Ф., Гуцол A.A., Хлыстов В.В.,1987; Соколов В.В., Варегин М.П.,1990; Полунин И.Н., 1997).

Еще в 1866 году C.J.Ebert выдвинул предположение о клеточной структуре сердечной мышцы, о чем свидетельствовали возможности разделения ткани сердца на клеточные единицы путем обработки желудочным соком или 30-4 0%-ным гидрооксидом калия. Но и после появления этих данных в кардиоморфологии длительное время происходила борьба

между "клеточной" и "синцитиальной" теориями строения сердечной мышцы.

Первое описание одиночных клеток сердца, сохраняющих функциональную активность, принадлежит М.Т.Burrows (1912), который занимался культивированием эксплантатов сердца эмбрионов цыпленка. Он отметил, что через несколько дней культивирования эксплантата некоторые клетки отделяются от исходной ткани и продолжают сокращаться каждая в собственном ритме.

Благодаря электронно-микроскопическим исследованиям стало окончательно ясно, что сердце представляет собой не синцитий, а состоит из отдельных клеток, контактирующих друг с другом посредством специализированных вставочных дисков (Sjostrand F.S., Andersson Е.Т.,1954, Moore D.H., Ruska Н., 1957#). Было обнаружено, что связь между клетками и функционирование миокарда как единого целого осуществляется при помощи сложных механизмов и, в частности, за счет наличия в области вставочных дисков нексусов. Это наиболее тесные контакты мембран между клетками, обладающие наименьшим сопротивлением электрическому току. В области нексусов почти без всякого сопротивления и передается процесс возбуждения с клетки на клетку, поэтому миокард функционирует как синцитий.

Вставочные диски обнаружены не только в миокарде взрослых животных, но и в эмбриональной ткани сердца: у цыпленка после 33-часов инкубации, у 10-дневного зародыша мыши, крысы и кролика, у эмбриона человека 9 мм

длины (Muir R.,1957; Challice c.E.,196g; Melax N., 1970; Иванова H.И.,1993).

Отличительной чертой анатомии миокарда является его структурная гетерогенность. Сердечная мышца содержит два основных типа клеток - клетки ра