Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Ультраструктурная и морфологическая характеристика хондриома кардиомитоцитов миокарда правого желудочка смердца крыс в норме и при гипобарической гипоксии

ВАК РФ 03.00.11, Эмбриология, гистология и цитология

Автореферат диссертации по теме "Ультраструктурная и морфологическая характеристика хондриома кардиомитоцитов миокарда правого желудочка смердца крыс в норме и при гипобарической гипоксии"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ни. М. В. ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

АБДУЛЛА АМАЛЬ

УЛЬТРАСТРУКТУРНАЯ И МОРФОМЕТРИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ХОНДРИОМА КАРДИОМИТОЦИТОВ МИОКАРДА ПРАВОГО ЖЕЛУДОЧКА СЕРДЦА КРЫС В НОРМЕ И ПРИ ГИПОБАРИЧЕСКОЙ ГИПОКСИИ

03.00.11 — Эмбриология, гистология и цитология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва — 1992 г.

Работа выполнена на кафедре цитологии и гистологии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Научные руководители:

доктор биологических наук, профессор Ю. С. Ченцое

кандидат биологических наук, доцент М. В. Шорникова

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук А. Г. Бабаева

доктор биологических наук Н. П. Дмитриева

Ведущее учреждение — Российский Университет Дружбы Народов.

Защита состоится 11 июня 1992 г. в 15.30 на заседании специализированного совета Д 053.05.68 при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, биологический факультет,' аудитория М-1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан 20 мая 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат биологических наук Е. Н. Калистратова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Митохондрии как одни из важнейших органелл клетка характеризуются полиморфизмом и способностью легко изменять свои параметры при различных функциональных состояниях клетки и при действии на клетки различных альтерирувщн агентов. Это выражается з том, что органеллы меняют свое число, свои размеры и форму,. свою ультраструктуру. Как правило, эти параметры, а также характер распределения органелл в цитоплазме клетки определяются энергетическим состоянием самих органелл - зкергизсванныэ и дезнергкзовакные митохондрии, а также потребностью клетки в АТФ, образующейся в этих ведущих структурах клеток.

В современной цитологии исследователи, как правило, обращают внимание не столько на отдельные митохондрии, сколько на характеристику всей популяции оргакэлл, Зсркирущге хокд-риом клетки.

Гипотеза о присутствии в клетках зукариот лектрическог^ кабеля, способного распространять по клэтке электрический потенциал, принадлежит В. Е Скулачеву (1959-1971 гг.). Ипохондрии, как органеллы, генерирующие на внутренней мембране в процессе своей деятельности электрический потенциал (хе-мио-осмотическая гипотеза Митчелла), могут выполнять' функцию электрических проводов. Наличие гигантских митохондрий в разных клетках, обладающих необходимой емкостью для передачи такого потенциала, подкрепило гипотезу.

В 1977 г. Бакееза, Скулачев, Ченцов впервые описали в хондриоме мышечных элементов диафрагмы у крыс новые структуры,- получившие название межмитохондриальных контактов (ШЖ). Посредством ШК происходит объединение отдельных митохондрий в единую митохондриалъную сеть и через них мембранный потенциал распространяется по хондриому (Амченкова и др., 1985).

С этой точки зрения кардиомиоциты миокарда сердца бесс- • порно являются удобной моделью для изучения митохондрий и ШК, т. к. они богаты митохондриями, занимающими треть объема клетки, и практически все органеллы соединены в единый хонд-риом с помошью ШК (Бакеева и др., 1982)..

Кроме того, кардиомиоциты легко реагирует на любые внешние воздействия, особенно, связанные, с дефицитом кислорода, усилением своей функции, приводящей к гипертрофии клеток и существенным сдвигам их метаболизма, что, в первую очередь,

должно гызывать нарушение структуры и функции митохондрий йтих клеток и, возможно, изменять число и ультраструктуру ШК.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей работы было изучение морфо-функциональ-ных характеристик хондриома и ШК в кардиомиоцитах правого желудочка сердца крыс в норме, при действии на организм животных гкпобарической гипоксии и после снятия этого воздействия.

Были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать на протяжении эксперимента ряд морфо-функцио-нальных параметров кардиомиоцихов для подтверждения того, что режим эксперимента соответствует поставленным задачам и приводит V развитию гипертрофии кардиомиоцитов:

а) оценить пдопвдь поперечного сечения клеток, .

б) на электронных микрофотографиях морфометрическим методом измерить относительный объем и относительную площадь поверхности миофибршш,

в) авторадиографическим методом оценить уровень синтеза РНК и белка в кардиомиоцитах.

2. Определить динамику изменения числа кровеносных капилляров, окружающих кардиоииоцагн. . , . !

3. Методом морфометрии оценить относительный объем и относительную шгошздь поверхности митохондрий, - их число,' размеры, форму, а также удьтраструктуру:

а) в интакгных кардиомиоцитах,

б) в кардиомиоцитах на ранних этапах действия гипоксии,

в) в гипертрофированных кардиомиоцитах.

4. Описать удьтраструктуру и оценить число ШК в зонах избирательной локализации митохондрий в нормальных, не.гипертрофированных и гипертрофированных при действии гипоксии клетках. • ' ' - " V

5. Методом морфометрии проанализировать обратимость изменений миофибрнлл,хондриома и ШК в гипертрофированных клетках.

Научная новизна работы.

Впервые в кардиомиоцитах правого желудочка сердца крыс, подвергнутых действию гипоб&рической гипоксии, проанализированы морфометрические и морфо-функциональные параметры «кто-

ХСНДрИх! И

Впервые обращено внимание на тот фак:, что популяции ми-

- 3 - :

тохондрий, локализованных з разных зонах кардиомиоцитсз -околоядерной, межфибриллярной и субсарколеммальной околососудистой - по разному реагируют на условия гипоксии. Показано, что на ранних этапах действия гипоксии (1-3 суток) з еще ке-гйпертрофировакных кардиомиоцитах и в уже гипертрофированных метках (5-15 суток) в околоядерной и межфибриллярной зонах появляются органеллы с уплотненным матриксом и конденсированные формы митохондрий, которые к концу эксперимента все конденсируется, что указывает на изменение их функционального состояния, связанного с их деэнергязацией.

Впервые показана высокая чувствительность ММК кардиошю-щхтов правого желудочка сердца крыс к дефициту кислорода, что выражается в быстром падении их числа, в изменении их протяженности, нарушении ультраструктурной целостности в первую очередь в межфибриллярной области локализации органелл и затем в околоядерных митохондриях.

Впервые обнаружена устойчивость к дефициту кислорода пс пуляции митохондрий, расположенных в субсарколеммальной око-ЛОСССУДИСТОд облас ти кардиомиоцитиЗ, что проявляется з поддержании исходной численной плотности органелл па протяжении эксперимента, в увеличении числа МИК между ними и в поздней их конденсации, в ходе опыта.

Научно-практическое значение работы.

Выполненная работа в целом носит теоретический характер и ее значение заключается, главным образом, з установлении принципиальных закономерностей морфо-функциональных перестроек энергетического метаболизма кардиомиоцитов правого желудочка сердца крыс при дефиците кислорода и участии в этих процессах ММК. Условия барокамерной гипоксии, примененные в работе, могут быть рекомендованы для использования в экспериментах, связанных с решением проблемы адаптации организма к высотной гипоксии.

Результаты проведенного исследования применяются в учебном процессе кафедры цитологии и гистологии Биологического факультета МГУ.

Апробация диссертационного материала.

'Основные результаты работы доложены на Всесоюзном совещании научного совета АН СССР по физиологии висцеральных систем (Гродно, 1989), III Всесоюзном совещании "Клеточные механизмы адаптации" (Чернигов, 1991), Всесоюзной конференции

"Функциональная морфология клетки" (Санкт-Петербург, 1991) и на заседании кафедры цитологии и гистологии Биологического факультета МГУ.

Публикации.

По тема диссертации опубликовано 3 печатные работы.

Структура к обгэи работа

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, собственных результатов, обсуждения подученных результатов и еыводов. Работа изложена на _

страницах машинописного текста и содержит 2 схемы, 34 рисунка и 10 таблиц.

Список цитированной литературы включает 105 отечественных работ и 103 работ зарубежных авторов.

1ÍATEPIÍAJM И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служили кардкомиоциты верхувзси ми-скарда правого желудочка сердца беспородных белых крыс-самцов . -сом 200 гр в норме и при адаптации этих животных к гипоба-рической гипоксии. Адаптация экспериментальных животных к гипоксии осуществлялась в барокамере объемом 50 л, где с помощью вакуумного насоса создавалось разрешение воздуха, соответствующее высоте 5000 м над уровнем моря; вентиляция камеры - 10-12 л/мин. Е этих условиях содержание кислорода в Есздухе снижалось до 10,БХ Ст. е. в 2 раза) по сравнению с нормой. Животных подвергали ежедневному прерывистому воздействию барокамерной гипоксии по 1В ч в сутки в течение 3, 4, 5, 10 и 15 сут. Соответственно животных забивали на 3, 4, 5, 10 и 15 сутки пребывания в барокамере. .

Обратимость действия гипобарической гипоксии на кардио1 ыюциты миокарда правого желудочка изучали на животных, которых после 10 суточного пребывания в барокамере переводили в виварий, содержали в нормальных условиях и ка 7, 14 а 30 сутки забивали.

Для морфологического изучения в световом микроскопе ткань миокарда правого желудочка сердца нормальных и опытных животных фиксировали c¡.;aci;c Каркуа в течение 2 часов. Обезвоживание к заливку ткани в парафин проводили по стандартной ¡.ктодика. Лакированный "материал резали на микротоме, и полученные срезы, толщиной 5-7 мкм, окразивали гематоксилином с военном. В световом микроскопе вналивировали участки мышечной

ткани, состоящие из поперечно срезанных кардиомиоцитов.

Морфометрическую оценку плопэди поперечных сечений кардиомиоцитов, кх цитоплазмы и их ядер проводили микропроегди-онным методом (Ташке, 1980).

Плотность капилляров в участке ткани миокарда с поперечными срезами кардиомиоцитов определяли как их число на площадь сетки окуляр-микрометра, равную 3215 мл.;2.

Синтез РНК и белка в кардиомиоцитах оценивали авторадиографическим методом по стандартной методике.

Для электронно-микроскопического исследования отдельные волокна ткани, выделенные из верхуски среднего слоя миокарда правого жэлудочка сердца нормальных и опытных животных, ф:вс-сировали з холодном 4% растворе глитарового альдегида ка фосфатном буфере при рН = 7,2-7,4 в течение 1,5 часов. Дофикса-цига проводили в течение 3 часов IX раствором ОзСЬ на

иуц&у! 11 уш ^гЬа^ус».!^ ■ -I о. лл^-ае

по стандартной методике обезвоживали в спиртах, проводили через ацетон и заливали в эпон.

С помощью квадратной тестовой системы коротких отрезков (Непомнящий и др., 1934) оценивали относительный объем мио-фибрилл, митохондрий и относительную площадь поверхности этих же структурных элементов кардиомиоцитов.

Одновременно ка зтих же электронных проводили количественные оценки ряда параметров хондриома кардиомиоцитов и составляющих его митохондрий:

а) относительный объем митохондрий (м^/см3)

б) объемные отношения митохондрии/миофибриллы

в) относительная площадь поверхности митохондрий (ь^/см3)

г) длина: (мкм) сечений митохондрий. Подсчет проводили на ■ 1000 митохондрий для каждого срока опыта

д) число сечений митохондрий на единицу площади саркоплазмы (на 10 см2) е разных зонах кардиомиоцитов

е) числа сечений мигохоздрий с разньазг типами состояния матрикса. Подсчет проводился на 1000 митохондрий для кавдого срока опыта

ж) число крист на 16 мкм суммарной длины произвольно выбранных сечений митохондрий

з) число межмктохондриальных контактов (ШК) в разных зонах кардиомиоцитов в X. Подсчет проводился на 1СОО митохондрий для каждого срога опыта.

Весь числовой материал, подсчитанный в работе, обрабатывался статистически по Стьюденту-Фшперу. В таблицах приведены усредненные показатели по 3 животным на каждую точку опыта.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ 1. Контроль

При измерении площади поперечного сечения нормальных кардкомиоцятов (табл. 1), выявлено, что значительная часть

клетки заполнена цитоплазмой (0,344 мкм2), а на доли ядра падает лишь ее небольшая часть (0,019 мкм2).

ЬЬрфсметрическое электронно-микроскопическое изучение хондриома нормальных кардиомиоцитов среднего слоя миокарда правого желудочка сердца крыс подтвердило хорошо известный *акт о том, что объем митохондрий в кардиомиоцитах занимает значительную долю объема этих клеток и по этому параметру им принадлежит второе место после миофибрилл: так, если относите. л>ный объем миофибрилл занимает в рассмотренных кардиомиоцитах 407. их объема, то митохондрии занимают 347. общего объема клетки (табл. 2).

В нормальных кардиомиоцитах миокарда правого желудочка у крыс, отношение митохондрии/миофибриллы достаточно высокое и равно 0,87 (табл. Z). Это соответствует положении о том, что в кардиомиоцитах зкзргообразукцкэ структуры занимает почти такай же объем, что к сократимые элементы и объясняется.больной потребностью кардиомиоцитов в энергии, используемой клет- • ками для своего функционирования.

Относительная площадь поверхности митохондрий в нормаль° 3

ных кардиомиоцитах правого желудочка у крыс равна 2,7 м"/скг, что превышает значение этого параметра для кардиомиоцитов левого желудочка у крыс. Кз этого следует, что размер органелл в кардиомиоцитах миокарда правого и левого желудочка не одинаков, и в клетках правого желудочка митохондрии крупнее, чем в кардиомиоцитах левого желудочка. •

Электронно-микроскопический анализ кардиомиоцитов пока-с-оЛ, что 1-^ггс-"Сг1 расирсД^ЛсKoi в.зтил клетках

но: они обрадуют четко выраженные боны избирательной локали-

зации - околоядерную зону, межфибриллярнув к субсарколеммаль-ную. В последней зоне изредка обнаруживается значительные скопления митохондрий, лежащих вблизи кровеносных капилляров.

Таблица I Морфометрическая светооптическая характеристика нормальных и гипертрофированных кардиомиоцитов миог;арда правого желудочка сердца крыс

Пара- Площадь поперечного сечения проекции клетки

метры Кар- (¡.КМ2)

диомио-

циты клетка цитоплазма ядро

Норма 0,363+0,0012 0,344+0,011 0,019+0,007

Гипо- 3 суг 0,350^.0,007 0,320+0,007 0,017+0,0000

ксия 4 сут 0,380+0,010 0,360+0,010 0,01910,0009

5 сут 0,777+0,021 0,730+0,022 0,04010,0003

10 сут 0,786+0,027 0,740+0,025 0,04010,0010

15 сут 0,650+0,013 0,610±Р,012 0,034+0,0007

Обра- 7 сут 0,403+0,009 0,31810,011 0,024+0,0007

ти- 14 сут 0,337+0,009 0,30310,009 0,035+0,001

мость 30 сут 0,315+0,006 0,331+0,007 0,02010,0005 1

В целом ультраструкгурная организация митохондрий разных зон' нормальных кардиомиоцитов практически одинакова. Лишь митохондрии околоядерной зоны нередко имеют кристы, формирующие концентрические фигуры вокруг центрально расположенного просветленного участка матрикса. В этой же части кардиомиоцита встречаются сечения митохондрий усложненной, причудливо изогнутой формы.

Хондриом нормальных кардиомиоцитов миокарда правого желудочка крыс представлен мелкими (до 1 мкм) и средними (1-3 мкм) по размеру профилями отдельных органелл. Количество средних органелл (53%) несколько превышает число мелких (46%); крупные органеллы (3-5 мкм) встречаются крайне редко (1%) (табл. 3). Отмечена некоторая морфологическая гетерогенность формы сечений митохондрий в изученных ингактных кардио-

миоцитах: среди округлых профилей органелл, встречаются сечения вытянутой, эллипсоидной форш, лежащие между миофибриллами в пределах 1-2 саркоме-ров, хотя нередко на один саркомер приходится 2-3 профиля митохондрий.

Среди митохондрий преобладают ортодоксальные конфигурации (90«) и редко (10%) встречаются органеллы с уплотненный матриксом. Число криот в произвольно выбранной длине сечений митохондрий, равной 15 мкм, составляет 124 (табл. 3).

Определенный интерес представляют полученные в настоящей работе данные о численной неравномерности распределения митохондрий в нормальнах кардиомиоцитах миокарда правого желудочка: наибольшие скопления органелл находятся в околоядерной и субсарколеммальной околососудастой зонах, где их концентрация одинакова; в межфибриллярной же зоне сократимых клеток концентрация органелл в 2,6 раза меньше.

Концентрация митохондрий в околоядерной зоне кардиомио-цитов характерна не только для этого типа клеток. Подобный зрактер распределения митохондрий в объеме цитоплазмы отмечен для различных линий культивируемых клеток (Быков, 1935), клеток одно- и многоклеточных организмов (Озернюк, 1978).

Предполагается, что скопление митохондрий в околоядерной зоне есть результат деления органелл (Озернюк, 1978). Кроме того, полагают, что скопления митохондрий в- определенных участках клетки свидетельствуют о повышенном, по сравнению с другими зонами, уровне энергозатрат в них (Озернюк, 1978; Быков, 1985).

Последнее обобщение, по-видимому, объясняет и такую же, как и в ядерной зоне кардиомиоцитов миокарда правого желудочка, концентрацию митохондрий в субсарколеммальной околососудястой зоне (табл. '3).

Бесспорно, митохондрии кардиомиоцита, лежалее вблизи капилляров, находятся в лучших условиях оксигеяации. И в то же время, предпочтительное расположение митохондрии в этой зоне сократимых клеток, предполагает градиент транспорта кислорода и передачи энергии в виде креатинфосфата от периферии вглубь клетки (Непомнящих и др., 1989). Поэтому высокую концентрацию органелл в сколссссудпстых зонах кардиомиоцитов, скорее, следует связывать не с делением органелл, что более характерно для околоядерных участков, а с особенностями энергетических процессов. -

Таблица 2

Ультраструктурный стереологический анализ миофибрилл и митохондрий в нормальных и гипертрофированных кардиомиоцитах миокарда правого желудочка сердца крыс

| 0тнос1 ¡тельный объем 1 |Относительная плошддь

Пара- Кардио- | ' ММ3/СМ 3 ! поверхнос <0 О лгг »^ 1 Ж £ Ш / и «1

метры

1 1 1

циты |миофиб- шло-1 митохонд- | миофиб-| митохонд-

1 рилл хонд-[ рии/мио- 1 рИЛЛ 1

рий |фибриллы 1 1 1 1

Норма 1393+28 1 343+231 1 0,87 1 1 1 1,1+0,11 1 1 2,7+0,2

4 сут. 1450+15 1 381+101 0,83 1 1 1 1,6+0,2| 1,8+0,1

Гипо- 5 сут. 1551+23 293+11| 0,53 ! 1,6+0,11 1,7+0,1

ксия 10 сут. 1545+33 283+32| 0,52 1 1,8+0,-1 1,7+0,1

15 сут. 1540+22 310+26| 1 0,57 1 1,8+0,11 1 1 1,7+0,1

Обра- 7 сут. 1513+24 1 339+251 0,65 I 1 1 1,7+0,1| ч е+п ч

ти- 14 сут. 1448+18 431±151 0,95 1 1,8±0,1| 2,9+0,2

мость 30 сут. 1428+24 364+17| | 0,85 1 1,7+0,11 1 1 2,8+0,1

В кардиомиоцитах миокарда правого желудочка интакткых крыс между митохондриями во всех зонах клетки видны многочисленные ШК, ультраструктура которых соответствует таковой, описанной Бакеевой и др., 1982.

' Число ШК не одинаково между органеллами, лежащими в разных зонах клетки: наибольшее число этих структур приходится на митохондрии субсарколеммальной околососудистой зоны (58Х), а меньше всего их (331) между митохондриями, лежащими в межфибриллярном участке кардиомиоцита.

Видимо, такие различия в числе ШК обусловлены разной функциональной нагрузкой на популяции митохондрий в тех или иных участках единой клетки.

В матриксе почти всех митохондрий нормальных кардиомко-цитоз правого желудочка сердца у крыс встречается округлые

злектрскко-плотные гранулы, состоящие из фосфатных солэй Са2+ (Сороковой, 1985).

иОЛуЧЭНКЫЭ Е КаСТСЯЕЭМ КССЛЭДОЕаКИИ ЫОрфСтЭТрИЧсСКИ8 к морфо-функциональные характеристики хондриома кардиомиоцитов интактных крыс указывают на определечные специфические особенности хондриома именно этого типа клеток, несомненно свя-ванные с их высокой потребностью в энергии для постоянной ритмической деятельности.

2. Реакция хондриома кардиомиоцитов миокарда правого желудочка сердца крыс на действие гипобарической гипоксии.

Пребывание экспериментальных животных в барокамере с 1СХ содержанием кислорода и разрежением воздуха, соответствующим высоте 5000 м над уровнем моря в течение 18 часов в сутки приводит в короткий срок к развитию гипертрофии миокарда правого же -удочка.

Ка тканевом уровне это выражается в увеличении ткани миокарда за счет гипертрофии его кардиомиоцитов, в ус иле ни;; в них синтезаРНК и белка, и в увеличении числа кровеносных капилляров, окружающих кардиомиоциты. Анализ результатов данного эксперимента по морфометрическим, ультраструктурным изменениям хондриома и некоторым параметрам целого кардиошюцита, видимо, целесообразно разделить на три этапа по мере проведения эксперимента.

2.1. Начальные сроки (3-4 суток) действия гипоксии на кардиомиоциты.

ШЗ-4 сутки эксперимента, кардиомиоциты сохраняют такие же, как и клетки контрольные животных, размеры (табл. 1), и число капилляров в миокарде остается в пределах нормы.

Вместе с тем, основные органеллы сократимых клеток определенным образом реагирует на недостаток кислорода в окружающей среде. Так, объем шюфибрилл и площадь их поверхности незначительно возрастают (табл. 2). ■ Последнее указывает на истончение сократимых структур.

Параллельно этому в таких клетках пловдць поверхности митохондрий снижается в 1,6 раза за счет увеличения числа средних по размеру сечений органелл (табл. 3). Изменяются и морфо-функциональные параметры хондриома: в митохондриях .в 1, 2 раза увеличивается число крист. При этом в 2 раза снижается процент ортодоксальных митохондрий, увеличивается в 4 раза процент органелл с уплотненным матрикосм и появляются отсутствующие в имтактмых клетках, конденсированные формы митохонд-

Т5Л О

дсшмдидсь и

Сводная таблица

Ыэрфо-функциональная характеристика ультраструктуры хондриома нормальных и гипертрофированных кардиомиоцитов миокарда правого желудочка сердца крыс

. . ._. .. Длина сечений 1 |Число сечений митохондрий 1 |Число митохондрий 1 |Число Число межмитохондриаль- |

Пара- митохондрий в % |на ед. плогчдди саркоплаз- 1с разным типом ссс- |крист ньпе к знт^ктез /\f\tv\ 1 V ^ш^к^ , |

метры 1 мы (10 см ) [ТСЯНИ£ КЛЯЛ'ЯНЯП Т) Щ 1401 ^«¿Гы-О) О /а {на Б %

1 1 1 1 1 1

мел- сред- круп- I около- |йежфиб- субсар- |орто- уп- кон- |ДЛИНЫ около- межфиб- субсар- 1

Кардио- кие ние ные | ядер- |рилляр- ке локоло- |ДСК- ЛОТ- денси- |сече- ядзр- Т>»» "И КОЛОКО- |

мио- До 1-3 3-5 | нал |ная сосудис- |саль- нен- рован- |ний ная ная ЛОСОС^ ДКС"|

цпты 1 мкм мкм мкм | гона |гона тая зона | та нш ные 1 1 зона зона ТЗЛ 5СНЫ }

1 Норма| 48 53 1 1 1 1 8,0+0,413,2+0,2 8,3+0,6 |- 90 10 0 1 1124+5,2 44 33 53 |

1 1 2 сут. 45 54 1 1 1 | 8,2П,4|3,1+0,1 8,4+0,6 | 80 19 Л а 1 |15214,8 25 20 КГ» 1

Ггао-| 4 сут. 39 59 1 | 8,7+0,512,8+0,2 8,4+0,6 1 54 43 о 1138+1,1 25 20 60 |

ксия I 5 сут. 40 57 3 I 8,610,813,3+0,1 8,6+0,8 I 49 48 . 3 1175+5,4 24 19 63 |

110 сут. 16 77 7 | 3,4+0,2|1,7+0,1 7,0+0,3 1 2 17 81 117114,5 25 16 78 |

|15 сут. 24 72 7 I 4,4+0,612,1+0,1 15,9+0,9 1 2 19 79 1170+1,1 23 13 67 |

1 Сбра- | 7 сут'. 19 71 10 1 1 | 5,2+0,7|1,6+0,1 13,3+0,7 | 27 44 29 1 113214,0 37 гн ох 65 ' |

ти- 114 сут. 37 61 2 110,7+0,613,1+0,1 8,5+0,9 I 20 67 3 112813,8 32 22 66 |

мссть|30 сут. | оа 61 I . 1 | | 9,2+0,7|3,3+0,2 | | 9,3+0,8 | 1 Б1 1, „ 37 г ] 12612,1 I 45 1 31 1 СО ( \JI-1 1 1 . . 1

- ю

рий (ЗХ) (табл. 3). Естественно, гипоксия неизбежно приводит к недостатку кислорода в кровяном русле и, как следствие, к снижению снабжения миокарда кислородом. Этот дефект влечет ва собой (Меерсон, 1986) снижение окислительно-восстановительных продессо в митохондриях, лимитируя транспорт электронов в дыхательной цепи внутренней мембраны митохондрий, ограничивая скорость образования АТФ, создавая тем самым дефицит ыакроэр-гов. Такие сдвиги в метаболизме кардкомиоцитов и их знергооб-разушдх структур, видимо, проявляются ужа на самых ранних сроках действия'гипоксии (3-4 сутки): в результате в кардиомиоцитах значительно увеличивается число митохондрий с уплотненным матриксом, представлявших собой переходную форму между ортодоксальными и конденсированными органаллаш и появляются конденсированные деэнергизованные формы митохондрий.

В негипертрофироваиных на этом этапе гипоксии кардиомиоцитах резко снижается (в 1,6-1,7 раза) число ШС в более глубоких слоях сократимых клеток.(в околоядерной и межфибриллярной зонах) при их неизменном числе в субсарколеммальных околососудистых участках клеток. Б условиях же короткого действия гипоксии, видимо, недостаток АТФ и снижение уровня его обр"овашк происходит в первую очередь в мэжфибриллярных и околоядэркых зонах кардисмноцита, где снижается число МшК. Параллельно этому, изменяется и ультраструктура самих контактов, они укорачивается и становятся прерывистыми.

В то же время на этом этапе опыта евдз негипертрофированные кардиомиоциты по-видимому, приспосабливаются к поврезвда-щзму действию гипоксии - стремятся адаптироваться к этим неблагоприятным условиям, -¿то предположение подтверждается, в известной мере, увеличением размера митохондрий, возрастанием в них числа крист и, наконец, сохранением числа ШЖ на том же уровне, что I. в норме, и дала тенденцией к его увеличению в субсарколеммалькой околососудистой зоне скопления митохондрий (табл. 3). '

2.2. Поздние сроки (5-15 суток) действия гипоксии на кардиомиоциты.

В условиях гкпобарической гипоксии, примененной в данном исследовании, четко выраженная гипертрофия кардиомиоцитов миокарда правого желудочка, когда плошддь поперечного сечения клеток увеличивается в'2 раза относительно нормы (табл. 1), наступает на 5 сутки опыта и поддерживается на том же уровне до конца эксперимента. Специфической ответной реакцией карди-

омиоцитов на неблагоприятные воздействия является их гипертрофия, обусловленная гиперплазией их внутриклеточных ■ структур.

В гипертрофированных кардиошкзцитах откачено увеличение объема миофибрилл в 1,4 раза относительно контроля, что, по-видимому, является компенсаторной реакцией этого типа клеток, и почти 2 -х кратное усиление синтеза РНК и белка в таких клетках. Оба показателя рассматриваются многими исследователями как наиболее характерные признаки гипертрофированных

По мнению Меерсона," 1973, 1982 недостаток кислорода в окружающей среде приводит к дефициту АТФ, который, в свою очередь, стимулирует генетический аппарат клеток, приводя к активации синтеза НК и белка, которые и используются для наращивания массы миофибрилл и других внутриклеточных структур.

2-х кратная гипертрофия кардиомисцитов при гипобаричес-кой гипоксии, использованной в настоящей работе, сопровождается пропорциональным, т. е. практически таким же двухкратным увеличением числа кровеносных капилляров (в 1,7 раза) и их диаметра.

Увеличение же числа кровеносных капилляров в ткани миокарда и их диаметра приводят к уменьшению диффузного расстояния для кислорода меладу стенкой капилляра и кардиомиоцитами.

В целом оба процесса - гипертрофию кардиомиоцитов и усиление в миокарде кровоснабжения, за счет разрастания капилляров и увеличения их диаметра, целесообразно рассматривать как приспособительную компенсаторную реакцию на действие гипоксии.

попытки некоторых исследователей выделить специфические признаки гипертрофированного'миокарда и кзрдиомиоцитое, характерные именно для гипоксии, ограничились лишь указанием на то, что в это случае возрастает число кровеносных капилляров (до 14%). По-видимому, игенно гипоксия является мощным фактором, стимулирующим рост кровеносных кап' *лров.

Таким образом, к 5-15 суткам действия гипоксии, кард но-мисциты миокарда правого желудочка сердца крыс приобретает признаки, характерные для гипертрофии, возникшей не только вследствие недостатка кислорода, - но появляющейся при других воздействиях на миокард. Именно, для гипертрофированных, под действием иных, чем гипоксия факторен, кардиомнецитез уста-

ковлеяо и увеличение диаметра и длины таких клеток, и увеличение относительного объема миофибрилл в объеме клетки, и изменения со стороны капилляров, число которых или возрастает, или уменьшается.

Практически все изменения со стороны хондриома, отмеченные на раннем этапе действия гипоксии, когда ещэ кардкомиоци-ты не гипертрофированы, нарастает в гипертрофированных клетках и достигают максимальных значений к 10 суткам действия гипоксии (таблДЗ).

К этому периоду в гипертрофированных кардиомиоцитах по сравнению с интагсгными кладками резко (в 1,7 раза) падает объемное отношение митохондрииУмиофибриллы (табл. 2). Этот фага прямо указывает на то, что пропорциональность энергооб-разуюшдго и сократительного компартмента в гипертрофированных кардиомиоцитах нарушена за счет падения относительного объема митохондрий. Одновременно снижается и относительная площадь их поверхности. Таким образом, в гипертрофированных при гипоксии кардиомиоцитах уменьшается общее число митохондрий на фоне значительного роста массы миофибрилл, что, видимо, и является одним.из факторов снижения энергообеспечения таких клеток ^ результате нарушения баланса между ростом клетки и ее энергетикой.

Из табл. 3 следует, что число сечений митохондрий на единицу площади резко падает (в 1,5-2 раза) в межфибриллярной и околоядерной ' зонах гипертрофированных кардиомиоцитов, но при этом также резко возрастают размеры профилей митохондрий - в 7 раз увеличивается процент крупных и ка 24% возрастает число средних органелл. Увеличение размеров митохондрий очевидно связано с ростом органелл, который, видимо, является компенсаторной оеакцией органелл на увеличение размера кардиомиоцитов на этом этапе эксперимента и продолжающийся дефицит кислорода в окружающей среде. По-видимому, именно рост митохондрий является достаточно специфической реакцией этих органелл в гипертрофированных после действия гипоксии кардиомио-—:тах.

Не исключено, что нарастание числа крист в увеличенных в размере митохондриях, отмеченное в настоящем исследовании уже кз ранних стадиях действия гипоксии, целесообразно рассматривать не только как способ усиления в них окислительного фос-форилирования, но и как ответную реакцию на рост самих орга-

нелл.

В этот же период (10-15 сутки) действия гипобарической пшоксш в гипертрофированных кардиомпоцитах миокарда правого желудочка сохраняются лишь единичные ортодоксальные формы митохондрий, резко падает по сравнении с ранним периодом (4 сутки) действия гипоксии число уплотненных органелл и основная масса - до 80£ принимает конденсированную форму (табл. 3). Такие конформацконные превращения митохондрий несомненно отражают изменения их метаболического состояния в сторону де-энкргизации. Анализ литературы дает возможность заключить, что конденсация митохондрий в кардиомпоцитах при гипобаричес-кой гипоксю! происходит в результате серьезных нарушений окислительно-восстановительных процессов в этих органеллах, которое сопровождается падением уровня АГФ и накоплению в них избытка АГФ.

В гипертрофированных на 10-15 сутки гипоксии кардиомио-цитах резко снижается число Ш& в 2 и более раза в межфибриллярной зоне сократимых клеток ив 1,8 раза в околоядерной зоне (табл. 3). Это связано, видимо, с нарушением энергетики таких клеток, в частности, с дефицитом АТФ. - Более значительное снижение числа ШК в межфибриллярной зоне клеток возможно объясняется их меньшей устойчивостью к недостатку кислорода и АТФ. Снижение числа ШК в указанных зонах кардиомиоцитов указывает на явное нарушение■целостности электрического кабеля, .сформированного митохондриями, как полагают Скулачев, 1969; Амченкова и др., 1985, 1988, который прерывается в участках хондриома с разрушенными и исчезнувшими ММК.

Не исключено, что хондриом гипертрофированных при гипоксии кардиомиоцитов стремится восстановить в какой-то степени такое нарушение единого кабеля путем увеличения размеров митохондрий - путем появления значительно большего, чем в норме количества средних и крупных, вытянутых в длину органелл.

Особого анализа заслуживает поведение митохондрий в околососудистой субсарколеммалькой зоне гг эртрофированных при гипоксии кардиомпоцитах..

При гипоксии происходит уменьшение диффузионного расстояния между стенкой расширенных капилляров и мггтохокдрияма кардиомиоцитов. В связи с этил митохондрии, расположенные в субсарколеммалькой околосссудистсй зоне кардиомпсщггсв находятся в наиболее благоприятных условиях обеспечения их доста-

точным гешяеством кислорода при его общем дефиците по сравнению с митохондриями околоядерной и межфибриллярной вон, лежащими в более глубоких участьях клетки.

По всей вероятности, околососудистые митохондрии представляют собой особую популяцию органелл, более устойчивых к внешним воздействиям, в частности, к дефициту кислорода в окружающей среде.

В условиях данного эксперимента показано, что в гипертрофированных при гипоксии кардиомкоцитах число таких зон заметно возрастает, количество митохондрий из определенную площадь саркоплазмы в этих зонах не изменяется, а к 15 суткам гипоксии даже' возрастает почти вдвое. Саш органеллы конденсируются позднее, чем происходит конденсация митохондрий в других участках кардиоыиоцига, а, главное, число 1й!К между митохондриями не снижается, как в других зонах,'а возрастает в 1,2-1,4 раза (табл. 3). Видимо, это объясняется тем, что такие митохондрии в меньшей степени страдают от недостатка кислорода и даже в условиях гипоксии способны компенсировать недостаток АТФ путем поддержания их численности. Именно увеличение числа митохондрий и ШК в околососудистой области кардко>а.-цитов'при гипоксии позволяет, по-видимому, сохранить и поддержать не только морфологическую, но и функциональную целостность популяц!ш митохондрий в этой зоне кардиомиоцитов и обеспечить адаптацию этих клеток к высотной гипоксии.

Вполне вероятно предположение, что околососудистые зоны скопления митохондрий наименее чувствительные к условиям гипоксии, при общам и быстро;: падении синтеза АТФ в клетке, являются источником, откуда макроэргические соединения распространяются в другие клеточные зоны.

В межфибртгллярной и субсарколеммальной околососудистой зонах гипертрофированных при гипоксии кардиомиоцитов появляется множество липидных включений, лежащих вблизи митохондрий.

Такие липидньк капли по своей химической природе являются триацил-глицеролаыи (третлицерядами), которые представляет собой комплекс жирных кислот с глицеролом (Оли, 1983). Эти соединения рассматриваются как энергетический резерв клеток, т. к. при их растеплении образуется в 2 раза больше АТФ, чем при расщеплении глвкозы (Лэяинджер, 1935). й; возможно рассматривать, как вапаспемыэ формы липидов и появление поЕышен-

кого количества таких включений в гипертрофированных при гипоксии кардиомиоцитах, видимо, следует расценивать гак фактор, отражающий нарушение обмена жирных кислот в митохондриях (Ленннджэр, 1385; Опи, 1333), что влечет за собой снижение энергентического баланса в кардиомиоцитах.

В целом, в гипертрофированных при действии гипобаричес-кой гипоксии кардиомиоцитах, гиперплазии митохондрий характерной для гипертрофии этих клеток, стимулированной другими воздействиям!, не происходит; напротив, на коротком сроке (10 -15 суток) действия гипоксии уменьшается количество митохондрий, но увеличиваются их размеры.

Несмотря на появление некоторых признаков коыпенсатор-копрпспособительной реакции митохондрий кзрдиомиоцитов - на действие гипобарической гипоксии (увеличение числа крйст в органеллах, поддержание целостности популяции митохондрий в околососудкстой гене клетки), в хондриоме таких клеток происходят определенные изменения структурно-функциональной организации отдельных митохондрий, - rix конденсация, потеря плот-кых включений в матриксе, снювзние числа 1Я.1К и увеличение количества жировых капель между митохондриями, которые указы-ва;ст на существенные нарусения метаболизма самих органел и системы энергообеспечения кардиомиоцитов.

2.3. Обратимость морфологических и ультраструктурных изменений, возникших в гипертрофированных при действии гипобарической гипоксии кардиомиоцитах Многочисленные данные клинических и экспериментальных исследования убедительно показывают, что гипертрофия средца, его миокарда и кардиокиоцптоа обратимы независимо от ее происхождения'и продолжительности. -

Опыты с переводом животных после 10 дней пребывания их в барокамере в нормальные условия подтверждает этот вывод: почтя все исследованные в данной работе параметры "кардиомиоцитов, измененные в гипертрофированных при гипоксии клетках, проявляют тенденции к своему восстановле -jo (тбал. 1-3).

Процесс обратного развития гипертрофированных кардиомиоцитов правого желудочка после снятия действия гипоксии происходит постепенно, и время такой нормализации в 2-3 раза (14-30 дней) превышает время, необходимое для развития самой гипертрофии (5-15 суток).

Так, размер самих клеток, оцешгеаемый по плошали их по-

перечного сечения удваивался при гипоксии через 5 сут. после начала опыта, а восстанавливался медленнее, достигая нормального значение только через 14 суток после снятия гипоксии (табл. 1).

Однако, при регрессии гипертрофии изученных сократимых клеток их различные органеллк, если и нормализуются, то в разной степени и с различной скоростью. Относительный объем и относительная площадь поверхности шофибрилл не достигают нормы и остаются повышенными к 30 суткам (табл. 2).

Митохондрии по ряду шрфометрических показателей - таких как относительный объем органелл и относительная площаь их поверхности (табл. 2), длина сечений органелл, их число на единицу площади саркоплазмы в околоядерной и околососудистой зонах, а такжа число митохондрий с разными типаж состояния матрикса нормализуются постепенно, нр не достигают контрольного значения к 30 суткам обратимости (табл. 3), что указывает лишь на частичное восстановление морфологии, и, особенно, функции этих органелл.

Еместе с тем, существенным является то, что такие морфо-фуккциональнке параметра ультраструктурных элементов самих митохондрий, как число крист в них и число ¡5.® восстанавливаются достаточно быстро и полностью к месячному сроку обратимости (табл. 3).

Итак, отмеченные в работе особенности восстановления основных клеточных элементов гипертрофированных при гипоксии кардиомиоцитов по-лостью подтверждают выводы, полученные другими исследованиями, не только в экспериментах с действием гипоксии, но и с влиянием других, индуцирующих гипертрофию кардиомиоцитов миокарда и сердца в целом агентов - перевязка аорты, гиперт 1зия, физические нагрузки и др. воздействия (Непомнящих и др., 1986).

2 заключение следует отметить, что обратимость гипертрофированных при действии гипоксии кардиомиоцитов правого делу-дочка сердца крыс это медленный процесс и выбранный в настоящем исследовании срок .их восстановелния (30 суток) недостаточен для полной нормализации таких ведущих структур кардиомиоцитов, как миофибриллы и митохондрии.

ВЫВОДЫ

Проведенное светооптическое и электронномикроскопическое

исследование хондриома кардиомиоцитов миокарда правого желудочка сердца крыс в норме и при действии гипобарической гипоксии позволяет сделать следующие еыводьк

1. В условиях барокамерной гипоксии, примененных в работе, быстро, уже на 5 сукти опыта развивается стойкая, четко выраженная гипертрофия кардиомиоцитов, сопровождающаяся двухкратным возрастанием площади их поперечного сечения и пропорциональным этому увеличением относительного объема а относительной площади поверхности шофибрилл, а также почти двухкратной активацией в них синтеза РНК и . белка; наряду с этими процессами увеличиваются число капилляров и диаметр их просвета в ткани миокарда.

2. Хондриом кардиомиоцитов реагирует ча барокамерную ги-

OAI.ni'n HflAV rTtnnlli^nWO^TIIIf1 «nnitirtlWnTH

liwn.l*riiu «ЮтСЛСПИЛШ** ÜLCA pCL.^UTw'A UO^QIYIG X

а) на ранних этапах действия гипоксии (1-3 суток) в еще негипертрофированных кардиомиоцитах увеличивается число крист в митохондриях, возрастает число органелл с уплотненным мат-риксом в околоядерной и межфибриллярной зонах клеток, появляются конденсированные формы органелл и быстро падает количество межмитохондриалькых контактов.

б) s гипертрофированных кардиомиоцитах на 5-15 сутки мсрфо-фуккциональные изменения митохондрий достигают своих

»<«~»»>«г» т»» кг »Tt r»r w*»TTtjrTt» , тг *a »mö wt#TTT»T>£jirM*»r»r» nnnunrti

мздчиАчмсыххгпал, fcc j na^/cuxwicjiijhu о ¿Ом/ jr усютсуо»

митохондрий, падает численная плотность органелл в околоядер- • ной и межфибриллярной зонах кардиомиоцитов.

3. Мэжмитохондриальные контакты обладают наибольшей чувствительностью к дефициту кислорода и при гипоксии реаги-

VNTTtrwn Г| ТТЛГЛГ>«Г*П Г\»ТГЛ r>r"S П* • Л» t<-»H»T\/*\ » »ЛМГГЛЖПГТ »»V ТГТ1ГУ-» r*»"4'"»»*ir»Wi»4tI"»

yj IUI D III i-'El.y SJ UQlu A JJU/ МСППСАЬЛ MlA 411U ) liyU Iftfi-JZrl ■

ность, ультраструктур и осмиофильность.

4. Различные популяция' митохондрий в кардиомиоцитах (околоядерные, межфибриллярные и.субсарколеммальные околососудистые), по -разному отвечают на дефицит кислорода:

а) наибольшей чувствительностью отличаются мажфиСриляяр-ные митохондрии - в них число на единиц;* площади саркоплазмы падает, а число межмитохондриальных контактов снижается, достигая минимального значения (13*) е конце эксперимента;

б) в околоядеркоЯ зоне число митохондрий на единицу площади снижается . медленно к падает в 2 раза в конце действия гипоксии, тогда как число межмитохондриалькых контзктс2

уменьшается в начале действия гипоксии в 1,7 раза и_ остается на том же уровне до конца опыта;

в) наиболее устойчивой к дефициту кислорода являестя популяция субсарколекмальных околососудистых митохондрий: их число увеличивается, они конденсируются только в конце опыта, и между ниш возрастает количество межмитохондриальных контактов.

5. Гипертрофия кардиомиоцитов миокарда правого желудочка сердца, крыс, вызванная гипобарической гипоксией, является обратимой; , нормализация внутриклеточных структур занимает намного больше времени (больше 30 суток), чем развитие гипертрофии (5 суток).

1

Список работ, опубликованных по теме- диссертации 1.

2.

3.

Подписано в печать /1, С6 19э£г.__________________Зак. //'/¿"тир. /¿71?

МАЛОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ПЕТИТ»

Абдулла А., ЦЬрникова М. R , Кйшелев Е Е , Ченцов Ю. С. Шрфометрическое и авторадиографическое исследование кардиомиоцитов крыс в норме и при гипобарической гипоксии/ /Еестник Мэсковского Университета. - 1991. -сер. 16, Биология, N3. - С. 46-57.

Абдулла А., ПЬрникова М. В., Ченцов Ю. С. Влияние гипобарической гипоксии на ультраструктуру митохондрий кардиомиоцитов крыс//Цитодогия. - 1991. - Т. 33, N5. -С. 82-83.

Абдулла А., ПЬрникова И В., Ченцов Ю. С. Количественная характеристика межмитохондриальных контактов в нормальных и гипертрофированных кардиомиоцитах крыс / /Цитология. - 1991. - Т. 33, N10. - С. У