Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Ультраструктурная и морфометрическая характеристика хондриома кардиомитоцитов миокарда правого желудочка сердца крыс в норме и при гипобарической гипоксии

ВАК РФ 03.00.11, Эмбриология, гистология и цитология

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

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

На правах рукописи

АБДУЛЛА АМАЛЬ

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

03.00.11 — Эмбриология, гистологии и цитология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва — 1992 г.

! - Ч / • О' / »

/ « V

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

Научные руководители:

доктор биологических наук, профессор Ю. С. Ченцов

кандидат биологических наук, доцент М. В. Шорникоеа

Официальные оппоненты:

доктор ]медининскнх наук А. Г. Бабаева

доктор биологических наук Н. П. Дмитриева

Ведущее учреждение — Российский Университет Дружбы Народов.

Зашита 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 1 Актуальность проблемы.

Митохондрии как одни из важнейшие органелл клетки характеризуются полиморфизмом а способностью легко изменять свои параметры при различных функциональных состояниях клетки и при действии на клетки различных альтерирующих агентов. 'Это выражается з том, что органеллы меняют свое число, свои размеры и 4>opi^y, свою ультраструктуру. Как правило, эти параметры, а также характер распределения органелл в цитоплазме клетки определяются энергетическим состоянием самих органелл ~ зкергкзованныэ и дэзкергизоззкные митохондрии, а также потребностью клетки в АТФ, образующейся в этих ведущих структурах клеток.

В современной цитологии исследователи, как правило, об-раприг внимание не столько на отдельные митохондрии, сколько ка характеристику всей популяции органелл, формирующих хонд-риом клетки.

Гипотеза о присутствии в клетках эукариот лектрическог^ кабеля, способного распространять по клетка электрический потенциал, принадлежит В. Е Скулачеву (1953-1371 -гг.). Митохондрии, как органэллы, 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. Бакеева, 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 митохондриальную 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 помощью !ЯЖ (Бакеева и др., 1982).

Кроме того, кардиомиоциты легко реагируют 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 вызывать нарушение структуры и функция митохондрий Этих клеток и, возможно, изменять число и ультраструктуру ШШ.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей работы было изучение шрфо-функциональных характеристик хоядриома и ЫМН в кардиомиоцитах правого желудочка сердца крыс в норме, при действии на организм животных гкпобарической гипоксии и после снятия этого воздействия.

Были поставлены с дедушке задачи:

1. Исследовать на протяжении эксперимента ряд морфр-функцио-налъных параметров кардиомиоцитов для подтверждения того, что режим эксперимента соответствует поставленным задачам и приводит к развитию гипертрофии кардиомиоцитов:

а) оценить площадь поперечного сечения клеток,

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

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

2. Определить динамику изменения числа кровеносных капилляров, о кружащих кардюмиоциты. .

3. Методом шрфометрии оценить относительный объем и относительную площадь поверхности митохондрий, их число, размеры, форму, а также ультраструктуру:

а) в лнтактных кардаошгацитах,

б) в кардиомиоцитах на ранних этапах действия гипоксии,

в) в гипертрофированных кардиомиоцитах.

4. Описать ультраструктуру и оценить число ШК в зонах избирательной локализации митохондрий в нормальных, на.гипертрофированных и гипертрофированных при действии гипоксии клетках. • . '

5. Методом ыорфоызтрш проанализировать обратимость изменений миофибршш, хондриома и ШК в гипертрофированных клетках.

Научная новизна работы.

Впервые в кардиомиоцитах правого желудочка сердца крыс, подвергнутых действию гшзобарической гипоксии, проанализированы морфокетрические и ыорфо-функциональные параметры ыито-

Впервые обращено внимание на тот факг., что популяция ми-

- 3 - '

тохондрий, локализованных в разных зонах кардиомисцитов -околоядерной, кежфибриллярной и субсарколеммалькой околососудистой - по разному реагируют на условия-гипоксии. Показано, что ка ранних этапах действия гипоксии (1-3 суток) в екэ не-гНпертрофировакных кардкокиоцитах и в уже пгаергрсфкрсззйкьх клетках (5-15 суток) в околоядерной и межфибриллярной зонах появляется органедлы с уплотненным матриксоы и ксяденсироаан-ные формы митохондрий, которые к концу эксперимента все конденсируется, что указывает на изменение их функционального состояния, связанного с их деэнергизацией.

Впервые показана высокая чувствительность MMR кардиомио-цитов правого желудочка сердца крыс к дефициту кислорода, что выражается в быстром падении их числа, в изггнении их протяженности, нарушении ультраструктуркой целостности в парзуа очередь в межфибриллярной области локализации органелл и затем в околоядерных митохондриях.

Впервые обнаружена устойчивость к дефицит; кислорода пс пуляции митохондрий, расположенных в субсарколеммальной око-ЛОСССjTД*'СТОЙ ööЛаСТЯ гСорДЛО^и'ОЦКТОЗ, ЧТО арОЯЗЛлсТСЯ 5 поддержании исходной численной плотности органелл на протяжении эксперимента, в увеличении числа ШК между ниш и в поздней их конденсации, в ходе опыта.

Научно-практическое значение работы.

Выполненная работа в целом косит теоретический характер и ее значение заключается, главным образом, в установлении принципиальных закономерностей морфа-функциональных перестроек знергетическогс метаболизма кардкоккощгаоз правого желудочка сердца крыс при дефиците кислорода и участии в этих процессах 1С,Ж. Условия барокамерной гипоксии, примененные з 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 ¡¿ГУ. •

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, 1931), Всесоюзной конференции

"функциокаль,!вя морфология клетки" (Санкт-Петербург, 1991) и на заседании каа^едры цитологии и гистологии Биологического факультета ¡ЛГУ.

Публикации.

По темз диссертации опубликовано 3 печатные работы.

СТРУКТУРА К ОбЪЭМ робРТЫ.

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, собственных результатов, обсуждения полученных результатов и выводов. Работа изложена ка _

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

Список цитированной литературы включает 105 отечественных работ и 109 работ зарубежных авторов.

ИХТЕРКШ К ЬЕТОДЬ! ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служили кардиоыиоциты верхупки миокарда правого желудочка сердца беспородных белых крыс-самцов . -сам 200 гр в корме и при адаптации этих животных к гипоба-рической гипоксии. Адаптация экспериментальных животных к гипоксии осуществлялась в барокамере объемом 50 л, где с по-шдаа вакуумного насоса создавалось разрежение воздуха, соответствующее высоте 5000 и иад уровней моря; вентиляция камеры - 10-12 л/мин. В этих условиях содержание кислорода в воздухе снижалось до 10,52 (т.е. в 2 раза) по сравнении с нормой. Животных подвергали ежедневному прерывистому воздействию барокамарной пшоксии по 18 ч в сутки в течвние 3, 4, 5, 10 и 15 сут. Соответственно животных забивали на 3, 4, 5, 10 и 15 сутки пребывания в барокамере.

Обратимость действия гшобарической гипоксии на кардио-миоциты миокарда правого желудочка изучали на животных, которых после 10 суточного пребывания в барокамере переводили в виварий, содержали в нормальных условиях к ка 7, 14 а 20 сутки забивали.

Для морфологического изучения в световом микроскопе ткань миокарда правого желудочка сердца нормальных и опытных животных фиксировали смэсьс Кзркуа в течение 2 часов. Обегво-жизакие и залиаку ткани в парафин проводили по стандартной ызтод;хг. йгсгирсвакный материал резали на микротоме, и полу-ченныг срезы, толщиной 5-7 ыкм, окр алии ал;; гематоксилином с оогпмем. В световом микроскопе анализировали участки мышечной

ткани, состоящие из поперечно срезанных кардиомиоцптов.

Мэрфоыетрическую оценку- пдоезди поперечных сечений кар-диомиоцитов, их цитоплазмы и их ядер проводили микропроекци-окньм методом (Тапке, 1930).

Плотность капилляров в участке ткани миокарда с попереч-ньс.ш срезами кардиомиоцптов определяли как их число на площадь сетки окуляр-микрометра, рагнув 3215

Синтез РНК и белка в кардкс¡.-¿гацитах оценивали авторадиографическим методом по стандартной методике.

Для электронно-микроскопического исследования отдельные волокна ткани, выделенные кз верхушки среднего слоя миокарда правого желудочка сердца нормальных и опытных животных, фиксировали в холодком 42 растворе глгоарового альдегида на фос-. фатноц буфере при рН » 7,2-7,4 в течение 1,5 часов. Дофикса-цию проводили в течение 3 часов 1% раствором ОзСЬ на

Алттгщ» мл» тг\ Л. ТТ^п (пяап™

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

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

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

а) относительный объем митохондрий (ыь^/см3)

б) объемные отношения митохоидрии/ююфибриллы

з) относительная плоцадь поверхности митохондрий (ь^/сы3)

г) длина' (мкм) сечений митохондрий. Подсчет проводили на • 1000 митохондрий для каждого срока опта

д) число сечений митохондрий иа единицу плопдди саркоплазмы (на 10 см2) в разных зонах кардиомиоцитов

е) число сечений митохондрий с разными типами состояния матрикса. Подсчет проводился на 1000 митохондрий для каждого срока опыта

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

з) число межмитохондриальных контактов (ШК) в разных зонах кардкоыиоцигов в X. Подсчет проводился на 1000 митохондрий для каждого ери:а опыта.

Весь числовой материал, подсчитанный в работе, обрабатывался статистически по Стыоденту-йишеру. В таблицах приведены усредненные показатели по 3 животным на каждув точку опыта.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУВДЕНИЕ 1. Контроль

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

клетки заполнена цитоплазмой (0,344 мкм2), а на доли ядра па-

даат лкиь ее небольшая часть (0,019 мкм2).

Ьйрфометрическое электронно-микроскопическое: - изучение хондриома нормальных кардиомиоцитов среднего слоя миокарда правого желудочка сердца крыс подтвердило хорошо известный ^зкт о гом, что объем митохондрий з кардиомиоцотах занимает значительную долю объема этих клеток и па этому параметру им принадлежит второе места после шо фибрилл: так, если относительный объем миофибрилл занимает в рассмотренных кардиомио-цитах 407. их объема, то митохондрии занимают 34Х общего объема клетки (табл. 2).

В нормальных кардиомиоцитах миокарда правого желудочка у крыс, отношение штохондрии/миофибриллы достаточно высокое и равно 0,87 (табл. 2). Это соответствует положению о том, что в кардкомиоцигах зкаргаобразугаяа структуры занимаю почти такой же объем, что к сократимые элементы и объясняется большой потребностью кардиомиоцитов в энергии, используемой клетками для своего функционирования. .

Относительная пловдчь поверхности митохондрий в нормальных кардиомиоцитах правого желудочка у крыс равна 2,7 м^см3, что превышает значение этого параметра для кардиомиоцитов левого желудочка у кркс. Йз 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 пиггсхокдрии распределены в этих клетках лс^"^^ ко: они образуют четко выраженные еоны избирательной локади-

звдз* - околоядернуп зону, макфибрпллярнув к су£с арколе¡,з,злъ-нуто. В последней зоне изредка обнаруживаются значительные скопления митохондрия, лежащих еСдизи кровеносных капилляров.

Таблица I Иорфоиетрачэская светоопгкческая характеристика нормальных и гипертрофированных кардиомиоцитов миокарда, правого желудочка сердца кркс

Пара- Площадь поперечного сечения проекции клетки

метры Кар- г»...«

доомш-

1

циты клетка 1 цетоллазт 1 ядро

Шриа 0,363^,0012 1 | 0,341+0,011 г 0,019+0,007

Гипо- 3 сут 0,35010,007 1 1 | 0,320+0,007 0,017+0,0000

ксия 4 сут 0,380+0,010 I 0,360+0,010 0,019^;0,0009

5 сут 0,777+0,021 I 0,730+0,022 0,040+0,0003

10 сут 0,786+0,027 | 0,740+0,025 0,040.1.0,0010

15 сут 0,650+0,013 | 0,610+0,012 ■ 0,034+0,0007

Обра- 7 сут 0,403+0,009 1 I 0,318Д0,011 0,024+0,0007

ти- 14 сут 0,337+0,009 I 0,303^,009 0,035+0,001

мость 30 сут 0,315+0, СШ 1 0,331+0,007 1 0,020±0,0005 1

В целом ультраструктурная организация митохондрий разных зон" нормальных кардиомиоцитов практически одинакова. Лишь митохондрии околоядерной зоны нередко кыепт кристи, форъатрутгта концентрические фигуры вокруг центрально расположенного просветленного участка иатрикса. В этой яе части кардиомиоцита встречаются сечения митохондрий усложненной, причудливо изогнутой формы.

Хондриом нормальных кардиомиоцитов миокарда правого желудочка крыс предстазлен иелкими (до 1 шм) и средними (1-3 мкм) по размеру профилями отдельных органелл. Количество средних органелл (53%) несколько превышает число мелких (46Х); крупные органеллы (3-5 ыкм) встречается крайне редко (12) (табл. 3). Отмечена некоторая морфологическая гетерогенность форш сечений митохондрий в изученных интактных кардко-

- о -

миоцитах: среди округлых профилей органедл, встречаются сечения вытянутой, эллипсоидной формы, лежащие между миофибриалами в пределах 1-2 саркомрров, хотя нередко на один саркомер приходится 2-3 профиля митохондрий.

Среди митохондрий преобладает ортодоксальные конфигурации (90*) и редко (10*) встречаются органедлы с уплотненным матриксом. Число крист 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 нормальны* кардиомиоцитах миокарда правого желудочка: наибольшие скопления органедл находятся в околоядерной и субсарколеимальной околососудистой 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 1рактер 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 (Озерное, 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 жэ, как и в ядерной зоне кардиомкоцктоа миокарда правого желудочка, концентрацию митохондрий в субсарколеммальнойоколососудистой зоне (табл. '3).

Бесспорно, митохондрии кардиомиоцита, лежащие вблизи капилляров, находятся в лучших условиях оксигенации. 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 (Непомнящие и др., 1989). Поэтому высокую концентрацию органелл в сколосссудистых зонах кардиомиэцитов, скорее, следует связывать не с делением органедл, что более характерно для околоядерных участков, а с особенностями энергетических процессов.

Таблица 2

Ультрастругегурньй сгереологкческий анализ кгофибрилл и митохондрий в нормальных и гипертрофированных кардномиоцигах миокарда правого желудочка сердца крыс

1 | Относительный объем 1 I Относ, пель паЯ ПЛСШДДЬ

Пара- Кардио- 1 ар/си 3 | поверхнос ти ¡//см3

метры

I 1 1 1

циты |миофиб- | мито-| яггохонд- | миофиб-| митохонд-

(рилл I хонд-| I рнлл | р1£й

I рий [фибриллы 1 1 1 1

Норма 1393+28 > 1 1343+231 1 1 0,87 1 1 1 1,1+0,11 2,7+0,2

4 сут. 1450+15 1 1 1331+10| 0,83 1 1 1 1.6+0,21 1,8+0,1

Гипо- 5 сут. 1551+23 1293+1Ц 0,53 I 1,5+0,11 1,7+0,1

ксия 10 сут. 1545+33 1283+32| 0,52 1 1,3+0,-1 1,7+0,1

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

Обра- 7 сут. 1513+24 1 1 1339±281 0,68 1' ! 1 1,7+0,1| л с^п -т

ти- 14 сут. 1448+18 |431±15| 0,95 1 1,8+0,1| 2,9+0,2

мость 30 сут. 1423+24 | |364+1?| 1 1 0,85 1 1,7+О.Ц 1 1 2,8+0,1

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

' Число МЩ не одинаково между органеллами, лежащими в разных зонах клетки: наибольшее число этих структур приходится на митохондрии субсарколеммальной околососудистой зоны (581), а меньше всего их (ЗЗХ) между митохондриями, лежащим в межфибриллярном участке кардиомиоцита.

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

В матриксе почти всех митохондрий нормальных кардиомио-цитов правого желудочка сердца у крыс встречается округлые

электронно-плотные гранулы, состояние из фосфатных солей Са2+ (Сороковой, 1985).

ии^ чсапш: о п(м.1иаи^:и пьии^иоашш 1 ^лдчсигьмс **

морфо-функциональные характеристик:: хондриоиа кардисыкацитоа 1шгактных крыс указывают на определенные специфические особенности хондриома именно этого типа клеток, кессьшеико сея-ванные с их высокой потребность!! в энергии для постоянной ритмической деятельности.

2. Реакция хондриома кардиомпоцитов миокарда правого желудочка сердца крыс на действие гшобарической гипоксии.

Пребывание экспериментальных ¿мхвоткых в барокамере с 1.Сл. содержанием кислорода и разрежением воздуха, соответствующим высоте 5000 м над уровнем моря в течение 13 часов в сутки приводит в короткий срок к развитию гипертрофии миокарда правого же "тдочка.

На тканевом уровне это выражается в увеличении ткани миокарда за счет гипертрофии его кардисмиоцитов, в усила;:;п: в них синтезаРКК и Селка, и в увеличении числа кровеносных капилляров , окружающих кардиомиоциты. Анализ результатов данного эксперимента по морфэыетрическкм, ультраструктурным изменениям хондриоыа и некоторым параметрам целого кардиомиоцита, видимо, целесообразно разделить на три этапа по мере проведения эксперимента.

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

На 3-4 сутки эксперимента, кардиоыиоциты сохраняют такие жа, как и клетки контрольных животных, размеры (табл. 1), и числа капилляров в миокарде остается в пределах нормы.

Еместе с тем, основные органеллы сократимых клеток определенным образом реагируют на недостаток кислорода.в скрулак-25ЭЙ среде. Так, обгеы мкофкбрилл и плосвдь их поверхности незначительно возрастают (табл. 2). Последнее указывает на истончение сократимых структур.

Параллельно атому в таких клетках плсгадь поверхности митохондрий снижается в 1,6 рага за счет увеличения числа средних но размеру сечений оргаяелл (табл. 3). Изменяется и морфо-функциональные параметры хондриоыа: в митохондриях в 1, 2 рага увеличивается число крлст. При этом в 2 раза снижается процент ортодоксальных митохондрий, увеличивается в 4 раза процент органелп с уплотненным мэтрикосм и появляются отсутс-твутопле в ннтактных клетках, конденсированные фзрмц митохонд-

Сводная таблица

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

Длина сечений \ (Число сечений митохондрий |Число митохондрий 1 I Число Число ме?шитохйндриаль- |

Пара- митохондрий, В % (на ед. площади саркопдаз- |с разнил типом сос- (крист ных контактов (, (

метры | мы (10 сьГ) тояния матрикса, в * ¡на Б 1л

1 Л ЕГ % и м »

" " 1 ... ( ! 1 1 1

мел- сред- круп- | около- |межфиб- субсар- |орто-| уп- кон- I длины около- |м9кфиб- субсар- |

Кардио- кие ние ные | ядер- |рилляр- колоколо- 1док- ( лст- дзнск- (сече- ядер- IрПЛЛЗр" КО Л*-/ — )

шга- до 1-3 3-5 | 'нал | ная сосуднс- (саль- ( нен- рован- ний ная |кая

циты 1 мкм мкм мкм 1 зона ¡зона гая вона |НЫ£ ( ные ные 1 1 зона |эока 1 тая зсны |

¡10р!.!3 1 48 53 1 1 I | 8,0+0,4|3,2+0,2 8,3+0,6 1 1 1 90 | 10 0 1 1124+5,2 1 44 1 1 23 58 |

) 1 3 сут. 45 54 1 1 1 | 3,2^.0,4|3,1+0,1 3,4+0,6 1 1 1 80 | 13 Л 1 115214,8 ОК А-О 1 £0 СЧ I и 1 |

Гнпо- 1 4 сут. 39 59 1 | 3,7+0,512,8+0,2 8,4+0,6 1 54 | 43 3 1138+1Д 25 | 20 60 |

ксил 1 5 сут. 40 57 3 | 8,610,913,3+0,1 8,6±0,8 1 49 | 48 . 3 1175+6,4 24 | 19 63 |

110 с>Т. 16 77 7 | 3,4+0,211,7+0,1 7,0+0,3 1 2 | 17 31 1171^4,5 ос «.и | 16 гго |

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

05рз- 1 I 7 сут. 19 71 10 1 " 1 | 5,2+0,7|1,6+0,1 13,3+0,7 1 - 1 1 1 27 ( 44 23 1 113214,0 Г>1 1 | Оч 1 их 65 |

— »1 ■ |14 сут. 37 61 2 110,7+0,6(3,1+0,1 8,5+0,9 1 30 | 67 3 112813,8 32 1 пг> | 66 |

к'ГОТЬ (30 сут. 1 35 I 61 > 1 1 | 3,2+0,713,3+0,2 1 1 9,3±0,8 1 1 61 | I . . 1 °7 о 112612,1 | 45 | 31 1 СО 1 | 1 ' ... .... 1

рий (3£) (табл. 3). Естественно, гипоксия неизбежно привадит к недостатку кислорода е кровяном русле и, как следствие, к снижению снабжения миокарда кислородом. Этот дефект влечет га собой (Мэерсон, 1986) снижение окислительно-восстановительных продессо в митохондриях, лимитируя транспорт электронов в дыхательной цепи внутренней мембраны митохондрий, ограничивая скорость образования АТФ, создавая тем самым дефицит макроэргов. Такие сдвиги а метаболизма кардкомкоцизов и их зкергооб-разупцих структур, еидимо, проявляются уже на самых ранних сроках действия' гипоксии (3-4 сутки): в результате в кардио-мкоцитах значительно увеличивается число митохондрий с уплотненным матриксом, представляющих собой переходную форму между ортодоксальными и конденсированными органеллами и появляются конденсированные деэнергизованные формы митохондрий.

В негшертрофированных на этом этапе гипоксии кардиамио-цитах резко снижается (в 1,6-1,7 раза) число 1МК в более глубоких слоях сократимых клеток .(в околоядерной и межфибриллярной зонах) при их неизменном числе в субсарколеммальных околососудистых участках клеток. В условиях же короткого действия гипоксии, видимо, недостаток АТФ и снижение уровня его обр"озания происходит в первую очередь в межфибриллярных и околоядеркых зеках кардиомиацкта, где снижается число МЛК. Параллельно этому, изменяется и ультраструктура самих контактов, они укорачиваются и становятся прерывистыми.

В то же время на этом этапе опыта ещэ негипертрофированные кардиомиоцитн по-видимому, приспосабливаются к повреждающему действию гипоксии - стремятся адаптироваться к этим неблагоприятным условиям. Это' предположение подтверждается, в известной мере, увеличением размера митохондрий, возрастанием в них числа крист и, наконец, сохранением числа ШК на том же уровне, что I. в норме, и даже тенденцией к его увеличению в субсарколешальной оволососудистой зоне скопления митохондрий (табл. 3). . ■

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

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

-чохи

омиоцитов нз неблагоприятные воздействия является их гипертрофия, обусловленная гиперплазией их внутриклеточных • структур.

В гипертрофированных кардиомиоцитах отмечено 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 кардиомиоцитов.

По мнению Меэрсона,' 1973, 1902 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 миофябршл и других внутриклеточных структур.

2-х кратная гипертрофия кардиомиоцитов 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 диаьжтра приводят к уменьшению диффузного расстояния для кислорода между 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 компенсаторкуя реакция на действие гипоксии.

попытки некоторых исследователей выделить специфические признаки гипертрофированного' миокарда и кардиомиоцитов, характерные именно для гипоксии, ограничились лишь указанием на го, что в это случае возрастает число кровеносных капилляров (до 14Х). По-видимому, ю/енно гипоксия является мощным фактором, стимулирующим рост кровеносных кап" ".яров.

Таким образом, к 5-15 суткам действия гипоксии, кардио-ыгоциты миокарда правого желудочка сердца крыс приоСретасг 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 факторов, кардиомиоцитов уста-

новлеко п увеличение диаметра и длины клеток, и увели**

чение относительного объема миофкбрилл в объеме клетки, и изменения со стороны капилляров, число которых или возрастает, или уменьшается.

Практически все изменения со стороны хондриома, отмеченные на раннем этапа действия гипоксии, когда ещэ кардиомкоци-ты не гипертрофированы, нарастают .в гипертрофированных клетках и достигают максимальных значений к 10 суткам действия гипоксии С табл. ■ 3).

К этому периоду в гипертрофированных кардиомиоцитах по сравнению с интактными клетками резко (в 1,7 раза) падает объемное отношение митохондрии/миофибриллы (табл. 2). Этот факт прямо указывает на то, что пропорциональность энергооб-разующзго и сократительного компартмента в гипертрофированных кардиомиоцитах нарушена ва счет падения относительного объема митохондрий. Одновременно снижается и относительная площадь их поверхности. Таким образом, в гипертрофированных при гипоксии кардиомиоцитах уменьшается общее число митохондрий на фоке значительного роста кассы 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 атом также резко возрастает размеры профилей митохондрий — в 7 раз увеличивается процент крупных и на 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 окружающая среде. По-видимому, именно рост митохондрий является достаточно специфической реакцией этих органелл в гипертрофированных после действия гипоксии кардкомио-"тгах.

Не исключено, что нарастание числа крист в увеличенных в размере митохондриях, отмеченное г кастзяшэм исследовании уже нэ ранних стадиях действия гипоксии, целесообразно рассматривать не только как способ усилены в них окислительного фос-фор:шгрования, но и как ответную реакцию на рост самих орга-

НеЛЛ.

В этот же период (10-15 сутки) действия гипобаричэской гипоксии в гипертрофированных кардиомиоцитах миокарда правого желудочка сохраняются лишь единичные ортодоксальные формы митохондрий, резко падает по сравнению с ранним периодом (4 сутки) действия гипоксии число уплотненных органелл и основная масса - до 302 принимает конденсированную форму (табл. 3). Такие конформациоикыэ превращения митохондрий несомненно отражают изменения их метаболического состояния з сторону де-энкргизации. Анализ литературы дает возможность заключить, что конденсация митохондрий в кардиомиоцитах при гипоОаричес-кой гипоксш происходит в результате серьезных нарушений окислительно-восстановительных процессов в этих органеллах, которое сопровождается падением уровня АГФ и накоплению в них избытка АТФ.

В гипертрофированных на 10-15 сутки гипоксии кардиомиоцитах резко снижается число МШЬ в 2 и более раза в межфибриллярной зоне сократимых клеток и в 1,8 раза в околоядерной зоне (табл. 3). Это связано, видимо, с нарушением энергетики таган клеток, в частности, с дефицитом АГФ., Более значительное снижение, числа ШК в межфибриллярной зоне клеток возможно объясняется их меньшей устойчивостью к недостатку кислорода и АТФ. Снижение числа ШК в указанных гонах кардиомиоцитов указывает на явное нарушение.целостности электрического кабеля, сформированного митохондриями, как полагают Скулачев, 1959; Амченкева и др., 1986, 1938, 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 кабе'ля путей увеличения размеров митохондрий - путем появления значительно большего, чей в норме количества средних и крупных, вытянутых в длину органелл.

Особого анализа заслуживают поведение митохондрий в околососудистой субсарколеммалькой зоне гг зртрсфпрозанных при гипоксии кардиомиоцитах.

При гипоксии происходит уменьшение диффузионного расстояния между стенкой расширенных капилляров и митохондриями кардиомиоцитов. В связи с этил митохондрии, расположенные з субсарколеммальной околосссудисгсй зоне кардпсмпоцптсз находятся в наиболее благоприятных условиях обеспечения их доста-

точным количеством кислорода при его о5е?эм дефиците по сравнению с митохондриями околоядерной и межфибршшярной вон, лежавши в более глубоких участках клетки.

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

В условиях данного эксперимента показано, что в гипертрофированных при гипоксии кардиомиоцктах число таких зон заметно возрастает, количество митохондрий на определенную площадь саркоплазмы в этих эонах не изменяется, а к 15 суткам гипоксии даже' возрастает почти вдвое. Сами органеллы конденсируются позднее, чем происходит конденсация митохондрий в других участках кардиомиоцита, а, главное, число ШК 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 страдает 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 кардиомк-цятов при гипоксии позволяет, по-видимому, сохранить и поддержать не только морфологическую, но и функциональную целостность популяции митохондрий в этой зоне кардиомиоцитов и обеспечить адаптацию этих клеток к высотной гипоксии.

Вполне вероятно предположение, что околососудисгые зоны скопления митохондрий наименее чувствительные к условиям гипоксии, при общзи и быстро!: падении синтеза АТФ в клетке, является источником, откуда макроэргические соединения распространятся в другие клеточные зоны.

В межфибридлярной и субсарколеммалъной околососудистой зонах гипертрофированных при гипоксии кардиомиоцитов появляется мкоюзство липидных включений, , лежащее вблизи митохондрий.

Такие липидньк капли по своей химической природе являются триацил-глицеролами (тригдицеридами), которые представляют собой комплекс лирных кислот с глицеродом (Опи, 1928). Эти соединения рассматриваются как энергетический резерв клеток, т. к. при их расщеплении образуется в 2 раза больше АТФ, чем при расцзплении глвкозы (Ленинджер, 1985). Их возможно рассматривать, как запасаемые формы лилидов и появление повышен-

кого количества таких Еклкчечий з гипертрофированных при гипоксии кардиомиоцитах, видимо, следует расценивать как фактор, отражающий нарушение обмена жирных кислот в митохондриях (Ленинджзр, 1935; Опи, 1088), что влечет за собой снижение энергентического баланса в кардиомиоцитах.

В целом, в гшертроф1фованных при действии гипобаричес-кой гипоксии кардиомиоцитах, гиперплазии митохондрий характерной для гипертрофии этих клеток, стимулированной другими воздействиями, не происходит; напротив, на коротком сроке (10 -15 суток) действия гипоксии уменьшается количество ипохондрий, но увеличиваются их размеры.

Несмотря на появление некоторых признаков компенсатор-коприспоссбительнсй реакции митохондрий кардксккоцитов • ка действие гипобарическсй гипоксии (увеличение числа крпст в органеллах, поддержание целостности популяции митохондрий в околососудистой зоне клетки), в хондриомэ таких клеток происходят определенные изменения структурно-функциональной орга-

лосш^ш и/А^сЛйлш. Ьигжх и-ЛиНД^юл, иихеуп к^и!

кых включений в матриксе, снижение числа МЖ и увеличение количества жировых капель между митохондриями, которые указывает на существенные нарушения метаболизма самих органел и системы энергообеспечения кардиомиоцитов.

2.3. Обратимость морфологических и ультраструктурных изменений, возникших в гипертрофированных при действии гипобарической гипоксии кардиомиоцитах Шюгочисленные данные клинических и экспериментальных исследований убедительно доказьсвапт, что гипертрофия средца, его миокарда и кардиомиоцктов обратив» независимо от ее происхождения " и продолжительности. ■

Опыты с переводом животных после 10 дней пребывания их в барокамере в нормальные условия подтверждает этот вывод: почти все исследованные в данной работе параметры "кардиомиоци-тов, измененные в гипертрофированных при гипоксии клетках, проявляют тенденции к своему восстановлю :в (тСал. 1-3).

Процесс обратного развития гипертрофированных кардиошга-цитов правого желудочка после снятия действия гипоксга! происходит постепенно, и Еремя такой нормализации в 2-3 раза (14-30 дней) превышает врет, необходимое для развития самой

гипертрофии (5-15 с:,ток).

Так, размер самих клеток, оцениваемый по плосади 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 органеллы, если и нормализуются, то в разной степени и с различной скоростью. Относительный объем и относительная площадь поверхности миофибрилл не достигают нормы и оставтсй повышенными в 30 суткам (табл. 2).

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

Вместе с тем, существенным является то, что такие морфо-фуккциокальные параметры ультраструктурных элементов самих митохондрий, как число крист в них и число ¡¿¡.К восстанавливается достаточно быстро и полностью к месячному сроку обратимости (табл. 3).

Итак, отмеченные в работе особенности восстановления основных клеточных элементов гипертрофированных при гипоксии кардиомиоцитов пс-люстью подтверждают выводы, полученные другими исследованиям, не только в экспериментах с действием гипоксии, но и с влиянием других, ' индуцирующих гипертрофию кардиомиоцитов миокарда и сердца в целом агентов - перевязка аорты, гипарт гаия, физические нагрузки и др. воздействия (Непомнящих и др., 1936).

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 (ЗС суток) недостаточен для полной нормализации таких ведущих структур кардиомиоцитов, как миофибриллы и митохондрии.

ВЫВОДЫ

Проведенное светооптическое и алектронномикроскопическое

иселедованиэ хондриока кардиомиоцитов миокарда правого желудочка сердца крыс в норме и при действии гилобарической гипоксии позволяет сделать следующие еыводье

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

2. Хсндриом кардиомиоцитов реагирует на барокамерную ги-

Т1 п .-л . » пг пппи гг\яга(и

ииглоидI нец-:1.1Л о^сл роик. мил усппшл иауот? х уио.

а) на ранних этапах действия гипоксии (1-3 суток) в еиэ негипертрсфирсваккых кардвомкоцитах 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 межжгохондриальных контактов.

5) в гипертрофированных кардиомиоцатах на 5-15 сутки мсрфо-функциональные изменения митохондрий достигает своих максимальных величину' параллельно зтому увеличивается размеры митохондрий, падает численная плотность органелл в околоядер- ■ ной и межфибрилдярной зонах кардиомиоцитов.

3. Межмитохондриальные контакты оОладают наиболыаей чувствительностью к дефициту кислорода и при гипоксии реаги-

птгкчч г» гтлштИп' * Л» «т«г\ 1»л

у^вл. п лсу&з л> очереди. . сллчсллс-ч^л uvuмiJf чуих длеп.

ность", ультраструктур и осмиофильность.

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

а) наибольшей чувствительность*} отличается межфиСрилляр-ные митохондрии - в них число на единицу плоиади саркоплазмы падает, .а число межмитохондриальных контактов снижается, достигая минимального значения (13%) в конце эксперимента;

6) в околоадеркоЯ гоне _ число митохондрий на единицу площади снижается . медленно и падает в 2 раза в конце действия гипоксии, тогда как . число иежяггохендряалькьк мзнтзктсв

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

в) наиболее устойчивой к дефициту кислорода являесгя популяция субсарколеммальных околососудистых митохондрий: га число увеличивается, они конденсируются только в конце опыта, и между ними возрастает количество меимитохондриальных контактов.

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

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Абдулла А., Шэрникова М. Е , Кошелев В. В., Ченцов ¡0. С. Ыорфоиетрическое и авторадиографическое исследование кардиомиоцитов крыс в норме и при гипобарической ги-покски//Вестнкк псковского Университета. - 1991. -сер. 16, Биология, N3. - С. 46-57.

г. Абдулла И., Шэрникова М. в., Ченцов Ю. С. Влияние гипобарической гипоксии на ультрасгруктуру митохондрий кардкомиоцитов кркс//Цитология. - 1991. - Т. 33, N5. -С. 82-83.

3. Абдулла Л., Еориккава 1,1 В., Ченцов О. С. Количественная характеристика мехштохондриалькых контактов в нормальных и гипертрофированных кардиомиоцитах крыс / /Цитология. - 1991. - Т. 33, N10. - С.

Подписано в печать /1, 06 щ£г.__________ Зак

.ЧАЛОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ПЕТНТ^