CELLULAR MECHANISMS OF REACTIVITY OF AIRWAY AND URINARY SYSTEM SMOOTH MUSCLE

Full Text

В предыдущих работах [2, 9, 11] нами дана структурно-функциональная характеристика гладкой мышечной ткани (ГМТ) различных висцеральных органов (желудочно-кишечный тракт, мочевыделительная система, воздухоносные пути). Были выявлены общий принцип тканевой детерминации интактной ГМТ, а также фенотипическая модуляция лейомиоцитов, связанная с особенностями функциональной деятельности органов. Целью настоящего исследования стало проведение сравнительного структурно-метаболического анализа ГМТ различных отделов мочевыносящих и воздухоносных путей в условиях нормального функционирования и выявление базисных клеточных и тканевых механизмов реактивной трансформации мускулатуры данных органов, связанных с изменением функциональной нагрузки по обструктивному типу. Изучение механизмов тканевой реактивности ГМТ данных органных систем в условиях сравнимых изменений функциональной нагрузки на примере выбранной модели человека (так как иные модели практически невозможны) представляется актуальной в связи с тем, что расшифровка тканевых цитологических механизмов работы гладкой мускулатуры создает базу для разработки новых эффективных методов лечения таких распространенных форм заболеваний, как обструктивные поражения мочеточника, хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ), и связанных с ними тяжелых осложнений (хроническая почечная недостаточность, гидронефроз, хроническая легочная недостаточность). Методы Изучение морфофункциональной организации гладкой мускулатуры мочевыносящих и воздухоносных путей человека проводили на операционном материале резецированных интактных отделов (почечная лоханка, проксимальный и дистальный отделы мочеточников, резецированных отделов легких, включающих бронхи крупного, среднего и малого калибра) людей в возрасте 40-60 лет, прооперированных по поводу опухолей почек с частичной резекцией мочевого пузыря (12 пациентов) и периферических опухолей легких (20 пациентов). Изучение этого материала в качестве группы сравнения является общепринятой в мировой практике [9]. В анамнезе у пациентов отсутствовали вентиляционные нарушения и хронические воспалительные заболевания мочевыделительной системы, что позволило рассматривать их в качестве группы сравнения при изучении реактивных трансформаций ГМТ. Исследование реактивной структурно-метаболической перестройки ГМТ бронхов и различных отделов мочевыделительной системы проведено на материале идентичных отделов данных органов при развитии нарушения проходимости по обструктивному типу. Анализ нарушения вентиляции обструктивного типа проведен на материале легких пациен- 20 Экология человека 2014.11 Экологическая морфология тов с ХОБЛ средней степени тяжести (16 пациентов). Наличие обструкции было подтверждено данными спирографии (жизненная емкость легких - ЖЕЛ составила 85-95 %, объем форсированного выдоха - ОФВ1 50-74 %. Уровень преимущественной обструкции у всех пациентов оценивался по показателям средней объемной скорости выдоха на уровне 50 - 75 % форсированной ЖЕЛ). Материал дистального отдела мочеточника получен у 8 пациентов, прооперированных по поводу опухолевого процесса мочевого пузыря, обтурирующего устье мочеточника, сопровождающегося стойкими нарушениями проходимости органа. Диагноз у обеих групп пациентов был подтвержден данными функциональной и лабораторной диагностики. Фиксация материала осуществлялась в 10 % формалине на фосфатном буфере (РН = 7.2-7.4) в течение 14 - 20 суток. Для получения изолированных гладких мышечных клеток (ГМК) использовали метод прицельной клеточной диссоциации [5]. Исследование ДНК в ядрах проводили по методу Фёльгена, суммарный белок цитоплазмы выявляли амидочерным. Оптическую плотность ядер и цитоплазмы определяли цитоспектрофотометрическим методом на сканирующем цитофотометре (МФТХ-2М) при длине волны 546 нм для ядер, 580 нм для цитоплазмы. Объемы гладких миоцитов и их ядер вычисляли по формуле эллипсоида. Цифровой материал обрабатывали методом вариационной статистики с вычислением среднего арифметического (X) и его стандартной ошибки (sx), коэффициента вариации, асимметрии и эксцесса. Степень вероятности отличий (p) измеряемых величин определяли с помощью t-критерия Стьюдента при p < 0,05. Статистическую обработку результатов проводили с помощью программной си стемы Statistica 6.0. Для выявления существования взаимосвязей между некоторыми параметрами гладких миоцитов использовали регрессионный анализ. Для электронно-микроскопического анализа препараты обрабатывали по общепринятой методике и просматривали в электронном микроскопе JEM-100 CX. Результаты Характер гистограмм распределения продемонстрировал вариабельность объема ГМК в составе мышечной ткани всех исследованных отделов легких и мочевыносящих путей. Гладкая мышечная ткань включала три группы миоцитов - малые, средние, большие (рис. 1). Дифференцированный анализ выявил различия не только в объемных, но и метаболических характеристиках различных типов ГМК. Малые миоциты характеризуются наибольшим ядерно-цитоплазменным отношением и высоким содержанием суммарного белка в цитоплазме. В этой группе наибольшая доля гипер-плоидных миоцитов (24,8 % в мочеточнике, 34,9 % в бронхах). Средние миоциты представляют зрелую и функционально активную субпопуляцию. Удельный вес гиперплоидных клеток в этой группе составил 9,8 % в мочеточнике, 19,2 % в бронхах. Большие миоциты характеризуются наименьшим ядерно-цитоплазменным отношением, представительство ДНК-синтезирующих миоцитов в этой группе также наименьшее на всех уровнях мочевыносящих путей (9,4 % в мочеточнике и отсутствие в бронхах). Уровень цитоплазматического белка ниже, чем в других миоцитах. Нами выявлено сходное изменение структуры популяции ГМК на разных уровнях бронхов (от мелких к крупным) и мочевыносящих путей (от почечной лоханки к дистальному отделу), которое проявляется снижением долевого содержания малых миоцитов Рис. 1. Распределение гладких миоцитов мочеточника взрослого по объему клеток с кривой нормального распределения. По оси абсцисс - объем клеток в мкм3, по оси ординат - количество клеток в процентах 21 Экологическая морфология Экология человека 2014.11 Средний бронх Рис. 2. Структура популяции гладких мышечных клеток различных отделов мочевыносящих и воздухоносных путей человека и нарастанием представительства больших ГМК (рис. 2). К дистальному отделу мочеточника и по мере увеличения калибра бронхов параллельно с увеличением долевого содержания больших миоцитов отмечается снижение представительства гиперплоидных клеток (с 20,7 % в почечной лоханке до 6,4 % в дистальном отделе мочеточника, с 40 % в мелких бронхах до 10 % в бронхах крупного калибра). В мочеточнике отмечается нарастание синтетических процессов в цитоплазме миоцитов, о чем свидетельствует рост представительства клеток с высоким показателем оптической плотности белка в цитоплазме с 14,3 % в области почечной лоханки до 33,7 % в проксимальном и 84,3 % в дистальном отделе мочеточника. В бронхах долевое содержание клеток с высоким уровнем цитоплазматического белка снижается с 35 до 18 % (малого и крупного калибра соответственно). Электронно-микроскопическое исследование ГМТ отделов мочевого тракта и воздухоносных путей подтверждает полученные данные и свидетельствует о том, что в ее состав входят клетки, характеризую Морфометрические и цитофотометрические показатели лейомиоцитов бронхов и дистального отдела мочеточника человека в норме и при заболеваниях, среднее арифметическое Х ± х Показатель Бронхи норма Обструктивные нарушения вентиляции легких Дистальный отдел мочеточника норма Обструкция мочеточника Объем миоцитов, мкм3 1914,41 ± 48,4 2246,7 ± 56,18** 3952,25 ± 141,96 5701,7 ± 201,18*** в т. ч.: малых 717,0 ± 11,3 700,8 ± 16,6 1131,14 ± 86,3 1148,17 ± 50,37 средних 2122,7 ± 29,8 2201,9 ± 31,47** 3268,99 ± 88,32 3127,4 ± 61,06 больших 5728,7 ± 225,1 5800,1 ± 143,37** 6830,4 ± 218,14 9201,14 ± 327,6*** Структура популяции, %: малые, средние, большие ГМК 39,0 51,6 9,4 29,3 57,4 13,3 10,5 76,7 12,8 4,1 52,2 43,7 Ядерно-цитоплазматическое отношение миоцитов 0,064± 0,002 0,082 ± 0,011 0,038 ± 0,0014 0,037 ± 0,002 в т. ч.: малых 0,11 ± 0,004 0,283 ± 0,037 0,066 ± 0,0096 0,11 ± 0,028** средних 0,040 ± 0,002 0,049 ± 0,0008 0,041 ± 0,0016 0,044 ± 0,003 больших 0,02 ± 0,002 0,016 ± 0,0006 0,024 ± 0,0018 0,02 ± 0,0008 Оптическая плотность ядер миоцитов, отн. ед. 0,68 ± 0,007 0,70 ± 0,0058* 0,896 ± 0,009 0,724 ± 0,006** в т. ч.: малых 0,781 ± 0,027 0,715 ± 0,009* 0,91 ± 0,024 0,78 ± 0,029 средних 0,746 ± 0,011 0,69 ± 0,007* 0,897 ± 0,009 0,726 ± 0,008 больших 0,678 ± 0,013 0,68 ± 0,04* 0,872 ± 0,032 0,718 ± 0,009 Миоциты с гиперплоидными ядрами, % 23,0 12,8 6,4 2,5 в т. ч.: малых 34,9 17,4 8,9 4,8 средних 19,2 11,0 3,8 2,6 больших - 10,5 5,9 0,4 Оптическая плотность суммарного белка цитоплазмы, отн. ед. 0,409 ± 0,002 0,45 ± 0,003** 0,569 ± 0,0065 0,512 ± 0,003** Содержание миоцитов с высокой оптической плотностью цит., % 24,5 68,7 48,2 31,3 Примечание. Статистически значимые р < 0,001 и выше. различия с интактным материалом: * - р < 0,05 и выше; ** - р < 0,01 и выше; 22 Экология человека 2014.11 Экологическая морфология щиеся различиями в ультраструктурной организации. Она содержит типичные сократительные ГМК, малодифференцированные миоциты, интерстициальные клетки, а также ГМК, характеризующиеся различной электронной плотностью цитоплазмы [10]. Изучение ГМТ при обструктивном типе нарушения проходимости, сопровождающемся снижением функциональной нагрузки, выявило статистически значимое нарастание средних объемных показателей лейомиоцитов в обеих органных системах (таблица). При этом изменения структуры популяции характеризуются снижением доли малых и средних при существенном возрастании представительства больших лейомиоцитов. Обструктивный тип нарушения проходимости мочеточника и бронхов вызывает значительное снижение количества гиперплоидных клеток. Наиболее сильно это отразилось на группе малых ГМК как в бронхах, так и в мочеточнике. Исследование содержания цитоплазматических белков обнаружило различную модуляцию этого показателя в бронхах и мочеточнике. При обструкции мочеточника выявлено статистически значимое уменьшение миоцитов с высоким уровнем цитоплазматических белков во всех группах клеток, что отражает различный характер перестройки внутриклеточных обменных процессов в разных субпопуляциях миоци-тов в ответ на изменение функциональной нагрузки. Ультраструктурный анализ свидетельствует о том, что наряду с отеком межклеточного вещества, сопровождающимся увеличением пространства между миоцитами и нарушением межклеточных коммуникаций, были выявлены кластеры миоцитов, имеющих изменения некротического типа. В цитоплазме гибнущих мио-цитов наблюдались очаги деструкции миофиламентов и появление миелиновых телец, образование многочисленных вакуолей и расширение перинуклеарного пространства (рис. 3). Наши данные подтверждают мнение ряда авторов [7, 12] о том, что при развитии обструктивного синдрома возможны повреждения Рис. 3. Участки деструкции миофиламентов, вакуоли в цитоплазме гладкого миоцита мочеточника при обструкции. В - вакуоли; МТ - миелиновые тельца; Мф - миофиламенты. Ув.: 17 000 гладких миоцитов по типу некротических изменений. Наряду с этим мы можем констатировать наличие клеток с ультраструктурными характеристиками, которые характерны для апоптотических процессов (рис. 4). Рис. 4. Апоптотически измененная гладкая мышечная клетка мочеточника при обструкции. Я - ядро миоцита; В - вакуоли. Ув.: 15 000 При обструктивном типе нарушения вентиляции легких отмечается статистически значимое увеличение показателя оптической плотности цитоплазмы. Снижение пролиферативной активности в сочетании с повышением доли миоцитов с высоким уровнем цитоплазматического белка может быть обусловлено их трансформацией к синтетическому фенотипу. При общеморфологическом исследовании в стенках бронхов нами показано возрастание количества фибриллярных компонентов, деформирующих структуру гладкомышечных пучков. При электронно-микроскопическом анализе выявляются клетки с ультра-структурными параметрами синтетического типа ГМК. Обсуждение результатов Полученные новые данные о структурно-метаболической организации уровней мочевыносящих путей и разных генераций бронхов подтверждают общие закономерности, выявленные ранее в висцеральной ГМТ [3], а также определяют особенности организации данных зон, обусловленные физическими и функциональными особенностями [1, 4, 6, 8]. В мочеточнике они связаны с уменьшением собственной спонтанной частоты сокращений гладких миоцитов и совпадают с направлением импульсов миогенного ритма, идущих из областей первичной пейсмекерной активности, расположенных в области почечной лоханки, которые регулируют ритм сокращений гладкой мускулатуры. Область дистального отдела мочеточника формирует границу между верхним и нижним мочевым трактом с большими колебаниями давлений, обеспечивая свободное продвижение мочи против градиента давления. Вероятно, поэтому увеличение в структуре популяции дифференцированных форм миоцитов обусловливает повышение способности к сокращению дистального отдела и предотвращает 23 Экологическая морфология Экология человека 2014.11 возникновение рефлюкса мочи. В легких ламинарный тип воздушного потока и меньшая его скорость в мелких бронхах создают меньшее тангенциальное напряжение на их стенки, что обусловливает более высокое содержание миоцитов с низким уровнем дифференцировки в составе их ГМТ. Высокое представительство малых и средних миоцитов в структуре мелких бронхов, очевидно, является оптимальным для поддержания постоянного тонического напряжения и регуляции воздушных потоков. Компенсаторно-приспособительные реакции ГМТ бронхов и мочеточников в условиях изменения режима ее функционирования по обструктивному типу реализуются сходными механизмами. Нами показано, что обструктивный тип нарушения проходимости мочеточника вызывает более выраженную тканевую реакцию. Снижение функциональной нагрузки на орган наряду с увеличением средних объемов ГМК, падением пролиферативной активности миоцитов сопровождается также глубоким угнетением их синтетической активности. «Постарение» популяции ведет к уменьшению адаптационных возможностей мускулатуры мочеточника, что приводит к декомпенсации функциональной деятельности мочевыносящих путей. В легких же небольшое изменение внутреннего диаметра мелких бронхов ведет к значительному увеличению сопротивления и затруднению вентиляции нижележащих отделов воздухоносных путей. Это формирует перераспределение токов воздуха в крупных бронхах и возникновение дополнительных турбулентных воздушных потоков. Данные изменения повышают тангенциальное напряжение на стенку бронхов и действуют на лейомиоциты как фактор повышенной функциональной нагрузки. Это вызывает наряду с общими с мочеточником изменениями активацию процессов цитоплазматического синтеза в миоцитах, вероятно обусловленную трансформацией миоцитов от контрактильного к синтетическому фенотипу. Несмотря на выраженные вентиляционные нарушения, в данном случае мы можем говорить о сохранении работоспособности органа в новых условиях функционирования. Это обеспечивается регенераторно-гиперпластическими процессами, приводящими к резкой структурной перестройке ткани. Таким образом, выявленные в результате исследования данные подтверждают наличие взаимосвязи величины функциональной нагрузки и степени функциональных нарушений гладкой мышечной ткани двух органных систем и динамического изменения метаболических параметров и структуры клеточной популяций.

About the authors

E Nikolaevna Bashilova

Northern State Medical University

Email: ebashilova@mail.ru

A L Zashikhin

Northern State Medical University

Yu V Agaphonov

Northern State Medical University

References

Supplementary files