22 мая 2016г.
На основании исследования функции и частично морфологии делается заключение о стадиях адаптации сердца в условиях высокогорья [3, 4, 5]. Однако данные, полученные в покое не раскрывают потенциальные возможности живых систем и на их основе невозможно делать обобщающие выводы.
Целью настоящего исследования явилось установление ультраструктурных основ реакции кардиомиоцитов левого желудочка миокарда при физической нагрузке с максимальным потреблением кислорода.
Материал и методы исследования
Работа выполнена на собаках в предгорье (760 м над ур. м.) и на 5-7, 15, 30-е сутки адаптации на высокогорье (3200 м. над ур. м.). Тестовая нагрузка включала в себя бег собак со скоростью 5, 10, 15 км/ч в течение 5 минут каждой ступеньки и 20-27 км/ч до отказа, который наблюдался после достижения уровня максимального потребления кислорода (VO max).
Кусочки миокарда фиксировались в растворе глутарового альдегида и 1 % растворе осмиевой кислоты на фосфатном буфере при рН -7, 4, материал заливали в смесь эпона и аралдита. Срезы готовили на ультратомах LKB-8800 и микроскопировали в электронном микроскопе JEM-100. Морфометрию электроннограмм проводили по В. С. Паукову и В. А. Фролову [6].
Результаты и их обсуждение
При максимальной нагрузке, по сравнению с покоем на 5-7 сутки пребывания животных на высокогорье кардиомиоциты характеризуются вне- и внутриклеточным отеком, увеличением размеров на 15-20 %. Сарколемма отдельных кардиомиоцитов становится расплывчатой, количество и размеры пиноцитозных пузырьков увеличиваются, промежуток между базальной и плазматической мембранами расширяется. Инвагинации сарколеммы на уровне дисков Z – каналы Т-системы расширяются и покрыты гликокаликсом. Доля внутренней сарколеммы по отношению к клеточной поверхности нарастает на 10-15 %. Отношение суммы площади внешней сарколеммы к единице объема кардиомиоцитов поддерживается на постоянном уровне в результате разрастания каналов Т-системы в гиперплазии органелл кардиомиоцитов. Каналы Т-системы в околоядерной зоне кардиомиоцитов правого желудочка дилатированы в большей степени, чем в левом. Канальцы и цистерны агранулярной саркоплазматической сети расширены, особенно вблизи сарколеммы.
Роль диад субсарколеммальных цистерн саркоплазматической сети как основного компонента «кальциевого насоса» нарастает при гиперфункции сердца, учитывая преобладающую локализацию Ca2+- активируемой АТФ-азы, аденилатциклазы и неспецифической холинэстеразы на их поверхности. Для роста внутриклеточной концентрации свободного Ca2+до механического порога необходимо его поступление с поверхности сарколеммы. Поверхностно - связанный Са2+ является критическим фактором в ионном контроле сокращения миокарда независимо от того, осуществляет ли он этот контроль прямой активацией или вызывает высвобождение Са2+ из саркотубулярной системы [2]
Плазматические мембраны прилежащих кардиомиоцитов образуют вставочные диски причудливой формы. На долю вставочных дисков приходится около половины площади сарколеммы, что повышает механическую сопряженность клеток рабочего миокарда.
Митохондрии скапливаются в околоядерной зоне. На одной электроннограмме насчитывается 16,0±2,1 митохондрий с 7-8 кристами, средняя площадь одной митохондрии в одной электрограмме – 0,4±0,1 мкм2, коэффициент энергетической эффективности митохондрий составляет 39,9%, вместо 100% – в норме. Миофибриллы содержат слабо организованные пучки миофиламентов, что сочетается с синтезом сократительных белков на рибосомах и полирибосомах, а также с лизисом миофиламентов.
Физическая нагрузка с максимальным потреблением кислорода на фоне хронической высокой гипоксии обуславливает гиперфункцию кардиомиоцитов, находящихся в состоянии вне- и внутриклеточного отека. Гиперфункция миофибрилл и одновременный синтез миофиламентов требуют адекватного энергетического обеспечения. Однако миофибриллы не получают достаточного энергетического обеспечения и развивается гипотония кардиомиоцитов. Для поддержания должной гемодинамики в единовременную работу вступает больше, чем в покое капилляров. Нарушается принцип перемежающейся активности функционирующих и нефункционирующих капилляров.
На 15 сутки пребывания животных на высокогорье после завершения тестирующей нагрузки вне – и внутриклеточный отек слабо выражен, кардиомиоциты увеличены в размерах на 20-25% в результате внутриклеточной гиперплазии органелл. Наряду с гипертрофией наблюдается картина атрофии рабочих клеток мииокарда в связи с подавлением внутриклеточного синтеза ультраструктур.
Сарколемма гипертрофированных кардиомиоцитов обильно покрыта гликокаликсом, имеет множественные инвагинации и большое количество пиноцитозных пузырьков. В атрофированных кардиомиоцитах сарколемма уплотнена, инвагинации мелкие, содержат незначительное количество пиноцитозных пузырьков. В гипертрофированных кардиомиоцитах каналы Т - системы и саркоплазматическая сеть интенсивно разрастаются, доля их по отношению к клеточной поверхности достигает 20%. Суммарная поверхность сарколеммы, ее дериватов и структур, ассоциированных с ней, к объему клетки нарастает на 7,5%. В атрофированных клетках сократительного миокарда данный показатель снижается на 43,5%. Другими словами, морфологический субстрат электромеханического сопряжения нарастает при гипертрофии и редуцируется при атрофии кардиомиоцитов.
Митохондрии в гипертрофированных кардиомиоцитах содержат 12,0±0,5 крист, средняя площадь органелл составляет 0,6±0,02 мкм2. На одной электроннограмме располагается 17,0±2,5 митохондрий, общая площадь которых равна 5,2±0,05 мкм2. Общее количество крист всех митохондрий равняется 167,0±10,7. Коэффициент энергетической эффективности митохондрий равен 60%, что на 21% больше, чем в предыдущих экспериментах, на 40% - меньше, чем в покое. В атрофированных кардиомиоцитах коэффициент энергетической эффективности митохондрий не превышает 20%. Органеллы мелкие, кристы низкие, часто фрагментированы.
Миофибриллы в гипертрофированных кардиомиоцитах толстые и могут быть двух видов. В одном случае они плотно упакованы миофиламентами, в другом - миофиламенты разрознены. В атрофированных кардиомиоцитах миофибриллы истончены, миофиламенты подвергнуты лизису, что, в конечном счете, заканчивается апоптозом. В этих клетках содержится множество лизосом, аутофагосом, создается впечатление исчезновения миофибрилл без видимой альтерации. Имеются кардиомиоциты, где лизис сочетается с синтезом миофиламентов, которые располагаются под разными углами к продольной оси клеток.
На 30 сутки пребывания животных на высокогорье максимальная физическая нагрузка совершается на фоне гипертрофии сердца и высокогорной легочной гипертензии. Кардиомиоциты при этом могут находиться в состоянии гипертрофии, атрофии, некрофанероза и некроза.
Гипертрофированные кардиомиоциты характеризуются гиперплазией органелл, увеличением объема цито – и кариоплазмы. Ядра увеличены в 1,5 раза, что может быть следствием усиления синтеза белка и других генетически зависимых синтетических процессов [1]. Количество хроматина в ядре повышено, ядерные поры расширены, увеличивается количество и размеры ядрышек.
Митохондрии содержат до 20 и более высоких крист, без видимого нарушения внутреннего строения органелл. Часто встречаются гигантские митохондрии с гиперплазией субмитохондриальных структур. В них насчитывается до 50 крист. Средняя площадь одной митохондрии составляет 0,8±0,01мкм2. В результате гипертрофии митохондрий, на одной электроннограмме помещается их меньше (13,5±2,5 экземпляров), чем в предыдущие сроки эксперимента. Общее количество крист равно 189,3±20,8. Коэффициент энергетической ценности митохондрий составляет 56%.
Атрофированные кардиомиоциты находятся в состоянии увядания, длина их уменьшается до 50-60 мкм, диаметр до 15-20 мкм. Ядра кардиомиоцитов мелкие, длина их не превышает 6-7 мкм, а диаметр 2-3 мкм, количество хроматина снижено, ядерные поры выражены слабо. Митохондрии размером 0,2 мкм в длину и 0,1 мкм в диаметре, имеют площадь равную 0,18±0,01 мкм2. На одной электроннограмме содержится 14,3±0,2 митохондрий с общей площадью 3,0±0,1 мкм2. Общее количество крист всех митохондрий на одной электроннограмме составляет 53,4±0,7. Коэффициент энергетической эффективности митохондрий равняется 10%. Миофибриллы истончены, становятся расплывчатыми, миофиламенты подвергаются лизису и деструкции, количество их уменьшается.
Список литературы
1. Авцын А.П., Шахламов В. А. Ультраструктурные основы патологии клетки. - М.: Медицина, 1979. - 320 с.
2. Лангер Г.А., Филтсон К. Ф., Берс Д. М. Кальций на поверхности клетки: его роль в регуляции сокращения миокарда. Метаболизм миокарда. - М.: Медицина. - 1981. - С. 11-22.
3. Миррахимов М.М. Сердечнососудистая система в условиях высокогорья. - Л. . Медицина, 1968. - 158 с.
4. Миррахимов М.М., Гольдберг П. Н. Горная медицина. - Фрунзе: Кыргызстан. - 1978. - 181 с.
5. Миррахимов М.М., Мейманалиев Т.С. Высокогорная кардиология. - Фрунзе: Кыргызстан. - 1984. - 316 с.
6. Пауков В.С., Фролов В. А. Элементы теории патологии сердца. - М. Медицина, 1982. - 271 с.
