Кількісна ультраструктурна характеристика перебудов мітохондріального апарата скоротливих кардіоміоцитів шлуночків у пренатальному онтогенезі за умов хронічної гіпоксії

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Медицина


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ПЩЭлОПГЯ]
ОРИГІНАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ / ORIGINAL RESEARCHES
УДК 611. 127:611. 018:611. 013
М. В. Іванченко
Кількісна ультраструктурна характеристика перебудов мітохондріального апарата скоротливих кардіоміоцитів шлуночків у пренатальному онтогенезі за умов хронічної гіпоксії
ДЗ «Дніпропетровська медична академія МОЗ України»
Ключові слова: щури, міокард, кардіогенез, мітохондрії, гіпоксія.
Виконано кількісний ультраструктурний аналіз особливостей формування і реакцій мітохондріального апарата кардіоміоцитів щурів на етапах пренатального онтогенезу за умов хронічної внутрішньоутробної гіпоксії в експерименті. Аналіз показав, що хронічна гіпоксія призводить до затримки темпів мітохондріального росту та розвитку гетерогенності органел. Динаміка змін досліджуваних параметрів відрізняється у відділах серця та залежить від зони міокарда.
Количественная ультраструктурная характеристика перестроек митохондриального аппарата
сократительных кардиомиоцитов желудочков в пренатальном онтогенезе в условиях хронической гипоксии
М. В. Иванченко
Проведен количественный ультраструктурный анализ особенностей формирования и реакций митохондриального аппарата кардиомиоцитов крыс на этапах пренатального онтогенеза в условиях хронической внутриутробной гипоксии в эксперименте. Анализ показал, что хроническая гипоксия приводит к задержке темпов митохондриального роста и развития гетерогенности органелл. Динамика изменений исследуемых параметров отличается в отделах сердца и зависит от зоны миокарда.
Ключевые слова: крысы, миокард, кардиогенез, митохондрии, гипоксия.
Патология. — 2013. — № 3 (29). — С. 66−70
Quantitative ultrastructural characteristics of the mitochondria network of ventricular muscle cells
during prenatal ontogeny under the chronic hypoxia
M.V Ivanchenko
We have studied a quantitative ultrastructural analysis of the formation and reactions of the mitochondria network in rat muscle cells during prenatal ontogeny under the chronic hypoxia in the experiment. Analysis showed that chronic hypoxia leads to delayed rate of growth and development of the mitochondria heterogeneity. Changes of the parameters are different in the heart parts and depend upon the layer of myocardium.
Key words: rats, myocardium, cardiogenesis, mitochondria, hypoxia.
Pathologia 2013- № 3 (29): 66−70
Хронічна внутрішньоутробна гіпоксія, що зумов- здатність органел зростає, а рівень білків дихального
лена материнськими, плацентарними та плодо- ланцюга переносу електронів і їхня активність збільшу —
вими факторами, призводить до виснаження резервних ються більш ніж удвічі [4]. Серце з відповідно розвине-
можливостей організму новонародженого та викликає ним мітохондріальним апаратом стає підготовленим до
порушення адаптаційних процесів у постнатальному збільшення післяпологового метаболізму. Резистент-
періоді [1]. За даними фахової літератури, у 40−70% ність серцев°ї ттанини до нестачі кисню (гіпотаї) у
новонароджених виявляють ураження серцево-су- п^штажшму серці жачш вища шж у зрілому мюкарді
динної системи внаслідок дії патологічно низького
[5]. Однак індуковані гіпоксією перебудови метаболізму
рівня кисню у пренатальному періоді [2]. Відомо, що мітохондрій призводять ДО зміни щільності упакувашя,
с- ^ кількості, розміру органел, динамічних трансформацій
забезпечення енергетичних потреб серця як одного з. _. …
.. зовнішньої й, особливо, внутрішньої мітохондріальної
найбільш енергозалежних органів визначається функ-, .
мембрани, ультраструктури крист і, як наслідок, іншого
ціонуванням мітохондріального апарата, насамк^ рівня інтенсивності синтезу АТФ і реалізації нормальної
АТф-продукуючою функцією органел.3 ясування ролі скоротливої функції серця. Характер реакцій мітохондрій
порушень мітохондрій у формуванні різноманітних на механізми, які модулюють їх ефективність функції і
пренатальних ушкоджень серця зумовило необхідність можуть вплинути на чутливість міокарда до кисневого
дослідження внутрішньомітохондріальних реакцій у голодування в онтогенезі, потребують подальшого аналі-
реалізації патоморфологічних змін. зу, тому вивчення особливостей перебудови мітохондрі-
За нормальних умов пренатальний розвиток мітохон- ального апарата у комбінації із сучасними теоретичними
дрій характеризується кількісними і якісними перебудо- уявленнями мітохондріології залишаються надзвичайно
вами органел [3], і вже до кінця ембріонального періоду перспективними.
на кристах мітохондрій серця активно перебігають про- Мета роботи
цеси окисного фосфорилювання. Протягом ембріональ- Кількісний ультраструктурний аналізі особливостей
ного періоду та до періоду новонародженості окисна формування і реакцій мітохондріального апарата кар-
© М. В. Іванченко, 2013
діоміоцитів щурів на етапах раннього кардіогенезу за умов хронічної пренатальної гіпоксії в експерименті.
Матеріали і методи дослідження
Дослідження виконали на білих безпородних щурах-самках і їхньому потомстві. Як матеріал використали серця ембріонів на 14, 16, 18, 20 добу пренатального онтогенезу. Хронічну пренатальну гіпоксію моделювали на вагітних самках шляхом внутрішньоочеревинного введення 1%-го нітриту натрію від 10- до 21-ї доби вагітності в дозі 5 мг/100 г ваги — дозі, що викликає гіпоксію середнього ступеня тяжкості [6]. Контрольним тваринам внутрішньоочеревинно вводили 1 мл 0,9%-го фізіологічного розчину натрію хлориду. Ембріональний матеріал експериментальних тварин отримували в лабораторних умовах відповідно до рекомендацій Ю.М. Кожем’якіна і співавт. [7].
Дослідження виконали відповідно до законодавства України (Закону України «Про захист тварин від жорстокого поводження» від 15. 12 2009 р. № 1759-VI).
Отримані зразки різних ділянок міокарда готували до електронномікроскопічного дослідження за стандартною методикою. Дослідження виконали в лабораторії електронної мікроскопії ДЗ «ДМА МОЗ України» за допомогою трансмісійного електронного мікроскопа ПЭМ-100−01 («SELMI», Україна) при напрузі прискорення 75−80 кВ і первинних збільшеннях від 2000 до 80 000.
Кількісне морфологічне дослідження міокарда виконували за допомогою програмного пакета ImageJ 1,47v (автор Wayne Rasband, National Institute of Mental Health, USA), використовуючи загальні принципи стереометричного аналізу, викладені Г. Г. Автанділовим [8]. Кількісну оцінку ультраструктурних змін виконали через підрахунок щільності упакування і кількісної щільності мітохондрій, питомої площі поверхні внутрішньої мембрани мітохондрій (враховуючи мембрану крист) субепікардіальної, трансмуральної, субендокардіальної зон міокарда лівого та правого шлуночків. Морфоме-тричні дані опрацьовували статистично. Вірогідність відмінностей між вибірками визначали з урахуванням параметричного t-критерію Стьюдента, а також непа-раметричного критерію Вілкоксона у разі відсутності нормального розподілу.
Результати та їх обговорення
Дослідження динаміки змін щільності упакування і кількісної щільності мітохондрій скоротливих кардіоміоцитів (Кмц) за умов гіпоксичного ушкодження кардіогенезу засвідчило достовірну затримку розвитку мітохондріального апарата від 16-ї доби пренатального онтогенезу у правому шлуночку. Встановили залежність зміни параметрів від зони міокарда (рис. 1, 2).
Зокрема, для інтрамуральної зони стінки правого шлуночка в зазначений термін розвитку відзначили зменшення показника щільності упакування мітохондрій на 34,1% (p& lt-0,05), а кількісної щільності - на 29,4% (p& lt-0,05) порівнюючи із групою контролю. В субепікар-діальній зоні названі показники були достовірно нижчі на 35,3% і 31,1% відповідно.
о. з
0. 25
14 доба 16 доба
Субелікардіальна зона Контроль? Інтрамуральна зона. Контроль? Субендокардіальна зона. Контроль
18 доба 20 доба
¦ Субелікардіальна зона Гіпоксія в Інтрамуральна зона. Гіпоксія в Субендокардіальна зона. Гіпоксія
Рис. 1. Динаміка змін щільності упакування мітохондрій у саркоплазмі скоротливих Кмц правого шлуночка (мкм3/мкм3) на етапах пренатального онтогенезу.
Примітка: * - достовірна відмінність від групи контролю (р& lt-0,05).
Рис. 2. Динаміка змін кількісної щільності мітохондрій у саркоплазмі скоротливих Кмц правого шлуночка (*102 мкм-3) на етапах пренатального онтогенезу.
Примітка: * - достовірна відмінність від групи контролю (р& lt-0,05).
Період кардіогенезу щура від 18 доби за нормальних умов розвитку характеризувався активним процесом диференціювання мітохондріального апарата за рахунок збільшення функціонально активних органел і зменшення кількості несформованих мітохондрій. Це виявлялось у збільшенні показників щільності упакування та кількісної щільності мітохондрій. Темпи формування мітохондріального апарата губчастого та компактного міокарда нерівномірні й активніші в останньому. Однак в експериментальній групі від 18 доби відзначали подальше прогресуюче зниження темпів мітохондріаль-ного росту в субепікардальній та інтрамуральній зонах як правого, так і лівого шлуночків (рис. 3, 4). Щільність упакування та кількісна щільність мітохондрій субендо-кардіальної зони статистично не відрізнялись у лівому шлуночку, але цей параметр зберігав тенденцію до відставання.
0. 25
Рис. 3. Динаміка змін щільності упакування мітохондрій у саркоплазмі скоротливих Кмц лівого шлуночка (мкм3/мкм3) на етапах пренатального онтогенезу.
Примітка: * - достовірна відмінність від групи контролю (р& lt-0,05).
140
120
14 доба 16 доба 18 доба 20 доба
?Субепікардіальна зона. Контроль ¦ Субепікардіальна зона. Гіпоксія
: Інтрамуральна зона. Контроль ¦ Інтрамурапьна зона. Гіпоксія
?Субендокардіальна зона. Контроль аСубендокардіальна зона. Гіпоксія
Рис. 4. Динаміка змін кількісної щільності мітохондрій у саркоплазмі скоротливих Кмц лівого шлуночка (*102 мкм-3) на етапах пренатального онтогенезу.
Примітка: * - достовірна відмінність від групи контролю (р& lt-0,05).
Важливо, що аналіз змін питомої площі поверхні внутрішньої мембрани мітохондрій (враховуючи мембрану крист) у саркоплазмі скоротливих Кмц лівого та правого шлуночків експериментальної групи у цей період демонстрував зворотну тенденцію та достовірно зростав. Виявили достовірне переважання показника в інтрамуральній зоні лівого шлуночка на 69,6% (рис. 5). У субепікардіальній і субендокардіальній зонах збільшення питомої площі поверхні внутрішньої мембрани було менш стрімким.
14 доба 16 доба 18 доба 20 доба
Субепікардіальна зона. Контроль ¦ Субепікардіальна зона. Гіпоксія
•-Інтрамуральна зона. Контроль о Інтрамуральна зона. Гіпоксія
& gt- Субендокардіальна зона. Контроль к Субендокардіальна зона. Гіпоксія
Рис. 5. Динаміка змін питомої площі поверхні внутрішньої мембрани мітохондрій (враховуючи мембрану крист) у саркоплазмі скоротливих Кмц лівого шлуночка (мкм2/мкм3) на етапах пренатального онтогенезу.
Примітка: * - достовірна відмінність від групи контролю (р& lt-0,05) — ** - достовірна відмінність у порівнянні з попереднім терміном розвитку (р& lt-0,05).
У правому шлуночку серця ембріонів щура зміни питомої площі поверхні внутрішньої мембрани були виразними і характеризувались стрімким збільшенням показників в інтрамуральній і субепікардіальній зонах (рис. 6). Переважання параметра над контрольним рівнем становило 71,6% (р& lt-0,05) і 68,1% (р& lt-0,05) відповідно. Протягом визначення темпів збільшення питомої площі поверхні внутрішньої мембрани від 16 до 18 доби розвитку виявилось, що збільшення показника в експериментальній групі правого шлуночка інтрамуральної зони становило 66,0% (р& lt-0,05), лівого — 84,7% (р& lt-0,05).
На 20 добу різницю у змінах між зонами міокарда лівого та правого шлуночків експериментальної групи не визначили. Протягом вивчення ступеня статистично вагомого відставання щільності упакування мітохондрій
14 доба 16 доба 18 доба 20 доба
° Субепікардіальна зона. Контроль ¦ Субепікардіальна зона. Гіпоксія
? інтрамуральна зона. Контроль В Інтрамуральна зона. Гіпоксія
? Субендокардіальна зона. Контроль * Субендокардіальна зона. Гіпоксія
Рис. 6. Динаміка змін питомої площі поверхні внутрішньої мембрани мітохондрій (враховуючи мембрану крист) у саркоплазмі скоротливих Кмц правого шлуночка (мкм2/мкм3) на етапах пренатального онтогенезу.
Примітка: * - достовірна відмінність від групи контролю (р& lt-0,05) — ** - достовірна відмінність порівнюючи з попереднім досліджуваним терміном розвитку (р& lt-0,05).
інтрамуральної зони у правому шлуночку становило 42,1%, в лівому — 33,7%, кількісної щільності мітохондрій — 40,9% і 29,3% відповідно. Рівень параметра питомої площі поверхні внутрішньої мембрани мітохон-дрій зростав на 71,6% для інтрамуральної зони правого шлуночка та на 67,4% для лівого.
У багатьох працях показано, що мітохондрії функціонально та структурно неоднорідні [9]. Під час ультраструктурного дослідження мітохондріому методом трансмісійної електронної мікроскопії описано мітохондрії різних популяцій за внутрішньоклітинною локалізацією: парануклеарні, міжміофібрилярні, суб-сарколемальні (рис. 7).
Рис. 7. Мітохондріальний апарат скоротливого Кмц правого шлуночка серця щура в нормі на 20 добу пренатального онтогенезу. Електронограма. *10 000.
На нашу думку, що збігається з поглядами інших авторів [3,10], це пов’язано з морфологічною та функціональною гетерогенністю органел. Аналогічний розподіл мітохондрій за локалізацією у клітині, ґрунтуючись на особливостях функціонального профілю, визначають
G.A. Porter et al. [11]. Враховуючи, що такий показник, як площа поверхні внутрішньої мітохондріальної мембра-
ни, зумовлює функціональну активність органел, дослідили характер змін питомої площі поверхні внутрішньої мембрани мітохондрій за умов гіпоксичного ушкодження кардіогенезу щодо внутрішньоклітинної локалізації на 20 добу пренатального онтогенезу в інтрамуральній зоні правого та лівого шлуночків серця (табл. 1).
Таблиця 1
Питома площа поверхні внутрішньої мембрани мітохондрій парануклеарної, субсарколемальної, міжміофібрилярної локалізацій у саркоплазмі скоротливих Кмц лівого та правого шлуночків інтрамуральної зони міокарда на 20 добі пренатального онтогенезу (мкм2/мкм3), M ± m
Локалізація в Кмц Група контролю Експериментальна група
ЛШ ПШ ЛШ ПШ
Міжміофібрилярна 2,88±0,31 3,13±0,29 5,56±0,49* 6,27±0,50*
Парануклеарна 1,26±0,29 1,37±0,30 2,16±0,41 2,31±0,39
Субсарколемальна 0,91±0,36 0,98±0,37 0,72±0,35 0,84±0,37
Примітка: * - достовірна відмінність від групи контролю (р& lt-0,05).
Результати показали, що протягом дослідження мітохондрій міжміофібрилярної локалізації Кмц лівого шлуночка параметр достовірно перевищував такий у групі контролю на 93,1%, а в правому шлуночку збільшення його значень було суттєвішим: він удвічі переважав показники норми за рахунок збільшення частки конденсованих форм «високоенергетичних» органел (рис. 8). Параметр парануклеарної локалізації не мав статистично вагомої різниці, але зберігав аналогічну тенденцію збільшення питомої площі поверхні внутрішньої мембрани. В органелах субсарколемальної ділянки відзначили помірну статистично не вагому редукцію показника.
Рис. 8. Мітохондріальний апарат скоротливого Кмц інтрамуральної зони правого шлуночка серця щура експериментальної групи на 20 добу пренатального онтогенезу. Електронограма. *12 000.
Зниження щільності упакування мітохондрій у саркоплазмі скоротливих Кмц за умов гіпоксичного ушкодження кардіогенезу може бути пов’язано з групою факторів, які зумовлюють характерну тенденцію реакцій органел. По-перше, внутрішньоутробна гіпоксія,
ймовірно, призводить до сповільнення перинатального переходу від лактату та глюкози до утилізації вільних жирних кислот як первинних джерел живлення, скорочуючи потреби в мітохондріальному рості та окисному фосфорилюванні, що може бути посилено підвищеною залежністю від гліколізу як джерела енергії в гіпок-сичному міокарді. По-друге, пренатальна гіпоксія викликає суттєву затримку включення механізмів, що беруть участь у мітохондріальному рості, а дисбаланс у пластичних процесах призводить до виникнення характерних реакцій. Зворотна тенденція між змінами щільності упакування мітохондрій, кількісної щільності та показниками питомої площі поверхні внутрішньої мембрани органел, можливо, є унікальним альтернативним адаптивним механізмом у гіпоксичному серці ембріонів щура, що потребує подальшого дослідження.
Висновки
Хронічна внутрішньоутробна гіпоксія призводить до затримки темпів мітохондріального росту та розвитку гетерогенності органел скоротливих кардіоміоцитів шлуночків щурів на етапах пренатального кардіогенезу, що супроводжується достовірним відставанням щільності упакування та кількісної щільності мітохондрій від 16 доби розвитку у правому та від 18 доби в лівому шлуночку у порівнянні з показниками норми.
Динаміка змін досліджуваних параметрів відрізняється у відділах серця та залежить від зони міокарда. Суттєвіше відставання показників від норми властиве для субендокардіальної та інтрамуральної зон, меншою мірою — для субендокардіальної зони шлуночків- на 20 добу характеризуються достовірним їх зниженням по всій товщині серцевої стінки. При цьому зміни щільності упакування та кількісної щільності виразніші у правому шлуночку в порівнянні із групою контролю і становлять -42,1% (р& lt-0,05) і -40,9% (р& lt-0,05) в інтрамуральній зоні відповідно, менш значні в лівому -33,7% (р& lt-0,05) і -29,9% (р& lt-0,05) тієї ж зони міокарда.
Під впливом гіпоксії показники питомої площі поверхні внутрішньої мембрани мітохондрій, включаючи мембрану крист, демонструють зворотну тенденцію та достовірно зростають від 18 доби раннього кардіогенезу в обох шлуночках у порівнянні з нормою. Це супроводжується максимальним збільшенням показника в інтрамуральній зоні правого шлуночка від 16 до 18 доби розвитку на 66,0% (р& lt-0,05), лівого — на 84,7% (р& lt-0,05). На 20 добу онтогенезу перевищення показників над значеннями контрольної групи становить 67,4% (р& lt-0,05) для лівого і 71,6% (р& lt-0,05) для правого шлуночків, переважно за рахунок популяції конденсованих форм «високоенергетичних» мітохондрій міжміофібрилярної локалізації, показуючи альтернативний адаптивний механізм.
Перспективи подальшої роботи пов’язані з аналізом реакцій мітохондріального апарата скоротливих Кмц щурів у постнатальному періоді розвитку за умов попередньої дії хронічної внутрішньоутробної гіпоксії.
Список літератури
1. Филиппов Е. С. Задержка внутриутробного развития плода: современные аспекты проблемы / Е. С. Филиппов, Н. А. Перфильева // Сибирский мед. журнал. — 2007. -№ 2 — С. 9−13.
2. Developmental programming of cardiovascular dysfunction by prenatal hypoxia and oxidative stress / D.A. Giussani, E.J. Camm, Y. Niu [et al.] // Plo. S. One. — 2012. — Vol. 7. -№ 2. — P. 310−317.
3. Твердохлеб И. В. Гетерогенность митохондриального аппарата миокарда и механизмы ее формирования в раннем онтогенезе крыс / И. В. Твердохлеб // Цитология и генетика. — 1998. — Т. 32. — № 2. — С. 8−12.
4. Postnatal development of mouse heart: formation of energetic microdomains / J. Piquereau, M. Novotova, D. Fortin [et al.] // J Physiol. — 2010. — Vol. 588. — № 13. — P. 2443−2454.
5. Properties and functions of KATP during mouse perinatal development / L. Nie, M. Tang, Y. Zeng [et al.] // Biochem. Biophys. Res. Commun. — 2012. — Vol. 418. — № 1. — P. 74−80.
6. Иваницкая Н. Ф. Методика получения разных стадий гемической гипоксии у крыс введением нитрита натрия /
Н. Ф. Иваницкая // Патол. физиол. и эксперим. терапия. -1976. — № 3. — С. 69−71.
7. Науково-практичні рекомендації з утримання лабораторних тварин та роботи з ними / Ю.М. Кожем’якін, О. С. Хромов, М.А. Філоненко [та ін.] - К.: Авіценна, 2002. — 156 с.
8. Автандилов Г. Г. Медицинская морфометрия: [руководство] / Г. Г. Автандилов. — М.: Медицина, 1990. — 384 с.
9. Kuznetsov A. V Heterogeneity of mitochondria and mitochondrial function within cells as another level of mitochondrial complexity / A. V Kuznetsov, R. Margreiter // Int. J. Mol. Sci. — 2009. — Vol. 10 — P. 1911−1929.
10. ВареникЕ.Н. Электронно-микроскопический анализ кар-диомиоцитов левого желудочка сердца крыс в условиях моделирования эффектов невесомости и искусственной силы тяжести / Е. Н. Вареник, Т. В. Липина, М.В. Шорни-кова [и др.] // Известия Российской академии наук. Серия биологическая. — 2012. — № 3. — С. 270.
11. Bioenergetics, mitochondria, and cardiac myocyte differentiation / G.A. Porter, J. Hom, D. Hoffman [et al.] // Prog. Pediatr. Cardiol. — 2011. — Vol. 31. — № 2. — Р 75−81.
Відомості про автора:
Іванченко М.В., асистент каф. гістології, ДЗ «Дніпропетровська медична академія МОЗ України»,
E-mail: docmarinka@gmail. com.
Надійшла в редакцію 11. 12. 2013 р.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой