Сердце, логотип
www.CARDIOGENES.dp.ua
строение и развитие сердечно-сосудистой системы
Реkлама: Лучший ламинат цена в Украине. Каталог на сайте .
Кардиогенез :: Механизмы миграции клеток и их комплексов…
 
Гистогенетические процессы в развивающемся миокарде (Шпонька И.С., монография), 1996
(Шпонька И.С. Гистогенетические процессы в развивающемся миокарде млекопитающих: монография.- Дн-вск, 1996)
с.97-120
[ ⇐ назад | вперед ⇒ ]

Глава 4 Миграция

Количественная оценка механизмов миграции клеток и их комплексов

Перегруппировка и миграция клеток в ходе гистогенеза является важным механизмом развития упорядоченной многоклеточной системы, которую представляет собой ткань (А.А.Клишов, 1984). По мнению А.Г.Кнорре (1971), в ходе гистогенеза могут происходить как пассивное смещение клеток и их комплексов под действием давления со стороны соседних клеточных масс, так и активные перемещения клеток или, собственно, миграция. В раннем морфогенезе сердца (период петлеобразования) ведущим фактором, обусловливающим пассивное перемещение клеточных пластов, является изменение внутреннего давления кардиогеля и внеклеточного матрикса, которое создается перестройками в составе гликозаминогликанов и неколлагеновых белков (Markwald, Smith, 1972; Manasek et al., 1978; Manasek. 1983; Nakamura, Manasek,  1981).

Наряду с развитием представлений о возможных механизмах миграции клеток, таких как хемотаксис, дифференциальное прилипание, наличие формообразовательных разобщающих субстанций (Curtis, 1976), влияние внесших сигналов инструктивного характера (В1аск, Patterson, 1980), специфических белков (Б.В.Конюхов, 1980), при изучении морфо - и гистогенеза сердца были выявлены конкретные закономерности, сопровождающие миграцию клеток.

Установлено, что сложные морфогенетические процессы в сердце связаны с миграцией клеток, относящихся к различным популяциям как кардиального, так и экстракардиального происхождения (Strauss et al., 1987; Fukiishi, Morris-Kay, 1992; Nakagawa et al., 1993).

Способность кардиомиоцитов к миграции появляется в результате уменьшения числа десмосом и вставочных дисков, увеличения объема межклеточного пространства (Arrechedera et al., 1984), мигрирующие эндотелиальные и мезенхимальные клетки сердца морфологически характеризуются обилием митохондрий, цистерн гранулярной эидоплазматической сети, фило- и псевдоподий, наличием вакуолей (Strauss et al., 1987).

Активные перемещения кардиомиоцитов и мезенхим-ных клеток ряд исследователей объясняет взаимодействием их клеточной поверхности с фибронектином (Armstrong, 1984; French-Constant, Hynes, 1988; Osmond et al., 1991), электронно-микроскопически определяемым как зернисто-филаментозный таннинофильныи материал (Wortman, 1982). Установлено, что миграция мезенхимных клеток сердца в меньшей степени зависима от связывания с этим гликопротеином, чем перемещения кардиомиоцитов (Loeber, Runyan, 1990). Весьма важным является доказанный факт о синтезе фибронектина в клетках, которые "собираются" мигрировать (Arrechedera, 1984; Armstrong, Armstrong, 1984; Ffrench-Constant, Hynes, 1988); таким образом, в клетках эмбрионального сердца наблюдается своеобразное самообеспечение миграционной способности.

Подвижность других клеточных популяций в развивающемся сердце связывают с различными белками и гликопротеинами. Так, миграция эндокардиальных клеток обусловлена, в основном, наличием витронектина (Sumida et al., 1990), эндотелия - присутствием коллагена (Little et al., 1987), мезенхимных клеток - ламинина (Loeber, Runyan, 1990); гиалуроновая кислота во многом определяет перемещения фибробластов и мезенхимных клеток (Markwald, 1979). В миграции клеток нейрального гребня существенную роль играют фукозосодержащие гликоконъюгаты (Fazel et al., 1989).

Указанные молекулы - белки и гликопротеиды внеклеточного матрикса и базальных мембран миокарда - непосредственно определяют миграционную активность клеток, косвенную роль в обеспечении миграционной способности клеток сердца играют ферменты (коллагеназа, галактозилтрансфераза) и рецепторы (интегрины), контролирующие связывание цитолеммы с молекулами внеклеточного матрикса (Loeber, Runyan, 1990; Nakagawa et al., 1992).

Исходя из классических представлений о характере клеточной миграции как одного из базовых гистогенетических процессов, необходимо разграничивать, с одной стороны, пассивные смещения клеточных комплексов в силу давления соседних пролиферирующих эмбриональных зачатков, а с другой стороны - активные клеточные перемещения, составляющие суть конкретного гистогенеза (А.Г.Кнорре, 1971). В отличие от последних, пассивные смещения не имеют прямого отношения к кардиогенезу; нет необходимости останавливаться на этих общеэмбриологических преобразованиях в приложении к задачам нашего исследования.

В ходе нормального гистогенеза миокарда роль и механизмы активных миграционных процессов отдельных кардиомиоцитов и их комплексов испытывают постоянное влияние со стороны, как фактора времени, так и других базовых гистогенетических процессов. К этому обстоятельству присоединяются также органотипические особенности развития миокарда, заключающиеся в достаточно быстром (с точки зрения онтогенеза) ограничении свободной миграциям отдельных мышечных клеток в связи с необходимостью раннего формирования электрофизиологического сопряжения и сократительной активности кардиомиоцитов.

При этом, однако, активные передвижения клеточных масс в миокарде не прекращаются, а изменяют свои механизмы. Актуальным с этой точки зрения является изучение конкретных механизмов движения клеток и клеточных масс в миокарде, а также количественная оценка Процесса миграции кардиомиоцитов на этапах кардиомиогенеза.

63

Для трубчатого и раннего сигмовидного сердца млекопитающих характерна своеобразная отростчатая форма кардиомиобластов,   а также достаточно обширные пространства кардиогеля, в которых организация  матрикса еще не имеет выраженной организованной структуры. Эти предпосылки предоставляют широкую возможность для свободного активного перемещения разрозненных клеток в соответствии с определенными формообразовательными задачами (Рис.61;  62). При этом, однако, не все клетки обладают одинаковой способностью к активным перемещениям.

Гистохимическое изучение локализации L-l-фукозы в углеводородном слое мембран кардиомиоцитов при обработке конъюгатом специфичного лектина ЦЕА-1 с биотипом выявило неодинаковую окраску отдельных клеток кардиомиоцитарного ряда (Рис.63). Учитывая свойство концевых остатков L-l-фукозы специфически маркировать мембраны активно мигрирующих клеток (A.Fazel et al., 1939), в нашем исследовании выявлены определенные онтогенетические закономерности в соотношении клеточных типов, по-разному способных к перемещениям в свободном пространстве кардиогеля.

Во-первых, на этапах раннего кардиомиогенеза отчетливо определяются два варианта окрашивания мембран отдельных свободно расположенных кардиомиоцитов - либо максимально насыщенная гистохимическая метка, либо полное её отсутствие. Вполне вероятно, что это является отражением альтернативного распределения мигрирующей способности кардиомиоцитов.

Во-вторых, мы не обнаружили UЕА-1-лектин-меченых кардиомиоцитов в составе сплошных (компактных) клеточных пластов, состоящих из тесно контактирующих клеток. При этом, однако, даже в составе компактного и. в большей мере, губчатого миокарда встречаются единичные свободно расположенные кардиомиоциты с отчетливо положительной реакцией на L-l-фукозу в составе цитомембраны (Рис.64). На ранних этапах кардиаль-ного гистогенеза обнаруживаются обширные клеточные поля, состоящие из активно мигрирующих кардиомиоцитов (Рис.65).

61 62

В-третьих, в ходе эмбрионального развития относительное количество клеток миокарда, содержащих поверхностные концевые последовательности L-l-фукозы. активно снижается, однако их удельное содержание в субпопуляции свободно расположенных миоцитов, напротив, заметно повышается вплоть до максимального насыщения.

65

В таблицах 54-57 представлены данные по соотношению мигрирующих и неподвижных сократительных клеток, расположенных свободно в пространстве кардиогеля; из этих данных видно, что в трубчатом сердце изученных млекопитающих способностью к активным перемещениям обладают лишь от 21% (крыса) до 31% (кролик) изолированных кардиомиоцитов.

На 5-й неделе эмбриогенеза человека, а также на 10-12-е сутки пренатального развития экспериментальных животных способностью к активным перемещениям обладают уже более половины отростчатых клеток. В миокарде человека на 7-й неделе развития, на 18-е сутки пренатального онтогенеза кролика, на 16-е сутки - у крыс и на 14-е сутки эмбриогенеза мышей обнаруживаются немногочисленные свободно расположенные сердечные миоциты, причем все указанные клетки на своей сарколемме содержат отчетливую метку на лектин ЦЕА-1, специфичную в отношении L-l-фукозы

т.54 т.55 т.56 т.57
64

На последующих стадиях онтогенеза не удается морфологически выявить изолированных клеточных элементов кардиомиоцитарного ряда, однако единичные сердечные миоциты (от 1,6% в миокарде крыс до 4,1% - У мышей) все же остаются мечеными на концевые остатки L-l-фукозы: по всей видимости, указанные клетки способны к активной миграции в рамках тех межклеточных микропространств, которые на полутонких срезах миокарда не идентифицируются (Рис.66). В целом, активно мигрирующие кардиомиоциты, составляющие от 1/3 до 2/5 всех сократительных клеток миокарда в трубчатом сердце, активно уменьшаются в своем количестве на этапах эмбрионального кардиомиогенеза; в раннем постэмбриональном сердце человека (10-я неделя развития), а также в позднем эмбриональном миокарде изученных млекопитающих уже не обнаруживалось активно мигрирующих свободных кардиомиоцитов (Табл.58-61).

Одним из важнейших механизмов движения клеточных комплексов в ходе морфогенеза сердца в постэмбриональном периоде развития является изменение формы клеток. В главе 3, посвященной анализу процессов роста кардиомиоцитов, изложены результаты измерений их Длины и площади поперечного сечения.

В целом, динамика изменений длины сократительных подчиняется общей закономерности для всех изученных объектов: интенсивное линейное нарастание параметра резко сменяется периодом стабильности средней длины клетки. На более поздних этапах развития млекопитающих статистически значимых изменений длины кардиомиоцитов не происходит.

В эмбриональном кардиомиогенезе экспериментальных животных и вплоть до 16-й недели пренатального онтогенеза человека толщина клеток увеличивается умеренными темпами; затем происходит активизация нарастания площади поперечного сечения. Наиболее интенсивное утолщение миоцитов происходит с 16-й по 28-ю неделю внутриутробного развития у человека; у кролика - с 24-го дня эмбриогенеза по 5-е сутки жизни; в миокарде грызунов - в первую неделю перинатального периода. Хронологически интенсивное утолщение клеток совпадает с периодами наиболее активного увеличения их объема, но не длины.

Для характеристики формы сердечных миоцитов были рассчитаны коэффициенты,   отражающие соотношение клеточной длины и площади поперечного   Сечения (Рис.67. Рассчеты показали,   что в рамках эмбрионального периода развития эксперементальных   животных вплоть до 12-й   недели плодного развития человека   кардиомиоцитов имеют выраженную тенденцию к активному удлинению; в этот период они приобретают характерную цилиндрическую форму.   Затем значения коэффициента, отражающего соотношение сдвигов длины и площади поперечного   сечения, сократительных кардиомиоцитов, заметно снижаются за счет активного утолщения клеток. Дефинитивный характер указанного соотношения устанавливается.   Уже после 5-х суток перинатального развития животных;  в миокарде человека утолщение сердечных миоцитов сохраняется вплоть до 40-й недели плодного периода.

66 67

Наряду с активной миграционной способностью свободных кардиомиобластов в раннем эмбриональном миокарде и с массивными перемещениями клеточных комплексов в результате трансформаций формы кардиомиоцитов в миокарде млекопитающих обнаружен важный механизм, обеспечивающий активную миграцию групп клеток в сердце. В качестве такого механизма на определенных этапах кардиомиогенеза выступают направленные (координированные) митозы мышечных клеток. Необходимо отметит две особенности, характеризующие данный феномен: распределение митотических фигур на тканевых срезах миокарда неравномерно - наибольшее их количество наблюдается в зонах активных морфогенетических преобразований в сердце; 2) в указанных зонах продольные оси митотических фигур, как правило, параллельны и соответствуют общей пространственной ориентации кардиомиоцитов (Рис.68).

При этой особенный интерес представляет патогенетический процесс клеточной гибели, развивающейся по механизму некроза (но не апоптоза). Пространственно и хронологически некротические фигуры кардиомиоцитов тесно сопряжены с локусами формообразовательных процессов в эмбриональном сердце (более подробно эти сведения изложены в материалах 2-й главы), а также с комбинациями направленных митотических фигур. Гипотетически можно предположить, что некробиотические изменения в клеточных группах являются ответом на чрезмерную митотическую активность кардиомиоцитов, однако с точки зрения биологической целесообразности такая ситуация кажется нам маловероятной.

Гораздо более логичным представляется предположение о том, что координированные митозы "работают" втом направлении, которое является затребованным для конкретной морфогенетической программы в отношении увеличения численности клеточной популяции. Напротив, некротическая гибель клеток и клеточных групп "работает" в ином направлении, которое соответствует задаче элиминации клеточных элементов из предсуществующей клеточной популяции. Иными словами, направленные митозы и клеточная гибель (по сути, тоже направленная) не компенсируют друг друга, а потенцируют и координированно реализуют определенную формообразовательную задачу, связанную с перемещением клеточных масс.

68 69

Очевидно, что конечным биологическим смыслом всех миграционных механизмов является формирование генетически детерминированной тканевой структуры; в миокарде это органотипически связано со становлением характерной ориентации кардиомиоцитов относительно друг друга для развития сопряженной сократительной деятельности органа в целом.

Стереологический анализ тканевых срезов миокарда показал, что на начальных этапах эмбрионального гистогенеза степень ориентации кардиомиоцитов, имеет чрезвычайно низкие значения у всех исследуемых объектов, однако затем происходит активное нарастание показателей: в миокарде человека к концу эмбриогенеза (8-я неделя развития) степень ориентации сократительных клеток составляет более 30%; к моменту рождения в сердце изученных экспериментальных животных обнаруживаются значения порядка 60%. Отчасти это отражает видовые особенности протекания постэмбрионального периода развития изученных млекопитающих, связанные с относительной зрелостью плода, однако вслед за описанным периодом нарастания показателей взаимной ориентации клеток происходит стабилизация достигнутых значений (независимо от объекта исследования).

Период такой относительной стабильности в миокарде человека продолжается с 7-й до 12-й недели пренатального онтогенеза; у кроликов - с 21-го дня эмбриогенеза до рождения; у крыс и мышей - с позднего эмбрионального этапа и на протяжении первых 3-х суток перинатального развития (Рис.69). В последующем в миокарде млекопитающих наблюдается новый период нарастания степени ориентации кардиомиоцитов, который на протяжении 1-го месяца жизни экспериментальных животных и к 20-й неделе плодного развития человека обусловливает достижение максимального (дефинитивного уровня взаимной ориентации сократительных клеток миокарда (95-98%).

Чередование периодов активизации и стабилизя исследуемого параметра в полученной онтогенетической динамике указывает на различную степень выраженность различных механизмов миграции кардиомиоцитов в ходе развития. Можно предположить, что на начальных этапа кардиомиогенеза ведущая роль принадлежит свободной миграции разрозненных кардиомиоцитов в пространстве кардиогеля (Рис.70 А-Г): по мере структурирования этого пространства существенно ограничивается возможность свободных перемещений (Рис.71 А-Е).

По данным гистохимии, количество клеток, содержащих концевые остатки L-l-фукозы в углеводородном слое сарколеммы, быстро истощается в составе миокарда по мере его развития, однако при этом активируются процессы упорядочивания взаимного расположения кардиомиоцитов. По всей видимости, в этот период взаимодействуют два механизма миграционного процесса - направленная митотическая активность и избирательный некробиоз сократительных клеток. В последующий период стабилизации степени ориентации клеток значение указанных механизмов снижается. Позднее, когда вновь отмечается усиление взаимной ориентации кардиомиоцитов, важнейшим миграционным механизмом, способствующим смещению клеточных масс, становится изменение форда клеток.

Очевидно, что при анализе указанных механизмов можно вести речь лишь об относительном преобладании того или иного компонента на определенном этапе; гораздо более сложным является количественное описание каждого механизма в онтогенезе, а также количественная оценка миграционного процесса в целом. Мы, частности, не имеем возможности с уверенность судить о том, какой из наблюдаемых митозов выполняет задач миграционного процесса, а какой - не имеет к ней оношения.

70 71

Тем не менее, разумно полагать, что клеточная миграция с точки зрения теории гистогенеза представляет собой процесс, направленный на уменьшение дефицита упорядоченности тканевой системы. С точки зрения теории информации миграция выступает в качестве фактора, своеобразным образом организующего информацию в тканевой системе. После проведения аналогии можно предположить существование определенного соответствия между интенсивностью миграционного процесса и его эффектом, то есть степенью нарастания упорядоченности миокарда. В этом отношении интерес представляет уникальное свойство концевых остатков N-ацетил-D-галактозамина накапливаться в углеводородном слое цитомембраны клеток по мере реализации упорядоченной и стабильной структуры ткани (Kuniaki, Hiroshi, 1983).

72

При последовательной обработке конъюгатон лектина соевых бобов (ЗВА) с биотином и пероксидазой с авидином тканевых срезов миокарда выяснилось, что клеточная мембрана накапливает метку не дискретно (как это было характерно для реакции на L-l-фукозу), а в различной степени (Рис. 72). Цитофотометрическая оценка результатов гистохимической реакции показала, что на ранних этапах кардиомиогенеза содержание исследуемого поверхностного гликоконьюгата весьма незначительно (Рис.73), однако затем (в рамках эмбрионального периода) быстро нарастает.

73

Так, в миокарде человека с 5-й по 7-ю неделю эмбриогенеза  интенсивность метки возрастает более чем в 5 раз; соизмеримое по активности накопление N-ацетил-D-галактозамина на поверхности клеточных мембран наблюдается в миокарде  кролика  с 12-х  по 21-е сутки эмбрионального развития, у крыс и мышей - с 14-х по 18-20-е сутки.  Характерно, что накопление  5ВА-метки на поверхности сократительных кардиомиоцитов в составе трабекулярного и  губчатого миокарда  существенно превосходит по интенсивности  показатели компактного   слоя (Рис.74).

В последующем происходит стабилизация динамики параметра, которая вновь сменяется периодом активного синтеза N-ацетил-D-галактозамина (Рис.75). В миокарде человека этот период длится с 12-й по 20-ю неделю плодного развития, у кроликов - от момента рождения до 20-го дня жизни; в развивающемся миокарде крыс и мышей активное накопление гликоконъюгата происходит до конца 2-й недели перинатального периода. Указанные сдвиги приводят к дефинитивному (максимальному) уровню содержания N-ацетил-D-галактозамина на поверхности цитомембран. Важно отметить, что полученная динамика имеет в своем составе два периода активизации нарастания уровня N-ацетил-D-галактозамина. разделенных периодом стабилизации показателя, причем хронологически указанные периоды отчетливо совпадают с аналогичными сдвигами в динамике степени ориентации кардиомиоцитов.

74 75

Таким образом, получено принципиальное соответствие двух параметров, измеряемых различными количественными методиками (стереологической и гистохимической) . но отражающих один процесс - развитие упорядоченной тканевой структуры. Это в существенной мере подтверждает сделанное нами предположение о том, что упорядоченность структуры сократительного миокарда является косвенной, но достаточно адекватной мерой миграционного процесса кардиомиоцитов на различных этапах онтогенеза. Иными словами, чем активнее осуществляются миграционные механизмы, тем больше скорость нарастания структурной упорядоченности миокарда в исследуемый промежуток времени.

В связи с этим был произведен расчет параметра миграционной активности кардиомиоцитов как градиента полученных цитофотометрических значений специфичной мембранной метки на N-ацетил-D-галактозамин между двумя соседними хронологическим точками за единицу онтогенетического времени. Выразив максимальную полученную величину через 100%, мы построили динамический ряд преобразованных параметров миграционной активности клеток, представленный на рисунке 76. Анализ этих данных показывает, что в раннем эмбриональном миокарде человека интенсивность миграционных процессов, первоначально имеющая незначительные величины, резко возрастает и в течение 6-й недели пренатального развития составляет максимальную величину за весь исследуемый период.

76 Динамика изменений интегрального параметра

На поздней эмбриональной стадии наблюдается резкое угнетение миграционной активности кардиомиоцитов (до уровня 2,1% от максимальной величины); в постэмбриональном периоде происходит постепенное нарастание интенсивности миграции клеточных комплексов: в период с 12-й по 16-ю неделю плодного развития скорость миграционного процесса составляет 37.8% от максимального уровня (8-я неделя). После этого вновь наблюдается угнетение перемещений клеточных комплексов до уровня фоновых величин, колеблющихся в пределах 1% (28-я неделя плодного периода).

При анализе динамики миграционной активности в миокарде изученных экспериментальных животных обнарУ" жены тенденции, описанные в развивающемся сердце человека: два периода активизации миграционных механизмов (эмбриональный и постэмбриональный) разделены этапом резкого угнетения миграционной способности кардиомиоцитов.

77 Механизмы миграции клеток в гистогенезе миокарда

Таким образом, неслучайный характер обнаруженных онтогенетических сдвигов обусловлен, очевидно, закономерным соотношением различных механизмов миграции Меток и клеточных комплексов в ходе миокардиального гистогенеза (Рис.77). Нами описаны 4 основных механизма. обеспечивающих активное передвижение кардиомиоцитов и их комплексов на этапах гистогенеза миокарда 1) активная свободная миграция изолированных клеток  2) изменения формы сократительных кардаомиоцитов 3) направленные митозы; 4) координированная некротическая гибель кардиомиоцитов.

Онтогенетическая динамика миграционного процесса кардиомиоцитов имеет двухфазный характер. Первый период миграционной активности (эмбриональный) характеризуется незначительной продолжительностью и наивысшей скоростью клеточных перемещений. Относительная скорость миграции кардиомиоцитарных комплексов во втором (постэмбриональном) периоде, имеющем большую продолжительность, составляет от 38% (миокард человека) до 57% (миокард крысы). В целом, угнетение миграционной активности в миокарде человека происходит на 28-й неделе плодного периода; в сердце кролика, крыс" и мыши - к концу 1-го месяца постнатального онтогенеза.

 

Поддержка
Реkлама: Система байпас с шаровым клапаном.
 © 2008-2015 Cardiogenes.dp.ua
© обработка Dr. Andy  
Key words: heart, cardiogenesis, cardiac development. Ключевые слова: сердце, кардиогенез, гистогенез миокарда эндокарда эпикарда, ангиогенез, развитие сердечно-сосудистой системы, васкулогенез, эмбриология, теоретическая кардиология, врожденные пороки сердца, струны сердца. Миокард человека и животных, наука, медицина, ветеринария, сердце.
Rambler's Top100 li MyCounter