Сердце, логотип
www.CARDIOGENES.dp.ua
строение и развитие сердечно-сосудистой системы
Кардиогенез :: Субклеточные  компоненты дифференцировки…
 
Гистогенетические процессы в развивающемся миокарде (Шпонька И.С., монография), 1996
(Шпонька И.С. Гистогенетические процессы в развивающемся миокарде млекопитающих: монография.- Дн-вск, 1996)
с.163-196
[ ⇐ назад | вперед ⇒ ]

Глава 6 Цитодифференцировка

Количественная  оценка субклеточных  компонентов цитодифференцировки кардиомиоцитов

На протяжении длительного времени различные авторы связывали с дифференцировочным процессом в рамках гистогенеза разное "содержание" (появление новых клеточных популяций, развитие ранее отсутствующих свойств клеток, избирательное подавление генной активности и др.). Часто причиной многочисленных противоречий была просто терминологическая путаница; наиболее последовательное объяснение сущности указанного процесса можно обнаружить в монографии А.Г.Кнорре (1971), который выделил и определил содержание дивергентной дифференцировки (клеточной дифференциации, т.е. расхождения фенотипических признаков клеток в результате митоза материнской клетки) и цитодифференцировки (развития специфических свойств одной и той же клетки в ходе ее развития). Не рассматривая более подробно различий между понятиями "дифференцировка" и "дифференциация" на клеточном уровне, ставшими классическими и несущими в себе вполне определенное содержание, обратимся к авторитетному мнению А.П.Авцына и В.А.Шахламова (1979), которые ввели понятие онтогенетической дифференцировки - "ряда последовательных изменений, претерпеваемых клетками одного типа в процессе их специализации".

Принимая во внимание эти предпосылки, становится вполне понятным стремление большинства исследователей к анализу цитодифференцировки сердечных миоцитов на основании интерпретации параметров миофибриллярного аппарата. Между тем, морфологическая характеристика миофибрилл далеко не однозначно определяет степень развития сократительного компонента клетки; весьма важным в этом отношении являются также морфологические признаки дифференцировки митохондриального аппарата и биохимические показатели состояния энергетического метаболизма. В нашем исследовании мы использовали комплексный подход, включающий изучение трех указанных компонентов цитодифференцировки сократительных кардиомиоцитов млекопитающих.

112 113

Ультраструктурные исследования выявили начальные признаки миофибриллогенеза, происходящие, в основном, в периферических частях клеток. Инициация сборки саркомеров связана с материалом дисков Z, под углом прикрепляющихся к сарколемме, и зачаточными вставочными дисками. Формирующиеся от дисков Z миофибриллы состоят из 2-3 саркомеров (Рис.112), а количество саркомеров в миофибриллах, отходящих от вставочных дисков, доходит до 3-4 в соседних кардиомиоцитах (Рис.113). Центральные части цитоплазмы клеток содержат большое количество рибосом и неорганизованных в миофибриллы сократительных филаментов и их пучков (Рис.114). В этот период хаотично расположенные митохондрии имеют небольшие размеры, округлую форму и слабо развитые кристы, незначительно выступающие в митохондриальный матрикс (Рис.115).

114 115

Результаты стереологического анализа показали, что дифференцировка митохондриального аппарата компактного миокарда заметно отстает от таковой в трабекулярном и губчатом слоях, о чем свидетельствует почти двукратная разница в плотности упаковки митохондрий, тогда как развитие миофибриллярного аппарата в компактном и губчатом слоях происходит синхронно (Рис.116). Относительный объем миофибрилл в трабекулярном миокарде заметно выше.

116 117

В соответствии с этим величина миофибриллярно-митохондриального индекса в трабекулярном и в губчатом слоях приближается к 1,5, а в компактном - значительно выше. Низкие значения степени ориентации ыиофибрилл указывают на отсутствие закономерности в" их распределении (Рис.117). Анализ поверхностных характеристик выявил существенную разницу в значениях абсолютного удельного объема миофибрилл и митохондрий: площадь контакта с цитоплазмой сократительного аппарата всех слоев миокарда значительно меньше, чем площадь наружных мембран митохондрий.

Трабекулярный слой отличается более низким содержанием гликогена, в то время как липидныи материал распределяется равномерно.

В сердце 5-6-недельных эмбрионов в цитоплазме кардиомиоцитов наблюдается высокая скорость процессов миофибриллогенеза, в результате чего в субсарколеммальных зонах формируются миофибриллы, состоящие из 5-6 саркомеров, в которых диски А, I, Н не дифференцируются. Отмечается увеличение количества центров инициации саркомерогенеза - пристеночных дисков Z; направление отходящих от них пучков миофиламентов значительно варьирует. Большая часть свободных сократительных нитей по-прежнему локализуется в центральных частях кардиомиоцитов. Митохондрии отличаются разнообразием форм и незначительным развитием крист (Рис.118).

118

Количественный анализ позволил определить ведущую роль трабекулярного слоя в сократительной активности миокарда, развитие миофибриллярного и митохондриального аппаратов которого происходит более быстрыми темпами по сравнению с компактным и губчатым.

Динамика миофибриллярно-митохондриального индекса отражает пропорциональное увеличение относительного объема сократительных белков и митохондрий в трабекулярном миокарде и более активное нарастание объема митохондриального аппарата в компактном. Скорость увеличения абсолютной удельной площади поверхности митохондрий незначительно превышает таковую миофибриллярного аппарата. Усиление ориентированности миофибрилл происходит быстрыми темпами, а изменения степени ориентации крист митохондрий остаются несущественными.

В течение указанного периода наблюдается накопление гликогена, более активно происходящее в трабекулярном слое. Плотность упаковки липидов незначительно увеличивается.

На 7-8-й неделе эмбриогенеза в миокарде сердца человека наблюдается значительное его утолщение, осуществляемое, в основном, за счет клеток компактного миокарда, в то время как толщина трабекулярной и губчатой зон существенно не изменяются. В составе компактного слоя миокарда в данной возрастной группе обнаруживаются многочисленные митозы. Кардиомиоциты вытянутой формы формируют мышечные пучки, сопровождаемые на протяжении параллельно ориентированными гемокапиллярами.

Таким образом, в течение раннего эмбриогенеза в миокарде человека происходят существенные изменения в соотношениях стереологических характеристик различных слоев миокарда. Значительного развития достигает миофибриллярный и митохондриальный аппарат компактного слоя, значения его стереологических параметров к 6-й неделе эмбриогенеза сопоставимыми с количественными характеристиками трабекулярного.

С 8-й по 12-ю неделю наблюдается быстрое развитие морфологических характеристик сократительного аппарата миокарда. В трабекулярном и компактном слоях миокарда наиболее активное увеличение относительного объема миофибрилл происходит между 8-й и 10-й неделями, что сопровождается их активным удлинением и незначительным утолщением за счет включения элементарных нитей. К 10-й неделе пренатального развития миофибриллы прослеживаются на всем протяжении кардиомиоцита. Наряду с активно функционирующими миофибриллами в центральных областях кардиомиоцитов вблизи полирибосомальных комплексов сохраняются неорганизованные пучки филаментов, однако их количество заметно уменьшается.

Относительный объем митохондриального аппарата увеличивается незначительно, в связи с этим величина миофибриллярно-митохондриального индекса резко возрастает.

Скорость увеличения абсолютной удельной площади поверхности миофибрилл в раннем постэмбриональном миокарде человека существенно снижается, что особенно заметно при сопоставлении динамик поверхностных и объемных характеристик. На наш взгляд, это обусловлено интенсивным включением миофиламентов в состав миофибрилл. Нарастание абсолютной удельной площади поверхности митохондрий по сравнению с изменением их относительного объема выражено резко. Упорядоченность миофибрилл вплоть до 12-й недели пренатального развития увеличивается быстрыми темпами и достигает 76% в трабекулярном слое и 68% в компактном. Скорость усиления ориентации крист митохондрий изменяется вдвое медленнее и составляет к 12-й неделе 35%.

119 120

Количество гликогена постоянно нарастает, причем наибольшая активность этого процесса наблюдается с 8-й по 10-ю неделю плодного периода (Рис.119). Плотность упаковки липидов в этот период увеличивается незначительно (Рис.120).

На 12-й неделе плодного периода средний слой стенки сердца представлен, главным образом, клетками компактного миокарда. Контуры полостей сердца сглажены, объем межтрабекулярных пространств значительно уменьшен по сравнению с предыдущей возрастной группой. В составе губчатого слоя существенно уменьшаются просвет синусоидов, а также их количество. В стенке миокарда определяются группы мышечных волокон, различающиеся по своей ориентации.

Волокна наружного и внутреннего слоев приобретают продольную ориентацию, в то время как в среднем слое их направленность является циркулярной. В данной возрастной группе хорошо развитая сосудистая сеть представлена многочисленными гемокашллярами, ориентированными вдоль мышечных волокон и широко анастомозирующими между собой.

На протяжении 16-20-й недель плодного периода стенка сердца человека имеет значительную толщину, причем трабекулярный и губчатый слои практически не определяются. Эндокард в составе сердечной стенки, имеющей гладкий внутренний контур, состоит из слоя уплощенных эндотелиоцитов и незначительной по толщине прослойки соединительной ткани. Капилляры и артериолы ориентируются, в основном, вдоль мышечных волокон, в то время как венулы имеют поперечную ориентацию.

В начале фетального периода темпы увеличения относительного объема сократительных структур сохраняются на высоком уровне и существенно снижаются лишь после 6-го месяца внутриутробного развития (Рис.121). Наряду с изменением количественных характеристик происходят существенные морфологические сдвиги: развивающийся миофибриллярный аппарат постепенно заполняет центральные части кардиомкоцитов, устанавливается строгая ориентация миофибрилл вдоль длинной оси клеток, в саркомерах четко определяются диски А. I, Н; количество свободных миофиламентов резко снижается. К 6-му месяцу плодного периода расположение миофибрилл и их упаковка приближаются к морфологической картине, наблюдаемой в зрелом миокарде.

121 122

Развитие митохондриального аппарата, судя по динамике относительного объема, отличается низкими темпами и равномерностью. Однако в популяции митохондрий наблюдаются значительные изменения, результатом которых является сокращение количества пузыревидных митохондрий и изменения расположения различных типов митохондрий в цитоплазме кардиомиоцитов: высокодифференцированные органеллы располагаются между миофибриллами и тесно с ними контактируют (Рис.122), а малоэффективные, содержащие незначительное число крист,- локализуются вблизи ядра.

По нашему мнению, дифференцировочные процессы, происходящие в митохондриальном аппарате миокарда в плодном периоде, направлены на повышение эффективности энерговырабатывающего компонента за счет повышения его функциональной активности и формирования пространственных взаимоотношений, способствующих оптимальному использованию энергии.

Миокард человека на 28-40-й неделе плодного периода содержит три слоя мышечных волокон, отличающихся по ориентации и состоящих из удлиненных кардиомиоцитов. В ряде случаев сердечные миоциты содержат 2 ядра, плотно прилежащие друг к другу и ориентированные вдоль длинной оси клетки (см. материалы 1-й и 3-й глав). Стереологические исследования показали, что в миокарде новорожденных общая структурная организация кардиомиоцитов незначительно отличается от таковой, установленной на 5-6-м месяце фетального периода.

Анализ временных соотношений между периодами ускорения дифференцировочных процессов в митохондриальном и миофибриллярном аппаратах показал, что активные сдвиги стереологических параметров миофибриллярного аппарата обусловливают последующую синхронную структурно-функциональную дифференцировку митохондриального. По нашему мнению, такой тип дифференцировки митохондриального аппарата, когда наряду с быстрым увеличением относительного объема митохондрий происходят их активные качественные изменения, возможен при совместном действии фактора времени и индуктивного влияния дифференцировки сократительного аппарата. Указанная зависимость наблюдается в позднем пренатальном и раннем постнатальном кардиомиогенезе экспериментальных животных, а также в позднем фетальном периоде онтогенеза человека.

В ряде случаев активное изменение относительного объема митохондрий предшествует выраженным сдвигам параметров миофибриллярного аппарата (эмбриогенезе кролика) или возрастание плотности упаковки миофибрилл и митохондрий на ранних этапах развития происходит одновременно (эмбриогенез человека); в этом случае дальнейшие качественные изменения митохондрий в большей степени зависят от скорости дифференцировки сократительного аппарата, чем от временного фактора, а изменения относительного объема митохондрий в незначительной степени определяются как фактором времени, так и сдвигами в плотности упаковки миофибрилл. В онтогенезе человека и кролика наблюдается расщепление структурной дифференцировки митохондриального аппарата, определяемой по относительному объему митохондрий, и его функциональной дифференцировки, стереометрическим эквивалентом которой служат такие параметры, как количество крист и степень их ориентации.

Онтогенетические сдвиги в динамике относительного объема гликогена и липидов у изученных экспериментальных животных имеют сходные черты. Быстрое накопление гликогена наблюдается на ранних стадиях пренатального развития, когда темпы увеличения плотности упаковки миофибрилл и митохондрий невелики или происходит структурная дифференцировка одного из основных структурно-функциональных аппаратов кардиомиоцита Резкое снижение скорости накопления энергетических ресурсов совпадает с периодами интенсивного развития миофибриллярного и митохондриального аппаратов. Необходимо отметить, что Функционально ведущий слой у всех объектов отличается низким содержанием гликогена и липидов. Таким образом, активная дифференцировка сократительного и митохондриального аппаратов является фактором, существенно изменяющим темпы накопления энергетических ресурсов, что может быть связано как с повышением расходования последних, так и ингибирующим влиянием дифференцировочных процессов на гликогенез и анаболизм липидов. В позднем кардиомиогенезе количество гликогена резко уменьшается. Плотность упаковки гликогена достигает низкого уровня в раннем постнатальном онтогенезе, а липиды, на катаболизме которых рождение сказывается, несущественна, обеспечивают энергозатраты миокарда, связанные с его дальнейшей дифференцировкой.

Характерно, что в кардиомиогенезе человека накопление основной массы гликогена происходит параллельно с осуществлением структурной дифференцировки миофибриллярного и митохондриального аппаратов; вполне вероятно, что депо энергетического материала (гликоген, липиды) является тем онтогенетическим приспособлением, которое компенсирует перенапряжение метаболизма миокарда в момент рождения (тоесть при резких изменениях условий тканевого обмена). При этом относительный объем гликогена является параметром, быстро реагирующим на изменения условий существования и в значительной степени зависящим от уровня структурно-функциональной зрелости миокарда и его отдельных слоев.

Вопрос о механизмах и направленности цитодифференцировки сократительных кардиомиоцитов включает широкий круг задач, связанных с изучением онтогенетических преобразований метаболического профиля клеток. В 1-й главе, рассматривающей пролиферативные механизмы в миокарде млекопитающих, мы изложили сведения об интенсивности пентозофосфатного пути на этапах онтогенеза. В целом, изучение активности ферментов пентозофосфатного цикла, играющего важную роль в процессах липогенеза и нуклеинового обмена, обнаружило резкое снижение интенсивности этого метаболического пути в миокарде экспериментальных животных на протяжении пренатального периода развития. Учитывая то обстоятельство, что изучаемый метаболический цикл является универсальным внутриклеточным поставщиком пентоз, используемых для синтеза полинуклеотидов, можно сделать предположение о жесткой взаимообусловленности между интенсивностью реакций пентозофосфатного цикла и пролиферативной активностью кардиомиоцитов. Это предположение подтверждается тем фактом, что после рождения, то есть в период относительно невысоких значений митотической активности кардиомиоцитов. обнаруживается также стабильно невысокий уровень протекания реакций пентозофосфатного цикла. С другой стороны, определенный уровень протекания пентозофосфатных реакций в зрелом миокарде, достоверно превышающий минимальные значения (установленные в раннем постнатальном периоде), отражает участие указанного цикла в липидном метаболизме миокарда.

Главным метаболическим циклом, поставляющим макроэргические фосфаты в качестве внутриклеточного энергетического материала в миокарде, является цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). С помощью микробиохимических методов была изучена ферментативная активность сукцинатдегидрогеназы (СДГ) - центрального фермента цикла трикарбоновых кислот, а также изоцит-ратдегидрогеназы (ИЦДГ) - энзима, "который лимитирует скорость протекания реакций окислительного фосфорилирования цикла Кребса.

Исследования показали, что в эмбриональном периоде кардиомиогенеза человека и животных интенсивность цикла трикарбоновых кислот невелика: изоцитрат - и сукцинатдегидрогеназная активность в ткани миокарда составляет чрезвычайно низкие величины. На протяжении эмбриогенеза всех изученных объектов колебания ферментативных активностей выражены умеренно и соответствуют тенденции к постепенному нарастанию интенсивности окислительных реакций фосфорилирования. В постэмбриональном периоде онтогенеза отмечается резкое нарастание активности изоцитратдегидрогеназы: на протяжении 5 дней жизни экспериментальных животных прирост активности фермента составляет в миокарде кролика - +222%; крысы - +296%; мыши - +257%. В гомогенатах постэмбрионального миокарда человека скорость нарастания изоцитратдегидрогеназной активности менее выражена: на протяжении с 8-й по 10-ю неделю - отсутствует; с 10-й по 12-ю - +59.4%; с 12-й по 16-ю -+102%.

К концу 3-й недели жизни крыс и мышей, а также на 20-е сутки перинатальной жизни кроликов активность ИЦДТ достигает значений порядка 10,3-11,6 нМ/мин/мг, что сопоставимо с результатами исследования зрелой ткани миокарда. У человека стабилизация изоцитратдегидрогеназной активности на указанном уровне наблюдается в период с 16-й по 20-ю неделю внутриутробного развития; в дальнейшем статистически значимые сдвиги не регистрируются.

В отличие от активности ИЦДТ, интенсивность сук-цинатдегидрогеназной реакции в миокарде животных начинает активно нарастать гораздо позднее - на протяжении 2-3-й недель постнатального онтогенеза животных, когда активность изоцитратдегидрогеназы находится на стабильно высоком уровне. Таким образом, в указанный период между ИЦДТ и СДТ формируется характерная дивергенция, смысл которой, вероятно, заключается в следующем. Реальная интенсивность цикла трикарбоновых кислот, критерием которой является уровень сукцинатдегидрогеназы, на определенном этапе отстает от генетически запрограммированной максимальной (по сути дефинитивной) интенсивности цикла, критерием которой является уровень изоцитратдегидрогеназы (лимитирующий фермент цикла Кребса).

Причины указанной дивергенции могут быть связаны, на наш взгляд, с относительной функциональной незрелостью митохондриального аппарата в этот период, а также с весомой ролью запасов гликогена и сопряженных с ним внутриклеточных энергетических циклов. Одним из таких циклов является гликолиз (центральный фермент - лактатдегидрогеназа (ЛДГ); лимитирующий - фосфофруктокиназа (ФФК). В нашем исследовании определение активностей указанных ферментов сочеталось с выявлением изоферментного спектра ЛДГ, так как направленность реакций гликолиза (окислительная или, напротив, анаэробная) обусловлена соотношением пяти изоферментных форм лактатдегидрогеназы.

При изучении гликолитических процессов в миокарде выяснилось, что в позднем эмбриональном периоде кардиомиогенеза активность лактатдегидрогеназы составляет высокие абсолютные значения у всех изученных млекопитающих (от 1,32 нМ/мин/мг у зародыша мыши до 2,72 нМ/мин/мг в миокарде человека). При этом в изо-ферментном спектре ЛДГ обнаруживается выраженное преобладание анаэробных фракций ЛДГ-4 и ЛДГ-5. свидетельствующее о неокислительной направленности гликолитических реакций (Рис.123).

123 124 125

В миокарде новорожденных экспериментальных животных обнаруживается снижение интенсивности гликолиза (в среднем на 31-35% по сравнению с эмбриональными значениями), причем этому соответствует пропорциональное снижение активности фосфофруктокиназы на фоне нарастания удельной активности аэробных изоферментных форм ЛДГ-1 и ЛДГ-2 (Рис.124). Указанные сдвиги, очевидно, обусловлены резким изменением условий развития организма, происходящим при рождении.

Это подтверждается также тем, что в миокарде человека на 8-й неделе эмбриогенеза уровень суммарной лактатдегидрогеназной активности снижается лишь на 10,3% (0.1<р<0,05) по сравнению с 7-й неделей развития, а значимые изменения в изоферментнон спектре ЛДГ отсутствуют. В течение первой недели постнатального развития изученных экспериментальных животных наблюдается стабилизация лактатдегидрогеназной активности, однако при этом происходит резкое (в среднем 2-кратное) снижение активности ФФК. Учитывая тот факт, что фосфофруктокиназа лимитирует скорость гликолитических реакций, можно сделать заключение о пропорциональном резком угнетении гликолиза в течение 1-й недели постнатальной жизни; относительно высокий уровень ЛДГ, выявляемый в гомогенатах миокарда в этот период, является следствием большого времени полужизни молекул ЛДГ (другими словами, указанный ферментный белок "переживает" конкретную гистогенетическую ситуацию, заключающуюся в программированном угнетении гликолитических реакций, - и оставается невостребованным). Однако уже после 5-го дня жизни на фоне стабильно низкого уровня активности фосфофруктокиназы наблюдается активное снижение лактатдегидрогеназной активности; при этом в изоферментном спектре ЛДГ происходит закономерное увеличение удельной активности аэробных фракций ЛДГ-1 и ЛДГ-2, приводящее к их преобладанию в суммарной ферментативной активности.

Миокард зрелых животных, в целом, характеризуется невысокой гликолитической активностью по сравнению с пренатальным и ранним постнатальным периодами онтогенеза. При этом внутренние перестройки направленности гликолитических процессов обусловливают преобладание окислительных реакций (Рис.125-128).

125 126
127 129

Высокая лабильность белковой молекулы фосфофруктокиназы не позволила биохимически определять ферментативную активность ФФК в гомогенатах постмортального миокарда человека, однако сходные (по сравнению с изученными животными) сдвиги активности ЛДГ и ее изоферментного спектра (Рис.129) позволяют представить характер онтогенетических преобразований гликолитического цикла в качестве общей гистогенетической тенденции, которая заключается в постепенном угнетении гликолиза в целом на фоне смены анаэробных (малоэффективных) реакций аэробными (высокоэффективными).

128

На рисунке 130 представлена серия окрашенных фракций лактатдегидрогеназы в полиакриламидном геле, демонстрирующая постепенное снижение удельной активности анаэробных фракций ЛДГ-5 и ЛДГ-4 на фоне онтогенетического нарастания аэробной направленности гликолитической реакции в эмбриональном (1 и 2; см. подписи к иллюстрации) и плодном (3-5) миокарде человека.

130

Одним из наиболее важных энергетических ресурсов сократительных кардиомиоцитов млекопитающих является гликоген, который по-разному определяет метаболический профиль миокарда на этапах онтогенеза. В материалах 3-й и текущей глав мы представили результаты морфологического анализа абсолютного и относительного содержания гликогена в цитоплазме кардиомиоцитов, однако необходимо отметить, что его уровень обусловлен соотношением

двух разнонаправленных процессов - новообразованием и утилизацией; последний и отражает, собственно, участие гликогена в энергетическом метаболизма. Для количественной оценки процесса утилизации гликогена в работе изучена активность фосфорилазы - фермента, расщеплявщего гликоген до глюкозы с последующим ее использованием в цикле трикарбоновых кислот или гликолизе.

Результаты биохимического исследования показали, что на протяжении позднего эмбрионального периода кардиомиогенеза скорость утилизации гликогена находится на высоком уровне: суммарная активность фосфорилазы составляет максимальные за весь исследуемый период значения. При этом плотность упаковки гликогена в цитоплазме кардиомиоцитов также находится на максимально высоком уровне, что свидетельствует об интенсивном новообразовании указанного энергетического материала. На протяжении 1-й недели постнатального развития экспериментальных животных фосфорилазная активность   кардиомиоцитов   остается на высоком уровне однако в последующем происходит активное угнетение скорости расщепления гликогена до глюкозы.

При этом наблюдается пропорциональное снижение плотности упаковки гликогеновых гранул в цитоплазме сократительных клеток. По всей видимости, в момент рождения процессы синтеза гликогена прекращаются, что приводит к постепенному истощению его запасов в клетке (наиболее активно - на протяжении 1-го месяца жизни).

В миокарде человека динамика редукции фосфори-лазной активности имеет ту же( направленность, что и у изученных животных, однако истощения запасов гликогена не наблюдается. Следовательно, процессы новообразования гликогена на протяжении всего плодного периода развития человека направлены на поддержание стабильного уровня энергетических ресурсов в цитоплазме кардиомиоцитов.

Общность характера изменений фосфорилазной активности в кардиомиогенезе изученных млекопитающих имеет черты гистогенетической закономерности; для уточнения механизмов регуляции и подтверждения гистогенетической запрограммированности процессов синтеза и утилизации гликогена изучена активность двух форм фосфорилазы: а (высокоактивной) и Ь (малоактивной). Важно отметить, что малоактивная молекула фосфорилазы Ь является димерным продуктом расщепления тетрамерной молекулы фосфорилазы а, причем реакция инактивации носит необратимый характер. В том случае, когда активная фосфорилаза, а существенно преобладает в суммарной ферментативной активности, а уровень фосфорилазы Ь невысокий, наблюдается соответствие генетически запрограммированной экспрессии определенных полинуклеотидных последовательностей ДНК конкретному состоянию энергетического метаболизма; если же соотношение форм ферментов изменяется в пользу инактивированной фосфорилазы Ь, то это свидетельствует о выраженном тормозящем регуляторном влиянии со стороны определенной ситуации, сложившейся в результате дефинитивных пропорций между отдельными циклами энергообмена.

Данные об онтогенетических изменениях активности фосфорилазы а и фосфорилазы Ь в миокарде млекопитающих представлены на рисунках 131. 132. Максимальное преобладание инактивированной фосфорилазы Ь в суммарной ферментативной активности наблюдается в конце 1-го месяца жизни экспериментальных животных и на 40-й неделе пренатального онтогенеза человека. Хронологически это соответствует периоду стабилизации большинства изученных показателей пентозофосфатного шунта, цикла трикарбоновых кислот, гликолиза и гликогенолиза.

131 132

В ряду важных задач, возникших на пути комплексной оценки гистогенетических преобразований метаболического профиля сократительных кардиомиоцитов в ходе онтогенеза, стоит задача вычленения собственно дифференцировочного компонента метаболизма (направленного на энергообеспечение сократительной функции миокарда) из всего комплекса разнообразных энергообразующих реакций (обеспечивающих процессы роста, пролиферации, межклеточных взаимодействий, миграции сердечных миоцитов). Основываясь на специфическом феномене сократительных клеток, заключающемся в том, что транспортной формой АТФ для миофибрилл служит исключительно креатинфосфат (КФ) и расщепляется он только АТФазами миозина в составе функционирующих актомиозиновых комплексов, мы изучили динамику накопления креатинфосфата в развивающемся миокарде животных и рассчитали соотношение между уровнями КФ и АТФ.

Результаты показали, что уровень креатинфосфата в сердечной мышце мало зависит от внутренних перестроек метаболизма кардиомиоцитов, но хронологически отчетливо сопрягается с периодами и степенью развити сократительного и митохондриального аппаратов сократительных клеток (Рис.133): в эмбриональном и раннем постнатальном кардиомиогенезе прирост параметра незначителен, однако в конце 1-й недели жизни наблюдается активное увеличение содержания креатинфосфата быстро достигающего уровня зрелых значений (4-5 мкМ/г).

133 134

Анализ динамики КФ/АТФ-соотношения (отражающего соотношение между цитодифференцировкой и другими базовыми процессами гистогенеза миокарда) показал, что относительно невысокий уровень показателя, установленный в эмбриональном миокарде животных, остается стабильным   с   незначительными   колебаниями в течение раннего постнатального развития (Рис.134), однако в последующем удельное содержание креатинфосфата в составе всего внутриклеточного энергетического пула значительно нарастает по сравнению с новорожденными животными (у 20-дневных кроликов - в 2,1 раза; у 30-дневных крыс и мышей - в 3.3 раза и 3.4 раза соответственно).

Таким образом, учитывая динамику указанных сдвигов, мы вправе сделать заключение о существенных перестройках метаболического профиля миокарда млекопитающих на различных этапах его гистогенеза, заключающихся в значительном снижении интенсивности пенто зо-фосфатного пути, анаэробного гликолиза и гликогенолиза с нарастанием активности реакций аэробного гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

Важно отметить, что наиболее существенные из указанных перестроек наблюдаются на протяжении 1-й недели постнатального онтогенеза изученных животных и в период с 16-й по 28-ю неделю внутриутробного развития человека. Основным гистогенетическим смыслом установленных перестроек является закономерное увеличение энергетической емкости метаболических процессов в системе энергообеспечения миокарда путем смены филогенетически древних низкоэнергетических форм метаболизма более высокоэффективными (адекватными потребностям растущего миокарда) окислительными реакциями.

Представленные результаты указывают на сложный и неоднонаправленный характер изменений изученных параметров на этапах раннего онтогенеза млекопитающих. Между тем, в ходе исследования обнаружилась определенная мера взаимосвязи между различными показателями, характеризующими состояние миофибриллярного и митохондриального аппарата, перестройки метаболического профиля развивающихся кардиомиоцитов на этапах реализации дифференцировочных программ. Обнаружилось, в часности, что процесс развития митохондрий в значительной мере зависит от хронологии и последовательности событий, составляющих содержание дифференцировки миофибриллярного аппарата: этот процесс содержит два этапа, временные рамки которых отчетливо сопряжены с двумя периодами в становлении миофибриллярного аппарата.

В первом периоде наблюдается активное увеличение количества миофибрилл, наиболее выраженное в трабекулярном миокарде. При этом развитие митохондриального аппарата проходит в две фазы. Содержание первой фазы заключается в умеренном нарастании плотности упаковки митохондрий и других их характеристик (на фоне высокой скорости развития миофибриллярного аппарата). Во второй фазе происходит резкое усиление пролиферации митохондрий с формированием многочисленных структурно и функционально незрелых органелл без существенных изменений занимаемого ими объема, цитоплазмы. В результате этого к концу второй фазы развитие миофибрилл существенно опережает развитие митохондрий.

Во втором периоде скорость накопления миофибрилл в кардиомиоцитах резко снижается. Достижение миофибриллами дефинитивного уровня содержания осуществляется за счет утолщения миофибрилл (но не за счет увеличения их количества). Второй этап развития митохондриального аппарата также проходит в две фазы. На первой из них наблюдается ускорение процессов структурной дифференцировки митохондрий (на фоне относительной стабилизации в развитии миофибриллярного аппарата). Вторая фаза сопровождается замедлением динамики структурных параметров митохондриального аппарата и выраженным нарастанием энергетической эффективности митохондрий. К концу второй фазы как структурные, так биохимические критерии дифференцировки митохондриального аппарата достигают дефинитивных значений.

Онтогенетическая динамика степени ориентации миофибрилл не зависит от периода развития миофибриллярного аппарата, а обусловлена двигательной активностью развивающегося организма. Чем выше двигательная активность, тем интенсивнее нарастает степень ориентации миофибрилл и тем раньше она достигает дефинитивного значения.

Результаты проведенного исследования отчетливо показали, что полноценный анализ цитодифференцировки кардиомиоцитов в рамках миокардиального гистогенеза возможен и оправдан лишь при параллельном учете комплекса количественных морфологических и биохимических параметров, адекватно отвечающих задачам исследования: представляется маловероятным, чтобы существовал какой-либо универсальный морфологический или биохимический критерий, однозначно определяющий степень цитодифференцировки сердечных миоцитов в зависимости от стадии онтогенетического развития.

Решая задачу количественного описания онтогенетической дифференцировки как единого целенаправленного процесса, мы использовали расчет интегрального параметра степени цитодифференцировки кардиомиоцитов по оригинальному методу, изложенному в нашей ранее опубликованной монографии (И.В.Твердохлеб и др.. 1996). Расчет проводили на основании изученных показателей дифференцировки после выведения из расчетов тех параметров, которые являются математическими производными от первичных данных. Коэффициенты значимости рассчитывали для каждого из учитываемых признаков на каждой из изученных онтогенетических стадий.

Результаты расчетов показали, что на начальных этапах эмбрионального гистогенеза степень цитодифференцировки кардиомиоцитов имеет чрезвычайно низкие значения у всех исследуемых объектов, однако затем происходит активное нарастание соответствующих интегральных показателей: в миокарде человека к концу эмбриогенеза (8-я неделя развития) степень дифференцировки сократительных клеток составляет 38.6% от дефинитивного уровня; к моменту рождения в сердце изученных экспериментальных животных обнаруживаются значения порядка 51-57%. что является отражением видовых особенностей протекания постэмбрионального периода развития у изученных млекопитающих, связанных с относительной зрелостью плода. В дальнейшем описанный период нарастания интегральных показателей степени ци-тодифференцировки клеток сменяется стабилизацией достигнутых значений (независимо от объекта исследования). Период такой относительной стабильности в миокарде человека продолжается с 10-й до 16-й недели пренатального онтогенеза; у кроликов - с 24-го дня эмбриогенеза до рождения; у крыс и мышей - с позднего эмбрионального этапа и на протяжении первых 5 суток перинатального развития (Рис.135);.

В последующем в миокарде млекопитающих наблюдается новый период нарастания степени дифференцировки кардиомиоцитов, который на протяжении 1-го месяца жизни экспериментальных животных и к 28-й неделе плодного развития человека обусловливает достижение максимального (дефинитивного) уровня цитодифференцировки сократительных клеток миокарда (95-100%).

135

Следует отметить, что степень цитодифференцировки и интенсивность (скорость) цитодифференцировки являются неидентичными понятиями: соотношение между указанными категориями имеет характер соотношения между результатом процесса и его напряженностью. Именно поэтому для оценки активности дифференцировочных событий в кардиомиоцитах мы использовали количественную характеристику, рассчитанную как градиент изменении интегрального параметра степени цитодифференцировки сократительных клеток за единицу онтогенетического времени.

Выяснилось, что интенсивность дифференцировки в ходе онтогенеза млекопитающих постоянно изменяется, а характер изменений не имеет линейной зависимости от фактора времени (Рис.136). Так, в трубчатом миокарде человека скорость дифференцированного процесса сократительных клеток составляет лишь 1.4% за 1 неделю; на протяжении эмбрионального развития интенсивность протекания дифференцировки прогрессивно нарастает и в течение 8-й недели эмбриогенеза имеет максимальную за весь исследуемый период скорость - 18,5%/нед. Иначе говоря, на протяжении всего одной 8-й недели развития человека в сократительных кардиомиоцитах осуществляется около 1/5 всех дифференцировочных событий.

136

В раннем постэмбриональном периоде наблюдается резкое снижение скорости цитодифференцировки; с 10-й по 16-ю неделю пренатального онтогенеза средний недельный прирост степени дифференцировки не превышает 0,35% от дефинитивного уровня. В течение 16-28-й недель развития плода наблюдается длительный период активизации дифференцировочных механизмов, однако при этом скорость цитодифференцировки все же заметно уступает значению, обнаруженному на 8-й неделе эмбрионального кардиоииогенеза. На протяжении указанного периода реализовываются практически все дифференцировочные программы и кардиомиоциты приобретают черты дефинитивной структурно-функциональной организации к началу 8-го месяца внутриутробного периода. На протяжении последующих трех месяцев развития скорость цитодифференцировки сердечных миоцитов имеет фоновые (около О,1%/нед) величины, не имеющие статистически достоверного характера.

В миокарде изученных экспериментальных животных характер протекания процесса цитодифференцировки. в целом, соответствует скоростным сдвигам в сердце человека. Это проявляется в существовании двух периодов активизации механизмов цитодифференцировки, разделенных периодом низкой скорости (Рис.137). В миокарде кроликов последний из указанных периодов наблюдается на 24-28-е сутки пренатальногоразвития, у крыс и мышей - в течение первых 5 дней постнатального онтогенеза. Угнетение скорости цитодифференцировки сократительных кардиомиоцитов при достижении дефинитивных значений структурно-функциональной организации происходит к концу 1-го месяца жизни экспериментальных животных.

137

Таким образом, в гистогенезе миокарда млекопитающих отчетливо определяется неравномерная интенсивность основных дифференцировочных событий на этапах онтогенеза, а выявленные периоды их активизации и стабилизации в значительной мере сопряжены во времени со сдвигами структурных и функциональных характеристик миофибриллярного и митохондриального аппарата сократительных кардиомиоцитов, а также с выраженными преобразованиями метаболического профиля миокарда (Рис.137). Первый период ускорения цитодифференцировки сократительных клеток обусловлен интенсивным накоплением количества и объема относительно незрелых миофибрилл и митохондрий на фоне преобладания низкоэнергетических реакций пентозофосфатного шунта, анаэробного гликолиза и гликогенолиза. Содержанием второго периода повышенной активности процесса дифференцировки являются нарастание функциональной активности миофибриллярного аппарата и повышение энергетической эффективности митохондрий на фоне интенсификации окислительных энергообразующих реакций аэробного гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

Поддержка
 © 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