Часть 2. Количественный структурно-функциональный анализ развития сердца позвоночных животных на этапах индивидуального развития

2.1. Структурная организация сердца в онтогенезе амфибий

Рис. 2.1. Участки цитоплазмы соседних кардиомиоцитов в сердце Rana temporaria на 5-е сутки личиночного развития. Ув.: 8000.

Традиционно сложилось, что для изучения кардиомиогенеза амфибий в качестве моделей были избраны следующие биологические объекты: лягушка (В.И.Волков, 1982; Huang, 1967; Bride, Gofflot, 1973), аксолотль (Gros, Schrevel, 1970).

Начало выработки сократительных белков, отмечающее инициацию специфической дифферекцировки, в миобластах шпорцевой лягушки наблюдали на стадии хвостовой почки, что соответствует 2-м суткам личиночного развития (Bride, Gomot, 1973). На 3-й сутки (27-28 стадии) отдельные волокна миофибрилп располагаются у клеточной поверхности и не образуют правильных пучков. Немногочисленные митохондрии в этот период в цитоплазме характеризуются округлой формой, малым количеством крист, что свидетельствует об их низкой функциональной активности (В. И, Волков, 1982).

Рис.2.2. Скопление миотохондрин в параиуклеарной зоне сократительного кардиомиоцита Rane temporariа на 5-е сутки личиночного развития. Ув.: 22000.

После вылупления зародышей (стадия 30) в кардиомиоцитах лягушки наблюдаются активные процессы миофибриллогенеза: появляются миофибриллы, состоящие из 5-6 саркомеров, в которых дифференцируются диски А, I, Z, Отмечается прикрепление миофибрилп к сарколемме, что В.И.Волков (1982) трактует как субсарколеммальный синтез миофибрилп. Другие авторы связывают начало саркомерогенеза в миокарде амфибий с зачатками дисков Z (Bride, Gomot, 1973; Lemanski, 1973).

К 5-м суткам (32 стадия) происходит нарастание удельного объема миофибрилл в 1,5 раза по сравнению с предыдущим периодом; удельный объем митохондрий несколько уменьшается (В.И.Волков, 1982). Немаловажную роль в энергетическом обеспечении миофибриллогенеза и сократительной активности миокарда на ранних этапах развития амфибий играют желтковые и липидные включения, количество которых постоянно уменьшается в ходе личиночного развития (Б, И. Волков, 1982).

К этому времени в миокарде амфибий выявляются две популяции кардиомиоцитов, значительно отличающиеся структурной организацией - "темные" и "светлые". "Темные" миоциты характеризуются развитым сократительным аппаратом, большим количеством митохондрий, обилием гранул гликогена. "Светлые" кардиомиоциты имеют малодифференцированный, неориентированный мнофибриллярный аппарат, бедны митохондриями, отличаются низким содержанием гликогена и липидов в цитоплазме. Количество "светлых" клеток постоянно снижается в ходе онтогенеза, зрелый миокард формируют только "темные" миоциты (Б.И.Волков, 1982).

Рис. 2. 3. Динамика плотности упаковки митохондрий в сократительных кардиомиоцитах желудочков Rana temporaria в онтогенезе.

Дальнейшая дифференцировка сократительного аппарата выражается в увеличении объема миофибрилл, числа и протяженности зон слипания (В.И.Волков, 1982), постепенном утолщении миофибрилл, более правильной их ориентировке (HuanЈ, 1967). Созревание митохондрий сопровождается увеличением их размера, уплотнением матрикса, увеличением числа и протяженности крист. К 9-м суткам личиночного развития (35-36 стадия) удельный объем миофибрилл семикратно возрастает по сравнению с 3-ми сутками; удельный объем митохондрий нарастает незначительно; объем включений желтка и липидов значительно снижается; наблюдается увеличение количества гликогена (Б.И.Волков, 1982). В миокарде аксолотля процессы миофибриллогенеза и развития митохондриального аппарата протекают по сходной схеме, однако сопровождаются снижением количества гликогена (Gros, Schrevel, 1970).

Рис.2.4. Динамика миофибриллярно-митохондриалыгого индекса в сократительных кардиомиоцитах желудочков Rana temporaria в онтогенезе.

Изучение ультраструктуры делящихся кардиомиоцитов амфибий после повреждения выявило аналогичную онтогенезу последовательность процессов синтеза и формирования миофибрилл (П.П.Румянцев, И.А.Шманцарь, 1968).

В кардиомиоцитах взрослых лягушек, по данным Б.И.Волкова (1982), наблюдается небольшой удельный объем миофибрилл и митохондрий по сравнению с этими же параметрами у птиц и млекопитающих. Carlsten с сотр. (1977) отмечают, что количественные характеристики развития миофибриллярного аппарата миокарда амфибий достигают уровня, наблюдаемого в зрелых кардиомиоцитах высших позвоночных. Berge (1979) описывает появление в саркомерах дисков N. Митохондрии в этот период имеют плотно упакованные кристы, причем литературные данные об их относительном объеме в цитоплазме высокодифференцированных сердечных миоцитов неоднозначны.

При изучении развития миофибриллярного и митохондриального аппарата миокарда в ходе онтогенеза амфибий Vesela с соавт, (1985) установили, что динамика отношения объема миофибрилл к объему митохондрий незначительно нарастает. Это не соответствует данным Б.И.Волкова (1982), свидетельствующим о резком увеличении этого показателя с 3-х по 7-е сутки личиночного развития амфибий, когда значительное увеличение объема миофибрилл сопровождается гораздо менее выраженным изменением объема митохондрий.

Рис. 2.5. Динамика абсолютной удельной площади миофибрилл в сократительных кардиомиоцитах желудочков Rana temporaria в онтогенезе.

Анализ литературных источников по кардиомиогенезу у амфибий позволяет сделать заключение о неполноте исследований, касающихся количественных аспектов этого процесса. В изученных нами работах не применялся морфолого-математический анализ становления основных компонентов кардиомиоцита. Развитие миофибриллярного аппарата миокарда на поздних стадиях личиночного развития амфибий в изученной литературе освещено недостаточно. Данные о количественных характеристиках миофибрилл и митохондриального аппарата на этапах онтогенеза и в зрелом миокарде амфибий остаются противоречивыми.

Рис. 2.6. Динамика абсолютной удельной площади митохондрий в сократительных кардиомиоцитах желудочков Rana temporaria в онтогенезе.

В наших исследованиях, проведенных на Rana temporaria, к концу 3-их суток зародышевого развития (28 стадия) мы наблюдали сердечную трубку, состоящую из эндо- и миокарда, разделенных гомогенным веществом кардиогеля. В кардиомиоцитах уже начался синтез специфических белков, о чем свидетельствует наличие в цитоплазме коротких актиновых и миозиновых нитей, беспорядочно переплетающихся и иногда объединяющихся в пучки из 4-5 филаментов, локализующихся, в основном, около ядерной мембраны и сарколеммы, но не прикрепляющихся к ним. Относительный объем миофиламентов составляет не более 11 объема цитоплазмы, степень их ориентации в этот период -8, 43%, что указывает на отсутствие упорядоченности в расположении.

Митохондрии характеризуются небольшими размерами, округлой формой, хаотичным расположением и имеют, как правило, не более 4 крист, незначительно выступающих в митохондриальный матрикс. Доля лилидных и желтковых включений в цитоплазме велика и составляет 24% и 18% объема цитоплазмы соответственно. Большая часть желточных зерен концентрируется около полирибосомадьных комплексов.

 
Рис. 2.7. Динамика плотности упаковки миофибрилл в сократительных кардиомиоцитах желудочков Rana temporaria в онтогенезе.

Значительную часть цитоплазмы занимают развитые активно функционирующие агранулярная эндоплазматическая сеть и комплекс Гольджи, обнаруживая бипотентность кардиомиоцитов на ранних этапах развития. Большая часть полирибосом локализуется в центральных зонах кардиомиоцита.

К концу 4-х суток, после вылупления зародышей (30 стадия), в цитоплазме кардиомиоцитов нарастает активность миофибриллогенеза: вблизи сарколеммы появляются слабоконтрастные зачатки дисков Z, иногда с ней ассоциирующиеся, отходящие от ннх пучки смешанных миофиламентов располагаются ориентированно и образуют цепочки из 4-5 саркомеров. Диски Z также служат местом образования "полусаркомеров", состоящих из актиновнх нитей. Наряду с перечисленными вариантами формирования миофибрилл, частой находкой являются пучки миофиламентов, прикрепленные к зонам слипания зачаточных вставочных дисков, причем наращивание саркомеров происходит одновременно в двух смежных кардиомиоцитах. Такие миофибриллы имеют более дифференцированное строение, так как в них четко определяются диски A, I, Z.

Рис. 2.8. Взаимодействие липидных включений с митохондриями в парануклеарной зоне сократительного желудочкового кардиомиоцита Rana teraporaria на 6-е сутки личиночного развития. Ув.: 45000.

Стереометрический анализ показал возрастание относительного объема миофибрилл более, чем в 1,5 раза по сравнению с 3-ми сутками зародышевого развития; абсолютной удельной поверхности - в 2 раза; умеренное увеличение степени упорядоченности.

Изменения стереологических параметров митохондриального аппарата слабо выражены, чему соответствует сохранение митохондриями малодифференцированного вида. В это время митохондрии отличаются низким содержанием и неразвитостью крист, прозрачностью матрикса.

К 4-м суткам развития цитоплазма кардиомиоцитов постепенно обедняется каналами гладкого эндоплазматического ретикулума, дегенерирует комплекс Гольджи. Таким образом, наблюдаемая на предыдущем возрастном этапе бипотентность миоцитов уступила место однонаправленной гистогенетической дифференцировке.

Рис. 2. 9. Динамика степени ориентации миофибрилл в сократительных кардиомноцитах желудочков Rana temporaria в онтогенезе.

На 5-е сутки личиночного развития в формирующемся сердце отчетливо выделяются предсердный и желудочковый отделы. Процесс врастания в кардиогель мышечных трабекул приводит к образованию значительно отличающихся по строению компактного, губчатого и трабекулярного слоев миокарда. Клетки внутреннего, прилежащего к эндокарду, трабекулярного слоя формируют различные по величине и протяженности мышечные трабекулы, между которыми определяются межтрабекулярные пространства. Между группами кардиомиоцитов среднего слоя миокарда определяются синусоиды, сообщающиеся с полостью сердца и между собой.

Дивергентная дифференцировка миокарда начинается одновременно с появлением функционально активных и неактивных кардиомиоцитов и, по всей видимости, им обусловлена. Активные кардиомиоциты, отличающиеся высокоразвитым сократительным аппаратом, большим числом митохондрий, составляют более половины клеточной популяции трабекулярного миокарда, в то время как большинство миоцитов губчатого и компактного слоев бедны миофибриллами и митохондриями.

Рис. 2. 10, ориентация миофибрилл в субеарколеммальной зоне сократительного желудочкового кардиомиоцита Rana temporaria на 7-е сутки личиночного развития. Ув.: 22000.

Электронно-микроскопические исследования кардиомиоцитов трабекулярного слоя обнаруживают увеличение количества элементарных нитей, входящих в миофибриллы, локализующихся, в основном, в субсарколеммальной и околоядерной зонах, где на более ранних этапах происходит активный миофибрилло - и саркомерогенез. Материал дисков Z часто выходит за пределы миофибрилл, отличается неоднородностью и сливается с сарколеммой и боковыми вставочными дисками, что указывает на активный рост миофибрилл в толщину и усиление их сократительной активности за счет плотной фиксации к клеточной стенке. Центральные части кардиомиоцитов заполнены беспорядочно расположенными миофиламентами и сильно развитым рибосомальным аппаратом (Рис, 2, 1).

Рис. 2. 11. Характер развития крист митохондрий в глубоких участках цитоплазмы сократительного желудочкового кардиомиоцита Rana temporaria на 7-е сутки личиночного развития. Ув.: 45000.

Значительное возрастание относительного объема миофибрилл сопровождается появлением признаков дифференцировки митохондриального аппарата (Рис, 2, 2)! увеличиваются не только абсолютный объем митохондрий и объем, занимаемый ими в цитоплазме (Рис, 2,3), но и количество и длина крист, происходит уплотнение митохондриального матрикса. Тем не менее, индекс, отражающий объемные отношения миофибрилл и митохондрий, резко увеличивается, что наблюдается во всех слоях миокарда (Рис, 2, 4). В значительно меньшей степени возрастают абсолютные удельные площади поверхностей сократительного и митохондриального аппаратов кардиомиоцита (Рис, 2,5, 2,6). Обращает на себя внимание то обстоятельство, что разница в площади их контакта с цитоплазмой составляет гораздо меньшее значение по сравнению с пятикратной разницей в объемах. Этот факт, по нашему мнению, обнаруживает различие в скорости обменных процессов, происходящих на поверхности миофибрилл и митохондрий, которая в последних более высока.

Сдвиги в количественных характеристиках компактного миокарда менее выражены и сохраняют направленность, наблюдаемую в функционально ведущем слое. Значения стереологических параметров губчатого слоя несущественно превышают таковые компактного (Рис, 2, 7).

Рис. 2. 12. Динамика плотности упаковки гранул гликогена в сократительных кардиомиоцитах желудочков Rana temporaria в онтогенезе.

В это время в цитоплазме кардиомиоцитов впервые появляются диффузно расположенные гранулы гликогена, доля которого в метаболизме миокарда невелика, тогда как доказательством активной роли липидов в его энергетическом обеспечении служат находки контакта жировых капель с митохондриями (Рис, 2, 8). Стереометрический анализ показал значительный расход пластического и энергетического материалов, особенно выраженный в трабекулярном слое.

На 7-е сутки личиночного развития в становлении миофибриллярного аппарата сохраняются тенденции, наметившиеся на более ранних стадиях: увеличение объема миофибрилл сопровождается усилением правильной ориентации, уменьшением количества неорганизованных миофиламентов (Рис, 2, 9, 2,10). Изменения со стороны митохондриального аппарата характеризуются увеличением числа крист и абсолютной удельной площади поверхности, уплотнением митохондриального матрикса (Рис,2,11). Значение миофибриллярно-митохондриального индекса достигает максимума во всех слоях миокарда.

 
Рис. 2. 13. Сосредоточение гранул гликогена около межмиофибриллярных митохондрий в субсарколеммальной зоне сократительного желудочкового кардиомиоцита Rana temporaria на 4-й неделе личиночного развития. Ув.: 40000.

Возрастающей роли гликолитических процессов в энергообеспечении миокарда соответствует увеличение количества гликогена в цитоплазме миоцитов (Рис, 2,12).

В течение 1-го месяца личиночного развития скорость увеличения миофибриллярной массы трабекулярного миокарда значительно замедляется, а степень дифференцировки миофибриллярного аппарата компактного миокарда к 20-м суткам, соответствуя лишь семисуточному уровню развития губчатого слоя, к началу 2-го месяца практически сравнивается с ним (Рис,2,13). Степень структурно-функциональной зрелости губчатого слоя занимает промежуточное положение между уровнями дифференцировки трабекулярного и компактного слоев. В течение первого месяца наблюдается постепенное истончение губчатого слоя за счет нарастания объема компактного слоя; таким образом, к началу 2-го месяца личиночного периода в миокарде лягушки губчатый слой не определяется.

Развивающийся сократительный аппарат характеризуется резким усилением ориентированности миофибрилл до 20-х суток развития и умеренным увеличением ее в дальнейшем, уменьшением количества свободных миофиламентов, постепенным заполнением миофибриллами центральных частей кардиомиоцитов. Возрастание абсолютной удельной площади поверхности миофибриллярного аппарата происходит более медленными темпами, чем наблюдалось в зародышевом периоде и первые дни после вылупления.

Рис.2.14. Динамика степени ориентации крист митохондрий в сократительных кардиомиоцитах желудочков Rana temporaria в онтогенезе.

Со 2-й по 4-ю неделю личиночного периода происходит активное увеличение относительного объема митохондрий, их абсолютной удельной площади поверхности, количества крист, их удлинение и усиление степени ориентации (Рис. 2.14, 2.15). Прогрессирующая дифференцировка миофибриллярного аппарата, наблюдаемая в течение первой недели развития, сменяется преимущественным развитием митохондриального, что отражается на величине миофибридлярно-митохондриального индекса, уменьшающейся вдвое к концу 1-го месяца личиночного развития.

Постепенно изменяется баланс энергетических ресурсов: одновременно со снижением плотности упаковки липидных включений (Рис. 2.16), особенно выраженным с 20-х по 30-е сутки, увеличиваются запасы гликогена, а желточный материал к концу 1-го месяца уже не обнаруживается (Рис, 2,17). Следует отметить, что накопление гликогена более интенсивно происходит в компактном слое, наименьшая активность этого процесса наблюдается в трабекулярном миокарде.

Рис, 2. 15. Динамика среднего количества крист митохондрий в сократительных кардиомиоцитах желудочков Rana temporaria в онтогенезе.

Динамики большинства стереологических параметров, отражающих развитие сократительного и митохондриального аппаратов миокарда как трабекуляркого, так и компактного слоев с 30-х по 70-е сутки, характеризуются медленными равномерными и однонаправленными изменениями. Обращает на себя внимание дальнейшее усиление степени ориентации митохондриальных крист, наиболее активно происходящее до 50-х суток жизни. Величина миофибриллярно-митохондриального индекса изменяется мало, отражая пропорциональное увеличение плотности упаковки сократительного и митохондриального аппаратов. В течение 2-го месяца развития наблюдается постепенное увеличение разницы между абсолютными удельными площадями поверхности миофибрилл и митохондрий, достигшей максимума к 70-м суткам.

Рис. 2. 16. Динамика плотности упаковки включений липидов в сократительных кардиомиоцитах желудочков Rana temporaria в онтогенезе.

Относительный объем гликогена значительно возрастает, что особенно выражено с 30-х по 50-е сутки. Количество липидных включений уменьшается более медленными темпами, чем в 1-й месяц жизни.

К концу метаморфоза (70-е сутки) миофибриллы со строгой ориентацией занимают большую часть цитоплазмы и прослеживаются на всем протяжении кардиомноцита (Рис, 2,18). В саркомерах определяются диски А, I, Z, Я и слабо выраженные диски М. Материал дисков Z остается неоднородным, иногда прерывается.

Рис. 2. 17. Динамика плотности упаковки желточных включений в сократительных кардиомноцитах желудочков Rana temporaria в онтогенезе.

Митохондрии тесно контактируют с миофибриллами и отличаются развитыми кристами, занимающими, однако, не весь объем органеллы.

Массивные скопления гликогена локализуются в свободных от митохондрий участках цитоплазмы, что отражает разобщение ана- и аэробного циклов метаболизма. Количество жировых включений уменьшается, сохраняется их расположение вблизи митохондрий.

Рис. 2. 18. Участок субсарколеммальной зоны сократительного желудочкового кардиомиоцита Rana teraporaria к концу метаморфоза (70-е сутки личиночного развития). Ув.: 20000.

Морфологическая картина миокарда в зрелом возрасте, так же как и стереометрическая его характеристика, мало изменяются по сравнению с наблюдаемыми нами в конце метаморфоза. Различия в строении миофибриллярного и митохондриального аппаратов в трабекулярном и компактном миокарда минимальны, но они сохраняются для большинства изученных параметров.

Метаболизм гликогена достигает своего пика, что не противоречит, тем не менее, максимальному развитию и высокой функциональной активности митохондрий. Этого требуют условия жизнедеятельности амфибий: во время пребывания на воздухе в кардиомиоцитах преобладает аэробный тип обмена, интенсивность которого снижается при погружении в воду, а адекватное энергообеспечение осуществляется за счет распада гликогена.

Таким образом, использование комплекса стереологических исследований позволяет проследить состояние основных структурно-функциональных аппаратов миокарда лягушки в онтогенезе и определить периоды их активной дифференцировки.

Морфология развивающегося сердца (структура, ультраструктура, метаболизм). Днепропетровск, 1995.- 220 с.
  -   Предисловие
  -   Часть 1. Общие закономерности развития структурной организации сердца человека:
  -     -   1.1. Морфология предсердий в онтогенезе человека;
  -     -   1.2. Морфология желудочков в онтогенезе человека.
  -   Часть 2. Количественный структурно-функциональный анализ развития сердца позвоночных животных на этапах индивидуального развития:
  -     -   2.1. Структурная организация сердца в онтогенезе амфибий;
  -     -   2.2. Структурная организация сердца в онтогенезе птиц;
  -     -   2.3. Структурная организация сердца в онтогенезе млекопитающих.
  -   Часть 3. Пути преобразования энергии в развивающихся кардиомиоцитах:
  -     -   3.1. Энергообмен миокарда в онтогенезе амфибии;
  -     -   3.2. Энергообмен миокарда в онтогенезе птиц;
  -     -   3.3. Энергообмен миокарда в онтогенезе млекопитающих.
  -   Часть 4. Сопоставительный и математический анализ структурно-функциональных характеристик развивающегося миокарда:
  -     -   4.1. Онтогенетический аспект развития сократительного аппарата сердца;
  -     -   4.2. Филогенетический аспект развития сократительного аппарата сердца.
  -   Заключение.