Сердце, логотип
www.CARDIOGENES.dp.ua
строение и развитие сердечно-сосудистой системы
Реkлама: Гриша ургант пиротехника www.salut-rnd.ru.
Кардиогенез :: Механизмы развития топологической дифференциации в…
 
Прикладная анатомия сердца
(Прикладная анатомия сердца / Под ред. В.А.Козлова. - Днепропетровск, 1996.- 173с.)
с.133-158
[ ⇐ назад | вперед ⇒ ]

Часть  5.  Механизмы развития топологической дифференциации в структуре миокарда на этапах раннего онтогенеза

Твердохлеб И.В.
Государственная медицинская академия, Днепропетровск.

На 4-й неделе пренатального развития в миокарде человека наблюдается обособление трабекулярного, губчатого и компактного слоев. Губчатый слой, благодаря наличию синусоидов, обеспечивает адекватное питание миокарда (Ostadal, Schiebler, 1971). Дифференцировка трабекулярного миокарда заметно опережает развитие губчатого и компактного слоев, о чем можно судить по более выраженному сократительному и митохондриальному аппарату. Вероятно, трабекулярный слой миокарда на ранних стадиях развития играет ведущую роль в функциональной активности органа. На 4-й неделе эмбриогенеза компактный и губчатый слои практически не отличаются по степени выраженности миофибриллярного аппарата, а плотность упаковки митохондрий в компактном слое значительно меньше, что хорошо согласуется с данными Lichnovsky (1984). Абсолютная удельная площадь поверхности митохондрий во всех слоях миокарда превышает площадь контакта с цитоплазмой сократительных структур,    что,  по нашему мнению, обусловлено спецификой обменных процессов, происходящих на поверхности миофибрилл и митохондрий, возникающей на самых ранних стадиях кардиогенеза. Плотность упаковки гликогена и липидов в трабекулярном миокарде составляет значительно меньшую величину, чем в губчатом и компактном слоях, что подтверждает выявленную нами ранее в кардиогенезе других позвоночных закономерность, свидетельствующую о тормозящем влиянии дифференцировки основных структурно-функциональных аппаратов миокарда на скорость накопления энергетических ресурсов.

Рис. 67. Сопоставительная динамика плотности упаковки миофибрилл в сократительных кардиомиодитах желудочков и предсердий человека в пренатальном онтогенезе.
Рис. 67. Сопоставительная динамика плотности упаковки миофибрилл в сократительных кардиомиодитах желудочков и предсердий человека в пренатальном онтогенезе.

В течение 4-6-й недель пренатального развития 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 сопоставимы с количественными характеристиками трабекулярного (Рис. 67. 68). Регрессионный анализ показал, что взаимозависимость между плотностью упаковки митохондрий и миофибрилл более существенна в трабекулярном слое по сравнению с компактным. В этот период между динамикой относительного объема миофибрилл и митохондрий в трабекулярном миокарде установлена сильная положительная корреляционная взаимосвязь. Таким образом, наиболее активному в функциональном отношении слою присуще равномерное и пропорциональное развитие сократительного и митохондриального аппаратов.

Рис. 68. Сопоставительная динамика плотности упаковки митохондрий, а сократительных кардиомиоцитах желудочков и предсердий человека в пренатальном онтогенезе.
Рис. 68. Сопоставительная динамика плотности упаковки митохондрий, а сократительных кардиомиоцитах желудочков и предсердий человека в пренатальном онтогенезе.

Дисперсионный анализ выявил наиболее выраженное влияние фактора времени в этот период на плотность упаковки митохондрий в компактном слое, их абсолютную удельную площадь поверхности в компактном и трабекулярном слоях, а также на степень ориентации миофибрилл. Двухфакторный дисперсионный анализ установил, что на относительный объем митохондрий в равной степени влияют временной фактор и плотность упаковки миофибрилл. Положительная корреляционная взаимосвязь средней силы между плотностью упаковки миофибрилл и их степенью ориентации свидетельствует о более быстром усилении упорядоченности в расположении миофибрилл по сравнению с увеличением их относительного объема.

В указанной период в митохондриальном аппарате устанавливаются следующие корреляционные связи: сильная положительная  между плотностью упаковки митохондрий и их абсолютной удельной площадью поверхности, слабая положительная - между относительным объемом митохондрий и степенью ориентации крист, а также между первым из параметров и количеством крист. Подобное распределение связей отражает активную структурную дифференцировку митохондриального аппарата, в то время как качественные изменения митохондрий выражены слабее.

Рис. 69. Сопоставительная динамика абсолютной удельной поверхности митохондрий в сократительных кардиомиоцитах желудочков и предсердий человека в пренатальном онтогенезе.
Рис. 69. Сопоставительная динамика абсолютной удельной поверхности митохондрий в сократительных кардиомиоцитах желудочков и предсердий человека в пренатальном онтогенезе.

До 6-й недели эмбриогенеза наблюдается существенное возрастание плотности упаковки гликогена и липидов, которое слабо коррелирует с динамикой относительного объема основных структурнофункциональных аппаратов миокарда в компактном слое и сильно - в трабекулярном, что связано с более выраженным накоплением, энергетических ресурсов в функционально менее активном слое.

В течение 7-8-й недели пренатального развития обращает на себя внимание резкое ослабление корреляционной взаимосвязи между плотностью упаковки митохондрий и их абсолютной удельной площадью поверхности, обусловленное активным увеличением последней (Рис. 69). На наш взгляд, указанное обстоятельство связано с размножением митохондрий. На 8-й неделе эмбриогенеза мы наблюдали появление двух типов митохондрий, что согласуется с литературными данными (В.Г.Шаров и др., 1988).

Рис. 70. Сопоставительная динамика плотности упаковки включений гликогена в сократительных кардиомиоцитах желудочков и предсердий человека в пренатальном онтогенезе.
Рис. 70. Сопоставительная динамика плотности упаковки включений гликогена в сократительных кардиомиоцитах желудочков и предсердий человека в пренатальном онтогенезе.

В период с 6-й по 10-ю неделю эмбриогенеза снижаются темпы накопления гликогена и липидов (Рис. 70, 71). Регрессионный анализ установил параболическую зависимость между временным фактором и плотностью упаковки энергетических ресурсов с 4-й по 10-ю недели эмбрионального развития.

Рис. 71. Сопоставительная динамика плотности упаковки включений липидов в сократительных кардиомиоцитах желудочков и предсердий человека в пренатадьном онтогенезе.
Рис. 71. Сопоставительная динамика плотности упаковки включений липидов в сократительных кардиомиоцитах желудочков и предсердий человека в пренатадьном онтогенезе.

В позднем эмбриональном и плодном периодах пренатального развития наблюдаются существенные изменения в динамиках таких стереологических параметров миофибриллярного аппарата, как степень ориентации миофибрилл и их абсолютная удельная площадь поверхности (Рис. 72. 73). До 12-й недели эмбриогенеза абсолютную удельную площадь поверхности сократительного аппарата описывает обращенная парабола 3-го порядка; в дальнейшем этот параметр характеризует линейная функция. Степень ориентации миофибрилл в указанный период описывает обращенная парабола 2-го порядка; после 16-й недели пренатального развития установлена линейная зависимость между указанным параметром и временным фактором. Темпы увеличения плотности упаковки миофибрилл существенно изменяются после 6-го месяца внутриутробного развития. Функцией, описывающей динамику этого параметра в течение пренатального онтогенеза, является обращенная парабола 3-го порядка.

Рис. 72. Сопоставительная динамика степени ориентации миофибрилл в сократительных кзрдиомионитах желудочков и предсердий человека в пренатальном онтогенезе.
Рис. 72. Сопоставительная динамика степени ориентации миофибрилл в сократительных кзрдиомионитах желудочков и предсердий человека в пренатальном онтогенезе.
Рис. 73. Сопоставительная динамика абсолютной удельной площади миофибрилл в сократительных кардиомиоцитах желудочков и предсердий человека в пренатальном онтогенезе.
Рис. 73. Сопоставительная динамика абсолютной удельной площади миофибрилл в сократительных кардиомиоцитах желудочков и предсердий человека в пренатальном онтогенезе.

Дисперсионный анализ выявил более существенное влияние фактора времени на степень ориентации миофибрилл и их абсолютную удельную площадь поверхности до момента изменения характера описывающих их динамику регрессионных функций, а сила влияния фактора времени на относительный объем миофибрилл значительно уменьшается только после 6-го месяца пренатального периода. Корреляционный анализ установил сильную положительную корреляционную взаимосвязь между плотностью упаковки миофибрилл и их абсолютной удельной площадью поверхности в течение 6-12-й недели эмбриогенеза, после чего наблюдалось существенное ослабление этой связи. С 8-й по 14-ю неделю между относительным объемом миофибрилл и их степенью ориентации положительная корреляционная взаимосвязь имеет среднюю силу, после 3-го месяца пренатального онтогенеза эта связь становится слабой. Таким образом, развитие миофибриллярного аппарата миокарда человека во внутриутробном периоде связано с быстрым достижением значений, близких к дефинитивному уровню, таких параметров, как степень ориентации миофибрилл и их абсолютная удельная площадь поверхности, что соответствует дифференцированной морфологической структуре миофибриллярного аппарата, наблюдаемой к концу 5-го месяца плодного периода.

Рис. 74. Сопоставительная динамика степени ориентации крист митохондрий в сократительных кардиомиоцитах желудочков и предсердий человека в пренатальном онтогенезе.
Рис. 74. Сопоставительная динамика степени ориентации крист митохондрий в сократительных кардиомиоцитах желудочков и предсердий человека в пренатальном онтогенезе.

Митохондриальный аппарат после 8-й недели эмбриогенеза отличается нарастанием качественных изменений, выражающихся в значительном увеличении среднего количества крист в одной митохондрии и резким усилением степени ориентации крист (Рис. 74). Наиболее существенные сдвиги указанных параметров наблюдаются между 8-й неделей и 6-м месяцем внутриутробного развития. Между ними установлена сильная положительная корреляционная взаимосвязь на протяжении всего пренатального онтогенеза.

Плотность упаковки митохондрий в течение позднего эмбрионального и плодного периода возрастает менее активными темпами, чем на протяжении 4-8-й недель пренатального развития. Заметное возрастание относительного объема митохондрий наблюдается в конце плодного периода развития. В течение 2-8-го месяца пренатального онтогенеза между плотностью упаковки митохондрий и степенью их ориентации установлена положительная корреляционная взаимосвязь средней силы, а между первой и абсолютной удельной площадью поверхности митохондрий - сильная положительная корреляция. Регрессионный анализ показал существенное снижение взаимозависимости между относительным объемом митохондрий и миофибрилл в этот период, но возрастание ее между плотностью упаковки сократительных структур, количеством митохондриальных крист и их степенью ориентации. Двухфакторный дисперсионный анализ показал, что влияние плотности упаковки миофибрилл на стереологические параметры митохондриального аппарата, отражающие его качественные изменения, в этот период выражено гораздо сильней, чем влияние фактора времени. Динамики среднего количества крист и степени их ориентации в указанный период хорошо описывает обращенная парабола 3-го порядка, в то время как изменения других стереологических параметров митохондриального аппарата носят линейный характер.

Рис. 75. Сопоставительная динамика миофибриллярно-митохондриального индекса в сократительных кардиомиодитах желудочков и предсердий человека в пренатальном онтогенезе.
Рис. 75. Сопоставительная динамика миофибриллярно-митохондриального индекса в сократительных кардиомиодитах желудочков и предсердий человека в пренатальном онтогенезе.

Изменения миофибриллярно-митохондриального индекса после 6-й недели эмбриогенеза имеют однонаправленный характер в трабекулярном и компактном слоях миокарда и наиболее выражены до 6-го месяца плодного периода (Рис. 75). В пренатальном онтогенезе динамику этого параметра аппроксимирует обращенная парабола 3-го порядка, пик которой наблюдается на 6-м месяце внутриутробного развития.

Таким образом, в пренатальном онтогенезе человека развитие митохондриального аппарата имеет выраженный фазовый характер. До 8-й недели эмбриогенеза выражен рост относительного объема митохондрий в цитоплазме без существенных качественных их изменений; этот период отмечен разнонаправленностью сдвигов, испытываемых миофибриллярно-митохондриальным индексом в различных слоях миокарда. После 2-го месяца внутриутробного развития, на фоне постоянно возрастающего разрыва между плотностью упаковки миофибрилл, происходит быстрая дифференцировка иитохондриального аппарата, связанная с увеличением количества крист в одной митохондрии и усилением степени ориентации крист. Начиная с 8-го месяца пренатального онтогенеза плотность упаковки митохондрий вновь активно возрастает, при этом ослабевает выраженность качественных изменений митохондрий; миофибриллярно-митохондриальный индекс достигает пика на 8-м месяце плодного периода, после чего величина его постоянно снижается.

Установленная нами периодизация в развитии митохондриального аппарата позволяет предположить, что при достижении к 2-му месяцу пренатального развития определенного уровня структурной дифференцировки, под которой мы подразумеваем пространственные и количественные взаимоотношения между миофибриллами и митохондриями, индуктивное влияние сократительного аппарата сказывается, в основном, на качественных параметрах иитохондриального аппарата - среднем количестве крист в одной митохондрии и степени их ориентации. Однако дальнейшее нарастание функциональной активности митохондрий становится невозможным без экстенсивных сдвигов, обусловливающих снижение миофибриллярно-митохондриального индекса. Таким образом, в позднем пренатальном периоде увеличение эффективности работы митохондриального аппарата происходит как за счет нарастания относительного объема митохондрий в цитоплазме, так и за счет их качественных изменений.

Таким образом, сопоставив полученные нами данные о состоянии стереологических параметров миофибриллярного и митохондриального аппаратов миокарда человека в раннем онтогенезе с данными литературы и между собой, возможно выявление периодичности в развитии иитохондриального аппарата, а также установление степени влияния на этот процесс дифференцировки миофибрилл.

---

Изучению процессов дифференцировки кардиомиоцитов посвящено большое количество морфологических исследований. Тем не менее, несмотря на многочисленность работ, многие из вопросов миофибриллогенеза остаются достаточно спорными (П.П.Румянцев, 1982).

Рис. 76. Участки  цитоплазмы  соседних  кардиомиоцитов  в   сердде 10-суточиого крысиного эмбриона. Ув.: 45000. Рис. 77. Участок цитоплазмы кардиомиоцита в сердце человека на 4-й неделе эмбрионального развития. Ув.: 50000.
Рис. 76. Участки  цитоплазмы  соседних  кардиомиоцитов  в   сердде 10-суточиого крысиного эмбриона. Ув.: 45000.
Рис. 77. Участок цитоплазмы кардиомиоцита в сердце человека  на 4-й неделе эмбрионального развития. Ув.: 50000.
Рис. 78. Обильное накопление полирибосом в зоне формирования миофибриллы. Зачаток Z-диска. Участок субсарколеммальной зоны сократительного желудочкового кардиомиоцита в сердце человека на 6-й неделе пренатального онтогенеза. Ув.: 70000. Рис. 79.  Преимущественная локализация полисомальных комплексов в глубоких слоях цитоплазмы околоядерной зоны, миокард эмбриона человека на 6-й неделе эмбриогенеза. Ув 40000.
Рис. 78. Обильное накопление полирибосом в зоне формирования миофибриллы. Зачаток Z-диска. Участок субсарколеммальной зоны сократительного желудочкового кардиомиоцита в сердце человека на 6-й неделе пренатального онтогенеза. Ув.: 70000.
Рис. 79.  Преимущественная локализация полисомальных комплексов в глубоких слоях цитоплазмы околоядерной зоны, миокард эмбриона человека на 6-й неделе эмбриогенеза. Ув 40000.

Характеризуя клетки развивающегося миокарда, целесообразно, на наш взгляд, согласиться с мнением Manasek (1973) о том, что все клетки, содержащие миофибриллы, необходимо обозначать как кардиомиоциты различного уровня зрелости. Вероятно, самым существенным признаком проявления дифференцировки кардиомиоцитов является начало синтеза специфических белков и формирование сократительных филаментов. Сроки появления миофиламентов, их природа в клетках развивающегося миокарда млекопитающих определяется в различных исследованиях неоднозначно, однако многие авторы едины во мнении, что большинство кардиомиоцитов еще до начала ритмичных сокращений сердца мышей (Challice, Viragh, 1973), крыс (П.П.Румянцев, 1982; Markwald, 1973), человека (Lichnovsky, 1984) содержат одиночные миофибриллы. Изучая кардиомиоциты развивающегося сердца, мы выявили первые признаки саркомерогенеза как этапа, предшествующего формированию миофибрилл, у 10-дневных эмбрионов крыс (Рис. 76) и в конце 4-й недели развития человеческого эмбриона (Рис. 77). Соглашаясь с выводами ряда исследователей (Chiquoine, 1957; Legato, 1972; Lemanski, 1973) о важной роли Z-дисков в саркомерогенезе, мы убедились, что центрами сборки отдельных миофиламентов являются участки электронноплотного материала Z-дисков (Рис. 78), причем если отдельные миофиламенты обнаруживались в различных участках саркоплазмы, то первые организованные саркомеры выявлялись непосредственно под сарколеммой. По мнению же Manasek (1968), миофибриллогенез инициируется одновременно в различных участках цитоплазмы. В нашем исследовании не удалось обнаружить синтеза миофибрилл в участках саркоплазмы, прилежащих к ядру или находящихся в глубоких отделах клетки. Вероятно, что диффузное расположение миофиламентов в цитоплазме кардиомиоцита свидетельствует лишь о незакрепленной локализации белоксинтезирующих субстратов клетки либо о свободном перемещении миофиламентов, но ни в коем случае не о столь же незакрепленных локусах сборки миофибрилл. При этом следует отметить преимущественную локализацию полисомальных комплексов в глубоких слоях цитоплазмы околоядерной зоны (Рис. 79). Вероятно, именно здесь происходят подготовительные этапы синтеза тонких и толстых миофиламентов (собственно миофиламентогенез), в то время как сборка миофибрилл (миофибриллогенез) протекает в субсарколеммальной зоне клетки (Рис. 80).

Рис.80. Сократительные  кардиомиодиты  крысы на 11-е сутки пренатального онтогенеза. Ув.: 30000.
Рис.80. Сократительные  кардиомиодиты  крысы на 11-е сутки пренатального онтогенеза. Ув.: 30000.

В организации первых миофибрилл нет признаков упорядоченной ориентации, отсутствует также связь с сарколеммой. В последующем - по мере формирования групп миофибрилл, в их опиентации появляется строгая закономерность. На начальных этапах   становления   сократительных   элементов   определяющую роль в этом играет связь Z-дисков с боковыми отделами сарколеммы и лишь затем, по мере удлинения миофибриллярных комплексов, основной зоной закрепления становится связь терминальных саркомеров миофибрилл с элементами вставочных дисков кардиомиоцитов.

Существует, повидимому, и другой способ формирования новых миофибрилл: путем расщепления уже образовавшихся при достижении ими определенной "критической" массы, что обусловливает возникновение в постнатальном онтогенезе крыс и у поздних плодов человека Felderstruktur сократительного аппарата кардиомиоцитов.

Анализируя данные серийных срезов на ранних стадиях развития, мы пришли к выводу об инициирующей роли Z-дисков в сшивании отдельных миофиламентов. Описываемые некоторыми авторами (Markwald, 1973) группы миофиламентов, не связанные с веществом Z-дисков, по-видимому, определяются как результат плоскостного среза.

Не серийных срезах ни в одном иэ случаев нами не было отмечено организованных миофиламентов, длина которых превышала бы величину саркомера, вне связи с элементами Z-дисков. Аналогичными участками связывания миофиламентов является электронно-плотное вещество fascia adherens и первичных десмосом формирующихся вставочных дисков.

Характеризуя миофибриллы дифференцирующихся кардиомиоцитов. необходимо отметить связь их с сарколеммой для сопряженного функционирования сократительной системы в целом. Уже на 11-12-й день эмбриогенеза крыс и на 5-й неделе развития человеческого эмбриона в субсарколеммальной области кардиомиоцитов определялись миофибриллы, закрепленные с плотным веществом вставочных дисков и развивающие, очевидно, активные сопряженные сокращения. В пользу предположения об активном функционировании последних говорит значительное количество митохондрий, располагающихся в непосредственной близости и заполняющих межмиофибриллярные пространства.

Мы считаем целесообразным выделение отдельного класса "незрелых", формирующихся, функционально пассивных миофибрилл, терминальные концы которых не фиксированы к мембранным комплексам. Анализ серийных срезов однозначно доказывает существование таких миофибрилл. Характерной особенностью концевых саркомеров является значительное количество полисомальных комплексов между радиально расположенными миофиламентами (следовательно, наличие активного синтеза миозина), отсутствие скоплений митохондрий, располагающихся вдоль миофибрилл (следовательно, если миофибрилла не фиксирована с обоих концов, она не функционирует).

Анализ литературы по раннему кардиомиогенезу обнаружил большое количество разноречивых подходов, используемых авторами при рассмотрении механизмов увеличения длины сформированных миофибрилл и связанного с этим роста кардиомиоцитов (П.П.Румянцев, 1982; Chacko, 1976). Так, длина кардиомиоцитов крыс и человека в течение сравнительно короткого промежутка времени увеличивается в 3-4 раза, достигая величин 100-120 мкм. Однако к этому периоду основную массу составляют миофибриллы с закрепленными в области вставочных дисков концевыми саркомерами. Главным механизмом надстройки, по нашему мнению, является формирование новых саркомеров в области вставочных дисков, о чем свидетельствуют картины разнонаправленности и фрагментированности миофиламентов в этих участках, отсутствие характерных дисков в структуре саркомера. С другой стороны, существование свободных миофиламентов в поздние сроки как между миофибриллами центральной локализации, так и, особенно, в субсарколеммальной зоне, а также наличие механизма расшивки миофибрилл на состоящие из отдельных саркомеров сегменты в ходе митоза не исключает и другой вариант: увеличение длины миофибрилл путем встраивания новых саркомеров в участки расшивки. Каких-либо морфологических доказательств этому в наших исследованиях не получено.

В итоге, нам представляется необходимым охарактеризовать взаимозависимость между процессами удлинения кардиомиоцита и миофиламентов в его составе. После достижения миофибриллами длины, сопоставимой с длиной клетки (т.е. с расстоянием между двумя вставочными дисками) основным местом фиксации миофибрилл становятся специализированные контакты в составе этих вставочных дисков. При этом важно отметить, что достижение указанного соответствия между длинами миофибрилл и клетки в целом естественным образом препятствует дальнейшему удлинению миофибриллы. С другой стороны, миофибриллы, не имея возможности "встроить" посреди самих себя дополнительные саркомеры, определенным образом сдерживают рост кардиомиоцита. На наш взгляд, приемлемым выходом из сложившейся ситуации является митотическое деление кардиомиоцита, сопровождающееся значительной диссоциацией миофибрилл (Рис. 81), что дает возможность дочерней клетке еще до реассоциации миофибрилл достигнуть определенной, продиктованной детерминацией, длины и лишь затем восстановить функционирующий миофибриллярный аппарат.

Рис.81. Диссоциация миофибрилл з цитоплазме митотически делящегося кардиомиоцита. Миокард крысы на 14-е сутки пренатального онтогенеза. Ув.: 30000.
Рис.81. Диссоциация миофибрилл з цитоплазме митотически делящегося кардиомиоцита. Миокард крысы на 14-е сутки пренатального онтогенеза. Ув.: 30000.

Таким образом, выявление основных механизмов развития сократительного аппарата миокарда в онтогенезе вызвало к необходимости четкое разграничение отдельных компонентов этого процесса: 1) синтез миофиламентов (собственно миофиламентогенез); 2) синтез миофибрилл и их утолщение (миофибриллогенез); 3) удлинение миофибрилл (саркомерогенеэ); 4) функциональная активность миофибрилл; 5) межклеточные взаимодействия на уровне вставочных дисков. Развитие сократительного аппарата миокарда как система, включающая 5 указанных элементов с наличием специфических связей между ними, нуждается в количественной оценке на протяжении онтогенеза. В связи с этим, мы предлагаем введение интегральной характеристики состояния сократительного аппарата, рассчитываемой на основе параметров отдельных ее элементов с учетом степени значимости каждого из них на этапах индивидуального развития.

В последние годы постепенно распространилось и укрепилось мнение, что качество морфологического исследования, наряду с другими обстоятельствами, определяется количеством использованных методик, сочетанием методов смежных научных отраслей и, наконец, увеличением количества объектов и их диапазона, как в онтогенетическом, так и в филогенетическом отношениях. При этом появилась тенденция к максимальному вовлечению различных разновидностей математического анализа в обработку результатов количественного морфологического исследования. Следует признать, что мы глубоко понимаем важность и перспективность наметившихся тенденций, но вынуждены, тем не менее, проанализировать некоторые типичные ошибки и ограничения экстенсивного подхода в выборе и использовании методического аппарата.

Во-первых, применение конкретных методов математического анализа предполагает точное структурирование в получении первичных количественных данных. Так, в частности, наиболее частой ошибкой при проведении корреляционного и регрессионного анализов является использование параметров, находящихся не в биологической, а в математической взаимосвязи (т.е. один показатель выступает в роли арифметической производной от другого). Естественно, что вычисление коэффициентов линейной корреляции, например, между тремя параметрами - объемом митохондрии, площадью ее поверхности и поверхностно-объемным отношением - не только не приводит к получению новой информации, но и в оценке явления общей ультраструктурной интеграции клетки может привести к грубому отклонению от правильного результата за счет неоправданного и искусственного увеличения роли указанных взаимосвязей. Еще одной ошибкой при проведении корреляционно-регрессионного анализа часто оказывается необоснованное допущение о линейном характере взаимосвязей между изучаемыми параметрами, что приводит к утрате ценной информации и извращенному представлению о реальных взаимоотношениях элементов изучаемой системы. Важно отметить, что указанные ошибки относятся к разряду "технических", связанных с некорректным применением математического аппарата к обработке данных.

Существует, однако, и более глубинная причина, часто и закономерно приводящая к искажению результатов морфологического исследования. Причина эта связана с природой изучаемых объектов. Дело в том, что в морфологии существует лишь небольшое число разновидностей объектов, о которых можно с уверенностью судить как об однородных. И вполне естественно, что практически в каждом руководстве по биометрии оценка полученных первичных результатов обязательно начинается с анализа статистических распределений, т.к. методологически обоснованным применение методов математической обработки данных возможно лишь в случае нормального (Гауссова) распределения. В повседневной же исследовательской практике начало математической обработки зачастую совпадает с расчетом среднего значения изучаемого параметра и других вариационных его характеристик, т.е. a priori допускается однородность объектов исследования по этому параметру. Аналогичные допущения происходят и в отношении других изучаемых количественных показателей, в результате чего формируются неверные представления как об объекте в целом, так и об отдельных его характеристиках. Для наглядности целесообразно проиллюстрировать это на конкретных примерах.

В соответствии с задачей, входящей в рамки собственного научного направления, нам пришлось изучить развитие ряда ультраструктур сократительных кардиомиоцитов в отделах сердца человека. В частности, в зрелых миоцитах левого желудочка средняя площадь поверхности внутренней мембраны митохондрий (включая мембраны крист) составила 8,63 мкм3. При этом митохондрий со средним значением 8,63 мкм3 или близким к нему в клетке немного (как это ни странно на первый взгляд), тогда как частота встречаемости органелл со значениями 4,5-5,5 мкм3 и 10,0-11,0 мкм3 достигает в сумме 60%   по сравнению с другими диапазонами (Рис.  82).  Наличие двух пиков в кривой распределения частот параметра отчетливо свидетельствует о наличии 2-х типов объектов, значительно различающихся по площади внутренней митохондриальной мембраны. Если учесть, что плотность мультиферментных "дыхательных комплексов" равномерно распределена по всей внутренней мембране, то правомерно заключить, что в основе гетерогенности митохондрий лежит их потенциальная энергоемкость. Несложные расчеты позволяют определить также абсолютное количество энергии (АТФ), образующейся в единицу времени в каждой из изучаемых органелл.

Рис.82. Кривая статистического распределения частот   по   площади внутренней митохондриальной мембраны в зрелых кардиомиоцитах левого желудочка.
Рис.82. Кривая статистического распределения частот   по   площади внутренней митохондриальной мембраны в зрелых кардиомиоцитах левого желудочка.

Не ставя задачи дальнейшего расширения объема информации, получаемой уже на этом этапе математической обработки, считаем необходимым предостеречь от необоснованного формального определения количества классов объектов, а также средних значений параметров для каждого класса. Решение первой из указанных задач связано с графической оценкой кривых распределения для каждого из изучаемых параметров в отдельности (выбор параметров осуществляется    исследователем в     соответствии с конкретными задачами работы). Следует учитывать, что объекты могут отличаться друг от друга по одним параметрам (т.е. быть по ним разнородными), но по другим показателям составлять единую совокупность со статистическим распределением, близким к нормальному. Следовательно, количество классов объектов соответствует максимальному количеству пиков в кривой одного или нескольких параметров.

Сложнее обстоит дело со средними величинами показателей, так как максимумы частот не обязательно должны совпадать с ними из-за неизвестной величины трансгрессии в смешанной выборочной совокупности объектов. В связи с этим возникает необходимость уже на этапе морфометрии знать, к какому именно классу принадлежит тот или иной объект, который в данный момент времени морфометрируется.

Таким образом, мы подошли к проблеме, связанной не столько с ошибками (техническими и методологическими), сколько с ограничениями тех методов математического анализа, которые так часто необоснованно или преждевременно используются при обработке результатов морфологических исследований. Одним из центральных затруднений в этом отношении является необходимость количественного сопоставления тех или иных изучаемых явлений или процессов не по отдельным параметрам (что не имеет определенного биологического смысла), а по их комплексу, т.е. по объекту в целом. В связи с этим интерес в морфологии последних лет был направлен на поиск и возможность оперировать интегральными характеристиками, включающими все изученные показатели.

Наиболее часто для этой цели используется стратегия политетической классификации, основанная на кластерном анализе. Разность d между совокупностями свойств двух объектов М и N определяется по формуле:

формуле разности в совокупности

где n - число свойств, составляощих совокупность; хi - обозначение i-го свойства; аi - коэффициент весомости (значимости) i-го свойства среди других свойств; 6i - среднее квадратическое отклонение i-го свойства по всей исследуемой выборке объектов,  в которую входят М и N.

При использовании формулы 5 исходят из того, что совокупность всех свойств объекта обозначается точкой в -мерном евклидовом пространстве, а d есть вектор, характеризующий последовательно складываемые разницы положений двух точек по каждой из координат. Обобщаемые свойства объектов могут быть самыми различными и, следовательно, самыми различными могут быть и их размерности. Вследствие этого числа, характеризующие отдельные свойства, могут отличаться в десятки, сотни, тысячи раз, что делает их роль в формуле совершенно неравноценной. Кроме того, если не применить какой-либо вид корректировки, приходится сравнивать величины с разными размерностями, что недопустимо. Введение в формулу величин σi позволяет решить эти проблемы.

При этом становится очевидным, что значимость изученных параметров для интегральной характеристики процесса или явления неодинакова: основная трудность в расчете интегрального параметра заключается именно в точном (математическом), а не произвольном (предположительном) определении коэффициентов значимости. Систематическое пренебрежение анализом статистических распределений параметров, полученных в ходе морфологического исследования, делало невозможным преодоление возникшего затруднения

В сложившейся ситуации мы предлагаем представляющееся логичным решение этой задачи: вернемся к тому этапу в исследовании, когда обнаружилась необходимость знать, к какому классу принадлежит изучаемый в данный момент объект.

Итак, морфометрии подвергается объект, принадлежащий к одному из классов. По некоторым параметрам этот объект ближе к среднему значению 1-го класса, по иным - к значению, характерному для второго. При этом участие каждого параметра в конечной диагностической оценке (1-й или 2-й класс) будет определяться степенью его значимости в расчете интегральной характеристики. Не интуитивное, а точное ее определение, как сказано,- основное затруднение в решении задачи. Решение это связано с анализом распределения значений параметров. При этом, разумеется, чем выше пики в кривой распределения и чем глубже между ними граница, тем более данный параметр определяет принадлежность объекта к одному из классов. По мере стирания этой границы параметры становятся все менее и менее важным аргументом, относящим изучаемый объект к тому или иному классу. Если же, наконец, граница не определяется, т.е. речь идет о нормальном распределении значений, то это свидетельствует об однородности объектов (но только по данному, нормально распределенному параметру) - следовательно, значимость его в определении класса объекта приближается к нулю.

Таким образом, возникает необходимость количественно (!) оценить глубину раздела (выраженность границ) между пиками в распределениях всех изучаемых параметров. Среди существенных характеристик статистических распределений наибольший интерес в этом отношении представляет величина эксцесса (Ех), которая количественно выражает степень вертикального отклонения эмпирического распределения от нормального. По мере углубления границ между максимумами частот в распределениях параметров возрастает абсолютное значение Ex. однозначно выражающего значимость каждого из, признаков в расчете интегрального параметра (Рис. 83).

Рис. 83. Кривые распределения частот параметров митохондрий зрелого сократительного кардиомиоцита левого желудочка сердца человека.
Рис. 83. Кривые распределения частот параметров митохондрий зрелого сократительного кардиомиоцита левого желудочка сердца человека.

Следовательно, каждый изучаемый объект характеризуется своей величиной интегрального параметра, рассчитанного на основе всех используемых морфометрических показателей с учетом их значимости. Зная величины интегральных параметров каждого класса, мы можем безошибочно определить "классовую принадлежность" каждого из изучаемых объектов уже на этапе иорфометрии, - со всеми вытекающими отсюда последствиями: определением среднего значения каждого параметра для типа объекта, выявлением количественного соотношения между объектами разных классов в ограниченном пространстве и т.п. После соответствующей группировки первичных данных становится возможным рассчитать статистические характеристики объектов дифференцированно по каждому из выявленных классов.

На рисунке 84 представлены результаты вычисления и анализа распределений интегральных параметров митохондрий в отделах зрелого сердца человека. Величины Ех распределений количественно отражают степень гетерогенности органелл: как видно, она нарастает в ряду правое предсердие - левое предсердие - левый желудочек - правый желудочек.

Рис. 84 Кривые распределения интегральных параметров митохондрий лредого сократительяого кардиомиоцита, а отделах сердца человека.
Рис. 84 Кривые распределения интегральных параметров митохондрий лредого сократительяого кардиомиоцита, а отделах сердца человека.

Получив принципиальную возможность точного определения коэффициентов значимости каждого из параметров многомерных объектов и, далее, точного расчета интегрального параметра каждого изучаемого объекта, мы имеем реальную возможность выявить отсутствие либо наличие гетерогенности системы (см. монографию). Иными словами, становится возможным определить наличие классов и если они существуют, проследить динамику их появления, развития, взаимной трансформации на определенном хронологическом отрезке (например, в онтогенезе). Наиболее удобным подходом в этом отношении является графический анализ указанной динамики. Интересно, что полученная выборка интегральных параметров, имеющих свое собственное статистическое распределение, также может быть охарактеризована своей собственной величиной эксцесса (по стандартной процедуре), но в новых условиях значение эксцесса является количественной оценкой такого, казалось бы, сложного и абстрактного понятия, как гетерогенность системы (частным случаем гетерогенности является гетероморфия, давно привлекающая интерес морфологов). На рисунке 85 представлена временная динамика развития гетерогенности митохондриального аппарата в левом желудочке сердца человека, которая отчетливо показывает хронологию появления 2 классов органелл, "расхождение" "эмбрионального" типа митохондрий на т.н. высоко- и низкоэффективный типы, периоды замедления и ускорения в развитии ультраструктурной неоднородности и т.д.

Рис. 85. Динамика статистических распределений интегрального параметра митохондрий сократительного кардиомиоцита левого желудочка в онтогенезе человека.
Рис. 85. Динамика статистических распределений интегрального параметра митохондрий сократительного кардиомиоцита левого желудочка в онтогенезе человека.

Необходимо отметить, что в основе расчета интегральных параметров лежит единый принцип определения значимости конкретных морфометрических показателей по величинам Ex.

Вынужденная подробность, с какой изложен предлагаемый материал, делает целесообразным вычленение схемы, позволяющей представить этот материал в качестве этапов оценки системы объектов:

1. Определить, однородна ли совокупность объектов по каждому из исследуемых параметров (методом графического анализа кривой статистического распределения).

2. Определить значимость каждого из исследуемых параметров для отнесения объекта к тому или иному классу (путем расчета величины эксцесса распределения).

3. Рассчитать интегральные параметры для каждого изучаемого объекта с учетом степени значимости морфометрических показателей (методом кластерного анализа).

4. Провести анализ статистического распределения интегрального параметра объекта. Определить количество классов объектов. Рассчитать величину Ех распределения (как меру гетерогенности системы).

5. Рассчитать вариационные характеристики всех изученных морфометрических параметров дифференцированно для каждого класса объектов.

Осуществление указанных этапов работы позволяет корректно описать изучаемую систему объектов, даже если она неоднородна, и приступить к решению конкретных задач исследования. Универсальность такого подхода делает возможным сопоставление гетерогенных систем как в топологическом, так и в хронологическом отношениях.

Смотри монографию Твердохлеб И.В. Гетерогенность миокарда и ее развитие в нормальном кардиомиогенезе, 1996.

Прикладная анатомия сердца. Козлов.
Прикладная анатомия сердца / Под ред. В. А. Козлова. — Днепропетровск, 1996.— 173с.: ил.
  Предисловие;
  Часть 1. Топография и форма полостей сердца в онтогенезе В. А. Козлов, С. Е. Стебельский, В. Д. Маковецкий, И. В. Юрченко: 1.1 Форма и объем полостей сердца, 1.2 Топографоанатомические особенности различных отделов сердца в онтогенезе;
  Часть 2. Структурная организация стенки сердца в онтогенезе В. Д. Мишалов, В. Н. Кузьменко, И. А. Демьяненко, А. Г. Козловская: 2.1.Структурная организация стенки предсердий; 2.2.Структурная организация стенки желудочков;
  Часть 3. Сопоставительный анализ процессов кардиомиогенеза, васкулогенеза и метаболизма сердца В. А. Козлов, М. А. Машталир, А. В. Черняк: 3.1 Сопоставительный анализ процессов кардиомиогенеза, васкулогенеза и метаболизма сердца, 3.2 Анализ взаимосвязи между количественными показателями сердца крысы на этапах онтогенеза, 3.3 Сопоставительный анализ онтогенетических сдвигов параметров кардиомиогенеза;
  Часть 4.Морфологический и информационный анализ развития межтканевых отношений в миокарде на этапах раннего онтогенеза И. С. Шпонька;
  Часть 5.Механизмы развития топологической дифференциации в структуре миокарда на этапах раннего онтогенеза И. В. Твердохлеб.
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