Благовещенск, Амурская область, Россия
Благовещенск, Амурская область, Россия
Цель исследования – оценка изменений процесса регенерации эпителиальной выстилки органов дыхания крыс различного возраста при общем охлаждении организма. Работа выполнена на 60 беспородных белых крысах, в возрасте: 6-7 месяцев (молодые) и 19-20 месяцев (старые). Каждая из групп включала по 2 подгруппы: 1 – интактные крысы; 2 – животные, которых подвергали общему охлаждению в течение 14 дней по 3 часа ежедневно при температуре -15ºС. Объектом исследования были краниальный и каудальный отделы слизистой оболочки трахеи и стенка внутридолькового бронха (малого калибра). Установлено, что при общем охлаждении организма в эпителии краниального и каудального отдела трахеи у старых животных по сравнению с молодыми крысами отмечено более значительное снижение числа базальных и особенно промежуточных клеток, увеличение количества бокаловидных. Отмечен рост числа клеток эпителия, в основном промежуточных, в состоянии экструзии. В малых бронхах у старых крыс снижается число реснитчатых клеток, в них увеличиваются деструктивные изменения, возрастает количество клеток Клара в состоянии элиминации. Действие низких температур приводит к активации реакции перекисного окисления липидов на фоне снижения содержания витамина Е в легких крыс, особенно старых животных.
многорядный реснитчатый эпителий, клетки Клара, трахея, бронхи, экструзия клеток, низкие температуры, реакция перекисного окисления липидов.
Основную роль в реализации защитных функций слизистой оболочки органов дыхания играет эпителиальная выстилка, обеспечивающая пролиферацию и дифференцировку клеток [4]. Неблагоприятные факторы окружающей среды, особенно низкие температуры, оказывают негативное влияние на все структуры воздухоносных путей [6, 7]. В норме в тканях организма постоянно протекает процесс липидной пероксидации, интенсивность которого находится в обратной зависимости от активности естественной антиоксидантной системы. Избыточное образование активных форм кислорода может быть причиной повреждения и гибели клеток [3] и, как результат, нарушаются процессы, обеспечивающие внутритканевые регуляторные механизмы. Известно, что убыль эпителиоцитов дыхательных путей реализуется не только путем апоптоза, но и путем элиминации морфологически жизнеспособных элементов [9, 10, 12]. Реакция клеток и тканей на воздействие низких температур также зависит от возраста организма, так как по мере старения происходит снижение уровня метаболических процессов, что приводит к избыточному накоплению продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ), активации окислительного стресса и развитию патологического процесса в структуре эпителиального пласта [1, 3, 8, 14].
Цель работы – оценка изменений процесса регенерации эпителиальной выстилки органов дыхания крыс различного возраста при общем охлаждении организма.
Материалы и методы исследования
Работа выполнена на 60 беспородных белых крысах, в возрасте: 6-7 месяцев (молодые) и 19-20 месяцев (старые). Протокол экспериментальной части исследования на этапах содержания животных, моделирования патологических процессов и выведения их из опыта соответствовал принципам биологической этики, изложенным в Международных рекомендациях по проведению медико-биологических исследований с использованием животных (1985), Европейской конвенции о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях (Страсбург, 1986), Приказе МЗ СССР №755 от 12.08.1977 «О мерах по дальнейшему совершенствованию организационных форм работы с использованием экспериментальных животных», Приказе МЗ РФ №267 от 19.06.2003 «Об утверждении правил лабораторной практики».
При завершении научных исследований выведение животных из опыта проводили путем декапитации с соблюдением требований гуманности согласно приложению №4 к Правилам проведения работ с использованием экспериментальных животных − приложение к приказу МЗ СССР №755 от 12.08.1977 «О порядке проведения эвтаназии (умерщвления животного)». Исследование одобрено Этическим комитетом Амурской государственной медицинской академии.
При распределении животных по возрасту учитывали этапы развития крыс [2]. В соответствии с поставленной задачей подопытные животные были разделены на две основные группы (молодые и старые), каждая из них включала по 2 подгруппы: 1 – интактные крысы; 2 – животные, которых подвергали общему охлаждению в течение 14 дней по 3 часа ежедневно при температуре -15ºС. Объектом исследования были краниальный и каудальный отделы слизистой оболочки трахеи и стенка внутридолькового бронха (малого калибра). Для этого вырезали из соответствующих отделов кусочки тканей размером 1×1 мм, материал фиксировался в течение 1 часа в 2,5% растворе глютаральдегида на 0,05 М какодилатном буфере рН 7,4. Обезвоживание материала осуществляли в спиртах восходящей концентрации. После проводки образцы тканей заливали в смесь эпона и аралдита. Полимеризацию проводили при температуре 60ºС. Из полученного материала изготавливали полутонкие срезы, которые окрашивали толуидиновым синим. Фотографирование осуществляли на микроскопе Primo Star (Германия). Проводили подсчет основных типов эпителиоцитов в составе краниального и каудального отдела трахеи (базальные, промежуточные, бокаловидные, реснитчатые), а также внутридолькового бронха (реснитчатые, клетки Клара) на 100 мкм длины эпителиального пласта. Биохимическому исследованию подвергали ткань легкого. Для определения продуктов ПОЛ и витамина Е липиды из тканей легкого экстрагировали по методу Блайя-Дайера (1975). Диеновые коньюгаты определяли методом И.Д.Стальной, гидроперекиси липидов – методом Л.А.Романова и И.Д.Стальной, количество витамина Е – по методу Р.Ж.Киселевича и С.И.Скварко. Статистическую обработку проводили при помощи статистического пакета Statistica 6.0.
Результаты исследования и их обсуждение
Внутренняя выстилка слизистой оболочки проксимального отдела дыхательных путей (трахея) представлена многорядным призматическим реснитчатым эпителием, расположенным на базальной мембране. В толще эпителиального пласта, как в краниальном, так и в каудальном отделах трахеи, наблюдается процесс элиминации, что морфологически проявляется изменением места локализации клетки, появлением на поверхности участка цитоплазмы, далее ядросодержащий части и затем окончательным выделением клетки из пласта. У интактных молодых крыс, по сравнению со старыми животными, почти в два раза реже присутствуют эпителиоциты в состоянии экструзии. У старых крыс достаточно часто встречаются реснитчатые клетки в процессе элиминации, как без морфологических изменений, так и с признаками частичного разрушения реснитчатого аппарата и структурной перестройки ядра. При охлаждении организма с составе эпителия увеличивается число тучных и бокаловидных клеток, часто элиминируют элементы, на апикальной поверхности которых отсутствуют реснички, и, учитывая особенности структуры ядра, есть основания предположить, что это промежуточные клетки (рис. 1А). Последние являются переходными формами на пути развития реснитчатых и бокаловидных клеток из базальных элементов (рис. 1А). Причем число промежуточных клеток у старых животных на 30% больше, чем у молодых [11]. У старых крыс в эпителиальном пласте встречаются зоны гипертрофированных реснитчатых клеток, присутствуют дегенеративно измененные элементы с признаками дистрофии цитоплазмы и ядра. Значительно снижается количество базальных клеток, большинство из которых имеют измененные ядра (рис. 1Б). Увеличение числа реснитчатых и промежуточных элементов в процессе экструзии, как в краниальном, так и каудальном отделах трахеи, примерно одинаково. Во внутридольковых бронхах в составе эпителия присутствуют реснитчатые клетки и клетки Клара, последние входят в состав непрерывной выстилки бронхиол, которая является продолжением эпителиального пласта проксимальных дыхательных путей. Клетки Клара играют роль прогениторных клеток эпителия бронхиол, они способны к самообновлению собственной популяции и к дифференцировке в реснитчатые клетки [13]. У молодых интактных крыс в малом бронхе реснитчатые клетки в основной имеют обычный план строения, между ними располагаются клетки Клара, содержащие немногочисленные гранулы и сохраняющие контакт с базальной мембраной. У старых крыс в некоторых реснитчатых клетках появляется вакуолизация цитоплазмы, часть клеток Клара утрачивает контакт с базальной мембраной. При действии низких температур в составе эпителия у молодых крыс увеличивается число реснитчатых клеток, среди них наблюдаются картины митоза клеток Клара (рис. 2А). У старых животных при общем охлаждении почти на 20% снижается число реснитчатых клеток, многие из них имеют дегенеративно измененные ядра, вакуолизированную цитоплазму (рис. 2Б).
|
  |
    
  |
|||||||||
|
Рис. 1. Слизистая оболочка каудального отдела трахеи крыс при общем охлаждении организма. А – молодые (6-7 месяцев); Б – старые (19-2 месяцев). Эпителиальный пласт сохраняет типичный план строения. Наблюдаются явления экструзии промежуточных клеток (↑). Выявляются тучные клетки (Тк). Некоторые реснитчатые клетки (Рк) имеют светлую цитоплазму. Базальные клетки (Бк) прилежат к базальной мембране. Полутонкий срез. Окраска: толуидиновым синим. Увеличение: А – 1000; Б – 1200.
|
||||||||||
|
   
  |
   
  |
|||||||||
|
Рис. 2. Слизистая оболочка малого бронха крыс при общем охлаждении организма. А – молодые (6-7 месяцев); Б – старые (19-20 месяцев). На базальной мембране располагаются реснитчатые клетки (Рк). На поверхности находятся клетки Клара (↑). Полутонкий срез. Окраска: толуидиновым синим. Увеличение: 1000. |
||||||||||
Таблица
Показатели продуктов ПОЛ и антиоксидантной системы в ткани легкого у крыс различного возраста (интактные животные и на фоне действия низкой температуры)
|
Показатели |
Группы животных |
|||
|
Возраст 6-7 месяцев |
Возраст 19-20 месяцев |
|||
|
Интактные |
Охлаждение в течение 14 дней |
Интактные |
Охлаждение в течение 14 дней |
|
|
Диеновые конъюгаты, нмоль/г |
43,82±1,3 |
52,57±1,82** |
45,62±1,48 |
60,47±1,45** |
|
Гидроперекиси липидов, нмоль/г |
36,12±1,11 |
45,68±1,25* |
39,05±1,56 |
44,6±1,49* |
|
Витамин Е, мкг/г |
58,95±1,93 |
43,52±1,18** |
61,72±1,87 |
42,25±1,89** |
Примечание: * – p<0,05; ** – p<0,01 – достоверность различий значений по отношению к интактной группе.
При действии низкой температуры, как у молодых, так и старых животных отмечен достоверный рост уровня ПОЛ в ткани легкого (табл.). На это указывают повышение показателей диеновых конъюгатов (у молодых животных на 16,6%, у старых на 24,6%) и гидроперекисей (у молодых животных на 21%, у старых на 12,4%). Уровень витамина Е, ответственного за антиоксидантную защиту, снижался в обоих группах, но особенно значительно у старых крыс (на 44%). Активность реакции ПОЛ в тканях контролируется антиоксидантной системой, которая обеспечивает не только защиту от повреждающего действия свободных радикалов, но и влияет на адаптационные реакции [3]. Считают, что с возрастом происходит увеличение повреждающего действия ПОЛ и его продуктов на организм, что приводит к накоплению неспецифических модификаций белков и ферментов, росту повреждений в клеточных компартментах [1].
У старых животных процесс экструзии морфологически дифференцированного эпителия встречается чаще, чем у молодых крыс [5]. Это характерно для всех отделов воздухоносных путей. Известно, что по мере уменьшения калибра бронхов и относительного увеличения в эпителии клеток с высокой функциональной специализацией доля их участия в пролиферации возрастает [11]. Необходимо иметь ввиду, что с возрастом происходят изменения эпителио-стромальных взаимодействий в эпителиальной выстилке дыхательных путей, что ведет к развитию инволютивных процессов [5, 6, 14]. Действие низкой температуры у старых животных более значительно изменяет уровень пролиферативных процессов, что может извращать направленность дифференцировки в эпителии органов дыхания.
1. Анисимов В.Н. Арутюнян А.В., Опарина Т.И., Бурмистров С.О., Прокопенко В.М., Хавинсон В.Х. Возрастные изменения активности свободнорадикальных процессов в тканях и сыворотке крови крыс // Российский физиологический журнал. 1999. Т.85, №4. С.502-507.
2. Западнюк И.П., Западнюк В.И., Захария Е.А., Западнюк Б.В. Лабораторные животные. Разведение, содержание, использование в эксперименте. Киев: Вища школа, 1983. 383 с.
3. Меньщикова Е.Б., Ланкин В.З., Зенков Н.К., Бондарь И.А., Круговых Н.Ф., Труфакин В.А. Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты. М.: Слово, 2006. 556с..
4. Павлов А.В., Есев Л.И. Методические подходы к комплексному изучению функциональной морфологии эпителиальной выстилки трахеи в эксперименте // Морфология. 2012. Т.142, №6. С.73-76.
5. Павлов А.В., Есев Л.И. Гистофизиология эпителия трахеи у крыс в постнатальном онтогенезе // Морфология. 2014. Т.146, №6. С.80-86.
6. Полякова В.С., Завалеева С.М., Стадников А.А. Структурная реорганизация воздухоносных и респираторных отделов легких при воздействии неблагоприятных факторов воздушной среды // Вестник ОГУ. 2003. №1. С.66-69.
7. Целуйко С.С., Красавина Н.П., Семенов Д.А., Горбунов М.М., Чжоу С.Д., Ли Ц. Современные взгляды на вопросы пролиферации и дифференцировки стволовых клеток органов дыхания в норме и при холодовом воздействии // Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2012. Вып.45. С.98-103.
8. Bailey K.L., Bonasera S.J., Wilderdyke M., Hanisch B.W., Pavlik J.A., DeVasure J., Robinson J.E., Sisson J.H., Wyatt T.A .Aging causes a slowing in ciliary beat frequency, mediated by PKCε // Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol. 2014. Vol.306, №6. Р.L584-L589.
9. Bird J.E., Daudet N., Warchol M.E., Gale J.E. Supporting cells eliminate dying sensory hair cells to maintain epithelial integrity in the avian inner // J. Neurosci. 2010. Vol.30, №37. Р.12545-12556.
10. Eisenhoffer G.T., Loftus P.D., Yoshigi M., Otsuna H., Chien C.B., Morcos P.A., Rosenblatt J. Crowding induces live cell extrusion to maintain homeostatic cell numbers in epithelia // Nature. 2012. Vol.484. №7395. Р.546-549.
11. Emura M. Stem cells of the respiratory tract // Paediatr. Respir. Rev. 2002. Vol.3, №1. Р.36-40.
12. Marinari E., Mechonic A., Curran S., Gale J., Duke T., Baum B. Live-cell delamination counterbalances epithelial growth to limit tissue overcrowding // Nature. 2012. Vol.484, №7395. Р.542-545
13. Rawlins E.L., Okubo T., Xue Y., Brass D.M., Auten R.L., Hasegawa Y., Wang F., Hogan B.L.M. The role of Scgb1a1+ Clara cells in the long-term maintenance and repair of lung airway, but not alveolar, epithelium // Cell Stem Cell. 2009. Vol.4, №6. Р.525-534.
14. Rosenblatt J., Raff M.S., Cramer L.P. An epithelial cell destined for apoptosis signals its neighbors to extrude it by an actin- and myosin-dependent mechanism // Curr. Biol. 2001. Vol.11, №23. Р.1847-1857.
