Введение к работе
Актуаіьность проблемы. Мышечные сокращения, по образному
выражению И.М.Сеченова, отражают все многообразие внешних проявлений мозговой деятельности (Шмерлинг М.Д. и др., 1991). Широкий диапазон предъявляемых требований и постоянно меняющиеся условия микро- и макроокружения определяют необычайную сложность и динамичность комплекса механизмов, обеспечивающих выполнение мышечным волокном специфической функции. Нарушения тонкого равновесия в их работе, связанные с изменениями параметров клеточного метаболизма, могут приводить к запуску последовательности дистрофических, некробиоти-ческих и компенсаторных реакций, сопровождающих многие заболевания и интоксикации, составляющих основу патологического процесса при миопатияхразличной природы (Бритван И.Я., 1989; НепомнящихЛ.М. идр., 1999; Сухих Г.Т. и др., 2001; Emery А.Е.Н., 1998; Brass Е.Р., Hiatt W.R., 2000; Larsson N.G., Oldfois A, 2001; Ventura-Clapier R. et al, 2002; Warren J.D. et al, 2002; Gosker H.R. et al, 2003).
Несмотря на очевидную практическую и теоретическую значимость, морфология и механизмы этих изменений изучены недостаточно. Последнее обусловлено рядом обстоятельств: заболевания, при которых повреждения соматических мышц составляют основу патологического процесса (показано гистологическое исследование), как правило, редки; биопсия мышц производится на стадии выраженных клинических проявлений, когда гистологическая картина отражает сложный результат взаимодействия деструктивных и компенсаторно-приспособительных реакций.
Указанная ограниченность гистологического метода может быть значительно уменьшена при условии проведения исследований на самых ранних стадиях развития миопатологического процесса с последующим анализом динамики его развития. Подобный методический подход был с успехом использован в экспериментах при изучении острых очаговых метаболических повреждений миокарда (НепомнящихЛ.М., 1991,1996) и соматических мышц (Целла-риус С.Ф., Целлариус Ю.Г., 1979).
Адекватность полученных представлений о морфогенезе дис-метаболических процессов в значительной степени зависит оттого, насколько параметры экспериментального процесса отражают универсальные механизмы развития повреждения. Для тканей с высо-
кой зависимостью функционально и активности от окислительного метаболизма, к которым относится скелетная мускулатура, такими механизмами в первую очередь являются первичная и вторичная дисфункция митохондрий и связанные с ней дефицит энергии, нарушения ионного гомеостаза и активация свободнорадикальных процессов (Cassarino D.S., BennettJ.P., 1999; Mirabella М. etal, 2000; Weiss J.N. etal, 2003; Brookes P.S. etal, 2004). Изучение особенностей структурной реализации этих механизмов в многоядерных мышечных клетках, в которых отдельные ядра контролируют последовательные сегменты волокна, а митохондриальныи компартмент отличается качественной и количественной гетерогенностью (Adhihetty P.J., Hood DA, 2003; Tews D.S., 2003) является новым и перспективным направлением фундаментальных исследований.
Для выяснения закономерностей структурной реорганизации мышечных волокон при дисметаболических состояниях различного генеза большое значение имеет сравнительный анализ морфо-функциональных изменений скелетных мышц при генетически детерминированных миопатиях и токеико-метаболических повреждениях. Одной из моделей наследственно обусловленных миопатий являются преждевременно стареющие крысы OXYS, у которых ключевую роль в патогенезе мультиорганной патологии играют прогрессирующие с возрастом нарушения энергетического метаболизма, обусловленные изменениями в соотношениях цитохромов внутренней мембраны митохондрий, снижением активности FjF0-ATO-синтетазы, дыхательного контроля и скорости фосфорилирования (Шабалина И.Гидр., 1995; КолосоваН.Г., идр., 2001). Косвенными признаками окислительного стресса являются накопление окислительных повреждений белков и липидов, усиление предмутацион-ных изменений в тотальной ДНК (Крысанова Ж.С. и др., 1995; Колосова Н.Г., идр., 2003).
Повреждения скелетных мышц, вызванные токсическими агентами (диметилпарафенилендиамином и бупивакаином) имеют другую динамику (Mascres С, Jasmin G., 1974; Draper R.P. et al, 1994; McLoon L.K etal, 1998; Gregorevic P. etal, 2000; Hill M. etal, 2003) - воздействия носят «экстремальный» характер, однако их основной мишенью также являются митохондрии. Образование при окислении диметилпарафенилендиамина альтернативных путей транспорта электронов вдыхательной цепи (Munday R., 1992; Yabe К., 1992) и вызываемое бупивакаином разобщение окислительного
фосфорилирования приводят к острым нарушениям энергетического метаболизма и ионного гомеостаза (Bemardi Р., 1999; Irwin W. et al, 2001). Получение материала через различные промежутки времени после введения препаратов позволит реконструировать последовательность развития острых токсико-метаболических повреждений и ход регенерации.
Сравнительный анализ полученных результатов может помочь в интерпретации биопсийного, аутопсийного и экспериментального материала при таком редком и «строго локальном» в географическом смысле (АвцынА.П., 1972) заболевании, как алиментарно-токсическая пароксизмальная миоглобинурия. Непредсказуемость его кратковременных вспышек затрудняет, даже в современных условиях, применение многих клинических и экспериментальных методов исследования (Buchholz U. etal, 2000). Морфологические исследования проводились в небольшом числе случаев, главным образом на секционном материале и с использованием только световой микроскопии (Берман Ю.З., Струсевич А.В., 1957). Новые интересные данные были получены во время последней крупной вспышки этого заболевания (Сидорова Л.Д. и др., 1989), однако токсическое начало так и не было выделено, патогенетические механизмы остались неясными, а общая картина — пестрой и в некоторой степени «статичной».
Цель и задачи исследования. Цель работы — изучение морфогенеза деструктивных и компенсаторно-приспособительных процессов в соматической мышечной ткани при острых и хронических нарушениях клеточного метаболизма различного генеза.
Для достижения этой цели был использован экспериментальный и клинический (биопсийный и аутопсийный) материал и поставлены следующие задачи:
1. Изучить морфогенез деструктивных и компенсаторно-
приспособительных реакций в соматической мышечной ткани при
генетически детерминированной метаболической миопатии у крыс
линии OXYS.
-
Изучить особенности деструктивных реакций и регенераторный потенциал скелетных мышц крыс OXYS и Вистар при острых повреждениях соматической мускулатуры, вызванных бупивакаином.
-
Изучить морфогенез острых токсико-метаболических повреждений и репаративных реакций соматической мускулатуры, возникающих при введении диметилпарафенилендиамина.
-
Провести комплексный анализ структурных изменений в соматической мышечной ткани при алиментарно-токсической паро-ксизмальной миоглобинурии по данным биопсий и аутопсий.
-
Изучить морфологические особенности патологического процесса в соматической мышечной ткани при алиментарно-токсической пароксизмальной миоглобинурии в зависимости от выраженности клинической картины в эксперименте.
-
Провести сопоставление полученных данных в плане интерпретации структурных проявлений и разработки элементов общей концепции деструктивных и компенсаторно-приспособительных процессов в соматической мускулатуре при метаболических нарушениях различного генеза.
Научная новизна. Впервые проведено комплексное морфологическое исследование соматической мускулатуры на разных уровнях структурной организации при метаболических повреждениях различного генеза. Устанавлено единство структурных реакций скелетных мышц, включающих в себя адаптивные реакции митохонд-риального компартмента (при хроническом характере стрессового воздействия), универсальные изменения миофибрилл (как один из основных индикаторов состояния мышечного волокна) и интегральные изменения в мышечной ткани (отражение процессов компенсации и декомпенсации нарушенных функций).
По результатам изучения моделей острого и хронического нарушения клеточного гомеостаза выделены основные типы изменений сократительного аппарата — контрактурные повреждения и лизис, наличие и соотношение которых в патоморфологической картине позволяет судить об особенностях взаимодействия универсальных деструктивно-компенсаторных механизмов, связанных со скоростью нарастания, выраженностью сдвигов клеточного метаболизма и длительностью их существования.
Впервые при генетически детерминированной миопатии у преждевременно стареющих крыс OXYS выявлены универсальные структурные реакции мышечных волокон при хроническом нарушении окислительного метаболизма. Показано, что в условиях прогрессирующей дисфункции митохондрий первые адаптивные реакции митохондриального компартмента (гиперплазия митохондрий с увеличением площади рабочей поверхности), сопровождающиеся ремоделированием и минимальной деструкцией фибриллярных структур, с течением времени сменяются его структурной
декомпенсацией — фрагментацией митохондриального компарт-мента и распространенными деструктивными изменениями митохондрий. Это повышает восприимчивость мышечных волокон к стрессовым стимулам, приводит к более частому возникновению очагов миоцитолизиса и контрактурных изменений, на тканевом уровне - к уменьшению компенсаторной гипертрофии и усилению атрофии мышечных волокон в диафрагме.
При токсико-метаболических повреждениях, вызванных бупи-вакаином, впервые показана эффективность репаративной регенерации у крыс OXYS, что указывает на сохранение при наследственно обусловленной дисфункции митохондрий пролифератив-ного и репопулятивного потенциала миогенных клеток-предшественников.
На основе последовательного анализа экспериментального материала, полученного через различные промежутки времени, была реконструирована динамика контрактурных повреждений при остром нарушении митохондриального метаболизма диметилпарафе-нилендиамином, показано значение структурно-метаболических характеристик волокна-мишени и типоспецифических особенностей распространения повреждения в определении формы, протяженности и эволюции контрактурного очага.
Изучение и сопоставление биопсийного, аутопсийного и экспериментального материала в одной «системе координат» позволило впервые представить комплексную патоморфологическую оценку изменений соматической мышечной ткани при алиментарно-токсической пароксизмальной миоглобинурии с применением современных методов светооптическо го, поляризационного, фазово-контрастного и электронно-микроскопического анализа.
На фоне выраженной неоднородности морфологической картины показано, что из двух основных форм реакции в острой патологии поперечно-полосатой мускулатуры (контрактурные повреждения и внутриклеточный миоцитолизис), выходящих при алиментарно-токсической миоглобинурии на первый план, ведущая роль принадлежит литическим процессам. Отражением функциональной асинхронности и структурно-метаболической гетерогенности мышечных волокон является стадийная и типовая неоднородность морфологической картины с сохранением в ней вне зависимости от тяжести заболевания широкого спектра стереотипных патологических реакций.
Как при остром, так и при хроническом воздействии наиболее уязвимыми для повреждения оказываются работающие мышечные волокна. Подтверждением этого положения являются более выраженные изменения в постоянно работающем органе (диафрагме), обнаруживаемые при алиментарно-токсической пароксизмальной миоглобинурии и в ранние сроки опьпас введением диметилпара-фенилендиамина (большее количество поврежденных волокон), а также при метаболической миопатии у крыс OXYS (повышенный фон очаговых изменений, особенности динамики морфо-стереоло-гических показателей).
Практическая значимость. Полученные результаты, раскрывающие закономерности и особенности тканевых, клеточных и субклеточных реакций в соматической мускулатуре при острых и хронических нарушениях клеточного метаболизма, составляют базу для разработки морфологических критериев диагностики и прогноза алиментарно-токсической миоглобинурии и метаболических повреждений соматических мышц различного генеза
Данные о закономерностях и механизмах повреждений скелетных мышц, полученные на экспериментальных моделях и отражающие универсальные механизмы повреждения и смерти клеток, могут бьпь экстраполированы на аналогичные процессы в патологии человека и использованы при интерпретации многообразия структурных перестроек в клиническом материале.
Результаты по использованию антиоксидантных препаратов (Темпола) для коррекции дисметаболических повреждений могут бьпь использованы для разработки новых терапевтических подходов при острых и хронических нарушениях митохондриального метаболизма в патологии человека.
Выявленные закономерности структурных реакций в условиях острого и хронического нарушения энергетического метаболизма составляют элементы общей концепции морфогенеза деструктивно-приспособительных реакций в патологии скелетных мышц и могут использоваться в различных обастях миопатологии.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Структурная перестройка скелетных мышц при метаболических нарушениях сопровождается комплексом стереотипных структурных изменений, в основе которых лежат адаптивные и деструктивные реакции митохондриального компартмента, универсальные изменения миофибрилл и структурная реорганизация мышечной
ткани (отражение процессов компенсации и декомпенсации нарушенных функций).
-
Морфологическую основу острой патологии скелетных мышц составляют универсальные очаговые реакции мышечных волокон, связанные с характерными изменениями миофибриллярного аппарата: контрактурные повреждения и очаговый миоцитолизис. Существенным фактором, определяющим особенности их структуры и эволюции является целостность сарколеммы
-
Спектр структурных реакций и преобладание в нем отдельных форм определяются не столько специфичностью повреждающего стимула, сколько его выраженностью и динамикой, а также адаптивным потенциалом мышечного волокна, связанным со структурно-метаболическим типом, функциональным состоянием и факторами микроокружения. Определенное значение в течении патологического процесса имеют видовые различия, не затрагивающие основные механизмы его развития.
-
При постепенно прогрессирующем нарушении клеточного метаболизма на первый план выходят адаптивные реакции митохон-дриального компартмента, которые с течением времени сменяются его структурной декомпенсацией с нарастанием деструктивных изменений миофибрилл, уменьшением компенсаторной гипертрофии мышечных волокон. Быстрая и эффективная репаративная регенерация указывает на сохранение в этих условиях пролифера-тивного и репопулятивного потенциала миогенных клеток-предшественников.
-
Межклеточная и внутриклеточная структурно-функциональная гетерогенность в значительной степени определяет типичную черту патологического процесса в скелетных мышцах: асинхрон-ность развития общего каскададеструктивно-компенсаторных реакций, в том числе на территории одного мышечного волокна, приводящую к стадийной, типовой и внугритиповой неоднородности патологических изменений, формированию множества промежуточных форм.
Ащюбащія работы. Материалы диссертации доложены на научно-практической конференции «Новые методыдиагностики, лечения заболеваний и управления в медицине» (Новосибирск, 1995), научной сессии сотрудников Новосибирского медицинского института (Новосибирск, 1995), II съезде физиологов Сибири и Дальнего Востока (Новосибирск, 1995), первом Российском Конгрессе
по патофизиологии с международным участием «Патофизиология органов и систем. Типовые патологические процессы» (Москва, 1996), Первом Российском съезде патологоанатомов (Москва, 1996), Новосибирской городской конференции «Актуальные вопросы современной медицины» (Новосибирск, 1998), конференции «Клинические и экспериментальные исследования молодых ученых Сибирского отделения РАМН (Новосибирск, 1998), VI Всероссийской конференции по патологии клетки (Москва, 2000), Международной конференции по физиологии мышечной деятельности (Москва, 2000); IV конференции молодых ученых СО РАМН «Фундаментальные и прикладные проблемы современной медицины» (Новосибирск, 2002), Ш Российском Конгрессе по патофизиологии «Диз-регуляционная патология органов и систем (Москва, 2004), Международном Конгрессе «Новые методы в диагностике, профилактике и лечении» (Ганновер, Германия, 2004), 6-м Международном Славяно-Балтийском научном форуме «Гастро — 2004» (Санкт-Петербург, 2004), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Клинико-морфологические аспекты общепатологических процессов при социально-значимых заболеваниях (Новосибирск, 2004), Ученом совете ГУ НИИ региональной патологии и патоморфологии СО РАМН (Новосибирск, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликована 29 работ, из них в рецензируемых журналах - 14, по списку ВАК - 7.
Объем и структура диссертации. Содержание диссертации изложено на 231 странице машинописного текста Диссертация состоит из введения, обзоралитературы — 1 глава, характеристики материала и методов исследования — 1 глава, собственных исследований — 5 глав, обсуждения — 1 глава, выводов и спискалитературы (480 работ), иллюстрирована 3 таблицами, 3 диаграммами, 95 микрофото-и электронограммами.
