CC BY
65
ГИЛ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РОЛИ СТРУКТУРИРОВАНИЯ И ДРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК ХИМУСА В ОПРЕДЕЛЕНИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОГО ТРАКТА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЭНТЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ
Иванов А.А., Полякова Е.П., Ксенофонтов Д.А.
Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К.А. Тимирязева
Полякова Елена Павловна 127550 Москва, ул. Тимирязевская, д. 52 Тел.:8 (495) 976 3738 E-mail: [email protected]
РЕЗЮМЕ
На представителях трех классов позвоночных (рыбы, птицы, млекопитающие) изучали структуру химуса желудочно-кишечного тракта и механизмы его формирования. Установили, что энтеральный химус гомеостатичен и пространственно структурирован у всех животных. По весу химус на 80-95% состоит из гидратированной полостной слизи и на 5-20% — из пищевых частиц. ПЭФ играет ключевую роль в формировании структуры химуса и является основным эндогенным образованием, организующим полостной гидролиз и обеспечивающим направленное движение нутриентов к апикальной поверхности энтероцитов.
Ключевые слова: гастроинтестинальный тракт; структура химуса; нутриционная поддержка SUMMARY
The structure of hymus of gastrointestinal tract and mechanisms of its formation were studied on representatives of three classes of vertebrates (fishes, birds, mammal). Established that enteral hymus is in homeostasis and spatially structured in all animals. On weight Hymus consists about 80-95% of hydrated cavitary mucus and 5-20% of food particles. ПЭФ plays a key role in formation of hymus structure and it is the basic endogenous formation for cavitary hydrolysis and providing the directed movement of nutrients to apical surfaces of enterocytes.
Key words: gastrointestinal tract; the structure of hymus; nutritional support
Полостное пищеварение — одно из звеньев пищеварительной системы, которое менее всего изучено. Все процессы полостного пищеварения проходят в массе химуса. Однако представления о химусе как таковом на протяжении ХХ века полностью не сформировалось. Определение химусу, данное Е. С. Лондоном в 1924 г. как «смеси пищевых частиц и пищеварительных соков», до сих пор является господствующим. Однако исследования последних десятилетий [1-3; 5; 7] показали, что полостное пищеварение как первый этап обмена веществ и энергии животного организма представляется сложным многоступенчатым процессом. Содержимое тонкой кишки животных и человека — это гомеостазиро-ванная среда, состав которой мало зависит от химического состава рациона и достаточно близок к со-
ставу плазмы крови. Однако вопросы о том, каковы механизмы знтерального гомеостаза и насколько универсально это явление, остаются за пределами понимания ученых.
В классической схеме А.М. Уголева [6] полостного и мембранного пищеварения имеется несколько реакционных зон — пищевые частицы, ферменты, нут-риенты, гликокаликс, щеточная кайма, энтероциты (рис. 1 А). В ней не учитываются два новых участника всего ансамбля: слой слизистых наложений, который по высоте в 20-30 раз превосходит высоту энтероцита вместе с гликокаликсом, и флокулярные образования в полости кишки. Их функциональное значение вызывает у специалистов вопросы и по сей день. Цель нашей работы — изучить состав и структуру химуса желудочно-кишечного тракта
экспериментальная гастроэнтерология
experimental gastroenterology
Рис. 1. Схема кишечного пищеварения: А — по А.М. Уголеву, В — по Ю.М. Гальперину
у животных с разным строением пищеварительной системы и стоящих на разных ступенях эволюционного развития (рыбы, птицы, млекопитающие) и определить роль полостной слизи в процессах полостного пищеварения.
Опыты проводились на нескольких видах животных: рыбах (сом, форель, осетр, тиляпия), курах, кроликах, свиньях, крупном рогатом скоте, овцах и козах. В опытах использовались клинически здоровые половозрелые животные обоих полов. Через 3 часа после кормления производили контрольный убой животных, отбирали содержимое из разных отделов желудочно-кишечного тракта. Нативный химус подвергался фракционированию по методике, разработанной В.И. Георгиевским и Е.П. Поляковой [3]. Из химуса выделяли пищевые
частицы (ПЧ), растворимую фракцию (РФ), плотную эндогенную фракцию (ПЭФ). Цельный химус и фракции всех отделов пищеварительного тракта высушивали, рассчитывали их соотношение.
Наши исследования показали, что химус — устойчивая гомеостатичная среда, близкая по своему составу у животных разных видов. На рис. 2 представлено увеличенное изображение капли химуса из двенадцатиперстной кишки кролика как наиболее типичного образца химуса из проксимального отдела кишечника. Аналогичный вид имеет химус туловищной кишки у рыб и химус из двенадцатиперстной кишки птицы, быков, валухов и коз. На фото хорошо просматриваются пищевые частицы, которые диффузно рассеяны по полю зрения и находятся достаточно далеко друг от друга.
і
Рис. 2. Химус 12-перстной кишки кролика (ув. 400) Рис. 3. Химус тощей кишки кролика (ув. 400)
Рис. 4. Пищевые частицы
Рис. 5. Плотная эндогенная фракция
Б > а
5 О
I- с
<£ О і р
Щ а
Н]Ё
¡5 е
п Е 2 ^
о.
н ч
и
га
ь
Б
га
х
л
<
га
I-
х
ш
2
а
ш
с
У
т
Пространство между пищевыми частицами заполнено веществом, которое мы идентифицировали как полостную слизь. Поскольку данная субстанция по мере движения химуса по пищеварительному каналу подвергается существенным структурным изменениям, мы посчитали более корректным по отношению к ней использовать термин «плотная эндогенная фракция», или сокращенно ПЭФ.
На фото хорошо видно, что слизь в составе мазка занимает большую площадь по сравнению с пищевыми частицами. Данное явление наблюдается у всех видов животных, что позволяет нам констатировать факт сильного разбавления поступающей из желудка пищи очень большим количеством эн-
догенных образований (секреты застенных и кишечных желез, бокаловидных клеток, отторгающиеся слизистые наложения и эн-тероциты). По мере продвижения химуса в нижележащие отделы количество пищевых частиц увеличивается, а расстояние между ним заметно сокращается. Но и в тощей (рис. 3), и далее в слепой кишке значительное пространство заполнено слизью.
Интересно отметить, что сухая масса химуса у животных разных видов и с разным спектром питания оказалась достаточно близкие значения (табл. 1). В химусе желудка содержание сухого вещества в среднем составляет
Таблица 1
СОДЕРЖАНИЕ СУХОГО ВЕЩЕСТВА В НАТИВНОМ ХИМУСЕ ИЗ РАЗНЫХ ОТДЕЛОВ ЖКТ РАЗНЫХ ВИДОВ ЖИВОТНЫХ, %
Отдел ЖКТ Рыбы* Птица** Свиньи Жвачные*** Среднее
Желудок 26 16 16 15 17,8
Двенадца- типерстная кишка — 14 15 11 13,3
Тощая кишка 13 11 13 12 12,3
Подвздошная кишка — 15 13 12 13,3
Слепая кишка — — 12 14 13,0
Ободочная кишка — — 21 19 20,0
Прямая кишка 16 10 19 28 18,3
В среднем для группы животных 18,3 13,2 15,6 15,9 15,5
* Среднее по трем видам: форель, ленский осетр, клариевый сом. ** Куры-несушки.
*** Среднее по трем видам: козы, овцы (валухи), КРС (быки).
ю
Таблица 2
СООТНОШЕНИЕ ФРАКЦИЙ ХИМУСА (В РАСЧЕТЕ НА СУХОЕ ВЕЩЕСТВО) В РАЗНЫХ ОТДЕЛАХ ЖКТ РЫБ*, %
Отдел ЖКТ ПЧ ПЭФ РФ Всего
Желудок 41 31 28 100
Проксимальный отдел кишечника 19 16 65 100
Дистальный отдел кишечника 32 23 45 100
Среднее по ЖКТ 31 23 46 100
* Среднее по трем видам: форель, ленский осетр, клариевый сом.
17,8%, в химусе тонкого кишечника — 12-13%, в химусе толстого кишечника — 16-28%.
Методика фракционирования нативного химуса позволила нам оценить количественно долю каждой фракции в составе химуса. Чистоту каждой фракции оценивали под микроскопом. На фото видно отсутствие полостной слизи в отмытых пищевых частицах (рис. 4), а в плотной эндогенной фракции они отсутствуют (рис. 5).
Исследования, выполненные на представителях разных классов и видов животных, показали, что соотношение фракций в химусе тонкого кишечника — величина постоянная. Так, у рыб в проксимальном отделе кишки на долю ПЭФ, ПЧ и РФ (в расчете на сухое вещество) приходится соответственно 16, 19 и 65% (табл. 2).
В дистальной части кишки соотношение фракций химуса у рыб составляет соответственно 23, 32 и 45%. То есть доля сухого вещества у рыб сокращается за счет растворимой фракции.
Соотношение фракций в составе сухого вещества химуса кур показывает, что на долю ПЧ в сухом химусе 12-перстной кишки кур приходится менее 1%, в тощей кишке — 2-2,5% (рис. 6). Причем по мере продвижения химуса в нижележащие отделы относительная доля ПЧ увеличивается. Так, в подвздошной кишке доля пищевых частиц возрастает до 6%, в прямой кишке на долю пищевых частиц пришлось 4% массы химуса.
Растворимая фракция в химусе кур занимает от 9% в двенадцатиперстной кишке до 3% в конце ЖКТ. На долю плотной эндогенной фракции приходится 4-5% общей массы химуса. Причем доля этой фракции во всех отделах ЖКТ относительно стабильна и не зависит ни от времени кормления птицы, ни от состава рациона.
У быков, несмотря на наличие сложного желудка и активной роли симбиотических микроорганизмов в процессах гидролиза и синтеза, кишечный химус на протяжении всего ЖКТ имеет структуру, сходную с таковой других видов животных с другим типом пищеварения. Сухая масса химуса относи-
О!
о
о
ГЧ
тельно постоянна (8-11% в тонком отделе кишечника, 14% — в прямой кишке). В химусе кишечника, как и у кур, на долю ПЧ в двенадцатиперстной кишке приходится около 2% сухой массы химуса. Относительная доля ПЧ в структуре химуса закономерно увеличивается до 8% по мере движения химуса по кишечнику.
Относительной стабильностью характеризуется и состав желудочного содержимого жвачных животных. Во всех камерах сложного многокамерного желудка на долю ПЧ приходится 10-12%, РФ — 1,5-2%, ПЭФ — 2-3%.
РФ в дуоденальном отделе кишечника занимает 6% и закономерно уменьшает свое присутствие до 2-3% в прямой кишке. Содержание ПЭФ относительно постоянно во всех отделах кишечника и не выходит за пределы 2-4%.
Свиньи относятся к моногастричным животным, однако пищеварение этих животных видоспецифично на уровне желудка и толстого отдела кишечника. В желудочном пищеварении и пищеварении в ободочной и слепой кишке свиней велика роль
12-перстная Тощая Подвздошная Прямая отделы ЖКТ
Рис. 6. Соотношение фракций химуса в разных отделах ЖКТ кур, %
симбиотических микроорганизмов. Последнее обстоятельство объясняет всеядность этих животных, а в экстремальных случаях — возможность питания исключительно растительной пищей с высоким содержанием клетчатки. Однако эта специфика не отразилась на структуре химуса. У свиней соотношение фракций в химусе кишечника в целом повторяет картину вышеописанных видов животных. А именно у свиней относительная доля ПЧ увеличивается, а доля РФ снижается по мере продвижения химуса по кишечнику. Доля ПЭФ на всем протяжении ЖКТ составляет от 30 до 50% сухого вещества химуса.
Анализ структуры химуса разных видов животных с разным спектром питания свидетельствует о том, что химус представляет собой гомеостатичную универсальную среду. В нативном химусе РФ и ПЭФ образуют единую функциональную систему. Влага, составляющая в химусе 85-80%, удерживается му-кополисахаридами ПЭФ и вместе с ней образует гидратированную слизь. Фактически основная масса нативного химуса (до 90%) представлена гидратированной плотной эндогенной фракцией вкупе с РФ.
Поскольку основу натурального химуса по массе и объему составляет гидратированная слизь у всех видов животных независимо от рациона, можно считать данное явление универсальным и общебиологическим. Масса слизи не может выполнять только защитную функцию, как это принято считать. По-видимому, слизь в таком количестве физиологически необходима и в процессах пищеварения выполняет собственную специфическую функцию. Вероятно, по этой причине ПЭФ гомеостатична по химическому составу (мукополисахариды с аминокислотным стержнем) и пространственно структурирована.
На упорядоченность структуры ПЭФ указывает однородный характер ее массы. Подобная картина характерна и для ПЭФ из химуса всех видов жи-
вотных. По литературным данным, слизь представляет собой мукополисахаридные образования, взаимодействие которых друг с другом через катионные мостики определяет физико-химическое состояние формируемой ими среды — гель или золь [4]. В основе ПЭФ — полосная слизь. Поэтому структура ПЭФ аналогична структуре слизистых образований разного происхождения (кожная слизь рыб, слизь верхних дыхательных путей, слюны и пр.). Под микроскопом ПЭФ из разных отделов пищеварительной системы разных видов животных (рыбы, птица, млекопитающие) выглядит одинаково.
Рентгеноструктурный анализ плотной эндогенной фракции наглядно подтвердил структурированность слизистых образований данной составляющей химуса. Наиболее упорядоченный характер мицелл мукопо-лисахаридов ПЭФ характерен для химуса двенадцатиперстной кишки (табл. 3). На полученных рентгенограммах наибольшее число четких дифракционных максимумов (11) наблюдалось в ПЭФ из 12-перстной кишки.
Менее выраженную, но достаточно четкую дифракцию дают препараты ПЭФ из тощей (8) и подвздошной кишок (9). Препараты ПЭФ из толстого кишечника (слепая, ободочная и прямая кишки) дают только 1 рефлекс. Образцы ПЭФ из желудка рефлексов не дали. Таким образом, по мере продвижения химуса по кишке структура ПЭФ частично разрушается, что можно объяснить ее повышенной функциональной активностью и в связи с этим неизбежным изнашиванием структуры. Уже на уровне подвздошной кишки четкость рефлексов стирается. Результаты рентгеноструктурного анализа однозначно говорят о том, что процесс формирования плотной эндогенной фракции связан
Б > а
5 О
I- с
о і р
Щ а
ні
п Е 2 ї
н ч и га і.
Б
га
х
л
<
га
I-
х
ш
2
а
ш
с
У
т
Таблица 3
МЕЖПЛОСКОСТНЫЕ РАССТОЯНИЯ ПО ДАННЫМ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА ПЭФ ИЗ РАЗНЫХ ОТДЕЛОВ ЖКТ (НМ)
Желудок — — — — — — — — — — —
12-перстная кишка 5,06 2,74 2,49 1,82 1,65 1,25 0,98 0,63 0,59 0,45 0,42
Тощая кишка 4,9 — 2,45 — 1,65 1,25 0,98 0,63 — 0,44 0,42
Подвздошная кишка 4,93 — 2,48 — 1,66 1,25 0,99 0,62 0,52 0,45 0,42
Слепая кишка 5,4 — — — — — — — — — —
Ободочная кишка 5,5 — — — — — — — — — —
Прямая кишка 5,45 — — — — — — — — — —
■■■ ф ■ ■ ■
с двенадцатиперстной кишкой. Точнее, с активностью панкреатической железы, протоки которой открываются сразу за пилорическим сфинктером. Свою функциональную активность полостная слизь приобретает при взаимодействии химуса желудка, панкреатического сока и секретов бокаловидных клеток слизистой двенадцатиперстной кишки.
Вероятность развития событий именно по такому сценарию подчеркивает то, что химус после прохождения пилоруса не задерживается в двенадцатиперстной кишке и очень быстро ее покидает. Поэтому при наблюдении in situ за работой двенадцатиперстной кишки последняя всегда выглядит полупустой, а получение дуоденального химуса у животных из-за его малого количества представляется сложной методической задачей. Этого химуса в кишке всегда очень мало независимо от времени наблюдения, состава рациона и режима кормления животных.
Пространственная структурированность ПЭФ и ее химический состав в составе химуса дают основания говорить об универсальной (общебиологической) роли полостной слизи в процессах полостного и мембранного пищеварения. В свою очередь, наши представления о химусе как структурированной и гомеостатированной среде с ПЭФ в качестве системообразующего начала наводят на мысль о необходимости переосмысления всего процесса пищеварения как первого этапа обмена веществ между животным организмом и средой, в которой он живет. Результаты наших исследований процессов формирования химуса и работы Ю.М. Гальперина и П.И. Лазарева [2] позволяют нам представить свой взгляд на процесс пищеварения в кишечнике.
Во-первых, для обеспечения поверхностного контакта экзогенного субстрата с гидролитичес-
ЛИТЕРАТУРА
1. Алиев А.А. Обмен веществ у жвачных животных. — М.: НИЦ
«Инженер», 1997.
2. Гальперин Ю.М., Лазарев П.И. Пищеварение и гомеостаз. —
М.: Наука, 1986.
3. Георгиевский В.И., Полякова Е.П. Кишечный химус и процессы всасывания: новые аспекты. Актуальные проблемы биологии в животноводстве. — Боровск, 1997. — С. 128.
кими ферментами поджелудочного и кишечного соков в полости кишки образуется значительное количество слизи, которая обволакивает каждую пищевую частицу.
Во-вторых, в желудке пищевая частица прошла подготовительную обработку под действием соляной кислоты, которая ее разрыхлила и привела к образованию в пищевой частице микропор. Мы предполагаем, что эти микропористые пространства в проксимальной части кишечника заполняются слизистыми компонентами с фиксированными на них гидролитическими ферментами. Таким образом, полостное пищеварение в нашей схеме не является низкоэффективным, поскольку контакт пищевой частицы с полостным ферментом не имеет вид случайного события. По нашим представлениям, пищевая частица в полости кишки подвергается гидролизу не только снаружи, но и изнутри.
В-третьих, ПЭФ, составляя большую часть химуса тонкого отдела кишки, неминуемо вступает в контакт с слизистыми наложениями. При этом образуется структурированная система транспорта между полостью кишки и щеточной каймой слизистой оболочки кишки, обеспечивающая направленное и регулируемое движение нутриента к энтеро-цитам через систему гликокаликса. Выявленные особенности пищеварения должны быть учтены при создании смесей для энтерального и внутри-желудочного введения. Описанный феномен также может быть положен в основу выбора питательных смесей для непосредственного введения в тонкую кишку при лечении нарушений питания различной степени. Смеси, близкие химусу по составу, наиболее адекватны для энтерального введения, особенно в условиях нарушения адаптивных процессов при различных желудочно-кишечных расстройствах.
4. ЖелезнаяА.Н. Муцины — новый подкласс гликопротеидов // Успехи биологии. — 1997. — Т. 37. — С. 115-146.
5. Синещеков А.Д. Биология питания сельскохозяйственных животных. — М.: Колос, 1965.
6. Уголев А.М. Мембранное пищеварение. — Л.: Наука, 1972.
7. Шлыгин ГК. Межорганный обмен нутриентами и пищеварительная система. — М.: Изд-во МГУ, 1997. — 136 с.
а\
о
о
■
