CC BY
69
24
ВЕСН1К МДПУ імя I. П. ШАМЯКІНА
УДК 611.018.86:616.74-007.23
ГИСТО-УЛЬТРАСТРУКТУРА МЫШЕЧНЫХ ВОЛОКОН В РАННИЕ СРОКИ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ОРГАНИЗМА
Т. Н. Мосендз
апирант кафедры анатомии и физиологии человека и животных Прикарпатского национального университета им. В. Стефаныка Научный руководитель: Б. М. Мыцкан
С помощью гистологического, электронно-микроскопического и морфометрического анализа показано, что деструктивные изменения в мышцах при дегидратации организма имеют гетерогенный характер и касаются как трофо-капиллярной системы, так и сократительного аппарата скелетных мышц. Нарушение кровообращения вызывает разобщение обмен веществ в системе капилляр-мышечное волокно и тем самым вызывает гипоксию и развитие деструктивных изменений в мышечных волокнах. Обсуждаются возможные механизмы морфологической перестройки скелетных мышц при дегидратации организма.
Ключевые слова: дегидратация, мышечные волокна, кровоносные сосуды.
Введение
Дистрофические и атрофические процессы в скелетных мышцах различного генеза очень часто возникают на почве предварительной дегидратации, которая обусловлена условиями жизни в регионах с жарким климатом, характером труда (жаркие цеха), различными болезнями, в условиях длительного дефицита питьевой воды, при различных стихийных бедствиях (например, под завалами строений). Дегидратация часто возникает у спортсменов, которые тренируются и соревнуются в условиях жаркого климата [1]. Известно, что в условиях дегидратации изменяется не только метаболизм мышц [2], [3], [4], [5], но и их структура [6], [7], [8], [9], могут возникать различной степени выраженности функциональные нарушения, например, судороги [6], [10], [11], [12], [13].
М.А. Cleary et al. [13] установили, что при выполнении интенсивных физических нагрузок спортсмен высокой квалификации может потерять 6,0-8,0% от общей массы тела. Это в свою очередь, обусловлено снижением в 3,0-5,0 раз объёма циркулирующей крови, которая поступает к мышцам. Это способствует нарушению кислотно-щелочного баланса и ретроградному направлению перемещения воды из мышечного волокна в межклеточное пространство [2], [14], [15], [16].
Поиск факторов, которые усиливают регенерацию и восстановление функций мышечных волокон после дегидратации остаётся актуальной научной проблемой [7], [10], [14]. Однако этот процесс невозможен без чёткого понимания механизмов структурной перестройки мышечных волокон при дегидратации
Цель работы - изучить структурную перестройку мышечных волокон при общей дегидратации организма.
Материалы и методы исследования. Исследования проведены на 60 лабораторных крысах-самцах. Терморабочую дегидратацию моделировали по собственной методике [17].
Физической нагрузкой был бег в тредмиле 2 раза в день на протяжении 5 мин., со скоростью 15 м/мин. в помещении с тмпературой воздуха 35°С.
Животных выводили из эксперимента через 3 и 6 суток. Все экспериментальные процедуры осуществляли в соответствии с “Правилами проведения работ с использованием экспериментальных животных”. Мышечную ткань фиксировали в 12% нейтральном формалине, а для электронно-микроскопического исследования - в 1% растворе тетраоксида осмия.
Гистологические срезы импрегнировали азото кислым серебром и закрашивали гематоксилин-эозином. Материал для электронной микроскопии готовили по общепринятой методике. Ультратонкие срезы получали на ультрамикротоме УМТП-6М и просматривали в микроскоп ПЕМ-125К. Полученные результаты обрабатывали методами непараметрической статистики.
БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ
25
Результаты исследований и их обсуждение
Через 3 суток дегидратации в эндомизии и частично в перимизии наблюдаются уменьшение межклеточного пространства и расстояния между составными компонентами мышечной ткани, выраженное расслоение тканей вокруг сосудисто-нервных пучков. Саркоплазма большинства мышечных волокон имеет пониженную электронно-оптическую плотность и содержит большое количество вакуолей, частично теряется поперечная исчерченность, ядра нередко перемещаются в центральную часть волокна. Исследования А. В. Кулика и соавт. [11] доказывают, что перераспределение отдельных органелл в саркоплазме связана с активацией фибриллярного актина. Такое явление - неспецифическая реакция, встречается при некоторых миопатиях [15], а также как компенсаторно-приспособительная реакция мышечной ткани к метаболизму в анаэробных условиях [10].
Известно, что в условиях дегидратации, развивается ишемический компрессионный синдром [2], [3], [16], вследствие чего происходит сужение просвета гемокапилляров, задержка продуктов обмена и доставки кислорода, что ведёт к усилению гипоксии.
При анализе электронных микрофотографий установлено, что через 3 суток дегидратации ядра большинства мышечных волокон имеют множественные инвагинации кариолеммы. Хроматин конденсирован в глыбки и расположен преимущественно на периферии нуклеоплазмы. В 25,0% случаев наблюдаются ядра со значительным уменьшением осмиофильности нуклеоплазмы, что можно рассматривать как проявление функционального истощения ядра. В мышечных клетках нарастает отёк саркоплазмы, который вызывает расслоение миофибрилл (рисунок 1).
1 - миоядро, 2 - митохондрия, 3 - миофибриллы, 4 - лизосома Рисунок 1 - Ультраструктурная организация мышечных волокон через 3 суток от начала моделирования общей дегидратации организма (Ув.: х 8000)
При анализе сократительного аппарата мышечных волокон установлено, что в большинстве случаев выявляются как очаги растяжения, так и пересокращения миофиламетнов. В миофибриллах наблюдается деструкция миофиламентов, нарушается структура Z-линий, 1-зона совсем отсутствует. Митохондрии уменьшаются в размерах, их матрикс имеет низкую электроннооптическую плотность, кристы дезориенторованные, укороченные, фрагментированные. Такие структурные изменения активной рабочей поверхности митохондрий создают предусловия для возникновения дефицита АТФ. Цистерны и канальцы комплекса Гольджи и саркоплазматической сетки сужены. На мембранах последней уменьшается количество фиксированных рибосом, что свидетельствует о торможении внутриклеточных синтетических процессов. Лизосомы
26
ВЕСШК МДПУ мя I. П. ШАМЯКІНА
концентрируются, в основном, на участках деструкции миофибрилл. В саркоплазме наблюдается увеличение количества включений различной электронно-оптической плотности.
Через 6 суток дегидратации развиваются деструктивные процессы, которые имеют гетерогенный характер и касаются как трофо-капиллярной системы, так и сократительного аппарата скелетных мышц.
Прежде всего, это выражается в увеличении интерстициального пространства, дистрофии и контрактурных поражениях гладких миоцитов в стенке микрососудов. Отёк стромы, по-видимому, связан с нарушением проницаемости стенки гемокапилляров и реабсорбции лимфы. Об этом, в частности, свидетельствует диффузный характер отёка, в отличие от косвенного поражения мышечных волокон. Деструкция последних быстрее является следствием нарушения внутриклеточного метаболизма.
Наиболее ярко в общей картине морфологической перестройки мышечной ткани при дегидратации выступают нарушения кровообращения. В основе их развития лежат расслоение эластических мембран, отёк эндотелиоцитов и гладкомышечных клеток, стаз и плазматическое пропитывание сосудистой стенки, периваскулярный отёк. Последний, по нашему мнению, разобщает обмен веществ в системе капилляр-мышечное волокно и тем самым вызывает гипоксию и развитие деструктивных изменений в окружающих тканях.
Вместе с этим, выявляется значительная извилистость магистральных сосудов, что можно считать проявлением компенсаторного процесса, направленного на депонирование крови и создание локального депо жидкости в скелетных мышцах. На ведущую роль скелетных мышц в восстановлении и поддержании водного баланса в организме и, в частности тканей головного мозга, указывается в работах М. A. Cleary et al. [13] и Р. L. Jeffrey et al. [15].
Со стороны мышечной ткани наблюдается увеличение электронно-оптической плотности саркоплазмы, изменения структуры сократительного аппарата и увеличение удельного объёма стромального компонента мышц.
В соединительнотканном каркасе мышц (рисунок 2) обнаруживается увеличение количества макрофагов, жировых клеток и фибробластов с соответствующим увеличением числа волоконных компонентов, которые располагаются в виде больших пучков параллельно продольной оси кровеносных сосудов.
1 - миоядро. 2 - макрофаг. 3 - митохондрия. 4 - миофибриллы Рисунок 2 — Ультраструктурная организация мышечных волокон через 6 суток от начала моделирования общей дегидратации организма (Ув.: х 8000)
Б1ЯЛАГ1ЧНЫЯ НАВУК1
27
Такие процессы наблюдаются при многих экспериментальных условиях [6] и свидетельствуют о развитии склеротических явлений.
Мышечные волокна истончённые, теряют поперечнополосатую исчерченность, иногда образуются локальные утолщения. При этом необходимо отметить, что интенсивность поражения в большей мере выражена в быстрых окислительно-гликолитических волокнах. Это явление можно объяснить уменьшением выраженного компрессионного синдрома, что способствует расширению гемокапилляров и усилению дренажной функции. В результате этого pH среды изменяется в щелочную сторону. Известно, что окислительно-гликолитические волокна более интенсивно дегенерируют в щелочной среде [10], [18].
При электронно-микроскопическом исследовании в мышечных волокнах очаги поражения носят диффузный характер, наблюдаются явления их лизиса. В таких зонах увеличивается количество аутофагосом и остаточных телец. Ядра мышечных волокон имеют неровные контуры, нуклеоплазму низкой электронно-оптической плотности и маргинированный хроматин. Матрикс митохондрий также приобретает низкую электронно-оптическую плотность, большинство крист редуцированы, наружная мембрана имеет участки деструкции.
Наряду с этим наблюдаются мышечные волокна с выраженными реактивными и компенсаторно-приспособительными процессами, а также мышечные волокна без видимых морфологических изменений. Неоднородность изменений отмечена также со стороны внутриклеточного энергетического аппарата: наряду с митохондриями, не отличающимися по структуре от нормально функциони рующих, имеются увеличенные в объёме с просветлённым матриксом и деструкцией внутренних мембран. Рядом с этими наблюдаются гипертрофированные митохондрии с хорошо выраженными кристами и наличием мелких органелл с плотным матриксом. Такие полиморфные ультраструктурные изменения расцениваются как проявление внутриклеточных регенераторных процессов, направленных на поддержание гомеостаза мышечных клеток при дегидратации организма.
В целом, можно констатировать, что при дегидратации повреждение мышечной ткани связано, в основном, с гиперсокращением саркомеров [7], [8], [19]. Поскольку восстановление любой клеточной архитектоники сопряжено с большими энергетическими затратами [4], [10], многие признаки деструкции имеют приспособительное значение с точки зрения более высокого уровня организации. При постепенном нарастании нарушений энергетического метаболизма первые адаптивные реакции происходят на уровне митохондриального компартмента и с течением времени сменяются его структурной декомпенсацией. Выявленное нами усиление фрагментации митохондрий может иметь “превентивный” характер [4], [5], что способствует утилизации необратимо поврежденных митохондрий. В общей клеточной стратегии это может рассматриваться как метаболический этап, направленный на ограничение деструкции мышечного волокна. При угрозе его тотального разрушения критическое значение приобретает структурный этап фрагментации саркомера [19]. С ним связана активация внеклеточных факторов, прежде всего сосудистого, обеспечивающего удаление деструктурированного фрагмента и репарацию образовавшегося дефекта [3]. Недостаточность этих реакций или экстремальный характер воздействия могут приводить к распространению повреждения на значительную часть или всю длину мышечного волокна [15].
Выводы
1. В ранние термины дегидратации в мышечной ткани происходит подавление метаболических процессов, что реализуется через деструкцию саркоплазматических органелл, которые обеспечивают мышечное волокно энергией и пластическим материалом, на фоне дезорганизации стенки микрососудов, что определяет разобщение процессов обмена веществ в системе гемокапилляр-мышечное волокно.
2. Гетерогенность структурных изменений в мышечной ткани при дегидратации организма свидетельствует о развитии компенсаторно-приспособительных реакций, поскольку они определяют максимальные возможности субклеточных структур для восстановления структурнофункционального потенциала мышечных волокон в условиях дегидратации организма.
28
ВЕСНІК МДПУ імя I. П. ШАМЯКІНА
Литература
1. Коваль, И. В. Механизмы дегидратации при интенсивной мышечной деятельности и способы её коррекции в тренировочной и соревновательной деятельности спортсменов / И. В. Коваль, Н. В. Вдовенко, С. А. Олейник// Спортивная медицина. -2007. -№2. -С. 111-117.
2. Адаптационные процессы в гемомикроциркутяторных модутях скелетных мышц после гемодинамической и механической травм в эксперименте / П. А. Гелашвили [и др.] // Морфология. - 2009. -Т. 136, №4.-С. 37-38.
3. Здюмаева, Н. П. Роль факторов, определяющих реологические свойства крови в механизмах адаптации и повреждения при водном дисбалансе / Н. П. Здюмаева, В. Н. Левин // Патологическая физиология и экспериментальная терапия. - 2007. - № 1. - С. 18-20.
4. Комплексная гистологическая диагностика полисистемной митохондриальной недостаточности при дегидратации / А. В. Меркурьева [и др.] // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Медицина. - 2003. - № 5. - С. 50-53.
5. Непомнящих, Л. М. Морфогенез метаболических повреждений скелетных мышц: стратегия ограничения повреждения / Л. М. Непомнящих, М. А. Бакарев // Вестник Российской академии медицинских наук.-2009.-№ 7.-С. 13-19.
6. Мурзабаев, X. X. Морфофункциональная характеристика соединительной ткани и скелетных мышц в эксперименте / X. X. Мурзабаев, А. Р. Батыршин, Г. Ф. Батыршина // Медицинский вестник Башкортостана. - 2010. - Т. 5, № 2. - С. 86-89.
7. Clock dehydration is not a component of Z-bands / J. Wang [et al.] // Cytoskeleton. - 2012. - V 69, №8.-P. 530-544.
8. Dynamics of Z-band based proteins in developing skeletal muscle cells at the dehydration / J. Wang, [et al.] // Cell Motility and the Cytoskeleton. - 2005. - V. 61, № 1. - P. 34^18.
9. Jolesr, F. A. Dehydration develompent, innervation and activity pattern induced changes in skeletal muscles / F. A. Jolesr, F. A. Sreter // Annu. Rev. Physiol. - 2008. - V. 43, № 1. - P. 531-552.
10. Боголюбов, В. А. Патогенез и клиника водно-электролитных расстройств / В. А. Боголюбов. -М. : Медицина, 2008. - 428 с.
11. Кутик, А. В. Фибриллярный актин регушрует подвижность митохондрий мышечного волокна / А. В. Кутик, О. Е. Некрасова, А. А. Минин // Биологические мембраны. - 2006. - Т. 23, № 1. - С. 42-51.
12. Нетюхайло, Л. Г. Водно-сольовий обмін. Частица 1 / Л. Г. Нетюхайло, В. Л. Філатова,
О. В. Філатова // Віснйк проблем біологіі і медицини. - 2012. - Т. 1 (91). - Вил. 1. - С. 28-33. - Частица 2 //Віснйк проблем біологіі і медицини - 2012. -Т. 1 (92). -Вил. 2. -С. 7-11.
13. Cleary, М. A. Dehydration and Symptoms of Delayed-Onset Muscle Soreness in Normothermic Men / Michelle A. Cleary, Michael R. Sitler, Zebulon V Kendrick // J. Athl. Train. - 2006. - Vol. 41, JM° 1. - P. 36^15.
14. ІНвець, M. I. Дегідратація: діаностйка i терапевтична тактика / H. I. ІНвець, Т. М. Бенца, О. I. Войтичук // Журн. практичного лікаря. - 2006. - № 4. - С. 21-26.
15. Jeffrey, P. L. Dehydration alteration in surface skeletal muscle and brain degeneration / P. L. Jeffrey, W. N. Leung, J. A. P. Postas. - Sydney, 2009. - P. 32M3.
16. Observing cycling of a few cross-bridges during isometric contraction of skeletal muscle on the dehydration / P. Mettikolla [et al.] // Cytoskeleton. -2010. - V 67, № 6. - P. 400-411.
17. Длительность дегидратаци, объём и интенсивность физической загрузки: а. с. /
Т. М. Мосендз. - № 44931 ; дата регистрации 31.07.2012.
18. Оганов, В. С. Функциональная пластичность скелетных мышц млекопитающих / В. С. Оганов, А. Н. Потапов // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2006. - Т. 40, № 1. - С. 27-35.
19. Shoichiro, О. Dynamic regulation of sarcomeric actin filaments in striated muscle on the dehydration / Shoichiro Ono //Cytoskeleton. -2010. -V. 67, N2 11. -P. 677-692.
Summary
By histological, electronic-microscopic and morfometryc analysis it is shown that the destructive changes in muscles during dehydration of organism have geterogen character and touch both the tropho-capillary system and retractive vehicle of skeletal muscles. Violation of circulation of blood causes disjoining exchange of matters in the system capillaries-muscle fibres and the same causes hypoxemia and development of destructive changes in muscles fibres. The possible mechanisms of morphological alteration of skeletal muscles during dehydration of organism come into question.
Keywords: dehydration, muscular fibres, blood vessels.
Поступила в редакцию 16.06.13
