CC BY
39
УДК 616.441+519.444 (083.41)
Р. И. Асфандияров, Л. А. Удочкина, И. Ю. Квятковская
Астраханская государственная медицинская академия Астраханский государственный технический университет
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ «ЩИТОВИДНАЯ ЖЕЛЕЗА» У ЧЕЛОВЕКА И ЭКСПЕРИМЕНТ АЛЬНЫК ЖИВОТНЫ1Х
В ходе онтогенеза организм претерпевает ряд существенных преобразований, приводящих его к новому морфофункциональному состоянию [1-3]. Процесс перехода к каждой такой ступени развития требует от индивидуума включения дополнительных резервов, в определенной степени ослабляющего организм, приводящего его в состояние повышенной чувствительности к воздействию неблагоприятных факторов [4-6].
Известно, что адаптационные реакции организма при стрессах различного генеза реализуются путем нейрогуморальной регуляции метаболических процессов, немаловажная роль в обеспечении гомеостаза принадлежит щитовидной железе [7-12].
Щитовидная железа может рассматриваться как открытая термодинамическая система [13-15].
В доступной литературе не обнаружено данных по использованию информационного анализа в изучении преобразований щитовидной железы. Применение этого метода позволило бы определить состояние системы «щитовидная железа» на этапах онтогенеза и при воздействии неблагоприятных факторов.
В связи с вышеизложенным исследование морфофункционального состояния системы «щитовидная железа» на этапах онтогенеза и выявление критических периодов в ее развитии с использованием информационного анализа представляются актуальными.
Цель исследования: с использованием информационного анализа изучить состояние системы «щитовидная железа» на этапах онтогенеза человека и экспериментальных животных.
Материалы и методы исследования
В работе использована возрастная периодизация онтогенеза человека, принятая на VII Всесоюзной конференции по проблемам возрастной морфологии, физиологии и биохимии АПН СССР (1965).
Для гистологических исследований использовались щитовидные железы 205 людей обоего пола (107 мужчин и 98 женщин), полученные из прозектур и патолого-анатомических бюро г. Астрахани с 1999 по 2004 г. Распределение материала для исследования по полу и возрасту приведено в таблице. Исследованию подвергались щитовидные железы, иссеченные не позднее 24 часов после наступления смерти.
Распределение материала по полу и возрасту для гистологического исследования
Железы фиксировали в 10 % растворе формалина на фосфатном буфере и заливали в парафин по стандартной методике. Срезы толщиной 5-7 мкм окрашивали гематоксилин-эозином и азаном по Гейденгайну.
Выбор параметров для морфометрического исследования проводили с учетом рекомендаций, представленных в [16-20].
С использованием точечной тестовой системы определяли относительный объем: фолликулярного эпителия (Е), интерфолликулярного эпителия (Ет), коллоида (С), сосудистого русла (V) и стромы (5) в процентах.
На основании полученных данных вычисляли фолликулярно-коллидный индекс (ФКИ), рекомендуемый для определения активности щитовидной железы [18-19], по формуле
ФКИ = V(Ef+ Ет) / Vc,
где V(Ef+ Е) - сумма относительных объемов фолликулярного и интерфолликулярного эпителия; Vc - относительный объем коллоида.
С целью выявить критические периоды в развитии щитовидной железы в онтогенезе был проведен эксперимент на 75 белых беспородных крысах-самцах в возрасте 1 суток (новорожденные), 22-50 суток (неполовозрелые), 51-120 суток (предслучный возраст), 11-18 месяцев (зрелый) и 25-28 месяцев (старческий), из которых 50 вошли в экспериментальные группы и 25 - в контрольные.
Животные содержались в открытой системе, клетки Т-4 (по 5 животных в каждой), со стандартной подстилкой, при температуре 25 ± 2,1 °С, при искусственном освещении (12-часовой режим смены свет/темнота), влажность не контролировалась. Кормление регистрировалось в соответствии с Приказом МЗ СССР № 1179 от 10.10.1983 г., доступ к воде был свободным.
В качестве стрессового фактора был выбран природный осушенный газ Астраханского газоконденсатного месторождения (АГКМ), полученный из скважины № 17.
Эксперимент проводился в осеннее-зимний период 2004-2005 гг. в камере Курляндского статическим методом в соответствии с требованиями, предъявляемыми к токсикологическим экспериментам, изложенными в издании ВОЗ «Принципы и методы оценки токсичности химических веществ» [21].
Затравка подопытных животных осуществлялась в течение 40 минут обезвоженной газовоздушной смесью с концентрацией газа 600 ± 83 мг/м3 по сероводороду. Одновременно в камере находилось 5 экспериментальных животных. Концентрацию сероводорода в затравочной камере измеряли индикаторными трубками фирмы «Auer», запотевание стенок камеры не наблюдалось, температура в камере составляла +22 ± 2 °С. Животных из контрольных групп также помещали в камеру по 5 особей в тех же условиях, но без добавления газа.
По окончании эксперимента подопытные и контрольные животные выводились из эксперимента под наркозом путем декапитации.
Информационная характеристика сложности и организации морфологической системы «щитовидная железа» осуществлялась путем вычисления:
- информационной (структурной) энтропии (H), характеризующей состояние системы:
n
Н =-£ log2 Pt;
i=1
- максимальной энтропии Hmax как степени неопределенности системы:
Н max = -mPi log2 Pi;
- относительной «загруженности» системы информацией или относительной энтропии h:
h HIH max;
- и коэффициента избыточности R как меры надежности системы:
R = (1 - h) 100 %,
где Р - элементы множества m - число исходов, при которых событие осуществлялось.
С целью определить силу влияния стрессового фактора на систему «щитовидная железа» вычислялся информационный показатель влияния (ИПВ) по формуле
ИПВ = (Эо - Эв) / Эо,
где Э0 - общая энтропия; Эв - энтропия воздействия; Э0 - Эв - количество снятой изучаемым явлением морфологической информации.
Расчет энтропии и коэффициента избыточности системы вычисляли, согласно рекомендациям, приведенным в [22-24].
Все полученные данные подвергали статистической обработке методами вариационной и непараметрической статистики. Степень точности исследования определена вероятностью безошибочного прогноза меньшей или равной 0,95 %; уровнем значимости р < 0,05; для признаков с нормальным распределением использован критерий Стьюдента t = 2, для признаков с распределением, отличным от нормального - непараметрический U-критерий Уилкоксона (Манна - Уитни) с тем же уровнем значимости [25, 26]. В работе использовался универсальный математический пакет MathCad.
Результаты исследования и их обсуждение
Информационный анализ системы «щитовидная железа» начат с определения информационной емкости системы (максимальной энтропии), которая составила 2,32 бит. Самые высокие значения информационной энтропии выявлены у плодов и новорожденных детей (2,120 бит у плодов мужского пола и 2,154 бит у новорожденных мальчиков; 2,167 бит у плодов женского пола и 2,160 бит у новорожденных девочек). Если рассматривать энтропию как меру неопределенности ситуации и морфологической организации системы, то именно в этих периодах онтогенеза отмечается наибольшая нестабильность системы «щитовидная железа».
После рождения энтропия волнообразно снижается, достигая минимальных значений в первом периоде зрелого возраста (1,610 бит у мужчин и 1,573 бит у женщин), т. е. в период выполнения основной биологической функции человека - репродукции. Уже во втором периоде зрелого возраста (1,738 бит у мужчин и 1,730 бит у женщин), а дальше и в пожилом возрасте энтропия возрастает (1,863 бит у мужчин и 1,856 бит у женщин), отражая дестабилизацию системы «щитовидная железа» в ходе инволюции. Уменьшение энтропии в старческом периоде онтогенеза до 1,831 бит у мужчин и 1,831 бит у женщин может быть объяснено естественной убылью субъектов с критическим уровнем энтропии в предыдущем периоде онтогенеза [24, 27].
Коэффициент относительной организации системы увеличивается от периода новорожденности, когда система является вероятностной, находясь в состоянии бифуркации, т. е. имеет большое разнообразие исходов, до первого периода зрелого возраста, когда система приближается к состоянию детерминированной (рис. 1).
^^“Ж^^“Мужчины ■ Женщины
Рис. 1. Коэффициент относительной организации системы «щитовидная железа»
на этапах онтогенеза человека
Такая динамика коэффициента относительной организации системы свидетельствует о повышении структурного запаса системы «щитовидная железа» в возрастном интервале от этапа «новорожденные» до первого периода зрелого возраста.
Во втором периоде зрелого и пожилом возрасте коэффициент надежности системы снижается, что является проявлением дезорганизации системы «щитовидная железа» в ходе инволюции.
При анализе гистологических препаратов животных, подвергавшихся воздействию серосодержащего газа, выявлена мозаичность строения железы: наличие участков нормальной структуры и областей деструкции ткани органа. У экспериментальных животных наблюдалось разрушение части фолликулов, десквамация фолликулярного эпителия (рис. 2, а), уменьшение размеров и коллабирование фолликулов с выходом коллоида в межфолликулярные пространства (рис. 2, б).
б г
Рис. 2. Изменения структуры щитовидных желез крыс, подвергавшихся воздействию серосодержащим газом.
Окраска гематоксилин-эозином: а - возраст 1 месяц; ок. 10, об. 20; б - возраст 3 месяца; ок. 10, об. 8; в - возраст 12 месяцев; ок. 10, об. 20; г - возраст 2,5 года; ок. 10, об. 20
Отмечен отек и утолщение соединительнотканных прослоек (рис. 2, в), расширение сосудов, переполнение их кровью, агрегация эритроцитов (рис. 2, г).
Такие изменения структуры щитовидной железы могут быть расценены как неспецифическая адаптивная реакция на неблагоприятное внешнее воздействие [28-30].
Следует отметить, что наибольшая выраженность деструктивных изменений наблюдалась у новорожденных крысят, животных в возрасте 51-120 суток (предслучный возраст) и 25-28 месяцев, т. е. старых животных.
Информационный анализ морфологических показателей щитовидной железы интактных крыс показал, что коэффициент относительной организации системы «щитовидная железа» также имеет минимальные значения на этапе «новорожденные» (рис. 3).
■ Контроль ^^^^“Эксперимент
Рис. 3. Коэффициент относительной организации системы «щитовидная железа» на этапах онтогенеза крыс в контрольной и экспериментальной группах
В процессе онтогенеза наблюдается увеличение этого показателя, в течение первого года жизни животных он меняется мало, но к старческому возрасту (25-28 месяцев), как и у людей, происходит резкое снижение коэффициента относительной организации системы.
Исследование энтропии и, на ее основе, коэффициента относительной организации системы у животных, подвергавшихся воздействию серосодержащего газа, показало, что во всех исследуемых группах коэффициент относительной организации системы у экспериментальных животных был ниже, чем у контрольных (рис. 3).
Наибольшие значения ИВП отмечены (по модулю) у новорожденных крысят - 0,073, у крыс в возрасте 51-120 суток (предслучный возраст) -
0,05 и 25-28 месяцев - 0,06, т. е. у старых животных. В других возрастных группах (20-50 суток и 11-18 месяцев) стрессовый фактор оказывал меньшее влияние на систему «щитовидная железа»: ИВП у этих животных составил 0,037 и 0,031 соответственно.
Заключение
Таким образом, результаты информационного анализа показали, что система «щитовидная железа» претерпевает существенные преобразования на этапах онтогенеза и имеет наименьшую упорядоченность в плодном периоде и у новорожденных. Максимальный структурный запас системы «щитовидная железа» наблюдается в первом периоде зрелого возраста, в ходе инволюции коэффициент надежности этой системы снижается.
Экспериментально выявлено, что период «новорожденные», возрастные интервалы 51-120 суток (предслучный возраст) и 25-28 месяцев (старческий возраст) являются критическими в развитии системы «щитовидная железа».
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Леонтюк А. С. Структурное разнообразие как критерий системной характеристики процессов морфогенеза // Морфология. - 1996. - № 2. - С. 67.
2. Тимченко Л. Д., Макарова Т. М., Восканян С. Э. Биологический возраст как
номинант морфофункционального статуса в циклической изменчивости животных организмов // Российские морфологические ведомости. - 2000. - № 1-2. -С. 251-252.
3. Забродин В. А. Морфология тимуса взрослого человека: Автореф. дис. ... д-ра мед. наук. - М.: Принт-Экспресс, 2004. - 40 с.
4. Критические периоды онтогенеза биологических систем / И. П. Бердиев, А. Е. Лазько, М. В. Лазько и др. // Гигиена окружающей среды и экология человека: Сб. работ. - Саратов: СГМУ, 1999. - С. 47.
5. Экологическая безопасность и здоровье / Н. А. Агаджанян и др. - М.; Астрахань: АГМА, 2000. - 145 с.
6. Асфандияров Р. И., Лазько А. Е. Методология изучения биологических систем в норме и экстремальных условиях // Проблемы здоровья и окружающей среды: Сб. науч. тр. - Астрахань: АГМА, 2001. - С. 220-222.
7. Пузик В. И. Возрастная морфология желез внутренней секреции. - М.: Изд-во Академии мед. наук РСФСр, 1951. - 301 с.
8. Попова-Латкина Н. В. Развитие щитовидной и зобной желез в эмбриональном периоде у человека // Тез. докл. на 26 науч. сессии АГМИ. - Астрахань: АГМИ, 1952. - Т. IX. - С. 47-48.
9. Попова-Латкина Н. В. Развитие щитовидной и вилочковой (зобной) желез в эмбриональном периоде у человека // Тр. Астрахан. мед. ин-та.- Астрахань: АГМИ, 1954. - Т. XI. - С. 68-71.
10. Кобозева Н. В., Гуркин Ю. А. Перинатальная эндокринология: Руководство для врачей. - Л.: Медицина, 1986. - 312 с.
11. Вальнович Э. И., Суворова А. В. Гистология плодов и детей. - СПб.: Изд-во Петерб. мед. ин-та, 1992. - 235 с.
12. Климова О. Г. Морфология щитовидной железы плодов коров Уральского региона // Морфология. - 2002. - Т. 121, № 2-3. - С. 71-72.
13.Анохин П. К. Узловые вопросы теории функционирования системы. - М.: Наука, 1978. - 196 с.
14. Судаков К. В. Оценка стресса на рабочем месте: системный подход // Медицина труда и промышленная экология. - 1996. - № 12. - С. 5-11.
15. Судаков К. В. Новые концепции классической теории стресса // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 1997. - Т. 123. - С. 124-130.
16. Быков В. Л. Возрастные изменения щитовидной железы мышей А/Не // Архив анатомии, гистологии, эмбриологии. - 1976. - № 6. - С. 41-47.
17. Быков В.Л. Возрастные особенности кровоснабжения щитовидной железы // Проблемы эндокринологии. - 1979. - Т. 25. - С. 76-79.
18.Хмельницкий О. К., Третьякова М. С. Морфометрическое исследование щитовидной железы. - СПб.: Наука, 1997. - 16 с.
19.Хмельницкий О. К., Третьякова М. С. Щитовидная железа как объект морфометрического исследования // Архив патологии. - 1998. - № 4. - С. 47-49.
20. Безденежных А. В., Петрова Н. И. Методика топической диагностики морфологических параметров щитовидной железы // Морфология. - 2000. - № 4. - С. 91-94.
21. Принципы и методы оценки токсичности химических веществ. Ч. 1. - Женева: ВОЗ, 1981. - 311 с.
22. Автандилов Г. Г. Медицинская морфометрия. - М.: Медицина, 1990. - 384 с.
23. Леонтюк А. С. Структурное многообразие как критерий системной характеристики процессов морфогенеза // Морфология. - 1996. - № 2. - С. 67.
24. Герасимов И. Г. Энтропия биологических систем // Проблемы старения и долголетия. - 1998. - Т. 7, № 2. - С. 119-126.
25. Гублер Е. В. Информатика в патологии, клинической медицине и педиатрии. -Л., 1990. - 176 с.
26. Лакин Г. Ф. Биометрия: Учеб. пособие. - М.: Высш. шк., 1990. - 352 с.
27. Герасимов И. Г. Использование энтропийных характеристик для оценки биологического возраста и функционального состояния организма // Проблемы старения и долголетия. - 1996. - Т. 6, № 1-2. - С. 32-35.
28. Петрова Н. И., Бирюкова О. В. Эпителиально-стромальные отклонения в щитовидной железе у собак в норме и при различных режимах двигательной активности // Морфология. - 2002. - Т. 121, № 2-3. - С. 123.
29. Степанов С. А., Родзаевская Е. Б. Гистофункциональное состояние щитовидной железы при некоторых соматических заболеваниях. - Саратов: СГМУ, 2002. - 146 с.
30. Уварова И. А., Родзаевская Е. Б., Наумова Л. И. Морфофункциональная характеристика некоторых эндокринных желез в условиях влияния низкоинтенсивного электромагнитного излучения транс-резонансного функционального топографа в эксперименте // Достижения фундаментальных наук в решении актуальных проблем медицины: 5-я науч.-практ. конф. с междунар. участием. Астрахань, Россия, 5-10 мая 2006 г. - Астрахань: АгМА, 2006. - С. 335-339.
Получено 2.06.2006
THE APPLICATION OF INFORMATION ANALYSIS FOR ESTIMATION OF CONDITIONS OF THE SYSTEM "THYROID GLAND”
AT A PERSON AND EXPERIMENTAL ANIMALS
R. I. Asphandiyarov, L. A. Udochkina, I. Yu. Kvyatkovskaya
The information analysis of morphometric parameters of thyroid gland of people in fetal period and during all postnatal ontogenesis has shown that the system "thyroid gland" undergoes essential transformations at ontogenesis stages and has the least regularity at fetal period and newborn children. The maximal structural reserve of the system "thyroid gland" is observed in the first period of mature age, and at age involution the factor of reliability of this system is reduced. It is experimentally revealed that the at newborn stage, age intervals of 51-120 days and 25-28 months are critical in the development of the system "thyroid gland".
