CC BY
41
Bulletin of Medical Internet Conferences (ISSN 2224-6150)
2015. Volume 5. Issue 7
ID: 2015-07-6-A-5342 Оригинальная статья
Ильичева В.Н.1, Соколов Д.А.1, Ушаков И.Б.2, Штемберг А.С.2, Минасян В.В.1
Морфологические реакции старой и древней коры головного мозга на воздействие ионизирующего
излучения
1ГБОУ ВПО Воронежская государственная медицинская академия им. Н.Н. Бурденко Минздрава России 2ФГБНУ ГНЦ РФ Институт медико-биологических проблем РАН
Il'icheva V.N.1, Sokolov D.A.1, Ushakov I.B.2, Shtemberg A.S.2, Minasyan V.V.1
Morphological response of archicortex and paleocortex to ionizing radiation exposure
1Voronezh N.N. Burdenko State Medical Academy 2Research Institute of Medico-Biological Problems RAN
Резюме
Цель: изучить влияние ионизирующего излучения на структурно-функциональную организацию старой и древней коры головного мозга. Методы. Эксперимент проводился на 168 белых беспородных крысах-самцах в возрасте 2,5-3 месяцев. Животных облучали у-квантами 60Со в дозе 87,5 Гр. Крыс выводили из эксперимента декапитацией через 3, 10, 35, 60, 150, 300 и 600 мин после воздействия облучения. Для каждой опытной подгруппы имелся адекватный контроль. Мозг животных обрабатывался по стандартной гистологической методике. На парафиновых срезах, окрашенных гематоксилином Караци-эозином и толуидиновым синим, в цитоархитектонических полях СА1 и СА3 гиппокампа и пириформной зоне подсчитывали соотношение различных форм морфологической изменчивости нервных клеток, проводили морфометрическую оценку нейронов. Результаты. Установлено процентное соотношение и проведен морфофункциональный анализ различных форм морфологической изменчивости нервных клеток в цитоархитектонических полях гиппокампа и пириформной зоны коры головного мозга после воздействия облучения. Заключение. Реакция нейроцитов гиппокампа на облучение включает три стадии: начальных, умеренных деструктивных и выраженных деструктивных изменений. Ионизирующее излучение в дозе 87,5 Гр вызывает в гиппокампе и пириформной коре глубокие дистрофически-некротические изменения, нарастающие к концу срока наблюдения.
Ключевые слова: ионизирующее излучение, кора головного мозга, гиппокамп, пириформная кора, нейроны
Abstract
Objective: To study the effect of ionizing radiation on the structural and functional organization of the archicortex and paleocortex. Methods. The experiment was conducted on 168 white mongrel male rats at the age of 2.5-3 months. The animals were exposed by 60Co y-rays in a dose of 87,5 Gy. Rats were withdrawn from the experiment by decapitation in 3, 10, 35, 60, 150, 300 and 600 min after the exposure. Each experimental subgroups had an adequate control. The brain of animals treated by standard histological techniques. On paraffin sections, stained with hematoxylin Karatstsi - eosin and toluidine blue, in CAj, CA3 hippocampus and cortex piriformis the ratio of the various neurons forms of morphological variability were counted, morphometric assessment of neurons was carried out. Results. The percentage and morphofunctional analysis of neurons were carried out in hippocampus and cortex piriformis. Conclusion. Reaction of hippocampal neurocytes to irradiation involves three stages: initial, moderate destructive and significant destructive changes. Ionizing radiation in a dose of 87,5 Gy causes in the hippocampus and piriform cortex severe dystrophic and necrotic changes, growing by the end of the observation period.
Key words: ionizing radiation, the cerebral cortex, hippocampus, piriform cortex, neurons
Введение
В настоящее время в связи с развитием ядерной энергетики и использованием источников ионизирующего излучения в различных отраслях научной и производственной деятельности человека возрастает риск возникновения внештатных чрезвычайных ситуаций, при которых сотрудники радиационных объектов и население прилежащих территорий могут подвергаться облучению в различном диапазоне доз [5]. Это обстоятельство обусловливает актуальность изучения влияния ионизирующей радиации на различные отделы центральной нервной системы.
Анализ литературных источников показал, что архи- и палеокортикальные формации мозга являются наименее изученными в отношении острых радиационных воздействий. Среди структур старой коры головного мозга особый интерес представляет гиппокамп, отвечающий за механизмы памяти, внимания, ориентировочного рефлекса, временного обеспечения высшей нервной деятельности [2-4]. Не менее важной структурой, принадлежащей древней коре больших полушарий, является пириформная зона, участвующая в реализации процессов обоняния, эмоциональной сфере, формировании некоторых целенаправленных двигательных реакций.
Цель: изучить влияние ионизирующего излучения на структурно-функциональную организацию старой и древней коры головного мозга.
Материал и методы
Эксперимент проводился на 168 половозрелых белых беспородных крысах-самцах массой 180-200 г, в возрасте 2,5-3 месяцев. Для эксперимента было сформировано две группы животных. Крыс первой группы помещали в специальную камеру из оргстекла и облучали у-квантами 60Со (1,25 МэВ) на установке «Хизотрон» (Чехия) в кранио-каудальном направлении. Доза облучения
Бюллетень медицинских Интернет-конференций (ISSN 2224-6150) 2015. Том 5. № 7
составила 87,5 Гр; мощность дозы - 0,86 Гр/мин. Дозиметрический контроль облучения осуществлялся клиническим дозиметром 27012, стержневая камера которого располагалась в поле облучения. Группу радиационного контроля составляли животные, которые помещались в камеру для облучения, однако излучающую установку не включали. Животные контрольных и опытных групп были одного возраста, пола, содержались в обычном виварном режиме. Крыс выводили из эксперимента декапитацией через 3, 10, 35, 60, 150, 300 и 600 мин после воздействия облучения.
Материалом для изучения служили фронтальные срезы полушарий большого мозга. Объектом исследования явились цитоархитектонические поля СА! и СА3 гиппокампа и пириформная зона древней коры.
Выбор участков мозга для изучения осуществлялся при помощи цитоархитектонических карт [8]. При уходе за животными и проведении экспериментов руководствовались базисными нормативными документами: рекомендациями комитета по экспериментальной работе с использованием животных при МЗ РФ, рекомендациями ВОЗ, рекомендациями Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других целей [7].
Для проведения морфологических исследований кусочки мозга фиксировали в 10%-ном растворе нейтрального формалина. Парафиновые срезы толщиной 6 мкм окрашивали гематоксилином Караци - эозином и толуидиновым синим по Нисслю. С целью выявления морфологических изменений, происходящих в нейронах при действии изучаемых факторов, проводили визуальную оценку характера распределения базофильного вещества в их цитоплазме. Производили подсчет нервных клеток с различными типовыми формами морфологической изменчивости, которые выделяли в соответствии с классификацией [6], согласно которой в нейроцитах различных отделов головного мозга при действии антропогенных факторов различной природы возникают неспецифические типовые морфологические формы пограничной, альтеративной (деструктивной) и адаптационной (компенсаторно-приспособительной) изменчивости. Морфометрическое исследование заключалось в определении объема тел нейроцитов, их ядер и ядрышек в мкм3, используя формулу V=1/6паp2 для структур, аппроксимируемых с эллипсоидом вращения и V=1/48п(aP) для образований сфероидальной формы, где а - больший, в - меньший диаметры [1]. По данным величины объемов рассчитывали ядерно-цитоплазматические (ЯЦИ) и ядрышко-ядерные (ЯЯИ) индексы. Результаты исследования обрабатывались статистически.
Результаты
Анализируя эффект воздействия ионизирующего излучения на нейроциты полей СА! и СА3 гиппокампа, были условно выделены три стадии наблюдаемых изменений.
Первая стадия начальных изменений соответствует 3-й мин. наблюдения и характеризуется быстрым развитием ответной реакции на острое лучевое воздействие. Наблюдается перераспределение содержания различных типов нервных клеток. Количество нормохромных (НХ) нейроцитов снижается до 33,4 и 36,1% в полях СА! и СА3 соответственно. Одновременно наблюдается увеличение содержания гипохромных (ГО) нейронов в поле СА! до 29,6; в поле СА3 - до 28,2%. Содержание гиперхромных (ГР) нервных клеток в поле СА! возрастает до 14,1%, в поле СА3 их численность снижается до 13,3%. Количество пикноморфных (ПМ) нейроцитов и клеток-теней (КТ) в изучаемых отделах гиппокампа умеренно увеличивается. Их содержание в поле СА! 6,3 и 16,6% соответственно; в поле СА3 - 4,7 и 17,7% соответственно. На данном этапе наблюдений в поле СА! НХ нервные клетки реагировали на у-облучение увеличением объемов тела и ядра. Объем ядрышка уменьшался. В поле СА3 объем тела НХ нейроцитов несколько уменьшался, в то время как аналогичный показатель ядра и ядрышка возрастал. ГО нервные клетки поля СА! реагировали резким увеличением объемов тела и ядра и уменьшением объема ядрышка с соответствующими их динамике ЯЦИ и ЯЯИ. В поле СА3 тело и ядро ГО нейроцитов уменьшались в объеме. Значение ЯЦИ в указанный срок возрастало. Объем ядрышка ГО нейронов и значение ЯЯИ увеличивались. ГР нервные клетки полей СА! и СА3 реагировали уменьшением объемов тела и ядра; ЯЦИ возрастал. Таким образом, уменьшение объема нервных клеток происходило в большей степени за счет цитоплазмы. Объем ядрышка в клетках поля СА! уменьшался вместе со значением ЯЯИ; противоположные изменения наблюдались в поле СА3.
Вторая стадия умеренных деструктивных изменений - протекает с 10-й по 60-ю мин. эксперимента. В этот период в поле СА! уменьшается содержание НХ и ГО нейроцитов и КТ, за счет увеличения ГР и ПМ нервных клеток. В поле СА3 отмечается увеличение количества НХ, ГР и ПМ нейроцитов за счет относительного снижения численности ГО нейроцитов и КТ. В нейроцитах нарастают явления хроматолиза, наблюдается микровакуолизация цитоплазмы. В некоторых клетках отмечается смещение ядра к периферии. Кроме того, наблюдаются некротически измененные нейроциты, вокруг которых обнаруживаются клетки микроглии. Изменения объемов тела, ядра и ядрышка нейроцитов изучаемых отделов гиппокампа в указанные сроки носили фазный характер. Уменьшение их показателей чередовалось с увеличением изучаемых параметров. Отмечались общие черты реагирования нервных клеток полей СА! и СА3 гиппокампа. Так к 10-й мин. после у-облучения наблюдалось уменьшение объема тела всех типов клеток, причем значения ЯЦИ в эти сроки в основном возрастали, что свидетельствует об уменьшении объема нервных клеток преимущественно за счет уменьшения их цитоплазмы. К 35-й мин. было отмечено уменьшение объема ядер всех типов клеток. Таким образом, к 35-й мин. наблюдения нейроциты гиппокампа испытывали снижение функциональной активности. К 60-й мин. в поле СА! за исключением ГО клеток объемы тела, ядра и ядрышка НХ и ГР нейронов незначительно увеличивались (р>0,05), но не достигали контрольных значений. Такие тенденции в динамике изменений параметров клетки можно интерпретировать как умеренное повышение функциональной активности.
Третья стадия выраженных некротических изменений длится со 150-й по 600-ю мин. пострадиационного периода. На протяжении указанных сроков в изучаемых отделах гиппокампа наблюдается уменьшение содержания НХ нейроцитов. К 600-й мин. их количество соответствует 20,3 и 23,8% в полях СА! и СА3 соответственно. В то же время количество ГО нейронов в поле СА! возрастает до 28,7; в поле СА3 - до 29,8%. Увеличивается количество дистрофически и некротически измененных нервных клеток, преимущественно за счет гипохромных форм. Дистрофические изменения проявляются по типу гипохромной нейронодистрофии и характеризуются наличием нейроцитов с крупноочаговым, субтотальным или тотальным хроматолизом, вакуолизацией цитоплазмы и ядра, смещением ядра и ядрышка к периферии. В поле СА! изменение содержания ГР, ПМ нервных клеток и КТ носит фазный характер. Максимальное количество ГР и ПМ клеток регистрируется на 300-й мин. и составляет 17,0 и 15,8% соответственно. В поле СА3 содержание ГР нервных клеток на данном этапе ниже по сравнению с предыдущими сроками
Bulletin of Medical Internet Conferences (ISSN 2224-6150)
2015. Volume 5. Issue 7
наблюдения. Значение их численности убывает до 14,1%. Максимальное количество ПМ клеток (10,2%) устанавливается к 300-й мин. Наряду с ПМ нейроцитами некротические изменения нейронов в большей мере представлены КТ, соответствующими стадии колликвационного нейрононекроза. Их количество к 600-й мин. в поле СА! составляет 23,6%; в поле СА3 - 24,1%. В результате глубоких некротических изменений, развивающихся при действии у-облучения, нарушается слоистая структура гиппокампа. В поле СА1 в указанные сроки исследования наблюдались сходные фазные изменения объемов тела и ядра НХ и ГО нейронов с увеличением их показателей на 150- и 600-й мин. и уменьшением на 300-й мин. эксперимента. Объем ядрышек в этих клетках уменьшался через 150-й мин. после облучения и увеличивался к 600-й мин. пострадиационного периода. Изменения объема ядрышек и значений ЯЯИ были однотипными. Со 150-й по 300-ю мин. наблюдения изменения объемов тела, ядра и ядрышка ГР нейроцитов носили разнонаправленный характер. К 600-й мин. эксперимента их параметры увеличивались. В поле СА3 объем тела НХ клеток уменьшался к 150-й мин. наблюдения, а к 300- и 600-й мин. - возрастал. Объем ядрышка таких клеток возрастал только к концу сроков наблюдения. Динамика изменений ЯЦИ и ЯЯИ соответствовала наблюдаемым изменениями ядра и ядрышка. Изменения объемов ГО нейронов характеризовались снижением объемов тела и ядра со 150-й по 300-ю мин. наблюдения и последующим их увеличением к 600-й мин. эксперимента. Значения ЯЦИ менялись в соответствии с изменениями объема ядра на 300 и 600-й мин. пострадиационного периода. Объем ядрышка, а также значения ЯЯИ после уменьшения к 150-й мин. исследования увеличивались с 300-й по 600-ю мин. эксперимента. Изменение объемов тела, ядра и ядрышка у ГР клеток было однотипным. Со 150-й по 300-ю мин. наблюдения величина изучаемых показателей уменьшалась, а к 600-й мин. их значения возрастали. Показатель ЯЦИ увеличивался только к концу сроков наблюдения. ЯЯИ менялся в соответствии с динамикой изменений объема ядрышка. Наблюдаемое к 600-й мин. увеличение значений объемов тела, ядра и ядрышка ГР нейроцитов в поле СА3 выше контрольного уровня может быть интерпретировано как начальное проявление регенерационной гипертрофии.
При гамма-облучении крыс в дозе 87,5 Гр в древней коре головного мозга в различные сроки пострадиационного периода наблюдались фазные изменения в соотношении различных клеточных форм нейроцитов, объема их тела, ядра и ядрышка по сравнению с параметрами биологического контроля.
Изменение содержания НХ и ГР нервных клеток с одной стороны, и ПМ и КТ, - с другой, носило разнонаправленный характер. Количество Нх и ГР, уменьшаясь через 3 мин после облучения в 2,1 и 1,27 раза до 25,0 и 15,0% соответственно не изменялось до 35-й минуты наблюдения. После заметного уменьшения через 1 ч от начала эксперимента до 14,0 % число НХ нейроцитов относительно возрастало спустя 150 мин до уровня, предшествовавшего его снижению (28,0%), и оставалось до конца срока исследования (600 мин) пониженным (25,0 %) по сравнению с контролем. Количество ГР клеточных форм заметно снижалось через 10 и 150 мин после облучения до 8,0 и 10,0% соответственно и, спустя 600 мин достигало исходного уровня. Содержание ГО нейроцитов было увеличено на протяжении всех сроков исследования. При этом периоды повышения их численности, наблюдавшиеся через 3 мин (30,0%), 35 мин (36,0%) и 300 мин (34,0%) чередовались с периодами относительного уменьшения их количества через 10 мин (17,0%), 150 мин (20,0%) и 600 мин (27,0%)после действия фактора. Число ПМ нейроцитов существенно повышалось на 10-й мин (23,0%), а также через 60 мин (16,0%), 150 мин (15,0%) и 600 мин (14,0%) наблюдения; в остальные сроки их количество было пониженным, и колебалось в незначительных пределах от 10,0% (10 мин) - 12,0% (35 мин) до 5,0% (к 5 ч). Содержание клеток-теней достоверно повышалось на 10-й мин (23,0%), а также в период от 60 до 300 мин и колебалось в интервале 26,0-31,0%.
Периодическое повышение объемов тела, ядра и ядрышка НХ и ГР клеток на 3, и 300-й мин с последующим понижением их значения через 10, 35 и 150 мин наблюдения не сопровождалось существенным изменением ЯЯИ индекса в названные сроки в связи с относительно синхронными изменениями их размеров. В то же время более значительное увеличение объема ядра по сравнению е величиной тела клетки приводило к возрастанию в НХ нейроцитах ЯЦИ на 10-й и 35-й мин до 2,0.
Аналогичные фазные изменения объема тела, ядра и ядрышка, ЯЦИ и ЯЯИ наблюдались в ГО нейроцитах. Однако на протяжении большей части пострадиационного периода (в течение 5 ч наблюдения), циклические изменения объема тела ГО клеток были выражены в меньшей степени. В связи с относительно большим увеличением объема ядра, чем размера клетки, на 10-й мин происходило возрастание ЯЦИ до 2,0 и 1,9 соответственно. К концу периода наблюдения размеры тела, ядра, ядрышка, к также ЯЦИ и ЯЯИ в НО и ГР нервных клетках приближались в большинстве случаев к значениям биологического контроля.
Светооптически в ранние сроки наблюдения (3-10-я мин) среди нейроцитов преобладали реактивные изменения, сопровождавшиеся очаговым и перинуклеарным хроматолизом, заметным набуханием тела, ядра и ядрышка на 3-й мин. В более поздние сроки после облучения (10-150-я мин) увеличивалось количество нервных клеток с деструктивными изменениями по типу гидропической дистрофии. К концу срока наблюдения существенно возрастал объем альтеративных изменений по типу колликвационного и коагуляционного некроза, о чем свидетельствует увеличение содержания клеток-теней и пикноморфных нейроцитов. Компенсаторно-приспособнтельные изменения проявлялись в увеличении многоядрышковых НХ и ГР нейроцитов с реактивными изменениями. У 27,0% нервных клеток в поздние сроки после облучения деструктивные изменения не обнаруживались, что свидетельствует о высокой устойчивости их к ионизирующему излучению.
Обсуждение
Таким образом, гамма-облучение приводит к выраженным циклическим морфофункциональным изменениям нейроцитов древней коры головного мозга. Характер изменения в соотношении нервных клеток различного типа свидетельствует о снижении функционального потенциала палеокортекса за счет уменьшения количества НХ и ГР клеток, а также возрастания количества ГО форм. Развитие деструктивных процессов подтверждается увеличением числа клеток с явлениями гидропической дистрофии и находящихся на стадии некротических изменений ПМ нейроцитов и КТ.
Наблюдающееся в пострадиационном периоде фазное увеличение объема тела, ядра и ядрышка нервных клеток свидетельствует о периодическом возрастании внутриклеточного осмотического градиента, возникающего в результате ионизации биомолекул под влиянием ионизирующего излучения, что приводит к гидратации гнало- и нуклеоплазмы.
Бюллетень медицинских Интернет-конференций (ISSN 2224-6150) 2015. Том 5. № 7
Заключение
Таким образом, нами установлено, что в результате воздействия ионизирующего излучения в дозе 87,5 Гр в нейроцитах гиппокампа и пириформной коры головного мозга развивается комплекс неспецифических морфофункциональных изменений, которые заключаются в перераспределении соотношения различных форм морфологической изменчивости нервных клеток, фазном изменении объемов тела, ядра и ядрышка нейроцитов; характер и степень выраженности изменений зависит от интенсивности действующего фактора и времени после прекращения его воздействия. Реакция нейроцитов гиппокампа на облучение включает три стадии: начальных, умеренных деструктивных и выраженных деструктивных изменений. Под влиянием изученных факторов увеличивается содержание нервных клеток с пограничными изменениями по гипохромному типу, а также нейроцитов с альтеративными изменениями, соответствующими коагуляционному и колликвационному нейрононекрозам. Ионизирующее излучение в дозе 87,5 Гр вызывает в пострадиационном периоде глубокие дистрофически-некротические изменения, нарастающие к концу срока наблюдения.
Литература
1. Блинков С.М., Глезер И.И. Мозг человека в цифрах и таблицах. Л.: Медицина, 1964. 471 с.
2. Боголепова И.Н. Строение и развитие гиппокампа человека в пренатальном онтогенезе // Журнал невропатологии и психиатрии. 1970. Т. 70, Вып. 6. С. 857-863.
3. Виноградова О. С. Гиппокамп и память. М.: Наука, 1975. 333 с.
4. Меринг Т.А. Некоторые структурно-функциональные особенности гиппокампа // Успехи физиологических наук. 1974. Т. 5, № 3. С. 102-122.
5. Насонова Н.А., Соколов Д.А., Спицин В.В. Структурно-функциональная характеристика нейроцитов бледного шара при облучении ионизирующим излучением в дозе 0.5 Гр с различной ее мощностью // Журнал анатомии и гистопатологии. 2014. Т. 3, № 3. С. 9-70.
6. Федоров В.П., Петров А.В., Степанян Н.А. Экологическая нейроморфология. Классификация типовых форм морфологической изменчивости ЦНС при действии антропогенных факторов // Журнал теоретической и практической медицины. 2003. Т. 1, № 1. С. 62-66.
7. Этическая экспертиза биомедицинских исследований: практические рекомендации; под. общ. ред. чл.-корр. РАМН, проф. Ю. Б. Белоусова. М., 2005. 218 с.
8. Paxinos G., Watson C. The rat brain in stereotaxic coordinates; 5th ed., 2004. Информация об авторах
В.Н. Ильичева - ГБОУ ВПО Воронежская государственная медицинская академия им. Н.Н. Бурденко Минздрава России, кафедра нормальной анатомии человека, доцент, кандидат медицинских наук (V.N. Il'icheva - Voronezh N.N. Burdenko State Medical Academy, Department of Human Anatomy, associate Professor, Candidate of Medical Science);
Д.А. Соколов - ГБОУ ВПО Воронежская государственная медицинская академия им. Н.Н. Бурденко Минздрава России, кафедра нормальной анатомии человека, доцент, кандидат медицинских наук (D.A. Sokolov - Voronezh N.N. Burdenko State Medical Academy, Department of Human Anatomy, Associate Professor, Candidate of Medical Science);
И.Б. Ушаков - ФГБНУ ГНЦ РФ Институт медико-биологических проблем РАН, директор, академик РАН, профессор, доктор медицинских наук (I.B. Ushakov - Research Institute of Medico-Biological Problems RAN, head, Acad. RAN, Doctor of Medical Science, Professor);
А.С. Штемберг - ФГБНУ ГНЦ РФ Институт медико-биологических проблем РАН, отдел экспериментальной биологии и медицины, заведующий, доктор биологических наук (A.S. Shtemberg - Research Institute of Medico-Biological Problems RAN, Department of Experimental Biology and Medicine, head, Doctor of Biological Science);
В В. Минасян - ГБОУ ВПО Воронежская государственная медицинская академия им. Н. Н. Бурденко Минздрава России, кафедра нормальной анатомии человека, ассистент (V.V. Minasyan - Voronezh N.N. Burdenko State Medical Academy, Department of Human Anatomy, Teaching Assistant).
