Радиальная морфометрия в оценке изменений нейронов, вызванных воздействием эндогенных факторов Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 616-8.091.81

РАДИАЛЬНАЯ МОРФОМЕТРИЯ В ОЦЕНКЕ ИЗМЕНЕНИЙ НЕЙРОНОВ, ВЫЗВАННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭНДОГЕННЫХ ФАКТОРОВ

А.В. ВОЛКОВ, Н.В. ЕРМОЛАЕВ, С.А. КАЛАШНИКОВА*

Проведено исследование нейронов коры головного мозга, супраоп-тического ядра гипоталамуса и паравертебральных ганглиев при хроническом эндотоксикозе, вызванном комбинированным введением малых доз бактериального липополисахарида и тетрахлорме-тана. На цифровых микрофотографиях, сделанных с гистологических микропрепаратов нервной ткани, проведена радиальная мор-фометрия, позволяющая оценить радиальные градиенты яркости в системе ЯОБ от центра клетки к периферии

Для оценки патологических изменений в нервной ткани, индуцируемых экзо- и эндогенными факторами, используется полуколичественная оценка нейронов с выделением неизмененных клеток, клеток с минимальными изменениями, клеток с пикнотиче-скими ядрами [1]. Для математических операций используется коэффициент Чубинидзе, позволяющий каждому состоянию клеток присваивать определенное ранговое значение, вес фактора и оценивать суммарную степень повреждения нервной ткани в балльной шкале. Анализируя этот технологический прием, можно сказать, что в данном случае

мала возможность для точной оценки состояния нейронов в той ситуации, когда морфологические изменения клеток можно охарактеризовать, как переходные между соседними рангами. Данная ситуация затрудняет оценку повреждений малой интенсивности или сходные повреждения, вызванные различными дозами одного и того агента.

Для детального изучения изменений нервных клеток используются методические походы, позволяющие дифференцировать нейроны на группы, исходя из геометрических морфометрических характеристик последних. Эти методы отождествляют качественные изменения структуры нейронов с количественными изменениями их функции и даже прогнозом после окончания действия повреждающего фактора (обратимые - необратимые). Учитывая недостатки этих методов, к числу каковых относятся недостаточная объективность и информативность, актуальным становится поиск новых технологий оценки повреждений нейронов. Нами предлагается оценивать степень повреждения нейронов, исходя из изменений тинкториальных свойств ядра и пери-кариона в радиальном направлении от центра клетки к периферии при стандартных гистологических окрасках.

Целесообразность анализа радиального распределения тинкториальных характеристик в теле нейрона диктуется тем, что степень окрашивания ядра и цитоплазмы перикариона является интегративной величиной, описывающей количество и свойства присутствующих белков и нуклеиновых кислот. Изменение функционального состояния нейрона, равно как и его повреждение, по законам формальной логики, должно сопровождаться изменением в распределении тинкториальных свойств.

Для обоснования нашего подхода используем следующее построение. Если абстрактно представить нейрон в виде шара, то вне зависимости от плоскости среза полученный геометрический объект будет отображением, проекцией нервной клетки в его максимальных размерах, поскольку любая диаметральная плоскость шара является его плоскостью симметрии, а центр шара является центром симметрии. Отсюда, динамика изменения тинкториальных свойств клетки на протяжении от центра к периферии при любой плоскости среза будет подобием тинкто-риальных свойств клетки в плоскости ее максимального и наиболее информативного среза. Этот подход использован нами для разработки программного продукта для радиальной морфомет-рии. Для проверки адекватности способа нами проведены исследования нервных клеток крыс в условиях хронического эндотоксикоза (ХЭТ). Выбор в качестве предмета исследования ХЭТ обусловлен распространенностью этого патологического процес-

са и вовлечением в его развитие органов и тканей организма, в т.ч. нервной системы. В отношении нейронов при ХЭТ показано мозаичное повреждение, зависящее от их локализации, исходного глиального окружения и функциональной нагрузки нейрона [3].

Цель - изучение в эксперименте на крысах группового распределения нейронов на основе радиально-морфометрического анализа и применимости этого подхода к оценке изменений функционального состояния нейронов при ХЭТ.

Материал и методы. Работа была выполнена на 35 нелинейных белых крысах обоего пола массой 180-210 г. Выбор, содержание животных, моделирование патологических процессов и выведение крыс из опыта вели по базисным нормативным документам МЗ РФ и рекомендациями ВОЗ [4].При моделировании ХЭТ использована классическая модель с преимущественным поражением печени, основанная на введении малых доз бактериального липополисахарида и тетрахлорметана [2]. Животных выводили на высоте ХЭТ в 90-дневный срок.

Таблица 1

Основные характеристики радиальной морфометрии по отдельным выделенным типам нейронов

(М±т)

Типы K1 K2 Im, усл. ед. R, %

I 0,74±0,44 -1,81±1,62 11,52±1,02 66,51±16,62

II 0,49±0,07 11,18±1,18 80,41±4,35

III -0,24 ± 0,07 10,73±0,47 22,80±9,22

IV 1,21±1,51 | 0,07±0,01 -0,77±0,91 | -0,62±0,56 10,73±0,86 | 9,77±0,79 58,18±16,97 | 89,90±3,73

Сразу после эвтаназии крыс головной мозг и фрагменты мягких тканей паравертебральной области, содержащие ганглии, извлекали щадящим образом, после чего вели гистологическую проводку и приготовление серийных срезов с окрашиванием препаратов гематоксилином и эозином, а также по Нисслю. Для исследования нами были выбраны нейроны 5 слоя фронтальной области коры головного мозга, нейроны супраоптического ядра гипоталамуса и паравертебральных ганглиев из области Th2 - Th^ С гистологических микропрепаратов осуществляли микрофотосъемку на аппаратно-компьютерном комплексе «Micros» (Austria). Компьютерные изображения были подвергнуты бинаризации и негативизации с помощью программного пакета Adobe Photoshop 7.0 (USA). После этих преобразований максимальная яркость имелась у участков клеток с исходно большей тинкториальной плотностью. Далее вели анализ компьютерных изображений с помощью оригинальной программы «Radiana», в которых оценивали радиальные градиенты яркости в системе RGB от центра клетки к периферии. Программа после указания границ объекта и его логического центра (им был выбран геометрический центр ядра) самостоятельно разбивала объект на выбранное число секторов и зон. Для нейронов эмпирически подобрано 36 секторов и 10 зон - всего 360 участков (рис.1).

400131, Г. Волгоград. Пл. Павших Борцов, 1 Волгоградский ГМУ

Рис.1. Сетка радиальной морфометрии на цифровой микрофотографии нейронов супраоптического ядра гипоталамуса, проведенной программой «Radiana». Окраска гематоксилином и эозином. Ув. 10x40

Результаты преобразований экспортировали в матрицу Microsoft Excel. В качестве первичного материала получали матрицу секторального и радиального распределения тинктори-альной плотности. В качестве окончательного, после полиномиальной аппроксимации полученных кривых - коэффициенты графической функции распределения (рис.2): K1 - тангенс угла подъема кривой в восходящей части графика, K2 - тангенс угла снижения кривой в восходящей части графика, Im - максимальная интенсивность окраски в кольцевой зоне, усл. ед., R - расстояние от центра ядрышка до зоны с Im, %. При анализе распределения яркости методом радиальной морфометрии выявлены 4 типа

нейронов (табл.1). Нейроны I типа имеют распределение яркости в виде обращенной параболы с монотонным нарастанием и спадом яркости от центра ядра к периферии. Пиковая яркость лежит в пределах 50^83% расстояния от ядра до плазмалеммы (рис.З).

Радиальная морфоглетрия

5 5 ? 4

І з

2

V

т_ / \

У Л а в Лч

tgв=X.2

Расстояние от ядра до периферии.

Рис.2. Коэффициенты, характеризующие графическую функцию распределения яркости в системе ЯОБ по направлению от ядра к периферии

Радиальная морфометрия I типа нейронов

Расстояние от ящрадо периферії

приходятся на расстояния от ядра в пределах 41 - 75 %, соответствующие наиболее близкому к ядру клетки пику и 86 - 94 %, соответствующие второму, наиболее удаленному пику (рис. 6).

Рис.6. Коэффициенты функции распределения яркости в нейронах IV типа.

Представительство нейронов разных отделов меняется в зависимости от структуры и во временном интервале. Процентное соотношение нейронов разных типов представлено в табл.2

Таблица 2

Распределение нейронов по типам на основании радиальной морфо-метрии в норме и при ХЭТ различного типа (%, М±т).

Локализация Тип нейрона Контрольная группа, % ХЭТ, 90 сут, %

Кора головного мозга I тип 97,6 ± 1,3 93,0 ± 2,7

II тип 2,3 ± 1,4 7,0 ± 1,0*

III тип

IV тип

Супраоптическое ядро гипоталамуса I тип 10,2 ± 1,7*

II тип 42,6 ± 1,1 31,4 ± 1,2*

III тип 37,5 ± 0,9 21,7 ± 0,8*

IV тип 19,9 ± 1,6 36,4 ± 0,3*

Паравертебральные ганглии I тип

II тип 38,0 ± 2,2 41,8 ± 2,4

III тип 61,8 ± 2,9 58,1 ± 1,7

IV тип

Рис.3. Коэффициенты функции распределения яркости в нейронах I типа

II тип нейронов отличается монотонным ростом яркости от центра ядра к периферии; пиковая яркость находится вблизи периферии на 76^84% отрезка от ядра до плазмалеммы (рис.4).

12 -10 -

!

-в Б _ 5

«. 4 -в;

2 -□ -

Рис.4. Коэффициенты функции распределения яркости в нейронах II типа

Нейроны III типа отличается характеристиками, диаметрально противоположными II типу. Для этих нейронов характерно монотонное снижение яркости, начиная сразу с ядра. При этом пиковое насыщение окраски - у ядра и ближних структур (рис.5).

III ТИП нейронов

1 2 Ё в

те 2----------------------------------

□ -I------1-------1-------1-------г-

13 5 7 9

Расстояние от яд|>лдо периферии

Рис.5. Коэффициенты функции распределения яркости в нейронах III типа

В IV типе нейронов отличием от предыдущих типов является наличие «двугорбой» кривой. При этом пиковые яркости

* - достоверные различия с контролем. р< 0,05

Как видно из представленных данных, при радиальной морфометрии в коре головного мозга присутствует практически один тип нейронов. В контрольной группе также присутствуют нейроны II типа, которые к 90 сут. ХЭТ увеличивают свое представительство. Увеличение нейронов одного типа наряду с убыванием популяции нейронов другого типа связано, скорее всего, с переходом нейронов из типа в тип. Изменения тинкториальных свойств и переход части нейронов из I во II тип в коре головного мозга при ХЭТ трактуются, как проявление разбалансировки внутриклеточных структур и разобщение внутриклеточного регулирования. Смещение максимальной яркости стремится ближе к периферии клетки, что подтверждает конденсацию хроматина, как одного из последствий повреждения.

Наибольшим разнообразием отличаются нейроны супраоп-тического ядра гипоталамуса. Радиальная морфометрии позволяет у контрольной группы животных выделить в этом участке 3 типа нейронов - II, III, IV типы. У животных опытной группы происходит уменьшение количества нейронов II и III типов, резкое увеличение IV типа и появление небольшого количества клеток I типа. Уменьшение клеток II и III типов можно рассматривать, как сглаживание кривых и уменьшение амплитуды максимальной яркости. Это происходит на фоне разброса расстояния максимальной яркости - стирающаяся структура ядра и цитоплазмы. Увеличение клеток IV типа, отличающееся ростом тангенциальных характеристик, говорит о перемещении функциональных процессов из ядра в цитоплазму перикариона. Различия нейронов паравертебральных ганглиев с контролем при ХЭТ не повергаются явным изменениям. В ганглиях доминируют клетки

III типа, число которых в процессе ХЭТ немного уменьшается.

Радиальная морфометрия нейронов является методом, позволяющим на основании количественных характеристик выполнять распределение клеток на 4 типа. Нейроны разной локализации имеют особенности процентного распределения по основным типам, выявленным на основании радиальной морфометрии. Изменения распределения нейронов по типам в коре головного мозга, гипоталамусе и паравертебральных ганглиях при ХЭТ находятся в соответствии с классическими представлениями нейроморфологии об их повреждении при этом процессе.

Литература

1. Автандилов Г.Г. Основы количественной патологической анатомии.- М.: Медицина, 2002.- 240 с.

2. Фролов В.И. Патоморфология вегетативной нервной системы при хроническом эндотоксикозе: Дис... д-ра мед. наук. Волгоград, 2004.- 42 с.

3. Новочадов В.В. u др. Эндотоксикоз: Моделирование и органопатология.- Волгоград: Изд-во ВолГМУ, 2005.- 240 с.

4. Zutphen L.F. et at Principles of laboratory animal science.-Amsterdam: Elsevier, 1993.- 389 p.

RADIAL MORPHOMETRY IN AN ESTIMATION OF CHANGES NEIRO-CYTES, CAUSED BY INFLUENCE ENDOGENIC FACTORS

A.V. VOLKOV, N.V.ERMOLAEV, S.A.KALASHNIKOVA Summary

In the digital microphotos made from histologic micropreparations of a nervous tissue, is carried out radial morphometry, allowing to estimate radial gradients of brightness in system RGB from the center of a cell to periphery and to allocate at normal animals neiro-cytes of four types. It is shown, that at the pathological process caused by influence endogenic of factors, such as chronic endotoxicosis, there is a change of percentage neirocytes all types, that reflects change of functional conditions neirocytes, determined tinctorial properties.

Key words: neirocytes, endotoxicosis, morphometry

УДК 616.831 -005 ;612.824

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ВЛИЯНИЯ ДИНАМИКИ КЛИМА -ТО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЗАБОЛЕВАЕМОСТЬ НАСЕЛЕНИЯ СЕВЕРА РФ

В.М.ЕСЬКОВ, А.Г. НАЗИН, С.Н. РУСАК, О.Е. ФИЛАТОВА,

К.А. ХАДАРЦЕВА*

Предложены вопросы изучения динамики экофакторов среды в фазовом пространстве состояний и влияние хаотической динамики на качество жизни человека на Севере в рамках теории хаоса и стохастических закономерностей с использованием авторских программ.

Общая характеристика климато-экологических факторов Севера РФ в аспекте миграции населения. Проблема изучения закономерностей изменения климата была и остается одной из важнейших и трудноразрешимых. Погодно-

климатические факторы продолжают оставаться важнейшими среди факторов окружающей среды, которые во многом определяют условия проживания, образ занятий и комфортность существования человека на протяжении всей его жизни. Особенно велико значение погоды и климата для здоровья человека на Севере. По оценкам [1] вклад погодно-климатических особенностей в состояние здоровья человека (на фоне образа жизни - 50%, генетики - 20%, уровня здравоохранения - 10%) составляет около 20%. Однако в условиях Севера и неблагоприятных техногенных воздействий этот процесс может повышаться до 30-40 %.

Важность и интерес к изучению закономерностей изменения погоды и климата связывают с той огромной ролью, которую они играют в функционировании не только человеческого общества, но и всего живого и неживого мира. Конечный физиологический эффект воздействия климатических факторов зависит от взаимодействия всех видов реакций организма, который определяется как его состоянием, так и особенностями действующих факторов. Все чаще в публикациях последних лет [1-8] обсуждается вопрос о том, что проживание человека в дискомфортных или экстремальных условиях приводит к более быстрому истощению адаптационных резервов организма. Это проявляется в преждевременном старении, осложненном течении многих хронических заболеваний и омоложении показателей смертности [7]. Динамика изменений значений параметров порядка биологических динамических систем (БДС) (например, функциональных систем организма - ФСО) может носить хаотичный характер именно из-за хаотического характера действия перечисленных выше метеофакторов среды обитания [2-4]. К числу северных регионов РФ относится и Ханты-Мансийский автономный округ -

Югра, а Север часто определяют как природную экстремальную зону, предъявляющую повышенные требования к приспособительным возможностям организма. К жестким климатическим условиям Севера относят продолжительную и суровую зиму, короткое холодное лето, резкое нарушение обычной для умеренного климата фотопериодичности, тяжелый аэродинамический режим, факторы электромагнитной природы и др. [3-4].

За последнее время в ХМАО-Югре в связи с расширением масштабов добычи полезных ископаемых, прокладкой газо- и нефтепроводов, проведением капитального строительства и др. действий происходит приток большого количества людей из других регионов страны. Именно у этих людей (пришлого населения) возникают особые проблемы со здоровьем из-за условий проживания. Крупномасштабное расширение среды обитания человека происходит за счет миграции населения, при этом остро встают вопросы о дальнейших перспективах адаптации человека к окружающей среде. Поскольку высокая миграционная подвижность и трансширотные перемещения населения стали закономерным явлением, то это вносит вклад в напряженный процесс адаптации человека к условиям северной территории [6-8]. При этом среди климатических факторов одно из первых мест по степени воздействия на организм человека, в частности, на сердечно-сосудистую систему (ССС), занимают непериодические, резкие сезонные, внутри и межсуточные перепады атмосферного давления, температуры воздуха и его влажности.

В современной трактовке естествознания оценке метеорологических факторов с точки зрения их биологического действия на организм человека уделяется большое и пристальное внимание. Возросшее за последние десятилетия внимание к проблемам изменения климата, безусловно, стимулировало развитие чисто научных и прикладных разработок. Причем это становится актуальным не только для Англии и Европы в целом (ожидающих резкого похолодания), но и для РФ, как высокоширотного региона. На сегодняшний день остаются дискуссионными вопросы, связанные с методологией выполнения оценки изменения метеопараметров среды. В частности, продолжаются дискуссии по методам оценки параметров экосреды с позиций теории хаоса и традиционных подходов в рамках теории вероятности и математической статистики. Отметим, что динамика экофакторов урбанизированных экосистем Севера часто носит ярко выраженный хаотический режим. В последнее время много говорится о целесообразности использования методов теории хаоса и синергетики (ТХС) в описании не только технических или природных систем, но также в описании различных БДС на молекулярном, клеточном, субклеточном, органном уровне и уровне систем органов, функциональных систем организма человека и популяционном уровне. Все чаще в научной литературе появляются работы, связанные с необходимостью разработки новых, научных методов оценки, поскольку классические (статистические, в частности) подходы становятся уже неадекватными в таких областях как биология, биофизика, экология. Они не могут оценить и описать их отличия и дать количественную оценку базовым свойствам (синергизм и хаос) биосистем [5]. Появились новые научные и медицинские данные о роли и влиянии климатоэкологических факторов на состояние здоровья населения в ХМАО-Югре. Поскольку процессы миграции людей на Север и районы, приравненные к нему, активно продолжаются, это определяет напряженный процесс адаптации человека на данной территории [6, 7].

Экстремальные климато-географические условия Севера вызывают экологически обусловленный стресс, проявляющийся в повышении психоэмоционального напряжения, концентрации стресс-гормона кортизола, окислительного стресса на уровне клеточных мембран. Показатели экологически обусловленного стресса у пришлого населения, проживающего в условиях северных территорий, в два раза превышают те же показатели для средних широт - для Севера они равны 18,4%, для средних широт - 9,1%. Отличия показателей смертности трудоспособного населения (в процентах от комфортной территории), в частности для региона ХМАО, составляет 18,3% [8]. В литературе нет однозначных ответов на вопросы, возникающие в связи с методическими подходами в оценке степени влияния климатоэкологических факторов окружающей среды на здоровье человека [5,7]. Эти факторы лучше рассматривать как возмущающие воздействия.

* Сургутский ГУ, 628400, г. Сургут, Энергетиков 14