Морфологія контрактильного апарату вентрикулярних кардіоміоцитів при хронічній серцевій недостатності некоронарного генезу.

Кінцева ланка комплексного патологічного процесу, що визначає прогресуюче зниження насосної функції серця при хронічній серцевій недостатності (ХСН), безпосередньо пов'язана з морфо-функціональним станом контрактильного апарату вентрикулярних кардіоміоцитів (КМЦ) [4, 7]. Це може бути зумовлене дискоординацією регуляторних процесів, а саме іонного гомеостазу КМЦ, їх неадекватним енергетичним забезпеченням, якісними змінами складу і структурної організації міофібрил та цитоскелету [7, 11]. Ці порушення потенціюються перманентною роботою скоротливого міокарда в режимі компенсаторної гіперфункції, що негативно впливає на внутрішньоклітинні регенераторні процеси, поглиблюючи деструктивні зрушення у вентрикулярних КМЦ [10]. Перебудова контрактильних елементів КМЦ у цих умовах може здійснюватися на молекулярному рівні і в масштабах всієї клітини. Зміни контрактильного апарату КМЦ при ХСН, безсередньо не пов'язаній з обмеженням коронарного кровотоку, вивчені недостатньо, що визначило мету роботи.

Матеріал і методи

Дослідження проведено на 23 кролях масою 2,5–3,5 кг, з яких 7 увійшли у контрольну групу. ХСН відтворювали за модифікованою нами методикою з використанням повторних внутрішньовенних ін'єкцій адреналіну і кофеїну [2]. Загальна тривалість експерименту – до 3 міс. Матеріал отримували під етаміналовим наркозом (30 мг/кг) через 1 міс після останньої ін'єкції адреналіну. Для гістологічних досліджень зразки тканини фіксували у 10-процентному розчині нейтрального формаліну і занурювали у парафінові блоки. Гістотопограми серця забарвлювали гематоксиліном і еозином, пікрофуксином за ван Гізон та залізним гематоксиліном за методикою Рего. Гістохімічно визначали розподіл і концентрацію SH-груп, а на зрізах зі свіжозамороженої тканини – активність міозинової АТФази [5, 6]. Препарати досліджували у поляризованому світлі на мікроскопі МРІ-5, вивчали за допомогою електронного мікроскопа "ПЕМ-125К". Для електронномікроскопічних досліджень зразки тканини фіксували в 1-процентному забуференому ізотонічному розчині OsO4, зневоднювали у спиртах та ацетоні і занурювали в епонаралдит за стандартним прописом [3]. Ультратонкі зрізи отримували на приладі "LKB-8800" (Швеція), контрастували солями важких металів. Морфометрично встановлювали об'ємну щільність і кількісне співвідношення міофібрил та інших органел КМЦ, визначали коефіцієнт енергетичної ефективності мітохондрій [1, 10]. Цифрові дані обробляли з використанням статистичного пакета "Microsoft Word XL-2000".

Результати та їх обговорення

Виконані нами дослідження засвідчили, що перебудова скоротливого міокарда, зумовлена формуванням серцевої недостатності, відбувається на тлі помітних зрушень транспортно-трофічного забезпечення функції КМЦ і явищ прогресуючого дифузного та дрібновогнищевого кардіосклерозу [2]. На гістотопограмах, забарвлених гематоксиліном і еозином, часто спостерігають хвилеподібну звивистість жмутків м'язових волокон. При використанні пікрофуксину на поперечних зрізах КМЦ, частіше під ендокардом, можна побачити цілі поля тою чи іншою мірою стоншених клітин, що атрофуються, вони оточені новоутвореною сполучною тканиною з підвищеним вмістом сульфатованих глікозаміногліканів. Проте у більшості м'язових фасцикул волокна помітно відрізняються за об'ємом через наявність не тільки дещо зменшених, а й гіпертрофованих клітин. Такий "клітинний поліморфізм" помітно посилюється при наближенні до фокусів фібротизації, стає максимальним на межі з рубцевими утвореннями незалежно від їх розмірів.

Саркоплазма більшості КМЦ має дистрофічну зернистість, їх повздовжня і поперечна посмугованість дещо стерті. Досить поширеним є перинуклеарний набряк. Інколи зустрічають футлярний міоцитолізис з колапсом оточуючої строми. В поляризованому світлі в багатьох КМЦ спостерігали зони послаблення оптичної активності контрактильних структур аж до її втрати в окремих випадках (рис. 2). Разом з тим інколи виявляли КМЦ з посиленою анізотропією, але без порушень у розташуванні А-дисків міофібрил, що може бути наслідком їх гіпертрофії. При використанні методик Лі або Рего фуксинорагію та чорне забарвлення спостерігали лише в окремих клітинах.

Гістохімічний аналіз "якісних" характеристик скоротливого апарату КМЦ також виявив помітні відхилення від контролю. При тесті на SH-групи специфічне забарвлення КМЦ було дуже нерівномірним і виходило за межі звичайних функціональних коливань. Цілі групи або окремі КМЦ інколи досить інтенсивно забарвлюються, в той час як у деяких клітин спорідненість з гістохімічним барвником знижувалася тою чи іншою мірою аж до слідового рівня (рис. 3а і б). Окрім того, при гістохімічному тесті на SH-групи специфічне забарвлення м'язових волокон міокарда дослідних тварин має підвищену нерівномірність як у різних, так і в одному й тому ж КМЦ відповідно до ступеня патологічної перебудови в складі міофібрил та залежно від глибини їх пошкодження. Загалом концентрація SH-груп у скоротливому міокарді піддослідних тварин достовірно зменшилася порівняно з контролем більш як на 12 %.

Разом зі змінами характеру розподілу та аномальними коливаннями концентрації SH-груп у КМЦ спостерігали нерівномірне зниження активності міозинової АТФази в цілому майже на 17 %, при цьому помітно зменшувався функціональний потенціал контрактильного апарату робочих клітин міокарда. Глибина цих зрушень залежала не стільки від об'єму КМЦ, скільки від наявності ознак порушення водно-електролітного балансу та гістологічно визначених пошкоджень їх міофібрил, при цьому спостерігали патологічно підвищену нерівномірність специфічного забарвлення як окремих КМЦ, так і в межах однієї клітини, а також від перебудови її цитоскелету, важливим компонентом якого є еластичний білок тайтин, здатний впливати на АТФазну активність і Са2+-чутливість міозину [7].

Незалежно від об'єму КМЦ – гіпертрофії, збереження звичайних розмірів або при явищах атрофії, загальна об'ємна щільність їх контрактильного апарату майже не змінюється, однак при цьому міофібрили суттєво відрізняються за своєю товщиною. Міофібрили з товщиною у 2–3 рази більшою, ніж звичайно, часто межують з міофібрилами з товщиною у стільки ж разів меншою. Їх саркомери перебувають переважно у релаксованому стані, здебільшого відносно синхронізовані. В багатьох клітинах спостерігають повздовжнє розщеплення гіпертрофованих міофібрил на декілька різних за товщиною фрагментів, що супроводжується появою між ними інших органел, начебто затиснутих у вузьких міжміофібрилярних щілинах.

Перебудова контрактильних структур КМЦ не обмежується тільки нарощуванням їх загальної маси внаслідок гіпертрофії та розщеплення на тонкі фрагменти, явищами, що в своїй основі мають компенсаторно-пристосувальну спрямованість. Серед клітин скоротливого міокарда зустрічають такі, в яких частина контрактильних структур розміщується в інший площині, що, безумовно, погіршує ефективність їх сумісної роботи.

У структурі міофібрил спостерігають певні особливості, наприклад, розмитість і потовщення Z-ліній через накопичення різко осміофільного матеріалу, який інколи утворює містки між телофрагмами сусідніх саркомерів, а в релаксованих І-дисках часто з'являється характерна для серцевої недостатності додаткова n-лінія. В частини КМЦ Z-лінії втрачають звичайний малюнок, стають зігнутими і навіть зигзагоподібними, що супроводжується деформацією А- та I-дисків і взагалі всього саркомера, що свідчить про порушення контрактильного циклу.

Такі зрушення мають максимальний ступінь у кінцевих КМЦ м'язового волокна, які безпосередньо межують з рубцевими скупченнями сполучної тканини. Кілька прикінцевих рядів саркомерів таких клітин втрачають типову для вентрикулярних КМЦ будову. Міофібрили майже не визначаються внаслідок невпорядкованого розподілу актинових і міозинових протофібрил. Осміофільний матеріал розміщується хаотично, у вигляді невеликих осміофільних скупчень, як це буває в гладеньком'язових клітинах, а кількість мітохондрій і їх розміри ще менші, ніж у "маломітохондріальних" зонах КМЦ більш впорядкованої будови. В інших клітинах поперечне розщеплення Z-лінії і мезофрагми інколи супроводжується десинхронізацією міофібрил зі зміщенням фрагментів, що утворюються, один відносно одного.

Подібні зміни безпосередньо пов'язані з пошкодженнями цитоскелету, насамперед еластичних ниток конектину, які складаються в коміркову структуру, що впорядковує орієнтацію і взаєморозташування протофібрил. Як відомо, конектин зв'язує тело- та мезофрагму і разом з нембуліном, який визначає довжину актинових протофібрил, запобігає надмірному розтягненню саркомера. Суттєвим фактором дестабілізації ультраструктури і просторових взаємовідношень контрактильних структур є також пошкодження сітки з побудованих десміном проміжних елементів цитоскелету, повздовжні структури якої зв'язують суміжні Z-лінії, а поперечні фіксують до них сарколему вільної поверхні КМЦ,

Т-тубул, елементи саркоплазматичного ретикулуму та інтегрують саркомери сусідніх міофібрил. Перебудова контрактильного апарату дуже часто поєднується з пошкодженням костамерів, утворених вінкуліном та іншими протеїнами цитоскелету. Цей комплекс включає й інтегрин, який разом з дистрофіном, фіксованим і до актинових філаментів, і до глікопротеїдів, що пронизують сарколему, через фібронектин забезпечує структурно-функціональний зв'язок цитоскелету КМЦ з волокнистими структурами інтерстицію.

Разом з диспропорціями у розподілі органел і вже відзначеними зрушеннями в будові контрактильного апарату КМЦ, поширеним фактором погіршення його функції є деструктивні процеси, насамперед різні варіанти лізису міофібрил та їх складових елементів. Найчастіше спостерігають вибіркове розплавлення окремих актинових або міозинових протофібрил, що "розріджує" структуру відповідних саркомерів. Від'єднання частини актинових волокон від Z-лінії та пошкодження цитоскелету сприяють деформації відповідних саркомерів, а втрата зв'язку зі вставним диском у його проміжній зоні взагалі унеможливлює ефективну участь міофібрили у скороченні клітини.

Досить частим явищем є також тотальний лізис усього актоміозинового комплексу міофібрил у вигляді поодиноких вогнищ у тій чи інший зоні КМЦ. Дрібновогнищеві пошкодження контрактильних структур здатні набирати поширеного характеру і, поступово зливаючись між собою, призводити до тяжких наслідків для КМЦ. Часто досить значні пошкодження суміжних міофібрил мають "монофокальний" характер. Такі "спустошені" зони клітини заповнюються цитогранулами і численними мітохондріями, розміщеними у електроннопрозорій рідині, що, за електронноцитохімічними даними, значною мірою зберігають свою здатність здійснювати окисно-відновлювальні реакції.

Дрібновогнищеві пошкодження контрактильних структур можуть виникати у будь-якому місці клітини, проте найчастіше це патологічне явище спостерігають в аксіальних відділах КМЦ. Деструктивні процеси у контрактильному апараті КМЦ частково "урівноважуються" явищами компенсаторно-пристосувальної гіпертрофії і гіперплазії його елементів. Це, як відзначали, запобігає достовірному зменшенню об'ємної щільності міофібрил в КМЦ, у той же час призводить до нерівномірності їх товщини, а інколи, через порушення регенераторного процесу, сприяє просторовій дезорієнтації міофіламентів, що також негативно впливає на механічну функцію робочих клітин міокарда.

Деструктивні зміни скоротливих структур КМЦ, як правило, поєднуються з пошкодженнями мітохондрій, явищами їх мієліноподібної трансформації, зменшенням кількості в саркоплазмі гранул a-глікогену та рибонуклеопротеїдів, деформацією та мікроконфігураційними змінами мембран саркоплазматичного ретикулуму, збільшенням кількості вторинних лізосом, що свідчить про суттєві порушення в системах енергетичного і пластичного забезпечення функції клітин та активації процесів внутрішньоклітинного катаболізму.

При поширеному лізисі міофібрил закономірно спостерігають надлишкову гідратацію саркоплазматичного матриксу, певним чином пов'язану зі зрушеннями водно-електролітного гомеостазу клітин. Прояви внутрішньоклітинного набряку можуть бути дещо обмеженими, розташовуватися переважно під сарколемою, між міофібрилами або перинуклеарно, де у них найчастіше спостерігають тенденцію до генералізації. Паралельно з прогресуючим лізисом міофіламентів та інших органел (або випереджаючи його) збільшується кількість вторинних лізосом і, навпаки, зменшується в саркоплазмі концентрація цитогранул.

Таким чином, морфо-функціональні зміни, що відбуваються в скоротливому апараті КМЦ, негативно позначаючись на його здатності витримувати перманентне механічне навантаження, поєднуються з якісними змінами в складі структур, що виконують цю роботу. Саме про такі зміни свідчать зниження активності міозинової АТФази майже на 17 % і достовірне зменшення концентрації SH-груп, баланс яких (разом з -S-S групами) можна розглядати як біосенсор РО2 або редокс-рівновагу в КМЦ [9].

Висновки

Найважливішу складову процесу, що при змодельованій патологічній ситуації зумовлює поступове зниження насосної функції серця, становить прогресуюча перебудова контрактильного апарату вентрикулярних кардіоміоцитів, що визначається як кількісними, так і якісними змінами складових його елементів.

Перерозподіл навантаження між відносно адаптованими і пошкодженими кардіоміоцитами на субклітинному і клітинному рівнях, що постійно відбувається через прогресуючий перебіг патологічного процесу, сприяє зростанню морфо-функціональної гетерогенності і поступовому загальному зниженню працездатності скоротливого міокарда, провідним чинником чого є деструктивні зміни цитоскелету і прискорене зношення органел, насамперед контрактильного апарату його робочих клітин, вимушено працюючих у режимі перманентної компенсаторної гіперфункції.

Загальна тенденція до обмеження механічної функції міокарда зумовлена мозаїчними морфо-функціональними змінами структурного компонента кардіоміоцитів, що органічно поєднують як адаптаційні, так і патологічні зміни, поліморфні за своїми морфологічними ознаками. При серцевій недостатності без порушення коронарної гемоперфузії типовий варіант пошкодження контрактильних елементів вентрикулярних кардіоміоцитів полягає у вибірковому розплавленні міозинових або актинових протофібрил, а також у явищах тотального дрібновогнищевого лізису міофібрил внаслідок пластичної недостатності, що формується на тлі недостатнього енергетичного забезпечення функції клітин, змін у їх водно-електролітному балансі, оксидантного стресу та надмірної активації механізмів внутрішньоклітинного катаболізму.

Література

1.Автандилов Г.Г. Медицинская морфометрия: Руководство. – М.: Медицина, 1990. – 384 с.

2.Гавриш О.С., Шульц Н.В., Бесага Е.М. Транспортно-трофічне забезпечення міокарда у разі некоронарогенної хронічної серцевої недостатності // Кровообіг та гемостаз. – 2007. – № 3. – С. 79-84.

3.Карупу В.Я. Электронная микроскопия. – К.: Вища школа, 1984. – 208 с.

4.Лушникова Е.Л., Клинникова М.Г., Молодых О.П., Непомнящих Л.М. Ультраструктурные критерии регенераторно-пластической недостаточности кардиомиоцитов при антрациклиновой кардиомиопатии // Бюлл. эксп. биол. и мед. – 2005. – Т. 139, № 4. – С. 470-475.

5.Ллойда З., Гроссу Р., Гилбер Т. Гистохимия ферментов. Лабораторные методы: Пер. с англ. – М.: Мир, 1992. – 271 с.

6.Лупа Х. Основы гистохимии: Пер. с нем. – М.: Мир, 1980. – 343 с.

7.Макаренко И.В., Шпагина М.Д., Вишневская З.И., Подлубная З.А. Изменение структуры и функциональных свойств цитоскелетного эластичного белка тайтина при дилатационной кардиомиопатии // Биофизика. – 2002. – Т. 47, вып. 4. – С. 706-710.

8.Непомнящих Л.М., Лушникова Е.Л., Семенов Д.Е. Регенераторно-пластическая недостаточность сердца: морфологические основы и молекулярные механизмы. – М.: РАМН, 2003. – 255 с.

9.Октябрьский О.Н., Смирнова Г.В. Редокс-регуляция клеточных функций // Биохимия. – 2007. – Т. 72. – Вип. 2. – С. 158-174.

10.Пауков В.С., Фролов В.А. Элементы теории патологии сердца. – М.: Медицина, 1989. – 272 с.

11.Халина Я.Н., Удальцов Е.Н., Подлубная З.А. Изменение состава легких цепей сердечного миозина при дилатационной кардиомиопатии: влияние на функциональные свойства // Биофизика. – 2002. – Т. 47, вып. 2. – С. 361-366.

О.С. Гавриш, Н.В. Шульц, О.Л. Кіндзерська, Е.В. Хаджинська.

Національний науковий центр "Інститут кардіології ім. акад. М.Д. Стражеска" АМН України, м. Київ.