Розвиток ультраструктурних змін у м’язових волокнах діафрагми на тлі часткового стенозу трахеї у молодих статевонезрілих щурів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

¹Національна дитяча спеціалізована лікарня «Охматдит»

²Національний медичний університет імені О.О. Богомольця

³Міжрегіональна Академія управління персоналом

Розвиток ультраструктурних змін у м'язових волокнах діафрагми на тлі часткового стенозу трахеї у молодих статевонезрілих щурів

Молочек Ю.А.¹, Савосько С.І.²,. Макаренко О.М.³

Вступ

Вивчення вродженої патології дихальних шляхів у дітей має важливе значення для теоретичної і клінічної дитячої отоларингології. Наразі у науковій літературі зустрічаються поодинокі роботи, які стосуються дослідження патогенезу і клініки ларингомаляції. В першу чергу, це стосується впливу гострої та хронічної гіпоксії на м'язи дихальної системи, зокрема, діафрагми. Мета роботи. З'ясувати вплив гіпоксії на розвиток виражених структурно-функціональних змін у м'язах діафрагми статевонезрілих тварин при моделюванні часткової оклюзії трахеї. Матеріали та методи. Хірургічна часткова оклюзія трахеї у статевонезрілих щурів лінії Wistar, електронна мікроскопія, морфометричні та статистичні методи дослідження. Результати. Отримані дані продемонстрували, що м'язові волокна діафрагми характеризуються значною структурною, функціональною та метаболічною резистентністю до розвитку гострої або хронічної гіпоксії, внаслідок обмеженої вентиляції легень у щурів. Щільність м'язових волокон не змінювалась у жодному із використаних термінів експерименту (7 та 21 доба). На 7 добу гіпоксичного впливу спостерігалась зміна стану матриксу мітохондрій м'язових волокон, що супроводжувалося частковими ультраструктурними перебудовами організації цих органел. В той же час, при гістологічних дослідженнях видимих суттєвих змін не спостерігалось. Виявлені на електронограмах ультраструктурні пошкодження, що обмежуються переважно вогнищевою редукцією міофібрил та збільшенням діаметру мітохондрій, були особливо виражені на 21 добу (стан хронічної гіпоксії) на м'язову складову респіраторної системи організму дослідних щурів. Ці зміни супроводжуються розвитком дистрофічних порушень у міофібрилах діафрагми. На 21 добу виявлено також зміни трансендотеліального транспорту молекул речовин. Це базувалось на встановленні факту суттєвої редукції кількості піноцитозних везикул в цитоплазмі ендотеліоцитів гемокапілярів діафрагми у тварин з частковою оклюзією трахеї. В м'язових волокнах виявлено порушення структурної організації акто-міозинових комплексів, внаслідок патологічних змін в мітохондріях міофібрил. Слід відмітити, розвиток деструкції або повну втрату важливого ультраструктурного компоненту м'язових волокон Z-ліній. Ці зміни повністю були відсутні на 7 добу впливу часткової оклюзії трахеї і розвитку гострої гіпоксії. Більш того, на 21 добу спостерігався частковий лізис значної кількості міофіламентів м'язових волокон. Додатково виявляли розвиток процесу набрякання волокон на тлі якого спостерігали вищеозначену ультраструктурну деструкцію м'язового компоненту діафрагми. Ці зміни свідчать про необхідність проведення більш раннього початку лікування ларингомаляції у дітей. Затримка проведення оперативного втручання призводить до розвитку важких або не зворотних структурних змін не лише в органах дихання, але в їх м'язовій системі. Висновки. М'язові елементи діафрагми мають виражену і значну стійкість до стану гіпоксії в умовах обмеженої вентиляції дихальних шляхів. Ультраструктурні та морфометричні дані, що були виявлені на 21 добу після моделювання часткового стенозу трахеї, носять не лише компенсаторно-пристосувальний характер, але й ознаки виражених порушень в м'язових волокнах центрального відділу діафрагми дослідних тварин.

Ключові слова: гіпоксія, морфологічні особливості, гемокапіляри

Development of ultrastructural changes in diaphragm muscle fibers during partial tracheal stenosis in young sexually immature rats

Molochek Yu.A., Savosko S.I., Makarenko O.M.

Keywords: hypoxia, morphological features, hemocapillaries, mitochondria, endothelium.

Introduction. The study of congenital pathology of the respiratory tract in children is of great importance for theoretical and clinical pediatric otolaryngology. Currently, in the scientific literature there are single works concerning the study of the pathogenesis and clinic of laryngomalacia. First of all, this concerns the effect of acute and chronic hypoxia on the muscles of the respiratory system, in particular, the diaphragm. The aim of thte work is to reveal the effect of hypoxia on the development of pronounced structural and functional changes in the diaphragm muscles of sexually immature animals when modeling partial tracheal occlusion. Materials and methods. Surgical partial occlusion of the trachea was performed on in sexually immature Wistar rats; we applied electron microscopy, morphometric and statistical research methods.

Results. The obtained data demonstrated that the muscle fibers of the diaphragm are characterized by significant structural, functional and metabolic resistance to the development of acute or chronic hypoxia due to limited lung ventilation in rats. The density of muscle fibers did not change in any of the used terms of the experiment (7 and 21 days). On the 7th day of hypoxic exposure, a change in the state of the matrix of mitochondria of muscle fibers was observed, which was accompanied by partial ultrastructural rearrangements of the organization of these organelles. At the same time, no significant changes were observed during histological studies. Electrongrams demonstrated the ultrastructural damages were mainly limited to focal reduction of myofibrils and an increase in the mitochondria's diameter and found as especially pronounced on day 21 (a state of chronic hypoxia) on the muscular component of the respiratory system in rats. These changes are accompanied by the development of dystrophic disorders in the diaphragm myofibrils. On day 21 changes in the transendothelial transport of substance molecules were also detected. This was based on establishing the fact of a significant reduction in the number of pinocytosis vesicles in the cytoplasm of endothelial cells of diaphragm hemocapillaries in animals with partial tracheal occlusion. Disruption of the structural organization of actomyosin complexes was revealed in muscle fibers due to pathological changes in the mitochondria of myofibrils. It should be noted the development of destruction or complete loss of an important ultrastructural component of muscle fibers, Z-lines. These changes were completely absent on the 7th day following the influence of partial tracheal occlusion and the development of acute hypoxia. Moreover, on day 21, partial lysis of a significant amount of myofilaments of muscle fibers was observed. In addition, the development of the process of fiber swelling was detected against the background of which the above-mentioned ultrastructural destruction of the muscular component in the diaphragm was observed. These changes indicate the need for earlier treatment of laryngomalacia in children. The delay in surgical intervention leads to the development of severe or irreversible structural changes not only in the respiratory organs, but also in their muscular system.

Conclusion. The muscular elements of the diaphragm have the pronounced and significant resistance to the state of hypoxia under conditions of limited ventilation of the respiratory tract. Ultrastructural and morphometric data, found on the 21st day after the modeling of partial tracheal stenosis, are not only of a compensatory and adaptive in nature, but also signs of pronounced disorders in the muscle fibers of the central part of the diaphragm in test animals.

Вступ

Вивченню теоретичних і практичних аспектів дослідження проблеми ларингомаляції у сучасній дитячій отоларингології приділяється мало уваги зі сторони фахівців. Це пов'язано з тим, що недостатньо вивчений патогенез даного захворювання, не розроблені сучасні хірургічні варіанти лікування, а також залишаються відкритими питання ефективного реабілітаційного лікування прооперованих хворих дітей. Основним патогенетичним чинником розвитку цієї патології є дія гострої або хронічної гіпоксії на різні тканини і органи даних категорії хворих і реконвалесцентів.

Хронічна гіпоксія може бути причиною виникнення та прогресування різних патологій систем і органів людини. Останні можуть призводити до мітохондрії, ендотелій порушення розвитку, декомпенсації життєво важливих функцій організму і, нарешті, його загибелі. Вплив гострої або хронічної гіпоксії на структурно-функціональні зміни в опосередкованих до системи легень органах, зокрема, дихальних м'язах, представлені лише в поодиноких наукових дослідженнях [1].

Відомо, що акт вдиху реалізують окремі групи дихальних м'язів: міжреберні, діафрагма та допоміжні м'язи. Серед цих посмугованих м'язів діафрагма є основним структурним органом, що забезпечує вдих та відповідає за ефективну вентиляцію легень одразу після народження дитини і протягом всього життя людини [2].

Використання експериментальних моделей функціональних навантажень, як патогенетичний чинник окремих легеневих захворювань, демонструють порушення функції різних груп дихальних м'язів через зміни періодичності актів вдиху/видиху та станів гіпоксії/реоксигенації. При цьому спостерігається розвиток структурно-функціональних змін у посмугованих м'язах діафрагми. Останні виникають на тлі гіпоксії. Вони суттєво відрізняються і залежать від використаної експериментальної моделі патології та віку дослідних тварин. У фаховій літературі, з цього приводу, існують суперечливі дані. Одні з них свідчать про відсутність розвитку структурних змін в м'язах, в той час як інші про формування виражених ультраструктурних порушень в м'язових волокнах дихальних м'язів на тлі гіпоксії. Автори фахових робіт пояснюють їх виникнення суттєвими змінами метаболічних і біосинтетичних процесів, які частково компенсуються протягом лише тривалого часу відновлення [3].

Якщо скелетна мускулатура ссавців є досить адаптивною до функціональних навантажень у відповідь на дію різних чинників (наприклад, фізичних навантажень, лактоацидозу і гіпоксії), то дихальні м'язи є вузько спеціалізованою групою щодо виконання власних функцій. В той же час, вони демонструють здатність до процесу ремоделювання своїх функцій в цих екстремальних умовах [1].

Зазначені процеси, відбуваються у відповідній групі м'язів, можуть мати адаптивну або дезадаптивну дію на процес дихання. Процес адаптації дихальних м'язів, в умовах гострої або хронічної гіпоксії, відбувається в умовах активної зміни їх васкуляризації та збільшення площі капілярної поверхні. Вони необхідні для підтримки газообміну в міофібрилах діафрагми [4]. Відповідні перебудови сприяють регуляції активності ферментів і, як наслідок, відновленню структури м'язових волокон [3]. В одній із перших робіт, присвячених дослідженню цієї теми було показано, що у діафрагмі немовлят із синдром раптової смерті виявлено меншу кількість волокон I типу (стійких до втоми) у порівнянні із здоровими немовлятами. Цей тип м'язових волокон характеризується низькою активністю АТФази, значною швидкістю скорочень, високою окислювальною та низькою гліколітичною здатністю [5]. У зв'язку з цим були проведені експериментальні дослідження на тваринах різного віку. На тлі гіпоксії спостерігалось зменшення кількість волокон II типу. Цим волокнам притаманні інші властивості, а саме: потужність скорочення і сповільнений процес відновлення їх стану після навантаження [4].

Проте як зазначалось вище, ці результати є поодинокими, а виявлені структурні зміни відрізняються в залежності від застосованої моделі експерименту. В той же час, було показано, що вплив хронічної гіпоксії не спричиняв розвиток втоми м'язів діафрагми у тварин раннього постнатального віку (1-31 доба життя) [6]. За даними ряду дослідників виявлено, що вплив гіпоксії на м'язову систему у новонароджених і статевонезрілих тварин суттєво відрізняється від такого у дорослих особин. У роботі C. McMorrow та співавторів було встановлено, що на тлі 7-ми денного гіпоксичного впливу спостерігається розвиток втоми м'язових волокон діафрагми [7]. За даними інших авторів було показано, що виявлені вищезазначені зміни притаманні лише м'язам діафрагми та не властиві іншим типам м'язів дихальної системи (наприклад, грудинно-під'язиковому м'язу) [8].

Аналіз даних літератури продемонстрував, що тривала гіпоксія збільшувала зусилля грудинно-під'язикового м'язу і викликала швидку стомлюваність, що виникала в ранньому, але не в пізньому постнатальному періодах розвитку. Таким чином, вважається, що гіпоксія не впливає на розвиток втомлюваності м'язів діафрагми. Зменшення витривалості дихальних м'язів і їх втома часто пов'язані з переходом до активації процесу гліколізу на тлі дефіциту кисню. Це важливо враховувати, адже енергетичний обмін відіграє центральну роль у реакціях скорочення м'язів [1]. Гостра і, особливо, хронічна гіпоксія збільшують продукцію вільних радикалів у м'язах і впливають на функцію транскрипційних активаторів [9]. Дані процеси призводять до зміни фенотипу м'язових волокон досліджених грудинно-під'язикових м'язів, але не м'язів діафрагми [6]. Встановлено, що у діафрагмі зростає рівень фактора, що індукується гіпоксією 1-а (Hypoxia-inducible factor-1a, HIF-1a) та деяких молекул сигнальних шляхів (мітоген-активована протеїнкіназа (mitogen activated protein kinase, MAPK), мішень рапаміцину ссавців (mammalian target of rapamycin, mTOR), серин-треонінова кіназа Akt (serine/threonine kinase, Akt) та білок O3a сімейства Forkhead (Forkhead box O3a, FoxO3a). В клітинах різних тканин вони пов'язані з розвитком регенерації тканин, процесів рубцювання, формування сполучної тканини та запалення. Це є реакція посмугованих м'язів на розвиток окислювального стресу і його наслідків, викликаних гіпоксією. При цьому дистрофічних змін або атрофії м'язових волокон за таких умов дослідниками виявлено не було. Представлені дані літератури свідчить про суттєву стійкість та адаптивність м'язів діафрагми в умовах гіпоксії. Автори досліджень зробили припущення про існування «критичного вікна» у розвитку дихальних м'язів і його зв'язку з дисфункцією діафрагми за різних умов відтворення гіпоксичного впливу [10]. Таким чином, існує значна кількість окремих невирішених завдань і аспектів цієї великої та надзвичайно актуальної проблеми. В той час, як їх вивченням займаються лише окремі фахівці та клініцисти.

Мета дослідження

Вивчити вплив тривалої гіпоксії на стан м'язів діафрагми та їх зв'язок з порушенням дихання у тварин з експериментальним відтворенням часткової оклюзії шийного відділу трахеї.

Матеріали та методи дослідження

Усі маніпуляції з тваринами проводили згідно вимог Європейської конвенції «Про захист хребетних тварин, яких використовують в експериментальних та інших наукових цілях» (Страсбург, 1986 р.) та Закону України «Про захист тварин від жорсткого поводження» (2006 р).

Досліди проведені на лабораторних білих щурах-самцях лінії Wistar віком 25-28 днів і масою тіла 42-54 г, вирощених у віварії Національного медичного університету імені О.О. Богомольця. Тварин утримували у стандартних умовах. В ході експерименту всі щури були поділені на 3 групи по 5 тварин у кожній: 1 контрольні (інтактні), 2 тварини з частковим стенозом трахеї (7 діб спостереження), 3 тварини з частковим стенозом трахеї (21 доба спостереження). Частковий стеноз трахеї моделювали шляхом екстратрахеального накладання вікрилової лігатури 7-0 («Ethicon», США) між 2 і 3 хрящовими напівкільцями верхньої частини трахеї. Доступ до цього органу здійснювали під ефірним наркозом. Розріз шкіри шиї проводили по середній лінії верхнього шийного відділу в області трахеї. Після цього відділяли трахею від оточуючих м'язів, нервів, судин і перешийку щитовидної залози. Накладали компресійну лігатуру, що викликала у тварин звуження просвіту трахеї на 25-30%. Шкіру зашивали та обробляли антисептичним і дезинфікуючим 10% розчином Бетадина («ЕГІС», Угорщина). Через 7 і 21 добу спостереження, після операції, всі тварини кожної групи виводили з експерименту. М'язову складову центрального відділу діафрагми тварин відбирали для проведення електронномікроскопічного дослідження в умовах глибокого тіопентал-натрієвого наркозу («Київмедпрепарат», Україна).

Фрагменти м'язової тканини діафрагми швидко фіксували в охолодженому до +4 ^оС у 2,5% розчині глютарового альдегіду («AppliChem», Німеччина) приготовленого на 0,1 М фосфатному буфері (+4 ^оС, рН=7,4) («Sigma», США). Отримували зразки м'язової тканини діафрагми для електронної мікроскопії товщиною 1 мм, а також довжиною і шириною 0,8*1 мм завдяки використанню 2-х паралельно з'єднаних лез з тефлоновим покриттям. Ці полоски діафрагми додатково розсікали поперек, отримуючи квадрати тканини означених розмірів.

Зразки тканини діафрагми фіксували у свіжій порції охолодженого 2,5% розчину глютарового альдегіду, приготовленого на фосфатному буфері з наступною дофіксацією в 1% розчині чотирьохокису осмію протягом 2 годин. Після зневоднення тканини, у розчинах етанолу зростаючої концентрації та ацетону, зразки м'язової тканини діафрагми ущільнювались у суміші епоксидних смол епону-аралдиту (Epon 812, Araldite 502 «Fluka AG», Швейцарія). Ультратонкі зрізи тканини (60-70 нм) виготовлялись на ультратомі («LKB4800», Швеція) і розміщались на вольфрамових сітках. Далі ці зрізи контрастувались 2% охолодженим розчином уранілацетату та цитратом свинцю. Після цього підготовлені зразки досліджувались на електронному мікроскопі Mira 3 LMU («Tescan», Чехія) при збільшенні від 1000 до 24000 і вивчались на екрані мікроскопа з одночасною фотофіксацією електронограм м'язових волокон. Вивчали не менше 100 полів зору зразків, отриманих у тварин всіх досліджуваних груп. Детально опрацьовувались і вимірювались діаметри мітохондрій м'язових волокон (у мкм), а також оцінювався стан перинуклеарних і міжфібрилярних мітохондрій м'язових волокон.

Отримані результати обчислень представлені у формі M±SEM. Статистичні дослідження здійснено у програмі Origin Lab (ver. 8.0). Міжгрупову різницю проводили за допомогою непараметричного критерію Крускала-Уоліса. Результати при р<0,05 вважали статистично достовірними.

Результати дослідження

В роботі використано результати електронномікроскопічних досліджень посмугованих м'язів діафрагми контрольних і дослідних щурів із використанням якісного та кількісного аналізу отриманих даних. Цей метод характеризується більшою роздільною здатністю порівняно із світлооптичною мікроскопією. Він дозволяє деталізовано вивчити ультраструктуру специфічних клітин та зміни, що в них з'являються при патології, тоді як загальна морфологія м'язових волокон при світлооптичному дослідженні може бути незміненою. Трансмісійна електронна мікроскопія (ТЕМ) дозволяє детально дослідити зміни ультраструктурних утворень м'язових волокон та кровоносних капілярів діафрагми в умовах гострої та хронічної гіпоксії.

Дослідження підготовлених зразків тварин дозволили вивчити ультраструктурну організацію м'язових волокон контрольних тварин (рис. 1). М'язові волокна щільно згруповані у м'язовій тканині діафрагми щурів. У саркоплазмі м'язових волокон виявлено щільність розташування саркомерів, в яких послідовно і стабільно чергуються товсті (міозинові) та тонкі (актинові) філаменти і Z-лінії, що чітко розділяють межі окремих саркомерів. Актин-міозинові комплекси мають стабільну орієнтацію (рис. 1). У безпосередній близькості до саркомерів виявлені значні групи мітохондрій (міжфібрилярні мітохондрії), розподіл яких між міофібрилами є обов'язковим і однорідним. Дещо більша щільність мітохондрій спостерігалась в зонах навколо ядер клітин (перинуклеарні мітохондрії), а також кортикальному шарі саркоплазми. Ультраструктура мітохондрій є інтактною.

Рис. 1. Ультраструктурні особливості структури м'язових волокон діафрагми у інтактних щурів. Примітка: 1А-1В контроль; М мітохондрії; Е ендотелій. Шкала = 1 мкм.

Рис. 2. Зміна ультраструктури м'язових волокон діафрагми на тлі гострої гіпоксії.

Примітка: 2А-2В 7 діб впливу гіпоксії; М мітохондрії; Е -ендотелій. Шкала = 1 мкм

Таблиця 1.

Результати морфометричних досліджень (на основі ТЕМ) (М±SEM^) (n=5)

Примітки: 1. * достовірно до контролю (р<0,05);

2. # достовірно до 7 доби гіпоксії (р<0,05

Рис. 3. Зміна ультраструктури м'язових волокон діафрагми на тлі хронічної гіпоксії.

гіпоксія оклюзія трахея

У інтерстиційному міжфібрілярному просторі контрольних тварин реєстрували поодинокі фібробласти і пучки колагенових волокон. Різноспрямовані кровоносні капіляри розташовані між окремими м'язовими волокнами, стінка яких складається з суцільного шару ендотеліоцитів та базальної мембрани (рис. 1). У цитоплазмі ендотеліоцитів виявлено значну кількість піноцитозних мікровезикул в апікальному та базальному відділах цих клітин. Це є структурним проявом трансендотеліального транспорту молекул речовин із крові в м'язову тканину. За щільністю розташування цих мікровезикул в цитоплазмі ендотеліоцитів оцінювали сумарну функціональну активність ендотелію судин діафрагми. Параметр щільності було оцінено морфометричним методом, а результати вимірювань наведено у таблиці 1.

Одночасно слід відзначити, що у дослідних тварин при дії гіпоксії структурних порушень в ультраструктурній організації м'язових волокон виявлено не було. Щільність міофібрил та мітохондрій практично не змінились у дослідних тварин при гіпоксичному впливі протягом 7 днів (рис. 2). Проте, матрикс мітохондрій став більш електронно-щільним. Виявлено окремі структурно незмінені кристи в цих органелах. Це може бути проявом порушення метаболічних процесів та внутрішньої перебудови окремих порушення метаболічних процесів та внутрішньої перебудови окремих ультраструктур органел. В той же час діаметр мітохондрій практично не змінювався. Одночасно виявлено тенденцію до активації процесів транспорту мікровезикул в ендотеліоцитах при дії тижневої гіпоксії на м'язовий апарат діафрагми (рис. 2; табл. 1).

При проведенні ультраструктурних і морфологічних досліджень тривалого (21 доба) впливу гіпоксії на м'язові волокна діафрагми статевонезрілих щурів були отримані цікаві і практичнозначущі дані. Вони свідчать про розвиток суттєвих змін ультраструктурної організації міофібрил м'язової тканини діафрагми щурів із експериментально відтвореною моделлю ларингомаляцією (рис. 3).

Отримані результати дають підставу вважати достовірними зміни середнього розміру діаметру мітохондрій міофібрил і кількості піноцитозних мікровезикул в ендотеліоцитах судин діафрагми даної групи дослідних тварин (табл. 1). У статевонезрілих щурів модель вищезазначеної патології, з хронічною респіраторною гіпоксією, викликала розвиток фокальних змін, а також ультраструктурні порушення акто-міозинових комплексів. Вплив гіпоксії призводив до порушення їх ультраструктури або дезорганізації, в тому числі і Z-ліній (рис. 3). Виявлено явище вогнищевого лізису міофіламентів, яке проявлялось у їх частковій фрагментації (рис. 3).

У таких ділянках саркоплазма клітин стає електронно-прозорою, що свідчить про розвиток процесів її набряку. Ці ультраструктурні зміни в міофібрилах можна оцінювати як поступовий розвиток, індукованих гіпоксією фокальних дистрофічних змін в посмугованій м'язовій тканині. При цьому кількість самих м'язових волокон не змінювалась, але у пошкоджених структурних одиницях мала місце редукція мембранних цистерн саркоплазматичної сітки і трубочок, які формують специфічні Т-системи. Одночасно збільшується діаметр мітохондрій на 44,5% і 33,3% щодо відповідних показників контрольної та дослідної (7 днів гіпоксії) груп тварин (р<0,05) (табл. 1). Це свідчить про розвиток набряку і пошкодження цих органел в умовах тривалої гіпоксії.

У інтерстиційному просторі м'язової тканини кровоносні капіляри, у тварин всіх дослідних груп, цитологічно не змінювались у жодному з термінів експерименту. В той же час, при ультраструктурному вивченні було виявлено суттєві зміни контурів капілярів, прояви зменшення облітерації просвіту судин, набряк та випинання ендотеліоцитів у просвіт гемокапілярів, редукцію різних органел і просвітлення цитоплазми самих ендотеліоцитів (рис. 3). Одночасно з цим було виявлено достовірне зменшення щільності піноцитозних мікровезикул в цитоплазмі клітин на 39,6% і 42,1% щодо аналогічного показника у контрольних і дослідних тварин на 7 добу експериментального впливу гіпоксії (р<0,05) (табл. 1). Одночасно реєструвались і ультраструктурно незмінені гемокапіляри. Зміни мікроциркуляторного русла мали важливе значення, вони носили переважно фокальний характер.

Обговорення результатів дослідження

Результати проведеного якісного та кількісного електронно-мікроскопічного дослідження свідчать про розвиток значних відтермінованих ультраструктурних змін в м'язовій тканині діафрагми при гіпоксії. Отримані нами дані корелюють з результатами досліджень деяких авторів, які вивчали вплив гіпоксії на різні групи м'язових волокон та м'язів [12-14]. В міофібрилах і капілярах діафрагми на тлі хронічної гіпоксії, яку створювали у тварин шляхом накладання вікрилової лігатури навколо відповідної частини трахеї на 21 день, спостерігали розвиток суттєвих ультраструктурних зміни в м'язових волокнах. Подібні результати були виявлені у роботах ряду дослідників [15-17]. У тварин обох дослідних груп з гострою і хронічною гіпоксією загальноморфологічна організація діафрагми була гістологічно не зміненою. Результати, подібні до отриманих нами, були встановлені при проведенні структурних і функціонально-метаболічних досліджень діафрагми іншими авторами [18-19].

М'язові волокна, кровоносні судини і стромальні елементи діафрагми у тварин, на 7 добу експерименту, були структурно збережені. Були виявлені лише окремі прояви ультраструктурних змін і відтермінування їх розвитку, що дуже різко посилювались на 21 добу експерименту, тобто в умовах хронічної гіпоксії. Ці ультраструктурні порушення полягали у розвитку загального пошкодження багатьох міофібрил, редукції мембранних цистерн саркоплазматичного ретикулуму, порушенні структури мітохондрій. Додатково спостерігався також розвиток набряку міофібрил і ендотеліоцитів із частковою втратою останніми своїх функцій (наприклад, трансендотеліального транспорту мікровезикул, порушення ультраструктури крист мітохондрій) через власну цитоплазму. Існують значні протиріччя в науковій літературі про порушення зазначених функцій в клітинах різних тканин і органів при патологіях, які супроводжуються розвитком гіпоксичних станів в організмі. Переконливі дані щодо розвитку дисфункції клітин приводять інші автори, зокрема, G.D. Mironova та співавтори [20], E. Germanova та співавтори [21], W. Ou та співавтори [22].

Слід підкреслити, що ці ультраструктурні деструктивні зміни і порушення, у виконані нами роботі, носили фокальний характер і спостерігались в окремих м'язових волокнах і гемокапілярах діафрагми. Редукція органел у клітинах на тлі гіпоксії вважається неспецифічним проявом стресових або дистрофічних змін при хронічній гіпоксії та наведена у багатьох публікаціях. Результати досліджень діафрагми, а також інших груп м'язів за умов дії гіпоксії, що представлені у фаховій літературі, є досить суперечливими, що підтверджуються даними J.C. Carberry та співавторів [5] та N.J. Dawson та співавторів [6]. Деякі автори спостерігали розвиток не лише прояви фокальної мітохондріальної деструкції, але й вогнищевого некрозу у м'язових волокнах діафрагми. Отримані авторами дані свідчать про розвиток не лише деструктивних змін в мітохондріях, але й про прояви компенсаторно-адаптивних і пристосувальних реакцій [9, 23].

У виконаних нами експериментах встановлено достовірну редукцію кількості і відповідно транспорту піноцитозних мікровезикул в ендотеліоцитах гемокапілярів. Це стає наслідком розвитку метаболічних змін на тлі тривалого дефіциту тканинної оксигенації [24-26]. Описані авторами зміни можна розглядати як пошкодження м'язових волокон, які розвивались переважно у мітохондріях міофібрил. Різкої редукції мітохондрій, в наведених досліджень, виявлено не було. Це вказує на можливість розвитку часткової адаптації клітин і м'язових волокон діафрагми до впливу гострої, але не хронічної (21 день) гіпоксії. Незважаючи на значну актуальність цієї проблеми, яка розробляється нами, у світовій практиці приділяється дуже мало уваги щодо вивчення глобальних і конкретних практичних аспектів цієї проблеми. Тому ми були суттєво обмежені у можливостях обґрунтуванні та обговоренні отриманих результатів.

Таким чином, при патологічних процесах, які супроводжуються тривалою гіпоксією зміни в тканинах, зокрема в м'язових волокнах діафрагми, стають значно більш вираженими. У зв'язку з цим виникає потреба у проведенні активних лікувальних і відновлювально-реабілітаційних заходах. Їх метою є активація процесів відновлення ультраструктурної організації і функцій м'язів діафрагми та інших м'язів дихальної системи після проведення оперативного втручання при лікуванні ларингомаляції у новонароджених дітей.

Висновки

М'язові волокна діафрагми характеризуються стійкістю до впливу гострої гіпоксії на 7 добу експериментального моделювання ларингомаляції. Даний патологічний процес супроводжується розвитком структурно-функціональних порушень в м'язових волокнах діафрагми. Найбільш суттєві зміни було виявлено на 21 добу експериментального дослідження. Встановлено редукцію кількості піноцитозних везикул в цитоплазмі ендотеліоцитах гемокапілярів діафрагми. Це свідчить про суттєві порушення трансендотеліального транспорту молекул речовин і регіональної мікроциркуляції при гіпоксії. Ультраструктурні зміни, що виникають в ендотеліоцитах судин діфрагми, призводять до порушення гематом'язової системи та супроводжуються розвитком ультраструктурних порушень.

Отримані дані можуть бути покладені в основу науково-обґрунтованих підходів для розробки сучасних засобів лікування та реабілітації відповідного контингенту пацієнтів.

Література

1. Bohdanova NO, Pogorela NH, Lukyanetz EA. Rol hipoksii u rozvytku deiakykh patolohichnykh staniv ta zloiakisnykh pukhlyn [The role of hypoxia in the development of some pathological conditions and malignant tumors]. Fiziol. zhurn. 2021; 67(2):53-66. (Ukrainian).

2. Kocjan J, Adamek M, Gzik-Zroska B, Czyzewski D, Rydel M. Network of breathing. Multifunctional role of the diaphragm: a review. Adv Respir Med. 2017;85(4):224-232. doi: 10.5603/ARM.2017.0037.

3. Cao Y, Li P, Wang Y, Liu X, Wu W. Diaphragm Dysfunction and Rehabilitation Strategy in Patients With Chronic Obstructive Pulmonary Disease. Front Physiol. 2022 May 2;13:872277. doi: 10.3389/fphys.2022.872277.

4. Lamont P, Chow C, Hilton J, Pamphlett R. Differences in diaphragm fiber types in SIDS infants. J Neuropathol Exp Neurol. 1995 Jan;54(1):32-7. doi: 10.1097/00005072-199501000-00004.

5. Carberry JC, McMorrow C, Bradford A, Jones JF, O'Halloran KD. Effects of sustained hypoxia on sternohyoid and diaphragm muscle during development. Eur Respir J. 2014 Apr;43(4):1149-58. doi: 10.1183/09031936.00139512.

6. Dawson NJ, Lyons SA, Henry DA, Scott GR. Effects of chronic hypoxia on diaphragm function in deer mice native to high altitude. Acta Physiol (Oxf). 2018;223(1):e13030. doi: 10.1111/apha.13030.

7. McMorrow C, Fredsted A, Carberry J, O'Connell RA, Bradford A,

Jones JF, et al. Chronic hypoxia increases rat diaphragm muscle endurance and sodium-potassium ATPase pump content. Eur Respir J. 2011 Jun;37(6):1474-81. doi:10.1183/09031936.00079810.

8. Shortt CM, Fredsted A, Bradford A, O'Halloran KD. Diaphragm

muscle remodeling in a rat model of chronic intermittent hypoxia. J Histochem Cytochem. 2013 Jul;61(7):487-99. doi:10.1369/0022155413490947.

9. Lewis P, O'Halloran KD. Diaphragm Muscle Adaptation to Sustained Hypoxia: Lessons from Animal Models with Relevance to High Altitude and Chronic Respiratory Diseases. Front Physiol. 2016 Dec 12;7:623. doi: 10.3389/fphys.2016.00623.

10. O'Leary AJ, Drummond SE, Edge D, O'Halloran KD. Diaphragm Muscle Weakness Following Acute Sustained Hypoxic Stress in the Mouse Is Prevented by Pretreatment with N-Acetyl Cysteine. Oxid Med Cell Longev. 2018 Feb 19;2018:4805493. doi: 10.1155/2018/4805493.

11. Hashizume K, Black KL. Increased endothelial vesicular transport correlates with increased blood-tumor barrier permeability induced by bradykinin and leukotriene C4. J Neuropathol Exp Neurol. 2002 Aug;61(8):725-35. doi: 10.1093/jnen/61.8.725.

12. Jacunski M, Rafferty GF. The effects of hypoxia and fatigue on skeletal muscle electromechanical delay. Exp Physiol. 2020 May; 105(5):842-851. doi: 10.1113/EP088180.

13. Smith CM, Housh TJ, Hill EC, Keller JL, Johnson GO, Schmidt RJ. Effects of intensity on muscle-specific voluntary electromechanical delay and relaxation electromechanical delay. J Sports Sci. 2018 Jun;36(11):1196-1203. doi: 10.1080/02640414.2017.1364403.

14. Fernandez-Lazaro D, Diaz J, Caballero A, Cordova A. The training of strength-resistance in hypoxia: effect on muscle hypertrophy. Biomedica. 2019 Mar 31;39(1):212-220. English, Spanish. doi: 10.7705/biomedica.v39i1.4084.

15. Panisello P, Torrella JR, Esteva S, Pages T, Viscor G. Capillary supply, fibre types and fibre morphometry in rat tibialis anterior and diaphragm muscles after intermittent exposure to hypobaric hypoxia. Eur J Appl Physiol. 2008 May;103(2):203-13. doi: 10.1007/s00421-008-0691-0.

16. Archiza B, Reinhard PA, Welch JF, Sheel AW. Sex differences in diaphragmatic fatigue: Effects of hypoxia during inspiratory loading. J Physiol. 2021 Feb;599(4):1319-1333. doi: 10.1113/JP280704.

17. Reinhard PA, Archiza B, Welch JF, Benbaruj J, Guenette JA, Koehle MS, et al. Effects of hypoxia on exercise-induced diaphragm fatigue in healthy males and females. Physiol Rep. 2023 Jan;11(2):e15589. doi: 10.14814/phy2.15589.

18. Lewis P, McMorrow C, Bradford A, O'Halloran KD. Improved tolerance of acute severe hypoxic stress in chronic hypoxic diaphragm is nitric oxide-dependent. J Physiol Sci. 2015 Sep;65(5):427-33. doi: 10.1007/s12576-015-0381-8.

19. Lewis P, Sheehan D, Soares R, Coelho AV, O'Halloran KD. Redox Remodeling Is Pivotal in Murine Diaphragm Muscle Adaptation to Chronic Sustained Hypoxia. Am J Respir Cell Mol Biol. 2016 Jul;55(1):12-23. doi: 10.1165/rcmb.2015-0272OC.

20. Mironova GD, Pavlik LL, Kirova YI, Belosludtseva NV, Mosentsov AA, Khmil NV, et al. Effect of hypoxia on mitochondrial enzymes and ultrastructure in the brain cortex of rats with different tolerance to oxygen shortage. J Bioenerg Biomembr. 2019 Oct;51(5):329340. doi: 10.1007/s10863-019-09806-7.

21. Germanova E, Khmil N, Pavlik L, Mikheeva I, Mironova G, Lukyanova L. The Role of Mitochondrial Enzymes, SuccinateCoupled Signaling Pathways and Mitochondrial Ultrastructure in the Formation of Urgent Adaptation to Acute Hypoxia in the Myocardium. Int J Mol Sci. 2022 Nov 17;23(22):14248. doi: 10.3390/ijms232214248.

22. Ou W, Liang Y, Qing Y, Deng Y, Wu W, Li T. [The Effect of Short

Term Intermittent Hypoxia Exposure on Mouse Myocardial Oxidative Stress and Cardiac Function]. Sichuan Da Xue Xue Bao Yi Xue Ban. 2022 Jan;53(1):98-104. Chinese. doi:10.12182/20220160103.

23. Aljerian K, Haffor A. Effects of Hyperoxia Exposure on Free Radicals Accumulation in Relation to Ultrastructural Pathological Changes of Diaphragm. J Clin Exp Pathol. 2015;5(5):247. doi:0. 4172/2161-0681.1000247.

24. Deng F, Wang S, Xu R, Yu W, Wang X, Zhang L. Endothelial microvesicles in hypoxic hypoxia diseases. J Cell Mol Med. 2018 Aug;22(8):3708-3718. doi: 10.1111/jcmm.13671.

25. Guo Y, Tan J, Miao Y, Sun Z, Zhang Q. Effects of Microvesicles on Cell Apoptosis under Hypoxia. Oxid Med Cell Longev. 2019 Apr 17;2019:5.972152. doi: 10.1155/2019/5972152.

26. Bai C, Zhu Y, Dong Q, Zhang Y. Chronic intermittent hypoxia induces the pyroptosis of renal tubular epithelial cells by activating the NLRP3 inflammasome. Bioengineered. 2022 Mar;13(3):75287540. doi: 10.1080/21655979.2022.2047394.

Размещено на Allbest.ru