Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ КОРКОВО-МОЗГОВОГО СООТНОШЕНИЯ В ТИМУСЕ ПОЗВОНОЧНЫХ ЖИВОТНЫХ И ЧЕЛОВЕКА

Юрчинский В.Я. 1 Ерофеева Л.М. 2
1 ФГБОУ ВПО «Смоленский государственный университет»
2 ФГБОУ ВПО «Московский государственный медико-стоматологический университет имени А.И. Евдокимова» Минздрава России
С использованием методов световой микроскопии и морфометрии изучен комплекс макро и микроморфологических параметров тимуса, которые напрямую зависят от процессов пролиферации и дифференцировки лимфоцитов: индекс массы тимуса, корково-мозговой индекс, количество тимоцитов на единицу площади мозгового и коркового вещества, а также митотический индекс тимоцитов коркового и мозгового вещества тимуса. Исследование проводилось на примере представителей четырех классов наземных позвоночных животных (Chordata, Tetrapoda): Amphibia, Reptilia, Aves, Mammalia. Результаты исследования свидетельствуют о том, что показатели изучаемых макро- и микроморфологических параметров напрямую зависят от уровня организации, особенностей биологии, степени специализации к различным условиям среды. Выявлено, что повышение емкости энергетического обмена и развитие теплокровности оказывает наиболее существенное влияние на морфологию тимуса позвоночных животных и человека. Показано, что по изученным морфологическим параметрам тимус человека отличается от позвоночных животных, обитающих в естественной экологически чистой среде, что связано с влиянием на здоровье человека экстремальных условий антропогенного характера.
позвоночные животные
тимус
гистология
Т-лимфоциты
митотический индекс
корково-мозговой индекс
1. Агеева А.В., Самусев Р.П., Щербакова Л.В. Морфология тимуса неполовозрелых крыс под влиянием длительных сроков ограничения двигательной активности // Астраханский медицинский журнал. – 2007. – № 1. – С. 13.
2. Ерофеева Л.М. Сравнительная характеристика морфологических изменений в тимусе после облучения гамма лучами и ускоренными ионами углерода // Морфология. – 2008. – Т. 133, № 2. – С. 45.
3. Зотин А.И., Владимирова И.Г., Кирпичников А.А. Энергетический метаболизм и направление эволюционного прогресса в классе млекопитающих // Журнал общей биологии. – 1990. – Т. 51, № 6. – С. 760–767.
4. Клевезаль Г.А. Принципы и методы определения возраста млекопитающих. – М.: КМК, 2007. – 282 с.
5. Ткачук М.Г. Тимус при различных физических нагрузках // Морфология. – 2008. – Т. 133, № 4. – С. 96.
6. Mori K., Itoi M., Tsukamoto N. The perivascular spaceasa path of hematopoetic progenitor cells and mature T cells between the blood circulation and thymic parenchyma // Int. Immunol. – 2007. – 19(6). – Р. 745–53.
7. Pearse, G. Normal structure, function and histology of the thymus // Toxicol. Pathol. – 2006. – № 34 (5). – Р. 504–14.
8. Raica M., Cimpean A.M., Encica S. Involution of the thymus: a possible diagnostic pitfall // J. Morphol. Embriol. – 2007. – № 48 (2). – Р. 101–106.
9. Shanley D. P., Manley A. D. An envolutionary perspective on the mechanisms of immunosenescence // Trends Immunol. – 2009. – № 30(7). – Р. 374–381.

Объемная доля коркового и мозгового вещества тимуса является надежным индикатором его функционального состояния. В настоящее время накоплено достаточно фактов, свидетельствующих о зависимости корково-мозгового соотношения от возраста [8, 9]. Представлены неоспоримые доказательства трансформации обсуждаемого параметра при влиянии на организм различного рода стрессовых воздействий: чрезмерная физическая нагрузка и гиподинамия, заболевания и травмы, экологические факторы физической и химической природы [1, 2]. В основе таких изменений лежат сложные процессы, связанные с пролиферацией, созреванием и дифференцировкой лимфоцитов [6, 7]. Вместе с этим очевиден дефицит работ, в рамках которых морфология тимуса изучается в сравнительном плане у широкого спектра позвоночных животных естественной среды обитания в сравнении с человеком, что может приводить к ошибочному мнению о сходстве ключевых морфологических характеристик тимуса у всех позвоночных.

Цель работы заключалась в сравнительном изучении основных морфологических характеристик тимуса, связанных с состоянием его лимфоидного компонента у наземных позвоночных животных в сравнении с человеком.

Материал и методы исследования

Исследование тимуса проводили на примере 15-ти видов позвоночных, относящихся к четырем классам: класс Земноводные (Amphibia): Rana esculenta (n 36), R. temporaria (n 28), R. terrestris (n 36); класс Пресмыкающиеся (Reptilia): Lacerta agilis (n 36), Vipera berus (n 24), Natrix natrix (n 36); класс Птицы (Aves): Columba livia (n 36), Scolpax rusticola (n 24), Muscicapa striata (n 16); класс Млекопитающие (Mammalia): Sorex araneus (n 36), S. caecutiens (n 24), Clethrionomys glareolus (n 40), Mus musculus (n 24), Sylvimus major (n 24), Homo sapiens (n 65).

Исследование проводили на примере неполовозрелых особей и особей II периода зрелого возраста. Рамки соответствующего возраста человека определялись согласно классификации, принятой на 7-й Всесоюзной конференции по возрастной морфологии, физиологии и биохимии в 1965 году. Возраст животных эквивалентно соответствовал возрасту человека и определялся по общепринятым методикам [4]. Всего изучено 224 препарата неполовозрелых и 250 препаратов половозрелых позвоночных.

Для исследования тимуса человека использовали материал, набранный на базе отделения клинической патологии при Смоленском областном институте патологии. Весь секционный материал тщательно отбирали по анамнезу с целью исключения причин смерти, которые могли бы повлиять или резко изменить структуру тимуса. Эвтаназию животных осуществляли передозировкой эфирным наркозом (ЗАО «Вектон») в соответствии с требованиями Министерства здравоохранения Российской Федерации к работе экспериментально-биологических клиник, а также «Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в научных целях» (г. Страсбург, 1986). Тимус, изъятый сразу после эвтаназии, взвешивали и измеряли. Доли тимуса фиксировали 10 % нейтральным формалином, обезвоживали и заливали в парафин по стандартной методике. Срезы тимуса толщиной 5 мкм окрашивали гематоксилин-эозином, пикрофуксином по Ван-Гизону, альдегид-фуксином и смесью Halmi по Габу-Дыбану. Микрофотографии получали с использованием цифрового аппарата Nicon CoolPix 7900 (Nicon, Япония). Полученные изображения экспортировали в компьютер и проводили измерение абсолютных площадей коркового и мозгового вещества тимуса с помощью программы ImageJ 1.38 (National Institutes of Health, Bethesda, США, свободный доступ в интернете). Для суждения о морфофункциональном состоянии тимуса определяли корково-мозговой индекс (КМИ), который рассчитывали как отношение коркового вещества к мозговому. Измерение площади коркового и мозгового вещества тимуса проводили при увеличении окуляра х8, объектива х4 (МБС-9), а также окуляра х7 и объектива х8 (МБР-3). При изучении цитоконструкции тимуса подсчет общего количества тимоцитов в корковом и мозговом веществе тимуса проводили на условной единице площади в 100 мкм2 (ок. ×15, об. ×60 под масляной иммерсией) на цифровых фотографиях. Для каждого препарата оценивали 10 полей зрения. Количества митозов в субкапсулярной зоне коры и мозговом веществе (митотический индекс ‒ МИ) определяли на 1000 зарегистрированных клеток (ок.×15, об. ×90 под масляной иммерсией). Значимость различий между сравниваемыми группами оценивали методами параметрической и непараметрической статистики (t-критерий Стьюдента, U-критерий Манна-Уитни). Анализ распределения признаков на нормальность проводили с использованием критериев Лиллиефорса и Шапиро-Уилка, а условие равенства дисперсий выборок проверяли по критерию Левена.

Результаты исследования и их обсуждение

На примере неполовозрелых позвоночных прослеживается зависимость морфологии тимуса от уровня организации. Выявлено, что холоднокровные животные закономерно уступают более развитым классам позвоночных по величинам всех изученных морфологических показателей. У земноводных и пресмыкающихся существенно снижено содержание тимоцитов в корковом и мозговом веществе тимуса, что особенно заметно при сравнении земноводных с другими позвоночными. Особенно сильно по показателям КМИ и МИ холоднокровные позвоночные уступают насекомоядным млекопитающим. С момента возникновения истинной наземности (пресмыкающиеся) у неполовозрелых позвоночных КМИ изменяются мало (рисунок), вместе с этим происходит увеличение (практически двукратное) плотности локализации тимоцитов, как в корковом, так и в мозговом веществе тимуса (таблица). Пресмыкающиеся по сравнению с земноводными характеризуются увеличением количества митозов в коре и снижением их числа в мозговом веществе. Возникновение теплокровности неоднозначно сказывается на состоянии изучаемых морфологических параметров тимуса.

Отчетливо прослеживается сходство КМИ и количества тимоцитов коры и мозгового вещества у птиц и грызунов. Вместе с этим для человека в сравнении с другими млекопитающими характерны самые низкие показатели КМИ тимуса. По этим характеристикам человек проявляет сходство с холоднокровными позвоночными. Только по количеству тимоцитов на единицу площади и их МИ показатели тимуса человека выходят на уровень, характерный для теплокровных животных (рисунок, таблица). В свою очередь землеройки-бурозубки отличаются стабильно повышенными значениями всех изученных морфологических параметров тимуса, что особенно сильно проявляется на примере КМИ (рисунок). По количеству тимоцитов землеройки уже мало отличаются от грызунов, человека и птиц. Величина митотического индекса насекомоядных млекопитающих и грызунов сходна (таблица).

У всех позвоночных независимо от уровня организации с возрастом наблюдается снижение показателей исследуемых морфологических параметров тимуса. У земноводных и всех млекопитающих при переходе к зрелому возрасту наблюдается двукратное снижение КМИ. При этом у пресмыкающихся такое снижение незначительно, тогда как у птиц оно оказывается максимальным (в 6 и более раз). Согласно полученным результатам у всех амниот с возрастом происходит одинаково сильное (двукратное) снижение МИ тимоцитов коры. При этом у половозрелых птиц МИ коры ниже соответствующего показателя неполовозрелых представителей в 3,5 раза, тогда как у человека такое снижение оказывается пятикратным. В мозговом веществе тимуса холоднокровных позвоночных с возрастом темпы пролиферации лимфоцитов изменяются мало (недостоверные различия). Данный показатель птиц хотя и незначительно (в 1,3 раза), но достоверно уменьшается, тогда как у млекопитающих (грызуны и землеройки-бурозубки) его значения снижены уже вдвое. Для человека характерно самое существенное снижение темпов пролиферации лимфоцитов в мозговом веществе тимуса (рисунок, таблица).

pic_40.wmf

Корково-мозговой индекс тимуса позвоночных

Морфометрические показатели коркового и мозгового вещества тимуса позвоночных животных и человека (x ± Sx)

Группа

Количество тимоцитов коры (S = 100 мкм2)

Количество тимоцитов в мозговом веществе (S = 100 мкм2)

МИ, % на 1000 тимоцитов Кора

МИ, % на 1000 тимоцитов Мозговое вещество

Количество тимоцитов коры (S = 100 мкм2)

Количество тимоцитов в мозговом веществе (S = 100 мкм2)

МИ, % на 1000 тимоцитов, Кора

МИ, % на 1000 тимоцитов, Мозговое вещество

неполовозрелые

половозрелые

Amphibia

308,12 ± 29,9

*, c,d,e,f

139,54 ± 21,6

b,c,d,e,f

1,74 ± 0,34

c,d,e,f

1,83 ± 0,32

d,e,f

260,79 ± 23,7

*, b,c,d,e,f

143,27 ± 16,4

b,c,d,e,f

0,81 ± 0,21

*, d,e

1,59 ± 0,31

b,f

Reptilia

466,69 ± 34,8

c,d,e,f

267,35 ± 27,6

a,c,d,e,f

2,19 ± 0,29

*,c,d,e,f

1,45 ± 0,31

c,d,e,f

481,18 ± 41,9

a,c,d

273,80 ± 37,6

,a,c,d,f

0,92 ± 0,15

*, d,e,f

1,19 ± 0,25

a,f

Aves

652,88 ± 48,24

a,b,d

338,91 ± 38,27

*, a,b,f

2,79 ± 0,42

*, a,b,d,e

1,86 ± 0,22

*, b,d,e,f

654,26 ± 56,7

a,b,e,f

418,61 ± 49,6

*,a,b,e

0,79 ± 0,11

*, d,e

1,38 ± 0,17

*, a,f

Insectivora

759,89 ± 61,6

*, a,b,c,e

356,29 ± 35,4

*, a,b,f

3,88 ± 0,53

*, a,b,c,f

3,11 ± 0,49

* ,a,b,c,f

611,37 ± 59,0

*, a,b,e

467,01 ± 52,9

*,a,b,e,f

1,55 ± 0,33

*, a,b,c,f

1,49 ± 0,31

*,b,f

Rodentia

644,74 ± 54,5

*, a,b,d

318,33 ± 29,3

*, a,b,f

3,67 ± 0,45

*, a,b,c,f

3,03 ± 0,41

*, a,b,c,f

513,00 ± 27,9

*, a,c,d

266,40 ± 23,2

*,a,c,d,f

1,51 ± 0,24

*, a,b,c,f

1,39 ± 0,34

*, a,f

H. sapiens

679,95 ± 46,9

*, a,b

403,61 ± 18,9

*, a,b,c,d,e

2,69 ± 0,36

*, a,b,d,e

2,55 ± 0,41

*, a,b,c,d,e

553,49 ± 54,6

*, a,c

346,48 ± 38,3

*, a,b,d,e

0,67 ± 0,12

*, b,d,e

0,73 ± 0,15

*, a,b,c,d,e

Примечания: * – достоверность возрастных отличий (p ≤ 0,05), достоверность отличий (p ≤ 0,05) по сравнению: a – с земноводными, b – с рептилиями, c – с птицами, d – с насекомоядными млекопитающими, e – с грызунами, f – с человеком.

Проведено сопоставление МИ тимоцитов коры и мозгового вещества тимуса позвоночных животных разного возраста. У всех неполовозрелых позвоночных, за исключением земноводных и человека, МИ тимоцитов коры превышает аналогичный показатель мозгового вещества тимуса: в 1,3 раза (грызуны и землеройки-бурозубки) и в 1,5 раза (птицы, пресмыкающиеся). На стадии второй зрелости у человека и млекопитающих животных отличий МИ в коре по сравнению с мозговым веществом тимуса не наблюдается, тогда как у пресмыкающихся и птиц МИ тимоцитов мозгового вещества незначительно преобладает над соответствующим показателем коры. Только у половозрелых земноводных МИ индекс мозгового вещества практически вдвое выше аналогичного показателя тимоцитов коры тимуса. Плотность расположения тимоцитов в корковом веществе тимуса с возрастом снижается только у млекопитающих, включая человека. У земноводных, пресмыкающихся и птиц возрастных изменений этого показателя не зафиксировано (рисунок, таблица). Вместе с этим при переходе от неполовозрелой стадии жизненного цикла к зрелому возрасту степень инфильтрации тимоцитами мозгового вещества тимуса либо не изменяется (земноводные, пресмыкающиеся, грызуны, человек), либо незначительно возрастает (птицы и землеройки-бурозубки).

Морфометрическое изучение клеток лимфоидного ряда в тимусе показало существование возрастных отличий у изученных групп позвоночных животных. По этому признаку всех изученных представителей сравнительно-морфологического ряда можно разбить на 2 группы. В одну группу входят млекопитающие, включая человека, в другую – холоднокровные позвоночные и птицы. У представителей первой группы с возрастом снижается плотность расположения тимоцитов в коре тимуса и существенно падает МИ индекс как мозгового вещества, так и коры. У человека такое снижение оказывается более выраженным, чем у млекопитающих-животных. У представителей второй группы с возрастом не изменяется плотность расположения тимоцитов как в коре, так и в мозговом веществе. Показатели МИ существенно снижаются только в коре. Снижение интенсивности деления лимфоцитов в мозговом веществе у холоднокровных позвоночных оказывается незначительным (таблица).

Обсуждение полученных результатов. Изученные в данной работе морфологические параметры тимуса зависят от темпов поступления предшественников тимоцитов в кору тимуса, их созревания, селекции, а также выхода зрелых Т-лимфоцитов в кровеносное русло [7, 8]. Повышение уровня энергообмена (переход к теплокровности) оказывает существенное влияние на скорость данных процессов, что определяется гормональными воздействиями гипоталамо-гипофизарной системы [7]. Наглядной иллюстрацией такой зависимости является морфология тимуса землероек-бурозубок, энергетический обмен которых отличается максимальной емкостью, в силу особого образа жизни [3]. Следует ожидать, что у людей тяжелого физического труда, а также спортсменов должно наблюдаться более активное поступление предшественников лимфоцитов в тимус и, как следствие, возрастание КМИ и МИ. Последнее подтверждается результатами работ, исследующих последствия воздействия умеренной физической нагрузки на организм [5]. Противоположная ситуация характерна для холоднокровных позвоночных, у которых на фоне пассивности и замедленного обмена веществ показатели, связанные с лимфоцитарным компонентом тимуса, закономерно снижены. Следует учитывать, что аналогичная ситуация возникает в тимусе и теплокровных позвоночных в рамках экспериментов по влиянию гиподинамии [9]. Неслучайно сопоставление человека и других позвоночных свидетельствует о большем сходстве характеристик тимуса человека с холоднокровными позвоночными (КМИ, МИ у половозрелых). Причиной тому, вероятно, является выраженная гиподинамия большинства людей в условиях современной жизни. Тимоциты мозгового вещества прошли позитивную селекцию и составляют всего около 5 % от всех поступивших в тимус предшественников [6, 7]. Полученные данные позволяют утверждать, что на неполовозрелой стадии жизненного цикла количество аутотолерантных клеток (относительно числа недифференцированных тимоцитов коры) у всех позвоночных сходно. На стадии второй зрелости только у теплокровных представителей возрастает количество тимоцитов, проходящих позитивную селекцию в коре. Как результат отсутствие снижения плотности расположения тимоцитов в мозговом веществе на фоне уменьшения данного показателя в коре (грызуны, человек). Более того, у теплокровных, отличающихся наиболее энергозатратным образом жизни (птицы и землеройки-бурозубки), гибель тимоцитов в коре оказывается наиболее низкой. Очевидно, выработка адаптаций к гиперактивному образу жизни и повышенным энерготратам, вынуждает все звенья лимфоидной системы более экономно расходовать клеточный материал, повышая его функциональное качество. Кроме этого, созревающие лимфоциты данных групп животных могут отличаться степенью экспрессии определенных мембранных белков-рецепторов, что позволяет повысить устойчивость к действию глюкокортикоидов во время стрессового воздействия, а также дает возможность формировать популяцию клеток с достаточно высокой степенью аутотолерантности. Возможность таких клеточных перестроек доказана [7]. Следует предположить, что укрепление иммунитета человека в условиях умеренной физической нагрузки в основе своей может иметь в том числе и эти механизмы.

Исследованные группы животных являются обитателями экологически чистых биотопов, в отличие от человека, организм которого испытывает воздействие широкого спектра агрессивных факторов антропогенной среды. Результатом таких отличий является более выраженное возрастное снижение скорости созревания тимоцитов человека в сравнении с млекопитающими (соответственно в 3,5 и 2 раза). Возрастная инволюция тимуса заключается не только в снижении объемов поступающих в тимус предшественников Т-лимфоцитов, но и вызывает замедление их созревания [9]. На примере позвоночных животных выявлено, что в разных зонах тимуса темпы созревания лимфоцитов снижаются неравномерно. Данные свидетельствуют о выраженном снижении пролиферативной активности клеток коры, что может быть связано со свойствами самих предшественников, не прошедших позитивную селекцию, а также определяется утратой функционального потенциала клеток ретикулярного эпителия, активно влияющих на пролиферацию и дифференцировку лимфоцитов [8, 9]. Практически полное сохранение показателей МИ в мозговом веществе тимуса земноводных, пресмыкающихся и птиц может указывать на отличительные особенности зрелых аутотолерантных тимоцитов у этих групп позвоночных, либо является свидетельством сохранения потенциала эпителия мозгового вещества тимуса. Однако у млекопитающих, включая человека, темпы пролиферации одинаково сильно снижаются как в коре, так и в мозговом веществе.

Таким образом, корково-мозговое соотношение в тимусе позвоночных в значительной степени зависит от процессов, связанных с пролиферацией, созреванием и рециркуляцией лимфоцитов, что справедливо для всех представителей сравнительно-морфологического ряда. Тимус представляет собой звено сложной системы, на состояние которой существенный отпечаток накладывает уровень организации и специфические особенности среды обитания. Обнаруженные отличия морфологии тимуса позвоночных животных и человека являются свидетельством пластичности лимфоидной системы в целом и тимуса в частности, что обеспечивает поддержание иммунных функций.

Рецензенты:

Карамышева Е.И., д.м.н., профессор кафедры фармакологии, ГБОУ ВПО «Московский государственный медико-стоматологический университет им. А.И. Евдокимова», г. Москва;

Колесников Л.Л., д.м.н., профессор, зав. кафедрой нормальной анатомии, ГБОУ ВПО «Московский государственный медико-стоматологический университет им. А.И. Евдокимова», г. Москва.

Работа поступила в редакцию 03.03.2014.


Библиографическая ссылка

Юрчинский В.Я., Ерофеева Л.М. МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ КОРКОВО-МОЗГОВОГО СООТНОШЕНИЯ В ТИМУСЕ ПОЗВОНОЧНЫХ ЖИВОТНЫХ И ЧЕЛОВЕКА // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 5-2. – С. 290-294;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=33866 (дата обращения: 12.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074