Новые материалы к пониманию механизмов онтогенеза кровеносной системы теплокровных

ФИЗИОЛОГИЯ ВИСЦЕРАЛЬНЫХ СИСТЕМ, КЛЕТОЧНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ

УДК 591.112/3: 611.1: 612.13

В.М. Беличенко, Т.А. Григорьева, И.М. Коростышевская, К.А. Шошенко

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ К ПОНИМАНИЮ МЕХАНИЗМОВ ОНТОГЕНЕЗА КРОВЕНОСНОЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОКРОВНЫХ

ГУ НИИ физиологии СО РАМН, Новосибирск

Обзор экспериментальных исследований авторов статьи, посвященный онтогенетическому развитию органного кровеносного русла теплокровных, касается изменений в структуре стенки магистральных артерий, динамики объемной скорости кровотока в скелетных мышцах и характера митотической активности эндотелия в капиллярах и мелких артериях и венах диаметром менее 60 мкм.

Ключевые слова: кровеносная система, онтогенез, кровоток, скелетные мышцы

Повышенный интерес к онтогенетическому развитию кровеносного русла понятен. Во время него устанавливаются уровень органного кровотока, пределы и адаптивная точность его изменений. Известно, что кровеносная система возникает из двух зачатков. Капиллярная сеть с образующимися из нее мелкими артериями и венами появляется из повсеместно расположенных мезенхимальных клеток путем васкулогенеза и последующего ангиогенеза. Сердце и магистральные артерии и вены происходят из структур, расположенных центрально под нервной трубкой. Увеличиваясь в размерах и ветвясь, эти магистрали сливаются с идущими от капиллярной сети артериями и венами, образуя замкнутую сердечно-сосудистую систему (ССС) [4, 5].

На стадии эмбрионального развития ССС два явления, на наш взгляд, заслуживают особого внимания. Одно касается особенностей сосудистой стенки магистральных артерий, возникающих из аортальных дуг и дорзальной аорты. Известно, что участки аорты в области ее дуг и дор- зальных отделов - разные по времени возникновения [5, 9, 11]. Поэтому можно предположить, что и динамика их развития будет разной. Второе интересное явление - смена первичной капиллярной сети на вторичную (зрелую), которая у грызунов и птиц происходит во второй половине эмбриогенеза. Предполагают, что важное участие в этом процессе принимает гемодинамика [3]. Однако каких-либо данных о механизмах этого метаморфоза нет.

Остается неясным, какие участки кровеносного русла обеспечивают его онтогенетический рост. Разработанный в лаборатории метод внутрисосудистой авторадиографии [2] позволил получить оригинальные данные на эту тему, которым посвящена часть настоящей статьи.

Наконец, один раздел ее касается количественных взаимосвязей в постнатальном онтогенезе потребности мышечных волокон в кислороде, плотности их митохондриального аппарата, уровня васкуляризации и кровоснабжения. Эти оригинальные зависимости мы смогли получить, используя данные о скорости дыхания мышечных волокон у растущих кур (в среде с избытком сукцината натрия и с напряжением О2 выше критического уровня) [7].

Материал настоящей статьи получен в процессе выполнения плана научной работы лаборатории микроциркуляции в 1999-2003 гг.

Рост и структурные преобразования магистральных артерий передней и задней половины тела в онтогенезе. Работа была выполнена на 10-, 14- и 18-суточных эмбрионах и 1-, 40-суточных цыплятах кур линии Ша-вер (пр-во ГППЗ “Новосибирский”). Средняя масса эмбрионов (без внезародышевых органов) и цыплят составляла 4 г, 13 г, 27 г, 37 г и 770 г. При посмертном измерении наружного диаметра (Бех) и толщины стенки (И) обнаружено, что у 10-суточных эмбрионов И в сосудах передней части тела (безымянной, подключичной и общей сонной) в 1,5-2 раза больше, чем в сосудах задней части (ягодичной и бедренной); с возрастом это различие уменьшается. На рис. 1 показано, как это происходит: при сравнительно одинаковом росте Бех подключичной и ягодичной артерий относительная толщина сосудистой стенки (2И/Бех) в первом сосуде падает, а во втором -растет. На микрофотографии видно, насколько различна исходная структура внутреннего и среднего слоев этих сосудов (рис. 2).

Полученные данные позволяют думать, что регуляцию роста Бех и И обеспечивают разные механизмы. Одним из них, влияющих на просвет артерий через величину И, может быть пристеночное напряжение сдвига V (скорость кровотока)/Б2 (внутренний диаметр сосуда). Во время эмбриогенеза значения этого показателя в передних и задних артериях заметно сближаются, хотя доли сердечного выброса, проходящие через эти сосуды, остаются очень разными (табл. 1).

Форма капиллярного русла и объемный кровоток в скелетных мышцах во второй половине эмбриогенеза кур. Морфометрия капиллярного русла скелетных мышц кур (на препаратах с сосудами, посмертно заполненными окрашенной желатиной) подтвердила ранее известные данные [3, 4] о метаморфозе этого русла во второй половине эмбриональной жизни: вместо широких, длинных соединенных в сеть капилляров возникают короткие, тонкие капилляры [6]. Известно, что по мере роста мышцы их длина увеличивается, а плотность падает [1].

Рис. 1. Внешний диаметр Бех (А) и относительная толщина стенки 2Ь/Бех (Б) подключичной и ягодичной артерий у кур в онтогенезе, Х±8х

Таблица 1

Оценка пристеночного напряжения сдвига в магистральных артериях куриного эмбриона

Артерия Доля МОК Просвет артерии, см2 У/Б, с-1

10 сут 18 сут 10 сут 18 сут 10 сут 18 сут

Подклю- чичная 0,08 0,16 1,9-10-4 18-10-4 804 184

Ягодич- ная 0,61 0,63 2010-4 38-10-4 181 270

Примечание. Для расчетов использованы доли минутного объема кровообращения (МОК) для 10-18-суточных эмбрионов [8] и величина МОК для 6-суточного куриного эмбриона (15 мл/мин/100 г) [10]. V - линейная скорость кровотока, Б - внутренний диаметр сосуда.

Рис. 2. Микрофотографии поперечных срезов ягодичной (слева) и безымянной (справа) артерий 14-суточных эмбрионов (А), 1- и 40-суточных кур (Б и В).

На фотографиях выдержаны соотношения размеров артерий между собой и между отдельными стадиями онтогенеза. 1 - внутренний слой, 2 - средний слой, 3 - наружный слой, 4 - окружающая клетчатка. Ув.: об. 5 х ок. 5

Численный анализ ранее полученных данных [1] показал, что объемная скорость кровотока (ОСК, мл/(мин^100 г)) в покое в мышцах растущих кур (от суточных цыплят до 6-месячных кур) зависит от анатомической плотности в них капилляров (Ык, 108/100 г) (ИМ - оксидативная красная икроножная мышца, ГМ - гли-колитическая белая грудная мышца, г - коэффициент корреляции):

для ИМ ОСК=16*10-5*Ык0,59; г=0,98

для ГМ ОСК=712«Ю-5«Ык0,39; г=0,98

Уравнения показывают, что возрастное снижение ОСК в ГМ сопровождается большим, по сравнению с ИМ, снижением плотности капилляров. Возможно, это явление обусловлено избыточной для грудной мышцы плотностью капилляров у поздних эмбрионов и ранних цыплят.

Любопытно, что смена форм капиллярного русла во время эмбриогенеза не сопровождается изменением ОСК в названных мышцах. Это исследование выполнено на эмбрионах кур Шавер с помощью лазерного анализатора кровотока ЛАКК-01 (НПП Лазма, Москва), который оценивает скорость микроциркуляции как произведение концентрации эритроцитов и их усредненной линейной скорости (единица перфузии, пф. ед.). Данные

в табл. 2 показывают, что за период смены формы капиллярного русла существенных изменений показателя перфузии не произошло. Это означает, что поток крови, адресованный в мышцы в этот период, увеличивается пропорционально массе мышцы, что, в свою очередь, должно быть обусловлено соответствующим увеличением сердечного выброса. Возможно, важную роль в определении величины этого потока в мышцы в этот период играет просвет их магистральных артерий и пристеночное напряжение сдвига, которое его регулирует.

Связь параметров кислородного запроса и васкуля-ризации в скелетных мышцах кур в онтогенезе. Работа проведена на двух скелетных мышцах растущих кур: икроножной и грудной. Данные о кислородном запросе волокон этих мышц и основная часть сведений о их васку-ляризации была получена ранее на курах породы Леггорн [1,7]. Дополнительно нами была проведена морфо-метрия капиллярного русла в этих мышцах у 10-суточных эмбрионов и 10-суточных цыплят, а также электронная микроскопия волокон ИМ и ГМ у 10-, 18-суточных эмбрионов и 10- и 180-суточных кур. За это время диаметр волокон в обеих мышцах увеличивался примерно одинаково - от 6-7 мкм до 60-65 мкм. Электронная микроскопия и дополнительная морфометрия проводились на курах породы Шавер, близких по размеру к динамике роста к курам породы Леггорн.

Начиная с 10 сут эмбриогенеза, выявляется тесная онтогенетическая связь между суммарным периметром митохондрий (МХ) на поперечном срезе волокна (Р^мх> мкм) и скоростью его потребления О2, которое увеличивается по мере увеличения массы волокна, У^2, мл О2/(мин*мм длины волокна) [7]:

для ИМ V О =2,1*10 10*Р 0’88; г=0,99

Ь 2 1 л 2-.МХг1 п о

для ГМ V 0=1,8*10 10*Р “’78; г=0,99

Ь 2 2,МХ

Четкая прямая связь, особенно в волокнах ИМ с высоким 02-запросом, проявляется в онтогенезе между величиной этого запроса (по [7]) и плотностью капилляров вокруг волокна, №/Ыв (по [1]):

для ИМ №/N3=9*10 3 VLO20•82; г=0,99

для ГМ №/N8 =38*10 3 VLO20•60; г=0,99

И, наконец, прослеживается обратная связь между удельной скоростью дыхания волокна, V02, мл 02/(мин*кг массы волокна), которая падает по мере его роста (по [7]) и длиной капилляра Ь в мышце, мкм, (по [1]). Эта связь довольно слабая: так, онтогенетическое снижение V02 в 4 раза требует лишь двукратного увеличения Ь:

для ИМ и ГМ Ьк=122^020,54; 1^0,83

Таким образом, кислородная потребность мышечного волокна в процессе онтогенетического роста тесно коррелирует с размером внешней поверхности митохондрий в волокне и с плотностью капилляров вокруг него. Длина капилляра в мышечной ткани в определенной степени зависит от удельной скорости дыхания волокна.

Митотическая активность эндотелия кровеносных сосудов кишечной брыжейки крыс Вистар в постната-льном онтогенезе. Ее рассматривают как показатель пролиферативной способности ткани, в нашем случае эндотелиальной. Участие клеток в митозе оценивают по включению 3Н-тимидина, который проникает в ядро в синтетическую фазу митотического цикла, когда происходит удвоение ДНК. 3Н-тимидин испускает Р-лучи с величиной пробега электронов в фотоэмульсии не более 3 мкм. Поэтому если эмульсия находится в кровеносном русле, то автографы в ней будут оставлять только меченые ядра эндотелиоцитов. На прозрачном органе, таком, как брыжейка, автографы можно видеть в русле, образованном артериями и венами Б до 40-60 мкм. Подробности внутриартериального введения фотоэмульсии и приготовления препаратов брыжейки описаны ранее [2]. Настоящая работа проведена на крысах в возрасте 4,12 и 30 сут. Метка животным вводилась один раз в дозе 140 Мбк/кг.

На рис. 3А показано, что доля сосудов, в которых имеются меченые эндотелиальные клетки (ЭК), у 4- и 12-суточных крысят заметно выше, чем у месячных крыс. Еще более заметна разница между разновозрастными крысами при сравнении средневзвешенной величины Nмя/мм2 (когда сумма всех меченых ядер делится на суммарную поверхность эндотелия сосудов данного колибра). Этот показатель у всех крыс наиболее высок в околокапиллярных сосудах, ниже - в капиллярах и резко падает в сторону более крупных артерий и вен. У 4- и, особенно, у 12-суточных крысят он наиболее высок, что свидетельствует о повышенной пролиферативной активности эндотелия у них, по сравнению с месячными крысами.

Если сравнивать у разновозрастных крыс число меченых ядер ЭК, приходящихся на один сосуд или на его определенную длину, то окажется, что этот показатель близок в разных сосудах (рис. 3Б) (см. ниже - Nмя/100 мкм; слева от капилляра (К) артерии, справа вены):

Мы видим, что в сосудах с Б<40 мкм показатель Nмя/100 мкм изменяется заметно меньше, чем изменяется Б сосуда. В сосудах с Б>40 мкм он падает. У месячных крыс по сравнению с молодыми крысятами, особенно с 12-суточными, этот показатель ниже. Возможно, он свидетельствует о величине резервной фракции в сосу-

Таблица 2

Характеристика экспериментов с измерением объемной скорости кровотока в мышцах куриных эмбрионов

Параметр Возраст эмбриона, сут

13 14 15 17 18

Число эмбрионов 3 4 5 4 4

Число участков в мышце* 13 и 15 22 и 24 41 и 45 49 и 36 46 и 54

Общее время измерения, с* 509 и 373 305 и 293 446 и 874 633 и 750 765 и 696

ОСК, Х±8х, пф. ед. грудная 54± 3,6 52± 4,0 51± 3,6 46± 4,0 52± 1,8

икроножная 43± 3,8 48± 1,9 52± 3,0 55± 4,5 57± 3,2

Примечание. * - первая цифра относится к грудной мышце; вторая - к икроножной.

Рис. 3. Доля меченых сосудов (А) и плотность меченых ядер эндотелия (Б) в кишечной брыжейке разновозрастных крыс Вистар

дах, которая обеспечивает их рост, а в самых тонких сосудах и ангиогенез.

Представленные в настоящем сообщении материалы выявляют ряд особенностей и закономерностей в онтогенетическом формировании органного кровеносного русла и приближают нас к пониманию его механизмов.

NOVEL MATERIALS FOR UNDERSTANDING THE BLOOD SYSTEM ONTOGENETIC MECHANISMS IN HAEMATOTHERMALS

V.M. Belichenko, T.A. Grigor’eva, I.M. Korostyshevskaya, K.A. Shoshenko

The review of author’s experimental investigations devoting to the organ blood bed ontogenetic development in

warm-blooded animals has been presented. It deals with changes of large arteries wall structure, with blood flow dynamics in skeletal muscles as well as with peculiarities of endothelial mitotic activity in capillaries and arteries and veins with diameter less than 60 m.

ЛИТЕРАТУРА

1. Беличенко В.М. О кровоснабжении скелетных мышц кур

в онтогенезе / В.М. Беличенко, В.И. Баранов, К.А. Шо-шенко // Физиол. журн. СССР. 1995. Т. 81. № 6. С. 130-140.

2. Голубь А.С. Инъекционная радиография эндотелия мик-

рососудов / А.С. Голубь, Н.Е. Барбашина // Методы исследования массопереноса в системе микроциркуляции. Новосибирск, 1991. С. 59-62.

3. Гурина О.Ю. Морфогенез сосудистого эндотелия: Ав-тореф.... дис. д-рамед. наук/О.Ю. Гурина. М., 1991. 33 с.

4. Гурина О.Ю. Сравнительно-гистологическое и онтогенетическое исследование сосудистого эндотелия / О.Ю. Гурина // Морфология. 1992. Т. 102. № 3. С. 76-79.

5. Карлсон Б. Основы эмбриологии по Пэттену / Б. Карлсон. М., 1983. Т. 2.

6. Развитие митохондриального аппарата и кровоснабжение скелетных мышечных волокон кур в онтогенезе / В.М. Беличенко, И.М. Коростышевская, В.Ф. Максимов, К.А. Шошенко // Онтогенез. 2004. (в печати).

7. Baranov V.I. Oxygen diffusion coefficient in isolated chicken red and white skeletal muscle fibers in ontogenesis / V.I. Baranov, V.M. Belichenko, C.A. Shoshenko // Micro-vasc. Res. 2000. Vol. 60. P. 168-176.

8. Cardiac output distribution in response to hypoxia in the chick embryo in the second half of the incubation time / A.L.M. Mulder, J.C. Van Golde, F.W. Prinzen, C.E. Blanco // J. Physiol. 1998. Vol. 508. № 1. P. 281-287.

9. Glukhova M. Developmental changes in expression of contractile and cytoskeletal proteins in human aortic smooth muscle / M. Glukhova, M. Frid, V. Koteliansky // J. Biol. Chem. 1990. Vol. 265. P. 13042-13046.

10. Hu ^.Hemodynamics of the stage 12 to stage 29 chick embryo / N. Hu, E.B. Clark // Circ. Res. 1989. Vol. 65. P. 1665-1670.

11. Topouzis S. Smooth muscle lineage diversity in the chick embryo. Two types of aortic smooth muscle cell differ in growth and receptor - mediated transcriptional responses to Transforming Growth Factor-P / S. Topouzis, M.W. Majes-ky // Developmental Biology. 1996. Vol. 178. P. 430-445.

D, мкм >40 1 10 24 11- 20 < 10 К < 10 11-2 0 21- 40 >40

4 сут 1,2 1,5 2,7 2,7 1,9 1,9 1,8 0,7 1,1

12 сут 0,9 1,9 2,6 3,3 1,8 3,9 4,5 3,5 0,7