Морфологические пути эволюции иммунной системы позвоночных

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ПУТИ ЭВОЛЮЦИИ ИММУННОЙ СИСТЕМЫ ПОЗВОНОЧНЫХ

С. Б. Селезнев

ФГОУ ВПО «Российский университет дружбы народов», г. Москва

В статье описывается морфология органов иммунной системы у тех отрядов птиц и млекопитающих, которые с точки зрения палеонтологической летописи прошли в своем развитии разные отрезки времени. В основе анализа научных исследований определены четыре пути морфологического развития иммунной системы позвоночных: 1) сегрегация -отделение органов иммунной системы от кроветворения, на основе которого они возникли; 2) дифференциация - разделение лимфоидных образований, первоначально единых, на диффузные скопления, лимфоидные узелки, центры размножения; 3) трансформация - преобразование рудиментарных органов в органы иммунной системы; 4) полимеризация -увеличение числа в филогенезе периферических органов иммуногенеза.

Иммунная система, сформировавшаяся на основе системы кроветворения, «впитала в себя все достижения» эволюции многоклеточных организмов и составила наряду с метаболической, эндокринной и условно-рефлекторной четвертую форму отражения живой материи и четвертую регулирующую систему позвоночных. Она представлена органами, которые обеспечивают защиту организма от генетически чужеродных клеток или структур. Однако их структурная организация, как правило, рассматривалась в составе других систем организма, поэтому тимус относили к железам внутренней секреции; миндалины, лимфоидные бляшки, дивертикул, аппендикс - к пищеварительной системе; железу третьего века - к вспомогательным приспособлениям глаза; лимфатические узлы -к лимфатической системе. Таким образом, все эти перечисленные органы не изучались как звенья единой защитной системы организма, которая «не только обеспечивает пропуск во внешний мир, но и гарантирует от внутренней измены» (М. Р. Са-пин, Д. Б. Никитюк, 2000).

Вместе с тем в морфологии иммунной системы остаются нерешенными и дискуссионными целый ряд вопросов. Прежде

всего, это касается исторического и сравнительно-морфологического аспектов изучения данной системы, то есть тех направлений, которым незаслуженно уделяется мало внимания. Известно, что эволюционная морфология, используя метод тройного параллелизма в сочетании с историческим и системным подходами, позволяет установить возможные пути морфологической эволюции органов и тканей животных, а так же дает возможность проследить их преобразования в филогенезе. Надо отметить, что имеющиеся исследования в отношении иммунной системы носят в основном фрагментарный, а нередко и противоречивый характер (В. М. Петренко, 2003; О. П. Терехов, 2005).

Материал и методика исследования

Схема построения исследования предусматривала изучение морфологии органов иммунной системы у тех отрядов птиц и млекопитающих, которые с точки зрения палеонтологической летописи прошли в своем развитии разные отрезки времени.

Для сравнительного анализа были подобраны следующие представители класса птиц: курообразные (Galliformes), ископаемые предковые формы которых обнаруживаются около 50 млн. лет назад; голубеобразные (Columbiformes), предковые формы которых появились около 40 млн. лет назад, и гусеобразные (Anseriformes), которые возникли около 30 млн. лет назад. Аналогично были подобраны представители класса млекопитающих: грызуны (Ro-dentia), ископаемые предковые формы которых обнаруживаются в палеонтологической летописи около 80 млн. лет назад; хищные (Carnivora), предковые формы которых появились около 60 млн. лет назад, и зайцеобразные (Logomorpha), которые возникли около 45 млн. лет назад.

Объектами исследования служили позвоночные животные: куры породы белый леггорн (Gallus domesticus), сизые голуби (Colubma livia), утки пекинской породы (Anаs domesticus), лабораторные крысы линии Вистар (Rattus norvegicus), домашние собаки (Canis famillaris) и кролики (Oryctolagus cuniculus).

Материалом исследования являлись центральные (тимус, клоакальная сумка) и периферические (железа третьего века, небные миндалины, слепокишечные и подвздошные лимфоидные бляшки, лимфоидный дивертикул, аппендикс, селезенка, шейно-груд-ные и нижнечелюстные лимфатические узлы) органы иммунной системы, полученные от клинически здоровых особей.

Для решения поставленных задач был использован комплекс методов макро-микроморфологии и иммунологии, в том числе: макро- микропрепарирование; макроскопическая морфометрия с учетом весовых, а так же линейных показателей и вычислением на их основании площадей сечения органов; световая микроскопия с последующим стереометрическим анализом изучаемых структур; гистохимические исследования; иммунологические методики для определения бактерицидной и лизоцимной активности сыворотки крови.

Статистическая обработка полученных цифровых данных была проведена по индивидуально составленным программам на персональном компьютере Pentium-S.

Результаты исследования и их обсуждение

Сравнительный подход к организации иммунной системы у представителей разных классов позвоночных животных показал, что эта система развивается на основе системы гемопоэза. Поэтому у миксин (Круглоротые) обнаруживаются только органы кроветворения - костный мозг и селезенка. Что же касается более высокоорганизованных представителей круглоротых -миног, то у них впервые в филогенетическом ряду отмечается появление центрального органа иммунной системы - тимуса. Именно с этого момента начинается сегрегация (от лат. segregatio - отделение) иммунной системы от гемопоэза, и в каждом классе эта тенденция проявляется по-разному. У рыб в паренхиме селезенки выделяется белая (лимфоидная) пульпа, у амфибий в костном мозге появляются стволовые лимфоидные клетки, у рептилий тимус становится центральным органом иммунной системы и в нем из стволовых клеток образуются Т-лимфоциты (Harerama-des B., Rai U., 2001). Только у птиц возникает второй центральный орган иммунной системы - клоакальная (Фабрициева) сумка, в которой из стволовых клеток дифференцируется популяция В-лимфоцитов. Она представляет собой полостной орган и имеет внутри несколько продольных складок. В них располагаются 1-2 ряда лимфо-идных ячеек, паренхима которых дифференцируется на три слоя: кортикальный, где происходит пролиферация и созревание В-лимфоцитов, пограничный и медуллярный, являющийся местом выхода зрелых лимфоцитов. Согласно нашим данным, относительная площадь, занимаемая кортикальным слоем, достигает максимальных значений в ювенальный период (куры - 39,2+1,9 %, голуби - 30,2+2,4 %,

утки - 33,1+5,5 %) и находит свое отражение в усилении бактерицидной активности сыворотки крови в этот период на 5...10 %. Что же касается медуллярного слоя, то относительная площадь, занимаемая им на гистосрезах, достигает максимальных значений к периоду полового созревания (куры - 29,5+1,9 %, голуби - 34,3+1,4 %, утки - 28,3+1,8 %) и связано это, в первую очередь, с возрастной инволюцией клоакальной сумки. Последнее согласуется с данными А. П. Стрельникова (2003) о том, что возрастная инволюция клоакальной сумки начинается с уменьшения кортикального слоя.

Благодаря клоакальной сумке, а также тому, что красный костный мозг птиц не участвует в лимфопоэзе, у птиц происходит полное отделение центрального звена иммунной системы от кроветворения. Подобная тенденция проявляется и в отношении селезенки птиц, паренхима которой дифференцируется на красную пульпу, белую пульпу и маргинальную (пограничную) зону. Согласно нашим данным, красная пульпа на гистосрезах селезенки птиц имеет максимальное значение только в неонатальный период (куры - 52,9+2,2 %, голуби - 47,8+3,1 %, утки - 53,3+5,3 %) и к периоду морфофункциональной зрелости уменьшается в 2,1 раза (куры - 22,3+2,0 %, голуби - 29,4+2,0 %, утки - 20,5+2,4 %). Что же касается белой пульпы, состоящей из лимфоидных образований, то она в не-онатальный период имеет минимальное значение (куры - 16,0+2,6 %, голуби -16,5+2,3 %, утки - 13,4+2,7 %) и достигает максимума к периоду зрелости организма, возрастая в 3,1 раза (куры - 41,7+0,8 %, голуби - 43,1+1,7 %, утки - 53,8+3,2 %). Таким образом, для селезенки птиц в постэмбриональном онтогенезе характерно уменьшение относительной площади, занимаемой красной пульпой, за счет развития лимфоидных элементов белой пульпы. В данном случае можно предположить, что происходит уменьшение числа функций селезенки птиц, что, согласно А. Н. Север-цову (1949), можно рассматривать как эволюционное преобразование органа по пути дальнейшей сегрегации иммунной системы от гемопоэза.

В отличие от птиц, у млекопитающих среди органов иммунной системы остаются «смешанные структуры», где регистрируются как лимфо-, так и миелопоэз. Типичным примером служит красный костный мозг млекопитающих, который является не только органом кроветворения, но и иммунной системы, так как в нем созревает и

дифференцируется популяция В-лимфоци-тов. Как показали исследования Э. А. Ири-сова (1995), у млекопитающих его относительная масса (3,5...5,0 %) почти в два раза больше, чем у птиц (1,7.2,5 %). Аналогичная тенденция отмечается и в отношении селезенки млекопитающих. Согласно нашим данным, красная пульпа селезенки млекопитающих, имея максимальное значение в неонатальный период (крысы -32,4+2,5 %, собаки - 35,9+1,9 %, кролики -48,3+2,9 %), в дальнейшем, в отличие от птиц, не уменьшается и остается на том же уровне (крысы-30,0+1,4 %, собаки-30,1+2,7 %, кролики-40,0+1,2 %). Белая же пульпа селезенки, также как и у птиц, имеет минимальное значение в неонатальный период (крысы-17,7+4,2 %, собаки-13,3+2,7 %, кро-лики-14,9+1,6 %) и достигает максимума к периоду морфофункциональной зрелости организма, возрастая в 3,3 раза (крысы-55,5+2,8 %, собаки - 49,7+1,8 %, кролики -47,0+1,9 %). Таким образом, селезенка у млекопитающих в постнатальном онтогенезе, так же как и красный костный мозг, является не только органом иммунной системы, но и гемопоэза, что согласуется с данными других исследователей (А. В. Кузнецов, 2003). Подводя итоги, следует отметить, что иммунная система млекопитающих, в отличие от птиц, еще не полностью отделена от системы кроветворения, так как имеет в своем составе красный костный мозг и селезенку.

Одновременно с сегрегацией в иммунной системе протекают процессы дифференциации (от лат. differentia - различие), которые в первую очередь затрагивают лимфоидную паренхиму органов иммуногенеза. Вследствие этого лимфоид-ные образования, первоначально единые, разделяются на более или менее обособленные родственные части, что делает работу иммунной системы более эффективной, так как приводит к специализации ее частей.

У миног лимфоидные образования встречаются только в виде диффузных скоплений в области жабер (зачаток тимуса), про-нефросе, кишечнике и селезенке. Что же касается рыб и амфибий, то у них тимус приобретает черты компактного органа и его паренхима дифференцируется на корковую и мозговую зоны, а периферические лимфоидные образования, представленные диффузными скоплениями, уже располагаются очагово в глотке, кишечнике, селезенке и лимфатических сосудах (В. Г. Галактионов, 1998). Дальнейший прогресс в дифференцировке лимфоидных образова-

ний связан с классом рептилий. У них в корковой зоне тимуса, кроме лимфоидных элементов, обнаруживаются эпителиальные клетки, а в мозговой зоне - еще и макрофаги, эозинофилы и моноциты. Что же касается лимфоидных образований периферических органов, то в них при антигенном стимулировании появляются лимфо-идные узелки.

У птиц и млекопитающих паренхима тимуса, в отличие от рептилий, дифференцируется на четыре слоя. Два слоя выделяют в корковой зоне - субкапсу-лярный и кортикальный, и два в мозговой

- медуллярный и периваскулярные пространства, которые являются конечными транспортными путями для тимоцитов. В субкапсулярном слое происходит пролиферация Т-лимфоцитов, в кортикальном

- их созревание, а медуллярный является местом выхода зрелых Т-лимфоцитов. Согласно нашим данным, в неонаталь-ный период наиболее интенсивно развит кортикальный слой (куры - 48,5+3,3 %, голуби - 26,5+2,2 %, утки - 40,0+5,5 %, крысы - 54,0+3,0 %, собаки - 52,9+1,1 %, кролики - 52,0+2,7 %), а в ювенальный (молочный) период - субкапсулярный слой (куры - 14,2+2,6 %, голуби -14,8+2,3 %, утки - 22,5+2,7 %, крысы -10,8+0,6 %, собаки - 9,9+0,4 %, кролики -21,7+2,2 %). Это также отражается на уровне гуморальных факторов иммунитета и приводит к усилению бактерицидных свойств сыворотки крови в ювенальный (молочный) период на 5.10 %. Что же касается медуллярного слоя, то относительная площадь, занимаемая им, достигает максимальных значений к периоду морфофункциональной зрелости организма (куры - 43,6+2,8 %, голуби -40,7+3,6 %, утки - 23,7+3,2 %, крысы -30,0+2,2 %, собаки - 17,7+4,2 %, кролики-35,1+1,7 %), и связано это, в первую очередь, так же как и в клоакальной сумке, с возрастной инволюцией органа.

Кроме того, в медуллярном слое тимуса птиц и млекопитающих обнаруживаются присущие только ему тимические тельца, которые представляют собой концентрические скопления продолговатых и веретенообразных клеток с большим ядром и слабоацидофильной цитоплазмой. Как показали наши исследования, количество телец Гассаля у изученных отрядов птиц и млекопитающих с возрастом увеличивается: у новорожденных в мозговой зоне обнаруживается от 2 до 5 тимических телец, а в геронтологический период их количество возрастает до 100-150.

Что же касается периферических органов иммунной системы птиц и млекопитающих, то среди них наибольший интерес вызывают лимфатические узлы, которые располагаются на путях следования лимфы и представляют собой образования, форма и структура которых сильно отличаются у птиц и млекопитающих (А. И. Шве-давченко, А. С. Суховеров, 2002; А. В. Туманов, 2004). Согласно нашим данным, у курообразных (Gallus domesticus), появившихся около 50 млн лет назад, по ходу лимфатических сосудов обнаруживаются только диффузные лимфоидные скопления; у голубеобразных (Columba livia), предковые формы которых возникли около 40 млн. лет назад, среди скоплений выявляются одиночные лимфоидные узелки, а у гусеобразных (Anas domesticus), появившихся около 30 млн. лет назад, - групповые лимфоидные узелки с центрами размножения, окруженные соединительнотканной капсулой. В каждый лимфоузел уток входит, согласно данным Е. А. Березиной (1984) и нашим исследованиям, только один крупный приносящий лимфатический сосуд и выходит один выносящий. От обоих сосудов внутрь лимфоузла отходят лимфатические синусы, выстланные эндотелием. Пространство между синусами заполнено лимфоидными образованиями, которые дифференцируются на диффузные скопления и узелки. Аналогичная структура лимфоузлов имеется у яйцекладущих млекопитающих (В. Г. Галактионов, 1998). Как показали наши исследования, диффузные лимфоидные скопления обнаруживаются в шейно-грудном лимфоузле уток в неона-тальный период и относительная площадь, занимаемая ими, равняется 13,2+2,4 %. Образование лимфоидных узелков происходит в ювенальный период (10,1+0,7 %), а появление центров размножения в них отмечается в период полового созревания и достигает максимума к периоду морфофунк-циональной зрелости организма (16,4+1,2 %). Таким образом, для шейно-грудных лимфоузлов уток характерна определенная стадийность формирования: в неонаталь-ный период отмечается появление диффузных лимфоидных скоплений, в юве-нальный период - лимфоидных узелков, а в период полового созревания - центров размножения, которые достигают максимального развития к периоду зрелости организма.

У млекопитающих лимфатические узлы достигают своего полного развития и контролируют лимфу, оттекающую не только от внутренних органов, но и от аппарата

движения. Наиболее подробно мы остановились на изучении морфологии нижнечелюстных лимфоузлов, которые располагаются в межчелюстном пространстве под кожей. В каждый лимфоузел входят несколько афферентных лимфатических сосудов и из каждого выходят несколько эфферентных, но количество их, как правило, меньше. Согласно нашим данным, диффузные лимфоидные скопления обнаруживаются в нижнечелюстном лимфоузле в неонатальный период (крысы - 35,0+2,7 %, собаки - 46,8+1,0 %, кролики - 38,9+2,4 %), лимфоидные узелки - в молочный период (крысы - 15,5+2,1 %, собаки - 12,3+2,3 %, кролики - 17,5+2,7 %), а центры размножения в них достигают максимума в период полового созревания (крысы - 30,9+1,5 %, собаки - 28,4+1,9 %, кролики - 20,1+3,6 %). Таким образом, для нижнечелюстных лимфоузлов млекопитающих, так же как и для шейно-грудных лимфоузлов уток, характерна определенная стадийность формирования.

Возникновение новых органов и исчезновение рудиментарных органов, потерявших свое значение, относятся к наиболее трудным морфологическим проблемам эволюционной теории. Новые органы, как правило, возникают всегда в пределах уже имеющихся органов и частей (Север-цов А. Н., 1949). В данном случае, рассматривая возможные пути морфологического прогресса органов иммуногенеза, мы можем говорить о трансформации (от лат. ^апэЮгтаИо - превращение, преобразование) рудиментарных органов (жабры, желточный мешок... ) в органы иммунной системы.

Согласно данным эмбриологических исследований, эпителиальный зачаток тимуса развивается из третьего и четвертого жаберных карманов, а зачаток Фабрицие-вой сумки - из эпителиального выроста клоаки, которая у большинства млекопитающих подвергается редукции (СНек В., 1995). Что же касается периферических органов иммунной системы, то миндалины развиваются из второй пары жаберных карманов, лимфоидный дивертикул - из рудимента желточного мешка, аппендикс -из дистальной части слепой кишки, а железа Гардера - из третьего века, которое так жеу части млекопитающих подвергается редукции (Ре Иего С. е! а1., 2002). Особенный интерес среди перечисленных органов вызывает лимфоидный дивертикул птиц, становление структурной организации которого происходит в неонатальный период.

У птиц лимфоидный дивертикул (дивертикул Меккеля) располагается почти посередине тощей кишки на стороне, противоположной прикреплению брыжейки. Он представляет собой полостной мешкообразный орган, который коротким протоком связан с полостью кишечника. Как показали наши исследования, он обнаруживается у курообразных (Gallus domesticus), появившихся около 50 млн. лет назад, и у гусеобразных (Anas domesticus), возникших около 30 млн. лет назад.

У новорожденного цыпленка (утенка) дивертикул не имеет четких границ и заполнен желтком, который служит питанием цыпленку. По мере потребления желток уменьшается в размерах и к концу неона-тального периода приобретает округлую форму длиной 0,5...1,0 см и диаметром 0,1...0,3 см. Стенка лимфоидного дивертикула состоит из слизистой, мышечной и серозной оболочек. Слизистая оболочка покрыта однослойным цилиндрическим эпителием, который, внедряясь в лимфоидные структуры, образует многочисленные крипты. Согласно нашим данным, относительная площадь, занимаемая криптами, имеет максимальное значение в ювенальный период (куры - 47,1+2,7 %, утки - 43,4+3,8 %) и к периоду зрелости уменьшается в 2,3 раза. Что же касается лимфоидных образований, то диффузные скопления обнаруживаются в лимфоидном дивертикуле в ювенальный период (куры -16,2+2,6 %, утки - 13,7+1,9 %), а формирование лимфоидных узелков в них достигает максимума к половому созреванию, составляя у кур 13,9+2,1 % и уток -16,7+3,2 %. Появление центров размножения в последних происходит в период полового созревания и достигает максимума к периоду морфофункциональной зрелости организма, составляя у кур 16,7+0,6 % и уток - 13,4+1,2 %. Таким образом, с возрастом в лимфоидном дивертикуле птиц отмечается увеличение относительных площадей, которые занимают лимфоидные образования.

У млекопитающих лимфоидный дивертикул располагается в области впадения подвздошной кишки в слепую, но обнаруживается только у зайцеобразных, предко-вые формы которых появились около 45 млн. лет назад. У кролика он имеет овальную форму и обширную полость с входным отверстием, которое соединяется с подвздошной кишкой, и выходным, врастающим сверху в правую стенку слепой кишки. Стенка дивертикула состоит из слизистой, мышечной и серозной оболочек. Слизистая

оболочка покрыта однослойным цилиндрическим эпителием, который, внедряясь в лимфоидные структуры, образует сложно-разветвленные крипты. Относительная площадь, занимаемая криптами на гистосре-зах лимфоидного дивертикула, имеет максимальное значение в неонатальный период (34,1+2,2 %) и к периоду зрелости уменьшается в 1,6 раза (20,8+1,4 %). Что же касается лимфоидных образований, то диффузные скопления обнаруживаются в лим-фоидном дивертикуле в неонатальный период (14,1+1,2 %), а формирование лимфоидных узелков в них достигает максимума к половому созреванию (21,4+2,3 %). Появление центров размножения в последних происходит в молочный период и достигает максимума к периоду морфофункциональ-ной зрелости организма (26,3+2,3 %).

Подводя итоги рассмотрению структурной организации лимфоидного дивертикула, хочется отметить, что этот орган является уникальным, так как служит ярким примером эволюции органов. Если в неонатальный период у птиц он выполняет в основном трофическую функцию, то впоследствии функционирует как периферический орган иммунной системы, синтезируя, согласно данным N. Cornila и L. Diaconescu (1996), иммуноглобулины. В данном случае можно предположить, что происходит смена функции органа, что, согласно А. Н. Северцову (1949), можно квалифицировать как его эволюционное преобразование.

Параллельно с дифференциацией и трансформацией в иммунной системе происходит полимеризация органов (от греч. polys - многочисленный и meristos - делимый), т. е. увеличение в филогенезе числа равноценных гомологичных образований в организме. Этот принцип, сформулированный В. А. Догелем (1954), обеспечивает множественность элементов данной биологической системы и повышает надежность ее работы за счет взаимозаменяемых компонентов. Полимеризация наиболее характерна для периферической иммунной системы. Если у миксин периферическое звено иммунной системы представлено только лимфоидными образованиями селезенки, пронефроса и кишечника, то у рыб и амфибий по ходу лимфатических сосудов появляются лимфатические узлы, а у рептилий в области глотки - миндалины (Roitt I. et al., 2000). Что же касается птиц и млекопитающих, то у них развиваются лимфоидные бляшки, которые располагаются на границе тонкого и толстого отделов кишечника. Кроме этого у птиц

еще имеется железа третьего века, а у млекопитающих - аппендикс.

Таким образом, на основании анализа собственных исследований и данных литературы определены следующие пути морфологического прогресса иммунной системы у позвоночных животных:

1) сегрегация, т. е. отделение органов иммунной системы от кроветворения, на основе которого они возникли;

2) дифференциация, т. е. разделение лимфоидных образований, первоначально единых, на диффузные скопления, лимфо-идные узелки, центры размножения...;

3) трансформация, т. е. преобразование рудиментарных органов в органы иммунной системы;

4) полимеризация, т. е. увеличение числа в филогенезе периферических органов иммуногенеза.