HISTOPHYSIOLOGY OF THE TRACHEAL EPITHELIUM IN RATS IN POSTNATAL ONTOGENESIS

Full Text

Многорядный реснитчатый эпителий является сложной тканевой системой, играющей ключевую роль в реализации защитных функций слизистой оболочки воздухоносных путей [4]. В литературе имеются данные об особенностях микроскопического строения [6, 11, 12, 15] и транспортной функции (мукоцилиарный клиренс - МЦК) [5, 7, 10, 14, 16] эпителиальной выстилки трахеи и бронхов в онтогенезе. Однако в большинстве работ отражены лишь отдельные возрастные периоды с использованием не всегда сопоставимого набора методических подходов к исследованию МЦК, не проводилось комплексное изучение количественной динамики структурных и функциональных показателей эпителиальной выстилки трахеи на протяжении всего постнатального развития организма. Цель настоящего исследования - анализ структурных компонентов эпителия трахеи с целью определения основных возрастных закономерностей его развития. Материал и методы. Изучена трахея у 110 белых крыс-самцов линии Вистар в возрастном интервале от момента рождения до 2 лет, находившихся в условиях кафедрального вивария. Распределение животных на возрастные группы проводили в соответствии с периодизацией постнатального развития крыс, предложенной И. И. Западнюк и соавт. [1]: 1) период молочного вскармливания (n=50) - новорожденные (1-2-е сутки, n=20), подсосный период (7-, 10-, 14-, 21-е сутки, n=30); 2) период полового созревания (n=20) - инфантильные (1-месячные, n=10), ювенильные (3-месячные, n=10); 3) репродуктивный период (n=30) - молодые (6-, 8-месячные, n=10), взрослые (12-, 18-месячные, n=20); 4) период отчетливо выраженных старческих изменений (n=10) - старые (24-месячные). Прижизненное изучение функционального состояния реснитчатого эпителия (частота биения ресничек - ЧБР, скорость движения слизи) осуществляли у наркотизированных животных (уретановый наркоз, 1000 мг/кг, внутрибрюшинно) согласно детально описанному ранее комплексному алгоритму [3]; после завершения экспериментов животных декапитировали. Для гистологического исследования фрагменты трахеи, иссеченные во время прижизненных наблюдений из краниальных и каудальных отделов, фиксировали смесью Буэна и заливали в парафин; срезы толщиной 3-5 мкм окрашивали гематоксилином-эозином и ставили ШИК-реакцию с последующей докраской гематоксилином. Средние значения высоты реснитчатых клеток и длины их ресничек у каждого животного рассчитывали на основании измерения в 5 равноудаленных точках по внутреннему периметру трахеи с помощью винтового окулярного микрометра МОВ-1-15х (ЛОМО, Россия) при иммерсионном увеличении микроскопа (об. 90, ок. 10). Частоту встречаемости основных типов эпителиоцитов в пласте определяли в процентах на основании подсчета 1-2 тыс. клеток в эпителии у каждого животного. Цифровой материал обрабатывали методами вариационной статистики. Объективную периодизацию постнатального развития эпителия производили путем центрирования выровненных кривых с последующим вычислением коэффициента вариации (C) центрированных ординат аппроксимирующих значений изученных показателей в каждой временной точке; сроки, соответствующие наиболее резким изгибам полученной интегральной кривой, принимали за границы периодов [2]. Результаты исследования. Трехея у новорожденных крыс выстлана двухрядным эпителием, в составе которого обнаруживаются реснитчатые и базальные клетки, однако преобладающим типом являются эпителиоциты без признаков специфической дифференцировки (рис. 1, а). Среди последних обнаруживаются клетки, в апикальных частях которых накапливаются ШИК-позитивные гранулы, по всей вероятности, это - предшественники бокаловидных экзокриноцитов. В течение последующих 2 нед количество реснитчатых клеток существенно возрастает (см. рис. 1, б), часть недифференцированных элементов делятся митотически (см. рис. 1, в). К концу 1-го месяца формируется типичная структура многорядного реснитчатого эпителия, в котором можно впервые идентифицировать бокаловидные экзокриноциты (см. рис. 1, г, д). В составе окончательно дифференцированного эпителиального пласта (см. рис. 1, е, ж) выявляются реснитчатые, базальные и бокаловидные клетки. Последние имеют вытянутую форму и содержат в надъядерной части различное количество ШИК-позитивных гранул. Другие разновидности эпителиоцитов (щеточные, вставочные, безреснитчатые, эндокриноциты) на уровне световой микроскопии при использованных методах окраски отдельно не дифференцировались и при подсчетах были объединены в общую группу промежуточных немерцательных клеток. У стареющих и старых животных (18-24-месячных) эпителий в полной мере сохраняет дефинитивную структуру, однако в нем регулярно встречаются участки гипертрофированных реснитчатых эпителиоцитов, а также гибнущие клетки со сморщенной оксифильной цитоплазмой и ядрами с краевой конденсацией хроматина (см. рис. 1, з). Реснитчатые клетки. В течение 1-го месяца после рождения доля реснитчатых клеток в эпителиальном пласте увеличивается в 2,3 раза по сравнению с таковой у новорожденных и достигает 42%. Во все последующие возрастные периоды данный показатель сохраняется на уровне 45-50%. При этом на протяжении 1-го года содержание клеток данного типа в каудальном отделе трахеи в среднем в 1,1 раза выше, чем в краниальном (Р<0,05), у крыс в возрасте 18 и 24 мес эти различия нивелируются (таблица). С возрастом закономерно меняются и морфометрические характеристики реснитчатых эпителиоцитов. По сравнению с новорожденными наиболее выраженный рост высоты клеток отмечен в течение 1-го месяца - в 1,7 раза; на этом уровне данный показатель сохраняется до 3 мес, после чего возрастает до 2,0-2,1 к 12 и 18 мес, достигая максимальных значений (2,2) у 2-летних животных. Пропорционально увеличению высоты клеток происходит и рост длины их ресничек (r = +0,96; Р<0,05). Данный показатель увеличивается с 2,5 мкм у новорожденных до 4,3 мкм к 3 мес (+70%), после чего стабилизируется на уровне 4,3-4,5 мкм во все последующие возрастные периоды. Значимых различий изученных показателей между краниальным и каудальным отделами трахеи не выявлено (см. таблицу). ЧБР максимальна (15 Гц) у новорожденных животных, в репродуктивном возрасте (6-12 мес) данный показатель снижается на 23-25% (11,3- 11,7 Гц), к концу репродуктивного периода и у старых животных (18-24 мес) отмечено повышение мерцательной активности на 13% по сравнению с таковой у 12-месячных до уровня 12,8-12,9 Гц. Визуальный анализ видеофайлов показал, что у новорожденных животных быстрые биения коротких ресничек не имеют отчетливо выраженного волнообразного характера; появление классического цикла движения ресничек с выделением возвратной и эффективной фаз можно наблюдать начиная с 10-х суток постнатального развития; в возрасте 18-24 мес волнообразный характер движения длинных ресничек в возвратной фазе имеет наиболее сложную структуру (рис. 2). Бокаловидные клетки. По сравнению с 1-месячными животными (возраст появления в пласте морфологически идентифицируемых бокаловидных экзокриноцитов) доля клеток данного типа у 3-12-месячных снижена до 81-84%, у 18-и 24-месячных крыс она резко возрастает (в 1,4-1,5 раза по сравнению с таковой у новорожденных и в 1,7-1,8 раза - у 12-месячных животных). Статистически значимое преобладание бокаловидных клеток в краниальном отделе трахеи отмечено только у 1-месячных животных, во все остальные изученные сроки значимых региональных различий данного параметра не зарегистрировано (см. таблицу). Базальные и промежуточные нереснитчатые клетки. Содержание базальных клеток максимально (19-21%) в течение 1-х двух недель жизни, в возрастном интервале 1-12 мес данный показатель стабилизируется на уровне 14-16% и достигает минимальных значений (11-12%) у стареющих и старых животных. Промежуточные клеточные элементы отчетливо преобладают (63%) у новорожденных, на 14-30-е сутки их доля снижается до 42-43% и стабилизируется на уровне 22-25% в возрастном интервале 3-12 мес; наименьшее содержание данного типа клеток (17%) обнаружено у животных в возрасте 18 и 24 мес. Скорость движения слизи (СДС). У новорожденных животных направленного движения слизи не зарегистрировано, впервые МЦК удается определить у 2-недельных крыс. В дальнейшем возрастная динамика данного интегрального показателя эффективности сочетанной деятельности реснитчатых и бокаловидных клеток в составе эпителиального пласта имеет 2-фазный характер: минимальный уровень (0,03-0,04 мм/с) сохраняется на протяжении 1-го месяца постнатального развития, после чего следует подъем к 3-му месяцу и стабилизация на уровне 0,10- 0,13 мм/с в течение всей последующей жизни животного. Максимальные значения данного параметра (0,12-0,13 мм/с) зарегистрированы у стареющих и старых животных. Результаты корреляционного анализа свидетельствуют о наличии тесной прямой зависимости между величинами СДС и морфометрическими параметрами реснитчатых эпителиоцитов (высота клетки, длина ресничек): соответствующие значения коэффициента корреляции Пирсона составили +0,79 и +0,83 (P<0,05). Объективная периодизация процесса. Анализ динамики величины коэффициента вариации (С )v центрированных ординат аппроксимизирующих значений изученных количественных показателей в каждой временной точке позволил выделить закономерную фазность в постнатальном развитии эпителия трахеи (рис. 3): 1. Период активной дифференцировки (новорожденные - 3 мес). Cv снижается с максимальных значений (60%) до минимума (11%). В этот период наиболее активно развиваются морфогенетические процессы, приводящие к формированию дефинитивной структуры эпителиального пласта. Внутри данного периода можно выделить фазу активной структурной дифференцировки (1-30 сут) и фазу становления эффективной функции мукоцилиарного транспорта (1-3 мес). 2. Период структурной и функциональной зрелости (3-24 мес). В интервале 6-12 мес C поддерживается на уровне 14-17%, v у стареющих и старых животных - возрастает до 27-30%. Это дает основания выделить внутри данного периода фазы стабилизации количественных показателей (3-12 мес) и максимальной зрелости (18-24 мес) эпителиального пласта. Для последней характерны наиболее высокие значения морфометрических показателей реснитчатых клеток, частоты встречаемости бокаловидных клеток и скорости движения слизи, а также минимальные уровни содержания в эпителиальном пласте базальных и промежуточных клеток. Обсуждение полученных данных. Морфогенетические процессы формирования многорядного реснитчатого эпителия трахеи у крыс наиболее активны в течение 1-го месяца после рождения, наблюдаемые изменения в целом совпадают с данными литературы применительно к воздухоносным путям лабораторных животных и человека [6, 11, 12, 15]. Ведущими тенденциями, обеспечивающими созревание мукоцилиарного аппарата, являются активный цилиогенез в недифференцированных элементах, приводящий к увеличению (особенно в первые 2 нед) содержания реснитчатых клеток, и дифференцировка бокаловидных экзокриноцитов. Как следствие этого, к концу 1-го месяца жизни частотные и размерные характеристики реснитчатых клеток приближаются к таковым у половозрелых животных. ЧБР максимальна у новорожденных животных. Данный феномен, характерный для воздухоносных путей экспериментальных животных и человека [7, 10, 14, 16], в сочетании с отсутствием движения слизи в момент рождения отражает незрелость не только реснитчатых клеток, но и всего мукоцилиарного аппарата в целом. По мнению ряда авторов, появление устойчивого МЦК возможно только после достижения минимального (25-30%) содержания реснитчатых клеток в пласте [7, 16], наши данные подтверждают такую точку зрения. Необходимо отметить, что структурная дифференцировка эпителия по времени опережает функциональную: скорость движения слизи скачкообразно (в 2,5 раза) возрастает и достигает таковой у половозрелых животных только к 3-му месяцу. Очевидно, к этому возрасту окончательно созревает не только реснитчатый, но и секреторный компонент мукоцилиарного аппарата: в эпителиальном пласте стабилизируется количество бокаловидных клеток, формируются и гистохимически дифференцируются железы трахеи [12, 13]. В возрасте 6-12 мес мукоцилиарный аппарат трахеи достигает структурной и функциональной зрелости. Наиболее активны каудальные участки трахеи: в них содержание реснитчатых клеток и ЧБР оказались в среднем в 1,1 раза выше, чем в краниальных. Исходя из наших данных, существующие в литературе точки зрения о преобладании мерцательной активности в краниальных отделах трахеи или отсутствии региональных различий, основанные на измерении ЧБР непрямыми методами [9, 10], нуждаются в корректировке. К концу репродуктивного периода (18 мес) и у старых 24-месячных животных количественные параметры реснитчатых клеток превышают соответствующие значения у 12-месячных крыс, возрастает содержание бокаловидных клеток, скорость движения слизи достигает максимальных значений. Все это свидетельствует о сохранении при старении высокого уровня структурной и функциональной зрелости эпителиального пласта. Полученные результаты не совпадают с наблюдениями ряда авторов снижения при старении активности мукоцилиарного транспорта в трахее мышей, морских свинок и носовой полости человека [5, 8, 10]. В основе этих различий, кроме видовых особенностей, могут лежать неодинаковые методические подходы к изучению мерцательной активности, у человека нельзя исключить и влияние на изученные функциональные показатели дополнительной возрастной патологии. В то же время, есть основания говорить о снижении компенсаторных резервов эпителиальной выстилки в данный возрастной период: содержание базальных (камбиальных) элементов уменьшается до минимальных значений, возрастает количество гипертрофированных реснитчатых клеток и элементов с морфологическими признаками гибели, нивелируются выявляемые у животных репродуктивного возраста региональные различия между краниальным и каудальным отделами. В пользу такой точки зрения свидетельствуют и наблюдения J. C. Ho и соавт. [8] о накоплении при старении частоты ультраструктурных дефектов микротрубочек мерцательных ресничек. Результаты исследования свидетельствуют о тесной взаимосвязи процессов структурной и функциональной дифференцировки реснитчатого эпителия воздухоносных путей, обеспечивающих эффективную работу мукоцилиарного аппарата на протяжении всей жизни организма.

About the authors

A. V. Pavlov

Yaroslavl’ State Medical Academy

Email: pavlov@yma.ac.ru

L. I. Yesev

Yaroslavl’ State Medical Academy

References

Supplementary files