CIRCADIAN RHYTHM OF HISTOCHEMICAL, AUTORADIOGRAPHIC AND CYTOMETRIC INDICES IN MICE HEPATOCYTES AT THE VARIOUS STAGES OF ONTOGENESIS



如何引用文章

全文:

详细

Objective - to study the diurnal organization of the most important parameters of liver cell structure and metabolism in mice during postnatal ontogenesis. Materials and methods. Diurnal changes in the metabolic indices of the liver of mice were studied using cytochemistry and image cytometry. RNA and glycogen were demonstrated by cytochemical methods. The image cytometry was applied for assessing the area of section occupied by liver cells, the volume of the nuclei and nucleoli, nuclear-cytoplasmic ratio, the incorporation of 3H-uridine in hepatocytes, and glycogen content in the liver of mature, presenile and senile mice. Results. Diurnal organization of the liver metabolic parameters was strongly pronounced in mature (adult) age. During this period, the largest amplitudes of the daily dynamics - deviations from the average daily levels - were detected. Mice at the later ontogeny stages (presenile and senile age), compared to adult mice, showed changes in mesor (average daily level), acrophases shifts and reduced amplitudes of measured parameters. Conclusions. The reduction in amplitudes of hepatocyte metabolic parameters indicates the attenuation of the liver functional capacities in the old age and demonstrates age-dependent desynchronosis at the cellular level.

全文:

Представляет интерес комплексное исследование показателей биологических процессов с учетом времени суток в конкретные этапы онтогенеза [2, 3, 12, 15]. Одним из центральных органов, принимающим участие в функционировании организма вне зависимости от его состояния, является печень. Состояние работоспособности печени во многом определяет и компенсаторные возможности организма в целом. Это объясняется тем, что печени принадлежит важнейшая роль в межсистемной кооперации, она является центром обмена веществ в организме млекопитающего, и именно это обусловливает её функциональное значение в качестве основного органа, поддерживающего гомеостаз организма [1, 8, 9]. Суточные (циркадианные) ритмы биологических процессов у птиц и млекопитающих формируются на ранних этапах онтогенеза, достигая высокой степени развития в зрелом возрасте [2, 3, 5, 11, 15]. Показано, что в печени у эмбрионов мышей и мышей первых дней постнатальной жизни, крыс и кроликов не установлено закономерных колебаний показателей внутриклеточного обмена веществ в течение суток [15]. Суточный ритм внутриклеточного метаболизма в печени у мышей и крыс устанавливается только после 3-4-й недели постнатальной жизни. В гепатоцитах низших позвоночных (рыб) в течение суток не прослеживается закономерных колебаний большинства показателей внутриклеточного метаболизма. У амфибий (травяная лягушка) расширен круг показателей обмена веществ, испытывающих закономерный суточный ритм. Однако амплитуды суточного ритма тестов метаболизма невысоки. В клетках печени у рептилий (сухопутных черепах) на фоне низкого уровня обмена веществ отмечается ритм с небольшой суточной амплитудой. Лишь в гепатоцитах теплокровных позвоночных (птиц и млекопитающих) отмечается суточный ритм с высокой амплитудой всех изученных показателей обмена веществ (размер клеток и их ядер, реакции на РНК и «суммарные белки», интенсивность включения цитидина, размеры и число ядрышек) [4]. Полученные данные о прогрессивном развитии суточного ритма обмена веществ в клетках печени в ряду позвоночных как в онто-, так и в филогенезе, позволяют более глубоко и всесторонне изучить биоритмику обменных процессов на поздних этапах онтогенеза. Цель настоящего исследования - изучение суточной организации важнейших показателей метаболизма печени у мышей в постнатальном онтогенезе, включая старческий возраст. Материал и методы. Экспериментальные исследования проводились на самцах мышей (нелинейные животные и мыши линии C57BL/10). В работе использовали возрастную периодизацию лабораторных животных, включающую следующие периоды: молочное кормление, неполовозрелый, репродуктивный и выраженных старческих изменений. Были изучены мыши следующих возрастов: молодого, зрелого, предстарческого и старческого (по 80 животных каждого возраста, всего 320 особей). Исследования проводились 4 раза в сутки: в 3, 9, 15 и 21 ч (по 10 животных на каждую временную точку). В работе соблюдались «Правила проведения работ с использованием экспериментальных животных» в соответствии с этическими принципами, изложенными в Хельсинкской декларации (протокол № 53 от 18.12.2013 г. решения комитета по этике ТГМА). Обезболивание мышей проводили с использованием хлороформа, который подавали индивидуально по капле в специальной камере. В исследованиях на клеточном уровне изучали морфологические показатели обмена веществ в гепатоцитах у мышей с использованием цитохимических методик для выявления РНК (метод Браше), гликогена (ШИК-реакция); цитометрических методик для изучения площади клеток печени, объема ядер и ядрышек, ядерно-цитоплазменного отношения. С целью изучения суточных колебаний синтеза РНК в гепатоцитах у мышей молодого, зрелого и старческого возраста проведено гистоавтографическое исследование с использованием 3Н-уридина (всего проанализировано 7200 клеток печени). Для подтверждения результатов цитохимических исследований проведено изучение содержания гликогена в гомогенатах печени у мышей. В работе применяли программу «Косинор», которая позволяет рассчитать параметры ритма: мезор (среднесуточный уровень), амплитуду (отклонение от мезора), акрофазу (время наибольшего значения показателя). Результаты исследования. Установлено, что у мышей молодого и зрелого возраста в ночные и утренние часы в печени происходит накопление гликогена, увеличение размеров гепатоцитов и их ядер, уменьшение содержания РНК. В дневные и вечерние часы обнаружены противоположные изменения. У нелинейных и линейных мышей репродуктивного возрастного периода по всем исследуемым показателям установлен значимый суточный ритм с высокой амплитудой. Широкий диапазон колебаний показателей внутриклеточного метаболизма печени у мышей зрелого возраста свидетельствует о больших функциональных возможностях печени, ее высокой способности перестраиваться к изменяющимся факторам внешней среды. В онтогенезе у мышей установлены определенные изменения структуры суточных ритмов (мезоров, амплитуд и акрофаз), характерной для репродуктивного периода. Изменения по среднесуточному уровню (мезору) в онтогенезе у мышей весьма разнообразны. Мезоры одних показателей (площадь клеток, объем ядер) увеличиваются на поздних этапах онтогенеза по сравнению со зрелым возрастом, по другим (интенсивность включения 3Н-уридина в ядро, цитоплазму гепатоцитов) - не изменяются или уменьшаются (содержание гликогена в печени). В онтогенезе у мышей изменению подвержены не только мезоры, но и акрофазы суточных ритмов. У мышей С57BL/10 зрелого, предстарческого и старческого возраста площадь клеток печени максимальна в 9 ч. Объем ядер гепатоцитов во все изученные возрасты достигает максимума в ночные и утренние часы (3, 9 ч). Ядерноцитоплазменное отношение в течение суток изменяется неодинаково у мышей в разные возрастные периоды. Так, если у мышей зрелого возраста ядерно-цитоплазменное отношение наибольшее в 21 ч, то у мышей предстарческого возраста - в 3 ч, а у животных старческого возраста - в 15 ч. Наименьшее ядерно-цитоплазменное отношение отмечается у мышей всех возрастов в 9 ч. По содержанию гликогена в печени отмечается эпифазия - запаздывание акрофаз в старческом возрасте относительно зрелого. Анализ амплитуд суточных ритмов позволил выявить общую закономерность их изменений в онтогенезе. Практически по всем исследуемым показателям на поздних этапах онтогенеза амплитуды уменьшаются относительно зрелого возраста (таблица). Обсуждение полученных данных. В 1990-х годах господствовало представление о том, что циркадианные ритмы всех периферийных органов подчинены супрахиазматическим ядрам (СХЯ). В настоящее время доказано, что печень обладает значительной автономией, и на ее цикл в значительной мере влияет периодичность питания. Мыши и крысы - ночные животные, и основной прием пищи у них приходится на темное время суток. Однако, если животные питались только днем, то циркадианный цикл печени сдвигался на 12 ч [14]. Полученные данные свидетельствуют о том, что у мышей молодого и зрелого возраста по всем изученным показателям установлен выраженный суточный ритм с высокой амплитудой. Широкий диапазон колебаний показателей внутриклеточного метаболизма гепатоцитов у мышей репродуктивного возрастного периода говорит о больших функциональных возможностях печени. Анализируя архитектонику суточных ритмов на поздних этапах онтогенеза у мышей, можно сказать, что не всегда происходит изменение мезоров с возрастом или смещение акрофаз. Наиболее общей для изученных показателей закономерностью является уменьшение амплитуд колебаний в старческом возрасте. Затухание осцилляций с возрастом более выражено у линейных мышей по сравнению с нелинейными. Вероятно, обусловленный генетическим полиморфизмом различный индивидуальный биоритмологический статус накладывает свой отпечаток на общую биологическую закономерность, несколько ее гасит и делает менее выраженной. О том, что индивидуальные различия бывают существенными, говорится в работе [6]. У некоторых видов животных высокоамплитудные ритмы в печени сохраняются до старости и взаимосвязаны с высокой продолжительностью жизни [10]. Это доказывает необходимость изучения роли индивидуального биоритмологического статуса у человека и животных, а также необходимость установления роли и степени влияния ведущих факторов синхронизации на суточную динамику показателей жизнедеятельности [13]. Объяснение механизмов возникновения ритмичности биологических процессов в печени у мышей рассмотрено в работе [7]. Полученные в работе результаты указывают на то, что каждому возрастному периоду присуща своя архитектоника суточных ритмов показателей метаболизма печени. Представленные данные на примере различных возрастных периодов онтогенеза у мышей подтверждают сформулированную Г. Д. Губиным концепцию «волчка» [2-4, 11, 12]. Согласно ей, весь онтогенез представляется в форме спирали с постепенно возрастающими ее оборотами (наращивание амплитуд). В зрелом возрасте регистрируются максимальные амплитуды ритмов, а на поздних этапах онтогенеза отмечается сокращение оборотов спирали (затухание осцилляций). Полученные нами хронобиологические данные свидетельствуют о том, что функциональные возможности печени у мышей (которые оцениваются нами в основном по амплитудам ритмов) достаточно медленно уменьшаются на поздних этапах онтогенеза. Следовательно, печень по своим ведущим морфологическим и биохимическим показателям - весьма медленно стареющий орган. Поэтому по мезорам и акрофазам показателей метаболизма печени не всегда выявляются изменения на поздних этапах онтогенеза. Лишь снижение амплитуд колебаний размеров клеток, ядер, ядерно-цитоплазменного отношения, показателей ядрышкового аппарата, включения 3Н-уридина в гепатоциты, содержания гликогена в печени свидетельствуют о затухании функциональных возможностей печени в старческом возрасте. Подробный обзор комплексных механизмов постепенной утраты синхронизации суточной динамики молекулярно-генетических, клеточных, тканевых, системных и организменных процессов на поздних этапах онтогенеза был нами подробно представлен в ряде недавних работ [2, 3, 6, 11, 12]. Таким образом, можно сделать следующие выводы: 1) суточная динамика показателей метаболизма печени у мышей, изученная c использованием цитохимических, цитометрических и гистоавтографических методик, максимально выражена в зрелом возрасте; 2) функциональные возможности печени у мышей медленно уменьшаются на поздних этапах онтогенеза. Печень в соответствии с характером суточных колебаний морфологических и биохимических показателей на разных этапах постнатального онтогенеза - весьма медленно стареющий орган; 3) практически по всем исследованным морфологическим показателям на поздних этапах онтогенеза амплитуды статистически значимо уменьшаются по сравнению со зрелым возрастом, что свидетельствует о снижении функциональных возможностей печени в старческом возрасте. Вклад авторов: Концепция и дизайн исследования: A. М. Д. Сбор, анализ и хронобиологическая обработка материала: А. М. Д., Д. Г. Г. Статистическая обработка: В. П. З. Анализ полученных данных: Н. Я. П. Написание и редактирование текста: С. В. С. Авторы сообщают об отсутствии в статье конфликта интересов.
×

作者简介

A. Durov

Tyumen State Medical University

Email: amdurov@mail.ru
Department of Biology; Department of Physical Culture and Sport Management, Institute of Physical Education 54 Odesskaya St., Tyumen 625023; 6 Volodarskogo St., Tyumen 625003

D. Gubin

Tyumen State Medical University

Email: dgubin@mail.ru
Department of Biology 54 Odesskaya St., Tyumen 625023

N. Prokopiyev

Email: pronik44@mail.ru
Department of Physical Culture and Sport Management, Institute of Physical Education 6 Volodarskogo St., Tyumen 625003

S. Solovyova

Tyumen State Medical University

Email: svsolov@mail.ru
Department of Biology 54 Odesskaya St., Tyumen 625023

V. Zuyevskiy

Khanty-Mansiysk State Medical Academy

Email: zvp_surgut@mail.ru
Department of Biology with Microbiology Course 40 Mira St., Khanty-Mansiysk 628011

参考

  1. Арешидзе Д. А. Морфологические и гистохимические показатели адаптации обменных процессов в гепатоцитах крыс с экспериментальным гипер-и гипопаратиреозом при инверсии светового режима: Автореф. дис. … канд. биол. наук. Ставрополь, 2002. 177 с. [ Areshidze D. A. Morphological and histochemical indicators of adaptation of metabolic processes in hepatocytes of rats with experimental hyper- and hypoparathyroidism due to inversion of the light regime: Avtoref. diss. biol. sciences. Stavropol, 2002. 177 р. In Russ.].
  2. Губин Д. Г., Вайнерт Д. Динамика временной организации в процессе старения. 1. Центральные и периферические механизмы // Успехи геронтологии. 2015. Т. 28, № 2. С. 257-268.
  3. Губин Д. Г., Вайнерт Д. Динамика временной организации в процессе старения. 2. Системные механизмы и способы коррекции возрастного десинхроноза // Успехи геронтологии. 2015. Т. 28, № 3. С. 423-434.
  4. Губин Г. Д., Губин Д. Г. Филогенез и онтогенез как процессы динамики степени неравновесности открытой системы (в свете синергической парадигмы) // Электронный научно-образовательный вестник «Здоровье и образование ХХI века». 2006. Т. 8, № 5. С. 210-211.
  5. Губин Г. Д., Губин Д. Г., Менделян Ш. Закономерности живого как итог цикличности планета Земля в Солнечной системе мира // Успехи современного естествознания. 2008. № 10. С.46-47.
  6. Дуров А. М., Губин Д. Г., Денежкина В. Л., Назаренко М. А. Сравнительный анализ циркадианных ритмов показателей кардиореспираторной системы и биологического возраста у лиц, проживающих на юге и севере Тюменской области // Фундаментальные исследования. 2015. № 1-4. С. 730-734.
  7. Подколюжный Н. А., Твердохлеб Н. Н., Подколодная О. А. Анализ циркадианного ритма биологических процессов в печени и почках мыши // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2017. Т. 21, вып. 8. С. 903-910.
  8. Шилкина Е. С. Циркадные, годовые ритмы функциональных показателей печени в условиях токсичной нагрузки у крыс // Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология. 2016. № 7 (131). С. 56-61.
  9. Шмерлинг М. Д., Белкин В. Ш., Филюшина Е. Е. и др. Морфометрическая характеристика гепатоцитов при адаптации к экстремальным факторам Антарктиды // Морфология. 2008. Т. 134, вып. 6. С. 46-50.
  10. Froy O., Chapnik N., Miskin R. Relationship between calorie restriction and the biological clock: Lessons from long-lived transgenic mice // Rejuvenation Res. 2008. Vol. 11. P. 467-471.
  11. Gubin D. G., Cornelissen G., Weinert D., Vetoshkin A. S., Gapon L. I., Shurkevich N.P, Poshinov F.A, Belozerova N. V., Danilova L. A. Circadian disruption and vascular variability disorders (VVD): Mechanisms linking aging, disease state and Arctic shift-work: Applications for Chronotherapy // World Heart J. 2013. Vol. 5, № 4. P. 285-306.
  12. Gubin D., Weinert D., Bolotnova T. V. Age-dependent changes of the Temporal Order - Causes and Treatment // Current Aging Sci. 2016. Vol. 9, №1. P. 14-25.
  13. Gubin D. G., Weinert D., Rybina S. V., Danilova L. A., Solo vieva S. V., Durov A. M., Prokopiev N. Y., Ushakov P.A. Activity, sleep and ambient light have a different impact on circadian blood pressure, heart rate and body temperature rhythms // J. Chronobiol. Int. 2017. Vol. 34, № 5. P. 632-649.
  14. Stokkan K. A., Yamazaki S., Tei H., Sakaki Y., Menaker M. Entra inment of the circadian clock in the liver by feeding // Science. 2001. Vol. 291. P. 490-493.
  15. Weinert D. Ontogenetic development of the mammalian circadian system // Chronobiol. Int. 2005. Vol. 22, № 2. P. 179-205.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

版权所有 © Eco-Vector, 2018


Периодический печатный журнал зарегистрирован как СМИ Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор): № 0110212 от 08.02.1993.
Сетевое издание зарегистрировано как СМИ Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор): ЭЛ № ФС 77 - 84733 от 10.02.2023.