Патоморфология миокарда крыс

 АННОТАЦИЯ

В статье, на основе изученных научных публикаций, дано подробное описание патоморфологических изменений миокарда крыс при воздействии различных ксенобиотиков, лекарственных препаратов и других повреждающих факторов. Классификация подобных изменений необходима для более точного, обоснованного установления патоморфологических изменений в миокарде опытных животных, при изучение кардиотоксичности при воздействии повреждающих факторов.

ABSTRACT

In the article a detailed description of myocard pathomorphological changes of rats under the influence of various xenobiotics, drugs and other damaging factors is presented based on studied scientific publications. The classification of such changes is necessary for more accurate, valid establishment of pathomorphological changes in the myocardium of experimental animals when studying cardiotoxicity under the influence of damaging factors.

Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) являются лидирующей причиной смертности во всем мире. В начале 20-го века, сердечно – сосудистые заболевания были причиной менее чем 10 процентов всех смертей в мире, то к 2001 году, эта цифра составляла 30 процентов.  Прогнозируется, что смертность от сердечно-сосудистых заболеваний к 2020 году увеличится на 120% для женщин и 137% для мужчин в развивающихся странах и соответственно на 30, 60% в развитых странах [22].

Согласно данным экспертов Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), состояние здоровья населения на 49—53 %  определяется их образом жизни (курение, употребление алкоголя и наркотиков, характер питания, условия труда, гиподинамия, материально-бытовые условия, семейное положение и др.) и на 18—22 % — генетическими и биологическими факторами,  на 17—20 % — состоянием окружающей среды (природно-климатические факторы, качество объектов окружающей среды) и только на 8—10 % — уровнем развития здравоохранения (своевременность и качество медицинской помощи, эффективность профилактических мероприятий) [1]. 

В последнее десятилетие появились убедительные данные о неблагоприятных эффектах влияния ксенобиотиков на сердечно-сосудистую систему (ССС). Первые сообщения о связи химических загрязнителей с одним из значимых факторов риска сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ) — атерогенными дислипидемиями — были опубликованы еще в 80-х годах прошлого столетия. Воздействие таких химических веществ, как полиароматические углеводороды, альдегиды и металлы, увеличивают риск ССЗ путем усиления атерогенеза, тромбоза и повышения артериального давления. Внутриутробное воздействие лекарств, токсинов индуцировали врожденные сердечно-сосудистые дефекты и преждевременное развитие сердечно-сосудистых заболеваний в дальнейшей жизни. Обширные данные свидетельствуют о том, что экологические факторы увеличивают риск сердечно-сосудистых заболеваний [25]. 

Для моделирования токсических эффектов химических веществ на сердечно-сосудистую систему широко используются лабораторные животные [23]. Лабораторные крысы являются наиболее распространенным видом экспериментальных животных для разработки моделей острых и хронических интоксикаций. Важным преимуществом белых крыс как лабораторных животных заключается в том, что они довольно устойчивы к инфекционным заболеваниям и дают большой приплод. Небольшая масса белых крыс, относительно простое содержание и успешное разведение их в лабораторных условиях позволяют проводить массовые опыты [23].

Геном крысы имеет до 90% сходства с геномом Homo sapiens и лишь 10% генов отделяют нас от этого млекопитающего. Однако, у крыс гораздо сильнее, чем у человека развита система детоксикации, поэтому перенос результатов экспериментов на человека требует большой осторожности [8].

Цель нашего обзора установить наиболее частые патоморфологические изменения миокарда при воздействии повреждающих факторов.

Классификация подобных изменений необходима для более точного, обоснованного установления патоморфологических изменений в миокарде опытных животных в эксперименте. Точное и правильное описание морфологических изменений миокарда у экспериментальных животных, имеет огромное значение для понимания патогенеза, механизма взаимосвязи между изменениями структуры и функции.

Сердце располагается в грудной полости и почти полностью окружено легкими и свободно лишь в передне-нижней области.  Сердце половозрелой крысы в среднем весит 1-3 грамма и его масса зависит от массы тела, при этом сердечный индекс (соотношение массы сердца к весу животных) составляет в среднем 0,5-0,7, а у человека 0,004-0,006 [15]. Частота сердечных сокращений, ритмичность регулируются вегетативной и эндокринной системой, гемодинамическими факторами [15].

Кровоснабжение сердца осуществляется за счет левой и правой венечных артерий; они не имеют многочисленных коллатералей. Левая венечная артерия проходит в борозде между левым предсердием и легочной артерией, интрамиокардиально. Крысы не имеют истинной огибающей артерии сердца [33].

Удельная площадь мышечного компонента в среднем составляет 55-65%, стромы (коллаген и эластические волокна) – 30-35% и сосудов 15-17% [6,2].

В миокарде крыс соотношение капиллярной сети и кардиомиоцитов составляет 1:1 [11]. Сердечные фибробласты, кардиомиоциты, эндотелиальные клетки и гладкомышечные клетки сосудов являются основными клеточными компонентами сердца.  У половозрелых крыс сердце  состоит приблизительно из 56% миоцитов, 27% фибробластов, 7% эндотелиальных клеток, и 10% клеток гладкой мускулатуры сосудов [9]. 

Кардиомиоциты в миокарде крыс расположены в виде плотно упакованных параллельных пучков или в пучках с различной ориентацией.  Средняя длина кардиомиоцитов составляет в среднем 133 мкм в 2 месяца,  146 мкм - в 6-9 месяцев,  162 мкр. – в 24-25 месяца. Средняя длина саркомеров  составдляет 1,85; 1,83 и 1,82 мкм в 2, 6-9 и 24-25 мес соответственно [18]. Пресердные кардиомиоциты меньше по площади и более свободно расположены. В основном миокард крыс представлен двуядерными кардиомиоцитами [11]. Структурные изменения сердца крыс связанные с возрастом характеризуются уменьшением количества  кардиомиоцитов, развитием гипертрофии левого желудочка, изменением диаметра камер желудочков. Гипертрофия левого желудочка крыс вызвана интерстициальным фиброзом [20].

Токсикологическая оценка патоморфологических изменений миокарда.

Оценка токсического воздействия на сердце начинается с взвешивания и определения размеров сердца. Необходимо тщательно осмотреть внутренние органы (отек, кровоизлияния), в том числе сердце и сосуды. Закругленная форма сердца – признак желудочковой гипертрофии; увеличение диаметра сосудов – развитие аневризмы [11]. 

Масса сердца в ответ на токсическое повреждение чаще всего увеличивается, в отдельных случаях – отмечается атрофия (уменьшение массы) [11].

Фиксируют ткань сердца в 10% растворе нейтрального формалина. В зависимости от целей эксперимента возможна заморозка или фиксация в других фиксирующих средах (глутаровый альдегид – электронная микроскопия) [18,24]. В зависимости от целей исследование разрезы сердца крыс проводят продольно – перпендикулярно плоскости межжелудочковой перегородки (визуализация клапанов – левого и правого атриовентрикулярных, аортального клапанов). Возможно поперечная обрезка в трех областях – в области основания и в обе стороны от него (оценка степени повреждения стенки желудочков и межжелудочковой перегородки) [18,24].

Для обзорной микроскопии применяют окраску гематоксилином и эозином.  Для выявления липидов  - судан III, амилоида – конго красный, эластических волокон – окраска по Вейгерту, коллагеновых волок – окраска по Ван Гизон [4]. Иммуногистохимическое окрашивание применяется для выявления клеточных и внутриклеточных белков. Например, определение внутриклеточных концентраций коспазы 3 необходимы для индентификации путей аппоптоза; визуализация тропонина – для определения кардиомиоцитов на ранних стадиях некроза [13].

Гипертрофия сердца.

Увеличение массы и размеров сердца может быть связано с отложением амилоида, разрастанием соединительной ткани, отеком, инфильтрацией клеточными элементами, увеличением размеров миоцитов (объем, длина и толщина, площадь). Кардиомигелия может быть локальной или диффузной; цитоплазма увеличенных кардиомиоцитов – гиперэозинофильна с огромными гиперхромными ядрами, часто сочетается с фиброзом в миокарде [5].

Дистрофия, апоптоз и некроз кардиомиоцитов.

1. Гиалиново-капельная дистрофия - цитоплазме кардиомиоцитов появляются гиалиноподобные белковые капли, сливающиеся между собой и заполняющие тело клетки, при этом происходит деструкция ультраструктурных элементов клетки. В миокарде у человека встречается редко [11].

2. Гидропическая дистрофии – характеризуется появлением в цитоплазме кардиомиоцитов вакуолей. Гиалиново-капельная и гидропическая дистрофии нередко представляют собой последовательные этапы нарушений метаболизма белка цитоплазмы в зависимости от преобладания денатурации и коагуляции или гидратации и колликвации цитоплазмы [11]. 

Гиалиново-капельная дистрофия была диагностирована в миокарде крыс в экспериментах при передозировке катехоломинов [13]. Гидропическая дистрофия отмечалась в миокарде крыс при введении доксорубицина [10].

Апоптоз кардиомиоцитов проявляется изменениями ядра – маргинация хроматина (конденсация хроматина по периферии ядра  в виде полусфер или глыбок), конденсация хроматина (проявляется пикнозом ядра), неровность контуров (ядро приобретает лопастный вид с распадом на микроядра); изменения цитоплазмы – изменения окрашивания (базофилия на ранних стадиях и эозинофилия на стадии апоптотических тел), вакуолизация (развивается из-за дилятации гладкой эндоплазматической сети), изменения контуров и фрагментация (на клеточной поверхности появляются вдавления и выпячивания, после чего происходит распад клетки) [5].

При совместном введении эфедрина и кофеина в миокарде крыс был выявлен как апоптоз, так и некроз кардиомиоцитов [16].

Токсическое повреждение может привести к некрозу кардиомиоцитов (коагуляционный, колликвационный), который проявляется в виде кариопикноза, кариорексиса, кариолизиса, цитолиза. Происходит гибель кардиомиоцитов и их фрагментация. В области некроза миокарда – кардиомиоциты гиперэозинофильны (растворение миофиламентов) с патологией ядер или фрагментированы. На ранних стадиях некроз может сопровождаться интерстициальным отеком. В последующем присоединяется клеточная инфильтрация (зависит от токсиканта) – лимфоцитами, плазматическими клетками, нейтрофиллами, эозинофилами, макрофагами [11]. Некроз кардиомиоцитов в миокарде крыс наблюдался в эксперименте при воздействии промышленных аэрозолей [3]. 

Воспалительная клеточная инфильтрация.

Воспалительная клеточная инфильтрация в ткани сердца чаще всего является ответом на некроз кардиомиоцитов, но возможна и без предшествующего некроза. Возможна инфильтрация одним видом клеток или несколькими, чаще всего нейтрофилами, макрофагами или гистиоцитами, лимфоцитами, плазматическими клетками, эозинофилами [11].

Интерстициальный отек миокарда – чаще всего возникает в острых токсикологических исследования и связан с увеличением проницаемости сосудов, повреждением эндотелия и накоплением водных растворов низкомолекулярных белков в интерстициальном пространстве [13]. Интерстициальный отек может быть результатом высокого капиллярного гидростатического давления или нарушения лимфодренажа [13]. Морфологически проявляется расширением интерстициального пространства миокарда, в котором отмечается бледно-базофильный аморфный материал [13].

Тромбоз предсердий (образование тромба в просвете предсердия, чаще левого) связан с повреждение эндотелия миокарда, кровеносным стазом, гиперкоагуляцией или нарушением сократительной функции предсердий. Предсердие расширено и заполнено массой фибрина с примесью лейкоцитов, эритроцитов.  Спонтанный  тромбоз были выявлен у крыс  Fischer 344 [32]. 

Нарушения пигментного обмена в миокарде.

Отложения липофусцина может быть связано с увеличением возраста крыс – спонтанно возникает в возрасте от 6 до 30 месяцев или действием окислительного стресса [28]. Липофусцин откладывается в цитоплазме кардиомиоцитов в виде золотисто-коричневого пигмента [28].

Гемосидерин накапливается в макрофагах или интерстиции в виде желтоватого или красновато-коричневого пигмента после обширных кровоизлияний, системного гемосидероза [12].

Амилоид в виде легких цепей иммуноглобулина или белков острой фазы накапливается в интерстициальном пространстве миокарда, стенках артерий. Окрашивается конго красным [29]. Отложения амилоида чаще наблюдаются у мышей и очень редко у крыс [29].

Нарушения кровообращения.

Наиболее часто в миокарде отмечается венозное полнокровие и интерстициальный отек. При остром воздействии доксорубицина (30 мг/кг) в миокарде крыс отмечалось острое венозное полнокровие с разрывом мелких вен и венул; в артериях и артериоллах был выявлен спазм, плазматическое пропитывание стенки с выраженным периваскулярным отеком [7].

Воздействие токсических веществ на организм опытных животных может вызвать гиперемию или спазм венечных артерий, кровоизлияния в миокарде.  

Установлено, что около 163 лекарственных препаратов способны вызвать инфаркт миокарда, который является следствием спазма коронарных артерий, повреждения эндотелиальной выстилки сосудистой стенки, нарушения реологических свойств крови, активации свертывающей системы крови. Наиболее опасными в этом отношении являются азитромицин, эритромицин, рокситромицин, метоклопрамид, цизаприд, домперидон; бетаметазон; флуконазол; мегестролацетат, эритромицин [14,26]. Экспериментальные исследования показали, что кокаин у лабораторных животных вызывал предсердные и желудочковые аритмии, коронарную вазоконстрикцию и ишемию миокарда [21]. Кровоизлияния и гиперимия,  очаговые разрушения мышечных волокон были выявлены в миокарде крыс при введении доксорубицина (новый противоопухолевый антибиотик) в дозе 2 мг/кг .внутрибрюшинно, еженедельно один раз в течение четырех недель [30].

Поражения сосудов сердца.

Патогенез поражения сосудов ксенобиотиками,  может быть связан с биомеханическим, иммунным или прямым воздействие на стенку сосудов [10]. Чаще всего поражения сосудов (биомеханическое, прямое цитотоксическое действие), в том числе и сосудов сердца, происходит при воздействии лекарственных средств в доклиническом экспериментальном исследовании. Поскольку термины васкулит/артериит  закрепились в клинической медицине, ряд ученых [11], не рекомендует использовать эти термины при описании патологоанатомических изменений при токсическом поражении у экспериментальных животных.

Спонтанное или немедикаментозные поражения сосудов часто выявляется у грызунов  (полиартериит грызунов) и может имитировать токсическое поражение.

Некротическая артериопатия мелких и средних артерий, напоминающая  узелковый полиартериит у человека, хорошо описана у грузынов (брыжеечные артерии) [19].

Поражение мелких и средних артерий, чаще всего отмечается у крыс при воздействии лекарственных препаратов. Тяжелые поражения венечных сосудов в виде инфильтрации моноцитами и макрофагами с очаговыми ишемическими, некротическими изменениями миокарда были выявлены у крыс получавших альдостерон [27].

Облучение экспериментальных животных в  дозе ⩾2 Гр приводит к индукции воспалительных и тромботических молекул в эндотелиальных клетках, что приводит к прогрессирующей потере капилляров и к снижению перфузии миокарда, гибели клеток и фиброзу. В крупных артериях, в дозе ⩾8 Гр, в сочетании с повышенным уровнем холестерина, происходит развитие атеросклероза, нестабильных бляшек, которые склонны к разрыву и могут привести к смертельному сердечному приступу или инсульту. В отличие от этого, дозы <1 Гр.,  ингибируют воспалительную клеточную адгезию и развитие атеросклероза у мышей. Исследователи предполагают, что сердечно - сосудистые эффекты после облучения в низкой дозе, происходят в ответ на нарушения Т-клеточного иммунитета или стойкое повышение системных цитокинов [31].

Анализ данных различных научных исследований свидетельствует, что поражение миокарда вызывают самые разнообразные токсические вещества и повреждающие факторы, в большинстве случаев патогенез таких поражений не выяснен и нуждается в дальнейшем изучении.