CC BY
62
УДК 616.342-548.1 Вестник СПбГУ. Сер. 11. 2012. Вып. 4
С. А. Варзин, Л. П. Тихонова, А. С. Молостова
НАНОКРИСТАЛЛЫ НЕРВНЫХ КЛЕТОК ЖЕЛУДКА ПРИ ЯЗВЕННОЙ БОЛЕЗНИ ДВЕНАДЦАТИПЕРСТНОЙ КИШКИ
ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет», медицинский факультет
Выявление кристаллических структур («кристаллов», «живых кристаллов») внутри клеток, в их цитоплазме и органеллах, является нечастым событием и представляет собой большой интерес для физиологов и патофизиологов, химиков и биохимиков, врачей клинических специальностей.
Значительно чаще клиницисты встречаются с кристаллами, расположенными внеклеточно, или в просвете выводных протоков желез, или в просвете полых органов. В частности, образование кристаллов Шарко—Лейдена в мокроте при бронхиальной астме связано с распадом белков эозинофилов [1]. При нарушении опорожнения желчного пузыря возрастает вероятность кристаллизации холестерина, что впоследствии приводит к возникновению желчекаменной болезни [2]. Нарушение оттока панкреатического сока также приводит к образованию в протоках поджелудочной железы конкрементов, в основе которых — белковые молекулы и кальций. Проявлением мочекаменной болезни является образование кристаллов оксалата кальция, уратов и фосфатов в мочевыводящей системе [3]. При повышении концентрации мочевой кислоты в различных тканях откладываются кристаллы моноурата натрия, инициирующие развитие микрокристаллического воспаления, манифестирующегося как подагра [4]. Кристаллы моноурата натрия также обнаруживаются в синовиальной жидкости при болезни Лёша—Нихена — редком наследственном рецессивном Х-сцепленном заболевании, обусловленном дефицитом фермента гипоксантин-фосфорибозилтрансферазы [5]. Традиционный интерес медицинской кристаллографии вызывают так называемые «кристаллические артриты». При псевдоподагре в суставах типичны находки кристаллов пирофосфата кальция, при апатитной болезни, в частности, при «милуокском плече» — гидроксиапатита, а при оксалозе — солей щавелевой кислоты [6]. В аспирате из кист щитовидной железы выявляют коллоид, содержащий кристаллы солей [7]. Игольчатые кристаллы были обнаружены в кальцинированных и некальциниро-ванных тканях кардиоваскулярной системы. Необходимо подчеркнуть, что кристаллы оксидов и сульфидов являются первыми минералами, образующимися в процессе минерализации мягких тканей сердечных клапанов и стенок сосудов [8]. При атеросклерозе аорты в ее интимальном слое выявляются атеросклеротические бляшки с ядром из кристаллов холестерина и отложением солей кальция [9]. Существуют и другие аналогичные примеры.
Внутриклеточные кристаллы были впервые найдены в клетках животных.
При экспериментальном отравлении этанолом и фенобарбиталом крыс в их гепа-тоцитах был выявлен ферритин в виде кристаллов голубого цвета [10].
В случае атеросклероза, смоделированного на кроликах, в цитоплазме гепатоцитов вокруг центральных вен определялись кристаллы холестерина [11].
© С. А. Варзин, Л. П. Тихонова, А. С. Молостова, 2012
В 1954 г. S. A. Kuby выделил фермент креатинфосфокиназу в кристаллическом виде из скелетной мышцы кролика [12]. Кристаллические структуры в митохондриях были описаны также в кардиомиоцитах хомяков при миокардиодистрофии [13]. Кристаллы наблюдали в гепатоцитах стройной саламандры, собак, лис и шакалов, в ядре фагоцитарной клетки морского ежа, в эозинофилах и эритроцитах кошки, ооцитах кроликов и др. (рис. 1, а-г) [13]. Также кристаллические включения были найдены в клетках жи-ровог о тела медоносной пчелы [14]. Ward R. T. II. описал гигантские кристаллы белка гексагональной формы в матриксе митохондрий молодых ооцитов Rana pipiens (леопардовая лягушка) [15].
б
Рис. 1. Разнообразные формы кристаллических включений внутри клеток:
а — гепатоциты Ва^аЛозерз аИепиаШз (стройная саламандра), эл. микр., ув. х 19000; б — ядро фагоцитарной клетки АгЬааа рипсШЫа (морской еж), эл. микр., ув. х 8000; д — кристаллы в эозинофильном лейкоците кошки (поперечный (слева) и продольный (справа) срезы), эл. микр., ув. х 80000; е — кристаллы гемоглобина эритроцита в капилляре миокарда кошки, эл. микр., ув. х 48000.
Рисунки взяты из [14].
в
г
Внутриклеточные кристаллы встречаются в ядрах, митохондриях, комплексах Гольджи, в секреторных гранулах и в цистернах эндоплазматического ретикулума.
Кристаллы внутри клеток выявляются и у человека. Морфологи выявили кристаллы в клетках яичек и костного мозга у здоровых людей. Однако кристаллические структуры выявляются в тканях человека значительно чаще при патологии: гемоглобинопатии, аспергиллезе, амилоидозе, бронхиальной астме (в цитоплазме эозинофи-лов — лизофосфолипаза) и др. При гемоглобинопатиях в мазках крови больных обнаруживаются кристаллы мутантного гемоглобина С [17]. В опухолях яичка кристаллы выявляют в клетках Лейдига [18]. Кристаллические структуры в митохондриях были описаны в мышечных биоптатах пациентов, страдающих различными миопатиями, и в миоцитах диафрагмы пациентов с хроническим обструктивным заболеванием легких [13].
Изучая вопрос о кристаллах в живых организмах, нельзя не сказать о кристаллах в клетках растений. Кристаллы оксалата кальция часто встречаются в растительных клетках. Содержание этого вещества в растении может достигать весьма больших величин. Например, у кактусов вида Cactus senilis оно иногда составляет 85% их сухого веса [19].
Также следует сказать о возможности кристаллообразования и в микроорганизмах. В ряде работ была показана способность магнетотактических бактерий к кристаллообразованию внутриклеточно [20]. Данные бактерии обладают свойством трансформировать двухвалентное железо в трехвалентное. Другой микроорганизм, Bacillus thuringiensis, — широко распространенная спорообразующая грамположительная бактерия. В ее цитоплазме имеются кристаллы ß-токсина (Cry-токсина), которые являются инсектицидами по отношению к гусеницам и личинкам многих насекомых [21].
Таким образом, возможность кристаллообразования внутри клетки характерна для всего живого мира — микроорганизмов, растений и животных (классы хордовых, членистоногих, иглокожих и, возможно, другие) и человека.
Описанные кристаллы, безусловно, имеют метаболическое происхождение. Однако в ряде случаев природа кристаллов в клетках растений и животных, несомненно, вирусная.
Впервые данное открытие было сделано русским физиологом растений Д. И. Ивановским, обнаружившим в 1892 г. в листьях, пораженных по типу «табачной мозаики», мелкие кристаллы. Через сорок лет американский вирусолог У Стенли изучил эти кристаллы и доказал, что они представляют собой скопление вируса табачной мозаики [21]. Каждый кристалл состоит из миллионов вирусных частиц [22].
В последующем, при электронно-микроскопическом исследовании ультратонких срезов клеток нервной системы (двигательные нейроны передних рогов спинного мозга) от умерших больных, инфицированных энтеровирусами, были обнаружены цитоплазматические кристаллы [23]. При осложненном течении геморрагической лихорадки с почечным синдромом в цитоплазме эндотелиальных клеток печени и почек человека выявляются кристаллические включения [24].
Мы не смогли найти в литературе сообщений о выявленных кристаллических структурах метаболического происхождения в цитоплазме и органеллах нервных клеток, как центральной, так и периферической нервной системы животных и, тем более, человека. Поэтому мы предлагаем в данной статье свои наблюдения.
Материал и методы. У 15 больных хронической язвой двенадцатиперстной кишки во время хирургического вмешательства на желудке произведено взятие материала из передней стенки желудка (кусочек мышечного слоя). Часть больных оперировалась впервые (8 чел.), им выполнялась либо резекция желудка, либо ваготомия с дренирующей желудок операцией, а другая часть была оперирована по поводу рецидива язвы после одного из вариантов ваготомии. Как правило, в этих случаях выполнялась резекция 2/3 желудка.
Для микроскопического изучения нервных сплетений желудка был применен классический импрегнационный метод Бильшовского—Грос [25]. Электронномикро-скопический метод: фиксацию тканей желудка больных людей производили раствором глютаральдегида на какодилатном буфере (рН = 7,4) иммерсионным способом. После промывания буфером кусочков тканей их повторно фиксировали в 1%-ном растворе четырехокиси осмия на том же буфере. Во время проводки тканей использовали окись пропилена. Материал заливали в эпон-аралдит. Контрастирование срезов производили 2%-ным раствором уранил-ацетата на 70о-ом спирте во время процесса дегидратации и солями свинца по Рейнольдсу.
Поиск вегетативных ганглиев осуществляли на полутонких срезах, окрашенных 1%-м раствором толуидинового синего. Ультратонкие срезы просматривались на блендах и сетках под электронным микроскопом «|ЕМ-100 СХ» (Япония).
Электронномикроскопические исследования выполнялись совместно с сотрудником научно-исследовательской лаборатории электронной микроскопии и гистохимии ВМедА А. П. Ольхиной.
Результаты и обсуждение. Изучение морфологического материала и его трактовка представляют определенные, иногда большие, трудности. Значительную помощь в оценке результатов оказывает опыт ранее выполненной работы [26], в данном случае, эксперимент на животных. В прошлом анализировался светооптический и электрон-номикроскопический материал — нейроны ганглиев межмышечных сплетений желудков 18 взрослых собак. Тогда были описаны морфологические особенности нервных клеток, их органеллы, характеристики нервных ганглиев и межнейронных связей. Для настоящей работы важно подчеркнуть, что нами был показан на рисунках 2 и 3 (фото) механизм образования гранулярного вещества в пластинчатых комплексах Гольджи, который идентичен процессам в нейронах человеческого организма. Кристаллических структур в каналах и цистернах эндоплазматического ретикулума нейронов нами не было выявлено на экспериментальном материале.
Обращает на себя внимание такая особенность пластинчатых комплексов (рис. 2): около них обнаруживается скопление гранулярных пузырьков с электронно-плотным центром и тонким ободком вокруг него. Диаметр пузырьков — 60-120 нм; они видны во всех изученных нейронах желудка. Прослежены этапы образования гранулярных пузырьков: продукт синтеза веществ в каналах зернистого эндоплазматического ре-тикулума виден на конечном этапе своего формирования в мешочках пластинчатого комплекса Гольджи; далее формируется оболочка (ободок) вокруг гранулы — образование гранулярного пузырька и выход его в цитоплазму (рис. 3).
При электронномикроскопическом исследовании у всех больных язвой двенадцатиперстной кишки выявлено два типа нейронов: с морфологическими признаками умеренной и высокой функциональной активности.
Рис. 2. Фрагмент нейрона желудка интактной взрослой собаки.
В цитоплазме — развитый шероховатый эндоплаз-матический ретикулум (Зс), в мешочках пластинчатого комплекса (Пк) — образование оболочки для гранулярного пузырька (Гр). Эл. микр. Ув. х 20000.
Рис. 3. Фрагмент нейрона желудка интактной взрослой собаки.
В мешочке пластинчатого комплекса Гольджи — гранулярное вещество (указано стрелками). Эл. микр. Ув. х 20000.
Для нейронов с признаками умеренной (обычной) функциональной активности (рис. 4) характерны крупные ядра с деконденсированным хроматином, развитые пластинчатые комплексы, эндоплазматический ретикулум (рис. 5), большое количество митохондрий, электронно-плотная цитоплазма, в широких пределах колеблется количество лизосом.
Нейронам с высокой функциональной активностью также свойственны крупные ядра с деконденсированным хроматином и активным зрелым ядрышком, цитоплазма с повышенной электронной плотностью. В то же время имеются и отличия от обычных нейронов: пластинчатые комплексы, митохондрии гипертрофированы и гиперплази-рованы, каналы зернистого эндоплазматического ретикулума (ЗЭС) значительно рас-
ширены. В части нейронов в просвете каналов ЗЭС видна субстанция кристаллической структуры и, как можно полагать, цилиндрической формы (рис. 6), диаметром 60-80 нм. Кристаллическая решетка отчетливо определялась на продольных и поперечных срезах через тела кристаллов. При особом режиме работы электронного микроскопа (интерференционный режим), при пропускании электронного потока через бленды с изучаемым материалом, содержащим кристалл, получены характерные кольца Ньютона, подтверждающие кристаллическую структуру выявленных образований. Кристаллические структуры в каналах и цистернах ЗЭС нами были выявлены как у больных с язвой двенадцатиперстной кишки, не подвергавшихся хирургическому лечению (рис. 6), так и с рецидивом язвы после ваготомии (рис. 7). Важно отметить, выявленные кристаллы по своему поперечному размеру (диаметру) могут быть отнесены к нанокристаллам. К нано- (ультрадисперсным) относят системы, в которых размер морфологических элементов (частиц, кристаллитов и др.) менее 100 нм [27]. На рисунке 8 представлены нейроны с различной электронной плотностью, так называемые «светлые» и «темные» клетки. Следует отметить, что при экспериментальном исследовании у 18 взрослых собак в интрамуральных нервных сплетениях желудка кристаллические структуры в нервных клетках выявлены не были. Следовательно, наличие кристаллических структур в нервных клетках межмышечных сплетений желудка возможно связать с патологическим процессом в организме больного человека — язвенной болезнью двенадцатиперстной кишки.
Рис. 4. Нейрон ганглия межмышечного спле- Рис. 5. Фрагмент нейрона ганглия меж-
тения желудка больного В. с язвой двенадцати- мышечного сплетения желудка больного А.
перстной кишки. с язвой двенадцатиперстной кишки.
Эл. микр. Ув. х 3300. В цитоплазме — развитый шероховатый
эндоплазматический ретикулум (Зс). Эл. микр. Ув. х 8300.
Рис. 6. Кристаллические структуры в профилях каналов эндоплазматического ретикулума нейрона межмышечного сплетения желудка больного С. с язвой двенадцатиперстной кишки.
Срезы кристаллов расположены в продольной и поперечной проекциях к их длиннику. Эл.микр. Ув. х 16000.
Рис. 7. Кристаллические структуры в профилях каналов эндоплазматического ретикулума нейрона межмышечного сплетения желудка больного С. с рецидивом язвы двенадцатиперстной кишки.
Срезы кристаллов расположены в продольной и поперечной проекциях к их длиннику. Эл. микр. Ув. х 26000.
Рис. 8. Несколько нейронов в ганглии межмышечного сплетения желудка больного Д. с рецидивом язвы двенадцатиперстной кишки после ваготомии.
Эл. микр. Ув. х 660.
С учетом данных литературы о возрастании вероятности выявления кристаллов в клетках при наличии у человека различных форм патологии можно думать о нарушении при этом внутриклеточного обмена веществ. Однако отдельные ткани невозможно вычленить из целостного организма как абсолютно автономное образование. Следовательно, выявленные признаки могут свидетельствовать об общем заболевании организма. Известно, что живые кристаллы, находящиеся внутри клеток, формируются, как правило, из белковых молекул в силу разных причин.
Белок может кристаллизоваться в зависимости от строго определенных условий: 1) рН раствора; 2) температуры; 3) количества кристаллизующегося вещества [28].
Белки способны выступать в качестве самостоятельных активных центров кристаллообразования. Белки также могут являться модуляторами кристаллогенеза как протеиновых, так и небелковых элементов биологического субстрата. Множественный характер подобного воздействия представлен в ниже расположенной классификации.
Классификация модуляторов биокристаллогенеза по уровню и силе воздействия [29]:
Модуляторы 0 порядка (геномные): генные мутации; конформационные преобразования генома; трансформация генома.
Модуляторы I порядка (белковые): дефектные белки; конформационная модификация белков; изменение синтеза белка.
Модуляторы II порядка (кристаллизационные, биотические, микроокружение кристаллогенеза): 1) электролитный состав; 2) химические преобразования в гетеро-
генной системе; 3) влияние концентрации и состояния полимерных небелковых молекул.
Модуляторы III порядка (агрегационные, ксенобиотические, макроокружение кристаллогенеза): 1) дезагреганты; 2) водно-электролитный баланс биосреды; 3) антагонизм образующихся гетерологичных кристаллов.
Таким образом, нами впервые показаны кристаллические структуры в эндоплаз-матическом ретикулуме нейронов вегетативных (интрамуральных) ганглиев межмышечного сплетения желудка больных язвенной болезнью двенадцатиперстной кишки. Происхождение описанных кристаллов, вероятно, метаболическое. Наличие кристаллов внутри нейронов было выявлено как до, так и после хирургического вмешательства.
Кристаллы выявлены в микроорганизмах, клетках растений и животных, что свидетельствует о распространенности данного явления в природе. Оно является общим и закономерным для всех живых организмов.
Литература
1. Ackerman S. J., Liu L., Kwatia M. A. et al. (April 2002). Charcot-Leyden crystal protein (galectin-10) is not a dual function galectin with lysophospholipase activity but binds a lysophospholipase inhibitor in a novel structural fashion // J. Biol. Chem. Vol. 277, N 17. P. 14859-68.
2. Васильев Ю. В., Живаева Н. С. Желчнокаменная болезнь и билиарный панкреатит: патогенетические и клинические аспекты // Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология. 2008. № 7. С. 9-17.
3. Голованов С. А., Дрожжева В. В. Кристаллообразующая активность мочи при оксалатном уролитиазе // Экспериментальная и клиническая урология. 2010. № 2. С. 24-29.
4. Елисеев М. С., Владимиров С. А. Применение мелоксикама (Амелотекс®) у больных хронической подагрой с целью профилактики артрита // Современная ревматология. 2011. № 4. С. 49-52.
5. Елисеев М. С., Барскова В. Г. Болезнь Лёша—Нихена: клинические проявления и варианты течения, анализ собственного опыта // Современная ревматология. 2010. № 3. С. 47-52.
6. Чурилов Л. П. Кристаллические артриты // Патохимия. Эндокринно-метаболические нарушения / под ред. А. Ш. Зайчика, Л. П. Чурилова. 3-е изд. СПб.: ЭлБи-СПб., 2007. С. 141-142.
7. Белобородов В. А., Олифирова О. С., Шевченко С. П. и др. Морфологическая верификация рака щитовидной железы // Сибирский онкологический журнал. 2007. № 2. С. 69-72.
8. Ламанова Л. М., Алябьев Ф. В. Методы обнаружения внеклеточных минеральных зерен в тканях сердечно-сосудистой системы // Сибирский медицинский журнал (г. Томск). 2010. Т. 25, № 1. С. 78-83.
9. Окунева Г. Н., Караськов А. М., Чернявский А. М. и др. Участие химических элементов в дисплазии соединительной ткани при аневризме аорты // Патология кровообращения и кардиохирургия. 2009. № 4. С. 28-31.
10. Меденцов А. А., Бухтояров Д. С. Морфологическая характеристика печени и почек крыс с исходно различной реактивностью при комбинированном отравлении этанолом и фенобарбиталом // Современные наукоемкие технологии. 2005. № 10. С. 50-50.
11. Бенеманский В. В., Никифоров С. Б., Ильина В. В. Влияние аллогенных неонатальных ге-патоцитов на липидный обмен, морфологические изменения аорты и печени в условиях гипер-холестеринемии алиментарного и токсического характера // Бюллетень Восточно-Сибирского научного центра СО РАМН. 2005. № 2. С. 167-175.
12. Kuby S. A., Noda L., Lardy H. A. Adenosibe triphosphate creatine transphorylase. I. Isolation of the crystalline enzyme from rabbin muscle // J. Biol.Chem., 1954. Vol. 209. P. 191-201.
13. Makita T., Sasaki K. A possible mode of formation of mitochondrial dense bodies in cardiac muscle of a dystrophic hamster // Cytobios. 1979. Vol. 25, N 99-100. P. 183-192.
14. Don W. Fawcett. The Cell. Its organelles and inclusions (An Atlas of fine structure). Philadelphia and London: W. B. Saunders company, 1966. 445 р.
15. Кузнецов Н.Я. Основы физиологии насекомых. Т. II. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1953. С. 169178.
16. Ward R. T. II. Electron microscopical and Cytochemical Observations of Young and Mature Oocytes // J. Cell Biol. 1962. Vol. 14, N 2. P. 309-341.
17. 2011 Hematology and Clinical Microscopy Glossary.
18. Черепанова Е. В., Лактионов К. П., Анурова О. А., Зотиков А. И. Клинико-морфологиче-ские особенности стероидно-клеточных опухолей яичников // Опухоли женской репродуктивной системы. 2011. № 4. С. 68-72.
19. Васильев А. Е. Кристаллоносные клетки растений // Успехи современной биологии. 2010. Т. 130, № 4. С. 409-425.
20. Мартусевич А. К., Жданова О. Б. Экологический аспект феномена микроорганизм-ассо-циированного кристаллогенеза // Теоретическая и прикладная экология. 2008. № 2. С. 15-22.
21. Höfte H., Whiteley H. R. Insecticidal crystal proteins of Bacillus thuringiensis // Microbiol Rev. 1989. June. Vol. 53(2). Р. 242-255.
22. Архипова Н. Д. Ветеринарная вирусология: учебно-методический комплекс (для студентов, обучающихся по специальности 111201 «Ветеринария». Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, 2008. 47 с.
23. Демина А.В., Маркович Н. А., Нетесов С.В. Энтеровирусы. Ч. 1: История открытия, таксономия, строение генома, эпидемиология // Бюллетень Сибирского отделения Российской академии медицинских наук. 2008. № 1. С. 92-100.
24. Байгильдина А. А., Дубовая Т. К., Лебедева А. И. Материалы докладов X конгресса международной ассоциации морфологов г. Ярославль, 29-30 сентября 2010 г. // Морфология. 2010. Т. 137, № 4. С. 12-229.
25. Фаворский Б.А. Избранные главы гистологии и гистопатологии нервной системы. Л.: Изд-во Воен.-мор. Мед. акад., 1946. 102 с.
26. Варзин С. А. Интрамуральный нервный аппарат желудка до и после ваготомии (клинико-экспериментальное исследование): дис. ... канд. мед. наук. В 2 т. Л., 1987. Т. 1. 194 с.; Т. 2. 109 с.
27. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз / http://www.nanometer. ru/2010/02/04/1265269385583/PR0P_FILE_files_5/ryzhglavi.pdf (дата обращения: 10.08.2012).
28. Петрова Елена, к.ф.м.-н, кафедра полимеров и кристаллов http://phys.sunmarket.com/rus/ about/sovphys/ISSUES-2008/4(64)-2008/64-4/
29. Мартусевич А. К., Камакин Н. Ф., Симонова Ж. Г. Молекулярные механизмы структуро-образования в высыхающих каплях биологических субстратов // Вятский медицинский вестник. 2011. № 2. С. 32-38.
Статья поступила в редакцию 2 июля 2012 г.
