Ключові слова: хронічна серцева недостатність, морфогенез, міокард

Хронічна серцева недостатність, що формується при неушкоджених вінцевих артеріях, – це комплексний патологічний процес, в якому беруть участь усі тканинні компоненти міокарда. Наслідком змін на тканинному, клітинному та субклітинному рівнях при роботі серця в режимі компенсаторної гіперфункції є поступове зниження його насосної функції. Це супроводжується гуморально-метаболічними зрушеннями у межах цілісного організму, насамперед, позначаючись на морфо-функціональному стані скоротливого міокарда, перебудова якого стимулюється перманентним перерозподілом функціонального навантаження між кардіоміоцитами (КМЦ), тією чи іншою мірою пошкодженими або, навпаки, адаптованими до роботи в незвичайних умовах. Проте структурно-метаболічні механізми та мозаїчний розподіл різних за ступенем компенсаторно-пристосувальних і деструктивних змін у робочих клітинах міокарда при практично необмеженій гемоперфузії вінцевих артерій потребують цілеспрямованого вивчення, що і визначало головну мету цих досліджень.

Матеріал і методи

Хронічну серцеву недостатність моделювали на кролях масою 2,5–3,5 кг з використанням солянокислого адреналіну та кофеїну за власною методикою. Виведення тварин з експерименту відбувалося через 3–4 тиж після останньої ін'єкції адреналіну, тобто після повного загоєння гострих адреналових пошкоджень міокарда. Для гістологічних і гістохімічних досліджень тканину фіксували 10 % нейтральним розчином формаліну і занурювали в парафін. Гістотопограми серця фарбували гематоксиліном і еозином, за Ван Гізон та Рего, виявляли аргентофільні ядерцеві організатори [9], розподіл SH-груп і вміст РНК [11, 16]. На зрізах із свіжозамороженої тканини визначали активність міозинової Са2+-залежної АТФази, глутамат-(ГФДГ), лактат-(ЛДГ), ізоцитрат-(іЦДГ), малат-(МДГ), сукцинат-(СДГ), гліцерофосфат-(ГлДГ), b-оксибутират-(b-ОБДГ), глюкозо-6-фосфат-(Г-6-ФДГ) – дегідрогеназ, НАДН-, НАДФН-діафораз і цитохромоксидази-(ЦХО), вміст цитруліну, нейтральних жирів, глікогену [5, 8, 10, 12, 20]. Лімфатичне русло серця заповнювали берлінською лазур'ю і вивчали на просвітлених макро-мікроскопічних препаратах. Для електронномікроскопічних досліджень зразки тканини фіксували в 1 % розчині OsO4, занурювали в епон-аралдит за загальноприйнятою методикою, ультратонкі зрізи контрастували уранілацетатом і цитратом свинцю та вивчали за допомогою електронного мікроскопа “ПЕМ-125К” (Україна). Морфометрично визначали об'ємну щільність органел КМЦ і кількість функціональних контактів між ними.

Результати та їх обговорення

Виконані дослідження дозволили детально простежити морфогенез та проаналізувати важливі механізми розвитку міокардіальної недостатності, безпосередньо не пов'язаної з обмеженнями кровотоку по магістральних серцевих судинах. Проте аналіз морфо-функціонального стану мікрорегіональних шляхів постачання і відведення крові з міокарда свідчить про його нечітке, нестабільне, але наявне розмежування на мікрозони адекватної гемоперфузії, артеріальної і, частіше, венозної гіперемії.

Порушення нутритивного кровотоку поєднуються з підвищенням неселективної проникності гістогематичного бар'єру. Незбалансованість процесів фільтрації з кровоносних мікросудин і реабсорбції рідини їх венулярними відділами поглиблюється дисфункцією лімфатичного русла серця, яке перевантажується надлишком рідини в інтерстиції.

Накопичення в міокарді набрякової рідини, що містить метаболічні шлаки та широкий спектр біологічно активних речовин місцевого і екстракардіального походження, має стимулюючий вплив на клітинні елементи сполучної тканини, створюючи умови для розвитку дифузного кардіосклерозу. Дифузне парацелюлярне та параваскулярне накопичення новоутвореної сполучної тканини розмежовує мікросудини і м'язові волокна, погіршуючи умови гемотканинного обміну. Разом з тим розповсюдженим явищем стає втрата зв'язків згрубілого ендомізію з цитоскелетом КМЦ на рівні Z-ліній їх саркомерів.

Якісні зміни в складі, загальній архітектоніці сполучнотканинного каркасу міокарда, порушення його структурно-функціональної консолідації з м'язовими волокнами змінює реологічні характеристики і в'язко-пружні властивості серцевого м'яза. Проте найважливішу складову патологічного процесу, що визначає поступове зниження насосної функції серця, становить перебудова саме скоротливого міокарда, яка відбувається внаслідок постійного перерозподілу функціонального навантаження між працездатними і тією чи іншою мірою пошкодженими КМЦ.

Робота в таких умовах негативно позначається на різних структурно-функціональних системах клітин і, насамперед, на їх енергетичному забезпеченні. Метаболічні зрушення спостерігаються як в анаеробній, так і в аеробній фазі утилізації вуглеводів. Це частково компенсується використанням ліпідів, про що, зокрема, свідчить активація b-ОБДГ. Разом з тим підвищення активності b-ОБДГ є побічним показником зростання в КМЦ рівня вільних жирних кислот, які, пригнічуючи глутаматдегідрогеназу, мають роз'єднувальний вплив на процес окисного фосфорилювання в мітохондріях та обмежують перенесення електронів на початковій ділянці дихального ланцюга, що також погіршує енергетичний баланс клітини [13].

Підґрунтя розладу енергетичних процесів у КМЦ при хронічній серцевій недостатності становлять прискорене зношення структур, що їх забезпечують, надмірне посилення оксидативних процесів і обмеження можливостей для відновлення органел. Морфологічними ознаками цієї ситуації разом зі змінами каталітичної здатності відповідних ензимів є різні варіанти адаптаційної перебудови і пошкодження мітохондрій з їх зростаючим морфо-функціональним поліморфізмом, явищами гіпертрофії, гіперплазії, гіпоплазії, руйнування і зумовленого оксидантним стресом мієліноподібного перетворення органел, що інколи набуває масованого характеру.

Незважаючи на вогнищеве підвищення проліферативної активності мітохондрій, їх об'ємна щільність має чітку тенденцію до зниження. Разом з тим розповсюджені деструктивні зміни і накопичення в КМЦ недосконалих, гіпоплазованих органел призводить до пригнічення їх загальної метаболічної ефективності. Внаслідок цього збереження відносно високого рівня оксигенації тканини поєднується зі зниженням здатності мітохондріального апарата КМЦ до споживання наявного О2.

Як відомо, разом з продуктом каталітичної активності НАДН-, сукцинат- та інших субстрат-оксидазних реакцій і чотириелектронного відновлення кисню до води в мітохондріях, дихальний ланцюг здійснює його одноелектронне відновлення до супероксидрадикалу О2- з подальшим утворенням Н2О2. При цьому темпи її напрацювання при окисненні сукцинату лінійно залежать від концентрації О2, а кількість активних форм кисню, що утворюються мітохондріями разом з АТФ при їх інтенсивній оксигенації значно зростає [1]. Спровокований таким чином “окисний вибух” призводить до дефосфорилювання АТФ, АДФ та АМФ зі зниженням у КМЦ загального вмісту аденіннуклеотидів подібно до того, як це відбувається при гіпоксії [18]. Внаслідок цього в зонах і артеріальної, і венозної гіперемії мітохондрії, що споживають О2- при окиснювальному фосфорилюванні, напрацьовують разом з АТФ і активні форми кисню, які модифікують макромолекули ферментних білків і нуклеїнові кислоти, а також фосфоліпідні мембрани цих та інших органел [19].

Пошкоджені мітохондрії стають постійним джерелом різноякісних, часом досить агресивних побічних продуктів порушеного метаболізму і власних компонентів, що, виходячи з органел, негативно впливають на різні внутрішньоклітинні процеси. Разом з активними формами кисню, гідроперитом, продуктами перекисного окис-нення ліпідів є іони кальцію, який втрачають мітохондрії, підвищення в клітині рівня неутилізованих жирних кислот, апоптогенні фактори цитохром С або локалізований у міжмембранному просторі мітохондрій флавопротеїн, що ініціює конденсацію хроматину [15, 21].

Особливу небезпеку становить здатність цих факторів до взаємостимулюючих ефектів. Так, детергентоподібна дія жирних кислот, що призводить до солюбілізації цитохромів, сприяє розкриванню мітохондріальних Са2+-залежної і неселективної пор для низькомолекулярних речовин, що має роз'єднувальний вплив на окисне фосфорилювання і супроводжується, як підтверджують наші дослідження, пригніченням окиснення сукцинату зі зниженням різниці електричного потенціалу мітохондріальних мембран.

Посилена генерація супероксиду з утворенням активованих форм кисню і Н2О2, з кумулятивним ефектом відносно збільшення протонної провідності внутрішньої мембрани мітохондрій, значно посилює дещо подібний вплив жирних кислот. Обидва фактори знижують функцію іонообмінних механізмів сарколеми і саркоплазматичного ретикулуму (СРП), змінюючи мембранну проникність та здатність органел до накопичення і утримання Са2+, що позначається на скоротливості КМЦ. Пригнічувальна дія ОН-радикалів на Са2+-АТФазу посилюється при дефіциті АТФ, певною мірою зумовленому цим же фактором [22].

Разом з мітохондріями та СПР мішенню для деструктивного впливу стає оболонка лізосом, кількість яких у клітинах помітно зростає, причому зі зрушенням на користь їх вторинних форм. Тривалий “перекисно-жирнокислотний” тиск дестабілізуюче впливає на фосфоліпідну оболонку органел, що підвищує її проникність з дуже суттєвими наслідками для клітини. Трансмембранна дифузія лізосомальних гідролаз і РНКази на відповідних етапах клітинної перебудови цілком здатна призводити до критичного посилення дезінтеграційних процесів у КМЦ. Між поширеністю і загальною вираженістю пошкоджень контрактильного апарату й інших органел КМЦ та ознаками активації лізосомного апарата і розміщенням вторинних лізосом є певна закономірність.

Пов'язана з лабілізацією лізосом пластична недостатність реалізується безпосередньо в саркоплазмі, незважаючи на активацію всіх інших, нуклеарних, механізмів внутрішньоклітинної регенерації. Саме такий її механізм підтверджують констатовані нами ознаки напруженого функціонального стану виповнених еухроматином клітинних ядер більшості КМЦ, гіперплазія і гіпертрофія ядерець за рахунок гранулярного компонента з достовірним, на 27,5 %, збільшенням кількості ядерцевих організаторів, де відбувається реплікація відповідних фрагментів ДНК і синтез рибосом. Разом з тим у саркоплазмі пошкоджених клітин різко зменшується вміст гранул РНП і більш як наполовину знижується інтенсивність залежної від РНКази піронінофілії, що гістохімічно визначає рівень РНК у досліджуваній тканині.

Нездатність КМЦ повністю і своєчасно відновлювати різноманітні пошкодження своїх органел, насамперед, стосується їх контрактильного апарата. В наших спостереженнях це поєднувалося з якісним зрушенням його біохімічного складу і властивостей, таких як зменшення кількості і порушення звичайного розподілу SH-груп, пригнічення активності міозинової АТФази, зниження активності якої разом з обмеженнями в постачанні АТФ, погіршенням функціональних можливостей іонообмінних систем СПР і сарколеми, а також з пошкодженнями міофібрил переважно лізисного типу визначають субстрат погіршення скоротливості КМЦ.

Фактором, що сприяє саме такому перебігу змін у міокарді при хронічній серцевій недостатності, є порушення рівноваги між оксидативними процесами і механізмами антиоксидантного захисту КМЦ. Це безпосередньо стосується поліфункціональної регуляторної системи NO-синтаз, яка водночас зазнає як пригнічувальних, так і стимулюючих впливів ендотеліну, ангіотензину та інших гуморальних факторів загального і внутрішньотканинного походження, що є наслідком зумовленої серцевою недостатністю стресорної ситуації і реакції на неї судинного ендотелію та різних клітин тканинного мікрорайону [2, 14].

Ознакою обмеження стабілізуючих можливостей конститутивних NO-синтаз вважали зниження таких гістохімічних показників їх активності, як пригнічення НАДФН-діафорази на 18 % і зменшення вмісту в КМЦ цитруліну майже на 53 %. Більше того, подібна непропорційність у зниженні каталітичної здатності ензиму і утворенні одного з кінцевих продуктів його активності може свідчити про переключення NO-синтазної системи на напрацювання токсичних для клітини продуктів, що здатне ще більше погіршувати ситуацію [7].

Неоднаковий рівень транспортно-трофічного забезпечення, нерівномірність процесу фібротизації міокарда помітно впливає на перебудову вентрикулярних КМЦ. Внаслідок цього загальне для всіх клітин підвищення функціонального навантаження залежно від мікрорегіональних умов поєднується з не зовсім однаковими можливостями адаптації до них і, відповідно, темпами накопичення дезінтеграційних зрушень. Це призводить до збільшення розмірів одних клітин, атрофії інших з більш чи менш суттєвими змінами загальної архітектоніки КМЦ через нерівномірну гіпертрофію різних органел. В окремих випадках погіршення процесів внутрішньоклітинного обміну провокує поширені лізисні пошкодження контрактильного апарату та інших органел КМЦ або разом з оксидантним стресом ініціює явища апоптозу.

Одним із проявів реакції КМЦ на нові умови функціонування є встановлення міжмембранних контактів мітохондрій або їх роз'єднання в пошкоджених КМЦ зі зниженням на 32 % інтегрованого показника, визначеного нами як коефіцієнт асоційованості мітохондрій [6]. Морфометричний аналіз засвідчив також можливість утворення лабільних контактів не тільки мітохондріями, а й різними мембранними структурами КМЦ, що визначається функціональними потребами клітин. За нашими попередніми дослідженнями, збільшення кількості таких гетеромембранних зв’язків при зростанні навантаження на організм у фізіологічних межах свідчить про адаптаційну спрямованість цієї морфо-функціональної реакції [4].

Ще одним важливим аспектом реагування міокарда на змодельовану патологічну ситуацію є активація в КМЦ разом з пластичною функцією і секреторного процесу. Біологічно активні речовини, що утворюються безпосередньо в серцевому м'язі і поза його межами, в тому числі і як один з проявів системної реакції судинного ендотелію, перманентно впливають на скоротливий міокард, стимулюючи його NО-синтазну та інші регуляторні системи [14, 17]. Морфологічно це позначається поліморфізмом передсердних гранул, що містять передсердний натрійуретичний пептид, явищами гіпертрофії і гіперплазії комплексу Гольджі, різні за об'ємом елементи якого, оточені великою кількістю різних за розмірами і за електроннооптичною щільністю вмісту вакуолями і везикулами, зустрічаються не тільки в перикаріоні, а й будь-якій іншій зоні клітини. Підвищення секреторної активності КМЦ перетворює міокард на джерело біологічно активних речовин не тільки для власного інтерстицію, а і, ймовірно, в масштабах всього організму.

Таким чином, поступове зниження насосної функції серця, що визначає клінічний перебіг хронічної серцевої недостатності, є наслідком того, що компенсаторно-пристосувальні зміни неадекватні дезінтеграційним процесам, які відбуваються в міокарді на тканинному, клітинному та мембранно-молекулярному рівнях. Незважаючи на відсутність будь-яких ознак обмеження прохідності магістральних артерій серця, структурно-метаболічні зрушення в серцевому м'язі і явища кардіосклерозу, що стимулюються компенсаторною гіперфункцією вентрикулярних КМЦ, здатні дискоординувати нутритивний кровоток. У поєднанні з підвищенням проникності гістогематичного бар'єру і недостатністю дренажних механізмів це призводить до формування синдрому недостатності системи мікроциркуляції міокарда, що є суттєвим фактором неоднорідності його перебудови на мікрорегіональному рівні [3].

Порушення гомеостазу внутрішньотканинного середовища з накопиченням у ньому метаболічних шлаків і біологічно активних факторів кардіального і позакардіального походження сприяє прогресуючому перебігу дифузного і дрібновогнищевого кардіосклерозу з кількісними і якісними змінами сполучнотканинного каркасу міокарда, підвищуючи енергоємність скоротливого циклу.

Постійний перерозподіл навантаження між пошкодженими і працездатними КМЦ при нерівномірному транспортно-трофічному забезпеченні міокарда призводить до посиленого зношення їх органел. У клітинах, що більш-менш ефективно пристосовуються до патологічного процесу на відповідному етапі його розвитку, разом з гіпертрофією і гіперплазією мітохондрій, міофібрил, ядерцевих організаторів та інших органел спостерігається лабільне асоціювання мітохондрій, а також встановлюються функціональні гетеромембранні контакти між різними органелами, що вперше констатовано нами в умовах патології. Цілком імовірно, що об'єднання мітохондрій та інших органел здатне сприяти більш ефективному перерозподілу внутрішньоклітинних енергетичних ресурсів у вигляді різниці мембранного потенціалу, коригувати електролітний гомеостаз КМЦ, впливати на розповсюдження інформації, що координує функцію як окремої клітини, так і міокарда на тканинному рівні.

За отриманими даними, при змодельованій серцевій недостатності найбільш вразливою структурно-функціональною системою КМЦ є їх енергетичне забезпечення. Негативні зрушення відбуваються у всіх його ланках, незважаючи на зростаючу потребу клітин у макроергічних фосфатах, як для підтримання на необхідному рівні механічної активності, так і для реалізації всіх інших енергозалежних процесів, включаючи внутрішньоклітинну регенерацію. Головні напрямки інволюційної перебудови вентрикулярних КМЦ за цих умов визначаються пластичною недостатністю і надмірною активацією механізмів внутрішньоклітинного катаболізму, насамперед лізосомного апарата КМЦ, з втратою в певній частині випадків своєї початкової адаптаційної спрямованості.

Однією з ключових патогенетичних ланок процесу незворотного пошкодження клітин слід вважати оксидантний стрес, що, формуючись у міокарді за складною причинно-наслідковою схемою, є фактором цілого каскаду зрушень, наслідками яких стають і пластична недостатність, і явища апоптозу, які далі стають все більш поширеними. Зокрема запуску останнього сприяють накопичення в КМЦ функціонально неповноцінних і пошкоджених мітохондрій з підвищеною мембранною проникністю, метаболічні процеси в яких не повною мірою відповідають досить високому рівню кисневого забезпечення тканини, пригнічення захисної функції NO, порушення електролітного гомеостазу клітин.

Накопичення у КМЦ гідропероксидів та інших продуктів, пов'язаних з оксидантним стресом, які безпосередньо впливають на морфо-функціональний стан ядерного хроматину і мітохондріальної ДНК, активують розгалужену систему цитозольних каспаз, пошкоджують різні органели і цитоскелет, що не тільки сприяє поглибленню пластичної недостатності і поширенню явищ апоптозу, а й руйнує контрактильний апарат КМЦ, порушує взаємодію органел, клітин і позаклітинних структур міокарда в скоротливому циклі, зумовлюючи прогресуючий перебіг патологічного процесу.

Література

1. Виноградов А.Д., Гривенникова В.Г. Генерация супероксид-радикала NADH: Убихинон оксиредуктазой митохондрий сердца // Биохимия. – 2005. – Т. 70. – С. 150-159.
2. Гавриш О.С. Морфогенез гипертрофии серца при хронической коронарной недостаточности // Укр. кардіол. журн. – 2005. – № 9. – С. 233-238.
3. Гавриш А.С. Морфогенез нарушений микроциркуляции в миокарде при хронической ишемической болезни сердца // Кровообіг та гемостаз. – 2004. – № 2. – С. 89-95
4. Гавриш О.С., Вербицький В.В., Шульц Н.В., Труніна І.В. Морфо-функціональна перебудова скоротливого міокарда при субмаксимальному фізичному навантаженні // Вісник Вінницького нац. мед. університету. – 2005. – № 9 (2). – С. 233-238.
5. Гавриш А.С., Воронков Г.С., Лукшин Ю.В. Россия (СССР). Способ фиксации миокарда: А.с. 3672764/28-14 СССР, G 01N1/28/ – №1264037; Заявлено 12.12.83; Опубл. 15.10.86, Бюл. №38. – С. 46.
6. Гавриш А.С., Угаров Б.Н., Трунина И.В. Лабильное ассоциирование митохондрий кардиомиоцитов // Укр. кардіол. журн. – 1996. – № 4-5. – С. 88-91.
7. Зоров Д.Б., Банникова С.Ю., Белоусов В.В. и др. Друзья или враги. Активные формы кислорода и азота // Биохимия. – 2005. – Т. 70, вып. 2. – С. 265-272.
8. Кононский А.И. Гистохимия. – К.: Вища школа, 1976. – 278 с.
9. Лилли Р.Д. Патологическая техника и практическая гистохимия: Пер. с англ. – М.: Мир, 1969. – 645 с.
10. Лойда З., Госсрау Р., Гиблер Т. Гистохимия ферментов. Лабораторные методы: Пер. с англ. – М.: Мир, 1992. – 271 с.
11. Луппа Х. Основы гистохимии: Пер. с нем. И.Б. Бухвалова и Е.Д. Вальтер / Под ред. Н.Т. Райхлина. – М., 1980. – 343 с.
12. Мамаев П.М., Ковалева О.В., Аминева К.Х. и др. Оценка пластической функции кардиомиоцитов методом посеребрения ядрышек у оперированных больных ишемической болезнью сердца // Архив патологии. – 1993. – № 3. – С. 43-45.
13. Мохова Е.Н., Хайлова Л.С. Участие анионных переносчиков внутренней мембраны митохондрий в разобщающем действии жирных кислот сердца // Биохимия. – 2005. – Т. 70, вып 2. – С. 197-202.
14. Попович М.И., Кобец В.А., Тодираш М.П. и др. Изменения активности эндотелиальной системы при экспериментальной недостаточности сердца // Кардиология. – 2005. – № 8. – С. 33-36.
15. Сарис Н.-Е.Л., Карафоли Э. Роль митохондрий в перераспределении внутриклеточного кальция: исторический обзор // Биохимия. – 2005. – Т. 70, вып 2. – С. 231-239.
16. Норе V.T., Vinsent S.R. Histochemical characterization of neural NADPH-diaphorase // Histochem. Cytochem. – 1989. – № 37. – P. 653-651.
17. Kikuo K., Yoshiuki H., Nobuyuki B. et al. Induktion of tetrahydrobiopterin synthesis in rat cardiac myocytes: Impact on cytocine-induced NO generation // Am. J. Physiol.: Heart and Circ. Physiol. – 1997. – Vol. 42. – № 2. – C. 665-672.
18. Lliou J.P., Thollon C., Villeneuve N., Vilaince J.P. Desordres cardiaques induits par la carence en oxygene et par le stress oxidant // Analogies et differences, Reun hiver Soc. Fr. Rech. Radicaux libres. Paris, 16 jan., C. r. sceances Soc. Boil. – 1998. – № 3. – P. 192-569.
19. Litoshenko A. Mitochondria as a cause of aging and age-dependent pathology: Abstr. 2nd Europ. Congr. // Biogerontol: from Molekules to Humans, Saint Petersburg, Aug.25-28. – 2000. – № 5. – С. 24.
20. Mohazzad H., Kamal M., Kaminski P.M., Wolin Michael S. Lactate and PO2 modulate superoxide anion production in bovine cardiac myocytes: Potential role of NADH oxidase // Circulation. – 1997. – № 2. – P. 614-620.
21. O'Rourke Brian Apoptosis. Rekindling the mitochondrial fire // Circ. Res. – 1999. – Vol. 85, № 10. – P. 880-883.
22. Xu Kai Y., Zweier Jay L., Becker Lewis C. Hydroxyl radical inhibits sarcoplasmic reticulum Ca2+ ATPase function by direct attack on the ATP binding site // Circ. Res. – 1997. – Vol. 80, № 1. – Р. 76-81.

Structural and metabolic aspects of adaptive and pathologic myocardial restructuring in chronic heart failure of non-coronary genesis

О.S. Havrysh, N.V. Shulz, О.L. Кіndzerska, V.G. Hadzhynsky, A.V. Duhota

Metabolic mechanisms and mosaic structure of the working myocardial cells differing by level of compensatory and destructive changes, combined with unlimited hemoperfusion of coronary arteries, need special investigation. It was established that accumulation of hydroperoxides and other products of oxidative stress influencing morphofunctional state of nuclear chromatine and mitochondrial DNA, in cardiomyocytes (CMC), activate the developed system of cytosole caspases, injur different organelles and cytoskeleton. This promotes more profound plastic insufficiency and expansion of atoptosis and destroys contractile apparatus of CMC, impairs interrelation of organelles, cells and extracellular structures of myocardium in the cycle of contraction, which determines the progressive course of the pathologic process.