Оксидативный стресс и морфогенез в спинном мозге на этапах старения человека

Морфометрический анализ содержания нейронов в пояснично-крестцовом утолщении СМ продемонстрировал, что этот отдел содержит меньшее количество нейроцитов по сравнению с ростральными отделами (табл. 7). При этом суммарная площадь нейронов прояснично-крестцового утолщения значимо превышала суммарную площадь нейронов шейного утолщения и грудного отдела спинного мозга. Отмеченные топологические особенности позволили прийти к выводу о том, что наиболее дистальные из изученных отделов СМ характеризуются наименьшим количеством нейронов, которые, тем не менее, являются самыми крупными нейроцитами спинального уровня. По-видимому, эти особенности морфологии нейрональных клеток люмбо-сакрального уровня отражают их наиболее высокую устойчивость к процессам возрастной инволюции. Важно подчеркнуть, что в динамике старения человека в пояснично-крестцовом утолщении не только не наблюдалось снижения числа нейронов, но даже регистрировалось значимое увеличение их суммарной площади к старческому возрасту (табл. 7). Вполне возможно, что транзиторное увеличение чувствительности к оксидативному стрессу, продемонстрированное на этом уровне спинного мозга, причастно к активации пластических процессов в нейронах пояснично-крестцового утолщения. Справедливость этого предположения иллюстрируется прямой корреляцией суммарной площади нейронов передних рогов пояснично-крестцового утолщения с площадью тигроида (r_S=0,566; Р=0,006), отражающего функциональную активность гранулярной эндоплазматической сети нейронов (Хэм А., Кормак Д., 1983; Мяделец О.Д., 2002). Аналогичная зависимость наблюдалась в передних рогах грудного отдела спинного мозга (r_S=0,673; Р=0,006). По-видимому возрастное усиление оксидативного стресса в относительно каудальных отделах спинного мозга (грудном отделе и пояснично-крестцовом утолщении) способствует оптимальной редокс-активации транскрипционных факторов (Меньщикова Е.Б. и др, 2006; Drцge W., 2002), обеспечивающих интенсификацию пластических процессов, что наиболее ярко проявляется в нейронах люмбо-сакрального уровня. Стоит добавить, что площадь тигроида в нейронах задних рогов пояснично-крестцового утолщения в 2-3 раза превышала соответствующие показатели цервикального уровня.

Таблица 5

Количество и суммарные площади нейронов и глиоцитов в шейном утолщении спинного мозга человека

Примечания:

1. Количество нейронов и глиоцитов в 0,01 мм³ ткани

2. Суммарные площади нейронов и глиоцитов в мкм² х 10^-2

3. * - достоверные отличия с группой «1-й зрелый»; ⁺ - достоверные отличия с группой «2-й зрелый»; °- достоверные отличия с с группой «пожилой»

Таблица 6

Количество и суммарные площади нейронов и глиоцитов в грудном отделе спинного мозга человека

Примечание: обозначения такие же, как в таблице 5

Таблица 7

Количество и суммарные площади нейронов и глиоцитов в пояснично-крестцовом утолщении спинного мозга человека

Примечание: обозначения такие же, как в таблице 5

Особого внимания заслуживает анализ поздней онтогенетической динамики содержания глиоцитов в изученных отделах спинного мозга. Возрастное изменение числа этих клеток качественно отличалось от соответствующих сдвигов на церебральном уровне (Шемяков С.Е., 2003). В процессе старения человека не только не наблюдалось увеличения числа глиоцитов, но наоборот отмечалось их существенное снижение (табл. 5, 6, 7). В первую очередь это касалось относительно ростральных отделов спинного мозга (шейного утолщения и грудного отдела), где к пожилому и старческому возрастам отмечалось снижение содержания числа глиоцитов нейроэктодермального происхождения. Возрастная убыль содержания астроцитов достигала уровня статистической значимости к старческому возрасту в передних рогах шейного утолщения и боковых рогах грудного отдела спинного мозга (табл. 5, 6).

Позднее отногенетическое снижение числа олигодендроцитов было зарегистрировано только на торакальном уровне, где число этих клеток уменьшалось в пожилом и старческом возрастах в задних рогах, и только в пожилом возрасте в передних рогах (табл. 6). В целом, так же как и в случае с возрастными сдвигами числа нейронов, наиболее заметная возрастная убыль глиоцитов нейроэктодермального происхождения прослеживалась в тех отделах спинного мозга, где наблюдалась наиболее заметная возрастная эскалация оксидативного стресса (табл. 1). Полученные результаты позволяют считать, что МАО-Б зависимый оксидативный стресс оказался более значимым фактором снижения числа глиоцитов, чем Cd,Fe-зависимый оксидативный стресс. Справедливость этого положения иллюстрируется более распространенным уменьшением числа как астроцитов, так и олигодендроцитов именно в грудном отделе спинного мозга, который явился единственным спинальным регионом с отчетливым возрастным увеличением активности МАО-Б (табл. 2).

Динамика содержания астроцитов и олигодендроцитов в пояснично-крестцовом утолщении спинного мозга, наоборот, характеризовалась достоверным увеличением числа этих клеток (табл. 7). Данный сдвиг был отмечен только на уровне передних рогов во 2-м зрелом возрасте и носил транзиторный характер. Прирост числа глиоцитов нейроэктодермального происхождения развивался в период с 36 до 60 лет с последующим снижением до значений 1-го зрелого возраста и сохранением на этом уровне вплоть до старческого возраста.

Оценка возрастной динамики суммарной площади глиоцитов продемонстрировала бульшую распространенность процессов глиальной инволюции, чем анализ числа клеток. Дополнительно было установлено снижение суммарных площадей астроцитов в задних рогах шейного и пояснично-крестцового утолщений спинного мозга, а также во всех рогах грудного отдела спинного мозга к старческому возрасту (табл. 5, 6, 7). Невзирая на то, что темп возрастной убыли числа олигодендроцитов превышал выраженность соответствующих изменений астроцитов, уменьшение суммарной площади олигодендроцитов удалось зарегистрировать только в передних рогах относительно каудальных отделов спинного мозга. Это проявилось достоверным снижением суммарной площади олигодендроцитов в пожилом возрасте на уровне пояснично-крестцового утолщения и в старческом возрасте на уровне грудного отдела спинного мозга. Стоит добавить, что с 56 до 90 лет суммарная площадь олигодендроцитов снижалась также в задних рогах грудного отдела спинного мозга (табл. 6).

Сопоставление топологических особенностей динамики астроцитов и олигодендроцитов с возрастными изменениями устойчивости к оксидативному стрессу подтверждает положение о наибольшей уязвимости шейного утолщения и грудного отдела спинного мозга к апоптоз-индуцирующему действию интермедиатов свободнорадикального окисления. Важно подчеркнуть, что на люмбо-сакральном уровне возрастная интенсификация оксидативного стресса наносила минимальный ущерб астроцитам и, более того, сопровождалась транзиторным увеличением числа астроцитов и олигодендроцитов. Вполне возможно, что накопление продуктов ПОЛ и окислительной модификации белков во 2-м зрелом возрасте связано в оптимальной редокс-регуляцией процессов пролиферации и дифференцировки клеток-прекурсоров астроцитов и олигодендроцитов в пояснично-крестцовом утолщении спинного мозга. Дальнейшее усиление процессов ПОЛ, по-видимому, вызывает апоптоз избытка глиоцитов и способствует снижению их числа с 56 до 74 лет до показателей 1-го зрелого возраста.

Справедливость соображения об апоптотическом механизме возрастной убыли спинальных нейронов подтверждается отсутствием поздних онтогенетических сдвигов числа микроглиоцитов и суммарных площадей этих клеток (табл. 5, 6, 7). Отсутствие возрастной динамики микроглиоцитов, являющихся резидентными макрофагами ЦНС (Маянский А.Н., Маянский Д.Н., 1989; Guillemin G.J., Brew B.J., 2004; Kaur C. et al., 2001; Cuadros M.A., Navascues J., 1998), можно расценивать как морфологическое свидетельство отсутствия воспалительного процесса.

Возрастные изменения клеточного состава изученных отделов спинного мозга сопровождались не только сдвигами активности 1-го и 2-го комплексов электроннотранспортной цепи в нейронах, но и редукцией капиллярного русла. Данная закономерность проявилась в отношении длины капилляров, маркированных щелочной фосфатазой (табл. 8). В наиболее ростральном отделе спинного мозга отмечалась двухфазная динамика этого показателя, с первоначальным нарастанием ко 2-му зрелому возрасту и последующим прогрессивным снижением к старческому возрасту, когда данный показатель достигал минимального значения. Наиболее ярко эти изменения отмечались в задних рогах шейного утолщения, где значимое снижение длины капилляров регистрировалось уже в пожилом возрасте, то есть в те же сроки, когда отмечалась достоверная убыль нейронов (табл. 5). На торакальном и люмбо-сакральном уровнях снижение длины капилляров регистрировалось только к старческому возрасту, что укладывается в рамки положения об относительно высокой устойчивости каудальных отделов спинного мозга к процессам возрастной инволюции.

Необходимо подчеркнуть, что позднее онтогенетическое снижение длины капилляров сопровождалось компенсаторным нарастанием просвета этих сосудов (табл. 8). Самые яркие сдвиги такой направленности были отмечены на уровне задних рогов шейного и пояснично-крестцового утолщений спинного мозга, где процесс возрастной дилатации капиллярного русла отмечался уже начиная с 36 лет. По-видимому, дилатация капилляров эффективно компенсирует позднее онтогенетическое снижение длины этих сосудов. Справедливость этого положения иллюстрируется относительно слабо выраженной возрастной убылью клеток нейроэктодермального происхождения в шейном утолщении и практически отсутствием морфологических проявлений возрастной инволюции в пояснично-крестцовом утолщении (табл. 5, 7).

Таблица 8

Возрастные изменения длины (L), диаметра (d), площади обменной поверхности (S) капилляров, маркированных щелочной фосфатазой и объема капиллярного русла (V) в спинном мозге человека

Примечания:

1. L - суммарная длина капиллярного русла в мм³ ткани; d - средний диаметр капилляров в мкм; S - площадь обменной поверхности капилляров в мм³; V - объем капиллярного русла в мм³

2. * - достоверные отличия с группой «1-й зрелый»; ⁺ - достоверные отличия с группой «2-й зрелый»; є - достоверные отличия с группой «пожилой»; ^# - достоверные отличия с шейным утолщением; ^## - достоверные отличия с грудным отделом.

Полученные результаты позволяют рассматривать возрастные изменения характеристик капиллярного русла как результат эскалации оксидативного стресса в процессе старения человека. Известно, что интермедиаты свободнорадикального окисления, и в том числе вторичные карбонильные продукты ПОЛ, обладают способностью индуцировать апоптоз эндотелиоцитов (Lee J.Y. et al., 2004). По-видимому, данный механизм имеет прямое отношение к редукции капиллярного русла в изученных отделах спинного мозга, где по мере старения человека отмечается существенное накопление липопероксидов (табл. 1). При этом аккумуляция продуктов ПОЛ и окислительной модификации белков в спинальных структурах может рассматриваться как вероятная причина возрастной вазодилатации микрососудов. Такая возможность иллюстрируется данными литературы о способности интермедиатов оксидативного стресса вызывать активацию растворимой гуанилатциклазы в цитоплазме миоцитов стенок артериол, с последующим развитием вазодилатации (Drцge W., 2002). По-видимому, дилатация артериол обусловливает вторичное полнокровие капилляров, сопровождающееся увеличением их просвета.

Подобную компенсацию нельзя признать удовлетворительной, поскольку площадь обменной поверхности капилляров и показатель объема капиллярного русла снижались по мере увеличения календарного возраста (табл. 8). Эта закономерность особенно ярко проявлялась в передних и боковых рогах грудного отдела спинного мозга и в меньшей степени на уровне передних рогов шейного и пояснично-крестцового утолщений. Вполне вероятно, что возрастное снижение емкостных характеристик капиллярного русла спинного мозга не имеет непосредственного отношения к поздним онтогенетическим сдвигам клеточного состава, так как наиболее выраженная убыль нейронов отмечалась в задних рогах изученных отделов спинного мозга (табл. 5, 7). Не исключено, что постепенная возрастная редукция капиллярного русла в передних рогах спинного мозга вызывает развитие эффективной адаптации нейроцитов к циркуляторной гипоксии. В связи с этим следует подчеркнуть, что топология возрастной убыли спинальных нейронов и глиоцитов кардинально отличается от соответствующих изменений при таком нейродегенеративном заболевании, как боковой амиотрофический склероз. Известно, что идиопатическая форма бокового амиотрофического склероза, связанная с накоплением мутантной Cu,Zn-зависимой СОД (Huang Y. et al., 2006), сопровождается нейрональными потерями в передних, но не в задних рогах спинного мозга, как в процессе «нормального» старения.

В целом, результаты проведенного исследования позволяют рассматривать возрастную эскалацию оксидативного стресса как значимую причину изменений клеточного состава спинного мозга в динамике позднего онтогенеза. Онтогенетическая интенсификация процессов ПОЛ и окислительной модификации белков в относительно ростральных отделах спинного мозга обусловливает снижение числа нейроцитов и глиоцитов нейроэктодермального происхождения. Возрастное усиление проявлений оксидативного стресса на люмбо-сакральном уровне, наоборот, связано с активацией пластических процессов в нейронах и транзиторным увеличением содержания астроцитов и олигодендроцитов. Это позволяет рассматривать пояснично-крестцовое утолщение спинного мозга как наиболее устойчивый к возрастной инволюции спинальный регион. Таким образом, онтогенетическое усиление оксидативного стресса является одновременно механизмом возрастной инволюции относительно ростральных отделов спинного мозга и активации пластических процессов его каудального отдела.

ВЫВОДЫ

1. Возрастная инволюция спинного мозга человека связана с онтогенетической эскалацией оксидативного стресса, который проявляется снижением устойчивости липидов к свободнорадикальной атаке, с параллельным увеличением содержания продуктов перекисного окисления липидов и окислительной модификации белков в этом отделе ЦНС.

2. Шейное утолщение и грудной отдел спинного мозга характеризуются наиболее выраженным онтогенетическим усилением оксидативного стресса. Это связано с возрастным снижением активности Cu,Zn-зависимой СОД, а также накоплением кадмия и железа в шейном утолщении и нарастанием активности МАО-Б в грудном отделе в процессе старения человека.

3. Поздняя онтогенетическая интенсификация оксидативного стресса в спинном мозге сопровождается компенсаторным увеличением активности каталазы и содержания ферментно-активного церулоплазмина. Этот процесс обусловливает восстановление устойчивости пояснично-крестцового утолщения к оксидативному стрессу при переходе от пожилого к старческому возрасту, но оказывается недостаточно эффективным для предотвращения дальнейшей эскалации оксидативного стресса в шейном утолщении и грудном отделе спинного мозга.

4. Возрастная интенсификация оксидативного стресса связана с прогрессирующим угнетением НАД-диафоразы и сукцинатдегидрогеназы в спинальных нейронах, где показатели активности этих ферментов достигает минимума к старческому возрасту. Наиболее ярко эта закономерность проявляется на уровне грудного отдела спинного мозга, где снижение активности НАД-диафоразы развивается уже со 2-го зрелого возраста.

5. На фоне интенсификации оксидативного стресса при переходе от 1-го ко 2-му зрелому возрасту в спинном мозге человека наблюдаются адаптивные изменения капиллярного русла. Это проявляется нарастанием показателя длины капилляров в шейном утолщении и увеличением емкостных характеристик этих микрососудов во всех изученных отделах спинного мозга.

6. Интенсификация оксидативного стресса в период с 60 до 90 лет связана с редукцией капиллярного русла, сопровождающейся компенсаторным увеличением емкостных характеристик капилляров. Наиболее ярко эта закономерность проявляется на уровне шейного утолщения, где значимое снижение показателя длины капилляров развивается уже в пожилом возрасте.

7. Возрастная эскалация оксидативного стресса в шейном утолщении и грудном отделе спинного мозга сопровождается прогрессирующим снижением числа нейроцитов и глиоцитов нейроэктодермального происхождения. Умеренно выраженная преходящая активация оксидативного стресса в пояснично-крестцовом утолщении спинного мозга в период с 21 до 74 лет сопровождается транзиторным увеличением содержания астроцитов и олигодендроцитов, а также гипертрофией нейроцитов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Волчегорский, И.А. Сравнительный анализ возрастной динамики активности моноаминоксидазы-Б, ферментов антиоксидантной защиты и устойчивости к оксидативному стрессу в различных отделах спинного мозга человека / И.А. Волчегорский, И.Б. Телешева, В.В. Турыгин // Бюл. эксперим. биологии и медицины. - 2003. - Т. 135, № 1. - С. 49-51.

2. Волчегорский, И.А. Зависимость активности моноаминоксидазы-Б в различных отделах спинного мозга человека от давности наступления смерти и возраста / И.А. Волчегорский, И.Б. Телешева, С.Е. Шемяков, В.В. Турыгин // Судебно-медицинская экспертиза. - 2004. - Т. 47, № 2. - С. 15-16.

3. Волчегорский, И.А. Возрастная динамика содержания кадмия и окислительная модификация белков в разных отделах спинного мозга человека / И.А. Волчегорский, И.Б. Телешева, В.В. Турыгин // Бюл. эксперим. биологии и медицины. - 2004. - Т. 137, № 5. - С. 504-506.

4. Волчегорский, И.А. Возрастная динамика липопероксидации в различных отделах центральной нервной системы / И.А. Волчегорский, С.Е. Шемяков, И.Б. Телешева, Н.В. Малиновская, В.В. Турыгин // Физиология человека. - 2005. - Т. 31, № 2. - С. 108-114.

5. Телешева, И.Б. Возрастная динамика клеточного состава различных отделов спинного мозга человека / И.Б. Телешева // Морфологические ведомости. - 2005. - № 3-4. - С. 100-102.

6. Малиновская, Н.В. Возрастные изменения содержания продуктов липопероксидации в головном и спинном мозге человека / Н.В. Малиновская, И.Б. Телешева // Новые лабораторные технологии в диагностике и лечении заболеваний человека : материалы конф., посвящ. 25-летию ЦНИЛ ЧелГМА. - Челябинск, 2006. - С. 36-39.

7. Телешева, И.Б. Возрастная динамика активности МАО-Б в головном и спинном мозге человека / И.Б. Телешева, Н.В. Малиновская // Новые лабораторные технологии в диагностике и лечении заболеваний человека : материалы конф., посвящ. 25-летию ЦНИЛ ЧелГМА. - Челябинск, 2006. - С. 68-69.

8. Телешева, И.Б. Возрастная динамика содержания нейронов в различных отделах спинного мозга человека / И.Б. Телешева // Актуальные проблемы внутренних болезней: традиционные и психосоматические подходы: материалы межрегион. науч. практ. конф. / под ред. В.В. Белова. - Челябинск, 2006. - С. 182-184.

9. Телешева, И.Б. Возрастная динамика активности церулоплазмина и содержания меди в разных отделах спинного мозга человека / И.Б. Телешева // Актуальные проблемы геронтологии и гериатрии : сб. трудов юбилейной науч.-практ. конф. - СПб, 2006. - С. 217-219.

10. Телешева, И.Б. Возрастные изменения активности супероксиддисмутазы и каталазы в различных отделах спинного мозга человека / И.Б. Телешева // Вiсник наукових дослиджень. - 2006. - № 3. - С. 71-73.

11. Телешева, И.Б. Возрастные изменения активности супероксиддисмутазы и каталазы в различных отделах спинного мозга человека / И.Б. Телешева // Морфологическое состояние тканей и органов в норме и при моделировании патологических процессов : материалы науч.-практ. конф. с международ. участием. - Тернополь : Укрмедкнига, 2006. - С. 141-143.

12. Телешева, И.Б. Возрастные изменения СДГ и НАД-диафоразной активности в спинном мозге человека / И.Б. Телешева // Морфологические ведомости. - 2006. - № 1-2. - С.61-62.

13. Телешева, И.Б. Сравнительный анализ возрастной динамики активности моноаминоксидазы-Б и количества астроцитов в различных отделах спинного мозга человека / И.Б. Телешева // Актуальные вопросы эволюционной, возрастной и экологической морфологии : материалы Всероссийской науч. конф. с международ. участием, посвященной 10-летию медицинского факультета и кафедры анатомии и гистологии человека БелГУ; под ред. Е.Н. Крикуна. - Белгород, 2006. - С. 168.

14. Телешева, И.Б. Динамика морфологических признаков инволюции спинного мозга в процессе старения человека / И.Б. Телешева // Вестник РГМУ. - 2006. - Т. 52, № 5. - С. 68-72.

15. Телешева, И.Б. Морфологические изменения капиллярного русла различных отделов спинного мозга человека при старении / И.Б. Телешева // Вестник РГМУ. - 2006. - Т. 53, № 6. - С. 76-79.

16. Волчегорский, И.А. Зависимость содержания кадмия в различных отделах спинного мозга человека от возраста и давности наступления смерти / И.А. Волчегорский, И.Б. Телешева // Вестник РГМУ. - 2007. Т. 58, № 5. - С. 69-71.

17. Волчегорский, И.А. Оксидативный стресс и морфогенез в различных отделах спинного мозга в процессе старения человека / И.А. Волчегорский, И.Б.Телешева // Сибирский консилиум. - 2007. - Т. 62, № 7. - С. 172.

Размещено на Allbest.ru