Сердечная недостаточность (СН) является фатальным осложнением многих заболеваний сердца, как коронарогенных, так и не связанных со стенозом коронарных артерий. Несмотря на то что клинические проявления СН хорошо изучены, морфологические ее показатели на тканевом, клеточном и субклеточном уровнях описываются неоднозначно. Существуют данные, что СН может быть связана с гибелью определенной части кардиомиоцитов (КМЦ), гипертрофией оставшихся КМЦ и дальнейшим ремоделированием ткани миокарда и сердца в целом [1—3].
Целью настоящего исследования было выявление гистологических и ультраструктурных признаков СН на фоне ишемической, дилатационной, гипертрофической, алкогольной, диабетической кардиомиопатий (КМП), аритмогенной дистрофии правого желудочка (АДПЖ), хронического миокардита (ХМ).
Материал и методы
Изучены биоптаты сердца, полученные во время диагностической эндомиокардиальной биопсии у больных с различными формами КМП — ишемической, алкогольной, дилатационной, диабетической, гипертрофической, АДПЖ, ХМ. У всех больных (25 мужчин в возрасте от 30 до 60 лет) отмечались клинические признаки СН (IIА—Б). В качестве группы сравнения изучали биоптаты миокарда 5 мужчин с хроническим алкоголизмом в возрасте 27—35 лет, у которых не было обнаружено признаков алкогольной КМП и клинических проявлений СН.
Биоптаты эндомиокарда из правого или левого желудочков и межжелудочковой перегородки были префиксированы в забуференном параформальдегиде, постфиксированы в четырехокиси осмия, дегидратированы в спиртах возрастающей концентрации и залиты в Аралдит. Полутонкие и ультратонкие срезы готовили на ультрамикротомах фирмы LKB и Reichert. Полутонкие срезы толщиной 1 мкм после удаления смолы окрашивали гематоксилином и эозином, ультратонкие толщиной 50—70 нм контрастировали уранилацетатом и цитратом свинца. Анализ полутонких срезов проводили с помощью микроскопа, ультратонкие срезы просматривали и фотографировали в электронных микроскопах. Измерения проводили в биоптатах больных дилатационной КМП с использованием компьютерной программы Image Pro.
Результаты
При изучении полутонких срезов обращало внимание увеличение размеров КМЦ у больных с СН (рис. 1, а), средний диаметр КМЦ у больных дилатационной КМП составил 23,4±0,7 мкм и достоверно отличался от диаметра КМЦ группы сравнения (17,4±0,5 мкм ; р<0,01). КМЦ имели крупные ядра, иногда два ядра. Практически у всех пациентов имелись склероз и утолщение эндокарда, интерстициальный склероз и фиброз, у больных с диабетической и алкогольной КМП в интерстициальной ткани наблюдались островки жировой ткани. В толще фиброзной ткани встречались «замурованные» некротизированные КМЦ (рис. 1, б). Количество капиллярных сосудов было сниженным и в группе дилатационной КМП составляло 1432±185 на 1 мм2, в группе сравнения — 2678±254 на 1 мм2 (р<0,02).
Электронно-микроскопическое изучение эндомиокардиальных биоптатов показало, что в резко гипертрофированных КМЦ при всех изученных заболеваниях и СН появлялись большие скопления просветленных мелких митохондрий, занимающие значительную часть КМЦ, сократительные органеллы — миофибриллы –были оттеснены на периферию, имели атрофичный вид (рис. 2, а). В ядрах некоторых КМЦ можно было наблюдать мелкие митохондрии и липофусциновые включения (рис. 2, б).
Встречались апоптотически измененные КМЦ и отдельные апоптотические тела. У больных ХМ, АДПЖ, диабетической и дилатационной КМП можно было наблюдать экструзию ядра за пределы КМЦ, что, безусловно, приводило к гибели клеток.
В КМЦ, особенно у больных с АДПЖ, встречались крупные вакуоли, содержащие остатки органелл КМЦ, — аутофагосомы (рис. 3, а). Имелись накопления липофусцина, белковые конгломераты. В вакуолях, окруженных двойной мембраной, обнаруживались «юные» митохондрии (рис. 3, б). В некоторых КМЦ в околоядерной зоне и между миофибриллами встречались гранулы, по своей структуре напоминающие предсердные.
У больных с диабетической и ишемической КМП часто встречались КМЦ небольших размеров, миофибриллы которых не имели характерной поперечной исчерченности. В этих КМЦ отмечались значительные скопления β-гликогена, мелкие просветленные митохондрии с отсутствием или малым количеством крист; эти структурные характеристики напоминали фетальные КМЦ.
Количество КМЦ на единицу площади среза у больных с СН по сравнению с контрольной группой было визуально уменьшенным. Распространенность описанных изменений коррелировала со степенью недостаточности кровообращения.
Обсуждение
Прежде всего стоит напомнить, что КМЦ относятся к постмитотическим клеткам. КМЦ – это стабильная клеточная популяция, они не возобновляются, хотя возможен митоз, в результате которого не возникает двух клеток, а только возрастают плоидность ядер и степень гипертрофии КМЦ. В нашем исследовании показано, что диаметры КМЦ возрастали, хотя в большом количестве КМЦ, несмотря на увеличенный диаметр клетки, гипертрофия имела характер «несостоятельной гипертрофии»: в КМЦ накапливались мелкие, деструктивно измененные, явно деэнергезированные митохондрии, а органеллы, осуществляющие сокращение КМЦ, — миофибриллы, — были оттеснены на периферию и выглядели атрофичными. В норме митохондрии КМЦ имеют эллиптическую форму, содержат большое количество поперечных крист, электронно-плотный матрикс. Они упорядоченно рядами располагаются между миофибриллами, а также в перинуклеарной зоне и под сарколеммой. В нашем исследовании нарушалось характерное расположение этих органелл в КМЦ, огромные их массы практически «переполняли» КМЦ. Резкое увеличение числа митохондрий приводило даже к появлению органелл внутри ядра, что, вероятно, происходило во время митоза, митохондрии случайно захватывались во время восстановления ядерной мембраны.
Количество КМЦ на единицу площади среза визуально уменьшалось, что было связано не только с увеличением размеров КМЦ, но и с тем, что значительная часть КМЦ погибала за счет некроза, апоптоза, экструзии ядра за пределы КМЦ. Часть клеток претерпевала дедифференцировку, ультраструктурные черты этих КМЦ напоминали фетальные клетки, что также снижало сократительную способность миокарда. Таким образом, возникала недостаточность самих КМЦ, их было меньше обычного, а сохранившиеся были несостоятельны в плане выполнения основной функции.
Известно, что митохондрии – очень динамичные органеллы, которые реагируют на любые воздействия первыми. Митохондрии — это автономные структуры, имеющие собственный геном. Митохондриальная (мт) ДНК человека содержит 37 генов [4, 5]. Но митохондриальный геном отличается нестабильностью. В течение жизни возникают мутации мтДНК под влиянием неблагоприятной экологической обстановки, вирусных заболеваний, токсических поражений. Часть митохондрий остается с прежним геномом, другая часть с мутантным (гетероплазия). Если уровень продукции энергии в клетке падает, то митохондрии с нарушенным геномом начинают безудержно пролиферировать, накапливаются дефектные митохондрии [5, 6].
Известна связь мутаций митохондриального генома с заболеваниями человека, в частности, с КМП [6].
В нашем исследовании у больных с СН в КМЦ отмечались огромные скопления митохондрий с нарушенной структурой, что приводило к недостаточности энергообразования.
Состояние митохондрий характеризуется соотношением митохондриальных белков «деления» и «слипания» (fission and fusion proteins). Эти белки регулируют процесс деления и образования мелких митохондрий и процесс «слипания» и образования удлиненных митохондрий или протяженных митохондриальных сетей [7, 8]. Некоторые авторы даже предлагают лечить больных препаратами митофузина, так как существует мнение, что протяженные митохондриальные структуры более эффективны в плане энергообразования [8].
Однако в одной из последних работ показано, что разобщенные митохондрии так же функционально активны, как и митохондрии, собранные в ретикулум. Кроме того, авторы отмечают, что существование реального митохондриального ретикулума в КМЦ вряд ли возможно из-за наличия развитой и протяженной Т-системы в клетке [9].
Известно, что митохондрии, особенно поврежденные, являются главными продуцентами активных форм кислорода. В нашем исследовании обнаружены невероятно большие скопления поврежденных митохондрий, что, безусловно, приводило к оксидантному стрессу в клетке, старению и гибели КМЦ.
Поврежденные старые органеллы в норме удаляются из клеток, за что ответственны лизосомально-аутофагическая и убиквитин-протеасомная системы [10, 11]. В нашей работе показано, что в КМЦ скапливались огромные массы поврежденных митохондрий, липофусцин, белковые конгломераты, большое количество аутофагических вакуолей. Такой «внутриклеточный мусор», безусловно, мешал нормальной работе КМЦ, что было связано с катаболической недостаточностью ответственных за утилизацию биологического «мусора» структур, а также со снижением активности экзоцитоза.
Ранее нами показано, что при диабетической и ишемической КМП количество капиллярных сосудов в миокарде уменьшается [12]. В настоящем исследовании мы обнаружили достоверное сокращение количества капилляров при дилатационной КМП. Кардиомиоциты — это высокоспециализированные клетки, которые практически все субстраты метаболизма и кислород получают из кровеносных сосудов. Уменьшение количества этих сосудов приводит к гипоксии, а также способствует метаболической недостаточности.
Заключение
Прижизненное ультраструктурное и гистологическое изучение миокарда больных с различными формами кардиомиопатий, миокардитом с признаками сердечной недостаточности позволило установить морфологические аналоги клинического проявления заболевания: уменьшение числа функционирующих кардиомиоцитов за счет их гибели, дедифференцировки, энергетической недостаточности; накопление в кардиомиоцитах биологического «мусора», а также капиллярной недостаточности. Обнаруженное повышение диаметра кардиомиоцитов при сердечной недостаточности нельзя признать истинной гипертрофией, так как с помощью электронной микроскопии показано, что сократительные органеллы кардиомиоцитов — миофибриллы — атрофичны, занимают незначительный объем клетки и оттеснены на ее периферию. Бо'льшую часть клеток занимают мелкие, деструктивно измененные, энергетически несостоятельные митохондрии. Такие изменения представляется правильным называть несостоятельной гипертрофией.
Патогенетическое лечение больных с сердечной недостаточностью должно быть направлено на восстановление пула кардиомиоцитов, скрининг митохондриального генома с целью раннего выявления мутаций, воздействие на митохондриальный геном для предотвращения безудержной пролиферации этих органелл, стимуляцию аутофагической и протеасомальной систем кардиомиоцитов, а также процесса экзоцитоза.
