Дифференцировка кардиомиоцитов (КМЦ) у детей с тетрадой Фалло (ТФ) происходит в условиях гемодинамической перегрузки, возникающей вследствие этого порока сердца. Известно, что характерные анатомические составляющие порока сердца — дефект межжелудочковой перегородки, смещение аорты вправо, обструкция выводного отдела правого желудочка (ВОПЖ) и гипертрофия миокарда правого желудочка — обусловлены аутосомно-доминантными гетерозиготными мутациями генов факторов транскрипции TBX1 [1], TBX5 [2], NKX2.5 [1, 3, 4], GATA4 [3, 5], GATA5 [6]; GATA6 [7], необходимых для нормального развития сердца. Еще одним частым генетическим нарушением, ассоциированным с ТФ, является трисомия по 21-й хромосоме (синдром Дауна) [1].
Проведенные ранее исследования ультраструктуры КМЦ у детей с ТФ не выявили специфических изменений в миокарде — описаны признаки интенсивного роста и дифференцировки КМЦ, активный миофибриллогенез [8], в то время как в миокарде у подростков и взрослых больных с ТФ, как правило, регистрируют ультраструктурные признаки гипертрофии — увеличение размера КМЦ, наличие в них нескольких ядер, присутствие в саркоплазме большого количества рибосом, расширение трубочек Т-системы, нарушение структуры Z-дисков миофибрилл [9—13]. Эти особенности морфологии КМЦ наблюдают также у некоторых пациентов с ТФ первых лет жизни [8], что предполагает нарастание изменений ультраструктуры КМЦ по мере увеличения длительности заболевания и соответственно возраста больных.
Цель настоящего исследования — анализ изменений ультраструктуры КМЦ ВОПЖ у детей первых лет жизни с ТФ и определение взаимосвязи морфологических изменений с клиническими характеристиками этих больных.
Материал и методы
Исследованы интраоперационные биоптаты миокарда ВОПЖ у 51 пациента с ТФ в возрасте 3—33,5 мес. Из них 24 больных в возрасте 3—6 мес и 27 больных в возрасте 7—33,5 мес. Фрагменты миокарда фиксировали в 2,5% растворе глутарового альдегида и 1% параформальдегида в 0,1 М фосфатном буфере (рН 7,4), постфиксировали в 1,5% растворе OsO4, обезвоживали и заливали в аралдит. Полутонкие срезы толщиной 1 мкм окрашивали реактивом Шиффа и йодной кислотой, докрашивали метиленовым синим. На срезах, ориентированных продольно и проходящих через ядро, при помощи иммерсионной микроскопии (об. 100, ок. 10) с использованием морфометрической программы Image-Pro Plus («Media Cybernetics») измеряли диаметр и длину не менее 50 КМЦ у каждого больного.
Ультратонкие срезы контрастировали уранилацетатом и цитратом свинца, исследовали в электронном микроскопе Philips CM100. Полуколичественно по 3-балльной шкале оценивали выраженность изменений ультраструктуры КМЦ: 0 баллов — нет изменений, 1 балл — изменения в единичных клетках, 2 балла — изменения в половине и более клеток на срезе.
Результаты морфометрических измерений представляли в виде среднего значения со стандартным отклонением (M±SD). Статистический анализ полученных данных проведен с использованием программы Statistica 8.0 («Statistica software»). Взаимосвязь морфологических данных с клинической и эхокардиографической характеристикой пациентов определяли с использованием непараметрического коэффициента корреляции Спирмена при уровне значимости p<0,05.
Результаты и обсуждение
Клиническая характеристика детей с ТФ. У пациентов с ТФ первых лет жизни содержание гемоглобина достигало 162 г/л, гематокрит 49,5%, насыщение артериальной крови кислородом снижено до 40% (см. таблицу), что отражает выраженность гипоксемии у пациентов. У 13 (25,5%) больных с ТФ нарастание градиента давления между правым желудочком и легочной артерией сопровождалось цианотическими кризами.
Размеры КМЦ миокарда ВОПЖ у детей с ТФ. Морфометрическое исследование полутонких срезов миокарда ВОПЖ у детей с ТФ показало, что диаметр КМЦ составляет в среднем 10,8±2,2 мкм, длина — 51,4±14,5 мкм. cчитается, что в первые месяцы жизни увеличение размеров КМЦ у детей с ТФ осуществляется в основном за счет длины этих клеток [14]. Несмотря на то что диаметр КМЦ значительно варьирует — в среднем от 7,9 мкм (рис. 1, а) до 15,7 мкм (см. рис. 1, б), взаимосвязь изменений диаметра КМЦ с возрастом не обнаружена, хотя в ряде работ, посвященных исследованию морфологии миокарда ВОПЖ при ТФ, описано нарастание размеров КМЦ с возрастом [11, 15, 16]. Однако необходимо учитывать, что эти данные получены при изучении миокарда у пациентов широкого возрастного диапазона — от 8 дней до 10 лет [16], от 4 мес до 13 лет [15] и от 2 до 23 лет [11]. Результаты проведенного морфометрического исследования размера КМЦ совпадают с представленными ранее для больных с ТФ в возрасте 1—2 лет жизни [8]. По данным разных авторов [17, 18], у детей с врожденными пороками сердца, в том числе с ТФ, в возрасте от 6 дней до 11 мес размеры КМЦ не отличаются от нормы, а к 2—3 годам их размер приближается к уровню, характерному для взрослых здоровых людей. К 4 годам количество КМЦ диаметром более 15 мкм составляет 58,7% [13], а средний диаметр КМЦ — 17,1±2,1 мкм [19], и к 3—6 годам рост КМЦ практически прекращается [8].
Увеличение диаметра КМЦ у детей с ТФ в возрасте старше 7 мес, по нашим данным, коррелирует с частотой возникновения одышечно-цианотических приступов (r=0,38; p=0,047), что подтверждает связь гипертрофии КМЦ с выраженностью гипоксемии у этих пациентов. Ряд авторов [13, 20] также описывают увеличение размеров КМЦ ВОПЖ у пациентов с ТФ в сочетании с высоким уровнем гемоглобина, показателями гематокрита, повышенным конечно-диастолическим давлением в правом желудочке и низким насыщением артериальной крови кислородом. Однако, согласно другой точке зрения, у детей с ТФ старше 1 года корреляции между диаметром КМЦ и насыщением артериальной крови кислородом, гематокритом и градиентом давления на ВОПЖ отсутствуют, а гипертрофия КМЦ ассоциирована только со снижением систолической функции правого желудочка [18].
Ультраструктура КМЦ ВОПЖ у детей с ТФ. Для миокарда у детей первых лет жизни с ТФ характерны ультраструктурные признаки незавершенной дифференцировки КМЦ: околоядерная зона саркоплазмы, как правило, не содержит миофибрилл и заполнена митохондриями и гранулами гликогена, в то время как тонкие пучки сформированных миофибрилл находятся под сарколеммой (рис. 2, а, б). На светооптическом уровне зоны без миофибрилл в КМЦ зарегистрированы у 21 (41,2%) пациента в 2—56% КМЦ, в некоторых клетках они занимают более половины объема саркоплазмы. Увеличение размеров миоцитов часто значительно опережает темп сборки миофибрилл, и в миокарде детей первых лет жизни с ТФ нередко встречаются крупные КМЦ с «пустой» саркоплазмой и слабо развитым сократительным аппаратом (см. рис. 2, в).
На ультраструктурном уровне в свободных зонах саркоплазмы КМЦ выявлена сборка миофибрилл, которая, как правило, осуществляется путем присоединения новых миофиламентов к существующим в центральной части саркоплазмы (см. рис. 2, г), а иногда на периферии КМЦ, под сарколеммой, рядом с уже сформированными саркомерами (см. рис. 2, д) и в области вставочного диска (см. рис. 2, е). В очагах сборки миофибрилл пучки миофиламентов располагаются хаотично, они окружены многочисленными рибосомами и полисомами (см. рис. 2, ж). В миокарде у некоторых детей с ТФ той же возрастной группы встречаются дифференцированные КМЦ, в которых сократительный аппарат хорошо сформирован, между миофибриллами рядами располагаются митохондрии, вставочные диски оформлены (см. рис. 2, з, и).
Присутствие в миокарде у детей с ТФ первых лет жизни КМЦ, не заполненных миофибриллами, описано ранее [8] и свидетельствует о продолжении активной сборки миофибрилл. В то же время у пациентов старшего возраста (до 43 лет) подобная картина в условиях гемодинамической перегрузки обусловлена, как правило, не сборкой (формированием), а утратой (дезорганизацией) миофибрилл в КМЦ с заполнением свободных зон саркоплазмы гранулами гликогена, митохондриями и цистернами комплекса Гольджи [21]. Согласно нашим данным, у детей в возрасте до 6 мес с ТФ дифференцировка КМЦ с наработкой миофибрилл и уменьшением свободных зон саркоплазмы активируется в ответ на гемодинамическую перегрузку миокарда ВОПЖ — у пациентов с одышечно-цианотическими приступами в анамнезе (r=0,40; p=0,046) и высоким градиентом давления на легочной артерии (r=0,47; p=0,04), что свидетельствует об ускорении процесса дифференцировки миокарда ВОПЖ у наиболее тяжелых больных.
В настоящем исследовании у 22 (43,1%) пациентов с ТФ в КМЦ выявлены парные центриоли в околоядерной зоне (рис. 3, а, б) — ультраструктурные признаки пролиферативной активности незрелых КМЦ, характерные для эмбрионального миокарда. В то же время признаков, подтверждающих полноценное митотическое деление, — конденсации хроматина, исчезновения ядерной оболочки, появления нитей веретена деления в КМЦ — не обнаружено. Вероятно, присутствие центриолей в дифференцированных миоцитах, заполненных миофибриллами, без ультраструктурных признаков деления этих клеток свидетельствует о наличии кариокинеза без соответствующего деления саркоплазмы (цитокинеза).
Дифференцировка КМЦ требует активного функционирования структур, обеспечивающих синтетическую активность клеток: в околоядерной зоне большинства КМЦ у детей с ТФ зарегистрированы цистерны и везикулы комплекса Гольджи, часто с расположенными рядом электронно-плотными лизосомоподобными гранулами (см. рис. 3, в), а также структуры гранулярного эндоплазматического ретикулума (см. рис. 3, г), как описано ранее [8]. В свободных зонах саркоплазмы некоторых КМЦ обнаружены формирующиеся каналы Т-системы, которые пронизывают клетку от сарколеммы к ядру (см. рис. 3, д). Еще одним характерным признаком незаконченной дифференцировки КМЦ у детей с ТФ является наличие щелевых контактов на боковой поверхности КМЦ (см. рис. 3, е), в то время как в зрелом миокарде они расположены преимущественно во вставочных дисках. В некоторых миоцитах мембраны с щелевыми контактами образуют под сарколеммой кольцевые структуры (см. рис. 3, ж), являющиеся, вероятно, поперечными срезами инвагинаций плазматической мембраны [22]. Локализация щелевых контактов на боковых поверхностях КМЦ подтверждает данные проведенного ранее иммуногистохимического выявления белка щелевых контактов коннексина-43 [22—24]. Распределение коннексина-43 по всей поверхности сарколеммы КМЦ характерно для незрелого миокарда у пациентов с ТФ в возрасте от 3,5 нед до 6 лет [23], в дальнейшем происходит перемещение щелевых контактов во вставочные диски, которое завершается, по разным данным, к 6—7 [22] или 14 годам [24].
При исследовании миокарда ВОПЖ у детей с ТФ на светооптическом уровне обращает на себя внимание большое количество многоядерных КМЦ (рис. 4, а). На ультраструктурном уровне продемонстрировано, что, как правило, в многоядерных КМЦ несколько ядер, сходных по размеру и степени конденсации хроматина, располагаются в центре клетки рядом или на небольшом расстоянии друг от друга (см. рис. 4, б). В то же время встречаются единичные КМЦ, в которых ядра значительно различаются по размеру и степени конденсации хроматина (см. рис. 4, в), что предполагает асинхронное прохождение фаз митотического цикла. Увеличение числа ядер характерно для КМЦ у детей первого года жизни и свидетельствует об увеличении их плоидности как в норме [25], так и у детей с врожденными пороками сердца, в том числе с ТФ [10, 14, 15]. По мере взросления пациентов число многоядерных КМЦ снижается, вероятно, за счет их отсроченного цитокинеза.
В настоящем исследовании очаговые нарушения взаиморасположения КМЦ (зоны «disarray») описаны в миокарде у 19 (37,3%) пациентов с Т.Ф. На светооптическом уровне в этих зонах продемонстрировано непараллельное расположение миоцитов, значительно различающихся по форме и размеру (рис. 5, а). На ультраструктурном уровне в КМЦ выявлено хаотичное расположение миофибрилл, нарушение структуры и взаимной ориентации z-дисков саркомеров (см. рис. 5, б). КМЦ с disarray чаще встречаются в незрелом миокарде у детей с ТФ (корреляция с возрастом: r=–0,52; p=0,02). Ряд авторов [8, 10, 11, 15, 26] также описывают непараллельное расположение миоцитов или миофибрилл в миоцитах у пациентов с Т.Ф. Зоны «disarray» характерны для пациентов с ТФ, страдающих от гипоксических приступов [11], и чаще встречаются в миокарде с выраженным фиброзом [10].
Изменение формы КМЦ у детей с ТФ сопровождается появлением в миоцитах у 12 (23,5%) пациентов боковых отростков с дополнительными вставочными дисками, посредством которых КМЦ контактируют между собой (см. рис. 5, в). Кроме того, в миокарде у 28 (54,9%) обследованных детей с ТФ выявлены множественные вставочные диски, разделенные не более чем 10 саркомерами (см. рис. 5, г), как описано ранее [8], хотя имеются указания, что этот признак характерен для гипертрофированных КМЦ только у взрослых пациентов с ТФ [10].
Еще одной особенностью ультраструктуры КМЦ у 14 (27,5%) детей с ТФ является аномальное расположение ядер не по центру клетки, а под сарколеммой, без признаков дистрофических изменений в этих клетках (рис. 6, а, б). Подобное нарушение развития миоцитов не является специфическим для ТФ и описано в миокарде правого желудочка пациентов с аномалией Эбштейна разных возрастных групп, в том числе у детей первых лет жизни [27]. Можно предположить, что изменение локализации ядра — один из ранних морфологических признаков апоптоза КМЦ, который зарегистрирован методом TUNEL у пациентов первых лет жизни с ТФ [17, 28]. Однако отсутствие ряда ультраструктурных признаков, характерных для клеток в состоянии апоптоза (конденсации хроматина, фрагментации ядер, изменения формы клеток с потерей контактов с соседними клетками, образования апоптотических телец), не подтверждает это предположение.
Еще одной необычной находкой стали обширные зоны «выбухания» саркоплазмы, не содержащие миофибрилл и окруженные сарколеммой, отстающей от внутриклеточных органелл (см. рис. 6, в, г). Такие зоны обнаружены у 16 (31,4%) пациентов на периферии некоторых КМЦ, рядом с центрально расположенными сформированными миофибриллами. У детей в возрасте до 6 мес с ТФ присутствие «выбухающих» зон саркоплазмы по периферии миоцита (r=0,45; p=0,04) и наличие боковых отростков КМЦ (r=0,50; p=0,02) коррелируют с аномальным расположением ядер КМЦ под сарколеммой. Образование подобных участков саркоплазмы и сарколеммы описано ранее в КМЦ у пациентов с ТФ [12] и, вероятно, объясняется тем, что нарастание объема саркоплазмы опережает темпы сборки миофибрилл в этих клетках, что согласуется с данными литературы [8] об относительном отставании миофибриллогенеза от увеличения размеров КМЦ ВОПЖ у больных с ТФ в возрасте 1—2 лет.
Помимо описанных ультраструктурных признаков, характерных для КМЦ, находящихся в состоянии активного роста и дифференцировки, в саркоплазме некоторых КМЦ обнаружены единичные структуры, свидетельствующие о дистрофических изменениях: у 36 (70,6%) пациентов миелиновые тельца (рис. 7, а, б), у 18 (35,3%) пациентов липидные включения (cм. рис. 7, в), у 27 (52,9%) пациентов мелкие вакуоли (см. рис. 7, г), у 3 (5,9%) пациентов гранулы липофусцина. У пациентов с ТФ старше 7 мес миелиновые фигуры и фагосомы чаще встречаются в КМЦ с незавершенной сборкой миофибрилл (r=0,45; p=0,042).
В единичных миоцитах у 5 (9,8%) пациентов отмечено тотальное отсутствие миофибрилл, организованных в саркомеры. Такие единичные оптически «пустые» КМЦ располагаются, как правило, среди КМЦ с нормально организованными миофибриллами и объединены с ними видоизмененными вставочными дисками (см. рис. 7, д, е). В ряде КМЦ отсутствуют преимущественно миозиновые миофиламенты, в саркоплазме располагаются тонкие филаменты, трубочки эндоплазматического ретикулума, а под сарколеммой — электронно-плотный материал (рис. 7). Подобное изменение миофибрилл приводит к полному исчезновению поперечной исчерченности в КМЦ и принципиально отличается от незавершенной сборки миофибрилл в саркоплазме низкодифференцированных КМЦ отсутствием рибосом и фокусов сборки миофибрилл. В некоторых «пустых» миоцитах саркоплазма содержит хаотично расположенные тонкие фибриллы, единичные трубочки саркоплазматического ретикулума и мелкие митохондрии (см. рис. 7, е).
Согласно данным литературы [10, 26], дистрофические изменения ультраструктуры КМЦ характерны для пациентов с низким насыщением артериальной крови кислородом и высоким гематокритом, однако нам не удалось выявить корреляцию между этими параметрами. В литературе [9—13] также широко распространена точка зрения, что ультраструктурные признаки дистрофических изменений в КМЦ характерны для миокарда у пациентов старшего возраста, а не у пациентов с ТФ первых лет жизни. Например, диффузная мелкокапельная жировая дистрофия описана в миокарде ВОПЖ у пациентов с ТФ всех возрастных групп, но чаще встречается у детей в возрасте 3—6 лет на этапе перехода от онтогенетического к гипертрофическому росту КМЦ [29]. Эту закономерность подтверждают экспериментальные данные, полученные при исследовании миокарда у трансгенных мышей с дефицитом протеазы Atg5 и нарушением аутофагии: перегрузка давлением сердца у этих животных не вызывает каких-либо проявлений в раннем кардиогенезе, в то время как у взрослых животных развиваются сократительная дисфункция, гипертрофия миокарда и дилатация левого желудочка [30].
Заключение
В миокарде ВОПЖ у детей первых лет жизни с ТФ размер КМЦ значительно варьирует, в некоторых клетках достигает значений взрослых миоцитов. Обнаружено большое число многоядерных КМЦ. Электронно-микроскопическое исследование не выявило специфических изменений ультраструктуры КМЦ. В большинстве КМЦ зарегистрированы ультраструктурные признаки продолжающейся дифференцировки миоцитов: фокусы сборки миофибрилл, наличие центриолей в саркоплазме КМЦ, присутствие щелевых контактов на боковых сторонах КМЦ. Также в КМЦ обнаружены органеллы, свидетельствующие о синтетической активности миоцитов: цистерны и везикулы комплекса Гольджи, структуры гранулярного эндоплазматического ретикулума. Изменение взаиморасположения КМЦ носит очаговый характер и сопровождается появлением у миоцитов дополнительных боковых вставочных дисков. В некоторых КМЦ выявлены аномальное положение ядра под сарколеммой, очаговые «выбухания» зон саркоплазмы по периферии миоцита. В небольшом числе КМЦ описаны единичные структуры (миелиноподобные структуры, лизосомы, гранулы липофусцина, вакуоли, свидетельствующие о дистрофических изменениях в миоцитах.
Участие авторов:
Концепция и дизайн исследования — Р.А.С., Т.В.С.
Сбор и обработка материала — Т.В.С., Л.А.Б.
Статистическая обработка — Т.В.С.
Написание текста — Т.В.С.
Редактирование — Р.А.С.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Сведения об авторах
Сухачева Татьяна Владимировна — канд. биол. наук, ст. науч. сотр. отд. патологической анатомии; https://orcid.org/0000-0001-6127-8688; e-mail: tatiana@box.ru; моб. тел. 8-903-152-53-23
Серов Роман Андреевич — https://orcid.org/0000-0002-7962-7273
Бокерия Лео Антонович — https://orcid.org/0000-0002-6180-2619