Морфофункциональные особенности коры больших полушарий мозга при сочетании хронической обструктивной болезни легких и ишемического инсульта

Основным предиктором летального исхода у большинства пациентов при хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ) на фоне частых обострений и системных воспалений является сосудистая недостаточность [1, 2]. Существенное увеличение уровня С-реактивного белка, фибриногена и провоспалительных цитокинов в плазме крови при ХОБЛ патогенетически связано с повышенным тромбообразованием, что значительно увеличивает риск развития критических сосудистых событий, в том числе инфаркта миокарда (ИМ), ишемического инсульта (ИИ) и др. Так, в первые 5 дней после обострения у пациентов наблюдается более чем двукратное увеличение риска возникновения ИМ, а на 49-й день — значительное увеличение (на 26%) риска развития ИИ, что в целом указывает на инициацию дисциркуляторных нарушений в центральной нервной системе [2, 3].

При поверхностной морфометрии головного мозга больных ХОБЛ обнаруживается значительное уменьшение кортикальных индексов в моторной, теменной и префронтальной коре больших полушарий на фоне менее выраженных изменений в дорсомедиальной префронтальной области и центре Брока [3]. Причем изменения белого вещества головного мозга коррелируют со снижением легочных функций и артериальной гипоксемией, а уменьшение объема серого вещества находится в отрицательной связи с парциальным давлением кислорода в периферической крови [4]. Показано, что развитие ХОБЛ сопровождается истощением ткани коры головного мозга, которое является одним из ключевых морфологических признаков заболевания и отчасти определяется десатурацией кислорода [5]. В мозге больных ХОБЛ отмечены нарушение функций эндотелия сосудов и наличие различного рода микрокровоизлияний [4, 6]. С этих позиций необходимость изучения структурно-функционального уровня микроциркуляторного русла мозга приобретает особенный интерес. Это усиливается известным фактом, что основной функцией данного русла является снабжение тканей мозга кислородом, анаболитами и удаление катаболитов, изменение уровня которых при ИИ у больных ХОБЛ практически не изучено. С другой стороны, остается неясным, может ли только гипоксия, индуцированная ХОБЛ, вызывать повреждение головного мозга без ишемии. Известны немногочисленные данные о том, что гипоксия без ишемии не вызывает некроз головного мозга, но может его усугублять [7].

Цель настоящего исследования — на основании морфологического анализа определить изменения в структуре коры больших полушарий, характерные при ИИ у больных ХОБЛ.

Материал и методы

Проспективное морфологическое исследование проведено на аутопсийных образцах мозговой ткани коры больших полушарий 18 умерших (8 мужчин и 10 женщин) в возрасте 48—64 лет. Причиной смерти лиц 1-й группы явился ИИ в бассейне левой средней мозговой артерии в течение 3 сут от момента поступления в стационар, 2-й группы — ХОБЛ и 3-й группы — ИИ у больных ХОБЛ. У пациентов степень тяжести ХОБЛ, согласно принятым стандартам, была определена как крайне тяжелая (GOLD 4), при которой отмечается выраженное нарушение дыхательной функции, что приводит к летальному исходу [8]. Контролем служила аутопсия мозговой ткани погибших в результате несчастных случаев (n=5). Критерии исключения: нарушение мозгового кровообращения по геморрагическому типу, черепно-мозговая травма, онкологические и аутоиммунные заболевания в анамнезе, аллергические реакции во время пребывания в стационаре. Аутопсийный материал получен из ГБУЗ «Приморское краевое патологоанатомическое бюро» (Владивосток). Дизайн исследования одобрен междисциплинарным этическим комитетом ФГБОУ ВО ТГМУ Минздрава России (протокол № 6/13, 2016). Забор секционного материала осуществляли через 3—18 ч после летального исхода из 3 зон головного мозга: 1) прилежащей непосредственно к очагу некротической ткани; 2) отдаленной от предыдущей; 3) зоны контралатерального полушария, симметричной очагу инсульта. Образцы тканей фиксировали в 10% забуференном формалине, проводили стандартное обезвоживание материала в этиловом спирте, затем образцы заключали в парафиновые блоки. Срезы, включавшие кору извилин мозга с покрывающей ее паутинной оболочкой, подлежащий субкортикальный отдел белого вещества, а также субэпендимарные участки боковых желудочков с прилежащими участками белого вещества, толщиной 5 мкм изготавливали на ротационном микротоме Leica RM2125RT (Германия). Изучение препаратов проводили на серийных срезах, окрашенных гематоксилином и эозином и по методу Ниссля, на микроскопе CX41, оснащенном цифровой камерой U-TV0.35XC-2 («Olympus», Япония).

Морфометрический анализ цифровых изображений осуществляли с помощью программы CellSens («Olympus», Япония), согласно рекомендациям [9], для чего выделяли пороговые значения распределения по пикселям цвета, яркости, контрастности с выделением объектов (ядра, цитоплазма, межклеточное вещество). На основании данных формировали таблицу, включающую количество объектов, площадь, периметр, длину, ширину каждой частицы, общую площадь поля [10]. Также проводили морфометрический анализ сосудов, который включал измерение диаметра, толщины стенки сосудов, вычисляли удельный вес сосудов и рассчитывали индекс Керногана, что в целом отражало пропускную способность микроциркуляторного русла. Статистический анализ результатов проводили с помощью Statistica 6.0 («StatSoft», США). Нормальность распределения показателей оценивали по значению медианы (Ме — 25-го; 75-го перцентилей). Для оценки достоверности различий при сравнении двух групп переменных использовали U-критерий Манна—Уитни и трех — непараметрический H-критерий Краскела—Уоллиса (K—W).Связь между переменными выявляли с помощью коэффициентов ранговой корреляции Спирмена. Достоверными считали различия показателей при p<0,05.

Результаты и обсуждение

При исследовании головного мозга лиц, умерших вследствие ИИ, преимущественно в образцах из перифокального участка обнаружено снижение общего количества нейронов и глиальных элементов. Отмечали диффузное запустевание участков коры в ипсилатеральном полушарии мозга, наиболее выраженное в зоне, окружающей очаг некроза. Признаки изменения регионарного кровотока обнаруживали в виде венозной гиперемии, стаза, агрегации эритроцитов в сосудах, а также отмечали периваскулярные отеки (рис. 1, а,

Рис. 1. Кора больших полушарий, прецентральная извилина умершего от ишемического инсульта. а — вена (стрелка) с областью периваскулярного отека в наружном зернистом слое; б — скопление измененных нейронов (стрелка) с уплотненной цитоплазмой и капилляр в наружном зернистом слое; в — полиморфные клетки и агрегация эритроцитов в вене безмышечного типа (стрелка); г — клетки Беца (диаметр 60—80 мкм) (cтрелка) в ганглионарном слое; д — перицеллюлярный отек (стрелка) клеток Беца ганглионарного слоя; е — аксоны; перицеллюлярный отек пирамидных клеток ганглионарного слоя. Окраска гематоксилином и эозином. ×200.

в). В прилежащей области некротического очага наблюдали лейкоцитарную инфильтрацию (cм. рис. 1, б). Изменения сосудистой стенки артерий характеризовались наличием миоэластофиброза, склероза, гиалиноза и нарушением структурной целостности внутренней эластической мембраны (см. рис. 1, в). Выявляли деформацию формы и уменьшение просвета артерий вследствие атрофии прилежащих мышечных волокон. Наблюдали гомогенизацию и инкрустацию цитоплазмы нейронов, деформацию и сморщивание их ядер и многочисленные перицеллюлярные отеки (см. рис. 1, г—е). Кариоцитолиз проявлялся хроматолизом, набуханием, смещением ядрышка и перемещением ядра на периферию клетки. Выраженность указанных изменений достигала максимума в зоне, прилежащей к очагу некроза, где все нейроны деструктурировались.

Морфометрический анализ позволил провести дефиницию общей численной плотности нейронов и глиальных клеток в неокортексе, определение их площади, периметра, продольного и поперечного диаметра, содержания реактивно, дистрофически и некробиотически измененных клеток и ядерно-цитоплазматического соотношения. Согласно этим данным, в обоих полушариях выявлены признаки саттелитоза и нейронофагии с уменьшением общего количества нейронов и увеличением глиальных клеток относительно численной плотности клеток мозговой ткани погибших в результате несчастного случая (табл. 1).

Таблица 1. Общая численная плотность клеток и удельная плотность распределения капилляров (на 1 мм²), Me (Ql; Qh) Примечание. Здесь и в табл. 2: различия достоверны при сравнении с контрольной группой: *— p<0,05; ** — p<0,01.

Также обнаружено достоверное уменьшение диаметра капилляров, что указывало на нарушение кровоснабжения на фоне спазма артериол (табл. 2).

Таблица 2. Морфометрическая характеристика кровеносных сосудов головного мозга Примечание. Различия достоверны при сравнении между группами: ^#— p<0,01.

В перифокальной зоне мозга умерших вследствие ХОБЛ обнаруживали выраженные перицеллюлярные и периваскулярные отеки, что указывало на нарушение церебральной гемодинамики, характерное для ишемического повреждения мозга, но без наличия обширных некротических зон (рис. 2).

Рис. 2. Кора больших полушарий, прецентральная извилина умершего от ХОБЛ. а — артерии (стрелка) в выраженной зоне периваскулярного отека; б — венула (стрелка); в — капилляр (стрелка); г — артериола, диаметр просвета 140 мкм (стрелка); д — микроглия в зоне перицеллюлярного отека (стрелка); е — артериола (стрелка), зона периваскулярного отека. Окраска гематоксилином и эозином. ×200.

Морфологическим эквивалентом проявлений гипоксической дисциркуляторной энцефалопатии были выраженные дистрофические изменения нейронов, лейкостазы, набухание и десквамация эндотелия в сосудах мозга преимущественно мелкого калибра (см. рис. 2, а—в). В части сосудов микроциркуляторного (метаболического) русла отмечалось утолщение эндотелиальной стенки с деструктуризацией волокон и разрыхлением компонентов базальной мембраны в связи с проявлением периваскулярного отека (см. рис. 2, г). Указанные структурные преобразования свидетельствовали о склеротических изменениях сосудистой стенки. Необходимо отметить немногочисленные лейкоцитарные инфильтрации с образованием локальных скоплений по периферии микрососудов, а именно на краях зоны периваскулярных отеков (см. рис. 2, г, д). Изменения нейронов были незначительными. Морфометрический анализ состояния ткани показал небольшое снижение общего количества нейронов при незначительном повышении клеток глии по сравнению с численной плотностью клеток мозговой ткани погибших в результате несчастных случаев (контроль) (см. табл. 1). В области перицеллюлярного отека обнаруживали дисгемические нарушения, признаки венозного стаза и спазма артериол, что в целом сопровождалось уменьшением просвета капилляров (см. табл. 2).

У умерших вследствие ИИ больных ХОБЛ выявляли микроангиопатию, увеличение полнокровия капилляров и вен. В части сосудов микроциркуляторного русла отмечали разволокнение и разрыхление компонентов базальной мембраны, что, по-видимому, являлось следствием нарастающего отека (рис. 3, а,

Рис. 3. Кора больших полушарий, прецентральная извилина умершего от ХОБЛ и ишемического инсульта. а — периваскулярный отек артерий клеток молекулярного слоя (стрелка); б — периваскулярный отек артерий клеток пирамидного слоя (стрелка); в — перицеллюлярный отек клеток пирамидного слоя (стрелка); г — скопление глиальных клеток в зоне перицеллюлярного отека клетки Беца (стрелка); д — деструкция стенки артерии (стрелка); е — периваскулярный отек вены (стрелка). Окраска гематоксилином и эозином. ×200.

б), причем обширные периваскулярные отеки отмечали и в области венозных сосудов. Цитоплазма нейронов молекулярного слоя коры больших полушарий уплотнялась, вследствие чего клетки уменьшались в размерах (см. рис. 3, в). Глиоциты, напротив, были увеличены в размерах с наличием вакуолизированной цитоплазмы и уменьшенным ядром (см. рис. 3, г). В нижележащих слоях мозга определяли терминальные ветви аксонов непирамидных нейронов и дендриты пирамидных нейронов (см. рис. 3, д, е). Тонкий слой рыхлой соединительной ткани с непрерывным слоем плоского эпителия мягкой мозговой оболочки оставался без изменений, обширных кровоизлияний не выявлено, молекулярный слой не нарушен.

При вычислении удельной плотности распределения капилляров на площади в 1 мм² у умерших вследствие ИИ больных ХОБЛ составила 249,8±9,7 мкм, что было достоверно меньше, чем у погибших в результате несчастного случая, материал которых служил контролем (455,4±18,9 мкм; р<0,001) (cм. табл. 2). Почти двукратное уменьшение количества капилляров указывает на нарушение процессов ангиогенеза, который регулируется балансом ангиогенных и ангиостатических факторов. При измерении толщины стенок сосудов (H), их диаметра (D) и их соотношения — индекса Керногана установлено, что существенно изменяется диаметр венул головного мозга безмышечного типа, где отсутствует средний слой оболочки.

Около 46% белого вещества головного мозга при ХОБЛ имеет признаки микроструктурных изменений, что является диагностическим маркером цереброваскулярной патологии и характеризует это заболевание как мультисистемное [11]. Для больных ХОБЛ характерна циркуляторно-гипоксическая или венозная энцефалопатия, а дисциркуляторные нарушения в церебральном бассейне проявляются снижением скорости кровотока в экстра- и интрацеребральных артериях, повышением их жесткости и нарушением процессов ауторегуляции мозгового кровообращения [12, 13]. Указывается, что повышение внутригрудного давления и застой в системе верхней полой вены является одним из механизмов энцефалопатии этих больных [4]. Подобные изменения в мозге больных ХОБЛ способствуют более высокой заболеваемости ИИ, который встречается у них в 1,2 раза чаще по сравнению с общей популяцией населения [6, 15]. Причем частота выявления хронической ишемии головного мозга при ХОБЛ обнаруживается в 3 раза чаще, чем у лиц без данной патологии.

Проведенный морфометрический анализ мозговой ткани умерших от ХОБЛ показал, что нарушения в структуре и функциональном состоянии сосудов незначительно отличались от данных, полученных при исследовании образцов аутопсии умерших от ИИ, тогда как наличие ХОБЛ способствовало существенному нарушению мозгового кровообращения, формируя преморбидный фон с развитием ИИ, и модулировало особенности патоморфоза с изменением строения сосудистой стенки вен головного мозга. Периваскулярный отек коррелировал с увеличением суммарной толщины стенки и уменьшением диаметра просвета этих сосудов нервной ткани при ИИ, развернувшемся на фоне ХОБЛ. Обнаруженные морфологические особенности микроциркуляторного русла головного мозга умерших от ИИ отражали иммунный характер патологии, описанный другими исследователями [14].

Заключение

При ИИ у больных ХОБЛ по сравнению с умершими от «изолированных» вариантов этих патологий отмечаются гиперемия и значимое снижение численной плотности капилляров. Наличие структурной особенности микроциркуляторного русла, выраженного венозного полнокровия с изменением строения стенки венул, а также патологических изменений нейронов молекулярного слоя коры больших полушарий и клеток глии доказывает существование особого механизма системных патологических проявлений, индуцируемых ХОБЛ с повышенным риском возникновения ИИ.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Н.Г.П., Б.И.Г.

Сбор и обработка материала — Ю.В.З.

Статистическая обработка — С.В.З.

Написание текста — Н.Г.П., Б.И.Г., С.В.З.

Редактирование — Н.Г.П., Б.И.Г.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.

Сведения об авторах

Плехова Н.Г. — e-mail: pl_nat@hotmail.com; https://orcid.org/0000-0002-8701-7213

Зиновьев С.В. — https://orcid.org/0000-0001-6022-6130

Гельцер Б.И. — https://orcid.org/0000-0002-9250-557X

Заяц Ю.А. — https://orcid.org/0000-0003-1529-1587