Размеры ядер и ядерных структур в значительной мере определяются функциональным состоянием клетки. Изменения ядер и ядрышек нейронов гипоталамуса отражают различные функциональные состояния этого нервного центра - как адаптационные, так и дистрофические, вызванные токсическим стрессом. Нейроны супрахиазматического ядра (СХЯ) являются одной из структур, ответственных за адаптацию организма к цирканнуальным и циркадианным ритмам.
Процессы адаптации к сезонным колебаниям среды протекают не одинаково у животных разного пола, так как и уровни половых гормонов испытывают колебания в течение года. Так, уровень гонадотропных гормонов в плазме крови выше весной, тестостерона - в августе [2].
У женщин сезонные изменения концентрации гонадотропинов и гонадных стероидов тесно связаны с синтезом мелатонина. Мелатонин определяет время наступления половой зрелости и время наступления овуляции [8].
В связи с вышеизложенным целью исследования было выяснение роли сезонов в реакции нейронов супрахиазматического ядра гипоталамуса на токсический стресс, вызванный введением соли кадмия.
Материалы и методы исследования. Исследования выполнены на 104 половозрелых белых беспородных крысах обоего пола. Средний вес животных к началу каждой серии эксперимента составлял 180 г. Животные содержались при свободном доступе к воде и пище, самцы и самки отдельно. При проведении экспериментов животных каждого пола делили на 2 группы: контрольную и опытную.
Исследования выполнены в четыре сезона года: зима (январь), весна (апрель), лето (июль) и осень (октябрь).
Токсический стресс моделировали введением per os хлорида кадмия (CdCl2) в дозе 2 мг на 100 г массы тела животного ежедневно в течение 15 дней. Общая доза составила 30 мг/100 г массы тела, что составляет 1/3 от LD50. Известно, что при введении солей кадмия через желудочно-кишечный тракт высасывается около 5% от вводимой дозы [1]. Подобный тип токсического стресса можно характеризовать как полухронический, при этом ни одно животное не погибло до окончания эксперимента.
По окончании эксперимента животных декапитировали под хлоралгидратным наркозом (25 мг/100 г массы тела, внутрибрюшинно). Гипоталамус фиксировали в смеси Буэна, заливали в парафин и изготавливали серийные срезы, толщиной 5-7 мкм. Препараты окрашивали гематоксилин-эозином и фотографировали при увеличении 900х.
Морфометрию ядра и ядрышка проводили с помощью измерения двух перпендикулярных диаметров ядра (ядрышка) d1 и d2 (d1 > d2), с последующим определением объема по формуле эллипсоидовращения:
.
Полученные данные обработаны статистически с использованием критерия Стьюдента.
Результаты и их обсуждение. Наибольший объем ядер нейронов супрахиазматического ядра у самцов отмечался в летний период (12,03±0,313 мкм3, таблица 1), постепенно уменьшаясь вплоть до весны (минимальный объем, 10,47±0,234 мкм3). Таким образом, именно между весной и летом наблюдалось максимальное отличие между последовательно сменяющими друг друга сезонами (р < 0,01). Разница между контрастными сезонами составляла 13% между зимой и летом и 12% между весной и осенью (р < 0,01 для обоих случаев).
Цикл изменения объемов ядер был несколько сдвинут у самок по сравнению с самцами: максимальные размеры характерны для осени (12,81±0,297 мкм3), а минимальные - для зимы (10,16±0,281 мкм3). Именно между этими сезонами создается наибольшая разница в размерах ядер - на 26% (р < 0,001). Как и у самцов, у самок сохраняются достоверные различия между контрастными сезонами года: зимой объем ядер на 11% меньше, чем летом, а осенью на 9% больше, чем весной (р < 0,01 для обоих случаев). Динамика изменения размеров ядер клеток СХЯ самок соответствует отмеченной E. Peschke с соавторами [6], которые выявили максимальные размеры ядер нейронов СХЯ в весенний и осенний периоды, а минимальные - в летний и зимний.
Половые отличия в объемах ядер нейросекреторных клеток оказались характерны только для «переходных» сезонов, причем в обоих случаях объемы ядер самок превышали таковые самцов (на 12% весной, р < 0,01 и на 9% осенью, р < 0,05). В то же время в «стабильные» теплый и холодный периоды размеры ядер нейронов СХЯ самцов и самок практически не отличались.
Таблица 1 - Объемы ядер, ядрышек и ядрышко-ядерное отношение нейронов супрахиазматического ядра гипоталамуса, мкм3
|
Группа |
Пол |
Объемы ядер |
Объемы ядрышек |
Ядрышко-ядерное отношение, ×10-3 |
|
Зима |
||||
|
Контроль |
Самцы |
10,63±0,266 |
0,079±0,0050 |
7,65±0,431 |
|
Самки |
10,16±0,281 |
0,084±0,0050 |
8,76±0,493 |
|
|
Кадмий |
Самцы |
10,63±0,219 |
0,039±0,0020*** |
3,78±0,177*** |
|
Самки |
9,69±0,266 |
0,045±0,0020*** |
5,00±0,231*** |
|
|
Весна |
||||
|
Контроль |
Самцы |
10,47±0,234 |
0,062±0,0025 |
6,10±0,217 |
|
Самки |
11,72±0,266++ |
0,073±0,0025++ |
6,59±0,234 |
|
|
Кадмий |
Самцы |
10,78±0,234 |
0,059±0,0025 |
5,57±0,189 |
|
Самки |
11,25±0,250 |
0,065±0,0026 |
6,07±0,236 |
|
|
Лето |
||||
|
Контроль |
Самцы |
12,03±0,313 |
0,068±0,0041 |
5,99±0,436 |
|
Самки |
11,25±0,281 |
0,063±0,0036 |
6,26±0,604 |
|
|
Кадмий |
Самцы |
10,78±0,203* |
0,085±0,0042* |
8,10±0,381** |
|
Самки |
12,19±0,266* |
0,092±0,0048*** |
7,66±0,395 |
|
|
Осень |
||||
|
Контроль |
Самцы |
11,72±0,313 |
0,060±0,0029 |
5,42±0,266 |
|
Самки |
12,81±0,297+ |
0,070±0,0032+ |
5,51±0,203 |
|
|
Кадмий |
Самцы |
10,00±0,219** |
0,058±0,0025 |
5,91±0,262 |
|
Самки |
10,31±0,219*** |
0,055±0,0027** |
5,45±0,256 |
|
Примечание: * - отличия кадмиевых групп от контроля в соответствующий сезон, * - р<0,05; ** - р<0,01; *** - р<0,001; + - отличия по полу, + - р<0,05; ++ - р<0,01.
Как у самцов, так и у самок реактивность объемов ядер по отношению к соли кадмия проявлялась только в осенний и летний периоды. В оба эти сезона у самцов и осенью у самок токсикант вызывал уменьшение объемов ядер, в то время как летом у самок происходило их незначительное увеличение (на 8%).
Для сезонной динамики объемов ядрышек нейросекреторных клеток СХЯ было характерно достоверное увеличение их в зимний период как у самцов, так и у самок подопытных животных (0,079±0,0050 мкм3 и 0,084±0,0050 мкм3 соответственно). Так, зимой объем ядрышек у самцов превышал на 25% таковой осенью (р < 0,01) и на 22% - весной (р < 0,05). Минимальные объемы ядрышек у самцов были обнаружены в осенний период (0,060±0,0029 мкм3).
У самок зимой объем ядрышек на 14% превышал весенние размеры, и на 17% - осенние (р < 0,05 для обоих случаев). Минимальные размеры у самок были зарегистрированы в летний период (0,063±0,0036 мкм3).
Также как и для объемов ядер нейросекреторных клеток, половые различия в размерах ядрышек были достоверны только в «переходные» сезоны года, и объемы ядрышек самок превышали таковые самцов (на 17% весной, р < 0,01 и на 18 % осенью, р < 0,05).
Токсикант влиял на размеры ядрышек больше в «стабильные» сезоны года. Причем в холодный сезон его введение приводило к уменьшению объемов, а в теплый - к увеличению как у самцов, так и у самок.
Ядрышко-ядерное отношение, позволяющее оценить соразмерность изменений ядра и ядрышка, имело сходную сезонную динамику у самцов и самок контрольных групп. Максимальная доля ядрышка в объеме ядра была отмечена в зимний период (7,65·10-3 для самцов и 8,76·10-3 для самок), затем шло постепенное снижение ядрышко-ядерного отношения вплоть до минимальных значений осени (5,42·10-3 для самцов и 5,51·10-3 для самок).
Половых различий в ядрышко-ядерном отношении у животных контрольных групп не выявлено ни в один из изученных сезонов.
Наибольшая реактивность по отношению к соли кадмия была отмечена в зимний период, когда под влиянием токсиканта ядрышко-ядерное отношение снижалось на 50% у самцов и 43% у самок (р < 0,001 для обоих случаев). Напротив, в контрастный летний сезон введение кадмия сопровождалось увеличением ядрышко-ядерного соотношения у самцов (на 35%, р < 0,01) и отсутствием реакции со стороны самок.
Ни весной, ни осенью токсикант не изменял отношения объемов ядрышек к объемам ядер нейросекреторных клеток СХЯ.
Нейроны супрахиазматического ядра являются одной из признанных структур «водителей ритма», ответственных за адаптацию организма к сезонности.
Уменьшение ядра в размерах, также как и выраженная конденсация ядрышкового хроматина рассматриваются как процессы, отражающие торможение ядрышковой транскрипции вследствие энергетического дефицита клетки.
Мы вправе констатировать отсутствие пропорциональности изменений размеров ядер и ядрышек по сезонам года.
Размеры и структура ядрышек в большинстве случаев коррелируют с объемом клеточного белкового синтеза, выявляемого биохимическими методами [3]. Действительно, в ритмических изменениях объемов ядрышек как у самцов, так и у самок выявляется акрофаза, приходящаяся на темный зимний период, и ортофаза, у самок приходящаяся на самый светлый из сезонов - лето, а у самцов - на осень. Показано, что ключевым эффектом мелатонина на уровне гипоталамуса является снижение метаболизма светочувствительных нейронов СХЯ, иннервирующих и активирующих все центры нейроэндокринного гипоталамуса [4]. В таком случае повышенный уровень секреции нейронов СХЯ в зимний период - компенсаторная реакция в ответ на усиленное подавление биосинтеза мелатонином.
Однако изменения объемов ядер СХЯ не столь однозначны. В нашем эксперименте акрофаза их объемов приходилась на лето у самцов и осень у самок, в то время как минимальные объемы фиксировались весной у самцов и зимой у самок. Очевидно, что на коллоидное содержимое ядра нейроцитов может оказывать влияние общий гормональный профиль, неодинаковый в разные сезоны года.
Выявленные половые различия в «переходные» сезоны, скорее всего, свидетельствуют о различных скоростях перестройки организма с зимнего на летний уровень функционирования и обратно у самцов и самок.
Интересно, что хлорид кадмия вызывает значимые изменения размеров ядрышек только в стабильные сезоны года. Более того, он приводит к разнонаправленным изменениям объемов ядрышек в холодный и теплый сезоны года. Очевидно, что действие кадмия на секреторную активность клеток СХЯ не прямое, а опосредовано теми процессами, которые токсикант вызывает в организме, зачастую приводящими к энергетическому дефициту.
В результате действия токсиканта развивается десинхроноз: кадмий нивелирует естественные ритмы нейроцитов СХЯ, в зимний период снижая их активность, а в летний, напротив, повышая ее. Возможно, что для поддержания ритмической активности в условиях поступления токсиканта клетке не хватает энергетических резервов, и процесс «усредняется». Это предположение отчасти подтверждается результатами, полученными Perreau-Lenz S. с соавторами [5]. Авторами отмечено исчезновение с разрушением СХЯ гипоталамуса не только тормозящих, но и стимулирующих влияний гипоталамуса на выработку мелатонина эпифизом.
Выводы
- Половые отличия в объемах ядер и ядрышек нейросекреторных клеток СХЯ характерны только для «переходных» сезонов - весны и осени, причем морфометрические показатели самок превышают таковые самцов. Половых различий в ядрышко-ядерном отношении у животных контрольных групп не выявлено ни в один из изученных сезонов.
- Наибольший объем ядер нейронов СХЯ у самцов отмечен в летний период, минимальный - весной. У самок максимальные размеры ядер характерны для осени, а минимальные - для зимы. Для сезонной динамики объемов ядрышек нейросекреторных клеток СХЯ было характерно их увеличение в зимний период у животных обоего пола. Минимальные объемы ядрышек у самцов были отмечены в осенний период, а у самок - в летний. Ядрышко-ядерное отношение имело сходную сезонную динамику у самцов и самок. Максимальные отношения были отмечены в зимний период, минимальные - осенью.
- В осенний и летний периоды у самцов и осенью у самок введение соли кадмия вызывает уменьшение объемов ядер клеток СХЯ, в то время как летом у самок происходит их увеличение. На размеры ядрышек токсикант влияет больше в «стабильные» сезоны года, причем зимой его введение приводит к уменьшению объемов, а летом - к увеличению как у самцов, так и у самок. В результате ядрышко-ядерное отношение в зимний период под влиянием соли кадмия снижается у животных обоего пола, а летом увеличивается, но только у самцов.
Рецензенты:
- Горст В.Р., д.б.н., профессор кафедры нормальной физиологии ГОУ ВПО «Астраханская государственная медицинская академия Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию», г. Астрахань.
- Кондратенко Е.И., д.б.н., профессор, зав. кафедрой биохимии, биофизики и молекулярной биологии ГОУ ВПО «Астраханский государственный университет», г. Астрахань.
Работа получена 31.08.2011