СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2009, том 23, № 4, с. 334-345
СЛУХОВАЯ СИСТЕМА
УДК 591.87:591.485:598.2
ТРАНСФОРМАЦИЯ ТРЕХМЕРНОГО СТРОЕНИЯ ЭПИТЕЛИЯ В РАЗВИТИИ НА ПРИМЕРЕ РЕЦЕПТОРНОГО ЭПИТЕЛИЯ СЛУХОВОГО СОСОЧКА ПТИЦ
© 2009 г. Е. Г. Магницкая, Н. М. Грефнер1, Т. Б. Голубева2, А. В. Воробьев3,
В. Ф. Левченко, Г. А. Савостьянов
Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН 194233 Санкт-Петербург, пр. М.Тореза, 44 E-mail: gensav@iephb.ru 1 Институт цитологии РАН, 194064 Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., 4 2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, каф. зоологии позвоночных, 119992 Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 12
E-mail: tbgolubeva@list.ru 3 Институт геномики и биоинформатики Калифорнийского университета Ирвайн, Калифорния, США
Поступила в редакцию 31.03.2008 г. После доработки 08.06.2009 г.
Авторами разработан новый подход к реконструкции пространственной организации эпителиальных тканей, основанный на построении двумерных и трехмерных топологических и геометрических моделей гистоархитектуры и их экспериментальной верификации. При помощи этого подхода впервые изучены изменения трехмерного строения слухового эпителия птиц, могущие происходить в эмбриогенезе или при регенерации. Оказалось, что слуховому эпителию птиц свойственен полиморфизм. Кроме того, показано, что трехмерную структуру эпителия действительно можно описать моделями, трансформация которых соответствует изменениям в строении эпителия. Использование моделей упрощает изучение пространственной организации эпителиальных тканей и позволяет прогнозировать возможные изменения гистоархитектуры.
Ключевые слова: птицы, слуховой эпителий, гистоархитектура, компьютерное моделирование, трехмерная реконструкция, трансформация.
Существующие представления о структуре большинства тканей и их изменениях в развитии до сих пор являются плоскостными. Это объясняется сложностью и трудоемкостью эмпирического подхода к реконструкции трехмерной структуры тканей по серийным срезам, причем эта сложность сохраняется и при использовании современных компьютерных технологий (Будан-цев, Айвазян, 2005). Такое положение сдерживает понимание сути перестройки тканей в норме и патологии. В последнее время с целью создания теоретической базы для описания пространственной организации тканей были разработаны основы структурной гистологии и предложен новый эффективный подход к экспериментальному изучению трехмерного строения клеточных пластов (Савостьянов, 2005; Савостьянова и др., 2007). Суть подхода сводится к построению семейства топологических и геометрических моделей гистоархитектуры и их компьютерной реали-
зации, получению набора сечений этих моделей, сравнению их со срезами реальных тканей и выбору той из моделей, сечения которой соответствуют реальности. Эта модель и будет отражать трехмерное строение исследуемого пласта. Такой подход впервые позволяет выяснять не только геометрические особенности клеток, но и топологию ткани как клеточной решетки, при этом для проведения реконструкции требуется значительно меньше срезов. В рамках этого подхода впервые была описана трехмерная структура некоторых покровных и сенсорных эпителиев (Савостьянов, Грефнер, 1998; Савостьянов, 1998; 2001а, б).
Среди последних весьма удобным объектом исследования оказался рецепторный эпителий слухового сосочка птиц, поскольку для него характерна высокая регулярность строения. Для различных участков этого эпителия было описано два варианта трехмерной организации с соот-
ношением сенсорных и опорных клеток, равном У и У, т.е. имеющим состав AB2 и AB3 (Савостьянов и др., 2000; 2005). Эти описания в основном касались статики, т.е. строения сформированных пластов. Вместе с тем построенные модели давали некоторое представление о возможностях изменения эпителиев в развитии и регенерации. Однако эти изменения происходили в рамках одних и тех же моделей и касались лишь полноты их реализации. Между тем в развитии реальных эпителиев происходят и более серьезные изменения, включающие тотальную трансформацию пространственной организации. Она может быть связанной как с апоптозом части клеток, так и с возникновением новых их генераций, в частности, возникновением новых слуховых клеток из опорных (Ryals, Rubel, 1988; Stone, Rubel, 2000a, b; Stone, Cotanche, 2007), при этом волны дифференцировки новых клеток могут повторяться неоднократно. К сожалению, перестройки пространственной организации пласта при таких трансформациях остаются совершенно неизвестными. В частности, какая доля опорных клеток вовлекается в передифференцировку, в каких случаях эта передифференцировка может протекать без их предварительной пролиферации, и какие перестройки гистоархитектуры при этом происходят - остается неясным.
В процессе исследования этих вопросов мы нашли, что вышеупомянутые основы структурной гистологии и новый подход дают принципиальную возможность описания не только статики, но и трансформации тканей в развитии.
Цель настоящей работы - описать вариант такой трансформации на примере изменения трехмерной организации рецепторного эпителия слухового сосочка птиц. В отличие от предыдущих описаний этого эпителия в настоящей работе исследовали такие его участки, которые наряду с волосковыми (рецепторными) и опорными клетками содержат еще и резервные (камбиальные) клетки. Перестройка такого эпителия заключается в пополнении популяции сенсорных клеток новой их генерацией за счет массовой дифферен-цировки резервных клеток. При исследовании такой перестройки, как и в прежних работах, строятся трехмерные модели тканевой структуры и приводятся данные, подтверждающие их реалистичность.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
При построении моделей структуры сенсорного эпителия использовали метод синтеза трехмерных тканевых моделей, описанный ранее
(Савостьянов, 2005). Его суть сводится к аппроксимации срезов реальных тканей правильными двумерными клеточными мозаиками, построению на основе линейного преобразования этих мозаик трехмерных тканевых моделей и получению набора их сечений. Часть этой работы проводилась с использованием компьютерной программы Гистоарх, описанной ранее (Савостьянова и др., 2007). Проверка моделей заключается в сравнении их сечений со срезами реальных тканей.
Материалом для такой проверки служил ре-цепторный эпителий слухового сосочка взрослых голубей (Columba livia) после ототоксического действия канамицина (270 мг/кг массы в течение 4-10 сут) на стадиях разрушения и регенерации, эмбрионов серебристой чайки (Larus argentatus) на 20-е и на 27-28 сут инкубации, а также в работе использованы данные Г.В. Ямаловой, полученные при помощи трансмиссионной электронной микроскопии на эпителии взрослой ушастой совы Asio otus (Ямалова, 1977).
Препараты для сканирующей электронной микроскопии готовили, как это было описано в предыдущих работах (Савостьянов и др., 2000; 2005), и исследовали при помощи электронных микроскопов Jeol (JSM-35 и JSM-6380) и Hitachi S 405 A (Япония).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Построение моделей. Трехмерная модель, отражающая исходное состояние сформированной ткани и способная описать тканевую перестройку, приведена на рис. 1. Она построена из слуховых клеток A, опорных клеток B и резервных клеток C, взятых в соотношении 1/6/2. Таким образом, ее репрезентативный гистион (элементарная морфофункциональная единица) имеет состав AB6C2. В исходном состоянии клетки С не доходят до поверхности, заканчиваясь в глубине пласта. В этом случае субапикальная мозаика имеет вид, показанный на рис. 1, уровень b. Важным признаком этой модели является то, что стороны сенсорных клеток разделены в ней двойным слоем опорных клеток так, что границы между ними параллельны сторонам сенсорных клеток.
Перестройка этой модели, имитирующая реакцию ткани на повреждение или тканевое развитие, начинается с изменения ее верхней части и связана с подготовкой клеток C к дифференци-ровке в сенсорные клетки. Начальные этапы такого изменения можно представить как последовательное удаление верхних слайсов модели, в
Ъ-с —
а-
в
/
А*
Рис. 1. Исходная трехмерная модель, показывающая топологию эпителиального пласта состава АВ6С2, а также форму слуховых (А), опорных (В) и резервных (С) клеток.
Здесь и далее (до рис. 3) в левой части рисунка показаны трехмерные модели, в правой части рисунка расположены мозаики а-/, которые соответствуют тангенциальным срезам модели на различных уровнях и показывают форму, взаиморасположение и смежность клеток, а также число пересекающихся клеточных граней на соответствующих уровнях пласта.
результате чего клетки С выходят на поверхность пласта (рис. 1, уровень с). Продолжение этой тенденции приводит к полной редукции ее верхнего фрагмента вплоть до обнажения уровня С. Это приводит к уменьшению исходных и увеличению поверхностей нарождающихся сенсорных клеток, при этом площадь поверхности опорных клеток также увеличивается (рис. 1, уровень С). В итоге модель принимает вид, представленный на рис. 1 от уровня/до уровня С. Ее клетки С уже готовы к передифференцировке.
Однако возможен и обратный процесс с полным восстановлением исходного состояния модели, но более интересной представляется возможность последующей трансформации модели. Эта трансформация затрагивает как верхнюю, так
Рис. 2. Трехмерная модель состава АА*2В6, возникшая в результате дифференцировки резервных клеток С в слуховые А*.
В верхней части пласта опорные клетки дали тонкие выросты, отделяющие сенсорные клетки друг от друга на всех уровнях.
и нижнюю ее части и завершается превращением резервных клеток С в слуховые А* (т.е. рецептор-ные, рис. 2). В верхней части эта трансформация проявляется в виде постепенной надстройки модели фрагментом новой конструкции. Такая надстройка проявляется в увеличении объема вновь возникших и уменьшении объема исходных сенсорных клеток (рис. 2, уровни Ь-а). Объем опорных клеток при этом также начинает уменьшаться. Наконец, профили исходных и вновь возникших слуховых клеток выравниваются и формируется финальная мозаика из гексагонов (рис. 2, с*). Нижняя часть новых сенсорных клеток приобретает вид
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.