Structure and physico-mechanical properties of the olfactory bulb while traumatic brain injury inflicted by firearms of limited destruction

Full Text

Обонятельные дисфункции при черепно-мозговой травме (ЧМТ) диагностируются в 25-65% случаев повреждений. Распространение и степень посттравматической аносмии коррелируют с характером ранения костей черепа и мозговых структур, а также с длительностью комы [10, 16]. Данные литературы свидетельствуют о неравнозначном вовлечении в ЧМТ-процесс ольфакторных структур всех иерархических уровней. Это обусловлено неоднородностью этиологической и патогенетической природы ЧМТ, прежде всего различиями в механо- и патогенезе высоко- и низкоэнергетических травмирующих воздействий [7]. Огнестрельное оружие ограниченного поражения (ОООП) относят к травмирующим факторам малой интенсивности. Принято считать, что поглощенной энергии достаточно лишь на дезорганизацию тканей вблизи точек индентирования, однако накапливаются сведения о системных и скрытых локальных травматических эффектах за пределами очагов ранения [2, 3, 8]. Цель работы Оценить структурно-механические свойства обонятельных луковиц при ЧМТ, нанесенной ОООП. Материал и методы Выполнены эксперименты на животных - половозрелых баранах породы «Меринос» массой особи 35-40 кг. Все манипуляции, включая забой, осуществлены над животными, погруженными в наркоз с помощью золетила. Травму наносили однократным выстрелом в теменно-затылочную область из пистолета «Макарыч» (МР-79-9ТМ) резиновой пулей калибра 9 мм с дистанции 1,5 м (энергия соударения 90 Дж). Исследование было организовано по схеме: 1-я группа (контроль) - здоровые животные; 2-я группа - забой через 60 мин после нанесения травмы. В каждой группе было по 5 случайно отобранных особей, прошедших карантин и тесты на паразитарную инвазию. Образцы обонятельных луковиц фиксировали в 9% формалине на фосфатном буфере при рН 7,0. Гистологические срезы толщиной 3 мкм окрашивали гематоксилином Майера и эозином. Ориентацию срезов и выемку морфометрической информации осуществили с учетом слоистой организации обонятельных луковиц [16]. Морфологические изменения оценивали следующими методами: точечный счет, линейные обмеры, включая интегрирование хорд случайных секущих, подсчет количества профилей структур на постоянной площади [1, 11]. Гистостереометрические параметры преобразовывали в относительные показатели, адаптированные для физико-механических интерпретаций [4-6]. Выборки значений имели нормальное распределение. Это позволило применить критерий Стьюдента при сравнении межгрупповых различий. Значимыми считались различия при р<0,05. Результаты и обсуждение В оболочках головного мозга всех травмированных животных обнаружены множественные петехии, сливающиеся в области удара в обширные субарахноидальные кровоизлияния. Отмечено, что подпаутинные геморрагии ухудшают прогноз аносмий [17]. Обонятельные луковицы разрыхлены, крошатся. Поверхность разреза тусклая, суховата. Макроскопические признаки набухания вещества мозга сочетаются с семиотикой сжатия: края луковиц не доходят до границ желобов. По данным гистостереометрических исследований в обонятельных луковицах опытной группы диаметр интерстициальных щелей увеличен в два раза, а показатель относительного объема свободного интерстициального пространства в три раза выше контрольных значений (параметры L3, Vv - см. таблицу). Скачкообразный рост Vv патогенетически соответствует быстро прогрессирующему интерстициальному отеку. Показатель избыточности площади поверхности более чем на 30% выше, чем в контроле (Sd2, см. таблицу), что свидетельствует об увеличении сил поверхностного натяжения тканевой жидкости. Соответственно увеличивается наклонность к образованию крупных капель. При росте поверхностного натяжения стенки интерстициальных каналов становятся более гидрофобными, что ускоряет течение тканевых гидродинамических потоков. Для каждого из этих последствий возникают свои характерные риски и компенсации. Так, в связи с ростом поверхностного натяжения и соответственно - вязкости, способность такой жидкости преодолевать барьеры уменьшается. Диффундирование через мембраны становится энергетически затратным. Эффективность трансмембранного массообмена ослабевает. При продвижении через нанопористые структуры вязкая жидкость, содержащая крупные частицы, начинает как бы «застревать», «тромбировать» их. Интерстициальные каналы - это достаточно крупнопористые образования, диаметры которых колеблются в диапазоне от 1 до 10 мкм и более. Поэтому увеличение вязкости как фактор, замедляющий скорость гидродинамических потоков в этих относительно крупных каналах, не столь существенно. Однако для нанопористых структур, таких, как мембранные поры нейронов, ультратонкие каналы липопротеидных комплексов и тканевых гликозаминогликанов, размерный фактор является определяющим. Здесь влияние сил трения более значимо, и потому скорость движения поровой жидкости замедлится. Что же касается гидродинамических потоков в интерстициальных каналах, то рост их диаметров, упрощение текстуры и гидрофобизация поверхностей, наоборот, облегчает движение тканевой жидкости, делает его скользящим. Но несмотря на это, в отек вовлекаются ограниченные территории поверхностных слоев обонятельных луковиц - преимущественно клубочковый и внешний сетевидный. Клубочковый слой образован обонятельными гломерулами - сферическими образованиями (рис. 1), собирающими аксоны ольфакт-нейронов и посредством аксоно-дендритных синапсов передающими хемосенсорные сигналы митральным клеткам. В опытной группе гломерулы сжаты (D1, см. таблицу). Внутриклубочковые проводниковые структуры дезинтегрированы и сгруппированы в компактные пучки (рис. 2), чему, возможно, способствует их структурно-метаболическая неоднородность. Сжатию подвергаются и перигломерулярные клетки, дендриты которых образуют сеть межклубочковых связей разорванных инфильтрирующим отеком (рис. 3). Внешний сетевидный слой сформирован апикальными дендритами зернистых нейронов и боковыми дендритами митральных клеток. Деструкция слоя сопровождается истончением (падение параметра L2, см. таблицу) и разрывами дендритных пучков, структурирующих расширенные межклеточные пространства в так называемый сетчатый отек. В гистологических препаратах такой отек имеет вид ажурной вуали, в петлях которой оседают частицы детрита (рис. 4). Главным клеточным компонентом сетевидного слоя являются хохлатые (пучковые) клетки, полное функциональное предназначение которых неясно. Но известно, что совместно с нейронами зернистого слоя они оказывают тормозное влияние. Это подавляет шумовые сигналы и позволяет более тонко дифференцировать первичную хемосенсорную информацию. Отсюда и функциональные последствия дезорганизации сетевидного слоя, а именно снижение способности к точной рецепции одорантов. Отек практически не затрагивает слой зернистых клеток, расположенный в глубоких (центральных) отделах луковиц. Это означает, что между поверхностными и глубинными слоями имеется барьер. Таковым, по-видимому, является слой митральных клеток. В норме он представляет собой рыхлый ряд концентрически ориентированных довольно крупных нейронов, собранных в кластеры из 3-5 т. н. митральных клеток (рис. 5). В опытной группе митральные клетки сжаты, слой истончен (уменьшение значений параметров D2 и L1, см. таблицу) и уплотнен. Нейрофизиологические последствия пикнотической деформации митральных клеток очевидны. В центральном направлении - это дефицит специфических сигналов, стимулирующих высшие структуры когнитивного распознавания запахов. А в периферическом - функциональная «бульбэктомия», затягивание которой чревато апоптотической деструкцией обонятельного эпителия в слизистой оболочке носа [13]. Известно, что у мужчин восприятие запахов ниже, а с возрастом количество обонятельных луковиц и митральных клеток уменьшается. Между тем применение огнестрельного оружия является атрибутом конфликтов с участием преимущественно мужчин. Этим объясняются особенности полового и возрастного состава группы риска по критерию качества восприятия запахов. Уплотнение, «цементация» митрального слоя неизбежно снижает не только скорость, но и проникающую способность трансмитральных гидродинамических течений. Это значит, что в условиях роста внутритканевого давления плотный слой проявляет свойства демпфера, который сдержит распространение отечной волны. Биологически это оправдано, так как защитит слой зернистых клеток, в котором расположены стволовые прекурсоры нейронов и повреждение которого создаст риски дисрегенераторных осложнений. В физико-механическом отношении уплотнение митрального слоя означает локальное обезвоживание, обусловленное, возможно, полимеризацией тканевых гликозаминогликанов. В таких условиях среда станет менее вязкой. Это значит, что при нагружении (прохождении волны сжатия), в связи с уменьшением сил вязкого трения увеличивается количество точек разрывов и расстояний между ними, а за счет обезвоживания поверхности супрамолекулярных и клеточных кластеров становятся гидрофобными и менее адгезивными. В результате увеличивается размах колебаний структурных компонентов, и система распадется по механизму вязко-хрупкого перехода. Гистологически это подтверждается дезинтеграцией слоя митральных клеток (рис. 6). Увеличение объема интерстициального пространства гораздо более избыточно относительно увеличения диаметра интерстициальных каналов (см. в таблице соотношение параметров Vv и L3). Это свидетельствует о том, что в ходе развития тканевого отека в веществе обонятельных луковиц происходит не только расширение предсуществующих межклеточных каналов, но и открываются новые (дополнительные) интерстициальные пространства. Одним из дополнительных источников прироста объема интерстициальных каналов могут быть щели, образующиеся вследствие дезинтеграции проводниковых структур. На это указывает хотя и небольшой по размаху (уменьшение диаметров пучков в абсолютной размерности колеблется в пределах 10%), но статистически значимый тренд их истончения. Однако безусловным свидетельством дезинтеграции проводниковых образований является многократное падение (практически обрушение) показателя структурной организации нейроцитарной фазы (показателя Z, см. таблицу). Отечное расширение интерстициальных пространств сопровождается значительным падением показателя площади поверхности проводниковых структур (параметр Sv1). Это значит, что дезинтеграция проводниковой фазы совершается не путем распада и поперечной фрагментации проводников с многократным новообразованием поверхностей (кластеризация плотной фазы), а по механизму продольного расслоения и расщепления нейропучков с менее развитой поверхностью. Основной риск расслоения очевиден - это ослабление эфатических (несинаптических) контактов. Вследствие упрощения поверхности уменьшается и показатель избыточности площади поверхности нейроцитарной фазы (показатель Sd1, см. таблицу). В физико-механическом отношении это означает уменьшение поверхностного натяжения в нейроцитах. Наиболее ожидаемым последствием этого является наклонность нейронов к сморщиванию, что сочетается с конденсацией хроматина. Эволюция подобных клеточных деформаций известна - апоптоз. Есть и еще одно характерное для нейротравмы осложнение сжатия нейронов - отслоение синапсов [9]. Не менее важны последствия и для внутриклеточной гидродинамики: потоки ламинизируются, жидкость будет лучше растекаться по поверхностям, которые станут более гидрофильными. Для внутриклеточных наноканалов это имеет особое значение, т. к. при увеличении гидрофильности их стенок скорость внутритубулярных гидродинамических потоков замедляется [12]. Необходимо иметь в виду и то, что гидрофильные поверхности становятся более смачиваемыми, эластичными. Именно поэтому пучки расслаиваются, а не сухо разламываются. Уменьшение поверхностного натяжения приводит к изменению и направления трансмембранных гидродинамических потоков: молекулы воды, составляющие объемную фазу внутриклеточной жидкости, будут стремиться не на границу раздела сред, а вовнутрь гидродинамических течений. В результате увеличится мощность потоков, и локальные притоки начнут доминировать над оттоками. Каналы расширяются, стенки истончаются, появляются расслоения и разрывы-рефлюксы, через которые жидкость начнет истекать в цитозоль и в интерстиций. В конечном итоге сформируются структурные и физико-механические предпосылки, затрудняющие не только фронтальный (через мембраны), но и продольный (вдоль аксонов) массоперенос, являющийся основной функцией эффекторных нейропроводников. Неравномерное распространение интерстициального отека свидетельствуют о том, что в острейшей фазе ЧМТ в его патогенезе сосудистый фактор субдоминантен. На это указывает и состояние кровеносных сосудов паутинной оболочки, демонстрирующих лишь слабо выраженную вазомоторную игру: умеренный спазм - умеренная дилятация. Для отечного захвата обширных тканевых пространств масштаба транссудации как источника интерстициальной жидкости явно не хватает. И не только на ранней стадии. Но и в более поздний период: МРТ-признаки сжатия луковиц в сочетании с явлениями посттравматической аносмии держатся довольно долго [14]. Уменьшение радиуса кривизны интерстициальных каналов на фоне роста условного показателя поверхностного натяжения межклеточной жидкости свидетельствует об увеличении тканевого давления по механизму роста давления над изогнутой поверхностью (давление Лапласа), энергия которого может расходоваться на вытеснение избытка жидкости. В то же время рост поверхностного натяжения на фоне многократного падения степени дисперсности указывает на то, что интерстициальная жидкость трансформируется в лиофобную, крупнодисперсную среду. Происхождение накапливающихся в интерстиции крупных частиц неясно. Прежде всего, это фрагменты тканевого детрита. Но не менее важен и секвестр в интерстициальную жидкость мелких адгезивных частиц, склонных к слиянию в более крупные агломераты. Учитывая характер воздействия, наиболее вероятно, что это частицы жидких фракций липидов, высвобождаемых из мембранных структур нейронов. Возможно, что под воздействием ударных волн липопротеиды испытывают фазовые переходы, в результате которых в мембранах увеличивается количество их твердых фракций. Мембраны подвергаются раздроблению, а жидкие фракции липидов, будучи более легкими и подвижными, как бы «стряхиваются» и вымываются в межклеточную жидкость. Развиваются процессы, схожие с ударной сепарацией жиров. Таким образом, под воздействием ударных волн клеточные мембраны и интерстициальная жидкость проявляют разнонаправленные тенденции. Мембраны расходуют поверхностную энергию на взаимодействие с интерстициальной жидкостью и частично в ней растворяются. С точки зрения общей патологии это фанероз - распад цитоплазматических мембран по линиям связей липопротеидных комплексов. Межклеточная жидкость, наоборот, кумулирует энергию, избыток которой приводит структуры интерстиция в метастабильное, неустойчивое состояние. Насыщенная жирами тканевая жидкость в соответствии с принципом Ле Шателье способна погасить турбулирующие поверхностные волны, неизбежно возникающие при ускорении гидродинамических течений в сверхсложных сетях интерстициальных каналов. В Ы В О Д В острой фазе черепно-мозговой травмы, нанесенной огнестрельным оружием ограниченного поражения, ключевыми факторами в механо- и патогенезе обонятельных дисфункций являются структурные и физико-механические преобразования паренхимы мозга, обусловленные диссипативными переходами энергии ударных волн в энергию дезорганизации тканевых структур. В краткосрочный период это создает риски, обусловленные сжатием и десинаптизацией нейронов, дезинтеграцией проводников и прогрессирующим интерстициальным отеком. В средне- и долгосрочный периоды возникают риски, обусловленные аберрантным восстановлением проекционных сетей, что осложнит реализацию поведенческих актов, ассоциированных с обонянием.

About the authors

A. A Gaydash

Email: jack200@ngs.ru

E. V Ivchenko

A. V Yudin

I. A Shperling

E. M Mavrenkov

References

Supplementary files