Ultrastructural features of the brain of patients with cognitive impairment in Alzheimer’s disease and vascular dementia

Full Text

АКТУАЛЬНОСТЬ

Среди разнообразных и многочисленных неврологических синдромов, формирующихся в результате органических и функциональных повреждений структур головного мозга различной этиологии, важнейшую роль играют нарушения высших мозговых функций, что крайне негативно влияет на качество жизни пациентов и членов их семей.

Патоморфологическое исследование при болезни Альцгеймера (БА) выявляет следующие макроскопические признаки: кортикальная атрофия с преимущественным поражением медиобазальных отделов височных долей, включая энторинальную кору и структуры гиппокампальной формации, а также ассоциативной коры височных и теменных долей. При микроскопическом исследовании для подтверждения патологии альцгеймеровского типа необходимо выявление типичных нейропатологических маркеров заболевания, к которым относятся амилоидные (сенильные) бляшки, преимущественно экстрацеллюлярной локализации, и нейрофибриллярные клубки (НФК). Состав сенильных бляшек представлен в основном скоплением фибрилл бета-амилоида (А-бета42/40), а также отложением микроглобулина, убиквитина и некоторых других белков. НФК располагаются в нейропиле и представлены парными спиральными нитями филаментов, образованных гиперфосфорилированным тау-белком. Амилоидные бляшки являются маркером патологического амилоидоза, а НФК являются маркером нейродегенеративного процесса, коррелируя с тяжестью нейрональной потери и выраженностью когнитивного дефицита при БА [1].

В основе развития сосудистой деменции лежат органические структурные изменения ткани головного мозга, включающие инфаркты (точнее, постинфарктные кисты), как правило, множественные, а также распространенное ишемическое повреждение подкоркового белого и серого вещества (субкортикальная лейкоэнцефалопатия) [2–6]. Микроскопическая оценка изменений белого вещества, формирующихся в результате хронической гипоперфузии и гипоксии подкорковых структур зон конечного кровоснабжения, позволяет выявить разнообразный спектр повреждений: очаги коагулопатического полного и неполного некроза (лакуны), разрежения нейропиля, спонгиоз, частичная демиелинизация, гибель аксонов, глиоз и расширение периваскулярных пространств (криблюры) [2, 7–11].

Однако оценка патоморфологических изменений с помощью электронной микроскопии в литературе представлена недостаточно. Ранее нами было показано образование в головном мозге пациентов с БА так называемых «нейронов деменции», не обнаруживаемых при других нейродегенеративных заболеваниях [1, 2, 11]. С целью определения особенностей ультраструктурных изменений, происходящих в головном мозге пациентов с БА и сосудистой деменции, нами было предпринято детальное электронно-микроскопическое исследование различных структур головного мозга в рамках выполнения диссертационного исследования [2].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для исследования были взяты макропрепараты головного мозга 4 пациентов с БА и 3 — с сосудистой деменцией. Материал для электронной микроскопии был взят на аутопсии и приготовлен по методике подготовки секционного материала для электронной микроскопии, предложенной в Военно-медицинской академии и успешно применявшейся нами в последние годы [13]. Ультратонкие срезы головного мозга изготавливали при помощи ультратома III фирмы LKB (Швеция) и изучали в электронных микроскопах JEM-100CХ (Япония), LEO-910 (Германия).

РЕЗУЛЬТАТЫ

При электронной микроскопии препаратов головного мозга умерших пациентов с диагнозом БА наиболее часто выявлялись экстрацеллюлярные крупные образования, характеризующиеся сетчато-волокнистым строением и располагающиеся в непосредственной близости от миелиновых волокон (рис. 1). Мы полагаем, что такие структуры являются частью волокнистой амилоидной бляшки [2].

 

Рис. 1. Волокнистые бляшки (стрелки) в теменной коре головного мозга при деменции альцгеймеровского типа. МВ — миелиновые волокна. Ув. а ×10 000, б ×12 500

Fig. 1. Fiber plaques (arrows) in the parietal cortex of the brain in dementia of the Alzheimer’s type. MB — myelinated fibers. Magn. a ×10,000, b ×12,500

 

Электронная микроскопия препаратов мозга умерших пациентов с прижизненно установленной сосудистой деменцией выявила гиперхромные образования неправильной формы с гетерогенным содержимым, локализованные в нейропиле, которые могут представлять собой начальные стадии формирования так называемых «диффузных» бляшек. Кроме того, фрагменты будущих «диффузных» бляшек при БА обнаруживались в цитоплазме некоторых олигодендроцитов коры головного мозга (рис. 2) [2].

 

Рис. 2. а — формирование «диффузной» бляшки в нейропиле при сосудистой деменции. Ув. ×20 000; б — деменция альцгеймеровского типа. Фрагменты незрелой «диффузной» бляшки в цитоплазме олигодендроцита (стрелки). Я — ядро олигодендроцита. Ув. ×6300

Fig. 2. a — formation of a “diffuse” plaque in the neuropil in vascular dementsia. Magn. ×20,000; b — dementsia of the Alzheimer’s type. Fragments of immature “diffuse” plaque in the cytoplasm of oligodendrocyte (arrows). Я — nucleus of the oligodendrocyte. Magn. ×6300

 

Интересной находкой при альцгеймеровской патологии явилось обнаружение необычных, «пальцевидных» структур в цитоплазме некоторых очень крупных нейронов, которые, вероятно, были измененными канальцами гранулярной эндоплазматической сети. Мы полагаем, что вышеописанные цитоплазматические структуры формируются вследствие дисбаланса внутриклеточного метаболизма (в частности, белкового синтеза), что может в дальнейшем привести к образованию типичной «диффузной» бляшки (рис. 3) [2].

 

Рис. 3. Гиперхромный нейрон при деменции альцгеймеровского типа. В цитоплазме нейрона — «пальцевидные» образования из канальцев гранулярной эндоплазматической сети (стрелки). Ув. ×6600

Fig. 3. Hyperchromic neuron in dementia of the Alzheimer’s type. In the cytoplasm of the neuron are “finger-like” formations from the tubules of the granular endoplasmic reticulum (arrows). Magn. ×6600

 

В связи с тем, что еще одним типичным признаком патологии альцгеймеровского типа является синаптическая дисфункция, нами были исследованы синапсы и установлено, что в изученном материале у всех умерших с БА практически всегда обнаруживались ультраструктурные изменения. В пресинаптической части синаптического аппарата митохондрии либо отсутствовали вовсе, либо их структура была нарушена; часто были разрушены митохондриальные матрикс и кристы, при этом сами митохондрии становились почти прозрачными (рис. 4). Обнаруживались различные изменения синаптических везикул: с одной стороны, они были слипшимися, с другой — разрушенными и нередко располагались на расстоянии от синаптической щели. Непосредственно зона синаптического контакта характеризовалась повышенной плотностью, особенно в постсинаптической части, при этом терминали, прилежавшие к этой зоне контакта, нередко были прозрачными. Кроме того, в некоторых синаптических терминалях наблюдались картины грубогранулярного распада всего синаптического комплекса, т. е. синаптических везикул, митохондрий и собственно синаптической щели [2].

 

Рис. 4. Многополюсный синапс при деменции альцгеймеровского типа. Мх — митохондрия, стрелки — зоны синаптических контактов. Ув. ×25 000

Fig. 4. Multipolar synapse in dementia of the Alzheimer’s type. Mx —mitochondrion, arrows — synaptic contact zones. Magn. ×25,000

 

ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам нашего исследования, у умерших с БА были обнаружены классические маркеры этого заболевания в виде амилоидных (сенильных) бляшек и патологии синапсов [5]. По мнению многих исследователей, отложение нерастворимых форм амилоида играет основную инициирующую роль в патогенезе БА, приводя к последующей гибели нейронов, находящихся рядом с сенильными бляшками, за счет как прямого токсического действия, так и включения ряда опосредованных механизмов [14].

В нашей работе скопления амилоида обнаруживались как в экстрацеллюлярном пространстве, так и внутриклеточно, причем не только в нейронах, но и в олигодендроцитах. Отложения амилоида были представлены не только сформировавшимися сенильными бляшками, но и диффузными скоплениями амилоидных нитей [2]. Это представляется особенно важным, так как, согласно современным данным, именно олигомерные формы амилоидного белка обладают наибольшим токсическим влиянием на нейроны, приводя их к гибели [15]. Наличие включений амилоидного белка в глиальных клетках (олигодендроцитах) является очень интересной находкой и в определенной степени может рассматриваться как один их механизмов, отражающих повреждение белого вещества при БА, что может влиять на элиминацию патологических веществ, включая амилоид.

Важным результатом исследования явилось обнаружение подобных БА изменений амилоидного обмена при сосудистой деменции. Это хорошо согласуется с концепцией «смешанной сосудисто-нейродегенеративной патологии» [16, 17].

Смешанная деменция патоморфологически характеризуется накоплением амилоида как в мозговой ткани, так и в сосудистой стенке, накоплением гиперфосфорилированного и общего тау-белка, нейровоспалительными реакциями, синаптической и клеточной гибелью [1]. На аутопсийном материале показано, что у 70–90 % больных с прижизненно диагностированной БА выявляются скопления β-амилоида в медии и адвентиции артерий, что приводит к нарушению целостности сосудистой стенки в сосудах и способствует церебральной гипоперфузии, гипоксии, тем самым поддерживая порочный круг нейродегенерации. Внутрисосудистое накопление амилоида лежит в основе церебральной амилоидной ангиопатии, которая клинически в первую очередь проявляется геморрагическим повреждением мозга, однако в настоящее время все больше исследователей склоняются к тому, что она может быть также и причиной ишемии с последующим развитием когнитивных нарушений.

Таким образом, цепь патологических изменений, приводящих к возникновению амилоидных бляшек и нейрофибриллярных клубков при БА и подключению дополнительных звеньев патогенеза, может быть обусловлена прогрессирующей ишемией головного мозга. Наличие признаков нейродегенеративного и сосудистого процессов — это не просто параллельные состояния, проявляющиеся суммацией их клинического эффекта, а патологический синергизм за счет взаимного влияния на уровне промежуточных звеньев патогенеза. При цереброваскулярной патологии и БА формируется порочный круг, основными звеньями которого являются снижение реактивности сосудов микроциркуляторного русла, ишемия, нейрогенное воспаление, нарушение клиренса и накопление β-амилоида [1, 2, 18, 19].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в результате электронно-микроскопического исследования были установлены типичные признаки БА в виде амилоидных отложений и нарушения структуры синапсов, приводящих к патологии синаптической передачи. Полученные данные позволяют уточнить основные причины развития когнитивных нарушений и дают возможность по-новому взглянуть на некоторые вопросы этиологии и патогенеза таких непростых для диагностики и лечения состояний, как БА и сосудистая деменция.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией. Личный вклад каждого автора: Л.С. Онищенко — сбор и обработка материала, анализ и интерпретация данных, подготовка рукописи; А.Ю. Емелин — сбор материала, анализ полученных данных, подготовка рукописи; О.В. Зуева — обработка материала; Д.Е. Дыскин — участие в подготовке рукописи.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Этическая экспертиза. Проведенное исследование одобрено локальным этическим комитетом ФГБВОУ ВО Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова.

ADDITIONAL INFO

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the study, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the article, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the study. Personal contribution of each author: L.S. Onishchenko — collection and processing of material, analysis and interpretation of data, preparation of the manuscript; A.Yu. Emelin — collection of material, analysis of the obtained data, preparation of the manuscript; O.V. Zueva — processing of material; D.E. Dyskin — participation in preparation of the manuscript.

Funding source. The authors declare that they have no competing interests.

Ethical expertise. The conducted study was approved by the local ethics committee of the S.M. Kirov Military Medical Academy.

About the authors

Lyudmila S. Onishchenko

Military Medical Academy

Email: ludonis1947@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3562-1029
SPIN-code: 4985-7683
ResearcherId: I-7566-2016

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Saint Petersburg

Andrey Yu. Emelin

Military Medical Academy

Email: emelinand@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-5801-1480
SPIN-code: 9650-1368
Scopus Author ID: 35773115100
ResearcherId: 1-8241-2016

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

Russian Federation, Saint Petersburg

Olga V. Zueva

City Polyclinic N 106

Email: vmeda-nio@mil.ru

MD

Russian Federation, Saint Petersburg

Dmitriy E. Dyskin

Military Medical Academy

Author for correspondence.
Email: drabovsk@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2855-2953
SPIN-code: 6662-9481
Scopus Author ID: 6602481680
ResearcherId: J-3336-2016

MD, Dr. Sci. (Medicine), Associate Professor

Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files