УЛЬТРАСТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИ ПРИ ТЯЖЕЛОЙ ЧЕРЕПНО-МОЗГОВОЙ ТРАВМЕ

ULTRASTRUCTURAL CHANGES IN NERVOUS TISSUE IN SEVERE TRAUMATIC BRAIN INJURY

Nwosu Chizaram David

Junior Researcher, Laboratory of Medical Digital Images Based on the Basic Model, Postgraduate Student, Department of Bioengineering, Faculty of Bioengineering and Veterinary Medicine, Don State Technical University,

 Russia, Rostov-on-Don

Evgeniya Kirichenko

Dr. of Biology. sciences, professor, head of the department of "Bioengineering", faculty of "Bioengineering and veterinary medicine", chief researcher of the laboratory of "Medical digital images based on the basic model", Don State Technical University,

Russia, Rostov-on-Don

Logvinov Alexander

PhD in Biology, senior researcher of the Academy of Biology and Biotechnology named after D.I. Ivanovsky, Southern Federal University,

Russia, Rostov-on-Don

Stanislav Rodkin

PhD in Biology, head of the laboratory of "Medical digital images based on the basic model", associate professor of the department of "Bioengineering", faculty of "Bioengineering and veterinary medicine", Don State Technical University, Russia, Rostov-on-Don

АННОТАЦИЯ

Цель. Оценить динамику ультраструктурных изменений нервной ткани головного мозга в острый и хронический периоды после тяжелой черепно-мозговой травмы (ЧМТ).

Методы. Электронно-микроскопическое исследование образцов нервной ткани головного мозга контрольных животных, через 24 часа и 7 дней после ЧМТ. Степень повреждений оценивалась с использованием комплексного морфологического балла с последующей статистической обработкой данных.

Результаты. В контрольной группе ткань сохраняла нормальную морфологию. Через 24 часа после ЧМТ отмечались выраженные ультраструктурные нарушения: фрагментация мембран, конденсация хроматина, набухание митохондрий и т.д. Через 7 дней зафиксированы тотальные деструктивные изменения клеточных и субклеточных структур. 

Выводы. Полученные данные демонстрируют прогрессирующее нарастание повреждений нервной ткани от острой к хронической фазе тяжелой ЧМТ и указывают на необходимость ранней нейропротективной терапии для предотвращения необратимых дегенеративных изменений.

ABSTRACT

Objective. To evaluate the dynamics of ultrastructural changes in the nervous tissue of the brain in the acute and chronic periods after severe traumatic brain injury (TBI).

Methods. Electron microscopic examination of samples of nervous tissue of the brain of control animals, 24 hours and 7 days after TBI. The degree of damage was assessed using a complex morphological score with subsequent statistical processing of the data.

Results. In the control group, the tissue retained normal morphology. 24 hours after TBI, pronounced ultrastructural disorders were noted: membrane fragmentation, chromatin condensation, mitochondrial swelling, etc. After 7 days, total destructive changes in cellular and subcellular structures were recorded.

Conclusions. The data obtained demonstrate a progressive increase in damage to the nervous tissue from the acute to the chronic phase of severe TBI and indicate the need for early neuroprotective therapy to prevent irreversible degenerative changes.

Ключевые слова: черепно-мозговая травма, ультраструктурные изменения, нейрон, глиальные клетки, аксон, дендриты, митохондрии, миелиновая оболочка.

Keywords: traumatic brain injury, ultrastructural changes, neuron, glial cells, axon, dendrites, mitochondria, myelin sheath.

Введение.  Тяжелая черепно-мозговая травма (ЧМТ) представляет одну из основных причин смертности инвалидности во всем мире. Ситуация осложняется отсутствием клинически эффективных нейропротекторных препаратов, которые способны защитить поврежденные нейроны и глиальные клетки. Для решение данной проблемы необходимо глубокое понимание патофизиологических и молекулярно-биохимических механизмов, лежащих в основе развития ЧМТ [1].

Нервная ткань, отличающаяся повышенной чувствительностью к травматическим воздействиям, претерпевает сложные ультраструктурные изменения, которые инициируют каскад сложных дегенеративных процессов, включая отек, нейровоспаление, деградацию синаптических структур, дендритов, аксонов и т.д. Выраженность данные патоморфологических изменений напрямую сопряжена со степенью тяжести ЧМТ, определяя клиническую картину и прогноз [2].  Современные методы исследования, такие как электронная микроскопия, предоставляют уникальную возможность изучения этих процессов на клеточном и субклеточном уровнях, позволяя выявить ключевые механизмы повреждения, а также регенерации [3].

Настоящая статья посвящена анализу ультраструктурных изменений нервной ткани в острый и хронический период после тяжелой ЧМТ. Углубленное изучение этих процессов открывает новые перспективы для разработки инновационных подходов к лечению и реабилитации пациентов после тяжелой ЧМТ.

Материалы и методы.  В эксперименте использовали взрослых самцов мышей линии CD-1 массой 20–25 г. Тяжелую ЧМТ моделировали по стандартному протоколу: после анестезии и трепанации отверстия диаметром 3 мм в теменной кости на поверхность мозга сбрасывали металлический стержень массой 150 г с высоты 1 см. Удар наносили в точку 2 мм кзади от брегмы и 1 мм латерально от срединной линии. Отверстие закрывали костным воском, кожу ушивали. Контрольные животные проходили аналогичную процедуру без сброса стержня. Вывод животных из эксперимента осуществляли через 24 часа и 7 дней.

Для ультраструктурного анализа из теменной коры извлекали поврежденный участок. Образцы фиксировали в 2,5% глютаральдегиде, постфиксировали в 1% OsO₄, обезвоживали в этаноле, инфильтрировали и заливали в эпоксидную смолу. Ультратонкие срезы контрастировали уранилацетатом и цитратом свинца, исследовали на трансмиссионном электронном микроскопе JEM-1011.

Для количественной оценки был разработан комплексный морфологический балл (0-40), включающий показатели целостности мембран, состояния ядер, органелл, миелина, аксонов, дендритов, наличия вакуолей и лизосом. Оценка проводилась по полуколичественной шкале (0-норма, 5-максимальные изменения). Сравнение между группами выполняли с помощью критерия Манна-Уитни (p < 0.05).

Результаты. На рисунке представлены ультраструктурные изображения нервной ткани головного мозга для контрольной группы, а также через 24 часа и 7 дней после тяжелой ЧМТ. В контрольной группе нервная ткань демонстрировала нормальную морфологию (Рисунок 1а). Через 24 часа после ЧМТ наблюдались выраженные повреждения, характеризующиеся фрагментацией мембран, конденсацией хроматина в ядрах, набуханием митохондрий, начальной демиелинизацией аксонов и дендритов, а также накопление вакуолей и лизосом (Рисунок 1b). Через 7 дней повреждения достигали пика, а именно наблюдалась тотальная деструкция мембран, миелина, аксонов, дендритов, внутриклеточных компартментов на фоне вакуолизации и накопления лизосом (Рисунок 1с).

Рисунок 1. Ультраструктурные изменения нервной ткани головного мозга при тяжелой ЧМТ, выявленные с помощью электронной микроскопии:

(a) – контрольная группа; (b) - нервная ткань через 24 часа после ЧМТ; (c) - нервная ткань через 7 дней после ЧМТ.

В контрольной группе медиана комплексного балла составила 0 (Таблица 1), указывая на отсутствие патологических изменений. Через 24 часа после тяжелой ЧМТ медиана возросла до 26.5 (Таблица 1), достоверно отличаясь от контроля (p < 0.05) (Рисунок 2), и отражая острую фазу с выраженными повреждениями. Через 7 дней медиана достигла 37.0 (Таблица 1), достоверно превышая контроль (p < 0.05) и в 1.4 раза превосходя уровень 24 часов (p < 0.05) (Рисунок 2), что свидетельствует о хронической фазе с необратимыми дегенеративными изменениями.

Рисунок 2. Диаграмма размаха степени повреждений нервной ткани при тяжелой ЧМТ для контрольной группы, через 24 часа и 7 дней после ЧМТ. p < 0.05 считалось значимым. * — достоверное отличие от контроля, # — достоверное отличие от группы 24 часа после ЧМТ

Таблица 1.

Описательная статистика для степени повреждения нервной ткани для контрольной группы, через 24 часа и 7 дней после ЧМТ

Обсуждение. Полученные результаты наглядно отражают динамику ультраструктурных изменений нервной ткани при тяжелой ЧМТ в острый и хронический посттравматический периоды. Уже через 24 часа после травмы выявляются выраженные нарушения, указывающие на активацию вторичных повреждающих механизмов, включая окислительный стресс и апоптоз [1,2]. Эти процессы способствуют расширению фронта вторичной нейродегенерации и соответствуют представлениям об острой фазе травматического повреждения, когда преобладают структурные изменения мембран, ядер и органелл. На седьмые сутки фиксируются тотальные деструктивные изменения нервной ткани, что свидетельствует о переходе к необратимым повреждениям клеточных структур в зоне травматического воздействия [4, 5]. Таким образом, полученные данные подчеркивают критическую необходимость ранней нейропротективной терапии для предотвращения развития необратимых последствий.

Источники финансирования. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Министерства науки и высшего образования РФ № FZNE-2024-0004

Список литературы:

1. Risdall J. E., Menon D. K. Traumatic brain injury //Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. – 2011. – Т. 366. – №. 1562. – С. 241-250.
2. Blennow K. et al. Traumatic brain injuries //Nature reviews Disease primers. – 2016. – Т. 2. – №. 1. – С. 1-19.
3. Song H. et al. Nanometer ultrastructural brain damage following low intensity primary blast wave exposure //Neural regeneration research. – 2018. – Т. 13. – №. 9. – С. 1516-1519.
4. Algattas H., Huang J. H. Traumatic brain injury pathophysiology and treatments: early, intermediate, and late phases post-injury //International journal of molecular sciences. – 2013. – Т. 15. – №. 1. – С. 309-341.
5. Nolan S. Traumatic brain injury: a review //Critical care nursing quarterly. – 2005. – Т. 28. – №. 2. – С. 188-194.