Применение бытового газа весьма разнообразно. Благодаря большой теплотворной способности он широко применяется в качестве топлива в быту и в промышленности, также служит исходным сырьем для получения формальдегида, метилового спирта и различных синтетических продуктов. В связи с этим нередко встречаются отравления этим веществом. Согласно статистике, в судебно-медицинской экспертизе отравления бытовым газом занимают одно из ведущих мест среди всех причин насильственной смерти.
В промышленной гигиене и клинической токсикологии токсикологические характеристики компонентов бытового газа изучались довольно широко, однако результаты этих исследований являются противоречивыми [1, 7, 12]. Клинические проявления отравлений бытовым газом очень разнообразны и неспецифичны. В первую очередь это различные расстройства со стороны центральной нервной системы (ЦНС) – головная боль, головокружение, ощущение тошноты, потеря сознания [1, 5]. Также отмечаются выраженные изменения со стороны системы кровообращения [2]. Было установлено, что при вдыхании бытового газа возникают значительные изменения в слизистой оболочке дыхательных путей – дистрофические, атрофические, гиперпластические процессы, сопровождающиеся воспалительными проявлениями [4]. Некоторые исследователи отмечают, что такие компоненты бытового газа, как пропан, бутан, этан, метан нарушают активность аденозинтрифосфатаз [6, 8].
Между тем, сведения о морфофункциональных изменениях тканей и органов, в частности полушарий большого мозга, при воздействии бытового газа немногочисленны [13]. Хотя такие данные необходимы для судебно-медицинской посмертной диагностики и для оценки тяжести вреда здоровью при несмертельных отравлениях.
Исходя из этого, целью данного экспериментального исследования явилось изучение морфофункционального состояния полушарий большого мозга крыс при воздействии бытового газа.
Материалы и методы исследования
Работа выполнена на 100 крысах-самцах линии Вистар, массой от 150 до 250 г в соответствии с «Правилами проведения работ с использованием экспериментальных животных» (Приложение к приказу № 755 от 12.08.1977 г. МЗ СССР). Двадцать интактных крыс служили в качестве контроля.
Для создания экспериментальной модели подострого отравления в качестве отравляющего вещества использовался бытовой газ из 5-литровых баллонов ГОСТа 15860-84 для газовых плит, который через редуктор под низким давлением подавался в затравочную камеру в течение 10 минут. Материал для исследования забирался через 12 часов после окончания воздействия газа. Контрольные животные находились в обычной воздушной среде.
Для световой микроскопии кусочки сенсомоторной зоны коры и белого вещества полушарий головного мозга крыс фиксировали в 10 % нейтральном формалине в течение 1 сут. Затем кусочки промывали в проточной воде, обезвоживали и заливали в парафиновые блоки. Парафиновые срезы толщиной 5 мкм окрашивали гематоксилином-эозином.
Для гистохимического исследования кусочки коры и белого вещества полушарий головного мозга замораживали в жидком азоте. Для оценки функционального состояния органа в условиях эксперимента был произведен количественный гистохимический анализ ферментативной активности некоторых метаболических показателей.
С целью исследования процессов энергообеспечения клетки выявлялись ферменты сукцинатдегидрогеназа (СДГ), являющегося показателем аэробных процессов и лактатдегидрогеназа (ЛДГ), основной показатель гликолиза. Обменные процессы моноаминов определяли по активности фермента моноаминооксидазы (МАО).
На криостатных срезах толщиной 10 мкм выявляли ЛДГ, СДГ и МАО. Активность указанных ферментов оценивали на спектроцитофотометреплаг-методом при об. 40, ок. 7, площади зонда – 0,785 мкм2, длине волн – 545 нм для ЛДГ и СДГ и 690 нм для МАО. Результаты цитофотометрического анализа выражали в относительных единицах оптической плотности (D). При гистохимическом анализе замеры D в нейронах коры полушарий большого мозга проводили в 50 клетках.
Для электронно-микроскопического анализа животным под уретановым наркозом транскардиально вводили забуференный (рН 7,2–7,4) раствор смеси глутаральдегида (2,5 %) и параформальдегида (2 %) на 3–5 мин. Материал дофиксировали в том же составе в течение 1,5 ч при комнатной температуре. Осмирование, обезвоживание, заливку в эпон-аралдит и контрастирование проводили по общепринятым правилам. Для прицельной заточки готовили полутонкие срезы, определяли 5 слой коры полушарий сенсомоторной зоны и белое вещество. Ультратонкие срезы, толщиной 40–50 нм, получали на ультратоме LKB-III (Швеция) и изучали в электронном микроскопе JEM-100CX2 (JEOL, Япония) при рабочем увеличении 7500–10000 и ускоряющем напряжении 80 кВ.
Статистическую обработку количественных данных проводили с использованием программного пакета «Statgraph». Для каждого показателя определяли среднее значение и его стандартную ошибку, значимость различий величин показателей оценивали с помощью критерия Стьюдента при р < 0,05.
Результаты исследования и их обсуждение
У животных контрольной группы по результатам гистологического исследования полушария головного мозга имеют типичное строение. В сером веществе определяются тела нейронов, безмиелиновые участки аксонов, дендриты и глиальные клетки. Тела нейронов 5 слоя содержат крупное эухроматичное ядро с крупным ядрышком, хроматин мелкодисперстный. В нейроплазме вокруг ядра выявляются многочисленные элементы гранулярной эндоплазматической сети (грЭПС), определяются цистерны комплекса Гольджи (КГ) и митохондрии (М). В аксоплазме миелиновых волокон белого вещества выявляются митохондрии и незначительное количество цистерн агранулярной эндоплазматической сети (аЭПС). Миелиновая оболочка представляет собой множественные, чётко различимые слои клеточных мембран.
У животных контрольной группы активность ЛДГ и СДГ выявляется в основном в цитоплазме нейронов. В крупных пучках нервных волокон ферментативная активность отсутствует. МАО выявляется преимущественно в нейроглии в виде диффузного отложения мелкогранулярного продукта реакции, а на этом фоне более интенсивно окрашиваются нервные волокна и их пучки в различных отделах мозга.
При воздействии бытового газа у экспериментальных животных отмечалась выраженная клиника отравления, проявляющаяся в виде заторможенности движений, сонливости, снижения частоты дыхательных движений, отдельных мышечных подергиваний.
При гистологическом и ультраструктурном исследовании отмечаются деструктивные изменения как нейронов коры полушарий, так и белого вещества большого мозга крысы. Во всех случаях исключены повреждения, имеющие характер артефактов фиксации или возникшие в результате механических воздействий на мозг при его извлечении. При морфологическом изучении отмечается полнокровие сосудов головного мозга и периваскулярный отёк. Нейроны находятся в состоянии дистрофии, наблюдается перицеллюлярный отёк.
Бытовой газ оказывает отчётливое повреждающее влияние на ультраструктуру нейронов. Для всех животных данной группы характерно наличие в сенсомоторной зоне коры полушарий нейронов с признаками некроза. Поврежденные нервные клетки приобретают шаровидную форму, ядро уменьшается в размере, становится угловатым и гиперхромным. В отдельных клетках наблюдается кариопикноз. Из органелл наибольшей чувствительностью к воздействию бытового газа обладает грЭПС. В большинстве нейронов отмечаются набухание и деформация цистерн этой органеллы с потерей электронной плотности их содержимого. Также наблюдается набухание М с просветлением матрикса и дезорганизацией крист. Среди цистерн грЭПС отмечено появление крупных единичных липидных капель.
Результаты эксперимента выявили нарушение структуры гематоэнцефалического барьера в виде выраженного периваскулярного отека.
Отравление бытовым газом приводит к значительным повреждениям миелиновых оболочек и осевых цилиндров нервных волокон белого вещества corpuscollosum и caudateputamen большого мозга. При интоксикации происходит увеличение толщины миелиновых оболочек практически вдвое, что сопровождается их разрывами, распадом и полной гомогенизацией. Значительно расширяется периаксональное пространство. Одновременно нарушается структура осевых цилиндров. Выражен отек аксонов, отмечается гомогенизация матрикса и дезорганизация крист их митохондрий. Астроциты белого вещества характеризуются неравномерным расширением перинуклеарного пространства и вакуолизацией цитоплазмы.
При цитофотометрическом анализе нейронов коры полушарий головного мозга экспериментальных животных отмечается повышение активности ЛДГ на 160 % (в 2,6 раза по сравнению с данными контрольных животных). Небольшое повышение активности СДГ в нейронах на 2 % статистически не значимо. Активность МАО в белом веществе возрастает на 31 % по сравнению с данными контрольных животных.
Гистохимические изменения головного мозга крыс при воздействии бытового газа
|
СДГ |
ЛДГ |
МАО |
|
|
Эксперимент |
23,48 ± 1,6 |
28,6 ± 1,8 |
18,64 ± 1,1 |
|
Контроль |
22,93 ± 1,2 |
10,96 ± 1,0 |
14,2 ± 1,2 |
Полученные данные свидетельствуют, что наиболее чувствительными структурами к действию бытового газа являются нейроны и астроглия коры, а также нервные волокна белого вещества полушарий большого мозга. Выявлена избирательная чувствительность клеточных структур к воздействию бытового газа. В первую очередь повреждается грЭПС, что определяется в виде деформации и уменьшения электронной плотности цистерн этой органеллы. Электронно-микроскопические исследования доказывают нарушение синтеза белка и его транспорта, что однозначно сказывается на функциональной активности нейронов коры полушарий головного мозга.
Отмеченные изменения грЭПС сочетаются с нарушением деятельности митохондриального аппарата. На это указывают результаты электронно-микроскопического исследования, выявившего нарушения ультраструктуры М, выражающиеся в дезорганизации крист. Однако данные количественной гистохимии показали лишь незначительное изменение активности митохондриального фермента СДГ, в то время как показатель активности анаэробного процесса увеличивается в 2,6 раза. Сопоставление данных гистохимического и электронно-микроскопического исследований указывает на развитие дисфункционального состояния нейронов, когда под действием бытового газа нарушаются синтетические и энергетические процессы в них.
Отмеченное накопление липидных капель указывает на нарушения липидного обмена в нейронах, связанные с избыточной продукцией липидов или недостаточной активностью липолитических ферментов.
Проведенное экспериментальное исследование по подострому воздействию бытового газа на организм животных выявило, что повреждаются не только нейроны коры полушарий. Наиболее уязвимой структурой полушарий головного мозга являются нервные волокна и, особенно, их миелиновые оболочки. Рядом авторов отмечено, что миелиновые оболочки весьма чувствительны к интоксикационному воздействию и гипоксии [14, 15]. Компоненты бытового газа обладают определенной липотропностью [3, 10]. Результатами эксперимента подтверждается, что ультраструктура миелиновых волокон белого вещества corpuscollosum и caudateputamen головного мозга резко нарушается под влиянием бытового газа. Миелиновая оболочка характеризуется гомогенизацией, расширением периаксональных пространств и очаговой демиелинизацией и отслойкой миелиновой оболочки. Аксоны находятся в состоянии выраженного отека, в аксоплазме выявляются М с дезорганизованными кристами.
Столь тяжелое повреждение миелиновых волокон, сочетающееся с повреждением синтетического и энергетического аппаратов нейронов и нарушением липидного обмена, приводит к процессу вакуолизации, кариопикнозу и гибели нейронов. Результаты электронно-микроскопического исследования согласуются с данными гистохимического анализа, свидетельствующего о нарушении активности МАО, которая характеризует уровень обмена нейромедиаторов – моноаминов.
Таким образом, при данной дозировке бытового газа патологический процесс затрагивает все элементы нервной ткани на ультраструктурном уровне: нейроны, глиальные клетки, гематоэнцефалический барьер и особенно миелиновые волокна. Наблюдается мембранотоксический эффект действия данной газовой смеси, что приводит к повреждению и разрушению миелиновых оболочек. Это приводит к демиелинизации и, как следствие, к нарушению проводимости нервных волокон. Полученные результаты показывают основные внутриклеточные и метаболические механизмы влияния бытового газа на кору и белое вещество полушарий головного мозга и могут объяснить возникновение при несмертельных отравлениях в реградиентном периоде симптомов энцефалопатии [9, 11].
Рецензенты:
Полякова В.С., д.м.н., профессор, заведующая кафедрой патологической анатомии, ГБОУ ВПО «Оренбургская государственная медицинская академия» Минздрава, г. Оренбург;
Железнов Л.М., д.м.н., профессор, заведующий кафедрой анатомии человека, ГБОУ ВПО «Оренбургская государственная медицинская академия» Минздрава, г. Оренбург.
Работа поступила в редакцию 14.10.2013.