Автореферат и диссертация по ветеринарии (16.00.02) на тему:Адаптивные изменения сетчатки глаза при различных режимах освещения

/ /'. ' / ¿У7-1 ' -V

4.-'' <> V ч/ '

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.П. ОГАРЕВА

На правах рукописи УДК 591.484.3:615.849.11

КОВАЛЕВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

АДАПТИВНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СЕТЧАТКИ ГЛАЗА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ОСВЕЩЕНИЯ

16.00.02 - патология, онкология и морфология животных

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор Р.Е.Киселева; кандидат технических наук, профессор Л.В.Абрамова

САРАНСК -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................... 3

I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ......................................... 9

1.1. Современные представления о морфофункциональной организации сетчатки глаза ................................................................9

1.1.1. Характеристика морфофункциональной организации пигментного слоя..............................................................................11

1.1.2. Характеристика морфофункциональной организации рецеп-торных клеток..........................................................................15

1.1.3 Характеристика морфофункциональной организации нейронов

сетчатки.............................................. 23

1.2 Адаптация сетчатки глаза к оптическому излучению............ 27

1.3 Влияние низкоэнергетического гелий-неонового лазера на морфо-функциональное состояние структур сетчатки глаза.............. 32

1.4 Влияние оптического излучения на структуры сетчатки глаза .... 38

II. СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВНИЯ.............................. 45

2.1. Материалы и методы исследования.......................... 45

2.2. Морфофункциональные исследования сетчатой оболочки глаза при воздействии газоразрядного низкоинтенсивного гелий-неонового лазера.......................................... 49

2.3. Морфофункциональные исследования сетчатой оболочки глаза при воздействии газоразрядного ртутного высокочастотного источника излучения...................................... 80

III. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 103

ВЫВОДЫ . .................................................... 121

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ............................... 122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................ 123

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Проблема адаптации к различным газоразрядным источникам освещения является актуальной, так как зрительная адаптация - наиболее естественный, фундаментальный и внутренний для зрительной системы фактор модификации ряда ее общих свойств (Шевелев, 1983).

Фундаментальные исследования, проведенные по изучению свойств газоразрядного низкоинтенсивного гелий-неонового лазера (Гамалея, 1981; Байбе-ков и др., 1991; Козлов, 1997; Киселева и др., 1997) подтверждают целесообразность применения низкоинтенсивного гелий-неонового лазера (НИГНЛ) при многих заболеваниях человека и животных. На основании экспериментальных и клинических исследований (Киселев и др., 1990) следует предположить, что ла-зеростимуляция (А, = 0,63 мкм) переднего отдела глаза активирует дренаж задних отделов сетчатки и зрительного нерва, очищая фоторецепторы от продуктов метаболизма, и тем самым профилактируя развитие дистофических изменений в сетчатке и зрительном нерве. На фоне эмпирических данных все большее значение приобретают теоретические вопросы, касающиеся механизмов действия НИГНЛ, вопросы связанные с временными параметрами облучения.

Значимость морфофункционатьной оценки воздействия различных газоразрядных источников света, таких как НИГНЛ, ртутные люминесцентные газоразрядные лампы с различной частотой питающего тока и временем воздействия приобретает особую актуальность. Этот вопрос имеет еще большую значимость в связи с быстрыми темпами разработки новых высокоинтенсивных газоразрядных источников и электронных пускорегулирующих аппаратов (ПРА) (Волкова и др., 1990; Абрамова, 1995-1997). Развитие современной техники и технологий позволяющие создавать новые мощные источники излучения, поставило человека в такие условия, когда механизмы естественной адаптации не могут обеспечить безопасность работы органа зрения: избыток света может привести к его повреждению (Островский, Федорович, 1982; Зуева и др., 19^5). В этой связи изучение механизмов адаптации и спектров повреждающего дей-

ствия света становится необходимым при разработке и использовании новых источников света.

Молекулярные механизмы светового повреждения: клеток, сетчатки исследованы в опытах in vitro на суспензии наружных сегментов палочек лягушки и быка (Погожева и др., 1981), свидетельствуют, что в основе фотоповреждения лежит сенсибилизированное окисление молекулярных компонентов фоторецеп-торной мембраны.

Образование липоперекисей при освещении видимы светом как сетчатки, так и суспензии наружных сегментов представленные в единичных работах (Каган и др., 1982; Богословский, Зуева, 1982), открывают новые перспективы в изучении свободнорадикального окисления липидов в функционировании высокоспециализированных мембран фоторецепторов. Т.А. Иванина и М.И. Лебедева (1986) в исследованиях ультраструктурной и биохимической характеристики при экспериментальной дегенерации сетчатки показали, что наиболее уязвимыми оказались наружные сегменты фоторецепторов - они разрушались практически полностью. В состав мембран наружных сегментов входят преимущественно ненасыщенные жирные кислоты, чрезвычайно чувствительные к перекисному окислению. Яркий свет приводит так же к накоплению в суспензии фоторецепторных мембран продуктов окисления липидов. Исследования влияния различных электромагнитных волн (ЭМВ) свидетельствуют о том, что ультраструктурные сдвиги начинаются как в фоторецепторных, так и в гангли-озных клетках непосредственно после воздействия излучений (Думброва, 1985).

В доступной нам литературе имеется незначительное количество исследований, посвященных изучению действия низкоинтенсивного гелий-неонового лазера (НИГНЛ) на краткосрочную адаптацию клеточных элементов сетчатки глаза животных, кроме того не обнаружены исследования посвященные изучению действия высокочастотных газоразрядных ламп на морфофункциональные характеристики клеточных элементов сетчатки лабораторных животных.

Цель и задачи исследования. Целью работы является определение с помощью современного морфофункционального анализа общих и частных зако-

номерностей ультраструктурных реакций основных клеточных элементов сетчатки глаза на примере относительно слабых воздействий НИГНЛ (к = 0,63 мкм) и высокочастотных газоразрядных люминесцентных ламп ЛБ-40.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. На основе электронно-микроскопических, гистохимических и хемилю-минесцентных методов изучить изменения клеточных элементов сетчатки, развивающихся в ответ на: а) воздействие низкоинтенсивного гелий-неонового лазера; б) действие высокочастотных газоразрядных ламп (работающих в режиме питающего тока от пускорегулирующих аппаратов (ПРА) - 10 кГц, 20 кГц, 40 кГц.

2. Выяснить степень чувствительности изучаемых структур сетчатки к использованным физическим факторам. Определить ультраструктурные и цитохимические основы изменения проницаемости клеточных элементов сетчатки, вызываемого действием данных источников света.

3. Выяснить уровень перекисного окисления липидов и его дестабилизирующую роль в структурной организации сетчатки.

4. Установить характер и динамику краткосрочных адаптивных перестроек или деструктивных изменений при действии различных излучений и времени их экспозиции.

Научная новизна работы. Результаты исследований впервые выявили разнообразие морфофункциональных перестроек в сетчатке после воздействия НИГНЛ и высокочастотными газоразрядными лампами ЛБ-40, что расширяет и углубляет представление о биологической активности этого фактора. Впервые показано развитие адаптивных, адаптивно-компенсаторных и деструктивных изменений в структурах сетчатки в ответ на воздействие НИГНЛ и высокочастотной люминесцентной лампы ЛБ-40, в которых немаловажную роль играют процессы ПОЛ. В результате проведенных исследований выявлены как общие, так и относительно специфические изменения органелл и клеток. В наибольшей степени митохондрий на действие различных излучающих источников. Это

расширяет наши знания об участии и роли определенных органелл в клеточном ответе на внешние раздражители различной природы. Материалы работы и литературные данные послужили основой для представления об активации, адаптации, формирования адаптационно-компенсаторных и деструктивных процессов в сетчатке каждым видом физического воздействия. Использование электронно-микроскопических и хемолюминесцентных методов анализа позволило дать оценку молекулярным механизмам фотоадаптации, фотоактивации и фотодеструкции в сетчатке глаза. Показана активная роль пигментного эпителия и наружных сегментов палочек сетчатки. Полученные результаты определяют перспективу для развития количественно-качественных исследований сетчатки в норме и патологии. Фактический материал в целом углубляет наши представления о первичном реагировании клеток на различные раздражители и расширяет представление о первичных механизмах адаптации и фотоповреждения сетчатки.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Действия низкоинтенсивного гелий-неонового лазера характеризуется дозозависимыми изменениями со стороны морфофункциональных показателей сетчатки. При 1, 5 минутах зарегистрировано стимулирующее влияние НИГНЛ и развитие адаптивных процессов.

2. При 20 минутном воздействии НИГНЛ происходит развитие начальных признаков деструктивных изменений в пигментных, рецепторных и ганглиоз-ных клетках, проявляющихся на фоне усиления ПОЛ.

3. Воздействие газоразрядных ламп с частотой питающего тока 10 кГц и 20 кГц носит выраженное стимулирующее влияние. Установлена прямая зависимость клеточного ответа пигментных клеток и повышение их фагоцитарной активности от экспозиции данного воздействия.

4. При действии высокочастотных газоразрядных источников излучения с частотой питающего тока 40 кГц происходит усиление деструктивных изменений в сетчатке глаза на фоне срыва адаптивных и компенсаторных процессов.

Научно-практическая значимость работы. Результаты по механизмам краткосрочной адаптации и механизмам нарушения структурной организации рецепторных клеток при ПОЛ является фундаментальными для понимания причин дегенерации фоторецепторов сетчатки при развитии патологических состояний, сопровождающихся накоплением ПОЛ и снижением антирадикальной защиты (повреждающие действия света от газоразрядных источников работающих на высокой частоте питающего тока, или больших экспозициях НИГНЛ). Исследование механизмов регуляции ПОЛ в фоторецепторах важно для выбора средств защиты мембранных структур зрительных клеток при патологии, а также при разработке новых технологий при создании новых источников света.

Реализация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы представлены в восьми научных работах, отчете по заказ-наряду №53/24-98 «Механизмы адаптационно-трофических реакций возникающих в клетках при воздействии гелий-неонового лазера».

Результаты исследований используются при чтении лекций на кафедрах анатомии, гистологии и эмбриологии, биохимии и физиологии, глазных болезней, светотехники и источников света Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева, Мордовском государственном педагогическом институте им. М.Е. Евсевьева, на кафедрах морфологического типа Российского университета дружбы народов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на Огаревских чтениях (Саранск, 1995 - 1998), II Международной светотехнической конференции (Суздаль, 1995), конференциях молодых ученых (Саранск, 1996, 1997, 1998), Международной светотехнической конференции (Варна, 1996), II Всероссийской научно-технической конференции по проблеме Человек и свет (Саранск,

1997), конференции по проблеме общей экологии и прикладной биологии (Саратов, 1997), Евсевьевских чтениях в МГПИ им. М.Е. Евсевьева (1998), отчет по заказ-наряду №53/24-98 «Механизмы адаптационно-трофических реакций возникающих в клетках при воздействии гелий-неонового лазера» (Саранск, 1998).

I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Современные представления о морфофункциональной организации сетчатки глаза

Зрение является одним из важнейших органов чувств: оно обеспечивает организм наиболее детальной информацией о свойствах внешнего мира. Преобладающая часть реакций и действия организма, основана на информации, поступающей через глаз в мозг (Доннер, 1983).

Глаз регулирует свою чувствительность к свету в соответствии с условиями освещения, определенным образом смещая свою шкалу измерения светового потока. Существует значительное число морфологических и физиологических механизмов, обеспечивающих необходимую регулировку и настройку. Все эти процессы могут быть отнесены к явлению зрительной адаптации (Преображенский и др., 1986).

Свет, падающий в глаз через зрачок, вначале проходит сквозь прозрачные слои нервных клеток (нейроны) сетчатки, прежде чем достигает зрительных клеток (фоторецепторов), содержащих светочувствительные вещества - зрительные пигменты. Пигменты претерпевают химические превращения при освещении и, таким образом, инициируют процесс зрения (Островский и др., 1992).

Распространяясь вдоль фоторецептора, процесс возбуждения передается через синапсы назад к биполярным клеткам, которые в свою очередь, передают нервные сигналы на ганглиозные клетки, а те дают начало волокнам зрительного нерва и в виде нервных импульсов поступают в зрительные центры мозга.

Весьма полные данные по гистологии, гистохимии, ультраструктуре элементов сетчатки различных позвоночных и человека представлены в ряде фундаментальных работ которые в основном относятся к 60-м и 80-м годам (Винников, Бродский, Нечаев, Боровягин и др.).

На основании исследований под световым микроскопом принято считать, что сетчатка глаза состоит из 10 слоев (рис. 1.1.1).

Внутренняя пограничная мембрана

Слой волокон зрительного нерва Слой ганглиозных клеток

Внутренний сетчатый слой

и Внутренний ядерный слой ^ (биполярные клетки)

Наружный сетчатый слой

Наружный ядерный слой Наружная пограничная мембрана

Слой палочек и колбочек

Пигментный слой

Рис. 1.1.1. Схема слоев сетчатки

Слой 1 - слой пигментных эпителиальных клеток, которые развиваются из наружного глазного бокала. Слой 2 - слой палочек и колбочек. Более 100 лет назад немецкий анатом Шульц (БЬиНг) показал, что палочки приспособлены к деятельности в сумерках или полной темноте, а колбочки - к активности при ярком свете. Они лежат плотно друг к другу, и их свободные концы слегка вдаются в пигментный слой (слой 1). 3 слой - наружная пограничная мембрана, как показали электронномикроскопические исследования состоит из множества синаптических комплексов между Мюллеровыми клетками и фоторецепторами. Мюллеровы клетки своими микроворсинками вдаются через «мембрану» в слой 2. Слой 4 - наружный ядерный слой, образован плотноупакованными ядросо-держащими частями фоторецепторов. Слой 5 - наружный сетчатый слой, является слоем, где аксоны палочек и колбочек образуют синапсы с биполярными и горизонтальными клетками. Эти волокна образуют такую сеть, которая при соответствующей окраске придает слою вид сетчатого плексиформного образова-

ния. Слой 6 - внутренний ядерный слой состоит из ядросодержащих частей биполярных, Мюллеровых и горизонтальных клеток. 7 слой называется внутренним сетчатым, находится там, где аксоны биполярных клеток образуют синапсы с ганглиозными клетками, дендриты которых широко ветвятся и придают этому слою вид сети. 8-й слой - слой ганглиозных клеток, содержит тела и ядра крупных ганглиозных клеток, а также некоторое количество клеток нейроглии. Амакриновые клетки расположены в основном вдоль наружного края этого слоя. В этом слое находятся и кровеносные сосуды сетчатки. 9-й слой - слой нервных волокон - состоит из аксонов ганглиозных клеток; достигнув самой внутренней части сетчатки, эти волокна поворачивают под прямым углом и затем идут параллельно внутренней поверхности сетчатки к месту выхода зрительного нерва. Отсутствие миелина и шванновских оболочек способствует их прозрачности. Этот слой содержит также астроглиальные клетки, отростки мюллеровых клеток и кровеносные сосуды. Нежная внутренняя пограничная мембрана, представляющая 10 слой, состоит из окончаний отростков мюллеровых клеток и их базальной мембраны.

В соответствии с задачами собственных исследований проведен анализ данных литературы, касающихся ультраструктурных аспектов организации пигментного эпителия, фоторецепторов и нейронов клеток сетчатки.

1.1.1. Характеристика морфофункциональной организации пигментного эпителия

Свет сна