мІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ’Я УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені О.О. БОГОМОЛЬЦЯ

Бутенко Олексій Геннадійович

удк: 611-018.1.001.5 (083.3) : 612.67

Оцінка вікових структурних змін клітин різних типів за допомогою
математичного апарату, створеного на базі теорії нечітких множин

14.03.09 — цитологія, гістологія, ембріологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата медичних наук

Київ — 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті геронтології АМН України

Науковий керівник:

— доктор біологічних наук Квітницька-Рижова Тетяна Юріївна, Інститут
геронтології АМН України, завідувач лабораторії морфології та цитології

Офіційні опоненти:

— доктор медичних наук, професор Яценко Валентин Порфирович,
Національний медичний університет імені О.О.Богомольця, завідувач НДЛЦ,
Національний технічний університет України “Київський Політехнічний
Інститут”, завідувач кафедри медичної кібернетики та телемедицини

— доктор біологічних наук, професор Дзержинський Микола Едуардович,
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, завідувач
кафедри цитології, гістології та біології розвитку

Провідна установа: Інститут ендокринології та обміну речовин, АМН
України, м. Київ

Захист відбудеться “16“ вересня 2004 р. о 13-30 на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 26.003.06 при Національному медичному
університеті ім. О.О. Богомольця (03057, Київ, пр. Перемоги 34).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного медичного
університету ім. О.О.Богомольця (03057, Київ, вул. Зоологічна, 1).

Автореферат розісланий “12” серпня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор медичних наук, професор О.М. Грабовой

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Старіння є складним, багатофакторним і внутрішньо
суперечливим процесом (C.S. Atwood et all, 2003). Тому при вивченні його
структурних проявів виникає ряд труднощів, пов’язаних як із
неспецифічністю вікових змін, так і з їхньою гетерогенністю,
гетерохронністю і гетеротопністю, що призводить до морфологічно
різнобарвної картини (В.В. Фролькис и соавт., 2000). Це ускладнює опис,
оцінку і співставлення різноманітних проявів старіння в різних тканинних
і клітинних системах, у зв’язку з чим виникає необхідність їхньої
уніфікації і стандартизації. Підходи, які є в арсеналі сучасної
морфології, не дозволяють ефективно вирішувати завдання, пов’язані з
оцінкою глибини і виразності процесу старіння, зіставленням результатів
у різних клітинних популяціях, у різних вікових групах, при різних
хворобах, на різних етапах їхнього розвитку, при різних
експериментальних впливах.

Методи морфометрії в значній мірі підвищують об’єктивність і
порівняльність результатів морфологічних досліджень (Г.Г. Автандилов,
1990; В.Л. Исаков, 1990; В.П. Яценко, 1993). Однак далеко не завжди
кількісні характеристики здатні правильно відобразити функціональний
зміст явища, що реєструється. Важливе значення для вивчення структурних
особливостей старіння мають методи функціональної морфології, що
дозволили встановити субклітинну локалізацію функцій, а також кореляти
між змінами функції і структури, яка виконує цю функцію.

Для об’єктивної оцінки сукупності структурних вікових змін виникла
необхідність створення такого інструменту, за допомогою якого можливо
було б уніфікувати одиниці оцінки виразності морфологічних,
морфометричних, гісто- і ультрацитохімічних змін, звести в один показник
результати кількісних вимірів і їхніх якісних характеристик.

Розроблений у лабораторії морфології і цитології Інституту геронтології
АМН України метод комплексної морфо-функціональної оцінки (КМФО)
структурних проявів старіння заклав підходи до створення такого
інструменту (А.С. Ступина и соавт., 1993; Т.Ю.Квитницкая-Рыжова и
соавт., 1995). Цей метод став черговим етапом у розвитку
морфо-функціональних досліджень старіння, надавши кількісний вираз
якісним змінам структури. Однак зручним для дослідників інструментом
об’єктивізації морфологічних даних він не став. Метод виявився
громіздким і не пристосованим для використання за допомогою
обчислювальної техніки.

Для подолання цих труднощів, уніфікації шкали виміру змін, що
відбуваються в клітинах і тканинах у процесі старіння, зведення до
мінімуму суб’єктивізму дослідника при прочитанні та трактуванні
препарату, виникла необхідність створення методу об’єктивізації
результатів морфологічних досліджень, який був би реалізований через
комп’ютерну програму, що й було здійснено на основі принципів
функціональної морфології з використанням математичного апарату,
заснованого на теорії нечітких множин.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна
робота виконувалась у межах науково-дослідних тем лабораторії морфології
та цитології Інституту геронтології АМНУ: “Вікові структурні особливості
клітин різних популяцій під впливом іонізуючого опромінення та за умов
експериментального подовження життя”, номер держреєстрації 0199U000639
(1999-2001 рр.) та “Вікові морфо-функціональні особливості
гісто-гематичних бар’єрів за даними електронної мікроскопії та
ультрацитохімії”, номер держреєстрації 0101U002026 (2001-2004 рр.).

Мета дослідження.

Розробити метод об’єктивізації результатів морфологічних досліджень на
базі теорії нечітких множин – метод ОРМД (нм) — і за допомогою його
інтегральних показників оцінити вікові морфо-функціональні зміни різних
типів клітин і складноорганізованих структур.

Задачі дослідження.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі:

Створити метод ОРМД (нм) і розробити технологію його застосування:

враховуючи функціональну значимість всіх структурних перебудов, що
відбуваються в клітинах і тканинах при старінні, створити спеціальний
класифікаційний опис морфо-функціональних змін структурних характеристик
клітини і тканини в процесі старіння;

підібрати необхідну функцію приналежності і поліном для переведення
лінгвістичних даних у числові;

перевірити правильність вибору, розрахувавши як приклад структурні
характеристики по декільком органелам клітини;

написати комп’ютерну програму як інструмент дослідження, що вбирає в
себе всі принципи і деталі методу.

За допомогою запропонованого методу ОРМД (нм) оцінити характер і
вираженість структурних проявів старіння нейронів вентромедіального ядра
(ВМЯ) гіпоталамуса щурів.

За допомогою запропонованого методу ОРМД (нм) оцінити характер і
вираженість структурних проявів старіння кардіоміоцитів лівого шлуночка
щурів.

За допомогою запропонованого методу ОРМД (нм) оцінити характер і
вираженість структурних проявів старіння стінки капілярів лівого
шлуночка міокарда щурів.

За допомогою запропонованого методу ОРМД (нм) оцінити характер і
вираженість структурних проявів старіння судинних сплетінь (СС)
шлуночків мозку щурів.

Об’єкт дослідження: структурні особливості старіння клітин різних типів,
стінки капілярів міокарда і СС шлуночків мозку щурів різного віку.

Предмет дослідження: створення нового методичного підходу для
об’єктивізації результатів морфологічних досліджень в галузі
геронтології; інтегральна оцінка структурних проявів старіння клітин
різного типу і багатокомпонентних утворень за допомогою запропонованого
методу.

Методи дослідження: світлова й електронна мікроскопії, програмування з
використанням теорії нечітких множин.

Наукова новизна одержаних результатів. Нами був створений новий
оригінальний метод для об’єктивізації, інтеграції і стандартизації
результатів морфологічних досліджень, заснований на принципах
функціональної морфології і розроблений на базі теорії нечітких множин.

Вперше за допомогою запропонованого методу ОРМД (нм) були оцінені і
співставлені морфо-функціональні особливості старіння клітин різних
типів (високодиференційовані постмітотичні клітини — нейрони і
кардіоміоцити), а також багатокомпонентних складноорганізованих утворень
(стінка капілярів міокарда і СС шлуночків мозку), що дало можливість
визначити спільні риси і відмінності в характері їх старіння, а також
резервні можливості кожної структури, і характеризувати їх за допомогою
кількісних параметрів та графічних показників. За допомогою методу ОРМД
(нм) вдалося розширити і поглибити уявлення про процес старіння, з
огляду як на ступінь виразності деструкції і адаптації, так і ступінь
їхньої поширеності в досліджуваних об’єктах, а також і ступінь
цілісності, незмінності досліджуваних ознак.

Пріоритетність у створенні комп’ютерної програми, яка є технологією й
інструментом використання методу ОРМД (нм), підтверджена Свідоцтвом про
реєстрацію авторського права, виданим Державним департаментом
інтелектуальної власності України за номером 8028 від 25.07.2003 р.

Практичне значення одержаних результатів. Запропонований метод ОРМД
(нм) є зручним, адекватним і інформативним інструментом для дослідження
структурних особливостей старіння організму. Він дозволяє ближче підійти
до проблеми визначення біологічного віку і дослідження його критеріїв.
Принципи цього методу можливо застосовувати як у будь-якій галузі
експериментальної біології, так і в діагностичній медицині.

Отримані результати дисертації впроваджені в наукову роботу НДЛЦ НМУ
імені О.О. Богомольця. Також можливе використання результатів в
педагогічному процесі.

Особистий внесок здобувача. Автору належить ідея використання теорії
нечітких множин для створення нового методичного підходу, метою якого є
об’єктивізація результатів морфологічних досліджень. Дисертантом
самостійно був зроблений добір і аналіз літератури, проведена
експериментальна частина дослідження, розроблене програмне забезпечення
для реалізації методу і проведений аналіз отриманих результатів,
написані всі розділи дисертації, сформульовані висновки.

Апробація результатів роботи. Матеріали роботи докладалися й
обговорювалися на засіданні відділення “Медичної інженерії” Академії
інженерних наук України 23.01.2001 року, Київ; на III Українській
Конференції молодих вчених, присвяченій пам’яті академіка В.В. Фролькіса
28.01.2002 року, Київ; на III Національному конгресі анатомів,
гістологів, ембріологів і топографоанатомів 21-23 жовтня 2002 року,
Київ, на V Українській Конференції молодих вчених, присвяченій пам’яті
академіка В.В. Фролькіса 28.01.2004 року.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 8 робіт: 5 статей (4
із них — у фахових журналах, рекомендованих ВАК України), і 4 тези
доповідей на наукових конгресах і конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 144
сторінках машинописного тексту (основного тексту____ стор.). Містить 24
ілюстрації. Список використаних літературних джерел містить 220
найменувань (99 — країни СНД, 121 — інші країни).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Матеріали і методи дослідження. Робота проводилася на щурах-самцях
Вістар двох вікових груп: дорослі (8 міс.) і старі (28 міс.), по 15
щурів у кожній групі. Декапітацію проводили після попереднього
внутрішньочеревного нембуталового наркозу. Досліджували мозок
(вентромедіальне ядро гіпоталамуса (ВМЯ) і СС латеральних шлуночків) і
серце (лівий шлуночок). Для світлооптичного дослідження шматочки
тканини, які підлягали вивченню (мозок, серце), фіксували в 10% водному
нейтральному розчині формаліну, проводку і заливання в парафін
здійснювали відповідно до загальноприйнятої методики, далі виготовляли
серійні зрізи товщиною 7 — 8 мкм. Фарбування препаратів робилося за
допомогою загальноприйнятих методик: гематоксилін — еозин, за Ван-Гізон,
альціановий синій, тіонін за Нісслем.

Для електронно-мікроскопічного дослідження шматочки мозку і серця щурів
двох вікових груп фіксували в 2,5% розчині глутаральдегіда і
дофіксовували 1% розчином осмієвої кислоти (G. Millonig, 1961). Подальше
зневоднення і заливання в смолу (епон 812 або суміш епона з аралдитом)
проводили по загальноприйнятому методу (Б.Уикли, 1975).

Різання блоків проводилося на ультратомі LKB-III (Швеція) за допомогою
скляних ножів, які готувалися на приладі Knife Maker 7801B (LKB,
Швеція). Напівтонкі зрізи фарбували толуїдиновим синім за методом T.
Sato і M. Shamoto (1973). Після фарбування і укладання в канадський
бальзам напівтонкі зрізи вивчали під світловим мікроскопом.

Ультратонкі зрізи фарбували 2% розчином уранілацетата за M. L. Watson
(1958) і цитратом свинцю (E. S. Reynolds, 1963), а потім досліджували за
допомогою електронного мікроскопа ПЕМ — 125 К (SELMI, Україна).

Математична частина методу базувалася на нечітких системах, заснованих
на теорії нечітких множин, розроблених і описаних у 1965 році професором
Каліфорнійського університету (Берклі) Лотфі Заде. Нечіткою множиною А
на множині Х називається сукупність пар виду:

, [1]

— відображення множини U на одиничний відрізок. [0,1] — називається
функцією приналежності (ФП) нечіткої множини А.

Проблему неточності і неоднозначності при описі процесів або станів
біологічної системи вирішуємо введенням поняття лінгвістичної змінної,
що виходить із поняття нечіткої змінної.

Нечітка змінна описується формулою:

av = <а, Х, Са> , [2]

де а — найменування нечіткої змінної; Х = {х} — область її визначення;
Са = {ua (x) / x} — нечітка множина на Х, що описує обмеження нa
можливі значення нечіткої змінної “а” (її семантику).

Лінгвістична змінна (ЛЗ) описується формулою:

bv = , [3]

де b — найменування ЛЗ; Т — множина її значень (терм-множина), яка являє
собою найменування нечітких змінних, областю визначення кожної із яких є
множина Х. Множина “Т” називається базовою терм-множиною ЛЗ; G —
синтаксична процедура (граматика), яка дозволяє оперувати елементами
терм-множин “Т”, зокрема генерувати нові осмислені терми. М —
семантична процедура, яка дозволяє перетворити кожне нове значення ЛЗ,
утворене процедурою “G”, у нечітку змінну, тобто приписати їй нечітку
семантику шляхом формування відповідної нечіткої множини.

Синтаксис “G” задаємо у вигляді безконтекстової граматики Лукасевича,
множина термових символів якої включає множину базових значень “Т”,
логічні операції і модифікатори типів І, АБО.

М(а1 АБО а2 ) = С1 \/ С2 ; [4]

М(а1 І а2 ) = С1 /\ С2 ; [5]

де С1 і С2 — нечіткі множини, які відповідають значенням (нечітким
змінним) а1 і а2 розглянутої ЛЗ.

Таким чином, усі ці побудови призводять до використання нечіткого
введення як способу прирівнювання даних якісного характеру, отриманих
дослідником у природній мовній формі, до деякої штучної шкали, що
допомагає дослідникові вводити дані в природному для нього
поняттєво-мовному вигляді. Далі введені дані переводяться в цифрові й
обробляються з використанням вищезазначених формул, які ми розробляли
спеціально для побудови адекватної математичної моделі. *

Комп’ютерна програма написана на мові Visual Basic for Application у
середовищі Access.

Статистична обробка результатів досліджень по кожній експериментальній
групі проводилася шляхом порівняння середніх арифметичних і їхніх
похибок, використовуючи критерій Ст’юдента.

Результати дослідження і їх обговорення. Для підвищення об’єктивності
оцінки і порівнювальності результатів морфологічних досліджень процесу
старіння виникла необхідність у створенні моделі, яка при своїй
математичній ефективності та адекватності не спрощувала би складності
біологічних процесів, і в той же час була б простою у використанні і
застосовувалася би у вигляді комп’ютерної

________________________

*Висловлюю щиру подяку доктору технічних наук, професору, заслуженому
винахіднику України, заслуженому діячеві науки України, члену Академії
інженерних наук України Володимиру Івановичу Гостєву за консультативну
допомогу в розробці математичного апарату методу ОРМД (нм).

програми. Така модель була нами розроблена на базі теорії нечітких
множин і заснована на принципах функціональної морфології.

В основу запропонованого нами методу ОРМД (нм) покладено спеціально
оформлений опис вікових структурних змін клітин і тканин, складений із
використанням відомих морфо-функціональних корелятів. Характеристика або
властивість конкретної структурної компоненти клітини або тканини
(ознака) логічно ділиться на три ступеня виразності, які лінгвістично
позначені словами-термами: “незначно”, “помірно” і “виражено”, а в
деяких випадках — кількісним рядом. Вищезгадані лінгвістичні терміни є
нечіткими описами зміни ознаки структури в процесі старіння, не
потребуючими будь-яких штучних числових уточнень, що відповідає задачі
даного дослідження.

Основним методологічним засобом такого класифікаційного опису є поділ
усіх морфо-функціональних змін клітини і тканини, які мають місце при
старінні, на деструктивні й адаптивні. Всі структурні зміни, які
свідчать про деструктивні, дистрофічні, атрофічні процеси, і які
призводять до порушення й обмеження функції, умовно позначені терміном
“деструкція” (Д), а зміни, спрямовані на підтримку або підсилення
функціональної активності — терміном “адаптація” (А).

Базуючись на цьому принципі, були створені дві спеціальні шкали для
кількісної оцінки виразності змін Д і А ультраструктури клітинних
органел, а також різних компонентів тканини. Зміни ознак, які свідчать
про розвиток Д, розміщали в лівій частині схеми, а ті, що відносяться до
А, — у правій. Ступінь їхньої зміни на штучній шкалі відповідає всій
сукупності значень в інтервалі від 0 до 3.

Істотним моментом при оцінці вікових змін всіх особливостей клітини і
тканини з віком є “нульова” точка або “точка відліку”. Необхідно визнати
існування гіпотетично “нормальної”, стандартної клітини, структура якої
є типовою для даного типу клітин. Це рівною мірою стосується і тканин. І
хоча “норма” є у певній мірі умовним поняттям, введення “нульової” точки
необхідно для подальших оцінок виразності змін, які відбуваються.

Ця класифікація є одночасно алгоритмом і матрицею опису препарату, яка
логічно характеризує кожну ознаку ультраструктури клітини або тканини.
Потім вона “згортається” у цифрові і графічні показники, що передбачає
не тільки об’єктивізацію результатів досліджень, але також їх інтеграцію
і стандартизацію.

Запропонована класифікація є певною методологічною базою, яка може бути
доповнена і конкретизована, виходячи з задачі дослідника, а також із
специфіки досліджуваного об’єкта. Крім того, запропонована класифікація
динамічна і подальший прогрес морфології, з’ясування функціонального
значення певних морфологічних перебудов неминуче призведе до розширення
й уточнення даної класифікації.

На основі теоретичних розробок, залучення принципів нечітких множин
(Л.Заде, 1965), докладно наведених у розділі “Матеріали і методи”, і
розробленого на цій основі математичного апарату, нами була написана
комп’ютерна програма, яка дає дослідникові можливість використовувати
метод об’єктивізації результатів морфологічних досліджень безпосередньо
при мікроскопіюванні. Програма, створена на основі методу ОРМД (нм) і
написана на мові Visual Basic for Application у середовищі Access,
розраховує ступінь приналежності кожної ознаки клітини і тканини, що дає
можливість кількісно визначити ступені виразності процесів Д і А в
клітині або тканині при старінні, а також ступені поширеності цих
процесів. У підсумку, програма видає п’ять числових величин, що описують
ступінь старіння клітини і тканини: 1) вираженість деструктивних
процесів, 2) поширеність деструктивних процесів, 3) вираженість процесів
адаптації, 4) поширеність процесів адаптації і 5) поширеність ознак, що
знаходяться у незмінному, інтактному стані — показник “інтактності”
(“І”). Остання величина є показником резервних можливостей клітини
протистояти старінню або несприятливим зовнішнім впливам. Вона дозволяє
обчислити “обсяг цілісності”, тобто рівень незмінності структурних ознак
як органел, так і більш складних з точки зору гістологічної організації
утворень. По закінченні роботи дослідника над матеріалом, комп’ютерна
програма, крім зазначених п’яти показників, видає докладний протокол
досліджень. Отримані в такий спосіб дані легко порівнювати, вони являють
собою досить повну, різнобічну й узагальнену характеристику структурних
ознак старіння утворень, які вивчалися.

Для оцінки структурних проявів старіння за допомогою запропонованого
методу були обрані клітини різного типу, а також більш складні
багатокомпонентні утворення, які складаються із клітин різного типу і
різної тканинної приналежності, а також неклітинних структур.
Досліджувалися високодиференційовані, постмітотичні клітини, найбільшою
мірою схильні до вікових змін — нейрони головного мозку
(вентромедіального ядра гіпоталамуса) і кардіоміоцити лівого шлуночка
серця. На наступному етапі була вивчена більш складноорганізована
структура — стінка кровоносних капілярів міокарда, яка складається з
різних клітин і неклітинного компонента (ендотеліальні клітини і
базальний шар, який містить у собі клітинні елементи — перицити та
базальну мембрану), а також перикапілярний простір. Після цього було
проведене дослідження ще більш складного утворення (органу) — СС
шлуночків мозку, який складається із клітин різної тканинної
приналежності (епітелій і сполучна тканина), а також гемокапілярів і
перикапілярного простору, який містить пухку волокнисту сполучну тканину
з великою кількістю фібробластів і макрофагів. Вони складають структурну
основу гемато-лікворного бар’єра мозку.

\

h

?

O

\

d

?d

f

h

j

?

?

« $ Z t

v

?

?? ° I v

?

TH

e

??????????

d?fooooiaaaaaaaaaaaaOOIAA

&

h†`pB*

dh

:птаційних — 33%, а показник інтактності — 49%. З віком поширеність
деструкції збільшилася до 38%, поширеність адаптації зменшилася і стала
дорівнювати 20%, а показник інтактності знизився до 42%.

У кардіоміоцитах дорослих щурів вираженість деструктивних процесів
склала 7%, а адаптаційних — 5% (Рис.2). Однак із віком ці показники
змінилися, і у старих щурів вони зросли відповідно до 19% та 11%.
Поширеність деструктивних і адаптаційних процесів у дорослих щурів
склала 7%, а показник інтактності — 86%. З віком поширеність деструкції
збільшилася до 57%, поширеність адаптації — до 20%, а показник
інтактності зменшився до 23%.

вираженість поширеність

Дорослі щури (8 міс.)

вираженість поширеність

старі щури (28 міс.)

Рис.1. Характеристика основних показників старіння нейронів ВМЯ
гіпоталамуса мозку щурів. Вираженість Д і А дана у відсотках, р<0, 001. вираженість поширеність дорослі щури (8міс.) вираженість поширеність старі щури (28 міс.) Рис.2. Характеристика основних показників старіння кардіоміоцитів лівого шлуночка щурів. Вираженість Д і А дана у відсотках, р<0, 001. вираженість поширеність дорослі щури (8 міс.) вираженість поширеність старі щури (28 міс.) Рис.3. Характеристика основних показників старіння капілярів міокарда щурів. Вираженість Д і А дана у відсотках, р<0, 001. вираженість поширеність дорослі щури (8 міс.) вираженість поширеність старі щури (28 міс.) Рис.4. Характеристика основних показників старіння СС шлуночків мозку щурів. Вираженість Д і А дана у відсотках, р<0, 001. Нейрони ВМЯ гіпоталамуса щурів Кардіоміоцити шлуночка серця Гемокапіляр міокарда Судинне сплетення шлуночків мозку Рис. 5. Інтегральна характеристика процесу старіння за показниками деструкції і адаптації Рис. 6. Характеристика процесу старіння за показником “інтактність” При вивченні стінки капілярів міокарда у дорослих щурів вираженість деструктивних процесів дорівнює 6%, а адаптаційних - 7% (Рис.3). Однак із віком ці показники змінилися і у старих щурів вони зросли відповідно до 32% та 41%. Поширеність деструктивних процесів у дорослих щурів склала 2%, поширеність адаптаційних - 5%, а показник інтактності - 93%. З віком же поширеність деструкції збільшилася до 27%, поширеність адаптації - до 38%, а показник інтактності зменшився до 35%. У СС шлуночків мозку дорослих щурів вираженість деструктивних процесів дорівнює 9%, а адаптаційних - 23% (Рис.4). Однак із віком ці показники змінилися, і у старих щурів вони зросли відповідно до 30% та 33%. Поширеність деструктивних процесів у дорослих щурів дорівнює 20%, поширеність адаптаційних - 7%, а показник інтактності - 73%. З віком же поширеність деструкції збільшилася до 33%, поширеність адаптації - до 32%, а показник інтактності зменшився до 35%. Ці дані можна використовувати для наступного графічного зображення процесу старіння, що дає можливість ще більш поглиблено вивчати і порівнювати вікові зміни клітин різних типів, а також різних структур. Для подальшого узагальнення результатів дослідження ми ввели синтетичний показник, який назвали “показником об'єму вікових змін”, отриманий у результаті множення вираженості Д або А на поширеність відповідно однієї або другої ознаки (Рис. 5). Інтегральний показник процесу старіння визначається не тільки розмірами Д і А, але і рівнем “І”, тобто кількістю незмінних структур. Тому ми графічно зобразили зміну показника “І” у вивчених утвореннях щурів у процесі старіння. Чим більша зміна показника, тим більше кут нахилу графіків до осі абсцис, і тим менша цілісність даної клітинної популяції або структури при старінні (Рис. 6). Порівнюючи структурні прояви старіння клітин різних типів (нейрони і кардіоміоцити) можна зробити висновок, що процес деструкції протікає в них однотипно й односпрямовано, однак він сильніше виражений у кардіоміоцитах, а процес адаптації відбувається в них по-різному. У нейронах ВМЯ у дорослих щурів показник А визначався як високий, однак в старості він незначною мірою падав. У кардіоміоцитах дорослих щурів показник А був невеликий, а в старості збільшився незначною мірою. Однак, слід зазначити незбалансованість протікання процесів Д й А в нейронах і кардіоміоцитах при старінні, що може призвести до порушення функції даних клітин. У той же час, показник “І” у нейронах із віком незначною мірою зменшувався, а в кардіоміоцитах він різко зменшувався (майже в 4 рази). Необхідно відзначити, що високий показник А нейронів ВМЯ гіпоталамуса як у дорослих, так і у старих щурів, свідчить про їх високу функціональну активність, що є органоспецифічною особливістю цих клітин у порівнянні із нейронами інших областей мозку. (С. Михальський, 1998). Стінка капіляра, яка складається з клітинних і неклітинних елементів, є складною багатокомпонентною структурою, однак за допомогою методу ОРМД (нм) нам також вдалося оцінити характер старіння цього утворення. Була зафіксована перевага А при помірному збільшенні Д з віком, що могло б свідчити про достатню здатність цієї структури до адаптації при старінні. Однак, значне зменшення “І” свідчить про те, що перевага А відбувається при виснаженні функціональних резервів системи за рахунок залучення інтактних структур. СС шлуночків мозку є ще більш складноорганізованим багатокомпонентним утворенням (органом), яке складається з клітин різної тканинної приналежності, капілярів і перикапілярної області з характерними клітинними і волокнистими елементами. Деструктивні й адаптивні процеси при старінні зростали в них досить сильно і рівномірно. У той же час, показник “І” з віком знизився менш виражено, ніж у стінках гемокапілярів серця. Незважаючи на те, що стінка капіляра і СС складаються з різних клітинних і неклітинних елементів, метод ОРМД (нм) дозволяє зробити інтегральну і порівняльну оцінку старіння навіть таких складноорганізованих структур. Таким чином, запропонований нами метод ОРМД (нм) дозволяє досліджувати процеси старіння як в окремих ультраструктурах клітини, і самій клітині, так і в більш складноорганізованих утвореннях, а також органах, що значно підвищує його інформативність і розширює можливості застосування. Отже, при застосуванні методу ОРМД (нм), відзначені тенденції розвитку старіння виявилися спільними в наступних своїх проявах. По-перше, із віком відзначається посилення деструктивних процесів в усіх вивчених структурах. Тобто, можна сказати, що поглиблення процесів деструкції є загальною і найбільш універсальною характеристикою старіння. По-друге, на відміну від процесів деструкції, процеси адаптації є більш складними, багатоплановими, варіабельними, і менш стабільними, що, мабуть, відбиває їхні органоспецифічні особливості. У клітинах, що не оновлюються, вік яких відповідає віку всього організму, адаптаційні процеси або слабко зростають (кардіоміоцит), або падають (нейрон ВМЯ). Неоднотипні зміни показника адаптації з віком у різних структурах підтверджують гетерогенність, гетерохронність та гетеротопність старіння, демонструючи його складний багатофакторний характер. По-третє, зниження показника “інтактність”, відзначене в усіх вивчених об'єктах, вказує на зниження з віком “резервних” можливостей вивчених структур і організму в цілому. Цей процес є типовою ознакою старіння, таким же універсальним і односпрямованим, як і посилення Д, однак відношення цих показників не є обернено пропорційним, “дзеркальним” відображенням один одного. По-четверте, при старінні не тільки збільшуються показники залученості структур у перебудову (Д і А), але і виникає незбалансованість процесів із перевагою у більшості випадків Д, як наприклад у кардіоміоцитів. Таким чином, розроблений нами метод дозволяє оцінювати і порівнювати особливості старіння: ступінь вираженості і поширеності Д і А, а також рівень незмінності клітинних і тканинних ультраструктур. Він дозволив ввести ознаку “інтактності” для інтегральної характеристики процесу старіння, яка виявилася досить значимою і інформативною. По своїй суті, логіка побудови і можливості метода ОРМД (нм) передбачає не тільки об’єктивізацію результатів досліджень, але також їхню інтеграцію і стандартизацію. Висновки У дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова задача - розроблено метод об’єктивізації результатів морфологічних досліджень (ОРМД (нм)), заснований на принципах функціональної морфології і диференціальної характеристики всіх вікових структурних змін, із застосуванням логічного і математичного апарату теорії нечітких множин і використанням лінгвістичної змінної. З його допомогою проведена порівняльна оцінка структурних проявів старіння як клітин різного типу, так і утворень, які містять клітини різного типу і різної тканинної приналежності. Технологією й інструментом, необхідним для використання методу ОРМД (нм), є комп'ютерна програма, написана на мові Visual Basic for Application, у середовищі Access, із використанням принципів теорії нечітких множин, яка увібрала в себе сучасну базу знань про ультраструктурні основи старіння клітини, про морфо-функціональні кореляти і функціональне значення стереотипних структурних реакцій клітини і її органел. В основу методу ОРМД (нм) закладено п'ять показників (вираженість деструкції, поширеність деструкції, вираженість адаптації, поширеність адаптації, "інтактність"), сукупність яких досить повно відбиває різноспрямовані зміни, що відбуваються в процесі старіння клітини і тканини, і в комплексі здатні охарактеризувати динаміку процесу. Запропонований нами показник “інтактності” визначає незмінні з віком характеристики клітини або тканини і відбиває її резервні можливості. Він є істотним показником темпу і вираженості процесу старіння, а також його прогностичних можливостей. У результаті оцінки характеру старіння нейронів вентромедіального ядра гіпоталамуса за допомогою методу ОРМД (нм) відзначено, що помірне зростання показника деструкції, незначне падіння показника адаптації і слабке зменшення показника “інтактності” свідчать про досить високу цілісність цих клітин у старих тварин у порівнянні з кардіоміоцитами. При цьому досліджувані нейрони належать до популяції клітин, що збереглися, тоді як їх певна частина гине в процесі старіння. У результаті оцінки характеру старіння кардіоміоцитів за допомогою методу ОРМД (нм) визначено, що сильне зростання показника деструкції, незначне зростання показника адаптації і виражене зменшення показника “інтактності” свідчать про сильно виражені прояви інволютивних процесів у цих клітинах і зниження їхніх резервних можливостей у старості. У результаті оцінки характеру старіння капілярів міокарда за допомогою методу ОРМД (нм) визначено, що сильне зростання показника адаптації на фоні помірного зростання показника деструкції свідчить про збережену здатність до адаптації даної структури в процесі старіння, однак виражене зменшення показника “інтактності” свідчить про сильно виражені прояви інволютивних процесів. У результаті оцінки характеру старіння судинних сплетінь шлуночків мозку, які включають у себе клітини різного типу і тканинної приналежності, за допомогою методу ОРМД (нм) відзначено, що однаково сильне зростання показників деструкції й адаптації і виражене падіння показника “інтактності” свідчать про значний прояв інволютивних тенденцій, і обмеження резервних можливостей, що в кінцевому результаті призводить до глибоких вікових порушень, які охоплюють велику частину структурних компонентів даного утворення. Структурні особливості клітинного старіння характеризуються загальними тенденціями, однак виявляються неоднаково в клітинах різних типів і зводяться до різного ступеня поглиблення процесів деструкції і зниження “інтактності” ознаки, різноспрямованим змінам процесів адаптації, що в сукупності визначає вираженість процесу старіння і його прогностичні характеристики. Запропонований метод дозволяє з високим ступенем об'єктивності різнобічно оцінити структурні прояви старіння клітин і складноорганізованих утворень і співставити їх для різних клітинних популяцій, тканин і органів, різних видів експериментальних впливів і різної, залежної від віку патології. Це дає підстави рекомендувати його до широкого використання у фундаментальних і прикладних дослідженнях у галузі геронтології, а при певній модифікації - і для інших галузей медицини і біології. СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ У фахових виданнях Гостєв В.І., Камалов Р.Х., Квітницька-Рижова Т.Ю., Бутенко О.Г. Визначення ступеня деструкції і адаптації ядра клітини // Вісник наукових досліджень. – 2001.- №2 (22). – С. 82-86. Бутенко О.Г. провів огляд літератури, особисто зібрав матеріал та провів його аналіз, зробив узагальнення, підготував до друку. Гостев В.И., Квитницкая-Рыжова Т.Ю., Бутенко А.Г. Метод экспертной оценки деструкции и адаптации составляющих клетки // Одеський медичний журнал. – 2001.- №3 (65). – С. 8-12. Бутенко О.Г. провів огляд літератури, особисто зібрав матеріал та провів його аналіз, зробив узагальнення, підготував до друку. Гостев В.И., Квитницкая-Рыжова Т.Ю., Бутенко А.Г. Экспертная оценка деструкции и адаптации митохондрий в процессе старения клетки // Вісник проблем біології і медицини. – 2002. - №1. – С. 30-39. Бутенко О.Г. провів огляд літератури, особисто зібрав матеріал та провів його аналіз, зробив узагальнення, підготував до друку. Квитницкая-Рыжова Т.Ю., Гостев В.И., Бутенко А.Г. Принципы объективизации данных морфологических исследований, основанные на теории нечетких множеств // Журнал АМН України. – 2002. – Т.8, №2. – С.375-384. Бутенко О.Г. провів огляд літератури, особисто зібрав матеріал та провів його аналіз, зробив узагальнення, підготував до друку. Тези та інше Бутенко А.Г. Оценка возрастных структурных изменений различных типов клеток с помощью математического аппарата, созданного на базе теории нечетких множеств//Матеріали III Української конференції молодих вчених, присвяченої пам’яті академіка, В.В. Фролькіса. – 2002. – С.28. Бутенко А.Г., Квитницкая-Рыжова Т.Ю., Михальский С.А. Объективизация морфологических исследований на основе теории нечетких множеств//Наукові праці III національного конгресу анатомів, гістологів, ембріологів та топографоанатомів України. – 2002. – С.39. Бутенко О.Г. Исследование кардиомиоцитов и капилляров сердца используя метод объективизации морфологических исследований, основанный на теории нечетких множеств//Матеріали V Української конференції молодих вчених, присвяченої пам’яті академіка В.В. Фролькіса.. – 2004. – С. 25-26. Гостєв В.І., Камалов Р.Х., Квітницька-Рижова Т.Ю., Бутенко О.Г. Визначення ступеня деструкції і адаптації клітинної оболонки//Вісті Академії інженерних наук України. – 2001. – №2 (13). – С. 38-44. Бутенко О.Г. провів огляд літератури, особисто зібрав матеріал та провів його аналіз, зробив узагальнення, підготував до друку. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір, видане Державним департаментом інтелектуальної власності України за номером 8028 від 25.07.2003. АНОТАЦІЯ Бутенко О.Г. Оцінка вікових структурних змін різних типів клітин за допомогою математичного апарата, створеного на базі теорії нечітких множин. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата медичних наук за фахом 14.03.09 - гістологія, цитологія, ембріологія. - Національний медичний університет ім. О.О.Богомольця, Київ, 2004. Дисертація присвячена актуальній проблемі морфології - об'єктивній математичній оцінці вікових структурних змін різних типів клітин і тканин за допомогою розробленого нами методу “об’єктивізації результатів морфологічних досліджень, заснованого на застосуванні теорії нечітких множин” - метод ОРМД (нм). Метод поданий у вигляді комп'ютерної програми, яка у результаті видає п'ять числових параметрів, які описують ступінь і характер старіння клітини і тканини. На основі створеного методу, реалізованого через комп'ютерну програму, нами були проведені дослідження клітин (нейронів і кардіоміоцітів), а також структур (капілярів міокарда і судинних сплетінь шлуночків мозку). Структурні особливості старіння виявляються неоднаково в клітинах і структурах різних типів і зводяться до різного ступеня поглиблення процесів деструкції, різнонаправлених змінах процесів адаптації і до загальної тенденції до зниження ступеня “інтактності” ознаки, що в сукупності визначає вираженість процесу старіння і його прогностичні характеристики. Ключові слова: старіння, структура, нейрон, кардіоміоцит, капіляр, судинне сплетіння шлуночків мозку, деструкція, адаптація, “інтактність”, нечіткі множини. АННОТАЦИЯ Бутенко А.Г. Оценка возрастных структурных изменений различных типов клеток с помощью математического аппарата, созданного на базе теории нечетких множеств. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук по специальности 14.03.09 – гистология, цитология, эмбриология. – Национальный медицинский университет имени А.А.Богомольца, Киев, 2004. В диссертационной работе решена актуальная научная задача – разработан метод объективизации результатов морфологических исследований (ОРМИ (нм)), основанный на принципах функциональной морфологии, а также дифференциальной характеристике всех возрастных структурных изменений, с применением математического аппарата теории нечетких множеств и использованием лингвистической переменной. С его помощью проведена сравнительная оценка структурных проявлений старения клеток различного типа и образований, содержащих клетки разного типа и разной тканевой принадлежности. Технологией и инструментом, необходимым для использования метода ОРМИ (нм) является компьютерная программа, написанная на языке Visual Basic for Application, в среде Access, и вобравшая в себя современную базу знаний об ультраструктурных основах старения клетки, о морфо-функциональных коррелятах и функциональном значении стереотипных структурных реакций клетки и ее органелл. Она является средством и инструментом, помогающим исследователю сравнивать возрастные изменения различных клеток, тканей, органов. Компьютерная программа выдает пять числовых величин, описывающих степень старения и характер изменений клетки и ткани: 1) выраженность деструктивных процессов, 2) распространенность деструктивных процессов, 3) выраженность процессов адаптации, 4) распространенность процессов адаптации и 5) показатель “интактности” - распространенность признаков, находящихся в исходном, неизмененном, интактном состоянии. Последняя величина является показателем резервных возможностей клетки противостоять старению или неблагоприятным внешним воздействиям. На основе созданного метода нами были проведены исследования клеток (нейронов и кардиомиоцитов), а также структур (капилляров миокарда и сосудистых сплетений желудочков мозга). Структурные особенности старения проявляются неодинаково в клетках и структурах различных типов и сводятся к разной степени углубления процессов деструкции, разнонаправленных изменениях процессов адаптации и к общей тенденции снижения степени “интактности” признака, что в совокупности определяет выраженность процесса старения и его прогностические характеристики. Предложенный метод позволяет с высокой степенью объективности и разносторонности оценить структурные проявления старения клеток и сложноорганизованных образований и сопоставить их для различных клеточных популяций, тканей и органов, различных видов экспериментальных воздействий и различной возрастзависимой патологии. Это дает основания рекомендовать его к широкому использованию в фундаментальных и прикладных исследованиях в области геронтологии, а при определенной модификации – и в других областях медицины и биологии. Ключевые слова: старение, структура, нейрон, кардиомиоцит, капилляр, сосудистое сплетение желудочков мозга, деструкция, адаптация, “интактность”, нечеткие множества. ANNOTATION Butenko A.G. Estimation of age-related structural changes of various types of cells by means of a mathematical tool based on the fuzzy sets theory. Manuscript. Dissertation for the degree of a Candidate of Medical Science in specialty 14.03.09 - histology, cytology, embryology. The National Medical University, Kyiv, Ukraine, 2004. The dissertation deals with a very challenging problem of morphology, namely: an objective mathematical estimation of age-related changes in the structure of the cells and tissues of different types by means of the method of an “objectivisation of results of morphological investigations, based on the fuzzy sets theory ". The author’s approach is given as a computer program, resulting in the provision of five numerical values that describe both a degree and a character of the aging of the cells and tissues. With this approach, the author has studied the cells (neurons and cardiomyocytes) and the structures (myocardial capillaries and vascular plexus of the brain ventricles). The specificities of aging manifest themselves unevenly in the cells and structures of various types. In other words, the different degree of deepening of destructive processes, the differently-directed changes of adaptation processes and the common tendency of lowering of the "intactness" sign have been revealed as a result of study. All these have defined the pronouncement of the aging process and its predictive characteristics. Key words: aging, structure, neuron, cardiomyocytes, capillary, vascular plexus of brain ventricles, destruction, adaptation, intactness, fuzzy sets.

Похожие записи