Ulyanovsk Medico-biological Journal

BIOLOGICAL SCIENCES

Download adrticle

УДК 611.24-911.7

DOI 10.34014/2227-1848-2023-1-114-124

REMODELING OF THE AERO-HEMATIC LUNG BARRIER COMPONENTS UNDER HIGH ALTITUDES

V.V. Matvienko1, I.A. Abdumalikova2, Yu.Kh.-M. Shidakov2, A.V. Margaryan1, O.V. Zakharchuk1, O.F. Istomina1, V.A. Shidin1, T.M. Tulekeev3

1 Tyumen State Medical University, Ministry of Health of the Russian Federation, Tyumen, Russia;

2 Kyrgyz Russian Slavic University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin, Bishkek, Republic of Kyrgyzstan;

3 Salymbekov University, Bishkek, Republic of Kyrgyzstan

 

The aim of the study is to examine structural and ultrastructural aero-hematic barrier (AHB) changes in rats during adaptation to high-altitude hypoxia.

Materials and Methods. The experiments were carried out on 60 sexually mature outbred laboratory male rats weighing 140–160 g at high altitude (3200 m above sea level). The authors followed Mayer's hematoxylin and eosin staining protocol, and used transmission and scanning electron microscopy on the 7th, 15th and 30th days of the animals' life in the mountains. Statistical data processing was carried out using Statistica 6.0 (USA) and StatTech v. 2.8.4 (Russia) and Student's t-test. Differences were considered statistically significant at p<0.05.

Results. At early stages of high-altitude adaptation, dystrophic changes in the epithelial layer of lung capillaries, hypertrophy and hyperplasia of histiocytes, fibroblasts and lipofibroblasts were noted. The authors also revealed proliferation of type II alveolocytes, thickening of the interalveolar septa (IAS) and cytoplasmic processes of endotheliocytes, destruction of type II alveolocytes (apocrine method, with the release of surfactant into the alveoli lumen), multivesicular lamellar bodies in the cytoplasm of type II alveolocytes; interstitial edema with transudate in the alveoli lumen. In later periods, surfactant system activity decreases due to a reduced release of osmiophilic lamellated corpuscles (OLC) into the alveoli lumen. The main AHB components are next to control data, while the IAS thickness exceeds the norm. In the alveoli wall, the number of fibroblasts increases, causing an increase in the number of Kohn's pores and providing collateral breathing.

Conclusion. The study of AHD components in experimental animals at different periods of high-altitude adaptation revealed dystrophic processes of AHD in IAS, compensated by type I alveolocytes and proliferation of type II alveolocytes, confirming the adaptive mechanisms of ultrastructural alteration of all epithelial and endothelial components of the pulmonary alveoli.

Key words: high-altitude hypoxia, surfactant, air-blood barrier, interalveolar septum, basement membrane.

 

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Author contributions
Research concept and design: Matvienko V.V., Zakharchuk O.V.
Data collection and processing: Matvienko V.V., Abdumalikova I.A., Shidin V.A.
Statistical data processing: Zakharchuk O.V., Margaryan A.V., Istomina O.F., Tulekeev T.M.
Data analysis and interpretation: Shidakov Yu.Kh.-M., Matvienko V.V.
Text writing and editing: Shidakov Yu.Kh.-M., Matvienko V.V.

 

References

  1. Aydaraliev A.A., Arabaeva A.I., Shatmanova E.K. Ustoychivoe razvitie gornykh regionov Kyrgyzstana [Sustainable development of mountainous regions of Kyrgyzstan]. Zdravookhranenie Kyrgyzstana. 2021; 1: 3–12 (in Russian).

  2. Shidakov Yu.Kh.-M., Balykin M.V., Karkobatov Kh.D. Gornaya mikroangiologiya [Mountain microangiology]. Bishkek; 2019. 172 (in Russian).

  3. Matvienko V.V., Tulekeev T.M., Matvienko O.V., Shvedskiy M.S. Morfofunktsional'nye izmeneniya sosudistogo rusla legkikh v usloviyakh vysokogor'ya [Morphofunctional changes in the vascular lung bed at high altitudes]. Vestnik fizicheskoy kul'tury i sporta. Bishkek. 2019; 2: 99–102 (in Russian).

  4. Ivanov K.P. Sovremennye meditsinskie problemy mikrotsirkulyatsii i gipoksicheskogo sindroma [Modern medical problems of microcirculation and hypoxic syndrome]. Vestnik RAMN. 2014; 1-2: 57–63 (in Russian).

  5. Belov G.V. Surfaktantnaya sistema legkikh v usloviyakh gornogo klimata [Surfactant lung system in mountain climate]. Meditsina Kyrgyzstana. 2014; 5: 19–23 (in Russian).

  6. Brill' G.E., Chesnokova N.P., Ponukalina E.V. Mekhanizmy kompensatsii i adaptatsii k gipoksii [Mechanisms of compensation and adaptation to hypoxia]. Nauchnoe obozrenie. Meditsinskie nauki. 2017; 2: 55–57 (in Russian).

  7. Nizamutdinova R.R. Vliyanie neblagopriyatnykh faktorov okruzhayushchey sredy na surfaktantnuyu sistemu legkikh i vozmozhnosti ee spontannogo vosstanovleniya [Influence of adverse environmental factors on the surfactant lung system and possibility of its spontaneous recovery]. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. 2008; 1: 133–136 (in Russian).

  8. Lopez-Rodriguez E. Structure-function rela-tionships in pulmonary surfactant membranes: from biophysics to therapy. Biochim. Biophys. Acta. 2014; 6 (6): 1568–1585.

  9. Nematova R.I. The Introduction of the Laryngeal Mask Airway for Surfactant Administration in Neonates with Respiratory Distress in Azerbaijan. Eurasian Journal of Clinical Sciences. 2019; 1 (1): 63–67.

  10. Shidakov Yu.Kh.-M., Abdumalikova I.A., Matvienko V.V. Ul'trastrukturnye izmeneniya mikrotsirkulyatornogo rusla i parenkhimy legkikh pri fizicheskikh nagruzkakh v usloviyakh vysokogor'ya [Ultrastructural changes in the lung microvasculature and parenchyma on exertion at high altitudes]. Vestnik KRSU. 2016; 7: 191–193 (in Russian).

  11. Shakhbanov R.K., Asadulaeva M.N., Alieva S.N., Alimkhanova A.A. Razvitie i funktsional'noe znachenie sistemy legochnogo surfaktanta [Development and functional significance of the pulmonary surfactant system]. Vestnik Rossiyskogo universiteta druzhby narodov. Meditsina. 2021; 4: 321–331 (in Russian).

  12. Ghosh M.C. Insulin-like growth factor-I stimulates differentiation of ATII cells to ATI-like cells through activation of Wnta. Am J Physiol Lung Cell Mol. Physiol. 2013; 5 (5): 222–228.

  13. Gazdhar A. Targeted gene transfer of hepatocyte growth factor to alveolar type II epithelial cells reduces lung fibrosis in rats. Hum Gene Ther. 2013; 24 (24): 105–116.

  14. Polishchuk V.V. Funktsii i deystvie surfaktanta [Surfactant: Functions and action]. Barnaul: Altayskiy gosudarstvennyy universitet; 2022: 665–666 (in Russian).

  15. Matvienko V.V., Shvedskiy M.S., Vagina D.A. Vliyanie gipoksii na surfaktantnuyu sistemu legkikh. Mediko-fiziologicheskie problemy ekologii cheloveka [Effect of hypoxia on surfactant lung system. Medico-physiological problems of human ecology]. Ul'yanovsk: UlGU; 2021: 224–226 (in Russian).

  16. Bouzas V., Haller T., Hobi N., Felder E., Pastoriza-Santos I., Pérez-Gil J. Nontoxic impact of PEG-coated gold nanospheres on functional pulmonary surfactant-secreting alveolar type II cells. Nanotoxicology. 2014: 813.

  17. Crystal R.G., Randell S.Y., Engelhardt J.F. Airway epithelial cells current concepts and challenges. Proc. Amer. Thorac. Soc. 2008; 5 (5): 772–776.

  18. Saparov K.A., Nurmukhan G.S., Sultanova A.Zh. Morfologicheskie aspekty respiratornogo otdela legkikh pri dolgovremennoy gipoksicheskoy gipoksii [Morphological aspects of the respiratory lung section in long-term hypoxic hypoxia]. Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnykh i fundamental'nykh issledovaniy. 2015; 12: 677–780 (in Russian).

 Received December 23, 2022; accepted January 26, 2023.

 

Information about the authors

Matvienko Viktor Vasil'evich, Candidate of Sciences (Biology), Associate Professor, Chair of Histology with Embryology, Tyumen State Medical University, Ministry of Health of the Russian Federation. 625023, Russia, Tyumen, Odesskaya St., 54; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-4540-2153

Abdumalikova Inobat Abdusattarovna, Candidate of Sciences (Medicine), Associate Professor, Chair of Pathological Physiology, Kyrgyz Russian Slavic University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin. 720040, Republic of Kyrgyzstan, Bishkek, Kievskaya St., 44; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-0529-3300

Shidakov Yusuf Khadzhi-Makhmudovich, Candidate of Sciences (Medicine), Senior Researcher, Laboratory of Experimental Modeling of Pathological Processes, Kyrgyz Russian Slavic University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin. 720040, Republic of Kyrgyzstan, Bishkek, Kievskaya St., 44; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-5882-844x

Margaryan Artur Vanushovich, Doctor of Sciences (Medicine), Professor, Chair of Topographic Anatomy and Operative Surgery, Tyumen State Medical University, Ministry of Health of the Russian Federation. 625023, Russia, Tyumen, Odesskaya St., 54; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-3497-8157

Zakharchuk Ol'ga Viktorovna, Lecturer, Chair of Histology with Embryology, Tyumen State Medical University, Ministry of Health of the Russian Federation. 625023, Russia, Tyumen, Odesskaya St., 54; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-1002-3535

Istomina Ol'ga Fridrikhovna, Candidate of Sciences (Biology), Associate Professor, Chair of Histology with Embryology, Tyumen State Medical University, Ministry of Health of the Russian Federation. 625023, Russia, Tyumen, Odesskaya St., 54; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-5923-309x

Shidin Vladimir Aleksandrovich, Doctor of Sciences (Medicine), Professor, Chair of Histology with Embryology, Tyumen State Medical University, Ministry of Health of the Russian Federation. 625023, Russia, Tyumen, Odesskaya St., 54; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-1396-5381

Tulekeev Tokhtogazy Imanalievich, Doctor of Sciences (Medicine), Professor, Vice-Rector for Academic and Scientific Affairs, Salymbekov University. 720032, Republic of Kyrgyzstan, Bishkek, Fuchik St., 3; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-8426-3454

 

For citation

Matvienko V.V., Abdumalikova I.A., Shidakov Yu.Kh.-M., Margaryan A.V., Zakharchuk O.V., Istomina O.F., Shidin V.A., Tulekeev T.M. Remodelirovanie komponentov aerogematicheskogo bar'era legkikh v usloviyakh vysokogor'ya [Remodeling of the aero-hematic lung barrier components under high altitudes]. Ul'yanovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. 2023; 1: 114–124. DOI: 10.34014/2227-1848-2023-1-114-124 (in Russian).

 

Скачать статью

УДК 611.24-911.7

DOI 10.34014/2227-1848-2023-1-114-124

РЕМОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ АЭРОГЕМАТИЧЕСКОГО БАРЬЕРА ЛЕГКИХ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГОРЬЯ

В.В. Матвиенко1, И.А. Абдумаликова2, Ю.Х.-М. Шидаков2, А.В. Маргарян1, О.В. Захарчук1, О.Ф. Истомина1, В.А. Шидин1, Т.М. Тулекеев3

1 ФГБОУ ВО «Тюменский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Тюмень, Россия;

2 ГОУ ВПО Кыргызско-Российский Славянский университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Бишкек, Республика Кыргызстан;

3 Учреждение «Салымбеков Университет», г. Бишкек, Республика Кыргызстан

 

Цель. Изучить структурные и ультраструктурные изменения на уровне аэрогематического барьера (АГБ) у крыс в разные сроки адаптации к высокогорной гипоксии.

Материалы и методы. Эксперименты проведены на 60 половозрелых беспородных лабораторных крысах-самцах массой 140–160 г в условиях высокогорья (3200 м над ур. м.). Использованы гистологический метод окраски гематоксилин-эозином по Майеру, трансмиссионная и растровая электронная микроскопия на 7, 15 и 30-е сут пребывания животных в горах. Статистическая обработка материала проведена с помощью прикладных программ Statistica 6.0 (США) и StatTech v. 2.8.4 (Россия) с использованием критерия достоверности Стьюдента. Различия считали статистически значимыми при p<0,05.

Результаты. В ранние сроки адаптации к условиям высокогорья отмечены дистрофические изменения эпителиального слоя капилляров легких, гипертрофия и гиперплазия гистиоцитов, фибробластов и липофибробластов. Выявлены пролиферация альвеолоцитов II типа, утолщение межальвеолярных перегородок (МАП) и цитоплазматических отростков эндотелиоцитов, разрушение альвеолоцитов II типа по апокриновому способу с выходом сурфактанта в просвет альвеол, появление мультвезикулярных пластинчатых телец в цитоплазме альвеолоцитов II типа, явления интерстициального отека с поступлением транссудата в просвет альвеол. В более поздние сроки активность сурфактантной системы снижается за счет уменьшения выброса осмиофильных пластинчатых телец в просвет альвеол. Основные компоненты АГБ приближаются к контрольным данным, при этом толщина МАП превышает таковые. В стенке альвеол увеличивается количество фибробластов, что приводит к расширению и увеличению количества пор Кона, обеспечивая коллатеральное дыхание.

Выводы. Изучение компонентов АГБ у экспериментальных животных в разные сроки высокогорной адаптации выявило дистрофические процессы АГБ в МАП, компенсируемые за счет альвеолоцитов I типа и пролиферации альвеолоцитов II типа, подтверждающие адаптивные механизмы ультраструктурной перестройки всех звеньев эпителиального и эндотелиального компонентов легочных альвеол.

Ключевые слова: высокогорная гипоксия, сурфактант, аэрогематический барьер, межальвеолярная перегородка, базальная мембрана.

 

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов
Концепция и дизайн исследования: Матвиенко В.В., Захарчук О.В.
Сбор и обработка материала: Матвиенко В.В., Абдумаликова И.А., Шидин В.А.
Статистическая обработка данных: Захарчук О.В., Маргарян А.В., Истомина О.Ф., Тулекеев Т.М.
Анализ и интерпретация данных: Шидаков Ю.Х.-М., Матвиенко В.В. Написание и редактирование текста: Шидаков Ю.Х.-М., Матвиенко В.В.

 

Литература

  1. Айдаралиев A.A., Арабаева А.И., Шатманова Э.К. Устойчивое развитие горных регионов Кыргызстана. Здравоохранение Кыргызстана. 2021; 1: 3–12.

  2. Шидаков Ю.Х.-М., Балыкин М.В., Каркобатов Х.Д. Горная микроангиология. Бишкек; 2019. 172.

  3. Матвиенко В.В., Тулекеев Т.М., Матвиенко О.В., Шведский М.С. Морфофункциональные изменения сосудистого русла легких в условиях высокогорья. Вестник физической культуры и спорта. Бишкек. 2019; 2: 99–102.

  4. Иванов К.П. Современные медицинские проблемы микроциркуляции и гипоксического синдрома. Вестник РАМН. 2014; 1-2: 57–63.

  5. Белов Г.В. Сурфактантная система легких в условиях горного климата. Медицина Кыргызстана. 2014; 5: 19–23.

  6. Брилль Г.Е., Чеснокова Н.П., Понукалина Е.В. Механизмы компенсации и адаптации к гипоксии. Научное обозрение. Медицинские науки. 2017; 2: 55–57.

  7. Низамутдинова Р.Р. Влияние неблагоприятных факторов окружающей среды на сурфактантную систему легких и возможности ее спонтанного восстановления. Вестник новых медицинских технологий. 2008; 1: 133–136.

  8. Lopez-Rodriguez E. Structure-function rela-tionships in pulmonary surfactant membranes: from biophysics to therapy. Biochim. Biophys. Acta. 2014; 6 (6): 1568–1585.

  9. Nematova R.I. The Introduction of the Laryngeal Mask Airway for Surfactant Administration in Neonates with Respiratory Distress in Azerbaijan. Eurasian Journal of Clinical Sciences. 2019; 1 (1): 63–67.

  10. Шидаков Ю.Х.-М., Абдумаликова И.А., Матвиенко В.В. Ультраструктурные изменения микроциркуляторного русла и паренхимы легких при физических нагрузках в условиях высокогорья. Вестник КРСУ. 2016; 7: 191–193.

  11. Шахбанов Р.К., Асадулаева М.Н., Алиева С.Н., Алимханова А.А. Развитие и функциональное значение системы легочного сурфактанта. Вестник Российского университета дружбы народов. Медицина. 2021; 4: 321–331.

  12. Ghosh M.C. Insulin-like growth factor-I stimulates differentiation of ATII cells to ATI-like cells through activation of Wnta. Am J Physiol Lung Cell Mol. Physiol. 2013; 5 (5): 222–228.

  13. Gazdhar A. Targeted gene transfer of hepatocyte growth factor to alveolar type II epithelial cells reduces lung fibrosis in rats. Hum Gene Ther. 2013; 24 (24): 105–116.

  14. Полищук В.В. Функции и действие сурфактанта. Барнаул: Алтайский государственный университет; 2022: 665–666.

  15. Матвиенко В.В., Шведский М.С., Вагина Д.А. Влияние гипоксии на сурфактантную систему легких. Медико-физиологические проблемы экологии человека. Ульяновск: УлГУ; 2021: 224–226.

  16. Bouzas V., Haller T., Hobi N., Felder E., Pastoriza-Santos I., Pérez-Gil J. Nontoxic impact of PEG-coated gold nanospheres on functional pulmonary surfactant-secreting alveolar type II cells. Nanotoxicology. 2014: 813.

  17. Crystal R.G., Randell S.Y., Engelhardt J.F. Airway epithelial cells current concepts and challenges. Proc. Amer. Thorac. Soc. 2008; 5 (5): 772–776.

  18. Сапаров К.А., Нурмухан Г.С., Султанова А.Ж. Морфологические аспекты респираторного отдела легких при долговременной гипоксической гипоксии. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015; 12: 677–780

 Поступила в редакцию 23.12.2022; принята 26.01.2023.

 

Авторский коллектив

Матвиенко Виктор Васильевич – кандидат биологических наук, доцент кафедры гистологии с эмбриологией, ФГБОУ ВО «Тюменский государственный медицинский университет» Минздрава России. 625023, Россия, г. Тюмень, ул. Одесская, 54; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-4540-2153

Абдумаликова Инобат Абдусаттаровна – кандидат медицинских наук, доцент кафедры патологической физиологии, ГОУ ВПО Кыргызско-Российский Славянский университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина. 720040, Республика Кыргызстан, г. Бишкек, ул. Киевская, 44; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-0529-3300

Шидаков Юсуф Хаджи-Махмудович – кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник лаборатории экспериментального моделирования патологических процессов, ГОУ ВПО Кыргызско-Российский Славянский университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина. 720040, Республика Кыргызстан, г. Бишкек, ул. Киевская, 44; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-5882-844x

Маргарян Артур Ванушович – доктор медицинских наук, профессор кафедры топографической анатомии и оперативной хирургии, ФГБОУ ВО «Тюменский государственный медицинский университет» Минздрава России. 625023, Россия, г. Тюмень, ул. Одесская, 54; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-3497-8157

Захарчук Ольга Викторовна – преподаватель кафедры гистологии с эмбриологией, ФГБОУ ВО «Тюменский государственный медицинский университет» Минздрава России. 625023, Россия, г. Тюмень, ул. Одесская, 54; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-1002-3535

Истомина Ольга Фридриховна – кандидат биологических наук, доцент кафедры гистологии с эмбриологией, ФГБОУ ВО «Тюменский государственный медицинский университет» Минздрава России. 625023, Россия, г. Тюмень, ул. Одесская, 54; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-5923-309x

Шидин Владимир Александрович – доктор медицинских наук, профессор кафедры гистологии с эмбриологией, ФГБОУ ВО «Тюменский государственный медицинский университет» Минздрава России. 625023, Россия, г. Тюмень, ул. Одесская, 54; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-1396-5381

Тулекеев Тохтогазы Иманалиевич – доктор медицинских наук, профессор, проректор по учебной и научной работе, учреждение «Салымбеков Университет». 720032, Республика Кыргызстан, г. Бишкек, ул. Фучика, 3; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001-8426-3454

 

Образец цитирования

Матвиенко В.В., Абдумаликова И.А., Шидаков Ю.Х.-М., Маргарян А.В., Захарчук О.В., Истомина О.Ф., Шидин В.А., Тулекеев Т.М. Ремоделирование компонентов аэрогематического барьера легких в условиях высокогорья. Ульяновский медико-биологический журнал. 2023; 1: 114–124. DOI: 10.34014/2227-1848-2023-1-114-124