Митохондрии, как первичные потребители клеточного кислорода, тесно интегрированы в пути восприятия кислорода, а также адаптации к его недостатку посредством своих структурных или функциональных модификаций. В работе изучены ультраструктурные особенности митохондрий сердца в ответ на однократное и многократное воздействие различных режимов гипобарической гипоксии (ГБГ, FiO2–14%-10%-8%). Исследование проведено на крысах, имеющих различную исходную резистентностью к дефициту кислорода: низкоустойчивых (НУ) и высокоустойчивых (ВУ). Исходя из характера локализации в клетке митохондрии кардиомиоцитов как правило разделяют на три субпопуляции: межфибриллярные (МФ), субсарколеммальные (СС) и околоядерные (пренуклеарные) (ОЯ).

В работе установлено, что НУ и ВУ животные имеют исходные различия в структуре всех трёх типов митохондрий сердца, а именно:

1. В норме МФ митохондрии НУ группы имели матрикс средней плотности, в то время как в митохондриях ВУ группы матрикс был более электронно-плотным. Кроме того, если у НУ животных МФ митохондрии, как правило, располагаются в один ряд между миофибиллами, то у ВУ животных они часто, локализуются в 2 и более ряда.

2. Для СС митохондрий НУ животных было характерно расположение по одной органелле в инвагинациях сарколеммальной мембраны, что придавало ей извитой вид, в то время как те же митохондрии в ВУ группе располагаются небольшими скоплениями под сарколеммальной мембраной.

3. ОЯ митохондрии в обеих группах животных при нормоксии имели характерное расположение по полюсам ядра, а сами ядра располагались в середине клетки. При этом средняя плотность ОЯ органелл, как и среднее число мелких митохондрий было значительно выше у ВУ животных.

Таким образом, сниженная плотность матрикса, менее плотная упаковка крист и меньшее общее количество и количество малых митохондрий в МФ и ОЯ типе, также как характер расположения митохондрий в субсарколеммальной зоне у НУ животных, по сравнению с ВУ, по всей видимости, определяют сниженную у НУ крыс устойчивость к гипоксии.

«Слабое» и «умеренное» однократное 30 мин. воздействие ГБГ не приводило деструктивным изменениям в ультраструктуре всех трех субпопуляций митохондрий НУ и ВУ животных. Однако при «тяжелой» гипоксии у НУ животных кроме адаптивных изменений наблюдались и небольшие деструктивные, характерные для патологических состояний нарушения (хаотичное расположение и лизис крист, вакуолизация, диффузный лизис миофибриллярных пучков). В СС зоне, особенно у НУ животных, при «тяжелой» гипоксии усиливались процессы слияния митохондрий. Они резко укрупнялись, вытягиваясь в длину. Клеточная мембрана при этом плотно опоясывала митохондрии, увеличивая площадь их общения с кислородом крови. Характерным отличием для митохондрий в ОЯ зоне у НУ в отличие от ВУ было резкое увеличение количества мелких органелл.

Отличительной чертой в морфологии кариомиоцитов при «тяжёлой» гипоксии как у НУ, так и у ВУ было изменение локализация ядер и их появление около сарколеммы. Движение ядер к сарколемме, вероятно, является одним из механизмов адаптации организма к гипоксии.

Долгосрочная адаптация формировалась в результате одночасового многократного (в течение 12 дней) гипоксического воздействия трех разных режимов ГБГ.

Ультраструктурный анализ МФ митохондрий показал, что «слабое» и «среднее» гипоксическое воздействие не приводит к большим изменениям у обоих типов животных. Характерной особенностью ультраструктуры МФ митохондрий НУ животных стало появление после «слабого» ГБГ воздействия электронно-плотных образований, напоминающих «микро-митохондрии», которые ранее описаны в литературе и нами при воздействии гипоксической гипоксии.

Выраженные изменения в результате «слабого» и «среднего» гипоксического воздействия были отмечены в СС и ОЯ митохондриях только НУ животных. Несмотря на то, что плотность матрикса, упаковка крист и форма органелл значимо не менялись, тем не менее общее число как СС, так и ОЯ митохондрий возрастало практически в 2 раза в группе НУ. СС митохондрии располагались не по одной органелле в инвагинациях сарколеммальной мембраны, а скоплениями от 3 до 15 органелл. При этом наблюдалась транслокация митохондрий в субсарколемальную зону.

Изменения, вызванные воздействием «тежелой» гипоксии, во всех субпопуляциях митохондрий как НУ, так и ВУ животных были сравнимы с воздействиями предыдущих гипоксических режимов. Форма органелл, электронная-плотность их матрикса, упаковка крист и межкристовое пространство значимо не менялись, тем не менее общее число как СС, так и ОЯ митохондрий возрастало по сравнению с контролем в группе НУ и не менялось у ВУ.

Таким образом, транслокацию и перегруппировку митохондрий под сарколеммальную и ядерную мембраны, которые мы наблюдали при некоторых воздействиях, можно рассматривать как адаптивную, компенсаторно-приспособительную реакцию митохондриального аппарата клетки на изменения физиологического состояния организма в целом. К адаптационным процессам относится и появление микромитохондрий, которые, как принято считать, являются предшественниками малых митохондрий. Адаптационные процессы происходили в обоих фенотипах животных, однако были более выражены у НУ животных. Это согласуется с полученными нами ранее данными о том, что гипоксические тренировки приводят к значительно большему увеличению времени жизни при «экстимальной» гипоксии (3% O2) НУ животных, чем ВУ. Учитывая все полученные данные, можно полагать, что для лечения больных в барокамере рекомендуется использование 30-60 мин гипоксии «средней» тяжести в течение 12 дней, так как именно в этот период развиваются оптимальные условия адаптации животных к гипоксии. Работа поддержана грантом РНФ № 23-25-00441.

Mitochondria, as primary consumers of cellular oxygen, are closely integrated into the pathways of oxygen perception, as well as adaptation to its deficit, through their structural or functional modifications. This work investigated ultrastructural features of heart mitochondria in response to single and multiple exposures to various regimens of hypobaric hypoxia (HBH; FiO2=14–10–8%). Investigated rats had different initial resistances – low (LR) and high (HR) – to oxygen deficit. Proceeding from the character of their localization in the cell, cardiomyocyte mitochondria are divided, as a rule, into three subpopulations: interfibrillar (IFM), subsarcolemmal (SSM) and perinuclear (PNM).

The work established that LR and HR animals had initial differences in the structure of all three types of heart mitochondria:

1. Normally, IFM of the LR group had medium-density matrices, while in those of the HR group they were more electron-dense. Besides, IFM in LR animals are, as a rule, localized in one row between myofibrils, while in HR rats they are often arranged in two or more rows.

2. SSM in LR animals featured one organelle each in invaginations of the sarcolemmal membrane, which gave it a tortuous appearance, whereas the same mitochondria in the HR group were arranged in small clusters under the sarcolemmal membrane.

3. PNM in both groups of animals with normoxia were characteristically arranged at the poles of the nucleus, and the nuclei themselves were localized in the middle of the cell. Herewith, the average density of PNM organelles, as the average number of small mitochondria, was significantly higher in HR animals.

Thus, the reduced density of the matrix, a less dense packing of cristae, a smaller total number and the number of small mitochondria in IFM and PNM subpopulations, as well as the character of mitochondrial localization in the subsarcolemmal zone in LR, as compared with HR, animals apparently determined the reduced resistance to hypoxia in LR rats.

A weak and moderate single 30-min exposure to HBH did not lead to destructive changes in the ultrastructure of all three subpopulations of mitochondria in LR and HR animals. However, a severe hypoxia in LR animals was observed to cause, in addition to adaptive changes, small destructive disorders characteristic of pathological conditions (chaotic arrangement and lysis of cristae, vacuolization, diffuse lysis of myofibrillar bundles). In the SSM area, especially in LR animals with severe hypoxia, processes of mitochondrial fusion intensified. Mitochondria sharply enlarged, stretching out in length. Herewith, the cell membrane closely encircled the mitochondria, increasing the area of their communication with blood oxygen. A characteristic distinction for mitochondria in the PNM area in LR, in contrast with HR, animals was a sharp increase in the number of small organelles.

A distinctive feature in the morphology of cardiomyocytes in severe hypoxia in both LR and HR rats was a change in the localization of nuclei and their emergence near the sarcolemma. The movement of the nuclei to the sarcolemma is probably a mechanism of adaptation to hypoxia.

Long-term adaptation was formed as a result of 1-h repeated (within 12 days) hypoxic exposure to three different HBH regimens.

Ultrastructural analysis of IFM showed that weak and moderate hypoxic effects did not lead to large changes in both types of animals. A characteristic feature of IFM ultrastructure in LR rats was the emergence, after a weak HBH exposure, of electron-dense formations resembling micro-mitochondria previously described in the literature and by us.

Pronounced changes as a result of weak and moderate hypoxia were noted in SSM and PNM of only LR animals. Although the matrix density, crista packing and organelle shape did not change significantly, the total numbers of both SSM and PNM increased almost twofold in the LR group. SSM were arranged in invaginations of the sarcolemmal membrane not by one organelle each, but in clusters of 3 to 15 organelles. Translocation of mitochondria into the subsarcolemmal area was observed.

Changes caused by severe hypoxia in all mitochondrial subpopulations of both LR and HR animals were comparable to the effects of previous hypoxic regimens. Organelle shape, matrix density, crista packing and inter-crista space did not significantly change. Nevertheless, the total number of both SSM and PNM increased compared to the control in the LR group, and did not change in HR rats.

Thus, the translocation and rearrangement of mitochondria under the sarcolemmal and nuclear membranes, observed at some exposures, can be considered as an adaptive, compensatory adaptive, reaction of the cell’s mitochondrial apparatus to changes in the physiological state of the organism as a whole. Emergence of micro-mitochondria, which are considered to be precursors of small mitochondria, is also attributed to adaptation processes. Adaptation processes occurred in both animal phenotypes, but were more pronounced in LR animals. This is consistent with our earlier obtained data that hypoxic training leads to a significantly greater increase of lifetime in extreme hypoxia (3% O2) in LR than HR animals. Taking into account all the data obtained, a 12-day exposure to a 30–60 min hypoxia of moderate severity can be recommended for the treatment of patients in an altitude chamber, since optimal conditions for the adaptation of animals to hypoxia develop within this period.

The work was supported by a Russian Science Foundation grant No. 23-25-00441.