Гистология – наука о строении, жизнедеятельности и развитии тканей живых организмов. Ее история уходит вглубь веков, когда люди имели весьма умозрительное представление о клеточном строении организмов. На развитие гистологии значительно повлияло изобретение микроскопа, этапы ее развития принято разделять на домикроскопический, микроскопический и электронно-микроскопический. В статье рассмотрим этапы становления гистологии и роль, сыгранную в нем российскими и зарубежными учеными.
Содержание:
- История гистологии: роль оборудования и личности
- Начало гистологии: первые догадки и опыты
- Микроскопический период развития гистологии: появление и усовершенствование микроскопов
- Электронно-микроскопический период развития гистологии
- Развитие микроскопии и гистологии в России
- Достижения советских гистологов
- Современный период развития гистологии
Коль много микроскоп нам тайности открыл,
Невидимых частиц и тонких в теле жил!
М. В. Ломоносов, «Письмо о пользе стекла»
Роль гистологии среди современных наук трудно переоценить. Она создает теоретическую базу для многих клинических дисциплин и имеет важное практическое значение для исследования тканей, диагностики заболеваний и контроля результатов их лечения. Микроскопические исследования применяются в хирургии, офтальмологии, нейрохирургии, сосудистой хирургии, патанатомии и многих других отраслях медицины.
Основные этапы развития гистологии:
- Домикроскопический – IV в. до н. э. – сер. ХVII в.;
- Микроскопический (светомикроскопический) – сер. ХVII в. – сер. ХХ в.;
- Электронно-микроскопический – сер. ХIХ в. – настоящее время.
Изобретение микроскопа стало поворотной вехой в развитии гистологии и позволило врачам и ученым получать в сотни раз больше и более точной информации о состоянии тканей и органов, что повлияло на развитие целого ряда отраслей медицины, ускорение диагностики и повышение качества лечения множества заболеваний. Каждый этап развития гистологии был ознаменован вкладом ученых в усовершенствование методов исследований и создание новых видов оборудования. Рассмотрим основные вехи развития этой науки в связи с достижениями конкретных личностей.
Начало гистологии: первые догадки и опыты
Несмотря на то, что в древности люди не имели инструментов для изучения органов и тканей с увеличением, еще философам Древней Греции приходила на ум мысль о том, что организм человека имеет клеточное строение. Более того, они уже строили теории на этот счет, выделяли типы тканей человека и животных и пытались проводить препарации. В этом периоде развитие гистологической науки связано с именами Аристотеля, Авиценны, Галена, Фаллопия, Везалия и др. ученых древности.
Первым попытки перейти к обобщениям в этой сфере предпринял Аристотель (384–322 г. до н. э.). Ему принадлежит классификация, в которой весь животный мир разделён на животных с кровью и бескровных. Она сохранялась с незначительными изменениями вплоть до Карла Линнея (животные белокровные и краснокровные). Он же предложил некоторые определения, которыми мы пользуемся и сейчас, например «орган» (дословно «орудие»).
Значительный вклад в развитие науки о строении человеческого организма внес Клавдий Гален (ок. 130 – ок. 200 гг.). В своих трудах он обобщил собранные до него сведения об анатомии, оставил описания мышц и хрусталика глаза человека; выявил роль нервов человека; ему принадлежит теория кровообращения. Трудами Клавдия Галена медики Европы пользовались более 1000 лет после его смерти.
Велика роль в развитии гистологии Абу Али ибн Сины (980–1037 гг.), создавшего «Канон врачебной науки» – первое в истории системное изложение научных взглядов на медицинские проблемы.
В становление гистологии (точнее патанатомии и патоморфологии) внес вклад профессор Падуанского университета Андрея Везалия, живший в 1514–1564 гг. и создавший труд «О строении человеческого тела», основываясь на личном опыте наблюдений при вскрытии трупов.
Несколько выбивается из датировки французский физиолог Мари Франсуа Ксавье Биша (1771–1802 гг.), который, живя уже в микроскопическую эру, без использования микроскопа выделил волокнистые ткани: нервы, сосуды, сухожилия, мышечные волокна – и жидкие: мочу и кровь. Всего он выделил около 20 видов тканей и работал над определением их свойств. До нас дошли работы этого ученого: «Трактат о мембранах и оболочках» (1800) и «Общая анатомия в приложении к физиологии и медицине» (1801).
Роль каждого из названных ученых и мыслителей несомненно важна, однако до создания первого микроскопа люди имели весьма условное представление о тканях, из которых состоит человеческий организм.
Микроскопический период развития гистологии: появление и усовершенствование микроскопов
Первый микроскоп – инструмент, позволяющий более четко увидеть и изучить мелкие объекты – был сконструирован в 1609–1610 году Галилео Галилеем. Он получил название галилеевой трубы и представлял видоизмененную зрительную трубу, состоящую из окуляра и объектива, обеспечивавшего увеличенное обратное изображение исследуемого объекта. В 1617–1619 гг. микроскоп сконструировал английский физик и астролог Корнелиус Дреббель. Его микроскоп, в отличие от трубы Галилея, был построен по типу зрительной трубы Кеплера и имел выпуклые линзы объектива и окуляра. Но он был утерян. В 1624 г. Галилео Галилей значительно усовершенствовал свой микроскоп: уменьшил размеры и добился увеличения до 40 крат, что позволило использовать его для практической работы. Название для прибора, которое мы используем поныне, предложил в 1625 году Иоганн Фабер.
Собственно микроскопический (или светомикроскопический) этап развития гистологии принято отсчитывать с 1665 года и связывать с именем Роберта Гука – английского физика, который значительно усовершенствовал микроскоп и начал использовать его для систематических исследований, в т. ч. биологических. В 1665 году он обобщил результаты своей работы в книге «Микрография». Он же первым ввел термин «клетка», обнаружив в ходе одного из исследований тонких пластин пробки поры или клетки и ознаменовав этим открытие клеточного строения органического мира.
Работа Гука повлияла на ученых того времени, став толчком к продолжению микроскопических исследований. Во второй половине ХVII в. многие исследователи смогли с помощью микроскопов увидеть мельчайшие живые организмы и описать неизвестные структуры организма. Марчелло Мальпиги (1628–1694 гг.) описал строение некоторых структур кожи, форменные элементы крови, селезенки и почек; открыл капилляры. Неемия Грю (1641–1712 гг.) описал микроструктуры растений и ввел термин «ткань».
Антони ван Левенгук (1632–1723 гг.) разработал микроскоп с увеличением 300 крат и провел множество наблюдений растительных и животных организмов, результаты которых он обобщил в иллюстрированной книге «Тайны природы». В ней он описал эритроциты и их движение в капиллярах, спермии, поперечнополосатые мышечные волокна, нервные волокна. Он также открыл одноклеточные организмы, которые назвал инфузориями.
Вторая половина ХVIII в. отмечена тем, что микроскопы начали использовать в медицинских учебных заведениях. В это время применение микроскопа стало еще более широким, ученые накапливали все больше информации о строении тканей. В 1819 году немецкий анатом и физиолог Карл Майер (1787–1865 гг.) закрепил термин «ткань» и ввел термин «гистология» (греч. hystos – ткань, logos – наука, учение), а также сформулировал задачи гистологии, отличные от задач анатомии. Клеточное строение живых организмов было подтверждено исследователями Анри Дютроше (1824), Франсуа Распайлем (1827), Пьером Тюрпеном (1829), Матиасом Шлейденом (1838), Теодором Шванном и другими.
Электронно-микроскопический период развития гистологии
Значительный вклад в развитие гистологии внес чешский естествоиспытатель и основоположник пражской гистологической школы Ян Эвангелист Пуркинье (1787–1869 гг.). Он описал наличие в клетках «протоплазмы» (цитоплазмы) и ядра, изучал нервную ткань и впервые увидел нервные клетки в сером веществе головного мозга, описал нейроглию, выделил в сером веществе коры мозжечка крупные клетки, впоследствии получившие его имя, открыл волокна проводящей системы сердца, также названные в его честь.
В лаборатории Пуркинье был создан один из первых микротомов и разработан метод заливки объектов в плотные среды, в т. ч. в канадский бальзам.
В 1838–1839 гг. Т. Шванном на основе исследований Р. Броуна и М. Шлейдена были сформулированы основные положения клеточной теории:
- Все растительные и животные организмы состоят из клеток;
- Все клетки развиваются по общему принципу из цитобластемы;
- Каждая клетка обладает самостоятельной жизнедеятельностью, а жизнедеятельность организма является суммой деятельности клеток.
В 1859 году клеточная теория была дополнена Рудольфом Вихровым, который выдвинул постулат о развитии клеток путем деления. Он также продемонстрировал практическое применение клеточной теории в медицине в книге «Целлюлярная патология», показал материальный субстрат болезни, заявив, что «болезнь – это есть поражение клеточных территорий».
Современные положения клеточной теории:
- Клетка является наименьшей единицей живого;
- Клетки животных организмов сходны по своему строению;
- Размножение клеток происходит путем деления исходной клетки;
- Многоклеточные организмы представляют собой сложные ансамбли клеток и их производных, объединенные в системы тканей и органов, связанные между собой клеточными, гуморальными и нервными формами регуляции.
Совершенствование микроскопов и методов микроскопических исследований позволили выделить в клетках мелкие структуры: клеточный центр (Гертвиг, 1875 г.), сетчатый аппарат или пластинчатый комплекс (Гольджи, 1898 г.), митохондрии (Бенда, 1898 г.).
Середина ХIХ века ознаменовалась активным развитием описательной гистологии и исследованиями состава и развития тканей и органов человека и животных.
Луи Антуан Ранвье (1835–1922 гг.) исследовал строение костной, мышечной, соединительной и нервной ткани. Франц фон Лейдиг (1821–1908 гг.) открыл и описал крупные клетки в семеннике между извитыми канальцами, получившие его имя. Альберт Рудольф фон Кёлликер (1817–1905 гг.) вел исследования гладких и поперечнополосатых мышц, сосудов, костей, кожи, внутренних органов. Оба ученых, независимо друг от друга, обобщили накопленный материал и уточнили классификацию тканей с учетом их микроскопического строения.
Они выделили четыре типа для всех известных к тому времени тканей:
- Соединительная;
- Мышечная;
- Эпителий;
- Нервная.
Эта классификация с небольшими изменениями сохранилась до сих пор.
Основателем нейрогистологии считается испанский врач Сантьяго Рамон-и-Кахаль (1852–1934 гг.), который первым проводил исследования нервной системы с окрашиванием нервной ткани импрегнацией нитратом серебра, разработанным в 1873 итальянским врачом и ученым Камилло Гольджи (1843–1926 гг.). В 1906 г. Гольджи и Рамон-и-Кахаль получили Нобелевскую премию за значительный вклад в гистологическую науку. В сфере гистологии нервной и мышечной системы, строения протоплазмы работал Вильгельм Кюне. Часть его работ написана в соавторстве с русским профессором М. М. Рудневым.
Настоящим прорывом в микроскопии и гистологии стало изобретение в 1911 году Оскаром Хеймштадтом первого флуоресцентного микроскопа, конструкция которого была существенно усовершенствована в 1929 году Филиппом Эллингером и Августом Хиртом. Флуоресцентная микроскопия открыла новые возможности для исследований; позволила различать конкретные структуры, получать качественные характеристики о взаимодействиях внутри клетки, анализировать морфологию, внутриклеточные физиологические изменения. Она нашла применение в клеточной биологии и нейробиологии, исследовании инфекционных заболеваний, клеток крови, костного мозга, фоторецепторов сетчатки глаза.
Уже через три года, в 1932, немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали первый прототип современного электронного микроскопа, возможности которого были значительно больше, чем у светового. За свое изобретение ученые получили Нобелевскую премию. В 1930-1940-х годах были разработаны первые сканирующие микроскопы, а с 1960-х годов началось их массовое применение в исследованиях.
В 1960-х годах Моймир Петрань, Дэвид Эггер и Роберт Галамбос разработали первый конфокальный сканирующий микроскоп. Их изобретение было оценено по достоинству в 1980-х гг., когда успехи в компьютерных и лазерных технологиях и алгоритмы цифровой визуализации позволили с успехом применять конфокальную микроскопию в медицине и биологии, исследуя особенности течения заболеваний на молекулярном уровне.
Развитие микроскопии и гистологии в России
Появление первых микроскопов в России в конце ХVII века связывают с именем Петра Первого, который живо интересовался естественными науками и сам посетил Антони ван Левенгука. Ученый продемонстрировал ему работу микроскопа, показав движение крови в капиллярах плавника угря. Пораженный открывшимися перед ним тайнами природы император пригласил из Голландии мастера по шлифовке оптических стекол и положил начало мастерской для изготовления микроскопов (в 1725 году она вошла в состав Академии наук).
Русские ученые также внесли свой вклад в развитие микроскопии и гистологии: академик Леонард Эйлер (1707–1783 гг.) устранил в микроскопе ряд существенных оптических недостатков, которые искажали изображение, а Иван Петрович Кулибин (1735–1818 гг.) по его расчётам создал усовершенствованный микроскоп; Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765 гг.) первым начал использовать микроскоп для химических исследований.
Первая работа по гистологии в России была написана в конце ХVIII века врачом А. М. Шумлянским на тему микроскопического строения почек. Автор ввел новую методику инъекций окрашенной смолы в кровеносные сосуды и мочевые канальцы почек и смог подробно изучить тонкое строение этого органа. Структуры, описанные им, получили название капсул Шумлянского – Боумена, а сам Боумен признавал, что первым правильно распознал связь между мальпигиевыми тельцами и почечными канальцами именно Шумлянский.
К ХIХ веку учеными и естествоиспытателями России был накоплен большой материал по микроскопическому строению животных и растительных организмов. Физиологи и анатомы все больше внимания уделяли учению о тонком строении частей тела, а в университетах выделялось много времени на изучение гистологии.
Важную роль в становлении отечественной гистологии и физиологии сыграли Николай Мартинович Якубович (1817–1879 гг.) и Филипп Васильевич Овсянников (1827–1906 гг.). Николай Якубович исследовал тонкое строение нервной системы. Его работа имела огромное значение для развития морфологии, за нее он был удостоен Первой премии Парижской Академии наук.
Филипп Овсянников с 1856 года возглавлял кафедру физиологии и общей патологии в Казанском университете и читал курс гистологии с историей развития. Когда он был избран действительным членом Академии наук, Овсянников переехал в Санкт-Петербург и совмещал работу в Академии наук и университете. Он первым начал преподавать гистологию и эмбриологию. Он открыл сосудисто-двигательный центр в продолговатом мозге. Его многочисленные труды по сравнительной гистологии и физиологии нервной системы послужили толчком к продолжению исследований в этом направлении. Под редакцией Ф. В. Овсянникова и М. Д. Лавдовского вышло первое русское руководство по микроскопии в двух томах – «Основания к изучению микроскопической анатомии человека и животных». Появление этого издания ознаменовало большую зрелось русской гистологической науки.
Велик вклад в развитие гистологии Владимира Яковлевича Рубашкина (1876–1932 гг.), занимавшегося вопросами гистологии ЦНС. Он написал получивший широкое распространение учебник «Основы гистологии и гистогенеза человека».
60-е годы ХIХ века в России ознаменовались высоким развитием физиологии, гистологии и эмбриологии и возникшей в связи с этим необходимостью разделить эти дисциплины и организовать отдельные кафедры в высших учебных заведениях, посвященные их изучению. Первую кафедру гистологии основал на медицинском факультете Московского университета в 1864 году Александр Иванович Бабухин. В гистологической школе Бабухина исследовали развитие и строение сетчатки глаза, распространение возбуждения в нерве и многие другие вопросы. Работу Бабухина продолжил его ученик, выдающийся российский морфолог Иван Флорович Огнев.
Используемый до сих пор метод метиленовой сини для прижизненной окраски нервных клеток был впервые разработан под руководством профессора Карла Августовича Арнштейна в гистологической лаборатории Казанского университета. В те же годы на кафедре гистологии Киевского Императорского университета шло изучение развития глаза, селезёнки, скелетной мускулатуры, надпочечников. В ней особую роль сыграли исследования Петра Ивановича Перемежко, возглавившего кафедру в 1868 году. Именно он впервые описал последовательные стадии митоза животной клетки.
В начале ХХ века центром исследований нервных связей в России стала кафедра гистологии Петербургского университета, которую возглавлял профессор Александр Станиславович Догель. Ученые кафедры изучили строение нервных окончаний человека и пришли к заключению, что они присутствуют в разных органах, заложив основы нейронной теории строения нервной системы. Под редакцией А. С. Догеля с 1916 года выходил журнал «Архив анатомии, гистологии и эмбриологии». До его появления русские ученые большую часть работ публиковали в зарубежных научных изданиях.
В гистологической лаборатории Томского университета под руководством А. Е. Смирнова разрабатывались вопросы иннервации органов и строения нервных окончаний.
Один из создателей унитарной теории кроветворения и автором термина «стволовая клетка» – русский и американский гистолог Александр Александрович Максимов (1874–1928 гг.). Им были описаны клеточные формы соединительной ткани и их роль в асептическом воспалении. Илья Ильич Мечников (1845–1916 гг.) объединил макрофаги, образующиеся из промоноцитов красного костного мозга и способные к активному фагоцитозу, в одну систему и назвал её макрофагической.
Достижения советских гистологов
Новый этап развития гистологической науки в России был напрямую связан с Октябрьской социалистической революцией. В молодом советском государстве молодую науку стали преподавать и разрабатывать не только в университетах, но и в медицинских институтах. Появились гистологические школы Б. И. Лаврентьева, А. А. Заварзина, Н. Г. Хлопина, М. А. Барона. Гистологические исследования проводились в лабораториях Академии наук и Академии медицинских наук СССР. Советскими учеными был внесен значительный вклад в изучение свойств тканей, открыты закономерности гистогенеза, особенности функционирования тканевых структур, усовершенствованы методы гистохимических исследований, что позволило получить данные о развитии, строении и патологии тканей.
За работу «Морфология антагонистической иннервации в автономной нервной системе и методы её исследования» профессор Первого Московского медицинского университета Б. И. Лаврентьев (1892–1944 гг.) был награжден Сталинской премией. Под его руководством было создано экспериментальное гистофизиологическое направление в отечественной нейрогистологии. Его метод перерезки нервов широко применяется для изучения источников иннервации органов и тканей.
У истоков эволюционной гистологии стоял Алексей Алексеевич Заварзин (1886–1945 гг.), обосновавший морфофункциональную классификацию тканей, , создатель теории параллельных рядов тканевой эволюции, автор трудов по сравнительной гистологии нервной системы, крови, соединительной ткани и её развитию в условиях экспериментального асептического воспаления у червей, членистоногих, моллюсков, хордовых.
Теория дивергентного развития тканей была разработана заведующим кафедрой гистологии с эмбриологией Военно-медицинской академии им. С. М. Кирова Н. Г. Хлопиным (1897–1961 гг.). Он обобщил закономерности эволюционного развития тканей и сделал вывод о том, что эволюционное развитие тканей происходит дивергентно – путём расхождения признаков, благодаря чему возникает большое разнообразие видов тканей. К школе гистологии, созданной Хлопиным, принадлежат видные советские гистологи, такие как: А. Г. Кнорре, Н. А. Шевченко, В. П. Михайлов, Я. А. Винников, H. Н. Кочетов, Н. И. Григорьев, И. Д. Галустян и другие.
Внесли свой вклад советские гистологи и в новую науку цитохимию, одним из отцов которой стал Г. И. Роскин (1892–1964 гг.), предметом исследований которого были гладкие мышцы, строение и метаболизм простейших, различных нервных и раковых клеток. Большую пользу гематологии принесли работы А. Я. Фриденштейна (1924–1997 гг.), впервые в мире выделившего и изучившего популяцию стромальных клеток-предшественников в костном мозге и лимфоидных органах и введшего понятие о стволовых стромальных клетках кроветворной и лимфоидной тканей, позднее получивших название «мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки» (ММСК) и являющихся одним из наиболее перспективных ресурсов для целей регенеративной медицины.
Со второй половины ХХ в. отечественными гистологами исследуются такие направления как функциональная гистология эндокринной системы (А. В. Немилов, А. В. Румянцев, Б. В. Алёшин), широко изучается строение соединительных тканей (В. Г. Елисеев). Заведующий кафедрой гистологии, цитологии и эмбриологии Московской медицинской академии Юлий Иванович Афанасьев (1928–1997 гг.) с 1966 года разрабатывал вопросы возрастной морфологии, возрастной реактивности, гистофизиологии эндокринных желёз. В соавторстве с профессором Н. А. Юриной он написал учебник «Гистология, эмбриология, цитология».
Значителен вклад иркутской школы гистологов. В разные годы исследователи занимались вопросами гистогенеза и классификации хрящевой и костной тканей, морфологии и физиологии комплекса Гольджи (С. И. Тимофеев), эмбриогенеза человека (В. С. Буров), алиментарной дистрофии, гистологической структуры костей реампутированных культей, нервных ганглиев при каузалгии (С. М. Миленков), филоонтогенеза скелетной и челюстно-лицевой системы, влияния центральной нервной системы на их дифференцировку (Н. И. Мартынюк) и многими другими.
Михаил Константинович Васильцов, который руководил кафедрой с 1974 по 1996 год, положил начало гистохимическим исследованиям. При нем сотрудниками кафедры разрабатывались проблемы нейроэндокринной регуляции тканевых и осваивались сложные методы гистохимических исследований.
Современный период развития гистологии
Современный период развития гистологии связывают с началом использования электронного микроскопа для изучения биологических объектов (1950-е гг.), несмотря на то, что сам электронный микроскоп был изобретен раньше (Е. Руска, М. Кноль, 1931 г.).
Для современной гистологии характерно многообразие сложных методов исследования материала, таких как цитохимия, гистохимия, гисторадиография и др., и совмещения различных методик, позволяющего получать достоверные и точные сведения о качественных и количественных характеристиках исследуемых объектов. В том числе широкое распространение получили автоматизированные системы для проведения исследований тканей, позволяющие минимизировать риск ошибок из-за их неправильного хранения, резки, заморозки и т. д., а также максимизировать точность и объем информации за счет применения компьютеров.
