Histological and computed tomography study of osteoderm regeneration in the skink lizard Eurylepis taeniolata Blyth, 1854 (Scincidae, Squamata)

Full Text

Введение

Остеодермальный покров характерен для многих наземных позвоночных, но особенно хорошо представлен у современных рептилий (черепах, крокодилов и многих чешуйчатых). Среди чешуйчатых (Squamata) он наиболее хорошо развит у ящериц разных семейств: Scincidae, Cordylidae, Gerrhosauridae, Anguidae, Lacertidae, Helodermatidae, Xenosauridae, Shinisauridae, Lanthonotidae, Annielidae, Varanidae и Gekkonidae (Moss, 1969; Vickaryous et al., 2015, 2022; Paluh et al., 2017; Kirby et al., 2020; Laver et al., 2020; Marghoub et al., 2022 и др.), а недавно описан даже у змей (Frýdlová et al., 2023). Изу-чение строения остеодерм имеет долгую историю (Schmidt, 1913), однако не охватывает всего многообразия современных ящериц. Особый интерес представляют комплексные остеодермы, которые характерны для представителей обширного семейства сцинков, включающего около 1750 видов. Наличие остеодерм указывается для родов Scincus, Gongylus, Seps, Lygosoma, Mabuya, Acontias (Camp, 1923), их морфологические и биометрические характеристики описаны у Egernia (Vikaryous, Sire, 2009) и Corucia zebrata (Liang et al., 2021). Большее внимание уделяется изучению остеодерм головы, нередко в рамках современных исследований краниальной морфологии с применением компьютерной томографии (Marghoub et al., 2022; Williams et al., 2022). При этом слабо изученными остаются процессы развития остеодерм, в частности, при регенерации (Bochaton et al., 2015), что и стало задачей данной работы.

Материал и методы

В качестве объекта исследования выбран один из типичных представителей семейства сцинковые – Eurylepis taeniolata Blyth, 1854. Исследование проведено на основе изучения коллекционных материалов, хранящихся в Санкт-Петербургском государственном университете (СПбГУ, № 1773-1777, 1779-1782, R-125, R-150, R-154-158) и Зоологическом институте РАН (ZISP 18967, № 5334, 5327, 5328). Материалы СПбГУ использованы для приготовления тотально окрашенных и гистологических препаратов, материалы ЗИН РАН исследованы методом компьютерной микротомографии.

Объем гистологического материала – 64 предметных стекла с сериями от 6 до 20 срезов толщиной 10 микрон, окрашенных гематоксилином Делафильда с эозином или азаном по Гейденгайну. Тотальные препараты (7 экз.) окрашены ализарином и просветлены в глицерине. Томографическое исследование проведено в Центре коллективного пользования ЗИН РАН (https://www.ckp-rf.ru/ckp/3038/) на микротомографе NeoScan N80 (Neoscan BVBA, Бельгия). Данные обработаны с использованием оригинального программного обеспечения NeoScan и Nrecon (Neoscan BVBA, Бельгия). Для визуализации 3D-моделей использовалась программа CTVox (Kontich, Бельгия).

Результаты и их обсуждение

Оригинальные остеодермы E. taeniolata расположены в папиллах роговых чешуй, черепицеподобно налегающих друг на друга. Остеодермы имеют комплексное строение. Каждая состоит из 10 – 20 костных пластинок – остеодермитов, разделенных узкими зонами неминерализованной ткани (рис. 1, а). Остеодермиты одной остеодермы расположены двумя рядами – передним и задним, иногда между ними присутствуют промежуточные остеодермиты.

Структура остеодермы включает два основных слоя: толстый базальный кортекс, состоящий из пучков минерализованного коллагена (фиброзно-слоистая кость) и поверхностный кортекс, более гомогенный и включающий гиперминерализованную ткань – остеодермин (рис. 1, б). Промежуточный слой очень тонок и не везде выражен, содержит васкулярные каналы и агломерации остеоцитов. Остеодермы залегают в коже на границе компактного и сосочкового слоев дермы. Они относительно тонкие: максимальная толщина не превышает 150 микрон, соотношение толщины к длине остеодермы – 1/30. Базальный кортекс связан с подстилающей ее кожей пучками коллагеновых волокон – волокна Шарпея. Поверхностный кортекс включает только тонкие фибриллы, выходящие перпендикулярно на поверхности остеодермы. Остеодермы пронизаны вертикальными каналами для кровеносных сосудов и нервов, открывающимися на наружную поверхность кости. В области контактов между составляющими остеодерму остеодермитами располагаются крупные и четко организованные пучки Шарпеевских волокон компактного слоя дермы. На участках, заходящих внутрь остеодермы, эти волокна минерализованы.

 

Рис. 1. Строение остеодерм хвостового отдела E. taeniolata: а – реконструкция остеодермального покрова хвоста с регенератом, произведенная методом компьютерной микротомографии (масштаб 2.5 мм); б – гистологический срез кожи оригинального хвоста, окрашенный гематоксилином и эозином (50 мкм). Обозначения: бк – базальный кортекс, вШ – волокна Шарпея, кс – компактный слой дермы, одм – остеодермин, одт – остеодермиты, оод – оригинальные остеодермы, пк – поверхностный кортекс, род – регенерирующие остеодермы, сс – сосочковый слой дермы, эд – эпидермис

Fig. 1. Structure of the osteoderms of the tail section of E. taeniolata: a – reconstruction of the osteodermal cover of the tail with regenerate, made by computed microtomography (scale 2.5 mm); b – histological section of the original tail skin, stained with hematoxylin and eosin (50 μm). Denotations: бк – basal cortex, вШ – Sharpey's fibers, кс – compact layer of dermis, одм –osteodermin, одт – osteodermites, оод – original osteoderms, пк – superficial cortex, род – regenerating osteoderms, сс – papillary layer of dermis, эд – epidermis

 

В развивающемся регенерате хвоста можно выделить три зоны, отражающие последовательные этапы формирования интегумента.

1. Зона недифференцированного интегумента охватывает область бластемы и небольшое пространство вблизи нее. Эпидермис здесь слабо ороговевающий. В области бластемы он образует до 10 слоев дифференцирующихся клеток, а также включает несколько слоев роговых чешуек. Расположенная под эпидермисом ткань характеризуется плотным скоплением мезенхимных клеток и очень большим количеством кровеносных сосудов и полостей. В апикальной зоне бластемы под эпидермисом наблюдается значительная концентрация меланоцитов. Область бластемы характеризуется началом дифференциации внутренних структур – эпендимы, хрящевой трубки, окружающей ее жировой ткани, мускулатуры.
2. Зона регенерации роговых чешуй охватывает от 5 до 10 сегментов (рядов чешуй). Герминативный слой эпидермиса более тонкий в сравнении с областью бластемы. Роговые слои, напротив, утолщены и формируют на поверхности кератиновую пластинку. Дерма стратифицирована на компактный и сосочковый слои. Компактный слой характеризуется наличием плотного коллагенового матрикса. Сосочковый слой несёт относительно тонкие и рыхло расположенные волокна коллагена, здесь сосредоточены многочисленные кровеносные сосуды. Формирование чешуй начинается в виде локального погружения эпидермиса в глубь дермального слоя кожи. Область инвагинации характеризуется наличием дермо-эпидермальных якорных филаментов, тесно связанных с базальной мембраной. Позже впячивания эпидермиса приобретают форму асимметричных погруженных в дерму карманов. В промежутках между впячиваниями формируются дермальные папиллы будущих чешуй и система их кровеносных сосудов. Расслоение роговых пластов эпидермиса в области эпидермальных карманов приводит к формированию наружной и внутренней поверхностей чешуй.
3. Зона регенерации остеодерм сильно варьирует по длине в зависимости от величины регенерата хвоста и уровня его дифференциации. Эпидермис чешуйный с толстым бета-кератиновым слоем. Дерма трехслойная с хорошо выраженными сосочковым слоем, компактным слоем и гиподермой. Сосочковый слой отличается рыхлой структурой и отсутствием крупных пучков волокон коллагена. В компактном слое коллагеновые пучки крупные, ориентированы преимущественно в продольном направлении. Гиподерма отличается поперечной ориентацией волокон. Остеодермы закладываются на границе компактного и сосочкового слоев дермы. Каждая остеодерма формируется из нескольких обособленных центров оссификации – зачатков остеодермитов, расположенных по периферии дермальной папаллы роговой чешуи. Сначала возникают окостенения переднего ряда будущей комплексной остеодермы, затем – заднего. На ранних стадиях развития остеодермиты разделены широким пространством неминерализованной дермы, по мере их роста эти зоны сужаются. Таким образом, между соседними элементами остеодермы формируются контакты из неминерализованных шарпеевских волокон, заякоренных в костную ткань.

На основе изучения регенерации хвоста у E. taeniolata удалось проследить полный цикл развития его остеодермального панциря. Стадия I: появление дермальных зачатков остеодермитов в виде агрегаций коллагеновых волокон на границе компактного и сосочкового слоев дермы (рис. 2, а). Стадия II: формирование центров оссификации внутри дермальных зачатков остеодермитов в результате минерализации коллагенового матрикса (рис. 2, б). Стадия III: формирование двуслойной структуры костных пластинок: базального кортекса и верхнего туберкулированного слоя (рис. 2, в). Базальный кортекс разрастается центростремительно с включением пучков волокон компактного слоя дермы, туберкулированный слой – центробежно в поверхностном слое дермы с включением в состав кости многочисленных остеоцитов. Стадия IV: формирование трехслойной структуры кости (рис. 2, г): базальный кортекс, промежуточный слой (преобразованный туберкулированный), поверхностный кортекс (поверхностный кортекс имеет гомогенную структуру костной ткани и включает островки остеодермина). Таким образом, наблюдается принципиальное сходство морфологии и микроструктуры регенерированных остеодерм с оригинальными (исходными).

 

Рис. 2. Гистологические срезы кожи регенерирующего хвоста E. taeniolata на разных стадиях формирования микроструктуры остеодерм: а – стадия дермального зачатка (масштаб – 50 мкм), б – стадия первичной минерализации (масштаб – 100 мкм), в – стадия двухслойного зачатка (масштаб – 50 мкм), г – трехслойная остеодерма (масштаб – 100 мкм); бк – базальный кортекс, вШ – волокна Шарпея, км – коллагеновый матрикс, кс – компактный слой дермы, об – остеобласты, пк – поверхностный кортекс, пс – промежуточный слой, род – регенерирующая остеодерма, сс – сосочковый слой дермы, тпс – туберкулированный (промежуточный) слой, эд – эпидермис. Окраска гематоксилином с эозином (а, в, г) и азаном по Гейденгайну (б)

Fig. 2. Histologic sections of skin of regenerating tail of E. taeniolata at different stages of osteoderm microstructure formation: a – stage of dermal rudiment (scale – 50 μm), b – stage of primary mineralization (scale – 100 μm), c – stage of two-layer rudiment (scale – 50 μm), d – three-layer osteoderm (scale – 100 μm); бк – basal cortex, вШ – Sharpey's fibers, км – collagen matrix, кс – compact layer of dermis, об – osteoblasts, пк – superficial cortex, пс – intermediate layer, род – regenerating osteoderm, сс – papillary layer of dermis, тпс – tuberculated (intermediate) layer, эд – epidermis. Hematoxylin and eosin staining (a, c, d) and Heidengain azan (b)

 

Заключение

У исследованных нами экземпляров E. taeniolata, как и у большинства других сцинков, сложные остеодермы крупные и перекрывают друг друга. Они не образуют жестких контактов друг с другом, таких как шарпеевские сочленения. Однако входящие в их состав остеодермиты имеют именно такие фиброзные суставы Шарпея. По своим морфологическим и гистологическим свойствам остеодермиты напоминают небольшие остеодермы гекконов (Vickaryous et al., 2015; Williams et al., 2022). Таким образом, есть основания полагать, что эволюционное происхождение сложных остеодерм сцинков связано с объединением нескольких мелких остеодерм в единый комплекс. Возможно, объяснение этой ассоциации кроется в образовании у предков ящериц-сцинков крупных перекрывающихся эпидермальных чешуй, т.е. широких морфогенетических зон, позволяющих сочетать в себе несколько центров окостенения.

About the authors

Gennady O. Cherepanov

Saint Petersburg State University

Author for correspondence.
Email: cherepanov-go@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7523-566X
Russian Federation, 7/9 Universitetskaya embankment, St. Petersburg 199034

Dmitry A. Gordeev

Volgograd State University

Email: gordeev@volsu.ru
ORCID iD: 0000-0002-4346-7626
Russian Federation, 100 Universitetskiy Prospekt, Volgograd 400062

Daniel A. Melnikov

Zoological Institute of RAS

Email: melnikovda@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8011-1274
Russian Federation, 1 Universitetskaya embankment, St. Petersburg 199034

Natalia B. Ananjeva

Zoological Institute of RAS

Email: natalia.ananjeva@zin.ru
ORCID iD: 0000-0003-2288-0961
Russian Federation, 1 Universitetskaya embankment, St. Petersburg 199034

References

Supplementary files