Воспроизводство крупного рогатого скота

Глава 2

Эндокринная и экзокринная функции семенников крупного рогатого скота

Питер L. Райан

Колледж ветеринарной медицины, Университет штата Миссисипи, Старквилл, Миссисипи, США

Введение

В норме репродуктивная система самца крупного рогатого скота включает парные семенники, расположенные в мешковидном образовании — мошонке. Она формируется из выпячивания кожи брюшной стенки и состоит из нескольких сложных слоёв тканей. С семенниками связан ряд вспомогательных структур, в том числе семенные канатики, добавочные половые железы (предстательная, бульбоуретральные и парные пузырьковидные железы), половой член, препуций и система выводных протоков. Система выводных протоков обширна и включает выносящие канальцы, находящиеся в семенниках, а также расположенные за их пределами придатки семенников, семявыносящие протоки и мочеиспускательный канал. Подробное описание анатомии репродуктивной системы быка приведено в соответствующей главе этой книги (глава 1). Основные функции семенников — образование мужских половых клеток (сперматозоидов) и эндокринных факторов, таких как стероидные (тестостерон) и белковые гормоны (ингибин, инсулиноподобный пептид 3). Совместно с гормонами гипоталамуса (гонадотропин-рилизинг-гормоном) и гипофиза (лютеинизирующим и фолликулостимулирующим гормонами) они регулируют репродуктивную функцию быка. Семенники состоят из паренхиматозной ткани, в состав которой входят интерстициальная ткань со стероидпродуцирующими клетками Лейдига, кровеносные и лимфатические сосуды, а также извитые семенные канальцы. В последних при поддержке клеток-кормилиц, более известных как клетки Сертоли, развивается сперматогенная ткань. В главе 4 подробно рассматриваются эндокринные факторы, отвечающие за развитие семенников и начало сперматогенеза у быка, поэтому данная глава посвящена главным образом регуляции и функционированию семенников взрослого животного. Здесь не ставится задача подробно рассмотреть нарушения функции семенников; вместо этого основное внимание, насколько это возможно с практической точки зрения, уделяется известным сведениям об эндокринной и экзокринной функциях семенников крупного рогатого скота. У разных видов млекопитающих эти функции во многом сходны, поэтому при отсутствии сведений непосредственно о крупном рогатом скоте по возможности будут приводиться примеры, относящиеся к другим домашним животным. Не представлялось

возможным сослаться на все многочисленные значимые работы, посвящённые эндокринной и экзокринной функциям семенников. Поэтому там, где это возможно и уместно, читателю предлагаются избранные источники для дополнительного изучения.

Исторический обзор

На протяжении многих веков было очевидно, что семенники влияют на особенности мужского организма. Последствия кастрации домашних животных и мужчин ясно это показывали, но не давали представления о механизме такого влияния. Притчард¹отметил, что, согласно ассирийским документам, датируемым примерно 15 веками до н. э., кастрацию мужчин применяли как наказание за сексуальные преступления. Это позволяет предположить, что уже тогда было известно о влиянии кастрации на плодовитость и поведение. Знания о последствиях кастрации сельскохозяйственных животных восходят к эпохе неолита (c. 7000 до н. э.), когда, как считается, впервые были одомашнены животные.²Последствия кастрации были известны Аристотелю (300 до н. э.), который дал весьма подробные и ясные описания анатомии и функций семенников.³Лишь в XVII веке Ренье де Грааф представил подробное описание анатомии семенников и полового члена⁴в трактате о мужских репродуктивных органах. Де Грааф указал на существование семенных канальцев и предположил, что оплодотворяющая часть семени образуется в семенниках. Первое микроскопическое исследование семенников провёл Антони ван Левенгук в 1667 году: он обнаружил половые клетки в семенной жидкости и сообщил о них.⁵

Подробное изучение семенника началось в середине XIX века. В 1840 году Альберт фон Кёлликер обнаружил, что сперматозоиды развиваются из клеток, находящихся в семенных (извитых семенных) канальцах. За этим важным открытием последовало сделанное Францем Лейдигом⁶описание микроскопических особенностей интерстициальных клеток. Позднее итальянский учёный Энрико Сертоли⁷правильно описал столбчатые клетки, простирающиеся от базальной мембраны до просвета

tubuli seminiferi contorti(извитых семенных канальцев) семенников, а Антону фон Эбнеру принадлежит заслуга введения представления о симбиотической связи между клетками Сертоли и развивающимися половыми клетками.^8,9

Первое убедительное доказательство эндокринной роли семенников получил Арнольд Бертольд в 1849 году при изучении семенников петуха. Он пришёл к выводу, что развитие мужских признаков регулируется факторами, переносимыми кровью. Наиболее убедительные доказательства того, что эндокринная функция семенников связана с клетками Лейдига, представили два французских учёных, Буэн и Ансель, в 1903 году. Они сообщили, что после перевязки семявыносящих протоков у собак, кроликов и морских свинок происходила дегенерация извитых семенных канальцев, однако признаки кастрации и дегенеративные изменения интерстициальных клеток отсутствовали. На этом основании они заключили, что внутренние секреты семенников синтезируются клетками Лейдига.¹⁰К середине 1930-х годов стало ясно, что мужским гормоном, вырабатываемым семенниками, является тестостерон¹¹и что функция семенников регулируется гормонами гипофиза.^12,13Смит¹²показал, что гипофиз должен выделять вещества (ныне известные как гонадотропины), которые стимулируют рост семенников и поддерживают их функцию у крыс. Грип и Феволд¹⁴восстановили функцию клеток Лейдига у крыс после удаления гипофиза с помощью неочищенных препаратов лютеинизирующего гормона (LH) и добились восстановления вторичных мужских половых признаков. Дополнительные свидетельства стероидсекретирующей функции клеток Лейдига были получены при изучении постнатального развития быков: изменения уровня андрогенов в семенниках происходили параллельно дифференцировке этих клеток.¹⁵Используя методы культивирования клеток, Стейнбергери соавт. .¹⁶получили прямые доказательства того, что клетки Лейдига служат основным источником синтеза стероидных гормонов в семенниках. Позднее стало очевидно, что клетки Лейдига необходимы для выработки андрогенов, поддерживающих сперматогенез в сперматогенном эпителии.^{16, 17}

Семенник

Семенники крупного рогатого скота — парные, покрытые оболочкой структуры яйцевидной формы, расположенные в паховой области и подвешенные в свисающей мошонке на некотором расстоянии от брюшной стенки. Расстояние от семенников до брюшной стенки варьирует и может зависеть от времени года и температуры окружающей среды. Мышца, поднимающая семенник, играет важную роль в его терморегуляции. Размер семенника зависит от породы, но обычно семенник взрослого животного весит 300–400 g, имеет длину около 10–13 cm и ширину 5–6.5 cm.¹⁸Прочная фиброзная оболочка каждого семенника состоит из трёх слоёв ткани: наружного слоя — влагалищной оболочки; белочной оболочки, образованной соединительной тканью из фибробластов и пучков коллагена; и внутреннего слоя — влагалищной оболочки, поддерживающей кровеносные и лимфатические сосуды.¹⁹Оболочка служит основной опорой паренхимы семенника — его функциональной ткани, состоящей из интерстициальной ткани и извитых семенных канальцев. Интерстициальная ткань располагается в промежутках между извитыми семенными канальцами и включает скопления клеток Лейдига, в основном отвечающих за биосинтез и секрецию стероидных гормонов, а также кровеносные и лимфатические сосуды, снабжающие

паренхиму семенника. Извитые семенные канальцы развиваются из первичных половых тяжей и содержат сперматогенную ткань (сперматогонии — мужские половые клетки) и специализированные клетки Сертоли. Последние не только поддерживают образование сперматозоидов, но и формируют между собой плотные контакты, создавая один из важнейших компонентов гематотестикулярного барьера.²⁰Этот барьер препятствует проникновению в извитые семенные канальцы большинства крупных молекул и чужеродных веществ, способных нарушить нормальный сперматогенез. Важнейшие вещества, синтезируемые семенниками и поступающие в кровеносную систему, — пептидные и стероидные гормоны. Однако жидкость из извитых семенных канальцев может проходить через базальную мембрану в интерстициальную ткань, откуда она способна поступать в лимфатические и кровеносные сосуды семенника, либо через апикальную поверхность клеток Сертоли — в просвет канальца.¹⁹

Мошонка и семенные канатики

Мошонка состоит из наружного слоя толстой кожи и трёх подлежащих слоёв: мясистой оболочки, фасции мошонки и париетального листка влагалищной оболочки. В коже мошонки расположены многочисленные крупные адренергические потовые и сальные железы, а также множество терморецепторов и нервных волокон. Нервные сигналы от терморецепторов вызывают сокращение и расслабление мясистой оболочки, которая состоит из гладкомышечных волокон и лежит непосредственно под кожей мошонки. Так она реагирует на изменения температуры и способствует охлаждению поверхности мошонки за счёт выделения пота её железами.¹⁹Таким образом, мошонка не только вмещает и защищает семенники, но и участвует в их терморегуляции. Семенной канатик соединяет семенники с телом и служит путём для кровеносных и лимфатических сосудов и нервов, обеспечивающих их работу. Кроме того, в семенном канатике находятся мышца, поднимающая семенник и служащая его основной опорой, а также лозовидное сплетение — сложная специализированная венозная сеть, окружающая извилистую семенниковую артерию.²¹Такое расположение сосудов имеет большое значение для регуляции температуры семенника. Сплетение образовано извитыми семенниковыми венами и обеспечивает противоточный теплообмен: благодаря этому эффективному механизму тёплая артериальная кровь, поступающая в семенники из брюшной полости, охлаждается венозной кровью, оттекающей от них. Семенниковые артерии отходят от брюшной аорты и удлиняются по мере опускания семенника в мошонку.¹⁹У крупного рогатого скота и других крупных домашних жвачных эти артерии сильно извиты, благодаря чему сосуд длиной в несколько метров размещается всего в 10 cm семенного канатика.¹⁹Извитые участки артерий и венозное сплетение представляют собой сложные структуры, которые формируются у крупного рогатого скота во внутриутробный период.^19,22Поскольку мошонка крупного рогатого скота свисает, охлаждению семенников способствует сокращение и расслабление мышцы, поднимающей семенник: при понижении температуры окружающей среды она подтягивает семенники ближе к брюшной стенке, а при повышении температуры происходит обратное. На рисунке 2.1 представлены изображения семенников крупного рогатого скота в видимом свете и в тепловом диапазоне. Они показывают изменение температуры от шейки мошонки к её нижней части при терморегуляции семенников в условиях повышенной температуры окружающей среды. Терморегуляция мошонки и семенников — сложный процесс

(a)

(b)
39.4°C
39
38
37
R01
36
35
R02
34
R03
33
32.2°C

(c)

Рисунок 2.1 Изображения семенников 2-летнего быка герефордской породы в видимом свете и в тепловом диапазоне. Снимки были сделаны 25 июня 2013 года в полдень с помощью тепловизора FLIR SC600 (FLIR Systems Sweden, AB) при температуре воздуха 29°C и влажности 75%. (a) Изображение семенников в видимом свете. (b) Тепловое изображение семенников, показанных на снимке (a), с выделением трёх областей интереса (RO1, RO2 и RO3). Вертикальные полосы указывают линии, вдоль которых с помощью программы ThermaCAM Research Pro 2.7 были получены значения температуры. Для наглядного отображения изменения температуры от шейки мошонки до её нижнего конца использованы условные цвета и температурная шкала. (c) Температурные показатели для каждой области интереса (RO): минимальная (Min), максимальная (Max) и средняя (Avg) температура, разница между Min и Max, а также стандартное отклонение (st dev), характеризующее колебания температуры в каждой области. Обратите внимание, что средняя температура от RO1 до RO3 изменяется почти на 4°C.

с участием ряда местных механизмов, направленных на поддержание в семенниках условий внешней и внутренней среды, благоприятных для нормального сперматогенеза. Дополнительные сведения о терморегуляции семенников быка читатель найдёт в обзоре Kastelic и соавт. .²³ и в главе 3 настоящей книги.

Интерстициальная ткань (клетки Лейдига)

Немецкий зоолог Франц Лейдиг впервые описал интерстициальные клетки семенников в 1850 году; с тех пор они известны как клетки Лейдига. Эти клетки находятся в интерстициальной ткани семенника — сети рыхлой соединительной ткани, заполняющей промежутки между семенными канальцами и кровеносными сосудами. В семенниках млекопитающих клетки Лейдига преимущественно образуют скопления в угловых промежутках между семенными канальцами и тесно прилегают к

стенкам мелких артериол.^8,24 Содержание клеток Лейдига в семенниках различается у разных видов. Считается, что эти клетки служат основным источником андрогенов в семеннике. У быков развитие клеток Лейдига путём преобразования мезенхимальных клеток-предшественников, по наблюдениям, непрерывно продолжается после наступления половой зрелости на протяжении всей жизни.²⁵ Christensen²⁶ приводит подробный и интересный обзор истории изучения клеток Лейдига — от их описания Лейдигом в 1850-е годы до подтверждения в середине -1960-х годов того, что именно эти клетки в основном отвечают за синтез и секрецию андрогенов в семенниках. Многочисленные данные свидетельствуют о том, что клетки Лейдига у плодов на ранних стадиях развития обладают стероидогенной активностью у некоторых видов млекопитающих, в том числе у свиней²⁷ и овец.²⁸

Клетки Лейдига у большинства изученных видов млекопитающих в целом сходны, хотя несколько различаются по внешнему виду, размерам и расположению их скоплений относительно лимфатических или кровеносных сосудов интерстициальной ткани. Имеются некоторые различия в