Воспроизводство крупного рогатого скота

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

степени развития цитоплазматических структур, однако на ультраструктурном уровне клетки Лейдига в целом обнаруживают значительное сходство.⁸ Fawcett и соавт. .²⁹ подробно описали морфологию интерстициальной ткани у нескольких видов млекопитающих и выделили три группы на основании количества клеток Лейдига и соотношения объёмов межканальцевых лимфатических структур и соединительной ткани. К первой группе относятся морская свинка и грызуны (крыса, мышь). У этих видов клетки Лейдига занимают лишь 1–5% объёма семенников; например, у крысы — 2.8%.³⁰ Ко второй группе относятся бык, обезьяна, слон и человек. У этих видов соединительная ткань интерстиция очень рыхлая, клетки Лейдига рассеяны по всему интерстицию и тесно связаны с хорошо развитой лимфатической системой. Клетки Лейдига занимают лишь небольшую часть объёма семенников (~15%).⁸ К третьей группе относятся домашний хряк и жеребец. У этих животных обильная интерстициальная ткань плотно заполнена клетками Лейдига (20–60% объёма семенников).³¹ Причина высокой плотности клеток Лейдига у этих видов неизвестна, однако Parkes¹⁰ и Fawcett и соавт. .²⁹ связывали это явление с выработкой больших количеств эстрогенов у хряка и жеребца, а также с секрецией семенниками хряка больших количеств 16-андростенов с мускусным запахом.³² За более подробным обсуждением цитологии клеток Лейдига читатель может обратиться к превосходной главе de Kretser и Kerr.³³

Эндокринная функция семенника

Гипоталамо-гипофизарная гормональная регуляция семенника

Действие гормонов зависит от их выделения соответствующей эндокринной железой и переноса по кровеносной системе к ткани-мишени, где гормон связывается с клеточными рецепторами, вызывая физиологическую реакцию. В некоторых случаях эти рецепторы обладают высокой специфичностью к определённому гормону. Реакция ткани-мишени может зависеть от уровня экспрессии рецепторов и концентрации гормона. Некоторые гормоны регулируют собственные рецепторы, действие других требует синергизма двух гормонов, а рецепторы третьих могут регулироваться иными гормонами.³⁴ Общие особенности нейроэндокринной регуляции семенника млекопитающих гипоталамо-гипофизарной системой хорошо изучены,³⁵ однако у некоторых видов эта регуляция может меняться в зависимости от сезона. Домашний крупный рогатый скот считается видом с круглогодичным, а не сезонным размножением.³⁶ Тем не менее в литературе имеются сведения о том, что у домашних быков мясных и молочных пород гипоталамо-гипофизарно-гонадная система функционирует с сезонными изменениями, которые могут влиять на выработку гонадных стероидов и половых клеток. В исследовании взрослых быков сложных помесных пород Stumpf и соавт. .³⁷ установили, что время года влияло на профиль циркулирующих гонадотропинов как у кастрированных, так и у интактных самцов, причём наибольшая секреция гонадотропинов приходилась на весеннее равноденствие. Кроме того, эти авторы обнаружили, что время года влияло и на секрецию тестостерона у интактных самцов, но в ответ на LH больше тестостерона выделялось в период летнего солнцестояния. Другие исследователи сообщали о сходных эффектах: местонахождение влияло на репродуктивные показатели быков, включая качество спермы и концентрации LH и тестостерона в крови.^38,39

Кроме того, было установлено, что чувствительность быков к введению экзогенного гонадотропина и их секреция тестостерона зависят от сезона.⁴⁰

Гормональная регуляция функции семенников зависит от совместного действия на клетки Лейдига гонадотропинов, таких как LH, фолликулостимулирующий гормон (FSH) и пролактин, а также стероидов (андрогенов и эстрогенов).⁴¹Гонадотропин-рилизинг-гормон — основной гормон гипоталамуса, регулирующий синтез и выделение гонадотропинов LH и FSH передней долей гипофиза. LH главным образом отвечает за выработку тестостерона клетками Лейдига, тогда как FSH способствует размножению клеток Сертоли и поддержанию половых клеток. Хотя стимулирующее действие гонадотропинов на функцию семенников было надёжно установлено, основные механизмы и участки их действия в семеннике удалось определить лишь в 1970-е годы. Было показано, что LH необходим для поддержания выработки тестостерона в семенниках.^41,42 Catt и Dufau⁴³ рассмотрели механизмы действия гонадотропинов и пришли к выводу, что все они вызывают ответ клеток-мишеней сходным образом. При этом именно LH играет важнейшую роль в физиологической регуляции выработки андрогенов клетками Лейдига в семеннике.^44,45

Клетки Лейдига содержат рецепторы, расположенные на плазматической мембране и специфически связывающие LH. Связывание LH стимулирует аденилатциклазу к образованию циклического аденозинмонофосфата (циклического АМФ) — вторичного посредника в цитоплазме клетки. Он, в свою очередь, активирует циклическую АМФ-зависимую протеинкиназу, усиливая превращение холестерина в прегненолон. Действие LH легко продемонстрировать как у самцов после удаления гипофиза, так и у интактных самцов. После удаления гипофиза быстро прекращается выработка тестостерона, исчезают ферменты, участвующие в стероидогенезе, и развивается атрофия семенников.⁴⁶ Прямых доказательств участия FSH в стероидогенезе клеток Лейдига немного, однако некоторые данные указывают на то, что этот гонадотропин может участвовать в превращении андрогенов в эстрогены в клетках Сертоли.⁴⁷ Bartke и соавт. .⁴² предположили, что FSH может воздействовать на ферментную систему ароматизации при биосинтезе тестостерона, однако свидетельств его влияния на другие этапы стероидогенеза в семеннике мало. У быков секреция тестостерона не является постоянной: для неё характерны периодические выбросы, определяемые выделением гипоталамусом рилизинг-гормона лютеинизирующего гормона (LHRH), а передней долей гипофиза — LH.⁴⁸ Schanbacher⁴⁸ сообщает о временно́й связи между концентрациями LH и тестостерона в крови и о наличии данных, свидетельствующих о том, что периодическая секреция зависит от отдельных выбросов LHRH из гипоталамуса.

Пролактин

Известно, что пролактин (PRL) усиливает влияние LH на сперматогенез. Физиологическое значение PRL в регуляции функции клеток Лейдига впервые было установлено с использованием трёх животных моделей:^41,42 золотистого хомячка, у которого сокращение светового дня может вызвать регрессию семенников; мышей после удаления гипофиза; а также мышей с наследственной карликовостью, врождённым дефицитом PRL и бесплодием. Во всех трёх моделях отмечаются пониженные концентрации PRL