Руководство по гистологии [I, 2 ed.] 9785299004212

Citation preview

РУКОВОДСТВО ПО ГИСТОЛОГИИ В ДВУХ ТОМАХ

Рекомендовано Департаментом образовательных медицинских учреждений и кадровой политики Министерства здравоохранения Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов медицинских вузов и факультетов, аспирантов и слушателей системы дополнительного медицинского образования

РУКОВОДСТВО ПО ГИСТОЛОГИИ ТОМ I

ОБЩАЯ ГИСТОЛОГИЯ (учение о тканях) 2"е издание, исправленное и дополненное

Под редакцией Р. К. Данилова

СанктПетербург СпецЛит 2010

УДК 611 Р85

А в т о р ы п е р в о г о т о м а: И. Г. Акмаев, М. А. Александрова, Ю. И. Афанасьев, В. П. Бабминдра, Л. П. Бобова, Т. Г. Боровая, В. Ш. Вагапова, Е. В. Виноградова, В. Г. Гололобов, В. Л. Горячкина, Б. А. Григорян, Р. К. Данилов, Н. В. Дедух, Р. В. Деев, Н. А. Дмитриева, И. В. Дюйзен, В. Б. Зайцев, А. Л. Зашихин, Л. В. Зуева, З. Б. Ишмеева, И. М. Кветной, А. А. Клишов, Р. П. Коваленко, Д. Э. Коржевский, П. П. Кругляков, С. Л. Кузнецов, Д. В. Лычаков, П. А. Мотавкин, Х. Х. Мурзабаев, А. П. Новожилова, Д. К. Обухов, И. А. Одинцова, Н. П. Омельяненко, В. Н. Павлова, Е. Я. Панков, Л. С. Погодина, А. Л. Поленов, Г. В. Правоторов, В. Ф. Пучков, Г. А. Пяткина, Б. Я. Рыжавский, В. И. Семкин, В. В. Семченко, Д. Р. Слуцкая, А. А. Сосунов, О. С. Сотников, С. С. Степанов, П. А. Хлопонин, Н. М. Хмельницкая, Т. А. Цехмистренко, Ю. А. Челышев, Е. И.Чумасов, В. Н. Швалев, Е. А. Шубникова, А. В. Шуклин, В. В. Южаков Р е ц е н з е н т ы: Т. К. Дубовая, проф., зав. кафедрой гистологии, цитологии и эмбриологии Российского государственного медицинского университета; В. А. Соловьев, проф., зав. кафедрой гистологии и эмбриологии Тверской государственной медицинской академии

Р85

Руководство по гистологии / под редакцией Р. К. Данилова. — 2е изд., испр. и доп. — СПб. : «СпецЛит», 2010. — Т. 1. — 831 с. : ил. ISBN 9785299004212 В первый том включено 10 глав, посвященных фундаментальным научнотео ретическим проблемам гистологии: источникам развития, гистогенезу, строению, функциям, регенерации и классификации тканей ряда органов и систем. Представ лены новые сведения о строении клетки и ее рецепторном аппарате. Приведены перспективные и в ряде случаев приоритетные концепции, выдвинутые отечествен ными гистологами на основе развития научнотеоретических положений эволю ционной гистологии. Материалы по гистологии тканей и органов нервной, эндо кринной и сенсорной систем изложены с гистогенетических позиций с учетом совре менных данных о стволовых клетках и их участия в развитии и регенерации тканей. Руководство рассчитано на цитологов, гистологов, патологоанатомов, клини цистов, научных работников, аспирантов и студентов медикобиологических спе циальностей. УДК 611

ISBN 9785299004212 (т. I) ISBN 9785299004359

© ООО «Издательство “СпецЛит”», 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Условные сокращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Введение. Гистология как наука и учебная дисциплина (Р. К. Данилов, А. А. Клишов) Глава 1. Основы учения о клетке — структурнофункциональной единице тканей (Т. Г. Боровая, Р. К. Данилов) . . . . . . . . . . . . . . . . Клеточная теория . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Морфофункциональные системы клетки . . . . . . . . . . . . . . . Рецепторнобарьернотранспортная система — плазмолемма . . . . Система энергообеспечения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Система синтеза и транспорта биополимеров. Включения . . . . . Система хранения, воспроизводства и реализации генетической инфор мации — ядро . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Опорнодвигательная система (при участии В. Б. Зайцева) . . . . . Жизненный цикл и воспроизведение клеток . . . . . . . . . . . . . Дифференциация и реактивные изменения . . . . . . . . . . . . . . Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Глава 2. Рецепторноэффекторные комплексы в регуляции жизнедеятель ности клеток и тканей (В. Ф. Пучков) . . . . . . . . . . . . . . . Рецепторноканальные комплексы . . . . . . . . . . . . . . . . . . Рецепторноканальные комплексы типа I . . . . . . . . . . . . . Рецепторноканальные комплексы типа II . . . . . . . . . . . . Рецепторноферментные комплексы . . . . . . . . . . . . . . . . . Транспортные трансмембранные рецепторные комплексы . . . . . . . Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Глава 3. Общие принципы клеточной организации, развития и классифи кации тканей (Р. К. Данилов) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ткани как структурные компоненты живых систем . . . . . . . . . . Развитие тканей в онтогенезе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Прогистогенез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Зародышевые листки и эмбриональные зачатки тканей. Стволо вые тканевые клетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Эмбриональный гистогенез . . . . . . . . . . . . . . . . . Клеточнодифферонная организация тканей . . . . . . . . . . . . . Введение в учение о классификации тканей . . . . . . . . . . . . . Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Глава 4. Система эпителиальных тканей (Е. А. Шубникова) . . . . . . . . . Общая характеристика и классификация эпителиев . . . . . . . . . . Покровный эпителий кожи (при участии Е. В. Виноградовой и В. И. Сем% кина) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Специализированные клетки эпидермиса . . . . . . . . . . . . . Физиологическая и репаративная регенерация эпидермиса . . . . . Эпителии слизистых оболочек . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Эпителий пищевода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Эпителий воздухоносных путей . . . . . . . . . . . . . . . . . Эпителий мочевых путей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Эпителий кишки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Эпителий серозных оболочек (В. Ф. Иванова) . . . . . . . . . . . .

8 9 12 23 23 25 27 39 43 56 62 72 76 79 81 83 83 86 88 90 96 98 98 99 99 102 105 116 119 122 124 124 135 146 160 165 166 168 175 178 186

6

Îãëàâëåíèå Эпителий паренхимы внутренних органов . . . . . . . . . . . . . . Железистые эпителии и железы (при участии Л. С. Погодиной) . . . Классификация эпителиальных железистых клеток по типу выраба тываемого ими секрета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Классификация эпителиальных железистых клеток по механизму экструзии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Секреторный цикл и физиологическая регенерация желез . . . . . Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

192 192

Глава 5. Система соединительных тканей . . . . . . . . . . . . . . . . . Общая характеристика, классификация и гистогенез (Ю. И. Афанасьев, Н. П. Омельяненко) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Волокнистая соединительная ткань с трофической функцией . . . . . Клеточный состав (при участии Г. В. Правоторова) . . . . . . . . Межклеточное вещество . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Органная специфичность волокнистой соединительной ткани . . . Соединительные ткани со специальными свойствами . . . . . . . . . Скелетные ткани и органы (В. Г. Гололобов, Н. В. Дедух, при участии Р. В. Деева) Общая характеристика и классификация . . . . . . . . . . . . . Хрящевые ткани. Хрящ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Костные ткани. Кость как орган . . . . . . . . . . . . . . . Тканеинженерные технологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . Позвоночный столб (Н. В. Дедух) . . . . . . . . . . . . . . . . Суставы (В. Н. Павлова) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Кровеносное и лимфатическое русла синовиальной оболочки (В. Ш. Вагапова) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Сухожилия (Е. Я. Панков) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

203

194 196 199 200

203 206 206 219 234 236 238 238 240 258 299 301 306 312 317 319

Глава 6. Система крови и иммунной защиты (Л. П. Бобова, Ю. И. Афанасьев) Общая характеристика и состав крови . . . . . . . . . . . . . . . . Возрастные и половые особенности состава крови . . . . . . . . Лимфа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Кроветворение (гемопоэз) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Эмбриональный гемоцитопоэз . . . . . . . . . . . . . . . . . . Постэмбриональный гемоцитопоэз. Физиологическая регенерация крови Костный мозг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Красный костный мозг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Клетки и межклеточное вещество . . . . . . . . . . . . . . Гемопоэтические клетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Кровоснабжение, иннервация и регенерация . . . . . . . . . . . Тимус . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лимфатические узлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Селезенка (Л. П. Бобова) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лимфоидная ткань, ассоциированная со слизистыми оболочками . . . Миндалины (Н. М. Хмельницкая) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Клеточные основы иммунных реакций . . . . . . . . . . . . . . . . Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

323 323 347 349 349 350 356 370 371 372 375 376 378 387 395 402 404 409 422

Глава 7. Мышечная система (Р. К. Данилов, И. А. Одинцова) Общая характеристика и классификация . . . . . . Генетическая классификация мышечных тканей и позвоночных и человека . . . . . . . . . . . Поперечнополосатая скелетная мышечная ткань . .

425 425

. . . . . . . . . . . . . . . . . . миоидных клеток . . . . . . . . . . . . . . . . . .

425 428

Îãëàâëåíèå

7

Строение функционально различных скелетных мышц (С. Л. Кузнецов, В. Л. Горячкина) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Поперечнополосатые мышечные ткани нелокомоторного аппарата . . . Сердечная мышечная ткань (П. А. Хлопонин) . . . . . . . . . . . . . Гладкая мышечная ткань (А. Л. Зашихин) . . . . . . . . . . . . . . Мионейральная ткань (Р. К. Данилов, З. Б. Ишмеева) . . . . . . . . . Миоидные клетки (Д. Р. Слуцкая, Х. Х. Мурзабаев) . . . . . . . . . . Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

442 452 454 472 482 486 489

Глава 8. Нервная система (Д. К. Обухов, О. С. Сотников, П. П. Кругляков, В. В. Семченко, А. А. Сосунов, Ю. А. Челышев) . . . . . . . . . . . . . Общая характеристика и гистогенез . . . . . . . . . . . . . . . . . Морфофункциональная характеристика нейронов . . . . . . . . . Секреторные нейроны (И. Г. Акмаев) . . . . . . . . . . . . . . Нейроглия (В. В. Семченко, С. С. Степанов) . . . . . . . . . . . Нервные волокна и окончания (О. С. Сотников) . . . . . . . . . Межнейронные связи. Синапсы . . . . . . . . . . . . . . . . . Центральная нервная система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Спинной мозг (П. А. Мотавкин, И. В. Дюйзен, при участии Д. К. Обухова) Ствол головного мозга (П. А. Мотавкин, И. В. Дюйзен) . . . . . . Мозжечок (Д. К. Обухов, Т. А. Цехмистренко) . . . . . . . . . . . Конечный мозг (Д. К. Обухов, В. П. Бабминдра) . . . . . . . . . . Оболочки головного и спинного мозга, сосудистое сплетение головного мозга (Д. Э. Коржевский, А. П. Новожилова) . . . . . . . . . . . . . Периферическая нервная система (Е. И. Чумасов) . . . . . . . . . . . Спинальные узлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Периферические нервы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Вегетативная нервная система (В. Н. Швалев, А. В. Шуклин) . . . . . . Параганглии (Е. И. Чумасов, при участии Б. А. Григорян) . . . . . . . Регенерация в нервной системе (Ю. А. Челышев) . . . . . . . . . . . Нейральные стволовые клетки (М. А. Александрова) . . . . . . . . . Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

611 623 623 631 639 652 656 665 669

Глава 9. Эндокринная система (И. Г. Акмаев) . . . . . . . . . . . . . . . . Учение о взаимосвязи эндокринной системы с нервной и иммунной системами Общая характеристика и принципы классификации эндокринных органов Гипоталамо0гипофизарный комплекс . . . . . . . . . . . . . . . . Эпифиз (Р. И. Коваленко, А. Л. Поленов) . . . . . . . . . . . . . . . Щитовидная железа (Н. М. Хмельницкая) . . . . . . . . . . . . . . Околощитовидные железы (Н. М. Хмельницкая) . . . . . . . . . . . Надпочечники (Б. Я. Рыжавский) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Диффузная нейроиммуноэндокринная система (И. М. Кветной, В. В. Южаков) Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

674 674 678 681 694 703 710 713 728 751

Глава 10. Сенсорная система (органы чувств) . . . Орган зрения (Л. В. Зуева) . . . . . . . . . Орган обоняния (Г. А. Пяткина) . . . . . . Орган равновесия и слуха (Д. В. Лычаков) . . Орган равновесия (вестибулярный аппарат) Орган слуха . . . . . . . . . . . . . . Орган вкуса (Н. А. Дмитриева, Г. А. Пяткина) Осязательные рецепторы (Ю. А. Челышев) . . Литература . . . . . . . . . . . . . . . . Учебные пособия, руководства и атласы . . . . . . .

754 755 769 779 786 796 811 821 827 831

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

491 491 499 514 519 532 541 554 558 572 584 595

Светлой памяти учителей, ученых$гистологов и с надеждой на учащуюся молодежь посвящаем труд

Авторы

ПРЕДИСЛОВИЕ Выходит в свет 2!е издание фундаментального двухтомного труда гистоло! гов — «Руководство по гистологии». Его содержание значительно обновлено. Приняты во внимание критические замечания и пожелания гистологов отно! сительно внесения сведений об эмбриональных зачатках тканей, эмбриональ! ном развитии человека, укрупнении разделов за счет слияния материалов по общим и частным вопросам гистологии, что исключает их дублирование при описании органов и систем человека. Исключен раздел о гистогематических барьерах, так как сведения о них можно найти в частных разделах гистологии. С учетом бурного развития клеточных и тканевых технологий в лечении забо! леваний человека в Руководство включены материалы по данной теме. В це! лом усилен практический аспект в изложении материалов без потери фунда! ментальности. Ко всем главам приводится обновленный список литературы, что позволяет ознакомиться с частными вопросами данной темы по оригиналь! ным источникам. Следует отметить, что б*ольшая часть авторов с энтузиазмом откликнулась на предложение о переиздании труда в обновленном варианте. К сожалению, не обошлось без потерь. Некоторые главы существенно отредактированы или написаны заново. В Руководство включены материалы, представленные мор! фологами, имеющими большой опыт работы в клинике. В подготовке труда к изданию активно участвовал коллектив кафедры гистологии Военно!меди! цинской академии им. С. М. Кирова. Рукописи авторов проходили рецензиро! вание и обсуждение с сотрудниками кафедры профессорами И. А. Одинцовой, В. Г. Гололобовым, доцентом Ю. К. Хиловой. Профессор И. А. Одинцова взяла на себя труд по переписке с авторами и редактированию ряда глав. В редак! тировании глав также участвовали профессора Т. Г. Боровая, С. В. Костюкевич, Д. В. Лычаков, Д. К. Обухов, О. С. Сотников. Художник!микроскопист В. А. Тю! люкин помогал авторам своим творчеством. Все это существенно помогало ре! дактору и стало основой завершения большого труда морфологов в намеченные сроки. Авторский коллектив сделал все возможное, чтобы данный труд стал источ! ником информации о последних достижениях в области гистологии, цитоло! гии и эмбриологии для широкой аудитории преподавателей, врачей, бака! лавров, магистров, аспирантов и студентов, посвятивших себя решению проб! лем в области биологии и медицины. Р. К. Данилов (2008)

УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ Аклетки АДФ АКТГ АПК АТ Атр АХЭ БОЕ ВИП ВП ВПСП ВШГ ГАГ ГАМК ГМК ГЗТ ГКГ ГКФБ ГМКСФ ГТФ ДНИЭС ДЭА ДЭС ДЭСС ЕКК ИДК ИЛ ИССО ИТФ КЛЦМ КМ КМБ КОЕ КОЕБ КОЕГн КПО КСФ КОКф КЦ ЛПНП ЛПС

— акцессорные клетки (клетки, способные представлять антигены лим фоцитам) — аденозиндифосфат — адренокортикотропный гормон — антигенпредставляющие клетки — антитело — антиген тромбоцитов — ацетилхолинэстераза — бурстообразующая единица — вазоактивный интестинальный полипептид — вкусовые почки — возбужденный постсинаптический потенциал — верхний шейный ганглий — гликозоаминогликаны — гаммааминомасляная кислота — гладкие мышечные клетки — гиперчувствительность замедленного типа — главный комплекс гистосовместимости — глиальный кислый фибриллярный белок — гранулоцитарномакрофагальный колониестимулирующий фактор — гуанозинтрифосфат — диффузная нейроиммуноэндокринная система — дегидроэпиандростерон — диффузная эндокринная система — дегидроэпиандростеронсульфат — естественные киллерные клетки, или NK (natural killerbcells) — интердигитирующие клетки — интерлейкины — иммунная система слизистых оболочек — инозитол трифосфат — киназа легкой цепи миозина — клеткимишени — костные морфогенетические белки — колониеобразующие единицы — КОЕ для базофилов — КОЕ для нейтрофильных гранулоцитов — клеткипредшественники олигодендроцитов — колониестимулирующие факторы — колониеобразующие фибробластические клетки — кератиноциты — липопротеины низкой плотности — липополисахарид

10

Óñëîâíûå ñîêðàùåíèÿ

МИФ!клетки МК м. м. MMCК

— — — —

МРСА МСГ МТОЦ НСК НСЭ НПН ОДА ОМБ ОП ОСБ ПА ПАЛВ ПАО ПКА ПМБ ПВЯ ПГ ПН ПНС ПОМК ПСБ ПТ ПТГ ПП ПУ ПЦ СДГ СМФ СОЭ ССК СП СХЯ ТПСП ТТГ ТФР ХАТ ФА ФАТ ФЛТ ФДК ФИМ ФЛЦМ ФНО!á

— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —

мелкие интенсивно флюоресцирующие клетки митотический коэффициент молекулярная масса мультипотентные мезинхимальные стромальные клетки (miltipotent mesenchumal stromal cells) медленно реагирующая субстанция анафилаксии меланоцистостимулирующий гормон микротрубочкообразующий центр нейральные стволовые клетки нейроспецифическая энолоза непирамидные нейроны опорно!двигательный аппарат обонятельный маркерный белок остеопонтин одорантсвязывающие белки протоплазматические астроциты периартериальное лимфатическое влагалище периферические астроцитарные отростки протеинкиназа А премиобласт паравентрикулярное ядро простагландины пирамидные нейроны периферическая нервная система проопиомеланокортин пиразин!связывающий белок псаммомные (песочные) тельца паратиреоидный гормон плотные проекции постсинаптическое уплотнение пинеалоциты сукцинатдегидрогеназа система мононуклеарных фагоцитов скорость оседания эритроцитов стволовая стромальная клетка синаптические пузырьки супрахиазматические ядра тормозной постсинаптический потенциал тиреотропный гормон трансформирующий фактор роста холинацетилтрансфераза фиброзные астроциты фактор активации тромбоцитов фолликулярная лимфоидная ткань фолликулярные дендритные клетки фактор, ингибирующий миграцию макрофагов фосфатаза легкой цепи миозина фактор некроза опухолей

Óñëîâíûå ñîêðàùåíèÿ ША ЩФ ЭК цГМФ ЦНС ЦСЖ ЭОГ ЮГК ЮГЦ ЯПР APUD!система BrdU ВЛ CNTF CT CFU!F DRG FACS G!белки LIF LTP MDR NAT NO PCNA PDGF RL РР SHH SVZ VIP Т3 Т4

— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —

«шипиковый аппарат» щелочная фосфатаза эпендимные клетки циклический гуанозинмонофосфат центральная нервная система цереброспинальная жидкость элекроольфактограмма юкстагломерулярный комплекс юкстагломерулоциты ядерный поровый комплекс amine precursors uptake and decarboxylation бромдезоксиуридин В!лимфоциты ciliary neurotrophic factor cardiotrophin!1 colony!forming unitfibroblast dorsal root ganglion — спинномозговые ганглии флюоресцентно!активированная сортировка клеток гуаниннуклеотитидсвязанные белки lukemia inhibitor factor длительная синаптическая потенциация множественная лекарственная устойчивость N!ацетилтрансфераза оксид азота ядерный антиген пролиферирующих клеток L!рецептор ростового фактора кровяных пластинок панкреатический полипептид sonic hedgehog — секретируемый особый белок субвентрикулярная зона вазоактивный интестинальный пептид трийодтиронин тироксин

11

ВВЕДЕНИЕ          Гистология — это наука, изучающая закономерности развития, строения и функции тканей, а также межтканевые взаимодействия в историческом и инди! видуальном развитии человека и многоклеточных организмов. Объект гистоло! гии — ткани — представляют собой филогенетически сложившиеся, топогра! фически и функционально связанные клеточные системы и их производные, из которых образованы органы. Как учебная дисциплина гистология включает несколько разделов: 1) цитологию — учение о клетке; 2) эмбриологию — науку о развитии зародыша, закономерностях закладки и образования тканей и органов; 3) общую гистологию — учение о развитии, структуре и функциях тканей; 4) частную гистологию — науку, изучающую микроскопическое строение органов и систем органов. Организмы человека и животных являются целостными биологическими системами, в которых условно можно выделить несколько взаимосвязанных, взаимодействующих и соподчиненных уровней организации — молекулярный, субклеточный, клеточный, тканевый и органный. Каждый из этих уровней обладает известной автономностью и включает структурные единицы нижеле! жащих уровней. Организменный уровень — собственно организм — формируется как целост! ная биологическая система в процессе индивидуального развития, именуемого онтогенезом. Органный уровень включает комплекс взаимодействующих тканей в про! цессе выполнения ими функций, свойственных данному конкретному органу или системе органов. Тканевый уровень объединяет клетки и их производные. В состав тканей мо! гут входить клетки различной генетической детерминации, однако основные свойства тканей определяются ведущими клетками. Клеточный уровень представлен основной структурно!функциональной еди! ницей ткани — клеткой и ее производными. Субклеточный уровень включает структурно!функциональные компоненты (ком! партменты) клетки — плазмолемму, ядро, цитозоль, органеллы, включения и др. Наконец, молекулярный уровень характеризуется молекулярным составом клеточных компонентов и механизмами их функционирования. Представления об уровнях организации и взаимосвязях различных уровней позволяют рассматривать организм как целостную и в то же время иерархи! чески сложную соподчиненную систему. Структурные компоненты различных уровней организации живого являются объектом изучения разных медико!био!

Ââåäåíèå

13

логических дисциплин. В последние годы большое развитие получил комплекс! ный подход к изучению животных организмов с использованием всего арсена! ла методов и средств, которыми данные дисциплины располагают. Это позво! лило планировать и выполнять фундаментальные исследования и достигнуть высокого уровня знаний о структурно!функциональной организации живой ма! терии, в том числе — организма человека. Главное содержание гистологии как науки и учебной дисциплины состав! ляют закономерности гистогенеза, морфофункциональной организации, реак! тивности и регенерации тканей, выявленные на основе изучения большого фак! тического материала. Наиболее важное место среди теоретических достижений гистологии занимают клеточная теория, теории зародышевых листков, эволю! ции тканей, гистогенеза и регенерации. Актуальными задачами гистологии являются: — разработка общей теории гистологии, отражающей эволюционную дина! мику тканей и закономерности эмбрионального и постнатального гистогенеза; — изучение гистогенеза как комплекса координированных во времени и про! странстве процессов пролиферации, дифференциации, детерминации, интегра! ции, адаптивной изменчивости, программированной гибели клеток и др.; — выяснение механизмов гомеостазиса и тканевой регуляции (нервной, эндокринной, иммунной), а также возрастной динамики тканей; — изучение закономерностей реактивности и адаптивной изменчивости клеток и тканей при действии неблагоприятных экологических факторов и в экстремальных условиях функционирования и развития, а также при транс! плантации; — разработка проблемы регенерации тканей после повреждающих воздей! ствий и методов тканевой заместительной терапии; — раскрытие механизмов молекулярно!генетической регуляции клеточной дифференцировки, наследования генетического дефекта развития систем чело! века, разработка методов генной терапии и трансплантации стволовых эмбрио! нальных клеток; — выяснение процессов эмбрионального развития человека, критических периодов развития, воспроизводства и причин бесплодия. Изучение гистологии должно формировать представление об уровнях струк! турно!функциональной организации организма человека, их взаимосвязи и преем! ственности. Глубокие знания структуры и функции организма человека на всех уровнях его организации крайне необходимы современному врачу, поскольку только на их основе возможно проведение квалифицированного анализа этио! патогенеза заболеваний и назначение патогенетически обоснованной терапии. Для медицины будущего, которая должна стать профилактической, знания о струк! турных основах и закономерностях обеспечения устойчивости и надежности жи! вых систем (в том числе — тканей) особенно важны, поскольку прогрессивное раз! витие цивилизации неизбежно влечет за собой появление новых факторов, не! благоприятно воздействующих на животные организмы, в том числе и человека. Формированию гистологии как науки предшествовал период открытия клет! ки, накопления знаний о морфофункциональных системах клетки, которые уточ! нялись по мере развития и появления современных гистологических технологий.

14

Ââåäåíèå

Решающее значение для становления гистологии как науки о строении тка! ней имело изобретение микроскопа, первые образцы которого были созданы в начале XVII в. (Г. и З. Янсены, Г. Галилей и др.). Одно из самых ранних научных исследований с помощью микроскопа собственной конструкции про! вел английский ученый Роберт Гук (1635—1703). Он изучал микроскопическое строение многих предметов. Все изученные объекты Р. Гук описал в книге «Микрография или некоторые физиологические описания мельчайших тел, выполненные при посредстве увеличительных стекол...», изданной в 1665 г. Из своих наблюдений Р. Гук сделал вывод о широком распространении пу! зырьковидных образований, или ячеек, в растительных объектах и впервые предложил термин «клетка». В 1671 г. английский ученый Н. Грю (1641—1712) в своей книге «Анато! мия растений» писал о клеточном строении как о всеобщем принципе органи! зации растительных организмов. Н. Грю впервые ввел в употребление термин «ткань» для обозначения растительной массы, поскольку последняя напоми! нала по своей микроскопической конструкции ткани одежды. В том же году итальянец Дж. Мальпиги (1628—1694) дал систематическое и детальное опи! сание ячеистого (клеточного) строения различных растений. В дальнейшем по! степенно накапливались факты, свидетельствующие о том, что не только рас! тительные, но и животные организмы состоят из клеток. Во второй полови! не XVII в. А. Левенгук (1632—1723) открыл мир микроскопических животных и впервые описал красные кровяные тельца и мужские половые клетки. На протяжении всего XVIII в. происходило постепенное накопление фактов о клеточном строении растений и животных. Клетки животных тканей подроб! но исследовали и описали чешский ученый Ян Пуркине (1787—1869) и его уче! ники в начале XIX в. Большое значение для развития знаний о микроскопическом строении организмов имело дальнейшее усовершенствование микроскопов. В XVIII в. микроскопы производились уже в большом количестве. В Россию они впервые были привезены из Голландии Петром I. Позднее при Академии наук в Петер! бурге была организована мастерская по изготовлению микроскопов. Для разви! тия микроскопии в России многое сделал М. В. Ломоносов, предложивший ряд технических усовершенствований конструкции микроскопа и его оптической системы. Вторая половина XIX в. знаменательна бурным усовершенствованием микроскопической техники. Были созданы новые конструкции микроскопов, и, благодаря изобретению иммерсионных объективов (водная иммерсия стала применяться с 1850 г., масляная — с 1878 г.), разрешающая способность опти! ческих приборов увеличилась в десятки раз. Параллельно с совершенствова! нием микроскопа развивалась и техника приготовления микроскопических препаратов. Если раньше объекты исследовали под микроскопом сразу после их выделения из растений или животных без какой!либо предварительной под! готовки, то теперь стали прибегать к разнообразным методам их обработки, которые позволяли сохранять структуру биологических объектов. Были пред! ложены разные способы фиксации материала. В качестве фиксирующих средств нашли применение хромовая, пикриновая, осмиевая, уксусная и другие кисло! ты, а также их смеси. Простой и во многих случаях незаменимый фиксатор —

Ââåäåíèå

15

формалин — впервые был применен для фиксации биологических объектов в 1893 г. Изготовление препаратов, пригодных для исследования в проходящем све! те, стало возможным после разработки методов заливки кусочков в плотные среды, что облегчало получение тонких срезов. Изобретение специальных кон! струкций для резки — микротомов — в лаборатории Я. Пуркине значительно улучшило технику изготовления гистологических препаратов. В России первый микротом сконструировал киевский гистолог П. И. Перемежко. Для усиления контрастности структур стали прибегать к окрашиванию срезов различными красителями. Первым гистологическим красителем, окрашивающим ядра кле! ток, нашедшим широкое применение (начиная с 1858 г.), был кармин. Дру! гой ядерный краситель — гематоксилин — стал применяться с 1865 г., однако долгое время его свойства не были оценены в полной мере. Ко второй полови! не XIX в. уже употребляли анилиновые красители, были разработаны методы импрегнации тканей нитратом серебра (К. Гольджи, 1873) и окраски нервной ткани метиленовым синим (А. С. Догель, А. Е. Смирнов, 1887). Благодаря фик! сации биологического материала и получению из него тончайших окрашенных срезов исследователи конца XIX в. имели возможность значительно глубже проникнуть в тайны строения тканей и клеток, на основе чего был сделан ряд величайших открытий. Так, в 1833 г. Р. Браун открыл постоянный компонент клетки — ядро. В 1861 г. М. Шультце утвердил взгляд на клетку, как на «ко! мочек протоплазмы с лежащим внутри него ядром». Главными составными частями клетки стали считать ядро и цитоплазму. В 70!х гг. XIX в. группой исследователей одновременно и независимо друг от друга был открыт непря! мой способ деления клеток — кариокинез, или митоз. В работах И. Д. Чис! тякова (1874), О. Бючли (1875), Э. Страсбургера (1875), В. Майзеля (1875), П. И. Перемежко (1878), В. Шлейхера (1878), В. Флемминга (1879) и других были описаны и проиллюстрированы все стадии непрямого клеточного де! ления. Это открытие имело большое значение для развития знаний о клетке. Оно послужило также основой для более глубокого изучения такого важней! шего биологического процесса, как оплодотворение. Изучение митоза и опло! дотворения привлекло особое внимание исследователей к ядру клетки и вы! яснению его значения в процесе передачи наследственных свойств. В 1884 г. О. Гертвиг и Э. Страсбургер независимо друг от друга высказали гипотезу о том, что хроматин является материальным носителем наследственности. Объ! ектом пристального внимания ученых стали хромосомы. Наряду с изучением ядра клетки, тщательному анализу была подвергнута и цитоплазма. Успехи микроскопической техники обусловили открытие в цитоплазме органелл — постоянных и высокодифференцированных ее элементов, имеющих определенное строение и выполняющих жизненно важные для клетки функ! ции. В 1875—1876 гг. немецким биологом О. Гертвигом и бельгийским уче! ным Ван!Бенеденом был открыт клеточный центр, или центросома; а в 1898 г. итальянским ученым К. Гольджи — внутриклеточный сетчатый аппарат (комп! лекс Гольджи). В 1897 г. К. Бенда — в животных клетках, а в 1904 г. — Ф. Ме! вес — в растительных клетках описали хондриосомы, которые позднее стали называться митохондриями.

16

Ââåäåíèå

Таким образом, к концу XIX в. на основе успешного развития микроскопи! ческой техники и анализа данных о микроскопическом строении клетки был накоплен колоссальный фактический материал, позволивший выявить ряд важнейших закономерностей в строении и развитии клеток и тканей. В это вре! мя учение о клетке выделилось в самостоятельную биологическую науку — ци! тологию. Переход от периода накопления знаний к периоду формирования науч! ных теорий и гистологических школ наметился в ХIХ в. Большое влияние на развитие учения о клетке и тканях в XIX в. оказали работы М. Шлейде! на (1804—1881), Ф. Лейдига (1821—1908), И. Мюллера (1801—1858), Т. Шван! на (1810—1882), Р. Вирхова (1821—1902), Р. Келликера (1817—1905) и др. Хотя многие исследователи высказывали положение о клеточном строении организмов, но только Т. Шванн в своей монографии «Микроскопическое ис! следование о соответствии в структуре и росте животных и растений» (1839) ясно сформулировал основные положения клеточной теории. Важнейший вы! вод данной теории состоял в том, что клетки представляют собой элементарные универсальные структурные единицы всех растений и животных. Вскоре после опубликования книги Т. Шванна австрийский гистолог А. Келликер распространил положения клеточной теории на ранние стадии эмбрионального развития организма. В 1841—1844 гг. он показал, что сперма! тозоид и яйцо являются клетками. Из клеток состоит и организм (зародыш), возникающий в ходе дробления оплодотворенной женской половой клетки. Параллельно с развитием клеточной теории складывались представления о том, что клетки в составе организма образуют системы более высокого поряд! ка — ткани. В 1801 г. французский анатом М. Ф.!К. Биша (1771—1802) на осно! ве микроскопических исследований предложил первую классификацию тканей. Его ученик К. Майер ввел термин «гистология» в изданном в 1819 г. труде «О гистологии и новом подразделении тканей человеческого тела». Во второй половине XIX в. стало общепризнанным, что клетки в составе многоклеточных животных существуют не как самостоятельные, изолирован! ные единицы, а как части тканей. Эмпирически было выделено 4 типа тканей: эпителиальные, соединительные, мышечные и нервная. Эта классификация тканей нашла отражение в учебных руководствах Ф. Лейдига (1853) и А. Кел! ликера (1855). Отечественная гистологическая литература в конце XIX в. по! полнилась первым руководством — «Основания к изучению микроскопической анатомии человека и животных» (редакторы — профессора М. Д. Лавдовский и Ф. В. Овсянников). В России первые самостоятельные кафедры гистологии и эмбриологии были учреждены в 60!х гг. XIX в. в Медико!хирургической (ныне Военно!ме! дицинской) академии, Московском и Петербургском университетах. Несколь! ко позже они были основаны в Казанском, Киевском и Харьковском универ! ситетах. Первыми профессорами — руководителями кафедр гистологии были Н. М. Якубович, А. Н. Бабухин, Ф. В. Овсянников, А. С. Голубев, П. И. Пере! межко, Н. А. Хржонщевский. С появлением кафедр начали формироваться и пер! вые гистологические научные школы — Петербургская, Московская, Казан! ская, Харьковская и др.

Ââåäåíèå

17

Петербургская (ленинградская) школа гистологов формировалась в сте! нах Медико!хирургической академии, так как здесь в числе одной из пер! вых в России была основана кафедра гистологии. Впервые в России систе! матическое преподавание гистологии и эмбриологии введено в академии К. М. Бэром, руководившим кафедрой сравнительной анатомии и физиологии в 1841—1852 гг. С именами ученых!гистологов Военно!медицинской академии связаны круп! ные открытия и формирование эволюционного направления в учении о тка! нях. Член!корреспондент Российской академии наук профессор А. А. Макси! мов (1874—1928) является признанным основоположником учения о крови и соединительной ткани. Он экспериментально обосновал унитарную теорию кроветворения, первым применил метод прижизненных окрасок для цитоло! гических исследований, создал образцовый кабинет для культур тканей и вы! полнил с помощью этих методов ряд выдающихся работ. Академик АН и АМН СССР А. А. Заварзина (1886—1945) на основе глубокого сравнитель! но!гистологического изучения нервной системы сформулировал принцип па! раллелизма тканевых структур, переработанный позднее в теорию тканевой эволюции. Он сделал вывод, что все животные имеют общий принцип тканевой организации и состоят из четырех тканевых систем. Это связано с тем, что вся! кий организм находится в одинаковых условиях взаимодействия с окружающей средой и выполняет четыре наиболее общие функции — защитную, внутренне! го обмена и постоянства внутренней среды, движения, реактивности. А. А. За! варзин обосновал морфофункциональную классификацию тканей. Его теория называется «Теорией параллельных рядов тканевой эволюции». Идеи А. А. Заварзина оказали большое влияние на развитие гистологии и многих других медико!биологических дисциплин. Теория параллелизмов в развитии тканей нашла дальнейшее обоснование в работах сотрудников и учеников А. А. Заварзина (академик АН СССР Ю. А. Орлов, академик АМН СССР Н. Г. Хлопин, члены!корреспонденты АМН СССР Ф. М. Лазаренко, С. И. Щелкунов, Г. С. Стрелин, профессора Е. С. Данини, Г. В. Ясвоин, А. А. Браун, Л. С. Сутулов и др.). Академиком АМН СССР Н. Г. Хлопиным (1897—1961) и его школой (про! фессора А. Г. Кнорре, Я. А. Винников, Ш. Д. Галустян, Н. И. Григорьев, Н. Н. Ко! четов, А. С. Лежава, В. П. Михайлов, В. Е. Цымбал, Н. А. Шевченко и др.) была разработана теория дивергентного развития тканей. Согласно этой теории, эволюционное развитие тканей происходит принципиально так же, как и орга! низмов, подчиняясь тем же основным закономерностям, что и целые организ! мы. Как известно, организмы развиваются дивергентно, т. е. путем расхождения признаков, благодаря чему и возникает многообразие форм. Дивергентная эво! люция тканей имеет, однако, свою специфику, в силу чего многообразие тканей ограничено известными пределами признаков, свойственных четырем основ! ным системам тканей. Н. Г. Хлопиным была предложена генетическая класси! фикация тканей, обоснованная в монографии «Общебиологические и экспери! ментальные основы гистологии» (1946). Теории параллельного и дивергентного развития тканей дополняют друг друга, отражая разные стороны сложного процесса эволюции структур ткане!

18

Ââåäåíèå

вого уровня организации. Теория дивергентной эволюции раскрывает направ! ление развития тканей, связанное с генетическим программированием пути развития тканей. Теория параллельных рядов развития тканей отражает ре! зультат и возможности адаптивных изменений тканей при их функционирова! нии в сходных условиях взаимодействия организмов с внешней средой. Развитие учения о гистогенезе и регенерации получило в работах профес! соров С. И. Щелкунова (1904—1977), А. Г. Кнорре (1914—1981) и профессо! ра А. А. Клишова (1930—1991). По А. Г. Кнорре, элементарными компонен! тами гистогенеза являются: клеточное размножение, клеточный рост, кле! точные перемещения (миграции), дифференциация клеток и их неклеточных производных, межклеточные и межтканевые взаимодействия (корреляции), отмирание клеток (клеточный некробиоз и некроз). В ходе эмбрионального гистогенеза образуются различные ткани, входящие в состав органов и систем органов. Профессор А. А. Клишов, развивая научные традиции и достижения своих учителей, внес новое направление в разработку проблем гистогенеза, реак! тивности и регенерации тканей, сделав акцент на изучении этих процессов в экспериментальных условиях. Под его руководством были развернуты иссле! дования закономерных процессов гистогенеза и регенерации различных тканей с использованием современных методов исследования. Это позволило сфор! мулировать концепцию системно!структурной организации гистогенеза, со! гласно которой развитие тканей продолжается до тех пор, пока живет орга! низм. Гистогенез включает взаимодействующие и взаимоперекрывающиеся базисные процессы — детерминацию, пролиферацию, дифференциацию, интег! рацию и адаптацию клеток. В восстановительном процессе ведущую роль играют закономерности нормального перманентного гистогенеза, определяющие раз! витие и состояние ткани до повреждения. Иными словами, после поврежде! ния ткани продолжают свое развитие, но в иных экстремальных условиях. Ткани стали рассматриваться как полидифферонные живые системы. Существенный вклад в разработку проблем гистогенеза и регенерации раз! личных тканей внесли отечественные гистологи А. Н. Миславский, Б. И. Лав! рентьев, Н. Г. Колосов, Б. В. Алешин, А. Л. Поленов, В. И. Архипенко, Н. Г. Хру! щов и др. Сибирская школа гистологов внесла большой вклад в изучение актуальных вопросов гистологии и эмбриологии. Профессор П. В. Дунаев разрабатывал проблему об объеме биологических потенций тканей, производных различных эмбриональных зачатков, сформулировал концепцию об органоспецифической детерминированности тканей. Профессор В. Д. Новиков внес существенный вклад в проблему развития, реактивности и классификации тканей внезароды! шевых органов, создание учебных пособий по гистологии и эмбриологии. Проблема реактивности тканей, особенно соединительной, явилась пред! метом исследований В. Г. Елисеева и его школы (Ю. И. Афанасьев, Ю. Н. Ко! паев, Н. А. Юрина и др.). Профессор Ю. И. Афанасьев уделял большое вни! мание совершенствованию преподавания гистологии в медицинских вузах, создание учебников, атласов, видеофильмов, по которым учились многие поколения студентов.

Ââåäåíèå

19

Регенерация тканей — одна из актуальных медико!биологических проблем, в разработку которой внесли определенный вклад А. Н. Студитский, В. П. Ми! хайлов, Л. Н. Жинкин, Г. С. Стрелин и др. Эмбриологические исследования А. Н. Северцова, П. П. Иванова, Д. П. Фи! латова, П. Г. Светлова, Б. П. Токина, А. Г. Кнорре, О. В. Волковой и другие являются достойным продолжением классических работ корифеев эволюцион! ной эмбриологии XIX столетия. Исследования Д. Н. Насонова, В. Я. Александ! рова, А. А. Заварзина (мл.), П. П. Румянцева и другие расширили представле! ния о функциональном значении органелл, цитохимии, цитофизиологии и кле! точной адаптации. Таким образом, с помощью методов микроскопии был накоплен огромный фактический материал, который послужил основой для описания важнейших закономерностей развития и строения клеток и тканей позвоночных. Световая микроскопия и ныне является важным инструментом гистолога. В световом микроскопе для освещения объекта используются лучи видимого спектра. Современные световые микроскопы позволяют получать разрешение порядка 0,2 мкм (разрешающая способность микроскопа — это то наименьшее расстояние, при котором две рядом расположенные точки видны как отдель! ные). Разновидности световой микроскопии — фазово!контрастная, интерфе! ренционная, поляризационная, темнопольная и др. Фазово$контрастная микроскопия — метод изучения клеток в световом мик! роскопе, снабженном фазово!контрастным устройством. Благодаря смещению фаз световых волн в микроскопе такой конструкции повышается контрастность структур исследуемого объекта, что позволяет изучать живые клетки. Интерференционная микроскопия. В интерференционном микроскопе па! дающие на объект световые пучки раздваиваются: один пучок проходит че! рез объект; другой — идет мимо. При последующем воссоединении пучков воз! никает интерференционное изображение объекта. По сдвигу фаз одного пуч! ка относительно другого можно судить о концентрациях различных веществ в исследуемом объекте. Поляризационная микроскопия. В микроскопах этого типа световой пучок разлагается на два луча, поляризованных во взаимно перпендикулярных плос! костях. Проходя через структуры ткани со строгой ориентацией молекул, лучи запаздывают друг относительно друга вследствие неодинакового их преломле! ния. Возникающий при этом сдвиг фаз является показателем двойного луче! преломления клеточных структур (таким способом были исследованы, напри! мер, миофибриллы). Люминесцентная, или флюоресцентная, микроскопия — метод гистологиче! ского анализа с помощью люминесцентного микроскопа, в котором исполь! зуется явление люминесценции (свечения) веществ при действии на них ко! ротковолновых лучей (ультрафиолетового света, рентгеновских лучей). Такие микроскопы имеют большую, чем обычные световые микроскопы, разрешаю! щую способность. Для наблюдения за объектом в некоторых случаях тре! буется специальная аппаратура — электронно!оптический преобразователь, который предохраняет орган зрения от действия ультрафиолетовых лучей. Некоторые биологические соединения, присутствующие в клетках, характери!

20

Ââåäåíèå

зуются спонтанной флюоресценцией при попадании на клетку ультрафиоле! товых лучей. Для выявления же большинства других соединений клетки обрабатываются специальными флюорохромами (флюоресцеином, акридином оранжевым, ко! рифосфином). С помощью флюорохромов исследуют, например, содержание в клетках нуклеиновых кислот. При окраске акридином ДНК дает красно!зеле! ное свечение, а РНК — оранжевое. Люминесцентный микроскоп широко используется также для изучения имму! нофлюоресценции. Иммунофлюоресценция позволяет исследовать в клетке со! держание очень малых количеств белка. Препарат предварительно обрабатывают антителами к исследуемому белку, меченными флюоресцирующим красителем. Электронная микроскопия. В электронных микроскопах используют пу! чок электронов, длина электромагнитной волны которых в 100 000 раз короче длины волны видимого света. Разрешающая способность электронного микро! скопа в сотни и тысячи раз превышает обычные оптические приборы и равна 0,5—1,0 нм, а современные мегавольтные электронные микроскопы дают уве! личение до 1 000 000 раз. С помощью электронных микроскопов получены многочисленные данные об ультраструктуре клеток. Разновидностью электрон! ной микроскопии является сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), при которой изучаются поверхностные структуры клеток. Цитоспектрофотометрия — метод изучения химического состава клетки, основанный на избирательном поглощении теми или иными веществами лучей с определенной длиной волны. По интенсивности поглощения света, которая зависит от концентрации вещества, производится количественное определение его содержания в клетке. Радиоавтография — важный информативный метод, позволяющий изучать распределение в клетках и тканях веществ, в состав которых искусственно вве! дены радиоактивные изотопы (3Н, 14С, 32P и др.). Введенный в организм жи! вотного (или в среду культивирования клеток) изотоп включается в соответст! вующие структуры (например, меченый тимидин — в ядра клеток, синтезирую! щих ДНК). Метод основан на способности включенных в клетки изотопов восстанавливать бромистое серебро фотоэмульсии, которой покрывают срезы ткани или клетки. Образующиеся после проявления фотоэмульсии зерна серебра (треки) служат своего рода автографами, по локализации которых судят о вклю! чении в клетку примененных веществ. Применение меченных тритием предшест! венников нуклеиновых кислот (тимидина, аденина, цитидина, уридина) позво! лило выяснить многие важные аспекты синтеза ДНК, РНК и клеточных белков. Гисто$ и иммуноцитохимические методы. В их основе лежит примене! ние химических реакций для выявления распределения химических веществ в структурах клеток, тканей и органов. Современные гистохимические методы позволяют обнаруживать аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты, различ! ные виды углеводов, липидов и др. Для выявления специфических белков ис! пользуют иммуноцитохимические реакции. Для этого получают специфические сыворотки, содержащие антитела (например, против белка микротрубочек — тубулина). Далее химическим путем соединяют эти антитела с флюорохромом (или другим маркером). Если меченые антитела нанести на гистологический

Ââåäåíèå

21

срез, они вступают в соединение с соответствующими белками клетки и возни! кает специфическое свечение, видимое в люминесцентном микроскопе. Совре! менные иммуноцитохимические методы, помимо флюорохромов, используют другие самые разнообразные специфические маркеры, позволяющие качествен! но и количественно оценивать содержание в клетке исследуемых соединений. Модификацией рассматриваемого метода является введение меченых антител в цитоплазму живых клеток с помощью микроманипуляторов. Метод культуры клеток, тканей заключается в выращивании клеток и тка! ней вне организма в искусственных питательных средах (в условиях in vitro). Для получения изолированных клеток производят предварительную обработ! ку материала ферментами — трипсином или коллагеназой. Метод позволяет изучать реакции клеток на различные воздействия, механизмы регуляции про! лиферации, дифференцировки и гибели. Особенное значение данный метод имеет для эмбриологических и цитофизиологических исследований, а также для трансплантации эмбриональных клеток при лечении врожденных и при! обретенных дефектов обмена веществ. Микроскопическая хирургия клетки — совокупность методических приемов, осуществляемых с помощью специального прибора — микроманипулятора. Этот прибор позволяет производить различного рода тончайшие операции на клетке (введение веществ, удаление или пересадка структурных компонентов клетки, нанесение уколов, разрезов и пр.) и нашел широкое применение в эмб! риологии. Цейтрафферная, или замедленная, микрокино$ или видеосъемка — изучение живых клеток. Такой способ позволяет проследить за медленно протекающи! ми изменениями клеток. Метод фракционирования (дифференциального центрифугирования) кле! ток. Его суть заключается в получении из клеток изолированных структурных компонентов. Метод основан на разных скоростях осаждения этих компонен! тов при вращении гомогенатов клеток в ультрацентрифугах. Данный метод сыграл и играет очень важную роль в изучении химического состава и функ! циональных свойств субклеточных элементов — прежде всего органелл. Конфокальная микроскопия — современный метод, использующий в качест! ве осветителя лазерный луч, который последовательно сканирует всю толщину препарата. Информация о плотности объекта по каждой линии сканирования передается в компьютер, где специальная программа осуществляет трехмерную реконструкцию исследуемого объекта. Следует отметить, что здесь приведены лишь самые основные, необходимые для гистологического образования врачей всех профилей методы гистологиче! ского анализа. Существуют многие десятки других методов, с которыми можно ознакомиться в специальной гистологической и цитологической литературе. Современная гистология характеризуется усилением тесных взаимосвязей со смежными медико!биологическими дисциплинами. Для объяснения морфо! логических факторов она взяла на вооружение достижения молекулярной био! логии и генетики, биологии развития, биохимии и физиологии. При анализе цито! и гистологического материала все шире и глубже используются данные о генетическом контроле индивидуального развития, генетических механизмов

22

Ââåäåíèå

дифференцировки и функционировании клеток. Одной из актуальных очеред! ных задач гистологии является овладение факторами, контролирующими диф! ференцировку клеток и тканей в условиях нормального, регенеративного и бла! стоматозного гистогенеза. Основная тенденция развития современной гистологии состоит в комплекс! ном применении разнообразных методов исследования, в связи с чем изучается не только морфология, но и физиология, биохимия, генетика тканей. Важной задачей гистологов следует считать синтез знаний о взаимодейст! вии закономерностей развития, о функции и строении тканей и структурных смежных уровней иерархии (клеток, органов). Это легло в основу идеи созда! ния отечественого фундаментального труда по гистологии. Вопрос об издании «Руководства по гистологии» был поставлен еще в 1972 г. перед издательст! вом «Медицина» рабочей группой в составе С. И. Щелкунова, А. А. Клишова, О. В. Волковой, К. А. Зуфарова и Е. Ш. Герловина от имени участников Все! союзной гистологической конференции. В заявке и аннотации было подчерк! нуто, что выпуск «Руководства по гистологии» имеет большое значение и край! не важен для развития не только самой гистологии, но и для медико!биоло! гических и клинических дисциплин. Успешная разработка таких актуальных проблем медицины, как регенерация и трансплантация органов и тканей, вос! паление, опухолевый рост, влияние на организм экстремальных факторов (ра! диация, перегрузка и др.), возможна лишь на основе использования новейших достижений гистологии. Имеющиеся сейчас сводки и монографии освещают лишь частные вопросы гистологии, не охватывая содержания учения о тканях. Однако реализация идеи осуществилась спустя почти 30 лет при поддержке командования Военно!медицинской академии имени С. М. Кирова и издатель! ства «СпецЛит». Хочется надеяться, что обновленное издание труда «Руко! водство по гистологии», составленное коллективом авторов специалистов по соответствующим проблемам, станет настольным справочным пособием для научных работников — представителей различных клинических дисциплин. Оно восполнит существенный пробел в отечественной литературе, будет спо! собствовать поднятию уровня научных исследований и медицинского образо! вания и окажет значительное влияние на развитие медицины в целом. Достижения гистологии значительны, перспективы ее развития захваты! вающи. Но об этом недостаточно полно известно клиницистам, очень многие до сих пор представляют себе гистологию как часть анатомии (как микроско! пическую анатомию) или как комплекс методов микроскопической техники, а не как важную фундаментальную научную дисциплину, основным содержа! нием которой является система теорий и закономерностей о развитии, строе! нии и функции тканей. Недостаточное знание современного теоретического уровня гистологии при широком применении гистологических методик в ис! следованиях негистологов является причиной того, что уровень многих работ, в которых применяются гистологические методы, оставляет желать лучшего в отношении глубины гистологического анализа материала. Нет сомнения в том, что более широкое ознакомление с достижениями современной гистоло! гии и с перспективами ее развития будет способствовать разработке актуаль! ных проблем медицины.

Глава 1 ОСНОВЫ УЧЕНИЯ О КЛЕТКЕ — СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЕДИНИЦЕ ТКАНЕЙ

Цитология как наука выделилась из биологических наук более 100 лет на! зад. Первые обобщенные представления о строении клеток были сформулиро! ваны Ж. Б. Карнуа в 1884 г. в книге «Биология клетки» (Ченцов Ю. С., 1984). Благодаря развитию морфологии, биохимии, биофизики, молекулярной биоло! гии и генетики сложились предпосылки для быстрого развития и совершенст! вования цитологии. Знания в области цитологии, приобретенные за послед! ние 25 лет, существенно изменили представления о функционировании клеток. Открылись широкие перспективы целенаправленного воздействия на многие клеточные функции. Современная цитология, основанная на достижениях всех естественных наук, представляет богатейший банк данных о природе и фило! генетических связях клеток, основах их жизненных функций и специальных свойств. Особое значение цитология имеет для медицины, поскольку в основе развития большинства патологических состояний лежит патология на клеточ! ном уровне организации живого. Возможность лечить болезни, воздействуя на физиологию клеток вплоть до введения новых генов и исправления «оши! бок генома», стала реальностью.

Клеточная теория Фундаментом современной цитологии является клеточная теория, авторы которой — немецкие ученые Т. Шванн и М. Шлейден — в 1838 г. сформулиро! вали ее основные положения. Заслуга этих исследователей заключалась в том, что они впервые обратили внимание на универсальность клеток как структур! ных единиц всех растительных и животных организмов и поставили этот те! зис во главу угла своей теории. Следует отметить, что созданию клеточной тео! рии предшествовал длительный период накопления информации и знаний о дискретном строении организмов. Истоком цитологии, очевидно, следует считать середину XVII в., когда Р. Гук, используя увеличительное стекло, впервые наблюдал ячеистое строение пробки. Блестящие исследователи XVII в. Дж. Мальпиги и Грю Неемия, изучав! шие анатомию растений, подтвердили предположение Р. Гука о дискретности строения растений, состоящих из «тесно расположенных пузырьков» (ячеек). Несколько позже, в 1680 г., А. Левенгук открыл мир одноклеточных организ! мов и впервые наблюдал в созданный им микроскоп животную клетку. Одна! ко исследования тех времен, проводившиеся с помощью примитивных увели! чительных приборов, не были последовательными и не привели к пониманию универсальности клеточного строения растительных и животных организмов,

24

Ãëàâà 1

к представлению о клетке как единице всех организмов (основным компонен! том считали оболочку клетки, или ячейку, и, вероятно, в этой связи за клеткой сохранилось греческое название «kytos» — ячейка, или клетка). Тем не менее накопление знаний о разнообразии форм клеток различных тканей послужило основой для следующего периода в истории цитологии, в котором доминиро! вали инструментальные методы исследования. В XIX в., благодаря совершенствованию техники приготовления препара! тов, окраски и микроскопирования, последовал прогресс в изучении клетки. В 1833 г. Р. Броун открыл постоянный компонент клетки — ядро, которое со! вместно с содержимым клетки — цитоплазмой стали считать главными ком! понентами клетки. В 1838 г. немецкий зоолог!исследователь Т. Шванн впервые указал на гомо! логичность, или сходство, клеток растительных и животных организмов. Поз! же он сформулировал клеточную теорию строения организмов. Поскольку при создании этой теории Т. Шванн широко использовал результаты наблюдений немецкого ботаника М. Шлейдена, последнего по праву считают соавтором кле! точной теории. Стержнем теории Шванна—Шлейдена является положение о том, что клетки представляют собой структурно!функциональную основу всех живых существ. В конце XIX столетия немецкий патолог Р. Вирхов дополнил клеточную теорию собственным важным выводом о том, что клетка может возникнуть лишь из предсуществующей клетки. Вирхов писал: «Wo eine Zelle entsteht, da muss eine Zelle vorausgegangen sein (Omnis cellula e cellula), ebenso wie das Tier nur aus dem Tiere, die Pflanze nur aus der Pflanze entstehen kann»* (1862. S. 22). Лионский патолог Л. Барр подчеркнул специфичность клеток, дополнив: «Каж! дая клетка от клетки той же природы». П е р в о е п о л о ж е н и е клеточной теории гласит — клетка является эле! ментарной структурно!функциональной единицей живой материи. Современ! ная цитология располагает множеством определений клетки. С одной стороны, это является следствием накопления и детализации знаний об особенностях структуры и функции клетки, с другой — стремлением авторов к универсаль! ности дефиниции по отношению ко всем формам проявления живого. В т о р о е п о л о ж е н и е указывает на то, что клетки разных организмов го! мологичны по своему строению. Гомологичность подразумевает сходство кле! ток по основным свойствам и признакам и отличие — по второстепенным. Гомологичность строения определяется общеклеточными функциями, которые направлены на поддержание жизни клеток и их воспроизводство. В свою оче! редь, разнообразие в строении является результатом функциональной специа! лизации клеток, в основе которой лежат молекулярные механизмы активации и репрессии генов, составляющие понятие клеточной детерминации. Т р е т ь е п о л о ж е н и е клеточной теории говорит о том, что различные клетки происходят путем деления исходной материнской клетки. * «Где возникает одна клетка, должна быть исходная клетка (каждая клетка от клет! ки), подобно тому, как животные только от животного, растение только от растения мо! гут возникнуть».

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

25

Ч е т в е р т о е п о л о ж е н и е соотносит клетку с многоклеточными организ! мами, для которых характерен принцип целостной, системной организации. Это положение претерпело наибольшее изменение со времени его первой фор! мулировки Т. Шванном, представлявшего многогранную деятельность много! клеточного организма как сумму жизнедеятельности отдельных клеток. В усло! виях целостного организма клетки объединяются в функциональные систе! мы — ткани, структурно!функциональные свойства которых никоим образом не могут быть сведены к простой совокупности свойств и качеств отдельных клеток, а характеризуются рядом новых, особых признаков, являющихся ре! зультатом гистогенетических процессов. В составе тканей позвоночных и человека клетка является ведущей струк! турно!функциональной единицей. При сходстве главных свойств клетки раз! ных тканей обладают многообразием внешней формы и специальных при! знаков. Наряду с одноядерными и многоядерными клетками, в природе су! ществуют симпласты — результат ацитокинетических митозов или слияния клеток, синцитии — клеточные производные, в которых клетки соединены цитоплазматическими мостиками. Специализация клеток по!разному отра! жается в цитофизиологических характеристиках, например: развитие спермато! зоидов сопровождается резким уплотнением и уменьшением (компактизацией) ядра, редукцией числа хромосом; в процессе дифференцировки эритроцитов человека происходит потеря ядра и возникает безъядерная постклеточная структура и т. д. В клетках различных тканей необычайно широк диапазон ядерно!плазматических отношений, контактов, внешней формы, подвижности и пр. Сравнительно недавно (Албертс Б. [и др.], 1994) была составлена свод! ная таблица 200 четко различающихся видов клеток человека. Этот своеоб! разный каталог имеет важное значение, поскольку позволяет представить ши! рокое разнообразие существующих клеточных фенотипов, приспособленных для выполнения в организме самых разнообразных функций. Очень удачное сравнение клетки!прародительницы специализированных клеток дано G. M. Fuller и D. Shield (2004): «Как атом углерода в органической химии, эти клетки изме! няются невообразимым образом, формируя фенотипы, сильно отличающиеся от первоначальной структуры клеток!прародителей». Несмотря на огромное разнообразие типов клеток, их объединяет ряд общих важнейших свойств в строении и физиологии.

Морфофункциональные системы клетки Клетка (лат. — cellula) — это микроскопической величины живая система, ограниченная биологической мембраной, состоящая из ядра и цитоплазмы, способная к самоподдержанию, саморегуляции и воспроизводству. Клетка яв! ляется основой развития, строения и функций всех животных и растительных организмов (рис. 1.1). Клетку можно рассматривать как структурированный ансамбль биополимеров, обладающий всеми свойствами живого. Согласно определению Ю. С. Ченцова (1995), клетку образуют несколько морфологически и функционально связанных, взаимодействующих друг с дру!

26

Ãëàâà 1

Рис. 1.1. Схема строения клетки (по: Ж. Браше, 1962, с изменениями)

гом систем, которые обеспечивают все многообразие проявлений жизнедея! тельности клетки. К данным системам относятся: — рецепторно!барьерно!транспортная (плазмолемма) — осуществляет вос! приятие раздражений, сохранение внутриклеточного гомеостаза путем избира! тельного транспорта веществ в клетку и из нее, поддержание формы клетки, взаимодействие клеток с внешней средой и друг с другом в ткани; — энергообеспечения (митохондрии) — поставляет энергию для всех энер! гозависимых внутриклеточных процессов, сочетая процессы окисления органи! ческих соединений, поступающих в клетку, с фосфорилированием аденозинди! фосфата (АДФ); — синтеза и транспорта биополимеров (эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы) — образует необходимые для жизнедеятельности клетки органические соединения (пластические и ферментные белки, липопротеины, углеводы и пр.) и соединения, выделяемые «на экспорт» для нужд других кле! ток (секреты, гормоны, факторы роста и др.); — хранения, воспроизводства и реализации генетической информации (ядро) — обеспечивает размножение клеток и наследование генетического ма!

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

27

териала в их поколениях; в интерфазе ядро участвует в образовании жизненно важных элементов клетки — белковых соединений; — промежуточного обмена (гиалоплазма) — среда расположения всех внут! риклеточных элементов, активный посредник в их взаимодействии и внутри! клеточном транспорте; — опорно!двигательная (цитоскелет) — выполняет формообразователь! ную, двигательную функции, участвует в клеточном делении, внутриклеточном транспорте, образовании межклеточных контактов и др.

Ðåöåïòîðíî-áàðüåðíî-òðàíñïîðòíàÿ ñèñòåìà — ïëàçìîëåììà Плазмолемма образована бимолекулярным слоем липидов и встроенными в него молекулами белков — имеет вид белково!липидной мозаики (рис. 1.2). Организация плазмолеммы в виде бимолекулярного слоя была доказана в опы! тах на эритроцитах, которые в качестве структурных элементов имеют практи! чески только оболочку. С помощью специальных приемов была определена первоначальная площадь мембраны эритроцита, затем мембрану диссоцииро! вали на монослой молекул, и площадь этого слоя оказалась в 2 раза больше площади нативной мембраны.

Рис. 1.2. Мозаичная модель клеточной мембраны и поверхности мембраны по линии замораживания — скалывания (стрелка): 1 — интегральный белок; 2 — полисахариды гликокаликса; 3 — полуинтегральные белки; 4 — периферический белок; 5 — слой гидрофильных головок липидных молекул; 6 — гидрофоб! ные концы бислоя липидных молекул

28

Ãëàâà 1

Основными классами липидов плазмолеммы (как и других биомембран), конструирующими бислой, служат полярные молекулы глицерофосфолипидов и сфинголипидов. В семейство сфинголипидов входит крупное подсемейство гликосфинголипидов, имеющих в составе сложные сахара и выполняющие, по! мимо структурной функции, рецепторную функцию и функцию детерминации межклеточных взаимодействий. Холестерол, присутствующий в плазмолемме, не несет выраженной полярности молекулы, располагается в мембране преиму! щественно в срединной зоне бислоя и осуществляет модификацию вязкости плазмолеммы благодаря наличию в молекуле гидроксильной группы со слабы! ми амфифильными свойствами и «гидрофобных колец». Около 2—8 % от об! щего содержания липидов в плазмолемме составляют инозитолсодержащие фосфолипиды — фосфоинозитиды, важнейшие компонеты системы передачи внешних сигналов в клетку. Гидрофобные хвосты полярных липидных молекул мембраны спрятаны от водных сред — гиалоплазмы и внешней среды — и направлены друг к другу (6 ), а гидрофильные головки (5) обращены в сторону содержащих воду фаз. Ли! пидные молекулы плазмолеммы обеспечивают ее основные физико!химические свойства, в первую очередь текучесть мембраны, допускающую достаточно сво! бодное перемещение составляющих ее молекул. Одно из первых свидетельств того, что липиды мембраны подвижны, было получено с помощью метода электронного парамагнитного резонанса, когда наблюдали перемещение липи! да со спиновой электронной меткой в плоскости мембраны. Было показано, что, кроме бокового движения, липидные молекулы способны осуществлять вращение и переходить (перескакивать) из слоя в слой. Конкретный механизм транслокации каждого из представителей липидов зависит от его природы, и это осложняет изучение закономерностей подвижности мембраны в целом. Известно, что в процессе синтеза и реконструкции мембран в клетке новые ли! пидные молекулы добавляются только к цитозольной части бислоя. Синтези! рованные незаряженные и нейтральные липиды могут проходить во внешний слой благодаря естественной жирорастворимости, но для транслокации заря! женных молекул требуются специальные обменивающие белки, связывающие их на одной стороне мембраны и переносящие в другой слой. В здоровых клет! ках в липидном бислое плазмолеммы всегда поддерживается естественная асси! метрия концентрации разных представителей липидов. Концентрация фосфа! тидилсерина, несущего суммарный отрицательный заряд, например, выше во внутреннем слое мембраны. Поэтому поверхность последнего заряжена отри! цательно по отношению к наружной поверхности плазмолеммы. Фосфатидили! нозитол локализован также во внутреннем слое, так как участвует в передаче внешних сигналов в цитоплазму. Гликосфинголипиды (ганглиозиды, церебро! зиды) находятся исключительно в наружном слое, поскольку выполняют внеш! нюю рецепторную функцию. Асимметричная организация липидов очень важна для физиологии плазмолеммы, и в поддержания этой асимметрии участвуют специальные механизмы. Липиды различных типов встраиваются в мембрану не случайным образом. По!разному группируясь, они могут формировать на мембране поля с различными физико!химическими свойствами, необходимыми для выполнения тех или иных клеточных функций. Каждая сторона бислоя

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

29

имеет различный липидный состав, и области с заданными свойствами могут возникать изолированно только на одной стороне бислоя. Белки составляют приблизительно 50 % от массы большинства клеточных мембран и плазмолеммы. Белковые компоненты обеспечивают специфические свойства плазмолеммы, то есть, наряду с ролью структурных элементов, вы! полняют ряд специальных функций — рецепции, трансмембранных перенос! чиков, ферментативную. Именно по белковому составу разные мембраны клет! ки отличаются друг от друга. Белковые компоненты плазмолеммы представлены собственно интеграль! ными, или трансмембранными (1), полуинтегральными (3) и периферически! ми (4) белками. Часть белковых молекул плазмолеммы обладает строго специ! фичными ферментативными свойствами, что позволяет рассматривать их в ка! честве маркеров плазмолеммы. Такими белками являются 5S!нуклеотидаза, аденилатциклаза, Na+!K+!АТФаза. Собственно интегральные белки погружены в толщу липидного бислоя или полностью «прошивают» его (трансмембран! ные белки). Крупное открытие в области взаимодействия мембранных белков и липидов сделали Dr. Jon Singer и его ученик Gart Nicholson (1972), дока! завшие, что большая часть интегральных белков погружена в мембрану почти перпендикулярно. Трансмембранные белки амфипатичны — имеют гидрофоб! ные и гидрофильные области. Алифатические (липофильные) аминокислоты молекул интегральных белков погружены в липидный бислой, а наружные гид! рофильные концы образуют связи с периферическими белками и остатками са! харов гликокаликса (2). Следует отметить, что в гидрофобной среде липидного бислоя неполярные аминокислоты белковых молекул упакованы в альфа!спи! раль, термодинамически выгодную для бислоя. Трансмембранные белки подразделяются на монотопные — пересекаю! щие мембрану только один раз (имеют один трансмембранный домен) и поли! топные (имеют более одного трансмембранного домена). Пример типичного монотопного белка — гликофорин. Многие монотопные белки являются ре! цепторами, имеют наружный (внеклеточный) узнающий домен, соединенный с единственным доменом, проходящим через липидный бислой, а также цито! плазматический (внутриклеточный) домен, содержащий каталитический «акти! вирующий» центр. Большинство политопных белков принадлежит к группе ре! цепторов, обладающих уникальным свойством активировать специальные пути передачи сигнала внутри клетки. В эволюции для выполнения этой функции возникли также различные формы мембранных белков — например, семейст! во G!белков. Полуинтегральные белки погружаются в бимолекулярный слой липидов частично и располагаются либо во внешнем, либо во внутреннем слое. Весь на! бор белковых молекул распределен в мембране мозаично и обладает способ! ностью легко перемещаться в ее плоскости, при этом внешние и внутренние по! луинтегральные белки могут «сопоставляться» по вертикали мембраны, ими! тируя единый трансмембранный белок. Предполагают, что движение белковых молекул в пределах плазмолеммы не является произвольным, а про! исходит с участием элементов цитоскелета, которые образуют связи с некото! рыми из интегральных белков.

30

Ãëàâà 1

Периферические белки располагаются вне липидного бислоя — в гиало! плазме или на наружной поверхности плазмолеммы и непрочно связаны с ней в основном ионными связями. Если обработать плазмолемму буферным рас! твором с высокой концентрацией солей, белки этого типа легко освобождают! ся от мембраны и переходят в буфер. Примерами периферических белков являются фибронектин (локализован на наружной поверхности плазмолеммы) и спектрин (находится на внутренней поверхности плазмолеммы). Гликокаликс образован углеводными участками гликолипидов и гликопро! теинов плазмолеммы. Он придает мембране дополнительную механическую проч! ность, обеспечивает адгезивные свойства (способность плазмолеммы взаимодей! ствовать с мембранами других клеток и межклеточным веществом), участвует в распознавании родственных клеток, рецепции специфических сигналов. В элект! ронном микроскопе гликокаликс имеет вид рыхлого слоя умеренной электрон! ной плотности, покрывающего внешнюю поверхность клеточной мембраны. С внутренней стороны плазмолеммы располагается узкий кортикальный слой цитоплазмы с множеством микрофибрилл (преимущественно актиновых). Этот слой связан с периферическими белками плазмолеммы. Он также придает плазмолемме некоторый запас прочности и участвует в поддержании клеточ! ной формы. Рецепторную функцию плазматической мембраны выполняют интеграль! ные белки!переносчики, белковые насосы и гликопротеины гликокаликса. Ре! цепторы распознают специфически воздействующие на клетку вещества, или лиганды, и избирательно связываются с ними, реализуя их эффекторные влия! ния на клетки!мишени, а также производят отбор молекул, которые могут про! никать в клетку. Рецепторы локализуются либо в определенных участках плаз! молеммы, либо разбросаны диффузно по всей клеточной мембране. Наборы клеточных рецепторов являются своеобразными физиологическими индикато! рами, позволяющими клеткам взаимодействовать с регулирующими их дея! тельность субстанциями, вступать в контакты с внешней средой и друг с дру! гом, исключая случайные взаимодействия с чужеродными клетками. Роль мно! гих рецепторов заключается в передаче (трансдукции) гормональных сигналов внутрь клетки на специальные белки!ферменты, которые участвуют в форми! ровании общих и специфических ответов клеток на гормональные стимулы. Чаще в роли такого фермента выступает аденилилциклаза, инициирующая пре! вращение АТФ в циклический АМФ, который является активатором других ферментных систем, катализирующих специфические внутриклеточные отве! ты. Помимо рецепторных белков в процессе трансдукции принимают участие интегральные белки плазмолеммы, относящиеся к семейству высокоаффинных гуанидинтрифосфатаз (ГТФаз), так называемые G!белки. Рецепторная функция плазмолеммы является одной из функций, адапти! рующей клетку к внешним условиям, подчиняющей ее воздействию регули! рующих факторов. Изолируя внутреннее содержимое клетки от внешней среды, плазмолемма играет роль достаточно прочного механического и биологическо! го барьера. Эту барьерную функцию совместно с плазмолеммой выполняют гликокаликс и кортикальный слой цитоплазмы. Слой гликокаликса клетки в значительной степени обводнен, что снижает скорость диффузии через него

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

31

различных веществ и способствует усилению изолирующих свойств плазмолем! мы. Суть барьерной функции заключается в ограничении свободного транспор! та веществ в клетку и из нее. Полупроницаемость плазмолеммы обусловлена ее липопротеидным составом. Скорость проникновения молекул через полу! проницаемую мембрану обратно пропорциональна их молекулярной массе. Бу! дучи избирательным барьером, плазмолемма плохо проницаема как для ионов, так и для высокомолекулярных соединений. Транспорт ионов и макромолекулярных соединений через плазмолемму про! исходит разными путями. Растворенные вещества проникают через мембрану либо сами — без переносчиков (или носителей), либо с их помощью (рис. 1.3). Транспорт без носителей называется непосредственным транспортом и осу! ществляется через поры мембран, т. е. в тех белоксодержащих участках, кото! рые проницаемы для малых молекул (воды, мочевины, ионов) и действуют по! добно молекулярным ситам, а также непосредственно через липидную фазу мембраны (см. рис. 1.3, стрелки 1 и 2). В последнем случае липидная фаза слу! жит растворителем для ряда веществ, обладающих малополярными свойствами (простые и сложные эфиры, жирные кислоты и др.). Перенос веществ без носи! телей всегда протекает в направлении градиента концентрации, и его скорость зависит от величины данного градиента. Однако большинство веществ проникает через плазмолемму с помощью специфических транспортных систем, или носителей. Этим термином в фи! зиологии мембран обозначаются специфические мембранные белки группы интегральных или функциональные комплексы липопротеинов, третичная структура которых позволяет связывать и трансмембранно проводить молеку!

Рис. 1.3. Схема трансмембранного переноса веществ. Стрелки (1—6) указывают пути и направления движения веществ через плазмолемму

32

Ãëàâà 1

Рис. 1.4. Модели опосредованного (с помощью белкового носителя) трансмембранного переноса веществ (а—г, объяснение в тексте)

лы субстратов. Простейшим примером транспорта с помощью носителя являет! ся облегченная (опосредованная) диффузия (см. рис. 1.3, стрелка 3). В этом про! цессе носитель облегчает перенос какого!либо вещества через мембрану в на! правлении градиента концентраций без затраты энергии. Когда интегральный белок осуществляет перенос какого!либо вещества в одном направлении и одно! временно другого вещества в противоположном (без затраты энергии), то про! цесс называется обменной диффузией (см. рис. 1.3, стрелки 4а и 4б). Для осуществления процесса активного транспорта, дающего возможность переносить вещества против градиента концентрации (из области с низкой кон! центрацией в область с высокой концентрацией), требуется не только носитель, но и источник энергии, которым обычно является АТФ. Активный транспорт мо! жет служить для переноса одного вещества в одном направлении (см. рис. 1.3, стрелка 5), либо для переноса двух веществ в противоположных (или в том же самом) направлениях. В последнем случае перенос веществ называется сопря! женным активным транспортом (см. рис. 1.3, стрелки 6а и 6б). Хотя в настоящее время выделено и исследовано большое количество бел! ков!переносчиков, молекулярные механизмы переноса веществ с их помощью еще недостаточно ясны. Существует ряд моделей трансмембранного переноса веществ (рис. 1.4). Так, перенос может осуществляться вращающимся носи! телем. При данном способе переноса вещества участвуют как две вращаю! щиеся молекулы переносчика (а), так и одна молекула (б). Подвижный пере! носчик (в) связывает, транспортирует через плазмолемму и высвобождает ве! щество в гиалоплазму или межклеточное пространство. С помощью белкового канала (г) вещество перемещается через плазмолемму в двух направлениях. Помимо этих вариантов возможны комбинации канала с вращающимся либо подвижным переносчиком.

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

33

В отличие от транспорта низкомолекулярных соединений, макромолекулы переносятся с помощью процессов эндоцитоза и экзоцитоза. Эндоцитоз — это транспорт макромолекул в клетку. Соответственно агре! гатному состоянию поглощаемого вещества выделяют пиноцитоз (захват и транс! порт клеткой жидкости или растворенных в жидкости соединений) и фагоци! тоз (захват и транспорт твердых частиц). Эндоцитоз бывает неспецифический и специфический. Неспецифический эндоцитоз назван так потому, что в клетку, помимо необ! ходимых ей соединений, могут проникать и случайные макромолекулы. Осу! ществляется данный способ транспорта без участия рецепторных белков плаз! молеммы (рис. 1.5). Первым этапом неспецифического эндоцитоза в случае транспорта твердых частиц является адгезия (прилипание) частиц к поверх! ности плазмолеммы (определенную роль в этом играет гликокаликс). Второй этап — погружение частиц в цитоплазму путем инвагинации плазмолеммы. Адгезия и погружение происходят исключительно в тех участках плазмолем! мы, которые свободны от холестерина, т. е. наименее жесткие, и к которым со стороны цитоплазмы прилежит слой белка клатрина. После отшнуровки участка плазмолеммы с твердыми частицами образуется внутриклеточный пу! зырек — эндосома. В герметизации эндосомы большое значение принадлежит фузогенным белкам плазмолеммы. Перемещение эндосомы в гиалоплазме, как предполагают, осуществляется с помощью элементов цитоскелета. Дальней! шая судьба эндосом может быть различна. Наиболее часто эндосомы вступают в процесс внутриклеточного пищеварения: к эндосоме подходят и сливаются с ней первичные лизосомы — формируется фаголизосома. В последней под действием гидролитических ферментов лизосомы происходит химическое рас! щепление макромолекул до мономерных соединений. По мере расщепления (переваривания) макромолекул от мембраны фаголизосомы отшнуровывают! ся фрагменты, которые встраиваются в плазмолемму и восполняют ее дефи! цит, образовавшийся ранее при отшнуровке эндосомы. В ходе эндоцитоза (как и пиноцитоза) имеет место регенерация мембран, восстанавливающая по! тери участков плазмолеммы.

Рис. 1.5. Схема эндоцитоза. Последовательные этапы: адгезии поглощаемых частиц, инвагинации плазмолеммы, формирования пузырька и отделения его от плазмолеммы. Стрелки — фузогенные белки (по: A. Stevens and J. Lowe, 1997)

34

Ãëàâà 1

Процесс пиноцитоза — захвата плазмолеммой жидкостей и растворенных в них соединений — подразделяется на микро! и макропиноцитоз. При м и к! р о п и н о ц и т о з е начальным этапом является образование инвагинации плаз! молеммы, в которой находится часть жидкой среды. Образующиеся затем по аналогии с эндосомами пиносомы представляют собой небольшие пузырьки (везикулы), которые по мере продвижения в цитоплазме могут сливаться в бо! лее крупные — мультипиноцитозные образования. Погружение порции жид! кости при микропиноцитозе происходит не в случайных участках плазмолем! мы, а в тех, которые содержат со стороны гиалоплазмы тонкий слой белка клатрина. Здесь, как правило, отсутствует холестерин, что делает мембрану не! податливой к инвагинации. Когда от мембраны отшнуровывается пиносома (пиноцитозный пузырек, или везикула), по периферии она имеет слой белка клатрина, в связи с чем пузырек именуют окаймленным. Предполагают, что мо! лекулы клатрина связаны с элементами клеточного скелета, с помощью кото! рого происходит внутриклеточное перемещение пиносом. По мере движения по клетке окаймленные пиноцитозные везикулы теряют клатрин и получают способность сливаться друг с другом и образовывать мультипиноцитозные ве! зикулы и более крупные вакуоли. М а к р о п и н о ц и т о з отличается от микропиноцитоза тем, что с помощью довольно длинных выростов плазмолеммы клетка активно захватывает порции жидкой среды. Макропиноцитоз в связи с этим именуется еще рофеоцитозом. После смыкания дистального конца выроста с соседним участком плазмолеммы образуется крупная пиноцитозная вакуоль. Таким образом, при макропиноци! тозе процесс поглощения клеткой жидкости происходит более интенсивно. Специфический, или рецепторно$опосредованный, эндоцитоз имеет несколь! ко отличий от неспецифического эндоцитоза. Основное отличие заключается в том, что при специфическом эндоцитозе клетка избирательно поглощает те вещества (лиганды), к которым имеет рецепторы в составе плазмолеммы. Вторым характерным признаком данного процесса является то, что рецепторы, связывая лиганд, способны активно смещаться в плазмолемме и сосредотачи! ваться в зонах эндоцитозных ямок. Этот механизм позволяет накапливать определенные количества связываемого вещества (лиганда) и оформлять их в меньшее количества эндоцитозных везикул, чем в случае взаимодействия ли! ганда и рецепторов по всей поверхности плазмолеммы. При специфическом эндоцитозе вокруг эндоцитозной ямки и в последующем вокруг эндосомы кон! центрируется слой белка — клатрина, роль которого, предположительно, со! стоит в том, чтобы препятствовать слиянию эндосом. На ультратонких срезах клатриновая оболочка имеет вид реснитчатой каймы, окружающей эндосому. В процессе продвижения эндосом по клетке клатриновая оболочка исчезает, и отдельные эндосомы получают возможность сливаться друг с другом и фор! мировать более крупные структуры типа вакуолей. Обязательным при рецеп! торно!опосредованном эндоцитозе является возвращение рецептор!содержаще! го фрагмента мембраны эндосомы в состав плазмолеммы. Экзоцитоз — транспортный процесс, имеющий противоположное эндоци! тозу направление — из клетки (рис. 1.6). Путем экзоцитоза из клетки удаляют! ся некоторые продукты метаболизма, непереваренные и вредные для нее ве!

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

35

Рис. 1.6. Схема экзоцитоза. Последовательные этапы: приближение пузырька к плазмолемме, слияние мембраны пузырька с плазмолеммой, высвобождение содержимого пузырька во внешнюю среду. Стрелки — фузогенные белки (по: A. Stevens and J. Lowe, 1997)

щества, а из железистых клеток — продукты секреции. Экзоцитозные везикулы, содержащие перечисленные соединения, приближаются к поверхности плазмо! леммы, и их мембраны, сливаясь с клеточной оболочкой, формируют сообще! ние с внешней средой. Полагают, что в процессе слияния мембран важная роль принадлежит особым, так называемым фузогенным, плазмолеммальным бел! кам (от лат. fusio — слияние), которые концентрируются в участках контактов экзоцитозных везикул с плазмолеммой. М е ж к л е т о ч н ы е с о е д и н е н и я (к о н т а к т ы) — часть рассматривае! мой системы. Взаимодействуя в составе многоклеточного организма, клетки устанавливают друг с другом морфологические связи, именуемые межклеточ! ными соединениями, или контактами. Разные варианты межклеточных соеди! нений характеризуются особенностями строения и функций. Простой неспециализированный (адгезионный) контакт (рис. 1.7, а, б) об! разуется за счет взаимодействия элементов гликокаликса — трансмембранными гликопротеинами (кадгеринами) соседних мембран. Слои гликокаликса удер! живают мембраны клеток на расстоянии около 10—20 нм, оставляя свободной межклеточную щель для транспорта ионов и низкомолекулярных соединений. Обращенные в сторону межклеточной щели молекулы кадгеринов связываются катионами кальция (см. рис. 1.7, а). Простые контакты не обеспечивают высо! кой прочности взаимодействий. Иногда плазмолеммы соседних клеток в облас! ти простого контакта образуют интердигитации (взаимные пальцевидные вне! дрения участков цитоплазмы), которые придают контакту значительно боль! шую прочность (см. рис. 1.7, б). Плотный (запирающий) контакт характерен для взаимодействующих кле! ток однослойных эпителиев. При формировании плотного контакта внешние слои мембран в отдельных участках максимально сближаются и создается впе! чатление их слияния (рис. 1.8, а, б). Реально же в точках соприкосновения мембран, как демонстрирует метод замораживания и скалывания, располагают! ся глобулярные структуры — интегральные белки плазмолемм соседних клеток. В ряде случаев (например, в эпителиальных железах, эпителии кишки) плот! ные контакты формируют сплошные полосы слияния мембран, получившие название замыкающих пластинок. Эти контакты, помимо прочного соединения

36

Ãëàâà 1

Рис. 1.7. Схема строения (а) и электронная микрофотография (б) простого контакта: а — молекулы гликопротеинов гликокаликса цитоплазматических мембран соседних кле! ток взаимодействуют свободными концами посредством ионов кальция; по межклеточ! ной щели происходит транспорт ионов и низ! комолекулярных соединений (стрелки); б — контакт соседних клеток по типу интердиги! тации (стрелка). Ув. 30 000

Рис. 1.8. Схема строения (а) и электронная микрофотография (б) плотного контакта: Стрелки — зоны сближения внешних слоев плазмомембран соседних клеток. Ув. 20 000

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

37

клеток, производят изоляцию межклеточных щелей и делают их плохо прони! цаемыми для ионов и молекул. Заякоривающий контакт. В отличие от двух предыдущих, в его образо! вании кроме клеточных мембран участвуют фибриллярные элементы цитоске! лета. К этому виду соединений принадлежат две группы контактов: — первую представляют заякоривающие точечные контакты, сцепляющие ленты, бляшки сцепления; в формировании данных контактов участвуют акти! новые микрофиламенты цитоскелета; — вторую группу образуют десмосомы и полудесмосомы, в формировании которых задействованы промежуточные филаменты цитоскелета. В случае формирования сцепляющей ленты (адгезивного пояска) расстоя! ние между контактирующими поверхностями клеток составляет около 30 нм. Взаимодействие плазмолемм осуществляют линкерные трансмембранные гли! копротеины — кадгерины, сцепляющиеся с помощью катионов кальция (рис. 1.9, а, б). Молекулы кадгеринов придают межклеточной щели в области контакта повышенную электронную плотность. Цитоплазматические фрагмен! ты молекул трансмембранных кадгеринов взаимодействуют с молекулами пе! риферического белка — винкулина, в области расположения которого обра! зуется примембранная осмиофильная полоса. Присутствие в составе сцепляю!

Рис. 1.9. Схема строения (а) и электронная микрофотография (б) заякоривающего контакта: а: 1 — цитоплазматические мембраны; 2 — связывающие трансмембранные белки (линкерные, кадгерины); 3 — внутриклеточные белки сцепления (винкулин); 4 — фибриллярные белки цито! скелета; 5 — участки сцепления связывающих белков с помощью катионов кальция; б — область формирования контакта (стрелка). Ув. 25 000

38

Ãëàâà 1 Рис. 1.10. Вставочные диски между кардиомио! цитами (стрелки). Контакты по типу десмосом (электронная микрофотография). Ув. 20 000

щей ленты элементов цитоскелета допускает изменение формы клетки, сохраняя при этом механическую прочность контакта. Десмосома. В межклеточной щели в об! ласти десмосомы располагается электронно! плотный слой, образованный взаимодействую! щими молекулами интегральных гликопро! теинов плазмолемм соседних клеток — белка десмоглеина. С помощью катионов кальция молекулы десмоглеина сцеплены в межкле! точном пространстве. Со стороны гиалоплаз! мы в зоне десмосомы располагается электрон! но!плотный слой белка десмоплакина, в кото! рый вплетаются промежуточные филаменты цитоскелета. Десмосомы являются характерными контактами эпителиальных, эндотелиальных клеток, кардиомиоци! тов и других клеток, обеспечивающими их прочное сцепление (рис. 1.10).

Рис. 1.11. Схема строения (а) и электронная микрофотография (б) щелевого контакта: а: 1 — цитоплазматические мембраны; 2 — коннексоны; 3 — каналы коннексонов; б — область формирования щелевых контактов (стрелки). Ув. 20 000

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

39

Щелевой контакт представляет собой коммуникационное соединение кле! ток. В зоне щелевого контакта происходит прямой обмен химическими вещест! вами между клетками. Плазмолеммы соседних клеток в зоне щелевого контакта сближены до расстояния 2—3 нм. Метод замораживания и скалывания демон! стрирует присутствие в межклеточной щели контакта мелких частиц, имеющих внутри канальцы — это коннексоны (от англ. connection — соединение). В со! ставе разных щелевых контактов насчитывается от нескольких единиц до не! скольких тысяч коннексонов. Коннексоны насквозь пронизывают плазмолем! му (рис. 1.11, а, б) и в мембранах соседних клеток стыкуются друг с другом. В результате образуются сквозные каналы, сообщающие между собой гиало! плазмы контактирующих клеток. Коннексоны могут временно закрываться, ограничивая активность обменных процессов между клетками. Данные о воз! можном участии цитоскелетных структур в формировании щелевых контактов скудны и неоднозначны. Существуют предположения, что образование обоюд! ных пар коннексонов щелевых контактов происходит при участии субмембран! ных цитоплазматических микротрубочек и микрофиламентов контактирую! щих клеток. По другим данным, роль элементов цитоскелета в формировании щелевых контактов отрицается.

Ñèñòåìà ýíåðãîîáåñïå÷åíèÿ Система энергообеспечения клетки представлена митохондриями. В живот! ных клетках форма и размеры митохондрий разнообразны, а количество варьи! рует в широких пределах. В цитоплазме митохондрии распределены обычно диффузно, однако в специализированных клетках сосредоточены в тех участ! ках, где имеется наибольшая потребность в энергии. В мышечных клетках и симпластах большие количества митохондрий скон! центрированы вдоль рабочих элементов — сократительных фибрилл; в эпи! телиоцитах почечных канальцев — в базальной части клетки, через которую обратно транспортируются в кровь (против градиента концентраций и, сле! довательно, с большой затратой энергии) компоненты первичной, или прови! зорной, мочи. В клетках, функции которых сопряжены с особо высокими энер! гозатратами, митохондрии образуют множественные контакты, объединяясь в сеть или кластеры (кардиомиоциты и симпласты скелетной мышечной ткани). Вся совокупность митохондрий в клетке именуется хондриомом. В одних клетках он представлен отдельными митохондриями, в других — митохонд! риями, объединенными в сеть, в третьих — единой гигантской митохондрией. В клетке митохондрии выполняют функцию дыхания. Клеточное дыха! ние — это последовательность реакций, с помощью которых клетка использует энергию связей органических молекул для синтеза макроэргических соедине! ний типа АТФ. Молекулярной основой этих процессов является ступенчатое окисление углерода органических молекул до CO2 и перенос водорода к кисло! роду с образованием молекул воды. Все эти процессы протекают в мито! хондриях. Образование CO2 связано с окислением субстратов в цикле лимон! ной кислоты в матриксе митохондрии, а система последовательного переноса

40

Ãëàâà 1

водорода и электронов (дыхательная цепь) локализована на внутренней мито! хондриальной мембране. Синтез АТФ может осуществляться только цельной ненарушенной внутренней митохондриальной мембраной. Образующиеся внут! ри митохондрии молекулы АТФ переносятся наружу, обмениваясь на молеку! лы АДФ, присутствующие в цитозоле. На светооптическом уровне митохондрии можно наблюдать при окраске по Альтману — они выглядят как розовые зернышки и нити, в связи с чем и по! лучили свое название (от лат. mitos — нить, chondrion — зерно). В живой клетке митохондрии могут передвигаться с помощью элементов цитоскелета. В 1953 г. Palade опубликовал первые электронные микрофотографии ми! тохондрий. На ультрамикроскопическом уровне митохондрии состоят из двух мембран — наружной и внутренней. Наружная мембрана представляет собой мембранный мешок с относительно ровной поверхностью, внутренняя — обра! зует направленные в центр складки, или кристы. Между наружной и внутрен! ней митохондриальными мембранами образуется неширокое (около 15 нм) пространство, которое называется наружной камерой митохондрии; внутренняя мембрана ограничивает внутреннюю камеру. Содержимое наружной и внут! ренней камер митохондрии различается по ряду биохимических и функцио! нальных признаков. Наружная мембрана по своему химическому составу и свойствам близка к другим внутриклеточным мембранам и плазмолемме. Ее ха! рактеризует значительно более высокая проницаемость (благодаря наличию гидрофильных белковых каналов) по сравнению с внутренней мембраной. В составе наружной мембраны локализован митохондриальный распознающий рецептор, взаимодействующий с сигнальными последовательностями органи! ческих соединений, предназначенных для транспорта из цитозоля в мито! хондрию. Ферментный спектр наружной мембраны небогат: это ферменты ме! таболизма жирных кислот, фосфолипидов и липидов, аминоксидаза, ката! лизирующая превращение аминов. Ферменты наружной митохондриальной мембраны служат специфическими маркерами митохондрий, указывая на их индивидуальность и физиологическую сохранность. Главной функцией наруж! ной мембраны митохондрии является отграничение митохондрии в гиалоплаз! ме и транспорт необходимых для осуществления клеточного дыхания субстра! тов в митохондрию и из нее. Наружная митохондриальная мембрана содержит значительное количество белка порина, формирующего в ней поры с диамет! ром, позволяющим проходить в межмембранное пространство ионам, амино! кислотам, сахарам и другим молекулам до 5000 дальтон в диаметре. Синтезиро! ванные в цитозоле белки, предназначенные для транспорта в митохондрию, при подготовке к импорту связываются с другим классом цитозольных бел! ков, называемых шаперонами. Шапероны обеспечивают правильное сворачива! ние (фолдинг) и окончательную конформацию белков и необходимы для под! держания физиологического состояния митохондрий и клетки в целом. Груп! па ферментов, локализованных в межмембранном пространстве митохондрии (наружной камере), осуществляет фосфорилирование нуклеотидов и сахаров нуклеотидов. По направлению внутрь митохондрии увеличивается содержание фермен! тов и повышается избирательность транспортных процессов.

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

41

В большинстве клеток различных органов внутренняя мембрана митохонд! рий формирует кристы в виде пластин (ламеллярные кристы), что значительно увеличивает площадь поверхности внутренней мембраны (рис. 1.12, а). В по! следней 20—25 % всех белковых молекул составляют ферменты, это, главным образом, ферменты дыхательной цепи, окислительного фосфорилирования, цитохромы. Внутренняя мембрана проницаема лишь для малых молекул и со! держит специфические переносчики для органических фосфатов, АДФ, АТФ, аминокислот, жирных кислот, ди! и трикарбоновых кислот. Внутренняя по! верхность мембраны связывает пиридиннуклеотиды, являющиеся кофермен! тами реакций, протекающих в митохондриальном матриксе. В некоторых клетках человека, например в эндокринных клетках надпо! чечников и половых желез, митохондриям принадлежит еще одна функция — участие в синтезе стероидных гормонов. В этих клетках митохондрии имеют кристы в виде тубул, упорядоченно расположенных в определенном направле! нии (тубулярный тип крист) (рис. 1.12, б). Матрикс митохондрии — это содержимое внутренней камеры митохонд! рии. Он представляет собой гелеобразную фазу с тонкой структурой, содержа! щую около 50 % белков. Осмиофильные тельца, описанные в матриксе при электронной микроскопии, представляют собой резервы катионов кальция. Су! щественное влияние на структуру матрикса оказывает изменение конформации внутренней мембраны, происходящее при функционировании митохондрии. Матрикс содержит ферменты цикла лимонной кислоты, катализирующие окис! ление жирных кислот, синтез рибосом, ферменты, участвующие в синтезе РНК и ДНК. Общее число ферментов, охарактеризованных и выделенных из инди! видуальных компонентов митохондрий, превышает 40. Помимо ферментов матрикс митохондрии содержит митохондриальную ДНК (митДНК) и митохондриальные рибосомы. Кольцевидная ДНК митохонд! рии представляет ее собственный геном, состоящий из 37 генов. Митохонд! риальная ДНК реплицируется в интерфазе, и этот процесс не синхронизирован

Рис. 1.12. Митохондрия с ламеллярными кристами (а) и осмиофильными включениями (стрелки) и митохондрия с тубулярными кристами (б). Электронные микрофотографии. Ув.: а — 120 000 (по: W. Bloom, D. W. Fawcett, 1967); б — 50 000

42

Ãëàâà 1

с репликацией ДНК в ядре. Митохондриальная ДНК в 105 раз меньше ядер! ной, кодирует 2 рибосомные РНК, 22 тРНК и 13 белков. В отличие от ядер! ной, в митохондриальной ДНК практически нет некодирующих последова! тельностей нуклеотидов, в связи с чем внутримитохондриальный белковый синтез, в отличие от синтеза, происходящего в гиалоплазме, протекает без сплайсинга. Следует заметить, что возможности внутримитохондриального белкового синтеза достаточно ограничены — таким образом синтезируются лишь транспортные белки митохондриальных мембран и некоторые фермент! ные белки, участвующие в фосфорилировании АДФ. Все остальные белко! вые компоненты митохондрии кодируются ядерной ДНК, их синтез осущест! вляется в гиалоплазме, и в дальнейшем они транспортируются в митохонд! рию. Даже на ультрамикроскопическом уровне в составе матрикса митохондрии сложно наблюдать ее генетический аппарат — лишь иногда он заметен в виде области с более низкой электронной плотностью и тонкофибриллярной орга! низацией. В одной и той же клетке могут находиться митохондрии различных генера! ций и степени функциональной активности. Например, в симпласте скелетного мышечного волокна наряду с молодыми формами митохондрий, для которых характерны небольшие размеры и электронноплотный матрикс, присутствуют активно функционирующие и стареющие формы этих органелл. Последние имеют просветленный матрикс и небольшое число крист (рис. 1.13, а).

Рис. 1.13. Ультраструктура митохондрий в симпласте скелетного мышечного волокна: а — органеллы различной степени зрелости — моло! дые (стрелка), функционально активные (двойная стрелка) и стареющие формы с просветленным мат! риксом; б и в — последовательные стадии деления митохондрий в симпласте (включение 3Н!тимидина через 24 ч после введения изотопа, стрелки). Мх — митохондрия, Мф — миофибрилла. Ув.: а — 12 500; б и в — 45 000

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

43

Жизненный цикл митохондрий в клетке достаточно короткий, поэтому при! рода наделила их двойственной системой воспроизводства — помимо деления материнской митохондрии возможно образование нескольких дочерних орга! нелл путем почкования (см. рис. 1.13, б, в). Описано множество мутаций генов, кодирующих ферменты окислительно! го фосфорилирования в митохондриях. Окислительное фосфорилирование слу! жит основным источником энергии в любых клетках, и при нарушениях этого процесса страдают все клетки, однако наиболее глубоко поражается работа мышц и головного мозга. Недостаточность различных ферментных комплексов митохондрий является причиной миопатий, кардиомиопатий, энцефаломиопа! тий. Крупные делеции или дупликации митДНК лежат в основе таких клини! ческих фенотипов как синдром Кернса — Сейра, Пирсона, сахарный диабет, глухота. Точечные мутации митДНК приводят к наследственной атрофии зри! тельных нервов Либера, миоклонической эпилепсии, миопатии с формирова! нием «рваных» красных волокон и пр.

Ñèñòåìà ñèíòåçà è òðàíñïîðòà áèîïîëèìåðîâ. Âêëþ÷åíèÿ Данная система включает единую канальцевую сеть, которая осуществляет синтез органических соединений, их транспорт в процессе химической доработ! ки из одного участка сети в другой, накопление, перемещение, упаковку и экзо! цитоз готовых продуктов синтеза. К рассматриваемой системе принадлежат: свободные рибо! и полисомы, эндоплазматическая сеть, пластинчатый комп! лекс Гольджи. В качестве производных данной системы следует рассматривать лизосомы и пероксисомы. Открытие эндоплазматической сети (ЭС) и подробное исследование плас! тинчатого комплекса Гольджи стало возможным при внедрении в практику ци! тологии методов электронной микроскопии. Эндоплазматическая сеть на ультратонких срезах представлена мембран! ными канальцами и цистернами, которые анастомозируют и формируют в гиа! лоплазме трехмерную сеть. В состав ЭС входят гранулярные (содержащие на внешних поверхностях мембран рибосомы — ГЭС) и агранулярные (без рибо! сом — АЭС) участки (рис. 1.14, а, б). Рибосомы представляют собой мельчайших размеров органеллы, которые, в отличие от других органелл, присутствуют в цитоплазме в огромном коли! честве и синтезируют все разнообразие клеточных белков. На светооптическом уровне рибосомы неразличимы, о степени их представленности в клетке можно судить либо по выраженности базофилии цитоплазмы, либо по интенсивности окраски специальными гистохимическими реактивами и флуорохромами, мар! кирующими РНК. На ультрамикроскопическом уровне рибосомы выглядят как осмиофильные черные точки, а их рабочие комплексы — полисомы — как группы, или розетки, осмиофильных точек. Несмотря на малые размеры, рибосомы являются сложными молекулярны! ми ансамблями, в состав которых входят молекулы особых (рибосомальных) РНК разной длины и индивидуальных (рибосомальных) белков. Эти компо!

44

Ãëàâà 1

Рис. 1.14. Строение гранулярной (а) и агранулярной (б) эндоплазматической сети (стрелки). Электронные микрофотографии: а — параллельно расположенные элементы ГЭС в цитоплазме секреторной клетки (препарат А. С. Ростовщикова); б — элементы АЭС в стероидпродуцирующей клетке. Я — ядро. Ув.: а — 40 000; б — 50 000

ненты рибосом создаются в разных участках клетки: рибосомальные РНК син! тезируются в ядрышке; рибосомальные белки, образовавшись в цитоплазме, поступают затем в ядро, где комплексируются с молекулами РНК и воссоеди! няются в рибосомальные субъединицы. Последние транспортируются из ядра через поровые отверстия и находятся в цитоплазме либо в диссоциированном (неактивном), либо ассоциированном друг с другом (активном) состоянии. Работающие органеллы состоят из двух ассоциированных (малой и боль! шой) субъединиц, которые удерживаются в обратимо связанном положении с помощью катионов магния. Большую субъединицу рибосом образуют три разные молекулы РНК, имеющие сложную вторичную и третичную структуру, в комплексе с рибосомальными протеинами. Большая субъединица значитель! но крупнее малой и имеет форму полушара, плоская поверхность которого со! держит 3 выступа, взаимодействующих с шипиками малой субъединицы. Ма! лая субъединица имеет в своем составе лишь одну молекулу РНК, выглядит в виде маленькой шапочки, на поверхности которой находится несколько ши! пиков, с помощью которых она укрепляется на поверхности большой субъеди! ницы. При ассоциации субъединиц в рибосому происходит закономерное взаи! модействие рельефов их поверхностей. Между субъединицами работающей рибосомы имеет место строгое «разделе! ние труда» — малая субъединица ответственна за связывание информационной РНК, большая — ведет образование полипептидной цепи. В клетке неработаю! щие рибосомы находятся в диссоциированном состоянии, в связи с чем получают возможность постоянно обмениваться субъединицами и «постоянно обновлять! ся». В рабочем режиме рибосомы (от 3 до 20—30 в группе) образуют стабильный комплекс — полисому, в котором они связаны нитью информационной РНК.

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

45

О степени развития в клетке ГЭС можно судить по выраженности базофи! лии цитоплазмы, обусловленной присутствием большого количества рибосом; АЭС на светооптическом уровне не обнаруживается. В большинстве клеток доми! нирует ГЭС, причем оба вида ЭС имеют диффузную организацию — их элемен! ты располагаются в гиалоплазме свободно, без какой!либо упорядоченности. Ширина и количество канальцев и цистерн ЭС в клетках варьируют в зави! симости от их функционального состояния — при повышении функциональ! ных нагрузок на клетку канальцы и цистерны сети становятся множественными и значительно расширяются. ЭС непосредственно связана с перинуклеарным пространством клетки, полагают, что от него она берет свое начало. Гранулярный и агранулярный отделы сети состоят из тонких одинарных мембран, богатых ферментными белками. Ферментные спектры мембран АЭС и ГЭС значительно различаются в соответствии с особенностями протекающих в этих участках сети синтезов. Значение ГЭС в физиологии клетки состоит в синтезе мембранных белков и белков, предназначенных для выведения («на экспорт») и необходимых дру! гим клеткам, либо используемых во внеклеточных физиологических реакциях. В ГЭС происходит посттрансляционная модификация белка — гликозилирова! ние, образование дисульфидных мостиков, сворачивание пептидов и сборка субъединиц. Окислительно!восстановительный (редокс) потенциал, измерен! ный в полости ГЭС, сдвинут в кислую сторону, способствующую образованию дисульфидных мостиков. В ГЭС образуются также детоксицирующие фермен! ты, относящиеся к семейству р450. ГЭС присутствует во всех клетках организма человека (кроме зрелых спер! миев), однако наиболее развита в тех клетках, которые специализированы на синтезе больших количеств белковых молекул. Таких видов клеток в организ! ме человека сравнительно немного. Примером являются плазмоциты, синтези! рующие антитела (или иммуноглобулины); клетки экзокринной части поджелу! дочной железы, вырабатывающие комплекс белковых пищеварительных фер! ментов (панкреатический сок); гепатоциты, синтезирующие широкий спектр белков плазмы крови, свертывающей и противосвертывающей систем, а также некоторые другие клетки. В подобных клетках канальцы ГЭС располагаются упорядоченно (в некоторых случаях — строго параллельно) в виде так назы! ваемой эргастоплазмы (см. рис. 1.14, а). В малодифференцированных и неспециализированных клетках ГЭС, как правило, слабо развита, в структуре клеток преобладают свободные (располо! женные в гиалоплазме) поли! и рибосомы, обеспечивающие синтез белков, необходимых клетке для роста, развития органелл и дифференцировки. В по! следующем (в процессе дифференцировки) в клетке появляются и накапли! ваются элементы ГЭС. Синтез белка в ГЭС происходит на полисомах, а ее канальцы и цистерны являются вместилищем и транспортными магистралями для перемещения бел! ка по клетке к комплексу Гольджи для доработки. Примечательно, что при от! шнуровке содержащих белки везикул, называемых транспортными, от каналь! цев сети внешняя поверхность мембраны теряет рибосомы — становится глад! кой. Это послужило основанием для предположения о том, что между ГЭС

46

Ãëàâà 1

и формирующейся поверхностью комплекса Гольджи, в которой движутся транспортные везикулы, существует некая переходная часть сети, лишенная рибосом и образующая эти транспортные везикулы. В цитофизиологии до сих пор не получено окончательного ответа на один из интереснейших вопросов — каким образом синтезируемый на полисомах ГЭС белок в дальнейшем оказывается внутри канальца, по которому затем транспортируется. Полагают, что синтез белка начинается на свободных поли! сомах, которые в дальнейшем связываются с внешней поверхностью каналь! цев ГЭС (рис. 1.15). Первоначально образуется так называемая сигнальная по! следовательность аминокислот, с которой взаимодействует особый рибонукле! опротеидный комплекс, присутствующий в гиалоплазме, — сигнал!узнающая частица. Это временно блокирует продолжение белкового синтеза. Блок синте! за продолжается до тех пор, пока комплекс «сигнал!узнающая частица—поли! сома» не свяжется со специфическим рецепторным белком в мембране ГЭС. Как только это произойдет, сигнал!узнающая частица отделяется от полисомы и белковый синтез возобновляется. В процессе проведения белковой молекулы

Рис. 1.15. Схема синтеза и перемещения полипептидной цепи из цитоплазмы в каналь! цы гранулярной эндоплазматической сети: ГЭС — каналец гранулярной эндоплазматической сети; 1 — малые и большая субъединицы ри! босомы; 2 — мРНК; 3 — сигнальная последовательность аминокислот; 4 — вновь синтезируемый полипептид; 5 — мембранный белок!рецептор; 6 — отделение сигнальной последовательности аминокислот; 7 — полипептидная цепь

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

47

через мембрану ЭС, вероятно, участвуют особые белковые каналы (интеграль! ные белки мембраны канальца), которые одновременно фиксируют к мембране полисомы. По мере синтеза белковая молекула погружается в просвет каналь! ца. При завершении синтеза от белковой молекулы отделяется сигнальная по! следовательность (под действием специальной пептидазы), белковая молекула приобретает окончательную третичную структуру. В канальцах ГЭС иниции! руются и некоторые посттрансляционные изменения белков, которые заклю! чаются в гликозилировании, сульфатировании, фосфорилировании белковых молекул. В ГЭС присутствуют особые группы белков — шапероны и каль! нексин, контролирующие качество белковой продукции. Шапероны предот! вращают случайные свертывания и агрегацию промежуточных продуктов бел! кового синтеза. Белки, которые должным образом не свертываются или долго не приобретают нативную структуру, связываются с шаперонами и далее разру! шаются протеазами, присутствующими в ГЭС. Кальнексин препятствует высво! бождению из канальцев ГЭС неправильно свернутых белков. АЭС, будучи морфологическим продолжением ГЭС, отличается от послед! ней отсутствием рибосом и особым спектром ферментов, ведущих характерные для этого участка сети биологические синтезы. На ультрамикроскопическом уровне АЭС имеет вид коротких канальцев и пузырьков, которые диффузно располагаются по всей гиалоплазме. В большинстве клеток элементы АЭС, как правило, немногочисленны. В клетках, вырабатывающих стероидные гормоны (клетки коры надпочечников, эндокринные клетки половых желез), АЭС хорошо развита и часто особым образом оформлена — ее многочисленные везикулы занимают большие площа! ди, где практически нет других органелл (см. рис. 1.14, б), либо образуют муф! ты вокруг липидных включений — предшественников стероидных гормонов. В мембранах АЭС находятся ключевые ферменты стероидогенеза. Помимо сте! роидогенеза, АЭС участвует в синтезе и метаболизме липидов, полисахаридов, триглицеридов, в процессе детоксикации продуктов метаболизма лекарствен! ных препаратов и эндогенных клеточных ядов. В канальцах АЭС депонируются большие запасы катионов кальция. Функция накопления и обмена катионов кальция имеет важное биологическое значение для процессов трансдукции гор! мональных сигналов в клетках и особенно значима для физиологии мышечных структур, в механизме сокращения которых катионам кальция принадлежит особая роль. В канальцах АЭС работает сложная ферментно!транспортная бел! ковая система, благодаря которой ионы кальция активно поступают в каналец, удерживаются в них особыми связывающими протеинами и по специальным кальциевым каналам выделяются в гиалоплазму по мере необходимости. Комплекс Гольджи представлен сплющенными мембранными цистернами (или мешочками), собранными воедино — в стопку, на расстоянии друг от дру! га около 20 нм (рис. 1.16). Каждая цистерна немного изогнута и имеет вы! пуклую и вогнутую поверхности. Средний диаметр цистерн около 1 мкм, тол! щина изменяется в зависимости от функциональной активности комплекса. В центре цистерны ее мембраны наиболее сближены, а на периферии часто формируют расширения, или ампулы, от которых отшнуровываются мем! бранные пузырьки. Пакеты плоских цистерн количеством в среднем около

48

Ãëàâà 1

Рис. 1.16. Строение комплекса Гольджи по данным электронной микроскопии: Вз — везикулы; стрелки — плоские мембранные цистерны (диктиосома). Ув. 50 000

5—10 формируют диктиосому. Кроме цистерн, в комплексе Гольджи присутст! вуют транспортные и секреторные везикулы (или вакуоли). Между цистернами располагается белковый матрикс. В диктиосоме в соответствии с направлением кривизны изогнутых ци! стерн различают две поверхности. Выпуклая (незрелая, или цис!) поверх! ность обращена к ядру или ГЭС и связана с последней везикулами, отшнуро! вывающимися от ГЭС и приносящими молекулы белка в диктиосому на дора! ботку и оформление в мембрану. Противоположная (транс!) поверхность диктиосомы имеет вогнутую фор! му, которая обращена к плазмолемме и именуется зрелой, потому что от ее мембран отшнуровываются секреторные везикулы, содержащие готовые к вы! делению из клетки продукты секреции. Между цистернами, формирующими цис! и транс!поверхности пластинчатого комплекса, располагается так назы! ваемый средний участок диктиосомы. Положение комплекса Гольджи во внутриклеточной системе синтеза и транспорта биополимеров определяется широким диапазоном его функций: он участвует в сегрегации и накоплении продуктов, синтезированных в эндо! плазматической сети, в их химической перестройке и созревании (главным образом, в перестройке олигосахаридных компонентов гликопротеинов в со! ставе водорастворимых секретов и в составе мембран); в цистернах комплекса Гольджи происходит синтез полисахаридов, их связывание с белковыми моле! кулами. Одна из главных функций комплекса Гольджи — выведение готовых секреторных продуктов за пределы клетки по типу экзоцитоза: мембраны ком! плекса образуют своеобразную упаковку для всех соединений, которые клетка секретирует во внешнюю среду. Важным аспектом функций комплекса Гольджи

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

49

является сортировка белковых молекул в ходе их химической доработки. Пола! гают, что в цис! и средних зонах диктиосом все белки химически модифици! руются в соответствии с их олигосахаридными маркерами. Собственно сорти! ровка происходит на транс!поверхности диктиосомы благодаря специфическим рецепторным белкам, распознающим и связывающим разные белковые моле! кулы и удерживающим их в зоне формирования соответствующих секретор! ных пузырьков. Важнейшими для клетки функциями комплекса Гольджи яв! ляются новообразования мембран (в том числе — и участков плазмолеммы), идущих на увеличение этой оболочки при росте клетки, а также на замеще! ние дефектов мембраны в процессе секреторной деятельности клетки. Ком! плекс Гольджи считается источником образования первичных лизосом, хотя ферменты лизосом синтезируются и в ГЭС. Все вышеизложенное относительно функциональных нагрузок, выполняемых в клетке комплексом Гольджи, сис! тематизировано в схеме (рис. 1.17). В физиологии пластинчатого комплекса существует множество неразрешен! ных вопросов, среди которых основным является трактовка механизма транс!

Рис. 1.17. Схема метаболического пути веществ в структурах комплекса Гольджи: АЭС — агранулярная эндоплазматическая сеть; ГЭС — гранулярная эндоплазматическая сеть; Транс!, Мед! и Цис!G — поверхности диктиосомы

50

Ãëàâà 1

порта соединений в пределах диктиосомы. Гипотеза перемещения цистерн предполагает, что со стороны цис!поверхности происходит непрерывное ново! образование цистерн, а предсуществующие цистерны, которые вступили во взаимодействие с транспортными везикулами и в которых начались процессы биосинтеза, перемещаются из этой области к транс!поверхности, где по завер! шении синтеза распадаются на секреторные везикулы и вакуоли. Эта модель не предусматривает взаимосвязи цистерн и предполагает их высокую «изнаши! ваемость» и активное новообразование в процессе функционирования комп! лекса Гольджи. Согласно гипотезе везикулярного транспорта, перемещаются не цистерны, а везикулярные элементы диктиосомы, которые отшнуровываются и сливаются с мембранами последующих цистерн диктиосомы в направлении от цис! и транс!поверхности. Завершая характеристику системы синтеза и транспорта биополимеров, следует отметить, что механизмы, управляющие миграцией везикул и вакуолей от одной зоны системы к другой, еще мало изучены и понятны. Однако не вы! зывает сомнений, что это энергозависимые процессы и что в их реализации принимают участие микротрубочки и сократительные микрофиламенты цито! плазмы, ибо при подавлении синтеза АТФ и экспериментальном разрушении указанных элементов цитоскелета процессы переноса вакуолей и везикул пре! кращаются. Лизосомы, как явствует из процесса их образования в ЭС и комплексе Гольджи, не являются самостоятельной структурно!функциональной системой клетки, а представляют собой «внутриклеточно выделяемые секреторные ва! куоли», заполненные гидролитическими ферментами, необходимыми для про! цессов фаго! и аутофагоцитоза. На светооптическом уровне лизосомы можно индентифицировать и судить о степени их развития в клетке по активности гистохимических реакций, маркирующих ферменты лизосом. Наиболее часто для этих целей используется реакция на кислую фосфатазу — ключевой лизо! сомальный энзим. При электронной микроскопии лизосомы определяются как пузырьки, от! граниченные от гиалоплазмы одинарной мембраной (рис. 1.18). Условно выде! ляют 4 основных «вида» лизосом: первичные и вторичные лизосомы, аутофа! госомы и остаточные тельца. Первичные лизосомы — это мелкие мембранные пузырьки (средний диаметр их составляет около 100 нм), заполненные гомогенным мелкодисперсным со! держимым, представляющим собой набор гидролитических ферментов. В лизо! сомах идентифицировано около 40 ферментов (протеазы, нуклеазы, гликози! дазы, фосфорилазы, сульфатазы), действие которых осуществляется в кислой среде (pH = 5). Низкий рН — одна из отличительных способностей лизосом. Это свойство обеспечивается мембрансвязанной АТФ!зависимой протонной помпой, осуществляющей обмен ионов натрия на ионы водорода. Кислая сре! да внутри лизосомы необходима для поддержания функции гидролитических ферментов. Активность гидролитических ферментов резко снижается при попа! дании последних в цитозоль, рН которого равна 7,2—7,3. Используя различ! ные методики (лизосомная изоляция, мембранная изоляция, антитела к раз!

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

51

Рис. 1.18. Активированный макрофаг (а), содержащий большое количество лизосом (ТЭМ), и поверхность макрофага (б) с инвагинациями плазмолеммы (СЭМ, препарат А. С. Ростовщикова): а: Я — ядро; стрелки — лизосомы; б: стрелки — инвагинации плазмолеммы. Ув.: а — 10 000; б — 3500

личным компонентам), исследователи показали, что в мембранах лизосом пре! обладают две группы белков (размером 100—120 кДа), названных IgpA и IgpB. Эти белки являются монотопными интегральными белками, большая часть молекулы которых направлена внутрь лизосомы. Белки сильно гликозилиро! ваны. Гликозилирование само по себе не является защитным свойством, одна! ко при возрастании степени гликозилирования разрушение белка, и соответст! венно мембран лизосом, уменьшается. Лизосомальные мембраны содержат также специальные белки!переносчики для транспорта продуктов гидролитического расщепления — аминокислот, сахаров и нуклеотидов из лизосомы в гиалоплазму. Вторичные лизосомы образуются при слиянии первичных лизосом с эндо! цитозными либо с пиноцитозными вакуолями. Иными словами, вторичные лизосомы — это внутриклеточные пищеварительные вакуоли, ферменты кото! рых поставляются первичными лизосомами, а материал для переваривания — эндоцитозной (пиноцитозной) вакуолью. Таким образом, вторичные лизосо! мы можно рассматривать как следующий этап «жизни первичных лизосом». Морфология вторичных лизосом весьма разнообразна и изменяется с течени! ем процесса гидролитического расщепления содержимого. Ферменты лизосом разрушают попавшие в клетку биологические вещества, в результате чего образуются мономеры, которые транспортируются через мембрану лизосомы в гиалоплазму, где утилизируются или включаются в разнообразные синтети! ческие и метаболические реакции. Если взаимодействию с первичными лизосомами и гидролитическому рас! щеплению подвергаются собственные структуры клетки (стареющие органеллы, включения и пр.), формирующийся комплекс «первичная лизосома—внутри! клеточная структура» получает название аутофагосомы (рис. 1.19). Аутофаго! цитоз является естественным процессом в жизнедеятельности клетки и играет большую роль в обновлении ее структур при внутриклеточной регенерации.

52

Ãëàâà 1

Рис. 1.19. Лизосомы в цитоплазме клетки Сертоли (сустентоцита). Электронная микрофотография: ПЛ — первичная лизосома; стрелки — аутофагосомы (лизосомы, поглощающие липидные включения). Ув. 20 000

Остаточные тельца лишь условно можно отнести к разновидностям лизо! сом. Скорее всего, это одна из финальных стадий существования фаго! и ауто! лизосом. Остаточные тельца обнаруживаются при так называемом незавершен! ном фаго! или аутофагоцитозе и впоследствии выделяются из клетки путем экзоцитоза. Их морфология отлична от первичных и вторичных лизосом: они имеют более уплотненное внутреннее содержимое, часто наблюдается вторич! ная структуризация непереваренных соединений (например, липиды в ходе вторичной структуризации часто образуют сложные слоистые тельца). Если со! держимым фагосомы были мембранные структуры клетки (например, мито! хондрии), то остаточное тельце может выглядеть как миелиноподобное обра! зование. Описано множество генетических заболеваний, связанных с лизосомными гидролазами. Часть из них обозначается болезнями накопления мукополисаха! ридов и обусловлена недостаточностью особых лизосомных ферментов, участ! вующих в разрушении дерматансульфата, гепарансульфата или обоих этих ве! ществ. Накапливающиеся в клетках и тканях неполностью разрушенные муко! полисахариды вызывают прогрессирующую деградацию организма и обычно (до 10!летнего возраста) приводят к смерти. Известна недостаточность деся! ти специфических лизосомных ферментов. Процесс разрушения мукополисаха! ридных цепей происходит последовательно. Опасность лизосомной патологии состоит в том, что нарушение или дефект расщепления одной из связей по при! чине отсутствия какого!то фермента предупреждает расщепление последующих связей, даже если в клетке присутствуют ферменты, катализирующие эти сту! пени расщепления. Минимальное, на первый вызгляд, изменение одной из ли! зосомальных гидролаз, таким образом, может повлечь тяжелые последствия.

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

53

Известна так называемая Iклеточная болезнь (муколипидоз II и III), связанная с генетическим дефектом посттрансляционных изменений кислых гидролаз. Болезнь сопровождается увеличением концентрации гидролаз в крови. Муко липидоз поражает преимущественно соединительные ткани, в составе меж клеточного вещества (матрикса) которых присутствует большое количество мукополисахаридов (гликозаминогликанов). Пероксисомы служат основным местом использования кислорода в клетке и в этом отношении схожи с митохондриями. Впервые пероксисомы выделе ны из клеток печени и почек, и своим названием обязаны высокому содержа нию оксидаз, ведущих окислительное дезаминирование аминокислот с образо ванием вредной для клеток перекиси водорода (RH2 + O2 = R + H2O2, где R — органический субстрат). Фермент каталаза, присутствующий в пероксисомах в больших количествах (в гепатоцитах ее относительное содержание достига ет 40 % от общего числа ферментов), расщепляет пероксид водорода на кисло род и воду и таким образом предотвращает разрушительное действие перокси да на клетку. Сочетание происходящих в пероксисомах биохимических про цессов особенно важно для органов, клетки которых выполняют функции детоксикации (почки, печень). Пероксисомы участвуют в процессах βокисления — химического расщеп ления жирных кислот с образованием ацилкофермента, использующегося клет кой. Более 50 ферментов пероксисом участвуют в различных метаболических процессах организма (например, в реакциях синтеза плазмалогенов — важней ших представителей фосфолипидов, находящихся в высоких концентрациях в головном мозге и сердце). На ультраструктурном уровне пероксисомы представляют собой небольшие вакуоли (0,3—1,5 мкм в диаметре) с одинарной биологической мембраной. Внутреннее содержимое пероксисомы — матрикс — представлен тонкограну лярным веществом с нуклеоидом (сердцевиной) в центре. В нуклеоиде часто видны кристаллоподобные структуры, которые состоят из регулярно упако ванных фибрилл, или трубочек. Пероксисомы обычно локализуются вблизи мембран ГЭС. Последние являются местом их образования, хотя часть фер ментов пероксисом, как полагают, синтезируется в гиалоплазме. Размножение пероксисом является адаптативным ответом клеток на такие воздействия, при которых для роста и выживания требуются их ферменты. Процесс размножения состоит из двух фаз — образование дочерних органелл за счет почкования существующих пероксисом и рост дочерних пероксисом за счет импорта белка пероксисомного матрикса. Для импорта белков в перо ксисому существует два типа сигнальных последовательностей. Важное значе ние этих направляющих сигналов подтверждает тот факт, что различные мета болические нарушения в организме человека связаны с неспособностью клеток импортировать белки в пероксисомы или ошибочным попаданием пероксисом ных ферментов в другие клеточные компартменты. Потенцировать размноже ние пероксисом могут лекарственные средства, относящиеся к разряду гиполи пидемических. Заболевания человека, связанные с нарушением функции пероксисом, имеют наследственный характер и распределены на три класса в соответствии

54

Ãëàâà 1

со степенью поражения функции этих органелл. Заболевание 1!го класса — Синдром Цельвегера — обусловлен практически полной потерей пероксисом! ной функции и рассматривается как генерализованная пероксисомная патоло! гия вследствие нарушения процесса биосинтеза пероксисом. При этом заболе! вании в пероксисомах отсутствует большинство важнейших ферментов, и па! циенты умирают еще в детском возрасте. При цельвегероподобном синдроме — заболевании 2!го класса — присутствует дефект более чем одного пероксисом! ного фермента (так называемые интактные пероксисомы); при заболеваниях 3!го класса (например, адренолейкодистрофии) нарушено функционирование одного пероксисомного фермента. Включения — это непостоянные структуры клетки, которые появляются в ней и исчезают в процессе метаболизма. Различают трофические, секретор! ные, экскреторные и пигментные включения. Для выявления включений на светооптическом уровне чаще используется метод гистохимии, в основе которого лежат химические реакции, происходя! щие между включением и реактивом, используемым для его индентификации, с образованием характерных окрасок. Белковые и слизистые включения (если в клетке их достаточно много) без труда можно наблюдать при традиционной окраске гематоксилин!эозином — белковые гранулы интенсивно маркируются эозином, а слизистые, плохо воспринимающие красители, выглядят как светлая пенистость цитоплазмы. Группа трофических включений объединяет углеводные, белковые и липид! ные включения. Наиболее распространенным представителем углеводных вклю$ чений является гликоген — полимер глюкозы. Наибольшие количества глико! гена образуют и резервируют для нужд многих других клеток организма клет! ки печени, высоко содержание гликогена как трофического субстрата также в клетках и волокнах мышечных тканей (рис. 1.20). На светооптическом уров! не наблюдать включения гликогена можно при использовании гистохими! ческой ШИК!реакции. В электронном микроскопе гликоген выявляется как интенсивно окрашенные осмиофильные гранулы, которые в клетках, где гли! когена достаточно много (гепатоцитах), сливаются в крупные конгломера! ты — глыбки. Липидные включения также выявляются с помощью гистохимического мето! да. В зависимости от особенностей химизма липидов используют разные кра! сители, но наиболее распространенными являются красители группы судана. Липидными включениями наиболее богаты клетки жировой ткани — адипо! циты, резервирующие запасы жира для нужд всего организма, а также стероид! продуцирующие эндокринные клетки, использующие липид — холестерин — для синтеза гормонов. Клетки белой и бурой жировой ткани различаются по количеству, характеру распределения и химизму липидных включений. В ади! поцитах белой жировой ткани липидные включения многочисленные, часто сливаются в одну большую каплю и менее энергоемки, чем таковые в клетках бурой жировой ткани. Бурая жировая ткань присутствует только в организме плода и детей первых недель жизни. В ее клетках липидные включения диф! фузно рассеяны по цитоплазме, многочисленны, тесно контактируют с мито! хондриями и высокоэнергоемки. На ультрамикроскопическом уровне липид!

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

55

Рис. 1.20. Включения гликогена в симпласте скелетной мышцы. Электронная микрофотография: Я — ядро клетки; Мф — миофибриллы симпласта; стрелки — включения. Ув. 12 000

ные включения имеют правильную округлую форму и в зависимости от хими! ческого состава (и особенностей фиксатора) характеризуются высокой, средней или низкой электронной плотностью (см. рис. 1.19). Секреторные включения представляют собой разнообразную группу. Секре! торные включения синтезируются в клетках и выделяются (секретируются) или в просветы протоков (клетки экзокринных желез), или в межклеточную среду, кровь и лимфу (гормоны, нейромедиаторы, факторы роста и др.). Для вы! явления секреторных включений на светооптическом уровне используются раз! ные методы, однако наиболее часто — гистохимический. На ультрамикроско! пическом уровне секреторные включения имеют вид мембранных везикул с со! держимым разной плотности, что зависит от их химического состава. Экскреторные включения — это продукты метаболизма клетки, от кото! рых она должна освободиться. Нередко подобные включения для клетки вред! ны. К экскреторным включениям относятся также инородные включения — случайно либо преднамеренно (например, при фагоцитозе) попавшие в клетку субстраты. Подобные включения клетки наиболее часто пытаются лизировать с помощью своей лизосомальной системы, а затем оставшиеся частицы выводят (экскретируют) во внешнюю среду. В более редких случаях попавшие в клетку агенты остаются неизмененными и могут не подвергнуться экскреции — та! кие включения более правильно именовать чужеродными (хотя чужеродными для клетки являются и включения, которые она лизирует). Пигментные включения хорошо выявляются как на светооптическом, так и на ультрамикроскопическом уровнях. Очень характерный вид они имеют на электронных микрофотографиях — в виде осмиофильных структур разных размеров и формы. Данная группа включений характерна для пигментоцитов

56

Ãëàâà 1

Рис. 1.21. Пигментные включения (стрелки) в пигментоците радужки глаза (электронная микрофотография). Ув. 6000

(рис. 1.21). Пигментоциты защищают организм от глубокого проникновения опасного для него ультрафиолетового излучения; в радужке, сосудистой обо! лочке и сетчатке глаза они регулируют поток света на фоторецепторные эле! менты глаза и предохраняют их от перераздражения светом. В остальных клет! ках, кроме пигментоцитов, пигментных включений практически нет, однако в процессе старения очень многие соматические клетки накапливают пигмент липофусцин, по присутствию которого можно судить о возрасте клетки.

Ñèñòåìà õðàíåíèÿ, âîñïðîèçâîäñòâà è ðåàëèçàöèè ãåíåòè÷åñêîé èíôîðìàöèè — ÿäðî В эукариотических клетках ядро возникло как обособленная и ограничен! ная собственной мембраной структура в связи с необходимостью разделения в пространстве и во времени процессов транскрипции РНК и биосинтеза белка (трансляции). Ядро выполняет в клетке несколько функций, связанных с биосинтезом бел! ка, и эти функции различны в разные фазы клеточного цикла: — в интерфазе ядро хранит закодированную в ДНК информацию о струк! туре белка и его синтезе и обеспечивает синтез тех белковых молекул, кото! рые необходимы клетке в процессе ее роста, дифференцировки и физиологи! ческой регенерации; в ядре синтезируются участвующие в образовании белка рибосомальные, информационные и транспортные РНК, формируются и выде! ляются в гиалоплазму субъединицы рибосом; — при подготовке клетки к делению в ядре удваивается генетическая ин! формация для последующей передачи дочерним клеткам. Таким образом, ядру принадлежит главная роль в обеспечении важнейшего процесса клетки — белкового синтеза, хранения и передачи генетического кода этого синтеза последующим поколениям клеток.

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

57

Рис. 1.22. Строение ядра клетки (электронная микрофотография): Я — ядро; Яд — ядрышко; Гхр — гетерохроматин; Эхр — эухроматин; стрелки — ядерные поры. Ув. 20 000

Различным функциональным состояниям ядра соответствуют особенности его светооптического строения и ультраструктуры. В интерфазе в составе ядра присутствуют оболочка, ядерный матрикс, хро! матин, ядерный сок, ядрышко. Ядерная оболочка в световом микроскопе как отдельная структура не вид! на — о ее присутствии свидетельствуют четко очерченные контуры ядра. Ульт! раструктурный анализ показывает, что ядерная оболочка имеет сложное строе! ние и состоит из внутренней и наружной мембран, между которыми находится щелевидная полость — перинуклеарное пространство. Перинуклеарное про! странство прерывается множеством пор, в области которых листки ядерных мембран сливаются (рис. 1.22). Ширина перинуклеарного пространства варьи! рует в прямой зависимости от функциональной активности клетки и ядер! но!плазменных отношений. Ядерная оболочка, обладая спецификой морфологии и функций, как пола! гают, представляет собой часть (вероятно, начальную) внутриклеточной мемб! ранной системы (совместно с ГЭС и АЭС). Наружная ядерная мембрана со стороны гиалоплазмы окружена сетью виментиновых промежуточных филаментов и имеет на своей поверхности сво! бодные рибосомы, прикрепленные большими субъединицами; внутренняя мембрана гладкая, не содержит рибосом, образуя связи с пластинкой (ла! миной) ядерного матрикса. Поскольку ядерная ламина динамична и способна легко перестраиваться, рассматриваемая связь также не является жесткой. Различия в основных функциональных признаках ядерных мембран состоят

58

Ãëàâà 1

в том, что рибосомы наружной мембраны синтезируют мембранные и се! кретируемые белки, которые транспортируются в полости канальцев ГЭС. Внутренний листок совместно с ламиной участвует в фиксации интерфазных хромосом. Следовательно, ядерные мембраны выполняют по отношению к ядру две важные функции — формообразовательную и рецепторно!барьерно!транс! портную. Схематично ядерную оболочку можно представить состоящей из несколь! ких расплющенных мембранных мешков (фрагментов мембранной канальце! вой системы), которые в митозе переходят в гиалоплазму — в систему каналь! цев сети. Однако существует мнение, что при делении клетки ядерная оболоч! ка фрагментируется на множество везикулярных элементов, переходящих в гиалоплазму. Обратный процесс — формирование ядерных оболочек у дочер! них клеток — происходит, вероятнее всего, из ресурсов канальцев ЭС. Ядерные поры на светооптическом уровне не видны. В электронном мик! роскопе при больших увеличениях они представляют собой сквозные туннели, сообщающие содержимое ядра и гиалоплазмы. Стенка пор образована сливши! мися наружной и внутренней ядерными мембранами (см. рис. 1.22). В области пор отсутствует гетерохроматин, поэтому в общей ультрамикроскопической кар! тине ядра они видны как «светлые дорожки». Размеры ядерных пор в клетках стандартны — около 90 нм в диаметре, а численность варьирует в зависимости от активности ядерно!плазменных отношений. Поровые туннели не свободны, а заполнены поровыми комплексами, состоящими из трех компонентов: поро! вых колец, центральных спиц и центральной гранулы. Все компоненты ядер! ного порового комплекса (ЯПК) — белковые производные, обеспечивающие строго избирательный транспорт макромолекул в ядро и из ядра (рис. 1.23). Ядерный поровый комплекс формирует цилиндр около 120 нм в диаметре и имеет восьмиугольную форму, поскольку закрыт прерывистыми белковыми

Рис. 1.23. Схема строения порового комплекса (по: Franke, 1970; Ю. С. Ченцов, 1984): 1 — внешняя ядерная мембрана; 2 — внутренняя ядерная мембрана; 3 — центральная гранула; 4 — периферические гранулы; 5 — диафрагма

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

59

диафрагмами из восьми субъединиц периферических гранул. Диафрагмы, или поровые кольца (цитоплазматическое и ядерное), берут начало от наружной и внутренней ядерных мембран. От белковых гранул поровых колец к центру поры отходят множественные тонкие фибриллы, сходящиеся к центральной грануле и формирующие диафрагму. Центральная гранула не является постоян! ным компонентом порового комплекса. Некоторые исследователи не причис! ляют ее к составу поры, а считают проходящей в ядро или из ядра макромоле! кулярной частицей. Перемещение молекул из ядра и в него происходит путем активного транспорта, пассивной диффузии или с участием специальной сиг! нальной последовательности определенных белков. Основные этапы активного ядерного импорта состоят в следующем. Растворенный в цитозоле рецептор узнает импортируемую молекулу, рецептор и молекула связываются в комп! лекс. Рецепторный комплекс взаимодействует с цитоплазматической поверх! ностью ЯПК. Комплекс рецептор!лиганд перемещается ближе к центральному каналу ЯПК. Гидролиз ГТФ молекулами гуанозинтрифосфатаз дает энергию для активации воротного механизма центральной поры, что ведет к транслока! ции комплекса в нуклеоплазму. Как только транслокационный комплекс пере! ходит в ядро, он диссоциирует, и транспортные факторы, включая раствори! мый рецептор, вновь возвращаются в цитоплазму. Функциональное значение ядерных пор заключается в избирательном транспорте веществ между ядром и гиалоплазмой: все ядерные белки посту! пают в ядро из гиалоплазмы, а все формы РНК, участвующие в белковом син! тезе, транспортируются в гиалоплазму из ядра. В этом процессе комплекс поры выступает как супрамолекулярный механизм, исполняющий не только роль пе! реносчика, но и сортировщика, узнающего и отбирающего молекулы, подлежа! щие транспорту. Свободно через поры в ядро поступают ионы, сахара, нуклеотиды, АТФ, некоторые гормоны. Многие белки, транспортируемые через поровые комплек! сы в обоих направлениях, переносятся против градиента концентрации. Ме! ханизм транспорта не ясен, однако установлено, что белки, транспортируемые в ядро, имеют определенные последовательности аминокислот — последова! тельности ядерной локализации. Рецепторы ядерных пор узнают и допускают эти молекулы в ядро. Субъединицы всех рибосом образуются в ядре и через поры поступают в цитоплазму. Механизм их транспорта также не ясен, поскольку субъединицы рибосом имеют достаточно крупные размеры и неспособны свободно без де! формации пройти сквозь поровый туннель. Ядерный матрикс — каркас ядра. На светооптическом уровне он не опреде! ляется. Условно состоит из трех частей — ламины, собственно матрикса и оста! точного ядрышка (рис. 1.24). Образован белковыми фибриллами. Ламина при! лежит к внутренней ядерной мембране на всем протяжении за исключением ядерных пор. Она достаточно прочная, благодаря чему ядро не утрачивает своей формы даже после экспериментального удаления ядерной оболочки. От ламины в глубь ядра отходит сеть белковых фибрилл — собственно ядер! ный матрикс, он служит основой для расположения хроматина. Остаточное ядрышко представляет собой фиброзный остов ядрышка и состоит из кон!

60

Ãëàâà 1 Рис. 1.24. Схема строения ядерного матрикса (по: A. Stevens and J. Lowe, 1993): 1 — ядерная оболочка (внутренняя поверхность); 2 — ядер! ные поры; 3 — элементы ядерной ламины; 4 — связы! вающий ламин; 5 — собственно ядерный матрикс (интер! хроматиновый ламин); 6 — фиброзный остов ядрышка (ядрышковый ламин)

центрически ориентированных фибриллярных белков. Ядерный матрикс способен перестраи! ваться в процессе деятельности клетки. Хроматин в световом микроскопе виден как мелкая базофильная зернистость внутри ядра. В интерфазном ядре окрашенные участки, рас! положенные преимущественно по периферии, представляют собой гетерохроматин. Эухрома! тин практически не окрашивается, и о степени его выраженности можно кос! венно судить по светлым зонам ядра (см. рис. 1.22). Ультрамикроскопически хроматин состоит из ДНК и белка, и это деспира! лизованные хромосомы в период интерфазы. В зависимости от степени деспи! рализации (деконденсации) различают гетерохроматин — остающиеся спира! лизованными участки хромосом, с которых в период интерфазы не происходит считывание информации и образование РНК, и эухроматин, представляющий собой деспирализованные участки хромосом, на которых происходит транс! крипция. По соотношению содержания гетеро! и эухроматина в ядре можно су! дить о степени синтетической активности клетки. В малоспециализированных и активно готовящихся к пролиферации клетках основная часть ядра занята эухроматином, лишь у внутренней ядерной мембраны и в отдельных областях центральной части ядра присутствует гетерохроматин (хромоцентры). В высо! коспециализированных клетках (например, малых лимфоцитах) хроматин кон! денсирован и выглядит в виде широкой периферической зоны и массивных хромоцентров. Во всех клетках, независимо от уровня их дифференцировки, в период интерфазы существуют постоянно конденсированные участки хро! матина — конститутивный хроматин — соответствующие центро! и тело! мерным участкам хромосом. У особей женского пола к категории конститу! тивного хроматина принадлежат тельца Барра (тельца полового хроматина), являющиеся спирализованной X!хромосомой. В гранулоцитах крови тельца Барра выглядят как маленькие добавочные фрагменты ядер («барабанные па! лочки»). Хромосомы прикрепляются к ядерной оболочке с помощью теломерного, прицентромерного, околоядрышкового гетерохроматина, и вся конструкция ста! новится фиксированной в объеме ядра (рис. 1.25). Конститутивный хроматин «генетически пассивен». Предполагают, что он имеет значение в структуриро! вании ядра в интерфазе. Остальная часть хроматина может изменяться, т. е. пе! реходить из состояния эухроматина в гетерохроматин, что определяется актив! ностью происходящих синтезов.

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

61

Рис. 1.25. Схема пространственной организации хромосом (по: Ю. С. Ченцову, 1984): Тн и Тк — теломерные; Ц — центромерные участки хромосомы

В период митоза хроматин принимает на! ивысшую степень конденсации (спирализа! ции) — при этом хромосомы становятся ви! димы в световой микроскоп. Как указывалось выше, хроматин, являясь эквивалентом хромосом, состоит из ДНК и белковых молекул (гистоновых и негистоно! вых). Если роль ДНК заключается в кодиро! вании белкового синтеза, то значение белко! вых молекул в составе хроматина является вспомогательным. С помощью гистоновых белков достаточно протяженные спирали молекул ДНК компактно упаковываются в объеме ядра последователь! но в нуклеосомные нити, хроматиновые фибриллы и петельные домены. Поми! мо этого, гистоновые белки совместно с негистоновыми молекулами способны регулировать активность генов и генных участков ДНК и таким образом прямо участвовать в реализации генетического кода клетки. Ядрышко в световом микроскопе выглядит в виде мелкой интенсивно базо! фильной частицы. Количество и размеры ядрышек в клетках варьируют в зави! симости от функциональной активности. В клетках, продуцирующих большое количество белка, ядрышко может занимать до 25 % всего объема ядра. Ультрамикроскопически ядрышко образовано специализированными участ! ками хромосом, называемыми ядрышковыми организаторами. В этих участках находятся гены, кодирующие синтез рибосомальных РНК. Функции ядрышка состоят в синтезе рибосомальных РНК и образовании так называемых предшественников большой и малой субъединиц рибосом. Со! зревание предшественников в субъединицы происходит в гиалоплазме, куда они попадают из ядра через поровые комплексы. На электронной микрофотографии в составе ядрышка различают три зо! ны — слабоокрашенную зону, содержащую ДНК из области ядрышкового орга! низатора хромосом, гранулярную зону, в состав которой входят предшествен! ники зрелых субъединиц рибосом, и плотную нитчатую зону, состоящую из множества тонких (около 5 нм) рибонуклеопротеиновых фибрилл (РНК!транс! крипты), которые представляют собой РНК!транкскрипты. Варьирование раз! меров ядрышка связано преимущественно с изменением доли гранулярной части. Нуклеоплазма — жидкое внутреннее содержимое ядра, в которое погружен ядерный матрикс с расположенными в нем хроматином и ядрышками. Состоит из воды, ионов, гликопротеинов, содержит РНК и ферментные белки. Система промежуточного обмена — гиалоплазма. Это внутренняя сре! да клетки, представляющая собой гель, который изменяет степень своей вяз! кости в зависимости от температурных условий и функциональной нагрузки на

62

Ãëàâà 1

клетку. Белок актин, в больших количествах присутствующий во всех клетках, влияет на стабилизацию геля гиалоплазмы. Изменение агрегатного состояния гиалоплазмы является непременным условием для процессов разборки и сбор! ки микротрубочек и функционирования опорно!двигательной системы клетки. С помощью метода дифференциального ультрацентрифугирования гиало! плазма легко получается в виде отдельной фракции, и поэтому ее химический состав и характер происходящих в ней процессов исследованы достаточно пол! но. В составе гиалоплазмы находятся структурные и ферментные белки клет! ки, различные метаболиты, ионы. Здесь присутствуют ферменты, участвую! щие в синтезе аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот, биосинтезе сахаров. В гиалоплазме происходят процессы гликолиза и синтез части АТФ, разного рода модификация ферментов (например, фосфорилирование), приводящая к их активации либо инактивации. В гиалоплазме начинается ряд биосинтети! ческих процессов, которые в дальнейшем продолжаются в той или иной внут! риклеточной системе. В электронном микроскопе гиалоплазма выглядит гомогенной и характе! ризуется низкой электронной плотностью. Мегавольтная электронная микро! скопия обнаруживает в ней микротрабекулярную сеть, состоящую из тончай! ших фибрилл, пересекающих гиалоплазму в различных направлениях. В ячей! ках этой сети располагаются органеллы, а в ее «узлах» фиксированы полисомы. Микротрабекулярная сеть образует связи с микротрубочками и микрофила! ментами опорно!двигательной системы и совместно с этими элементами участ! вует в компартментализации клетки, перемещении и функционировании внут! риклеточных структур. Перечисляя все функции гиалоплазмы, следовало бы вновь перечислить функции всех клеточных систем, ибо гиалоплазма обяза! тельно в них участвует как промежуточная среда. Иными словами, без ее по! среднической функции было бы невозможно выполнение функций всех осталь! ных внутриклеточных систем.

Îïîðíî-äâèãàòåëüíàÿ ñèñòåìà С деятельностью данной системы связано выполнение практически всех клеточных функций — морфогенез, поддержание и изменение формы, сокра! щение, митоз, эндо! и экзоцитоз, локализация и «закрепление» ядра, образо! вание специализированных клеточных структур, осуществление механической интеграции и транспорта внутриклеточных компонентов, генерация и стабили! зация клеточной полярности. Сочетание в структуре и свойствах этой системы признаков устойчивости и одновременно сверхвысокой динамичности является ее основной характеристикой и условием для функционирования всех осталь! ных компонентов клетки. Опорно!двигательная система создает каркас клетки и обеспечивает адекватное противодействие внешним физическим факторам. Вместе с тем она легко перестраивается, что способствует изменению формы клетки. Участвуя в регуляции потоков гиалоплазмы и движения органелл, дан! ная система изменяет направление этого движения. Несмотря на то что опор! но!двигательную систему часто именуют цитоскелетом, вкладывая в это поня!

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

63

тие нечто стабильное и мало меняющееся, ее следует рассматривать как одну из наиболее динамичных структурно!функциональных частей, без которой невозможна жизнедеятельность клетки. В настоящее время показано несколько способов прикрепления цитоскелет! ных структур к плазматической мембране. В том числе: непосредственное взаи! модействие элементов со специфическими трансмембранными белками (ре! цепторами ламина, 5!нуклеотидазы); ассоциация элементов цитоскелета с пе! риферическими белками (анкирином, талином), которые либо взаимодействуют с интегральными белками (рецепторами фибронектина), либо сами внедряют! ся в липидный бислой; прямое взаимодействие белков, сопряженных с цито! скелетом (альфа!актин, винкулин, белок 4.1, профилин, гельзолин, спектрин) или самих белков цитоскелета (тубулин, виментин) с липидным бислоем. Осо! бую роль при этом играют липиды фосфатидилинозитольного цикла, кото! рые не только связывают цитоскелет с мембраной, но и осуществляют регуля! цию белков 4.2 (гельзолина, профилина, альфа!актина), инициируя тем самым перестройку в структуре цитоскелета. По!видимому, многие белки цитоскеле! та являются амфитропными, т. е. могут существовать в растворимой форме и встраиваться при помощи гидрофобных доменов в липидный бислой и взаи! модействовать с интегральными белками. Основными компонентами опорно!двигательной системы являются микро! филаменты, микротрубочки и их производные, промежуточные филаменты. Микрофиламенты имеют около 5 нм в диаметре, состоят из белка актина и являются универсальными элементами цитоскелета. Впервые были обна! ружены в немышечных клетках миксомицет в 1950!х гг. Основным структур! ным белком микрофиламентов является глобулярный актин G!актин с молеку! лярной массой 46 кДа, имеющий участки связывания Mg2+ и АТФ. При поли! меризации G!актина образуется фибриллярный актин — F!актин толщиной 5—6 нм. Существует около десятка актин!связывающих белков (альфа!актин, виллин, фимбрин, актиногелин, профилины, фрагмин и др.), которые управ! ляют организацией и функциями основного белка микрофиламентов — актина. В цитоплазме актиновые микрофиламенты располагаются поодиночке или в виде сетки и пучков, а в подплазмолеммальной области образуют сгущение — так называемый кортикальный слой клетки, или кортекс (рис. 1.26). В большинстве клеток на долю актина приходится около 5 % общего содержания белка. В разных типах клеток существует 5 молекулярных вариантов (изоформ) акти! на. Все изоформы сходны по аминокислот! ным последовательностям, однако структура Рис. 1.26. Схема строения кортикального слоя цитоплазмы (кортекса) клетки (по: A. Stevens and J. Lowe, 1993): 1 — клеточная мембрана; 2 — актиновые филаменты; 3 — актин!связывающие белки (линкерные); 4 — внутренняя поверхность цитомембраны

64

Ãëàâà 1

концевых участков молекул варьирует. Последние определяют скорость поли! меризации актина, что необходимо для осуществления локальных двигатель! ных реакций. Сеть актиновых филаментов, подстилающая плазмолемму (кор! текс), обеспечивает ей механическую поддержку. Актиновые филаменты в кор! тексе организованы в сеть с помощью линкерных белков, одним из которых является филамин. Филамин — белок!стабилизатор, который образует сшивки в местах пере! сечения с актиновыми филаментами. Сшивка актина не является жесткой, по! скольку легко может быть снята другим белком — гельзолином, вызывающим фрагментацию и разборку филаментов. Несмотря на определенную стабиль! ность, подмембранный кортекс достаточно легко перестраивается, особенно в тех клетках, которые наделены способностью к амебоидному движению (на! пример, в фибробластах), а также в процессах эндо!, пино! и экзоцитоза. Филаменты актинового кортекса фиксируются в плазмолемме с помощью плаз! молеммальных интегральных белков — интегринов. В специализированных участках плазмолеммы и адгезионных контактов актин может становиться трансмембранным белком. Во всех клетках актиновые филаменты взаимодей! ствуют с белком, миозином. Эта своеобразная модифицированная форма мио! зина в немышечных клетках представлена мономерной структурой — мини$ миозином. Минимиозин соединен с клеточными органеллами и, обладая со! кратительной активностью, облегчает их транспорт, а также перемещение везикулярных элементов вдоль актиновых филаментов. Полагают, что поли! меризация актиновых микрофиламентов может быть ответственной за гене! рацию той силы, которая осуществляет локальные перемещения клеточной цитоплазмы при движениях клетки, а также при клеточной миграции в эмбрио! генезе. Актиновые микрофиламенты являются лабильными элементами цито! скелета, они постоянно перестраиваются, разбираются и собираются вновь. При декорировании микрофиламентов тяжелым меромиозином образуются характерные стреловидные структуры, по которым можно определить поляр! ность микрофиламентов. На оперенном конце филамента удлинение идет быстро, а заостренный конец растет медленнее. Оперенный конец филамента может быть блокирован так называемыми кепирующими белками, которые при соединении с растущим концом филамента препятствуют его дальнейше! му удлинению, при этом тормозятся различные морфогенетические процессы и движение клеток. Связь актиновых микрофиламентов с плазматической мембраной клеток осуществляется через специализированные зоны плазмолеммы — адгезионные бляшки. При разборке микрофиламентов остаются их небольшие участки, со! единенные с бляшками, из которых впоследствие начинается сборка новых филаментов в новом направлении. Производными микрофиламентов являются микроворсинки. В некоторых клетках (эпителиоцитах кишки, почечных канальцев) от кортикального слоя цитоплазмы отходят пучки актиновых филаментов, которые формируют остов специализированных структур данных клеток — микроворсинок. Предназначе! ние микроворсинок заключается в увеличении площади поверхности клеток с целью активации происходящих в них физиологических процессов (присте!

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

65

Рис. 1.27. Электронная микрофотография апикальной поверхности каемчатого энтероцита (а) и схема строения микроворсинки (б): а — строение микроворсинок (препарат К. А. Зуфарова); стрелка — поперечник микроворсин! ки. Ув. 25 000; б — взаимоотношения филаментов в ворсинке (по: A. Stevens and J. Lowe, 1993): 1 — плазмолемма; 2 — актиновые филаменты; 3 — актинсвязывающие белки (фасцин и фимбрин); 4 — латеральный заякоривающий белок (минимиозин); 5 — аморфный материал верхушки микроворсинки; 6 — спектрин; 7 — кортекс!подмембранный актин, связанный спектрином; 8 — цитокератиновые филаменты

ночного пищеварения и всасывания веществ — в клетках кишки, реабсорбции компонентов провизорной мочи — в клетках почечных канальцев). В клетках отдельных органов чувств (равновесия) актиновые филаменты, отходящие от кортекса, образуют в апикальной части стереоцилии (подобия антенн), улав! ливающие специфические раздражители (колебания эндолимфы в полукруж! ных каналах). Микроворсинки — это тонкие (0,1 мкм) и длинные (около 1 мкм) вырос! ты апикальной (верхушечной) части клеток (рис. 1.27, а). Внутри каждой микроворсинки располагается пучок актиновых микрофиламентов в количест! ве 20—30. Филаменты состоят из β! и γ!изоформ актина. Одними (плюс) концами филаменты закреплены на вершине микроворсинки (рис. 1.27, б). В кэпировании дистального конца пучка и связывании его с плазмолеммой участвует белок виллин, нижние части филаментов связываются в пучок спект! риноподобным белком и, проникая в субапикальную часть цитоплазмы, впле! таются в ее кортикальный слой (кортекс). Филаменты связываются в пучок по! перечно расположенными белковыми молекулами (связками) фасцина и фим! брина. По всей длине пучок микрофиламентов прикреплен к плазматической

66

Ãëàâà 1

мембране короткими тонкими латеральными связками, образованными комп! лексом кальмодулина и 110 кДа!полипептидом. В составе микроворсинок обнаружен сократительный белок минимиозин. Последний выполняет одновременно линкерную и сократительную функции. Хвосты молекул минимиозина связаны с плазмолеммой либо с поперечными белковыми связками микрофиламентов, а головки оканчиваются на актиновых микрофиламентах. Подобная топография молекул минимиозина способна вы! зывать укорочение или удлинение микроворсинок по механизму скользящих нитей, присущему мышечным элементам. Основными функциями микрофиламентов являются: поддержание формы и придание определенной жесткости клетке (осуществляется актиновым под! плазмолеммальным кортексом); участие в формировании межклеточных соеди! нений, в транспортных процессах — эндо!, пино!, экзоцитозе (осуществляется актиновым подплазмолеммальным кортексом); в процессах перемещения кле! точных органелл, транспортных и секреторных везикул (осуществляется акти! новыми микрофиламентами в тандеме с минимиозином, ассоциированным с по! верхностью указанных структур), в образовании микроворсинок и стереоцилий, в формировании специализированных для мышечных структур акто!миозино! вых сократительных комплексов — миофибрилл, а также в образовании кле! точной перетяжки при цитотомии. Микротрубочки впервые описаны в 1963 г. в цитоплазме клеток гидры. Микротрубочки присутствуют во всех животных клетках за исключением эритроцитов. Они образованы полимеризованными молекулами белка тубули! на, который представляет собой гетеродимер, состоящий из двух субъединиц — α! и β!тубулина. При полимеризации молекулы тубулинов ассоциируются таким образом, что с α!субъединицей одного белка соединяется β!субъединица следующего. Таким образом формируются отдельные полярные протофила! менты, которые, объединяясь по 13, скручиваются в полую трубку — поляри! зованную микротрубочку, внешний диаметр которой составляет около 25 нм, а внутренний — 15 нм (рис. 1.28). Каждая микротрубочка имеет растущий плюс!конец и медленно растущий минус!конец. Источником образования и роста микротрубочек от плюс!конца являются так называемые центры организации микротрубочек, расположенные в базальных тельцах ресничек и клеточных центрах. Микротрубочки — один из наиболее динамичных элементов цитоскелета. Во время наращивания длины микротрубочки присоединение тубулинов происходит на растущем плюс!конце. Разборка микротрубочек наиболее часто происходит с обоих концов. В составе микротрубочек в ассоциации с тубулином обнаруживаются дополнительные белки — MAP (от англ. — microtubule$associated proteins), обеспечивающие ста! билизацию органелл. Часть таких белков находится на растущем конце микро! трубочек и предотвращает их деполимеризацию. Белок тубулин, формирующий микротрубочки, не является сократительным белком, и микротрубочки не на! делены способностью к сокращению и передвижению. Однако микротрубочки цитоскелета принимают активное участие в транспорте клеточных органелл, секреторных везикул и вакуолей. На примере аксонального транспорта в ней! ронах была раскрыта суть этой функции. В микротрубочках аксонов присутст!

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

67

Рис. 1.28. Схема строения (а) и электронная микрофотография (б) микротрубочек: а — продольное сечение (1), формирование протофиламентов из молекул α (светлая штриховка) и β (темная штриховка) субъединиц тубулина; косое сечение (2) — 13 протофиламентов по окруж! ности микротрубочки; б — микротрубочки (стрелки) в дендритах нейронов коры большого мозга (препарат А. П. Новожиловой). Ув. 25 000

вуют два белка — кинезин и динеин. Одним концом молекулы этих белков ассоциированы с микротрубочкой, другим — способны связываться с мембра! нами органелл и внутриклеточных везикул. Ассоциированные с микротрубоч! ками участки молекул кинезина и динеина приобретают АТФазную активность и при гидролизе АТФ изменяют свою конформацию — в результате генери! руется перемещение связанных ими частиц вдоль микротрубочек. С помощью кинезина осуществляется внутриклеточный транспорт к плюс!концу микротру! бочки, а с помощью динеина — в обратном направлении. Определенные изме! нения в системе микротрубочек и ассоциированных с ними белков наблю! даются при старении организма. С помощью методов электрофореза и имму! ноблоттинга показано изменение количественного соотношения различных ассоциированных с микротрубочками белков в нейронах стареющих крыс по сравнению с молодыми животными. В животных клетках источником образования и роста микротрубочек яв! ляется клеточный центр. Основу центриолей составляют девять триплетов мик! ротрубочек, организованных по окружности и формирующих полый цилиндр (рис. 1.29, а). Диаметр цилиндра составляет около 0,15—0,2 мкм, длина — от 0,3 до 0,5 мкм. Одна из микротрубочек каждого триплета (микротрубоч! ка A), как и микротрубочки цитоплазмы, является полной и состоит из 13 про! тофиламентов, две другие (B и C) редуцированы и содержат по 11 протофила! ментов. Микротрубочки триплета плотно прилежат друг к другу. Каждый три! плет по отношению к радиусу формируемого ими цилиндра микротрубочки располагается под углом около 40 градусов. В составе центриоли микротру! бочки связаны поперечными белковыми мостиками, или ручками. Последние

68

Ãëàâà 1

Рис. 1.29. Центриоли в животной клетке (а — схема строения и б — электронная микрофотография). Схема соответствует формуле (9 × 3) + 0: а — поперечный и продольный срезы микротрубочек A, B и C; б — Цт — пара центриолей (стрелки); Я — ядро клетки. Ув. 25 000

отходят от A!микротрубочки и одним концом обращены в сторону центра цен! триоли, другим — к C!микротрубочке соседнего триплета. Каждый триплет центриоли с внешней стороны связан с белковыми тельцами шаровидной фор! мы — сателлитами, от которых в гиалоплазму расходятся микротрубочки, фор! мирующие центросферу. Вокруг каждой центриоли обнаруживается тонково! локнистый матрикс, а сами триплеты погружены в аморфный материал умерен! ной электронной плотности, называемый муфтой центриоли. Если произвести искусственную экстракцию микротрубочек центриоли, то вместо центриоли остается аморфный цилиндр с девятью отверстиями, которые некогда были заняты триплетами. В период интерфазы в клетке присутствует пара центриолей (диплосома), которые чаще лежат вблизи комплекса Гольджи рядом с ядром (см. рис. 1.29, б). В диплосоме центриоли располагаются под прямым углом друг к другу. Из двух таким образом ориентированных центриолей одна является материнской, дру! гая — дочерней. Продольная ось дочерней центриоли направлена перпендику! лярно продольной оси материнской. Дочерняя центриоль по ряду морфоло! гических параметров отличается от материнской — она не имеет перицент! риолярных сателлитов и центросферы. Микротрубочки в составе дочерней центриоли поначалу изолированы, а затем объединяются в триплеты. Центриоли выполняют в клетке функции организации сети цитоплазмати! ческих микротрубочек (как в покоящихся, так и делящихся клетках), а также образуют микротрубочки для ресничек специализированных клеток. Р е с н и ч к и и ж г у т и к и являются производными микротрубочек в спе! циализированных клетках (эпителия трахеобронхиального дерева, женского

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

69

Рис. 1.30. Апикальная поверхность реснитчатой клетки эпителия бронхов в сканирую! щем электронном микроскопе (а) (препарат А. С. Ростовщикова), ув. 35 000, и схема строения реснички на поперечном срезе (б) (по: A. Stevens and J. Lowe, 1993): 1 — плазмолемма; 2 — периферический дуплет микротрубочек; 3 — центральный дуплет микро! трубочек; 4 — центральная капсула (муфта); 5 — радиальная спица (связка); 6 — нектинсвязы! вающий белок; 7 — динеиновые ручки

полового тракта — маточных труб и матки, сперматозоидах). В световом мик! роскопе реснички видны как тонкие выросты клетки, а в их основании при больших увеличениях микроскопа заметны мелкие гранулы — базальные тель! ца. Движение ресничек совершается упорядоченно — в продольном ряду от! дельные реснички начинают движение последовательно друг за другом, в по! перечном — одновременно. Такая однонаправленность способствует переме! щению частиц внутренней среды (например, слизи с инородными частицами по внутренней поверхности трахеобронхиального дерева только в одном на! правлении, транспорт оплодотворенной зиготы в половых путях женщины по направлению к полости матки). Механизмы, которые определяют строгую упорядоченность подобных дви! жений, пока неясны. Предполагают, что эта функция координируется путем формирования связей между базальными тельцами ресничек. Реснички представляют собой тонкий цилиндр с постоянным диаметром около 300 нм (рис. 1.30, а). Это вырост плазмолеммы (аксолемма), внутреннее содержимое которого — аксонема — состоит из комплекса микротрубочек и не! большого количества гиалоплазмы (рис. 1.30, б). Проксимальная часть реснич! ки погружена в гиалоплазму и образована базальным тельцем. Микротрубоч! ки располагаются по окружности выроста парами (дуплетами), повернутыми по отношению к радиусу реснички под небольшим (около 10 градусов) углом. В центре аксонемы расположена центральная пара микротрубочек. Формула расположения микротрубочек в ресничке описывается как (9 × 2) + 2. В каж! дом дуплете одна микротрубочка (A) является полной, т. е. состоит из 13 субъ! единиц, вторая (B) — неполной, содержит только 11 субъединиц. A!микротру!

70

Ãëàâà 1

бочка имеет динеиновые ручки, направленные к B!микротрубочке соседнего дуплета. С помощью нектин!связывающего белка микротрубочка A соединяет! ся с микротрубочкой B соседнего дуплета. От A!микротрубочки к центру аксо! немы отходит радиальная связка, или спица, которая оканчивается головкой на так называемой центральной муфте. Последняя окружает центральную пару микротрубочек. Центральные микротрубочки в отличие от периферических дуплетов микротрубочек располагаются отдельно друг от друга на расстоянии около 25 нм. Базальное тельце реснички состоит из 9 триплетов микротрубочек. A! и B!микротрубочки триплетов базального тельца, продолжаясь в A! и B!мик! ротрубочки дуплетов аксонемы, составляют вместе с ними единую структуру. Внутренние (цитоплазматические) части аксонемы и базального тельца отли! чаются друг от друга. В основаниях ресничек и жгутиков часто обнаруживают! ся так называемые исчерченные корешки (или кинетодесмы) — пучки фиб! рилл с поперечной исчерченностью, уходящие в гиалоплазму по направлению к ядру. Реснички не содержат в своем составе сократительных белков и к актив! ному сокращению не способны — они совершают однонаправленные биения, не изменяя при этом своей длины. В опытах на изолированных ресничках (лишенных аксолеммы, радиальных спиц и связок) была установлена ведущая роль белка динеина ручек в инициации биений ресничек. Оказалось, что выде! ленные аксонемы при добавлении к среде АТФ начинают увеличиваться в дли! не и одновременно истончаться. Это происходит за счет смещения пар микро! трубочек относительно друг друга или продольного скольжения дуплетов. При связывании с АТФ происходит конформация молекул динеина и переме! щение его головок вдоль микротрубочки от ее плюс! к минус!концу. Когда же реснички содержат полный состав всех компонентов и их периферические дуп! леты связаны с центральной парой микротрубочек, смещения дуплетов микро! трубочек становятся более жесткими и не приводят к изменению длины рес! нички, а только к ее изгибу и биению. Основными функциями микротрубочек являются: поддержание формы клетки, участие в процессах внутриклеточного транспорта органелл, секретор! ных и транспортных везикул и вакуолей, образование центриолей, ресничек и жгутиков. Промежуточные филаменты, в отличие от микрофиламентов и микротрубо! чек, построены из фибриллярных мономерных белков. Их пространственная конструкция напоминает плетение каната толщиной около 8—10 нм. В клетке они локализуются в виде трехмерной сети преимущественно в перинуклеар! ной области и собраны в пучки, которые направляются к периферии клетки. Здесь они либо входят в состав десмосом и полудесмосом (в клетках эпители! альных тканей), либо направляются в отростки (у нервных клеток). Эти части цитоскелета характерны для всех видов клеток, однако особенно хорошо разви! ты в клетках, испытывающих механические нагрузки, например в клетках эпи! дермиса, мышечных клетках, нейронах. Группу промежуточных филаментов составляет несколько родственных белков, однако в разных клетках это, как правило, разные белки (табл. 1.1).

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

71

Òàáëèöà 1.1 Виды промежуточных филаментов и их локализация в клетках различных типов Вид филамента

Цитотип

Цитокератины Десмин Глиальный фибриллярный кислый протеин Протеин нейрофиламентов Ядерный ламин Виментин

Эпителиальные клетки Мышечные элементы Клетки астроцитарной глии Нейроны Ядра всех клеток Клетки — производные мезенхимы

В клетках мезенхимного происхождения (соединительнотканных, эндоте! лиальных, клетках крови) промежуточные филаменты сформированы белком виментином (рис. 1.31). Последний представлен тремя видами молекул, имею! щих сходную молекулярную массу. В мышечных клетках промежуточные фила! менты состоят из белка десмина. В поперечно исчерченных мышечных волок! нах десминовые филаменты входят в состав Z!дисков и связывают их друг с другом в соседних миофибриллах и с плазматической мембраной. В нейронах и глиальных клетках промежуточные филаменты имеют разную химическую природу, но выполняют сходные задачи — поддерживают форму отростков нервных клеток и фиксируют трансмембранные белки ионных каналов, дея! тельность которых крайне важна для физиологии нервных клеток. В нейронах промежуточные филаменты формируют так называемые белки нейрофила! ментов, для которых характерны существенные вариации молекулярной массы, в глиоцитах — глиальный фибриллярный кислый белок. Методом иммуноцитохимии было показано, что в эпителиоцитах проме! жуточные филаменты сформированы кислыми и нейтральными кератинами. В клетках эпителиальных тканей идентифицировано около 20 изоформ кера! тинов. Помимо этих форм найдено еще 8 других форм в производных эпи! дермиса. В клетках эпидермиса промежуточные филаменты, связываясь с дру! гими белками, формируют роговое вещество, представляющее собой мощный защитный слой кожи, непроницаемый для многих водорастворимых опас! ных для организма соединений. Наконец, во всех клетках в соста! ве ядерной ламины (своеобразного ядерного скелета) идентифициро! ван еще один тип белков проме! жуточных филаментов — белки ядерной ламины. Имеются сведе! ния о том, что полимеризация бел! ков ламины происходит особым Рис. 1.31. Пучки промежуточных фила! ментов в цитоплазме эндотелиоцита (стрелки). Электронная микрофотогра! фия. Ув. 30 000

72

Ãëàâà 1

способом — в виде рыхлой прямоугольной решетки, в связи с чем (в отличие от устойчивых промежуточных филаментов цитоплазмы) слои ламины ла! бильны и легко разбираются во время митотического деления клетки. Будучи достаточно устойчивой, сеть промежуточных филаментов при по! вреждении клетки подвергается коллапсу — спадается в клубок. В этот клубок сети агрегируются поврежденные органеллы для последующего протеолиза. Можно полагать, что подобный коллапс промежуточных филаментов представ! ляет собой особую реакцию клетки на повреждение, когда она динамично сво! рачивает свои поврежденные структуры с тем, чтобы в оптимально короткие сроки их уничтожить и начать регенерацию. В процессе регенерации клетки сеть промежуточных филаментов восстанавливается. Это происходит, как пола! гают, в направлении от зоны клеточного центра (как и при восстановлении микротрубочек). Таким образом, возможно наличие в клетке единого общего центра организации микротрубочек и промежуточных филаментов. В этой свя! зи не случайно, что топография промежуточных филаментов в клетке часто по! вторяет расположение микротрубочек — эти структуры располагаются практи! чески параллельно. Основными функциями промежуточных филаментов являются: опорная, поддержание формы клетки, участие в формировании межклеточных соедине! ний типа десмосом и полудесмосом, специальные функции в различных типах клеток (в мышечных — фиксация миофибрилл к плазмолемме, в нейронах — поддержание формы отростков и участие в обеспечении работы ионных кана! лов, в эпителиальных клетках кожи — участие в образовании рогового вещест! ва — одного из компонентов барьера эпидермиса и др.).

Жизненный цикл и воспроизведение клеток Клетки имеют разную продолжительность цикла, и он определяется как период от одного деления до другого или (в случае выхода клетки из цикла репродукции) включает время дифференцировки, функционирования, старения и гибели (рис. 1.32). Клеткам (даже родственным генетически) предопределены разные пути развития и неодинаковая продолжительность жизни. В тканях имеются так называемые стволовые, камбиальные (малодиффе! ренцированные) и специализированные (или дифференцированные) клетки. Стволовые клетки, однако, обнаружены не во всех видах тканей, и основной их функцией является неограниченное во времени поддержание популяции малодифференцированных клеток. Как правило, стволовые клетки пребывают в фазе пролиферативного покоя. Камбиальные клетки не вступают на путь специализации, а в определенном режиме, пролиферируя, обеспечивают процессы физиологической регенерации тканей. В разных тканях камбиальные клетки имеют неодинаковую продол! жительность жизни, что связано с активностью обновления и регенерации тка! ни, спецификой функций и пр. Продолжительность жизни камбиальных клеток в тканях с высоким уровнем обновления структурных элементов (например, эпидермиса) сравнительно невелика, а камбиальных клеток в скелетной мы!

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

73

Рис. 1.32. Схема жизненного цикла клетки: G1 — пресинтетический период; S — синтетический период; G2 — постсинтетический период

шечной ткани — миосателлитоцитов — сравнима с продолжительностью жизни организма. Продолжительность жизни специализированных клеток тоже различна и зави! сит от многих причин, в том числе от характера функциональной специализации. Например, гранулоциты крови живут недолго (после выхода в соединительную ткань погибают через 7—8 сут). Продолжительность жизни высокоспециализиро! ванных эритроцитов (которые в ходе специализации утратили практически все органеллы и превратились в уникальную по своей структуре часть дифферона) — около 120 сут. Большинство клеток нервной, мышечных тканей живут долго. Деление клеток осуществляется посредством митоза. Митозу предшествует длительная интерфазная подготовка (см. рис. 1.32). Фазность всего митотиче! ского цикла генетически детерминирована. В интерфазе выделяют постмито! тический (пресинтетический) период — G1, синтетический, или период синте! за ДНК, — S и постсинтетический (премитотический) период — G2. Соглас! но полуконсервативной гипотезе, цепи родительской ДНК разделяются, и на каждой родительской цепи синтезируется новая цепь. Следовательно, в дочер! ние клетки попадают по одной родительской и комплементарной ей новой (до! черней) цепи ДНК. Так в каждой дочерней клетке сохраняется исходная двух! цепочечная структура молекулы ДНК — генетическая копия родительской. В митозе различают четыре фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 1.33). В профазу входят клетки из G2 — периода интерфазы, которые содержат тетраплоидное количество ДНК, соответствующее материалу 92 хромосом че! ловека. Метафазная пластинка формируется при группировке хромосом в об! ласти экватора клетки. В конце метафазы происходит обособление сестрин! ских хроматид — по 46, которые направятся в дочерние клетки в анафазе. В анафазе хромосомы синхронно удаляются друг от друга к противоположным полюсам клетки. Это самая короткая фаза митоза. В телофазе происходит деконденсация хромосом, разрушается митотический аппарат, в результате цитотомии возникают две дочерние клетки (рис. 1.34). Продолжительность митоза зависит от ряда факторов, особенно темпера! туры среды. Повреждения хромосом и митотического аппарата под влиянием

74

Ãëàâà 1

Рис. 1.33. Фазы митоза: а — профаза; б — метафаза; в — анафаза; г — телофаза

неблагоприятных факторов, в том числе токсико!химических веществ, сопро! вождаются образованием атипических митозов (рассеивание хромосом в про! фазе, образование анафазных мостов, многополюсных митозов и т. д.). Особым способом репродукции клеток является эндорепродукция: поли! плоидная и эндомитоз. Она сопровождается кратным увеличением содержа!

Рис. 1.34. Телофаза митоза (электронная микрофотография). Стрелки указывают на незавершенную цитотомию. Две дочерние клетки содержат конденсированные хромосомы и связаны между собой цитоплазматическим мостиком. Ув. 6000

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

75

ния ДНК в клетке без последующей цитотомии. Полиплоидизация, в отличие от митоза, осуществляется без снижения специфических клеточных функций и свойственна полифункциональным элементам (клеткам печени, сердца, слюн! ных желез и др.). Клеточный цикл регулируется многочисленными вне! и внутриклеточны! ми механизмами. К внеклеточным относятся влияния на клетку цитокинов, факторов роста, гормональных и нейрогенных стимулов. Роль внутриклеточ! ных регуляторов играют специфические белки цитоплазмы. В течение каждого клеточного цикла существуют несколько критических точек, соответствующих переходу клетки из одного периода цикла в другой. При нарушении внутрен! ней системы контроля клетка под влиянием собственных факторов регуляции элиминируется апоптозом либо на некоторое время задерживается в одном из периодов цикла. Ключевое значение в прохождении каждого периода цикла и подготовке клетки к вступлению в следующий период имеет сочетанное влия! ние внутриклеточных циклинов, циклин!зависимых киназ, анафазу!стимули! рующего белкового комплекса и других протеолитических энзимов. Группа циклинов включает G1!циклины, циклины S!периода, циклины М!периода. Соответственно этим формам циклинов в клетке существуют циклин!зави! симые киназы G1!, S! и М!периодов клеточного цикла. В ходе цикла содержа! ние циклинов существенно меняется, в то время как уровни циклин!зависимых киназ остаются относительно стабильными. Пока не произошло увеличение уров! ня G1!циклинов, клетка находится в состоянии пролиферативного покоя (G0). Увеличение уровня тех или иных циклинов является сигналом, побуждаю! щим клетку к прохождению очередного периода цикла. Например, увеличение уровня G1!циклинов является сигналом для подготовки клетки к репликации хромосом (рис. 1.35). Возникновение нового фактора из S!циклинов и цик! лин!зависимых киназ S!периода, которое сопровождается возрастанием обще! го уровня данного фактора в клетке, побуждает ее к вхождению в S!период, т. е. к репликации ДНК и центриолей. По завершении репликации ДНК уро! вень указанных циклинов снижается и возрастает уровень митотических цик! линов (в G2!периоде цикла). Так, митоз возникает при активации митоз!стиму! лирующего фактора, который является комплексом митотических циклинов и циклин!зависимых киназ М!периода. Данный пептидный комплекс ини! циирует сборку митотического веретена, разрушение ядерной оболочки, конден! сацию хромосом и вхождение клетки Рис. 1.35. Схема контроля движения клетки по клеточному циклу протеинами цитоплазмы: G1, S, G2, M — периоды клеточного цикла; G1c — G1!циклины; Sc + ScdK — комплекс S!циклинов и S!циклинзависимых киназ; Mc + McdK — комп! лекс М!циклинов и М!циклин!зависимых киназ; G0 .— период пролиферативного покоя; стрелки — направление движения клетки по циклу; черные кружки — контрольные точки клеточного цикла

76

Ãëàâà 1

в метафазу митоза. С этого момента активируется пептидный комплекс, отве! чающий за вхождение клетки в анафазу митоза, благодаря которому сестрин! ские хроматиды начинают расходиться к полюсам клетки, при этом циклины М!периода разрушаются и в клетке инициируется синтез G1!циклинов для сле! дующего цикла. Таким образом, все критические точки прохождения клеточного цикла находятся под контролем комплекса внутриклеточных протеинов. Мутации ге! нов, кодирующих некоторые из них, называются онкогенными. Например, в норме белок p53 воспринимает нарушение структуры ДНК и останавливает клетку при прохождении G1! или G2!периодов клеточного цикла. В случае возникновения нарушений в репликации ДНК белок p53 участвует в инициа! ции апоптоза. Ген, кодирующий данный белок, является опухоль!супресси! рующим. Существуют и некоторые другие белки, участвующие в определении повреждений синтеза ДНК, благодаря которым прерывается клеточный цикл и становится невозможным митотическое деление (за счет блока расхождения сестринских хроматид в анафазе митоза).

Дифференциация и реактивные изменения Дифференциация клеток — это появление стойких различий в их строении в связи со специализацией. В основе дифференциации клеток лежат процессы синтеза специфических белков. Молекулярные основы синтеза белков склады! ваются из транскрипции первичной структуры матричной РНК на основе инфор! мации ДНК (на схеме обозначены нуклеотидные последовательности кодирую! щей области генов — экзонные области); процессинга мРНК, в результате кото! рого из новообразованной цепи удаляются несмысловые последовательности нуклеотидов (сплайсинг), перехода новообразованной мРНК в цитоплазму и трансляции — синтеза белка на аппарате синтеза белков клетки (рис. 1.36). Различают следующие э т а п ы д и ф ф е р е н ц и а ц и и: 1) оотипическая (характерна для зиготы); 2) дозачатковая (бластомерная); 3) зачатковая; 4) тканевая, или органоспецифическая. Дифференциация сопровождается изменениями качественных, количест! венных и временных параметров, т. е. характеризуется изменениями клеток, темпом развития (ускоренная или замедленная) и степенью (малодифферен! цированные или высокодифференцированные клетки). Усложнение структуры клетки включает следующие морфологические изменения: приобретение опре! деленной формы и размеров ядра и клетки; установление закономерных отно! шений между ядром и цитоплазмой; развитие органелл общего значения; обра! зование специальных органелл; синтез специфических включений; образование межклеточного вещества (степень его развития); появление межклеточных взаимодействий и установление межклеточных и специализированных кон! тактов. Изменяется форма клеток. Так, эпителиальные клетки приобретают ку! бическую, призматическую или плоскую формы. Клетки тканей внутренней

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

77

Рис. 1.36. Схема транскрипции генетического кода с молекулы ДНК на молекулу матричной РНК. Объяснение в тексте

среды более разнообразны по форме. Соединительнотканные клетки выраба! тывают межклеточное вещество. Мышечные клетки содержат миофибриллы. Между нейронами формируются синаптические контакты. Для разных клеток характерны определенные взаимоотношения между процессами дифференцировки и деления (см. гл. 3). Однако в целом по мере повышения степени дифференцировки способность клеток к делению законо! мерно уменьшается. В гистогенезе клетки определенного цитотипа интегрируются, частично те! ряя свою относительную автономность, присущую ранней стадии (пролифера! тивной), вследствие формирования надклеточных регуляторных механизмов, оказывающих влияние на цитодифференцировку. В период формирования межклеточной интеграции ведущую роль приобретает клеточная мембрана и ее рецепторный комплекс. При этом клетки одного цитотипа характеризуются мозаикой по феномену циторецепции, что создает условия для адаптивной се! лекции клеток. Последнее является одним из механизмов формирования опти! мального соотношения базисных процессов гистогенеза — пролиферации, диф! ференциации и гибели. Реактивные изменения клеток в ответ на повреждающие воздействия про! являются сморщиванием (пикноз), распадом (рексис) и растворением (лизис) ядра, а также процессом набухания (внутриклеточный отек) или лизиса цито! плазмы. Кроме того, существует явление запрограммированной гибели кле! ток (апоптоз), которое возникает в результате запуска собственной программы самоуничтожения при участии внутренних и внешних факторов. Отчетли!

78

Ãëàâà 1

Рис. 1.37. Апоптоз клетки: Появление уплотненных масс хроматина (стрелки) в результате межнуклеосомных разрывов ДНК. Электронная микрофотография. Ув. 10 000

вым морфологическим проявлением апоптоза является появление в ядре резко очерченных уплотненных масс хроматина с внутренней стороны ядерной мем! браны (рис. 1.37). Наступает ядерная и цитоплазматическая фрагментация. В дальнейшем фрагменты клетки поглощаются соседними клетками. При этом признаки воспаления отсутствуют. Биохимической основой апоптоза является активация эндонуклеазы в ядре, которая приводит к разрыву цепи ДНК между нуклеосомами (см. гл. 3). Реактивные процессы в клетках при воздействии на организм экстремаль! ных факторов среды сопровождаются изменением клеточных органелл, набу! ханием митохондрий, распадом митохондриальных крист, дезорганизацией ЭС, пикнозом ядра. При нарастании степени повреждения эти дистрофические из! менения становятся необратимыми, и клетка распадается, подвергаясь некрозу. Рассматривая клетку как элементарную единицу живой материи с обще! биологических позиций, важно определить ее положение и роль в составе иерархически наиболее высокоорганизованной биологической системы — орга! низма. Здесь клетка выступает как ведущая структурно!функциональная еди! ница самостоятельного уровня структурной организации живого — ткани. В ткани каждый тип клеток запрограммирован на выполнение ряда спе! циальных функций, и, если клетки характеризуются в составе ткани морфоло! гической индивидуальностью, это значит, что такая форма организации наи! более целесообразна для выполнения тканями специфических функций. Чтобы выполнять запрограммированные функции в соответствии с по! требностями и адаптивными потенциями ткани, клетка должна активно вос! принимать тканевое окружение, реагировать на него и изменять свою функцио! нальную активность в зависимости от общетканевого гомеостазиса. Для этого в клетке значительная ее часть представлена мембранными структурами, важ! нейшей из которых (с рассматриваемых позиций) является плазмолемма. Буду! чи пограничным мембранным комплексом клетки, плазмолемма с помощью

Îñíîâû ó÷åíèÿ î êëåòêå — ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöå òêàíåé

79

своего рецепторного аппарата связывает внутриклеточную среду с тканевой, де! лая клетку лишь относительно автономной структурно!функциональной едини! цей ткани, обеспечивает межклеточные отношения и взаимодействие регуля! торных механизмов ткани с внутриклеточными структурами и является важ! нейшей частью системообразующего механизма гистогенеза. Воспринимая изменения тканевой среды (микроокружения), плазмолемма передает эту информацию по трансдукторной сети внутрь клетки на ключевые функциональные комплексы (энзимные белки, депо кальция, ядро и пр.), ко! торые обеспечивают перестройку физиологической активности клетки в пол! ном соответствии с реактивностью ткани в целом. Плазмолемма, будучи свое! образной вынесенной на периферию частью общеклеточной мембранной системы, является прямым продолжением этого сложного внутриклеточного мембранного конвейера, представленного эндоплазматической сетью, ком! плексом Гольджи, ядерной мембраной, реализующего все общеметаболические и специальные функции клетки. Благодаря тесному посредническому контакту плазмолеммы с тканевой сре! дой, с одной стороны, и прямой связи с ключевыми внутриклеточными функ! циональными комплексами, с другой, клетка представляет собой целостную, устойчивую и вместе с тем необычайно динамичную биологическую систему на всех этапах своего жизненного цикла и деятельности в составе тканей. По! следние, в силу иерархической организации живого, развиваются и функцио! нируют на основе своих собственных законов. Ëèòåðàòóðà Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки : пер. с англ. — 2!е изд. (тт. 1—3). — М. : Мир, 1994. Белоусова А. К. Молекулярные основы специфического взаимодействия сигнальных белков // Успехи совр. биологии. — 1999. — Т. 119, № 4. — С. 345—358. Белохвостов А. С. Экстрахромосомные ДНК в клетках млекопитающих // Успехи совр. биол. — 1997. — Т. 117, вып. 4. — С. 443—441. Браше Ж. Живая клетка. — М. : Мир, 1962. — С. 11—29. Горбунова И. Н., Баранов В. С. Введение в молекулярную диагностику и генотера! пию наследственных заболеваний. — СПб. : Специальная Литература, 1997. Де Дюв К. Путешествие в мир живой клетки : пер. с англ. — М. : Мир, 1987. Заварзин А. А., Харазова А. Д. Основы общей цитологии. — Л. : ЛГУ, 1982. Миронов А. А., Комиссарчик Я. Ю., Миронов А. А. мл., Снегиревская Е. С., Луини А. Современные представления о структуре и функции пластинчатого комплекса // Цито! логия. — 1998. — Т. 40, № 6. — С. 483—496. Мушкамбаров Н. Н., Кузнецов С. Л. Молекулярная биология. — М. : МИА, 2003. Программированная клеточная гибель / под ред. В. С. Новикова. — СПб. : Наука, 1996. Робинсон М. В., Труфакин В. А. Апоптоз и цитоксины // Успехи совр. биологии. — 1999. — Т. 119, № 4. — С. 359—367. Свенсон К., Уэбстер П. Клетка : пер. с англ. — М. : Мир, 1980. Соловьев В. Д., Хесин Я. Е., Быковский А. Ф. Очерки из вирусной цитопатологии. — М. : Медицина, 1979. Тронов В. А. Репарация ДНК и апоптоз // Цитология. — 1999. — Т. 41, № 5. — С. 405—411.

80

Ãëàâà 1

Фаллер Г. М., Шилдс Д. Молекулярные основы медицинской клеточной биологии. — М. : Бином!Пресс, 2004. Щелкунов С. И. Основные принципы клеточной дифференцировки. — М. : Медици! на, 1977. Ченцов Ю. С. Общая цитология. — М. : Изд!во МГУ, (1984) 1995. Beck K. A., Buchanan J. A., Nelson W. J. Golgi membrane skeleton: identification, localiza! tion and oligomerization of a 195 kDa ankyrin isoform associated with the Golgi complex // J. Cell. Sci. — 1997. — V. 110. — (Pt10). — P. 1239—1249. Brinkley W. Microtubules: a brief historical perspective // J. Struc. Biol. — 1997. — V. 118 (2). — P. 84—86. Cohen G. M. Caspases: the executioners of apoptosis // Biochem J. — 1997. — V. 326. — Pt. 1. — P. 1—16. Foisner R. Dynamic organisation of intermediate filaments and associated proteins du! ring the cell cycle. // Bioessays. — 1997. — V. 19 (4). — P. 297—305. Gartner L. P., Hiatt J. L. Color Atlas of Histology. — Baltimore: Williams and Wilkins, 1990. Georgatos S. D., Pyrpasopoulou A., Theodoropoulos P. A. Nuclear envelope breakdown in mammalian cells involves stepwise lamina disassembly and microtubule!driven deformation of the nuclear membrane // J. Cell. Sci. — 1997. — V. 110—(Pt. 17). — P. 2129—2140. Hinshaw J. E. Architecture and design of the nuclear pore complex // Cell. — 1992. — V. 69. — P. 1133—1141. Morris A. J., Malbon C. C. Physiological regulation of G!protein!linked signaling // Phy! siol. Rev. — 1999. — V. 79. — P. 1373—1430. Palosaari P. M., Kilponen J. M., Hiltunen J. K. Peroxisomal diseases // Ann. Med. — 1992. — V. 24. — P. 163—168. Stevens A., Lowe J. S. Histology. — London: Mosby — Year Book Europe Ltd., 1993. Virchow R. Die Cellularpathologie in ihrer Begrundung auf physiologische und patholo! gische Gewebelehre. — Berlin: Verlag von A. Hirschwald, 1862.

Глава 2 РЕЦЕПТОРНО-ЭФФЕКТОРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ В РЕГУЛЯЦИИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

Все акты жизнедеятельности животных организмов осуществляются в рам! ках рефлекторных цепей, непременными атрибутами которых от организ! менного до клеточного и макромолекулярного уровней являются рецепторное, эффекторное и сопрягающее звенья. На уровне организма функцию сопряже! ния рецепторных и эффекторных органов выполняет нервная система, на кле! точном и субклеточном уровнях информация от рецептивных звеньев пере! дается к эффекторным разными путями: контактно, диффузно, электрически по клеточным и внутриклеточным мембранам, с помощью белковых моле! кул и др. Процесс опознания и связывания управляющего сигнала, или лиганда (от лат. ligare — связывать), его обработки и трансформации в пострецептор! ный управляющий сигнал является функцией первого звена клеточной рефлек! торной цепи — особым образом устроенного рецепторного белка, называемого клеточным рецептором. Первичными сигналами могут быть химические моле! кулы, кванты света, звуковые волны, механические раздражения и др. С по! мощью рецепторов осуществляется информативная связь клеток друг с дру! гом, воспринимаются сигналы о состоянии тканевого гомеостазиса, опосре! дуются команды из нервной системы, регулируются процессы морфогенеза, физиологической и репаративной регенерации. Первое определение термина «рецептор» было дано Эрлихом по отноше! нию к лекарственным веществам: рецептор — участок клетки, селективно свя! зывающий лекарственное вещество и опосредующий реализацию его фармако! логического эффекта. В свете современных данных, рецепторы представляют собою высокомолекулярные конформационно!подвижные белковые и нуклеи! новые трехмерные структуры. Для каждой молекулы лиганда существует комп! лементарный субучасток на макромолекуле!рецепторе. Этот субучасток пред! ставляет собою функциональную часть рецептора, способную взаимодейство! вать с лигандом, остальная же конформационно!подвижная часть является основой для собственно рецепторной части и одновременно трансформатором первичного сигнала в конформационный сигнал, предназначенный для после! дующей передачи на управляемый рецептором эффектор. Известны два типа рецепторов, различающихся по своей локализации — экзорецепторы и эндо! рецепторы. Экзорецепторы связаны с плазматической мембраной. Они могут нахо! диться на ней, быть интегрированными в нее, т. е. пронизывать мембрану на! сквозь, прикрепляться к внутренней ее стороне. Если лиганды представляют со! бою гидрофильные молекулы, то связывающие участки рецептора обращены к окружающей среде (такими лигандами являются практически все нейро!

82

Ãëàâà 2

медиаторы, полипептидные гормоны, гистогормоны, простагландины и др.). Если лиганды являются гидрофобными соединениями (например, стероидные и тиреоидные гормоны), то связывающие участки рецепторов могут находиться в гидрофобной области или на внутренней стороне мембраны. Эндорецепторы локализованы внутри клеток. Лиганды этих рецепторов обладают способностью проникать сквозь биомембраны за счет своих гидро! фобных свойств путем пассивной диффузии или вследствие функционирова! ния специальных систем переноса (например, пиноцитоза или эндоцитоза), часто с участием рецепторов плазматических мембран. Структура и функции внутриклеточных рецепторов менее изучены, чем рецепторов плазматических мембран, поскольку их труднее выделить, не изменив при этом нативную их форму. Хорошо известно присутствие эндорецепторов для различных лигандов на рибосомах, в ядре (к гормонам), микросомах, в саркоплазматической сети, эндоплазматической сети и др. Роль нуклеиновых кислот в рецепции физио! логически активных веществ подтверждается известными фактами их участия в специфическом связывании гидрофобных молекул, проникающих через мем! браны (стероидные и тиреоидные гормоны). Прогресс учения о клеточных рецепторах определялся успехами в разра! ботке методических подходов в исследовании структурно!функциональных их особенностей. В первую очередь это были физиологические и биохимические методы с применением фармакологического анализа и разработанный позднее радиолигандный способ. Широкое применение находят методы электронного парамагнитного резонанса, ядерно!магнитного резонанса, молекулярно!биоло! гические, генетические и токсикологические. Для морфологического анализа разработана методика визуализации рецепторов с помощью меченых гормо! нов, нейротоксинов, моноклональных антител. В качестве маркеров исполь! зуются радиоактивные изотопы (3H, 14C, 21J, коллоидное золото, латексные микросферы, флюоресцентные красители, пероксидаза хрена). Меченые лиган! ды специфически связываются со своими рецепторами и затем выявляются на гистологических и электронно!микроскопических препаратах соответствен! но в виде зерен серебра, золота, железа, латексных микросфер, специфическо! го пероксидазного окрашивания, флюоресцентного свечения. В данном разделе клеточные рецепторы рассматриваются по возможности в сопряжении со своими клеточными эффекторами под общим названием ре! цепторно!эффекторные комплексы. Несмотря на интенсивность исследований, вопрос о морфобиохимической организации рецепторно!эффекторных комп! лексов еще далек от своего разрешения. Тем не менее наметились принципы их устройства и функционирования. Первичная информация в виде нейромеди! аторов, гормонов и других лигандов сначала поступает на поверхностную часть клетки. Одни лиганды, как, например, нейромедиаторы, в клетку не прони! кают. Под их влиянием сопряженные с рецепторами эффекторные звенья трансформируют первичные сигналы во вторичные сигналы (вторичные мес! сенджеры), которые затем проводятся тем или иным способом к внутрикле! точным эффекторам. Другие лиганды, как, например, гормоны (белково!пеп! тидные, стероидные), связываются с соответствующими им экзорецепторами и в виде лиганд!рецепторных комплексов погружаются внутрь клетки. Там ли!

Ðåöåïòîðíî-ýôôåêòîðíûå êîìïëåêñû â ðåãóëÿöèè æèçíåäåÿòåëüíîñòè...

83

ганды переадресовываются на соответствующие цитоплазматические либо ядер! ные эндорецепторы. Не исключен и диффузный путь поступления первичного (гидрофобного) лиганда в клетку. Исполнительными элементами клеточных экзорецепторно!эффекторных комплексов являются ионные каналы и ферментные молекулы. Соответствен! но можно разделить группу рецепторно!эффекторных комплексов на две боль! шие подгруппы — рецепторно!канальные и рецепторно!ферментные.

Рецепторно-канальные комплексы По конструкции различают два типа рецепторно!канальных комплексов. В одних случаях (тип I) рецепторы жестко сцеплены со своими эффекторами и сопряжение между ними осуществляется контактным способом. В других случаях (тип II) рецепторы отделены от своих эффекторов и сочленяются с ними с помощью оформленных сопрягающих элементов. Рецепторно!ка! нальные комплексы обеспечивают проведение ионов из внеклеточной среды во внутриклеточную. Непосредственными исполнителями проведения ионов являются так называемые транспортные трансмембранные (интегральные) бел! ки, конформационные структуры которых формируют внутренний канал, спо! собный открываться или закрываться в результате конформационных изме! нений, индуцированных активированным рецептором.

Ðåöåïòîðíî-êàíàëüíûå êîìïëåêñû òèïà I В комплексе типа I рецепторное звено (2) встроено в эффекторное зве! но (3) — стенку белкового канала (рис. 2.1). Вместе они образуют рецептор!ка! нал, в котором функцию сопрягающего звена выполняет непосредственный контакт, что обеспечивает быстроту физиологического ответа на действие ли! ганда. Известны четыре вида рецептор!каналов: никотиновый холинорецептор (H!холинорецептор), гамма!аминомасляный, глутаматный и глициновый. В ка! честве примера рассмотрим два из них: H!хо! линовый и глутаматный. H$холинорецепторы. К одному и тому же нейромедиатору ацетилхолину существует два типа рецепторов, один из которых возбуждает! ся никотином (H!холинорецепторы), другой — мускарином (М!холинорецепторы). H!холино! рецептор является составной частью быстро! Рис. 2.1. Схема организации рецепторно!канального комплекса типа I: 1 — лиганд; 2 — рецепторное звено (участок) в каналь! ном белке; 3 — эффектор (стенка канала); 4 — ионный канал; 5 — плазмолемма; 6 — ион

84

Ãëàâà 2

действующего рецептор!канала. M!холинорецепторы управляют своими эффек! тор!каналами посредством специализированных белков, что значительно сни! жает быстродействие. H!холинорецепторы присутствуют в соматической поперечнополосатой мышечной ткани, в вегетативных ганглиях симпатической и парасимпатиче! ской нервной системы, в клетках каротидного синуса, в шванновских клетках, амакринных клетках сетчатки, в клетках Рэншоу спинного мозга, в гипотала! мусе, гиппокампе, таламусе, зубчатом ядре, мозжечке, а также в ряде других структур головного мозга. В нервно!мышечных и нейроэпителиальных синап! сах H!холинорецепторы располагаются преимущественно в постсинаптических участках плазматических мембран, на внесинаптических участках их намного меньше. В периферических нейронах H!холинорецепторы обнаруживаются не только в плазмолемме, но и в цитоплазме — в мультивезикулярных тель! цах и в лизосомах. Распределение H!холинорецепторов на нейронах ЦНС исследовано не так тщательно, как на периферических нейронах. Сведения о свойствах и структуре H!холинорецепторов получены в основном на мате! риале электрических органов и скелетных мышц; накапливаются данные, что и в нейронах структурно!функциональная организация H!холинорецепторов идентична. В H!холиновом рецептор!канале выделяют два функционально различных компонента — узнающий центр и ионный канал. Узнающий центр — участки альфа!субъединиц, выступающие над поверхностью клеточной мембраны и об! ладающие способностью к опознанию и связыванию молекул ацетилхолина. Эти участки и составляют собственно H!холинорецептор (см. рис. 2.1). Моле! кулярный по своей организации рецептор встроен в стенку исполнительной части — канального белка, так что в целом все образование представляет со! бою рецепторно!эффекторный комплекс, предназначенный для генерирования потенциала действия в плазмолемме. Естественно, что нарушение любого звена в рецептор!канале, будь то на! следственное изменение или результат воздействия химическими и другими агентами, сказывается на функции всего комплекса. Так, при аутоиммунном за! болевании миастении вырабатываются антитела к выступающим в синаптиче! скую щель H!холиновым рецептор!каналам и дезинтегрируют их. Рецептор!ка! налы в конечном итоге погружаются в саркоплазму, сливаются с лизосомами и подвергаются полному разрушению. В результате число H!холинорецепто! ров сокращается, что и является основной причиной нарушения нервно!мы! шечной передачи при этом заболевании, проявляющемся слабостью и патоло! гической утомляемостью мышц. Некоторые лекарственные препараты (рапа! мицин, ФК506) обладают способностью связываться со стабилизирующим белком и усиливать чувствительность кальциевого канала к агонистам, напри! мер кофеину. Усиленный выход кальция из полости саркоплазматической сети может вызвать нарушение сердечной деятельности у больных, принимающих рапамицин и другие иммунодепрессанты. В фармакологии и нейротоксиколо! гии известно большое число химиопрепаратов, которые специфически взаимо! действуют с рецепторными участками, ионными каналами, а также с отдель! ными звеньями на пути дальнейшего прохождения сигналов к эффекторам,

Ðåöåïòîðíî-ýôôåêòîðíûå êîìïëåêñû â ðåãóëÿöèè æèçíåäåÿòåëüíîñòè...

85

Рис. 2.2. Глутаматные рецепторы: а — визуализация (стрелка) с помощью меченных коллоидным золотом моноклональных анти! тел к глутаматным рецепторам. Культура нейронов головного мозга крысы. Ув. 65 000 (пре! парат Ю. В. Бобрышева); б — схема глутаматного рецептор!канала. Собственно рецептор!канал в собранном из четырех субъединиц виде лежит на плазматической мембране. Под ним транс! мембранный белковый канал для пропуска ионов натрия, калия и др. Оба образования состыко! ваны «канал в канал»: 1 — воронкообразный канал в рецептор!канале; 2 — белковые субъедини! цы; 3 — участок опознания и связывания глутамата на одной из субъединиц; 4 — канал внутри трансмембранного белка (5). Составлено по текстовому описанию С. А. Дамбиновой (1989)

обеспечивающим конечные биохимические и физиологические ответы клетки. Такие вещества используются для изучения холинореактивных и других сис! тем, а также в лечебных целях. Глутаматные рецепторы. Ряд аминокислот (глутаминовая, аспарагиновая, гамма!аминомасляная, тауриновая и др.), кроме энергетических, выполняют еще и медиаторные функции, оказывая на клетки!мишени возбуждающие и тормозные действия. Глутамат (анион глутаминовой кислоты) является одним из основных возбуждающих нейропередатчиков в нервной системе. Наи! большее количество глутаматных рецепторов находится в коре больших полу! шарий, гиппокампе, полосатом теле, среднем мозге и в гипоталамусе. Глутаматный рецептор!канал состоит из четырех белковых субъединиц, образующих эллипсоидной формы комплекс с центрально расположенным воронкообразным каналом для селективного пропуска ионов натрия, калия, хлора, кальция (рис. 2.2, а, б). Вполне вероятно, что природа ионов, прохо! дящих через канал, определяется типом нейронов и их функциональной спе! циализацией. Рецепторный участок встроен в одну из субъединиц. В отличие от H!холинорецепторов, стабильно закрепленых в клеточной мембране, белко! вые субъединицы глутаматных рецептор!каналов в отсутствие лигандов нахо! дятся в диссоциированном состоянии и свободно плавают внутри мембраны или на ее поверхности. При поступлении глутамата субъединицы, по!видимо! му, ассоциируются, образуя рецептор!канал, причем непосредственно над пред! существующим трансмембранным ионным каналом, выступая над ним в виде пристройки и стимулируя его раскрытие. Следует подчеркнуть, что строгих

86

Ãëàâà 2

доказательств в пользу вышеупомянутых событий в литературе еще нет. По! являются сведения о том, что имеются разные типы глутаматных рецепторов: быстродействующие (тип I) и медленнодействующие (тип II). Описанный выше рецептор!канал является быстродействующим. Медленнодействующие глута! матные рецепторы участвуют в реализации химического сигнала через систе! му внутриклеточных посредников: циклических нуклеотидов и ионов кальция, однако соотношения их с быстродействующими и преимущественные места расположения еще не ясны. Механизм действия глутамата в системе головного мозга заключается в ин! дукции состояния возбуждения нейронов и их ансамблей. Связывание глута! мата с рецептор!каналом вызывает в постсинаптической мембране волну воз! буждения, которая распространяется по всему нейрону и по синапсам переки! дывается на соседние нейроны. Глутаматные рецепторы широко представлены в структурах головного моз! га, ответственных за проявление высших психических и двигательных функ! ций. Ряд нервно!психических заболеваний, таких, как хорея Гентингтона, шизофрения, эпилепсия, связаны с количественными и качественными измене! ниями глутаматергических систем. Так, получены убедительные данные, свиде! тельствующие в пользу вовлечения глутаматных рецепторов в механизмы ги! первозбудимости нейрональных элементов и генерализации эпилептиформных нарушений в головном мозге млекопитающих.

Ðåöåïòîðíî-êàíàëüíûå êîìïëåêñû òèïà II В рецепторно!канальном комплексе типа I, в котором рецепторный учас! ток непосредственно связан с управляемым им эффектором — стенкой ионно! го канала, достигается быстродействие лиганда, но степень управляемости процессами передачи информации в клетку ограничена. В комплексах типа II рецепторные молекулы и управляемые ими ионные каналы разделены в плос! кости плазмолеммы. Их взаимоотношения осуществляются разными спо! собами. К этой группе относятся часть M!холинорецепторов, альфа1!адреноре! цепторы, возможно также аденозиновые, часть Г1!гистаминовых, серото! ниновые и некоторые другие. Связь между рецепторными и эффекторными звеньями опосредуется сопрягающими звеньями, которыми в одних слу! чаях могут быть так называемые G!белки, в других — фосфатидилинозитол, в третьих — механическая волна возмущения, распространяющаяся по мем! бране при взаимодействии лиганда с рецептором, а также мембранный по! тенциал действия. В качестве примеров рассмотрим M!холинорецепторы и альфа1!адренорецепторы. Мускариновые рецепторы (М$холинорецепторы) обнаруживаются в гладкой мышечной ткани, сердечной мышечной ткани, секреторных клетках, вегета! тивных ганглиях, в клетках каротидного синуса, горизонтальных клетках сет! чатки, в нервных образованиях ЦНС — базальном ядре, хвостатом ядре, чер! ной субстанции, пирамидных нейронах, гиппокампе, обонятельной луковице

Ðåöåïòîðíî-ýôôåêòîðíûå êîìïëåêñû â ðåãóëÿöèè æèçíåäåÿòåëüíîñòè...

87

и др. М!холинорецепторы имеются не только в ЦНС и в периферических тка! нях, иннервируемых парасимпатическими нервами, но и в ряде отдельных кле! ток — в мембранах эритроцитов и нейтрофилов человека, лимфоцитов мышей, тучных клеток крыс. Наибольшей плотности распределения М!холинорецепто! ры достигают в экстрапирамидной системе и в обонятельной луковице. Воз! буждение М!холинорецепторов вызывает такие эффекты, как сужение зрачка, сокращение гладких мышц, иннервируемых парасимпатическими волокнами, стимуляцию секреции слюнных и желудочных желез, комплексное изменение функций сердечно!сосудистой системы и др. Собственно М!холинорецептор представляет собою трансмембранное обра! зование. Мускариновые рецепторы регулируют в целом ионную проницаемость мембраны и в первую очередь кальциевую. Между мускариновым рецептором и управляемым каналом нет прямой связи. Высказывается ряд гипотез относи! тельно механизма сопряжения этих образований. Согласно модели плавающе! го (мобильного) рецептора, последний находится во взвешенном (плавающем) состоянии в мембране и не связан непосредственно с какими!либо транспорт! ными системами, ионными каналами, ферментами и т. д. Присоединение ли! ганда к рецептору активирует его подвижность. В результате столкновения ре! цептора с каналом последний открывается. Другие механизмы исходят из того, что и сам рецептор, и управляемый им ионный канал являются стационарны! ми трансмембранными белками, осуществляющими между собой связь с по! мощью сопрягающих элементов. Согласно одной из гипотез, активированный лигандом рецептор через изменение метаболизма липидного бислоя мембраны активирует ионный канал к открытию. Не исключено также, что соединение ацетилхолина с рецептором вызывает концентрически разбегающиеся волны возмущения, которые активируют кальциевые каналы. И, наконец, между ре! цептором и эффектором в мембране находятся специальные G!белки, сопря! гающие их. Сопрягающие элементы — белковые молекулы, участвующие в об! работке и передаче информации от рецептора к эффектору. Как правило, они содержат еще и молекулярные участки, необходимые для усиления или ослаб! ления действия сигнала, однако исполнение клеточного ответа замедлено. Ста! вится вопрос о наличии в G!белках специфических участков, предназна! ченных не только для сопряжения с каналами, но и для связи с ферментами аденилатциклазой и гуанилатциклазой, продуцирующими вторичные мессенд! жеры (соответственно, циклические аденозин! и гуанозинмонофосфаты, со! кращенно цАМФ и цГМФ). Схема работы комплекса «М!холинорецептор—G!белок—ионный канал» показана на рис. 2.3. Лиганд (1), в данном случае ацетилхолин, взаимодействуя с рецептором (2), переводит его из неактивного состояния в активное. Это со! стояние передается сопрягающему G!белку (7 ) и далее к эффектору (3), т. е. кальциевому каналу. Канал открывается, ионы кальция устремляются в клетку и, как вторичный мессенджер, запускают в действие зависимые от него внутриклеточные процессы: сокращение мышечных волокон, активирование гуанилатциклазы к синтезу цГМФ, фосфорилирование некоторых белков, включая и сам М!холинорецептор, высвобождение секретов из железистых клеток и др.

88

Ãëàâà 2 Рис. 2.3. Схема организации рецепторно! канальных комплексов типа II: 1 — лиганд; 2 — рецепторное звено; 3 — эффектор (стенка канала); 4 — ионный ка! нал; 5 — плазмолемма; 6 — ион; 7 — сопря! гающее звено. Стрелками показано движение сигнала

Исследования, проводимые по изучению М!холинорецепторов при ряде за! болеваний, указывают на связь некоторых нарушений жизненных отправлений человека с качественными и количественными отклонениями рецепторных ха! рактеристик. Так, при болезни Гентингтона количество М!холинорецепторов в полосатом теле головного мозга в 2 раза ниже нормы; при болезни Альцгей! мера в гиппокампе число их понижено на 40 %. Альфа$адренорецепторы. Существуют два типа адренергических рецепто! ров — альфа! и бета!рецепторы. Альфа!рецепторы опосредуют, в основном, возбуждение функции (сужение сосудов, сокращение гладких мышц матки, мочевого пузыря, сфинктера зрачка) и в ряде случаев ингибирование функ! ции (расслабление мускулатуры кишечника). Рецепторы альфа!типа в свою очередь подразделяют на два подкласса — альфа1! и альфа2!адренорецепто! ры. Альфа1!адренорецепторы, связанные в своей функции с работой ионных каналов, будут рассмотрены в этом разделе. Альфа2! и бета!адренорецепторы в качестве исполнительного звена имеют ферментные молекулы и будут рас! смотрены в следующем разделе. Альфа1!адренорецепторы располагаются повсеместно в организме на пост! синаптических мембранах. Рецепторы этого типа обнаружены в гладких мио! цитах сосудов и других органов, в кардиомиоцитах, в гепатоцитах, экзокрино! цитах, клетках ЦНС, эпителиоцитах кишки и др. Принципиальная схема струк! туры альфа1!адренорецепторных комплексов в клетках разных тканей имеет некоторые различия. Почти во всех тканях стимуляция альфа1!адренорецепто! ров сопровождается повышением внутриклеточной концетрации Са2+. В этом случае, надо полагать, рецепторное звено сопряжено с кальциевым каналом. Однако в ЦНС стимуляция тех же рецепторов сопровождается изменением внутриклеточного уровня вторичного мессенджера цАМФ, выработка которо! го связана с деятельностью фермента аденилатциклазы как эффектора. Та! ким образом, в отношении подгруппы альфа1!адренорецепторов можно пола! гать, что в большинстве тканей они представлены рецепторно!канальными комплексами, в ЦНС — рецепторно!ферментными.

Рецепторно-ферментные комплексы Структурно они состоят из собственно рецепторных молекул, сопрягаю! щих белков и ферментных молекул в качестве эффекторов (рис. 2.4). Рецеп! торы представляют собой интегральные белки. Сопряжение рецептора с эффек!

Ðåöåïòîðíî-ýôôåêòîðíûå êîìïëåêñû â ðåãóëÿöèè æèçíåäåÿòåëüíîñòè...

89

Рис. 2.4. Схема организации рецепторно! ферментных комплексов: 1 — лиганд; 2 — рецепторное звено; 3 — эффекторное звено (ферменты аденилатцик! лаза, фосфолипаза и др.); 4 — сопрягающее звено; 5 — плазмолемма

тором осуществляется с помощью G!белков. Различают стимулирую! щие и ингибирующие сопрягающие белки (соответственно, Gs! и Gi!белки). В качестве эффекторных молекул слу! жат ферменты аденилатциклаза и гуанилатциклаза, являющиеся интеграль! ными белками. Они катализируют реакции образования цАМФ и цГМФ из АТФ и ГТФ. Тот и другой являются вторичными мессенджерами. С аденилатциклазой работают моноаминергические рецепторы (адрен!, норадрен! и дофаминерги! ческие), опиатные, инсулиновые, часть М!холинергических, серотониновые, энкефалиновые, Г2!гистаминовые и др. С гуанилатциклазой связана большая часть М!холинорецепторов, альфа!норадреналиновые, Г1!гистаминовые и дру! гие рецепторы. В качестве конкретных примеров возьмем два вида адреноре! цепторов, в одном из которых сопрягающий белок выполняет ингибирующую роль, в другом — стимулирующую. Альфа 2$адренорецепторы. Характерной особенностью альфа2!адренорецеп! торов является их способность в активированном состоянии ингибировать син! тез цАМФ, т. е. рецепторная молекула взаимодействует со своим эффектором аденилатциклазой через ингибиторный Gi!белок. В общем виде последователь! ность событий представляется следующим образом. Потенциал действия распространяется по нейрону, достигает нервного окончания и открывает кальциевые каналы в пресинаптической мембране. Ионы кальция стимулируют выброс нейромедиатора в синаптическую щель. Из синаптической щели молекулы лиганда устремляются к альфа2!адрено! рецепторам в пре! и постсинаптических мембранах. В постсинаптической мембране лиганд соединяется с рецептором и вызывает конформационное из! менение, влекущее его к соединению с Gi!белком. Последний активируется и соединяется с аденилатциклазой. В комплексе «лиганд—рецептор—Gi!бе! лок—аденилатциклаза» синтез вторичного мессенджера цАМФ снижается. Сни! жение концентрации цАМФ опосредует физиологический эффект в клетках щитовидной железы, в корковом веществе почек, околоушной железе, в клет! ках островков поджедудочной железы и др. Лиганд из синаптической щели по! ступает и на альфа2!андренорецепторы пресинаптической мембраны. Актива! ция рецептора через вторичный посредник цАМФ приводит к ингибированию в нервном окончании секреции нейромедиаторов. Бета$адренорецепторы. В основном опосредуют угнетение функции (рас! ширение сосудов, релаксация гладких мышц матки и бронхов) и в ряде случаев ее возбуждение (стимуляция миокарда). Они локализуются преимуществен! но в постсинаптических мембранах, но обнаруживаются в пресинаптических участках нервных окончаний. Бета!адренорецепторы подразделяются на два

90

Ãëàâà 2

подтипа. Рецепторы бета1!подтипа примерно одинаково чувствительны к адре! налину и норадреналину. Они, главным образом, присутствуют в сердце, жиро! вой ткани, сосудах и в головном мозге. Бета1!адренорецепторы входят в состав синапсов и реагируют в основном на норадреналин. Бета2!адренорецепторы имеют большее сродство к адреналину, чем к норадреналину. Они обнаруже! ны в легких, печени, исчерченных и неисчерченных мышцах различных орга! нов. Бета2!адренорецепторы располагаются внесинаптически и реагируют, в первую очередь, на катехоламины микроциркуляторного русла. По морфобиохимической организации бета!андренорецепторы относятся к аденилатциклазной группе, так как имеют аденилатциклазу в качестве эффек! тора. Детали строения и механизм опосредования физиологического ответа изложены выше при описании общей характеристики групп. Механизмы ра! боты бета!адренорецепторов в отличие от альфа2!адренорецепторов сводятся к активации аденилатциклазы в ответ на действие адреналина или норадре! налина и к синтезу цАМФ. Те или иные нарушения любого из звеньев клеточного адренорецепторно! го комплекса, будь то альфа! или бета!комплексы, могут явиться причиной за! болеваний. Аутоантитела к альфа2!адренорецепторам вызывают у пациентов аллергический ринит и астму. Для некоторых заболеваний выяснены места на! рушений в адренорецепторах. Мишенью действия ряда бактериальных экзоток! синов являются стимуляторные Gs!белки сопряжения. Токсин холеры, специ! фически соединяясь с такими белками, поддерживает постоянную активность аденилатциклазы и выработку избыточной цАМФ. Токсин коклюша не влияет на стимуляторные сопряжения, но тормозит действие ингибиторных белков. Известны и другие заболевания, связанные с врожденной или приобретенной недостаточностью тех или иных классов адренорецепторов.

Транспортные трансмембранные рецепторные комплексы Нейромедиаторы, как упоминалось ранее, в клетку не проникают. Дейст! вуя на поверхностные рецепторы, они включают механизмы, обеспечивающие выработку вторичных сигналов (мессенджеров) для запуска в действие внут! риклеточных реагирующих структур, сами же высвобождаются из связи с ре! цепторами и подвергаются разрушению либо обратному захвату нервным окон! чанием и реутилизации в нем. Ряд веществ, выполняющих информативную функцию (белково!пептидные, стероидные, тиреоидные и другие гормоны), должны транспортироваться внутрь клетки, так как они проявляют свою ли! гандную функцию для соответствующих внутриклеточных (цитоплазматиче! ских и ядерных) рецепторных комплексов в нативном состоянии. И, наконец, имеется достаточно большое число веществ, не несущих информативной на! грузки, но используемых клеткой в качестве энергетического и пластического материалов. Рецепторно!опосредованный перенос химических веществ внутрь клетки получил название интернализации. Суть его заключается в следующем. Кле! точная мембрана содержит углубления (ямки), покрытые со стороны цитоплаз!

Ðåöåïòîðíî-ýôôåêòîðíûå êîìïëåêñû â ðåãóëÿöèè æèçíåäåÿòåëüíîñòè...

91

мы клатрином — белком, фиксирующим рецепторы в мембране. В ямку, двига! ясь по мембране, попадают экзорецепторы. При поступлении лиганда (инфор! мативные или неинформативные молекулы) на рецепторно!эффекторные комплексы в последних вырабатываются вторичные лиганды, точкой действия которых являются протеинкиназы: цАМФ активирует А!киназу, цГМФ — G!киназу, диацилглицерин — C!киназу, Ca2+ — кальмодулинзависимую киназу. Протеинкиназы катализируют перенос фосфатных групп от молекул АТФ к мо! лекулам белка, в том числе рецепторным. Следствием фосфорилирования по! следних является индукция погружения рецепторов в клетку. При этом воз! можны два варианта. В одних случаях лиганд, связываясь со своим рецептором, вызывает фосфорилирование других рецепторных белков, нагруженных тем или иным веществом, и индуцирует их быструю интернализацию. В других слу! чаях лиганд вызывает интернализацию своего собственного рецептора (ре! цепторы инсулина и ряд факторов роста) — лиганд погружается в клетку вместе со своим рецептором. Транспортные трансмембранные рецепторы воспринимают такие лиган! ды, как липопротеины низкой плотности, гликопротеины, фибрин, кобала! мин и др. Характерной особенностью этих рецепторов является циркуля! торное движение с поверхности в глубь клетки и обратно. Наиболее изучены в настоящее время рецепторы липопротеинов низкой плотности, которые и рассмотрим в качестве примера интернализации в клетку неинформатив! ных лигандов. Рецепторы липопротеинов низкой плотности имеют непосредственное от! ношение к обмену холестерина, который синтезируется в печени и поступает в плазму крови. В клетку он транспортируется с помощью липопротеинов низ! кой плотности (ЛПНП), также находящихся в плазме крови (рис. 2.5). Холе! стерин соединяется с ЛПНП, в результате чего последний активируется и ста! новится способным к взаимодействию с рецепторами ЛПНП, располагающимися в плазматической мембране. Окаймленная клатрином ямка с холестерин! ЛПНП!рецепторными комплексами погружается внутрь цитоплазмы, превра! щаясь в окаймленный пузырек (рис. 2.6). Не вдаваясь в подробности, отметим, что в цитоплазме холестерин!ЛПНП!рецепторный комплекс распадается на ре! цептор и холестерин!ЛПНП. Рецептор возвращается в плазмолемму, холесте! рин!ЛПНП поступает в лизосому, где расщепляется на холестерин и ЛПНП. Холестерин встраивается в мембрану как составной ее элемент, ЛПНП возвра! щается в плазму крови для захвата новой порции холестерина. Нарушение обмена холестерина лежит в основе патогенеза ряда тяже! лых заболеваний, таких, как болезнь Нимана — Пика, ишемическая болезнь сердца и атеросклероз. В условиях поступления в организм животного больших количеств холестерина наступает состояние гиперхолестеринемии. При этом состоянии резко снижается регулируемый рецепторно!опосредованный захват холестерин!ЛПНП комплексов, но зато активируется нерегулируемый безре! цепторный эндоцитозный захват, результатом которого является в конечном итоге выброс ЛП!частиц совместно с холестерином в субэндотелиальное про! странство сосудистой стенки и образование впоследствии атеросклеротиче! ских бляшек. Известны генетически обусловленные семейные гиперхолесте!

92

Ãëàâà 2

Рис. 2.5. Схема организации и функционирования транспортных рецепторов неинфор! мационных молекул: х — холестерин; — ЛПНП; — рецептор; P — фосфат; 1 — ЛПНП!рецептор, загруженный комплексом липопротеин!холестерин; 2 — интернализация загруженного рецептора; 3 — отсоеди! нение рецептора от холестерин!ЛПНП; 4 — возвращение рецептора в плазмолемму; 5 — поступле! ние холестерин!ЛПНП в лизосому; 6 — отсоединение ЛПНП от холестерина; 7 — возврат ЛПНП в плазму крови; 8 — внедрение холестерина в плазмолемму; 9 — фосфорилирование рецептора

ринемии. Они связаны с практически полным отсутствием рецепторов ЛПНП либо их дефективностью. Дефекты рецепторов приводят к накоплению холе! стерина в крови и развитию атеросклеротических изменений в кровеносных сосудах. Цитоплазматические и ядерные рецепторы. Управление многими морфо! функциональными процессами внутри клетки осуществляется с помощью ряда экзолигандов, не подвергающихся предварительному преобразованию в поверх! ностных рецепторно!эффекторных комплексах. Проведение таких лигандов к внутриклеточным эффекторам осуществляется в несколько этапов. На пер! вом этапе молекула лиганда связывается с плазмолеммальным рецептором и в комплексе с ним погружается в цитоплазму. Там лиганд высвобождается и перебрасывается на цитоплазматический рецептор. Для одних лигандов (ци! топлазматических) этот рецептор будет конечным, для других (ядерных) — промежуточным. В последнем случае лиганд в комплексе с цитоплазматиче! ским рецептором поступает в ядро и соединяется с ядерным рецептором — конечной точкой приложения. К лигандам, взаимодействующим с расположенными внутри клеток рецеп! торно!эффекторными комплексами, относятся белково!пептидные, стероид! ные, тиреоидные и некоторые другие гормоны. Здесь мы остановимся на двух

Ðåöåïòîðíî-ýôôåêòîðíûå êîìïëåêñû â ðåãóëÿöèè æèçíåäåÿòåëüíîñòè...

93

Рис. 2.6. Рецепторно!опосредованный перенос липопротеинов низкой плотности в эндо! телиальную клетку: а — связывание меченных коллоидным золотом (черные точки) липопротеинов низкой плот! ности с мембранными рецепторами (ув. 40 000); б — погружение ЛПНП!рецепторных комплек! сов (интернализация) в цитоплазму в составе окаймленной ямки (ув. 46 000); в — дальнейшее продвижение комплексов в глубь цитоплазмы в составе окаймленного пузырька (препараты В. А. Нагорнева). Ув. 40 000

примерах, для которых достаточно хорошо известны конечные точки прило! жения, а именно на инсулиновых и тиреоидных рецепторах. Инсулиновые рецепторы. Инсулин относится к группе белково!пептидных гормонов, продуцируемых гипофизом (адренокортикотропный, липотропный, соматотропный, тиреотропный и другие гормоны), гипоталамусом (рили! зинг!факторы), поджелудочной железой (инсулин, глюкагон), щитовидной железой (тиреокальцитонин) и др. Сюда же можно отнести физиологически активные пептиды: ангиотензины, субстанцию P, соматомедины и др. Наибо! лее изученными из этой группы являются инсулиновые рецепторы. Они обна! руживаются в клетках практически всех тканей: в гепатоцитах, адипоцитах (рис. 2.7), моноцитах, эритроцитах, клетках панкреатических островков, в пла! центе, ядрах клеток щитовидной железы и т. д. Рецептор инсулинового рецепторно!эффекторного комплекса представляет собой интегральный белок, состоящий из двух альфа! и двух бета!субъеди! ниц. Рецептивный участок располагается на альфа!субъединице. Эффектор! ным звеном служит аденилатциклаза. Рецептор сопряжен с эффектором с по! мощью G!белка (участок бета!субъединицы), оказывающим, в отличие от дру! гих белково!пептидных гормонов, ингибирующее влияние на аденилатциклазу. При связывании инсулина с плазмолеммальными рецепторами PI (рис. 2.8) происходят двоякого рода события: во!первых, активация инсулиновых рецеп!

94

Ãëàâà 2

Рис. 2.7. Инсулиновые рецепторы. Культура адипоцитов. Визуализация рецепторов с помощью латексных шариков, содержащих инсулин (по: K. Takahashi, M. Tavasolli, 1983)

Рис. 2.8. Схема проведения инсулина к цитоплазматическим и ядерным рецепторным комплексам: — инсулин; — рецептор (Р); PI — плазмолеммальный рецептор; PII — цитоплазматический рецептор конечный; PIII — цитоплазматический рецептор промежуточный; PIV — ядерный ре" цептор; 1 — комплекс рецептор"инсулин; 2 — интернализация инсулин"рецепторного комплекса; 3 — возвращение рецептора PI в мембрану; 4 — сопрягающее звено; 5 — трансмембранный канал; 6 — аминокислоты, глюкоза, ионы; 7 — плазмолемма; 8 — мембрана эндоплазматической сети; 9 — ядерная оболочка; 10 — хромосома

Ðåöåïòîðíî-ýôôåêòîðíûå êîìïëåêñû â ðåãóëÿöèè æèçíåäåÿòåëüíîñòè...

95

торно!эффекторных комплексов и, как следствие, поступление в клетку пла! стических, энергетических и других веществ; во!вторых, индукция феномена фосфорилирования самого инсулинового рецептора, молекула которого обла! дает протеинкиназной активностью, и, как следствие, интернализация всего инсулин!рецепторного комплекса. В цитоплазме лиганд!рецепторный комплекс разъединяется. Рецептор PI возвращается в мембрану (7 ), а инсулин поступает либо на конечный цитоплазматический рецептор PII, либо на промежуточный цитоплазматический рецептор PIII и далее на конечный ядерный рецептор PIV, расположенный в хромосоме. Ядерные рецепторы, как правило, регулируют процессы транскрипции, т. е. в конечном итоге управляют белковыми синте! зами. Высказывается мнение, что раскрытием транспортных каналов сначала обеспечивается поступление в клетку энергетических и пластических материа! лов, которые потом будут необходимы для синтетических процессов после при! соединения молекул инсулина к своим конечным рецепторам PIV. Рецепторы гормонов, как и другие мембранные белки, подвергаются непре! рывному обмену: функционально отработанные белки деградируют, вновь син! тезированные встраиваются в мембрану. В клетках существует механизм ре! гулирования скорости деградации и синтеза рецепторных белков, что создает оптимальный уровень рецепторов на плазматической мембране клеток и внут! ри них, так что тем самым обеспечивается необходимая для клетки чувстви! тельность к гормональному сигналу. Знание механизмов регуляции, как числа рецепторов, так и сопряжения их с эффекторами, имеет большее значение для практической медицины. Так, у тучных людей отмечается резистентность к инсулину. У них при стабиль! ности метаболизма биологически активного инсулина наблюдается уменьшение его связывания, обусловленное снижением концентрации рецепторов к инсули! ну. Причиной резистентности к инсулину может быть наличие специфических антител к инсулиновым рецепторам, которые значительно уменьшают связы! вание инсулина с рецепторами. Антитела к инсулиновым рецепторам были обнаружены у пациентов с резистентными формами диабета. Рецепторы гормонов щитовидной железы. Гормоны щитовидной железы влияют на огромное количество метаболических процессов. Они участвуют в механизмах дифференцировки и созревания тканей, регулируют обмен ве! ществ, в том числе белковые синтезы. Рецепторы гормонов щитовидной желе! зы распространены повсеместно в организме, однако их концентрация в раз! личных тканях сильно варьирует. Считается, что тиреоидные гормоны сугубо ядерные, но пока это еще не вполне доказано. Возможно, что, как и в случае со стероидными гормонами, тиреоидные гормоны последовательно перебрасы! ваются с экзорецептора на цитоплазматический и далее на ядерный рецептор. Экзорецепторы к ним пока не обнаружены. По!видимому, как и в случае с про! гестероном, в цитоплазме находятся рецепторы с гормон! и ДНК!связываю! щими участками. Тиреоидные гормоны, поступая в клетку, прикрепляются к гормон!связывающему участку рецептора и в комплексе с ним перемещаются в ядро. В ядре гормон!рецепторный комплекс соединяется своим ДНК!связы! вающим участком со специфической последовательностью ДНК, изменяя экспрессию гена!мишени.

96

Ãëàâà 2

Механизмы переноса информации к эффекторным структурам, заключен! ные в молекулах рассматриваемого семейства лигандов, сложны и многозвен! ны. Нарушение работы любого из звеньев способно приводить к искажению физиологического ответа на гормональный сигнал. Так, например, отсутствие гормонов щитовидной железы в период развития организма приводит к нару! шению созревания мозга, проявляющемуся в форме выраженного слабоумия (кретинизма), у взрослых — к синдрому микседемы. Имеются сведения, что при развитии рака эндометрия у женщин важную роль играет длительная эстрогенизация, которая возникает при функциональных и органических изме! нениях в яичниках, нарушениях метаболизма стероидов, неадекватной гормо! нотерапии, изменении спектра секретируемых гормонов. Вопрос о нарушениях работы рецептора и рецепторных механизмов, опосредующих управляющее влияние данной группы лигандов на внутриклеточные органеллы!мишени, подробно рассматриваются во многих эндокринологических работах. Таким образом, жизнедеятельность клетки регулируется с помощью кле! точных рецепторно!эффекторных комплексов, состоящих из собственно рецеп! тора, эффектора и сопрягающего их элемента. Рецепторное звено восприни! мает первичный информационный сигнал и формирует собственный пост! рецепторный сигнал, предназначенный для специфического прохождения по остальным звеньям комплекса. Сопрягающее звено воспринимает пострецеп! торный сигнал и передает его на исполнительную структуру — эффектор. В ка! честве эффектора выступают ионные каналы, ферментные молекулы, каналы для метаболитов. Первые два образования формируют вторичные информа! ционные молекулы (Ca2+, цАМФ и др.), предназначенные для введения в дейст! вие внутриклеточных органелл, обеспечивающих физиологический ответ клет! ки. Часть первичных сигналов (нейромедиаторы) действует на экзорецепторы и не требует непосредственного проникновения в клетку, другая часть (инсу! лин, гормоны щитовидной железы и др.) проходит в нативном состоянии внутрь клетки (интернализация) для приведения в действие цитоплазматиче! ских и ядерных морфофункциональных образований. Визуализация клеточ! ных рецепторов на морфологическом уровне осуществляется с помощью мече! ния сигнальных молекул (лигандов), а также антител к рецепторным белкам. В основе многих заболеваний человека и животных существенную роль играют нарушения лиганд!рецепторно!эффекторных взаимоотношений. Ëèòåðàòóðà Аничков С. В. Нейрофармакология. — Л. : Медицина, 1982. Введение в биомембранологию / под ред. А. А. Болдырева. — М. : Изд!во МГУ, 1990. Говырин В. А., Жоров Б. С. Лиганд!рецепторные взаимодействия в молекулярной физиологии. — СПб. : Наука, 1994. Дамбинова С. А. Нейрорецепторы глутамата. — Л. : Наука, 1989. Климов А. Н., Нагорнев В. А. Клеточные и модуляторные механизмы транспорта ли! попротеидов в артериальную стенку при развитии атеросклероза // Усп. совр. биол. — 1984. Т. 98, вып. 1 (4). — С. 73—89. Перцева М. Н. Молекулярные основы развития гормонокомпетентности. — Л. : Нау! ка, 1989.

Ðåöåïòîðíî-ýôôåêòîðíûå êîìïëåêñû â ðåãóëÿöèè æèçíåäåÿòåëüíîñòè...

97

Пучков В. Ф. Клеточные рецепторно!эффекторные аппараты и их возможная роль в историческом и индивидуальном развитии организмов // Арх. анат. — 1984. — Т. 86, вып. 5. — С. 5—15. Розен В. Б., Смирнов А. Н. Рецепторы и стероидные гормоны. — М. : Изд!во Моск. ун!та, 1981. Сергеев П. В. Стероидные гормоны. — М. : Наука, 1984. Сергеев П. В., Шимановский Н. Л. Рецепторы физиологически активных веществ. — М. : Медицина, 1987. Скок В. И., Селянко А. А., Деркач В. А. Нейрональные холинорецепторы. — М. : Нау! ка, 1987. Штрауб Р. У., Болис Л. Рецепторы клеточных мембран для лекарств и гормонов. — М. : Медицина, 1983. Яглов В. В. Актуальные проблемы биологии диффузной эндокринной системы // Арх. анат. — 1989. — Т. 96, вып. 1. — С. 14—29. Conti$Tronsoni B. M. [et al.]. The nicotinic acethylcholine receptor: structure and auto! immune pathology // Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. — 1994. — V. 29. — P. 69—123. Fain J. N. Hormones, Membranes and Cyclic Nucleotides // Receptors and Recognition. Series A. — V. 6. — London, New York : Chapman and Hall, 1978. Kawagushi H., Kitabatake A. Alterations of signal transduction system in heart failure // Jap. Heart J. — 1997. — V. 38. — P. 317—332. Lloid C. W., Rees D. A. Cellular Controls in differentiation. — London, New York : Acad. Press, 1981. Marks A. R. Intracellular calcium!release channels: regulation of cell life and death // Am. J. Physiol. — 1997. — V. 272. — P. 597—605. Mikoshiba K. The InsP3 receptor and intracellular Ca2+ signalling // Curr. Opin. Neuro! biol. — 1997. — V. 7. — P. 339—345. Mitra A. K., McCarthy M. P., Stroud R. M. Three!dimesional structure of the nicotinic acetylcholine receptor and location of the major associated 43!kD cytoskeletal protein, determined at 22Е by low dose electron microscopy and X!ray diffraction to 12,5Е // J. Cell Biol. — 1989. — V. 109. — P. 755—774. Naito Y., Amasaki Y. Cytokine gene expression in Th1—T2: its molecular mechanism and clinical implication. Nippon Rinsho!Jap // J. Clin. Med. — 1997. — V. 55. — P. 1431— 1437. Le Novere N., Changeux J. P. Molecular evolution of the nicotinic acethycholine receptor : an example of multigene family in excitable cells // J. Mol. Evolution. — 1995. — V. 40. — P. 155—172. Van Obberghen E., Roth J. The insulin receptor and its function // Receptors and Recogni! tion. Series B. — V. 13. — London, New York: Chapman and Hall, 1982. Soullam B., Worman H. J. Signals and structural features involved in integral mem! brane proteine targeting to the inner nuclear membrane // J. Cell Biology. — 1995. — V. 130. — P. 15—27.

Глава 3 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КЛЕТОЧНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ, РАЗВИТИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ ТКАНЕЙ

Организм животных и человека — целостная живая система. В настоящее время под системой понимается комплекс взаимодействующих друг с другом элементов. Каждый элемент системы в известной мере самостоятелен, но за! кономерно взаимодействует с окружающей средой и подчинен сложившемуся в эволюции живого принципу целостности системного объединения.

Ткани как структурные компоненты живых систем Ткани являются главным объектом гистологических исследований и с по! зиции иерархической организации живого они определяются как его част! ный уровень наряду с системоорганным, органным, клеточным, субклеточным и молекулярным. Все перечисленные компоненты находятся в тесных взаимо! отношениях, границы условны, нижележащий уровень является частью выше! лежащего и так далее, составляя соответствующие целостные системы, высшей формой организации которой является организм животных и человека. Вы! деление определенных уровней организации живого позволяет более точно определить комплекс научных методов исследования и определить круг задач, подлежащих изучению. В этом аспекте гистология изучает закономерности развития, строения и функционирования тканей как в индивидуальном, так и в историческом развитии. Однако гистология теснейшим образом связана с цитологией, поскольку клетки являются ведущим элементом тканей, и с эмб! риологией, так как сведения о клетках и тканях организма будут неполными, если не изучены эмбриональные источники развития и возрастная динамика развития тканей. В эмбриогенезе у всех позвоночных возникают зародышевые листки и эмб! риональные зачатки тканей. Для того чтобы выяснить, когда в фило! и онто! генезе появляются ткани, предлагается рассматривать три характеризующих ткань критерия: 1) ткань — система с упорядоченным взаимодействием и су! щественной взаимозависимостью подчиненных элементов; 2) ткань — особый уровень организации живого вещества, главным элементом которого являют! ся клетки; 3) ткань обладает внутренней определенностью, т. е. способностью предсказуемо изменять свои свойства. Формирование в процессе развития животного определенной клеточной системы с вышеперечисленными свой! ствами позволяет высказаться в пользу возникновения ткани как самостоя! тельного уровня организации рассматриваемого организма (Борисов И. Н. [и др.], 1986).

Îáùèå ïðèíöèïû êëåòî÷íîé îðãàíèçàöèè, ðàçâèòèÿ è êëàññèôèêàöèè òêàíåé

99

С позиции филогенеза предполагается, что в процессе эволюции организ! мов как у беспозвоночных, так и позвоночных образуются четыре тканевые системы, обеспечивающие основные функции организма: 1) покровные, от! граничивающие от внешней среды; 2) внутренней среды — поддерживающие постоянство состава внутренней среды организма (гомеостазис); 3) мышеч! ные — отвечающие за движение; 4) нервные — отвечающие за раздражимость. Объяснение этому феномену дали А. А. Заварзин и Н. Г. Хлопин, которые за! ложили основы учения об эволюционной и онтогенетической детерминации тканей. Так, было выдвинуто положение о том, что ткани образуются в связи с основными функциями, обеспечивающими существование организма во внеш! ней среде. Поэтому изменения тканей в эволюции идут параллельными путями (теория параллелизмов А. А. Заварзина). Однако дивергентный путь эволюции организмов ведет к возникновению все большего разнообразия тканей (теория дивергентной эволюции тканей Н. Г. Хлопина). Из этого следует, что ткани в филогенезе развиваются и параллельными рядами, и дивергентно. Дивергентная дифференциация структур в каждой из четырех тканевых систем в конечном итоге привела к большому разнообразию видов тканей, ко! торые гистологи в последующем стали объединять в группы. Однако стало ясно, что в ходе дивергентной эволюции ткань может развиваться не из одного, а из нескольких источников. Выделение основного источника развития ткани, дающего начало ведущему клеточному типу в ее составе создает возможности для классификации тканей по генетическому признаку, а единство структуры и функции — по морфофизиологическому. Исследованиями С. И. Щелкунова, А. Г. Кнорре, В. П. Михайлова, А. А. Кли! шова, П. В. Дунаева и других выявлены новые аспекты исторического и ин! дивидуального развития тканей. Наряду с детерминацией в гистогенезе уста! новлено большое значение интеграции, гетерохронии, адаптации и других процессов.

Развитие тканей в онтогенезе В общем виде процесс развития тканей можно разделить на прогистогенез (развитие клетки от зиготы до эмбриональных зачатков включительно) и сле! дующий — собственно гистогенез, который протекает как в эмбриональном (эмбриональный гистогенез), так и на протяжении всей постнатальной жизни организма (постнатальный гистогенез, или возрастная динамика тканей). Про! гистогенез тесно связан с основными понятиями эмбриологии.

Ïðîãèñòîãåíåç Знакомство с эмбриогенезом позвоночных позволяет оценить с позиции сравнительной эволюционной гистологии постепенное изменение основных эмбриологических и гистогенетических процессов и в то же время преемст! венность этих изменений в их общебиологической основе, экстраполировать

100

Ãëàâà 3

некоторые этапы эмбриогенезов на развитие человека. В эксперименте на жи! вотных можно моделировать различные условия развития, изучать действие тератогенных веществ на органо! и гистогенезы, а также критические перио! ды развития позвоночных. Индивидуальное развитие, или онтогенез, начинается с момента оплодотво! рения и завершается смертью организма. Принято различать эмбриональный (зародышевый, пренатальный) и постэмбриональный (постнатальный) перио! ды индивидуального развития. Эмбриональный период развития (эмбриогенез), в свою очередь, можно представить в виде ряда последовательно сменяющих друг друга биологиче! ских процессов — оплодотворения, дробления, возникновения бластулы и га! струлы, обособления комплекса зачатков органов и тканей, гисто! и органо! генеза. Оплодотворение — это слияние мужской и женской половых клеток. Пос! ле проникновения генетического материала сперматозоида в яйцеклетку воз! никает новая одноклеточная живая система — зигота с диплоидным содер! жанием хромосом. Зигота обладает свойством тотипотентности, т. е. способ! ностью дать начало всему разнообразию клеток и тканей будущего организма. Дробление — серия повторяющихся митотических делений зиготы и ее до! черних клеток — бластомеров, без последующего роста их размеров до размера материнской клетки. Новые клетки не расходятся, а тесно прилежат друг к дру! гу. Ритм дробления зависит от вида животного и колеблется от десятков минут до десяти и более часов. Темпы дробления не сохраняются постоянными и ре! гулируются многими факторами. В результате дробления возникает многокле! точный зародыш, или бластула. Характер дробления определяется количест! вом желтка и разным распределением его в цитоплазме яйцеклетки (гипотеза О. Гертвига). Маложелтковые (алецитальные и олиголецитальные), а также изолецитальные яйцеклетки (клетки с небольшим количеством и равномер! ным распределением желтка) дробятся полностью (голобластически) и равно! мерно. Однако следует понимать, что бластомеры при, казалось бы, внешне одинаковых размерах могут отличаться своими биохимическими свойства! ми, и понятие равномерности условно. В случае высокого содержания желтка в яйцеклетке говорят о многожелтковых, или полилецитальных, яйцеклет! ках, в которых желток сосредоточен в вегетативной, а органеллы — в ани! мальной частях. Дробление в обогащенной включениями вегетативной части цитоплазмы клетки происходит более медленно. При этом дробление заро! дыша полное, но неравномерное, и бластомеры на вегетативном полюсе отли! чаются большими размерами, чем на анимальном (мезолецитальная яйцеклет! ка) полюсе. В случае очень больших запасов белково!липидных включений в яйцеклетке говорят о телолецитальной или резко телолецитальной яйце! клетке (рис. 3.1). В этом случае дробится лишь часть анимального полюса яйцеклетки, дробление частичное, или меробластическое (дискоидальное, по! верхностное). У плацентарных млекопитающих яйцеклетка маложелтковая — вторично олиголецитальная и изолецитальная. Дробление полное, однако по характеру строения бластомеров и закономерностям появления новых бластомеров оно

Îáùèå ïðèíöèïû êëåòî÷íîé îðãàíèçàöèè, ðàçâèòèÿ è êëàññèôèêàöèè òêàíåé

101

Рис. 3.1. Способы дробления зиготы: А — полное равномерное; Б — полное неравномерное; В — неполное, частичное, дискоидальное

относится к неравномерному и асинхронному. В результате дробления возни кает многоклеточный зародыш, именуемый бластулой. Бластула встречается в виде целобластулы с большим бластоцелем, если дробление полное и равномерное; в виде амфибластулы, когда дробление пол ное, но неравномерное, вследствие чего бластоцель располагается эксцентрич но. В бластуле различают стенку — бластодерму и полость — бластоцель, за полненную жидкостью. В свою очередь в бластодерме выделяются крыша (ани мальный полюс дробления), дно (вегетативный полюс дробления), краевая зона, расположенная между двумя вышепоименованными частями бластулы. Если дробление частичное, затрагивающее только часть (анимальную) яйце клетки (дискоидальное дробление), то это приводит к возникновению много слойной структуры, напоминающей диск (дискобластула). У млекопитающих в результате полного асинхронного дробления возникает зародышевый пу зырек, или бластоциста. В бластоцисте выделяют клетки внутренней клеточ ной массы (эмбриобласт), которые являются источниками развития всех кле ток и тканей тела зародыша, включая часть тканей внезародышевых органов, и клетки наружной клеточной массы — трофобласт (см. гл. 17). Главным итогом процесса дробления является увеличение числа клеток зародыша до такого критического значения, при котором в клеточных пластах начинают возникать механические напряжения, инициирующие направленные перемещения клеток в определенные участки зародыша. Продолжение актив ной пролиферации клеток в развитии зародыша является одним из механиз мов клеточных транслокаций и, в частности, гаструляции. Гаструляция — результат активного деления клеток, роста и направленных перемещений (миграций) клеточных потоков с формированием многослойного зародыша, или гаструлы, (возникновением послойно расположенных, отде ленных друг от друга отчетливой щелью, зародышевых листков: наружного — эктодермы, среднего — мезодермы, внутреннего — энтодермы). Перемеще ние клеток происходит в строго определенной области зародыша. У разных представителей позвоночных гаструляция совершается несколь кими основными способами: путем инвагинации (впячивания), иммиграции (перемещения части клеток внутрь зародыша), эпиболии (обрастания), дела минации (расщепления). Способы гаструляции зависят от типа яйцеклетки (рис. 3.2). При любом способе гаструляции в качестве ведущих сил высту пают неравномерная пролиферация клеток в разных частях зародыша, уровень

102

Ãëàâà 3

Рис. 3.2. Способы гаструляции: А — инвагинация; Б —эпиболия, или обрастание; В — иммиграция; Г — деламинация, или рас щепление

обменных процессов в клетках, расположенных в разных частях зародыша, активность амебоидных движений клеток, а также индуктивные факторы (бел ки, нуклеопротеиды, стероиды и др.).

Çàðîäûøåâûå ëèñòêè è ýìáðèîíàëüíûå çà÷àòêè òêàíåé. Ñòâîëîâûå òêàíåâûå êëåòêè В результате гаструляции возникает многослойный зародыш. Несмотря на различные способы гаструляции после выделения материала зародышевых листков по оси зародыша находится материал хорды, который подстилает нервную пластинку, слева и справа от хорды располагается материал мезодер мы. Все это характеризует осевой комплекс зачатков. В дальнейшем происхо дит формирование зачатков органов, представляющих собой пространственно локализованные группы стволовых клеток — источников развития тканей (рис. 3.3). По мере увеличения числа клеток возникают клеточные группы, или по пуляции, объединенные общностью локализации в составе зародышевых лист ков (эмбриональных зачатков) и обладающие сходными гистогенетическими потенциями. У большинства позвоночных локализация зачатков тканей и орга нов в составе зародышевых листков и развитие из них конкретных производ ных совпадает. Так, кожная эктодерма является источником развития кожного эпителия. Нервная трубка содержит стволовые клетки для развития тканевых элементов нервной системы. Из кишечной энтодермы развивается выстилка кишечной трубки, крупные железы пищеварительного тракта (печень, подже

Îáùèå ïðèíöèïû êëåòî÷íîé îðãàíèçàöèè, ðàçâèòèÿ è êëàññèôèêàöèè òêàíåé

103

Рис. 3.3. Развитие зародыша курицы, образование туловищной и амниотической складок: 1 — эктодерма; 2 — нервная трубка; 3 — хорда, 4 — кишечная энтодерма; 5 — амниотиче ская складка; 6 — туловищная складка; 7 — сомит мезодермы; 8 — дерматом; 9 — мио том; 10 — склеротом; 11 — нефротом; 12 — аорта

лудочная железа). Мезодерма содержит в себе стволовые клетки для большого числа производных — скелетной мышечной ткани (миотомы сомитов), соеди нительных тканей кожи (дерматомы сомитов), скелетных тканей (склеротомы сомитов) и др. Особое место в развитии тканей зародыша отводится мезенхиме и ее произ водным. Ранее в монографии А. А. Клишова (1984) автором акцентирован вопрос на неоднозначном понимании морфологами термина «мезенхима», а главное — наполнения этого термина содержанием, классификации тканей — производных мезенхимы. Вместе с тем академик Н. Г. Хлопин (1946) подчер кивал, что мезенхима — это очень широкое понятие. Понятия «мезенхима» и «мезенхимные клетки» не тождественны. Мезенхима (межуточная ткань, О. Гертвиг, 1912) — это один из эмбриональных источников развития тканей (по некоторым представлениям — эмбриональная ткань). Клетки мезенхимы возникают из различных мест, но преимущественно из среднего зародышевого листка — мезодермы. Клеточные элементы мезенхимы (точнее, энтомезен химы, мезенхимные клетки) образуются в процессе дифференцировки дер матома, склеротома, висцерального и париетального листков спланхнотома. Кроме того, существуют представления об эктомезенхиме (нейромезенхима), развивающейся из ганглиозной пластинки. Последнее, однако, оспаривается некоторыми гистологами, считающими, что нецелесообразно разделять мезен химу по топографическому признаку.

104

Ãëàâà 3 Рис. 3.4. Мезенхима: 1 — отростчатые клетки; 2 — кровеносный сосуд и интраваскулярный гемопоэз

Мезенхима зародыша состоит из отростчатых клеток, сетевидно соединенных своими отростками (рис. 3.4). Клетки могут высвобож даться от связей, амебоидно переме щаться и фагоцитировать инород ные частицы. Вместе с межклеточ ной жидкостью клетки мезенхимы составляют внутреннюю среду заро дыша. По мере развития зародыша в мезенхиму рано мигрируют клет ки иного происхождения, нежели из перечисленных выше эмбрио нальных зачатков, например клетки нейробластического дифферона, мигрирующие миобласты закладки скелетных мышц, пигментоциты и др. Следовательно, с определенной стадии развития за родыша мезенхима представляет собой мозаику клеток (стволовых клеток раз ных клеточных дифферонов), возникших из разных зародышевых листков и эмбриональных зачатков тканей. Однако морфологически все клетки мезен химы практически не отличаются друг от друга, и только очень чувствительные методы исследования (иммуноцитохимические, электронномикроскопические) выявляют в составе мезенхимы клетки различной природы. Клетки мезенхимы обнаруживают способность к ранней дифференцировке. Например, в стенке желточного мешка 2недельного эмбриона человека из со става мезенхимы выделяются первичные клетки крови — гемоциты, другие клетки — формируют стенку первичных сосудов, третьи являются источником развития ретикулярной ткани — остова кроветворных органов. В составе вне зародышевых органов мезенхима очень рано претерпевает тканевую специали зацию, являясь источником развития соединительных тканей. Мезенхима существует только в эмбриональном периоде развития позво ночных и человека. После рождения в организме человека сохраняются лишь малодифференцированные (камбиальные полипотентные) клетки в составе рыхлой волокнистой соединительной ткани (адвентициальные клетки), кото рые могут дивергентно дифференцироваться в различных направлениях, но в пределах системы соединительных тканей. Сказанное выше позволяет критически относиться к таким терминам, как «мезенхимная стволовая клетка», «мезенхимоподобные клетки» и др., если эти термины используются для характеристики клеток дефинитивного орга низма. По своей сути использование этих терминов заводит исследователя в тупик, так как ничего не говорит о тканевой принадлежности данной клетки, ее детерминации и дивергентной дифференцировке. Между тем именно за кономерности тканевой детерминации и дивергентной дифференцировки яв

Îáùèå ïðèíöèïû êëåòî÷íîé îðãàíèçàöèè, ðàçâèòèÿ è êëàññèôèêàöèè òêàíåé

105

ляются теми критериями, на основе которых перспективно создавать новые методы клеточной и тканевой терапии. Познание естественных гистогенети ческих потенций клеток и тканей — оптимальный путь решения многих проб лем управляемого гистогенеза, в том числе при повреждении тканей. В связи с этим задача гистологов состоит в том, чтобы решать теоретические во просы, касающиеся классификации тканей на основе выявления эмбриональ ных и постнатальных источников их развития, клеточнодифферонной органи зации тканей, закономерностей гистогенеза, физиологической и репаративной регенерации тканей. Все перечисленные вопросы тесно связаны с развитием ткани (гистогенезом), и путем познания закономерностей развития тканей можно найти ответ на многие вопросы, которые возникают в клинических условиях. Таким образом, мезенхиму можно охарактеризовать как эмбриональную клеточную систему позвоночных и человека, включающую малодифференциро ванные клетки различной гистогенетической принадлежности. Большая часть мезенхимы формирует стволовые и камбиальные клетки системы соедини тельных тканей и крови взрослого организма. Как правило, развитие большинства тканей и органов человека не завер шается к рождению, а продолжается в постнатальном периоде онтогенеза. Классификация тканей и закономерные процессы развития стволовых клеток зачатков тканей и органов, составляющих суть эмбрионального гисто и орга ногенеза, рассматриваются ниже. Следовательно, в развитии позвоночных появлению тканей предшествуют процессы, связанные с дроблением, гаструляцией и обособлением эмбрио нальных зачатков тканей (прогистогенез). После закладки осевого комплекса эмбриональных зачатков тканей начинается период гистогенеза и органогене за. Осуществляется дифференцировка и специализация клеточного материала эмбриональных зачатков, что составляет основу гистогенеза — возникновения и развития тканей. При этом происходит анатомогистологическое формиро вание практически всех органов, характерных для взрослой особи. Знания общих закономерностей индивидуального развития, филогенетиче ской обусловленности этих процессов у человека позволят будущим врачам приобрести навыки эволюционного подхода к оценке общебиологических явле ний, в том числе и патологии, умения применять их для профилактики, диаг ностики и лечения различных нарушений нормального развития человека.

Ýìáðèîíàëüíûé ãèñòîãåíåç Эмбриональный гистогенез — это происходящий в течение эмбрионально го развития организма процесс возникновения специализированных тканей из малодифференцированного клеточного материала эмбриональных зачатков (Кнорре А. Г., 1971). У человека и высших позвоночных в понятие эмбрио нальный гистогенез входит процесс развития тканей внезародышевых органов из материала внеэмбриональных зачатков, который ограничивается продол жительностью срока внутриутробного развития (см. гл. 17).

106

Ãëàâà 3

Эмбриональный гистогенез включает следующие координированные во времени и пространстве процессы: а) клеточное размножение (пролиферация); б) клеточный рост; в) клеточные перемещения (миграция); г) детерминацию клеток (исторически обусловленный путь развития); д) цитодифференциацию; е) межклеточные и межтканевые взаимодействия (интеграция); ж) отмирание клеток и др. (Клишов А. А., 1984). Пролиферация. Основной способ деления клеток — это митоз. Клеточный цикл регулируется многочисленными вне и внутриклеточными механизма ми. К внеклеточным относятся влияния на клетку цитокинов, факторов роста, гормональных и нейрогенных стимулов. Роль внутриклеточных регуляторов играют специфические белки цитоплазмы. В каждом клеточном цикле сущест вуют несколько критических точек, соответствующих переходу клетки из одной фазы цикла в другую. При нарушении внутренней системы контроля клетка под влиянием собственных факторов регуляции элиминируется апоптозом либо на некоторое время задерживается в одной из фаз цикла. Ключевое зна чение в прохождении каждой фазы цикла и подготовке клетки к вступлению в следующую фазу имеет сочетанное влияние внутриклеточных циклинов, ци клинзависимых киназ, анафазустимулирующего белкового комплекса и дру гих протеолитических энзимов (см. гл. 1). Иными словами, все критические точки прохождения клеточного цикла на ходятся под контролем комплекса внутриклеточных протеинов. Мутации генов, кодирующих некоторые из них, называются онкогенными. Например, в норме белок р53 воспринимает нарушение структуры ДНК и останавливает клетку при прохождении ею G1 или G2фаз клеточного цикла. В случае возникно вения нарушений в репликации ДНК белок р53 участвует в инициации апоп тоза (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Схема контролирования белком р53 целостности генома и запуска программы апоптоза

Îáùèå ïðèíöèïû êëåòî÷íîé îðãàíèçàöèè, ðàçâèòèÿ è êëàññèôèêàöèè òêàíåé

107

Ген, кодирующий данный белок, является опухольсупрессирующим. Су ществуют и некоторые другие белки, участвующие в обнаружении повреждений синтеза ДНК, благодаря которым прерывается клеточный цикл и становится невозможным митотическое деление (за счет блока расхождения сестринских хроматид в анафазе митоза). Методы радиографического анализа клеточных циклов позволили разде лить клеточные популяции на несколько типов в зависимости от особенностей соотношения клеточной репродукции и дифференцировки: 1) обновляющиеся клеточные популяции, содержащие постоянный фонд пролиферирующих кле ток, за счет которых обеспечивается непрерывное возникновение новых клеток (например, кроветворные ткани, эпителии); 2) растущие ткани — ткани, в кото рых увеличение количества клеток происходит параллельно с их дифферен цировкой, причем темпы репродукции клеток в этих тканях недостаточно вы сокие (например, соединительные ткани); 3) стационарные ткани (например, нервные ткани), в которых все основные процессы репродукции заканчивают ся в период эмбрионального гистогенеза (когда и формируется основной за пас клеток, достаточный для последующего развития ткани). Продолжитель ность жизни клеток в обновляющихся, растущих и стационарных тканях раз ная. Наряду с обновлением клеточной популяции, в самих клетках постоянно наблюдается обновление внутриклеточных структур. Клеточный рост и перемещение. Особое значение для гистогенеза имеют процессы роста клеток и их перемещений. Показателем клеточного роста яв ляется ядерноцитоплазменное отношение. Рост клетки, не сопровождаемый ее делением, имеет известные пределы. При определенном соотношении объе ма и поверхности дальнейший рост становится невозможным без дополни тельных механизмов. Например, клеточный рост может осуществляться за счет умножения клеточных геномов — полиплоидизации ядер в клетке или слия ния клеток. Миграция клеток наиболее характерна для периода гаструляции. Однако и в период гисто и органогенеза происходят перемещения клеточных масс (на пример, смещения миобластов из миотомов в места закладки скелетных мышц; движение клеток из нервного гребня с образованием спинальных ганглиев и нервных сплетений, миграция гоноцитов и т. д.). Миграция осуществляется с помощью нескольких механизмов. Так, различают хемотаксис — движение клеток в направлении градиента концентрации какоголибо химического аген та (перемещения спермиев к яйцеклетке, предшественников Тлимфоцитов из костного мозга в закладку тимуса). Гаптотаксис — механизм перемещения кле ток по градиенту концентрации адгезионной молекулы (движение клеток про тока пронефроса у амфибий по градиенту щелочной фосфатазы на поверхности мезодермы). Контактное ориентирование — это когда в какойлибо преграде остается один канал для перемещения (описан у рыб при образовании плав ников). Контактное ингибирование — этот способ перемещения наблюдается у клеток нервного гребня. Суть способа заключается в том, что при образо вании ламеллоподии одной клеткой и контакта ее с другой клеткой она пре кращает рост и постепенно исчезает, но в другой части мигрирующей клетки при этом формируется новая ламеллоподия.

108

Ãëàâà 3

В процессе миграции клеток важную роль играют межклеточные взаимодей ствия. Существует несколько механизмов такого взаимодействия (контактного и дистантного). Выделяется большая группа молекул клеточной адгезии (МКА). Так, кадгерины — это Са2+зависимые МКА, отвечают за межклеточные кон такты при образовании тканей, за формообразование и др. В молекуле кадгери на различают внеклеточный, трансмембранный и внутриклеточный домены. Например, внеклеточный домен ответственен за адгезию клеток с одинаковыми кадгеринами, а цитоплазматический — за форму клетки. Другой класс МКА — это иммуноглобулиновое суперсемейство Са2+независимых МКА, обеспечи вающих, например, адгезию аксонов к сарколемме мышечных волокон, или миграцию нейробластов вдоль радиальных глиоцитов в закладке коры боль шого мозга и др. Следующий класс МКА — это мембранные ферменты — гли козилтрансферазы. Последние по типу «ключзамок» соединяются с углевод ными субстратами — гликозаминогликанами надмембранного комплекса клет ки, осуществляя таким образом прочное сцепление клеток. Кроме механизмов межклеточного взаимодействия существуют механизмы взаимодействия клеток с субстратом. Они включают формирование рецепто ров молекул внеклеточного матрикса. К последним относят производные кле ток, среди которых наиболее изученными адгезионными молекулами являются коллаген, фибронектин, ламинин, тенасцин и некоторые другие. Коллагены, среди которых различают несколько десятков типов, входят в состав меж клеточного вещества рыхлой волокнистой соединительной ткани, базальной мембраны (пластины) и пр. Фибронектин, секретируемый клетками, является связывающей молекулой между мигрирующей клеткой и межклеточным мат риксом. Ламинин — компонент базальной пластины, также связывает мигри рующие клетки с межклеточным матриксом (справедливо по отношению к эпи телиоцитам и нейробластам). Для осуществления связи мигрирующих клеток с межклеточным матрик сом клетки формируют специфические рецепторы. К ним относятся, например, синдекан, который обеспечивает контакт эпителиоцита с базальной мембраной за счет сцепления с молекулами фибронектина и коллагена. Интегрины кле точных поверхностей связывают с внеклеточной стороны молекулы внеклеточ ного матрикса, а внутри клетки — белки цитоскелета (например, актиновые микрофиламенты). Так возникает связь внутри и внеклеточных структур, что позволяет клетке использовать для перемещения собственный сократительный аппарат. Наконец, существует большая группа молекул, формирующих клеточные контакты, осуществляющие коммуникацию между клетками (щелевые контак ты), механическую связь (десмосомы, плотные контакты). Дистантные межклеточные взаимодействия осуществляются путем секре ции гормонов и факторов роста (ФР). Последние — это вещества, оказывающие стимулирующее влияние на пролиферацию и дифференцировку клеток и тка ней. К ним относятся, например: ФР, полученный из тромбоцитов и влияющий на переход клеток в фазу размножения (гладкомышечных клеток, фибробла стов, глиоцитов); эпидермальный ФР — стимулирует пролиферацию эпителио цитов, производных эктодермы; ФР фибробластов — стимулирует пролифера

Îáùèå ïðèíöèïû êëåòî÷íîé îðãàíèçàöèè, ðàçâèòèÿ è êëàññèôèêàöèè òêàíåé

109

цию клеток. Особо выделяется большая группа пептидов (соматотропины, соматомедины, инсулин, лактоген), влияющих на развитие клеток плода. Факторы, тормозящие пролиферацию и дифференцировку клеток, также при нимают кооперативное участие в процессах развития клеток и тканей. К ним относятся, например, бетаинтерферон и трансформирующий ФР. Последний, однако, в отношении разных клеточных типов действует поразному: блокирует размножение многих типов эпителиальных клеток, но стимулирует размноже ние соединительнотканных. Передача клетке управляющих сигналов осущест вляется через ее плазмолемму. Так, специфическое связывание лиганда (гор монов, цитокинов и пр.) с рецепторными белками мембранного компартмента инициирует в клетке каскад биохимических реакций с участием вторичных внутриклеточных посредников, финальным эффектом которого является изме нение функциональной активности клетки или ее отдельных подсистем. В сово купности рассматриваемый процесс обозначается термином внутриклеточной трансдукции регуляторных сигналов. Непосредственное участие в механизме трансдукции принимают белки цитоскелета. Существуют многокаскадные, раз ветвленные пути передачи сигнала (кальциевая регуляция, цАМФзависимые пути и др.), а также однокаскадный путь, регулирующий процессы пролифера ции, дифференциации и трансформации клеток (см. гл. 2). Среди эксперимен тально маркируемых белков плазмолеммы особо выделяется семейство Gбел ков, участвующих в активации вторичных посредников трансдукторных систем. При связывании лиганда с рецептором происходит активация (высвобождение) альфасубъединицы Gбелка. В свободном состоянии последняя активирует (или подавляет в случае ингибирующих Gбелков) каталитическую единицу аденилилциклазы или взаимодействует с фосфолипазойС в фосфатидилино зитольном механизме, стимулируя ее. Активация аденилилциклазы и фосфо липазыС стимулирует общеметаболические и специальные реакции клетки на действие сотен сигнальных молекул гормонов, трансмиттеров, ионов, фи зических факторов. Так запускается каскад внутриклеточных биологических процессов, реализующийся в изменениях метаболизма, росте или гибели клеток. Дифференциация — это стойкое структурнофункциональное изменение ра нее однородных клеток в различным образом специализированные клетки. Дифференцировка клеток биохимически связана с синтезом специфических белков, а морфологически — с образованием специальных органелл и включе ний. При дифференциации клеток происходит избирательная активация генов. Важным морфологическим показателем клеточной дифференцировки является сдвиг ядерноцитоплазматического отношения в сторону преобладания разме ров цитоплазмы над размером ядра. Дифференцировка происходит на всех эта пах онтогенеза. Различают периоды доспецифической и специфической диф ференциации клеток. Особенно выражены процессы дифференциации клеток на этапе развития тканей из материала эмбриональных зачатков. Специали зация клеток обусловлена их детерминацией. Детерминация — это процесс определения пути, направления, программы развития материала эмбриональных зачатков с образованием специфических тканей. Детерминация может быть оотипической (программирующей развитие

110

Ãëàâà 3

из яйцеклетки и зиготы организма в целом), зачатковой (программирующей развитие органов или систем, возникающих из эмбриональных зачатков), тка невой (программирующей развитие данной специализированной ткани) и кле точной (программирующей дифференцировку конкретных клеток). Различают детерминацию: 1) лабильную, неустойчивую, обратимую; 2) стабильную, устой чивую и необратимую. При детерминации тканевых клеток происходит стойкое закрепление их свойств, вследствие чего ткани в нормальных условиях разви тия теряют способность к взаимному превращению (метаплазии). Механизм детерминации связан со стойкими изменениями процессов репрессии (блоки рования) и экспрессии (деблокирования) других генов. Клеточная гибель — широко распространенное явление как в эмбриогенезе, так и в эмбриональном гистогенезе. Как правило, в развитии зародыша и тка ней гибель клеток протекает по типу апоптоза. Примерами программированной гибели являются гибель эпителиоцитов в межпальцевых промежутках, гибель клеток по краю срастающихся нёбных перегородок. Программированная ги бель клеток хвоста происходит при метаморфозе личинки лягушки. Это приме ры морфогенетической гибели. В эмбриональном гистогенезе также наблюдает ся гибель клеток, например при развитии нервной ткани, скелетной мышечной ткани и др. Это примеры гистогенетической гибели. В дефинитивном организ ме путем апоптоза погибают лимфоциты при их селекции в тимусе, клетки обо лочек фолликулов яичников в процессе их отбора для овуляции и др. Наиболее интенсивно изучаются факторы, которые вызывают гибель кле ток на основе программы гибели клеток (Программированная.., 1996). В ли тературе описана программированная клеточная гибель при гипоксии тканей, гипотоническом шоке, действии детергентов, специфических антител, при рент геновском облучении, действии радиомиметических агентов, атрофии в ре зультате нарушения кровоснабжения, повреждении стволовых клеток препара тами, нарушающими синтез ДНК. Одним из достижений клеточной биологии является расшифровка механиз мов программированной гибели клеток. В составе плазмолеммы идентифици рованы рецепторы гибели (например, Fas, TNF и др.), важнейшая функция ко торых связана с передачей цитотокси ческих сигналов в цитозоль (рис. 3.6). Пути передачи сигналов от разных ре цепторов в клетку при индукции апоп тоза сходны. Внутриклеточными фермент ными белками, запускающими апоптоз (фрагментацию ДНК, нарушение струк турных протеинов, активацию киназ и Рис. 3.6. Схема взаимодействия лиганда (Лг) и рецептора (РЦ) клетки: АдБ — адаптерные белки; Кз — каспазы; Лг — лиганд; Рц — рецептор; А — невозбужденное со стояние рецептора; Б — возбужденное цитотокси ческим агентом состояние рецептора апоптоза

Îáùèå ïðèíöèïû êëåòî÷íîé îðãàíèçàöèè, ðàçâèòèÿ è êëàññèôèêàöèè òêàíåé

111

Рис. 3.7. Схема активации каспазы9, приводящая к гибели клетки

клеточного цикла), являются ферменты семейства цистеинсодержащих протеаз, именуемых каспазами (1—14). Среди них выделяют ряд ключевых активаторов (эффекторов, или «исполнителей») апоптоза. Передача сигнала для начала апоптоза от рецептора к эффектору осуществляется большой группой так назы ваемых адаптерных белков, содержащих домены клеточной гибели (например, FADD — Fasассоциированный белок клеточной гибели). При связи лиганда рецептором возникает реакция, в результате которой адаптерные белки взаи модействуют одним концом своей молекулы с рецепторным белком, другим — со специфическим фрагментом молекулы каспазы. Это приводит к возникно вению каскада реакций, результирующим итогом которого является гибель клетки. Дополнительно к данным механизмам апоптоза одним из важнейших яв ляется состояние митохондриального аппарата клетки и связанных с мембра ной митохондрии адаптерных белков, активирующих каспазу9 (рис. 3.7). Мор фология клеточной гибели во всех случаях была однотипна. На ранней стадии клеточной гибели хроматин ядра собирается в большие компактные гранулярные массы, которые примыкают к ядерной мембране, цитоплазма клеток уплотняется, органеллы перегруппировываются и распола гаются плотнее. На этой стадии поврежденные клетки в эпителиях отделяются от соседних и межклеточные и десмосомальные соединения разрушаются. Далее ядро пикнотизируется и распадается на отдельные фрагменты (см. гл. 1). При явных изменениях ядра другие клеточные органеллы сохраняют свои структуры, кроме эндоплазматической сети, которая местами расширена. Позднее происходит изменение плазматической мембраны с образованием ее выпячиваний. Поверхностные выпячивания отделяются от клетки, и вся клет ка распадается на отдельные мембраноограниченные тельца Каунсильмена, которые широко варьируют по размеру, форме и составу. Некоторые из них содержат, помимо цитоплазмы, ядерные компоненты, другие — только цито плазму с органеллами. На заключительном этапе тельца Каунсильмена фа гоцитируются соседними клетками или макрофагами, в которых внутри фаго сом подвергаются перевариванию до электронноплотных остаточных тел. При этом признаки воспаления полностью отсутствуют. При программиро

112

Ãëàâà 3

Рис. 3.8. Схема стабилизации функций митохондрий белком bcl2

ванной клеточной гибели (ПКГ) деградация ДНК носит упорядоченный ха рактер: Са2+ и Мg2+зависимые эндогенные эндонуклеазы производят меж нуклеосомное расщепление ядерной ДНК на олигонуклеосомные фрагменты. При этом клетка долгое время сохраняет целостность и продолжает синтез белка. Есть мнение, что наиболее характерный признак ПКГ — ее зависимость от синтеза белка и матричной РНК de novo. В тех же случаях, когда морфо логические признаки ПКГ наблюдаются в отсутствие синтеза белка и мРНК de novo, гибель клетки не следует считать программированной. Показано, что каждая клетка имеет лишь статистическую вероятность быть летально по врежденной при воздействии ионизирующего облучения. Останется ли повреж дение латентным или приведет к гибели клетки, в значительной степени зави сит от свойств тканевой системы, частью которой является клетка. В быстро обновляющихся клеточных популяциях поврежденные клетки гибнут в течение от нескольких часов до нескольких недель. Тканевые системы с внутрикле точным механизмом регенерации могут или никогда не проявить латентного повреждения, или проявить его только при дополнительных воздействиях. Предполагают, что для ПКГ нужен определенный период инкубации с индук тором, чтобы коммитировать клетки к вступлению в ПКГ. Удаление индук тора до того, как клетка станет коммитированной, отменяет ПКГ. Установле но, что одни и те же факторы (ретиноевая кислота, ингибиторы топоизоме раз) могут вызвать пролиферацию и дифференцировку клетки в одном случае, и фрагментацию и ПКГ — в другом. Найдена группа генов, продукты которых предотвращают вступление клеток в ПКГ, индуцированную разнообразными стимулами. Среди них отмечается роль экспрессии белка bcl2. Продукт гена экспрессируется на мембране митохондрий и на поверхности клеток (рис. 3.8). Многочисленные исследования показывают, что гену bcl2 принадлежит одна из главных ролей в регуляции процессов пролиферации, дифференциации и программированной гибели клеток. Экспрессия таких генов повышает выжи ваемость, но цена этого — накопление генетических изменений и трансфор мация.

Îáùèå ïðèíöèïû êëåòî÷íîé îðãàíèçàöèè, ðàçâèòèÿ è êëàññèôèêàöèè òêàíåé

113

В противоположность белку bcl2, белок р53 контролирует целостность генома при прохождении клеткой митотического цикла. Повреждение ДНК служит для белка р53 сигналом для индукции синтеза другого белка — р21, который останавливает клетку на границе фаз G1/S. При отсутствии репара ции ДНК белок р53 активирует гены, необходимые для запуска программы апоптоза (см. рис. 3.5). ПКГ в экстремальных условиях выполняет цензорную функцию, устраняя генетически измененные клетки. Утверждается, что при ре паративной регенерации в обновляющихся тканях ПКГ играет комплемен тарную митозу роль в регуляции пула клеток, а также предотвращает воз можность генетических повреждений в системе стволовых клеток. Считается возможным по соотношению митозов и ПКГ прогнозировать развитие реге нераторного процесса в обновляющихся тканевых системах. Вероятно, фено типически стрессовая ситуация трансформируется в стрессовую ситуацию на уровне генома, и сигналом для самоубийства служит, в основном, нарушение в перепрограммировании генной активности. Предотвращение какимлибо образом ПКГ приводит к накоплению генетических изменений в тканевой системе. В условиях повреждения органа гибель клеток является частью раневого процесса. При этом формы гибели различны. Это требует дополнительного анализа как морфологии гибели клетки, так и факторов, запускающих внутри клеточные процессы, которые ответственны за сохранение жизнеспособности клеток. Также необходимо выявить соотношение различных форм гибели кле ток в зонах повреждения, время возникновения гибнущих клеток в процессе заживления раны. Перечисленными выше закономерными процессами гистогенеза эта пробле ма не исчерпывается. Раскрытию закономерных процессов гистогенеза будет посвящено много экспериментальных работ. Но из известных на сегодняшний день можно планировать работы по оптимизации течения раневого процесса, основываясь на основных положениях теории ткани. Фундаментальные иссле дования гистологов вносят существенный вклад в клинические исследования по успешному использованию методов тканевой терапии и применению средств управления регенерационным гистогенезом. С некоторыми из них можно озна комиться в специальной литературе (Данилов Р. К., 2008). Развитие учения о тканях шло в тесном единстве с развитием новых био технологий, особенно со второй половины ХХ столетия, когда возникли новые представления о клеточных популяциях и их кинетике, дивергентной диффе ренцировке не только на клеточном, но и субклеточном уровнях организации биологических систем. Поновому стала оцениваться жизнедеятельность веду щего структурного элемента тканей — клетки. Меняется оценка функциональ ной значимости не только клетки как целого, но и сама клетка в настоящее время представляется как сложная структурированная система взаимодейст вующих биополимеров. Компартментализация клетки, выделение в ней струк турнофункциональных подсистем, выявление их молекулярной организации, выделение ведущих элементов — все это стало доступным экспериментальному анализу, а результаты фундаментальных исследований легли в основу многих современных клинических тестов в разных областях медицины. Методы имму

114

Ãëàâà 3

ноцитохимии позволили углубить представления о разнообразии клеточных элементов, которые по внешним признакам традиционно относились к одному цитотипу, например в учении о макрофагах. В зависимости от набора рецепто ров макрофаги поразному ведут себя в конкретных условиях жизнедеятель ности, проявляя тем самым органоспецифичность. Другим примером, дока зывающим пространственное разделение функций клеток единого цитотипа, являются свойства стволовых клеток эпидермиса и его производных. В раз ных участках эпидермиса и его производных локализованы стволовые клетки, дающие начало эпителиоцитам, входящим в состав разных структур. Выявле ны разнообразные источники развития фибробластов, различия в продолжи тельности их жизненного цикла и участия в регенерации высокодифферен цированных тканей, показана гетероморфность фибробластов, расположенных в синаптической и во внесинаптической областях мышечного волокна и др. Накопленный фактический материал не входит в противоречие с класси ческими представлениями о том, что дивергенция является важнейшим меха низмом, лежащим в основе разнообразия тканевых элементов (Хлопин Н. Г., 1946). С точки зрения современных представлений о цитодифференцировке, дивергенция может происходить, начиная с молекулярного уровня организации живого. Возникающие клетки одного цитотипа характеризуются различными наборами рецепторов к факторам микроокружения, что является одной из со ставляющих современного учения о цито и гистогенезе. Следовательно, учение о дивергентной дифференцировке уточняется и дополняется новыми фактами, подчеркивающими важнейшее свойство клеток и тканей — их органоспеци фичность и принцип пространственного разделения функций. С этих позиций дальнейшее развитие должно получить учение о дивер гентной дифференцировке и клеточнодифферонной организации тканей, а в классификации тканей целесообразно учитывать принцип тканевой органоспе цифичности. Учение об организации и взаимодействии тканей в составе органов углуб ляется введением и уточнением понятия о гистионе. Последнее было впер вые сформулировано в работах А. А. Максимова, и в дальнейшем под гистио ном понимался комплекс взаимодействующих тканевых элементов и органных структур (сосудов, нервов), формирующих единицу определенной функцио нальной специализации в составе органа. В современной трактовке предлагается в основу выделения гистионов по ложить принцип функциональной значимости данной клеточной (межклеточ ной) кооперации в составе органа. Повторяемость гистионов в структуре орга на обеспечивает надежность его функционирования. При таком подходе орган рассматривается как система взаимодействующих гистионов (Клочков Н. Д., 1997). Концепция гистионной организации открывает пути для более глубоко го экспериментального анализа свойств живых систем с позиций взаимодейст вия и взаимовлияния различных клеточных дифферонов, входящих в состав функционального гистиона и их дифференциальной реакции на гормональные и иные стимулы. Полагают, что в составе органа можно выделить 4 общих вида гистионов, а именно: гистионы, выполняющие пограничные (барьерные) функ ции; гистионы, обеспечивающие восприятие и передачу элементам гистиона

Îáùèå ïðèíöèïû êëåòî÷íîé îðãàíèçàöèè, ðàçâèòèÿ è êëàññèôèêàöèè òêàíåé

115

регуляторных сигналов и таким образом отвечающие за реактивность; гистио ны с преимущественно трофической функцией; гистионы, обеспечивающие опорную функцию, локальную или общую двигательную активность (опор нодвигательный гистион). Общебиологические гистионы не исключают выделение гистионов, выпол няющих частные функции органа (Данилов Р. К. [и др.], 2000). С позиции ги стионов теряет смысл понятие «гистогематический барьер», а на первый план выступает клеточная кооперация (трофический и пограничный гистионы), так как сосудистый эндотелий приобретает свойство важнейшего составляющего ги стиона, определяющего особенности течения реактивных и патологических про цессов, особенно в условиях раневого гистогенеза при повреждении органа. Кон цепция гистионной организации, не меняя существенно классических представ лений о строении органов, открывает пути для более глубокого анализа свойств органа с позиций взаимодействия клеток, входящих в состав гистиона, и их диф ференциальной реакции на регуляторные стимулы. В каждом гистионе интег рируются и модифицируются общебиологические свойства живого, характерные для нижележащих уровней организации. Развитие методов статистического ана лиза взаимоотношений элементов гистиона позволяет описать новые законо мерности развития, реактивности и адаптивной изменчивости на иерархическом уровне, лежащем между тканевым и органным уровнями организации биологи ческой системы. Считаю, что исследование гистионной организации органов не менее важно, чем современная ориентация на изучение молекулярных и ци тологических механизмов развития и реактивности, для чего необходимо иметь хорошую, но пока недоступную для большинства отечественных гистологов на учноматериальную базу. Научные разработки данных двух направлений могут следовать параллельно, дополнять друг друга и способствовать развитию об щей концепции о гистогенезах, цитофизиологии и реактивности тканей. Таким образом, ткани являются главным объектом гистологических иссле дований и с позиции иерархической организации живого они определяются как его частный уровень наряду с системоорганным, органным, клеточным, субкле точным и молекулярным. Все перечисленные компоненты находятся в тесных взаимоотношениях, границы условны, нижележащий уровень является частью вышележащего и так далее, составляя соответствующие целостные системы, высшей формой организации которой является организм животных и человека. От того, насколько в гистологии четко определены такие понятия, как клетка, дифферон, ткань, гистион, орган, разработана классификация тканей с гисто генетических позиций и органоспецифичности, учтены иерархические связи уровней биологической организации живого, зависят уровень и ясность изло жения учебных материалов, в первую очередь, и оценка научных фактов, по лученных в экспериментальных и клинических условиях. Плодотворное изучение тканевой организации позвоночных видится на осно ве развития концепции о гистогенезе, сформулированной в отечественной ги стологии (Щелкунов С. И., 1971; 1977; Кнорре А. Г., 1971; Клишов А. А., 1984). Основными положениями концепции являются: 1. В общем виде гистогенез представляется как единство взаимодействую щих внутренних (генетических) и внешних (адаптивных) факторов развития.

116

Ãëàâà 3

2. Ткань представлена как система взаимодействующих клеточных диф феронов. 3. На различных структурных уровнях организации живого существует специфика закономерностей развития и восстановления, что не позволяет пере носить процессы, характеризующие один структурный уровень, на другой. 4. Общие закономерные процессы эмбрионального гистогенеза проявляют ся в ходе регенерационного гистогенеза. После повреждения имеет место не на чало вторичного развития, а продолжение единого процесса развития тканей. Следовательно, учение о гистогенезе дает импульс к разработке актуальных вопросов регенерации тканей. Уместно привести высказывание Н. Г. Хлопи на (1946) о том, что в экспериментально измененных условиях развития тканей в наибольшей степени проявляются их гистобластические потенции. Это поло жение перспективно как основа для дальнейшего анализа регенераторных по тенций тканей с позиции учения о камбиальности тканей, как свойства, опреде ляющего ее жизнеспособность в эмбриональном и репаративном гистогенезе.

Клеточно-дифферонная организация тканей В гистогенезе закономерно меняются базисные процессы, среди которых наиболее изучены процессы пролиферации, дифференциации и клеточной ги бели. Это привело к обоснованию концепции клеточнодифферонного состава тканей. По мере развития тканей из материала эмбриональных зачатков воз никает клеточное сообщество, в котором выделяются клетки различной степе ни зрелости. Совокупность клеточных форм, составляющих линию дифферен цировки, называют диффероном, или гистогенетическим рядом (рис. 3.9). В обновляющихся тканях дифферон составляют несколько групп клеток: 1) стволовые клетки; 2) клеткипредшественники; 3) зрелые дифференциро ванные клетки; 4) стареющие и отмирающие клетки. Стволовые клетки —

Рис. 3.9. Схема организации клеточного дифферона: столбики — пролиферативная активность клеток

Îáùèå ïðèíöèïû êëåòî÷íîé îðãàíèçàöèè, ðàçâèòèÿ è êëàññèôèêàöèè òêàíåé

117

исходные клетки гистогенетического ряда — это самоподдерживающаяся по пуляция клеток, способных дифференцироваться в различных направлениях. Обладая высокими пролиферативными потенциями, сами они (тем не менее) делятся очень редко. Клеткипредшественники (полустволовые, камбиальные) составляют следующую часть гистогенетического ряда. Эти клетки претерпевают ряд циклов деления, пополняя клеточную совокупность новыми элементами, и часть из них затем начинает специфическую дифференцировку (под влия нием факторов микроокружения). Эта популяция коммитированных клеток способна дифференцироваться в определенном направлении. Зрелые функ ционирующие и стареющие клетки завершают гистогенетический ряд, или диф ферон. Соотношение различно дифференцированных клеток в дифферонах зре лых тканей организма различается в зависимости от основных закономерных процессов физиологической регенерации, присущих конкретному виду ткани. В целом, дифферон представляет собой возникшую из родоначальной (стволовой) клетки совокупность клеточных форм, составляющих линию диф ференциации с возрастающей степенью зрелости, включая стареющие и гибну щие формы. В иерархии организма диффероны следует рассматривать как сис тему, располагающуюся между клеточным и тканевым уровнями организации. Концепция дифферонной организации тканей позволяет рассматривать ткань с новых позиций. А именно оценивать ее как систему взаимодействующих диффе ронов. Однако с углублением знаний о гистогенетических процессах с позиции клеточнодифферонного состава тканей, были выявлены особенности пролифе рации, дифференциации и гистофизиологической организации составляющих элементов гистогенетического ряда. В связи с этим выделяют диффероны, в ко торых четко маркированы стволовые клетки (например, система крови). В дан ной системе стволовые клетки, в отличие от других частей дифферона, обла дают свойствами неограниченного самоподдержания и, как правило, в обычных условиях функционирования находятся в фазе пролиферативного покоя. Попол нение клеточного состава дифферона осуществляется за счет деления полуство ловых (камбиальных) клетокпредшественников (например, система крови). В дифферонах большинства дефинитивных тканей стволовые клетки отсут ствуют или не обнаружены, так как они находились в составе эмбриональных зачатков и полностью себя реализовали в клеточные формы, которые зани мают среднюю и конечную позиции в гистогенетическом ряду. В этом случае дифферон пополняет свой состав за счет деления малодифференцированной части (камбиальной) гистогенетического ряда и реже — дифференцированной. Некоторые исследователи рассматривают в качестве самостоятельного диф ферона результат дивергентной дифференциации единого клеточного источ ника, потомки которого дифференцируются в клеточные линии, элементы ко торых различаются лишь по некоторым признакам (например, диффероны сократительных, секреторносократительных и проводящих кардиомиоцитов). Другие авторы при наличии общего источника развития каждую линию цито дифференциации относят лишь к части единого дифферона. В связи с изложенным актуальным представляется дальнейший поиск и вы деление морфофункциональных и генетических критериев, которые позволи ли бы уточнить понятие «дифферон» в его современной трактовке.

118

Ãëàâà 3

Клеточная совокупность, которая определяется как дифферон, должна удов летворять следующим к р и т е р и я м: 1) наличие стволовой клетки, и просле женные во времени ее переходные формы вплоть до дефинитивной; 2) в случае возникновения нескольких линий цитодифференциации из единого источника, дивергентная дифференцировка должно начинаться на уровне стволовой (родо начальной) клетки; здесь в процессе цитодифференциации рано появляются специфические для данной клеточной линии белковые маркеры; 3) ограничен ное или практически невозможное взаимопревращение в нормальных условиях развития клеток (средней и конечной частей дифферона) одного гистогенети ческого ряда в клетки другого; 4) различная функциональная специализация элементов гистогенетических рядов, несмотря на единый источник развития. Таким образом, чтобы избежать терминологической путаницы, целесооб разно определять диффероном линии клеток, возникших из родоначальной (стволовой) лишь в том случае, если выявлены ранняя дивергенция и проме жуточные этапы цитодифференциации. Последние приводят к формированию структур, хотя и генетически родственных, но отличающихся друг от друга по морфофункциональным свойствам. Результирующим итогом эмбрионального гистогенеза является появление тканей. Ткань определяется как частная система организма, относящаяся к особо му уровню его иерархической организации и включающая в себя в качестве ве дущих элементов клетки, которые происходят от обладающих общей историче ски сложившейся эпигеномной наследственностью стволовых клеток (Михай лов В. П., Катинас Г. С., 1977). С позиций учения о дифферонах, ткань — это система взаимодействующих клеточных дифферонов (или частей) и их производных, которые характери зуются исторически сложившейся общностью выполняемой функции в онтоге незе. Ткань является структурным компонентом органа и в то же время частью одной из четырех тканевых систем (Клишов А. А., 1984). Клеточнодифферонный состав тканей позволяет различать монодиффе ронные (например, хрящевая, плотная оформленная и др.) и полидифферон ные (например, эпидермис, рыхлая волокнистая соединительная) ткани. Осо бенности клеточного состава всех тканей человека подробно рассматриваются в соответствующих главах. Таким образом, иерархические отношения живых систем в организме крайне сложны. Клетки, как системы первого порядка, формируют диффероны. Послед ние образуют ткани как мозаичные структуры. В случае полидифферонной струк туры ткани необходимо выделить ведущий (основной) дифферон, который во многом определяет морфофизиологические и реактивные свойства ткани. Тка ни формируют системы следующего порядка — органы. В них также выделяется ведущая ткань, обеспечивающая главные функции данного органа. Архитекто ника органа определяется его морфофункциональными единицами, или гистио нами. Системы органов являются образованиями, включающими все нижележа щие уровни с их собственными законами развития, взаимодействия и функцио нирования. Так обеспечивается жизнедеятельность организма, представляющего собой гармоническую систему, уравновешенную с внешней средой обитания.

Îáùèå ïðèíöèïû êëåòî÷íîé îðãàíèçàöèè, ðàçâèòèÿ è êëàññèôèêàöèè òêàíåé

119

Введение в учение о классификации тканей Большой фактический материал, накопленный методами функциональной морфологии, позволил сформулировать ряд положений биологии тканей, важ нейшим из которых является раздел о классификации тканей. Однако из этого не следует, что удалось построить совершенную классификацию, которая была бы общепризнанной. Большинство гистологов в своих работах опираются на морфофункциональную классификацию А. А. Заварзина, сочетая ее с естест венной генетической системой тканей Н. Г. Хлопина. В связи с изучением механизмов пролиферации, дифференциации и гибе ли клеток различных тканей, возможна иная группировка тканей (табл. 3.1). В данном варианте в основе классификации лежат особенности пролифератив ной активности клеток разных тканей. Так, в обновляющихся тканях обнару живаются все части клеточного дифферона — от стволовой до высокодиффе ренцированной и гибнущей. В типе растущих тканей преобладают процессы роста. Одновременно в ткани присутствуют клетки средней и конечной частей дифферона. В гистогенезе митотическая активность клеток постепенно сни жается до низкой или крайне низкой, наличие стволовых клеток подразуме вается только в составе эмбриональных зачатков, потомки стволовых клеток некоторое время существуют как пролиферативный пул ткани, но их популяция быстро расходуется в постнатальном онтогенезе. В стабильном (стационарном) типе ткани имеются лишь клетки высокодифференцированной и гибнущей час тей дифферона, стволовые клетки существуют лишь в составе эмбриональных зачатков и полностью расходуются в эмбриогенезе. Иной подход к классификации тканей предполагает сравнение процессов пролиферации и дифференциации, точнее — взаимоотношения между синтезом ДНК и синтезом специфических белков (табл. 3.2). Здесь возможны следую щие варианты: антагонистический — когда пролиферация и дифференциация в развитии данной клетки взаимно исключают друг друга; неантагонистиче ский (совместимый) — когда два процесса сочетаются в одной и той же клетке. Наконец, существуют тканевые системы, включающие оба варианта. Если соот нести данную классификацию с приведенной выше, то в стабильных и обнов ляющихся клеточных системах, как правило, наблюдается первый вариант. Здесь же присутствуют терминально дифференцированные нейроны и отно сительно короткоживущие клетки эпителиальных тканей, которые погибают по механизму апоптоза. Ко второму варианту (неантагонистических взаимо Òàáëèöà 3.1 Характеристика некоторых тканевых систем по пролиферативной активности Тип ткани

Вид ткани

Обновляющийся

Кроветворная, эпителий кишечного типа, эпидермис и др.

Растущий

Эпителий печени, эпителий почечного типа, гладкая мы шечная ткань и др.

Стабильный (стационарный)

Нервная ткань

120

Ãëàâà 3 Òàáëèöà 3.2 Варианты взаимоотношений процессов пролиферации и дифференциации в клеточных и тканевых системах

Антагонистический

Совместимый

Сочетание двух вариантов

Нейроны Эпидермоциты

Кардиомиоциты Гепатоциты

Скелетномышечные волокна по звоночных

Энтероциты

Миосимпласты лимфатических сердец

Трофобластическая выстилка хо риона человека

отношений) можно отнести ткани, которые преимущественно относятся к ра стущим. Регуляция пролиферации и дифференциации в них осуществляется постепенным увеличением продолжительности митотического цикла от одно го деления к другому до тех пор, пока не наступит ацитокинетический митоз или не произойдет полиплоидизация ядра клетки. Наконец, в третьем варианте антагонистические и неантагонистические взаимоотношения сосуществуют, но разделены пространственно. Например, в волокнах скелетной мышечной ткани позвоночных ядра симпласта терми нально дифференцированы и контролируют синтез специфических белков, тогда как в клеткахмиосателлитах синтез ДНК не репрессирован и они со храняют способность к делению, являются источником новых ядер симпласта. Эти две живые системы развиваются вместе и формируют единую клеточ носимпластическую систему следующего уровня — мышечное волокно. В основу известной классификации А. А. Клишова (1984) положена эволю ционная детерминированность четырех систем тканей, развивающихся у жи вотных разных типов параллельными рядами, вместе с органоспецифической детерминацией конкретных разновидностей тканей, образующихся дивергент но в онтогенезе. Автор в системе эпителиальных тканей выделяет 34 ткани; в системе крови, соединительных и скелетных тканей — 21 ткань; в системе мышечных тканей — 4 ткани и в системе нервных и нейроглиальных тканей — 4 ткани. Эта подробная классификация в целом включает 63 конкретных вида тканей позвоночных и человека. В данном руководстве вопросы классификации тканей подробно анализи руются в соответствующих главах с учетом авторской позиции, что еще раз подчеркивает сложность построения всеобъемлющей классификации тканей. В качестве общей схемы приводится вариант классификации тканей по мор фофизиологическому принципу — горизонтальное расположение; с учетом ве роятных источников развития конкретных тканей — расположение по верти кали (табл. 3.3). Здесь дается представление о зародышевом листке, эмбрио нальном зачатке, тканевом типе большинства известных тканей позвоночных в соответствии с представлениями о четырех тканевых системах. В приведен ной классификации не отражены ткани внезародышевых органов, которые обладают рядом особенностей (см. гл. 17). Наряду с общими принципами организации и классификации тканей су ществуют представления о модульном составе тканей. Так, в рамках структур ной гистологии показано, что организация минигистиона может быть охарак

Дифференцировка зародышевых листков и классификация тканей позвоночных

Òàáëèöà 3.3

Îáùèå ïðèíöèïû êëåòî÷íîé îðãàíèçàöèè, ðàçâèòèÿ è êëàññèôèêàöèè òêàíåé 121

122

Ãëàâà 3

теризована с точностью до клетки и связи. При этом модели минигистионов и составляющих их клеток классифицируются в виде естественной системы, имеющей вид периодической таблицы. Ее параметры имеют биологический смысл и пригодны для количественного измерения тканевого развития. Кро ме того, представления о модульном строении тканей позволяют находить принципы пространственной организации клеточных пластов и строить се мейства топологических и геометрических моделей, описывающих варианты двух и трехмерного строения эпителиев. Такие модели допускают компью терную визуализацию, что делает их удобным инструментом для изучения пространственной организации реальных тканей по минимуму срезов (Са востьянов Г. А., 2005). Наряду с этим модели дают возможность прогнозиро вать направления тканевого развития. Рассмотренные выше теоретические вопросы гистологии имеют прямое отношение к практическому использованию накопленных знаний. Постнаталь ный гистогенез, или физиологическая регенерация тканей, протекает на осно ве общих закономерностей эмбрионального гистогенеза. Этот процесс вклю чает в себя запрограммированную гибель клеток конечных частей дифферона и постоянное его возобновление за счет митотической активности клеток мало дифференцированной части дифферона. В других случаях это процесс восста новления структур на основе реализации внутриклеточных механизмов регене рации (Саркисов Д. С., 1970). Конкретные ткани поразному реализуют свои гистогенетические потенции. В одних — преобладают клеточная и внутрикле точная формы регенерации, в других — только внутриклеточная. В случае на сильственной гибели части органа возникает комплекс реакций с вовлечением всех структурных уровней организации живой системы. Однако наиболее четко можно описать реакции на клеточном уровне. Знание клеточнодифферонной организации ткани до момента повреждения органа облегчает анализ после дующих регенераторных реакций. В области дефекта органа возникает сложная по клеточному составу и изменяющаяся во времени морфологическая карти на. В большинстве случаев область повреждения заполняется развивающейся грануляционной тканью, что соответствует репаративной регенерации, про текающей по заместительному типу. Частным проявлением репаративной реге нерации является регенерационный гистогенез, где главные события разверты ваются в ведущей ткани поврежденного органа (Данилов Р. К., 2008). В последующих главах будет дана оценка регенераторным потенциям тка ней, знание которых позволит глубже понять биологию тканей не только в нор мальных, но и патологических условиях развития, а, следовательно, прибли зиться к проблеме оптимизации течения восстановительных процессов, обо снования, внедрения в клинику методов тканевой терапии. Ëèòåðàòóðà Борисов И. Н., Дунаев П. В., Бажанов А. Н. Филогенетические основы тканевой орга низации животных. — Новосибирск : Наука, 1986. Временная и пространственная организация тканей / под ред. проф. Г. С. Катина са. — Л. : 1й ЛМИ, 1981. Данилов Р. К. Раневой процесс: гистогенетические основы. — СПб. : ВМедА, 2008.

Îáùèå ïðèíöèïû êëåòî÷íîé îðãàíèçàöèè, ðàçâèòèÿ è êëàññèôèêàöèè òêàíåé

123

Заварзин А. А. Очерки по эволюционной гистологии нервной системы. — М.; Л. : Медгиз, 1941. Клишов А. А. Гистогенез и регенерация тканей. — Л. : Медицина, 1984. Клочков Н. Д. Гистион как элементарная морфофункциональная единица // Морфо логия. — 1997. — Вып. 5. — С. 87—88. Кнорре А. Г. Эмбриональный гистогенез (морфологические очерки). — Л. : Меди цина, 1981. Кочетов Н. Н. К вопросу об определении понятия «ткань» // Арх. анат. — 1984. — Вып. 3. — С. 88—94. Маресин В. М. Пространственная организация эмбриогенеза. — М. : Наука, 1990. Михайлов В. П., Катинас Г. С. Об основных понятиях гистологии // Арх. анат. — 1977. — Вып. 9. — С. 11—26. Программированная клеточная гибель / под ред. проф. В. С. Новикова. — СПб. : Наука, 1996. Савостьянов Г. А. Основы структурной гистологии. Пространственная организация эпителиев. — СПб. : Наука, 2005. Саркисов Д. С. Регенерация и ее клиническое значение. — М. : Медицина, 1970. Смолянинов В. В. Математические модели биологических тканей. — М. : Наука, 1980. Структура и функции межклеточных контактов / под ред. В. И. Архипенко и А. Г. Маленкова. — Киев : Здоров’я, 1982. Щелкунов С. И. Основные принципы клеточной дифференцировки. — М. : Меди цина, 1977. Хлопин Н. Г. Общебиологические и экспериментальные основы гистологии. — М.; Л. : Издво АН СССР, 1964. Dormer K. J. Fundamental tissue geometry for biologist. London: Cambridge Univ. Press, 1980. Gluksmann A. Cell death in normal vertebrate ontogeny // Biol. Rev. — 1951. — V. 26. — P. 59. Kerr J. F. R., Wyllie A. H., Currie A. R. Apoptosis: a basic biological phenomenon with wideranging implication in tissue kinetics // Br. J. Cancer. — 1972. — V. 26. — P. 239—257.

Глава 4 СИСТЕМА ЭПИТЕЛИАЛЬНЫХ ТКАНЕЙ

Общая характеристика и классификация эпителиев Эпителиальные ткани получили свое название от двух греческих слов: «эпи» — над, «теле» — «сосочек». Впервые этот термин был применен Рюи шем, который назвал эпителием ткань, расположенную над сосочками соеди нительной ткани, т. е. покровный эпителий кожи. Позднее в группу эпите лиальных стали относить и другие пограничные ткани, а затем и железы. Эпи телиальные ткани образованы клетками, называемыми эпителиоцитами. Общие морфологические признаки эпителиев, отличающие их от других тканей, следующие: 1. Эпителий — это пограничная (барьерная) ткань, которая отграничивает организм от внешней или внутренних сред и одновременно осуществляет с ним связь. На поверхности организма находится покровный эпителий. Просветы кишечника, незамкнутые полости почек, матки и других внутренних органов и их протоков также выстилаются эпителием. Наконец, замкнутые полости — перикардиальная, плевральная и брюшная — тоже ограничены эпителиальной тканью. Паренхима внутренних органов в большинстве случаев также состоит из эпителиев. Пограничная функция является важнейшим признаком эпите лиальных тканей, определяющим структуру всех их разновидностей. 2. Клетки эпителиев расположены в виде сплошных пластов, покрывающих большие поверхности. Способность образовывать пласты сохраняется у эпите лиев и при выращивании их в культуре тканей вне организма. Распределяясь пластом и функционируя как единый пласт, эпителий надежно отграничивает подлежащие ткани от внешней для них среды. 3. Основную массу эпителиальной ткани составляют клетки, в отличие, на пример, от соединительной ткани, где над клетками значительно преобладают межклеточные структуры. Богатство клетками также определяется погранич ным положением эпителиев. Следует отметить, однако, что некоторые эпителии вырабатывают доволь но мощный слой межклеточного вещества в виде кутикулярных структур, кото рые по площади могут преобладать над эпителиоцитами. При этом эпителий сохраняет характер пласта, имеет тесное расположение клеток, а кутикула от кладывается на свободной поверхности, как это наблюдается в покровах мно гих беспозвоночных животных. Между тесно расположенными эпителиаль ными клетками находится очень мало межклеточного вещества. По мнению ряда авторов, оно между соседними клетками вообще отсутствует, а щели меж ду клетками шириной около 20 нм заполнены гликокаликсом. Первоначаль но гликокаликс был обнаружен на поверхности микроворсинок кишечных эпи

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

125

телиоцитов (энтероцитов), а в настоящее время — и на поверхности других эпителиальных и неэпителиальных клеток. Пограничное положение эпителиев и в связи с этим частая их ранимость привели в процессе эволюции к выработке у них высокой способности к реге нерации в ответ на повреждение. Регенерация эпителия является результатом размножения или гипертрофии клеток. 4. Эпителии, особенно однослойные, характеризуются резко выраженной полярностью образующих их клеток, т. е. базальная и апикальная части эпите лиоцитов значительно отличаются друг от друга и структурно, и функциональ но. Так, эпителиальные клетки кишечника имеют на своей апикальной поверх ности микроворсинки; в надъядерной области располагается комплекс Гольд жи (КГ), тогда как в базальных частях клеток нет ни микроворсинок, ни КГ. Через апикальную зону клетки всасываются продукты пищеварения, а через ба зальную часть осуществляется ее питание и выделение в кровь и лимфу продук тов всасывания. В многослойных эпителиях также наблюдается полярность пласта клеток. 5. Эпителий всегда располагается на четко выраженной базальной мембра не (базальной пластине), т. е. на слое межклеточного вещества, образованного деятельностью клеток как эпителия, так и подлежащей соединительной ткани. Базальная мембрана находится только с базальной стороны клеток и укрепляет эпителиальный пласт, способствуя выполнению им своей основной погранич ной функции. Сквозь базальную мембрану осуществляется питание эпителия. Проникновение некоторых веществ из внешней среды в подлежащую соедини тельную ткань также происходит через эпителий. Таким образом, базальная мембрана, отделяя эпителий от соединительной ткани, одновременно связы вает их между собой в эпителиальносоединительнотканный комплекс. Несмотря на сходство эпителиев по перечисленным признакам, каждый вид эпителия имеет свои индивидуальные особенности. Классификации эпителиев. В пределах эпителиальных тканей сущест вует довольно большое разнообразие клеточных видов. В зависимости от цели, которую ставит перед собой исследователь, изучающий данную ткань, можно классифицировать эпителии по структуре, функциональным особенностям, происхождению, положению эпителия по отношению к среде, с которой он граничит, по способности к обновлению и другим признакам. Соответствен но используются морфологическая, онто и филогенетическая, функциональ ная классификации, а также классификации по пролиферативным потенциям и свойствам пограничности. Морфологическая классификация. По морфологии можно разделить эпителии на несколько разновидностей в соответствии с взаимным распо ложением клеток в составе пласта и (или) их формой (рис. 4.1 и табл. 4.1). Если клетки в пласте расположены в один слой — эпителий называется о д н о с л о й н ы м, а если в несколько слоев — м н о г о с л о й н ы м. Встречаются т а к ж е м н о г о р я д н ы е эпителии, у которых все клетки лежат на базальной мембране, как в однослойном эпителии, но лишь часть их апикальных концов доходит до свободной поверхности. Вершины остальных, более низких клеток, оказываются между боковыми поверхностями соседних клеток. Таким образом,

126

Ãëàâà 4

Рис. 4.1. Эпителиальные пласты: а — однослойный плоский; б — однослойный кубический; в — однослойный цилиндрический каемчатый; г — однослойный цилиндрический многорядный мерцательный; д — многослой ный плоский неороговевающий; е — многослойный переходный в нерастянутом состоянии; ж — многослойный переходный в растянутом состоянии (по: Э. Г. Улумбекову и Ю. А. Челы шеву, 1997)

в многорядных эпителиях клетки имеют разную высоту и форму: одни (бо лее высокие) — цилиндрическую, а другие (более низкие) — пирамидальную. Такие клетки называют вставочными. В ряде случаев, однако, было показано, что в некоторых, считавшихся мно горядными, эпителиях в действительности имеется однослойность, т. е. верши ны всех клеток доходят до свободной поверхности, а вставочные клетки имеют форму не одной, а двух пирамид, соединенных вершинами. Такую форму кле ток можно увидеть только на ультратонких, строго ориентированных срезах в электронный микроскоп. Среди многослойных эпителиев выделяют ороговевающие и неороговеваю щие. Своеобразной разновидностью многослойного эпителия является пере ходный эпителий. Количество слоев в нем меняется в зависимости от степени

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

127 Òàáëèöà 4.1

Локализация различных эпителиев (ïî: Ý. Ã. Óëóìáåêîâó è Þ. À. ×åëûøåâó, 1997) Вид эпителия

Однослойный плоский Однослойный кубический Однослойный цилиндрический: железистый каемчатый мерцательный Многослойный плоский: неороговевающий ороговевающий Многослойный переходный

Локализация в органах

Плевра, брюшина, сердечная сумка Яичник, извитые канальцы нефрона Желудок Кишечник, желчный пузырь Воздухоносные пути, маточные трубы Роговица глаза, ротовая полость, пищевод Кожа Мочевой пузырь, мочеточник

наполнения органа, полость которого он выстилает (например, лоханок по чек, мочевого пузыря и мочеточников). Эта классификация, хотя широко применяется, не дает представления о функциях и происхождении разных эпи телиев. Функциональная классификация. Наиболее полную характеристику эпителиальных тканей можно получить, пользуясь функциональной классифи кацией. Однако она имеет тот недостаток, что функции эпителиев весьма раз нообразны и, если строго следовать этой классификации, она получится слиш ком дробной, особенно при систематизации эпителиев не только позвоноч ных, но и беспозвоночных животных. И все же, если остановить внимание на самых ведущих функциях эпителиев, — такая классификация оказывается приемлемой. У большинства животных можно выделить следующие типы эпителиев по принадлежности их к тем или иным органам, обладающим своеобразными функциональными признаками: 1. Покровный (кожный) эпителий. 2. Эпителий желудочнокишечного тракта. 3. Эпителий дыхательных путей. 4. Почечный эпителий. 5. Мезотелий. 6. Эпителий гонад. 7. Железистый эпителий и др. В каждой из этих групп эпителиев, в свою очередь, можно выделить ряд разновидностей. Например, в эпителии почек имеются и подоциты, обра зующие внутренний листок капсулы сосудистого клубочка (боуменовой) и пло ский, кубический и цилиндрический эпителии почечных канальцев, каждый из которых имеет своеобразное строение, функции и т. д. Эти разные виды кле ток присущи, однако, одному органу и в совокупности друг с другом и осталь ными тканями органа осуществляют общий выделительный и осморегулирую щий эффект.

128

Ãëàâà 4

Делалась попытка разделять эпителии по функциям конкретных клеток (Альбертс Б. [и др.], 1987), но при такой классификации пропадает характери стика эпителия как ткани. Онто и филогенетическая классификация. Классификация эпителиев по признаку их происхождения из определенных зародышевых листков и за чатков, а также по своеобразному характеру роста в культуре тканей (отра жающему в какойто мере филогенетические особенности) была предложе на Н. Г. Хлопиным (1947). Он разделил эпителии позвоночных на следую щие типы: — эпидермальный, возникающий из эктодермы (покровные эпителии, кож ные железы, эпителии ротовой полости и слюнных желез); — энтеродермальный, происшедший из энтодермы (эпителий желудка, ки шечника, печени, поджелудочной железы); — целонефродермальный, образовавшийся из мезодермы (эпителий гонад, почек, мезотелий); — эпендимоглиальный, развивающийся из зачатка нервной трубки (эпен димная глия); — ангиодермальный, имеющий мезенхимное происхождение (эндотелий сосудов). Часть исследователей, однако, последние две разновидности ткани не отно сят к эпителиям. Выстилку спинномозгового канала и желудочков мозга — эпендиму — они относят к нервной ткани, а выстилку кровеносных сосудов — эндотелий — к тканям внутренней среды. В. П. Михайлов (1972, 1980), исходя из представления о том, что источни ками развития тканей определенного типа бывают не зародышевые листки (или их части), а одинаковым образом детерминированные комплексы клеток (зачатки) независимо от их формального расположения в том или ином заро дышевом листке, предложил следующую классификацию тканей (табл. 4.2). В один тканевой тип В. П. Михайлов объединил разные ткани, но образован ные из общих зачатков и способные в ряде условий переходить друг в друга (метаплазировать). Òàáëèöà 4.2 Классификация эпителиальных тканей по принципу филогенетической разнородности (ïî: Í. Ã. Õëîïèíó è Â. Ï. Ìèõàéëîâó, ñ èçìåíåíèÿìè, 1980) Тканевый тип

Эпидермальный (анизодермаль ный)

Эмбриональные зачатки, образующие ткани

Эпидермис и его произ водные (в том числе эпи телиальная выстилка ро тового, анального впя чиваний, урогенитального синуса и вольфовых ка налов)

Конкретные ткани, входящие в соответствующий тип или подтип

Многослойный ороговевающий эпителий кожи, глотки, ротовой полости, анальной области, влагалища; эпителий сальных, потовых, молочных, слезных и слюнных желез; аденогипофиз; эпителий роговицы, простаты, эпидидимиса и семявыносящих путей; эпителий лоханки почки, мочевого пузыря и мочевыносящих путей

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

129 Òàáëèöà 4.2 (îêîí÷àíèå)

Тканевый тип

Энтероцелодер мальный (изо дермальный)

Эмбриональные зачатки, образующие ткани

Конкретные ткани, входящие в соответствующий тип или подтип

Эпителиальная выстилка головной кишки и ее про изводные (в том числе эпителий жаберных кар манов) Внезародышевая экто дерма

Эпителий глотки, пищевода, эпителий воз духоносных путей и респираторного отде ла легкого, жабр; эпителий щитовидной железы, околощитовидных желез и эпите лий остова тимуса Эпителий амниона, пупочного канатика и трофобласта; эпителий серозных оболо чек

Эпителиальная выстилка среднего отдела кишеч ника и ее производных

Однослойный эпителий желудка, кишеч ника, желчного пузыря и желчевынося щих путей; паренхима печени и поджелу дочной железы Однослойный эпителий желточного меш ка и аллантоиса Мезотелий брюшной и грудной полостей, фолликулярные клетки гонад Эпителий коркового вещества надпочеч ников, текаклетки яичника; однослойный эпителий шейки и тела матки и яйцеводов Про, мезо и метанефрогенная ткань (в де финитивной почке — эпителий нефрона и собирательных трубочек)

Внезародышевая энто дерма Эпителий целома Мюллеровы каналы

Нефротом

Классификация тканей, предложенная В. П. Михайловым, имеет ряд недо статков. В частности, эмбриональными зачатками в ней называются эпидермис, эпителий целома, эпителиальная выстилка средней кишки и ее производные. Эти структуры, как указывает А. А. Клишов (1975), едва ли целесообразно от носить к эмбриональным зачаткам. Кроме того, в графу «конкретные ткани» занесены не только ткани, но и клетки и органы (аденогипофиз и щитовидная железа). А. А. Клишов (1975, 1984), разрабатывая проблему классификации тка ней, считал, что она должна отражать стойкую детерминированность четырех тканевых систем, каждая из которых включает большое число групп и разно видностей тканей, возникших на основе дивергентной эволюции. Исходным и главным критерием при выявлении разновидностей тканей автором был взят принцип их детерминированности, следствием которой является неспособность к превращениям тканей друг в друга и стойкое сохранение ими своих гистобла стических потенций. В системе эпителиальных тканей А. А. Клишов выделял пять типов: 1. Эпителии кожного типа (эпидермис, эпителий роговицы, молочных, щи товидной, паращитовидной желез, тимуса, эпителий аденогипофиза, слизистой оболочки пищевода и эпителий воздухоносных путей: многорядный мерцатель ный, альвеолярный эпителий легких, переходный и влагалищный эпителий).

130

Ãëàâà 4

2. Эпителии кишечного типа (желудка, кишечника, печени, желчевыводя щих путей и поджелудочной железы). 3. Эпителии почечного типа (эпителий различных отделов нефрона). 4. Эпителии целомического типа (мезотелий, эпителий семенных канальцев и семявыносящих путей, фолликулярный эпителий, эпителий яйцеводов и мат ки и коркового вещества надпочечников). 5. Эпителии глиального типа (эпендимный, периневральный, эпителий моз говых оболочек, десцеметов и хрусталиковый эпителий, пигментный эпителий сетчатки, глиальный эпителий органов слуха, обонятельный и вкусовой эпите лий и хромаффинная ткань). При конкретном распределении тканей по группам, однако возникает ряд неувязок. Так, в группу эпителиев кожного типа автор относит столь несходные по структурам и функциям ткани, как эпидермис, эпителий щитовидной желе зы и альвеолярный эпителий. Здесь за основной признак было выбрано проис хождение тканей. С другой стороны, эпителий почечный и целомический рас сматриваются как отдельные типы, несмотря на их генетическую близость. Спорно относить к эпителиям эпендимную глию, а к глиальному типу — вкусо вой эпителий. Еще одну классификацию эпителиев, названную авторами комплексной, предлагают И. Н. Борисов [и др.] (1986) (схема 4.1). В ней учитывается как происхождение тканевых разновидностей, так и их специфическая органная принадлежность. Существует еще целый ряд классификации эпителиев с учетом их проли феративной активности, способности к регенерации и др. Каждая из приведен ных классификаций имеет право на существование, особенно, если ткани изу чаются и описываются под определенным углом зрения. Например, исследуют ся процессы их развития, регенераторные способности, их пролиферативный пул и т. д., но только морфофункциональная классификация дает наиболее общую и существенную характеристику клеток в тканевых системах. Все остальные классификации тканей имеют более частный характер. В этой главе используют классификацию эпителиев, учитывающую основ ной ведущий признак эпителиев — пограничность, которая обусловливает их защитную и метаболические функции. Тем не менее, уже приведенные здесь классификации эпителиев говорят о большом разнообразии этих тканей по их морфологии, частным функциям и происхождению из всех трех зародышевых листков и разных эмбриональных зачатков. Классификация по свойствам пограничности. Строение и функции эпи телиев как пограничных тканей в значительной мере определяются той сре дой, с которой они контактируют. Классификация, отражающая морфофункциональные приспособления эпите лиальных тканей к взаимодействию с окружающей средой, позволяет охаракте ризовать эпителии по ведущему признаку, т. е. пограничности. Согласно предла гаемой классификации, эпителии можно разделить на следующие основные типы: 1) покровные (кожные) эпителии; 2) эпителии слизистых оболочек; 3) эпителии серозных оболочек;

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

131

Схема 4.1. Комплексная классификация эпителиев высших позвоночных (по: И. Н. Борисову и соавт., 1986)

4) эпителии паренхимы внутренних органов (респираторных отделов лег ких, канальцев почек, гонад, концевых отделов желез). Последняя группа эпителиев сборная и характеризуется весьма высокой степенью специализации клеток в пределах каждого органа. Среди них можно выделить группу собственно паренхиматозных клеток и клеток протоковых. В ряде случаев, однако, последние справедливо отнести к группе эпителиев слизистых оболочек. На основе этой удобной, хотя тоже недостаточно совер шенной классификации мы и будем строить в дальнейшем описание разных типов эпителиев. Разумеется, предлагаемая классификация эпителиев не лише на недостатков, но она позволяет охарактеризовать морфофизиологические особенности этих тканей, основное назначение которых — выполнение погра ничной в самом широком смысле слова функции в контакте с разной и измен чивой окружающей средой. Базальная мембрана (базальная пластина). Важнейший из названных признаков эпителия — это расположение его в виде пласта, который форми руется на базальной мембране, объединяющей клетки в единый комплекс. По

132

Ãëàâà 4

скольку названная структура не является мембраной в принятом в настоящее время смысле этого слова, во избежание путаницы многие используют более нейтральный термин — базальная пластина. Эти два термина употребляются как синонимы. Базальная мембрана была описана еще задолго до появления электронной микроскопии и характеризовалась как некая пластинка, поперечником более 0,2 мкм, отделяющая эпителиальный пласт от подлежащей соединительной ткани. Хотя ее наличие считали одним из типичных признаков именно эпите лиев, в настоящее время это образование обнаружено и в других тканях (глад комышечной, жировой, поперечнополосатых мышечных волокнах). Тем не ме нее, наиболее четко выражена базальная мембрана именно в эпителиях. Базальная мембрана под электронным микроскопом состоит из четырех слоев: базальной плазмолеммы (7—9 нм толщиной); электроннопрозрачного слоя, называемого светлой пластинкой (lamina lucida, толщиной 50—70 нм); темной пластинки (lamina densa, толщиной 30—100 нм), содержащей фибрил лярные структуры, впаянные в однородный матрикс; фиброретикулярной плас тинки (lamina fibroreticularis), представляющей собой упорядоченно располо женные фибриллы коллагенов, ориентированных послойно во взаимноперпен дикулярном направлении и при этом параллельно поверхности эпителиального пласта (субэпидермальное сплетение). Толщина этого слоя может достигать не скольких микрометров, и преимущественно за счет него базальная мембрана бывает видна при светооптическом микроскопировании (рис. 4.2). Однако в со временной литературе под базальной мембраной обычно подразумевают сово купность только двух слоев — светлой и темной пластинок, общей толщиной около 100—150 нм, которые обнаруживаются под электронным микроскопом. В некоторых работах базальной мембраной называют одну темную пластинку. При использовании метода глубокого замораживания с замещением базаль ная мембрана имеет также трехслойное строение. Возможно, что при общепри нятой методике фиксации происходит перемещение и агрегация веществ, при водящая к образованию плотного слоя на некотором расстоянии от плазмолем мы, а замораживание ограничивает перемещение веществ. В базальных мембранах выявлены коллаген III, IV и в меньшей степени коллаген V, проколлаген и неколлагеновые белки: высокомолекулярные гли копротеины — ламинин и фибронектин, а также сульфатированный гликопро теин — энтактин (нидоген), связывающий ламинин с коллагеном IV. В ба зальных мембранах находятся и протеогликаны, содержащие гепарансуль фат и хондроитинсульфат, обеспечивающие процессы фильтрации благодаря анионным свойствам. Кроме того, протеогликаны участвуют в регуляции не скольких сигнальных путей от ростовых факторов, а также в ангиогенезе. В ба зальных мембранах описан также компонент со свойствами коллагена и про теогликана — коллаген ХVIII, протеолитическое расщепление которого ведет к освобождению фрагмента — эндостатина, обладающего антиангиогенным действием. Ламинин и фибронектин, будучи адгезивными гликопротеидами матрикса, с помощью своих доменов связываются с коллагеном IV и с рецепторными белками (интегринами и дистрогликаном) клеточной поверхности и обеспе

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

133

Рис. 4.2. Электронные микрофото графии (а, б) базальной мембра ны и гемидесмосом в эпидермисе человека: 1 — светлая пластинка; 2 — темная пла стинка; 3 — фиброретикулярная пла стинка; 4 — гемидесмосома; 5 — пучки тонофиламентов; 6 — сосочковый слой дермы (препарат В. И. Семкина и Е. В. Виноградовой). Ув.: а — 100 000; б — 30 000

чивают прикрепление клетки к базальной мембране. Существует около 12 раз ных изоформ ламинина, что обеспечивает взаимодействие с разными рецепто рами. Ламинины способны стимулировать адгезию, миграцию клеток и влиять на экспрессию генов. Фибронектин (и коллаген) связывается с клеткой, поми мо белковых рецепторов, также посредством протеогликана синдекана, заяко ренного в плазмолемме. Фибронектин широко распространен во всех тканях, интерстиции и базальных мембранах разных типов клеток, он синтезируется фибробластами соединительной ткани, в то время как коллаген IV и ламинин образуются к клетках эпителия. Это говорит о важной роли эпителиоцитов в синтезе компонентов базальной мембраны.

134

Ãëàâà 4

Архитектоника базальных мембран довольно сложна (см. рис. 4.2). В элект роннопрозрачном слое (lamina lucida) концентрируются в большом количестве ионы Ca2+ и находится немного трудноперевариваемых протеазами белков. В темной пластинке находятся глобулярные и фибриллярные образования, за ключенные в матрикс. Ламинин, фибронектин и коллаген IV довольно равно мерно распределены в темной пластинке, но концентрация ламинина выше со стороны плазмолеммы, а фибронектина — со стороны соединительной ткани. В соответствии со схемой, предложенной В. Е. Соколовым [и др.] (1988), в тем ной пластинке по границе со светлой располагается слой протеогликанов, да лее — слой коллагена IV, а ближе к соединительной ткани — слой коллагена V. Базальная мембрана, находясь на границе эпителия и соединительной тка ни, является связующим и одновременно разъединяющим слоем для этих двух тканей. Поскольку в эпителий не проникают сосуды, обеспечение эпителиоци тов питательными веществами идет через базальную мембрану. Гликозоами ногликаны этой структуры служат избирательным фильтром для проникно вения из интерстиция тех или иных веществ, растворенных в воде. Влияние внешних факторов на ткани внутренней среды идет через эпите лий и базальную мембрану, которая, таким образом, является селективным фильтром двустороннего характера защитноприспособительного назначения. Она служит и избирательным барьером для клеток, пропуская через себя мак рофаги и лимфоциты, но задерживая прохождение фибробластов. Важную механическую нагрузку несет электроннопрозрачный слой (lami; na lucida). При удалении Ca2+ из этого слоя с помощью бескальциевой среды (ЭДТА) клетки легко отделяются от остальной части базальной мембраны. Очевидно, ионы кальция служат для прочного соединения эпителия и соеди нительной ткани. Опорную роль при этом играют коллагены, а ламинин и фиб ронектин выполняют прикрепляющую функцию. Итак, базальная мембрана укрепляет эпителиальный пласт на соединительной ткани, стабилизирует архитектонику базальных частей клеток, обеспечивает селек тивный обмен эпителия с подлежащими тканями, амортизирует в какойто степени механические воздействия, оказываемые на эпителий. Выполняя роль двусторонних избирательных фильтров базальные мембраны могут влиять на дифференцировку клеток и играть важную роль в регенерации, направляя движение пролиферирующих клеток и определяя пространственную организацию всего эпителиального пласта. Базальные мембраны несут и защитные функции. Благодаря высокому от рицательному заряду гликозоаминогликаны в базальных мембранах способны накапливать многие токсины, сосудоактивные амины и комплексы анти ген—антитело (АГ—АТ), что имеет важное значение при разных патологиче ских состояниях. Базальные мембраны вовлекаются в патогенез таких заболе ваний, как герпетиформный дерматит, герпес беременных, пемфигоид, синдром Гудпасчера (гломерулонефрит с образованием АТ к коллагену IV базальных мембран). Изменяются базальные мембраны и при диабете, красной волчанке, аденокарциноме грудной железы. Нарушения структуры ламинина описаны при вялости кожи (cutis laxa) и врожденном буллезном эпидермолизе. При раз витии некоторых раков наблюдается дезинтеграция участков базальных мем бран, что способствует метастазированию. Следует отметить, что базальные

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

135

мембраны различных эпителиев несколько отличаются друг от друга не толь ко по толщине, но и составу и способны изменять свои особенности в зависи мости от функционального назначения и состояния ткани в норме и патологии. Эпителиоциты базального слоя многослойного эпителия и разных типов однослойного эпителия укрепляют связь с базальной мембраной с помощью ге мидесмосом (полудесмосом). В области гемидесмосом осуществляется более выраженное, чем в других местах, прикрепление клеток эпидермиса к дерме, механическая поддержка эпидермиса, и создается барьер для транспорта ве ществ. Также есть основания считать, что белки гемидесмосом посредством связи с внеклеточным матриксом участвуют в регуляции различных внутри клеточных процессов (дифференцировке, пролиферации, апоптозе). Гемидесмосомы напоминают половину десмосом и состоят из одного диска (пластинки прикрепления), содержащего десмоплакины I и II, расположенные вблизи базальной плазмолеммы со стороны цитоплазмы, и примыкающих к дис ку кератиновых тонофиламентов. В отличие от десмосом, тонофиламенты при крепляются к диску не боковыми частями, а концами. Есть и другие значитель ные отличия этих образований от десмосом. Так, вместо трансмембранных бел ков десмосом плакоглеинов и десмоколлинов в гемидесмосомах многослойного эпителия выявляются интегрины Ü6â4 и белки с молекулярной массой 230 и 500 кДа. Внеклеточная часть интегринов входит в базальную мембрану и взаи модействует с ее белками, включая ламинин и коллаген IV. Также в гемидесмо сомах присутствует коллаген ХVII в виде трансмембранных молекул. В дисках нет плакоглобина, обязательного для десмосом, но присутствует пемфигоидный АГ (белок из семейства плакинов, непосредственно взаимодействующий с тоно филаментами): этого белка нет в пластинке прикрепления десмосом. При неко торых кожных заболеваниях (неакантолитическая пузырчатка) вырабатывают ся антитела к пемфигоидному антигену и коллагену ХVII, в результате происхо дит отслоение эпителия кожи от базальной мембраны и образование пузырей. В области гемидесмосом архитектоника базальной мембраны особенно сложна. В этом месте светлая полоска истончается, в ней появляется ряд допол нительных структур. Вблизи гемидесмосом со стороны дермы в базальную мембрану внедряются пучки заякоривающих волокон. Они состоят из микро фибрилл, собранных в пучки, с неправильной поперечной исчерченностью. Многие авторы считают заякоривающие волокна седьмой формой коллагена. В дерме пучки расходятся, образуя сеть (см. рис. 4.2). В прикреплении базальной мембраны к подлежащей соединительной ткани участвует также белок фибриллин — его фибриллы 10—12 нм толщиной свя зывают lamina densa с эластическими волокнами соединительной ткани.

Покровный эпителий кожи Строение эпидермиса. Многослойный ороговевающий эпителий образует эпидермис кожи и состоит из нескольких слоев клеток — к е р а т и н о ц и т о в (кератоцитов), разных по структуре и свойствам, а также интегрированных в эпителий специализированных клеток (рис. 4.3).

136

Ãëàâà 4 Рис. 4.3. Схема строения эпидермиса человека: 1 — кератиноцит базального слоя; 2 — клетка Меркеля; 3 — нервная терминаль; 4 — клетка Лангерганса; 5 — пигментная клетка; 6 — кератиноцит шиповатого слоя; 7 — кератиноцит зернистого слоя; 8 — кератиноцит блестящего слоя; 9 — рого вая чешуйка (корнеоцит)

Самый глубокий б а з а л ь н ы й слой располагается на ба зальной мембране и строится из одного ряда преимущественно ци линдрических клеток (рис. 4.4). В их цитоплазме содержится мало цистерн гранулярной эндоплаз матической сети (ГЭС), много свободных рибосом, тонкие нити, называемые тонофиламентами (прототонофибриллами). Их относят к про межуточным филаментам. Эти нити состоят из предшественника кератина — прекератина (с молекулярной массой 50—58 кДа) и собраны в пучки, ориен тированные, в основном, по продольной оси клетки. В кератиноцитах ба зального слоя находятся немногочисленные митохондрии и слабо развитый комплекс Гольджи. Встречаются единичные гранулы меланина (число их уве личивается в загорелой коже). Ядра базальных клеток имеют мелко диспер гированный хроматин. Базальная поверхность клеток данного слоя снабжена пальцевидными выростами, вдающимися в базальную мембрану, что обес печивает более прочную связь эпителия с соединительной тканью (рис. 4.5). В отдельных участках на базальной плазматической мембране находятся гемидесмосомы, описанные ранее (см. рис. 4.2, б). Боковые поверхности клеток базального слоя снабжены многочисленными интердигитациями, направленны ми в относительно широкие меж клеточные пространства. Именно базальный слой эпидермиса пер вым воспринимает питательные вещества, поступающие в эпите Рис. 4.4. Электронная микрофото графия клетки базального слоя эпи дермиса человека: 1 — тонофиламенты; 2 — гемидесмо сомы; 3 — базальная мембрана; 4 — дес мосомы; 5 — меланосомы; 6 — коллаге новые волокна (препарат В. И. Семкина, И. Н. Михайлова, Е. В. Виноградовой). Ув. 15 000

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

137

Рис. 4.5. Электронная микрофотография ке ратиноцита базального слоя эпидермиса че ловека после ультрафиолетового облучения: 1 — пучки тонофиламентов; 2 — меланосомы; 3 — выросты базальных частей эпителиоцитов; 4 — ба зальная мембрана (препарат В. И. Семкина, И. Н. Михайлова, Е. В. Виноградовой). Ув. 6000

лий диффузным путем или с помощью пиноцитоза из соединительной ткани че рез базальную мембрану. Клетки этого слоя интенсивно делятся, причем основ ная масса новообразованных клеток пе ремещается в вышерасположенные слои, а небольшое число клеток (стволовых) остается в базальном слое и, редко де лясь, поддерживает существование эпи дермиса как обновляющейся ткани. На поверхности кератиноцитов имеют ся многочисленные структуры, обеспе чивающие соединение их между собой. На уровне световой микроскопии эти образования выглядят тонкими пере мычками между клетками. Много лет тому назад они были названы клеточ ными мостиками. При их электронном микроскопировании выяснилось, что слия ния соседних клеток с помощью клеточ ных мостиков не происходит. Эти струк туры представляют собой сложные связующие комплексы, получившие наз вание десмосомы (рис. 4.6, а, б). В области десмосомы у кератиноцитов часто наблюдаются направленные навстречу друг к другу выросты цитоплазмы, по крытые плазмолеммой. Они цементируются друг с другом электронноплот ным веществом. Клетки эпителия разных типов всегда обладают этими кон тактами, хотя в некоторой степени десмосомы различаются по составу интег ральных и трансмембранных белков. В настоящее время принято считать, что десмосома представляет собой комплекс локально расположенных и обычно симметричных компонентов, в состав которого входят две прикрепляющие (цитоплазматические) пластинки, расположенные вблизи внутренней стороны плазмолеммы, два ограниченных участка плазматической мембраны и десмо глея, находящаяся во внеклеточном пространстве. Прикрепляющая пластинка связывается с пучками промежуточных филаментов (рис. 4.7). Использование биохимических и иммуноцитохимических методов позволило определить бел ковый состав десмосом. В цитоплазматической пластинке выявлено четыре не гликозилированных белка: десмоплакины I и II, плакоглобин и десмокальмин.

138

Ãëàâà 4

Рис. 4.6. Электронные микрофотографии десмо сом в шиповатом слое (а) и зернистом слое (б) покровного эпителия человека: 1 — прикрепляющая пластинка; 2 — пучки кера тиновых филаментов; 3 — плазматические мем браны соседних клеток; 4 — гранулы Одланда; 5 — слоистый междесмосомальный цемент (препа рат Е. В. Виноградовой, В. И. Семкина, И. Н. Ми хайлова). Ув. 50 000

Десмоплакины I и II (240 и 210 кДа) — тесно связанные белки, причем пер вый обнаруживается в пластинках прикрепления любых десмосом, тогда как второй — только в многослойном эпителии. Плакоглобин находится во всех пластинках прикрепления (как и в промежуточных контактах). Десмокальмин (240 кДа) осуществляет прикрепление промежуточных (кератиновых) фила ментов к цитоплазматической пластинке. Этим достигается прочность самого цитоскелета и связь с соседними клетками, создающая препятствие к измене ниям формы клеток, механическим повреждениям, поддерживается целост ность пласта и его функциональная интеграция. Недавно получены данные, что комплекс десмосомы и промежуточных филаментов стабилизируется еще одним белком 08LAG (140 кДа). Помимо белков цитоплазматической пластинки в состав десмосом входят Ca2+связывающие трансмембранные белки (кадгерины): десмоглеины I и II (150 и 97—118 кДа) и десмоколлины I и II. Их экстраклеточные домены нахо дятся в десмоглее и они закрепляются ионами Ca2+. Ширина десмоглеальной зоны составляет 20—30 нм, толщина прикрепляющей пластинки — 10—40 нм, а весь комплекс десмосомы имеет поперечник около 80—160 нм и протяжен ность около 200—250 нм. Последняя может сильно варьировать в клетках раз ных слоев эпидермиса. Таким образом, в десмосоме образуется две линии свя зи: 1) плакоглобин (в цитоплазматической пластинке одной клетки) — десмо глеин той же клетки — десмоглеин другой клетки — плакоглобин другой цитоплазматической пластинки; 2) десмоплакины (в цитоплазматической плас

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

139

Рис. 4.7. Схема организации десмосомы. Плазматические мембраны клеток разделены промежутком 20—30 нм, в котором находятся вне мембранные части кальцийсвязывающих белков: десмоглеина и десмоколлина. К внутренней (цитоплазматической) поверхности плазматической мембраны прилегает прикрепляющая (цито плазматическая) пластинка с вплетенными в нее промежуточными филаментами. В этой пла стинке содержатся десмоплакины, плакоглобин и часть молекулы десмоглеина (по: Э. Г. Улум беков и Ю. А. Челышев, 1997)

тинке одной клетки) — десмоколлин той же клетки — десмоколлин другой клетки — десмоплакин другой цитоплазматической пластинки. В десмосомах содержатся также единичные протеины — десмоглеин III (22 кДа), который найден только в десмосомах эпидермиса, а также десмопла кины III и IV, десмокальмин и плектин, но их точная топография в этих кон тактах еще не определена. Над базальным слоем эпителия располагается несколько рядов (4—8) кле ток, называемых ш и п о в а т ы м и, к р ы л а т ы м и, или о с т и с т ы м и. Сово купность этих клеток составляет второй, шиповатый, или остистый, слой. Час то этот слой вместе с базальным объединяют в единый р о с т к о в ы й. Клет ки имеют неправильные очертания. Они снабжены крыловидными выростами, внедряющимися между соседними клетками. От слоя к слою эти клетки посте пенно уплощаются (рис. 4.8), имеют все органеллы, а также многочисленные тонофиламенты, собранные в пучки, — тонофибриллы, видимые в световой микроскоп. Они содержат белок альфакератин или его предшественник — прекератин. Эти клетки способны к митотическому делению, но число деля щихся клеток становится меньше по мере удаления клеток от базального слоя. В клетках верхних частей шиповатого слоя появляются овальные гранулы (300—400 на 100—150 нм), названные кератиносомами (кератосомами, ламел лярными гранулами, или гранулами Одланда). Эти гранулы имеют пластинча тое содержимое (стопки мембранных дисков или тяжей поперечником 6—8 нм).

140

Ãëàâà 4 Рис. 4.8. Электронная микрофотография покровного эпителия человека: 1 — роговой слой; 2 — зернистый слой; 3 — шиповатый слой; 4 — базальный слой (препарат Е. В. Виноградовой, В. И. Семкина и И. Н. Михайлова). Ув. 4000

Слоистость кератиносом связана с на личием фосфолипидов. Кроме того, в них содержатся лизосомные энзи мы и нейтральные сахара, связанные с липидами и белками (рис. 4.9). В верхних частях следующего — зер нистого — слоя из этих гранул вы деляются мембранные структуры пу тем экзоцитоза в межклеточное про странство, которые сливаются конец в конец и образуют видимый под электронным микроскопом слоис тый липидный защитный слой. Оче видно, гранулы Одланда играют роль в формировании межклеточного це мента и барьера против проникно вения чужеродных материалов и бак терий в подлежащие ткани. Кроме того, кератиносомы проявляют гид ролазную активность, выделяя, в част ности, кислую фосфатазу и арилфосфатазу, и этим участвуют в подготовке эпи телиальных клеток к слущиванию в ходе ороговения. Недифференцированные клетки базального слоя содержат в высокой кон центрации вещества катехоламиновой природы (норадреналин, адреналин), способные индуцировать бета2адренорецепторы. Стимуляция последних спо собствует процессу цитодифференцировки. В вышерасположенных слоях эпи дермиса биосинтез катехоламинов уменьшается и цитодифференцировка по степенно замедляется. Над ростковым слоем располагается третий — з е р н и с т ы й с л о й. Клет ки этого слоя лежат в 3—4 ряда и имеют несколько уплощенную форму. Они соединяются с соседними клетками с помощью десмосом. Их ядра имеют конденсированный хроматин, в цитоплазме хорошо видны пучки тонофила ментов, ориентированных вдоль длинной оси клетки, т. е. параллельно по верхности пласта. Наиболее характерным признаком этого слоя является на личие в клетках крупных гранул, окрашивающихся гематоксилином и наз ванных кератогиалиновыми. В этих гранулах содержатся белки, богатые гистидином и цистеином, протеогликаны и гликопротеины (рис. 4.10). Имму нофлуоресцентным методом в гранулах выявлен богатый гистидином белок — филаггрин, характерный только для кератогиалина. Кератогиалиновые гранулы

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

141

Рис. 4.9. Электронная микрофотография реплики, полученной методом заморажива нияскалывания (с напылением углеродом и платиной) с участка кератиноцита челове ка. Видны ядерная внутренняя мембрана (1) с комплексами пор и в цитоплазме — гра нулы Одланда (2) (препарат Е. В. Вино

эпидермиса человека и крысы имеют сходное строение. Внутри них содер жатся пучки филаментов невысокой электронной плотности (у крыс эти филаменты расположены только по пе риферии гранулы). В плотном матрик се кератогиалиновых гранул обнару живается мелкая зернистость, часто образующая кристаллические структу ры. Эти гранулы лишены окружающей мембраны и имеют неправильную фор му (см. рис. 4.8—4.10). Иногда керато гиалиновые гранулы выглядят аморфными. Зернистый слой переходит в неоволосненной части кожи, в толстом эпи дермисе, в четвертый — б л е с т я щ и й с л о й. Блестящий слой состоит из

Рис. 4.10. Электронная микрофотография участка клетки зернистого слоя эпидер миса человека. В цитоплазме клетки видны лишенные оболочек кератогиалиновые гранулы (1) и гранулы Одланда (2) (препарат Е. В. Виноградовой, И. Н. Михайлова и В. И. Семкина). Ув. 50 000

142

Ãëàâà 4

1—4 рядов сильно уплощенных эозинофильных клеток, заполненных свето преломляющей волокнистой массой. В этих клетках кератогиалиновые гра нулы как бы расплываются, ядра подвергаются кариорексису и кариолизису, другие органеллы разрушаются. Такой слой погибающих клеток сменяется многочисленными, особенно на подошвах, ладонях и подушечках пальцев, рядами плоских роговых чешуек, образующих самый поверхностный р о г о в о й (кератиновый) слой эпидермиса. Роговые чешуйки представляют собой резко ограниченные, плоские эле менты (корнеоциты) с четко выраженными границами. Основная часть ро говой чешуйки заполнена электроннопрозрачными фибриллами альфакера тина диаметром 8—12 нм. Между фибриллами располагается электронно плотный матрикс из аморфного гаммакератина (или низкомолекулярного альфакератина, богатого гистидином), а в центре чешуйки накапливаются относительно низкомолекулярные продукты гидролиза, не имеющие види мой структурной организации. При приготовлении препаратов для световой микроскопии эти вещества обычно вымываются, в результате чего во многих роговых чешуйках бывает видна полость. Сверху и снизу роговые чешуйки лишены десмосом, и верхние, и нижние поверхности корнеоцитов кажутся гладкими. Однако с помощью сканирующей электронной микроскопии обна ружено, что их поверхности имеют выросты, гребни и впадины (Соколов В. Е. [и др.], 1988). Выделяемый гранулами Одланда липидный материал обра зует слоистый цемент, скрепляющий корнеоциты друг с другом (рис. 4.11). По периметру каждая чешуйка имеет электронноплотную зону толщиной 30—35 нм и протяженностью около 100—150 нм, которой она связывает ся с чешуйками соседних клеток. Эти соединения называются сквамо сомами. Считают, что сквамосомы возникают путем смещения десмо сом в клетках верхних слоев эпидер миса к латеральным границам упло щающихся клеток. Связывание сква Рис. 4.11. Электронная микрофотография эпидермиса человека. Видна часть клет ки зернистого слоя (1) с десмосомой (Д) и выделяющейся из клетки гранулой Одланда (О); клетки блестящего слоя (2, 3, 4) имеют однородное содержимое, а между ними располагается липидный материал слоистого характера (Л); клет ки рогового слоя (5) богаты кератино выми филаментами (препарат Е. В. Ви ноградовой, В. И. Семкина и И. Н. Ми хайлова). Ув. 45 000

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

143

Рис. 4.12. Электронная микрофотография участков двух клеток рогового слоя с изви листыми боковыми границами (стрелки) и накопления в межклеточном пространст ве слоистой массы липидов (преимущест венно церамидов), образующих слоистый «цемент» (препарат Е. В. Виноградовой, В. И. Семкина). Ув. 90 000

мосомами соседних роговых чешуек одного уровня в единый пласт обеспе чивает возможность свободного слу щивания пласта из многих чешуек. При этом создается оптимальный механи ческий барьер при минимуме строительного материала. Ультрамикроскопи ческое строение сквамосом сходно с десмосомами, но протяженность их большая, поскольку они опоясывают уплощенную чешуйку (рис. 4.12). В меж клеточном пространстве в роговом слое долго сохраняется слоистый липид ный материал. Ороговение эпидермиса и его слущивание. Процесс превращения эпите лиальной клетки в роговую чешуйку весьма сложен и недостаточно изучен. В течение ороговения прототонофибриллы или прекератиновые филаменты — предшественники кератиновых фибрилл (диаметром 7—8 нм) — постепенно на чинают утолщаться за счет присоединения белков, богатых сульфгидрильными группами и гистидином. Их диаметр при этом становится равным 10—12 нм. В синтезе прекератина принимают участие рибосомы, концентрирующиеся вблизи тонофиламентов. Далее прототонофибриллы собираются в пучки, свя зывающиеся с плазмолеммой через десмосомы, и превращаются в кератиновые фибриллы. При повреждении десмосом или отделении от них тонофибрилл ороговение прекращается. В верхних участках шиповатого слоя начинается синтез кислого белка про филаггрина, который после фосфорилирования и посттрансляционных моди фикаций превращается в филаггрин. Он приобретает свойства основного белка и становится способным образовывать комплексы с кератиновыми филамента ми. Слияние кератиновых гранул с утолщенными прототонофибриллами про исходит в присутствии неорганических солей. Именно зернистый слой является областью высокой концентрации и стабилизации филаггрина. В глубокой зоне рогового слоя начинается его разрушение, и в верхних участках рогового слоя филаггрин не обнаруживается. При катаболизме филаггрина обнаруживается гистидин и далее образуется уриконовая кислота. Последняя играет важную роль в защите кожи от действия ультрафиолетовых лучей, которые она погло щает. Другой продукт разрушения филаггрина — пиролидонкарбоксиловая кис лота. Это вещество обладает большой гигроскопичностью и обеспечивает тем самым сохранение воды в верхних слоях эпидермиса даже в условиях повы шенной сухости окружающего воздуха. Полученные данные говорят о том, что молекулы катаболизма филаггрина не ограничиваются участием в ороговении, а имеют более разнообразные функции.

144

Ãëàâà 4

Другой специфический белок зернистого слоя — инволюкрин. В этом слое он растворен и располагается вокруг кератогиалиновых зерен. В даль нейшем он переходит в нерастворимую форму и вместе с кератолинином вклю чается в состав стенок клеток рогового слоя, утолщая их почти вдвое, особенно их верхнюю часть (маргинальный слой). При этом в кератолинине возни кают дополнительные гаммаглютамилЕлизиновые связи между остатками лизина в одном полипептиде и остатками глютамина в другом, делающие этот белок устойчивым к действию сильных кислот и щелочей. Такую реакцию ка тализирует фермент трансглютаминаза. В результате — на внутренней по верхности плазмолеммы корнеоцита создается устойчивая к внешним воз действиям маргинальная полоса толщиной 12—15 нм, не содержащая кера тина. Существование таких маргинальных полос характерно только для ороговевающего эпителия. Открыт еще один, возможно главный, предшест венник рогового вещества — богатый цистеином белок лорикрин. Он локали зован в кератогиалиновых гранулах и, повидимому, участвует в конечных стадиях ороговения. Во всех слоях эпидермиса содержатся липиды. В базальном слое пре обладают фосфолипиды (фосфатидилхолин и сфингомиелин). В зернистом слое, помимо фосфолипидов, обнаруживаются холестерол, жирные кислоты и появляются церамиды. В роговом слое в высокой концентрации содержат ся церамиды (их почти в 4 раза больше, чем в зернистом слое), высоко со держание жирных кислот и холестерола. Эти гидрофобные липиды ответст венны за проницаемость эпидермиса. Фосфолипиды в роговом слое не выяв ляются. Следовательно, состав и содержание липидов в процессе ороговения зна чительно изменяются. Существенно отметить, что синтез липидов и фермен тативное расщепление происходят во всех слоях эпидермиса, а их выделение в межклеточные пространства можно рассматривать как секреторный процесс. В глубоких участках рогового слоя липиды образуют прочные комплексы с белком и не выявляются обычными красочными реакциями (окраской суда ном III). В слущивающейся зоне рогового слоя, благодаря частичному разру шению этих комплексов и появлению свободных стеринов, липиды выявляют ся. Среди них преобладает полярный липид ацилглюкозилцерамидсфинго липид, структура и свойства которого определяет (вместе со свободными стеролами) барьерную функцию клеток рогового слоя. Углеводы в этих слоях почти не выявляются. Методом дифракции рентгеновских лучей установлено, что межклеточные липиды в роговом слое организованы в двухслойные ламел лярные структуры и содержат в кристаллическом виде холестерол. В верхних зонах рогового слоя происходит разрушение цементирующего клетки мате риала под действием ферментов, выделяемых кератиносомами. При десульфа тировании холестеролсульфата межклеточные ламеллярные структуры рас падаются и начинается слущивание (десквамация) корнеоцитов. Распад мем бранных бислоев межклеточных липидов, обусловливающий слущивание, осуществляется под действием стероидсульфатаз, кислых лапаз и церамидаз, находящихся в роговом слое. Показано, что сульфатированный холестерол уча ствует в метаболизме экзогенных продуктов, проникающих в эпидермис.

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

145

Таким образом, барьерная функция корнеоцитов разнообразна. Наличие барьера, однако, не означает абсолютной непроницаемости эпидермиса для во ды и растворов. Бислои липидов в роговом слое не образуют непрерывную ли пидную фазу, так как в промежутках между липидными участками находится водная фаза. В верхних отделах рогового слоя цементирующие липиды не вы являются, что и облегчает слущивание роговых чешуек. Следует иметь в виду, что описанный способ образования рогового ве щества при участии прототонофибрилл и кератогиалиновых зерен не является единственным. В ряде случаев ороговение идет почти без участия прототоно фибрилл. Так, при образовании кутикулы волоса кератинизация происходит главным образом путем слияния аморфных гранул трихогиалина, накапли вающихся в эпителиоцитах. В других случаях (при образовании ногтей, когтей или коркового вещества волоса) кератогиалиновые гранулы в эпителиальных клетках не появляются, и образование рогового вещества бывает связано лишь с усиленным синтезом фибрилл. При этом ороговевшие клетки не слущивают ся. Так возникает фиброзный кератин, в котором под электронным микроско пом бывает видна выраженная фибриллярность. Роговое вещество обладает разными физическими свойствами. Так, кера тин ногтей, когтей, коркового вещества волоса и его кутикулы относятся к твердому кератину, а кератин эпидермиса и мозгового вещества волоса — к мягкому кератину. В твердом кератине по сравнению с мягким содержится больше серы. Способы ороговения как в клетках с твердым, так и с мягким кератином могут быть разными. Кератины представляют собой разнородную группу по аминокислотному составу и последовательности аминокислот в полипептидных цепочках. По над молекулярной организации различают три разновидности кератинов: альфаке ратины со спиральным расположением полипептидных цепей; бетакератины с линейным их расположением (6—20 кДа) и гаммакератины с неправильной укладкой полипептидных цепей. Кератины содержат большое число дисуль фидных мостиков, а также водородных и ионных связей, определяющих хими ческую устойчивость кератинов и их механическую прочность. При этом бета кератин содержит больше серусодержащих аминокислот, чем альфакератин. По недавно созданной химической классификации кератинов эпидер мальных клеток, они разделены на две группы: кислые кератины (тип I) и основные (тип II). Всего у человека идентифицировано 19 разновидностей кератинов, каждая из которых получила свой порядковый номер. В покров ном эпителии кератины построены по единому плану и имеют одинаковую вторичную структуру. Центральную часть молекулы занимает альфаспи ральный домен, состоящий из 311—314 аминокислотных остатков, преры вающийся тремя короткими неспирализованными (спейсерными) последо вательностями (рис. 4.13). Наиболее консервативен Сконец альфаспирали, который состоит из 30 аминокислотных остатков одинаковых для всех белков промежуточных филаментов. Центральная часть альфаспирального домена имеет семичленную периодичность в одном витке спирали. Предполагается, что три альфаспиральных домена образуют спиральную надмолекулярную струк туру. С кератиновыми молекулами могут ассоциироваться и другие белки,

146

Ãëàâà 4 Рис. 4.13. Схема молекулярной организации филаментов кератина, составленная по дан ным дифракции рентгеновских лучей под малым углом и химических исследований. Три альфаспиральных нити, переплетаясь, образуют филамент диаметром 2 нм. Не сколько неспирализованных участков мо лекулы выступают наружу вблизи поверх ности нити, которая, в основном, уклады вается в виде спирализованной спирали. Гало из неальфаспиральных участков спо собствует взаимодействию с соседними нитя ми; 9 тройных цепей (блоков) образуют слабо извитую, вправо закрученную суперспираль длиной 345 нм из последовательно располо женных молекул длиной около 47 нм. На по перечном срезе кератиновые нити имеют вид 9лепесткового цветка с отверстием в сере дине (по: M. Steiner, J. S. Contieri, 1983)

что приводит к модификациям их струк туры. Например, филаггрин (высоко положительно заряженный белок с низ кой молекулярной массой) осуществляет ассоциацию филаментов в пучки. В многослойном эпителии кожи раз ные его слои содержат различные кера тины. В базальном слое обнаруживаются кислые кератины (14 и 15) и основной (5). Кератиноциты всех других слоев эпидер миса синтезируют кератины 1 и 2 (типа II) и 10 (типа I). В однослойной эктодер ме раннего эмбриона крысы выделены кератины 8 и 18. На первых этапах раз вития все эпителии имеют сходный спектр кератинов. В ходе дифференцировки кератины 8 и 18 заменяются в покровном эпителии на 5, 14, 15 и ряд других. Процесс ороговения может быть ускорен или замедлен под влиянием внеш них воздействий. Так, усиление ороговения в эпидермисе, растущем в культуре тканей, происходит при недостатке CO2, дефиците витамина А, при введении в культуральную среду гидрокортизона и эстрогена. Замедляет ороговение в куль туре избыточное введение в среду витамина А. При гипервитаминозе А ороговеваю щий эпителий может метаплазировать в слизистый. Витамин Е ингибирует мо дуляции кератиноцитов.

Ñïåöèàëèçèðîâàííûå êëåòêè ýïèäåðìèñà Клетки Лангерганса (беспигментные дендроциты, внутриэпидер мальные макрофаги). В пласте многослойного покровного эпителия встре чаются редко расположенные и своеобразные клетки трех типов: клетки Лан герганса, клетки Меркеля и пигментные клетки (меланоциты).

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

147

Клетки Лангерганса, диаметром 12—15 мкм, находятся преимущественно в шиповатом слое эпидермиса, но могут мигрировать и в другие слои, а так же перемещаться в регионарные лимфоузлы. Они снабжены отростками (обыч но по 12 отростков у каждой клетки). Клетки Лангерганса имеют неправиль ной формы ядра, содержат немного темных пигментных гранул, не дающих ДОФАреакции, свидетельствующей о синтезе меланина. При окраске препара тов гематоксилинэозином эти клетки оказываются слабо оксифильными, по лупрозрачными, а при импрегнации солями тяжелых металлов — интенсивно окрашиваются. Иммуноцитохимическими методами в клетках Лангерганса вы являются антигены, связанные с геном главного комплекса гистосовмести мости. У человека это HLADR. В этих клетках обнаруживаются АДФазная, АТФазная и бетаглюкуронидазная активности. Эти клетки способны экспрес сировать три HLA антигена, T4, T6, T200, виментин, катехоламины, интер ферон, лизоцим, простагландины и др. В них экспрессируется â1интерлейкинадгезионный фактор, обеспечиваю щий возможность прикрепления клеток к ламинину и фибронектину, что поз воляет им мигрировать через базальную мембрану в эпителий и из него обратно в соединительную ткань. На поверхности клеток Лангерганса находится глико протеин CD4, который служит рецептором, опосредующим прикрепление к ним некоторых вирусов. В клетках Лангерганса хорошо развиты ГЭС, КГ, митохонд рии; редко разбросаны фибриллярные структуры, а десмосомы отсутствуют. Самыми характерными и уникальными органеллами клеток Лангерганса являются гранулы, имеющие форму теннисной ракетки за счет ампульного рас ширения одного из концов этих гранул и суженного другого конца. Они были названы гранулами Бирбека. Длина их 350—550 нм, ширина «рукоятки» — около 45 нм, а поперечник ампульного расширения — 200—270 нм. В «ру коятке» ракетки находится двойной слой упорядоченно расположенных гранул общей толщиной 5—6 нм. Ампульное расширение обладает электронной про зрачностью (рис. 4.14). Клетки Лангерганса имеют много общего с макрофагами, что позволяет счи тать их происхождение из кроветворной костномозговой ткани. Цитогенетиче ское родство с макрофагами подтверждается тем, что в плазматических мембра нах клеток Лангерганса имеются рецепторы к Fcфрагменту IgG и компонентам комплемента (C3B, C3d и C4d), а также антигены главного комплекса гистосовмести мости. Подобно макрофагам они Рис. 4.14. Электронная микрофотогра фия фрагмента клетки Лангерганса в эпидермисе кожи человека с харак терными «ракетками»: 1 — комплекс Гольджи; 2 — гранулы Бир бека (препарат В. И. Семкина и И. Н. Ми хайлова). Ув. 25 500

148

Ãëàâà 4

способны к миграции, фагоцитозу и стимуляции лимфоцитов. В то же время у че ловека клетки Лангерганса отличаются от макрофагов не только по наличию гранул Бирбека, но и по способности захватывать только мелкие молекулы, по отсутствию активности ряда ферментов (5Sнуклеотидазы, пероксидазы, лизоцима), а также по присутствию антигена Т6 (дифференцировочного марке ра для Тлимфоцитов). Путем рецепторносвязанного эндоцитоза антиген Т6 попадает в клетку и обнаруживается сначала в «окаймленных» гранулах, а за тем в гранулах Бирбека. Последний факт позволяет предполагать, что грану лы Бирбека образуются из плазматической мембраны. Возможно, что клетки Лангерганса — это отдельная популяция клеток костномозгового происхож дения. В настоящее время считается установленным, что эти клетки образуют специальную «предохранительную сеть», формирование которой у человека начинается на 6—7й неделях эмбриогенеза. Все фенотипические признаки клетки Лангерганса приобретают к 4—6му месяцам онтогенеза. Клетки Лангерганса ведут себя аналогично макрофагам. Они представляют антиген Тлимфоцитам и активируют иммунный ответ. При попадании антиге на в эпидермис он связывается с плазмолемами клеток Лангерганса, внедряется в них и перерабатывается так, чтобы быть представленным и узнанным Тлим фоцитом. Переработанный антиген перемещается на поверхность клетки Лан герганса, комплексируется с антигеном главного комплекса гистосовместимости и в таком виде представляется Тлимфоциту как «модифицированное свое». Тлимфоциты при этом отвечают хелперным эффектом. Контакт Тлимфоци тов с клетками Лангерганса удается видеть при электронном микроскопирова нии. Установлено также, что клетки Лангерганса выделяют вещество, сходное с ИЛ1 (эпидермальноклеточный тимоцитактивирующий фактор), стимули рующее Тлимфоциты к пролиферации, подобно тому, как это осуществляют макрофаги, выделяющие этот лимфокин. Суспензия, обогащенная клетками Лангерганса, способна, подобно макрофагам, представлять антигены отвечаю щим Тклеткам, вызывая позитивный (хелперный) эффект. Очевидно, клетки Лангерганса представляют антиген таким образом, что активируют преиму щественно Тхелперы. При этом, кератиноциты, экспрессируя на своей поверх ности вещество, обозначаемое как Ia (immune associated), усиливают актив ность клеток Лангерганса по представлению антигена Тклеткам. При сильном УФоблучении клетки Лангерганса перестают давать хелпер ный ответ на локально нанесенный на кожу антиген. Но есть небольшая попу ляция клеток (к л е т к и Г р э н с т е й н а), сохраняющаяся при высоких дозах облучения. Эти клетки представляют антиген в форме, запускающей супрессор ный цикл, что было показано в эксперименте. Хотя хелперный и супрессорный эффекты находятся примерно в равновесии, в норме преобладает хелперный сигнал, обеспечивающий адекватный ответ на вредные антигены, попадающие на кожу. В последние годы показано, что наличие на поверхности клеток Лангерган са гликопротеида СD4 может обусловить прикрепление к этим клеткам таких вирусов, как вирус СПИДа. Высказывается предположение (Быков В. Л., 1997), что клетки Лангерганса могут иметь значение в патогенезе этого заболевания, становясь входными воротами и источниками последующего распространения

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

149

вируса (в слизистых оболочках). Цитокины, продуцируемые этими клетками, вызывают увеличение числа рецепторов меланоцитостимулирующего гормона на пигментных клетках, что влияет на их деятельность и повышает функцио нальную активность фибробластов. Полифункциональность клеток Лангер ганса этим не ограничивается. Как известно, лимфоциты, попадающие в тимус из костного мозга, созрева ют в этом органе, становясь Тлимфоцитами. Созревание этих клеток происхо дит в процессе перемещения их из коркового в мозговое вещество тимуса. Было установлено, что даже после завершения «курса обучения» в тимусе многие Тклетки нуждаются в дальнейшем дозревании, прежде чем стать функцио нально полноценными. Возникло предположение, что на созревание Тклеток влияют клетки эпидермиса, обнаруживающие с эпителиоцитами тимуса опреде ленное сходство. Оба типа клеток содержат кератиновые филаменты и имеют несколько сходных маркерных молекул на плазмолемме. В культуре тканей бы ло показано, что кератиноциты кожи оказывают дифференцирующее воздейст вие на посттимусные этапы созревания Тклеток. Установлено также, что анти тела к тимопоэтину (гормону тимуса), влияющему на созревание Тклеток, свя зываются с клетками базального слоя эпидермиса. Этот факт позволяет предполагать возможность выработки эпидермальными клетками гормона, по добного тимопоэтину. Дополнительный сигнал при этом получает Тлимфоцит от клеток Лангерганса в виде ИЛ1. Он побуждает, как упоминалось, секрецию Тлимфоцитами ИЛ2, что стимулирует размножение Тклеток той же специ фичности и усиливает специфическую реакцию на антиген. Присутствие клеток Лагерганса способствует отторжению аллогенного трансплантата, а возможно и опухолей. Установлено, что при раке кожи в ней снижается количество клеток Лангерганса, играющих роль в противоопухоле вой защите организма. Важную роль играют клетки Лангерганса в патогенезе таких заболеваний как псориаз и дерматозы. Высказываются и другие гипотезы о функциональном назначении клеток Лангерганса. Их рассматривают как самоподдерживающуюся популяцию, а так же считают эти клетки регуляторами скорости пролиферации кератиноцитов. В гранулах Бирбека предполагают локализацию кейлонов. Возможно также, что клетки Лангерганса являются центрами эпидермальных пролиферативных единиц. Клетки Меркеля располагаются в базальном слое эпидермиса у всех по звоночных. Их особенно много в местах с повышенной тактильной чувстви тельностью. Меркель описал их впервые в 1875 г. в эпидермисе морды крота, как чувствительные (Tastzelle) и связанные с нервными волокнами клетки. По мимо эпидермиса эти клетки находятся в волосяных фолликулах, слизистой оболочке ротовой полости, вкусовых луковицах языка. Форма их почти округ лая или овальная, ядра снабжены небольшими выпячиваниями. Эти клетки крупнее кератиноцитов и имеют более светлую ципоплазму, чем у кератиноци тов. В клетках Меркеля умеренно развиты ГЭС, митохондрии и тонофиламен ты. Четко выявляется КГ. Десмосомы в них немногочисленны. К клеткам Мер келя вплотную примыкают рецепторные нервные волокна. Характерным при знаком этих клеток являются специфические осмиофильные мелкие гранулы

150

Ãëàâà 4 Рис. 4.15. Электронная микрофотогра фия клетки Меркеля трехнедельного младенца. В клетках Меркеля видны ве зикулы (В), осмиофильные гранулы (Г), лизосомы (Л), митохондрии (М), дес мосомы (Д). Рядом кератиноцит (К) (по: J. Brethach, 1971)

диаметром 60—180 нм (рис. 4.15). Они подобны гранулам нейронов, выделяющих моноамины, и обычно собираются в той части клетки, где она контактирует с нервной терми налью. Незрелые гранулы, как и мно гие гранулы эндокринных клеток, окружены мембранами, под которы ми имеется светлое пространство, тогда как зрелые гранулы лишены этого ободка. В гранулах обнаруже ны нейропептидаза, вазоактивный интестинальный пептид, нейроспе цифическая энолаза, вещество Р, хромогранин А и метионинэнке фалин. Это дает основание предпо лагать, что клетки Меркеля подобны клеткам диффузной эндокринной системы (нейроэндокринной системы кожи). О происхождении этих клеток известно мало. По мнению одних авторов, они развиваются из нейроэктодермы (нервных гребней) и вместе с перифери ческими нервами мигрируют в эпидермис. По мнению других — они являются продуктами дифференцировки кератиноцитов, вторично чувствующими клет ками. Было установлено, что, при ранней экстирпации нервных гребешков у ли чинки амблистомы, клетки Меркеля в эпидермисе все же появляются. Это го ворит о независимом от нервного гребня происхождении таких клеток. В поль зу этого представления свидетельствуют также данные о кератиновой природе фибриллярных структур в клетках Меркеля, отсутствие белков нейрофиламен тов и способность этих клеток соединяться с кератиноцитами с помощью дес мосом. Высказывается достаточно обоснованное предположение о том, что клетки Меркеля несут механорецепторную функцию и возбуждаются при рас тяжении кожи. Полагают также, что эти клетки определяют окончательное положение терминалей периферических отростков чувствительных нервов в ходе онтогенеза. Выделяемые клетками Меркеля нейропептиды могут участ вовать в регуляции активности клеток Лангерганса. Меланоциты, окраска эпидермиса и его производных. Эпидермис, как и его производные (волосы, перья, чешуи и т. д.), обычно бывают пигментиро ваны. В основном окраска кожи и волос млекопитающих бывает обусловлена присутствием пигментных клеток — меланоцитов — или накоплением пигмента в самих кератиноцитах.

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

151

Меланоциты — клетки, которые могут накапливаться под эпидермисом и проникать в толщу эпителиального пласта. Это амебоидные, но чаще звездча тые клетки с ядрами неправильной формы и светлой цитоплазмой с умеренным количеством ГЭС, свободных рибосом и хорошо сформированным КГ. Они ли шены десмосом и имеют мало филаментозных структур (рис. 4.16). Меланоци ты особенно широко распространены у низших позвоночных. Именно эти клет ки способны синтезировать меланин и накапливать его в своей цитоплазме

Рис. 4.16. Электронная микрофотография меланоцита кожи живота человека (в активной синтетической фазе): а — меланоцит с отростком в базальном слое эпидермиса: 1 — отросток меланоцита; 2 — ГЭС; б — участок меланоцита (1) с меланосомами разной степени зрелости (2) и участок кератиноци та (3) с гранулами кератогиалина и тонофиламентами (4). Между этими клетками нет десмосом (препарат Е. В. Виноградовой и В. И. Семина). Ув.: а — 7700; б — 36 000

152

Ãëàâà 4

в столь большом количестве, что на тотальном препарате пигментные гранулы маскируют ядра. Главным характерным признаком пигментных клеток является способность синтезировать пигмент меланин, который накапливается в называемых мела носомами гранулах, окруженных мембранами (рис. 4.17). В ходе эмбриогенеза процесс образования и дифференцировки меланоцитов протекает в несколько стадий и регулируется гормонами, ультрафиолетовым облучением и обуслов лен генетически. Он начинается с миграции клетокпредшественников мелано цитов (меланобластов) из нервных гребней. Меланобласты делятся и диффе ренцируются в меланоциты, перемещаясь в эпидермис спонтанно или под влия нием УФлучей. По мере дифференцировки в меланоцитах начинается процесс формирования меланосом. При этом в ГЭС активируется синтез структурных белков и профермента протирозиназы. Эти вещества переносятся в КГ. От цис терн последнего отрываются пузырьки (промежуточные везикулы), превращаю щиеся в неокрашенные зерна овальной формы диаметром 0,7 × 0,3 мкм, назы ваемые премеланосомами. В них обнаруживается фибриллярный каркас, на ко тором конденсируется плотный аморфный материал. В это время неактивный фермент протирозиназа переходит в активный фермент — тирозиназу. Тирози наза, находящаяся в премеланосомах, использует в качестве субстрата тиро зин, превращая его в 3,4дигидрооксифенилаланин (ДОФА). Под действием фермента ДОФАоксидазы и путем присоединения белка, ДОФА превращается в меланин. Меланиновый биополимер наслаивается в меланосоме с централь ным стержнем на фибриллярный каркас, образуя овоидную структуру (Сем кин В. И., Михайлов И. Н., 1984). Центральный стержень становится более массивным, и в нем появляется поперечная исчерченность (темные полоски шириной 5,0—5,5 нм и светлые промежутки шириной 3,0—3,5 нм). В даль нейшем меланизация распространяется и на краевые филаменты меланосомы. В образовании пигментных гранул принимают участие не только аминокислота тирозин, окисляющаяся в ДОФА и далее в меланин, но также и фосфолипиды, с которыми комплексируется тирозиназа и фосфопротеины, связывающиеся с меланином. Фосфолипиды образуют сначала ряды электронноплотных «бу синок» внутри премеланосом, а затем они сливаются в ламеллярные структуры. В процессе созревания гранулы меланина, пластинчатые образования в ней уплотняются, активность тирозиназы снижается и меланосома приобретает вид плотной гомогенной гранулы. В меланосомах содержится более 25 белковых компонентов, выявляемых SDSэлектрофорезом (Курбанов Х., 1985). Итак, в формировании пигментной гранулы последовательно участвуют ГЭС, КГ, промежуточные везикулы, преобразующиеся в премеланосомы и да лее в меланосомы. Размеры и форма предшественников зерен меланина не остаются неизменными. От ГЭС отделяются мелкие пузырьки, в которых тирозин переносится в КГ. Отделяющиеся от цистерн КГ везикулы постепен но растут и из шаровидных становятся овоидными. Это промежуточные вези кулы, продолжая увеличиваться, переходят в премеланосомы, которые, как и промежуточные везикулы, сначала бывают неокрашенными (см. рис. 4.17). В коже человека превращение премеланосомы в меланосому связано с ее уплот нением, увеличением размера (с 0,23 × 0,07 мкм до 0,7 × 0,3 мкм) и выявлением

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

153

Рис. 4.17. Электронные микрофотографии меланосом на разных стадиях развития (а, б, в) и их агрегация в комплексы (г), поступающие в кератиноцит (препарат И. Н. Михайлова, В. И. Семкина и Е. В. Виноградовой). Ув.: а — 18 000; б — 18 000; в — 15 000; г — 17 000

154

Ãëàâà 4

коричневочерного пигмента — меланина. Меланин в меланосомах находится в полимерной и связанной с белком форме. Меланоциты заселяют в эпидермисе преимущественно базальный слой, но их отростки распространяются и в других слоях. Вместе с 30—35 кератиноци тами один меланоцит образует единицу меланизации. Кератиноциты фагоцити руют фрагменты отростков меланоцитов и таким способом наполняются пиг ментными зернами. Это явление называют цитофагоцитозом. Некоторые мела ноциты гибнут в толще эпителиального пласта и его производных, тогда как зерна меланина могут оставаться в кератиноцитах, сохраняясь даже в роговом слое, придавая эпидермису окраску. В эпидермисе негроидов большая часть ке ратиноцитов содержит гранулы меланина (рис. 4.18, а, б). Обычно пигментные гранулы располагаются над ядрами. У людей с нормальной пигментацией в не загорелой коже всегда присутствуют гранулы меланина. Они защищают орга низм от ультрафиолетовой радиации, поскольку меланин задерживает более 90 % излучения. При мягком УФоблучении (с длиной волны 315—400 нм) происходит превращение бесцветных премеланосом, содержащих восстанов ленную форму меланина (ДОФА), в зерна окрашенного пигмента. При облу чении происходят не только описанные выше изменения меланосом, но и кера тиноцитов. Межклеточные промежутки между кератиноцитами расширяются, и в этих пространствах обнаруживаются лизосомы, меланосомы и продукты разрушения части кератиноцитов. После солнечной инсоляции меланосомы со бираются в комплексы, объединяясь по 10—15 меланосом в каждом комплексе (см. рис. 4.17). При инсоляции меланин, возможно, начинает синтезироваться не только в меланоцитах, но и в кератиноцитах базального слоя эпидермиса. При облучении в средней области ультрафиолета (280—315 нм) и особенно при жестком облучении (100—280 нм) благодаря способности клеток рогового слоя поглощать волны меньшей длины, чем 300 нм, появляется покраснение кожи, иногда ожог, сопровождающийся разрушением части клеток эпидермиса. При этом в меланоцитах ускоряется синтез новых порций меланина и число меланосом и премеланосом увеличивается в 2—2,5 раза. Возрастает и мито

Рис. 4.18. Микрофотография вертикального среза кожи человека: а — темнокожего; б — белокожего. Видна разница в количестве кератиноцитов, содержащих гра нулы (стрелки) меланина (препарат Е. В. Виноградовой). Окраска: гематоксилин и эозин. Ув. 320

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

155

тическая активность меланоцитов. Следует отметить, что пролиферативная активность эпидермальных клеток при УФоблучении также возрастает, уско ряется процесс ороговения и увеличивается толщина рогового слоя. Повышенная пигментация может быть обусловлена генетически. Так, у представителей негроидной расы в эпидермисе и дерме содержится не толь ко увеличенное количество меланоцитов, но и в кератиноцитах, особенно в ба зальном и шиповатом слоях, накапливается большое количество зерен мела нина, что хорошо видно на рядом расположенных микрофотографиях эпидер миса белого человека и темнокожего (см. рис. 4.18, а, б). При ряде заболеваний может происходить увеличение кожной пигментации. Гипермеланизация бывает связана с избыточной секрецией меланоцитстиму лирующего гормона, аденокортикотропина и половых гормонов в организме. При этом усиливается синтез меланина и его перераспределение из тел мелано цитов в их отростки. Этим и объясняется повышение пигментации при аддисо новой болезни, беременности и после УФоблучения. Альбинизм — врожденный дефицит или отсутствие меланина в коже, волосах и радужке, который связан с нарушением синтеза меланина — отсутствием активной формы тирозиназы. Меланины млекопитающих существуют в двух формах: в виде эумеланина и феомеланина. Эумеланин — пигмент от коричневого до черного цвета при сутствует в коже и волосах. Он нерастворим в органических растворителях и яв ляется сложным азотсодержащим гетерополимером. Феомеланин — пигмент ры жего, желтого и красного цветов. Он находится только в волосах и обусловливает их светлую окраску. Это серосодержащее соединение, растворимое в щелочах, возникающее в результате сополимеризации продуктов окисления тирозина и ци стеина. В отличие от овальных гранул эумеланина, феомеланиновые включения имеют сферическую форму. В феомеланосомах человека содержится микровезику лярный белковый матрикс, в котором пигмент откладывается в виде зернышек. Говоря о защитной функции меланина, надо иметь в виду, что она осущест вляется не только по механизму оптической преграды. Действительно, эри темная доза УФоблучения у темнокожих в 8 раз выше, чем у светлокожих. Но большую роль играют меланоциты в химической защите. Установлено, что меланин может защищать кожу, тормозя свободнорадикальные реакции. Ме ланопротеиновые гранулы проявляют антиокислительные свойства в отношении темнового свободнорадикального переокисления липидов. Ингибирующее дейст вие меланина, повидимому, осуществляется путем прямого контакта меланино вых гранул с фагосомами. При контакте пигментных гранул с фагосомами сво боднорадикальные продукты инактивируются на меланиновой матрице и не вы ходят в окружающую среду. Возможно также связывание пероксидантных ионов с двухвалентным железом и с меланином в неактивные комплексы, так как ме ланосомы имеют высокое сродство к ионам многовалентных металлов Fe, Cu, Mn, Pb, Ca, Se и образуют с ними комплексы. Эти данные объясняют при сутствие меланина в недоступных свету тканях, где меланин предотвращает или ослабляет токсическое действие продуктов перекисного окисления. Итак, происхождение меланоцитов связывают с дифференцировкой клеток нервных гребешков. Предшественники меланоцитов (меланобласты) мигри руют из нервных гребней в ходе эмбриогенеза и могут накапливаться под эпи

156

Ãëàâà 4

дермисом или проникать в толщу эпителиального пласта, где и начинается их дифференцировка, связанная с синтезом меланина. Функции эпидермиса. Функции покровных эпителиев многообразны и часто неразделимы с функциями кожи, которая, как известно, состоит из эпи дермиса и дермы. Основная их роль — пограничная и связанная с ней защит ная. Покровный эпителий для реализации этих функций располагается плас том, образует роговой слой на своей поверхности, а также формирует ряд спе цифических дифференцировок: волосы, ногти, а у животных — когти, копыта, рога, роговые чешуйки и др. Защитную функцию выполняют и такие производ ные покровного эпителия, как сальные и потовые железы у млекопитающих и человека. У низших позвоночных эпидермис содержит слизистые, белковые и ядовитые железы, также играющие защитную роль. Все эти секреты пре пятствуют высыханию кожи. Сальные железы образуют жировую смазку, предохраняющую кожу от химических, бактериальных и многих физических воздействий (давления, трения, радиации). Защитную функцию выполняет и меланин, вырабатываемый миланоцитами. С деятельностью потовых желез (помимо почек и эндокринных желез) связано обеспечение в организме вод носолевого, а также в известной мере ферментного и гормонального гомео стазиса (Коротько Г. Ф., 1983). В последние 10—15 лет применение иммуноцитохимических и биохимиче ских методов и успешное культивирование in vitro эпидермальных клеток мле копитающих, в том числе человека, позволило идентифицировать в них боль шое разнообразие биологически активных веществ. В коже обнаружены многочисленные биогенные амины и полипептиды: панкреатический полипептид (РР), вазоактивный интестинальный полипеп тид (ВИП), аналоги которых выявлены и в желудочнокишечном тракте. Осо бенно много этих веществ найдено в коже амфибий. Более 20 активных пепти дов выделено в чистом виде; идентифицирована другая большая группа ами нов, которая в настоящее время анализируется (Эрспеймер Э. [и др.], 1981). Для некоторых из этих веществ установлена локализация в клетках кожных желез, но многие биологически активные вещества синтезируются кератиноци тами. Было показано также, что плазматические периферические мембраны этих клеток обладают разнообразными рецепторами эндогенных молекул, на пример гликопротеидов, стероидных и адренергических гормонов, метаболи тов витамина D, простагландинов, гистамина, аденина, факторов роста и др. Эти вещества воздействуют на многие синтетические и метаболические процес сы в эпителии, поддерживают гомостазис ткани, регулируют пролиферацию и дифференцировку кератиноцитов. Среди модуляторов роста и дифференцировки есть вещества, которые вы рабатываются самими эпителиоцитами. Наиболее хорошо изученными стиму ляторами роста и дифференцировки служат: фактор роста эпителия, фактор роста кератиноцитов и интерлейкин1. В эпидермисе под действием ультрафио летовых лучей происходит синтез витамина D3, который является регулятором содержания Ca2+ в клетках, важнейшего иона, определяющего многие метабо лические и синтетические процессы в клетках, в том числе рост и кератиниза цию эпидермиса.

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

157

В кератиноцитах синтезируются гликопротеины (кадгерины) и другие бел ки, участвующие в образовании десмосом, гемидесмосом и базальных мем бран. Кератиноциты базального слоя эпидермиса вырабатывают фактор роста фибробластов, который также стимулирует пролиферацию меланоцитов. Наряду со стимуляторами кератиноциты синтезируют и ингибиторы роста и дифференцировки. Хорошо известны выделенные из зрелых кератиноцитов кейлоны, блокирующие пролиферацию на стадиях G1 и G2 клеточного цикла. Кератиноциты кожи человека вырабатывают еще два аутокринных ингибитора роста: бетатрансформирующий фактор роста и инсулиноподобный ростовой фактор, связывающий протеин6 (в присутствии Ca2+). Значительную роль играют кератиноциты и клетки Лангерганса в имму нологической функции эпидермиса. Они вырабатывают тимопоэтин, регули рующий посттимусную дифференцировку Тлимфоцитов, ряд интерлейкинов (альфа, бета, каппа, интерлейкины3 и 6), активирующих Тлимфоциты, ко лониестимулирующий и лимфоцитингибирующий факторы и в базальном слое эпидермиса — интерферон. Эти данные по иммунологической функции керати ноцитов позволяют рассматривать покровный эпителий как важный компо нент системы первичного реагирования, оповещения и защиты организма (Яглов В. В., 1988; 1989). Развитие эпидермиса. Покровный эпителий развивается из кожной экто дермы. Сначала он представляет собой один ряд эктодермальных клеток, сла бо спаянных между собой гликопротеидами. Последние выделяются на боко вых поверхностях клеток ближе к их апикальной области. Появление этого склеивающего вещества можно рассматривать как первый шаг к образованию ткани. Между базолатеральными частями клеток в этот начальный этап гисто генеза существуют широкие неправильной формы пространства, а базальная мембрана бывает еще слабо выражена. В местах соприкосновения эпителиаль ных клеток возникают десмосомы. Число их увеличивается, а пространство между боковыми плазмолеммами сужается, что позволяет клеткам образовы вать контакты друг с другом по всей поверхности. На следующем этапе раз вития на внешней стороне клеток образуются микроворсинки, а в некоторых случаях — реснички, которые в ходе дифференцировки исчезают. Следующий важный этап гистогенеза состоит в появлении двуслойности эпителиального пласта (рис. 4.19). Верхний слой клеток при этом уплощается. Он получил название перидермы, а нижний, граничащий с мезенхимой, — ба зальный слой. В это время, как указывают R. A. Briggaman и C. Wheeler (1975), начинают отчетливо дифференцироваться слои базальной мембраны и в ней появляются фибриллы коллагена. Однако, по данным Ph. Sengel (1976), зача ток базальной мембраны появляется у млекопитающих еще в эктодерме. Бла годаря усиленному делению клеток базального слоя между ним и перидермой появляется еще несколько промежуточных слоев клеток пузырчатой формы с ядрами, оттесненными в апикальную часть клеток (рис. 4.20). Подробная характеристика клеточных видов в развивающемся эпидермисе мыши дана Ph. Sengel (1976) и эпидермисе человека — И. Н. Михайловым (1979). По их дан ным, перидермальные клетки исчезают из эпидермиса еще до рождения. Деструк ции клеток предшествует набухание, превращение в куполообразные, а затем

158

Ãëàâà 4

Рис. 4.19. Раннее развитие эпидермиса и перидермы человека. Схематическое изобра жение микроскопического строения развивающегося эпидермиса и его производных: 1 — эктодерма (до 36 сут беременности); 2 — двуслойный эпидермис (33—55 сут); 3 — появление промежуточного слоя (55—75 сут); 4 — образование «пузырей» на поверхности эпидермиса, закладка волосяного фолликула (65—95 сут); 5 — 85—100 сут; 6 — 96—120 сут; 7 — первый очаг кератинизации эпидермиса над волосяным фолликулом, начало разрушения перидермы (110—160 сут); 8 — образование рогового слоя, слущивание перидермы (после 160 сут) (по: K. A. Holbrook, G. Odland, 1975, с изменениями)

Рис. 4.20. Микрофотография покровного эпителия эмбриона свиньи: 1 — перидерма; 2 — промежуточный слой; 3 — базальный слой. Окраска: гематоксилин и эозин. Ув. 500

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

159

Рис. 4.21. Клетки эпидермиса 16недельно го (а) и 21недельного (б) плода человека: а — уплощенные перидермальные клетки (П) с многочисленными микроворсинками приоб ретают куполообразную форму; поверхност ные клетки промежуточного слоя заполнены кератогиалиновыми массами (К). Г — клетка зернистого слоя с десмосомами. Стрелка ука зывает на кератиносомы. Ув. 10250; б — выро сты на поверхности перидермальных клеток и их отрыв; Я — ядра; Д — десмосомы; В — разрушающаяся клетка перидермы. Ув. 5600 (по: K. Hashimoto [et al.], 1966)

в пузыревидные клетки. Впоследствии в перидермальных клетках возникает пикноз ядер, нарушение связи с под лежащими клетками и перидермаль ный слой слущивается (рис. 4.21). Промежуточный слой, как и пери дермальный, состоит из клеток, бога тых гликогеном. Число клеток в нем постепенно возрастает, а содержание гликогена уменьшается, и этот про дукт перемещается в межклеточное пространство. Дальнейшие изменения в клетках промежуточного слоя свя заны с появлением в них первых при знаков ороговения — возникновением кератогиалиновых зерен и тонофи ламентов. Промежуточный слой по степенно дифференцируется в ши поватый и зернистый. С появлением рогового слоя перидерма исчезает. В процессе развития усложняются эпидермальнодермальные связи. Пока эпидермис был представлен одним слоем клеток, базальная мембрана была слабо выражена, хотя под электрон ным микроскопом в ней уже можно различить темную и светлую пластинки, а в последней — заякоривающие филаменты. В период образования двуслой ности эпидермиса в светлой пластинке начинается формирование суббазальной темной пластинки и вся базальная мембрана становится более четко выражен ной. Во время образования промежуточного слоя в эпидермисе начинается формирование гемидесмосом путем локального скопления электронноплотной субстанции вблизи базальной плазмолеммы со стороны цитоплазмы. Так обра зуется пластинка прикрепления. Одновременно в подлежащей соединительной ткани появляются заякоривающие волокна, внедряющиеся в темную полоску базальной мембраны. Формирование гемидесмосом завершается появлением тонофиламентов, закрепляющихся на прикрепляющей пластинке.

160

Ãëàâà 4

В эмбриогенезе у человека эпидермис вначале представлен одним слоем кле ток, а затем (на 5—8й нед.) он становится двуслойным за счет образования пери дермы. Однако, в зависимости от места на поверхности тела, число слоев эпи дермиса может значительно колебаться. Зернистый и роговой слои появляются у 5месячного плода, но только на подошвах и ладонях. К 7му месяцу и в дру гих участках кожи формируются все слои, кроме блестящего. При этом вплоть до рождения толщина эпидермиса непрерывно возрастает (Михайлов И. Н., 1979). В процессе развития появляются выросты эпидермиса, погружающиеся в дер му, которые представляют собой зачатки волос и кожных желез. У 3недельного эмбриона человека наблюдается тонкая ШИКпо ложительная базальная мембрана, достигающая своего окончательного разви тия к 10й неделе эмбриогенеза. Пластинки прикрепления в области десмосом образуются не раньше 12— 13 нед. развития плода. Своеобразно ведут себя клетки перидермы на разных стадиях развития эмбриона. На первой стадии (8—11 нед. развития) они интенсивно пролифери руют; на второй (12—15 нед.) они образуют на своей апикальной поверхности выросты и приобретают куполообразную форму; на третьей (16—26 нед.) про исходит отделение таких выростов и дезинтеграция органелл. В конце этой стадии клетки перидермы практически исчезают. Следует отметить, что у че ловека в отличие от мыши в перидермальных клетках отсутствуют признаки образования кератогиалиновых гранул и кератиновых филаментов. Базальный слой эпидермиса в процессе эмбриогенеза человека состоит из ку бических и цилиндрических клеток. Ядра в них локализуются апикально и имеют округлую или овальную форму. В цитоплазме довольно много митохондрий, уме ренно развиты элементы комплекса Гольджи, слабо развита ГЭС, но много свобод ных рибосом и мало тонофиламентов. Клетки содержат многочисленные включе ния гликогена, хотя их меньше, чем в промежуточном слое. Это вещество обнару живается и в межклеточных пространствах, но исчезает из них к 14—16й неделе развития. К концу 5й недели развития среди клеток базального слоя появ ляются отростчатые клетки, сходные с меланобластами или меланоцитами. Промежуточный слой образуется между 8й и 10й неделями развития. Клетки этого слоя имеют слабо развитую сеть тонофиламентов; все обычные органеллы также немногочисленны. В цитоплазме находится очень большое количество включений гликогена, которые обнаруживаются и в межклеточных пространствах. К 12—16й неделям развития содержание гликогена в клетках уменьшается, но воз растает его количество в межклеточных пространствах. Между 14й и 17й не делями в клетках промежуточного слоя наблюдаются первые признаки орого вения: появление кератогиалиновых масс, но хорошо сформированный зерни стый слой образуется лишь к 23—26й неделям развития (Михайлов И. Н., 1979).

Ôèçèîëîãè÷åñêàÿ è ðåïàðàòèâíàÿ ðåãåíåðàöèÿ ýïèäåðìèñà Физиологическая регенерация покровного эпителия в течение жизни орга низма происходит непрерывно путем пролиферации клеток базального (ред ко — шиповатого) слоя и перемещения их в вышерасположенные слои на сме

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

161

ну слущивающихся слоев роговых чешуек. Эпидермис регенерирует по клеточ ному типу. Методом гистоавторадиографии исследована динамика процесса ороговения. Показано, что эпителий подошвы крысы сменяется со скоростью 10 мкм в сутки, а эпителий спины — 3,3 мкм в сутки. При этом меченый пред шественник ДНК (3Нтимидин) включается первоначально в ядра клеток ба зального слоя, а в дальнейшем он обнаруживается в ядрах вышерасположен ных слоев клеток. Сведения о длительности обновления покровного эпителия, т. е. его физио логической регенерации, довольно противоречивы. По некоторым данным, эпидермис полностью обновляется за 30—40 сут, а по другим — за 3—6 сут. У человека полное обновление эпидермиса в среднем происходит за 2—4 нед. Противоречивость результатов, повидимому, связана с тем, что скорость об новления эпидермиса у разных животных и в разных частях тела различна. Так, покровный эпителий уха у крысы обновляется за 34 сут; у мыши — за 24 сут; брюшной области крысы — за 18 сут, подошвы мыши — за 6 сут. Дли тельность клеточного цикла в клетках базального слоя эпителия, по данным А. А. Заварзина (1976), колеблется от 20 до 100 ч. У ночных животных ми тоз продолжительнее в ночное время. Так, в клетках эпидермиса мыши дли тельность митоза днем равна 2,7 ч, а ночью — 4,5 ч. При этом число всту пающих в митоз клеток в дневные часы оказывается у мыши большим, чем в ночные часы. Максимальная величина митотического коэффициента обна ружена в 11 ч дня. Повидимому, суточные колебания числа митозов зависят от находящихся в эпидермисе кейлонов. Полагают, что адреналин, выраба тываемый надпочечниками, поступает в кровь во время бодрствования и, со единяясь с кейлонами, уменьшает число клеток, вступающих в митоз. У чело века наибольшее количество митозов в эпидермисе и корнях волос наблю дается между 0 и 1 ч ночи и, значит, рост волос идет неравномерно в течение суток (быстрее ночью). В покровном эпителии выделяют две популяции делящихся клеток, отли чающихся по темпу деления и способности к самоподдержанию и дифферен цировке. Одна популяция — стволовые, самоподдерживающиеся, клетки с дли тельным клеточным циклом за счет растянутости интерфазы. При введении животным 3Нтимидина часть стволовых клеток, находящихся в этот момент в периоде S, включает радиоактивный предшественник ДНК и сохраняет метку в течение длительного срока без ее разведения, что свидетельствует о продол жительности их клеточных циклов. Вторая популяция эпидермальных клеток способна часто делиться и дифференцироваться, но неспособна к самоподдер жанию. В покровном эпителии T. Allen и C. Potten (1974) обнаружили сущест вование отдельных клонов камбиальных клеток в среднем по 10 в каждом кло не, которые располагаются в базальном слое. Такие группы клеток распреде ляются в виде гексагональных комплексов, и их потомки перемещаются в вышерасположенные слои (рис. 4.22). Находясь над группой малодифференци рованных клеток данного клона и друг над другом, клетки постепенно превра щаются в роговые чешуйки. При этом над гексагональной группой базальных клеток располагается целая колонка (столбик) из ороговевающих клеток одно го клона. Весь этот комплекс назван «эпидермальной пролиферативной едини

162

Ãëàâà 4 Рис. 4.22. Схема расположения эпидермаль ных полиферативных единиц (ЭПЕ). Клетки уложены столбиками, образующими ЭПЕ: Слои: 1 — базальный; 2 — шиповатый; 3 — зер нистый; 4 — роговой; 5 — слущивающийся кор неоцит, имеющий форму 14гранника; 6 — деля щийся базальный кератиноцит (по: K. Goerttler [et al.], 1973; Г. Я. Графова, 1982)

цей» (ЭПЕ). В центре каждой из обособ ленных групп базальных клеток нахо дится одна, которая может быть отне сена к категории стволовых. Она, редко делясь, дает после 4кратного цикла де ления клон из 9—10 клеток (Potten C., 1976). При каждом делении стволовой клетки одна из дочерних клеток сохраняет признаки стволовой, а другая рано или поздно дифференцируется. Клетки, окружающие стволовую, быстрее про лиферируют. Это транзитная, пролиферирующая популяция. Такая гетеромор фность камбиальных клеток создает предпосылки для большой пластичности эпидермиса. Предполагается, что свойства стволовой клетки сохраняются при контакте с базальной мембраной, и утрата этой связи ведет к терминальной дифференцировке клеток. В столбчатом базальном слое покровного эпителия найдены клетки, связанные с базальной мембраной узкой ножкой и баллоно образно расширенные в апикальных частях. Такие клетки располагаются по краям колонок (рис. 4.23). Вероятно, правильная ориентация ЭПЕ обеспечи вается перемещением по спирали от центра к периферии созревающих базаль ных кератиноцитов, которые, дойдя до границы колонки, переходят в шипова тый слой и далее вверх вплоть до свободной поверхности. Некоторые авторы, напротив, полагают, что в процессе созревания клетки базального слоя пере мещаются не от центра ЭПЕ к периферии, а с периферии в центр, откуда вы талкиваются в шиповатый слой. Чем лучше выражена столбчатая организация покровного эпителия в виде колонок ЭПЕ, тем медленнее идет в них процесс пролиферации. Роговые чешуйки такого столбчатого эпителия, например в ухе мыши, лишены десмосом, но у каждой чешуйки по периметру имеется элект ронноплотная зона толщиной 35 нм, которой она связывается с чешуйками соседних клеток — сквамосома. Вероятно, сквамосомы образуются из десмо сом, мигрировавших в процессе ороговения на боковые края эпителиоцитов рогового слоя. Чешуйки соседних клонов лежат на разных уровнях, и их края накладываются друг на друга таким образом, что каждая чешуйка одной ко лонки контактирует с двенадцатью чешуйками, принадлежащими шести смеж ным колонкам. Соответственно с боковых сторон чешуйка соприкасается с од ной из чешуек смежной колонки, лежащей выше, и другой, расположенной ниже данной чешуйки. Это создает возможность для свободного слущивания чешуек с поверхности эпидермиса (Графова Г. Я., 1982). Изучение формы роговых чешуек и теоретический расчет позволяют счи тать, что единственной фигурой, которую можно упаковать без оставления сво

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

163

Рис. 4.23. Схематические изображения формирования морфофункциональных единиц эпидермиса с топическим порядком расположения базальных клеток и ядер шиповатых клеток в гексагональной роговой чешуйке.Указано предположительное движение клетки по спиральному пути: а — вид с поверхности: на фоне гексагональных чешуек обозначены клетки базального слоя и их предполагаемое перемещение к центру в процессе созревания; внизу — то же на срезе, перпенди кулярном поверхности; б — представлена ЭПЕ, имеющая в центре стволовую клетку (1), кото рая окружена двумя молодыми (2, 3). Эти клетки, в свою очередь, 2—3 раза могут делиться, и до черние клетки смещаются к периферии; по мере созревания они перемещаются по позициям 4—9, после чего мигрируют в шиповатый слой; A — клетки шиповатого, B, C — зернистого слоя (систематизировано из K. Goerttler [et al.], 1973; C. Potten, T. Allen, 1975)

бодных пространств и при этом сохранив возможность вставить ее края в иден тичные соседние элементы, является уплощенный тетрадекаэдр. Это 14гранник с двумя параллельными большими гранями, имеющими форму шестиугольни ка, и боковыми гранями в форме трапеций, соединенных попарно своими ши рокими основаниями, а узкими они прилежат к большим граням тетрадекаэдра (см. рис. 4.22). При этом чешуйки не перекрывают друг друга, что создает вы раженную столбчатость при рассмотрении эпидермиса сверху и на попереч ных срезах. Следует отметить, что колонки хорошо видны не во всех эпидер мисах. Так, их можно наблюдать в покровном эпителии уха или спины мыши, т. е. в тех местах кожи, где главная функция — предохранение от потери влаги. На подошвах эпидермис приспособлен к максимальным механическим на грузкам и должен быть резистентным к постоянному трению. В этих областях кожи столбчатое расположение ЭПЕ отсутствует. Адаптивным признаком диф ференцировки в таком эпидермисе является частичное сохранение десмосом в его верхних слоях и взаимное перекрывание чешуек рогового слоя.

164

Ãëàâà 4

Репаративная регенерация кожных эпителиев развивается в ответ на по вреждение. Рассмотрим процесс репаративной регенерации эпидермиса у мыши после соскоба роговых чешуек, когда повреждение не затрагивает соедини тельнотканной части кожи. При таком повреждении эпителия с хорошо разви тыми ЭПЕ происходят значительные изменения эпидермиса, связанные с раз множением и миграцией клеток базального слоя (рис. 4.24). Сразу после со скоба начинается усиленная миграция клеток из базального слоя в шиповатый.

Рис. 4.24. Схема последовательных изменений ЭПЕ после соскоба: а — профиль нормальной ЭПЕ; ороговевший слой представлен тремя линиями на вершине ЭПЕ, показывающими 3 ядросодержащие клетки зернистого и шиповатого слоев (1, 2, 3) и 10 клеток базального слоя (хотя на профильном рисунке показано только 5 из них — 4—8); б, в — схемы, показывающие миграцию, наблюдаемую непосредственно после соскоба внутри ЭПЕ для за мещения удаленного рогового слоя; г, д — состояние ЭПЕ через 18 ч после соскоба; взрыв мито тической активности ведет к избыточной продукции клеток, которых становится больше, чем было утрачено; е — состояние ЭПЕ через 5—6 сут после повреждения; вследствие усиленного размножения клеток правильность их расположения в ростковом слое утрачивается и столб чатость сохраняется только в роговом слое; ж — состояние ЭПЕ через 7 сут после повреждения; толщина пласта увеличена, ускоренная миграция клеток приводит к образованию мелких рого вых чешуек, которые располагаются беспорядочно; з — состояние ЭПЕ через 8—9 сут; скорость деления начинает падать, толщина ядросодержащих слоев клеток начинает уменьшаться, мигра ция их замедляется, и шиповатый слой представлен снова одной клеткой; начинается восстанов ление столбчатости в ЭПЕ; и, к — состояние ЭПЕ через 10—15 сут; толщина ядросодержащих клеточных слоев продолжает уменьшаться, и единственным напоминанием о регенерации служат мелкие и толстые роговые чешуйки на вершине ЭПЕ (по: C. Potten, T. Allen, 1975)

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

165

При этом число клеток базального слоя в каждой ЭПЕ сокращается до 2—3, тогда как в контроле их бывает 10—11. Вышедшие из базального слоя клетки распластываются и, располагаясь друг над другом, сохраняют вид колонки, что свойственно и неповрежденному эпидермису данной области кожи. Через 18 ч в базальном слое эпидермиса наблюдается «взрыв» пролиферации эпителио цитов, в результате чего их число становится большим, чем до соскоба, а сами клетки измельчаются. Уже к 18 ч регенерации верхние ряды клеток колонки превращаются в роговые чешуйки. К 5м сут количество клеток в каждой ЭПЕ продолжает увеличиваться и столбчатость в расположении клеток сохраняется только в роговом слое. На 7е сут регенерации толщина пласта клеток увели чивается. При этом столбчатость в ориентировке клеток не сохраняется, и мел кие роговые чешуйки начинают располагаться беспорядочно. Вместе с тем клетки базального слоя становятся крупнее, а число их в каждой ЭПЕ прибли жается к таковому в ЭПЕ интактного эпидермиса. К 8—9м сут опыта интен сивность пролиферации снижается, толщина ядросодержащих слоев клеток уменьшается, миграция клеток замедляется. Шиповатый слой опять становит ся столбчатым, благодаря распластыванию в нем клеток и расположению их друг над другом. Через 10—15 сут толщина ядросодержащих слоев еще умень шается, и миграция клеток замедляется. Единственным напоминанием о реге нерации служат мелкие и толстые роговые чешуйки на вершине ЭПЕ. Итак, эпидермис приобретает исходную структуру при нанесении соскоба за двухнедельный срок, хотя уже через неделю происходит перемещение вновь образованных базальных клеток в роговой слой и слущивание ороговевших клеток. При таком повреждении регенерация бывает полной. Однако в усло виях патологии нанесение раны на кожу чаще всего сопровождается и повреж дением подлежащей соединительной ткани, инфицированием раны, что приводит к различным осложнениям и неполноценному заживлению дефекта (см. гл. 11).

Эпителии слизистых оболочек Общая характеристика эпителиев. Слизистые оболочки в организме высших животных и человека выстилают весь пищеварительный тракт, ды хательные, половые и мочевые пути. Эпителии слизистых оболочек осу ществляют: а) защитную функцию, являясь барьером между внутренней сре дой и теми незамкнутыми полостями, которые сообщаются с внешней средой; б) метаболические функции — всасывание, секрецию ряда веществ, а в неко торых случаях и их накопление; в) перемещение жидких сред или плотных частиц по поверхности слизистых оболочек — движение пищи, продуктов по ловых органов, мочи, слизи. Структура эпителиев слизистых оболочек зависит от содержимого тех по лостей, которые они выстилают, функционального назначения соответствую щих органов, но упомянутые три наиболее общие функции определяют и мно гие черты сходства этой группы эпителиев. Так, для осуществления защитных функций апикальные части клеток, как правило, снабжены ресничками или микроворсинками, а в многослойных эпителиях в некоторых случаях рого

166

Ãëàâà 4

вым слоем (у хищников). Межклеточные контакты по типу плотного соеди нения и опоясывающей десмосомы бывают у них ярко выражены. В цито плазме таких клеток хорошо развита система транспорта и аккумуляции про дуктов всасывания, комплекс Гольджи и агранулярная эндоплазматическая сеть (АЭС). В пласте эпителия локализованы многочисленные слизистые одно клеточные железы. Присутствуют в большинстве случаев и экзоэпителиальные слизистые железы, выделяющие секреты на поверхность слизистых оболочек, благодаря которым происходит перемещение частиц, заключенных в слизь. Эпителии слизистых оболочек различны по происхождению, что, наряду со спецификой функционирования, существенно отражается на разнообразии их структуры. Так, эпителий слизистой оболочки ротовой полости, анальной части прямой кишки и влагалища имеют эктодермальное происхождение и ха рактеризуются многослойностью. Эпителий глотки, воздухоносных путей и пи щевода происходят из первичной жаберной кишки (бранхиогенный эпителий) и относятся к многорядному или многослойному эпителию. Эпителии кишки, желудка и желчного пузыря — энтодермального происхождения и всегда бы вают однослойными. Эпителии слизистой оболочки матки и яйцеводов имеют целомическое происхождение и также однослойны. Наконец, эпителии почеч ных лоханок, мочеточников, мочевого пузыря относятся к переходному типу. Вопрос о происхождении переходного эпителия не решен окончательно. Воз можно, что он имеет эктодермальную природу или целомонефродермальную. Итак, эпителии слизистых оболочек различны по происхождению и по мик роструктуре, но их функциональное назначение во многом сходно, что и поз воляет объединить их в общую группу эпителиев.

Ýïèòåëèé ïèùåâîäà У млекопитающих, в том числе у человека, эпителий пищевода многослой ный плоский (рис. 4.25). Базальный слой содержит малодифференцированные клетки (в том числе стволовые), цитоплазма которых обладает высокой базо филией, обусловленной наличием свободных рибосом и полисом и в мень шей степени ГЭС. Над базальным слоем находятся клетки промежуточного слоя, располагающиеся в 7— 10 рядов. В этом слое эпителиоциты становятся менее базофильными и в них дифференцируются промежуточные филаменты. Наружные слои этого эпителия состоят из уплощенных клеток, которые, как правило, не ороговевают, но в них происходят деструктивные процессы. Толь ко у животных, питающихся грубой пищей, наружные слои эпителия подверга ются ороговению. В последние годы большое внимание стали уделять клеткам Лангерганса, которые были обнаружены не только в покровном эпителии кожи, но и в сли зистых оболочках полости рта, твердого нёба, пищевода, конъюнктивы и воз духоносных путей. Эти клетки можно идентифицировать путем гистохимиче ской реакции на АТФазу. Кроме того, они импрегнируются солями тяжелых металлов. Тела их уплощены, а отростки (у человека их 2—4), располагаясь между эпителиоцитами, могут прободать базальные мембраны и вступать

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

167

Рис. 4.25. Строение многослойного неороговевающего эпителия пищевода человека: 1 — поверхностный слой уплощенных эпителиоцитов; 2 — промежуточный слой; 3 — базальный слой; 4 — нейтрофильный гранулоцит; 5 — лимфоцит; 6 — капилляр; 7 — соединительная ткань (препарат В. В. Гемонова и О. Е. Череп, 1997). Окраска: гематоксилин и эозин. Ув. 400

в контакт с макрофагоподобными клетками и эндотелиоцитами. В пищеводе человека клеток Лангерганса много, причем эти клетки способны образовывать контакты с эпителиоцитами. Клетки Лангерганса считаются ведущим элемен том афферентного звена местной иммунной системы (в частности, слизистых оболочек). Они способны захватывать и представлять антигены лимфоцитам и тем самым инициировать развитие иммунных реакций. Многослойный эпи телий пищевода обычно бывает заселен лимфоцитами, также участвующими в иммунной защите слизистой оболочки. В целом, эпителий пищевода по обще му строению и типу обновления похож на покровный. Вопрос о происхождении эпителия пищевода до сих пор дискутируется. Высказываются предположения о происхождении эпителия пищевода из пре хордальной пластинки, путем меторизиса (смещения эмбриональных зачатков в эмбриогенезе). По мнению А. Н. Бажанова (1978), прехордальная пластинка к выстилке большей части глотки и пищевода отношения не имеет. По данным сравнительной гистологии, эпителий пищевода образуется из закладки голов ной кишки. У человека эпителиальная выстилка пищевода развивается на 4м мес. эмб риогенеза из участка передней кишки, лежащего каудальнее от места отхожде ния трахеального желобка. В этот период развития пищевод бывает выстлан однослойным цилиндрическим эпителием. На 9—10й нед. развития в эпите

168

Ãëàâà 4

лиальном пласте возникает многорядность. После появления складок в вы стилке пищевода и увеличения его диаметра, эпителий становится мерцатель ным. Почти одновременно с этим начинается преобразование пласта эпителия в многослойный. Замена мерцательного эпителия на многослойный плоский неороговевающий происходит медленно (на 6м мес. развития), и в эпите лиальной выстилке пищевода на большом протяжении эмбрионального разви тия сохраняются островки мерцательного эпителия. В постнатальном периоде иногда в многослойном эпителии пищевода человека появляются участки оро говения (у курильщиков, в пожилом возрасте и при канцерогенезе пищевода).

Ýïèòåëèé âîçäóõîíîñíûõ ïóòåé Мерцательный эпителий является одной из наиболее распространенных форм эпителия слизистых оболочек. Примером такого эпителия может быть эпителий трахеи и бронхов. Но, помимо слизистых оболочек дыхательных пу тей (выстилки полости носа, глотки, дыхательного горла, трахеи, бронхов, бронхиол), мерцательный эпителий у человека находится в половой системе (выстилает яйцеводы, эпидидимис), в органе слуха (образует выстилку слу ховых труб и части барабанной полости, а также в нервной системе (ограни чивает спинномозговую полость, сильвиев водопровод и желудочки мозга). Для всех разновидностей мерцательного эпителия характерно присутствие апи кальных структур, называемых ресничками. Эпителий трахеи и бронхов крупного калибра будет рассмотрен в качестве примера многорядного мерцательного эпителия слизистых оболочек. В состав его входит несколько видов клеток. Основная масса эпителиоцитов представ лена реснитчатыми (мерцательными) клетками. Кроме них, в пласте эпителия находятся слизистые (бокаловидные) клетки, базальные, щеточные (каемча тые), хеморецепторные и эндокринные клетки (рис. 4.26). Реснитчатые (ресничные) эпителиоциты. Строение и функции рес ничек. В эпителии трахеи реснитчатые (ресничные) клетки имеют длину око ло 15 мкм, а ширину до 7 мкм. Каждая из этих клеток содержит около 270 рес ничек. При электронном микроскопировании на их апикальной поверхности хорошо видны реснички длиной 5—10 мкм и шириной 0,24—0,3 мкм, а так же пальцевидные выросты (микроворсинки) длиной 0,8—1 мкм и толщиной 0,1—0,15 мкм. Последние образуют вокруг ресничек «частокол». Реснитчатые клетки располагаются на базальной мембране, с которой свя заны гемидесмосомами. Они имеют в средней степени развитые ГЭС, АЭС и все обычные органеллы. Митохондрии концентрируются, в основном, в апи кальной области клетки. Особый интерес представляют собой реснички. В наи более дифференцированном виде мерцательный аппарат (киноцилия) состоит из трех составных частей: мерцающей части (собственно реснички, или унду лоподии), базального зерна (базального тельца) и корешка (рис. 4.27). Унду лоподия представляет собой вырост цитоплазмы апикальной части клетки, покрытый плазмолеммой. Основание ее находится в небольшом углублении в цитоплазме. Иначе говоря, каждая ресничка у основания окружена рвом,

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

169

Рис. 4.26. Многорядный эпителий слизистой оболочки трахеи: 1 — реснитчатая клетка; 2 — бокаловидная клетка; 3 — базальная клетка; 4 — щеточная (каем чатая) клетка; 5 — хеморецепторная клетка, образующая контакт с афферентной терминалью (по: K. Jonson, 1991)

благодаря которому движение ее несколько ограничивается. Вдоль реснички проходят микротрубочки, формирующие сложную структуру — аксонему, диа метром 250 нм. Аксонема имеет вид цилиндра, стенка которого состоит из де вяти дуплетов микротрубочек, а в центре располагается пара центральных микротрубочек. Одна из микротрубочек в дуплете (Амикротрубочка) несет на себе выросты — «ручки», в состав которых входят белки динеины, обла дающие АТФазной активностью. «Ручки» отвечают за движение ресничек. Ба зальное тельце состоит из девяти триплетов микротрубочек и структурно свя зано с аксонемой. В некоторых реснитчатых клетках по бокам базального тельца имеются выросты, которые могут связывать эти образования друг с другом. У многих животных, особенно у беспозвоночных и низших позвоночных, от базально го зерна в глубь цитоплазмы отходит «корешок» — вырост, состоящий из фиб рилл, собранных в пучок и обладающих поперечной исчерченностью с перио дичностью около 64 нм, что напоминает таковую коллагена, образующего со единительнотканные волокна. Вероятно, корешки стабилизируют базальные зерна ресничек при их активном мерцании. При сканирующей электронной

170

Ãëàâà 4

Рис. 4.27. Электронные микрофотографии и схема строения реснички: I — поверхность реснитчатой клетки при малом увеличении электронного микроскопа: 1 — воз душное пространство; 2 — ресничка; 3 — микроворсинки; 4 — базальное тельце; 5 — везикулы; II — ультраструктура реснички на разных уровнях поперечных срезов; III — объемная схема рес нички, перерезанной на разных уровнях; IV — ультраструктура реснички на продольном срезе: IVa — ее нижняя часть, IVб — концевой отдел; а—д — разные уровни среза от конца до базаль ного тельца реснички: а — срез на уровне концевого отдела, где периферические микротрубочки не образуют пар; б — срез на уровне отдела, где часть микротрубочек парные, а другие слиты вместе; в — срез среднего отдела реснички, где периферические микротрубочки образуют пары и снабжены «ручками»; г — срез у основания аксонемы, где центральные микротрубочки отсут ствуют; д — срез на уровне базального тельца с триплетами микротрубочек; 1 — плазмолемма рес нички; 2 — две центральные трубочки; 3 — периферические дублеты микротрубочек (9 пар)

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

171

микроскопии бывают хорошо видны реснички на поверхности мерцательных клеток и другие эпителиоциты, окружающие ресничные клетки и имеющие округлую или 5—6угольную форму (см. рис. 1.30). Мерцание ресничек осуществляется с большой частотой: 15—20 уд/с (в мерцательном эпителии трахеи лягушки). Удар всегда происходит в на правлении, перпендикулярном той плоскости, которую можно провести через центральную пару микротрубочек. Направление мерцания детерминировано. Если вырезать фрагмент мерцательного эпителия и вновь поместить его на преж нее место, но повернув при этом на 180 градусов, то мерцание будет продол жаться в ранее заданном направлении, т. е. против хода мерцания остального неповрежденного пласта. Ритм мерцания автономен и сохраняется в вырезан ном кусочке ткани в течение нескольких дней. Удар реснички осуществляется со скоростью, в три раза превышающей ее возврат в исходное положение, и на поминает движение бича. В ресничном эпителии трахеи удается видеть, что все реснички в пласте мерцают синхронно в одной плоскости, тогда как в пер пендикулярной плоскости в каждый момент наблюдаются все фазы мерца ния. Первая плоскость называется изохронной, а вторая — метахронной. Ме тахронизм — это последовательность в возникновении колебаний ресничек. Благодаря метахронизму в мерцании соседних ресничек по поверхности плас та реснитчатого эпителия пробегают волны, напоминающие волны на пше ничном поле при сильном ветре. Частота ударов ресничек во всей клетке опре деляется частотой мерцания одной ведущей реснички, называемой водителем ритма. Силу мерцательного движения можно определить по скорости потока жид кости, контактирующей с мерцательной поверхностью. Показано, что жидкость движется по мерцательному покрову со скоростью 500—1000 мкм/с. Благо даря мерцанию ресничек воздухоносных путей, мерцающих в направлении из легких в глотку, человек удаляет из них от 3 до 40 г пылевых частиц в сут ки. Все эти данные говорят о большом значении мерцательного эпителия внут ренних органов в перемещении слизи и взвешенных частиц. Механизм мерцания может быть разделен на три процесса: возбуждение мерцания, сам акт мерцания и распространение метахронной волны. Возбуж дение, повидимому, возникает в базальном тельце и передается ундулопо дии, совершающей движение. Координация работы мерцательной поверхнос ти связана как с механическим воздействием рядом расположенных ресничек друг на друга, так и с внутренними регулирующими механизмами. В районе базальных телец выявляется фермент холинэстераза, расщепляющая ацетил холин. Таким образом, процессы, происходящие в ресничках, близки к явлениям, развертывающимся при передаче нервного импульса. Показано, что холинэсте раза во время развития морского ежа появляется тогда, когда начинается мер цание ресничек, что подтверждает роль этого фермента в работе мерцатель ного аппарата. Реснички мерцают автоматически, хотя скорость мерцания мо жет регулироваться нервными импульсами. Сам автоматизм мерцания связан с процессами возбуждения и проведения спонтанного характера. Возбуждение возникает в базальных тельцах и распространяется, повидимому, по системе

172

Ãëàâà 4

боковых отростков (кинетодесм), соединяющих базальные тельца между со бой, хотя, возможно, что кинетодесмы играют лишь механическую роль, со единяя между собой базальные тельца. Скорость и сила мерцания у высших животных во многих эпителиях слизистых оболочек регулируется веточками симпатических нервов, раздражение которых тормозит мерцание и парасим патических — ускоряющих этот процесс. Кроме нервных импульсов, на скорость мерцания могут влиять и некото рые гормональные и макроэргические соединения. Повышение в среде содер жания ионов K+ и Mg2+, а также содержания кислорода усиливает мерцание, а накопление CO2 — замедляет этот процесс. В последние годы было установлено, что реснитчатые клетки имеют мно гочисленные рецепторы для ряда веществ и в зависимости от вида активи рованных рецепторов реакция эпителия может быть разной. Так, стимуляция М3холинорецепторов ускоряет частоту биения ресничек, что влияет на уро вень очистки вдыхаемого воздуха. Активация бета1адренорецепторов воз – действует на транспорт ионов через эпителиоциты (секрецию ионов Cl и аб + сорбцию ионов Na ), что влияет на транспорт воды через эпителиальный пласт. Активность рецепторов цитокинов, эндотелина1, факторов роста, брон ходилататоров приводит к их секреции реснитчатыми клетками (рис. 4.28). Вырабатываемые этими клетками молекулы адгезии регулируют подвижность

Рис. 4.28. Рецепторы реснитчатых клеток воздухоносных путей. Активация рецепторов вызывает усиление секреции медиаторов, факторов роста, цитокинов, релаксантов, экспрессии молекул адгезии, а также влияет на транспорт ионов и частоту биения рес ничек. PGE2, PGD2 — простагландины; 15 НЕТЕ — 15эйкозатетраноевая кислота; GMCSF — колониестимулирующий фактор гранулоцитов и макрофагов; PDGF — тромбоцитарный фактор роста; IGF1 — инсулиноподобный фактор роста 1; FGFb — щелочной фактор роста фибробластов; TGFβ — трансформирующий фактор роста β; EpDRF — эпителиальный расслабляющий фактор (по: Barnes P. J., 1994)

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

173

клеток крови, участвуют в воспалительных реакциях, а цитокины оказывают влияние на другие клеточные типы в воздухоносных путях, активируют функ ции Tлимфоцитов, пролиферацию гладкомышечных клеток, фибробластов и др. (Barnes P. J., 1994). Бокаловидные экзокриноциты. Этот тип клеток многорядного эпителия слизистой оболочки трахеи имеет форму бокала, причем в апикальной расши ренной части клетки скапливается электроннопрозрачный секрет в виде круп ных и иногда сливающихся вакуолей. В состав секрета входят кислые муко полисахариды и гликопротеиды. В суженной базальной части клетки распола гается ядро с компактным хроматином и тесно расположенные цистерны ГЭС, а в надъядерной области находятся элементы комплекса Гольджи, образующие подобие чаши, окружающей плотно упакованные секреторные продукты. Вы деление секрета идет, повидимому, мерокринным путем (см. рис. 4.26). На блюдаемые при светооптическом микроскопировании протуберанцы секретор ного материала, направленные в просвет органа, имитирующие выброс секрета путем разрыва апикальной части клетки, являются артефактом. Такой эффект возникает в результате грубой методики фиксации ткани. Бокаловидные клетки в большом количестве находятся во всех слизистых оболочках и имеют сходное строение. В воздухоносных путях их число умень шается в дистальном направлении. Вставочные (промежуточные) и базальные эпителиоциты. Эти клет ки, располагаясь на базальной мембране, не доходят до поверхности эпители ального пласта и благодаря их разной высоте придают эпителию горизонталь ный анизоморфизм (см. рис. 4.26). Апикальные части этих клеток имеют кони ческую форму и оказываются как бы зажатыми боковыми сторонами других эпителиоцитов. Эти клетки бедны органеллами, имеют небольшие округлые или овальные ядра и способны делиться. Среди них находятся стволовые клет ки для основной массы клеток этого эпителия. Щеточные, или каемчатые, эпителиоциты. Так называются эпите лиоциты слизистой оболочки, снабженные на апикальной поверхности мно гочисленными микроворсинками, напоминающими щеточки (см. рис. 4.26). Каемчатые клетки расцениваются либо как дифференцирующиеся ресничные клетки, либо как опустошенные бокаловидные клетки, что, однако, малове роятно. В них имеются довольно светлые ядра и бедная органеллами цито плазма. К каемчатым относится еще один клеточный тип — хеморецепторные клетки, которые в базальной области образуют контакты с афферентными тер миналями. Эндокринные клетки. В пласте многорядного эпителия воздухоносных путей встречаются эндокриноциты, которые, в основном, располагаются на ба зальной мембране. Они содержат в своей цитоплазме мелкие плотные секретор ные гранулы, находящиеся преимущественно в их базальных частях. Эти клетки относят к диффузной эндокринной системе (ДЭС) или APUDсистеме (см. гл. 10). Выявлены ECклетки, выделяющие серотонин; Pклетки, секретирующие бом безин, который стимулирует метаболизм в легких, и дофамин, вызывающий расширение бронхов. В легких обнаружены также Dклетки, выделяющие вазо активный интестинальный пептид (ВИП), обладающий сосудорасширяющим

174

Ãëàâà 4

действием и расширяющий бронхи путем снижения тонуса гладкой мускула туры. Благодаря этому снимаются бронхоспазмы, вызванные серотонином, гистамином, калликриином и простагландином. В целом, эндокринный аппа рат дыхательной системы связан с выработкой биогенных аминов и пеп тидных гормонов, в основном регулирующих дыхательный процесс. Клетки APUDсистемы участвуют в реакциях гиперчувствительности немедленного типа путем выделения соответствующих медиаторов, воздействующих на им мунную систему. Если органы чувств и рецепторы нервной системы регулируют поведен ческие реакции, то эндокринное звено осуществляет гормональный меха низм коррекции процессов внешнего и внутреннего обмена в легких. В. Сол ция [и др.] (1981) считают, что выделяемые нервными окончаниями медиа торы и пептидные гормоны с током интерстициальной жидкости достигают эндокринных клеток ДЭС, модулируя их деятельность. Секретируемые клет ками ДЭС вещества не только регулируют те или иные местные функции, но, попадая с током крови в ЦНС, формируют и определенные ощущения. Очевидно, иммунологическая защита организма от антигенов, попадающих из внешней среды в дыхательную систему, связана с функционированием ДЭС, т. е. системой первичного реагирования, оповещения и защиты, которая участ вует в инактивации антигенов, поступивших из внешней среды в легкие (Яг лов В. В., 1989). Клетки Клара. В слизистой оболочке мелких бронхов, бронхиол и особенно в респираторных бронхиолах встречаются крупные клетки, лишенные ресничек и имеющие куполообразную форму апикальной части. В базальных частях этих клеток, получивших название безресничные клетки, или клетки Клара, находят ся митохондрии, элементы АЭС и ГЭС, а в апикальной области концентрируются секреторные гранулы, содержащие гликозамногликаны, определяющие конси стенцию секрета бронхиол. Предполагается участие клеток Клара в детоксикации вдыхаемого воздуха благодаря наличию в них неспецифической эстеразы и холе стеролмонооксигеназы. Высказывается также предположение, что эти клетки принимают участие в выработке липопротеинов сурфактанта, а также в синтезе и резорбции его жидкого нелипидного компонента (гипофазы). Секрет клеток Клара может модулировать местные воспалительные реакции в легких. В заключение следует отметить, что многорядный эпителий воздухонос ных путей представляет собой систему, образуемую потомками стволовых ба зальных клеток, дифференцирующихся дивергентно в направлении образо вания реснитчатых, бокаловидных, щеточных, безреснитчатых и, возможно, эндокринных клеток. Изучение процесса обновления эпителия воздухоносных путей показало, что при введении 3Hтимидина в организм мыши или крысы вставочные клет ки трахеи включают изотоп через час после его введения животному, тогда как ресничные клетки становятся мечеными лишь через 5 сут. В это время число базальных и вставочных меченых клеток снижается. Было высказано мнение, что в слизистых оболочках трахеи и крупных бронхов есть популяции клеток со скоростью обновления 2 и 5—7 сут, но время, за которое происходит пол ное обновление мерцательного эпителия трахеи крысы, равно 5 нед. По дан

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

175

ным других авторов, этот срок еще больше: 67—126 сут. Таким образом, мер цательный эпителий слизистой оболочки трахеи принадлежит к числу обнов ляющихся тканей, хотя время полного обновления еще не достаточно точно определено. Показано, что стволовые клетки находятся среди мелких ба зальных клеток.

Ýïèòåëèé ìî÷åâûõ ïóòåé Слизистые оболочки мочевого пузыря и мочевых путей (почечных чаше чек, лоханок, мочеточников и частично мочеиспускательного канала) построе ны сходно и выстилаются переходным эпителием, называемым уротелием. Это своеобразная форма многослойного неороговевающего эпителия, число слоев которого меняется в зависимости от наполнения органа мочой. Разли чают три слоя этого эпителия: базальный, промежуточный и поверхностный. Базальный слой состоит из тесно расположенных кубических и цилиндриче ских клеток с мелкими округлыми ядрами. Среди этих клеток находятся и ство ловые, обеспечивающие самообновление эпителиального пласта в условиях нормы и патологии. Там же встречаются клетки Лангерганса, несущие функции иммунологической защиты при попадании на слизистую оболочку антигенов из внешней среды. В промежуточном слое клетки имеют полигональную фор му. Между ними иногда находятся клетки Лангерганса. Поверхностный слой переходного эпителия весьма своеобразен. Он построен из крупных клеток, полиплоидных или двуядерных, куполообразной формы (в нерастянутом орга не) или уплощенной (в наполненном органе). В опустошенном, сокращенном органе количество слоев переходного эпителия возрастает примерно вдвое (рис. 4.29). При этом некоторые клетки промежуточного слоя как бы вытал киваются кверху и приобретают грушевидную форму, а лежащие над ними по верхностные эпителиоциты становятся куполообразными. Электронномикро скопические исследования эпителия мочевого пузыря показали, что плазмо лемма поверхностных клеток имеет толщину 12 нм и, в отличие от плазмати ческих мембран других клеток, непроницаема для воды и ионов. Она не обла дает нуклеозидфосфатазной активностью, присущей более тонким латераль ным и базальным частям плазматической мембраны той же клетки. Утол щенная плазмолемма поверхностных клеток асимметрична: ее внешний слой (люминальный) более толстый (8 нм), а внутренний (цитоплазматический) — более тонкий (4 нм). При расщеплении этой мембраны методом заморажива нияскалывания на наружной поверхности люминального слоя были обнару жены пластинки с упорядоченно расположенными частицами (рис. 4.30). Час тицы состоят из мелких глобул диаметром 4—5 нм, и напоминают розетко образные коннексоны, хотя диаметр частиц в коннексонах несколько больше (7—8 нм) и функциональное назначение этих структур разное. На внутрен ней поверхности цитоплазматического слоя плазмолеммы предположительно также находятся частицы розеткообразной формы, причем центры наружных и внутренних частиц совпадают. Полигональные пластинки связаны участка ми плазмолеммы с гладкой поверхностью и занимают более 70 % внутренней

176

Ãëàâà 4

Рис. 4.29. Переходный эпителий мочевого пузыря: а — при нерастянутой стенке; б — при растянутой стенке (по: P. Stоhretal, 1955)

поверхности люминального слоя плазмолеммы. Остальные участки последней лишены пластинок В апикальных зонах поверхностных эпителиоцитов нахо дятся цитоплазматические филаменты, которые связаны с розеткообразными частицами и препятствуют разрывам плазматических мембран при растяже нии органа. Лишенные пластинок с частицами участки плазмолеммы играют роль шарнира, позволяющего мембране образовывать складки во время со кращения органа. При этом от плазматической мембраны внутрь клетки от щепляются фрагменты, образующие веретеновидные прозрачные везикулы. Последние, будучи резервом мембраны, могут встраиваться в плазмолемму при ее растяжении. Что касается розеткообразных структур, то природа (ли пидная или белковая), их функциональное назначение остаются загадочными. Но, несомненно, известно одно, что описанная структура плазматической мем браны поверхностных клеток переходного эпителия необходима для регуля ции обменных процессов. Клетки поверхностного слоя эпителия связываются друг с другом хорошо развитыми плотными контактами. Эпителий слизистой оболочки мочевых путей, по И. Н. Борисову [и др.] (1986), имеет целомонефродермальное происхождение. В процессе эмбрио нального развития мезонефрический проток (у 4недельного эмбриона чело

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

177

Рис. 4.30. Пластинчатая структура плазмолеммы клеток поверхностного слоя переходного эпителия: а — строение пластинок и их связь с микрофиламентами цитоплазмы; на вставке показана гексаго нальная организация отдельных частиц, составляющих пластинку; б — при растяжении стенки мо чевого пузыря плазмолемма имеет сглаженную поверхность; в — при расслаблении стенки клеточ ная мембрана складывается по гибким участкам между пластинками (по: R. Kessel, R. Kardon, 1979)

века) при впадении в клоаку дает вырост — метанефрический дивертикул. По следний внедряется в каудальную часть промежуточной мезодермы, которая формирует метанефрическую бластему. Дивертикул же дихотомически раз ветвляется, формируя систему собирательных протоков, постепенно углубляю щихся в ткань метанефроса. Метанефрический дивертикул становится источни ком как собирательных трубочек почки, так и более крупных мочевыводящих путей. Эпителий постепенно становится многослойным.

178

Ãëàâà 4

Ýïèòåëèé êèøêè У высших позвоночных животных слизистая оболочка кишки во всех ее отделах снабжена углублениями (криптами), а в тонкой кишке — также вы ростами (ворсинками). Независимо от рельефа она покрыта однослойным эпителием, состоящим преимущественно из столбчатых (призматических) эпителиоцитов, или энтероцитов. По ряду признаков клетки эпителия ворси нок и крипт отличаются друг от друга. Многие клетки крипт способны де литься. Среди них есть стволовые клетки. Из крипт энтероциты продвигаются к вершине ворсинки, дифференцируются и, наконец, слущиваются. Наряду с энтероцитами, участвующими в пищеварении и осуществляющими всасыва ние пищевых продуктов, в состав эпителия кишки входят многочисленные бокаловидные экзокриноциты, вырабатывающие муцины. Кроме того, имеют ся эндокринные клетки (энтериноциты), панетовские клетки и недавно опи санные у человека и грызунов пещеристые клетки. Призматические каемчатые эпителиоциты имеют овальные ядра и поляр но расположенные органеллы: в базальных частях находятся цистерны ГЭС, над ядрами — стопки мембран комплекса Гольджи. В апикальной зоне нахо дятся удлиненные митохондрии и элементы АЭС (рис. 4.31). Наиболее ха рактерными признаками энтероцитов являются микроворсинки, в совокуп ности образующие щеточную каемку всасывающего эпителия (рис. 4.32). Каж дая микроворсинка имеет поперечник 0,08—0,30 мкм при длине 1—2 мкм. В процессе дифференцировки коли чество их увеличивается. На поверх ности микроворсинок располагается гликокаликс. В плазмолемму встрое ны пищеварительные ферменты, часть которых представляет собой интег ральные белки (дисахаридаза, глицеро фосфатазы, лактаза, мальтаза, ами нопептидаза, эндопептидаза, щелоч ная фосфатаза, лейцинаминопептидаза и др.). Их активные центры находят Рис. 4.31. Ультрамикроскопическая организация бокаловидной клетки (а) и энтероцитов (б) тонкой кишки: 1 — микроворсинки; 2 — плотные контакты; 3 — митохондрии; 4 — агранулярная эндо плазматическая сеть; 5 — комплекс Гольд жи; 6 — ядро энтероцита; 7 — лизосома; 8 — интердигитации базолатеральных плаз молемм энтероцитов; 9 — гранулярная эндо плазматическая сеть; 10 — базальная мем брана; 11 — ядро бокаловидной клетки; 12 — секреторные гранулы

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

179

Рис. 4.32. Электронная микрофотография микро ворсинок тонкой кишки на продольном и попереч ном срезе. Стрелками показан гликокаликс (по: Mukerje, Williams, 1967, Е. А. Шубниковой, 1981). Ув. 100 000

ся на наружной стороне плазмолеммы, а гид рофобные части погружены в билипидный слой цитомембраны. На поверхности мемб ран микроворсинок находятся повторяющие ся частицы диаметром 6—8 нм. Отделение их от мембран и биохимический анализ показали, что именно в них находятся пищеварительные ферменты. Ферменты на поверхности микро ворсинок расположены упорядоченно в виде решетки. Их комплексы могут секретиро ваться в просвет кишки. Внутри микроворсинок параллельно их длинной оси расположены преимущественно актиновые микрофиламенты и их пучки. Для эпителия кишечника характерно си льное развитие всех межклеточных соедине ний: плотных контактов, промежуточных сое динений (сцепляющих поясков или лент), десмосом, полудесмосом, а также щелевых контактов и простых соединений. П л о т н ы е к о н т а к т ы в кишечном эпите лии сильно развиты и были впервые описаны именно в энтероцитах. Эти сое динения, согласно традиционным представлениям, образованы рядами тесно расположенных глобул, формирующих в совокупности нити, переплетающиеся в апикальных зонах клеток. Глобулы встраиваются в суженное до 2 нм про странство между наружными слоями плазмолемм соседних клеток. В состав глобул входят кластеры трансмембранных белков (окклюдинов и клаудинов), которые связываются с актиновыми филаментами ZOбелками. В структуру плотных контактов входят также липиды, которые имеют структурное и физио логическое значение. Рядом исследователей предложена так называемая липид ная модель организации плотных контактов, согласно которой в межклеточных пространствах в области этих контактов находятся цилиндры липидной приро ды, представляющие собой инвертированные липидные мицеллы, образован ные внутренними монослоями мембран смежных клеток. Эти мицеллы, в соче тании с наружными листками плазматических мембран, и формируют плотный и регулируемый трансэпителиальный барьер. Существует модель плотного кон такта, не исключающая участия в его построении как белковых, так и липид ных компонентов (ДунинаБарковская А. Я., 1997) (рис. 4.33). Плотные контакты создают границу между апикальными и базолате ральными доменами контактирующих плазмолемм, определяют полярность

180

Ãëàâà 4

Рис. 4.33. «Синтетическая» модель плотного контакта: ПМ — плазматическая мембрана; ИМ — инвертированные липидные мицеллы; Ок — окклюдин; АФ — актиновые филаменты; Сп — спектрин; У — увоморулин; ПК — плотный контакт; АК — адгезионный (промежуточный) контакт (по: ДунинаБарковская А. Я., 1997)

эпителиоцитов. Установлено, что белки плотных контактов могут выпол нять различные регуляторные функции. Так, белки внеклеточного матрикса и окклюдин могут катализировать фазовые переходы липидов из ламелляр ной в неламеллярную гексагональную фазу, а цитоплазматические перифе рические белки осуществляют тесную взаимосвязь с цитоскелетом. В последнее время установлено присутствие в плотных контактах нескольких белков, функ циональные особенности которых дают основание считать, что эти структуры участвуют в координации множества клеточных процессов, в том числе поля ризации и пролиферации клеток. Через плотные контакты могут проходить молекулы от 0,5—0,9 нм — в плотных эпителиях (желудка, протоков желез), до 6,5—7,5 нм — в неплотных эпителиях (проксимальных канальцах почки и тонкой кишки). В последнем случае молекулы имеют молекулярную массу 70—100 кДа. Положительно заря женные молекулы проникают через этот барьер лучше, чем отрицательно заря женные. Плотные контакты проницаемы для неорганических ионов. Очевидно, что эти образования представляют собой селективный фильтр с отрицательно заряженными и регулируемыми порами (рис. 4.34).

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

181

Рис. 4.34. Электронная микрофотография среза эпителиальной клетки толстой кишки: 1 — плотный контакт; 2 — промежуточный контакт; 3 — актиновые филаменты; 4 — десмосома; 5 — микроворсинка (препарат В. А. Шахламова). Ув. 100 000

Промежуточные контакты (сцепляющие пояски) располагаются непосредственно за плотными кон тактами и типичны для кубического и столбчатого эпителия, в частности кишечного. В этих контактах между мембранами соседних клеток образует ся пространство шириной 15—20 нм, заполненное материалом средней элект ронной плотности и ограниченное теми участками плазмолеммы, к ко торым прикрепляются актиновые нити. Эти участки содержат трансмембран ные Са2+связывающие белки кадге рины и примембранные актинсвя зывающие белки. Пучки актиновых филаментов образуют ободок с внутренней стороны клетки и располагаются преимущественно параллельно друг к другу и поверхности плазмолеммы. Про межуточные контакты не только скрепляют соседние клетки, но стабилизи руют цитоскелет, объединяя клетки в жесткую единую систему. В то же время, благодаря сократительным свойствам актиновых филаментов, энтероцит может изменять рельеф апикальной плазмолеммы и высоту микроворсинок. Расположенные рядом плотные и промежуточные соединения часто объ единяют общим названием — терминальные перемычки (terminal bars). Энтероциты соединяются друг с другом многочисленными локальными контактами — десмосомами, препятствующими взаимному смещению клеток и поддерживающими структурную целостность пласта. В энтероцитах хорошо выражены щ е л е в ы е с о е д и н е н и я, имеющие фор му неправильных окружностей диаметром 0,5—3,0 мкм. В них плазматиче ские мембраны соседних клеток находятся на расстоянии 2—3 нм. Эти контак ты обеспечивают обмен между клетками ионами, метаболитами, гормонами, АТФ и другими, реализуя таким образом функциональное и обменное сопря жение эпителиального пласта. Проницаемость щелевых контактов регулируется медиаторами (кальмодулином, цАМФ, фосфоинозитолом). Боковые поверхно сти энтероцитов имеют складки, которые образуют с о е д и н е н и я т и п а з а м к а. Благодаря складкам создается некоторый резерв плазмолеммы, позволяющий клеткам изменять свои форму и объем. Большая часть боковых поверхностей энтероцитов образует п р о с т ы е с о е д и н е н и я, где плазматические мембраны соседних клеток разделены пространством 15—20 нм, в котором сливаются гли кокаликсы соседних клеток.

182

Ãëàâà 4 Рис. 4.35. Апикальные части энтероцитов с тесно расположенными микроворсинками, покрытыми гликокаликсом, в тонкой кишке: 1 — микроворсинки; 2 — гликокаликс (по: S. Ito, 1975). Ув. 50 000

Энтероциты участвуют в пищева рении. Пристеночное пищеварение про исходит на слизистых наложениях в тонкой кишке, где сорбируются фермен ты не только полостного пищеварения, но и секретированные энтероцитами, а также ферменты клеток, слущиваю щихся с вершин ворсинок. Здесь же происходит и первичная иммунная ней трализация антигенов, попавших в ки шечник, с помощью секреторных имму ноглобулинов типа A. Последние при носятся в слизистые наложения везикулами, обособляющимися от апикальных зон энтероцитов. Поверхность микроворсинок покрыта слоем тонковолокнистых образова ний, получивших название г л и к о к а л и к с (рис. 4.35). Гликокаликс состоит из олигосахаридов, ковалентно связанных с гликопротеинами и гликолипидами плазмолеммы, и имеет ширину около 50 нм. Гликокаликс служит также филь тром для многих веществ, которые сортируются по величине и заряду, а также по другим, еще неясным параметрам. Через него проникают лишь те продукты, для которых в нем есть адекватные ферменты, в то время как другие вещества с такими же размерами молекул не проходят. Гликокаликс осуществляет узна вание, рецепцию и специфическое связывание гормонов, токсинов и ряда анти генов и придает процессам всасывания векторный и селективный характер. Вместе с тем на гликокаликсе начинаются и некоторые синтетические процес сы, в ходе которых из мономеров пищи и мономеров эндогенного происхожде ния создаются соединения, химизм и структура которых адекватны данному ви ду, т. е. идет подготовка к всасыванию. Всасываемые продукты могут попадать в клетки путем пиноцитоза и пере мещаться в виде транспортных везикул в цистерны комплекса Гольджи, а ино гда и в АЭС. В таком случае они выходят за пределы клетки путем экзоци тоза, фактически не попав в ее цитоплазму. Так транспортируются протеины материнского молока у новорожденных млекопитающих и некоторые вита мины. Поскольку внутренняя поверхность отпочковывающихся от плазмо леммы везикул покрыта гликокаликсом, процесс окончательного расщепления нутриентов может продолжаться внутри энтероцитов. Транспортные везикулы могут сливаться с мультивезикулярными тельцами (прелизосомами). В ре зультате переваривания поглощенных веществ образуются молекулы, частично используемые на внутриклеточные синтетические процессы. Основная часть транспортных везикул проходит по энтероцитам транзитом и после слияния

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

183

с латеральной мембраной изливает свое содержимое в межклеточное про странство. Второй путь — трансплазматический, при котором продукты пищеварения попадают непосредственно в цитоплазму эпителиальных клеток, где либо под вергаются дальнейшему расщеплению, либо используются для внутриклеточ ных синтезов. В конечном итоге часть этих продуктов выводится через базаль ную или боковую плазматическую мембраны клетки и попадает в сосудистое русло. Предполагается существование раздельных транспортных механизмов: ферментонезависимого для свободных мономеров и ферментозависимого для мономеров, образовавшихся при гидролизе полимеров (Уголев А. М., 1978; 1985). Все процессы трансмембранного электролитного обмена осуществляются с помощью ограниченного числа насосов и ионных транспортеров. Под насо сами подразумеваются системы, в которых сочетается механизм энергизации с механизмом трансмембранного переноса. Источником энергии в этих процес сах в большинстве случаев является АТФ. Переносчики (каналы) или транс портеры — это устройства, обеспечивающие специфический транспорт либо по электрохимическому градиенту, либо благодаря сопряжению с механизмом транспорта другого вещества. Движение этого вещества по градиенту кон центрации служит источником энергии для сопряженного с ним процесса пе реноса другого вещества. Для такой вторичной энергизации, не связанной непосредственно с АТФ, обычно используются ионные градиенты Na+ (Уго лев А. М., 1985). С помощью транспортеров в энтероцитах обеспечивается спе циализированный транспорт аминокислот, глюкозы, дипептидов и трипепти дов, аскорбиновой кислоты, лактата, уроцила и других веществ. В энтероци тах Na+зависимые транспортеры находятся на апикальной мембране, а на триевые насосы — на базолатеральной. Некоторые вещества проходят через пласт клеток трансэпителиально, проникая через плотные контакты. Так, установлено, что через них в эпителий тонкой кишки транспортируются такие молекулярные зонды, как соли La3+, Ba2+, микропероксидаза (1,6—2 кДа), цитохром C (13 кДа), пероксидаза хрена (40 кДа). Таким образом, в кишке через пласт энтероцитов разными путями (с по мощью эндоцитозапиноцитоза, транспорта при участии насосов и транспорте ров, а также трансэпителиально) происходит перенос продуктов гидролиза пищевых веществ в интерстиций и далее в сосуды. Энтероциты — это полифункциональные клетки, и еще одна их функция — секреторная. Она заключается в отпочковывании от микроворсинок мелких везикул, выделяемых в просвет кишки и сохраняющих на своей поверхности весь набор гидролитических ферментов гликокаликса. Выходя в просвет киш ки, эти ферменты могут участвовать как в полостном, так и в пристеночном пищеварении. При отпочковывании везикул от микроворсинок путем своеоб разной микроапокринии, в просвет кишки попадает и некоторое количество цитозоля, содержащего цитоплазматические растворенные ферменты, липопро теины, акцепторные белки и другие растворенные вещества. После разрушения мембран этих везикул такие вещества могут быть абсорбированы на мембранах энтероцитов. Итак, помимо всасывающей, энтероцитам присуща еще одна важ ная, хотя и малозаметная для морфолога функция — секреторная.

184

Ãëàâà 4

Слизистые, эндокринные клетки и клетки Панета. С л и з и с т ы е, или бокаловидные, экзокриноциты кишечника имеют форму бокала, у основания которого находится обычно сплющенное ядро (рис. 4.36). Они содержат мно гочисленные секреторные гранулы низкой электронной плотности, мембраны которых частично сливаются друг с другом в апикальной области клетки. Сек рет бокаловидных клеток состоит преимущественно из гликопротеидов и их синтез связан с деятельностью, как ГЭС, так и высокой активностью комплек са Гольджи, сильно развитого в этих клетках и локализованного над ядрами в виде чаши. Выделение слизистого секрета, повидимому, идет непрерывно и реализуется по мерокринному типу. Клетки Панета (апикальнозернистые эпителиоциты) располагаются только у самого основания крипт. Это крупные клетки с многочисленными дискретны ми, крупными, электронноплотными гранулами секрета, содержащими фермент мураминидазу (лизоцим), обладающий бактерицидными свойствами. Секрет на капливается в апикальных частях кле ток и выделяется мерокринным путем. Э н д о к р и н н ы е к л е т к и (энтери ноциты) встречаются реже бокаловид ных. Эти клетки имеют элект ронносветлую цитоплазму, доволь но крупные ядра, хорошо развитый ГЭС и комплекс Гольджи. Сущест вует два вида энтериноцитов: за крытого и открытого типов. Первые не контактируют со свободной по верхностью эпителиального пласта, а вторые непосредственно соприка саются с просветом кишки и имеют микроворсинки, обращенные в его про свет. Эти клетки имеют специфиче ские секреторные гранулы диаметром 120—320 нм, обладающие очень высо кой электронной плотностью. При све тооптическом изучении клетки разде ляют на две группы: 1. Энтерохромаффинные (аргентаф финные), т. е. клетки, которые окраши ваются азотнокислым серебром и би хроматом калия. Рис. 4.36. Электронная микрофотография эпителия слизистой оболочки кишки: 1 — бокаловидная клетка с секреторными гранула ми; 2 — энтероциты с микроворсинками; Я — ядра клеток (препарат В. А. Шахламова). Ув. 10 000

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

185

2. Аргирофильные — клетки, которые могут восстанавливать нитрат серебра только в присутствии восстановителя. Иммуноцитохимическими методами удается идентифицировать значитель но большее число типов эндокриноцитов. В целом, в слизистой оболочке киш ки и желудка выявлено более 20 типов эндокриноцитов (см. гл. 12), выра батывающих разнообразные гормоны (энтерины). Эти гормоны регулируют не только ход пищеварения (гидролиз и всасывание пищевых веществ), но и моторику органов пищеварения, аппетит, интенсивность ферментовыдели тельных функций и др. Особенно важным надо считать их действие на разно образные процессы, не связанные непосредственно с пищеварением (оказы вают действие на деятельность щитовидной железы, надпочечников, передней доли гипофиза, влияют на скорость мочеобразования, ферментный состав и свертываемость крови, величину кровяного давления, энергетический и плас тический метаболизм, проницаемость и т. д.) (Уголев А. М., 1978). Развитие, обновление и репаративная регенерация эпителия кишки. Эпителий кишки позвоночных имеет энтодермальное происхождение. В про цессе развития внутренняя выстилка кишки приобретает пальцевидные вы росты и углубления (ворсинки и крипты). В области крипт преимуществен но располагаются малодифференцированные клетки, способные к делениям, а на ворсинках (в тонкой кишке) — специализированные клетки, не способ ные к митозу (рис. 4.37). Клетки крипт, делясь, перемещаются по направлению к ворсинке, а достигнув ее вершины, слущиваются. В среднем на обнов ление эпителия требуется у мыши 2,5—3 сут, а у человека — 5—6 сут. Эпителий в комплексе крипта—вор синка представляет собой саморегу лирующуюся систему, в которой убыль клеток восполняется проли ферацией малодифференцированных клеток. На дне крипт располагаются стволовые клетки, которые дивер гентно дифференцируются, по край ней мере, в четырех направлениях с образованием энтероцитов (столб чатых, каемчатых клеток), бокало Рис. 4.37. Гистогенетические отношения между эпителиальными клетками слизистой оболочки кишки: а — стволовая клетка; б—д — малодифферен цированные клеткипредшественники: б — панетовских; в — слизистых; г — всасываю щих; д — энтероэндокринных; ж—и — зре лые клетки; ж — бокаловидная; з — каем чатая, всасывающая; и — эндокринная (по: Заварзин А. А., 1985, с изменениями)

186

Ãëàâà 4

видных, апикальнозернистых и эндокринных клеток (см. рис. 4.37). В системе кишечного эпителия можно условно выделить несколько популяций (ком партментов). В каждом из них находится в среднем по 7—10 рядов клеток (отсчет идет по вертикали). На уровне 1—5го рядов происходит коммити рование клетокпредшественников. В зависимости от направления диффе ренцировки разные клеткипредшественники делятся в крипте разное число раз. Энтероциты вступают в дифференцирующуюся популяцию после 4го ми тоза, слизистые клетки становятся различимыми после 3го деления предшест венников на уровне 10—15го рядов. Предшественники энтероэндокринных клеток вступают в деление всего дважды, причем 2е деление происходит на уровне 4—6го рядов. Панетовские клетки дифференцируются сразу из раз делившихся стволовых клеток. Они не мигрируют к вершине ворсинки и всегда сохраняются на дне крипт. Изучение эмбрионального гистогенеза эпителия кишечного типа у человека показало, что у 4недельного эмбриона эпителиоциты еще не диф ференцированы и характеризуются высокой пролиферативной активностью. Дифференцировка начинается на 6—12й неделе развития. Появляются столб чатые клетки с формирующимися микроворсинками, но гликокаликс возникает к концу эмбрионального и началу плодного периода. Бокаловидные клетки дифференцируются на 5й нед. развития, а энтериноциты — на 6й нед. (по являются EC, S и Gклетки). Сходный с онтогенетическим механизм лежит в основе репаративной реге нерации кишечного эпителия. При повреждении эпителия слизистой оболочки, вызванном тем или иным воздействием, происходит наползание на место раз рушенного эпителия клеток со стороны крипт. Эти клетки сначала имеют упло щенную форму и способны к митозам. Они закрывают пластом поврежденный участок ворсинки и в дальнейшем, превращаясь в кубические, начинают диф ференцироваться. При более глубоком повреждении слизистой оболочки, когда разрушаются и ворсинки, и крипты, регенерация идет со стороны сохранив шихся участков слизистой оболочки также путем наползания клеток, их деле ния и дифференцировки, но при этом архитектоника поверхности слизистой нарушается и появления ворсинок и крипт может не происходить, например, при язвенных поражениях.

Эпителий серозных оболочек Эпителий серозных оболочек — мезотелий — является наиболее харак терным представителем эпителиев целомического типа. Мезотелий — одно слойный плоский эпителий, выстилающий брюшную, плевральную и перикар диальную полости. Развитие плевры и брюшины, в том числе и мезотелия, начинается после расщепления вентрального отдела мезодермы на париетальный и висцераль ный листки спланхнотома и осуществляется на протяжении зачаткового и тка невого периодов их дифференцировки. Специализация зачаткового материала спланхнотома в тканевые структуры осуществляется постепенно, асинхронно

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

187

и морфологически проявляется изменением формы и размера клеток, умень шением ядерноцитоплазменных отношений, перестройкой ултрамикроскопи ческой организации клеток (изменением количества свободных рибосом, уве личением и усложнением структуры ГЭС, комплекса Гольджи и митохондрий, увеличением содержания пиноцитозных пузырьков, развитием микровилл на апикальной поверхности клеток) и усложнением межклеточных связей. Дифференцировка клеток зачатка в мезотелиальные клетки осуществляется асинхронно, о чем свидетельствуют одновременно присутствующие в выстил ке серозных полостей элементы, находящиеся на различных стадиях развития. На ранних этапах дифференцировки преимущественное содержание в цито плазме мезотелиальных клеток свободных рибосом говорит о преобладании белкового синтеза, связанного с пластической функцией клеток. В дальней шем идет нарастание количества мембранных структур, в том числе и пино цитозных пузырьков, число которых особенно резко увеличивается в первый месяц после рождения, когда идет быстрый рост организма и начинают актив но функционировать органы, покрытые серозными оболочками. Кроме того, следует отметить, что зачатковая и тканевая дифференцировка мезотелия в разных участках серозных оболочек осуществляется неодновре менно. Быстрее этот процесс идет в выстилке вторичной полости тела в участ ках, которые возникают из вентральных отделов париетального и висцераль ного отделов спланхнотома. Это объясняется тем, что именно в этих участках наблюдается усиленный рост обоих его листков, обусловленный активным перемещением клеточных пластов вследствие развития туловищной складки, отделяющей тело зародыша от внезародышевого материала. Становление мезо телия в процессе его дифференцировки из материала зачатков спланхнотома сопровождается, с одной стороны, развитием в цитоплазме органелл общего назначения, а с другой — появлением специфических признаков, характерных для мезотелия и являющихся показателем его морфофункциональной спе циализации. К ним относятся: появление вертикальной полярности в строении мезотелиального пласта (развитие микроворсинок, расположение десмосом и пиноцитозных пузырьков) резкое уплощение его клеток, расположение основной массы органелл в ядросодержащей части и постепенное снижение митотической активности клеток. К концу эмбриогенеза мезотелий приобре тает характерные для него черты строения, однако его развитие продолжается и в постэмбриональном периоде. Эмбриональный мезотелий отличается от ме зотелия взрослых организмов наличием митозов и большим содержанием малодифференцированных клеток. В постэмбриональном периоде (у мышей до 1,5 мес.) в соединительной ткани наиболее активно развивается проме жуточное вещество, что, повидимому, и объясняет наличие в покрывающем ее мезотелии митотически делящихся клеток. По мере приобретения соедини тельной тканью строения, свойственного ей у взрослых особей, и в мезоте лии происходит завершение тканевой специализации, ведущей к исчезновению митозов. Развитие мезотелия и подлежащей соединительной ткани из мало дифференцированных клеток спланхнотома осуществляется неодновременно. В мезотелии специфическая тканевая дифференцировка опережает таковую в соединительной ткани.

188

Ãëàâà 4

Мезотелий животных и человека в общих чертах имеет сходное строение в различных участках серозных оболочек (плевра, перикард, эпикард, брю шина). Он образован одним слоем уплощенных полигональных клеток (мезо телиоцитов), высота которых зависит от степени их растяжения и от участков покрываемой ими серозной оболочки. Клетки мезотелия содержат в основ ном одно ядро, расположенное эксцентрично, и различаются величиной ядра и цитоплазмы, ядерноплазменными отношениями и ультраструктурой. По мимо одноядерных клеток встречаются дву и многоядерные, количество кото рых неодинаково в различных серозных оболочках. Так, на поверхности селе зенки чаще, чем в других участках брюшины, встречаются двуядерные клетки, а в мезотелии, выстилающем сердечную сумку, наблюдается большое количест во многоядерных элементов. Измерение площади ядер и определение количества ДНК в них пока зало, что, несмотря на имеющиеся значительные различия в их размере, 95—96 % мезотелиальных клеток содержат диплоидные ядра и только 4—5 % — полиплоидные. В мезотелии имеются клетки с высокими и низки ми значениями ядерноплазменных отношений, являющихся одним из показа телей дифференцировки клеток. Различия в ультрамикроскопическом строении мезотелиальных клеток взрослых животных касаются распределения органелл и количества свободных рибосом. По этим показателям можно выделить две крайние группы клеток и переходные формы между ними. Большую часть кле ток в составе пласта составляют элементы, в которых основная масса орга нелл располагается вокруг ядра и представлена умеренным количеством ми тохондрий, свободных рибосом, ГЭС, слабо развитым комплексом Гольджи. В периферических истонченных участках цитоплазмы органеллы единичны (рис. 4.38). Клетки с органеллами, довольно равномерно распределенными по всей цитоплазме, и содержащими большее количество свободных рибосом, встречаются довольно редко. Расположение органелл вокруг ядра в большей части клеток указывает на локализацию в этих участках цитоплазмы основных

Рис. 4.38. Мезотелий париетальной брюшины белой мыши. Показаны ядросодержа щий (а) и истонченный периферический (б) участки клетки. Электронные микрофото графии. Ув.: а — 28 000; б — 32 000. Микроворсинки (стрелки), плотное соединение (двойная стрелка)

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

189

синтетических процессов, что подтверждается и гистоавторадиографическими исследованиями. При этом следует отметить, что белковый обмен в клетках мезотелия замедлен. Помимо указанных органелл в мезотелиальных клетках наблюдаются пиноцитозные пузырьки. Изучение их количества и распределения в различные периоды жизне деятельности организма и при патологии, а также направления пиноцито за в клетке от базальной части к апикальной показало, что он играет важную роль в жизнедеятельности мезотелиоцитов и поддержании постоянного ка чественного и количественного состава межтканевой жидкости в серозных полостях. Изучение межклеточных контактов в мезотелии показывает, что упорядо ченность распределения мезотелиоцитов в пласте по степени связанности на ступает при контакте клетки с шестью окружающими соседними клетками. Смещение от этой величины вправо или влево свидетельствует об ослаблении тканевой организации однослойных эпителиев. Мезотелий, в отличие от других эпителиев, лишен контакта с внешней сре дой. Эта его особенность нашла отражение и в способе получения питательных веществ не только из подлежащей соединительной ткани, но и из серозной жидкости. На апикальной поверхности мезотелиоцитов цитоплазма образует многочисленные неравномерно распределенные микроворсинки различной длины. Последних меньше над ядросодержащей частью клетки. Между мик роворсинками и на их поверхности находится гликокаликс, удерживающий на поверхности клеток слой жидкости, способствующий не только взаимному скольжению внутренних органов при их функционировании, но и защищаю щий мезотелий от повреждения при трении серозных оболочек. Контакт со седних мезотелиоцитов осуществляется путем простого точечного касания, на слоения цитоплазмы одной клетки на другую, иногда на значительном протя жении, сложных взаимных выпячиваний цитоплазмы. В апикальной части соседние клетки соединены при помощи десмосом и плотных соединений (см. рис. 4.38, б). В мезотелии, покрывающем сальник, в области млечных пятен обнаружены стигматы, а на поверхности диафраг мы — стоматы, через которые постоянно циркулируют иммунокомпетентные клетки для обеспечения иммунного гомеостазиса. Топографические особенности в строении мезотелия брюшины взрослых обусловлены, с одной стороны, асинхронностью развития различных участ ков брюшины в эмбриогенезе, а с другой — особенностями функционирова ния органов, покрываемых брюшиной, и касаются размера клеток и их ядер, ядерноплазменных отношений, количества дву и многоядерных элементов, ультраструктуры. Так, на поверхности печени мезотелий представлен самыми крупными (плоскостной размер) клетками с мелкими ядрами и низкими зна чениями ядерноплазменных отношений. В мезотелии именно этого участка брюшины тканевая дифференцировка зачаткового материала начинается рань ше, чем в других ее отделах. Наиболее крупные ядра — в клетках мезотелия на вентральной и боковой поверхностях стенки брюшной полости. Эти клет ки имеют и более высокие значения ядерноплазменных отношений. Дву ядерные клетки чаще встречаются в мезотелии висцеральной брюшины, чем

190

Ãëàâà 4

париетальной. Многоядерных клеток в мезотелии больше в случаях, при ко торых серозное покрытие органа больше всего подвергается растяжению и трению. Мезотелий способен к декомплексированию. При этом десмосомы раз рушаются, клетки округляются, утрачивается связь с базальной мембраной. В нормальных условиях 4—6 % от общего числа мезотелиальных клеток ока зываются взвешенными в полостной (перитонеальной) жидкости. Мезотели альная выстилка создает благоприятные условия для скольжения соприка сающихся органов друг относительно друга. Присутствие мезотелия на поверх ности органа препятствует образованию спаек. При повреждении мезотелия разросшаяся на его месте соединительная ткань прорастает в примыкающие друг к другу органы и прочно спаивает их вместе. Помимо разграничительной функции, мезотелий участвует в образовании жидкости и специфических ве ществ в серозных полостях и обеспечивает их транспорт и передвижение. Важ ная функция мезотелиальных клеток — участие в воспалительных реакциях: они синтезируют провоспалительные цитокины, ростовые факторы и белки внеклеточного матрикса для восстановления серозной оболочки, выделяют факторы, способствующие отложению и растворению фибрина, представлению антигена, обеспечивают миграцию лейкоцитов в ответ на медиаторы воспа ления. Секреция гликозаминогликанов и смазочных веществ (любрикантов) не только предохраняет ткани от трения, но и от распространения инфекции и, возможно, дессиминации опухолевых клеток. Мезотелий обладает высокой способностью к физиологической регенера ции (рис. 4.39). Стареющие мезотелиальные клетки отпадают в полость тела, но базальная мембрана не повреждается и на место отпавших клеток напол зают соседние. Деление клеток обычно происходит несколько отступя от места отпадения мезотелиоцитов (мозаичная форма регенерации). Какие из мезоте лиальных клеток обладают свойствами стволовых, остается неясным, но с по мощью метода радиоавтографии было показано, что лишь небольшая часть клеток обеспечивает рост и обновление мезотелия.

Рис. 4.39. Мезотелий париетальной брюшины белых мышей через 24 ч после однократного введения меченного по тритию тимидина. Показаны дочерние клетки, возникшие в результате деления материнской клетки (стрелки). Окраска: импрегнация серебром и гематоксилин Ясвоина. Ув. 400

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

191

Рис. 4.40. Мезотелий париетальной брюшины через два дня после повреждения. Показаны синхронный (в, д, е) и асинхронный (а, б, г) митозы 2, 3и 4ядерных клеток на стадии профазы (а, б, в, г), метафазы (д) и анафазы (е). Окраска: гематоксилин Ясвоина. Ув. 400

При репаративной регенерации восстановление мезотелия осуществляется за счет сохранившегося на раневой поверхности и по ее краю жизнеспособного мезотелия, путем усиления процессов, имеющих место при физиологической регенерации, и появлением многочисленных митозов, ДНКсинтезирующих клеток (рис. 4.40), как одно, так и многоядерных. Репаративная регенерация мезотелия отличается высокой скоростью течения восстановительных процес сов. Даже при обширном и глубоком повреждении целостность покрова парие тальной брюшины восстанавливается в течение 10 сут.

192

Ãëàâà 4

Возможность столь быстрой репарации основана на участии в пролифера тивном процессе не одной популяции клеток, а всего мезотелиального пласта. В мезотелии значительная часть клеток потенциально способна к самовоспро изведению. Эта способность реализуется в мезотелии при воздействии на него различных экстремальных факторов путем интенсификации механизмов, ха рактерных для физиологической регенерации. При обширном повреждении брюшины, когда на ее поверхности наблюдаются значительные участки, ли шенные мезотелия, в сохранивших жизнеспособность клетках на первых этапах регенерации имеет место интенсивный рост всей клетки (ядра и цитоплазмы), который сопровождается уменьшением ядерноцитоплазменных отношений. Митозы встречаются редко. Содержание последних нарастает в последующие стадии регенерации, когда на раневой поверхности видны значительные участ ки, перекрытые мезотелиальным регенератом. Таким образом, в основе физиологической и репаративной регенерации эпителия серозных оболочек (мезотелия) лежат одни и те же механизмы, но различающиеся степенью их выраженности.

Эпителий паренхимы внутренних органов Весьма разнообразны по структуре и функциональному назначению эпи телии, объединенные в группу эпителиев паренхимы внутренних органов. Сре да, с которой контактируют апикальные поверхности эпителиальных клеток паренхимы, в значительной степени является продуктом их собственной жиз недеятельности, и состав этой среды достаточно стабилен, поэтому адаптив ных изменений, связанных с изменчивостью внешней среды, у таких эпите лиев практически нет. Вместе с тем дифференцировки апикальной поверхности в эпителиоцитах паренхимы бывают нередко хорошо выражены. Однако они отражают специфику функционирования эпителия. Характеристика таких эпи телиев будет дана при изложении материалов о соответствующих органах. Остановимся лишь на характеристике эпителиев желез, как примере эпителиев паренхимы внутренних органов.

Æåëåçèñòûå ýïèòåëèè è æåëåçû Железы построены из паренхимы и стромы. Паренхима состоит из эпи телия, а строма — из соединительной ткани (с сосудами и нервами). Желе зы по числу образующих паренхиму клеток, называемых гландулоцитами, разделяют на одноклеточные, малоклеточные и многоклеточные. Примерами одноклеточных желез могут служить бокаловидные железы кишечника. Мало клеточные железы состоят из нескольких, нередко полиплоидных клеток и осо бенно часто встречаются у беспозвоночных и низших позвоночных животных (например, кожные слизистые железы амфибий). Многоклеточные железы — самый распространенный тип желез позвоночных. Железы (кроме однокле точных) имеют концевые отделы и протоки.

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

193

По отношению к эпителиальному пласту железы бывают эндо и экзо эпителиальными. Первые находятся в толще эпителия, а вторые — смещены вглубь соединительной ткани и связаны с эпителиальным пластом лишь свои ми выводными протоками. Железы разделяют на простые и сложные. Простые имеют неразветвлен ный выводной проток, а сложные — разветвленный. По форме концевых (сек реторных) отделов железы могут быть альвеолярными (когда этот отдел имеет форму пузырька) и трубчатыми (с удлиненным концевым отделом). Бывают трубчатоальвеолярные железы с секреторными отделами промежуточной фор мы. Трубчатоальвеолярными называют также железы, у которых концевые отделы имеют как трубчатую, так и альвеолярную формы. Концевые отделы синтезируют секреты, а протоки обеспечивают их транс порт. В некоторых железах протоковые клетки, так же как и клетки концевых отделов, вовлекаются в секреторный процесс, выделяя в просвет (а в ряде слу чаев и в интерстиций) собственный секреторный материал. Так, в подчелюст ных железах многих животных и человека протоковые клетки выделяют ряд биологически активных веществ, как в просвет, так и в окружающий интерсти ций и сосуды. Клетки протоков регулируют окончательный состав и консистен цию секрета, выделяемого железой. В зависимости от места, куда выделяется секрет желез, их разделяют на экзо, эндо и паракринные. Экзокринные железы выводят секрет (экзо секрет) через протоки на поверхность тела или слизистых оболочек (экзосе креция). Эндокринные железы лишены протоков и выделяют секреты (гор моны, или инкреты) в кровь или лимфу. Паракринные железы выводят свои секреты в интерстиций. Эти железы (например, эндокриноциты) обеспечивают местную регуляцию метаболизма в рядом расположенных клетках, хотя этим их функции не ограничиваются. Под секрецией следует понимать внутриклеточный процесс биосинтеза, накопления (в большинстве случаев), а затем выведения за пределы клетки веществ, имеющих часто строго специфическое значение для нормального функционирования организма. Секреция отличается от процессов рекреции и экскреции. При рекреции из клетки выводятся вещества, которые не подверглись хи мическим изменениям в процессе внутриклеточного метаболизма (вода, неко торые ионы или попавшие в клетку из интерстиция более сложные вещества, синтезированные в других местах). Примером рекреции может служить транс порт веществ в составе пиноцитозных пузырьков эндотелиоцитов, мезотелио цитов или протоков слюнных желез, рекретирующих ряд гормонов и регуля торных пептидов. В процессе рекреции ферментов и гормонов могут быть использованы как пассивная диффузия, так и активный транспорт через белковые каналы и пи ноцитоз. Рекреция является одним из механизмов стабилизации цитоплазмы, в которую в некотором количестве транспортируются из парацеллюлярной среды продукты деятельности различных клеток (Коротько Г. Ф., 2006). В случае экскреции из клеток выводятся ненужные или даже вредные для организма вещества, являющиеся конечными продуктами процесса обмена

194

Ãëàâà 4

(мочевина, мочевая кислота и др.). Ни рекреты, ни экскреты не имеют тако го специфического действия, как секреторные продукты. В отличие от рекреции и экскреции, секреция всегда связана с синтетическими процессами, в резуль тате которых из простых исходных продуктов, проникших в клетку или обра зующихся в ней при распаде более сложных веществ, создается секреторный продукт — вещество со специфическими биологическими свойствами. При этом секреты, вырабатываемые железистыми клетками, не являются структурными компонентами тканевых систем. Секреты по химическому составу весьма разнообразны. Они имеют либо чисто белковую или пептидную природу (некоторые гормоны, ферменты), либо состоят из гликозаминогликанов и гликопротеинов (мукоидный секрет, слизь), либо сочетают липопротеины и гликопротеины (некоторые гормоны и так называемые гомориположительные гранулы нейросекреторных клеток). Секреты могут быть липидами (стероидные гормоны, жировые капли в желе зистых клетках молочных и сальных желез), а также неорганическими ве ществами (соляная кислота, хлористый натрий и др.). Несмотря на такое раз нообразие в химическом составе секретов в структурной организации секре торных клеток, в их физиологии и биохимии можно найти ряд общих черт. При образовании всех вышеназванных продуктов наблюдаются характерные стадии процесса секреции, завершающиеся выделением сформированных ве ществ за пределы клетки. Поэтому в современной литературе образование основного вещества соединительной ткани, медиаторов в синапсах и некоторых других продуктов рассматривают как секреторный акт. Тем не менее, вряд ли правильно считать фибробласты или типичные нейроны (но не нейросекре торные клетки) железистыми клетками, поскольку все они по своей структуре, происхождению и месторасположению в организме существенно отличаются от типичных гландулоцитов. Вместе с тем с цитологических позиций некото рые нежелезистые клетки, например плазматические или тучные клетки, прин ципиально не отличаются от секреторных.

Êëàññèôèêàöèÿ ýïèòåëèàëüíûõ æåëåçèñòûõ êëåòîê ïî òèïó âûðàáàòûâàåìîãî èìè ñåêðåòà Белоксинтезирующие клетки. Для этих клеток характерно сильное раз витие ЭС, комплекса Гольджи, а также секреторных гранул. Правда, в непре рывно секретирующих клетках, например гепатоцитах, секрет выводится без оформления в гранулы. Секреторные клетки такого вида, как правило, по лярны и комплекс Гольджи располагается ближе к тому полюсу клетки, куда выводится секрет. Такой вид имеют, в частности, панкреатоциты (рис. 4.41). В тех случаях, когда трудно решить, в каком направлении выводится секрет, локализация комплекса Гольджи помогает выяснению этого вопроса. Так, в слюнных трубках подчелюстных желез в отделах, которым приписывают как экзо, так и эндокринные функции, комплекс Гольджи располагается и в апи кальной, и в базальной частях клеток.

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

195

Рис. 4.41. Электронная микрофотография экзокринного панкреатоцита мыши: 1 — просвет ацинуса; 2 — ядро экзокринного панкреатоцита; 3 — сильно развитая ГЭС; 4 — зона КГ; 5 — секреторные гранулы (препарат Е. А. Шуб никовой). Ув. 6000

Клетки, образующие слизь. Гланду лоциты, вырабатывающие слизь, богатую гликопротеинами и гликозаминогликана ми, характеризуются базальным располо жением часто сплющенного ядра с кон денсированным хроматином, сильным развитием комплекса Гольджи, обильным накоплением секрета в апикальной расши ренной части клетки. Тесно расположен ные цистерны ГЭС находятся в базальной части клетки и количество их значительно меньше, чем в белоксинтезирующих клет ках. Часто такие клетки имеют бокаловид ную форму (см. рис. 4.36). Стероидпродуцирующие клетки. Гландулоциты, использующие для син теза своего секрета липиды, например холестерин, часто бывают эндокрин ными. К таким клеткам относятся клетки коры надпочечников, фоллику лярные клетки яичника, клетки желтого тела, клетки теки фолликула и др. Они характеризуются сильным разви тием агранулярной (незернистой) эндо плазматической сети (АЭС) в виде тон ких переплетающихся канальцев и оби лием митохондрий с трубчатыми или ве зикулярной формы кристами (рис. 4.42). ГЭС и комплекс Гольджи в них разви ты слабо. Железистые клетки, синтези рующие соли и кислоты. Приме ром таких клеток служат обкладочные (париетальные) клетки желез дна же

Рис. 4.42. Электронная микрофотография сте роидпродуцирующей клетки пучковой зоны коры надпочечников. В цитоплазме множест во канальцев гладкой эндоплазматической сети (1); 2 — митохондрии с трубчатыми и везикулярными кристами; 3 — липидные включения (препарат М. В. Шорниковой). Ув. 50 000

196

Ãëàâà 4 Рис. 4.43. Ультраструктура париетальной (обкладочной) клетки дна желудка: 1 — АЭС; 2 — микроворсинки, вдающиеся в про свет внутриклеточных канальцев

лудка (рис. 4.43). Они содержат внут риклеточные канальцы, снабженные многочисленными микроворсинками, а в цитоплазме имеется большое ко личество митохондрий и тубуловези кулярных структур, относимых к АЭС. Комплекс Гольджи развит слабо, а ГЭС практически не выявляется. В парие тальных клетках ионы водорода, осво бождающиеся из угольной кислоты, пе реносятся путем активного транспорта через плазмолемму и на поверхности микроворсинок, связываются с ионами хлора с образованием соляной кислоты, необходимой для создания кислой реакции в желудке.

Êëàññèôèêàöèÿ ýïèòåëèàëüíûõ æåëåçèñòûõ êëåòîê ïî ìåõàíèçìó ýêñòðóçèè Секреторные клетки разделяют на два класса: конститутивные и регули руемые. В конститутивных (нерегулируемых) клетках синтезированный секрет не накапливается, не концентрируется в конденсирующих вакуолях и быстро, в течение 0,5—10 мин, переносится из комплекса Гольджи (или минуя его) к апикальной или базолатеральной поверхности клетки в виде прозрачных мелких везикул, не окаймленных клатрином. Скорость этого процесса не регу лируется внешними стимулами. Примером конститутивного типа клеток могут быть гепатоциты. Регулируемые железистые клетки способны накапливать специфические белки в секреторных гранулах, в которых происходит постепенное созревание секрета. Оно заключается в модификации и концентрировании исходного сек реторного продукта, удалении его ненужных фрагментов и случайно попавших в гранулу белков (последнее связано с образованием «почек» на гранулах). При этом изменяется и молекулярный состав мембраны, окружающей гра нулы, в частности, удаляются так называемые SNAREбелки, участвующие в слиянии незрелых гранул друг с другом. Содержимое гранул в концентри рованном виде может долго сохраняться и быстро выводиться в ответ на внеш ний стимул (например, на повышение содержания ионов Ca2+ или цАМФ). По казано, что в первую очередь выводится содержимое незрелых гранул, видимо,

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

197

Рис. 4.44. Классификация железистых клеток по типу экструзии (схема): а — голокринный; б — макроапокринный; в — микроапокринный; г — макролеммокринный; д — микролеммокринный; е — мерокринный (с выделением секрета через пору); ж — меро кринный (с выделением секрета диффузным путем)

изза их большей способности к слиянию с плазмолеммой. Многие клетки обладают и регулируемой, и конститутивной секрецией. По направлению выведения секрета можно разделять секреторные клет ки на поляризованные (в большинстве экзокринных и части эндокринных желез) и неполяризованные (некоторые эндокринные клетки). Наиболее де тально изучены типы выведения секрета в регулируемых поляризованных клетках. По типу экструзии железистые клетки целесообразно разделять на четыре разновидности: с мерокринным, апокринным, леммокринным и голокринным способами выведения секрета (рис. 4.44). В клетках с мерокринным типом секреции экструзия осуществляется в основном обратным эндоцитозом (экзоцитозом). Он состоит из нескольких стадий: 1) подготовка к слиянию гранулы с плазмолеммой, включающая мо дификацию белков мембран (в частности, SNAREбелков) и реорганизацию актинового цитоскелета в подмембранной области; 2) передвижение гранулы к подмембранной области; 3) «привязывание» гранулы к плазмолемме и за тем причаливание ее к месту будущего выведения секрета; 4) слияние мем браны гранулы с плазмолеммой посредством образования так называемого transSNARE комплекса белков, причем сливаются сначала наружные слои мембран, потом стягиваются внутренние слои и образуется пора. По разным данным, пора формируется либо только молекулами липидов, либо «арми руется» белками, расположенными по ее периферии; первоначальный диа

198

Ãëàâà 4

метр поры — 20 нм, но он может увеличиться; скорость расширения поры, также как длительность ее существования может регулироваться (например, в бетаклетках поджелудочной железы); после расширения поры часть мем бран, лишенных белковых глобул, может попадать в просвет ацинуса железы и, замыкаясь на себя, образовывать мембранные везикулы, оказывающиеся в про свете ацинуса железы; 5) высвобождение содержимого секреторной гранулы, полностью или частично; 6) закрытие поры и восстановление мембраны се креторной гранулы эндоцитозом. С 1й по 3ю стадии являются АТФзависимыми, а само слияние мембран и опорожнение гранулы не требует АТФ. В случае Са2+зависимого экзоци тоза, Са+2 стимулирует многие этапы перед слиянием, также как само слияние и последующее восстановление мембран (Лузиков В. М., 2006). Классическим примером клеток с мерокринной секрецией является экзо кринный панкреатоцит (рис. 4.45). Длительная сохранность клеток при этом обусловлена их внутриклеточной регенерацией. При апокринной секреции происходит отделение апикальных частей клеток с разжиженным секреторным материалом, окруженных плазмолеммой. Се кретируемые белки синтезируются в цитозоле, без участия аппарата Гольджи и не оформляются в секреторные гранулы. Апокринная секреция свойственна в основном половым и связанным с ними железам — простате, эпидидимису, молочным и апокринным потовым железам. При леммокринной секреции секрет отделяется от клетки, будучи окружен ным плазмолеммой, а в ряде случаев и собственной мембраной, но без следов цитоплазмы, например, в случае секреции жировых продуктов молочной желе зой или при дегрануляции тучных клеток. При голокринной секреции вся клетка преобразуется в секрет. При этом уже невозможно говорить о секреторном цикле, поскольку происходящие в клетках изменения необратимы и неповторяемы. Завершение процесса секреции в та ких клетках является результатом цитодифференцировки (например, в саль ных железах). Иногда апокринный способ экструзии разделяют на макро и микроапокринный. В последнем случае от клетки отделяются микрово рсинки или их части, заполненные секретом. Такие клетки в световом микро скопе кажутся мерокринными, поскольку размер отделяющихся частиц глан дулоцита находится за пределами видимости. Аналогично и леммокрин ный способ можно разграничивать на макро и микролеммокринный. Рис. 4.45. Электронная микрофотография апикальной части экзокринного пан креатоцита с экструзией секрета по ме рокринному типу: 1 — секрет в просвете ацинуса; 2 — секре торные гранулы; 3 — выход секрета в про свет ацинуса; 4 — ГЭС (препарат Е. А. Шуб никовой). Ув. 50 000

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

199

При стимуляции секреции мерокринный способ экструзии может сменять ся на апокринный и даже голокринный. Голокринией может завершаться жиз ненный цикл долгоживущих гландулоцитов.

Ñåêðåòîðíûé öèêë è ôèçèîëîãè÷åñêàÿ ðåãåíåðàöèÿ æåëåç Секреторным циклом называют последовательные, закономерно повто ряющиеся изменения железистых клеток, связанные с синтезом, созреванием, транспортом и выведением секрета, а также восстановлением клеток (в случае утраты в ходе секреции их структурных компонентов). Закономерная по следовательность и специфичность работы каждой органеллы в секреторном процессе (образовании каждой кванты секрета) обосновывает использование такого понятия, как «секреторный конвейер», когда каждая органелла выпол няет определенную часть работы в заданной последовательности. Секретор ный конвейер можно наблюдать in vitro и in vivo, например, при введении 3Hлейцина (в инкубационную среду или в организм) в поджелудочную же лезу. Этот радиоактивный предшественник белка включается сначала в ГЭС панкреатоцита (через 5—7 мин). Затем синтезированный белок выявляется в комплексе Гольджи (через 7—17 мин), далее в прозимогеновых и зимоге новых гранулах (через 17—27 мин), а через 1—1,5 ч метка обнаруживается в просвете железы. Таким образом, в панкреатоците в течение 1—1,5 ч прохо дит процесс образования, оформления, хранения и экструзии секрета. Эти, ставшие классическими, данные были впервые получены G. Palade и его со трудниками в 1964—1971 гг. и многократно подтверждены. В дальнейшем было показано, что фазы секреторного цикла, характеризующие состояние всей клет ки в целом, не сменяют друг друга, а в значительной мере накладываются друг на друга, что бывает выражено при мерокринной секреции. Цикличность за трагивает в основном лишь процесс экструзии. Большая часть дифференцированных клеток и, в частности, клеток желез подвергаются обновлению. Существует два способа появления дифференциро ванных клеток: путем митотического деления дифференцированной клетки, дающей две дочерние клетки того же типа, либо путем образования новых кле ток из недифференцированных (стволовых), что сопровождается изменением клеточного фенотипа. Первый способ наблюдается в долгоживущих популя циях (в гепатоцитах и панкреатоцитах). Физиологическое обновление в пе чени и паренхиматозных клетках поджелудочной железы идет медленно. Одна ко при резекции частей этих органов (или при других повреждениях) возмож на стимуляция пролиферации дифференцированных клеток. Обновление за счет стволовых клеток описано в молочных, слюнных и по товых железах, в которых малодифференцированные клетки обнаруживают ся в их протоках. Однако в нормальных условиях доля пролиферирующих клеток в эпителии паренхимы таких желез очень мала в отличие от быстро обновляющихся эпителиев (например, кишечного или желудочного). Час тичное удаление органа стимулирует вспышку пролиферации стволовых клеток.

200

Ãëàâà 4 Ëèòåðàòóðà

Албертс Б., Брейд Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки : пер. с англ. — Т. 1—3. М. : Мир, 1994. Бажанов А. Н. Свойства и особенности пищеводного эпителия. — АлмаАта : Изд. Наука Казахск. ССР, 1978. Барон М. А. Реактивные структуры внутренних оболочек. — Л. : Медгиз, 1949. Беркоу Р. Руководство по медицине. Диагностика и терапия. — М. : Мир, 1997, Т. II. Бессонов Б. И., Буцук С. В. Физикохимические основы транспорта ионов натрия. — М. : Наука, 1991. Быков В. Л. Дендритные антигенпредставляющие клетки слизистой оболочки по лости рта в норме и при патологических состояниях // Арх. патол. — 1997. Т. 65. — Вып. 2. — С. 71—75. Быков В. Л. Клетки Лангерганса слизистых оболочек пищеварительного и репро дуктивного трактов у лабораторных мышей и крыс // Морфология. — 1997. — Т. 112, вып. 5. С. 73—77. Василевский В. К., Семкин В. И., Жеребцов Л. Д., Михайлов И. Н. Первичная и вто ричная меланиновая пигментация кожного покрова человека // Вопросы антрополо гии. — 1998. — № 62. — С. 76—83. Галаговец А. Буллезные заболевания зоны базальной мембраны эпидермиса. — Киев : Наукова думка, 2002. — 190 с. Гемонов В. В., Череп О. Е. Органная специфика развития эпителиальной выстилки полости рта и пищевода // Морфология. 1997. — Т. 112, вып. 5. — С. 69—73. Графова Г. Я. Цитоархитектоника эпидермиса и эпидермальные пролиферативные единицы (ЭПЕ) // Архив анат. — 1982. — Т. 82. № 4. — С. 73—85. Дунина;Барковская А. Я. Плотные контакты: факты и модели // Биол. мембр. — 1997. Т. 14, № 5. — С. 453—475. Заварзин А. А. Основы сравнительной гистологии. — Л. : Изд. ЛГУ, 1985. Иванова В. Ф. Эмбриональный и постэмбриональный гистогенез париетальной и висцеральной брюшины белых мышей // Арх. анат. — 1975. — Т. 68, № 6. — С. 45—53. Иванова В. Ф., Пузырев А. А. Авторадиографическое изучение пролиферации мезо телия белых мышей в эксперименте // Арх. анат. — 1977. — Т. 72, № 2. — С. 10—17. Караганов Я. Л., Миронов В. А., Гусев С. А. О физиологическом значении и механиз мах образования «стомат» в мезотелии брюшины // Арх. анат. — 1981. — Т. 80, № 4. — С. 85—94. Клишов А. А. Гистогенез и регенерация тканей.— Л. : Медицина, 1984. Клишов А. А., Графова Г. Я., Хилова Ю. К., Гололобов Ю. Г., Ченцова М. И. Клеточ нодифферонная организация тканей и проблема заживления ран // Арх. анат. — 1990. — Т. 98, № 4. — С. 23. Коротько Г. Ф. Введение в физиологию желудочнокишечного тракта. — Ташкент : Медицина Уз. ССР, 1987. Коротько Г. Ф. Секреция слюнных желез и элементы саливадиагностики. — М. : Изд. «Академия естествознания», 2006. — 191 с. Курбанов Х. Структура и функции меланосом. — Ашхабад : Ылым, 1985. Лузиков В. Н. Экзоцитоз белков. — М. : ИКЦ «Академкнига», 2006. — 253 с. Михайлов И. Н. Структура и функции эпидермиса. — М. : Медицина, 1979. — 238 с. Морозов И. А., Лысиков Ю. А., Питран Б. В., Хвыля С. И. Всасывание и секреция в тонкой кишке (субмикроскопические аспекты). — М. : Медицина, 1988. Орлов В. С. Механизмы везикулярного транспорта (теоретикоэксперименталь ные и практические аспекты). — М. : Изд. Рос. университета Дружбы народов, 1995. — 139 с.

Ñèñòåìà ýïèòåëèàëüíûõ òêàíåé

201

Руководство по изучению кожного покрова млекопитающих / ред. В. Е. Соколов, Р. П. Женевская. — М. : Наука, 1988. Семкин В. И., Михайлов И. Н. Строение эпидермиса кожи людей различных рас (светоэлектронноскопические исследования) // Изв. АН СССР. Сер. Биологич. — 1988. № 4. — С. 517—529. Скрипкин Ю. К., Лезвинская Е. М. Кожа — орган иммунной системы // Вестн. Дерматол. и венерол. — 1989. — № 10. — С. 14—18. Соколов В. Е., Степанова Л. В. Внеклеточный компартмент эпидермиса млекопитающих // Изв. АН СССР. Сер. биол. 1990. № 4. — С. 542—555. Стенина О. И., Захарова О. С., Бобрышева Ю. В., Репин В. С. Повреждения эндотелия и их роль в патологии сосудистой стенки // Роль эндотелия в физиологии и патологии сосудов : Итоги науки и техники. Сер. физиология человека и животных. — М. : ВИНИТИ, 1989. — Т. 38. — С. 89—113. Степанова Л. В. Новое в исследовании кожи млекопитающих (кератин, водный барьер, десквамация). Актуальные проблемы морфологии и экологии высших позвоночных. — М., 1988. — Ч. 1. — С. 5—74. Суханов А. Ф., Мяделец О. Д. Роль внутриэпидермальных макрофагов (клеток Лангерганса) в структурно-функциональной организации эпидермиса // Арх. анат. — 1988. — Т. 94, № 4. — С. 79—85. Уголев А. М. Эволюция пищеварения и принципы эволюции функций. — Л. : Наука, 1985. Хлопин Н. Г. Общебиологические и экспериментальные основы гистологии. — М. : Изд. АН СССР, 1946. Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию. — М. : ИКЦ «Академкнига», 2004. Чернух А. М., Фролов Е. П. Кожа. Строение, функция, общая патология и терапия. — М. : Медицина, 1982. Шахламов В. А., Цамерян А. П. Очерки по ультраструктурной организации сосудов лимфатической системы. — Новосибирск : Наука, 1982. Шубникова Е. А. Функциональная морфология тканей. — М. : Изд. МГУ, 1981. Шубникова Е. А. Эпителиальные ткани : учебное пособие. — М. : Изд. МГУ, 1996. Шубникова Е. А., Коротько Г. Ф. Секреция желез. — М. : Изд. МГУ, 1986. Юрина Н. А., Радостина А. И. Кожа и ее производные (развитие, строение, функции). — М. : Изд. Рос. университета дружбы народов, 1996. Aumuller G., Wilhelm B., Seitz J. Apocrine secretion fact or artifact? // Anat Anz. — 1999. — V. 181, Nо 5. — P. 437—446. Burgoyne R. D., Morgan A. Secretory granule exocytosis // Physiol Rev. — 2003. — V. 83, Nо 2. — P. 581—632. Cereijido M., Shoshani L., Contreras R. G. Molecular physiology and pathophysiology of tight junctions. I. Biogenesis of tight junctions and epithelial polarity // Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. — 2000. V. 279, Nо 3. — P. 477—482. Chen Y. A., Scheller R. H. SNARGE — mediated membrane fusion // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. — 2001. — V. 2. — Nо 2. — P. 98—106. Cormack D. H. Essential Histology. — Philadelphia : J. D. Lippencott Co., 1993. Cramer S. F. The origin of epidermal melanocytes: implications for the histogenesis of nevi and melanomas // Arch. Pathol. And Lab. Med. — 1991. — V. 115. — P. 115—119. Dejana E., Corada M., Lampugnani M. G. Endothelial cell-to-cell junctions // FASEB J. — 1995. — V. 9. — P. 910—918. Fujita M., Furucawa F., Horiguchi Y., Ueda M., Kashinara4Sawami M., Jnamura S. // Regional development of Langerhans cells formation of Birbeck granules in human embrionic and fetal skin. // J. Invest. Dermatol. — 1991. — V. 99. — P. 65—72.

202

Ãëàâà 4

Gartner L. P., Hiatt J. L. Color Atlas of Histology. 2nd. ed. Baltimore. Williams & Wilkins. 1994. Gould V. E., Moll R., Moll I., Lee J., Frank W. Neuroendocrine (Merkel) cells of the skin: hyperplasias, dysplasias and neoplasms // Lab. Invest. 1985. — V. 52. Nо 14. — P. 334—353. Hogan A., Burks A. W. Epidermal Langerhans cells and their function in the skin immune system // Ann. Alerg. Astma Immunol. — 1995. — V. 75. — P. 5—12. Holbrook K. A., Odland G. F. The fine structure of diveloping human epidermis: light, scanning and transmission electron microscopy of the periderm // J. Invest. Dermatol. — 1975. — V. 65. — P. 16—38. Junqueira L. C., Carneiro J., Kelly R. O. Basic Histology. 7 ed. Prentice-Hall Intern. Inc. — 1992. — 518 p. Membrane biophysics. Structure and function in epithelia. Symp. Held at Virginia Polytech. Inst. 21—21.1. — 1991. — 316 p. Mutsaers S. E. The mesothelial cell // Int. J. Biochem. Cell Biol. — 2004. — V. 36, Nо 1 — P. 9—16. Nievers M. G., Schaapveld R. Q., Sonnenberg A. Biology and function of hemidesmosomes // Matrix Biol. — 1999. — V. 18, Nо 1. — P. 5—17. Potten C. S., Morris R. J. Epithelial stem cells in vivo // J. Cell. Sci. — 1988.— Nо 10. Suppl. — P. 45—62. Ross M. N., Kaye G. I., Pawlina W. Histology. A text and atlas with cell and molecular biology. 4 ed. — Lippencott Williams & Wilkins, 2003. Sengel Ph. Morphogenesis of skin. Cambridge: Univ. Press., 1976. Stevens A., Lowe J. Histology. — 1993. — Mosby. The structure and function of skin / Ed. W. Montagna, P. Parakkal. — N. Y., San Francisco, London: Acad. Press, 1994. Tykocinski M. L., Kaplan D. K., Medog E. D. Antigen — presenting cell engeneering // Amer. J. Pathol. — 1996. — V. 148. — P. 1—16. Wilson D. J., Ponder B. A. Stem-cell organization in mouse small intestine // Proc. Roy. Soc. London. 1990. — V. 241. — P. 1—13. Wolff K., Stingal G. Cellular interactions and the skin: The epidermis as an immune organe // Triangle Dermatol. Sandoz J. Med. Sci. — 1987. — V. 26. — P. 139—153.

Глава 5 СИСТЕМА СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ТКАНЕЙ

Общая характеристика, классификация и гистогенез Соединительные ткани — это комплекс мезенхимных производных в виде клеточных элементов и большого количества межклеточного вещества (волокнистых структур и основного вещества), отличающихся от других тканей меньшей потребностью в аэробных окислительных процессах. Они составляют в организме человека более 50 % его массы, формируя твердый и мягкий скелет, большую часть кожи и др. Соединительные ткани в эмбриогенезе развиваются из мезенхимы, рано проявляя свои функции. Вопрос о классификации соединительных тканей нельзя считать устоявшимся, так как ни один из распространенных подходов (генетический, функциональный, структурный) не исчерпывает всех их особенностей и свойств. Вместе с тем морфологам хорошо известно, что одна разновидность соединительной ткани отличается от другой соотношением разнообразных клеток и неклеточных структур, а также физико-химическими свойствами межклеточного вещества. Именно это дало основание для выделения рыхлой и плотной соединительных тканей с ориентированным и неориентированным расположением волокон (дерма, сухожилия, связки, апоневрозы и др.); соединительной ткани с превалированием одного типа клеток (жировая, ретикулярная, слизистая и др.), называемыми тканями со специальными свойствами. Традиционно, из дидактических соображений, в учебниках по гистологии описывают собственно соединительные ткани, соединительные ткани со специальными свойствами и скелетные ткани. Последние подразделяют на три разновидности хрящевой ткани (гиалиновая, эластическая и волокнистая) и две костной (ретикулофиброзная и пластинчатая). Клеточные элементы соединительной ткани многообразны, хотя считают возможным выделить всего лишь три основных типа: 1 — фибробласты, хондробласты, тендобласты, одонтобласты и др.; 2 — макрофаги, включая звездчатые (купферовские) клетки печени, остеокласты костной ткани, микроглию головного мозга и др.; 3 — тучные клетки. По этой классификации, остается неясным положение жировых клеток, перицитов, адвентициальных клеток. На наш взгляд, все клетки и неклеточные структуры найдут свои места в классификации, если принять во внимание существование органотопографических особенностей соединительных тканей. Тогда жировые клетки (белые и бурые адипоциты), независимо от их количества, будут рассматриваться в составе волокнистой соединительной ткани; перициты и адвентициальные клетки войдут в состав соединительной ткани сердечно-сосудистой системы, ретикулярные клетки — в особый вид фибриллообразующих и макрофагических кле-

204

Ãëàâà 5

ток органов кроветворения и т. д. Студенистая, или слизистая, соединительная ткань, встречающаяся в норме в пупочном канатике (вартонов студень) плода, должна быть отнесена к эмбриональным тканям вместе с соединительной тканью провизорных органов. Что касается пигментной ткани, то выделение таковой вообще спорно, хотя в соединительной ткани встречаются пигментные клетки и даже пигментные опухоли (меланомы). Точно так же с соединительной тканью связаны проявления функций лейкоцитов — клеток другой ткани — крови. Полифункциональный характер соединительной ткани определяется сложностью ее состава и организации. Исходя из сказанного, нам представляется целесообразным выделить три группы соединительных тканей: 1) соединительная ткань эмбриона и его провизорных органов; 2) внутриорганная (органоспецифическая) и внеорганная соединительная ткань с выраженной трофической функцией; 3) соединительная ткань органов с биомеханической функцией. Соединительная ткань эмбриона и его провизорных органов (хориона, плаценты вместе с пупочным канатиком, амниона, аллантоиса) отличаются большим количеством стволовых клеток, мукопротеинов, выраженной асинхронностью развития и высокими темпами дифференцировки в провизорных органах. Внутриорганная соединительная ткань образует прослойки между тканями другой природы (эпителиальными, мышечными, нервными), окружает кровеносные сосуды, создает микроокружение главным функциональным компонентам органов. Внеорганная соединительная ткань (подкожная, забрюшинная) заполняет пространства между органами. По строению это может быть волокнистая соединительная ткань (рыхлая или плотная) с большим или меньшим количеством жировых клеток и волокон различной ориентации. В ней также проходят сосуды и нервы. Соединительные ткани органов с выраженной биомеханической функцией входят в состав зубов, костей, хрящей, сухожилий связок и дермы. Все они богаты волокнами (в большей степени — коллагеновыми, и в меньшей — эластическими), а в ряде случаев (зубы, кости) имеет место минерализация межклеточного матрикса. Функции соединительных тканей многообразны: трофическая, морфогенетическая, опорная, биомеханическая, пластическая, защитная. Трофическая функция связана с регуляцией питания тканевых структур данного региона, их участием в обмене веществ и поддержании гомеостазиса внутренней среды организма. В ее обеспечении главную роль играет интегративно-буферная метаболическая среда (основное вещество), через которую осуществляется транспорт воды, солей, питательных веществ и продуктов обмена. Морфогенетическая (структурообразовательная) функция проявляется в регулирующем влиянии ряда компонентов соединительной ткани на пролиферацию и дифференцировку клеток различных тканей. Опорная (биомеханическая) функция — одна из главных. Коллагеновые и эластические волокна образуют волокнистые остовы всех органов, определяя их прочность и эластичность (например, сухожилия, связки). Пластическая функция соединительных тканей выражается в адаптации к меняющимся условиям существования, регенерации, в восстановлении поврежденных органов. Защитная функция заключается в обезвре-

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

205

живании чужеродных веществ, микроорганизмов. Это обеспечивается фагоцитарной деятельностью макрофагов и иммунокомпетентных клеток, участвующих в реакциях клеточного и гуморального иммунитета, а также в предохранении организма от механических воздействий (повреждений). В эмбриональном гистогенезе соединительной ткани мезенхима приобретает черты тканевого строения раньше эмбриональных зачатков других тканей. Этот процесс в различных органах и системах происходит неодинаково и зависит от их неодинаковой физиологической значимости на различных этапах эмбриогенеза. Были установлены определенные закономерности, позволяющие утверждать, что соединительная ткань и расположенный на ней эпителий (или другая ткань) составляют единый комплекс, который начинает функционировать лишь с момента установления оптимальных коррелятивных связей. Соединительная ткань провизорных органов дифференцируется быстрее, чем в органных закладках, что обусловлено потребностью в установлении связи зародыша с материнским организмом (например, плацента) и обеспечении его развития. Мезенхима хориона дифференцируется очень рано. Уже на 1-м месяце беременности в ворсинках обнаруживается гиалуроновая кислота и хондроитинсульфаты, которые синтезируются клетками типа фибробластов и накапливаются в основном веществе. Наибольшее количество их содержится в хориальных ворсинках в течение 2-го месяца внутриутробного развития. В начале 2-го месяца выявляются коллагеновые волокна, в то время как в теле зародыша их образование происходит позже. На втором же месяце развития раньше всего начинается дифференцировка перимедуллярной, скелетогенной и кожной мезенхимы, а также мезенхимы стенки сердца и крупных кровеносных сосудов. Этот процесс наглядно проявляется в изменении концентрации различных полисахаридных соединений в мезенхиме указанных органов. Вслед за развитием этих органов дифференцируется соединительная ткань легких и пищеварительной трубки. Дифференцировка мезенхимы у зародышей человека 2-го месяца развития (11—12 мм длины) начинается с увеличения количества гликогена и активности фосфатаз. В дальнейшем в участках дифференцировки накапливаются гликопротеины, РНК и белок. В клеточных элементах соединительной ткани кожи параллельно с интенсивностью процесса волокнообразования повышается активность СДГ, ЛДГ и лейцинаминопептидазы. Наблюдается зависимость динамики метаболизма соединительной ткани от ее расположения в организме. Асинхронность в дифференцировке соединительной ткани установлена и в пределах одного органа. После рождения развитие полноценной органоспецифической структуры соединительной ткани происходит под влиянием генетических факторов и микроокружения. Органная специфичность клеточных элементов выражается в их форме (веретенообразная, уплощенная, овальная, шаровидная и т. д.), оптимально приспособленной к функции соединительной ткани или органа, во взаимодействии клеточных элементов между собой (клеточные ассоциации), в особенностях их внутреннего строения (состав органелл, структура ядра, наличие ферментов и др.).

206

Ãëàâà 5

Волокнистая соединительная ткань с трофической функцией Основными компонентами соединительных тканей, оправдывающими ее название, являются волокнистые структуры коллагенового и эластического типа, интегративно-буферная метаболическая среда (основное вещество) и клеточные элементы, создающие и поддерживающие количественное соотношение состава неклеточных компонентов. Специфичность органного строения неклеточных компонентов соединительных тканей определяется совокупностью количественных различий в ориентации волокнистых структур, объеме интерстициального пространства, его распределении, в эквивалентных диаметрах волокнистых элементов, составе и конструкции волокнистого остова, степени ветвления и спиральности волокнистых элементов, составе протеогликанов. Совокупность этих параметров позволяет установить принадлежность неклеточных компонентов к определенной разновидности соединительной ткани и даже топографии. Основными клетками соединительной ткани являются фибробласты (семейство фибриллообразующих клеток), макрофаги (система фагоцитирующих клеток), тучные клетки (тканевые базофилы), плазматические клетки, адвентициальные клетки. В развитии соединительной ткани каждого конкретного органа имеются стволовые клетки, которые дают начало камбиальным соединительнотканным клеткам (полустволовым клеткам-предшественникам).

Êëåòî÷íûé ñîñòàâ Фибробласты, или фибробластоциты, — клетки, синтезирующие компоненты внеклеточного матрикса: белки (коллаген, эластин), фибронектин, протеогликаны, выделяющие их во внеклеточное пространство и участвующие в их агрегации в надмолекулярные структуры. В процессе дифференцировки мезенхимы образуется гистогенетический ряд клеток (дифферон): стволовые клетки, полустволовые клетки-предшественники, малодифференцированные, дифференцированные фибробласты (зрелые, активно функционирующие), фиброциты (дефинитивные формы клеток), а также миофибробласты и фиброкласты. С деятельностью фибробластов связано образование основного вещества и волокон, формирование соединительнотканных оболочек, капсулы вокруг инородного тела, заживление ран, развитие рубцовой ткани и др. Малодифференцированные (юные) фибробласты — малоотростчатые клетки с округлым или овальным ядром и небольшим ядрышком, базофильной цитоплазмой, богатой РНК. Размер клеток не превышает 20—25 мкм. В цитоплазме обнаруживается большое количество свободных рибосом. Эндоплазматическая сеть и митохондрии развиты слабо. Комплекс Гольджи представлен скоплениями коротких трубочек и пузырьков. На этой стадии цитогенеза фибробласты обладают очень низким уровнем синтеза и секреции белка. Малодифференцированные фибробласты способны к размножению митотическим путем. Они могут возникать также из клеток-предшественников. Полагают, что существует две популяции фибробластов — короткоживущие (несколько недель) и долгоживущие (несколько месяцев).

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

207

Рис. 5.1. Фибробласт в культуре. Видны многочисленные углубления овальной формы — открывающиеся секреторные вакуоли (стрелки) и гранулы секрета на клеточной поверхности (двойные стрелки). СЭМ. Ув. 6000

Специализированные (зрелые) фибробласты крупнее и в распластанном виде на пленочных препаратах могут достигать 40—50 мкм и более. Это активно функционирующие клетки (рис. 5.1). Ядра у них светлые, овальные, содержат 1—2 крупных ядрышка. Цитоплазма слабо базофильна, содержит хорошо развитую гранулярную эндоплазматическую сеть (ГЭС), которая местами контактирует с плазмолеммой. Комплекс Гольджи в виде цистерн и пузырьков распределен по всей клетке. Митохондрии и лизосомы развиты умеренно. Биосинтез РНК, коллагеновых, эластиновых белков и протеогликанов, необходимых для формирования волокон и основного вещества, в зрелых фибробластах осуществляется довольно интенсивно, особенно в условиях пониженной концентрации кислорода. Один из гидролитических ферментов — коллагеназа — расщепляет внутри клетки незрелый коллаген, чем, по-видимому, регулируется на клеточном уровне интенсивность секреции коллагена. Клеточная поверхность фибробластов является важной рецепторной зоной, которая опосредует воздействие различных регуляторных факторов. Активизация фибробластов обычно сопровождается накоплением гликогена и повышенной активностью гидролитических ферментов и ферментов гликолитических процессов. Энергия, образуемая при метаболизме гликогена, используется для синтеза полипептидов коллагена. Активирующим фактором для биосинтеза коллагена являются ионы железа, меди, хрома, аскорбиновая кислота. В цитоплазме фибробластов, особенно в периферическом слое, располагаются микрофиламенты толщиной 5—6 нм, содержащие белки типа актина и миозина. В обычных условиях фибробласты обладают незначительной подвижностью и слабой фагоцитарной активностью. Движение фибробластов становится возможным только после их связывания с опорными фибриллярными структурами (фибрином, соединительнотканными волокнами) с помощью фибронектина — гликопротеина, синтезированного фибробластами и другими клетками, обеспечивающего адгезию клеток и неклеточных структур. Во время движения фибробласт уплощается, а поверхность его может 10-кратно увеличиваться. В процессе движения происходит кратковременная стабилизация сократительных микрофиламентов ведущего края периферического слоя цитоплазмы при образовании ложноножки, цепляющейся за точку опоры (в культуре ткани за твердую подложку). При дестабилизации микрофиламентов

208

Ãëàâà 5

(например, калцемидом) псевдоподии образуются по всей поверхности фибробласта, что делает невозможным его поступательное движение. Фиброциты — дефинитивные формы фибробластов. Они имеют веретеновидную форму и крыловидные отростки. Содержат небольшое число органелл, вакуолей, липидов и гликогена. Синтез коллагена и других веществ у этих клеток резко снижен. Установлено, что фибробласты могут превращаться в миофибробласты, функционально сходные с гладкомышечными клетками, но в отличие от последних имеющие хорошо развитую ГЭС. Они наблюдаются в грануляционной ткани в условиях раневого процесса и в стенке матки при беременности. В период инволюции матки после окончания беременности в соединительной ткани обнаруживаются фиброкласты — клетки с более высокой фагоцитарной и гидролитической активностью, принимающие участие в «рассасывании» межклеточного вещества. Они сочетают в себе структурные признаки фибриллообразующих клеток (развитую ГЭС, комплекс Гольджи, относительно крупные, но немногочисленные митохондрии), а также лизосомы, с характерными для них гидролитическими ферментами. Выделяемые ими за пределы клетки протеолитические и муколитические ферменты действуют на цементирующую субстанцию коллагеновых волокон. Затем специфическая коллагеназа расщепляет молекулу коллагена на два фрагмента, доступные для действия неспецифических ферментов, после чего происходит фагоцитоз и внутриклеточное переваривание коллагена кислыми катепсинами. Фибробласты в процессе жизнедеятельности выделяют ряд факторов, обеспечивающих как регуляцию своей популяции и функции (рис. 5.2), так и взаимодействие с другими клетками (макрофагами, лимфоцитами). Факторы регуляции своей популяции и функции (+ –)

Факторы роста, миграции (+ –) макрофага

Регулятор дифференцировки иммунокомпетентных клеток

Факторы формирования пространственной организации межклеточного вещества (фибронектин)

Регуляторы синтеза и катаболизма межклеточного вещества

Коллаген

фактор агрегации

ГАГ

Рис. 5.2. Взаимоотношения фибробластов с клетками и межклеточным веществом соединительной ткани: ГАГ — гликозаминогликаны

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

209

Макрофаги соединительной ткани — гистиоциты. Макрофаги в волокнистых соединительных тканях впервые были описаны около 150 лет назад. Желая отразить функциональные и морфологические особенности этих клеток, разные исследователи называли их блуждающими клетками, или клазматоцитами, региокринными, пирроловыми клетками, макрофагами в покое. Большинство этих терминов к настоящему времени вышло из употребления. Наиболее устойчивым для этой группы макрофагов оказался термин «гистиоциты», предложенный К. Киёно (1914). Этот термин справедливо критиковался как малосодержательный, поскольку, как отмечал А. А. Богомолец еще в 1941 г.: «... “гистиоцит” — в переводе означает — тканевая клетка, однако все клетки входят в состав каких-нибудь тканей». Несмотря на видимую топонимическую неопределенность, именно этот термин сегодня наиболее распространен для обозначения макрофагов соединительной ткани. Относительно количества этих клеток в ткани существуют довольно значительные расхождения, поскольку большая часть исследований клеточных элементов рыхлой соединительной ткани происходит на пленочных препаратах, имеющих различную растяжимость (в зависимости от источника, из которого ее извлекли). Учитывая это обстоятельство и незначительный срок жизни гистиоцитов (10—14 сут), целесообразным является подсчет этих клеток по отношению к нормированному количеству фибробластов (например, на 1000 фибробластов). Применение этого показателя, названного В. В. Виноградовым (1974) «гистиоцитфибробластическим индексом», свидетельствовало о его высокой информативности. С его помощью установлено, что при экстремальных воздействиях различного характера у разных видов диких или лабораторных животных, например при их длительном голодании или при дегидратации, сначала (через 2—7 сут) количество гистиоцитов непременно нарастает. Усиливается гистохимически определяемая метаболическая активность этих клеток, увеличивается число лизосом и органелл синтеза белка. Кратковременное, но жесткое экстремальное воздействие, например перегревание или переохлаждение организма, приводит к аналогичным последствиям — к заметному увеличению численности и интенсификации метаболизма гистиоцитов. Такие факты определенно свидетельствуют о вовлеченности гистиоцитов в процессы гомеостазиса и об их способности к активации. Среди гистиоцитов можно различить зрелые и незрелые формы. В норме преобладают зрелые веретёновидные клетки, имеющие на пленочных препаратах у крыс размеры 14—24 мкм в длину и 9—16 мкм в ширину. Незрелые клетки имеют округлую форму и размеры 8—16 мкм. Ядерно-цитоплазматические соотношения приблизительно равны 1. Основным морфологическим свойством гистиоцитов на пленочных препаратах считается отчетливость контуров их тела при большой изменчивости формы. При использовании фазовоконтрастного микроскопа и микрокиносъемки видно, что поверхность этих клеток выглядит шероховатой, с множеством подвижных псевдоподий и ундулирующих мембран, быстро возникающих и втягивающихся обратно, напоминающих «шелковые паруса, волнуемые ветром». Под электронным микроскопом, кроме псевдоподий с размерами 0,2—0,3 мкм, видны мелкие микроворсинки, напоминающие по форме «перчаточные пальцы», размер которых состав-

210

Ãëàâà 5

ляет 0,08 мкм в длину и 0,02—0,05 мкм в ширину. Цитоплазма гистиоцитов богата мелкими зернами и вакуолями. Совокупность гранул и вакуолей та ких клеток в свое время была названа «сегрегационным аппаратом». Именно здесь накапливаются все вводимые чужеродные частицы. Лизосомы (цитосомы, Нгранулы) гистиоцита в световом микроскопе идентифицируются как азуро фильные гранулы. При оценке под электронным микроскопом на сегрега ционный (или лизосомальновакуолярный) аппарат этих клеток у белых крыс приходится около 58 % от объемной плотности всех мембранных органелл. При этом на первичные лизосомы приходится — 23,6 %, на фагосомы — 5,7 %, на электроннопрозрачные вакуоли — 26,8 %. Доля митохондрий со ставляет 36,9 % от общей объемной плотности органелл, а узкие и довольно короткие цистерны ГЭПС — 7,0 %. В норме резидентные гистиоциты обла дают значительным полиморфизмом. По ультраструктуре, как и под световым микроскопом, среди них можно выделить малодифференцированные гистио циты с высокой активностью поверхности и зрелые формы. Гистиоциты пред ставляют собой наиболее активный в метаболическом отношении клеточный тип соединительной ткани, хорошо приспособленный к регулируемой секре ции ферментов, лизирующих как аморфные, так и фибриллярные компонен ты в соединительной ткани, а также способный к поглощению путем эндо цитоза разрушенных фрагментов межклеточного вещества и деградирующих клеток паренхимы. Многие исследователи выделяют среди зрелых гистиоци тов по их ультраструктурным признакам две клеточные субпопуляции, ко торые специализированы: первая — на секреции ферментов в свое микро окружение, что обеспечивает внеклеточный лизис неполноценных структур; вторая — на интенсивном эндоцитозе и на очистке интерстиция (внутрикле точный лизис). Ведущей функцией гистиоцитов является поддержание струк турного гомеостазиса в интерстиции при сочетанном взаимодействии с фибро бластами. Непосредственного участия в воспалительных и иммунных реакциях ги стиоциты не принимают. Эти клетки первыми гибнут в очаге повреждения, а если здесь возникает очаг воспаления, то «воспалительные» макрофаги в по врежденной области возникают из моноцитов заново. «Классические» макрофаги и система мононуклеарных фагоцитов. Клетки внутренней среды, охотно и быстро поглощающие коллоидные краси тели, жировые эмульсии или микроорганизмы из специально введенных взве сей, были давно известны. К их числу относили гистиоциты рыхлой соедини тельной ткани, фагоциты печени, легких, серозных полостей и печени. До мо мента их изучения И. И. Мечниковым подразумевалось, что такие клетки принимают участие в «промежуточном» обмене веществ, превращая алимен тарные продукты в вещества, доступные для трофических нужд клеток парен химы. И. И. Мечников, разработав в 1883 г. фагоцитарную теорию иммуни тета, предложил называть их «макрофагами», т. е. — большими фагоцитами (в отличие от «микрофагов» — нейтрофилов крови). Эти типичные макрофаги: гистиоциты, перитонеальные, альвеолярные и макрофаги печени, или купфе ровские клетки, относят к в настоящее время к числу «классических». Мор фологически и функционально эти клетки хорошо адаптированы к тем орган

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

Факторы регуляции 1. Своей популяции 2. Колониестимулирующий фактор 3. Ингибитор пролиферации моноцитов и гранулоцитов

Факторы активации 1. Т-лимфоцитов 2. Т-хелперов 3. В-лимфоцитов Факторы ингибиции 1. Трансформации Т-лимфоцитов 2. Синтез ДНК в лимфоцитах

211

Неспецифические факторы 1. Простагландины 2. Лизоцим 3. Интерферон 4. Эндогенный пироген 5. Лизосомные кислые гидролазы 6. Компоненты комплемента

Факторы 1. Роста фибробластов и продукции коллагена 2. Миграции гранулоцитов 3. Цитотоксические (монотоксины)

Рис. 5.3. Взаимоотношения макрофагов с клетками соединительной ткани и крови

ным компартментам, в которых протекают их созревание и жизнедеятельность. Они составляют до 90 % всех макрофагом в организме человека и у других млекопитающих. Гистиоциты у крыс являются самыми крупными из этих клеток, и их размер достигает 13,5 ± 1,4 мкм. Самые мелкие клетки — макрофаги печени, их средний размер соответствует 8,9 ± 0,6 мкм. Размер перитонеальных макрофагов равен 13,1 ± 1,5 мкм, а альвеолярных — 12,9 ± 1,7 мкм. Необычной чертой перитонеальных макрофагов является наличие большого количества клеток с лопастными, а не бобовидными ядрами, как в макрофагах других органов. Альвеолярные макрофаги, в отличие от других, в норме всегда содержат больше количество липидных капель-включений. Межвидовые различия в структуре органоспецифических макрофагов у млекопитающих незначительны. При этом общей фенотипической особенностью классических макрофагов является хорошо развитый лизосомально-вакуолярный аппарат, который составляет более 50 % от всех мембранных органелл таких клеток. Внутренняя вакуолярная система этих клеток весьма подвижна, постоянная циркуляция везикул к поверхности клетки и обратное их поглощение идет быстро. Все макрофаги обладают свойствами воспринимать многочисленные управляющие сигналы из микроокружения, реагировать на цитокины, гормоны, нейромедиаторы, простагландины и другие модулирующие стимулы; распознавать объекты эндоцитоза. Они способны к очень широкому спектру биосинтезов — более 100 видов макромолекул (рис. 5.3). Однако главным продуктом, который они синтезируют, являются лизосомальные ферменты и поэтому их нередко расценивают как мобильное «депо»

212

Ãëàâà 5

лизосомальных ферментов. Кислая фосфатаза — наиболее типичная гидролаза их лизосом, и она считается фенотипическим маркером макрофагов и индикатором их функциональной активности. Помимо этого все макрофаги, вне зависимости от их локализации, несут на своей поверхности иммунохимически выявляемые «панмакрофагаотные» маркеры — F-4/80 и Mac-1, а также Ia-антиген. Учитывая, что основным механизмом исполнения функций классических макрофагов является эндоциотоз, следует обратить внимание на их клиринговый инструментарий. Во-первых, на наличие на их поверхности рецепторов — «мусорщиков» (scavenger receptors). Благодаря таким рецепторам макрофаги способны к энергичному связыванию и поглощению широкого спектра полианионов — естественно денатурирующих или поврежденных во время стресса перекисными продуктами молекул межклеточного матрикса; многих токсических продуктов обмена веществ и фрагментов некротизированных клеток. Во-вторых, на особые маннозные рецепторы, служащие для удаления избытка лизосомальных ферментов из микроокружения. Часто и совершенно справедливо указывают на присутствие у макрофагов рецепторов к иммуноглобулину и комплементу (Fc- и C-рецепторы), но следует добавить, что плотность рецепторов этих типов у классических макрофагов в десятки и сотни раз меньше, чем у антигенпрезентирующих макрофагов, находящихся в составе органов иммунитета. Благодаря своему мощному рецепторному аппарату макрофаги могут выполнять специфические накопительные функции, извлекая из своего микроокружения дефицитные молекулы, а именно — молекулы, транспортирующие ионы Fe2+ (ферритин и трансферрин), Cu+ (церулоплазмин), Co+ (транскобаламин). Накапливая и сберегая белки, связывающие дефицитные ионы, эти клетки могут, по возникновению потребности, возвращать их путем секреции. Уникальная способность накапливать железо позволяет макрофагам становиться центрами организации эритропоэтических островков в кроветворных органах. Выявлена способность макрофагов связывать и поглощать любые «транспортные» формы липидов, а затем и накапливать их в цитоплазме в виде капель-включений. Клетки из группы классических макрофагов относят сегодня к числу активно секретирующих. Перечень веществ, выделяемых ими, постоянно пополняется, и количество их превысило сотню. Сюда входят лизосомальные кислые гидролазы и нейтральные протеазы, ингибиторы протеолитических ферментов и микробицидные агенты (фактор некроза опухолей, перекись водорода, супероксид анион). Продуктами секреции могут быть регуляторные молекулы — колониестимулирующий и ингибирующий моноцитопоэз факторы, ангиогенный фактор и интерлейкин-1. Важнейший из цитокинов — интерлейкин-1, при избыточной секреции его макрофагами, становится эндогенным пирогенным. Он способен временно перенастраивать центры терморегуляции в мозге и вызывать лихорадку. В соответствии с современными представлениями все макрофаги и моноциты нашего организма входят в состав системы мононуклеарных фагоцитов (СМФ). СМФ рассматривается как сложная функциональная система,

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

213

имеющая свой центр и периферию с клетками-эффекторами; имеющая свои механизмы саморегуляции, основанной на принципах обратной связи, и механизмы центрального управления. В СМФ включаются следующие клетки: 1) промоноциты костного мозга, дифференцирующиеся из общей стволовой кроветворной клетки; 2) моноциты костного мозга, которые могут созревать на месте, превращаясь в макрофаги костного мозга или выходить в кровеносное русло; 3) моноциты, циркулирующие в крови и расселяющиеся по тканям; 4) тканевые и органоспецифические (резидентные) макрофаги, дифференцирующиеся из моноцитов крови. Большинство моноцитов, проникая в ткани, не делится, а, созревая, превращается в органоспецифические макрофаги. В этом смысле моноцит является универсальной формой незрелого макрофага. Продолжительность жизни моноцитов в крови определена с помощью измерения скорости элиминации меченных 3Н-тимидином клеток из кровотока. Половина их количества уходит в ткани за 48—72 ч. За сутки у крысы обменивается 3,6 миллиона, а у человека 0,6—1,0 млрд моноцитов. При этом происходит свободный обмен моноцитов с кровью, костным мозгом и тканями, и в кровотоке таких клеток приблизительно в 20 раз меньше, чем в тканях. В периферической крови они подразделяются на два пула: 1) подвижный, или циркулирующий; 2) ассоциированный со стенками сосудов пристеночный, или маргинальный, пул. В норме циркулирующий пул относится к пристеночному как 1 : 3,5. В крови моноциты почти не пролиферируют и митозы здесь выявляются менее, чем в 0,1 % клеток. Именно из пристеночного пула идет постоянная миграция моноцитов в ткани. Суточная порция моноцитов, проникающих из крови в ткани, распределяется следующим образом: 6,4 % — в печень; 14,9 % — в легкие; 7,6 % — в брюшную полость; 21,1 % — в другие органы. Следует отметить, что система мононуклеарных фагоцитов может работать не только в режиме рутинного исполнения функций, но в чрезвычайных обстоятельствах переходить в режим общесистемной «активации». Обычно под активацией клеток подразумевают: 1) количественную мобилизацию наличных ресурсов отдельных клеточных элементов или систем клеток (в частности, за счет интенсификации метаболизма, пролиферации или аккумуляции клеток в реактивных участках), приводящую к суммарному увеличению их дееспособности; 2) модификацию качественных свойств всех клеточных элементов под влиянием внешних стимулов. Говоря об активации системы мононуклеарных фагоцитов, имеют в виду именно второй вариант, когда происходит качественное скачкообразное изменение статуса клеток в системе. Все профессиональные фагоциты — как макрофаги, так и нейтрофилы — способны к работе в режиме активации. Состояние повышенной дееспособности характеризуется рядом метаболических событий и, прежде всего, «дыхательным взрывом» (эффектом — гиперпродукции активированных форм кислорода). Это сопровождается гиперпродукцией фактора некроза опухолей, лизосомальных гидролаз и эйкозаноидов, что определяет способность активированных макрофагов убивать некоторые микроорганизмы, которые резидентные клетки лишь фагоцитируют. Стимулирующими агентами могут быть эндогенные (например, интерферон лимфоцитов) или экзогенные (например, бактерийные

214

Ãëàâà 5

полисахариды) вещества. Переход от резидентного («спокойного») статуса к активации происходит скачкообразно и ступенчато. При активации макрофагов отмечается их способность интенсивно синтезировать и секретировать регуляторные молекулы: колониестимулирующий фактор и интерлейкин-1. Чрезмерное выделение ИЛ-1, воздействует на гипоталамические центры терморегуляции и вызывает лихорадку. В активированных макрофагах (в отличие от резидентных) обнаруживается высокая пероксидазная активность. Наиболее распространенный фактор, вызывающий активацию макрофагов, — бактерийные полисахариды. Сходными свойствами обладают макрофаги очага воспаления, что позволяет считать их активированными. Тучные клетки (тканевые базофилы) — специализированная клеточная популяция, участвующая в обеспечении локального гомеостазиса соединительной ткани, поддержании отдельных параметров функциональных систем организма (свертываемость крови и др.), защитных реакций (воспаление, иммуногенез). Чаще всего они сопровождают мелкие кровеносные и лимфатические сосуды, встречаются вблизи желез, а также под эпителиальными пластами, в особенности под теми, которые чаще подвергаются антигенным воздействиям — под эпителием дыхательных путей, пищеварительного тракта и под эпидермисом. Тучные клетки происходят из костномозгового предшественника. Полипотентный предшественник базофилов, тучных клеток и эозинофилов содержится в крови, размножается под действием интерлейкина-3 и дает начало клеткам двух типов: предшественнику базофилов и эозинофилов и предшественнику тучных клеток. На предшественника базофилов и эозинофилов действуют колониестимулирующие факторы (КСФ), в результате чего формируются соответствующие линии. Под влиянием интерлейкинов предшественники тучных клеток дают начало типичным и атипичным тканевым базофилам. Фенотип клеток определяется условиями микроокружения, в частности факторами, выделяемыми фибробластами и другими клетками. Форма тучных клеток разнообразна. Она может быть неправильной, овальной, веретенообразной, иногда с широкими короткими отростками. Размер этих клеток у человека колеблется от 4 до 14 мкм в ширину и до 22 мкм в длину. Ядра сравнительно невелики, обычно округлой или овальной формы с плотно расположенным хроматином, более конденсированным по периферии. Митохондрии, комплекс Гольджи, ГЭС имеют обычное для этих органелл строение. В цитоплазме тучных клеток описано присутствие микрофиламентов под плазмолеммой, а также микротрубочек в перинуклеарных областях, вблизи центриолей и под плазмолеммой. Характерной чертой тучных клеток является наличие в их цитоплазме специфических крупных (0,3—1 мкм) метахроматически окрашивающихся гранул, которые занимают ее большую часть. Некоторые гранулы окрашиваются ортохроматически азуром и являются лизосомами. Тинкториальные свойства гранул тучных клеток и их структура зависят от степени зрелости, функционального состояния, локализации тучной клетки и видовой принадлежности, наличия или отсутствия экзоцитоза веществ. Зрелые гранулы плотные и более гомогенные, а незрелые обладают большим полиморфизмом. В гранулах могут преобладать спиралевидные, сетчатые или решетчатые структуры. Про-

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

215

Рис. 5.4. Взаимоотношения между основными клетками соединительной ткани: Лф — лимфоцит, Мфг — макрофаг, Фбл — фибробласт

цесс формирования гранул может зависеть от вида животного или локализации тучных клеток. Формирование начинается в области комплекса Гольджи, где образуются програнулы (диаметром примерно 70 нм), окруженные мембраной. Затем несколько програнул сливаются, образуя специфическую гранулу с грубозернистой структурой в прозрачном матриксе, которая позднее превращается в гранулу с мелкозернистой структурой в умеренно электронно-плотном матриксе и, наконец, в зрелую плотную гранулу. Состав гранул определяет функциональные возможности тучных клеток. В основном, это биологически активные вещества, являющиеся медиаторами, с помощью которых тучные клетки влияют на свое микроокружение — на проницаемость сосудов микроциркуляторного русла и функции клеток соединительной ткани и крови (рис. 5.4). Различают преформированные медиаторы тучных клеток, синтезируемые покоящимися тучными клетками и накапливаемые в их гранулах, и вторичные, или вновь генерированные, синтезирующиеся только стимулированными тучными клетками (в процессе их дегрануляции) и отсутствующие в покоящихся клетках. К преформированным относятся биогенные амины (гистамин, серотонин), гликозаминогликаны (гепарин и хондроитинсульфаты), а также энзимы (триптаза, химаза, гидролаза и др.), к вновь генерированным — простагландин D2, фактор, активирующий тромбоциты и др. Гистамин вызывает спазм гладкой мускулатуры, расширение капилляров и повышение их проницаемости, в результате чего возникает отек ткани и падает кровяное давление. Гистамин усиливает секрецию слюнных, бронхиальных, слезных желез, слизистой оболочки желудка и эндокринной части поджелудочной железы. Содержание гистамина в тучных клетках зависит от вида животного, органной локализации и других условий.

216

Ãëàâà 5

Синтезирующиеся и накапливающиеся в тучных клетках гистамин и другие биологически активные вещества выделяются при самых различных воздействиях: физических (механическое раздражение, травма, холод, тепло и др.), химических (щелочи, полимеры, лимфокины, нейромедиаторы и др.). Способность тучных клеток выделять гистамин и ряд других биологически активных веществ в ответ на реакцию антиген—антитело на их поверхности и, следовательно, играть важную патогенетическую роль во всех заболеваниях, имеющих аллергический компонент, определяется присутствием на их поверхности рецепторов. Серотонин вызывает сокращение гладких мышечных клеток внутренних органов и сосудов, уменьшает время кровотечения. Важнейшим из углеводных соединений тучных клеток является гепарин — кислый сульфатированный гликозаминогликан. Выделившись из тучных клеток, гепарин оказывает как общее, так и местное влияние. Он является антикоагулянтом прямого действия, т. е. действующим на факторы свертывания, находящиеся непосредственно в крови. Фармакологические свойства гепарина варьируют в зависимости от вида животного. Нейтральные протеазы присоединены к гистамину и гепариновому протеогликану гранул тучных клеток как третий главный компонент гранул. С гепарином гранул связаны также окислительные ферменты: супероксиддисмутаза и пероксидаза. В гранулах тучных клеток обнаружены протеазы, способные активировать калликреин, прекалликреин, обладающие свойствами эластазы и катепсина С. Плазматические клетки (плазмоциты) — представители группы иммуноцитов, синтезирующие и секретирующие иммуноглобулины (антитела) в ответ на появление в организме антигена. Форма зрелых плазмоцитов — округлая или овальная, размер — 7—20 мкм. Ядра относительно небольшие, округлой или овальной формы, расположены, в основном, эксцентрично. Цитоплазма плазматических клеток базофильна, кроме небольшого участка около ядра. Это светлое поле, называемое двориком, содержит только центриоли и гипертрофированный комплекс Гольджи. По окружности светлого поля рассеяны митохондрии (рис. 5.5). Базофилия цитоплазмы обусловлена хорошо развитой ГЭС с многочисленными рибосомами на поверхности ее мембран и большим количеством мелких вакуолей. Для плазматических клеток характерна высокая скорость синтеза и секреции антител. Это отличает их от своих предшественников. Хорошо развитый секреторный аппарат по-

Рис. 5.5. Схема ультраструктуры плазматической клетки: 1 — светлый участок цитоплазмы («дворик»); 2 — гранулярная эндоплазматическая сеть

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

217

зволяет синтезировать и секретировать несколько тысяч молекул иммуноглобулинов в секунду. Плазмоциты обычно встречаются в соединительной ткани собственной пластинки слизистой оболочки кишки, в интерстициальной соединительной ткани различных желез (молочных, слюнных и др.), костном мозге, селезенке, лимфатических узлах, сальнике. Количество плазмоцитов увеличивается при различных инфекционно-аллергических и воспалительных ревматических заболеваниях, раке, циррозе печени и др. Плазматические клетки имеют многоэтапный путь развития, характерной чертой которого является то, что предшественники могут выступать в роли самостоятельных иммунокомпетентных клеток. Начало клону плазматических клеток дает полипотентная стволовая клетка (самоподдерживающаяся в красном костном мозге взрослых животных и человека), которая дифференцируется в полустволовую клетку. Дифференцировка полустволовых клеток в В-лимфоциты происходит в лимфоидных органах в условиях особого индуцирующего микроокружения. Промежуточные стадии дифференцировки В-клеток связаны с меняющейся экспрессией разнообразных белков клеточной поверхности, необходимых для взаимодействия В-лимфоцитов с другими клетками. Эти взаимодействия в значительной мере определяют пути распространения В-клеток в организме, их размножение и дифференцировку. Активация превращения В-клеток в антителопродуцирующие происходит под влиянием антигенов, при помощи Т-клеток и при участии макрофагов и стромальных клеток, создающих необходимое микроокружение. После взаимодействия антигена и процесса кооперации иммунокомпетентных клеток в В-лимфоцитах происходит гиперплазия ГЭС, в связи с чем клетки становятся более базофильными и пиронинофильными. Жировые клетки (липоциты, адипоциты) — так называют клетки, которые обладают способностью накапливать в больших количествах резервный жир, принимающий участие в трофике, энергообразовании и метаболизме воды. Адипоциты встречаются в рыхлой волокнистой неоформленной соединительной ткани группами, реже — поодиночке и располагаются, как правило, около кровеносных сосудов. Большие скопления этих клеток называют жировой тканью. Одиночно расположенные жировые клетки шаровидны. Зрелая клетка обычно содержит одну каплю нейтрального жира, занимающую всю центральную часть клетки и окруженную тонким цитоплазматическим ободком, в утолщенной части которого лежит ядро. Кроме того, имеется небольшое количество других липидов — холестерина, фосфолипидов, свободных жирных кислот. Липиды хорошо окрашиваются суданом-III в оранжевый или четырехокисью осмия в черный цвет. В прилежащей к ядру цитоплазме, а иногда в более тонкой противоположной части, располагаются палочковидные и нитевидные митохондрии с плотно упакованными кристами. На периферии клетки встречаются многочисленные пиноцитозные пузырьки. Адипоциты обладают высоким уровнем метаболизма. Количество жира в них и число самих клеток подвержены значительным колебаниям в рыхлой волокнистой соединительной ткани. Новые жировые клетки в соединительной

218

Ãëàâà 5

ткани взрослого организма могут развиваться при усиленном питании, когда процессы анаболизма превалируют над процессами катаболизма или при нарушении обмена веществ. Жировые клетки могут потерять жир, если организм не получает достаточного количества питательных веществ или повышен уровень метаболизма. При этом жировые клетки сильно уменьшаются и становятся едва видимыми под микроскопом. Как правило, жировые клетки образуются из адвентициальных клеток, прилегающих к кровеносным капиллярам. Не исключена возможность образования жировых клеток во взрослом организме из фибробластов. Отложение жира в клетке начинается с накопления растворимых его компонентов (жирные кислоты, короткие цепочки эфиров жирных кислот). По мере увеличения жировой капли ГЭС и комплекс Гольджи редуцируются, а ядро сдавливается и уплощается. Природа клеток, в которые превращаются адипоциты при потере жира, недостаточно изучена. Существует и другая точка зрения: предшественники адипоцитов представляют собой самостоятельную линию. Наряду с белой жировой тканью, у многих животных и человека в соединительной ткани межлопаточной области около аорты, почек и других органах встречается бурая жировая ткань. Адипоциты этой ткани отличаются многочисленными мелкими липидными включениями и митохондриями, расположенными вокруг ядра. Каждая клетка контактирует с несколькими капиллярами и нервными волокнами. При охлаждении организма происходит быстрое сгорание липидов, а выделяющаяся тепловая энергия не аккумулируется, а идет на обогревание крови. Такой способ термогенеза, называемый недрожательным, характерен для раннего детского возраста и зимоспящих животных. Адвентициальные клетки и перициты. Это малодифференцированные клетки, сопровождающие кровеносные сосуды (рис. 5.6). Они имеют вытянутую форму, удлиненное ядро занимает большую часть цитоплазмы (высокое

Рис. 5.6. Ультраструктура адвентициальной клетки: 1 — гемокапилляр; 2 — ядро адвентициальной клетки; 3 — коллагеновые фибриллы; 4 — участок цитоплазмы перицита. Электронная микрофотография. Ув. 6000

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

219

ядерно-цитоплазматическое соотношение), содержит преимущественно крупнодисперсный г етерохроматин, ядерные поры — единичны. Цитоплазма бедна органеллами, встречаются отдельные митохондрии, в узкой каемке гиалоплазмы имеются малочисленные рибосомы, полисомы, короткие микротрубочки и микрофиламенты. Эти клетки могут прилегать к базальной мембране эндотелия сосудов или находиться на некотором расстоянии от него, в связи с чем в научной литературе допускается их обозначение как периваскулярные клетки (периваскулоциты). Накоплено значительное количество сведений, говорящих о том, что эти клетки обладают высокими пролиферативными возможностями, и в условиях индуцирующего микроокружения реализуют свои цитогенетические потенции путем дивергентной дифференцировки с образованием клеток остеобластического, фибробластического и хондробластического дифферонов. Многие авторы отрицают существование адвентициальных клеток как самостоятельного клеточного типа, считая их малодифференцированными клетками фибробластического ряда. Тесно связаны со стенкой кровеносного сосуда микроциркуляторного русла перициты. Эти клетки располагаются между листками базальной мембраны эндотелия. Клетки имеют отросчатую форму, в цитоплазме хорошо развита опорно-двигательная система, что придает клеткам способность к сокращению и регуляции просвета гемокапилляра (см. гл. 14). Пигментоциты, или пигментные клетки, меланоциты — отростчатые, синтезируют и содержат в своей цитоплазме пигмент меланин. У человека они располагаются в отдельных участках тела, в частности в коже, в сосудистой, радужной оболочке глаза и др. Цитоплазма меланоцитов содержит большое количество меланосом. ГЭС развита слабо, однако в цитоплазме содержится большое количество свободных рибосом. Встречаются везикулы различного размера, количество митохондрий и лизосом невелико. Меланоциты лишь формально относятся к соединительной ткани, так как располагаются в ней. Они развиваются из нервного гребня, а не из мезенхимы.

Ìåæêëåòî÷íîå âåùåñòâî Межклеточное вещество, или матрикс, соединительной ткани состоит из коллагеновых и эластических волокон, а также из основного вещества. Межклеточное вещество как у зародышей, так и у взрослых образуется, с одной стороны, путем секреции, осуществляемой соединительнотканными клетками, а с другой — за счет плазмы крови, поступающей в межклеточные пространства. У зародышей человека образование межклеточного вещества происходит начиная с 1—2-го мес. внутриутробного развития. В течение жизни межклеточное вещество постоянно обновляется — резорбируется и восстанавливается. Организация коллагеновых структур. Коллагеновые волокна в составе соединительных тканей являются наиболее представительным ее компонентом, образующим сложную иерархию. Основой всей группы волокнистых коллагеновых структур является фибриллярный белок коллаген (склеропротеин). Его идентифицируют по аминокислотному составу и последовательности рас-

220

Ãëàâà 5

положения аминокислот в молекуле коллагена. Специфичными являются рентгено-дифракционная картина и параметры коллагеновых молекул. Для морфологов достоверным электронно-микроскопическим критерием коллагеновой природы волокнистых структур может служить повторяемость по ее длине одинаковых участков (периодов) протяженностью 60—70 нм, внутри которых асимметрично расположены тонкие линии, контрастируемые солями тяжелых металлов. Физико-химическая и морфологическая характеристика определены структурой коллагеновых молекул и способом агрегации их в надмолекулярные образования. Химическое строение коллагена. Первичная структура коллагенового белка определяется количеством, соотношением и последовательностью аминокислотных остатков в полипептидных á-цепях. Количество аминокислотных остатков одной полипептидной цепи составляет около 1000, молекулярная масса — 100 000 дальтон. Специфической особенностью коллагена является высокое содержание аминокислоты глицина (примерно одна треть аминокислот) и достаточно равномерное его распределение вдоль полипептидной цепи, относительно высокое содержание оксипролина и оксилизина (маркеров коллагена), отсутствие триптофана. Аминокислотный состав концевых участков (телопептидов) отличается от центральной части. Здесь нет пролина и оксипролина. Молекула коллагена имеет стержневидную форму, длину 280 нм и толщину 1,4 нм, молекулярную массу 300 000 дальтон. Молекулы коллагена образованы спирально закрученными полипептидными цепями. Неспирализованными остаются лишь телопептиды, которые, вероятно, играют существенную роль во взаимодействии молекул коллагена при образовании надмолекулярных фибриллярных структур. В настоящее время выделены три вида цепей: á1, á2, á3. Отдельная молекула коллагена построена из трех полипептидных á-цепей, каждая из которых скручена в левовинтовую спираль, а все три спирали, ориентированные параллельно и стабилизированные водородными связями, образуют правовинтовую суперспираль. В зависимости от особенностей аминокислотного состава полипептидных цепей в молекулах коллагена, молекулярной массы, иммунологических свойств и других признаков выделяют около 20 типов коллагенового белка, которые входят в различных соотношениях в соединительную ткань большинства органов. Коллаген I типа (молекулярная формула [á1(I)]2á2) является основным и наиболее распространенным в организме белком зрелых коллагеновых волокон в дерме, сухожилии, костях, фасциях, соединительнотканных оболочках поперечнополосатых мышц, склере, сосудистых стенках и др. В составе волокон коллаген I типа взаимодействует с некоторыми другими типами коллагена. Коллаген II типа ([á1(II)3]) сосредоточен, главным образом, в хрящах (90—95 % от общего содержания коллагена), пульпозном ядре межпозвоночного диска, стекловидном теле, клапанах сердца. Коллаген III типа ([á1(III)]3) входит в состав коллагеновых волокон, составляющих основу ретикулярной стромы кроветворных органов, соединительной ткани паренхиматозных органов (легкие, почки, печень, сердце, селе-

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

221

зенка), эндомизия, перимизия мышц и др. Этот тип коллагена входит и в состав коллагеновых волокон соединительной ткани опорных органов. Коллаген IV типа ([á1(IV)]2á2(IV)) характерен для базальных мембран (пластинок), является компонентом широкой сети микрофиламентов, оплетающих толстые коллагеновые волокна. Он отличается высокой молекулярной массой (500 000—550 000 дальтон), содержит больше углеводов, оксипролина, чем другие коллагены. Коллаген V типа ([á1(V)]2á2(V)) присутствует в хорионе, амнионе, в коже, роговице, костях, хрящах, эндомизии и перимизии, отличается высоким содержанием оксилизина и малым — аланина. Он полимеризуется с коллагеном I типа в соотношении 1 : 30. Коллаген VI типа ([á1(VI), á2(VI), á3(VI)]) обнаружен в бычьем хряще, дерме, стенках сосудов, в легких, почках, матке, роговице и др. Его особенностью является то, что каждая цепь построена из одинакового количества коллагенового и неколлагенового материала. Коллаген VI типа, изолированный из тканей, состоит из палочковидной центральной части длиной 105 нм (коллагеновая трехспиральная часть) с большими глобулярными областями на обоих концах. Коллаген VII типа ([á1(VII)]3) является основным компонентом стропных филаментов лимфатических капилляров. Это длинноцепочный коллаген. Он обнаружен в коже под базальной мембраной. Коллаген VIII типа ([á1(VIII)]3) синтезируется эндотелиоцитами сосудов и клетками заднего эпителия роговицы. В десцеметовой оболочке глаза он формирует фибриллы. Коллаген IX типа ([á1(IX), á2(IX), á3(IX)]) распространен в межклеточном веществе хряща, связан с коллагеном II типа и может агрегироваться с ним в одной фибрилле. Коллаген IX типа является одновременно протеогликаном, так как его á2(IX) цепь несет одну или более цепей хондроитинсульфата или дерматансульфата. Коллаген X типа ([á1(X)]3) — короткоцепочечный коллаген, не образующий фибрилл, присутствует в хряще и гипертрофических зонах наростов хрящевых пластинок. Он связан с минерализацией костной мозоли при заживлении переломов. Коллаген XI типа ([á1(XI), á2(XI), á3(XI)]) обнаружен в суставном хряще, стекловидном теле, межпозвоночных дисках, возможно, входит в состав фибрилл, формируемых коллагеном типа II. Коллаген XII типа ([á1(XII)]3) родственен коллагену IX типа, присутствует в сухожилиях эмбрионов. Коллаген XIV типа содержит две короткие трехспиральные цепи, разделенные неколлагеновым сегментом, и большой N-терминальный глобулярный фрагмент. Относится к группе коллагенов, самостоятельно не образующих фибриллярные структуры, но тесно связанных с коллагеновыми фибриллами. Этот тип коллагена встречается в большинстве тканей, содержащих коллаген I типа. На основании их молекулярных различий, органной принадлежности и распределения в пределах конкретной разновидности соединительной ткани, про-

222

Ãëàâà 5

исхождения, иммунных свойств и конечной структурно-функциональной формы выделены четыре класса коллагенов. I класс — интерстициальные коллагены I, II, III, VI, VII, VIII типов, составляющие не менее 95 % коллагеновых белков организма, образуют волокнистые структуры. II класс — коллагены базальных мембран — IV тип, не образуют коллагеновых фибрилл. Их конечной структурной формой являются микрофибриллы, которые формируют густую сеть, окруженную протеогликанами. Устроенные таким образом базальные мембраны служат пограничной структурой между соединительной и другими тканями, которая выполняет функцию опоры, регулирует диффузию клеточных метаболитов и перемещение воды. III класс — перицеллюлярные коллагены — V тип, мембранный коллаген (коллаген М). Эти коллагены локализуются вокруг синтезирующих данный коллаген клеток (фибробластов, эндотелиальных, гладкомышечных) и образуют для них опору в виде экзоцитоскелета (волокнистую оболочку). Перицеллюлярные коллагены не образуют волокнистых структур. IV класс коллагенов (IX, X, XI, XII, XIV и другие типы) не образует самостоятельно коллагеновых надмолекулярных агрегатов (фибриллярных структур). Тем не менее, они тесно связаны с коллагеновыми фибриллами. Отличительной особенностью коллагенового белка является то, что молекулы коллагена различных типов, секретированные клетками во внеклеточное пространство, существуют там в двух формах: в свободном состоянии и в составе надмолекулярных агрегатов. Для перицеллюлярных коллагенов экзоцитоскелета поверхностный коллагеновый молекулярный слой является конечной формой организации. Интерстициальные коллагены формируют многоуровневые надмолекулярные агрегаты. Надмолекулярный уровень включает протофибриллы и микрофибриллы. Протофибрилла представляет собой нить, в которой молекулы связаны своими концевыми деспирализованными отделами. По протяженности протофибрилла не превышает длину 5—7 молекул коллагена. Более сложной структурой является микрофибрилла-ультрамикроагрегат коллагеновых молекул и протофибрилл, взаимодействующих боковыми поверхностями за счет разноименно заряженных участков, чередующихся по протяжению молекул. Микрофибрилла — наименьшая структура коллагена, выявляемая с помощью трансмиссионного электронного микроскопа. В составе коллагеновых фибрилл имеет нитевидную форму, толщину 3,5—5,0 нм и периодическую организацию 64 нм вдоль длинной оси. Предложены различные модели устройства тропоколлагеновых молекул в микрофибриллах. В наиболее логичном и аргументированном варианте микрофибрилла построена из 4—5 молекул, смещенных продольно одна по отношению к другой (смежной) молекуле на 1/4 своей длины. Это связано с тем, что молекула коллагена имеет примерно 4 одинаковые по протяженности участка с преимущественным отрицательным или положительным зарядом, чередующимися вдоль длины молекулы. При боковом взаимодействии молекул происходит естественное смещение на 1/4. Сформированная микрофибрилла имеет характерное распределение зарядов по своей протяженности, отличное от отдельной коллагеновой молекулы, но полностью соответствую-

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

223

щее распределению зарядов у коллагеновых фибрилл. Это возможно при агрегации микрофибрилл по идентичным зонам распределения зарядов. Однако взаимодействие одинаково заряженных зон допустимо только при их нейтрализации протеогликановыми комплексами. Это, очевидно, и происходит после завершения образования микрофибрилл. В области полярных участков адсорбируются протеогликановые комплексы, блокируя их. При этом протеогликаны становятся связующим элементом при интеграции микрофибрилл в фибриллу по принципу взаимодействия идентичных веществ. Фибриллярный уровень. Его представляет коллагеновая фибрилла — микроагрегат микрофибрилл, контактирующих боковыми поверхностями в соответствии с одноименными зонами периодической организации. Ее диаметр колеблется от 20 до 400 нм, длина неопределенна. Фибриллы имеют спиральную форму, ветвятся. Выраженность спиральности и степень ветвления зависят от органной принадлежности коллагеновых фибрилл. Так, например, в хряще ветвление фибрилл особенно выражено, а в дерме — крайне редко. Исчерченность коллагеновых фибрилл обусловлена периодическим повторением вдоль их длинной оси смежных областей, отличающихся по электронной плотности. Средняя протяженность периода — 64 нм. С помощью контрастирования коллагеновых фибрилл солями тяжелых металлов внутри периода можно выявить от 6 до 12 тонких поперечных линий в зависимости от используемого контрастирующего вещества. Тонкая поперечная исчерченность коллагеновых фибрилл определяется специфической последовательностью расположения аминокислотных остатков в полипептидных цепях молекул коллагена. Темные линии отражают расположение полярных участков — наиболее реакционноспособных областей коллагеновых молекул, составляющих фибриллу, тогда как светлые полосы относятся к неполярным областям (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Коллагеновые фибриллы коллагенового волокна дермы кожи человека на продольном срезе. Тонкая поперечная исчерченность (стрелки). Электронная микрофотография. Контрастирование фосфорно-вольфрамовой кислотой. Ув. 100 000

224

Ãëàâà 5

Приведенная характеристика фибрилл коллагена является общей для волокнистой соединительной ткани всех органов человека. Волоконный уровень. Коллагеновые фибриллы могут существовать самостоятельно, но чаще объединяются в волокна. Волокно — это агрегат нескольких десятков и даже сотен коллагеновых фибрилл, сочленяющихся боковыми поверхностями за счет адгезивного действия протеогликанов. Диаметр волокон варьирует от 0,5 до 20 мкм. Волокна могут объединяться в более толстые образования — пучки. Коллагеновые волокна имеют спиральную конформацию, хорошо видимую в растровом электронном микроскопе. Спиральная форма волокон показана не только морфологическими методами, но рассчитана теоретически путем математической обработки физико-химических данных. На поперечном срезе коллагеновые волокна имеют округлую, уплощенную или плоскую форму (рис. 5.8). В строении коллагеновых волокон соединительной ткани наблюдаются различия, связанные с функцией данного конкретного органа или анатомического образования: варьируют количество фибрилл в составе волокна, диапазон эквивалентных диаметров фибрилл и их размерный профиль, степень спиральности, выраженность ветвления фибрилл и волокон, форма коллагеновых волокон. Коллагеновые и эластические волокна формируют волокнистый остов, который является пространственным композитом мобильно взаимодействующих волокон и фибрилл, связанных основным веществом с другими элементами соединительной ткани органа или анатомического образования. Различаются следующие типы волокнистых остовов: ориентированный, слабоориентированный, неориентированный и смешанный. Ориентированный — это тип остова, в котором основная масса волокнистых структур располагается параллельно друг другу (сухожилие, связка), давая диаграмму ориентации вытянутой эллипсовидной формы с коэффи-

Рис. 5.8. Коллагеновые волокна на продольном (стрелка) и поперечном (косом) срезе (двойная стрелка). Участок дермы человека: а — ТЭМ. Контрастирование цитратом свинца и уранил-ацетатом. Ув. 10 000; б — СЭМ. Ув. 2000

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

225

Рис. 5.9. Фрагмент волокнистого остова ахиллова сухожилия человека. Коллагеновые волокна (стрелки) расположены параллельно друг другу. Тендоцит (двойная стрелка) расположен между коллагеновыми волокнами. СЭМ. Ув. 3000

циентом анизотропии 20—50 % и более (рис. 5.9). Слабоориентированный тип имеет коэффициент анизотропии от 7 до 20 %. Неориентированный тип остова, построенный из волокнистых структур, расположенных без преимущественной ориентации (дерма, хрящ), имеет округлой формы диаграмму ориентации волокон, а коэффициент анизотропии не превышает 7 %. Смешанный тип волокнистого остова, как правило, имеет слоистое строение (роговица, склера, надхрящница). Каждый слой имеет свою ориентацию волокон, отличную от соседней. Волокнистый остов включает в себя не только коллагеновые, но и эластические волокна, однако всегда преобладают коллагеновые структуры. Уровни организации волокнистых структур соединительной ткани, составляющие их элементы и методы идентификации, представлены в табл. 5.1. Биосинтез и фибриллогенез коллагеновых структур. Сборка полипептидных цепей коллагенового белка происходит на полирибосомах ГЭС фибробластов — основных коллагенсинтезирующих клеток — по общим закономерностям белкового синтеза. Этот процесс протекает довольно быстро. Меченный тритием пролин, введенный в организм животных, через 3 мин оказывается в большом количестве (около 83 %) связанным с ГЭС. 5 % пролина при этом обнаруживается в области комплекса Гольджи. Через 20 мин количество меченого пролина над ГЭС уменьшается, над комплексом Гольджи достигает максимума, а затем метка появляется на поверхности фибробластов. Из трех полипептидных цепей, скручивающихся в тройную спираль, внутриклеточно образуется молекула проколлагена (рис. 5.10). На концах синтезированных молекул имеются небольшой длины концевые пропептиды, предотвращающие внутриклеточную полимеризацию молекул.

226

Ãëàâà 5 Òàáëèöà 5.1 Уровни организации волокнистых структур соединительной ткани

Уровень организации

Элементы различных уровней

Методы идентификации

Молекулярный

Молекулы: коллагеновый белок эластиновый белок микрофибриллярный гликопротеин протеогликаны

Биохимические Физико-химические

Надмолекулярный

Молекулярные агрегаты: коллагеновые протофибриллы коллагеновые микрофибриллы эластические микрофибриллы эластиновые филаменты

Трансмиссионная электронная микроскопия (позитивное и негативное контрастирование) Электронная гистохимия Растровая и трансмиссионная электронная микроскопия

Фибриллярный

Коллагеновые фибриллы Эластические фибриллы

То же

Волоконный

Соединительнотканные волокна

Тканевый

Качественная характеристика

Конформационная характеристика

Коллагеновые Эластические Смешанные

Цилиндрические Уплощенные Плоские

Соединительнотканный остов Качественная характеристика по преобладающей структуре

Конструкционная характеристика

Коллагеновый Коллагеново-эластический Эластико-коллагеновый

Ориентированный Слабоориентированный Неориентированный Смешанный

Световая микроскопия Растровая электронная микроскопия Трансмиссионная электронная микроскопия Световая микроскопия Растровая электронная микроскопия

После выведения проколлагена во внеклеточное пространство, заполненное гелем основного вещества, концевые пропептиды отщепляются проколлаген-пептидазами. При этом коллаген превращается в тропоколлаген, приобретая способность к агрегации, т. е. образованию надмолекулярных структур. У молекул тропоколлагена небольшие концевые участки остаются неспирализованными (телопептиды). Эти фрагменты полипептидных á-цепей играют существенную роль во взаимодействии молекул коллагена друг с другом. Прежде чем молекулы коллагена смогут вступить во взаимосвязь друг с другом, они должны быть сближены до расстояния, на котором проявится

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

227

Рис. 5.10. Этапы биосинтеза коллагеновых молекул внутри клетки (а). Образование надмолекулярных коллагеновых агрегатов (фибрилл и волокон) во внеклеточном пространстве (б)

действие межмолекулярных сил, т. е. станет возможным возникновение электростатических и ковалентных связей. Наиболее вероятными факторами, способными осуществить сближение коллагеновых молекул, могут быть протеогликаны, образующиеся из гликозаминогликанов, синтезированных самим фибробластом, и плазменные белки. Обладая выраженной гидрофильностью, они связывают часть воды, находящуюся между молекулами коллагена, что, в свою очередь, приводит к их сближению. Изменение солевого состава окружающей среды активизирует функциональные группы, особенно концевых неспирализованных участков молекул тропоколлагена. Это объясняет то, что агрегация молекул коллагена в надмолекулярные структуры начинается со взаимодействия их концевых отделов, т. е. с образования нитей — протофибрилл. Наряду с ростом протофибрилл в длину происходит и их боковая агрегация друг с другом. Протофибриллы являются первичными упорядоченными агрегатами молекул коллагена, обладающими способностью к образованию надмолекулярных структур большего диаметра. 4—5 протофибрилл, объединяясь, формируют коллагеновую микрофибриллу. Дальнейшее образование коллагеновых фибрилл идет за счет агрегации микрофибрилл между собой с помощью протеогликанов, адсорбированных на поверхности микрофибрилл. Процесс фибриллообразования чрезвычайно лабилен и зависит от большого количества факторов и условий, при соблюдении которых можно в модельных экспериментах получить нативные коллагеновые фибриллы, подоб-

228

Ãëàâà 5

ные таковым в человеческом организме. Незначительные отклонения pH от нейтрального значения (в любую сторону), ионной силы раствора, температуры, состава сопутствующих веществ (гликозаминогликанов, солей, белков и т. д.) могут привести к возникновению атипичных форм коллагеновых фибрилл, т. е. имеющих структуру и свойства, не характерные для тканей организма человека и животных. Эти же факторы влияют в определенном соотношении на размеры фибрилл, т. е. могут ограничивать их рост. Дальнейшая судьба коллагеновых структур зависит от функциональной специфики органов и анатомических образований, в состав которых входит соединительная ткань. В большинстве органов коллагеновые фибриллы выступают в роли структурного компонента коллагеновых волокон. Интеграция фибрилл в волокна осуществляется также с помощью протеогликанов, агрегированных на поверхности коллагеновых фибрилл и выступающих в роли склеивающего вещества. Разрушение муколитическими ферментами этих протеогликанов приводит к разобщению фибрилл и разрушению волокна. Параметры коллагеновых волокон зависят от параметров составляющих их коллагеновых фибрилл, от состава окружающей среды, от механической мобильности органов или анатомических образований, в состав которых входят волокна. Организация эластических структур. Эластические структуры являются другим важным волокнистым компонентом соединительной ткани. Основным свойством эластических структур является эластичность, или обратимая деформируемость, напоминающая свойства резины и полимерных каучуков. Именно это свойство и определяет место эластических структур в составе соединительнотканной основы органов. Молекулярный уровень. Подобно коллагену, в состав молекулы эластина входит большое количество глицина (около 1/3 общего числа аминокислотных остатков), валина, аланина, пролина. В отличие от коллагена, эластин имеет низкое содержание оксипролина (около 1 %) и характеризуется полным отсутствием триптофана, цистеина и метионина. Наиболее специфичными для молекул эластина являются два соединения — десмозин и изодесмозин, не встречающиеся в других белках. Эти соединения образуются в результате конденсации четырех остатков лизина. Растворимым предшественником эластина является тропоэластин, которых соответствует по аминокислотному составу эластину, но не содержит десмозинов. Пространственная форма полипептидных цепей эластина определяет его вторичную структуру. Четыре полипептидные цепи участвуют в образовании молекулы эластина, которая имеет глобулярную форму и диаметр 2,8 нм и видна в электронном микроскопе. Сведения о молекулярном строении микрофибриллярного гликопротеина ограничены. Известно, что его белковая часть отличается по аминокислотному составу как от коллагена, так и эластина. Надмолекулярный уровень. Молекулы эластина агрегируются в виде цепочек в эластиновые филаменты толщиной 3—3,5 нм. Молекулы гликопротеина находятся в составе эластических микрофибрилл. В трансмиссионном электронном микроскопе микрофибриллы имеют вид трубчатых структур толщиной 8—10 нм. Фибриллярный уровень. Филаменты и микрофибриллы образуют три разновидности эластических фибрилл в зависимости от их зрелости: 1) эла-

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

229

Рис. 5.11. Эластическая фибрилла дермы человека на продольном срезе. Центральное аморфное вещество (стрелка). Скелетные фибриллы (двойная стрелка). Эластические микрофибриллы (тройная стрелка). Корковое вещество (четыре стрелки). Электронная микрофотография. Контрастирование цитратом свинца и уранилацетатом. Ув. 20 000

стические фибриллы, в которых содержится приблизительно 90 % эластиновых филаментов и 10 % эластических микрофибрилл. Они считаются зрелыми и наиболее распространенными во всех органах по сравнению с другими формами; 2) эластические фибриллы с приблизительно равным соотношением эластиновых филаментов и эластических микрофибрилл, называемые элауниновыми; 3) фибриллы, состоящие только из эластических микрофибрилл, называемые окситалановыми. Первыми в процессе эластогенеза появляются окситалановые фибриллы. Однако не всегда фибриллы, образованные только эластическими микрофибриллами, созревают в следующую форму, элауниновую. В зрелых эластических фибриллах центральная часть не импрегнируется солями тяжелых металлов и выглядит гомогенной. В связи с этим она получила название аморфного компонента. На продольных срезах в ней нитевидные ветвящиеся структуры расположены параллельно длинной оси фибриллы. Эти структуры именуются скелетными фибриллами. По периферии аморфный компонент имеет более высокую электронную плотность, в связи с чем эту область называют корковым веществом. Контур эластических фибрилл неровный, обнаруживаются многочисленные углубления и выпячивания, которые имеют неупорядоченный характер и неодинаково выражены на протяжении фибриллы. Фибриллы имеют волнообразную или спиральную форму, ветвятся, что, по-видимому, способствует выполнению ими специфической механической функции (рис. 5.11).

230

Ãëàâà 5

Эластические фибриллы по своим размерам соответствуют коллагеновым волокнам. Именно этот признак дал основание обозначить эластические фибриллы эластическими волокнами. Однако ультраструктурный анализ показал, что они соответствуют уровню организации коллагеновых фибрилл. Поэтому для более четкого представления и сравнения иерархий организации двух различных видов волокнистых структур, коллагеновых и эластических, целесообразно сопоставить идентичные уровни организации (см. табл. 5.1). Волоконный уровень. Эластическими волокнами названы волокнистые образования, состоящие из двух или большего числа эластических фибрилл, взаимодействующих боковыми поверхностями с помощью протеогликанов. Волокна могут быть цилиндрическими, уплощенными и плоскими (эластические мембраны), могут ветвиться или имеют спиральную форму. При взаимодействии коллагеновых и эластических фибрилл образуются смешанные виды волокон. В дерме основная масса эластических фибрилл и волокон располагается параллельно поверхности кожи. Между ними находятся фибриллы и волокна, идущие перпендикулярно поверхности кожи. В сухожилиях и выйной связке большая часть эластических волокон и фибрилл ориентирована параллельно друг другу. Между ними имеются поперечно и тангенциально расположенные эластические фибриллы. В стенках крупных сосудов основу эластического каркаса образуют эластические мембраны. Их плоскости располагаются параллельно внутренней поверхности стенки сосуда. Эластические мембраны образуют циркулярную конструкцию. Они черепицеобразно наслаиваются друг на друга, образуя несколько этажей в стенке сосуда. В межмембранных пространствах находятся эластические фибриллы и волокна, расположенные без преимущественной ориентации. Они могут переходить через фенестры (окна или отверстия) в эластических мембранах из одного межмембранного пространства в другое, обеспечивая единство эластического каркаса. Основное вещество. Важной частью межклеточного вещества соединительной ткани является основное вещество. Эта гелеобразная субстанция, представляющая собой метаболическую, интегративно-буферную многокомпонентную среду соединительной ткани организма, которая окружает клеточные и волокнистые структуры соединительной ткани, нервные и сосудистые элементы. По происхождению компоненты основного вещества можно подразделить на три группы: вещества, привнесенные кровью (вода, неорганические ионы, плазменные белки, мочевина); продукты метаболизма паренхиматозных клеток и продукты жизнедеятельности соединительнотканных клеток на разных стадиях организации (растворимые предшественники волокнистых белков, протеогликаны, гликопротеины и комплексы, образованные ими). Часть веществ перемещается от капилляров к клеткам, обеспечивая их жизнедеятельность. Продукты метаболизма, предназначенные для выведения их из организма, перемещаются в противоположном направлении. Часть продуктов синтеза соединительнотканных клеток вместе с водой образует гелеобразную субстанцию, в которой происходят все метаболические процессы. Компоненты этой субстанции также подвергаются постоянному обновлению, а из молекул коллагена и эластина с участием гликопротеинов

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

231

строятся более сложные надмолекулярные агрегаты (микрофибриллы, фибриллы, волокна). Состав интегративно-буферной метаболической среды чрезвычайно лабилен. Он меняется в процессе жизни организма, различных периодов его биологической активности, при патологических состояниях общего и местного значения. Изменения состояния белково-протеогликанового геля существенным образом сказывается на скорости доставки питательных веществ клеткам и выведению их метаболитов из организма. Окружая волокнистые структуры, основное вещество стабилизирует их пространственное положение, обеспечивая динамическое состояние их взаимоотношений. Гелеобразная субстанция объединяет волокнистые структуры в единый функциональный комплекс. Углеводно-белковые полимеры отличаются большим разнообразием структур. Это определяется составом и степенью полимеризации углеводных и пептидных компонентов, характером ковалентных связей между углеводными и пептидными цепями, числом и типом разветвлений. Наиболее изученными из них являются протеогликаны и гликопротеины. Протеогликаны — это высокомолекулярные белково-углеводные соединения, в которых пептидная и полисахаридная части молекул соединены прочной ковалентной связью, т. е. представляют собой истинные химические соединения (рис. 5.12). Они связывают большую часть воды основного вещества.

А ПГ АПГ

25

нм

50

нм

0

СвБ ПГ ГАГ ГК ХС СБ КС

Рис. 5.12. Строение протеогликанового аппарата (АПГ): ПГ — протеогликаны, субъединица (мономеры) агрегата; ГАГ — гликозаминогликаны: ХС — хондроитинсульфат; КС — кератансульфат; СБ — стержневой белок; СвБ — связующий белок; ГК — гиалуроновая кислота

232

Ãëàâà 5

Углеводные части протеогликанов — гликозаминогликаны — это линейные неразветвленные полимеры, построенные из повторяющихся дисахаридных единиц. Каждая дисахаридная единица содержит гексозамин и другой моносахарид, которым может быть гексуроновая кислота или галактоза. Число повторяющихся дисахаридных единиц в структуре полимеров может варьировать от 56 до 50 000. В настоящее время известно 8 разновидностей гликозаминогликанов соединительной ткани. Это гиалуроновая кислота, хондроитин, хондроитин-4-сульфат, хондроитин-6-сульфат, дерматан-сульфат, кератансульфат, гепарансульфат и гепарин. Группа гликозаминогликанов как полиэлектролитов обладает способностью связывать воду в экстрацеллюлярных пространствах, регулировать ионный состав основного вещества и осмотическое давление в соединительной ткани, содержащей около 1/5 всей воды организма. Эти вязкие полярные вещества придают соединительной ткани свойства молекулярного сита. Оно проницаемо для кислорода и двуокиси углерода, но предохраняет органы от проникновения чужеродных тел и возбудителей болезней. Соотношения различных гликозаминогликанов в разных органах неодинаковы. Гиалуроновая кислота — отличается от других гликозаминогликанов самой высокой молекулярной массой, достигающей 1 000 000 дальтон и большой протяженностью молекулы (85 мкм), состоит из 25—50 тыс. дисахаридных мономеров. Основной функцией гиалуроновой кислоты является связывание воды. В результате этого взаимодействия образуется гелеобразная субстанция, окружающая клеточные и волокнистые структуры, кровеносные сосуды и нервные элементы. Гиалуроновая кислота связывает очень большой объем жидкости, заполняющей промежутки между ее молекулами. Это количество воды в 10 000 раз превышает объем сухого вещества. Гиалуроновая кислота существенно влияет на проницаемость ткани. Разрушение ее путем воздействия специфическим ферментом (гиалуронидазой) приводит к увеличению проницаемости соединительной ткани. Хондроитинсульфаты также обладают способностью связывать воду, однако, имея значительно меньшую массу молекулы (30 000—50 000 Да), они не охватывают такое большое пространство, как гиалуроновая кислота. Гликопротеины — класс соединений белка с олигосахаридами (гексозы, маннозы, фукозы, сиаловые кислоты). Характерным для них является положительная ШИК-реакция. К ним относятся 4 группы: растворимые гликопротеины, включающие глобулины плазмы крови, нерастворимые гликопротеины, связанные с протеогликанами, гликопротеины кальцинированных тканей, фиксирующие минеральные компоненты, и гликопротеины, связанные с коллагеном. Фибронектин — главный поверхностный гликопротеин фибробласта (молекулярная масса — 220 000 Да) распространяется во внеклеточное пространство и в плазму крови. В межклеточном пространстве он связан главным образом с коллагеном, выполняя роль своеобразного клея, обусловливает подвижность, рост и специализацию клеток. Ламинин — компонент базальной мембраны, состоит из 3 полипептидных цепочек, связанных между собой дисульфидными мостиками, а также с V ти-

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

233

пом коллагена и поверхностными рецепторами клеток (молекулярная масса — 220 000—440 000 Да). Гепарин — гликозаминогликан, состоящий из глюкуроновой кислоты и глюкозамина. Молекулярная масса гепарина — 16 000—20 000 Да. Гепарин вырабатывается тучными клетками. В отличие от гиалуроновой кислоты и хондроитинсульфата, он устойчив к действию гиалуронидазы и разрушается в тканях при участии фермента гепариназы. Продукт этой реакции — урогепарин — выводится из организма через почки. Гепарин является естественным противосвертывающим фактором крови. Его применяют для профилактики и лечения тромбоэмболических заболеваний. Вода — один из важных компонентов основного вещества соединительной ткани. Будучи растворителем большинства веществ организма, она является частью метаболической среды. В воде происходят процессы диффузии и активного транспорта молекул. Одновременно вода разобщает структурные тканевые элементы, поддерживая их пространственное взаимоотношение. Вода выступает также в роли биологического амортизатора при механических воздействиях на ткань или орган за счет возможности ее перемещения в экстрацеллюлярных и межволоконных пространствах. В соединительной ткани вода фиксирована за счет различных связей. Кроме вышеуказанных компонентов в состав основного вещества входят липиды, альбумины и глобулины крови, минеральные соли натрия, калия, кальция, магния и др. Из всех компонентов основного состава вещества в настоящее время морфологическими, гистохимическими и электронно-микроскопическими методами выявляются только протеогликаны. Последние неразрывно связаны с волокнистыми элементами всех уровней их организации. На молекулярном уровне организации волокнистых элементов вещества полисахаридной природы входят в состав молекул коллагена и микрофибриллярного гликопротеина эластических фибрилл в виде моносахаров. На надмолекулярном уровне вещества полисахаридной природы обнаруживаются с помощью рутениевого красного в форме: 1) рутений-положительных стержней толщиной 20—30 нм в центральной части коллагеновых фибрилл; 2) рутений-положительных гранул, расположенных равномерно во всем объеме коллагеновых фибрилл; 3) шести рутений-положительных линий в одном периоде коллагеновых фибрилл. К данному уровню в эластических фибриллах относятся: рутений-положительные включения в аморфном веществе эластических фибрилл и гранул рутения красного, расположенные по периферии эластических микрофибрилл. Фибриллярный уровень характеризуется наличием рутений-положительных оболочек, окружающих коллагеновые и эластические фибриллы. Их толщина составляет 10—18 нм. Для волоконного уровня характерно мелкогранулярное рутений-положительное вещество, которое в разной степени заполняет межфибриллярные промежутки внутри волокон. На тканевом уровне организации волокнистых элементов структурированные протеогликаны располагаются между волокнами и фибриллами, из кото-

234

Ãëàâà 5

Рис. 5.13. Коллагеновые фибриллы средней оболочки аорты на продольном и поперечном срезах. Рутений-положительные структуры: нити и гранулы (стрелки), аморфное вещество (двойная стрелка). Электронная микрофотография. Окрашивание рутениевым красным. Ув. 50 000

рых построен каркас органа. Они образуют своеобразную рутений-положительную сеть с ячейками различных размеров. Наибольшие размеры ячейки имеют в дерме и подкожной основе, наименьшие — в гиалиновом хряще. Все рутений-положительные структуры протеогликановой природы взаимосвязаны и переходят друг в друга, образуя таким образом свою непрерывную систему, находящуюся в структурном единстве с волокнистым остовом (рис. 5.13). Формы структурированных протеогликанов зависят от вида гликозаминогликана и белка, входящих в их состав. В зависимости от органной принадлежности также существуют определенные различия в структуре и распределении протеогликанов основного вещества.

Îðãàííàÿ ñïåöèôè÷íîñòü âîëîêíèñòîé ñîåäèíèòåëüíîé òêàíè Органная специфика соединительной ткани формируется в процессе органогенеза, и ее морфологические проявления, адекватно отражающие специфичность обменных процессов в тканевых структурах, наблюдаются уже на ранних стадиях развития: признаки дифференцировки клеток мезенхимы отмечены у ранних зародышей человека, начиная с 8-сомитной стадии. Первым гистохимическим признаком дифференцировки клеток мезенхимы является накопление гликогена в клетках, а позднее — гиалуроновой кислоты и хондроитинсульфатов.

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

235

В органах желудочно-кишечного тракта (желудок, кишка, поджелудочная железа) мезенхима дифференцируется в молодую соединительную ткань к концу 7-й недели эмбриогенеза. В собственной пластинке слизистой оболочки начинается раньше и быстрее заканчиваются дифференцировка клеток и образование коллагеновых волокон. Этот процесс сопровождается интенсификацией метаболизма полисахаридов, нуклеопротеинов, повышенной активностью кислой фосфатазы, лактат- и алкогольдегидрогеназы. По-видимому, одним из механизмов, приводящих к асинхронному развитию соединительной ткани различных органов, являются особенности взаимодействий между эпителием и развивающейся соединительной тканью. Соединительная ткань сердца составляет мягкий остов, необходимый для сокращения предсердий и желудочков. В связи с разными гемодинамическими условиями в правой и левой половинах сердца, а также в предсердиях и желудочках организация соединительной ткани неодинакова. Концентрация коллагена в миокарде предсердий в 2,5 раза выше, чем в одноименных желудочках, а в правых отделах сердца выше, чем в левых. Примечательно также, что при гипертрофии миокарда это соотношение остается прежним, что указывает на развитие соединительнотканных прослоек одновременно с гипертрофией мышечных элементов. Коллагеновые и эластические волокна в створке клапанов имеют характерное расположение: коллагеновые — на стороне, обращенной к желудочкам, а эластические — на предсердной стороне. В основном веществе много глико- и мукопротеинов, на долю которых приходится 64—72 % от всего количества гексозаминов, находящихся в тканях клапанов. В клапанах сердца человека сначала преобладает гиалуроновая кислота, а хондроитинсульфатов значительно меньше. С возрастом содержание гиалуроновой кислоты в сердечных клапанах снижается, а количество хондроитинсульфата увеличивается. Органоспецифичным вариантом соединительной ткани сердца считают хондроидную ткань. Соединительная ткань печени у человека слабо развита. Тем не менее, она разделяет паренхиму органа на дольки, сопровождая соответствующие междольковые и вокругдольковые сосуды. Среди волокон преобладают коллагеновые, эластических элементов очень мало. Содержание коллагена в печени взрослых людей достигает 2,8 г на 100 г сухой ткани. С возрастом количество коллагена повышается, что проявляется в утолщении междольковых соединительнотканных прослоек и внутридольковых ретикулярных волокон. Соединительная ткань почки в виде тонких прослоек окружает нефроны и сосуды. С возрастом количество коллагеновых и эластических волокон перитубулярной и периваскулярной соединительной ткани возрастает. Сульфатированные и несульфатированные гликозаминогликаны (хондроитинсульфат и гиалуроновая кислота) содержатся примерно в равных количествах. Гиалуроновая кислота, в основном, находится в мозговом веществе почек. Степень полимеризации основного вещества зависит от возраста, причем базальные мембраны канальцев нефронов и клубочков являются наиболее лабильными образованиями. В перитубулярной соединительной ткани с возрастом обнаружено накопление гликозаминогликанов основного вещества, сопровож-

236

Ãëàâà 5

дающееся значительным утолщением субэпителиальных и субэндотелиальных базальных мембран, запустеванием кровеносных капилляров. С возрастом нарастание количества коллагена в почках, изменение степени полимеризации основного вещества ведут к снижению фильтрационно-реабсорбционных процессов и развитию олигурии, уменьшению канальцевой реабсорбции фосфора, увеличению удельного веса мочи и др. Многообразные функции соединительной ткани неодинаково выражены в конкретных органах. Соответственно и клеточный состав, и межклеточное вещество имеют характерные отличия. Общая закономерность такова: чем выраженнее опорная, механическая функция, тем плотнее соединительная ткань, и наоборот, чем сильнее развита трофическая функция, тем менее плотная волокнистая часть соединительной ткани и гидрофильнее межклеточное вещество. Три группы структурных компонентов соединительной ткани — клетки, волокна, основное вещество — имеют характерные для каждого органа соотношения, архитектонику, метаболические и функциональные особенности. Так, в нерастяжимых тканях (печень, почки, семенники) в соединительной ткани преобладают густые сети коллагеновых волокон при почти полном отсутствии эластических элементов. В органах, которым свойственно растягиваться (легкие, желудок и др.), в соединительной ткани, наряду с коллагеновыми, имеется много эластических волокон, образующих крупнопетлистые сети. В исследованиях по экспериментальному моделированию органогенеза и дифференцировки тканей прослежено образование органоспецифической соединительной ткани под имплантатами культивированного эпителия щитовидной и околощитовидной желез, печени, почки, канальцев семенника и др. Так, при культивировании эпителия щитовидной железы вокруг него соединительная ткань интенсивно васкуляризована, капиллярная сеть оплетает новообразование фолликулы, а сама волокнистая соединительная ткань приобретает строение, характерное для стромы щитовидной железы. При культивировании ткани печени эпителиальные пролифераты оказываются в тесном контакте с капиллярным руслом, по строению напоминающему синусоидные капилляры в развивающейся печени. Таким образом, культивируемые ткани наряду с собственными органоспецифическими особенностями роста и дифференцировки обладают и органоспецифически индуктивными свойствами.

Соединительные ткани со специальными свойствами К таким тканям относят ретикулярную, жировую и слизистую. Они характеризуются преобладанием однородных клеток, с которыми обычно связано само название этих разновидностей соединительной ткани. Ретикулярная ткань является разновидностью соединительной ткани, имеет сетевидное строение и состоит из отростчатых ретикулярных клеток и ретикулярных (аргирофильных) волокон. Большинство ретикулярных клеток связаны с ретикулярными волокнами и стыкуются друг с другом отрост-

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

237

ками, образуя трехмерную сеть. Ретикулярная ткань образует строму кроветворных органов и микроокружение для развивающихся в них клеток крови (см. гл. 6). Ретикулярные волокна (диаметр 0,5—2,0 мкм) — продукт синтеза ретикулярных клеток. Они обнаруживаются при импрегнации солями серебра, поэтому называются еще аргирофильными. Эти волокна устойчивы к действию слабых кислот и щелочей и не перевариваются трипсином. В группе аргирофильных волокон различают собственно ретикулярные и преколлагеновые волокна. Собственно ретикулярные волокна — дефинитивные, окончательные образования, содержащие коллаген III типа. Ретикулярные волокна по сравнению с коллагеновыми содержат в высокой концентрации серу, липиды и углеводы. Под электронным микроскопом фибриллы ретикулярных волокон имеют не всегда четко выраженную исчерченность с периодом 64—67 нм. По растяжимости эти волокна занимают промежуточное положение между коллагеновыми и эластическими. Преколлагеновые волокна представляют собой начальную форму образования коллагеновых волокон в эмбриогенезе и при регенерации. Жировая ткань — это скопления жировых клеток, встречающихся во многих органах. Различают две разновидности жировой ткани — белую и бурую. Эти термины условны и отражают особенности окраски клеток. Белая жировая ткань широко распространена в организме человека, а бурая встречается главным образом у новорожденных детей и у некоторых животных (грызунов и зимоспящих) в течение всей жизни. Белая жировая ткань у человека располагается под кожей, особенно в нижней части брюшной стенки, на ягодицах и бедрах, где она образует подкожный жировой слой, в сальнике, брыжейке и ретроперито-неальной области. Жировая ткань более или менее отчетливо делится прослойками рыхлой волокнистой соединительной ткани на дольки различных размеров и формы. Жировые клетки внутри долек довольно близко прилегают друг к другу. В узких пространствах между ними располагаются фибробласты, лимфоидные элементы, тканевые базофилы. Между жировыми клетками во всех направлениях ориентированы тонкие коллагеновые волокна. Кровеносные и лимфатические капилляры, располагаясь в прослойках рыхлой волокнистой соединительной ткани между жировыми клетками, тесно охватывают своими петлями группы жировых клеток или дольки жировой ткани. В жировой ткани происходят активные процессы обмена жирных кислот, углеводов и образование жира из углеводов. При распаде жиров высвобождается большое количество воды и выделяется энергия. Поэтому жировая ткань играет не только роль депо субстратов для синтеза макроэргических соединений, но и косвенно — роль депо воды. Во время голодания подкожная и околопочечная жировая ткань, жировая ткань сальника и брыжейки быстро теряют запасы жира. Капельки липидов внутри клеток измельчаются, и жировые клетки приобретают звездчатую или веретеновидную форму. В области орбиты глаз, в коже ладоней и подошв жировая ткань теряет лишь небольшое количество липидов даже во время продолжительного голодания. Здесь жировая ткань играет преимущественно меха-

238

Ãëàâà 5

ническую, а не обменную роль. В этих местах она разделена на мелкие дольки, окруженные соединительнотканными волокнами. Бурая жировая ткань встречается у новорожденных детей и у некоторых животных на шее, около лопаток, за грудиной, вдоль позвоночника, под кожей и между мышцами. Она состоит из жировых клеток, густооплетенных кровеносными капиллярами. Адипоциты имеют размер до 40 мкм, содержат множество мелких жировых включений в цитоплазме. В них много митохондрий. Бурый цвет жировым клеткам придают железосодержащие пигменты — цитохромы митохондрий. Окислительная способность бурых жировых клеток примерно в 20 раз выше белых и почти в 2 раза превышает окислительную способность мышцы сердца. При понижении температуры окружающей среды повышается активность окислительных процессов в бурой жировой ткани. При этом выделяется тепловая энергия, обогревающая кровь в кровеносных капиллярах. В регуляции теплообмена определенную роль играют симпатическая нервная система и гормоны мозгового вещества надпочечников — адреналин и норадреналин, которые стимулируют активность тканевой липазы, расщепляющей триглицериды на глицерин и жирные кислоты. Это приводит к высвобождению тепловой энергии, обогревающей кровь, протекающую в многочисленных капиллярах между адипоцитами. При голодании бурая жировая ткань изменяется меньше, чем белая. Слизистая ткань в норме встречается только у зародыша (см. Т. 2 гл. 17). Классическим объектом для ее изучения является пупочный канатик человеческого плода. Клеточные элементы здесь представлены гетероморфной группой клеток, дифференцирующихся из мезенхимных клеток на протяжении эмбрионального периода (фибробласты — миофибробласты — гладкие мышечные клетки). Они отличаются способностью к синтезу виментина, десмина, актина, миозина. Слизистая соединительная ткань пупочного канатика («вартонов студень») синтезирует коллаген IV типа, характерный для базальных мембран, ламинин, гепаринсульфат. Между клетками этой ткани в первой половине беременности в большом количестве обнаруживается гиалуроновая кислота, что обусловливает желеобразную консистенцию основного вещества. Фибробласты студенистой соединительной ткани слабо синтезируют фибриллярные белки. Лишь на поздних стадиях развития зародыша в студенистом веществе появляются рыхло расположенные коллагеновые фибриллы.

Скелетные ткани и органы Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà è êëàññèôèêàöèÿ Скелетные ткани — хрящевые и костные — разновидность системы соединительных тканей. Они обеспечивают гомеостазис, выполняют защитную, трофическую и опорную функции. Основной особенностью этих тканей является то, что они представляют собой систему «клетки—межклеточное вещество». Последнее имеет специфическую организацию.

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

239

Классификация скелетных тканей. Скелетные ткани: 1. Хрящевые ткани: — гиалиновая; — эластическая; — волокнистая. 2. Костные ткани: — грубоволокнистая, или ретикулофиброзная; — тонковолокнистая, или пластинчатая. 3. Дентин и цемент зуба. Скелет позвоночных является продуктом сложного, координированного и синергического взаимодействия между тремя четко отличающимися клеточными линиями. Клетки, производные нервного гребня, ответственны за развитие черепно-лицевого скелета. Клетки склеротома дают начало осевому скелету, а из латеральной мезодермальной пластины формируются конечности. В соответствии с филогенетическим анализом можно выделить несколько участков зародыша, в которых происходит дифференцировка клеток мезенхимы в скелетогенные зачатки, содержащие полипотентные стволовые клетки. К началу 4-й нед. развития эмбриона происходит сегментация дорсальной части мезодермы на сомиты. Вентромедиальные части сомитов образуют склеротомы, из которых в дальнейшем развиваются скелетные ткани головы и туловища. В качестве индуцирующего фактора выступают клетки эктодермы. Мезенхима, окружающая развивающийся головной мозг и формирующиеся органы чувств, дифференцируется в скелетогенный зачаток. Специфические морфогенетические условия обусловливают дальнейшую дифференцировку с формированием хрящевой и костной тканей в определенных участках мозгового и лицевого черепа, хрящей носа и ушных раковин. К концу эмбрионального и к началу плодного периода развития (8—9-я нед. эмбриогенеза) заканчивается формирование хрящевого скелета осевого отдела черепа. Затем прехондральная ткань подвергается замещению костной тканью. Зачатки рук и ног появляются асинхронно — вначале формируются зачатки верхних конечностей. Часть клеточных элементов склеротомов мигрирует в формирующиеся зачатки конечностей, образуя хрящевые и костные ткани скелета конечностей. В зачатках зубов эпителий эктодермального происхождения дифференцируется в энамелобласты, дающие в последующем эмаль; мезенхима зубного сосочка — в одонтобласты, продуцирующие дентин. Расположенные на границе формирующегося дентина корня зуба мезенхимные клетки зубного мешочка образуют специфический вид скелетной ткани — цемент. Секреция скелетогенными клетками различных в качественном и количественном составе молекул и их самосборка в околоклеточной области ведет к формированию отличающегося по биохимическим и биофизическим свойствам межклеточного вещества, обусловливающего специфику взаимодействия клеток между собой и с внеклеточным веществом, что отражается на образовании скелетных тканей. Таким образом, источники развития скелетных тканей находятся в составе мезенхимы, которые формируют скелетогенные зачатки.

240

Ãëàâà 5

Õðÿùåâûå òêàíè. Õðÿù Хрящевые ткани — это особый вид соединительных тканей, состоящий из хрящевых клеток (хондробластов и хондроцитов) и матрикса, характеризующегося специфическим составом макромолекул и их пространственной организацией. В них содержится 70—80 % воды, 10—15 % органических веществ, 4—7 % минеральных солей. У плода хрящевая ткань выполняет формообразовательную функцию, а в постнатальном онтогенезе — опорную. Хрящевые ткани обладают высокой механической прочностью на сжатие и растяжение, упругостью, способностью к интенсивному и быстрому росту в условиях отсутствия кровеносных сосудов. Однако эти ткани имеют низкую механическую прочность при динамических, переменных нагрузках, характерных для скелета рычажного типа, выраженную зависимость от диффузионнонагрузочного механизма трофики и принимают незначительное участие в метаболических процессах организма. Различают три вида хрящевых тканей: гиалиновую, эластическую и волокнистую, особенности строения которых проявляются в цитоархитектонике, качественном составе и пространственной упаковке макромолекул матрикса, продуцируемых хондробластами и хондроцитами. Гистогенез. Хрящевая ткань развивается из мезенхимы в три стадии. На первой стадии (стадия агрегации) формируется скелетогенный зачаток, в котором находятся стволовые клетки для хрящевых тканей. Признаки образования хрящевой ткани появляются в виде сгущения мезенхимы. Она уплотняется, выявляется гиперплазия клеток. Малодифференцированные пролиферирующие клетки имеют слабобазофильную цитоплазму, округлое ядро с рыхло расположенным хроматином. Клетки плотно прилежат друг к другу. Они продуцируют коллаген I типа, гиалуроновую кислоту и фибронектин. Последний способствует адгезии клеток, что приводит к их агрегации. Детерминированность этих клеток к хондрогенезу ни морфологически, ни биохимически еще не выражена. Вторая стадия отражает период формирования первичной хрящевой ткани. Переход на путь хондрогенной дифференцировки и образования хондробластов проявляется в агрегировании клеток. Потеря фибронектина на поверхности клеток служит сигналом начала хондрогенеза в очагах агрегации клеток. В составе межклеточного вещества обнаруживается специфический для хряща коллаген II типа и сульфатированные протеогликаны. Синтез гиалуроновой кислоты резко снижается, что приводит к падению ее содержания в клеточном окружении. На третьей стадии происходит дифференцировка хрящевой ткани. Клетки продолжают синтезировать коллаген II типа и сульфатированные протеогликаны. Изменения в макромолекулярной структуре матрикса хрящевой ткани в процессе дифференцировки связаны также с биосинтезом специфического стержневого белка, к которому фиксируются изменяющиеся в размерах цепи хондроитинсульфата и кератансульфата. Комплекс макромолекул из гиалуроновой кислоты, связующего белка, стержневого белка, мономеров протеогликанов может существовать с различной степенью упорядоченности самосборки.

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

241

Это, с одной стороны, определяет физико-химическое состояние того компонента матрикса, которое обозначается как основное вещество, в виде переходного состояния гель—золь, а с другой стороны, — изменение отношений в системе «клетка—матрикс», при котором матрикс становится источником информации для последующего фибриллогенеза. Одновременно происходит существенная перестройка клеток, их отношений с окружающим внеклеточным матриксом. В связи с увеличением объема цитоплазмы уменьшается ядерно-цитоплазматическое отношение. В цитоплазме возрастает объем гранулярной цитоплазматической сети (ГЭС), увеличивается в размерах и концентрируется в околоядерной области комплекс Гольджи. Значительно гипертрофируется его вакуолярная часть. В митохондриях увеличивается объем матрикса и плотность крист. В гиалоплазме определяются скопления гранул гликогена, а также увеличивается объем липидных включений. В периферических отделах цитоплазмы повышается количество пузырьков, окруженных мембраной, с содержимым умеренной электронной плотности. Местами обнаруживается выведение содержимого пузырьков путем экзоцитоза (рис. 5.14). Весь цикл синтеза и выведения высокомолекулярных продуктов занимает около 24 ч. Продуцируемые экстрацеллюлярно сульфатированные протеогликаны в силу своей полианионной природы вступают в реакции с катионными красителями — толуидиновым синим, рутениевым красным, альциановым синим 8GS и выявляются как при светооптических, так и электронно-микроскопических исследованиях. Высокоупорядоченный молекулярный каркас основного вещества является информационным кодом для самосборки других компонентов матрикса — коллагеновых и эластических волокон. Секретируемые хондробластом молекулы белка в примембранной зоне образуют триплеты тропоколлагена, который собирается в микрофибриллы, фибриллы и коллагеновые волокна. Характер раз-

Рис. 5.14. Электронная микрофотография хондроцита. Секретные пузырьки и секреция ГАГ в матрикс: 1 — секреторный пузырек в цитоплазме; 2 — секреция материала в клеточный территориальный матрикс. Контрастирование альциановым синим 8GS. Ув. 18 000

242

Ãëàâà 5

Рис. 5.15. Хрящевая ткань проксимального отдела развивающейся бедренной кости. Митоз хондробласта (стрелка). Гематоксилин и эозин. Ув. 80

мещения тропоколлагена в составе волокна допускает приращение волокон как по длине, так и по ширине. В зависимости от вида хрящевых тканей в цистернах ГЭС хондробластов накапливается проколлаген или тропоэластин. Характерным изменениям подвергается ядра хондробластов: хроматин уплотняется, возрастает доля гетерохроматина, ядрышковый аппарат редуцируется. Так как деление части хондробластов происходит в клеточном территориальном матриксе, то зрелые клетки — хондроциты — располагаются обычно группами по 2, 4 и более, образуя так называемые изогенные группы. Активно функционирующие хондробласты на этапах эмбрионального гистогенеза не утрачивают способность к синтезу ДНК и делению (рис. 5.15). Рост зачатка хрящевой ткани происходит двумя путями: как в связи с увеличением прослоек продуцируемого клетками матрикса и развития изогенных групп клеток (интерстициальный рост), так и за счет наслоения хондробластов по периферии хрящевого зачатка в связи с их делением и дифференцировкой (аппозиционный рост). Интенсивность воспроизведения клеток с момента начала гетеросинтетической деятельности падает, что связано с уменьшением пула пролиферирующих клеток, а также и за счет увеличения продолжительности клеточного цикла. К факторам, контролирующим рост хрящей, относят генетические и гормональные. Генетический контроль проявляется в активации генов, обеспечивающих биосинтетическую и пролиферативную способность хондрогенных клеток. Гормональные влияния — многоплановые, они могут носить прямой или опосредованный характер. Хондроциты имеют рецепторы ряда гормонов, циркулирующих в крови. Для хрящевых тканей могут быть выделены следующие функции, регулируемые гормонами: — специфическая функция — при этом действие гормонов направлено на стимуляцию цитодифференцировки хрящевых клеток;

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

243

— функция гомеокинеза — поддерживания физиологического уровня биосинтетических процессов в хондробластах и хондроцитах; — медиаторная функция — гормоны могут индуцировать действие других факторов, имеющихся в хрящевой ткани, в частности цитокинов. Так, соматотропин и пролактин стимулируют рост хрящевых тканей, но не влияют на их созревание. Гормоны щитовидной железы — тироксин и трийодтиронин — ускоряют дифференцировку хондроцитов, но ингибируют ростовые процессы в хрящах. Кальцитонин и паратгормон оказывают сходное действие на метаболизм хрящей, способствуют стимуляции ростовых процессов, но в меньшей степени их созреванию. Инсулин усиливает дифференцировку клеток скелетогенной мезенхимы (стволовая клетка → хондроблас → хондроцит), а на этапах постнатального онтогенеза оказывает ростовое и митогенное действие. Глюкокортикоиды и эстрогены ингибируют в хондроцитах биосинтез коллагена и гликозаминогликанов, в частности гиалуроновой кислоты, что приводит к снижению степени агрегации протеогликанов. В раннем постнатальном периоде их высокие концентрации способствуют ускоренному созреванию и деструктивным изменениям в хрящевой ткани. Тестостерон за счет стимуляции биосинтеза несульфатированных форм гликозаминогликанов приводит к снижению активности процессов созревания хрящевой ткани. Итак, необходимо отметить, что системные гормоны регулируют специфические метаболические процессы в хондроцитах, но реактивность клеток к их действию зависит от общего эндокринного статуса организма (норма, дефицит или избыток гормонов) и морфофункционального состояния самих хондроцитов. Цитокины, в частности простагландины (ПГ), также влияют на ростовые и обменные процессы в хрящах. В зрелой хрящевой ткани они стимулируют или ингибируют метаболические процессы (в зависимости от концентрации). Высокие концентрации ПГ ингибируют процессы метаболизма в хрящевой клетке, при этом ПГА1 отличается выраженным цитотоксическим действием. Накопление ПГЕ2 в синовиальной жидкости может способствовать дистрофическим повреждениям хрящевой ткани. Другие компоненты микроокружения (фибронектин и гиалуроновая кислота) также влияют на хондрогенез и функционирование клеток. Строение. Дифферон хрящевой ткани взрослого организма может быть представлен следующим рядом: стволовая стромальная клетка → прехондробласт → хондробласт → хондроцит. Прехондробласт на ранней стадии развития — это малодифференцированная клетка, содержащая небольшой объем цитоплазмы, единичные митохондрии и слаборазвитый комплекс Гольджи. Прехондробласт поздней стадии развития характеризуется усложнением организации комплекса Гольджи и увеличением объемов ГЭС и наличием скоплений гранул гликогена. Хондробласты отличаются от прехондробластов более низким показателем ядерно-плазматических соотношений, базофильной цитоплазмой, что отражает высокое содержание РНК. Цитоплазма имеет развитые ГЭС и АЭС, комплекс Гольджи (рис. 5.16), свободные рибосомы, скопления гранул гликогена. Эти клетки способны к пролиферации. Они принимают участие в аппозиционном росте и регенерации хряща при его повреждении.

244

Ãëàâà 5

Рис. 5.16. Дифференцирующийся хондроцит: 1 — ядро; 2 — ГЭС. Электронная микрофотография. Ув. 5000

Хондроциты — это основные клетки хрящевой ткани. Они располагаются в лакунах. В глубоких отделах хряща хондроциты могут располагаться группами в пределах одной лакуны, формируя путем деления изогенные группы. Имеют полигональную, округлую или овальную форму. Различают четыре типа хондроцитов. Секретирующие хондроциты — это клетки с извитыми контурами, обильной цитоплазмой, богатой мембранными органеллами и свободно расположенными рибосомами. ГЭС у таких клеток гипертрофирована, канальцы расширены или формируют цистерны. Для комплекса Гольджи характерно наличие большого количества секреторных пузырьков, содержащих коллагены, гликозаминогликаны и гликопротеины. Значительный объем в цитоплазме занимают скопления гранул гликогена и другие включения. Более дифференцированные хондроциты характеризуются снижением ядерно-цитоплазматических отношений, ослаблением биосинтетических процессов, связанных с ДНК, но в них сохранена высокая активность транскрипции РНК. В клетках развиты ГЭС, комплекс Гольджи, обнаруживается большое количество секреторных пузырьков, содержащих гликозаминогликаны и коллаген. Дальнейшая дифференцировка хондроцитов проявляется низким ядерноцитоплазматическим соотношением. В них сохраняется развитая ГЭС, функция направлена на поддержание структуры территориального матрикса. Переживающие хондроциты имеют цитоплазму, бедную мембранными органеллами. В клетках отмечают высокую плотность микрофиламентов и промежуточных филаментов. Макромолекулярный состав и организация матрикса. Матрикс занимает около 95 % общего объема хряща. Характеризуется сложной макромолекулярной организацией.

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

245

Рис. 5.17. Хондроцит, расположенный в капсуле: 1 — клеточный территориальный матрикс; 2 — территориальный матрикс; 3 — интертерриториальный матрикс. Электронная микрофотография. Ув. 16 000

Важное значение для обеспечения трофики, прочности, упругости хряща имеют белки (коллагеновые и неколлагеновые) и протеогликаны. В матриксе хрящевых тканей коллаген составляет 50—70 %. Большая его часть находится в составе коллагеновых волокон и именно с их ориентацией и упорядоченным расположением в толще матрикса связывают прочностные и функциональные свойства хряща. Гидрофобные свойства матрикса зависят от особенностей состава и организации аггрекана. В эластических хрящах эластин обнаруживается в форме волокон. Степень организации макромолекул матрикса различна в зависимости от удаленности от клеток и в связи с этим, по данным световой, электронной и поляризационной микроскопии, выделяют три зоны: клеточный территориальный матрикс, в пределах которого выявляются макромолекулярные компоненты и идет их самосборка; территориальный, со сформированными макромолекулами; интертерриториальный матрикс, в пределах которого обнаруживается наибольшая степень организованности и упорядоченности макромолекул (рис. 5.17). Виды хрящевой ткани. Биосинтетическая активность хондроцитов и структура матрикса находятся в тесной зависимости от биомеханических условий, которые в отдельных частях организма ведут к формированию различных видов хрящевых тканей: гиалиновой, волокнистой и эластической. Входя в состав тех или иных органных структур — хрящей, каждый вид хрящевой ткани приобретает специфические особенности строения, за счет которых обеспечивается соответствие структуры хрящей функциональным требованиям. Структурно-функциональная единица хрящевой ткани — хондрон: хондроцит и его макромолекулярное окружение, в котором располагаются гиалурона-

246

Ãëàâà 5

ты, хондроитинсульфаты, кератансульфаты, контактирующие с гликокаликсом клетки, а также коллагены. Хондрон играет ключевую роль в биологии и патологии суставного хряща. Хондронная организация обеспечивает адаптационные потенции суставного хряща, выступая как демпфер к действию механических, физико-химических и осмотических факторов, индуцируемых в матриксе при динамических нагрузках. Гиалиновая хрящевая ткань. Локализуется в стенках трахеи, бронхов, на участках соединения ребер с грудиной, формирует суставные поверхности и метаэпифизарные пластинки роста костей. В эмбриональном периоде гиалиновый хрящ формирует модель кости. Характеризуется относительно равномерным распределением изолированных хондроцитов и скоплений клеток в виде изогенных групп среди матрикса, на долю которого приходится около 90 % объема. Матрикс гиалинового хряща характеризуется своеобразным соотношением макромолекулярных компонентов: коллагенов, протеогликанов и неколлагеновых белков. Коллагены. В матриксе суставного хряща коллагены составляют 50—70 % (или 10—20 % сырого веса), при этом их большая часть находится в составе коллагеновых волокон. Специфической функцией хондроцитов является биосинтез коллагена II типа. Однако на этапах хондрогенеза и в различных зонах суставного хряща биосинтез коллагена неоднороден. С помощью биохимических и иммунологических методов исследования показано, что предшественники хрящевых клеток синтезируют I тип коллагена. Этот же тип коллагена синтезируют дегенерирующие хондроциты зоны гипертрофии и хондроциты поверхностной зоны. В клеточном территориальном матриксе хондроцитов других зон определяются перицеллюлярные коллагены, образующие опору клеток по типу экзоцитоскелета. Кроме того, в хрящевой ткани выявлены также минорные компоненты коллагена. На долю коллагена II типа среди других коллагенов приходится 90—95 %. Молекулы II типа коллагена состоят из трех идентичных полипептидных цепей, которые синтезированы и секретированы из клетки как проколлагеновые предшественники. После выведения из клетки во внеклеточной среде он преобразуется в коллаген. Большая часть коллагена II типа находится в составе коллагеновых фибрилл, формирующих коллагеновые волокна. С ориентацией и упорядоченным расположением коллагеновых волокон связывают прочностные и функциональные свойства хрящей. Биосинтез клетками коллагена II типа рассматривают как достоверный маркер хондрогенной дифференцировки. Однако при нарушении микроокружения клетки, в условиях длительного культивирования хондроцитов, изменения рН среды, вирусной трансформации и другие возможны переключения на биосинтез коллагена I типа. При остеоартрозе повышается деградация коллагена II типа. Кроме II типа коллагена, в суставном хряще присутствуют также минорные коллагены V, VI, IX, X и XI типов, на долю которых приходится от 5 до 10 %.

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

247

Коллаген V типа составляет около 1% всех типов коллагена. Он определяется в клеточном территориальном матриксе и образует опору клеток по типу экзоцитоскелета. Коллаген VI типа содержится как в матриксе гиалинового и эластического хрящей, так и в студенистом ядре (nucleus pulposus) межпозвонкового диска. Он концентрируется в основном в территориальном матриксе вокруг хондроцитов, формирует микрофибриллы, которые могут агрегироваться. Фибриллы имеют периодичность, составляющую 110 нм. Этот тип коллагена играет важную роль в прикреплении клеток к фибриллам. При прогрессировании остеоартроза содержание коллагена VI типа увеличивается, что приводит к стимуляции формирования изогенных групп хондроцитов. Это можно рассматривать как специфическую анаболическую реакцию хондроцитов, направленную против разрушения матрикса. Коллаген IX типа составляет около 1 % коллагеновых белков в зрелом суставном хряще и до 15 % — в хрящах плодов. Этот тип коллагена концентрируется в перицеллюлярном окружении клетки. Его содержание снижается на этапах зрелости суставного хряща. Молекула коллагена IX типа включает протеогликан и коллаген. Коллаген IX типа обеспечивает связь между фибриллами II типа коллагена и с экстрафибриллярными областями, в том числе связи протеогликановых цепей с фибриллами. Хондроитинсульфат ковалентно связывается с альфа-цепью этого коллагена. Благодаря этим связям формируется структурная сеть матрикса, способная выдерживать нагрузки и придавать устойчивую резистентность протеогликанов к повышающемуся давлению. Имеются данные, что изменения в распределении IX типа коллагена в околоклеточном матриксе при остеоартрозе приводят к пролиферации хондроцитов. X тип коллагена представлен короткими спиральными цепями. Он обнаруживается в зоне кальцифицирующегося хряща и именно с его присутствием связывают гипертрофию хондроцитов, течение процессов минерализации, энхондральной оссификации, а также предположительно и процессы ангиогенеза. В некальцифицированном хряще этот тип коллагена в норме не содержится, но определяется при дистрофии и деструкции. Дефект коллагена X типа лежит в основе хондродисплазий. На долю XI типа коллагена в суставном хряще приходится от 2 до 3 % суммарного коллагена. Он относится к коллагенформирующим фибриллярным белкам. Этот тип коллагена располагается на всей площади суставного хряща и служит для связи коллагеновых фибрилл между собой. Совместно с коллагеном II и IX типа он может накапливаться в гетеротипических фибриллах суставного хряща, принимает участие в организации II типа коллагена, контролируя латеральный рост фибрилл, что в конечном итоге определяет их диаметр. Кроме того, XI тип коллагена участвует в формировании поперечной исчерченности коллагеновых фибрилл. Коллагены IX и XI типов, несмотря на то что они присутствуют в малом количестве в матриксе суставного хряща, играют важную роль в обеспечении его прочностных качеств. Распад коллагена в естественных условиях представляется в виде достаточно сложного биохимического процесса, поскольку коллаген весьма устойчив

248

Ãëàâà 5

к действию протеолитических ферментов, что имеет существенное значение в выполнении коллагеном своей функции. Деградация коллагена осуществляется металлопротеиназами (семейством коллагеназ, секретируемых клетками синовиальной мембраны, хондроцитами и др.). Существуют коллагеназы, которые могут обеспечивать деполимеризацию молекул коллагена даже в одном каком-либо специфическом участке. Подобный эффект коллагеназ рассматривается как подготовительная ферментативная операция, которая обеспечивает последующую чувствительность молекулы коллагена к действию различных протеиназ. Регулятором опосредованной клетками дегенерации коллагена является тканевой ингибитор металлопротеиназ. Снижение синтеза тканевого ингибитора металлопротеиназ может приводить к нарушению процессов деградации коллагена. Нарушение синтеза коллагеновых белков является причиной ряда заболеваний (синдром Марфана, синдром Элерса — Данлоса) и незавершенного остеогистогенеза. Протеогликаны являются важным компонентом хрящевого матрикса. В последнем они составляют 10—20 % молекулярной массы. Основное свойство протеогликанов — высокая гидрофильность. Это придает суставному хрящу способность подвергаться обратимым деформациям. Хорошо изученной и достаточно крупной молекулой, выделенной из хрящевой ткани, является аггрекан (рис. 5.18). На его долю приходится около 90 % массы всех протеогликанов в тканях. Аггрекан гидрофилен и соответствует функции распределения

Рис. 5.18. Организация матрикса гиалиновой хрящевой ткани

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

249

нагрузок. Ген аггрекана человека клонирован и секвенирован. В предварительных исследованиях была выявлена взаимосвязь между полиморфизмом этого гена и артритом кистей. Присутствие цепей гликозаминогликанов (ГАГ) определяет общность ГАГ-содержащих областей протеогликанов — гидрофильность и высокую реактивную способность. Сульфатированные ГАГ, представленные двумя изомерными хондроитина сульфатами (хондроитина-4-сульфат и хондроитина6-сульфат), кератансульфатом и дерматансульфатами (бигликан и декорин). Хондроитин сульфаты распределяются довольно равномерно по толще суставного хряща, в то время как содержание кератансульфатов возрастает по направлению к глубокой зоне. Если сопоставить данные по содержанию в хрящах ГАГ и коллагена, то выявляется следующая картина: наиболее глубокие слои суставного хряща содержат в 2 раза больше хондроитина сульфатов и в 6 раз больше кератансульфатов по сравнению с содержанием коллагена. С возрастанием сульфатированных форм ГАГ, отражающих более высокий уровень организации матрикса, фиксируется и повышение биосинтеза коллагена и его ориентационной упорядоченности. Малые неагрегированные протеогликаны представлены бигликаном, декорином и фибромодулином. Бигликан содержит две цепи дерматансульфата, которые связываются с формирующимися фибриллами коллагенов и ингибируют процессы фибриллогенеза. Деградация протеогликанов — это процесс постоянно протекающей физиологической регенерации, связанный с обновлением вне- и внутриклеточных макромолекул. Она осуществляется протеиназами, расщепляющими стержневой белок, и гликозидазами, расщепляющими цепи ГАГ и олигосахариды. Несульфатированная форма ГАГ — гиалуроновая кислота, характеризуется высокой молекулярной массой, достигающей несколько миллионов дальтон. Гиалуроновая кислота — одна из главных макромолекул, формирующая протеогликаны, важный компонент матрикса суставного хряща, поверхностной зоны синовиальной мембраны и присутствует в высокой концентрации в синовиальной жидкости. Одна молекула гиалуроновой кислоты способна связываться с 200 молекулами аггрекана. Образующиеся агрегаты могут достигать величины 8 мкм. Воздействие гиалуроновой кислоты на метаболизм суставного хряща осуществляется через специфические рецепторы гиалуроновой кислоты, расположенные на клеточной мембране хондроцитов, а также посредством взаимодействия «гиалуроновая кислота—гликопротеины». Гиалуроновая кислота индуцирует агрегацию протеогликанов и биосинтез в хондроцитах и синовиальных клетках. Основные функции протеогликанов в хрящевой ткани — это связывание воды, обеспечение диффузии, устойчивость хряща к перегрузкам, связь с коллагеновыми фибриллами и др. Гликопротеины. Макромолекулы гликопротеинов играют роль в фибриллогенезе и кальцификации тканей. Гликопротеины участвуют в агрегации протеогликанов для обеспечения взаимосвязи с гиалуроновой кислотой. Кроме того, считается, что структурные гликопротеины, как и протеогликаны мо-

250

Ãëàâà 5

гут выступать в качестве «матрицы» для отложения коллагена и играют важную роль в организации протеогликанов и коллагеновых волокон. В целом показано, что гликопротеины не только регулируют рост и ориентацию коллагеновых волокон, но и способствуют их стабилизации. В хрящевой ткани содержится особый вид гликопротеинов — хондронектин. Предполагается, что он является посредником для связи хондроцитов преимущественно со II типом коллагена. Другой гликопротеин — фибронектин — связывает между собой макромолекулы матрикса, в частности некоторые ГАГ, и коллаген c клеточными мембранами. Его содержание значительно повышается в суставном хряще при остеоартрозе. Получены новые данные о трансмембранных гликопротеидах CD44, которые экспрессируются хондроцитами и связываются с коллагенами I и IV типов. Различные изоформы CD44 V5 синтезируются на поздних стадиях остеоартроза и обнаруживаются в синовиальной жидкости, синовии и суставном хряще. Экспрессия этого изофермента строго коррелирует с гистологическими градациями разрушения хряща. Неколлагеновые белки. Спектр неколлагеновых белков чрезвычайно многообразен. Большая часть неколлагеновых белков в хрящевом матриксе связана с другими макромолекулами, в частности с протеогликанами. Небольшая их часть находится в матриксе в свободном состоянии. В матриксе хрящей присутствует хрящевой матриксный белок (СМР). Этот белок является чувствительным маркером возрастных изменений: с повышением возраста его содержание в хрящевой ткани увеличивается. Функции хрящевого матриксного белка не выяснены, предполагают, что он может служить как связующее звено с протеогликанами. В местах формирования коллагеновых фибрилл определяется хондрокальцин. По всей вероятности его функция заключается в связывании коллагеновых фибрилл между собой. Функции олигомерного белка хрящевого матрикса (COMP), представителя семейства тромбоспондинов, практически не изучены. Он содержится в зоне пролиферации пластинок роста. Так, при изучении зоны роста с помощью методов иммуноцитохимии с использованием поликлональных антител было зафиксировано, что наибольшая активность СОМР определяется в зонах пролиферации растущих хрящей в клеточном территориальном матриксе, в значительно меньшей степени — в перицелюлярном и интертерриториальном. Низкая концентрация этого белка обнаруживается в покоящихся и гипертрофированных хондроцитах. На основе этих данных делается предположение, что СОМР может быть рассмотрен как маркер нормальной дифференцировки пролиферирующих хондроцитов. В суставном хряще этот белок содержится в небольших количествах. Доказано, что повышение содержания в сыворотке крови СОМР может быть биохимическим маркером остеоартроза, осложненного синовитом. На поверхности хондроцитов и в клеточной мембране присутствует белок анкорин, который может принимать участие во взаимодействии клеток с матриксом. Этот белок имеет высокое сродство к коллагену II типа, и, вероятно,

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

251

он выступает как механорецептор, передающий напряжение от коллагеновых фибрилл к хондроцитам. Белок с молекулярной массой 36 кДа экспрессируется хондроцитами и принимает участие в связи хондроцитов с матриксом, а также при перестройке хрящевой ткани. Гипертрофированными хондроцитами синтезируется белок 21 кДа, который взаимодействует с Х типом коллагена и может функционировать в области базофильной линии суставного хряща. Связующий белок (link protein) определяется в местах связи аггрекана с гиалуроновой кислотой. В матриксе также присутствуют белки-ферменты. Среди них важную функцию выполняет протеинкиназа С, являющаяся ключевым ферментом инозитол-фосфолипидного гидролиза и сигнальной трансдукции в различных физиологических процессах. В хрящевой ткани этот фермент модулирует метаболизм протеогликанов, а его субъединицы рассматривают как маркеры артроза. Волокнистая хрящевая ткань. Эта ткань формирует фиброзное кольцо межпозвонковых дисков, симфиз лобковых костей, обнаруживается в грудинно-ключичном и нижнечелюстном суставах, в местах перехода волокнистой соединительной ткани в гиалиновый хрящ (сухожилия, связки). В межклеточном веществе волокнистого хряща содержится коллаген I типа (около 90 %) и II типа (около 10 %), а основное вещество богато сульфатированными ГАГ. В связи с тем что в межклеточном веществе волокнистого хряща преобладают коллагеновые волокна, полисахаридные компоненты располагаются между ними и ориентированы, в основном, по ходу коллагеновых волокон. В таком же направлении ориентированы и длинные оси хондроцитов, которые по цитологическим характеристикам сходны с фибробластами и в межклеточном веществе не образуют вокруг себя капсул. Эластическая хрящевая ткань — основной тканевой компонент хрящей носа и ушной раковины. Она характеризуется относительно равномерным распределением хондроцитов среди войлокообразно расположенных эластических волокон межклеточного вещества, по общему плану строения подобна гиалиновой. Эластические волокна состоят из эластина — гликопротеина с молекулярной массой 70 кДа. В эластине содержатся аминокислоты десмозин, изодесмозин, глицин и пролин. В образовании эластических волокон принимают участие фибриллы, формирующие микрофибриллярный каркас, необходимый для образования эластических структур из аморфного эластина. Толщина эластических волокон матрикса хряща колеблется в пределах 0,2—5,0 мкм. Хрящевые клетки располагаются в капсулах одиночно или изогенными группами. Капсулы выполнены эластическими волокнами, которые располагаются параллельно стенкам. Содержание липидов, гликогена и хондроитина сульфатов в эластическом хряще значительно ниже, чем в гиалиновом. Особенностью эластического хряща является отсутствие обызвествления, характерный желтый цвет и высокая способность к растяжению. Хрящ снаружи покрыт надхрящницей (перихондрий) — волокнистой соединительной тканью. В ней различаются коллагеновые и эластические волокна,

252

Ãëàâà 5

переходящие в матрикс хряща, и клетки. Наружный и внутренний слои надхрящницы не имеют выраженных границ. Наружный слой состоит из плотной волокнистой соединительной ткани, а внутренний, примыкающий к хрящу, содержит клетки, сохраняющие пролиферативные хондрогенные потенции. Рост хряща (аппозиционный) осуществляется за счет размножения клеток-предшественников, которые дифференцируются в хондробласты и хондроциты. Надхрящница пронизана кровеносными сосудами и нервами. Суставной хрящ не имеет надхрящницы. В эластическом и волокнистом хрящах поступление веществ происходит из сосудов надхрящницы, в гиалиновом суставном хряще — из синовиальной жидкости и капиллярных петель субхондральной кости. ÂÎÇÐÀÑÒÍÛÅ ÈÇÌÅÍÅÍÈß È ÐÅÃÅÍÅÐÀÖÈß

С возрастом хрящевые ткани претерпевают определенные изменения. В них снижается число хондроцитов на единицу площади среза. Упрощается ультраструктурная организация хондроцитов: уменьшается объемная плотность мембранных органелл и увеличивается количество фибриллярных структур (рис. 5.19). Снижение плотности хондроцитов приводит к тому, что единичные хондроциты не могут метаболически обеспечить большие площади матрикса и катаболические процессы начинают преобладать над анаболическими. Однако даже в хрящах людей возрастной группы 60—80 лет были выявлены хондроциты, по ультраструктурной организации которых можно сделать вывод об активности протекающих в них процессов биосинтеза фибриллярных белков и протеогликанов. Но в основной массе хондроциты имеют признаки инволюции. В межклеточном веществе снижается содержание протеогликанов. Уменьшается средняя длина молекул аггрекана, изменяется его структура за счет снижения хондроитинсульфатов и укорочения их цепей. Возникает «слабое звено» в системе суставного хряща. В онтогенезе нарушается соотношение белок/гиалуроновая кислота за счет увеличения содержания первого компонента и снижения второго. В суставном хряще детей преобладают хондроитина сульфаты, у взрослых — кератансульфаты. Кроме того, с возрастом изменяется и соотношение хондроитина-4-сульфат/хондроитина-6-сульфат за счет резкого снижения содержания первого и при незначительном возрастании второго. Деградация протеогликанов в суставном хряще наблюдается на протяжении всей жизни человека, но усиливается с возрастом. Это проявляется повышением фрагментации протеогликановых комплексов за счет входящих в их состав белковых цепей, гиалуроновой кислоты и гликопротеинов, которые могут в свободном виде накапливаться в тканях. Однако протеогликаны остаются способными к агрегации с гиалуроновой кислотой. Другие изменения протеогликанов связаны с увеличением гистидин-аланиновых участков и снижением их молекулярной массы. Методами поляризационной микроскопии доказано, что в поверхностной зоне суставного хряща степень двойного лучепреломления ГАГ сохраняется на одном уровне в среднем до 50 лет, а затем прогрессивно снижается (Де-

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

253

Рис. 5.19. Возрастные изменения хондроцитов: а — хондроцит третьего типа: 1 — плотное ядро; 2 — цитоплазма, содержащая профили ЭС; 3 — фибриллярные компоненты в цитоплазме; б — хондроцит четвертого типа. Электронные микрофотографии. Ув. 18 000

дух Н. В. [и др.], 1988). В глубокой зоне пик двойного лучепреломления ГАГ выявлен в возрастной группе 31—40 лет и дальнейшее снижение прослеживается во всех остальных возрастных группах. С возрастом в территориальном матриксе степень двойного лучепреломления ГАГ уменьшается, но тем не менее всегда остается выше, чем в интертерриториальном. Дифференциальный анализ двойного лучепреломления ГАГ показал, что старение сопровождается уменьшением содержания хондроитинсульфатов в территориальном матриксе и увеличением во всех зонах суставного хряща двойного лучепреломления кератансульфатов в интертерриториальном матриксе. Повышение доли кератансульфатов (более 60 %) в суставном хряще сопровождается выраженным снижением степени двойного лучепреломления коллагена, что проявляется в первую очередь в глубокой зоне. C помощью методов электронной микроскопии обнаружено, что качественные изменения фибрилл коллагена с возрастом выявляются именно в этой зоне. При старении увеличивается протяженность коллагеновых фибрилл и их переплетений, что вносит определенный вклад в теорию «утомляемости структуры» и способствует нарушению организации матрикса: демаскированию коллагеновых волокон, их деструкции и, соответственно, нарушению взаимосвязи с аггреканом и другими протеогликанами. С возрастом и в условиях патологии снижается содержание гликопротеинов, что приводит к дестабилизации коллагеновых волокон. У человека повышение степени двойного лучепреломления гликопротеинов отмечается в возрастной группе 41—50 лет, а затем наблюдается снижение показателя, что было наиболее четко выражено в промежуточной и глубокой зонах суставного хряща. Наряду с появлением участков с демаскированием (разволокнением) пучков коллагеновых волокон в матриксе возрастает плотность расположения пучков коллагеновых волокон, которые кальцифицируются. Наблюдается вра-

254

Ãëàâà 5

стание в зону кальцифицированного хряща кровеносных сосудов, что сопровождается замещением хрящевой ткани костной. Описанные выше изменения структурной организации клеток и матрикса хряща приводят к потере эластических и прочностных свойств, существенному снижению диапазона адаптивных возможностей. Это связано с уменьшением числа клеток, преобразованиями в макромолекулярной организации матрикса хрящевых тканей, с изменением спектра гуморально-гормональных влияний и снижением интенсивности функционирования диффузионно-нагрузочного механизма в суставном хряще при уменьшении двигательной активности индивидуума. Физиологическая регенерация суставного хряща реализуется за счет обновления клеточных элементов и матрикса, с выраженными адаптивными преобразованиями в зависимости от величины, амплитуды и объема двигательной нагрузки. Этот процесс зависит от функционирования диффузионно-нагрузочного механизма по обеспечению трофики и метаболизма, т. е. поступления пластических, энергетических и регуляторных веществ в суставной хрящ. Существует точка зрения, что нарушение функционирования хондрона — первая ступень остеоартроза. В хондроне происходит деградация перицеллюлярного коллагена, что отражается на трофике хондроцита. В случае гибели клетки в капсуле обнаруживаются волокнистые компоненты (рис. 5.20). Исследования показали, что в норме процесс обмена коллагена в хрящевой ткани длительный и период полураспада макромолекул составляет от 50 до 300 сут, а по расчетам, выполненным на основе изотопных исследований, его обновление осуществляется в течение 120—360 лет. В суставном хряще процессы обновления клеток в различных зонах протекают по-разному. В поверхностной зоне физиологическое восполнение имеет место в течение всей жизни индивидуума, так как происходят разрушение поверхностных слоев матрикса и элиминация погибших хондроцитов. Изучение изогенных групп хондроцитов свидетельствует об их способности к саморепродукции, которая сохраняется на протяжении всей жизни особи и максимально проявляется в промежуточной зоне. В различные возрастные периоды

Рис. 5.20. Капсула хондроцита заполнена волокнистыми компонентами (стрелки). Ув. 18 000

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

255

среди клеток изогенных групп обнаруживаются хондроциты, пребывающие в репродуктивном цикле, встречаются фигуры митотического деления. Однако митотическая активность суставного хряща чрезвычайно низкая. Так, в зрелом хряще на 600—820 хондроцитов можно обнаружить единичные фигуры митоза. Тем не менее, именно клетки промежуточной зоны восполняют физиологическую убыль суставного хряща. В последние годы раскрыт один из механизмов, приводящий к активации физиологической регенерации суставного хряща. В хондроцитах суставного хряща обнаружена экспрессия остеогенного протеина-1, который является одним из индукторов формирования кости и хряща. Повышенное его содержание в средней и глубоких зонах суставного хряща по сравнению с поверхностной оказывает влияние на процессы физиологической регенерации в течение жизни индивидуума. С возрастом уровень остеогенного протеина-1 в суставном хряще резко снижается, что может быть одним из критических факторов для возникновения остеоартроза. На пролиферацию и дифференцировку хондроцитов существенно влияют и другие факторы местного окружения — циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ) и циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). В глубокой зоне на границе с кальцифицирующимся хрящом повышена концентрация цГМФ, стимулирующего пролиферацию хондроцитов. В области поверхностной зоны суставного хряща поддерживается определенная концентрация цАМФ, выступающего в качестве ингибитора пролиферации клеток, но стимулирующего процессы биосинтеза специфических макромолекул матрикса. Это обусловливает разобщенность клеток в этой области суставного хряща и повышение объема матрикса. Хрящевые клетки способны восполнять в матриксе протеогликаны, если скорость их потери не превышает скорости синтеза. Однако, если появляются нарушения в организации коллагеновой сети или деградирует значительное количество хондроцитов, начинается необратимый процесс, приводящий к развитию остеоартроза. Повышенное содержание малых протеогликанов — декорина и бигликана — в суставном хряще ингибирует процессы регенерации. Репаративная регенерация. Особенности структурно-функциональной организации хрящевой ткани в хрящах, как органных структурах, определяют специфику направленности репаративных процессов. Течение процесса репаративной регенерации хряща зависит от наличия или отсутствия перихондрия, вида повреждения (хрящевой или костно-хрящевой дефекты), размера дефекта, специальных биомеханических условий, медикаментозной терапии, тканевой терапии и др. При травматическом повреждении хряща, покрытого перихондрием, обычно формируется волокнистая соединительная ткань, которая в последующем замещается хрящевой тканью. Заживление дефектов суставного хряща зависит от их локализации. Дефекты, расположенные вблизи синовиальной оболочки, заживают из элементов, формирующихся из синовиальной оболочки и мигрирующих на хрящ. В последующем, путем дифференцировки клеток соединительной ткани, дефект может заполниться хрящевой тканью. При оценке характера течения репарации суставного хряща выделяют два типа дефектов — хрящевые и костно-хрящевые — в зависимости от того, про-

256

Ãëàâà 5

никают они или нет до межтрабекулярных пространств подлежащей субхондральной кости. Поверхностные дефекты суставного хряща, аналогичные трещинам и щелям, возникающим на ранних стадиях остеоартроза, практически не заполняются хрящевой тканью. В центральных отделах суставной поверхности они включают тканевой детрит и лишь изредка в дефектах обнаруживаются клетки синовиальной оболочки. Более оптимистичен прогноз в отношении повреждений, расположенных вблизи синовиальной оболочки. Они заживают за счет малодифференцированных клеток синовиальной оболочки. В последующем в результате дифференцировки клеток в этой области может образоваться волокнистый хрящ. Повреждения хряща, не проникающие в костную ткань, заполняются детритом. Изредка в них обнаруживаются клетки синовиальной мембраны. Вокруг дефекта формируются изогенные группы клеток, располагающиеся среди бесклеточных территорий матрикса. Для изучения клеток-предшественников, формирующих пул клеток в условиях травматического повреждения суставного хряща, на животных моделировались ситуации, при которых в хряще выполнялись различной глубины повреждения. При поверхностных повреждениях (криоорошение головки бедренной кости жидким азотом — моделирование гемартроза) было доказано, что суставной хрящ не содержит клеток, способных мигрировать в зону дефекта и формировать регенерат. Аналогичные данные получены и при авторадиографическом исследовании с использованием 3Н-тимидина и 3Н-цитидина. В костно-хрящевых дефектах формируется два вида тканей. Со стороны дна дефекта клетки-предшественники костной ткани, продуцируя коллаген I типа и остеонектин, образуют органический матрикс кости — остеоид. В области дефекта, прилежащего к суставному хрящу, выявляются клетки, синтезирующие III тип коллагена, и лишь единичные клетки, которые экспрессируют коллаген II типа, маркерный коллаген гиалинового хряща. К ним относят стромальные клетки костного мозга, дифференцирующиеся в хондробласты. Проникающие до субхондральной кости повреждения суставного хряща вызывают воспалительную реакцию, на ранних этапах восстановительного процесса заполняются гематомой, а в последующем — грануляционной тканью, фиброретикулярной тканью, волокнистым или гиалиноподобным хрящом. Костно-хрящевые дефекты размером 1—2 мм заполняются формирующимся кровяным свертком, состоящим из фибриновых волокон, среди которых находятся белки, гликопротеины, липиды, а также молодые и зрелые формы клеток крови, иммигрирующие из клеток поврежденных тканей факторы роста. Более обширные дефекты заполняются лишь частично, а в прилежащей хрящевой ткани в короткий период времени развиваются выраженные деструктивные нарушения. Обычно образовавшаяся гематома плотно соединяется с костной тканью дна дефекта, однако связь с краями хрящевой раны, как правило, отсутствует. Спустя некоторое время малодифференцированные клетки начинают проникать в фибриновый каркас, который в течение нескольких недель замещается васкуляризованной соединительной тканью.

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

257

В качестве источников регенерации выступают различные типы стволовых клеток, которые локализованы в межтрабекулярных пространствах подлежащей субхондральной кости, эндосте, и периваскулярные клетки. При введении в полость сустава 3Н-тимидина и 3Н-цитидина на 7-е сут после нанесения животному травматического дефекта метки обнаруживались в пуле стромальных клеток костного мозга, а также в дифференцирующихся фибробластах, остеобластах и хондробластах. Морфология регенерата, выполняющего дефект в суставном хряще, зависит от локализации и размера повреждения. В проведенных на кроликах экспериментах получены данные, что раны диаметром 2 мм (нанесенные с помощью стержня) по характеристике тканей, заполняющих дефект, отличаются от более обширных дефектов, диаметр которых около 4 мм. Если в первом случае обнаруживается заполнение раны гиалиновым хрящом, то во втором — волокнистым. Для оптимизации репаративного процесса в суставном хряще в клинических условиях используют аутотрансплантаты перихондрия, периоста или костной ткани, которые содержат полипотентные клетки, способные к хондрогенной диффернцировке. Широко распространенной техникой с использованием остеохондральных трансплантатов является мозаичная артропластика, т. е. одновременное использование в поврежденном участке суставного хряща нескольких, небольших по диаметру, трансплантатов — так называемых «пробок». Результаты такого лечения весьма обнадеживающие. Автором получено 92 % положительных исходов. В последние годы представлено большое количество работ, связанных с использованием для заполнения костно-хрящевых дефектов различными синтетическими матрицами, которые должны служить каркасом для врастания малодифференцированных клеток в область дефекта. Ведется поиск биологических активных веществ, индуцирующих хондрогенез. К числу таких факторов относят костные морфогенетические белки, фибробластический фактор роста, инсулиноподобные факторы роста и др. Принципиально новым направлением в регенерации хрящевых тканей является использование достижений молекулярной биологии, генной терапии, исследований с привлечением новейших технологий — клеточной и тканевой инженерии. В качестве клеточных трансплантатов используют аутогенные и аллогенные хрящевые клетки, стромальные клетки, выделенные из костного мозга и жировой ткани. Выделенные клетки в процессе культивирования размножаются, дифференцируются в определенном направлении или модифицируются с помощью генных технологий. После достижения определенного количества, клетки переносятся на различные биоматериалы, удобные для прикрепления и роста, или трансплантируются непосредственно в дефекты хряща или межпозвонкового диска. Культивирование дает возможность увеличить биомассу клеток в тысячи раз, а соблюдение определенных методических приемов обеспечивает поддержание хрящевого фенотипа клеток в условиях in vitro и выработку ими макромолекул хрящевого матрикса, модулирующего метаболические функции хондроцитов путем активации рецепторов клеточной мембраны. В экспериментальных исследованиях на кроликах методами ауторадиографии

258

Ãëàâà 5

Рис. 5.21. Схема аутотрансплантации хрящевых клеток в область дефекта суставного хряща (по: Brittberg M. [et al.], 1994)

было доказано участие в репаративных процессах аллогенных хондроцитов, выделенных из суставных и эпифизарных хрящей, трансплантированных в полнослойные дефекты суставного хряща взрослых животных. Проведенные экспериментальные исследования на животных создали базу для применения этой технологии в клинических условиях. Разработана методика культивирования хондроцитов, их трансплантация в дефекты суставного хряща, техника укрепления краевой поверхности дефекта периостальным трансплантатом, что давало возможность изолировать хондроциты от суставной полости (рис. 5.21). Трансплантация аутогенных хондроцитов — это эффективный и безопасный метод лечения обширных и полнослойных повреждений суставного хряща.

Êîñòíûå òêàíè. Êîñòü êàê îðãàí Общая характеристика, классификация, гистогенез и строение. Это особая форма соединительной ткани с минерализованным межклеточным веществом. В ней содержится 67—70 % неорганических соединений, среди которых преобладают соли фосфатов кальция (гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2 и Ca3(PO4)2). Органическое вещество костной ткани представлено коллагеновыми и неколлагеновыми белками, липидами, протеогликанами. Костные ткани состоят из клеток и межклеточного вещества. Выделяют ретикулофиброзную (грубоволокнистую) и пластинчатую костные ткани, различающиеся между собой структурной организацией и физическими свойствами

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

259

межклеточного вещества. Макроскопически выделяют губчатое и компактное вещество кости, которые имеют сходные состав и структуру матрикса, но различаются плотностью. Компактная костная ткань составляет 80 % зрелого скелета, окружает костный мозг и области губчатой кости. Площадь поверхности на единицу объема губчатого вещества примерно в 20 раз больше по сравнению с компактной. Гистогенез. В связи с различными биомеханическими и биофизическими условиями эволюционно сформировались два основных пути образования костных тканей: прямой — из клеток скелетогенной мезенхимы (развитие ретикулофиброзной костной ткани, костей черепа) и непрямой, при котором из скопления клеток скелетогенной мезенхимы формируются модели костей, состоящие из хрящевой ткани, а затем эти хрящевые модели замещаются костной тканью (длинные кости и др.). Прямой остеогистогенез протекает в четыре этапа. На первом этапе формируется остеогенный островок, состоящий из скоплений мезенхимных клеток и сосудов, прорастающих в эту область. Скелетогенные клетки мезенхимы ориентируются согласно векторам нагрузки, претерпевают остеогенную дифференцировку и образуют остеобластические островки, в которых часть клеток располагается по периферии островков, а часть — оказывается внутри островка. В связи с этим происходит ограничение (компартментализация) внутриостровкового пространства, в котором остеобласты осуществляют биосинтез межклеточного вещества и затем секрецию по всей поверхности. Клетки, образующие периферический слой островков, осуществляют биосинтез межклеточного вещества по поверхности, обращенной во внутриостровковое пространство. Остеобласты внутриостровкового пространства перестают вступать в митотический цикл, а клетки периферического слоя сохраняют способность к делению. Это дает возможность островку не только расширяться в периферических отделах, но и за счет биосинтетической деятельности клеток, отделившихся от периферического слоя во внутриостровковое пространство, формировать межклеточное вещество. На втором этапе остеогенеза клетки внутриостровкового пространства сохраняют контакты с клетками периферического слоя, несмотря на образующееся между ними межклеточное вещество. Это приводит к тому, что остеобласты приобретают отростчатую форму, дифференцируюясь в остеоциты, а межклеточное вещество оказывается пронизанным огромным количеством каналов. Формирование межклеточного вещества внутриостровкового пространства начинается с биосинтеза клетками макромолекул органического матрикса (гликозаминогликанов, гликопротеинов и коллагеновых белков), который характеризуется специфическими тинкториальными свойствами и получил название остеоида. Третий этап — минерализация межклеточного вещества. Остеобласты периферического слоя «перекачивают» из капилляров Ca2+ и PO 3– 4 . В местах локальной концентрации этих ионов происходит эпитаксическое формирование кристаллов гидроксиапатита на волокнах коллагена. Это ведет к изменению тинкториальных свойств межклеточного вещества, которое приобретает характер грубоволокнистой костной ткани. Состоящие из остеоида, а затем из грубо-

260

Ãëàâà 5

волокнистой костной ткани трабекулы одновременно увеличиваются в толщину и в длину, а в связи с переменным направлением вектора нагрузки приобретают разнонаправленный характер, соединяются, образуя ячейки. Одновременно, распространяясь в трех плоскостях, костные ячейки формируют органную структуру — кость, способную выполнять опорную функцию. Окончательные границы кости определяются, с одной стороны, величиной и направлением вектора нагрузки, обусловленного как положением организма и его частей в пространстве, так и тягой мышц, прикрепляющихся к поверхностям формирующейся кости. С другой стороны, контакты с другими костями ограничивают возможности экстенсивного роста формирующейся кости и начинается неравномерное утолщение костных пластинок и стенок ячеек с одновременным созреванием межклеточного вещества до максимального насыщения минеральным компонентом, т. е. осуществляется ремоделирование ретикулофиброзной костной ткани в пластинчатую. Четвертый этап остеогистогенеза — процесс формирования пластинчатой костной ткани. Процесс перестройки формирующейся кости на этом этапе связан с формированием непрерывного слоя пластинчатой костной ткани, местами состоящей из нескольких слоев пластинок (на поверхности трабекулы), чтобы противодействовать максимальной величине вектора нагрузки. Затем происходит градиентное утолщение стенок ячеек за счет отложения новых слоев костной ткани в участках повышенной нагрузки и рассасывание стенок ячеек в тех местах, где нагрузка ниже. Так как межтрабекулярные пространства сообщаются друг с другом, то из надкостницы через систему прободающих каналов остеобласты переходят в слой центральных каналов ячеек. Формируется внутренний слой остеобластов, выстилающих костномозговую полость кости, или эндост. В том случае, если нагрузка на кость продолжает возрастать, то из соединяющихся между собой периферических ячеек под слоями генеральных пластинок начинают формироваться остеоны. Таким образом, сформированная путем прямого остеогенеза кость представляет собой градиентную по биомеханическим качествам систему, состоящую из структурно-функциональных единиц различной сложности (наружных и внутренних генеральных пластинок, остеонов) и включающую взаимодействующие между собой тканевые компоненты (опорно-трофический, микроциркуляторный, нервный и иммунный). Непрямой остеогистогенез — это способ развития костной ткани через стадию хрящевой. При непрямом остеогистогенезе в участках внутренней среды тела зародыша в соответствии с генетической программой и действующими условиями из клеток скелетогенной мезенхимы возникают скопления клеток, которые противодействуют силам нагрузки и, контактируя друг с другом, формируют так называемый перепончатый скелет, или скелетобластему. Клеточные скопления перепончатого скелета располагаются прежде всего вокруг нервной трубки, образуя осевой скелет, и врастают в закладку конечностей. Скопления клеток, участвующих в образовании перепончатого скелета, закладываются из той части сомитов, которые получили название склеротома. В процессе формирования участков перепончатого скелета имеет место гетерогенность клеточного состава, включающего клетки эктодермы и эктомезенхи-

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

261

мы. Участки перепончатого скелета по общей форме весьма приблизительно соответствуют будущим группам костей скелета. В их составе можно выделить периферические участки, без четкой границы переходящие в окружающую мезенхиму, и центральные участки, состоящие из более крупных клеток. В местах контакта частей перепончатого скелета, который формируется не только в соответствии с генетической программой, но и в местах перепада и перехода нагрузок, регистрируются два процесса: в участках, где разнопеременные нагрузки имеют критическую величину, происходят дистрофические и некротические изменения клеток; в других участках, в которых эти нагрузки ниже критической величины, имеет место фиброгенная дифференцировка клеток. Указанные участки соответствуют зонам формирования будущих суставов. Складывающиеся на этом этапе развития зародыша условия, при которых на перепончатый скелет приходятся все возрастающие нагрузки, а сосудистое русло еще не сформировалось, приводят к тому, что клетки участков перепончатого скелета претерпевают хондрогенную дифференцировку и сравнительно быстро образуют вокруг себя хрящевой матрикс. Одновременно происходит дальнейшее расщепление общих зачатков на участки, соответствующие будущим костям скелета. В связи с хондрогенной дифференцировкой перепончатый скелет преобразуется в хрящевой, а в участках контакта хрящевых моделей усиливаются некротические изменения клеток, ведущие к формированию полостей будущих суставов; происходит дифференцировка клеток, выстилающих поверхность суставов и капсулы — синовиоцитов и фибробластов, формирующих наружные слои суставных капсул и связок. В связи с этими процессами хрящевые модели большинства костей имеют суставные концы, входящие в состав суставов, и тело, окруженное надхрящницей. В составе надхрящницы располагаются полипотентные стволовые клетки линии механоцитов, которые являются исходным материалом для дифференцировки в прехондробласты и хондроциты, и за счет этого осуществляется рост хрящевых моделей в толщину. Благодаря формированию сосудистого русла и врастанию сосудов в участки наиболее активных морфогенетических перестроек, что имеет место в надхрящнице, и возрастанию нагрузок на хрящевые модели, как в связи с общим увеличением массы плода, так и действием мышечного аппарата, в надхрящнице складываются условия, необходимые для остеогенной дифференцировки потомков стволовых клеток. В связи с тем что по биофизическим закономерностям пик нагрузки приходится на поверхности тела хрящевых моделей, именно здесь образуется слой губчатой костной ткани — костная манжетка, а процесс образования костной ткани в этом месте определяется как периостальный остеогенез. Охватывая тело хрящевой модели, костная манжетка увеличивает ее прочность, но ухудшает трофику хрящевой ткани. В связи с этим в ее центральных отделах происходят дистрофические и некротические изменения хондроцитов, приводящие к нарушению структуры хрящевого матрикса и процессам пассивного отложения минеральных солей. Сочетание продуктов распада с гиперконцентрацией минералов является мощным индуцирующим фактором для хондролиза, ангиогенеза и остеогенеза со стороны клеточных комплексов костной манжетки. От внутренней поверхности костной манжетки по направлению к центральным отделам хрящевой модели начинают врастать сосудистые поч-

262

Ãëàâà 5

ки. У вершины сосудистой почки расположены клеточные элементы, обладающие хондролитическими свойствами, за счет действия которых в хрящевой ткани формируется канал. Непосредственно за этой группой клеток расположены эндотелиоциты, образующие гемокапилляр, а по периферии обнаруживаются клетки, обладающие остеогенными потенциями. Виды костной ткани. Строение. Различают пластинчатую (тонковолокнистую) и ретикулофиброзную (грубоволокнистую) костные ткани. Ретикулофиброзная (грубоволокнистая) костная ткань обнаруживается у плодов, а у взрослых — в местах прикрепления сухожилий мышц к костям, в местах зарастания черепных швов, в зубных альвеолах, в костном лабиринте внутреннего уха. В любом возрасте этот вид костной ткани может появляться в ответ на повреждение, в результате лечения, стимулирующего костеобразование, а также при нарушениях метаболизма, воспалительных и неопластических процессах. Ретикулофиброзная костная ткань характеризуется высокой скоростью формирования и обмена. Межклеточное вещество этой костной ткани состоит из мощных пучков коллагеновых волокон, расположенных параллельно или под углом друг к другу, большого количества протеогликанов и гликопротеинов и имеет низкое содержание минеральных солей. Плотность расположения остеоцитов более высокая, чем в пластинчатой костной ткани. Остеоциты уплощены, лежат в лакунах и не имеют определенной ориентации по отношению к волокнам. Пластинчатая костная ткань отличается от ретикулофиброзной костной ткани упорядоченным расположением коллагеновых волокон в составе костных пластинок. Костные пластинки, в свою очередь, формируют параллельные концентрические слои — остеоны — структурно-функциональные единицы пластинчатой кости. Остеоны вместе с другими костными пластинками (наружные, внутренние окружающие пластинки, вставочные пластинки) формируют основную массу компактной кости человека. Суммарно в составе компактной кости минеральный компонент матрикса по весу и в процентном отношении несколько меньше органического (табл. 5.2). Клетки костной ткани являются потомками стволовой стромальной и стволовой кроветворной клеток. Наименее дифференцированными предшественниками остеобластов во взрослом организме являются стволовые стромальные клетки костного мозга. Остеобластический клеточный дифферон представлен следующим рядом: стволовая стромальная клетка—остеогенная клетка—преостеобласт—остеобласт—остеоцит. Òàáëèöà 5.2 Суммарный состав компактного вещества кости (ïî: Hauschka P. V., Wians F. H., 1989) Компактная кость

Плотность*, г/см3

Процент по весу

Процент по объему

Клетки + жидкость Минеральные компоненты матрикса Органические компоненты матрикса

1,05 3,15 1,41

10 60 30

15 40 45

* Плотность компактной кости — 2,10 г/см3.

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

263

Стволовые стромальные клетки (ССК). Они локализуются в строме красного костного мозга и других кроветворных органов, представляют собой малодифференцированные клетки, обладающие способностью при определенных условиях дифференцироваться по остеобластическому пути. Морфологически ССК — это фибробластоподобные веретеновидные клетки, находящиеся в фазе G0 клеточного цикла и составляющие регенеративный резерв костной ткани, мобилизуемый при физиологической и репаративной регенерации. ССК во взрослом организме, как потомки скелетогенных мезенхимальных клеток, способны к дифференцировке не только в костные и хрящевые клетки, но также в фибробласты, адипоциты и гладкие миоциты. Выявлен единственный достоверный маркер ССК — STRO-1 (моноклональное антитело, представленное IgM, связывающееся с поверхностным антигеном ССК). Получены данные, свидетельствующие о циркуляции ССК в периферической крови различных лабораторных животных и человека в норме и в условиях удлинения конечности у собак в эксперименте. Остеогенные клетки. Следующий этап дифференцировки ССК — остеогенные клетки, являющиеся частично коммитированными, камбиальными в остеобластическом клеточном диффероне. Дифференцировка остеогенных клеток сопряжена со снижением транскрипции генов, кодирующих белки, которые участвуют в пролиферации и адгезии, и повышении транскрипции генов остеобласт-специфических белков. Следовательно, этот процесс сопровождается продуцированием органического матрикса, т. е. накоплением коллагенов II, III и IX типов, с переключением по мере дифференцировки на X тип. Лишь на следующей стадии (остеобласты) характерен синтез преимущественно коллагена I типа. Остеогенные клетки синтезируют также неколлагеновые белки костного матрикса — остеокальцин (ОК), остеопонтин (ОП), костный сиалопротеин (КСП), остеонектин, костные морфогенетические белки (КМБ). Кроме того, для них характерен синтез щелочной фосфатазы (ЩФ). В процессе дифференцировки наблюдается смена рецепторов к ростовым факторам. Так, у остеогенных клеток существенно снижается количество рецепторов TФР-β, который стимулирует их пролиферацию и ингибирует их дифференцировку по остеобластическому пути. Показано, что рецепторы TФР-β последовательно уступают место рецепторам КМБ. Популяция остеогенных клеток считается неоднородной. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при культивировании фибробластоподобных клеток стромы костного мозга они могут давать начало двум типам клеток — детерминированным остеогенным клеткам-предшественникам и индуцибельным остеогенным клеткам-предшественникам. Первые для реализации своих остеогенных потенций не нуждаются в какой-либо индукции, но для остеобластической дифференцировки им необходимо наличие тесных межклеточных контактов с клетками микроокружения. Индуцибельные элементы проявляют остеогенные свойства только после действия определенных индукторов остеогенеза. Индуцибельными к остеогенезу являются адвентициальные клетки (периваскулоциты) — клетки, сопровождающие кровеносные сосуды микроциркуляторного русла. Также они локализованы в надкостнице и экстраскелетных органах, в то время как детерминированные заключены в костях

264

Ãëàâà 5

скелета. Дифференцировка остеогенных клеток сопровождается снижением их пролиферативной активности, что проявляется в удлинении G1 и S периодов интерфазы. Преостеобласты — промежуточная стадия дифференцировки остеогенных клеток по направлению к остеобластам. Это унипотентные клетки-предшественники остеобластов, составляющие пул дифференцирующихся клеток. Клетки содержат рецепторы маркеров стромальных клеток. Иммунофенотип преостеобластов — STRO-1+/ALP+, где ALP — антитело ЩФ. Остеобласты являются наиболее функционально активными клеточными элементами дифферона при остеогистогенезе. Во взрослом организме источниками, поддерживающими популяцию остеобластов, являются клетки внутреннего слоя надкостницы, эндоста, обнаруживаются они и среди клеток стромы костного мозга и в составе стенки кровеносных сосудов. По своему фенотипу остеобласты — типичные активно синтезирующие и секретирующие клетки, имеют кубическую или призматическую форму, эксцентрично расположенное ядро. В клетке имеется хорошо развитая ГЭС, заполняющая практически всю цитоплазму, множество свободных рибосом и полисом, что свидетельствует о выраженной белок-синтезирующей функции (рис. 5.22). Дифференцировка остеобластов происходит во времени и пространстве, в каждый конкретный момент клетка находится на определенном этапе этого процесса, поэтому если для дифференцирующихся остеобластов и характерны некоторые пролиферативные потенции, то на высоте функциональной активности они утрачивают их окончательно. Остеобласты секретируют подавляющее большинство компонентов органического костного матрикса — коллаген I типа, ЩФ, неколлагеновые белки, коллагеназу и др. Только совокупность биохимических признаков позволяет

Рис. 5.22. Остеобласт, активно синтезирующий органическую основу межклеточного вещества; признаки минерализации органического матрикса: 1 — ядро; 2 — цитоплазма с хорошо развитой ГЭС; 3 — минерализующийся остеоид. Электронная микрофотография. Ув. 15 000

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

265

достоверно идентифицировать остеобласты: комбинация ОК и ЩФ в высокой концентрации, синтез коллагена I типа (в отсутствие синтеза коллагена III типа) и наличие рецепторов паратиреоидного гормона характерны для остеобластического фенотипа. Высоко дифференцированные остеобласты характеризуются постепенным снижением активности ЩФ, OК, ОП и отсутствием пролиферативной активности. Остеобластам принадлежит ведущая роль в минерализации органической основы костного матрикса, так называемого остеоида. Считается, что процесс минерализации костного матрикса начинается с отложения аморфного фосфата кальция. Во внеклеточный матрикс катионы кальция попадают из кровотока, где находятся в связанном с белками состоянии. Известно, что в присутствии ЩФ, синтезированной остеобластами, находящиеся в межклеточном веществе глицерофосфаты расщепляются с образованием фосфат-аниона. Избыток последнего приводит к локальному увеличению кальция и фосфора до уровня, при котором фосфат кальция выпадает в осадок. Подавляющая фракция минерала кости находится в виде кристаллов гидроксиапатита. Кристаллы, как правило, образуются на коллагеновых волокнах костного матрикса. Молекулы предшественника коллагена таким образом упакованы в волокно, что между окончанием одной и началом другой остается зазор, называемый зоной отверстий. Именно в этой зоне первоначально и откладывается костный минерал. В дальнейшем кристаллы начинают расти в обе стороны, и процесс охватывает все волокно. Существенная роль в минерализации синтезированного органического матрикса кости принадлежит матриксным пузырькам. Такие пузырьки являются производными комплекса Гольджи остеобластов, имеют мембранное строение и содержат различные ферменты, необходимые для регулирования минерализации, а также аморфные фосфаты кальция. Матриксные пузырьки выходят из клеток во внеклеточное пространство и высвобождают заключенные в них продукты. Последние инициируют процессы минерализации матрикса. Кроме биохимической системы минерализации матрикса, существует и противодействующая ей система ингибиторов минерализации (с участием остеокластов), препятствующая, в частности, кальцификации межклеточного вещества волокнистой соединительной ткани. Выстилающие кость клетки. К концу продуктивного периода остеобласты, покрывающие кость со стороны костномозгового канала, становятся плоскими и входят в состав эндоста. Такие клетки называются выстилающими. Для их обозначения используется ряд синонимов: покрывающие кость клетки, неактивные остеобласты, поверхностные остеоциты и др. В них мало органелл, находятся выстилающие клетки в тех местах кости, где не происходит формирования остеоида и резорбции. Для этих клеток характерны тесные контакты как между собой, так и с остеоцитами посредством отростков, проникающих в костный матрикс. Важная роль принадлежит данным клеткам в регулировании диффузии ионов кальция из кости в костномозговой канал, а также в обеспечении дифференцировки кроветворных клеток. Остеоциты представляют собой терминальную стадию дифференцировки, пролиферация у которых необратимо блокирована. В цитоплазме остеоцитов

266

Ãëàâà 5

Рис. 5.23. Остеоцит в лакуне. Электронная микрофотография. 1 — ядро остеоцита; 2 — отростки остеоцита; 3 — лакуна. Ув. 16 000

обнаруживаются слаборазвитые элементы гранулярной эндоплазматической сети, комплекса Гольджи, отдельные митохондрии и свободные рибосомы, но ультраструктура этих клеток зависит от стадии жизненного цикла, действия на организм экзо- и эндогенных факторов. Остеоциты выполняют функцию обеспечения целостности костного матрикса за счет участия в образовании белкового и полисахаридного компонентов межклеточного вещества, в регуляции минерализации костной ткани, остеоцитарном остеолизе, в ответе на изменяющиеся механические стимулы. Остеоциты и выстилающие кость клетки расположены оптимально для восприятия любых изменений упругого напряжения костной ткани, трансформации механических стимулов в биохимические сигналы, инициировании процессов ремоделирования в определенном ее локусе. Остеоциты расположены в костных лакунах, окруженных минерализованным межклеточным веществом. Имеют весьма длинные (50—60 мкм при среднем размере тела клетки 15 × 45 мкм), контактирующие между собой отростки, проходящие в костных канальцах (рис. 5.23). Посредством отростков они контактируют с выстилающими клетками и остеобластами, выполняя роль посредников сигналов к костной резорбции, обеспечивая переход некоторых молекул (Са2+, цАМФ) из клетки в клетку. Функциональным доказательством таких межклеточных связей в костной ткани может служить явление электропроводимости, а также скоординированный ответ группы остеобластов на локальный механический или биохимический стимул при ремоделировании. In vitro такие контакты визуализированы, определены белки, участвующие в их образовании, — это конексин-43 и конексин-45, что позволяет расценивать взаимодействие этих клеток как функциональный «синцитий». Периостеоцитарные пространства между плазматической мембраной остеоцита и матриксом содержат интерстициальную жидкость, по которой метаболиты поступают к клеткам. Общая площадь периостеоцитарных пространств в костях человека

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

267

составляет от 1000 до 5000 м2, а объем — 1—1,5 л. В этих пространствах содержится Ca2+, концентрация которого равна 0,5 ммоль/л, что практически в 3 раза ниже концентрации в плазме крови. Возможно, за счет этого осуществляется постоянный приток Ca2+ в костную ткань. Остеокласты — крупные (150—180 мкм) многоядерные клетки, резорбирующие костную ткань. Остеокласт возможно рассматривать как симпласт — многоядерную структуру, являющуюся результатом слияния клеток-предшественников. Совместно с остеобластами они участвуют в ремоделировании костных тканей в эмбриональном, постнатальном и регенерационном остеогенезе. Исходя из гемопоэтического происхождения этих клеток, остеокластический клеточный дифферон включает: стволовую кроветворную клетку — КОЕ-ГЭММ — КОЕ-Мо — монобласт—моноцит—преостеокласт—остеокласт. Считается, что моноциты, макрофаги и остеокласты имеют сходную природу и объединяются в единую фагоцитарную систему. Существуют сведения о том, что непосредственные предшественники указанных клеток могут быть различны. Так, преостеокласты циркулируют в крови в виде мононуклеарных клеток, достигают участков резорбции, сливаются друг с другом и дают начало остеокластам. Большую роль в дифференцировке предшественников остеокластов играют клетки микроокружения, в том числе и ССК. Они вырабатывают колониестимулирующий фактор роста гранулоцитов и макрофагов, который в сочетании с ИЛ-1 и ИЛ-3 обеспечивает фенотипические проявления остеокластов: многоядерность, синтез тартрат-резистентной кислой фосфатазы, экспрессию кальцитониновых и витронектиновых рецепторов. В структуре остеокластов различают базальную, светлую и везикулярную зоны, а также гофрированную каемку. Различные компартменты остеокластов специализированы для выполнения определенных функций. Самый большой отдел клетки — базальная зона, в ней в составе многочисленных (20—80) ядер сосредоточен генетический аппарат клетки. Особое значение имеет светлая зона клетки, непосредственно контактирующая с костным матриксом. Поверхностью светлой зоны остеокласт плотно адгезируется к кости, создавая изолированное пространство между собой и минерализованным матриксом (рис. 5.24). Адгезия остеокласта обеспечивается за счет ряда рецепторов компонентов матрикса, основными из которых являются рецепторы витронектина. Избирательная проницаемость этого барьера позволяет создавать специфическую микросреду в зоне адгезии клетки. «Рабочей» областью остеокласта является везикулярная зона, содержащая структуры со свойствами лизосом. Из нее через мембрану гофрированной каемки транспортируются ферменты, кислые субстанции, осуществляющие деминерализацию и дезорганизацию костного матрикса, что приводит к формированию резорбционной (эрозионной) лакуны Хаушипа. Лизосомальные ферменты осуществляют протеолиз коллагена и других белков матрикса. Продукты протеолиза удаляются из остеокластических лакун трансцеллюлярным транспортом. Процесс снижения рН в лакуне осуществляется двумя механизмами: путем экзоцитоза кислого содержимого вакуолей в лакуну и благодаря действию протонных насосов — Н+-АТФаз, локализованных в мембране гофрированной каемки. Процесс образования катионов водорода включает цепь последова-

268

Ãëàâà 5

Рис. 5.24. Остеокласт: Я — ядро; М — митохондрии; Л — лизосомы; ЭР — эндоплазматический ретикулум; КГ — комплекс Гольджи; СЗ — светлая зона; ГК — гофрированная каемка

тельных реакций. Источником для ионов водорода служат вода и диоксид углерода, являющиеся результатом митохондриальных реакций окисления. Ее катализирует фермент карбоангидраза. Маркерами остеокластов считаются карбоангидраза и тартрат-резистентная кислая фосфатаза. Последний фермент дефосфорилирует остеопонтин и костный сиалопротеин, что имеет значение в прикреплении и миграции остеокластов. Важным фенотипическим проявлением остеокластов является экспрессия рецепторов кальцитонина. Кальцитонин, будучи гипокальциемическим гормоном, снижает мобилизацию кальция из костей путем прямого воздействия на преостеокласты и остеокласты. Под его воздействием уменьшаются их количество и функциональная активность. Паратиреоидный гормон (ПТГ) реализует свое действие с участием остеокластов. В экспериментах in vivo и in vitro показано стимулирующее его влияние на образование остеокластов из гемопоэтических клеток костного мозга. Также он повышает активность остеокластов, выражающуюся в появлении гофрированной каемки. В результате резко увеличивается выход кальция из костей в кровь. Очевидно, что ПТГ оказывает непрямое воздействие на остеокласты, поскольку они не имеют рецепторов этого гормона. Такие рецепторы идентифицированы у остеобластов, их и считают посредниками в этой метаболической цепи. Регулирующее действие на малодифференцированные клетки остеокластической линии оказывает RANKL (лиганд рецептора-активатора ядерного фактора кВ), экспрессируемый остеобластами, Т-лимфоцитами, хондроцитами и др. При взаимодействии RANKL с RANK (рецептор-активатор ядерного фактора кВ) предшественников остеокластов стимулируется дифференцировка и активация этих клеток, ингибируется их апоптоз, что приводит к усилению остеокластической резорбции костной ткани. В целом в качестве регуляторов функциональной активности остеобластов выступают системные и локальные факторы (табл. 5.3).

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

269 Òàáëèöà 5.3

Факторы, регулирующие функциональную активность остеокластов Стимулирующие

Ингибирующие

Системные Паратгормон (ПТГ) Кальцитриол (1,25(ОН)2D3) Тироксин (Т4)

Кальцитонин Эстрогены Тестостерон Локальные

Интерлейкины (IL-1, IL-3, IL-6, IL-11) Факторы некроза опухолей (TNF-á, TNF-â) Макрофагальный колониестимулирующий фактор (M-CSF) Гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор (GM-CSF) Фактор стволовых клеток (SCF) Простагландины

Интерферон-ã (IFN-ã) Трансформирующий фактор роста (TGF-â) Интерлейкины (IL-4, IL-13)

Активированные остеокласты способны резорбировать около 200 мкм3 костной ткани в сутки, т. е. то количество, которое образуют 7—10 генераций остеобластов на протяжении 15—20 суток. Кроме остеокластической резорбции костной ткани возможен и остеоцитарный остеолиз. Характеризуя в целом основные клеточные линии костной ткани, следует отметить, что каждой из них на определенной стадии дифференцировки присущи собственные функции. Межклеточное взаимодействие, прицельная регуляция функционирования клеток осуществляется как на локальном уровне посредством межклеточных контактов и аутокринных влияний, так и на системном уровне посредством гормонов и веществ с гормоноподобным действием. Межклеточное вещество — это костный матрикс, который составляет 50 % сухого веса кости. Состоит из органической (25 %), неорганической (50 %) частей и воды (25 %). Органическая часть. Почти на 95 % состоит из коллагена I типа и на 5 % из неколлагеновых белков. Помимо коллагена и неколлагеновых белков матрикс содержит гликозаминогликаны. Органические вещества костного матрикса синтезируются остеобластами, а также доставляются тканевой жидкостью. Образование коллагена включает два этапа. На первом происходит внутриклеточный синтез рибосомами остеобластов предшественника коллагена — проколлагена. Далее он подвергается внутриклеточной посттрансляционной модификации. Сборка проколлагена происходит с образованием дисульфидных связей в С-концевых областях его молекулы, после чего образуется структура из трех цепей, вместе закрученных в спираль. Такая молекула секретируется остеобластами во внеклеточное пространство. После секреции во внеклеточном матриксе происходит сборка тропоколлагена — мономеров коллагена.

270

Ãëàâà 5 Òàáëèöà 5.4 Цитокины и факторы роста в костной ткани (ïî: Oyajobi O., Russel G. G., 1992) Цитокины и факторы роста

Присутствующие в костном матриксе

Продуцируемые остеобластами

IGF-1 и IGF-2 TGF-â1 и TGF-â2 PDGF (AA, AB, BB) TGF-á FGF (основные и кислые) BDGF (â2-микроглобулины) PTH-rP GM-CSF, M-CSF IL-1á и IL-1â IL-6 IL-8 TNF-á

+ + + + + + ? ? + ? ? ?

+ + + ? + + ? + + + + +

При этом, под влиянием внеклеточной лизилоксидазы, образуются характерные для зрелого коллагена межфибриллярные сшивки — пиридинолиновые мостики, в результате чего формируются коллагеновые фибриллы. Неколлагеновые белки костного матрикса включают: белки и гликопротеины, осуществляющие адгезию клеток и матрикса (фибронектин, остеонектин, костный сиалопротеин, тромбоспондин); протеины (в том числе ферменты), способствующие минерализации органического матрикса (остеокальцин, остеопонтин, gla-протеины матрикса, щелочная фосфатаза, фосфопротеины); протеогликаны, обеспечивающие агрегацию коллагеновых фибрилл и связь коллагена с кристаллической фазой матрикса (стержневые белки, с которыми ковалентно связаны цепи гликозаминогликанов); факторы роста (фактор роста фибробластов, костные морфогенетические белки, трансформирующие факторы роста и др.) (табл. 5.4). Остеонектин — гликопротеин кости и дентина, имеет высокое сродство к коллагену I типа и к гидроксиапатиту, содержит Са-связывающие домены. Поддерживает в присутствии коллагена концентрацию фосфатов кальция. Белок участвует во взаимодействии клетки и матрикса. Щелочная фосфатаза. Синтез данного фермента считается одним из самых характерных свойств клеток остеобластического дифферона. Однако следует учитывать, что этот фермент имеет несколько изоформ (костную, печеночную, кишечную, плацентарную). Считается, что данный фермент отщепляет фосфатные группы от других протеинов, благодаря чему увеличивается локальная концентрация фосфора; разрушает ингибитор минерализации — пирофосфат. Значительное увеличение костной ЩФ в плазме крови наблюдается при росте костей, остеорепарации, болезни Педжета, остеомаляции, гиперпаратиреозе. Остеопонтин — фосфорилированный сиалопротеин. Благодаря своим физико-химическим свойствам этот белок регулирует кальцификацию матрикса,

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

271

специфично участвует в адгезии клеток к матриксу или матрикса к матриксу. Продукция остеопонтина — одно из наиболее ранних проявлений активности остеобластов. Используется как маркер в иммуногистохимии для характеристики белкового состава матрикса, в частности поверхностей раздела, где он является главным компонентом и аккумулируется в виде плотного покрова, названного линией цементации. Остеокальцин — белок матрикса кости, участвующий в процессе его кальцификации, служит маркером при оценке активности метаболизма костной ткани. Его синтез контролирует кальцитриол (1,25-дигидроксихолекальциферол) на уровне транскрипции. В процессе «созревания» в остеобластах происходит витамин К-зависимое ã-карбоксилирование трех остатков глютаминовой кислоты в молекуле остеокальцина. Во внеклеточном матриксе он активно связывается с молекулами гидроксиапатита, часть остеокальцина при этом попадает в кровоток, где его уровень может быть определен иммуногистохимическими методами. Циркулирующий в крови остеокальцин — чуствительный маркер костного метаболизма. Его определение имеет диагностическое значение при остеопорозе, остеодистрофии и гиперпаратиреозе, отражает активность остеогенеза. Костные морфогенетические белки (KMБ) — цитокины, относящиеся к основному подклассу трансформирующих факторов роста. КМБ способны индуцировать рост костной и хрящевой тканей, а именно воздействовать на пролиферацию и дифференцировку остеобластов, остеокластов, хондробластов и хондроцитов. Обработка остеогенных клеток in vitro КМБ в течение 4 недель вызывает минерализацию матрикса, повышение активности щелочной фосфатазы и концентрации мРНК. КМБ распределены по коллагеновым волокнам и клеткам костной ткани, в клетках остеогенного слоя надкостницы, а также обнаруживаются в тканях зуба. Значительна роль КМБ в процессах эмбриогенеза. Эти белки обнаруживаются со стадии гаструляции. Влияние начинается с 7-го дня, позднее оно заключается в дозозависимом увеличении числа, размеров и темпов минерализации остеогенных островков. КМБ способны осуществлять инициацию эндохондрального остеогенеза. Есть сведения, что КМБ связывают экстрацеллюлярные компоненты костного матрикса, гепарин и активирует продукцию коллагена, что способствует регенерации кости. Ведутся активные биотехнологические разработки в области клинического использования фармакологических препаратов на основе КМБ, которые показаны пациентам с нарушениями консолидации переломов, дефектами костей и др. В организме помимо системы индукции остеогенеза существует и система его подавления. Так, белок OIP — остеогенетический ингибирующий белок — является по своему биологическому действию антагонистом КМБ. Неорганическая часть межклеточного вещества в значительном объеме содержит кальций (35 %) и фосфор (50 %), образующие кристаллы гидроксиапатита — Са10(РО4)6(ОН)2, имеющие размер 20 × 5 × 1,5 нм и соединяющиеся с молекулами коллагена посредством неколлагеновых белков матрикса. Гидроксиапатит не единственная форма ассоциации кальция и фосфора в костной ткани. Кость содержит окта-, ди- и трикальций фосфат, аморфный фосфат

272

Ãëàâà 5

кальция. Кроме этого в состав неорганической части входят бикарбонаты, цитраты, фториды, соли Mg, К, Na и др. Кальций. Более 90 % кальция в организме находится в костной ткани. Около 40 % кальция связано с белком и только половина находится в ионизированной форме. Ионы кальция — ключевой регулятор клеточного метаболизма, поэтому уровень ионизированого кальция строго контролируется и рассматривается как физиологическая константа. Регуляция этого процесса осуществляется тремя органами — кишечником, почками, костями и тремя основными гормонами — паратиреоидным, кальцитриолом и кальцитонином. Всасывание кальция зависит от возраста. В первые дни после рождения усваивается почти весь получаемый кальций. Усвоение кальция остается высоким и в период роста. Заметное снижение всасывания кальция происходит после 60 лет. Фосфор. В организме фосфор находится в виде солей фосфорной кислоты. Около 80 % фосфора в организме человека связано с кальцием и образует неорганическую основу костей, служит резервуаром фосфора. Внутриклеточный фосфор представлен макроэргическими соединениями, это — кислоторастворимый фосфор. Фосфор является составной частью фосфолипидов — основных структурных компонентов мембран. Фосфор и кальций образуют плохо растворимые соединения, поэтому их общая концентрация не превышает определенного уровня и повышение одного из них, как правило, сопровождается снижением другого. Магний. Около половины всего магния организма содержится в костях. Комплекс Mg-АТФ необходим для функционирования кальциевого насоса. Физиологически активным является ионизированный магний. Минерализация костной ткани. Механизмы минерализации кости до конца не раскрыты. Предполагают, что существует несколько механизмов биоминерализации. На основе одних механизмов осуществляется минерализация пластинчатой костной ткани, других — хрящевой ткани и грубоволокнистой костной ткани. Минерализация пластинчатой костной ткани протекает следующим образом. Вначале осуществляется биосинтез коллагена, ГАГ, протеогликанов и гликопротеинов. Коллаген определенным образом располагается в костной ткани. Предполагаемая модель упаковки коллагена в кости представлена на рис. 5.25. Согласно этой модели, молекулы коллагена перекрываются лишь на 9 % их длины. Линии молекул располагаются уступами латерально и формируют фибриллы с отверстиями между концами молекул — зоны отверстий, а область, состоящая из неперекрывающихся молекул, названа зоной перекрытия. Минеральные вещества, имеющиеся в костной ткани, откладываются внутри фибрилл и между ними (преимущественно в зоне отверстий), с последующим распространением в противоположном направлении от зоны перекрытий вплоть до полной минерализации фибриллы. Периодичность минеральной фазы равна около 70 нм, т. е. соответствует периоду коллагеновых фибрилл. Транспорт остеотропных ионов исследован с помощью радионуклида 45Ca. Фракция, содержащая кальций, переносится через эндотелиальную стенку гемокапилляра в межклеточное пространство, откуда перемещается в остеобласты. Через 15 мин после введения 45Ca 60 % метки выявляется над остеобластами, а через 40 мин почти в одинаковой концентрации метка обнаруживается над клетками и над ближайшими областями межклеточного вещества. Через 6 ч

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

273

Рис. 5.25. Предполагаемая модель упаковки коллагена в кости (по: Hodge A. J., Petruska J. A., 1963). На схеме показаны перекрывающиеся молекулы коллагена, зоны отверстий (Н) и поры

более 60 % метки определяется над межклеточным веществом. Помимо опосредованного транспорта (межклеточное пространство → остеогенные клет ки → костный матрикс) допускается прямой путь через межклеточное пространство в костный матрикс. Морфологически участки минерализации представляют собой электронно-плотные частицы, расположенные между коллагеновыми волокнами (рис. 5.26).

Рис. 5.26. Минерализация колагеновых волокон. Отложения кальций-фосфата (стрелки) между коллагеновыми волокнами. Электронная микрофотография. Ув. 20 000

274

Ãëàâà 5

Существенную роль в процессах биоминерализации хрящевой ткани и грубоволокнистой костной ткани играют матриксные пузырьки, или везикулы, насыщающие органический матрикс кристаллами гидроксилапатита, что создает условия для формирования кристаллов. Матриксные пузырьки представляют собой небольшие образования (около 100 нм и более в диаметре), которые отделяются от клеточной мембраны в межклеточное пространство путем экзоцитоза. В матриксе они служат ядрами формирования кристаллов гидроксилапатита. Первичные ядра минерализации возникают на реакционноспособных группах нативных коллагенов фибрилл, комплексообразующие группировки которых обладают высоким сродством к различному роду минералам. Однако эти реакционноспособные группы блокированы сульфатированными ГАГ, обеспечивающими пространственную ориентацию макромолекул коллагена и насыщение их макро- и микроэлементами. С участием гиалуронидаз и протеаз происходит деполимеризация кислых ГАГ с освобождением аминогрупп, которые связывают Ca+2. Согласно другой гипотезе, основную роль в минерализации играют ферменты: щелочная фосфатаза, АТФаза, фосфорилаза — отщепляющие неорганический фосфат от органического субстрата. В частности, щелочная фосфатаза высвобождает неорганический фосфат из эфиров. В результате формируется локальный избыток ионов фосфора и кальция и образуются преципитаты фосфора и кальция. Кроме того, щелочная фосфатаза действует как трансфераза и обеспечивает фосфорилирование коллагена. Минерализация коллагена I типа начинается на поверхности фибрилл, а затем распространяется вглубь, формируя непрерывную минеральную фазу. Определенную роль в процессе связывания ионов играют остеокальцин, главный неколлагеновый белок кости, и â-глицерофосфат. Важным процессом, происходящим при минерализации, является разрушение ингибиторов минерализации. По мнению одних исследователей, в такой роли выступают протеогликаны, которые разрушаются деполимеризующими ферментами типа гиалуронидазы и протеазы. Другие полагают, что ингибиторами кальцификации коллагена являются пирофосфаты, фосфонаты и дифосфонаты. Инактивация этих ингибиторов происходит под воздействием фермента пирофосфатазы, разрушающего неорганический пирофосфонат. Таким образом, процесс минерализации является как ферментативным, так и физико-химическим. Вокруг сформировавшихся кристаллов гидроксилапатита удерживается гидратный слой, что обеспечивает условия для быстрого обмена неорганических ионов между поверхностным слоем кристалла, гидратной оболочкой и внеклеточной жидкостью. Интенсивность обмена кальция между внеклеточной жидкостью и минерализованным матриксом зависит от концентрационных различий в солевом составе кости, плазмы крови, а также от активности метаболических процессов, происходящих в клетках. С повышением минерализации костной ткани снижаются микроциркуляция, диффузия и обмен ионов. Кость как орган. Выделяют трубчатые, губчатые, смешанные и воздухоносные кости. В костях различают кортекс (компактное вещество) и трабекулы (губчатое вещество). На долю компактного вещества приходится около 80 % массы скелета, для губчатого — около 20 %. По структурной организа-

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

275

ции компактное и губчатое вещество костей представлено пластинчатой костной тканью, отличающейся в различных частях скелета, например, присутствием или отсутствием остеонов. В длинных трубчатых костях (например, в бедренной кости) средняя цилиндрическая часть — диафиз, представлен компактным вещестом (кортекс), эпифизы — проксимальный и дистальный концы кости, образованы губчатым веществом, метафизы — участки кости, располагающиеся между диафизом и эпифизами, где компактное вещество диафиза переходит в губчатое вещество эпифиза. Диафиз — трубчатая часть кости, компактное вещество которой сформировано двумя слоями окружающих (генеральных) пластинок (наружные и внутренние), между которыми располагается остеонный слой. На наружной поверхности кости находится надкостница, по внутренней поверхности — эндост. Полость внутри компактного вещества в зависимости от возраста заполнена красным или желтым костным мозгом. Остеоны, ориентированные параллельно длинной оси кости, представляют собой динамическую структуру. В ответ на увеличение нагрузки происходит образование новых слоев костной ткани по внутренней поверхности центрального канала остеона, что ведет к возрастанию количества пластинок и сужению его просвета. При уменьшении нагрузки резорбционная деятельность остеокластов на поверхности канала ведет к уменьшению количества пластинок у остеонов и расширению просвета центрального канала. Остеоны разделяют на три группы. Первую группу составляют растущие остеоны с хорошо выраженным центральным каналом и узким ободком остеида под слоем остеобластов. Сосуды канала, как правило, расширены и заполнены кровью. Вторую группу формируют зрелые, покоящиеся остеоны, с узким просветом центрального канала, слабо выраженным слоем уплощенных остеобластов и с суженным просветом сосудов. Третью группу образуют остеоны резорбционного типа, которые характеризуются расширенным центральным каналом, имеющим неровные контуры в связи с резорбцией костной ткани остеокластами. В просвете центрального канала определяется значительное количество клеточных элементов, расширенные и заполненные кровью сосуды. Изменение величины нагрузки создает условия для перехода от растущих остеонов к зрелым формам и от зрелых к резорбционным, а также от резорбционных остеонов к зрелым, что создает гетероморфию остеонов в пределах кости. Перестройка остеонов продолжается всю жизнь. Число остеонов, приходящихся на единицу площади среза в пластинчатой кости, с годами уменьшается. Кроме того, в молодом возрасте остеоны имеют более крупные размеры, а в старческом их диаметр значительно уменьшен, а по внутренней поверхности формируется гиперкальцифицированное кольцо. Между остеонами располагается слой пластинок, получивших название вставочных. Коллагеновые волокна в костных пластинках имеют упорядоченное расположение — под углом к волокнам соседних пластинок, что обеспечивает прочностные свойства. Здесь же обнаруживаются костные канальцы, содержащие отростки остеоцитов. Тела остеоцитов располагаются в лакунах.

276

Ãëàâà 5

Интерстициальные каналы компактного вещества включают два звена микроциркуляции, которые являются единой трофической системой. Первое звено — это центральные, прободающие и соединительные каналы, содержащие кровеносные сосуды. Центральные каналы располагаются в центре остеона, имеют различный диаметр (от 30 до 150 мкм), стенки этих каналов образованы костными пластинками. Они ориентированы, в основном, вдоль длинной оси кости, и лишь отдельные из них имеют тангенциальную ориентацию. Прободающие каналы (диаметр от 30 до 60 мкм) располагаются в кости по направлению от периоста и эндоста к центральным каналам. Соединительные каналы выполняют роль анастомозов между центральными каналами. Второе звено — лакунарно-канальцевая система, которая обеспечивает обмен между остеоцитами и кровью. Лакуны остеоцитов в кости разделяют на 5 типов в зависимости от функциональной активности клеток: 1) неактивная лакуна, имеющая ровные границы, характеризует фазу покоя остеоцитов, на этой фазе поддерживается тонкая регуляция гомеостазиса кальция и фосфора; 2) остеолитическая лакуна — лакуна больших размеров и неправильной формы, остеоциты, располагающиеся в таких лакунах, содержат большое количество лизосом и осуществляют периостеоцитарный остеолиз (син.: остеоцитарная остеоклазия); 3) остеопластическая лакуна — по стенкам лакуны определяется большое количество новообразованных радиально расположенных коллагеновых волокон; методом тетрациклиновой метки доказано, что разрушение кости и ее созидание происходят синхронно, остеоциты, располагающиеся в таких лакунах, содержат развитую ГЭС; 4) пятнистая лакуна — остеоциты, располагающиеся в лакуне, окружены ореолом из кальцифицированного и некальцифицированного матрикса, обычно такие лакуны определяются в костной ткани при патологических состояниях (флюорозе, рахите и др.); 5) пустая лакуна, содержащая продукты распада остеоцитов; после гибели остеоцитов такие лакуны окружены сверхминерализованной тканью. Клеточные лакуны соединяются с канальцами, формируя единую лакунарно-канальцевую систему. Эпифизы. Губчатое вещество состоит из анастомозирующих между собой костных трабекул, между которыми в межтрабекулярных пространствах располагаются красный или желтый костный мозг, ретикулярная ткань. Основным формообразующим фактором костной трабекулы является вектор нагрузки, величина и направленность которого определяют ориентацию макромолекулярных компонентов межклеточного вещества. В связи с тем что формирование костной трабекулы происходит во внутренней среде организма, за пределами остеогенных тканей располагается собственно соединительная ткань, формирующая для костной трабекулы среду микроокружения, через которую она связана с другими структурами организма. Кроме того, в соединительной ткани микроокружения располагаются все компоненты микроциркуляторного русла, по которым к костной трабекуле, начиная с первых моментов ее существования в виде остеобластического островка, обеспечивается поступление необходимых пластических и энергетических молекулярных компонентов.

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

277

Формирующиеся и существующие костные трабекулы находятся под нейрогуморальным регуляторным влиянием, которое осуществляется за счет афферентных и эфферентных нервов с соответствующими нервными окончаниями и за счет гуморальных (прежде всего, гормональных) регуляторов, поступающих к костной трабекуле по сосудам микроциркуляторного русла; тканевых гормонов, синтезируемых самими клетками кости (простагландинов), и других факторов микроокружения. Наконец, все вышеуказанные тканевые компоненты находятся под контролем клеточных элементов иммунной системы, а именно Т- и В-лимфоцитов и макрофагов, перемещающихся из кровеносных сосудов в среду микроокружения костной трабекулы и в обратном направлении. Перестройка костной трабекулы осуществляется за счет остеосинтетической и остеолитической активности остеобластов, остеоцитов и остеокластов. Отложение новообразованного костного межклеточного вещества на поверхности костной трабекулы в одних участках и рассасывание в других дает возможность в сравнительно короткий срок существенно изменить ориентацию костной трабекулы. Наименее нагружаемые участки подвергаются рассасыванию с помощью остеокластов. Вместе с тем следует отметить, что костная трабекула, которая может иметь различную форму, обеспечивает выполнение опорной функции только при противодействии одному вектору, т. е. в одной плоскости. Учитывая, что организм человека испытывает действие векторов нагрузки как минимум в трех плоскостях, костная трабекула является исходной структурой для более сложных трехмерных опорных конструкций. Такой конструкцией является костная ячейка, сформированная костными трабекулами, между которыми располагаются ретикулярная ткань, красный или желтый костный мозг, которую в идеальном приближении можно считать кубом, имеющим вход во внутреннее пространство через одну из стенок (рис. 5.27). Костные трабекулы одной стенки переходят без границы в костные трабекулы других стенок, и в связи с этим сохраняется основной принцип: костная ткань заключена между двумя слоями остеобластов — наружным и внутренним, которые переходят один в другой в местах входа в ячейку. Микорциркуляторное русло, нервная ткань и клеточные элементы иммунной системы, красный и желтый костный мозг окружены костными трабекулами и формируют межтрабекулярное пространство. Рис. 5.27. Структурные компоненты ячейки кости: 1 — соединительная ткань; 2 — синусоидные капилляры; 3 — очаги кроветворения; 4 — жировые клетки; 5 — костные табекулы, формирующие стенки костной ячейки

278

Ãëàâà 5

Рис. 5.28. Остеон компактного вещества кости: 1 — центральный канал остеона; 2 — лакуны остеоцитов; 3 — канальцы отростков остеоцитов. СЭМ. Ув. 600. Препарат О. В. Слесарева

Следует отметить две особенности. Одна заключается в том, что в момент формирования межтрабекулярных пространств лимфатические капилляры располагаются вблизи костных трабекул, что, вероятно, обусловлено особенностью гидродинамических условий. Артериальный приток в межтрабекулярное пространство происходит под несколько большим давлением, и это обусловливает повышенное давление тканевой жидкости и затрудняет формирование лимфатических капилляров. Вторая особенность связана с тем, что межтрабекулярное пространство оказывается благоприятной средой для очагов кроветворения как с точки зрения биомеханических, так и метаболических условий, что обусловливает заселение кости красным костным мозгом, с последующей возрастной перестройкой в желтый костный мозг. Высокие биомеханические качества костных трабекул, формирующих сеть, определяют возможность построения из них крупных и прочных макроскопических опорных структур и в связи с этим большинство коротких костей построены таким образом. Вместе с тем в длинных костях, где величины нагрузок существенно возрастают, система межтрабекулярного пространства характерна только для эпифизов и метафизов. Необходимая прочность в диафизе создается за счет трубчатых систем — остеонов (рис. 5.28). В зависимости от условий, складывающихся в межтрабекулярных пространствах, они заполнены ретикулярной тканью с расположенными в ней сосудами, нервами, многочисленными участками красного костного мозга и единичными жировыми клетками, или жировой тканью. Метафизы расположены между диафизом и эпифизами, в соответствии с этим в структурной организации их присутствует как компактное вещество кости (в отделах, переходящих, в диафиз), так и губчатое (в отделах переходящих в эпифиз). Надкостница (периост). По поверхности кости формируется надкостница, которая состоит из внутреннего остеогенного (камбиального) слоя, где находятся остеобласты, преостеобласты и стволовые скелетогенные клетки, и на-

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

279

ружного фиброзного слоя, образованного плотной волокнистой соединительной тканью. Внутренний слой надкостницы включает скелетогенные клетки, которые способны дифференцироваться в хрящевые или костные. Клеточные элементы надкостницы располагаются в три слоя: первый состоит из преостеобластов, мелких стволовых клеток; второй — из остеобластов, между которыми располагаются капиллярные петли, и третий — из фибробластов, формирующих коллагеновый каркас. Ультраструктура этих клеток вариабельна и зависит от степени дифференцировки. Цитоплазма у малодифференцированных клеток базофильна, определяется высокая плотность свободных рибосом, что свидетельствует об интенсификации ростовых процессов. По мере дифференцировки клеток возрастает объем ГЭС. Клетки остеогенного слоя надкостницы принимают участие в процессах перестройки кости, при развитии, росте и регенерации. Наружный слой надкостницы представлен плотной волокнистой соединительной тканью, состоящей из коллагеновых волокон, небольшого числа эластических волокон и фибробластов. Надкостница содержит сосуды. В наружном слое надкостницы имеется сеть лимфатических сосудов. В остеогенном слое капиллярные петли располагаются межу остеобластами. Надкостница прочно крепится к поверхности кости за счет пучков прободающих волокон (волокон Шарпея). В остеогенном и фиброзном слоях надкостницы располагается макрои микроциркуляторное русло с многочисленными анастомозами как между сосудами надкостницы, так и через прободающие каналы с сосудами центрального канала остеонов и с сосудами эндостального слоя. В наружном слое надкостницы имеется сеть лимфатических сосудов. В остеогенном слое капиллярные петли располагаются между остеобластами, образующими слой на системе наружных окружающих пластинок. Эндост. Со стороны костного мозга кость выстлана тонкой оболочкой, аналогичной периосту. Однако граница между наружным и внутренним слоями менее выражена. В покоящейся кости в нем обнаруживается непрерывный слой выстилающих кость клеток. Слой остеогенных клеток может быть нарушен деятельностью остеокластов, выполняющих резорбцию костного матрикса для пополнения потребности организма в кальции. Остеогенные потенции клеток эндоста проявляются в условиях развития, роста и регенерации. Таким образом, кость следует рассматривать как сложно организованную, многоуровневую и многотканевую систему. Это позволяет оценить процессы жизнедеятельности кости на различных этапах онтогенеза в норме и при патологических процессах. Механизмы поддержания постоянства структуры при физиологических состояниях являются основой для понимания механизмов восстановления структуры и функции кости при повреждении. ÂÎÇÐÀÑÒÍÛÅ ÈÇÌÅÍÅÍÈß È ÐÅÃÅÍÅÐÀÖÈß

В постнатальном периоде в органах, построенных из костной ткани, постоянно происходят два противоположно направленных процесса — резорб4 ция и новообразование, за счет чего в течение года реконструируется около

280

Ãëàâà 5

10 % объема скелета взрослого человека. Часто в качестве синонимов этих явлений в клинической литературе используются понятия ремоделирование и моделирование. Соотношение интенсивности резорбции и остеогенеза зависит от множества внутренних и внешних факторов, среди которых следует в первую очередь указать возраст. До 20 лет процесс образования кости преобладает над костной резорбцией. К 25 годам в организме формируется так называемый пик костной массы, представляющий собой наивысшее значение костной массы, достигнутое в ходе онтогенеза. До 35—40 лет поддерживается нулевой баланс костного метаболизма, т. е. между процессами резорбции и костного формирования — физиологической регенерацией костной ткани наступает период относительного равновесия. Затем потеря костной массы у мужчин составляет 0,5—2,0 % в год, у женщин — 2—3 %, с ускорением в течение 5—10 лет после наступления менопаузы. Показано, что в течение всей жизни женщины теряют до 35 % компактного и до 50 % губчатого вещества кости. Для мужчин этот показатель составляет соответственно — 25 и 20 %. Такое снижение костной массы рассматривается как возрастная атрофия. При повышении этих показателей костной резорбции можно говорить об остеопорозе. Физиологическая регенерация, или ремоделирование, костной тка5 ни. Постоянная резорбция «изношенных» костных структур и их замена осуществляется клетками костной ткани, сопряженными во временную ассоциацию — физиологический ремоделирующий гистион. Согласно концепции о кооперативном клеточном взаимодействии во время физиологической регенерации костной ткани, в этом процессе участвуют гистионы, обозначенные как базисные (основные) многоклеточные единицы (БМЕ, Basic Multicellular Unit (BMU)). Одновременно в губчатом веществе всех костей скелета функционируют около 15 млн подобных клеточных групп. Полностью цикл ремоделирования занимает около 40 дней. Процесс ремоделирования костной ткани происходит в несколько фаз, в каждую из которых ведущую роль выполняют клетки различных гистогенетических рядов — дифферонов, входящих в состав базисной многоклеточной единицы (БМЕ). В губчатом и компактном веществах кости пространственно-временная организация БМЕ различна. В губчатом веществе процессы физиологической регенерации развертываются на поверхностях костных трабекул (рис. 5.29). В первую фазу участок костной ткани, подлежащий резорбции, «отмечается» остеобластами (выстилающими кость клетками) при помощи специфических цитокинов (фаза активации). Происходит разрушение протективного слоя на поверхности костного матрикса. К такому участку кости мигрируют предшественники остеокластов, сливаются в многоядерную структуру — симпласт—дифференцированный остеокласт. В следующую фазу остеокласты деминерализуют костный матрикс (фаза резорбции), уступая место макрофагам, которые завершают разрушение органической части межклеточного вещества кости и подготавливают поверхность к адгезии остеобластов (фаза реверсии). В последнюю фазу в зону разрушения прибывают предшественники остеобластов, дифференцируются, синтезируют матрикс, способствуя его минерализации, в соответствии с новыми условиями статической и динамической нагрузки на кость (фаза формирования).

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

281

Рис. 5.29. Стадии ремоделирования в губчатом веществе кости: фаза активации: а — костная поверхность покрыта слоем покоящихся остеобластов; б — прикрепление остеокласта к кости; фазы резорбции и реверсии: в — формирование резорбционной (эрозионной) лакуны; г — резорбционная лакуна выстлана мононуклеарными клетками; д, е — дифференцировка остеобластов в резорбционной лакуне; фаза формирования. Минерализация матрикса: ж — замещение резорбированной костной ткани новообразованной; з — новообразованная костная ткань покрыта слоем покоящихся остеобластов

В компактном веществе БМЕ имеет форму цилиндра с двумя конусовидными вершинами, в центре которого проходит кровеносный капилляр, окруженный остеогенными клетками. Вершина цилиндра — «режущий конус», покрыта изнутри остеокластами, резорбирующими пластинчатую костную ткань, образуя в ней резорбционный канал. Средняя часть БМЕ — реверсивная зона, представляет собой резорбционную полость, с расположенными на ее стенках клетками макрофагального дифферона и сменяющими их преостеобластами. В дистальной части БМЕ — замыкающем конусе, покрытом остеобластами, происходит активный процесс собственно остеогенеза, новообразования концентрически расположенных вокруг центрального сосуда костных пластинок. Подсчитано, что одномоментно в компактном веществе функционирует порядка 20 млн БМЕ. По существу, концепция БМЕ отражает формирование новых остеонов на месте старых (рис. 5.30). В первую треть жизни наибольшее количество физиологических ремоделирующих гистионов находятся в фазе формирования, что приводит к постепенному накоплению костной массы и отражает процесс роста. Считается, что после 35 лет увеличивается время, необходимое для протекания всех фаз функционального цикла БМЕ, уменьшается и их количество. Эти изменения приводят к снижению интенсивности физиологической регенерации костной ткани, и, как следствие, к снижению показателей костной массы. При ряде патологических состояний, деятельность БМЕ извращается, что выражается в изменении соотношения фаз, например усиление и пролонгация фазы резорбции при глюкокортикоидном и постменопаузальном остеопорозе.

282

Ãëàâà 5

Рис. 5.30. Стадии ремоделирования в компактном веществе кости: 1 — группа остеонов; 2 — процесс разрушения остеона; 3 — резорбция захватывает соседний остеон; 4 — увеличение участка резорбции; 5 — формирование нового остеона в участке резорбции; 6 — новый остеон; 7 — группа новых остеонов (а — сосуд; б — участок резорбции; в — остеоидный слой; г — вставочные пластинки)

Содружественное функционирование клеток в составе физиологического ремоделирующего гистиона осуществляется посредством механизма сопряжения, в основе которого лежат межклеточные взаимовлияния на основе локальных сигналов в виде факторов роста и других цитокинов. Одной из теорий, объясняющих сопряженное функционирование клеточных популяций в ходе деятельности физиологических ремоделирующих гистионов костной ткани на этапах физиологической регенерации, является положение о механотрансдукции: при изменении воздействующих на кость механических напряжений, остеоциты модулируют функциональную активность остеобластов и остеокластов. Адаптивная перестройка метаболизма костной ткани в ответ на действие механического стимула имеет экспериментальное обоснование. Восприятие остеоцитами механического напряжения может осуществляться при взаимодействии рецепторов внешней мембраны клеток с молекулами, входящими в структуру внеклеточного матрикса. Кроме того, показано, что остеоциты связаны с коллагенами I и II типов, остеонектином, витронектином, фибронектином, фибриногеном и ламинином. При смене напряжения эти молекулы смещаются относительно друг друга, что может обеспечивать трансмембранную передачу механических сигналов внутриклеточно к элементам цитоскелета, которые, в свою очередь, уже модулируют активность генома. Покоящиеся остеобласты и остеоциты расположены оптимально для того, чтобы воспринимать локально смену механических напряжений (каждая клетка в отдельности). Суммируя воздействия механической нагрузки, костные клетки способны создавать ионный ток в определенном локусе костного органа. Межклеточные контакты в области остеоцитарных отростков обеспечивают

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

283

переход ионов Са2+ и молекул цАМФ из клетки в клетку. In vitro определены белки, участвующие в образовании этих контактов: конексин-43 и -45, что позволяет расценивать совокупность этих клеток как «функциональный синцитий». Данная концепция в русскоязычной литературе получила название пьезоэлектрического эффекта. Другой гипотетический механизм восприятия остеоцитом механических нагрузок базируется на рецепции давления в костных каналах. Остеоцит реагирует внутриклеточными метаболическими сдвигами на относительно малые перепады давления тканевой жидкости в канальцах. Эта концепция описывает изменение потока жидкости в остеоцитарных канальцах под влиянием комбинации осевых и изгибающих нагрузок на кость. Показано, что мембрана остеоцитов и остеобластов имеет белки — poly4 cystin41 и 42, ранее обнаруженные в эпителиоцитах почки и выполняющие роль механорецепторов. Данный белок выявлен на микроворсинках клеток. Потеря таких микроворсинок остеоцитами приводит к уменьшению их чувствительности к механическим сдвигам. Данный факт соответствует универсальной схеме рецепции в органах чувств — перемещению стереоцилий потоками тканевой жидкости, в частности такой механизм реализуется в органе слуха и равновесия, что может указывать, если и не на его биологическую универсальность, то на стереотипность. В течение нескольких минут после нагрузки на кость в остеоцитах увеличивается количество маркера метаболической активности — глюкозо-6-фосфатдегидрогиназы. Через два часа увеличивается выработка mRNA c-fos, через четыре — mRNAs инсулиноподобного фактора роста I. Эти и некоторые другие факторы паракринной регуляции, вырабатываемые остеоцитами, являются оптимизаторами остеогенеза, привлекают предшественников остеобластов, указывают на их пролиферацию и дифференцировку. Остеоциты способны влиять на резорбцию костной ткани путем активации функциональной активности остеокластов (синтезом сигнальных молекул RANK и RANKL). Регуляция физиологической регенерации костной ткани. Системная регуляция осуществляется гормонами и веществами с гормоноподобным действием. Считается, что гормоны способны стимулировать экспрессию остеобластспецифичных генов. Среди основных системных факторов регуляции остеогенеза выделяют ПТГ, кальцитонин, витамин D, глюкокортикоиды, соматотропный и тиреоидные гормоны; накапливаются сведении о действии половых гормонов, ретиноидов, инсулина и др. Паратиреоидный гормон — существенно влияет на резорбцию костной ткани путем воздействия на клетки остеобластического дифферона. Установлено, что клетки скелетогенной мезенхимы, остеогенные клетки, остеобласты и в меньшей степени остеоциты имеют на мембране рецепторы ПТГ. Под действием гормона в крови уровень кальция повышается, а фосфатов — снижается. В малых дозах гормон активирует, в больших — подавляет костеобразование. Гормон осуществляет регуляцию уровня кальция по механизму обратной связи, стимулирует костную резорбцию путем опосредованной остеобластами активации остеокластов, стимулирует и замедляет синтез коллагена в зависимости от уровня и времени воздействия; стимулирует образование 1á-гидро-

284

Ãëàâà 5

ксилазы, увеличивая синтез кальцитриола. Показано, что ПТГ стимулирует секрецию остеобластами нейтральной коллагеназы. Фермент растворяет протективный слой костного матрикса и подготавливает его поверхность для остеокластической резорбции. ПТГ снижает уровень мРНК коллагена I типа, щелочной фосфатазы, остеокальцина и остеонектина, что проявляется замедлением формирования костной ткани. Тиреоидные гормоны. Под их влиянием ингибируется дифференцировка остеогенных клеток и одновременно активируется функциональная деятельность остеобластов. Гипертиреоз приводит к увеличению количества и активности остеокластов, усилению метаболизма с отрицательным балансом кальция и уменьшением минеральной плотности кости. В условиях гипотиреоза возрастает продолжительность всех фаз костного ремоделирования, снижается активность остеокластов, способность остеобластов к формированию кости и ее минерализации. Кальцитонин — полипептид, продуцируемый С-клетками щитовидной железы и клетками околощитовидных желез, способствует снижению уровня кальция в крови. Кальцитонин угнетает резорбцию прямым действием на остеокласты, на мембране которых имеется большое количество рецепторов гормона. Первоначально рецепторы кальцитонина появляются на предшественниках остеокластов. Они находятся в непосредственном контакте с двумя типами G-белков, которые могут активизировать либо аденилатциклазу, либо фосфолипазу С. Таким образом, кальцитонин может активировать один из двух путей: цАМФ- или кальцийзависимый. Последующее увеличение концентрации внутриклеточного ионизированного Ca2+ вызывает открепление остеокластов от матрикса. Под влиянием кальцитонина зрелые остеокласты теряют гофрированную каемку и начинают перемещаться от поверхности костной резорбции внутрь костной ткани. При этом сокращается продолжительность жизни остеокластов, уменьшается их число, поскольку ингибируются дифференцировка и процесс слияния мононуклеарных преостеокластов. Витамин D и его метаболиты. Основное действие витамина D на костную ткань — это обеспечение ионами кальция за счет стимуляции их всасывания в кишечнике. Витамин D и его метаболиты усиливают остеокластическую резорбцию кости, уменьшают синтез коллагена остеобластами, стимулируют биосинтез инсулиноподобного фактора роста-1. Глюкокортикоиды. Дексаметазон необходим недифференцированным клеткам для реализации остеогенных потенций. Вместе с тем глюкокортикоиды оказывают резорбтивное действие на костную ткань. С прогрессированием дифференцировки клеток остеобластической линии количество рецепторов снижается. Длительный и в высоких дозах (более 20 мг/сут) прием глюкокортикоидов создает предпосылки для развития и прогрессирования остеопороза. При глюкокортикостероидном остеопорозе процессы резорбции преобладают над процессами формирования костной ткани, что в большей степени связано с подавлением функции остеобластов, а не усилением активации остеокластов. Гормон роста стимулирует выработку инсулиноподобного фактора роста-1, который способен модулировать функции остеобластов.

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

285

Рецепторы эстрогенов имеют преимущественно остеогенные клетки, при связывании с которыми активизируется процесс дифференцировки, усиливается синтез коллагена I типа. Прямое действие гормона на остеокласты заключается в снижении скорости резорбции и подавлении остеокластогенеза. Прогестерон стимулирует их пролиферацию и дифференцировку. Наличие рецепторов андрогенов описано у остеобластов, остеоцитов, а также у гипертрофированных хондроцитов. Половые гормоны (эстрогены, тестостерон и др.) ингибируют образование остеобластами и стромальными клетками костного мозга противовоспалительного цитокина интерлейкина-6, что предотвращает развитие остеопороза. Инсулин — активирует метаболизм остеобластов, стимулирует синтез костного матрикса, участвует в минерализации костной ткани. Однако у больных сахарным диабетом с длительностью заболевания более пяти лет отмечается уменьшение минеральной плотности костной ткани по сравнению со здоровыми лицами того же пола и возраста, в основе чего лежат метаболические и гормональные нарушения, диабетические ангиопатия и полиневропатия. Физические факторы, прежде всего парциальное давление кислорода и механическое воздействие, влияют на клетки остеогенного ряда. Однако физические факторы не являются самостоятельными индукторами пролиферации или дифференцировки клеток. Их активирующее воздействие на внутриклеточный метаболизм запускает каскад реакций и изменяет внутри- и междифферонные клеточные взаимодействия, а также взаимодействие клеток с матриксом, благодаря чему изменяется структура и функциональное состояние клеток и межклеточного вещества костной ткани. Посттравматическая (репаративная) регенерация костной ткани. Регенерационный остеогенез после механического повреждения, вызывающего перелом кости, протекает на основе активации закономерных процессов, характерных для физиологической регенерации костной ткани. Поскольку для костной ткани характерен клеточный тип регенерации, вопрос об источниках восстановления костной ткани является весьма актуальным. Так как дифференцированные остеобласты утрачивают способность к делению, то источником для формирования регенерата в случае повреждения костной ткани являются малодифференцированные клетки-предшественники, у которых функция размножения еще не блокирована. К ним относятся ССК, локализованные в строме костного мозга и экстраскелетных кроветворных органов, остеогенные клетки, находящиеся в составе внутреннего слоя периоста, каналах остеонов, входящие в состав эндоста, индуцибельные к остеогенной дифференцировке периваскулоциты. Перечисленные клетки в совокупности рассматриваются как рассредоточенный камбий. Динамика остеорепарации в случае посттравматической регенерации претерпевает те же последовательные фазы, которые характерны и для регенерационного гистогенеза в других тканях. В общем она включает в себя повреждение, гибель клеток и тканей в результате непосредственного воздействия механического фактора, отсроченную гибель, как следствие локального нарушения кровоснабжения (фаза ранних посттравматических изменений). Вслед за гибелью части ткани (органа) на местном и системном уровнях вклю-

286

Ãëàâà 5

чаются процессы воспаления, которые посредством деятельности клеток эффекторов — нейтрофильных гранулоцитов и марофагов, тканеспецифичной формы макрофагов — остеокластов приводят к элиминации некротических тканей и цитокиновой индукции собственно репаративного процесса — пролиферации и дифференцировки клеток камбиального резерва поврежденной ткани (фаза регенерации). Образование регенерата, как правило, несет признаки субституции — нетканеспецифичного восстановления структуры ткани или органа, в случае костной ткани в большинстве случаев процесс протекает по механизму реституции — полного воссоздания структур кости. Однако образующийся регенерат еще требует структурных перестроек, чтобы максимально соответствовать биомеханическим и другим условиям функционирования органа (фаза функциональной адаптации, или ремоделирования). Внутри этих фаз ряд авторов выделяют подфазы, которые характеризуют лишь частные процессы, изученные в тех или иных тканях и органах. Консолидация механического перелома может происходить двумя путями — первичным и вторичным. Первичное костное сращение возможно при плотном сопоставлении отломков при расстоянии между ними 0,1—1,0 мм. При этом остеогенные клетки пролиферируют и дифференцируются в остеобласты, а последние образуют в конечном итоге пластинчатую костную ткань. Именно к этому стремятся травматологи-ортопеды, выполняя репозицию и надежную фиксацию перелома. При любом переломе участки кости, прилегающие к линии перелома, неизбежно гибнут вследствие гипоксии из-за нарушенного кровоснабжения. Чем меньше выражена зона такого посттравматического некроза, тем лучше прогноз для первичного сращения перелома. В случае наличия диастаза между отломками или многооскольчатых переломов консолидация происходит путем вторичного сращения с образованием массивного костного регенерата (костной мозоли). Именно в этом случае последовательная смена закономерных фаз раневого процесса манифестирует наиболее отчетливо. Фаза ранних посттравматических изменений. В момент перелома наблюдаются прямые и непрямые повреждения тканей. Разрываются кровеносные сосуды, пересекающие линию перелома. Чем больше выражено смещение отломков, тем больше кровеносных сосудов повреждается, следовательно, больше крови изливается в межотломковую зону, формируя гематому. На некотором расстоянии по обе стороны от линии перелома нарушенное кровообращение приводит к гибели остеоцитов в составе остеонов, среди окружающих и вставочных пластинок, о чем свидетельствуют пустые остеоцитарные лакуны, которые на границе с живой костью можно обнаружить уже через 2 сут. Фаза регенерации. В пролиферирующих клетках периоста через 12 ч после перелома в клетках периоста регистрируются признаки экспрессии гена костного морфогенетического белка. С третьих суток эти признаки определяются в них на протяжении отломков и в стромальных элементах костного мозга, прилежащих к области перелома. Уже к концу вторых суток клетки рассредоточенного камбия костной ткани начинают пролиферировать. В результате активного размножения камбиальных клеток периоста значительно утолщается ее внутренний слой, постепенно формируется периостальная часть костного регенерата. К седьмым суткам вокруг перелома образуется отчетливая манжетка

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

287

вокруг костных отломков. Биологический смысл ее формирования заключается в том, чтобы стабилизировать перелом. Клиницистам хорошо известно, что при неудовлетворительной иммобилизации формируются гипертрофические регенераты. В костном регенерате выделяют: периостальную часть, являющуюся результатом деятельности клеток надкостницы; эндостальную часть, стабилизирующую перелом со стороны костномозговой полости; интермедиарную часть, формирующуюся непосредственно в зоне между отломками. Камбиальные клетки пролиферируют, дифференцируются в остеобласты, последние продуцируют волокнистый и аморфный компоненты межклеточного вещества, которое подвергается минерализации, формируя основу ретикулофиброзной костной ткани в периостальной, эндостальной и интермедиарной зонах регенерации. Посттравматический остеогенез всегда сопровождается ростом кровеносных сосудов, которые обеспечивают не только метаболические процессы в зонах регенерации костной ткани, но и привносят малодифференцированные периваскулярные клетки. Анализ клеточно-дифферонной организации регенерационного гистогенеза позволяет считать, что периваскулоциты, обладающие высокими пролиферативными возможностями, реализуют свои цитогенетические потенции путем дивергентной дифференцировки, являются источником развития остеобластического, фибробластического и хондробластического клеточных дифферонов. Взаимодействующие в процессе регенерации клеточные диффероны формируют в составе регенерата костную, волокнистую соединительную и гиалиновую хрящевую ткани. Разнообразие тканей и органных структур в составе трубчатой кости обусловливают сложность и динамику гистологического состава посттравматического регенерата в процессе заживления перелома. После альтеративных и деструктивных изменений клеток и тканей в области перелома, в результате макрофагальной реакции, межклеточных внутридифферонных и междифферонных взаимодействий ведущими процессами регенерационного гистогенеза являются пролиферация и цитодифференциация. Процесс ангиогенеза может отставать от темпов увеличения сложного тканевого регенерата. В условиях недостаточной оксигенации посттравматический гистогенез сопровождается формированием участков относительно брадитрофной ткани — гиалиновой хрящевой, представленной элементами хондробластического дифферона. Процессы минерализации органической основы костного регенерата инициируются матриксными везикулами, которые, отшнуровавшись от плазмолеммы остеобластов, выявляются в остеоиде. Они богаты фосфатом кальция и щелочной фосфатазой, содержат липопротеины и фосфолипиды. Эти вещества, а также некоторые неколлагеновые белки (например, остеонектин и остеопонтин) оказывают контролирующее влияние на отложение кристаллов гидроксиапатита и связывание их с коллагеновыми волокнами. Остеобласты, продуцируя межклеточное вещество, могут быть соединены простыми неспециализированными межклеточными контактами. Ультрацитохимически показано, что плазматическая мембрана остеобласта подразделяется на три домена: остеоидный, прилежащий к остеоиду; латеральный, контактирующий с соседним остеобластом; сосудистый, обращенный к клеткам-пред-

288

Ãëàâà 5

шественникам и кровеносным сосудам. Активность различных ферментов, секреция коллагена, концентрация ионов кальция обеспечиваются различными доменами клеточной мембраны остеобласта, что свидетельствует о морфофункциональной полярности этих клеток. По мере накопления остеоида и последующей его минерализации остеобласты постепенно окружаются межклеточным веществом, при этом сохраняя с помощью отростков связи между собой и с другими элементами остеобластического дифферона. Остеоциты в процессе дифференцировки и установления межклеточных контактов типа простых неспециализированных и щелевых обеспечивают интегрирующие взаимодействия в составе вновь образованной ретикулофиброзной костной ткани, способствуют транспорту ионов, трофических веществ, метаболитов и др. По мере роста сосудов внутрь регенерата улучшается кровоснабжение его глубоких частей. Перекладины костной ткани подрастают к участкам хряща, способствуя его обызвествлению и гибели. Гиалиновая хрящевая ткань замещается вновь образованной костной тканью. Происходит так называемый регенерационный эндохондральный остеогистогенез. Постепенно объем хрящевой ткани уменьшается. Вся периостальная часть костного регенерата состоит из ретикулофиброзной костной ткани. Камбиальные клетки эндоста также пролиферируют и дифференцируются, но выраженность этого процесса в костномозговом канале несколько меньше. Постепенно два отломка оказываются прочно связанными балками новой костной ткани. Существенно дополняется костный регенерат и со стороны отломков. Из остеогенных и периваскулярных клеток разрушенных остеонов дифференцируются остеобласты, которые активно формируют трабекулы ретикулофиброзной костной ткани. В любой ране, и костная в этом смысле не является исключением, происходит гистогенез реактивно измененной соединительной ткани, которая становится основой для образования надтканевой временной структуры — «грануляционной ткани». В костной ране репаративный процесс с ее участием протекает по механизму реституции. Вместе с тем ультраструктурный анализ дифференциации элементов фибробластического дифферона позволяет вскрыть динамику формирования реактивно измененной рыхлой соединительной ткани, ее дальнейшее созревание в составе регенерата и запрограммированную гибель части ее элементов. Потомки стволовой кроветворной клетки являются источниками образования макрофагальных элементов и в том числе остеокластического клеточного дифферона. В процессе регенерации костной ткани существует тесная связь между ее образованием остеобластами и резорбцией остеокластами, сопряженность деятельности этих элементов при ремоделировании ретикулофиброзной костной ткани в пластинчатую. Сочетанное функционирование клеток различного происхождения в составе костного регенерата, образовавшегося после механического перелома, допустимо рассматривать с позиции функционирования БМЕ, которые, по существу, являются регенерационными гистионами. Следует указать, что взаимные трансформации клеток остеобластического, хондробластического и фибробластического дифференов и метаплазия костной, хрящевой и соединительной тканей при посттравматическом остеогистогенезе не наблюдались.

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

289

Фаза функциональной адаптации. Для окончания костного сращения необходимо, чтобы в поврежденном участке кости была восстановлена органоспецифическая структура. Процесс ремоделирования костного регенерата может продолжаться до года и более. В ходе этого процесса уменьшается выраженность периостального регенерата, губчатая кость замещается на компактную, восстанавливаются сообщения остеонов проксимального и дистального отломков, эндостальная часть регенерата резорбируется и восстанавливается первоначальный объем костномозгового канала. Репаративная регенерация после огнестрельного перелома. Особой формой повреждения костной ткани является огнестрельное. Повреждение тканей кости происходит от непосредственного удара снаряда о кость и передачи его кинетической энергии на различное расстояние от места прохождения снаряда, а также бокового удара, вызывающего вибрацию, смещение и деформацию тканей, прилегающих к раневому каналу и отстоящих от него на значительном удалении. Для огнестрельных переломов характерен большой объем повреждений костной и других тканей, весьма существенны особенности гистологического строения регенерата, образующегося в зоне дефекта в течение последовательных фаз восстановительного процесса. Фаза ранних посттравматических изменений. Непосредственно после травмы (кости голени собак) выявлялись: зона раневого канала; зона посттравматического некроза и перинекротическая область. В результате воздействия ранящего снаряда диафиз оказывался разрушенным на множество костных осколков. Через трое сутки после нанесения травмы раневой канал заполнен гематомой, тканевым и клеточным детритом, мелкими костными фрагментами. В участках раневого канала, граничащих с окружающими дефект тканями, среди нитей фибрина, скоплений тромбоцитов и гибнущих эритроцитов отмечались гранулоциты и лимфоциты. В зоне посттравматического некроза кости в отломках и осколках встречались как погибшие остеоциты, так и клетки в состоянии парабиоза, межклеточное вещество костных пластинок подвергалось деструктивным изменениям. В зоне перелома из фосфолипидов мембран различных поврежденных клеток под ферментативным воздействием образуются провоспалительные факторы: простагландины (ПГ), тромбоксаны, лейкотриены, фактор активации тромбоцитов (ФАТ) и др. ПГ повышают сосудистую проницаемость, тромбоксаны регулируют агрегацию тромбоцитов, лейкотриены способствуют миграции нейтрофильных гранулоцитов в зону повреждения. ФАТ продуцируют эндотелиоциты, тучные клетки, лейкоциты и макрофаги. Он способен вызывать агрегацию тромбоцитов, дегрануляцию тучных клеток, стимулировать хемотаксис лейкоцитов, повышение проницаемости сосудов микроциркуляции. При электронно-микроскопическом исследовании на этот срок обнаруживались моноцитарные элементы, дифференцирующиеся в макрофаги, типичные макрофаги, в цитоплазме которых определялись компоненты детрита. Контроль пролиферации и дифференцировки клеток-предшественников гранулоцитов, макрофагов, выхода в кровоток зрелых форм осуществляется гранулоцитарно-макрофагальным колониестимулирующим фактором (ГМ-КСФ), синтезируемым Т-лимфоцитами, макрофагами, тучными клетками и др. В активи-

290

Ãëàâà 5

рованных макрофагах инициируется синтез ИЛ-1, -3, -5 и др., фактора некроза опухолей α (ФНО-α), трансформирующих факторов роста (ТФР) β, которые усиливают основные функции гранулоцитов, цитотоксических лимфоцитов, выброс гистамина тучными клетками. Гистологическая картина характеризует развитие фазы воспаления, которая предшествует восстановительным процессам в поврежденной кости. К шестым суткам регистрировалась выраженная макрофагальная реакция. Клетки находились на стадии активного фагоцитоза, обнаруживались погибающие макрофаги, липофаги, секреторный фенотип макрофагов, что свидетельствовало о возрастании макрофагальной внутридифферонной гетероморфии. Следовательно, в фазе ранних посттравматических изменений основной составляющей процесса заживления костной раны являются морфофункциональные проявления лейкоцитарного и макрофагального дифферонов, их внутридифферонная гетероморфия и новые междифферонные взаимодействия. Это приводило к очищению зоны повреждения от погибших клеточных и межклеточных структур и предшествовало развертыванию регенерационного гистогенеза. В перинекротической области расположение и соотношение различных по жизнеспособности костных клеток увязывалось с градиентом «край отломка—эпифиз», но нередко носило мозаичный характер. На этой стадии дифферон костной ткани представлен остеобластами, преостеобластами, менее дифференцированными остеогенными элементами, расположенными в сохранившихся надкостнице, эндосте, остеонах, костном мозге (рассредоточенный камбий), а также остеоцитами различной степени жизнеспособности. Это состояние костных клеток характеризуется как изменение внутридифферонной гетероморфии. Фаза регенерации. На шестые сутки ранения в очищенную от детрита зону со стороны окружающей кость рыхлой соединительной ткани врастали многочисленные фибробласты, значительная часть которых являлась пролиферирующей. Митотическое деление фибробластов, их миграция в зону бывшего раневого канала с последующей дифференцировкой в более зрелые формы свидетельствовали о начале регенерационного процесса. При возрастании внутридифферонной гетероморфии фибробластов, лидирующее положение по числу элементов в регенерате на этой стадии занимали макрофаги. К десятым суткам межотломковое пространстсво заполнялось реактивно измененной рыхлой соединительной тканью, по своей организации в значительной степени напоминающей грануляционную ткань. Характерным для нее являлось большое количество фибробластов, макрофагов, растущих капилляров, а также формирующееся межклеточное вещество. В регенерате ведущим диффероном являлся фибробластический. Учитывая разнообразие клеток этой ткани, их дифференцировку и специализацию, констатировалось возрастание междифферонной гетероморфии. Последняя еще более увеличивалась с появлением у края отломков костных макрофагов — остеокластов. Гистологическая характеристика процесса свидетельствует о формировании регенерационного макрофагально-фибробласто-эндотелиального гистиона. Воздействие провоспалительных цитокинов на макрофаги, фибробласты, эндотелиоциты приводило эти клетки в активированное состояние, отражаю-

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

291

щееся в выработке ауто- и паракринных регуляторов. Последние влияют на пролиферацию, дифференцировку и функцию макрофагов, усиливают активность фактора роста фибробластов (ФРФ). Макрофаги, в свою очередь, синтезируют митогены для фибробластов и фагоцитов, фактор роста эндотелия, способствующий ангиогенезу. Пролиферация фибробластов и эндотелиоцитов активизируется также под воздействием ИЛ-17 и эпидермального фактора роста. ФНО-α по отношению к фибробластам подавляет транскрипцию генов коллагена и стимулирует продукцию коллагеназы, что влияет на их дифференцировку и фибриллоархитектонику межклеточного вещества соединительной ткани. Морфометрическое исследование клеточных элементов интермедиарной части регенерата с применением корреляционного анализа показало, что на пятнадцатыве сутки ранения среди клеток межотломковой части регенерата преобладали элементы фибробластического дифферона — фибробласты и фиброциты. Высокое количество эндотелиоцитов сосудов является свидетельством интенсивного васкулогенеза. Учитывая наличие остатков погибших элементов, присутствие в составе соединительнотканной части регенерата макрофагов представляется естественным. Установлены сильные кореляционные связи между долей макрофагов и фибробластов, макрофагов и эндотелиоцитов, фибробластов и эндотелиоцитов. Эти данные служат подтверждением устойчивого характера междифферонной гетероморфии и функционирования регенерационного макрофагально-фибробласто-эндотелиального гистиона на протяжении двух недель посттравматического гистогенеза. Интермедиарный остеогистогенез проявлялся после того, как остеокласты резорбировали некротические участки кости по краю отломков. В каналах остеонов сохранившие жизнеспособность детерминированные остегенные элементы и привнесенные с растущими сосудами клетки, индуцибельные к остеогенезу (периваскулоциты), дифференцировались в остеобласты. Дифференцирующиеся остеобласты не утрачивали способность синтезировать ДНК (рис. 5.31). Ими формировалась тонкопетлистая сеть трабекул ретикулофиброзной кост-

Рис. 5.31. Тритиевая метка ядер остеобластов (стрелки) костного регенерата (10-е сут опыта). Окраска: гематоксилин и эозин. Ув. 400

292

Ãëàâà 5

ной ткани, связанной с краями отломков (рис. 5.32). Зона костеобразования хорошо кровоснабжена, что являлось способствующим фактором для этого процесса. Относительные доли остеобластов, остеоцитов, остеокластов, эндотелиоцитов и макрофагов, сильные корреляционные связи между числом остеобластов, остеокластов и эндотелиоцитов сосудов свидетельствовали о возрастающей внутри- и междифферонной гетероморфии, а также о формировании остеобласто-эндотелиально-остеокластического регенерационного гистиона. Следует отметить, что на месте дефекта кости происходило формирование сложного тканевого регенерата, в котором регестрировалось выраженное наличие гиалиновой хрящевой ткани. Клетки остеогенной линии, как и другие элементы, участвующие в регенерационном процессе, вырабатывают обширный ряд биологически активных

Рис. 5.32. Регенерационный остеогистогенез при заживлении перелома (а — пятые, б — десятые сут опыта). а — остеобласты и межклеточное вещество с минеральными компонентами (стрелки) — электронная микрофотография; б — интермедиарная часть костного регенерата. (Окраска: по Румянцеву и Овчарову). Ув.: а — 5000; б — 70

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

293

веществ, сами, располагая рецепторами к многочисленным факторам, испытывают регуляторные воздействия. На стволовых стромальных клетках (ССК) имеются рецепторы митогенов. Пролиферация элементов остеобластического дифферона стимулируется тромбоцитарным и эпидермальным факторами роста. Дифференцировку этих клеток индуцируют костные морфогенетические белки (КМБ), ТФР-β2 и др. Рецепторы ТФР-β последовательно уступают место рецепторам КМБ. При переломах на ранние стадии дифференцировки остеогенных клеток влияет КМБ-7, в течение формирования регенерата у них отмечается экспрессия гена КМБ-4. Клетки макрофагальной линии продуцируют остеоиндуктивные сигналы, способствующие заживлению костных ран. КМБ являются ключевыми цитокинами дифференцировки остеогенных клеток в остеобласты. Регенерационный остео- и ангиогенез являются скоординированными и взаимосвязанными процессами. ССК экспрессируют ген фактора роста эндотелиоцитов сосудов, элементы остеобластической линии стимулируют в эндотелии продукцию этого митогена для пролиферации клеток сосудистой выстилки и развития новых сосудов. Образующийся остеобластами органический костный матрикс содержит ФРФ-1, который служит хемоаттрактантом для эндотелиальных клеток. Эндотелиоциты растущих капилляров (также лимфоциты, макрофаги, фибробласты и др.) продуцируют макрофагальный колониестимулирующий фактор, ИЛ-8, моноцитарный хемотаксический протеин-1, привлекающие в очаги остеогенеза моноциты/макрофаги. Пролиферация предшественников остеокластов, их дифференцировка регулируется ИПФР-I, -II, ГМ-КСФ и др. Остеобласты экспрессируют рецептор определенного активатора, который опознается остеокластами, регулируя их дифференцировку. Через 30 сут после нанесения перелома, значительное представительство в регенерате имел макрофагально-фибробласто-эндотелиальный гистион. Отмечено снижение доли фибробластов при увеличении численности фиброцитов. В составе остеобласто-эндотелиально-остеокластического гистиона увеличилось количество клеток остеобластического дифферона. Соотношение долей остеобластов и остеоцитов отражало темпы дифференцировки этих клеток. Не снижалась интенсивность ангиогенеза в регенерате, особенно в его костной части. Сосудистый цитокин эндотелин-1, к которому имеются рецепторы у остеобластов, регулирует синтез КМБ. Молекулярные основы остеобластостеокласт цитокино-клеточных коммуникаций являются важной составляющей в функционировании остеобласто-эндотелиально-остеокластического гистиона, участвующего в регенерационном эндооссальном остеогенезе и ремоделировании костного регенерата. Значительно повысились количественные показатели хрящевых клеток. При очевидном нарастании темпов регенерационного остеогистогенеза, однако репаративный хондрогенез опережает развитие ретикулофиброзной костной ткани. Соотношение и взаимодействие клеточных элементов в сложном тканевом регенерате, их ультраструктурная организация, пролиферация и дифференцировка клеток костной ткани, корреляционные связи между количеством клеток одной гистогенетической линии, внутри- и междифферонная гетероморфия, формирование регенерационных гистионов в совокупности служат маркерами пика (манифестации) посттравматического гистогенеза. Это «критический»

294

Ãëàâà 5

Рис. 5.33. Костный осколок с формирующимися перекладинами грубоволокнистой костной ткани (стрелки) со стороны периоста (10-е сут опыта). Окраска: гематоксилин и эозин. Ув. 60

период процесса, когда возможны различные его исходы, в том числе неблагоприятные, в зависимости от складывающихся местных и системных условий раневого гистогенеза, период для теоретически обоснованной целенаправленной коррекции и оптимизации заживления перелома, включая современные биотехнологии. Специального внимания при огнестрельных переломах заслуживают костные осколки. В процессе регенерационного гистогенеза костные фрагменты в области перелома обрастали рыхлой волокнистой соединительной тканью, богатой кровеносными сосудами, которые проникали в каналы осколков и обеспечивали трофику их клеточных и тканевых элементов. Сохранившие жизнедеятельность остеогенные клетки осколков включали меченые предшественники ДНК, пролиферировали, дифференцировались, пополняя число зрелых элементов остеобластического дифферона, которые продуцировали органическую основу межклеточного вещества костной ткани. О начальных проявлениях остеогенеза свидетельствовало образование тонких балок грубоволокнистой костной ткани от поверхности осколков, со стороны надкостницы и/или эндоста, а также по краю разрыва костных пластинок гаверсовых систем (рис. 5.33). Это отражает принципиально важную возможность гистотипического роста в виде вновь образованной костной ткани за счет камбиальных клеток осколков, что является дополнительным и существенным источником формирования костного регенерата. Через 45—60 сут после ранения нарастали процессы минерализации костной части регенерата, а также наблюдались очаги обызвествления гиалиновой хрящевой ткани, что приводило к деструкции и гибели хондроцитов. Вслед за этим проявлялись признаки закономерного процесса — репаративного эндохондрального остеогистогенеза. Регенерация тканей при столь обширной и тяжелой травме проходила в условиях, не способствующих полной реализа-

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

295

ции остеогенных потенций элементов рассредоточенного камбия и дефицита последних, развертывалась с участием в этом процессе тканей (волокнистой соединительной, хрящевой), имеющих больший эволюционный возраст и более высокий уровень и темп заместительной регенерации. Фаза функциональной адаптации. Адаптация клеточных, тканевых и гистионных структур к возникающим и меняющимся условиям раневого гистогенеза имела пролонгированное течение. На 60-е, 90-е сут после перелома вновь образованная ретикулофиброзная костная ткань регенерата подвергалась перестройке. Отмечалось формирование структур, сходных по архитектонике с первичными остеонами. Они закладывались вокруг межбалочных промежутков, заполненных соединительной тканью с кровеносными сосудами, периваскулоцитами и элементами остеобластического дифферона. В этот период вновь была выражена реакция остеокластов, участвовавших в ремоделировании костного регенерата. Через 60 сут уменьшились доли фибробластов и хондроцитов, но увеличились — остеоцитов и остеокластов. Количественные показатели позволяют дополнительно и объективно судить о продолжающейся дифференцировке клеток фибробластического и остеобластического дифферонов в составе соединительной и костной тканей регенерата, взаимодействии клеток различного происхождения, определяющих междифферонную гетероморфию, и нарастающем эндохондральном остеогистогенезе. Эти показатели имеют прямое отношение к перестройке костного регенерата, формированию пластинчатой костной ткани, увеличению доли костной ткани за счет ее образования на месте хряща. При эндохондральном остеогистогенезе в условиях заживления костной раны проявлялся морфофункциональный профиль хондробласто-эндотелиально-остеокласто-остеобластического гистиона. В подвергающуюся дистрофии и деструкции гиалиновую хрящевую ткань врастали сосуды, обеспечивая транспорт моноцитов/макрофагов, дифференцирующихся в хондро- и остеокласты, которые подвергали резорбции погибающие хондроциты и хрящевой матрикс. Растущие за счет пролиферации и миграции эндотелиоцитов гемокапилляры сопровождались детерминированными остеогенными элементами и индуцибельными периваскулярными клетками, способными воспринимать воздействия остеоиндуктивных факторов. В образованные полости, очищенные от разрушенной хрящевой ткани, вместе с сосудами внедрялись клетки с остеогенными потенциями, которые, дифференцируясь в остеобласты, формировали ретикулофиброзную костную ткань с последующей ее минерализацией и ремоделяцией. Для гистиона, маркирующего и определяющего исход регенерационного эндохондрального остеогистогенеза, присуще закономерное изменение междифферонной гетероморфии — снижалось представительство элементов хондробластической линии, ведущее значение, в том числе тканеобразующее, проявлялось в эндотелиально-остеобластических междифферонных взаимодействиях, приводящих к остеогистогенезу. Это согласуется с данными о том, что хрящевая ткань в межклеточном веществе содержит неколлагеновый белок хондромодулин-1 (ХМ-1), который играет существенную ингибирующую роль в ангиогенезе при эндохондральной оссификации. Примечательно то, что в цитоплазме хондроцитов зрелого хряща синтезируются фактор роста эндотелиоцитов, ТФР-1β и другие,

296

Ãëàâà 5

являющиеся выраженными стимуляторами роста сосудов. Однако ХМ-1 в составе матрикса вокруг лакун с хондроцитами, интертерриториальных зон препятствует проявлению указанными цитокинами свойств, активирующих ангиогенез. Лишь при деструкции хрящевого матрикса в процессе кальцификации и хондроклазии возможно врастание сосудов под действием ангиостимулирующих факторов и развертывание эндохондрального остеогистогенеза. К началу восстановления костномозгового канала (120-е сут) поверхность эндостального регенерата становилась неровной, так как формообразовательные процессы в этой зоне приводили к появлению костных трабекул. Последние, являясь выростами внутренних окружающих пластинок, усложнялись по форме (180-е сут). Между трабекулами разрасталась жировая ткань, которая заселялась кроветворными элементами в виде очагов или диффузных скоплений. На 120-е сут после травмы в регенерате произошло выраженное снижение внутридифферонной гетероморфии клеток фибробластической и остеобластической линий, как следствие, нарастание содержания терминальных клеток дифферонов (фиброцитов и остеоцитов) и формирование волокнистой соединительной и пластинчатой костной тканей. Репаративный хондрогистогенез имел преходящее значение в составе сложного регенерата на месте бывшего перелома кости. Хрящевая ткань способствовала консолидации отломков, но параллельно служила объектом для регенерационного эндохондрального остеогистогенеза. Необходимо отметить, что на протяжении восстановительного процесса закономерно изменялось соотношение клеток дифферонов, составляющих регенерационные гистионы. В макрофагально-эндотелиально-фибробластическом гистионе это происходило в основном за счет элементов фибробластической линии. В динамике посттравматического десмогенеза количественный показатель элементов этого дифферона неуклонно снижался, что отражало формирование плотной волокнистой соединительной ткани в регенерате. В остеобласто-эндотелиально-остеокластическом гистионе превалировали клетки остеобластического ряда. Последние, достигнув в фазе регенерации показателя, близкого к максимуму, в фазе функциональной адаптации характеризовались устойчивым количественным уровнем, который свидетельствует о продолжающемся остеогистогенезе. Лишь к концу прослеженного срока (180-е сут) соотношение остеобластов и остеоцитов изменилось в сторону преобладания остеоцитов, связанное с образованием пластинчатой костной ткани и остеонов. Процесс изменения дифферонного состава в хондробласто-эндотелиальноостеокласто-остеобластическом гистионе, функционирующем в течение регенерационного эндохондрального остеогистогенеза, обусловлен, как уже отмечалось, гибелью элементов хондробластического дифферона и замещающем возрастании клеток остеобластического ряда. Указанный гистион при этом трансформируется в остеобласто-эндотелиально-остеокластический гистион, процессы хондроклазии и остеогистогенеза приводят к увеличению доли костной ткани в гетероморфном регенерате. Таким образом, в фазах регенерации и адаптации регенерационного гистогенеза, в формировании и функционировании рассмотренных гистионов инициирующую (гистионообразующую) роль играют растущие кровеносные

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

297

сосуды. Они транспортируют в зону повреждения лейкоциты и макрофаги (не исключается доставка ССК, их дивергентная, в том числе остеоиндуктивная, дифференцировка), сопровождаются индуцибельными к остеогенезу периваскулоцитами и детерминированными остеогенными элементами. Эндотелиоциты с этими клетками и с элементами других (тканеобразующих) дифферонов с помощью цитокиновой сети и межклеточных коммуникаций способствуют формированию регенерационных гистионов. Кровеносный сосуд и его микроокружение определяют структуру и функцию гистионов. Следует подчеркнуть, что анализ цитоархитектоники, пролиферации и дифференцировки элементов макрофагального, фибробластического, хондробластического, остеобластического и других дифферонов, а также данных о цитокиновой сети способствовал выявлению камбиальных источников и механизмов формирования тканей регенерата при восстановительном остеогенезе. Камбиальность ткани, как это трактуется в рамках широкого понимания раневого процесса, не всегда связана только с расположенными в составе ткани камбиальными клетками, так как часть из них может располагаться вне поврежденной ткани, обусловлена развитием ткани в целом и ее подчиненным положением в составе организма, взаимодействием с другими тканями (Данилов Р. К., 2008). Формирование надтканевых структур — регенерационных гистионов — сопряжено с фазами посттравматического гистогенеза, они являются гистологическими маркерами стадийности процесса, могут функционировать последовательно один за другим, параллельно друг другу, взаимодействуя между собой, перекрываться в пространстве и времени гистогенеза. Для регенерационного гистогенеза характерна внутри- и межгистионная гетероморфия, различная степень ее выраженности, что в совокупности с другими указанными гистологическими критериями способствует диагностированию состояния процесса регенерации и прогнозированию исхода восстановления кости как органа опорно-двигательного аппарата. Гистологический анализ биопсийного материала, полученного от раненых при заживлении огнестрельных переломов длинных трубчатых костей, показал принципиальное сходство с результатами исследования закономерностей регенерационного остеогенеза после огнестрельного повреждения в эксперименте. Подтверждена способность остеогенных клеток к пролиферации. Ангиогенез при регенерации костной ткани не только обеспечивает метаболизм этого процесса: растущие кровеносные сосуды пополняют резерв клеток, способных к дифференцировке в остеобласты, что особенно важно при образовании крупных дефектов кости. Регенерационный эндоссальный остеогенез является одним из механизмов посттравматической регенерации костной ткани человека, существенно его значение при заживлении многочисленных рассеянных по отломкам локальных повреждений, вторичных некрозов костной ткани. Костные осколки с жизнеспособными остеогенными элементами являются продуцентами грубоволокнистой костной ткани, которая включает их в состав сложного тканевого регенерата при заживлении костной раны (рис. 5.34). Полученные результаты по выявлению закономерностей посттравматического гистогенеза в условиях заживления костных переломов являются теоретическим

298

Ãëàâà 5

Рис. 5.34. Посттравматическая регенерация костной ткани у человека (а — 5-е, б — 34-е сут от момента повреждения): а — реваскуляризация канала остеона (стрелка) осколка бедренной кости; б — ультраструктура остеобластов с развитой ГЭС (стрелки) в состоянии активного синтеза и секреции органического матрикса (Я — ядро остеобласта, Од — остеоид), регенерат от осколка большеберцовой кости. Окраска: а — гематоксилин и эозин. Ув.: а — 200; б — 4000

обоснованием разработки и внедрения в практическую медицину современных лечебных мероприятий при оказании помощи пострадавшим. Проецируя модусы филэмбриогенеза на регенерационный гистогенез при заживлении огнестрельного перелома, закономерное изменение тканевого состава регенерата можно рассматривать как регенерационные гистогенетические

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

299

рекапитуляции, совершающиеся путем анаболии. Существенно, что гистогенетические рекапитуляции «оправданы» функционально и морфогенетически и потому закреплены естественным отбором. Они в качестве одной из форм проявления наследственности служат той основной, на которой и разыгрываются явления эволюционной изменчивости процессов гистогенеза.

Òêàíåèíæåíåðíûå òåõíîëîãèè Бурное развитие клеточной биологии в конце XX—начале XXI в. во многом связано с подтверждением концепции о существовании в дефинитивных тканях регионарных стволовых клеток, которые могут быть выделены из тканей, культивированы в условиях in vitro и использованы в клинических целях в качестве клеточного трансплантата. Особые успехи в этом направлении достигнуты в работе со скелетными тканями. Наличие во взрослом организме малодифференцированных предшественников — стволовых стромальных клеток, входящих в состав рассредоточенного камбия скелетных тканей, их способности к дивергентной дифференцировке в хондробластическом и остеобластическом, а также других направлениях, позволяет рассматривать их в качестве объектов для создания технологий коррекции патологии как хрящевой, так и костной тканей. В связи со способностью к дивергентной дифференцировке, клоногенному росту в культуре, исходя из их морфофункциональных особенностей, они были названы клетками, образующими колонии фибробластов (КОКф — колониеобразующие фибробластические клетки, CFU-F — colony4forming unit4fibroblast). В литературе КОКф обозначаются по-разному: исторически сложившимся названием следует считать — «стволовые стромальные клетки»; кроме этого, в качестве синонимов используют термины «стволовые механоциты»; локализованные в костном мозге «стволовые мезенхимальные клетки» и др. На Консенсусе специалистов по клеточным технологиям было принято решение называть данную популяцию клеток «мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки» (ММСК) (multipotent mesenchymal stromal cells). В настоящее время научным сообществом приняты критерии, которые позволяют идентифицировать подобные клетки и мониторировать постоянство их иммунофенотипа в культуре. К таким признакам относятся способность к адгезии данных клеток к стенкам культурального сосуда in vitro, дивергентная дифференцировка и экспрессия набора поверхностных антигенов. Показано, что такие клетки должны положительно реагировать с антителами к CD44, CD73, CD90, CD105 и давать отрицательную реакцию с маркерами гемопоэтического ряда — CD11b, CD14, CD19, CD34, CD45, CD79б, HLA-DR. В интересах тканевой инженерии эти клетки могут быть получены из органов пациента, их число значительно увеличено путем культивирования in vitro. Использование различных индукторов направленной дифференцировки при их культивировании приводит к их остеобластической (â-глицерофосфат натрия, L-аскорбат, дексаметазон), хондробластической (трансформирующий фактор роста â) дифференцировке. Индуцированные в определенном направлении клетки уже могут быть использованы для целей трансплантации.

300

Ãëàâà 5

Рис. 5.35. Культура стромальных клеток in vitro на поверхности носителя из деминерализованного костного матрикса: а — электронная микрофотография; б — СЭМ: 1 — ядра; 2 — деминерализованный костный матрикс. Ув.: а — 15 000; б — 600.

При патологии костей потребность в клеточной трансплантации возникает в случае развития состояния так называемой «остеогенной недостаточности», когда собственный камбиальный резерв остеогенных клеток организма не в состоянии реализовать процесс остеорепарации, следовательно, их количество может быть увеличено in vitro и доставлено в реципиентную область тем или иным образом. Такими проблемными повреждениями являются протяженные дефекты костей, возникшие в результате многооскольчатых переломов и замедленной консолидации, ложные суставы, постостеомиелитические и пострезекционные дефекты костей и др. Для полной реализации своих остеогенных потенций культивированные клетки должны определенное время находиться в фиксированном к носителю состоянии, что может быть связано с цитогенетическим свойством данных клеток, проявлять свои остеогенные свойства, будучи организованными в сложные трехмерные структуры (рис. 5.35). Механизм индукции остеогенной дифференцировки в этом случае реализуется через усиление экспрессии остеобласт-специфичных белков, представляя таким образом классический вариант механотрансдукции при дифференцировке клеток остеогенной линии, воспроизведенный в культуре. Чтобы повысить выживаемость клеток, входящих в состав трансплантата, проводятся разработки дополнительных методов индукции ангиогенеза. В частности, используются модуляторы роста сосудов, являющиеся естественными цитокинами, индуцирующими эндотелиальную дифференцировку и рост сосудов — эндотелиальный сосудистый фактор роста и основной фактор роста фибробластов. Методы тканевой инженерии востребованы и для коррекции патологии хряща, особенно гиалиновой хрящевой ткани суставов. Отсутствие собственного камбиального резерва в гиалиновой хрящевой ткани данной локализации делает подобный биотехнологический подход единственным реализуе-

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

301

мым на сегодняшний день. Наибольшее распространение получила технология аутогенной трансплантации хондроцитов. Ее основными этапами являются: 1) артроскопическая биопсия суставного хряща с получением фрагментов гиа! линовой хрящевой ткани с ненагружаемых участков; 2) культивирование в усло! виях лаборатории для увеличения количества хрящевых клеток для будущей трансплантации; 3) после накопления необходимого количества клеточного материала его артроскопически пересаживают в область дефекта. К сегодняшнему дню медицинская наука накопила солидный опыт экспери! ментального и клинического изучения клеточных технологий в травматологии и ортопедии, в основном сформировались основные пути их развития. Совер! шенно очевидно, что построение действенных технологий в этой области воз! можно только с учетом биологических закономерностей эмбрионального гис! тогенеза, постнатального роста, реактивности и регенерации скелетных тканей.

Ïîçâîíî÷íûé ñòîëá Позвоночный столб соединяет череп, таз и выполняет роль основного ком! понента осевого скелета, участвуя в формировании грудной клетки и брюшной полости, позвоночного канала, предохраняет спинной мозг от повреждения. Структурно!функциональным элементом позвоночника является позвоночный двигательный сегмент, включающий два смежных тела позвонка, межпозвон! ковый диск, дугоотростчатые суставы, связки. Развитие. В период до хрящевой стадии (4—6 нед.) зачаток позво! ночника формируется за счет мезенхимы склеротома, окружающей хорду. Каждый склеротом двухкомпонентный, клетки, расположенные краниально, сливаются со следующим сегментом, а каудально расположенные клетки формируют фиброзное кольцо межпозвонкового диска и окружают хорду, которая в дальнейшем формирует студенистое ядро. Мезенхимный зачаток к 7!й нед. развития замещается хрящевой тканью, а в период костной стадии развития позвоночника (от 7 до 25 лет) замещается путем формирования трех центров оссификации. Два дорcальных центра формируют две позвоночные дужки, которые не смыкаются до 3—5 лет, в то время как центральный и бо! лее вентрально расположенные центры оссификации формируют тела позвон! ков и дугоотростчатые суставы. Межпозвонковый диск. Строение. Межпозвонковый диск — одно из наиболее сложных анатомических образований аппарата опоры и движе! ния. Функционально он представляет собой форму непрерывных хрящевых соединений, занимающих промежуточное положение между синхондрозами — малоподвижными прочными сращениями костей и истинными суставами. Рас! полагается между телами позвонков. Соединение костей при помощи межпоз! вонкового диска классифицируют как симфиз. Важнейшей функцией межпоз! вонковых дисков является гашение постоянно приходящихся на позвоночный столб нагрузок и колебательных движений, что обеспечивается особенностя! ми его структурной организации. Межпозвонковый диск человека относится к аваскулярным структурам, в связи с этим активным стимулятором поступле!

302

Ãëàâà 5

ния питательных веществ является дозированная нагрузка, действие которой не проявляется в условиях статических поз и больших напряжений. В состав межпозвонкового диска входят: фиброзное кольцо, студенистое ядро, хрящевые замыкательные пластинки. Фиброзное кольцо межпозвонкового диска представлено волокнистой хрящевой тканью, пучки коллагеновых волокон в которой располагаются в виде слоев и кольцеобразно, ориентированы под углом 60° к оси позвоноч! ного столба и под углом 120° относительно волокон смежных пластинок. Именно такая ориентация коллагеновых волокон придает фиброзному кольцу эластичность при компрессии. Смежные пластины не являются изолированны! ми друг от друга. Отдельные коллагеновые волокна соседних пластинок пере! ходят от одной пластинки в другую, за счет чего достигается прочный контакт и ограничивается смещение отдельных пластин. Передняя часть межпозвон! кового диска почти вдвое толще, чем задняя, что обусловлено разным коли! чеством слоев концентрических пластинок. Коллагеновые волокна наружных отделов фиброзного кольца тесно пере! плетены с волокнами продольных связок, а в прилежащие тела позвонков они проникают в виде шарпеевских волокон. Эластические волокна определяются во всех компонентах диска. В студе! нистом ядре их длина около 150 мкм и располагаются они радиально. В пе! реходной зоне между пульпозным ядром и фиброзным кольцом ориентация эластических волокон изменяется за счет формирования участков пересечения. В фиброзном кольце эластические волокна утолщены и распределяются в ре! гионах между коллагеновыми пластинками. Они выполняют функцию специ! фических «мостиков». Кроме того, эластические волокна могут быть ориенти! рованы параллельно коллагеновым фибриллам каждой пластинки. В областях между диском и хрящевыми замыкательными пластинками эластические волокна «заякорены» в пластинку и заканчиваются в этой области. Функ! ция эластических волокон заключается в распределении механических нагру! зок на межпозвонковый диск. В фиброзном кольце высокое содержание воды (60—70 %). В сухом ве! ществе содержание коллагена почти в 3 раза выше содержания протеоглика! нов и эластина. Внутренние и наружные отделы фиброзного кольца различаются по кле! точному составу и типам коллагенов. В наружных отделах, где располагаются клетки хрящевых дифферонов, преобладает I тип коллагена. Во внутренних отделах хондроцитами синтезируется II тип коллагена. Имеются и другие типы коллагенов, III, IV, V, IX и X, формирующие сложное межклеточное вещество. При дегенерации диска в нем перицеллюлярно обнаруживается коллаген IХ типа. Известно, что в суставном хряще коллаген Х типа принимает участие в процессах кальцификации, вероятно, и в межпозвонковых дисках он выпол! няет эту же функцию, что морфологически подтверждено выявлением его в участках кальцификации деструктивно поврежденных межпозвонковых дисков. Протеогликаны представлены аггреканом, декорином, бигликаном и верси! каном. Макромолекулы протеогликанов располагаются по ходу коллагеновых волокон. Для межпозвонковых дисков характерно наличие достаточно боль!

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

303

шого количества макромолекул протеогликанов, не связанных с коллагено! выми фибриллами, что практически не обнаруживается в суставном хряще. Коллагеновые волокна фиброзного кольца связаны с аггреканом, состоящим из цепей гликозаминогликанов (ГАГ) — хондроитин!4!сульфатов и кератан! сульфатов. В условиях патологии значительно увеличивается уровень дегра! дации аггрекана. В целом концентрация протеогликанов в фиброзном кольце значительно ниже, чем в студенистом ядре, и уменьшается от внутренних отде! лов по направлению к краевым отделам фиброзного кольца. Кроме того, между коллагеновыми волокнами располагаются гликопротеины, белковые и мине! ральные вещества. С возрастом в фиброзном кольце изменяется структура аггрекана. В его со! ставе снижается содержание хондроитинсульфатов и увеличивается количество кератансульфатов (Дедух Н. В. [и др.], 1988). Эти изменения приводят к сни! жению функциональной способности фиброзного кольца. На границе перехода фиброзного кольца к пульпозному ядру слоистость строения первого утрачивается. В этих отделах коллагеновые волокна распо! лагаются в виде сети. С возрастом у человека граница, отделяющая фиброзное кольцо от студенистого ядра, исчезает, студенистое ядро фиброзируется. У жи! вотных студенистое ядро сохраняется до глубокой старости. Клетки. Фиброхондроциты в фиброзном кольце межпозвонкового диска различаются как по структурной организации, так и биосинтезу макромолекул. Клетки наружных отделов фиброзного кольца активно синтезируют I тип кол! лагена, но слабо — протеогликаны. Клетки не формируют капсул. В клетках промежуточной зоны фиброзного кольца и во внутренних слоях синтезируют! ся не только коллаген, но и протеогликаны, а сами клетки расположены в кап! сулах и окружены перицеллюлярным матриксом. По электронно!микроскопическим характеристикам клетки фиброзного кольца у новорожденных характеризуются активными биосинтетическими процессами: у них развитая гранулярная эндоплазматическая сеть и комплекс Гольджи, содержащий большое количество секреторных пузырьков. Кро! ме того, в цитоплазме располагаются свободные рибосомы, а в ядрах эухрома! тин преобладает над гетерохроматином. В зрелом возрасте в цитоплазме фиброхондроцитов фиброзного кольца со! держится большое количество филаментов, отдельные из которых имеют ис! черченность, что позволяет отнести их к промежуточным филаментам. Эндо! плазматическая сеть развита слабо и представлена разрозненными канальцами. Митохондрии единичны и имеют небольшие размеры. В клетках определяется большое количество вакуолей, располагающихся в перинуклеарной области. В клетках фиброзного кольца экспрессируется белок альфа!актин, являю! щийся специфичным для мышечной ткани. Наличие этого белка предполагает возможность миграции клеток и их участие в процессе репарации. Наряду с макромолекулами, формирующими матрикс, клетки фиброзного кольца синтезируют и макромолекулы, способные вызывать его деструкцию. Это металлопротеазы, в частности металлопротеаза!3. Плотность клеток в фиброзном кольце наиболее высокая в краевых отде! лах, уменьшается по направлению к пульпозному ядру. Низкая плотность кле!

304

Ãëàâà 5

ток способствует тому, что репаративные способности фиброзного кольца до! статочно низкие, и соответственно, снижение плотности клеток с возрастом или при патологии приводит к выраженным дистрофическим нарушениям в структуре межклеточного вещества. Кроме того, с возрастом уменьшается биосинтетический потенциал клеток. Студенистое ядро. В поясничных межпозвонковых дисках студенистое ядро занимает около 40 % всей площади межпозвонкового диска. Его относят к одному из наиболее малоклеточных образований организма. Так, плот! ность расположения в нем клеток в 2,0—2,5 раза ниже, чем в суставном хря! ще. У детей и подростков клетки напоминают синцитий за счет тесного пере! плетения цитоплазматических отростков. Из клеточных элементов, кроме кле! ток хорды, которые присутствуют в дисках детей, обнаруживаются клетки хрящевого дифферона разной степени зрелости и активности. Они синтези! руют в основном II тип коллагена, характерный для хондроцитов. В неболь! шом количестве присутствуют коллагены VI, IX и XI типов. В зрелом возрас! те в центральной части диска обнаруживаются инкапсулированные изоген! ные группы хондроцитов, что не свойственно для структуры студенистого ядра в ранние периоды. Содержание воды в студенистом ядре в период зрелости уменьшается на 6 % по сравнению с молодым возрастом. Гиалиновая замыкательная пластинка. В поддержании морфофункциональ! ной целостности межпозвонкового диска важнейшая роль принадлежит гиали! новой замыкательной пластинке, которая по структурной организации соответ! ствует гиалиновому хрящу. Фиброзное кольцо межпозвонкового диска придает прочность соединению позвонков, а наличие спиральных волокон определяет его мобильность. Функция межпозвонкового диска определяется свойствами студенистого ядра. Высокая гидрофильность последнего у молодых особей обусловлена большим содержанием в его матриксе сульфатированных гликозаминоглика! нов, в основном хондроитин!4,6!сульфатов, имеющих отрицательный заряд и способных связывать воду. Степень гидрофильности студенистого ядра опре! деляется сочетанием процессов деполимеризации и реполимеризации. Относи! тельное постоянство объема студенистого ядра обеспечивается особенностями организации фиброзного кольца, а именно — архитектоникой коллагеновых волокон. Физиологическое нагружение на межпозвоночный диск стимулирует в клет! ках студенистого ядра механорецепторы, вследствие чего активируется био! синтез цитокинов из суперсемейства трансформирующего фактора роста Я (ТФР!Я). Эти цитокины, как короткодистантные модуляторы, регулируют ана! болические процессы в хрящевой ткани межпозвонкового диска, что обуслов! ливает активизацию биосинтеза коллагена II типа и аггрекана в клетках студе! нистого ядра. При давлении в 30 атм или больше, либо 1 атм или меньше биосинтез про! теогликанов резко падает, но возрастает синтез металлопротеиназы!3, оказы! вающей деструктивное действие на ткани диска. Последовательность патогенетических звеньев при действии на межпозвон! ковый диск чрезмерных повторяющихся нагрузок можно представить следую!

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

305

щим образом. Аномальное механическое нагружение вызывает дегенерацию диска путем повышения частоты апоптоза в хондроцитах, что приводит к про! граммируемой гибели клеток, вследствие чего снижается общее количество хондроцитов и биосинтез макромолекул матрикса. Некоторые из этих эффек! тов могут быть опосредованы, например, интерлейкином!1 (ИЛ!1). Этот цито! кин «переключает» хондроциты с анаболических процессов, которые регули! руются ТФР!Я, на катаболические, включающие разрушение хряща как на молекулярном, так и на тканевом уровнях. Показано, что ИЛ!1 регулирует ангиогенез в некоторых суставах и может также опосредовать патологические изменения межпозвонкового диска, такие как врастание в него сосудов и нер! вов. Кроме того, в дегенерацию диска вовлекаются матриксные металлопро! теиназы, которые способствуют разрушению матрикса и биосинтезу аномаль! ных протеогликанов. Возрастные изменения. Биохимические и морфологические исследова! ния межпозвонковых дисков показали, что с возрастом меняется качественный состав аггрекана: снижается содержание хондроитинсульфатов и увеличивает! ся — кератансульфатов. Понижается способность протеогликанов к образо! ванию агрегатов, что приводит к снижению их способности адсорбировать и удерживать в своей структуре воду. Это способствует дегенерации студени! стого ядра. Содержание коллагена в студенистом ядре с возрастом практически не изменяется, однако увеличивается плотность и толщина волокон (от еди! ничных тонких фибрилл, диаметром 10—20 нм в детском возрасте до собран! ных в пучки фибрилл имеющих диаметр 40—60 нм у лиц зрелого возраста). В пожилом и старческом возрасте в межклеточном веществе появляются очаги зернистого распада. Происходит накопление неколлагеновых белков, типа гли! копротеидов, служащих для ориентированного отложения коллагена. В деге! неративно измененных студенистых ядрах обнаруживается I тип коллагена, который в норме в них не определяется. При дегенерации диска в нем пери! целлюлярно обнаруживается коллаген Х типа, он принимает участие в процес! сах кальцификации. Дегенеративные процессы в хрящевой замыкательной пластинке, по!ви! димому, начинаются с кальцификации ее внутренней стороны (обращенной к диску) и ее фрагментации, так как хрящевая замыкательная пластинка играет роль питательного канала для студенистого ядра. В пожилом возрасте дегене! рация хрящевой замыкательной пластинки может быть связана с инвазией со! судов и замещением кальцифицированной замыкательной пластинки костной тканью. Это, в свою очередь, приводит к редукции путей поступления пита! тельных и регуляторных веществ, деструкции поверхностного слоя замыка! тельной пластинки и дегенерации студенистого ядра. Множественные случаи подобного феномена приводят к костному смыканию дискового пространства. Регенерация. Травматическое повреждение фиброзного кольца диска при! водит к формированию деструктивных трещин и щелей, большинство из кото! рых заполняется детритом. Репаративные проявления выражены слабо и за! ключаются в формировании единичных пролифератов из фибробластов. При повреждении студенистого ядра запускается механизм репарации, при этом на первом этапе формируется грануляционная ткань, в составе которой

306

Ãëàâà 5

наряду с фибробластами обнаруживаются моноциты и микрофаги. Моноциты экспрессируют хемотаксический белок!1, активирующий макрофаги и их ре! зорбтивную активность. В последние годы стала использоваться технология лечения травматиче! ских и дегенеративных повреждений межпозвонковых дисков с помощью мето! дов тканевой и генной инженерии. Оптимизировать регенерацию в диске воз! можно путем использования стромальных клеток костного мозга или клеток фиброзного кольца, полученных от пациентов и культивированных в среде с последующим введением этим пациентам в травмированный или деструктив! но измененный межпозвонковый диск. Клетки могут быть выращены на трех! мерных матрицах. Дополнительно используют факторы роста.

Ñóñòàâû Сустав как орган — это многокомпонентная система, содержащая опорные костные контактирующие друг с другом элементы, фиксированные связками, покрытые в местах контакта суставным хрящом и изолированные от внеш! ней среды посредством суставной фиброзной капсулы (рис. 5.36). Внутрен! няя (интимальная) поверхность капсулы представлена синовиальной обо! лочкой, сосуды и клетки которой являются продуцентами синовиальной жидкости. Синовиальная оболочка, синовиальная жидкость и суставной хрящ ограничивают герметически замкнутое пространство (суставную полость) и об! разуют внутреннюю синовиальную среду сустава. Кости и фиброзная капсула служат местом прикрепления скелетных мышц. Каждый сустав васкуляризиро! ван кровеносными и дренирован лимфатическими сосудами данного региона. Все компоненты сустава имеют афферент! ную и эфферентную (вегетативную) иннер! вацию. Вспомогательными образованиями, не обя! зательными для всех видов суставов, яв! ляются фиброзно!хрящевые диски, мени! ски, а также синовиальные сумки (именуе! мые ранее слизистыми). В анатомическое понятие сустава входят также скелетные мышцы, фиксированные на отдельных со! членяющихся сегментах, и сухожилия, осу! ществляющие их фиксацию. Рис. 5.36. Строение сустава (схема): I — синовиальная оболочка; II — синовиальная жид! кость; III — суставной хрящ; а — сочленяющаяся кость; б — кровеносные сосуды; в — фиброзная стен! ка суставной капсулы; г — жировая складка; д — су! ставная полость; е — сухожилие и мышца; ж — сино! виальная сумка; з — мениск; и — нервные волокна

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

307

Развитие. Формирование скелета позвоночных начинается с хрящевых моделей будущих костных сегментов. Их выявлению предшествует стадия пре! хондральной мезенхимы. Это небольшие разрозненные скопления мезенхим! ных клеток. Клетки одной из популяций прехондральной мезенхимы становят! ся детерминированными в направлении хондрогенной дифференциации. Мор! фологически это выражается в конденсации клеток, образовании скоплений, агрегатов. Биохимические показатели, как и тинкториальные свойства этих клеток свидетельствуют о способности их продуцировать коллаген II типа и сульфатированные протеогликаны. На данном этапе дифференцировки эти клетки именуются хондробласта! ми. Они образуют так называемую хрящевую бластему. Период конденсации определяют как один из критических периодов развития сочленения, как время возможного воздействия мутантных генов и формирования пороков раз! вития конечностей. Дальнейшая дифференцировка клеток хрящевой бластемы связана с прекращением синтеза коллагена I типа, активацией синтеза колла! гена II типа, снижением пролиферативного индекса (до 25 % от исходного) и, как правило, с необратимостью дифференцировки. Эти клетки именуются хондроцитами. Совокупность процессов пролиферации, дифференцировки и секреции обес! печивает интерстициальный рост хрящевой бластемы — накопление массы незрелого хряща за счет увеличения его межклеточных (матриксных) структур и образования лакун, в которых локализуются клетки. Хрящевые закладки окружены клетками фибробластического типа, за счет которых формируется надхрящница. Клетки внутреннего слоя надхрящницы сохраняют хондроген! ные потенции и являются резервом для регенерации. Следующим этапом развития является фрагментация бластемы. Меха! низм фрагментации основан на способности ограниченной части клеток хря! щевого зачатка возвратиться к синтезу коллагена I типа, вследствие чего в бла! стеме образуются прослойки волокнистой соединительной ткани. Эти участки получили название интерзон. Иной процесс образования интерзон опреде! ляется как возможность активного внедрения в хрящевую бластему фибро! бластических клеток из перихондральной мезенхимы, окружающей хрящевые закладки. Область интерзоны в формирующемся суставе становится местом образо! вания щелевидных пространств — полостей, т. е. начинающегося процесса ка! витации. По!видимому, процесс кавитации — образования полости сустава — есть совокупность ряда процессов в клетках и матриксе интерзоны. Они за! ключаются в гибели и лизисе части клеток, экстрацеллюлярном накоплении веществ, секретируемых клетками интерзоны, увеличении расстояния меж! ду клетками, а также в проявлении их ферментативной и макрофагальной функций. Роль мышечной активности эмбриона в формировании суставной полости, согласно современным представлениям, заключается в следующем. Началь! ные этапы кавитации инициируются и протекают вне зависимости от двига! тельной активности зародыша. Они определяются включением генетических механизмов, закрепленных эволюцией, еще до начала двигательных акций.

308

Ãëàâà 5

Однако движение является определяющим фактором дальнейшего развития за! чатков, т. е. ведущим условием для нормального органогенеза сустава. Одновременно с процессом кавитации из клеток мезенхимы, окружающих хрящевые закладки и проходящих фибробластическую дифференцировку, образуется стенка сустава — ее наружная фиброзная и внутренняя синовиаль! ная части — синовиальная оболочка. Формирование последней органоспе! цифично для сустава, так как связано с образованием уникального деривата мезенхимы покровного слоя, представленного синовиоцитами и волокнистым матриксом. Строение. Эпифизы сочленяющихся в суставе костей образованы губчатым и компактным веществом кости и покрыты суставным гиалиновым хрящом. Архитектоника костного и хрящевого матрикса обусловлена характером био! механических нагрузок при осуществлении таких движений, как компрессия, растяжение, трение. Структура суставного хряща отражает выполнение им основной функцио! нальной задачи — принятие механических нагрузок, прежде всего компрессион! ной нагрузки, одним костным сегментом сочленения от другого (или других), противостоящих ему, и распределение нагрузок по касательной к поверхности эпифиза. Соответственно этому суставной хрящ имеет зональное строение. В настоящее время принято различать три зоны: поверхностную, обращен! ную в полость сустава (5—10 % общего объема хрящевой пластинки), проме! жуточную (40—50 %) и глубокую, или радиальную (45—50 %). Ряд авторов выделяет базальную часть глубокой зоны, состоящую из каль! цифицированного хряща, в отдельную — четвертую — зону кальцификации. Хрящ содержит матрикс и клетки (хондроциты) различной степени диффе! ренцировки. Макромолекулярная структура матрикса представлена сочетанием коллагеновых образований (коллаген II) и протеогликановых комплексов, свойства которых позволяют удерживать большой объем воды. Последнее об! стоятельство обеспечивает такие свойства суставного хряща, как: 1) обрати! мая деформация (сжатие волокнистого каркаса, отдача воды в полость сустава при нагрузке и восстановление начальных структур и объема путем возвраще! ния воды в участки хряща, подвергшиеся компрессии); 2) распределение ме! ханических нагрузок по площади всей поверхности покрытой хрящом кости; 3) возможность перемещения метаболитов в пределах некальцифицированных аваскулярных зон хрящевой пластинки и обмен с содержимым суставной поло! сти и сосудами, проникающими в кальцифицированный хрящ глубокой зоны. Важно отметить, что толщина суставного хряща по отношению к костным компонентам сочленяющихся сегментов и его собственные амортизационные возможности весьма незначительны. Основная нагрузка по осуществлению амортизации падает на субхондральную кость. Амортизационная мощность су! става во многом определяется совокупностью структурно!функциональных воз! можностей его костного и хрящевого компонентов. В плане характеристики системы «суставной хрящ—субхондральная кость» большой интерес представляет остеохондральное соединение — зона их непо! средственного соприкосновения, а также базофильная линия — граница между кальцифицированным и некальцифицированным хрящом, препятствующая

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

309

в норме проникновению в хрящ кровеносных сосудов и распространению про! цесса кальцификации. В нормальном суставе некальцифицированный хрящ никогда непосредственно не соприкасается с костью. Плотная волокнистая соединительная ткань фиброзной части суставной сумки образует волокнистый коллагеново!эластический каркас, в петлях кото! рого располагаются основное вещество протеогликановой природы и клеточ! ные элементы (фиброциты, фибробласты, лаброциты, макрофаги). В фиброз! ную капсулу вплетаются волокна суставных, или сумочных, связок, укрепляю! щие стенку сумки и являющиеся, по существу, ее компонентами. Волокна самой сумки в суставе переходят непосредственно в надкостницу сочленяющихся кос! тей. В зависимости от расположения и мест прикрепления различают внекап! сульные, капсульные и внутрикапсульные связки. Наружные участки капсулы граничат с мышцами и их сухожилиями, при этом последние нередко вплета! ются в стенку капсулы. Так осуществляется влияние мышечного тонуса на стен! ки капсулы, на состояние их оптимального напряжения, поддерживающего сус! тавную полость. Суставная полость — узкое щелевидное пространство, заполненное сино! виальной жидкостью (синовием), объем которой в самых крупных суставах че! ловека составляет обычно около 2—3 мл. Внутренний слой суставной сумки представлен синовиальной оболочкой. В основе матрикса синовиальной оболочки лежат коллагеновые волокна и эла! стические сети, формирующие тонкий волокнистый каркас, содержащий в пет! лях основное вещество протеогликановой природы и клеточные элементы, ха! рактерные для рыхлой соединительной ткани. В синовиальной оболочке диф! ференцируются три слоя: обращен! ный в полость покровный слой и два волокнистых (коллагеново!эластические) — поверхностный и глубокий. Органоспецифическим для сустава является ограничивающий непосредст! венно суставную щель покровный слой. Это особо дифференцированный пласт соединительной ткани, несущий не свойственные ей пограничные, барьерные функции. Клеточные элементы по! кровного слоя — синовиоциты — не образуют непрерывную клеточную выстилку. Они располагаются рыхло в один!два слоя, базальная мембра! на отсутствует, и основное вещество матрикса наряду с клетками ограни! чивает суставную полость. Синовио! циты покровного слоя функциональ! но дифференцированы (рис. 5.37). Синовиоциты типа А (А!клетки, Рис. 5.37. Клетки покровного слоя синовиальной оболочки (схема): а — макрофагальный синовиоцит; б — фиб! робластический синовиоцит; в — основное вещество

310

Ãëàâà 5

или по предлагаемой современной терминологии — М!клетки) обладают активной макрофагальной функцией. Синовиоциты типа В (или S!клетки) яв! ляются продуцентами гиалуроновой кислоты — одного из специфических ком! понентов синовиальной жидкости, определяющих ее «смазочные» свойства в местах контакта костных сегментов сочленения. В покровном и волокнистых слоях содержатся фибробласты, макрофаги, лаброциты, плазматические клет! ки. При патологических состояниях синовиальная оболочка становится местом скопления многочисленных выселившихся из крови иммунокомпетентных кле! ток. Формируются также образования типа лимфоидных скоплений и узелков. Структура синовиальной оболочки неодинакова в различных участках суставной полости. Принято различать синовиальную оболочку ареолярного, адипозного и фиброзного типов. Оболочка ареолярного типа, характерная для больших по площади участ! ков суставной полости (латеральная и медиальная стенки, область больших, связанных с суставом сумок), имеет волнистую поверхность, мощно развитые поверхностный и глубокий коллагеново!эластический слои, покровный слой, богатый клетками, обильное кровоснабжение и иннервацию. Оболочка адипозного типа выстилает полость в области жировых складок и подушек над сочленовными поверхностями соединяющихся костей. Здесь обо! лочка тонка, пронизана кровеносными капиллярами. Волокнистые слои не вы! ражены. Покровный слой лежит непосредственно на жировых скоплениях. Оболочка фиброзного типа имеет хорошо развитые плотные волокнистые слои, вплетающиеся непосредственно в подлежащие соединительнотканные участки капсулы, там, где оболочка ложится на сухожилия связки или грани! чит непосредственно с суставным хрящом (так называемые переходные зоны). Многие клетки покровного слоя фенотипически близки к хондробластам. Синовиальная оболочка является непосредственной областью протекания таких процессов, как: транссудация (проникновение) веществ из кровеносного русла в ткани оболочки и суставную полость; резорбция (всасывание) веществ из тканей оболочки в полости сустава в сосудистые русла — кровеносные и лимфатические сосуды; интерстициальный (внесосудистый) транспорт мета! болитов в основном веществе матрикса синовиальной оболочки и суставного хряща; участие клеток в резорбции веществ. Все перечисленные процессы вза! имно обусловливают друг друга и имеют общие источники регуляции. Из крови в суставную полость в процессе нормальной жизнедеятельности сустава проникают: вода, соли, глюкоза, протеины, в том числе ферменты. Про! никновение корпускулярных образований в норме из крови в сустав в настоя! щее время отрицается. Из суставной полости в кровь резорбируются (всасываются) кристаллоид! ные и коллоидные растворы. Интенсивность всасывания определяется не толь! ко величиной молекул коллоида, но и другими факторами, например, количест! вом введенного вещества, пассивными и активными движениями в суставе, состоянием всей сосудистой системы организма, регуляторными воздействия! ми нервной и гуморальной природы. Протеины, грубодисперсные коллоиды, взвеси и клетки не могут в норме проникать из сустава в кровеносное русло. Их удаление из полости связано только с лимфатическими путями.

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

311

Из суставной полости и тканей синовиальной оболочки в лимфатическое русло в условиях нормальной жизнедеятельности резорбируются вода и про! теины. Взвеси и клетки без предварительного лизиса в нормальных условиях в лимфатическое русло не проникают. Их удаление становится возможным при значительном повышении внутрисуставного давления. Синовиальная жидкость — синовия — содержит клетки и внеклеточную жидкую субстанцию, в которой определяются кристаллы и плотные (корпу! скулярные) частицы. Объем синовиальной жидкости суставов в норме невелик (2—3 мл в колен! ном суставе человека), но значительно возрастает в условиях патологии, осо! бенно при воспалительных заболеваниях сустава (до десятков миллилитров). Нормальная синовия — бесцветная, прозрачная, вязкая жидкость (вязкость в условных единицах — 5,7; коэффициент трения — 0,003—0,01; рН — 7,8). Вязкость синовии — одно из основных ее характерных свойств, обеспечиваю! щих смазочный механизм при осуществлении локомоций. Она содержит низко! молекулярные компоненты (ионы натрия, калия, кальция, мочевую кислоту, мочевину, глюкозу) в концентрациях, весьма близких к крови, белки, в том числе так называемый синовиомукоид (в концентрации в 3—4 раза превышаю! щей таковую в сыворотке крови), гликопротеины (фибронектин, отличающий! ся от фибронектина крови по молекулярной структуре), иммуноглобулины, гликозаминогликаны, среди которых ключевую роль играет гиалуроновая кис! лота, присутствующая в виде натриевой соли — гиалуроната. Клеточный состав синовиальной жидкости (синовиоцитограмма) является одним из ведущих параметров ее состояния в норме и патологии. Синовия содержит лейкоциты крови, а также клетки местного (тканевого) происхождения. Последние в большинстве своем находятся в состоянии ди! строфии и лизиса. Общее количество клеток — цитоз — оценивается для нор! мальной синовии человека как 200, максимум 300 в 1 мл. При невоспалитель! ных заболеваниях суставов он возрастает до 2000—3000 в 1 мл, а при воспа! лительных и инфекционных — достигает 150 000—200 000. Синовиоцитограмма позволяет иметь врачу!артрологу надежный и объектив! ный ориентир для суждения о состоянии внутренней среды сустава и эффекта проводимой терапии. Углубленное изучение синовиальной жидкости позволило установить корреляционные зависимости между содержанием различных клас! сов клеток при разных нозологических формах заболеваний суставов, а полу! ченные данные использовать для оценки иммунологической ситуации в суставе. Таким образом, суставной хрящ, синовиальная оболочка и синовиальная жидкость — это триада, непосредственно организующая внутрисуставное про! странство, или его внутреннюю (синовиальную) среду. Иннервация. Каждый синовиальный сустав получает ветви перифериче! ского нерва, иннервирующего данную область. В составе ветвей смешанного пе! риферического нерва в капсулу сустава проникают вместе с сосудами чувстви! тельные, афферентные волокна, образующие рецепторы в самой капсуле, свя! зочном аппарате, синовиальной оболочке, менисках, синовиальных сумках, а также эфферентные волокна вегетативной нервной системы с эффекторными окончаниями в стенках сосудов.

312

Ãëàâà 5

Костные компоненты сустава иннервируются волокнами ветвей тех же нер! вов, которые проникают в кость из надкостницы. Суставной хрящ взрослого человека аваскулярен и не содержит нервных окончаний. Симпатические во! локна проникают вместе с сосудами в базальную зону хряща — в ее кальцифи! цированный хрящ, а за его пределы в норме не распространяются.

Êðîâåíîñíîå è ëèìôàòè÷åñêîå ðóñëà ñèíîâèàëüíîé îáîëî÷êè Кровеносное русло. Синовиальная оболочка суставов обильно снабжена сосудами (рис. 5.38). Именно этим объясняется важнейший в практическом от! ношении факт, что из всех частей суставов она подвергается воспалительным заболеваниям почти всегда первой и нередко — единственной. Однако синовиальная оболочка фиброзного типа, покрывающая плотные участки капсулы и связки, бедна сосудами: наиболее богатая сеть кровеносных сосудов характерна для ареолярного типа синовиальной оболочки; адипозный тип оболочки, вследствие отсутствия в нем волокнистого слоя, лишен и суб! синовиальных сосудов, но для него типична обильная сеть капилляров; на гра! нице с суставным хрящом формируются анастомозирующие капиллярные пет! ли — circulus vasculosus. Источником кровоснабжения синовиальной оболочки являются артерии мышечного типа, залегающие между ней и фиброзной оболочкой. Они пред! ставляют собой ветви артерий капсулы сустава, некоторые из них проходят сюда транзитно из периартикулярной артериальной сети. В ареолярной сино! виальной оболочке кровеносные сосуды образуют две сети: глубокую и поверх! ностную, находящиеся в соответствующих коллагеново!эластических слоях.

Рис. 5.38. Кровеносные сосуды и инкапсулированное нервное окончание в поверхност! ном коллагеново!эластическом слое синовиальной оболочки коленного сустава. Муж! чина 46 лет. Импрегнация по В. В. Куприянову. Ув. 120: 1 — артериола; 2 — прекапилляр; 3 — капилляр; 4 — венула; 5 — инкапсулированное нервное окончание

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

313

Артериолы глубокой сети отходят от источников кровоснабжения синовиаль ной оболочки. Афферентные пути кровотока поверхностной сосудистой сети обра зуются путем разветвления артериол, залегающих в глубоком волокнистом слое. Артериолы глубокой сети широко анастомозируют между собой по типу «бок в бок», «конец в конец» или «конец в бок», благодаря чему в глубоких слоях синовиальной мембраны образуются различной формы и размеров арте риолярные ячейки. Деление артериол происходит, в основном, по магистральному типу. Артериолы подвижных участков суставной капсулы имеют извилистый ход. Артериолы глубо кой и поверхностной сети отличаются друг от друга по калибру и строению стен ки: поверхностные меньше по диаметру и содержат несплошной слой миоцитов. От ветвей артериол синовиальной оболочки отходят прекапиллярные арте риолы. Последних больше в составе глубокой кровеносной сети. Они снабжены механизмами регуляции гемодинамики: сифонными устройствами и сфинкте рами. Ядра эндотелиоцитов и перициты, находящиеся у места начала прека пиллярных артериол, также регулируют объем транскапиллярного кровотока синовиальной оболочки. Кровеносные капилляры синовиальной оболочки образуют различные со судистые конструкции, формы которых тесно связаны с архитектурными фор мами окружающих волокнистых конструкций (рис. 5.39). Чаще всего капилля ры имеют вид двумерных сосудистых сетей из полигональной формы ячеек, расположенных в составе глубокого и поверхностного волокнистых слоев арео

Рис. 5.39. Поверхностный коллагеноэластический слой ареолярного (а) и ареолярно фиброзного (б) типа участков синовиальной оболочки капсулы коленного сустава. Мужчина 56 лет. Ув.: а, б — 320: а — коллагеновые волокна, распределенные неплотно в двух взаимноперпендикулярных направ лениях, образуют сеть из четырехугольных ячеек различных размеров; б — коллагеновые волокна частично консолидированы в пучки вдоль вектора преимущественного растяжения

314

Ãëàâà 5

Рис. 5.40. Ультраструктура синовиоцитов синовиальной оболочки коленного сустава собаки. Ув. 8500: 1 — синовиоциты; 2 — промежуток между синовиальными клетками (препарат Р. В. Деева)

лярного типа участков оболочки. Для фиброзного типа участков характерны одинарная двумерная сосудистая сеть с редкими ячейками, вытянутыми вдоль пучков коллагеновых волокон, мало и бессосудистые зоны с капиллярными петлями по периферии. Адипозный тип отличается хорошо выраженной трех мерной сосудистой сетью из ячеек округлой и шестиугольной форм. Осо бого внимания с позиций транссиновиального обмена заслуживают капилляры в виде почечных клубочков адипозного типа участков и широкие (диаметром до 20 мкм) капилляры поверхностной сосудистой сети ареолярного типа участ ков. Широкие кровеносные капилляры часто располагаются в зоне разрежения волокнистых и клеточных компонентов синовиальной оболочки. Эти локальные истончения напоминают «насасывающие люки» брюшины диафрагмы. Они образуются путем расхождения коллагеновых и эластических волокон глубокого коллагеновоэластического слоя, разрежения волокон поверх ностного коллагеновоэластического и истончения клеточного слоев. Последний здесь состоит из одного слоя клеток. Участки истончения синовиальной обо лочки имеют овальную или округлую формы. Коллагеновые и эластические во локна глубокого волокнистого слоя ограничивают ровные их края. Такие ло кальные истончения — «люки» — характерны для тех участков синовиальной оболочки, которые ограничивают места скопления в полости сустава сино виальной жидкости. Они обеспечивают процессы транссиновиального обмена. Здесь нередко обнаруживаются капилляры. Ядросодержащая часть их эндо телиоцитов обращена в толщу синовиальной оболочки, а истонченная перифе рическая зона ориентирована к синовиоцитам. Часто непосредственно над та кими кровеносными капиллярами обнаруживаются расширения межклеточных промежутков синовиальных клеток (рис. 5.40). Эти кровеносные капилляры,

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

315

судя по морфологическим признакам и локализации, приспособлены для транс! судации и резорбции синовиальной жидкости. Другим приспособлением кровеносных сосудов для обеспечения транссино! виального обмена является капиллярная сеть синовиальных ворсинок. Архитектоника капилляров ворсинок представлена разнообразными капилляр! ными петлями и клубочками или мелкопетлистой сетью. Калибр кровеносных капилляров ворсинок непостоянный и варьирует от 5 до 20 мкм. Некоторые капилляры находятся непосредственно под синовиацитами, расположенными здесь в один!два слоя. Кровеносные капилляры глубокой сети лежат вдоль сосудистых пучков, со! стоящих из артериолы и венул, и образуют здесь периваскулярную сеть с ячей! ками прямоугольной формы. Из слияния капилляров образуются посткапиляр! ные венулы, которые в поверхностном коллагеново!эластичном слое участвуют в образовании капиллярно!посткапиллярной сети. Диаметр поверхностных посткапиллярных венул больше, чем глубоких. Некоторые из них распола! гаются поверхностно под синовиоцитами и в области «люков». Диаметр глубо! ких венул превалирует над диаметром поверхностных. Они же проявляют боль! шую, по сравнению с поверхностными, извилистость. Глубокие венулы сино! виальной оболочки более многочисленны, чем артериолы. Каждая артериола сопровождается венулами (от 2 до 6), нередко формирующими вокруг рези! стивного сосуда венозное сплетение. Венулы глубокой кровеносной сети широ! ко анастомозируют друг с другом, имеют локальные расширения у мест слияния. В глубокой сети выявляются артериоло!венулярные анастомозы. Однако это непостоянные структуры: наиболее часто они определяются в периоды актив! ного роста и возрастных изменений сосудистого русла, а также при нарушениях гемодинамики. Отток крови из синовиальной оболочки осуществляется в ве! нозную сеть, залегающую между ней и фиброзной оболочкой суставной капсулы. Лимфатическое русло. Лимфатические пути выявляются в ареолярной синовиальной оболочке, реже — в адипозной. В фиброзных ее участках лимфа! тическое русло отсутствует. Лимфатические микрососуды представлены лим! фатическими капиллярами и посткапиллярами. Корнями лимфатической систе! мы синовиальной оболочки являются ячеистые сети и петли лимфатических капилляров, периваскулярные и слепо начинающиеся капилляры. При этом лимфатические капилляры и посткапилляры формируют поверхностную и глу! бокую сети, находящиеся в соответствующих коллагеново!эластических слоях. Поверхностная сеть слагается из ячеек и петель лимфатических капилля! ров и посткапилляров. Она локализуется на глубине 30—60 мкм от свободной поверхности синовиальной оболочки и обеспечивает резорбцию синовиальной жидкости. Ячейки лимфатической сети формируются из капилляров различ! ной длины и диаметра и имеют разную форму. При этом направление длинно! го их размера определяется ходом пучков коллагеновых волокон и совпадает с продольной осью конечности. Слепо начинающиеся лимфатические капил! ляры впадают в ячеистые сети, а своим расширенным концом направляются к синовиоцитам; некоторые из них располагаются в области «люков» и яв! ляются специализированными структурами для резорбции синовиальной жид! кости из полости сустава (рис. 5.41).

316

Ãëàâà 5

Рис. 5.41. Локальное истончение — «люк» со слепым концом лимфатического капилляра в синовиальной оболочке коленного сустава собаки. Импрегнация по В. В. Куприянову (фокусировка на клеточный слой). Ув. 120: 1 — лимфатический капилляр; 2 — ядра синовиоцитов; 3 — кровеносный капилляр

Глубокая сеть лимфатических микрососудов состоит из периваскулярных капилляров и посткапилляров, располагающихся вдоль артериол и венул. Их роль сводится к резорбции продуктов метаболизма из сосудистого микро! окружения и оттоку лимфы из поверхностной лимфатической сети. Лимфатические капилляры и посткапилляры синовиальной оболочки харак! теризуются относительно простой конструкцией стенок: их просвет ограничен лишь одним слоем эндотелиальных клеток, имеющих полигональную форму. Базальная мембрана у лимфатических капилляров отсутствует, у посткапилляров она не сплошная, а имеет прерывистый характер. Лимфатические посткапилля! ры, в отличие от капилляров, имеют клапаны, благодаря чему ток лимфы в них приобретает однонаправленный характер. Лимфатические сосуды формируются из слияния глубоких лимфатических капилляров и посткапилляров. Они сле! дуют между синовиальной и фиброзной оболочками и впадают в сосуды либо последней, либо в периартикулярные лимфатические сосуды. Благодаря нали! чию перетяжек в области крепления клапанов, находящихся на границе между лимфангионами, лимфатические сосуды имеют «четкообразный» контур. Возрастные изменения кровеносных и лимфатических микрососудов синовиаль! ной оболочки начинаются в конце второго периода зрелого возраста и прогресси! руют в пожилом и старческом возрастах. Первоначально они сводятся к усиленному новообразованию кровеносных капилляров в периваскулярной сети, расширению посткапилляров и венул (венуло!артериолярный коэффициент достигает 3,0), увеличению количества артериоло!венулярных и межвенулярных анастомозов, а также к изменениям контуров лимфатических микрососудов, уменьшению их

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

317

количества и фрагментации периваскулярных лимфатических капилляров. В по! следующем утолщаются и склерозируются стенки резистивных сосудов, подвер! гаются регрессивному развитию кровеносные капилляры, развивается стойкое расширение посткапилляров и венул и наступает почти полная редукция лим! фатического русла. Возрастные изменения путей гемо! и лимфомикроциркуля! ции синовиальной оболочки приводят к ухудшению условий транссудации и резорбции синовиальной жидкости, что, в свою очередь, нарушает трофику сус! тавного хряща и является одной из причин развития возрастных артрозов.

Сухожилия Сухожильный аппарат включает как непосредственно сами сухожилия — специально организованные участки плотной оформленной соединительной ткани для передачи механических усилий от мышцы к местам прикрепления к кости, так и дополнительные образования, способствующие этому процессу (сухожильные влагалища, околосухожильные сумки). Сами сухожилия анато! мически могут иметь различную длину, форму и характер прикрепления к кос! ти (локализованный, распространенный), однако гистологически характер их строения однотипен. Занимая промежуточное положение между мышцей и костью, сухожилия биомеханически являются концентраторами сил для осуществления движения, и это обусловливает специфику их строения как на микроскопиче! ском, так и на ультрамикроскопическом и молекулярном уровнях. Формируясь одновременно и в связи с развитием мышц и костей, сухожилия происходят из мезенхимальных клеток и образуют типичную систему, характерную для си! стемы соединительных тканей: клетка — межклеточное вещество. Межклеточное вещество сухожилий как плотной волокнистой соедини! тельной ткани характеризуется молекулярными компонентами, свойственными тканям этой системы в целом, однако надмолекулярная упаковка имеет осо! бенности, которые выражаются в том, что между анионными группами гликоза! миногликанов и катионными группами коллагена имеются сильные электро! статические взаимодействия, способствующие высокоупорядоченному строению молекул и обеспечивающие высокие структурно!механические свойства уже на молекулярном уровне. Межклеточное вещество включает компоненты: основное вещество, состоящее из гиалуроновой кислоты, неколлагеновых присоедини! тельных и стержневых белков, кератан! и хондроитин!сульфатов; волокни! стые структуры, представленные коллагеновыми и эластическими волокнами. Коллагеновые волокна, построены в основном из коллагена I типа, причем плотность упаковки волокон столь велика, что клетки оказываются сжатыми волокнистыми структурами, а капилляры сохраняются только в поверхностных слоях. Пучок коллагеновых волокон, окруженный сухожильными клетками (тендиноциты) и их отростками, рассматривается как пучок первого порядка. Пучки второго и третьего порядков оплетены тонкими прослойками рых! лой волокнистой соединительной ткани, которые включают компоненты мик! роциркуляторного русла, рецепторные и проводящие отделы нервной системы и получают название эндотенония. В целом все сухожилие заключено в более

318

Ãëàâà 5

Рис. 5.42. Поперечный срез сухожилия (по: Клишов А. А., 1989): 1 — пучки коллагеновых волокон; 2 — ядро сухожильной клетки; 3 — прослойки рыхлой соеди! нительной ткани (эндотеноний) с кровеносными сосудами; 4 — перитеноний

толстый пограничный слой волокнистой соединительной ткани, который полу! чает название перитенония (рис. 5.42). Место перехода сухожилия в мышцу характеризуется постепенным разво! локнением пучков коллагеновых волокон, которые соединяются с белками сар! колеммы, обеспечивая тем самым равномерную нагрузку на каждый учас! ток молекулярного сцепления. Место перехода сухожилия в костную ткань характеризуется также разволок! нением пучков коллагеновых волокон, но выраженным в несколько меньшей степени. Входя в костное межклеточное вещество между остеобластами камби! ального слоя надкостницы, пучки коллагеновых волокон расщепляются на еще более тонкие волокна и заканчиваются на разной глубине в костной ткани. На ранних этапах развития, когда формируется упорядоченная сеть коллаге! новых волокон сухожилия, его микроциркуляторное русло имеет также сетевид! ную организацию капиллярного отдела. По мере уплотнения межклеточного ве! щества количество капилляров уменьшается, ориентация их совпадает, в основ! ном, с направлением пучков коллагеновых волокон. В зрелом сухожилии неболь! шое количество капилляров обнаруживается в эндомизии, гораздо больше их находится на границе сухожилия и перимизия, в основном в области мезотено! ния, который образуется, если сухожилие размещается в сухожильном влагалище. Рецепторные аппараты соматического отдела нервной системы, форми! рующиеся на концах отростков нейроцитов спинальных ганглиев, располагают! ся в виде кустиковидных образований между пучками коллагеновых волокон

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

319

еще на стадии рыхлой упаковки и при возрастании плотности упаковки всту! пают с пучками коллагеновых волокон во все более тесные отношения. Клеточные элементы иммунной системы в виде Т!, В!лимфоцитов и макро! фагов определяются вдоль капилляров микроциркуляторного русла. Лимфа! тические капилляры и сосуды обнаруживаются в перитенонии, мезотенонии и в стенке сухожильного влагалища. Вспомогательный аппарат сухожилий чаще всего представлен сухожиль! ными влагалищами, которые представляют собой замкнутую полость, запол! ненную синовиальной жидкостью. Висцеральный листок синовиального вла! галища образован синовиоцитами, лежащими на перитенонии, а париетальный листок — синовиоцитами, лежащими на соединительнотканной основе. Учас! ток перехода висцерального листка в париетальный образует не всегда четко выраженный мезотеноний, в толще которого располагаются сосуды и нервы. Во многих местах, где сухожилие прилегает к костным бугоркам или углубленным каналам, между сухожилием и костными образованиями формируются синови! альные сумки, имеющие ту же структуру стенки, что и синовиальные влагалища. Структурно!функциональный гомеостазис сухожилия и его вспомогатель! ного аппарата обеспечивается за счет пролиферации клеточных элементов с на! личием участков более быстрого или более медленного обновления. Возрастные изменения сухожилия и его вспомогательных образований ха! рактеризуются теми же закономерностями, которые присущи системе соедини! тельных тканей и связаны, прежде всего, с возрастными изменениями клеток, что сказывается на молекулярной и надмолекулярной структуре межклеточного вещества, вторично влияющего на клеточные элементы. Ëèòåðàòóðà Афанасьев Ю. И. Органная специфичность соединительной ткани // Проблемы ги! стофизиологии соединительной ткани. — Новосибирск, 1989. — С. 9—21. Афанасьев Ю. И., Колодезникова Е. Д. Бурая жировая ткань. — Иркутск: Изд!во Ир! кутского ун!та, 1995. Брюсов П. Г., Шаповалов В. М., Артемьев А. А. [и др.]. Боевые повреждения конеч! ностей. — М. : ГЭОТАР, 1996. Вагапова В. Ш. Внутренняя оболочка суставов // Клиническая анатомия и экспери! ментальная хирургия. — Оренбург, 2006. — Вып. 6. — С. 112—117. Вагапова В. Ш. (Vagapova V. Sh., Sabirzyanova D. Sh., Menshikova Z. F.) Age — related chаnges in microcirculatory bed of knee joint synovial membrane // Brasil. J. Morphol. Sci. — 2001. — 18(2). — P. 119—126. Вагапова В. Ш. (Vagapova V. Sh., Menshikova Z. F., Menshikov A. M.) Functional mor! phology of inner membrane of joints // 16th International Congress of the IFAA. — Anato! mical Science 2004 From Gens to Body — Kyoto, Japan, 2004. — P. 2009. Васильева Г. И., Иванова И. А., Тюкавкина С. Ю . Цитокины — общая система гомеостати! ческой регуляции клеточных функций // Цитология, 2001. — Т. 43. — № 12. — С. 1101—1111. Виноградова Т. П., Лаврищева Г. И. Регенерация и пересадка костей. — М. : Меди! цина, 1974. Гололобов В. Г. Регенерация костной ткани после огнестрельного перелома // Мор! фология, 1996. — Т. 109. — Вып. 1. — С. 57—62. Гололобов В. Г. Регенерация костной ткани при заживлении огнестрельных перело! мов. — СПб. : Петербург—XXI век, 1997.

320

Ãëàâà 5

Гололобов В. Г., Деев Р. В. Стволовые стромальные клетки и остеобластический кле точный дифферон // Морфология, 2003. — Т. 123. — Вып. 1. — С. 9—19. Гололобов В. Г., Дулаев А. К., Деев Р. В. [и др.]. Новый подход к лечению дефектов длинных костей конечностей. От культур in vivo к культурам in vitro // Анатомия и воен ная медицина. — СПб. : ВМедА, 2003. — С. 104—106. Данилов Р. К. Концепция клеточнодифферонной организации тканей, ее роль в раз витии учения о тканях и регенерации // Сб. науч. тр. к 100летию со дня рожде ния проф. В. Г. Елисеева. — М. : ММА, 1999. — С. 108—109. Данилов Р. К. Общие принципы клеточной организации, развития и классифика ции тканей // Руководство по гистологии. — СПб. : СпецЛит, 2001. — Т. 1. — С. 95—105. Данилов Р. К. Раневой процесс: гистогенетические основы. СПб. : ВМедА, 2008. Данилов Р. К., Боровая Т. Г., Клочков Н. Д. Экспериментальногистологический ана лиз гистогенеза и регенерации тканей (некоторые итоги ХХ в. и перспективы дальней ших исследований) // Морфология, 2000. — Т. 118. — Вып. 4. — С. 7—16. Данилов Р. К., Графова Г. Я., Хилова Ю. К. [и др.]. Клеточнодифферонная органи зация регенерационного гистогенеза при огнестрельном повреждении // Материалы 3го Съезда анатомов, гистологов и эмбриологов РФ. Тюмень, 1994. — С. 58—59. Дедух Н. В., Панков Е. Я. Скелетные ткани // Руководство по гистологии. — СПб. : СпецЛит, 2001. — Т. 1. — С. 284—327. Дедух Н. В. Морфология суставного хряща // Дегенеративні ураження опорнорухо вого апарату у дітей та підлітків / Мат. наук. конф. — Харків, 12 квітня 2006 р. — С. 19—34. Дедух Н. В. Организация и функционирование костной ткани // Остеопороз: эпиде миология, клиника, диагностика и лечение : монография / Акад. мед. наук. Украины / под ред. Н. А. Коржа, В. В. Поворознюка, Н. В. Дедух, И. А. Зупанца. — Харьков : Золо тые страницы, 2002. — С. 10—29. Дедух Н. В. Особенности структурной организации суставного хряща человека // I Мiжнародний конгрес з iнтегративноiї антропологiї : матерiали конгресу. — Тернопiль, 1995. — С. 132—133. Дедух Н. В. Структурные и метаболические особенности суставов в норме и при остео артрозе / Остеоартроз: консервативная терапия : монография / Акад. мед. наук. Украи ны / под ред. Н. А. Коржа, Н. В. Дедух, И. А. Зупанца. — Харьков : Золотые страницы, 2007. — С. 14—45. Дедух Н. В., Малышкина С. В., Панков Е. Я. Возрастные изменения межклеточного вещества гиалиновой и коллагеноволокнистой хрящевой ткани человека // Архив ана томии, гистологии и эмбриологии. — 1988. — Т. CXIV. — № 4. — С. 35—40. Денисов%Никольский Ю. И., Миронов С. П., Омельяненко Н. П., Матвейчук И. В. Акту альные проблемы теоретической и клинической остеоартрологии. — М. : ОАО «Типо графия „Новости“», 2005. Дулаев А. К. Остеогенные клетки и их использование в травматологии / А. К. Ду лаев, В. Г. Гололобов, Р. В. Деев [и др.] // Медицинский академический журнал. — 2003. — Т. 3. — № 3. — С. 59—66. Заварзин А. А. Курс гистологии и микроскопической анатомии. — Л. : Медгиз, 1938. Иорданишвили А. К., Гололобов В. Г. Репаративный остеогенез: теоретические и при кладные аспекты проблемы // Пародонтология, 2002. — № 1—2 (23). — С. 22—31. Карр Я. Макрофаги : пер. с англ. — М. : Медицина, 1978. Кетлинский С. А., Калинина Н. М. Цитокины мононуклеарных фагоцитов в регуля ции воспаления и иммунитета // Иммунология, 1995. — № 3. — С. 30—44. Клишов А. А. Гистогенез и регенерация тканей. Л. : Медицина, 1984. Клишов А. А., Хилова Ю. К., Гололобов В. Г. [и др.]. Новые представления о клеточ нодифферонной организации тканей и проблема регенерации // Тез. докл. II Всеросс. съезда анатомов, гистологов и эмбриологов. — М., 1988. — С. 56—57.

Ñèñòåìà ñîåäèíèòåëüíûõ òêàíåé

321

Клишов А. А., Данилов Р. К., Графова Г. Я. [и др.]. Клеточно дифферонная органи зация тканей и проблема регенерации // Тез. докл. 11 го Съезда анатомов, гистологов и эмбриологов. — Смоленск, 1992. — С. 110. Клочков Н. Д. Гистион как элементарная морфофункциональная единица // Морфо логия, 1997. — Т. 112. — Вып. 5. — С. 81—88. Лаврищева Г. И. Морфологические и клинические аспекты репаративной регенера ции опорных органов и тканей / Г. И. Лаврищева, Г. А. Оноприенко. — М. : Медицина, 1996. — 208 с. Ляшенко А. А., Уваров В. Ю. К вопросу о систематизации цитокинов. Успехи совре менной биологии, 2001. — Т. 121. — № 6. — С. 589—603. Минигазимов Р. С. Трехмерная световая микроскопия биологических оболочек // Морфологические ведомости. — 2009, № 3. — С. 95—96. Михайлов А. Н. Химия и физика коллагена кожного покрова. — М. : Легкая инду стрия, 1980. Омельяненко Н. П., Слуцкий Л. И. Соединительная ткань (гистофизиология и био химия). Том I / под редакцией академика РАН и РАМН С. П. Миронова. — М. : Изве стия, 2009. Пальцев М. А., Иванов А. А. Межклеточные взаимодействия. — М. : Медицина, 1995. Павлова В. Н. Синовиальная среда суставов / В. Н. Павлова. — М., 1980. — 296 с. Павлова В. Н., Копьева Т. Н., Слуцкий Л. И., Павлов Г. Г. Хрящ. — М. : Медицина, 1988. — 315 с. Радченко В. О., Дєдух Н. В., Малищкіна С. В., Бадрадінова І. В. Деякі аспекти опти мізації регенерації ушкодженого міжхребцевого диску // Літопис травматології та орто педії. — 2003. — № 3—4. — С. 6—16. Серов В. В., Шехтер А. Б. Соединительная ткань. — М. : Медицина, 1981. Слуцкий Л. И. Биохимия нормальной и патологически измененной соединительной ткани. — Л. : Медицина, 1969. Фрейдлин И. С., Артеменко Н. К., Фрейдлин Г. С. Дефекты цитокиновой сети и прин ципы их коррекции // Иммунология, № 6. — С. 23—25. Фриденштейн А. Я. Стволовые остеогенные клетки костного мозга / А. Я. Фриден штейн // Онтогенез. — 1991. — № 2. — С. 189—197. Шаповалов В. М. Огнестрельные переломы костей конечностей (результаты фунда ментальных исследований и принципы этапного лечения раненых) // Состояние и пер спективы развития военной травматологии и ортопедии : труды ВМедА. СПб. : 1999. — Т. 248. — С. 118—133. Шаповалов Ю. Н., Брусиловский А. И., Троценко Б. В. Закономерности асинхронного развития тканей у человека // Морфогенез и регенерация : Тр. Крымского мед. ин та. — Харьков, 1973. — Т. 49. — С. 44—53. Щепеткин И. А. Полипептидные факторы остеогенеза // Успехи современной био логии. — Т. 114. — Вып. 4. — 1994. — С. 454—466. Юрина Н. А., Радостина А. И. Морфофункциональная гетерогенность и взаимодейст вие клеток соединительной ткани. — М. : УДН им. Лумумбы, 1990. Boos N., Nerlich A. G., Wiest I., von der Mark K., Aebi M. Immunolocalization of type X col lagen in human lumbar intervertebral discs during ageing and degeneration // Histochem. Cell Biol. — 1997. — Vol. 108. — Nо 6. — P. 471—480. Buckwalter J. A., Mow V. C., Ratcliffe A. Restoration of injured or degenerated articular cartilage // J. Am. Acad. Orthop. Surg. — 1994. — Vol. 2. — P. 192—201. Champagne C. M., Takebe J., Offenbacher S., Cooper L. F. Macrophage cell lines produce osteoinductive signals that include bone morphogenetic protein 2. Bone, 2002. — V. 30. — No 1. — P. 26—31. Chao J. Cell migration and proliferation of nucleus pulposus explants of the human inter vertebral disc // BUG Journal. — 2001. — Vol. 4. — P. 9—15.

322

Ãëàâà 5

Dasuri K., Antonovici M., Chen K. [et al.]. The synovial proteome; analysis of fibroblast — like synoviocytes // Arthritis Res. Ther. — 2004. — 6(2). — P. 161—168. Freemont T. G., Le Maitre C., Watkins A., Hoyland J. A. Degeneration of intervertebral discs: current understanding of cellular and molecular events, and implications for novel therapies. — Expert reviews in molecular medicine. — 2001. — Cambridge University Press. — P. 1—10. Наnda T., Ishihara H., Ohshima H. [et al.]. Effects of hydrostatic pressure on matrix syn thesis and matrix metalloproteinase production in the human lumbar intervertebral disc // Spine. — 1997. — Vol. 22. — P. 1085—1091. Helm G.A., Gazit Z. Future uses of mesenchymal stem cells in spine surgery // Neurosurg focus. — 2005. — Vol. 19, № 6. — P. 1—5. Kaspar D., NeidlingerWilke C., Holbein O. [et al.]. Mitogens are increased in the systemic cir culation during bone callus healing // J. Orthop. Res., 2003. — Vol. 21, No 2. — P. 320—325. Katagiri T., Takahashi N. Regulatory mechanisms of osteoblast and osteoclast differentia tion. Oral. Dis., 2002. — Vol. 8, No 3. — P. 147—159. Kuettner A. E. Thonar EJMA. Cartilage integrity and homeostasis. In: Dieppe P, Klip pel J (eds) // Rheumatology, 2nd Edition. MosbyWolfe, London, 1998. — P. 8.6.1—8.6.13. Kusafuka K., Hiraki Y., Shukunami C. [et al.]. Cartilagespecific matrix protein, chondro modulinI (ChMI), is a strong angioinhibitor in endochondral ossification of human neo natal vertebral tissues in vivo: relationship with angiogenic factors in the cartilage. Acta His tochem., 2002. — Vol. 104, No 2. — P. 167—175. Liu W. Mesenchymal Stem Cells and Tissue Engineering / W. Liu, L. Cui, Y. Cao // Me thods In Enzymology. EditorsInChief J. N. Abelson, M. I. Simon. Founding Editors S. P. Co lowick, N. O. Kaplan. — 2006. — Vol. 420. — P. 339—361. Мanolagas S. C. Birth and death of bone cells: basic regulatory mechanisms and implica tions for the pathogenesis and treatment of osteoporosis // Endocrine Reviews. — Vol. 21, 2. — P. 115—137. Maximow A. Experimentelle Unterzuchungen uber die entzündliche Neubildung von Bin degewebe. Beitr. path. Anat., 1902, Bd. 5. — S. 1—262. Melrose J., Smith S., Ghosh P. Assessment of the cellular heterogeneity of the ovine inter vertebral disk: comparison with synovial fibroblasts and articular chondrocytes // Eur. Spine J. — 2002. — SpringerVerlag. — P. 1—6. Mizuno H., Roy A. K., Vacanti C. A. [et al.]. Tissueengineered composites of annulus fib rosus and nucleus pulposus for intervertebral disc replacement // Spine. — 2004. — Vol. 29, No 2. — P. 1290—1298. Nerlich A. G., Boos N., Wiest I., Aebi M. Immunolocalization of major interstitial collagen types in human lumbar intervertebral discs of various ages // Virchows Arch. — 1998. — Vol. 432. — No 1. — P. 67—76. Rovensky J., Imrich R., Radicova R. [et al.]. Peptide hormones and histamine in plasma and synovial fluid of patients with rheumatoid arthritis and osteoarthrosis // Endocrine regulation. — 2005. — Vol. 39. — P. 1—6. Sabaratnam S., Mason R. M., Levick J. R. Molecular sieving of hyaluronan by synovial in terstitial matrix and lymphatic capillary endothelium evaluated by lymph analysis in rabbits // Microvasc. Res. — 2003. — 66 (3). — P. 227—236. Smith M. D., Barg R., Weedon H. [et al.]. Microarchitecture and protective mechanisms in synovial tissue from clinically and arthroscopically normal knee joints // Ann. Rheum. Dis. — 2003. — 62(4). — P. 203—207. Sztrolovics R., Grover J., CsSzabo G. The characterization of versican and its message in human articular cartilage and intervertebral disc // J. Orthop. Res. — 2002. — Vol. 20. — P. 257—266. Whitfield J. F., Morley P., Willick G. E. Bone growth stimulators. New tools for treating bone loss and mending fractures. Vitam. Horm., 2002. — Vol. 65. — P. 1—80. Wozney J. M. Overview of bone morphogenetic proteins. Spine, 2002, v. 15 (16 Suppl. 1), p. 2—8.

Глава 6 СИСТЕМА КРОВИ И ИММУННОЙ ЗАЩИТЫ

Общая характеристика и состав крови Кровь, лимфа, органы кроветворения и иммунной защиты (костный мозг, тимус, селезенка, лимфатические узлы), скопления лимфоидной ткани в некро! ветворных органах, а также клетки крови, выселившиеся в соединительные и эпителиальные ткани, составляют систему крови. В этой системе все элемен! ты связаны генетически и функционально, благодаря чему в нормальных фи! зиологических условиях поддерживается равновесие между количеством поги! бающих и образующихся клеток. Кровь обеспечивает постоянство внутренней среды организма, выполняет дыхательную, трофическую, экскреторную, регу! ляторную и защитную функции. В органах кроветворения и иммунной защиты образуются и депонируются форменные элементы крови, здесь они участвуют в защитных реакциях и погибают. По роли в этих процессах органы крове! творения и иммунной защиты делят на центральные и периферические. Цент! ральным универсальным кроветворным органом является красный костный мозг. В нем поддерживается популяция стволовых кроветворных и стволовых стромальных клеток и развиваются все виды форменных элементов крови. К центральным органам относят тимус, в котором из костномозговых предше! ственников образуются Т!лимфоциты, занимающие ключевые позиции в при! обретенном иммунитете. Остальные органы (лимфатические узлы, селезенка, миндалины, пейеровы бляшки, червеобразный отросток и другие лимфоидные образования в органах половой, дыхательной, выделительной систем) назы! вают периферическими. Образовавшиеся в центральных органах Т! и В!лим! фоциты мигрируют в периферические, где после активации антигенами делятся и завершают свою дифференцировку в клетки!эффекторы, осуществляющие уничтожение этих конкретных антигенов. Все органы и скопления лимфоид! ной ткани участвуют во взаимосвязанных процессах кроветворения и иммуно! генеза, обеспечивают защиту организма от генетически чужеродных белков (микробов, вирусов и др.) или генетически измененных клеток собственного организма. Кровь состоит из плазмы и форменных элементов, состав которых в норме относительно постоянен. Масса крови у взрослого человека (5—5,5 л) соста! вляет примерно 1/13 часть массы тела. Из этого количества 55—60 % прихо! дится на плазму и 40—45 % на форменные элементы (рис. 6.1). При заболева! ниях изменяются форма, размеры, количество, соотношение содержания фор! менных элементов и химические показатели крови. Поэтому состояние крови имеет важное значение для диагностики заболеваний, служит одним из пока! зателей их развития и эффективности лечения.

324

Ãëàâà 6

Рис. 6.1. Форменные элементы крови: 1 — эритроцит; 2 — сегментоядерный нейтрофильный гранулоцит; 3 — палочкоядерный нейтро! фильный гранулоцит; 4 — юный нейтрофильный гранулоцит; 5 — эозинофильный гранулоцит; 6 — базофильный гранулоцит; 7 — средний лимфоцит; 8 — малый лимфоцит; 9 — моноцит; 10 — кровяные пластинки

Анализ крови включает изучение химического состава плазмы, количества эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов, содержания гемоглобина, резистентности эритроцитов, быстроты их осаждения. Количественное содержание форменных элементов отражается в гемограмме и в системе СИ рассчитывается на 1 л кро! ви. Соотношение разных видов лейкоцитов называют лейкоцитарной формулой. Плазма крови представляет собой примерно 10 % водный раствор сложной смеси белков, аминокислот, углеводов, жиров, солей, гормонов, ферментов, антител и растворенных газов. Белки плазмы составляют 7 % объема крови, неорганические соли — до 0,9 %, остальные 2 % приходятся на аминокислоты, витамины, гормоны, липопротеины и неорганические вещества. Плазма крови имеет слабую щелочную реакцию (pH 7,4). Белки плазмы обусловливают осмотическое давление, которое определяет обмен воды между кровью и тканями, поддерживают постоянство pH крови, обеспечивают ее вязкость, участвуют в свертывании крови, защитных реак! циях, транспорте веществ и служат резервом аминокислот. В плазме всегда

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

325

присутствуют тканеспецифические белки — ферменты, уровень которых изме! няется при заболеваниях и распаде клеток соответствующих тканей и органов. Кроме того, под действием гормонов стресса в клетках нарушается экспрессия генов и они начинают синтезировать и выделять новые белки, служащие пока! зателем неблагополучия (С!реактивный белок и другие белки острой фазы вос! паления). Исследование уровня тканеспецифических белков крови в уcловиях клиники используется в качестве диагностического теста. Особое значение имеют находящиеся в плазме белки системы комплемента. Оседая на микробах, совместно с антителами они облегчают их фагоцитоз грануло! цитами и макрофагами. Низкомолекулярные компоненты плазмы и интерстициаль! ной жидкости проходят через стенки капилляров и находятся в равновесии. По! этому состав плазмы служит показателем состава внеклеточных жидкостей вообще. Свыше 100 разновидностей белков плазмы крови относят к двум фракциям: альбуминам (60 %) и глобулинам (40 %). Альбумины (молекулярная масса 59 кДа) синтезируются в печени. Они поддерживают коллоидно!осмотическое давление крови, их молекулы, находясь в сосудах, привлекают из тканей воду и удерживают ее в кровотоке. При голодании или почечной недостаточности, приводящей к потере плазмой альбуминов и других белков, вода задерживает! ся в тканях и развиваются отеки. Альбумины способствуют также растворению плохо растворимых в воде веществ, адсорбируют и переносят ряд соединений. Глобулины составляют более тяжелую фракцию белков (молекулярная масса от 80 кДа до нескольких миллионов). Среди них ã!глобулины являются анти< телами и образуются B!лимфоцитами и плазматическими клетками, осталь! ные глобулины синтезируются в печени. â!Глобулины участвуют в связывании ионов железа, меди, цинка и др. Фибриноген и протромбин обеспечивают свер! тывание крови. Форменные элементы крови представлены клетками — лейкоцитами и пост! клеточными структурами — эритроцитами и тромбоцитами. Форменные эле! менты образуются в органах кроветворения. Большинство из них — диффе! ренцированные, высокоспециализированные клетки, не способные к делению. Они имеют ограниченный срок жизни, погибают вне кровотока. Их популяции восстанавливаются из гемопоэтических стволовых клеток через ряд стадий. Изучают форменные элементы крови в мазках, окрашенных специальными красителями, избирательно выявляющими ядра, цитоплазму и ее включения. Классическим методом окрашивания форменных элементов, который послужил основой для их классификации, является метод Д. Л. Романовского, предло! женный в 1891 г. Он основан на способности форменных элементов воспри! нимать красители азур!II и эозин. Содержимое цитоплазмы форменных эле! ментов (органеллы, включения) различно по физико!химическим свойствам, т. е. имеет либо кислые, либо основные свободные радикалы и соответственно окрашивается основными или кислыми красителями. Постклеточные структуры крови. Эритроциты. Это наиболее много! численная группа форменных элементов. Их количество составляет 4,0—5,0 × × 1012/л у мужчин и 3,9—4,7 × 1012/л у женщин. Продолжительность жизни — от 109 до 125 сут. В условиях нормы эти клетки никогда не оставляют крове! носную систему, за исключением красной пульпы селезенки.

326

Ãëàâà 6

В нормальной крови человека основную массу составляют эритроциты двояковогнутой формы — дискоциты (66 %). Однако возможны и куполооб! разные эритроциты — стоматоциты (18,5 %), округлые клетки с шиповатыми выростами — эхиноциты (5,7 %), шаровидные — сфероциты (4,2 %) и некото! рые другие. При заболеваниях могут появляться аномальные формы эритроци! тов, обусловленные нарушением структуры гемоглобина. Так, при серповид! но!клеточной анемии, когда у больного имеет место генетическое изменение в â!цепи гемоглобина, в крови появляются эритроциты серповидной формы. Изменение формы эритроцита при заболеваниях называется пойкилоцитозом. Зрелые эритроциты человека не имеют ядра и органелл. Цитоплазма запол! нена пигментом — гемоглобином, способным связываться нестойко с кислородом и углекислотой. Эти свойства обеспечивают эритроцитам функцию газообмена. В капиллярах легкого парциальное давление кислорода в плазме крови вы! сокое и он диффундирует в эритроциты, где соединяется с гемоглобином (Hb), образуя оксигемоглобин (HbO2). В тканях парциальное давление кислорода низкое и он отщепляется от оксигемоглобина, в результате чего возникает дезоксигемоглобин. Выделяемый тканями углекислый газ поступает в плазму крови, а оттуда в эритроциты. Небольшая его часть связывается с гемогло! бином, образуя карбгемоглобин (HbCO2). Основное количество углекислого газа в эритроците, соединяясь с водой, формирует угольную кислоту (H2CO3) и в виде бикарбонатного иона (HCO–3 ) выделяется в плазму крови. Оксигемоглобин придает розовую окраску кожным покровам и слизистым оболочкам, в частности губам и щекам. Отдавший кислород дезоксигемогло! бин имеет пурпурный цвет, поэтому при гипоксии отмечают некоторое посине! ние губ (цианоз) и бледность кожи. В результате присоединения угарного газа к гемоглобину происходит необратимый процесс образования карбоксигемо! глобина, что делает невозможным транспорт эритроцитами кислорода к тка! ням. Присутствие карбоксигемоглобина в крови обнаруживается ярко!красной окраской губ и щек. При отравлении нитратами двухвалентное железо гема становится трехва! лентным, и образующийся с его участием метгемоглобин не способен перено! сить кислород. Эритроциты на своей клеточной поверхности могут адсорбировать анти! тела, гормоны и токсины. В норме в крови присутствует 2—10 % не вполне зрелых эритроцитов, со! хранивших в цитоплазме небольшое количество рибонуклеопротеинов, обес! печивавших на более ранних стадиях развития синтез гемоглобина. При спе! циальном окрашивании (крезилвиолетом) они видны как сетевидные струк! туры, поэтому такие клетки назвали ретикулоцитами. Увеличение количества ретикулоцитов указывает на повышенную потребность организма в кислороде, которая может быть вызвана таким фактором, как подъем на высокогорье, либо являться следствием недавнего кровотечения. Ретикулоциты дозревают в кровотоке до эритроцитов за 24—30 ч. В изотоническом растворе большинство эритроцитов человека имеют диа! метр 7,5 мкм, толщину 2,5 мкм по краям и 1,5 мкм в центре. Такие эритроциты называют нормоцитами (75 %). Двояковогнутая форма обеспечивает увели!

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

327

чение площади поверхности эритроцита и облегчает газообмен. Эритроциты с диаметром менее 6 мкм называются микроцитами, а более крупные — от 9 до 12 мкм — макроцитами. Появление в крови большого разнообразия эритро! цитов по величине называется анизоцитозом. По содержанию гемоглобина эритроциты также неодинаковы. Их подраз! деляют на нормохромные, гипохромные и гиперхромные. Способность к пере! носу кислорода зависит от количества в них гемоглобина. Уменьшение коли! чества эритроцитов в крови или их насыщенности гемоглобином называется анемией, или малокровием, и приводит к нарушению окислительных процес! сов и развитию гипоксии — кислородного голодания. Анемия может быть вы! звана потерей эритроцитов при кровоизлиянии либо их повышенным распа! дом — гемолизом, недостатком воспроизводства эритроцитов костным мозгом по сравнению со скоростью их утилизации, формированием эритроцитов с низ! ким содержанием гемоглобина, последнее состояние обычно связано с дефици! том железа в пище. Увеличение количества эритроцитов в крови называется эритроцитозом, или полицитемией, и нередко является признаком различных заболеваний. При этом возросшая вязкость крови приводит к нарушению кровообращения в капиллярном русле. Полицитемия может иметь приспособительный характер и представлять собой физиологическое явление. Так, у жителей высокогорных районов повышенное содержание эритроцитов в крови позволяет организму получать необходимое количество кислорода из воздуха, в котором его уро! вень ниже, чем на равнинах. На строение и функции эритроцитов большое влияние оказывает осмоти! ческое давление, зависящее от содержания солей в плазме. В гипотоническом растворе эритроциты набухают, гемоглобин из них выходит. При этом оболоч! ки эритроцитов видны в виде «тени». Распад эритроцитов с выделением в окру! жающую среду гемоглобина называется гемолизом. Гемолиз эритроцитов вы! зывают растворители жиров, например липолитические ферменты змеиного яда, плазма чужой крови и др. В гипертоническом растворе вода выходит из эритроцитов, и они сморщиваются. Клеточная мембрана эритроцита снаружи имеет хорошо развитый гликока! ликс, а изнутри — сеть филаментов из белка спектрина, актина, анкерина и др., формирующую своеобразный цитоскелет. Данная сетчатая структура обеспечи! вает мембране прочность и гибкость, поддерживает двояковогнутую форму эритроцита и позволяет ему деформироваться при движении по узким капил! лярам. Наблюдения in vivo показывают, что при прохождении разветвлений ка! пилляров эритроциты легко деформируются и часто принимают воронкооб! разную форму. Гликокаликс образован олигосахарами гликолипидов, гликосфинголипидов и гликопротеинов плазмолеммы эритроцита. Они являются антигенами кро! ви — агглютиногенами (А, В, Н и др.). Агглютиногены А и В были описаны К. Ландштейнером в 1901 г., а в 1930 г. ему за эти исследования была при! суждена Нобелевская премия, поскольку это открытие позволило решить проблему переливания крови. Как выяснилось, агглютиногены А и В способны связываться с веществами сыворотки крови — агглютининами á и â. Агглю!

328

Ãëàâà 6 Òàáëèöà 6.1 Группы крови человека Группа крови

Агглютиногены эритроцитов

Агглютинины сыворотки

I II III IV

0 A B A, B

á, â â á —

тиногены эритроцитов и агглютинины сыворотки встречаются у людей в четы! рех сочетаниях (табл. 6.1). Если при переливании крови встречаются друг с другом одноименные агглютиногены и агглютинины, то следует реакция связывания, гемолиз эрит! роцитов и смертельный исход. В 1940 г. К. Ландштейнер обнаружил еще один агглютиноген эритроцитов — Rh!фактор, который имеется у 85 % людей и от! сутствует у 15 %. Смешение крови Rh+ и Rh– также приводит к гемолизу эрит! роцитов. К настоящему времени стали известны еще несколько десятков сис! тем агглютиногенов эритроцитов, не являющихся, однако, жизненно важными при переливании крови. Одним из интегральных белков плазмолеммы эритроцитов является бе! лок полосы III, который обеспечивает транспорт ионов, связан с гемоглобином и служит местом прикрепления белков цитоскелета. Другой интегральный бе! лок, также связанный с цитоскелетом, — гликофорин. Значительная часть молекулы из 16 олигосахаридных цепей расположена над мембраной, входит в состав гликокаликса (рис. 6.2). В олигосахаридных цепях гликофорина при!

Рис. 6.2. Схема строения эритроцита: а — эритроцит; б — схема возможного располо! жения белков в клеточной мембране эритроцита. A, B, AB, Rh — антигены групповой совместимости крови

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

329

сутствуют сиаловые кислоты, которые обеспечивают поверхности эритроцита отрицательный заряд. Они появляются в плазмолемме только зрелых эритро! цитов и служат своеобразным пропуском для выхода из костного мозга в кро! воток. Наличие отрицательного заряда имеет важное функциональное значе! ние для эритроцита. Старые эритроциты его утрачивают, что, возможно, слу! жит одним из сигналов выбраковки таких эритроцитов. А. Л. Чижевским было обнаружено, что эритроциты движутся в сосудах, образуя стройные кольца, плоскость которых перпендикулярна оси сосуда. Чем ближе к стенке, тем меньше скорость движения. Разница в скорости вра! щает эритроцит. При вращении отрицательно заряженного эритроцита возни! кает круговой ток, образующий магнитное поле. Каждый эритроцит становится маленьким магнитом. Обращены они друг к другу одноименными зарядами, что приводит к отталкиванию соседа и устойчивости кольца. При разветвле! нии сосуда кольцо рассыпается и потом собирается вновь. Наблюдаемые в кап! ле свежей крови стопки склеенных эритроцитов — «монетные столбики» — являются остатками колец как результат нарушения сил отталкивания. Рез! кие колебания магнитного поля Земли способны расшатать упругие кольца движущихся эритроцитов, привести их к соприкосновению, склеиванию и воз! никновению тромба. Этими свойствами эритроцитов, по мнению гелиобиолога А. Л. Чижевского, объясняется чувствительность крови и кровеносной системы к изменениям магнитного поля Земли и увеличение числа инфарктов и инсуль! тов при повышении солнечной активности. Зрелые эритроциты не способны к синтезу нуклеиновых кислот и гемо! глобина, однако содержат значительное количество ферментов анаэробного гликолиза, т. е. могут синтезировать АТФ без участия кислорода. Перенося ки! слород, эритроцит не потребляет его и не расходует на это энергию. Пример! но с 60!х сут жизни эритроцит «изнашивается». В нем вначале снижается, а за! тем нарушается гликолиз и, как следствие, падает энергетический потенциал и изменяется поверхностный заряд. Стареющие эритроциты распознаются и фагоцитируются макрофагами в селезенке, печени и костном мозге. Сигна! лом для удаления «изношенных» эритроцитов из системы кровообращения служит появление дефектных олигогосахаридов, прикрепляемых к интеграль! ным белкам плазмолеммы. Старение связано также с изменением их клеточ! ной мембраны и экспрессией на ней рецепторов аутологичных антител (IgG1 и IgG2). Последние, фиксируясь на эритроцитах, обеспечивают их взаимодейст! вие с макрофагами и следующий за этим фагоцитоз. В макрофагах гемоглобин фагоцитированных эритроцитов распадается на билирубин и содержащий же! лезо гемосидерин. Гемосидерин превращается в трансферрин, который кровью переносится в костный мозг, захватывается там макрофагами (клетками!корми! лицами) и от них поступает в развивающиеся эритроциты. Билирубин перено! сится в печень, где преобразуется в биливердин, входящий в состав желчи (рис. 6.3). Тромбоциты (тромбопластинки, кровяные пластинки) представляют со! бою безъядерные фрагменты цитоплазмы клеток красного костного мозга — мегакариоцитов. В крови они имеют вид мелких бесцветных телец округлой формы диаметром 2—5 мкм. В 1 л крови содержится (180—320) × 109 тром! боцитов. Время их пребывания в кровотоке 8—11 сут.

330

Ãëàâà 6

Рис. 6.3. Утилизация гемоглобина. В макрофагах селезенки гемоглобин фагоцитирован! ных эритроцитов распадается на гемосидерин и билирубин. Гемосидерин превращается в трансферрин, который кровью заносится в красный костный мозг (ККМ). Макрофаги костного мозга, просовывая отростки в синусы, фагоцитируют трансферрин и передают его развивающимся эритроцитам

Тромбоциты участвуют в свертывании крови, снижают проницаемость ка! пилляров, транспортируют на поверхности антитела, удаляют из крови инород! ный материал (молекулярные комплексы) путем фагоцитоза. В мазках крови тромбоциты часто лежат группами и окрашиваются в сиреневый либо в блед! но!голубой цвет. Их наружная зона более светлая, чем внутренняя. Это обу! словлено наличием в центральной зоне тромбоцита базофильных (фиолето! вых) гранул. Светлая зона тромбоцита называется гиаломером, а темная, на! ходящаяся в центре, — грануломером.

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

331

При светооптическом исследовании (окраска по Романовскому) разли! чают 5 видов тромбоцитов: юные (4,2 %) с базофильным гиаломером и единич! ными азурофильными гранулами, зрелые (88 %) со слабооксифильным гиало! мером и азурофильной зернистостью, старые (4,1 %) более темные сине!фио! летового оттенка с темно!фиолетовой зернистостью, дегенеративные (до 2 %) с серовато!синим гиаломером и серовато!фиолетовой зернистостью, гигант! ские формы раздражения (2 %, до 4—6 мкм) с розовато!сиреневым гиаломером и фиолетовой зернистостью. При заболеваниях соотношение различных форм тромбоцитов может изме! няться, например у онкологических больных увеличивается число старых тромбоцитов. Ультрамикроскопические исследования тромбоцита показали, что клеточ! ная мембрана покрыта толстым слоем гликокаликса, состоящего из гликопро! теинов, гликозаминогликанов и ряда факторов свертывания крови, адсорби! рованных из плазмы. На мембране выявлены Fc!рецептор к иммуноглобули! нам (антителам), С3!рецептор к белкам системы комплемента плазмы крови, Атр — антиген тромбоцитов, антигены групп крови системы АВ0, Rh!анти! ген. Клеточная мембрана и гликокаликс составляют периферическую зону. Под мембраной находится сеть из актиновых микрофиламентов, актинсвязы! вающих белков, миозина и 8—24 спирально расположенных микротрубочек, поддерживающих дисковидную форму тромбоцита и участвующих в ее изме! нении при формировании ими тромба. Эту зону называют структурной. Сле! дующая зона — мембранная (гиаломер) — выглядит однородной тонкозер! нистой, имеет два типа мембранных канальцев. Первый тип — система ка! нальцев, открывающихся во внешнюю среду в инвагинациях плазмолеммы с гликокаликсом, является остатками демаркационных линий мегакариоцита. Полагают, что по ней транспортируются ионы кальция, содержимое гранул тромбоцитов и др. Такое строение канальцевой системы облегчает освобож! дение активных молекул, запасенных в тромбоцитах при образовании ими тромба. Второй тип — плотная тубулярная система представлена группами тру! бочек неправильной формы, содержащих электронно!плотный материал и об! разующихся из ГЭС мегакариоцита. Трубочки накапливают и выделяют Ca2+ (рис. 6.4). Канальцы обеих систем могут объединяться для регуляции содер! жания кальция. В зоне органелл (грануломере) находятся органеллы, включения и, по мень! шей мере, три типа гранул. Первый тип — á!гранулы диаметром 0,2—0,5 мкм, в которых обнаружены фибриноген, факторы свертывания крови, плазмино! ген, тромбоцитарный фактор роста. Содержимое этих гранул играет важную роль в начальной фазе регенерации сосудов, свертывания крови и агрегации тромбоцитов. Второй тип — â!гранулы, более мелкие, плотные, менее много! численные, содержат серотонин, гистамин, ионы кальция, АТФ, АДФ, фиб! риноген и до двенадцати факторов свертывания крови. Они обеспечивают адгезию тромбоцитов, сокращение гладких миоцитов и сжатие сосудов в зоне повреждения. Третий тип — ã!гранулы сходны с лизосомами, содержат гид! ролитические ферменты, участвующие в резорбции тромба на поздних ста! диях.

332

Ãëàâà 6

Рис. 6.4. Тромбоцит: HLA — антигены главного комплекса гистосовместимости I класса, A, B, Rh — антигены групповой совместимости крови. Рецепторы: Fc — к иммуноглобулинам; С3 — к компоненту комплемента

Главная функция тромбоцитов — участие в тромбообразовании. Дефект стенки кровеносного сосуда сопровождается выделением из поврежденных тка! ней ряда веществ, обозначаемых условно как внешний фактор свертывания крови, что вызывает прилипание — адгезию — тромбоцитов. Адгезия провоци! рует освобождение из тромбоцитов á! и â!гранул, содержащих коагулирую! щие факторы и серотонин, которые усиливают склеивание — агрегацию тром! боцитов и снижение тока крови за счет сокращения гладких миоцитов стенок сосудов. Это приводит к образованию сгустка — тромба, блокирующего сосуд. Вещества, выделяемые тромбоцитами, называют внутренним фактором свертывания крови. Оба фактора, внешний и внутренний, активируют бе! лок плазмы крови протромбин, который переходит в тромбин. Тромбин дей! ствует на другой белок плазмы — фибриноген, из которого образуются нити фибрина. Этот процесс называется свертыванием — коагуляцией. В отличие от агрегации, коагуляция происходит в неподвижной крови. Тромбоциты при! крепляются к нитям фибрина, сжимаются и становятся шиповидными. Со! кращение отростков тромбоцитов приводит к затягиванию нитей фибрина внутрь тромба и уменьшению его объема — ретракции. Ретракция тромба поз! воляет восстановить кровоток. В состав тромба могут включаться другие фор! менные элементы. В дальнейшем он лизируется с участием плазмина (обра! зующегося из плазминогена плазмы под действием активатора из эндотелия) и литических ферментов ã!гранул. Тромбоцитарный фактор роста стиму! лирует деление фибробластов и гладких миоцитов стенки сосуда и ее реге! нерацию. Избыток тромбоцитов грозит тромбообразованием, недостаток — наруше! нием свертывания крови — кровотечением. Основная масса старых тромбоци! тов фагоцитируется макрофагами в селезенке. При иммунных реакциях тром!

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

333

боциты активируются и секретируют факторы роста и свертывания, вазоактив! ные амины и липиды, нейтральные и кислые гидролазы, принимающие участие в воспалении. Клетки крови. Лейкоциты — клетки крови, содержатся в количестве 4,9—9,0 × 109/л. Все они имеют ядро, способны к самостоятельному движе! нию, проявляют свои функции в тканях, куда мигрируют через стенку сосудов. В составе плазмолеммы, как и все клетки (кроме эритроцитов и нейронов), имеют молекулы гликопротеинов — антигенов ГКГ I, определяющих специ! фичность белкового состава, как клеток так и организма в целом. Их продук! ция контролируется комплексом генов — главным комплексом гистосовмести< мости — ГКГ (англ. MHC — от major histocompatibillity complex, у человека его обозначают HLA — англ. human leukocyte antigen). Эти молекулы служат свое! образной «визитной карточкой» для распознавания «своего» и «чужого», обу! славливают индивидуальность каждого из нас, несовместимость тканей и от! торжение трансплантатов. Из!за несовместимости (чужеродности) эти молеку! лы называют антигенами ГКГ I класса (mMHC I) и на основании их сходства подбирают донора и реципиента при трансплантациях. Антигены ГКГ II класса (mMHC II, или HLA!DR) выявлены у макрофагов, дендритных клеток (анти! генпредставляющих), активированных антигеном Т!, В!лимфоцитов и эпите! лиоретикулоцитов тимуса. Молекулы ГКГ играют большую роль в развитии иммунных реакций. Лейкоциты имеют Fc!рецепторы белков иммуноглобулинов (антител), C3!рецепторы (С3!компонента комплемента плазмы крови) и др. Количест! во их в крови в норме относительно постоянно для каждого вида лейкоцита. По морфологическим и тинкториальным признакам лейкоциты делят на зер! нистые (гранулоциты) — нейтрофильные, эозинофильные и базофильные и незернистые (агранулоциты) — лимфоциты и моноциты. Выход лейкоцитов из кровеносного русла в ткани осуществляется в сосу! дах микроциркуляции, преимущественно в посткапиллярных венулах, что обу! словлено особенностями строения их эндотелия. При перемещении по сосу! дам часть лейкоцитов занимает пристеночное положение и может касаться по! верхности эндотелиоцитов. Случайное касание сопровождается обратимым связыванием адгезивных молекул плазмолеммы эндотелиоцита (Е!селектинов) с углеводными компонентами плазмолеммы лейкоцита (гранулоцита, моно! цита) и тормозит его движение. Под действием разнонаправленных сил (тече! ние крови и торможение) лейкоцит начинает вращаться вокруг своей оси и ка! титься по эндотелию. Следующим этапом будет стойкое необратимое прикрепление лейкоцита в местах контактов эндотелиоцитов за счет связывания молекул интегринов лей! коцитов (LFA1, MAC!1) с адгезивными молекулами (ICAM!1) эндотелия. Затем лейкоцит распластывается, образуя псевдоподию, проникающую между эндо! телиоцитами, и перемещается в периваскулярное пространство, откуда миг! рирует к источнику хемоаттрактантов в прилежащих тканях. Интенсивность прилипания лейкоцитов и их прохождение (диапедез) меж! ду эндотелиальными клетками зависит от количества адгезивных молекул на эндотелии и соответствующих им лигандов на лейкоцитах, которые, в свою

334

Ãëàâà 6

очередь, регулируются цитокинами, медиаторами воспаления и хемоаттрак! тантами. Лимфоциты мигрируют сквозь эндотелиальный слой стенки кровеносного сосуда как между эндотелиоцитами, так и через проделываемые ими в цито! плазме эндотелиоцита «тоннели». В лимфоидные органы лимфоциты попадают из посткапиллярных венул с высоким эндотелием. Способ их выхода из этих венул в основном аналогичен описанному выше и осуществляется путем адге! зивного взаимодействия с эндотелием с той разницей, что селектины (L!селек! тины) находятся на лимфоцитах, а не на эндотелии. Они связываются с моле! кулами!адрессинами (CD34, GlyCAM!1) эндотелия, что приводит к качению лимфоцитов. Стойкое прикрепление обеспечивают связи интегринов лимфо! цита (LFA!1) c адгезивными молекулами суперсемейства иммуноглобулинов (ICAM!1) эндотелиоцита, вызывающее перемещение лимфоцита сквозь эндо! телий. В тканях все лейкоциты двигаются самостоятельно за счет актиновых филаментов, связанных с белками цитоскелета. При этом скорость движения зависит от типа и степени зрелости клетки (например, юные нейтрофильные лейкоциты способны двигаться со скоростью 3—7 мкм/мин, палочкоядер! ные — 24 мкм/мин, а сегментоядерные — до 32 мкм/мин. Гранулоциты — нейтрофильные, эозинофильные, базофильные — это дифференцированные, специализированные, клетки, содержат в цитоплазме гра! нулы, имеют дольчатое ядро, способны к фагоцитозу, но фагоцитируют, выйдя из кровотока в окружающие сосуд ткани (см. рис. 6.1). Разрушаясь, они вы! деляют ферменты и биологически активные вещества, оказывающие влия! ние на окружающие ткани и проницаемость капилляров. Их жизненный цикл складывается из возникновения и созревания в красном костном мозге, цирку! ляции в крови, участия в антибактериальной защите, гибели в тканях и на по! верхности слизистых оболочек с последующей утилизацией. Нейтрофильные гранулоциты (нейтрофилы) — самые многочисленные из циркулирующих в крови лейкоцитов (47—72 % от общего числа лейкоци! тов). В крови они находятся 8—12 ч, в тканях — 5—7 сут. Диаметр нейтрофила в мазке крови составляет 10—12 мкм. По степени зрелости различают: юные (0—0,5 %), палочкоядерные (1—6 %), полиморфноядерные (45—70 %) нейтрофилы. Ядро юного нейтрофила имеет бобовидную форму, палочкоядерного (нейтрофильного метамиелоцита) — под! ковообразную. Ядро полиморфно!ядерного гранулоцита состоит из 2—5 сег! ментов, причем степень сегментации служит показателем его зрелости. В ядре плотные массы гетерохроматина прилежат к ядерной мембране, эухроматина мало, ядрышко не выявляется. Хотя при созревании нейтрофилов происходит увеличение количества сегментов ядра, эта закономерность не абсолютна. При некоторых патологических состояниях могут появляться молодые нейтро! филы с пятью и более сегментами ядра. Один из сегментов ядра имеет у женщин тельце Барра — половой хро! матин — конденсированную X!хромосому в виде барабанной палочки. По! ловой хроматин обнаруживается не во всех нейтрофилах: так, у женщин по! ловой хроматин встречается в одном нейтрофиле из 38, у мужчин — в 1 из 500.

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

335

В цитоплазме зрелых нейтрофилов органелл мало. Она содержит единич! ные митохондрии, слабо выраженный комплекс Гольджи и множество зёрен гликогена, являющегося «топливом» для нейтрофила. Энергию для своей жиз! недеятельности нейтрофил получает за счет анаэробного гликолиза. Аэроб! ное окисление глюкозы в энергетическом балансе нейтрофила играет мень! шую роль ввиду незначительного количества у него митохондрий. Бла! годаря способности нейтрофилов жить в анаэробных условиях, они могут уничтожать бактерии в местах с пониженным содержанием кислорода (напри! мер, в воспаленных и отечных тканях с нарушенным кровоснабжением). Количество гранул в каждом нейтрофиле колеблется от 50 до 200. Раз! личают два типа гранул: специфические и азурофильные, окружённые оди! нарной мембраной. Специфические гранулы мелкие (0,2 мкм в диаметре — на пределе разрешающей способности светового микроскопа), окрашиваются в мазках крови в лиловый цвет. Они составляют 80 % всех гранул. Посколь! ку в процессе развития нейтрофильных гранулоцитов эти гранулы появляются довольно поздно, на стадии миелоцита, их называют вторичными, или миело! цитарными. Они содержат коллагеназу IV типа, фосфолипидазу, щелочную фосфатазу, активаторы комплемента, бактерицидные вещества (лизоцим, лак! тоферрин). Более крупные — азурофильные гранулы (0,5 мкм в диаметре), лизосомоподобные, появляются раньше, на стадии промиелоцита, поэтому их называют первичными, или промиелоцитарными. В них содержится миелопе! роксидаза, набор разнообразных гидролитических ферментов, катионные бел! ки, лизоцим и кислые гликозаминогликаны. Некоторые авторы выделяет еще третичные гранулы двух видов. Первые — фосфосомы содержат фосфатазу. Вторые — содержат желатиназу и коллагеназу, обеспечивающие перемещение нейтрофилов в соединительной ткани. Основная функция нейтрофильных гранулоцитов — это защита внутренней среды от бактериального вторжения и контроль количества и качества сапро! фитной микрофлоры пищеварительного тракта и других органов. Их назы! вают микрофагами. Плазмолемма нейтрофила, кроме HLA I, Fc!рецепторов к антителам и C3!рецепторов к C3 компоненту комплемента, имеет рецепторы к адренергическим и холинергическим агентам, гистамину, простагландинам, кортикостероидам и др. (рис. 6.5). Через Fc!рецептор антитела к микробам фиксируются на плазмолемме, связываясь, в свою очередь, с микробами. Че! рез C3!рецептор осуществляется связывание с микробами, покрытыми белка! ми комплемента. При фагоцитозе нейтрофил окружает бактерию псевдоподиями, которые, смыкаясь, заключают ее в фагосому. После этого с фагосомой сливаются спе! цифические (вторичные) гранулы, приносящие в нее бактерицидные вещества, и начинается умерщвление поглощенных бактерий. Лизоцим разрушает поли! сахаридные оболочки большинства грамположительных бактерий, вызывая их гибель. Лактоферрин связывает железо, играющее важную роль в питании бактерий, недостаток которого также приводит их к гибели. Затем с фаго! лизосомой сливаются азурофильные (первичные) гранулы и выделяют в нее протеолитические ферменты, переваривающие убитые бактерии. Параллель! но с этим повышается активность мембранных протонных насосов фаголизо!

336

Ãëàâà 6

Рис. 6.5. Нейтрофильный гранулоцит: HLA — антигены главного комплекса гистосовместимости I класса. Рецепторы: Fc — к иммуно! глобулинам; С3 — к комплементу

сомы и pH в ней снижается до 4,0 — уровня, благоприятного для максималь! ной активности лизосомальных ферментов и, кроме того, бактерицидного. Миелопероксидаза способствует образованию высокореактивных бактерицид! ных веществ. Фагоцитоз вызывает резкое усиление окислительных реакций в нейтрофиле и «взрыв» потребления кислорода, приводящий к образованию в гиалоплазме мощных токсичных биоокислителей — пероксида водорода (H 2 O–2 ) и коротко! живущего высокореактивного супероксидного аниона (O–2 ), которые перено! сятся в фаголизосомы. Вместе с миелопероксидазой и галидами (Cl–, I–) они формируют мощную систему умерщвления поглощенных микроорганизмов. Образующиеся сильные окислители инактивируют белки микробов, препят! ствуя тем самым их выживанию в фаголизосомах. Они также эффективны про! тив грибков и вирусов. Совокупность этих бактерицидных механизмов с последующим перевари! ванием обеспечивает невозможность выживания большинства поглощенных бактерий. Процесс фагоцитоза иногда бывает настолько бурным, что лизосом! ные гидролитические ферменты выделяются из нейтрофила прежде, чем фаго! цитирующая вакуоль замкнется и отойдет в глубь клетки. Это еще больше уси! ливает повреждение окружающих тканей, воспалительную реакцию и болевые ощущения (например, при фагоцитозе кристалликов уратов при подагре, комп! лексов антиген — антитело при ревматоидном артрите и др.). В местах воспаления бактерицидные ферменты и окислители выделяются живыми нейтрофилами. Погибшие нейтрофилы являются источниками ядер! ных гистонов, которые также обладают бактерицидными свойствами. Кро!

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

337

ме того, бактерицидные ферменты и гистоны способствуют дегрануляции туч! ных клеток и базофилов и выходу гистамина и других биологически активных веществ, увеличивающих проницаемость стенки кровеносных сосудов для плаз! мы и лейкоцитов крови и стимулирующих активность макрофагов. При распа! де нейтрофилов выделяются вещества пирогены (ИЛ!1), которые стимулируют синтез простагландинов, влияющих на температурный центр гипоталамуса, вы! зывая лихорадку как ответ на воспаление, и, кроме того, стимулируют в кост! ном мозге образование новых нейтрофилов. Понятно, что различные инфекции вызывают увеличение общего количест! ва лейкоцитов в крови — лейкоцитоз. В этих случаях в кровь выходят и не вполне зрелые лейкоциты. Для нейтрофилов — это юные (метамиелоциты) с подково! образным ядром и палочкоядерные формы с ядром в виде жгута или палочки. Чем моложе клетка, тем менее сегментировано ядро. При увеличении количества незрелых форм говорят о сдвиге лейкоцитарной формулы влево. В тканях в ме! стах развития воспаления мертвые нейтрофилы, бактерии и полупереваренный материал формируют вязкую, обычно желтоватого цвета жидкость — гной. В настоящее время описан целый ряд дисфункций нейтрофилов. При одной из них наблюдается снижение полимеризации актина, из!за чего нарушается сборка цитоскелета, что приводит к изменению движения нейтрофилов. При другой — имеется недостаточность образования супероксида кислорода, в результате чего снижается способность нейтрофилов умерщвлять поглощен! ные ими бактерии. Вследствие дисфункции нейтрофилов развиваются затяж! ные тяжело протекающие инфекции вплоть до развития сепсиса. Базофильные гранулоциты (базофилы) — самые малочисленные из лейкоцитов. Количество базофилов составляет всего 0,5—1,0 % от общего чис! ла лейкоцитов, поэтому их так трудно найти в мазках крови. Диаметр базофи! лов в мазке — 10—12 мкм. В крови они циркулируют около 4—8 ч, в тканях живут несколько суток. Ядро базофила содержит меньше гетерохроматина, чем ядра других грану! лоцитов. Оно разделено на неправильные доли, которые трудно различить из!за обилия гранул. Органеллы малочисленны. Специфические гранулы (в ко! личестве около 400) метахроматичны, т. е. азуром II окрашиваются в фиолето! вый цвет благодаря высокому содержанию кислых протеогликанов. Кроме них есть азурофильные лизосомоподобные неспецифические гранулы, содержащие гидролитические ферменты (рис. 6.6). Специфические гранулы крупные, имеют диаметр до 1,5 мкм. В них со! держатся пероксидаза, гистамин, гепаран!сульфат, медленно реагирующая суб! станция анафилаксии (МРСА), АТФ, факторы хемотаксиса нейтрофилов и эозинофилов. Гепаран!сульфат похож на гепарин тучных клеток и, возмож! но, тоже препятствует свертыванию крови, предотвращает образование кро! вяного сгустка и фибрина. Гистамин вызывает раздвигание эндотелиальных клеток сосудов, повышает проницаемость базальной мембраны и основного ве! щества соединительной ткани, чем способствует выходу плазмы и форменных элементов крови, развитию отека и воспаления. МРСА вызывает стойкое со! кращение мышечных клеток стенки бронхов, расширение кровеносных сосудов и увеличение их проницаемости.

338

Ãëàâà 6

Рис. 6.6. Базофильный гранулоцит: HLA — антигены главного комплекса гистосовместимости I класса. Рецепторы: Fc — к иммуно! глобулинам; С3 — к комплементу; Fc к IgE — к иммуноглобулинам класса E

Базофилы крови по содержимому гранул и биологическому действию сход! ны с тучными клетками соединительной ткани. И те, и другие имеют на плаз! молемме рецепторы к иммуноглобулинам класса Е (IgE), которые могут обра! зовываться в организме в результате бурной иммунной реакции на различные антигены — аллергены. IgE фиксируются на рецепторах этих клетках и при по! вторном контакте с тем же аллергеном связываются с ним. В результате плаз! молемма разрушается, и гранулы выходят из клеток. Проявлением этих воз! действий могут быть мгновенные высыпания, волдыри, отеки и удушье — аллергические реакции немедленного типа, вплоть до анафилактического шока со смертельным исходом. Несмотря на большое морфофункциональное сходст! во базофилов и тучных клеток, они не являются клетками одной генерации, имеют различную ультраструктуру и, возможно, даже происходят из разных клеток!предшественников костного мозга (стволовой кроветворной и стволо! вой стромальной). Базофилы могут принимать участие в кожной реакции гиперчувствитель! ности замедленного типа на введение антигенов разного происхождения, а так! же в образовании инфильтратов в других органах (дыхательных путях, поч! ках). Как и другие гранулоциты, они способны к образованию биооксидантов (H2O2 и O–2 ). В обычных условиях базофилы (и тучные клетки) за счет микро! везикулярной секреции своих гранул участвуют в регуляции проницаемости сосудов и свертывания крови. Эозинофильные гранулоциты (эозинофилы) составляют всего 0,5— 5,0 % от числа лейкоцитов (рис. 6.7). Диаметр их 12—17 мкм. В крови эозино!

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

339

Рис. 6.7. Эозинофильный гранулоцит: HLA — антигены главного комплекса гистосовместимости I класса. Рецепторы: Fc — к иммуно! глобулинам; С3 — к комплементу

филы находятся 7—12 ч, в тканях 8—12 сут. Содержание эозинофилов в тка! нях значительно выше, чем в крови. Их много в соединительной ткани собст! венной пластинки слизистых оболочек бронхов, желудочно!кишечного тракта, матки, влагалища. Для эозинофилов характерны суточные колебания содер! жания в крови: их количество максимально ночью и минимально утром. По степени зрелости в крови эозинофилы, как и нейтрофилы, могут быть сегментоядерными (иметь 2—5 сегментов), палочкоядерными и юными. Цито! плазма содержит немного митохондрий, рибосом, единичные профили эндо! плазматической сети, относительно развитый комплекс Гольджи и зерна гли! когена. Главный отличительный морфологический признак эозинофилов — многочисленные большие, удлиненные специфические гранулы (около 200 в каждой клетке), которые хорошо окрашиваются эозином. Кроме них в цито! плазме эозинофилов есть и неспецифические лизосомоподобные гранулы. Эозинофильные, специфические, гранулы (диаметром 0,5—1,5 × 0,3 мкм) окружены мембраной, могут содержать кристаллоид, из главного щелочного (осн*овного) белка с большим содержанием аргинина, окрашивающегося кис! лыми красителями, что объясняет их эозинофилию. Этот белок составляет 50 % всех белков гранул. Менее плотный материал, окружающий кристал! лоид, известен как матрикс. Он содержит эозинофильный катионный белок, миелопероксидазу, эозинофильный нейротоксин. Главный щелочной белок, катионный белок и миелопероксидаза обладают способностью убивать бакте! рии и разрушать кутикулу паразитов (простейших, гельминтов). Кроме того, в составе специфических гранул выявлена гистаминаза, арилсульфатаза, кол! лагеназа, катепсин, кислая фосфатаза. Гистаминаза инактивирует гистамин,

340

Ãëàâà 6

арилсульфатаза — медленно реагирующую субстанцию анафилаксии. Мелкие азурофильные гранулы (диаметром 0,1—0,5 мкм) содержат гидролитические ферменты, разрушающие паразитов, и комплексы антиген!антитело при аллер! гических реакциях. Эозинофилы обладают хемотаксисом на гистамин, лимфокины (медиаторы лимфоцитов), комплексы антиген—антитело. Они способны фагоцитироватъ и накапливать гранулы гистамина, кроме того, выделяют фактор, тормозящий выброс гистамина базофилами и тучными клетками. Эозинофилы последними из гранулоцитов приходят в очаги воспаления и способствуют устранению вос! палительных реакций. Они активно участвуют в обезвреживании ядов и ток! синов, ограничивая местные воспалительные реакции, в противопаразитарной защите, выделяя ферменты, катионные белки и биооксиданты, разрушающие кутикулу гельминтов, мицелий грибков. При аллергических реакциях, гель! минтозах и некоторых паразитарных болезнях их содержание повышается. Агранулоциты. К агранулоцитам относят лимфоциты и моноциты. Лимфоциты (рис. 6.8) составляют 19—37 % всех лейкоцитов крови. По размерам их делят на малые — 4,5—6 мкм в диаметре, средние — 7—10 мкм и большие — 10—12 мкм и более. Основная масса циркулирующих в крови

Рис. 6.8. Лимфоциты: Популяции и субпопуляции отличаются совокупностью рецепторов и других компонентов кле! точной оболочки, определяющих их участие в иммунных реакциях. T!, B!, NK! и K!клетки — популяции лимфоцитов; HLA и HLA!DR — антигены главного комплекса гистосовместимости I и II класса соответственно. Рецепторы: ЭрБ — к эритроцитам барана; АГр — рецептор к антигенам; ОкТ — антигены к гибридомным антителам; Вк — к вирусу кори; РД — к факторам роста и диффе! ренцировки; Ри — к интерферону; FcIgG — к иммуноглобулинам класса G; С3 — к С3 компоненту комплемента; SIg (M, D, G, A, E) — поверхностные иммуноглобулины, рецепторы к антигенам; ЭрМ — к эритроцитам мыши; ТФ — к медиаторам T!лимфоцитов. N — NK антиген; Fc — область, определяющая свойства класса антител, их биологическую активность

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

341

лимфоцитов представлена малыми лимфоцитами — 50—60 %, число средних составляет 25—30 % и больших — 8—10 %. Большие лимфоциты не только имеют больший диаметр, но и больший объем цитоплазмы по отношению к объему ядра. Размер лимфоцита обуслов! лен степенью его зрелости и состоянием его иммунологической активности. Не вполне зрелые, а также активированные антигенами лимфоциты относятся к средним и большим. Ядро у малого лимфоцита шаровидное, иногда с незначительным углуб! лением. Хроматин ядра плотно конденсирован, вследствие чего оно интенсивно окрашивается в обычных препаратах. Ядрышко, как правило, не различимо, но оно может быть выявлено специальными методами окрашивания либо с по! мощью электронного микроскопа. У средних и больших лимфоцитов хрома! тин ядра менее конденсирован, что делает его оптически менее плотным и по! зволяет отчетливо видеть ядрышко. Цитоплазма малого лимфоцита слабо базофильна, имеет вид небольшого узкого ободка вокруг ядра и может содержать отдельные азурофильные гра! нулы. При электронной микроскопии в ней выявляются свободные рибосомы, небольшое количество митохондрий, единичные профили эндоплазматической сети, маленький комплекс Гольджи. Некоторые средние и большие лимфо! циты имеют в цитоплазме мелкие гранулы, их относят к популяции естествен! ных киллерных клеток. Главной функцией лимфоцитов является защита организма от всего чуже! родного, как попадающего извне, так и образующегося в нем, т. е. участие в за! щитных реакциях специфического иммунитета. В основе этих реакций лежит способность лимфоцитов реагировать на чужеродные молекулы (антигены) с помощью своих поверхностных рецепторов. Совокупность этих рецепторов и других компонентов плазмолеммы определяет способ участия лимфоцитов в иммунных реакциях. По этим свойствам лимфоциты подразделяются на три основные функциональные группы: Т!, В!лимфоциты и естественные киллер! ные клетки (ЕКК, или NК, — от англ. natural killer). Т!лимфоциты и NК!клетки осуществляют клеточный иммунитет, уничто! жают клетки!мишени — «чужие» либо «свои», изменившиеся вследствие на! рушения дифференцировки или патологии. В популяции Т!лимфоцитов Т!кил! леры (цитотоксические) непосредственно воздействуют на клетки!мишени, вызывая их лизис. Т!гзт выделяют медиаторы (цитокины), запускающие имму! нологическую реакцию гиперчувствительности замедленного типа (ГЗТ). Т!хелперы (помощники) посредством цитокинов способствуют пролиферации и дифференцировке других разновидностей лимфоцитов. Т!супрессоры угне! тают пролиферацию и функции разных лимфоцитов. NK!клетки уничтожают клетки!мишени как Т!киллеры, но при этом они отличаются набором марке! ров плазмолеммы, способом распознавания антигенов и др. В!лимфоциты и их потомки — плазматические клетки — ответственны за гуморальный иммунитет. Обнаружив чужеродную информацию (антигены), они синтезируют и выделяют особые белки — антитела, поступающие в кровь и другие жидкости. Антитела обеспечивают выведение антигенов из орга! низма.

342

Ãëàâà 6

В окрашенном обычным способом мазке крови различить названные попу! ляции невозможно. Для этого необходимо использовать специальные иммуно! химические методы, основанные на специфическом связывании меченных раз! личным способом веществ с плазмолеммой лимфоцита. Совместная деятельность разновидностей лимфоцитов в иммунном ответе обеспечена не только возможностью распознавания чужеродного, в том числе своих больных клеток, мутантов, клеток с нарушенным ходом дифференци! ровки, но и распознаванием ими друг друга. Как уже отмечалось выше, клет! ки разных тканей имеют наборы индивидуальных молекул гликопротеинов в плазмолеммах, которые называют антигенами гистосовместимости, или транс! плантационными антигенами. Главные антигены гистосовместимости синтези! руются в клетке под контролем комплекса генов иммунного ответа — главного комплекса гистосовместимости (ГКГ). У человека ГКГ расположен в коротком плече 6!й хромосомы. Поверхностные антигены ГКГ подразделяются на два класса: антигены I класса (HLA) присутствуют на всех соматических клетках, кроме эритроцитов, нейронов и клеток трофобласта; антигены II класса — (HLA!DR) на В!лимфоцитах, активированных Т!лимфоцитах и антигенпред! ставляющих клетках (макрофагах, дендритных, интердигитирующих). Лимфо! циты способны отличать молекулы ГКГ и их комплексы с пептидами (про! дуктами расщепления белков) своих и чужих клеток, другие антигены. В основе распознавания лежит химическая реакция связывания молекул рецепторов лимфоцитов с антигенами. Эта реакция специфична. Каждому антигену соот! ветствует только определенный рецептор определенного лимфоцита. Основным компонентом антигенспецифических рецепторов В!лимфоцитов являются белки иммуноглобулины (Ig) преимущественно классов М и D. Их на! зывают поверхностными иммуноглобулинами, обозначая SIg. Каждый В!лим! фоцит имеет до 105 таких молекул!рецепторов. Когда к рецепторам присоеди! няется антиген, В!лимфоцит активируется и многократно делится. Его много! численные потомки начинают секретировать растворимые иммуноглобули! ны — антитела с одинаковыми антигенсвязывающими участками к данному конкретному антигену. Антитела поступают в тканевую жидкость, лимфу, кровь. Потомки активированного В!лимфоцита заканчивают свою дифференцировку, преобразуясь через плазмобласты в плазматические клетки, интенсивно секре! тирующие антитела. Часть клеток остается в виде клеток В!лимфоцитов па! мяти, которые, после повторной встречи с антигеном, преобразуются в анти! телопродуценты. Каждая молекула антитела (рис. 6.9) состоит из двух идентичных тяже! лых (H) полипептидных цепей и двух идентичных легких (L). Тяжелые цепи имеют V!образную форму, легкие расположены параллельно тяжелым, но только в области ветвей. На концах ветвей находятся антигенсвязывающие участ! ки, образованные частями как Н!, так и L!цепей. На связывающих антиген участках молекулы антитела расположены антигенные детерминанты вариа! бельных областей Н! и L!цепей, которые называются идиотипами. Основание молекулы из двух Н!цепей называется Fс!областью, от состава которой зави! сит, какие другие белки будут связываться с данным антителом, что, в свою очередь, определяет биологические свойства данного класса антител. Сущест!

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

343

Рис. 6.9. Схема типичной молекулы антитела (иммуноглобулина), состоящей из двух идентичных тяжелых (H) и двух идентичных легких (L) цепей

вует пять классов антител: IgА, IgD, IgЕ, IgG, IgM, имеющих различные Н!цепи: α, δ, ε, γ, μ. L!цепи бывают двух типов: χ и λ. С любым классом Н!цепей могут быть связаны L!цепи любого типа. Различные сочетания Н и L цепей обеспечивают миллионы разновидностей антител с уникальными участками — идиотипами — для связывания антигенов. Антитела инактивируют вирусы, бактериальные токсины, оседая на микроорганизмах, фиксируют на них особые белки плазмы крови — белки системы комплемента, в результате чего микробы погибают. Белки системы комплемента в этом случае встраиваются в клеточную оболочку клетки!мишени и формируют ионные каналы, пропускающие воду, что приво! дит к ее набуханию и гибели. Фиксация антител на микроорганизмах способст! вует поглощению их фагоцитами и уничтожению Т!киллерами и NК!клетками. Помимо уникальных для каждого В!лимфоцита иммуноглобулиновых рецеп! торов имеются Fc!рецепторы с единой для всех В!лимфоцитов специфичностью и СЗ!рецепторы к комплементу. Важным поверхностным компонентом, как уже говорилось, являются антигены ГКГ II класса, обеспечивающие взаимодействие с активированными Т!лимфоцитами. В!лимфоциты человека имеют рецепторы к эритроцитам мыши (образуют с ними розетки), что используется для их вы! явления. Определены также рецепторы для цитокинов, митогенов и др. Харак! теризующие поверхностные рецепторы и маркеры у В!лимфоцитов человека закладываются в красном костном мозге. Антигенспецифические рецепторы Т!лимфоцитов являются гликопротеи! нами, построенными из двух полипептидных цепей (α и β или δ и γ), имеющих сходные размеры и организацию. К каждой из них присоединены углеводные компоненты, составляющие в целом до трети всей массы молекулы. Поли! пептидные цепи имеют вариабелъную (V) и константную (С) области. Вариа!

344

Ãëàâà 6

бельные области вступают в контакт с антигеном, связанным с поверхностью клеток, точнее с гликопротеинами клеточной оболочки, или иначе — антиге! нами гистосовместимости (молекулами ГКГ). Разные субпопуляции Т!лимфо! цитов узнают антиген в ассоциации с разными классами антигенов гистосов! местимости. Т!киллеры реагируют на антиген, связавшийся с молекулами ГКГ I класса, которые, как сказано ранее, есть у всех соматических клеток. Т!хел! перы отвечают на антиген, ассоциированный с молекулами ГКГ II класса, кото! рые есть у лимфоцитов и антигенпредставляющих клеток. После распознавания антигена Т!лимфоциты делятся с образованием клонов, при этом образуются клетки эффекторы и клетки памяти. Т!киллеры (эффекторы, цитотоксические) вступают в контакт с клеткой! мишенью, в результате которого ее клеточная оболочка начинает пропускать внутрь воду и клетка погибает. Во время контакта киллерные клетки выде! ляют белки перфорины, которые встраиваются в плазмолемму клетки!мишени и формируют ионные каналы, через которые выходят соли и входит вода. Механизм уничтожения клеток!мишеней сходен с таковым при гуморальном ответе: в первом случае в построении ионных каналов участвуют белки компле! мента, во втором — перфорин. Кроме того, в продуктах Т!киллеров содержатся протеазы — гранзимы и гранулолизины, которые через перфориновые поры проникают в цитоплазму клеток!мишеней и запускают в них программу апо! птоза, вызывая их гибель. Полагают, что так убивают клетки!мишени не толь! ко Т!киллеры, но и NК!клетки. NК!клетки осуществляют противовирусную, противопаразитарную, про! тивоопухолевую защиту, реагируют на белки клеточной дифференцировки. Они распознают и убивают такие клетки, которые в данный момент не экспрес! сируют или содержат измененные молекулы ГКГ I. Некоторые из них (К!клет! ки) убивают клетки!мишени, если на клеточных оболочках последних пред! варительно осели антитела, к которым они имеют рецепторы. Все виды киллер! ных клеток принимают участие в отторжении трансплантатов. В некоторых случаях на месте локализации антигена развивается реакция гиперчувствительности замедленного типа (ГЗТ), в результате которой раз! рушаются собственные клетки, пораженные микроорганизмами. Лимфоциты в данном случае называют Т!эффекторами ГЗТ (Т!гзт). Эти клетки имеют мар! керы, сходные с Т!хелперами, и активируются антигеном, связанным с молеку! лами ГКГ II класса. При развитии реакции ГЗТ антиген поглощается макрофа! гом, и, частично обработанный, выходит (экспрессируется) на его мембрану, где распознается T!гзт, начинающим после этого секретировать медиаторы — хемотаксические факторы, привлекающие моноциты, макрофаги и грануло! циты. В результате возникает местное воспаление. Т!хелперы и Т!супрессоры относят к регуляторам иммунных реакций. Т!хелперы необходимы большинству B! и T!лимфоцитов для осуществления ответа на антиген. Получив информацию об антигене, T!хелперы выделяют ряд медиаторов, в частности, хелперный фактор для дифференцировки и включе! ния синтеза антител в B!лимфоцитах, интерлейкин!2 (ИЛ!2), активирующий T!киллеры, фактор, ингибирующий миграцию макрофагов (ФИМ). Роль T!хел! перов наглядно выступает при заболевании СПИД. Т!хелперы имеют рецеп!

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

345

торы к вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ) и поэтому поражаются им. РНК!сдержащий вирус СПИДа фиксируется через рецептор на лимфоците, про! никает в него, строит свою ДНК и начинает производство новых вирусов. При заражении T!хелпера вирусом его клон не может дать нормальное коли! чество клеток. B!лимфоциты лишаются необходимых хелперных факторов и не дифференцируются в плазматические клетки. Нарушается гуморальный иммунитет. Макрофаги также имеют рецепторы к этому вирусу, но в меньших коли! чествах. Тем не менее, они фиксируют вирус на плазмолемме и при взаимо! действиях с лимфоцитами заражают новые клетки. Некоторые антигены, благодаря тому, что они построены особым образом и содержат повторяющиеся однотипные детерминанты, способные блокиро! вать одновременно все рецепторы B!лимфоцитов, могут стимулировать их диф! ференцировку в плазмоциты без T!хелперов. В этом случае антигены и ответ на них называют тимуснезависимыми. Среди T!хелперов выделяют две субпопуляции — Tх1 и Тх2. Tх1 усили! вают клеточный иммунитет и способствуют развитию воспалительной реак! ции. Их цитокины стимулируют макрофаги и NK!клетки, усиливают проли! ферацию и дифференцировку Т!лимфоцитов. Tх2 активируют B!лимфоциты, их дифференцировку в плазматические клетки и образование антител, развитие и деятельность гранулоцитов и тучных клеток. Соотношение Тх1 и Тх2 влияет на течение инфекций. Преобладание Тх1 над Тх2 является благоприятным по! казателем. Т!лимфоциты человека имеют на своей мембране ряд дифференцировоч! ных антигенов, варьирующих в зависимости от степени дифференцировки и субпопуляций, рецепторы к эритроцитам барана, что используется для их идентификации. Маркерами всех Т!лимфоцитов являются молекулы CD3, Т!киллеров — CD8, Т!хелперов — CD4. Продолжительность жизни лимфоцитов значительно варьирует в зависи! мости от популяции и участия в иммунном ответе от нескольких дней до десят! ков лет. В течение своей жизни они успевают побывать в разных кроветвор! ных органах, тканях и рециркулируют из крови в лимфу. Один лимфоцит за свою жизнь может проходить от 1 × 102 до 1 × 106 км. Лимфоциты способны к самостоятельному движению, и прижизненные съемки позволяют видеть, как они обследуют каждый встречный на пути объект — клетку, волокно и др., выполняя свою цензорную функцию. Показательно и распределение лимфо! цитов в организме человека: из общей массы лимфоцитов, составляющей при! мерно 1500 г, 100 г находится в костном мозге, 100 г в лимфоидных органах, 3 г в кровотоке и 1300 г в соединительных тканях, где разворачиваются иммун! ные реакции. В крови человека преобладают T!лимфоциты. На протяжении от 7 до 80 лет их доля среди всех лимфоцитов снижается в среднем от 70 до 55 %. Содер! жание B!лимфоцитов, напротив, повышается от 25 до 30 %, а NК и K!клеток изменяется от 5 до 15 %. Миллиарды лимфоцитов, включающие миллионы различных клонов, осу! ществляя функцию иммунологического надзора, участвуют в обеспечении нор!

346

Ãëàâà 6

мального внутриутробного развития, нормальной дифференцировки и функ! ционирования тканевых систем, отторжения трансплантатов и других анти! генов, направленного на поддержание гомеостазиса, защиты от возбудителей инфекционных болезней и опухолей. Моноциты составляют 3—11 % от числа лейкоцитов крови, способны к самостоятельному движению. В кровотоке моноциты циркулируют 2—3 сут, затем выселяются в ткани, где превращаются в макрофаги. Продолжитель! ность их жизни в тканях — в пределах 40—60 сут. Клетки в мазке округлы, около 20 мкм в диаметре, ядро овальное или бобовидное с 1—2 ядрышками. Хроматин в ядре менее компактизован, чем в ядрах малых лимфоцитов. Ци! топлазма обширна, слабо базофильна и часто содержит мелкие немногочис! ленные азурофильные гранулы, являющиеся лизосомами. Для мононуклеар! ных фагоцитов характерны цитоплазматические ферменты: неспецифическая эстераза, лизоцим, пероксидаза и поверхностный фермент 5!нуклеотидаза. При ультрамикроскопии выявляются лизосомы, фаголизосомы, остаточные тельца, пиноцитозные пузырьки и профили эндоплазматической сети, хорошо развитый комплекс Гольджи, множество мелких митохондрий и незначитель! ное количество полирибосом (рис. 6.10). Моноциты несут на плазмолемме антигены ГКГ I и II классов, Fc и С3!рецепторы. Как уже отмечалось, макрофаги всех органов развиваются из моноцитов, выселившихся туда из кровотока. Моноциты, находящиеся в тканях, способны

Рис. 6.10. Моноцит: HLA и HLA!DR — антигены главного комплекса гистосовместимости I и II класса. Рецепторы: Fc — к иммуноглобулинам, С3 — к комплементу

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

347

к делению и приобретению специфических свойств под влиянием микроокру! жения. На основании этого сформулировано представление о мононуклеарной фагоцитарной системе, объединяющей моноциты крови и макрофаги различ! ных органов. К ней относятся: макрофаги альвеол легкого, костного мозга, лимфатических узлов, селезенки, серозных полостей, соединительной ткани, звездчатые макрофаги печени, микроглия, остеокласты, синовиальные A!клет! ки, внутриэпидермальные макрофаги (см. гл. 5). Созревание моноцита в макрофаг сопровождается увеличением размеров, содержания лизосом, митохондрий, формированием рецепторов к иммуногло! булинам (антителам), повышением активности белкового синтеза, фагоцитар! ной активности, приобретением способности к слиянию с образованием гигант! ских форм. Стволовые кроветворные клетки (СКК). Циркулирующие в перифери! ческой крови СКК составляют 0,1 % общего количества клеток крови. Наибо! лее ранняя определяемая СКК имеет маркер CD 34+ Lin– (не несущая линей! ных маркеров, появляющихся на более дифференцированных клетках опреде! ленной линии). Морфологически они сходны с лимфоцитами, их диаметр равен 8—10 мкм. Ядро имеет 1—2 ядрышка. Цитоплазма без включений, содержит рибосомы и небольшое количество митохондрий.

Âîçðàñòíûå è ïîëîâûå îñîáåííîñòè ñîñòàâà êðîâè Кровь у новорожденного имеют некоторые особенности гемограммы и лей! коцитарной формулы. Характерно повышенное содержание гемоглобина и эрит! роцитов (до 6—7 × 1012/л), анизоцитоз, наличие макроцитов и ретикулоцитов. К 10—14!м суткам количество эритроцитов приближается к таковому у взрос! лых, затем к 3—6 мес. уменьшается и нормализуется к 14—15 годам. Содер! жание тромбоцитов изменяется от 143 до 413 × 109/л. Общее количество лей! коцитов у новорожденных составляет (10—30) × 109/л, у детей 2!недельного возраста — (9—15) × 109/л и достигает нормы взрослого к 14—15 годам. В пер! вые дни жизни преобладают нейтрофилы (до 60—65 %), часто со сдвигом вле! во, моноциты составляют 8—14 %, эозинофилы — 0,5—3 %. На 4!е сут коли! чество лимфоцитов и нейтрофилов уравнивается (первый физиологический перекрест), в возрасте 1—2 лет лимфоциты составляют 65 %, нейтрофилы — 25 %. В 4 года наступает второй физиологический перекрест — количество лим! фоцитов и нейтрофилов опять становится одинаковым, а окончательный ней! трофильным профиль устанавливается к 14—15 годам. Состав крови с 16—18 до 60 лет в норме остается стабильным (табл. 6.2). Половые различия морфологического состава крови касаются лишь пока! зателей красной крови и скорости оседания эритроцитов (СОЭ). Минимальная концентрация форменных элементов крови, способная обес! печить функционирование организма, составляет для эритроцитов 1/4, а для тромбоцитов и нейтрофилов — 1/10 от нормальных значений. Такой уровень может обеспечить 5 % костномозговой ткани, что и считается предельным количеством для поддержания жизни человека.

1171.

111,5

154,5

1181.

119,0

144,5

1101.0

118,01

138,51

110,25

118,61 151,51 112,01

—

114,91

136,01

9—10 лет

П р и м е ч а н и е. В числителе — показатели у мужчин; в знаменателе — у женщин.

1161.

112,0

моноциты

Скорость оседания эритро! цитов (СОЭ)

158,0

лимфоциты

110,5

110,5

базофилы

110,5

110,2 145,5 111,0

110,5 132,0 111,5

110,3 126,0 113,0

—

Лейкоциты: нейтрофилы эозинофилы

— 200,0—300,0

—

Тромбоциты

Ретикулоциты

30—35

114,9

136,0

0,8—1,0

114,7

Дети 4—5 лет

Среднее содержание гемо! глобина в одном эритроците

115,3

Эритроциты

129,0

11—12 мес.

Цветовой показатель

170,0

2—4 нед.

Гемоглобин

Показатель крови

Показатели анализа крови у детей и взрослых

1181.

119,0

128,0

110,5

117,7 160,5 112.0

—

115,0

146,2

14—16 лет

2—10 2—15

4,9—9,0 47—72 0,5—51. 2,0—5,5 0,5—11. 1.110—0,065 19—37 1,2—3,0 13—11 0,09—0,60

180,0—320,0

12—10

30—35

0,85—1,05

4,0—5,0 3,9—4,7

130,0—160,0 120,0—140,0

Взрослые

мм/ч

× 109/л % % × 109/л % × 109/л % × 109/л % × 109/л

× 109/л

%

пг

× 1012/л

г/л

Ед.

Òàáëèöà 6.2

348 Ãëàâà 6

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

349

Лимфа Многие клетки не имеют непосредственного контакта с кровеносными ка! пиллярами и обмениваются веществами с окружающей их тканевой (интерсти! циальной) жидкостью. Постоянство ее состава и объема поддерживается как кровеносной, так и лимфатической системами. Тканевая жидкость образуется в результате выхода составных частей плазмы из кровотока под влиянием бо! лее высокого гидростатического давления. Из тканей жидкость вместе с про! дуктами метаболизма поступает в венозный отдел и лимфатические капилля! ры. Лимфа образуется в лимфатических капиллярах, и поэтому их называют корнями лимфатической системы. В лимфатические капилляры из тканей по! падают белки, вода и растворенные в ней кристаллоиды, инородные частицы, бактерии и др. Количество лимфы у человека в лимфатических сосудах око! ло 2 л. Лимфа состоит из лимфоплазмы и форменных элементов. Лимфоплаз! ма близка по составу к плазме крови, но отличается более низким содержа! нием белков (60 % от количества в плазме), меньшей вязкостью, более низким коллоидно!осмотическим давлением. Среди фракций белка альбумины преоб! ладают над глобулинами, есть иммуноглобулины, фибриноген и протромбин. Лимфа способна свертываться. Однако защитных белков в лимфе меньше, чем в крови, поэтому она является хорошей средой для размножения и распростра! нения возбудителей инфекций и опухолевых клеток. 90 % форменных элементов лимфы составляют лимфоциты. Количество белка и клеточный состав лимфы на протяжении ее пути от лимфатических капилляров до грудного лимфатического протока неодинаковы. Различают: 1) периферическую лимфу — в лимфатических капиллярах и периферических сосудах до лимфатических узлов; 2) промежуточную лимфу — в лимфатиче! ских сосудах после узлов; 3) центральную лимфу — в грудном и правом лим! фатическом протоках. Состав оттекающей от тканей лимфы отражает особен! ности обмена в органе. В лимфе, вышедшей из лимфатических узлов, много иммуноглобулинов (антител).

Кроветворение (гемопоэз) Зрелые форменные элементы крови имеют ограниченный срок жизни. Под! держание относительно постоянного их количества в крови обеспечивается по! ступлением новых форменных элементов, развивающихся из стволовых поли! потентных клеток крови в органах кроветворения и иммуногенеза, и представ! ляет собой физиологическую регенерацию крови. Становление кроветворения в процессе эмбрионального развития — сложный многоступенчатый процесс, в который вовлекается ряд органов, вначале внезародышевых, затем зароды! шевых. Начинается кроветворение одновременно в стенке желточного мешка, хорионе и далее перемещается в печень, селезенку, красный костный мозг, тимус, лимфатические узлы. После рождения в красном костном мозге обра!

350

Ãëàâà 6

зуются эритроциты, гранулоциты, моноциты, B!лимфоциты, предшественники T!лимфоцитов, естественные киллеры (NK) и K!клетки. В тимусе формируют! ся T!лимфоциты; в селезенке, лимфатических узлах, лимфатических узелках пищеварительного тракта и дыхательных путей осуществляется пролифера! ция и дифференцировка активированных антигеном лимфоцитов, приводящая к образованию отобранных антигеном клонов эффекторных клеток. Крове! творение в эмбриональном периоде называют эмбриональным гемопоэзом, а после рождения — постэмбриональным.

Ýìáðèîíàëüíûé ãåìîöèòîïîýç Для эмбрионального гемоцитопоэза человека характерна смена локализа! ции в ряде внезародышевых и зародышевых органов. По ведущей роли того или иного органа выделяют три периода: мезобластический, печеночный и ме< дуллярный, которые перекрывают друг друга во времени (рис. 6.11). В мезобластический период ведущими являются внезародышевые ткани и органы — стенка желточного мешка, мезодерма хориона и стебля, кроветво! рение в которых начинается в конце второй недели эмбриогенеза человека. Стволовые кроветворные клетки мезобластического периода относят к первой генерации. По желточной и аллантоисной венам они поступают в циркуляцию и заселяют закладку печени. Гемоцитопоэз в печени начинается на 5—6!й нед. эмбриогенеза, достигает максимума к 5 мес. и прекращается к рождению. В те! чение этого периода изменяются количественные и качественные показа! тели кроветворения. Кроветворение во внезародышевых органах прекращает! ся к 9!й нед. Стволовые кроветворные клетки первой генерации в печени дают вторую генерацию, которая далее будет заселять костный мозг, селезенку и лимфатические узлы.

Рис. 6.11. Участие отдельных органов в кроветворении в разные периоды жизни плода и новорожденного (по: Erslev, Weiss, 1940)

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

351

Рис. 6.12. Этапы и органы эмбрионального кроветворения

Медуллярный период начинается с 10!й нед. К рождению устанавливается окончательная специализация этих органов в отношении продукции определен! ных кроветворных клеток в постнатальной жизни. Стволовые клетки, образо! вавшиеся в результате деления в костном мозге, относят к третьей генерации (рис. 6.12). В 1977 г. была выдвинута гипотеза о возрастных пластах стволовых клеток (Воробьев А. И., Бриллиант М. Д., 1985), предполагающая качественное разли! чие стволовых клеток в разные периоды жизни человека. Согласно этой гипо! тезе, возрастная смена мест основного кроветворения в эмбриогенезе представ! ляет собой не перемещение одинаковых стволовых клеток из одной области в другую, а пролиферацию на новом месте иной стволовой группы клеток. Возможно, что стволовые клетки разных генераций сохраняются всю жизнь. Эта гипотеза объясняет морфофункциональные различия эритроцитов плода, новорожденного и взрослого, а также разнообразие форм лейкозов. Гипоте! за не исключает роли микроокружения в отборе стволовых клеток для даль! нейшей дифференцировки. Кроветворение во внезародышевых органах. У человека и других мле! копитающих кроветворные клетки впервые появляются во внезародышевой мезенхиме стенки желточного мешка, хорионе и связующего эмбрион с хорио! ном стебля (ножки). Стенка желточного мешка состоит из внутреннего слоя энтодермальных призматических клеток и наружного слоя мезотелиальных уплощенных кле! ток, между которыми расположены мезенхимные клетки. Согласно класси!

352

Ãëàâà 6

ческим исследованиям А. А. Максимова (1909, 1927), у зародыша человека на 13—16!е сут эмбрионального развития под энтодермой появляются плотные скопления мезенхимных клеток — кровяные островки. К 18—19!м сут цент! ральные клетки островков округляются и превращаются в кроветворные клет! ки. Периферические клетки уплощаются и становятся эндотелиоцитами воз! никающих таким образом кровеносных сосудов. В это время можно видеть островки, лежащие свободно в мезенхиме и частично или полностью покрытые эндотелиоцитами. Следовательно, первые клетки крови появляются как вне со! судов, так и внутри них. По мере разрастания сосудистой сети интраваску! лярное кроветворение становится ведущим. Методом селезеночных колоний и в культурах на агаре было показано, что клетки кровяных островков спо! собны давать колонии кроветворных клеток в селезенке облученных мышей, т. е. являются колониеобразующими единицами — КОЕ!с. Аналогичные процессы происходят в мезенхиме стебля и хориона. В ме! зенхиме разных участков тела зародыша также возникают кровеносные сосуды в виде полых трубочек, а снаружи от них — скопления кроветворных клеток, как правило, одного кроветворного ростка. Далее сосуды зародыша объеди! няются с внезародышевыми в единую систему и в них появляются клетки кро! ви, среди которых преобладают крупные первичные эритропоэтические клетки, содержащие ядра. Выделяют самые крупные бласты (диаметром 25 мкм) с ба! зофильной цитоплазмой, проэритробласты с полихроматофильной цитоплаз! мой (20 мкм), эритробласты, ортохромные с эксцентричным ядром, сходные с мегалобластами при пернициозной анемии (18 мкм), ортохромные эритро! бласты с пикнотичным эксцентричным ядром и безъядерные эритробласты (7—9 мкм). Все эритробласты этого периода называют мегалобластами (ба! зофильными, полихроматофильными, оксифильными соответственно), а сам процесс — мегалобластическим кроветворением. Синтезируемый в эри! троидных клетках гемоглобин эмбрионального типа отличается высокой сте! пенью связывания с кислородом и не встречается в эритроидных клетках после 12!й нед. развития. В крови эмбрионов на 7—8!й нед. развития появляются мегалоциты (круп! ные гипохромные эритроциты), а также эритробласты и эритроциты дефи! нитивного типа (нормобласты и нормоциты). К 12!й нед. количество их резко нарастает (от 0,2 до 74 %), а мегалобласты практически исчезают. Гранулоциты обнаруживаются в крови эмбрионов 4—5 нед. развития, лимфоциты — 6 нед., моноциты и активированные макрофаги — 8 нед. Клетки гранулоцитарного, моноцитарного, лимфоцитарного и мегакариоцитарного рядов малочисленны (до нескольких процентов от общего числа клеток). Становление кроветворения в печени. Печень закладывается на 3—4!й нед. эмбриогенеза как выпячивание энтодермы вентральной стенки первичной киш! ки, состоящее из эпителиальных и мезенхимных клеток. В сосудистую систему закладки привносятся стволовые клетки первой генерации. Внутри сосудов пе! чени вначале образуются преимущественно примитивные эритробластические клетки (мегалобласты). На 4—5!й нед. между гепатоцитами появляются клет! ки!предшественники размером несколько более 10 мкм с базофильной цито! плазмой и эксцентричным ядром, лимфоидные клетки, эритробласты и макро!

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

353

фаги. С 7!й нед. число примитивных эритробластических клеток уменьшается и преобладающими становятся дефинитивные эритроциты (нормоциты), со! ставляя в 9—15 нед. развития плода 95 % всех кроветворных клеток печени. Гемоглобин эмбрионального типа меняется на фетальный. Одновременно на! растает и становится ведущим экстраваскулярное кроветворение. Гранулоцитопоэз остается низким в течение первых 15 нед. Некоторое уве! личение числа гранулоцитов наблюдается после 12!й нед., причем они преи! мущественно локализуются в соединительной ткани портальных зон печени. Мегакариоциты определяются в печени с 5!й нед., лимфоциты — с 7!й нед. В эмбриональной печени содержатся стволовые и коммитированные клетки! предшественники миелоидного и лимфоидного рядов, способные давать коло! нии в селезенке облученных животных и заселять лимфоидные органы. В печени начинается образование B!лимфоцитов. Пре!B!лимфоциты определяют по со! держанию цитоплазматических Ig, B!лимфоциты — по мембранным (поверх! ностным) Ig. Последние выявляются в печени эмбриона человека на 8—9!й нед. Обнаружены также и T!лимфоциты. Макрофаги появляются в значительных количествах с самого начала кроветворения в печени, но с 6!й нед. количество их уменьшается. К клеткам микроокружения относят макрофаги, гепатоциты, перисину! соидальные липоциты (клетки Ито), эндотелиоциты, звездчатые макрофаги и pit!клетки (большие гранулярные лимфоциты или NK). Становление кроветворения в костном мозге. Формирование костного мозга тесно связано с образованием костей. Впервые костный мозг появляется на 7—8!й нед. эмбриогенеза в ключице, далее на 9—10!й нед. в трубчатых костях и несколько позже (на 18—19!й нед.) в ребрах, телах позвонков и гру! дине. Соответственно начало гемопоэза растягивается от 10!й до 22!й нед. Гемопоэз в костном мозге является результатом заселения стромы стволовыми клетками — потомками печеночных стволовых кроветворных клеток. Начиная с самых ранних этапов функционирования и во все последующие периоды онтогенеза костный мозг содержит полипотентные стволовые клетки третьей генерации, выявляемые по способности репопулировать кроветворные органы облученных реципиентов. До 14!й нед. в нем образуются примитивные эритробласты, затем происходит смена на нормобластический эритропоэз. Идет также гранулоцитопоэз, мегакариоцитопоэз, моноцитопоэз и лимфоци! топоэз. Дифференцировка пре!B!лимфоцитов происходит примерно так же, как в эмбриональной печени. Некоторые отличия состоят в том, что в костном мозге стадия пре!B!лимфоцитов на сутки короче, и на поверхности клеток экс! прессируются некоторые белки, отсутствующие у пре!B!лимфоцитов печени. Пре!T!лимфоциты мигрируют в тимус, где продолжают свою дифференциров! ку в T!лимфоциты. Становление кроветворения в тимусе. Эпителиальная закладка тимуса у человека формируется на 4—6!й нед. внутриутробного развития в области третьих и частично четвертых жаберных щелей и глоточных карманов. Энто! дермальный участок глоточного кармана окружается эктодермой жаберной щели, образуя закладку тимуса. В результате эпителиоретикулоциты коркового вещества тимуса развиваются из эктодермы жаберной щели, а эпителиоре!

354

Ãëàâà 6

тикулоциты субкапсулярной зоны и мозгового вещества — из энтодермы гло! точного кармана. Мезенхима дает начало капсуле и соединительнотканным пе! регородкам. Встречающиеся в тимусе нейроэндокринные клетки происходят из нервного гребня. Начиная с 7—8!й нед., зачаток тимуса с периферии заселяется стволовыми кроветворными клетками из желточного мешка, а позднее (11—12!я нед.) из печени и костного мозга. Под влиянием тимусного микроокружения они диф! ференцируются в T!лимфоциты (T!хелперы и T!киллеры/супрессоры). В тече! ние непродолжительного времени встречаются очаги миелоидного кроветво! рения. С 16!й нед. в тимусе хорошо заметно корковое и мозговое вещество, и с 20!й нед. он приобретает строение, характерное для тимуса новорожден! ного. Лимфоциты в корковом веществе отличаются высоким уровнем проли! ферации, гибели и миграции. В нем происходит отбор и выбраковка T!лимфо! цитов, непригодных к иммунному ответу: неспособных распознавать «чужое» и реактивных к «своему». Из образующихся лимфоцитов только 2—5 % поки! дает тимус. Из них 70 % имеют характеристики T!хелперов и 30 % — T!кил! леров /супрессоров. Становление кроветворения в селезенке. Селезенка закладывается на 5—6!й нед. эмбриогенеза из мезенхимы дорсальной брыжейки в виде сети мезен! химных клеток, окруженных тонкой капсулой. Среди клеток появляется систе! ма щелей, на основе которых формируются кровеносные сосуды. На 7—8!й нед. в них обнаруживаются примитивные эритробласты, дефинитивные эритробла! сты, макрофаги и гранулоциты. Лимфоциты появляются на 11!й нед., на 13!й нед. выявляются B!лимфоциты с иммуноглобулиновыми рецепторами. С 12!й нед. размер селезенки увеличивается, в пульпе идет дифференцировка ретикуляр! ных клеток, появляются аргирофильные волокна и очаги миелоидного кровет! ворения. Лимфопоэз выражен слабо. Белая пульпа формируется на 15!й нед. Локализация T! и B!лимфоцитопоэза стабилизируется к 20—21!й нед. Как уни! версальный кроветворный орган селезенка функционирует до 6 мес. эмбрио! генеза. На 7!м мес. миелопоэз угасает, а лимфоцитопоэз усиливается. К рож! дению человека остается только лимфоцитопоэз. Становление кроветворения в лимфатических узлах. Образование лим! фатических узлов значительно варьирует по срокам в зависимости от их лока! лизации и тесно связано с развитием кровеносной и лимфатической сосудистых систем. Ряд узлов закладывается на основе расширений лимфатических сосу! дов — лимфатических мешков, стенки которых вместе с окружающей мезен! химой врастают внутрь, разделяя просвет мешка на систему лимфатических щелей. Узлы, развивающиеся позднее, формируются на основе сплетений лим! фатических сосудов. Лимфатические щели и сосуды становятся синусами, а ре! тикулярная строма возникает из мезенхимных клеток. Большинство лимфоузлов закладывается на 9—10!й нед., однако приводятся вариации от 5!й до 26!й нед. и даже после рождения. На ранних стадиях развития в лимфоузлах встречаются клетки эритроидного и гранулоцитарных рядов, но в дальнейшем они исче! зают. Заселение лимфоцитами и макрофагами начинается на 12—13!й нед. Миграция T! и B!лимфоцитов в лимфатические узлы, как и в другие перифе! рические кроветворные органы, обусловлена их способностью избирательного

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

355

узнавания и связывания с эндотелием посткапиллярных венул этих органов. С 16—17!й нед. выявляются корковое и мозговое вещество и лимфатические узелки, как правило без герминативных центров. К 22!й нед. лимфоциты со! ставляют 96 % всех гемопоэтических клеток. К концу эмбриогенеза в лимфо! узлах заканчивается формирование всех структурных элементов: коркового ве! щества с лимфатическими узелками, мозговых тяжей, синусов, T! и B!зон. Гер! минативные центры и плазматические клетки появляются после рождения. Становление лимфоцитопоэза иммунной системы слизистых оболо0 чек (ИССО). ИССО включает в себя лимфоциты, ассоциированные со слизи! стой оболочкой пищеварительного тракта, бронхов, мочеполовых путей, молоч! ных желез, выводных протоков ряда желез и осуществляет локальный иммуни! тет. В зависимости от органных особенностей лимфоциты могут распределяться диффузно, в виде одиночных узелков или их скоплений. В пищеварительной системе — это миндалины, аппендикс, одиночные и групповые узелки в стенке кишечной трубки. Закладка разных миндалин варьирует на протяжении 12—14!й нед. эмбрио! генеза в следующей последовательности: нёбные, глоточная, язычная. Заселе! ние лимфоцитами глоточной миндалины начинается с 16!й нед., а с 17!й нед. появляются первые мелкие лимфатические узелки и первые T! и B!лимфоциты. На протяжении 18—23!й нед. устанавливаются тесные взаимоотношения между лимфоидной и эпителиальной тканями, определяются пути миграции лимфо! цитов из органа и значительно увеличивается их число. В 24—40 нед. фор! мируются структурно!функциональные единицы (эпителиолимфоны) и уста! навливаются соотношения T! и B!лимфоцитов, характерные для новорож! денных. Аппендикс закладывается на 7—8!й нед. внутриутробного развития. Первые лимфоциты появляются в его стенке в 16 нед., лимфатические узелки — в 7 нед. Выраженные купола над узелками определяются на 24—25!й нед. развития. Как в глоточной миндалине, так и в аппендиксе с 17!й нед. эмбриогенеза имеет место гетерогенность T! и B!лимфоцитов, которые инфильтрируют эпи! телиальный покров, а также мигрируют через лимфатические сосуды в кровя! ное русло. B!лимфоциты представлены клетками с рецепторами для антигенов эритроцитов мыши, несущими IgM и IgD. В эмбриональном кишечнике чело! века T!киллеры встречаются в эпителии, а T!хелперы занимают собственную пластинку слизистой оболочки. Состав крови плода. В крови плода наиболее интенсивные изменения наблюдаются на 4—12!й и 28—40!й нед. развития. До 12!й нед. в сосуди! стом русле идет мегалобластический эритропоэз. В этот период циркули! руют моноциты и макрофаги, фагоцитирующие отдельные эритроидные клетки и их ядра. С 13!й нед. число ядросодержащих эритроидных клеток начинает снижаться, а концентрация дефинитивных эритроидных клеток возрастает. Наибольшее содержание ядросодержащих эритроидных клеток отмечается в 24—25 нед. Этому предшествует появление эритробластических островков в костном мозге. На протяжении первых 7 сут постнатальной жизни ядросодержащие эритроидные клетки исчезают.

356

Ãëàâà 6

Первые гранулоциты и их предшественники определяются в крови эмбриона 4—5 нед. развития. До 20!й нед. они составляют в миелограмме 4—7 % всех клеток. По!видимому, в крови в этот период циркулируют гранулоциты, обра! зованные в печени, селезенке и лимфатических узлах. На 21—23!й нед. активи! зируется гранулоцитопоэз в костном мозге и в крови количество клеток — предшественников гранулоцитов убывает в 10 раз, а зрелых — увеличивается в 3 раза и более. Лимфоциты определяются в крови с 6!й нед. развития. В первой половине внутриутробного развития их количество нарастает и к 21—23!й нед. состав! ляет 56—60 % от всех лейкоцитов, что совпадает с активностью развития лим! фоидных органов в этот период. На 24—25!й нед. этот показатель снижается до 27 %, затем опять увеличивается до 43—48 % на 28—30!й нед. и вновь па! дает к рождению до 33—35 %. До 26 нед. абсолютное большинство лимфоцитов представлено 0!клет! ками (вероятно, предшественниками T!, B!лимфоцитов). С 8!й нед. появляются большие гранулярные лимфоциты — NK!клетки — в количестве 2—13 % всех лимфоцитов. T! и B!лимфоциты выявляются в крови с 13!й нед. развития. Со! держание T!лимфоцитов с 13 до 40 нед. увеличивается от 13 до 60 %, что обу! словлено их дифференцировкой в тимусе плода. Концентрация B!лимфоцитов не имеет выраженной возрастной динамики, достигая максимальных значений (28 %) в 21—23 и 28—30 нед. Первый пик связан с миграцией B!лимфоцитов из костного мозга, второй — с началом продукции их в селезенке.

Ïîñòýìáðèîíàëüíûé ãåìîöèòîïîýç. Ôèçèîëîãè÷åñêàÿ ðåãåíåðàöèÿ êðîâè Постэмбриональный гемоцитопоэз является физиологической регенерацией крови, которая восполняет естественную убыль утративших способность к де! лению дифференцированных форменных элементов крови. Подсчитано, что за 70 лет жизни в кроветворных органах продуцируется около 275 кг лимфоцитов, 460 кг эритроцитов, 5400 кг гранулоцитов и 40 кг тромбоцитов. Основу крове! творных органов составляет ретикулярная ткань, подразделяющаяся на миело! идную и лимфоидную. Миелоидная ткань представлена костным мозгом, лим! фоидная — находится в тимусе, селезенке, лимфатических узлах и в виде от! дельных скоплений (диффузной ткани и лимфатических узелков) в слизистых оболочках ряда органов. Миелоидная ткань — основное место поселения и вос! произведения стволовых кроветворных клеток (СКК) и стволовых стромальных клеток (ССК). Согласно последним данным, ССК могут давать начало клеткам практически всех тканей, т. е., по!видимому, являются универсальными ство! ловыми клетками или их предшественниками. В миелоидной ткани образуются эритроциты, гранулоциты, тромбоциты, моноциты (миелопоэз), а также B!лим! фоциты, естественные киллеры (NK! и K!клетки) и предшественники T!лимфо! цитов (антигеннезависимый лимфоцитопоэз). В лимфоидной ткани идет обра! зование клонов лимфоцитов, отобранных антигеном, и завершается их диффе! ренцировка в эффекторные клетки (антигензависимый лимфоцитопоэз).

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

357

Стволовые кроветворные клетки. Под стволовой кроветворной клет! кой (СКК) понимается родоначальная клетка, способная к развитию в различ! ные виды зрелых форменных элементов. Она способна к самоподдержанию, т. е. производству себе подобных клеток, не обязательно после деления всту! пающих в дифференцировку. Представление о наличии стволовой кроветвор! ной клетки было сформулировано А. А. Максимовым в 1908 г. Достоверные доказательства и развитие этих представлений были получе! ны J. E. Till и E. A. McCulloch, изучающими влияние лучистой энергии на орга! низм в 1961 г. Суть их исследований состояла в том, что мышам, облученным смертельной дозой радиации, внутривенно вводили взвесь клеток костного мозга от здоровых мышей той же линии. Донорские костномозговые клетки предварительно особым образом метили — вызывали небольшие хромосом! ные аномалии, не мешающие нормальному развитию и служащие маркерами их потомков. Мыши, получавшие донорские костномозговые клетки, выздоравливали, а на поверхности их селезенок были замечены вздутия, или узелки. В них были обнаружены скопления развивающихся эритроцитов, гранулоцитов и мегака! риоцитов с хромосомной меткой донора. Почти все делящиеся клетки в каждом узелке имели один и тот же хромосомный маркер, т. е. были потомками одной клетки. Узелки назвали колониями, а донорские клетки, давшие начало коло! ниям, — колониеобразующими единицами (КОЕ!с). Дальнейшие исследования показали, что потомство одной КОЕ!с, или клон, может достигать нескольких миллионов клеток. Таким образом, методы селезеночных колоний и хромосом! ных маркеров позволили доказать, что клетки в одной колонии развиваются из единого предшественника и что из такой клетки могут развиваться разные форменные элементы крови. Иными словами, КОЕ!с обладает свойствами ство! ловой полипотентной клетки. Однако факты, полученные позднее при использовании новых методов исследования кроветворных клеток, изменили представление о тождестве СКК и КОЕ!с. Оказалось, что популяция КОЕ!с представлена клетками, вступив! шими уже на путь развития и неоднородными по возрасту. Было показано, что чем моложе клетка, тем больше ее возможности к пролиферации и самопод! держанию, тем позднее она образует колонии в селезенке и устойчивее к цито! статическим препаратам. КОЕ!с, образующие ранние колонии, не способны к самоподдержанию и из них образуется только один вид клеток крови. Бо! лее ранние клетки, предшественники КОЕ!с (пре!КОЕ!с) устойчивы к цитоста! тикам, при трансплантации облученному реципиенту заселяют его костный мозг, пролиферируют там и дают популяцию КОЕ!с, мигрирующих в селезен! ку. СКК относительно редко делятся, в среднем 1 раз за 10 сут. Поэтому они более радиорезистентны, чем их потомки. Самые ранние кроветворные клетки обладают очень высоким пролифера! тивным потенциалом, значительным самоподдержанием и способностью давать потомство многим направлениям дифференцировки. С возрастом общее число СКК не меняется. Гетерогенность популяций кроветворных предшественников затрудняет истинную оценку количества СКК. Полагают, что в красном кост! ном мозге на 105 клеток приходится 50 стволовых, в кровотоке значительно

358

Ãëàâà 6

меньше — 1—4. Маркером для выявления СКК служат поверхностные мем! бранные молекулы CD34. Эти клетки не несут еще антигены — линейные мар! керы, которые появляются на более дифференцированных клетках определен! ной линии и поэтому обозначаются как CD34 + Lin–. Процесс развития стволовых клеток в зрелые форменные элементы крови складывается из пролиферации, дифференцировки и созревания. На путях диф! ференцировки происходят качественные изменения экспрессии генов, выра! жением чего, прежде всего, является белковый синтез, поэтому каждый этап характеризуется своим набором белков клеточной дифференцировки. Активность пролиферации очень велика: так, из одной стволовой клет! ки в результате 12 делений образуется 211 зрелых эритроцитов в течение 7—10 сут. На определенном этапе развития гемопоэтические клетки утрачи! вают способность к делению. Дальнейшее развитие связано с созреванием кле! ток, т. е. с происходящими в них количественными и качественными изме! нениями. Так, в созревающих эритроцитах накапливается гемоглобин, в гра! нулоцитах — специфические гранулы, изменяется молекулярный состав плазмолеммы, появляется способность к амебоидному движению и фагоцитозу. Стволовые клетки, вступившие на путь дифференцировки, называют коммити! рованными. Сам процесс коммитирования заключается в уменьшении способ! ности клеток к самоподдержанию и полипотентности и определении направле! ния дифференцировки, что приводит к образованию дифферонов. Такие коммити! рованные линейно!специфические предшественники можно идентифицировать по появлению у них линейных маркеров, например CD33 у предшественников гранулоцитов!макрофагов, CD19 — у предшественников В!лимфоцитов. Гемопоэтические клетки составляют 60—85 % от числа всех остальных клеток костного мозга. Развивающиеся клетки крови могут быть представлены следующим последовательным рядом по степени их зрелости: 1) стволовые по! липотентные кроветворные клетки; 2) родоначальные (полустволовые, частич! но детерминированные) кроветворные клетки, утратившие способность к само! поддержанию, олигопотентные, монопотентные; 3) кроветворные клетки!пред! шественники, имеющие четкие признаки, превращения в одну из зрелых форм клеток крови; 4) зрелые функционирующие клетки. Уточнение систематизации гемопоэтических клеток, впервые представлен! ной в работах А. А. Максимова и его современников, продолжается до сегод! няшнего дня. Наибольшее распространение получила схема кроветворения, предложенная И. Л. Чертковым и А. И. Воробьевым (1973) с дополнениями других авторов. Развивающиеся кроветворные клетки подразделяются на шесть классов (рис. 6.13). I класс составляют полипотентные СКК, II класс — комми< тированные, частично детерминированные клетки (полустволовые, ПСК). Сре! ди них есть предшественники сразу двух или трех видов форменных элементов. Такие клетки обозначают символом КОЕ (колонеобразующая единица) с до! бавлением названий образующихся из них форменных элементов, например КОЕ — ГнЭ — полустволовая клетка для нейтрофильных гранулоцитов и эрит! роцитов и т. п. Дальнейшая дифференцировка приводит к образованию унипо< тентных клеток, которые могут давать только один вид зрелых клеток и обо! значаются символом КОЕ с добавлением названия образуемого форменного

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

359

элемента. Эти клетки выделены в III класс. Все клетки первых трех классов не имеют достаточных морфологических признаков и считаются морфологиче! ски нераспознаваемыми. IV класс составляет клетки!бласты — относительно крупные, легко отличаемые от клеток прочих классов, но трудно идентифици! руемые между собой. К V классу относятся созревающие клетки с четкими мор! фологическими признаками соответствующих клеток крови. VI класс объеди! няет зрелые форменные элементы, готовые к миграции в кровоток. Распознаваемые лишь функционально и не распознаваемые морфологи! чески клетки первых трех классов сходны с лимфоцитами. Их диаметр состав! ляет 8—10 мкм, ядро бобовидное или округлое, при окраске по Романовскому окрашивается в светло!пурпурный цвет, цитоплазма голубая в виде узкого обо! дка. Ядро может иметь впячивание, 1—2 крупных ядрышка, хроматин мелко! зернистый, небольшие его агрегаты располагаются по периферии ядра. В плос! кости среза обнаруживаются несколько митохондрий и в большом количестве свободные рибосомы. Большинство родоначальных клеток находится в G0 пе! риоде клеточного цикла. Эритроцитопоэз. Клетки эритропоэтического ряда составляют от 20 до 30 % всех клеток костного мозга. За 1 ч в нем образуется 1010 эритро! цитов. Ряд выглядит следующим образом: СКК, ПСК (КОЕ!ГЭММ, КОЕ!ГнЭ или КОЕ МгцЭ, каждая из которых может дать БОЕ!Э), КОЕ!Э, эритробласт, пронормоцит, базофильный нормоцит, полихроматофильный нормоцит, окси! фильный нормоцит, ретикулоцит, эритроцит. Употребимы синонимы: про! эритробласт (пронормоцит), базофильный, полихроматофильный и оксифиль! ный эритробласт (нормоцит). БОЕ!Э (взрывообразующие единицы эритроид! ного ряда) более ранние предшественники КОЕ!Э, которые в культурах дают крупные колонии эритроцитов. БОЕ!Э не чувствительны к эритропоэтину и сти! мулируются другим фактором — бурстопромоторной активностью. В исследо! ваниях на мышах показано, что из КОЕ!Э за 3 сут в результате 6 делений обра! зуется колония из 60 эритроцитов, а из БОЕ за 10 сут в результате 12 деле! ний — колония, содержащая до 5000 эритроцитов. Одна БОЕ!Э дает 26 КОЕ!Э. Синтез матричной РНК гемоглобина начинается со стадии КОЕ!Э. При куль! тивировании клеток человека выделены БОЕ ранние и БОЕ поздние, дающие колонии соответственно через 2 и 3 нед. Со стадии проэритробласта (пронормоцита) клетки могут быть иденти! фицированы по морфологическим признакам. Последовательные изменения заключаются в накоплении в цитоплазме всех видов РНК для обеспечения синтеза гемоглобина и других специфических белков, затем начинает на! капливаться гемоглобин, ядро уплотняется, ядрышко исчезает, уменьшается содержание РНК, клетка утрачивает способность к делению и выбрасывает ядро. Время генерации эритробластов человека в культуре колеблется от 15,8 до 30 ч. Проэритробласты составляют около 6 % от числа эритроидных клеток человека. Их диаметр 13—15 мкм, значительная часть занята ядром диаметром 12—13 мкм. Цитоплазма базофильна, вокруг ядра имеется светлая перинук! леарная зона (отличительный признак от других бластов), выявлены свобод! ные рибосомы, полирибосомы и митохондрии. Комплекс Гольджи и ГЭС отсут!

360

Ãëàâà 6

Рис. 6.13. Постэмбриональный КОЕ — колониеобразующие единицы, полустволовые клетки!предшественницы; ГМ — для грану! гакариоцитов и эритроцитов; М, Б, Эо, Гн, Э, МГЦ — для моноцитов, базофилов эозинофилов,

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

361

гемоцитопоэз: лоцитов и моноцитов; Гн, Э — для нейтрофильных гранулоцитов и эритроцитов; МГЦЭ — для ме! нейтрофилов, эритроцитов, мегакариоцитов соответственно

362

Ãëàâà 6

ствуют. Ядро содержит от 1 до 5 ядрышек, отличается тонкой структурой хро! матина. Базофильные нормобласты (эритробласты) (около 14 %) мельче, их диаметр 10—12 мкм. Ядро диаметром 9—11 мкм с преобладанием эухроматина. Цитоплазма интенсивно базофильна. В ней содержатся митохондрии, комплекс Гольджи, многочисленные полирибосомы. На этой стадии отмечен самый вы! сокий уровень синтеза гемоглобина. При окраске азур II!эозином ядрышки не обнаруживаются, метиленовый синий выявляет гомогенные и кольцевидные ядрышки. Полихроматофильные нормоциты (эритробласты) — самые многочис! ленные из эритроидных клеток (76 %) — имеют диаметр 8—11 мкм. Ядро диа! метром 5—8 мкм с преобладанием гетерохроматина, ядрышки не выявляются. Цитоплазма по мере накопления гемоглобина приобретает оксифилию. На этой стадии заканчивается синтез РНК. Это последние клетки в эритроидном ряду, способные к делению. Оксифильные нормоциты (эритробласты) составляют около 3 %. Их диаметр равен 7—9 мкм. Пикнотичное ядро диаметром 3—4 мкм на этой стадии выбрасывается из клетки. Зачастую это происходит при прохожде! нии через временные поры в эндотелии. Цитоплазма заполнена гемоглобином и не содержит органелл. После выброса ядра они проходят стадию ретикуло! цитов, которые дозревают в синусах 36—44 ч до выхода в кровоток. При окрас! ке бриллианткрезиловым синим в них выявляется базофильная зернистость или сеточка, обусловленная остатками полирибосом. В нормальных условиях поддержание постоянного состава эритроцитов обеспечивается за счет деления полихроматофильных нормоцитов, тогда как в экстремальных состояниях (кровопотеря, гемолиз) активируется пролифера! ция более ранних клеток. Первый тип гемопоэза называют гомопластическим, второй — гетеропластическим. Гранулоцитопоэз (развитие нейтрофилов, эозинофилов, базофилов). Клетки!предшественники II и III классов для гранулоцитов включают олиго!, би! и монопотентные клетки. В культурах даже из двух дочерних клеток могут быть получены колонии разного состава: из одной КОЕ образуются коло! нии, содержащие клетки нейтрофильного, эозинофильного и эритроидного ря! дов, из другой — сестринской КОЕ — только клетки макрофагального на! правления. Дальнейшее развитие гранулоцитов идет по схеме: миелобласты, промие! лоциты, миелоциты, метамиелоциты, палочкоядерные и сегментоядерные. Миелобласты — клетки диаметром 10—25 мкм с большим ядром и 2—4 ядрышками. Хроматин диффузно!гранулярной формы с небольшим уплотнением вблизи ядерной мембраны. В цитоплазме располагаются много! численные митохондрии и полирибосомы, хорошо развиты комплекс Гольджи и АЭС, встречаются мелкие азурофильные гранулы и фибриллы. В миелобла! стах обнаруживаются все цитохимические признаки (ферменты), характерные для гранулоцитов. Самый ранний признак превращения в промиелоцит состоит в появлении секреторного материала для азурофильных гранул с вогнутой сто! роны комплекса Гольджи.

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

363

Промиелоциты имеют диаметр 20—25 мкм. Ядро округлое, содержит ядрышко, диффузно!гранулярный хроматин, ЭПС вариабельна по форме, уме! ренно развита, рибосом меньше, а азурофильных гранул значительно больше, чем у миелобластов. Маркером нейтрофильных промиелоцитов служит фер! мент миелопероксидаза в секреторном аппарате клетки. Прекращение его син! теза совпадает с прекращением образования азурофильных гранул и переходом в стадию миелоцита. Миелоциты значительно мельче по размерам — их диаметр составляет 14—16 мкм. Образование первичных гранул в цитоплазме прекращается, по! этому их содержание с каждым митотическим делением снижается. На этой стадии формируются вторичные гранулы в области выпуклой стороны комп! лекса Гольджи. Миелоциты проходят два деления. В метамиелоциты диффе! ренцируются только дочерние миелоциты, отличающиеся меньшими разме! рами. Ядра миелоцитов овальные или с бухтообразными впячиваниями, с че! редованием темных и светлых участков. В некоторых клетках выявляются ядрышки. Цитоплазма заполнена специфическими гранулами, соответствую! щими направлению дифференцировки (нейтрофильными, эозинофильными, базофильными). Для нейтрофильных миелоцитов маркером считают щелочную фосфатазу. Метамиелоциты, или юные лейкоциты, имеют размер 10—14 мкм. Их основным морфологическим признаком является подковообразная форма ядра. У нейтрофильных метамиелоцитов оно может быть S!образным. Хро! матин имеет вид компактных узлов, создающих характерный узор из чере! дующихся темных и светлых участков. Клетки утрачивают способность к мито! тическому делению и образованию гранул. Палочкоядерные и сегментоядерные гранулоциты. Ядра палочкоядер! ных гранулоцитов имеют форму жгута или палочки с четким чередованием компактных и светлых участков хроматина. У сегментоядерных гранулоцитов ядро состоит из нескольких сегментов, которые обычно связаны друг с дру! гом. Развитие нейтрофилов от КОЕ!ГнМ до выхода в кровоток завершается за 13—14 сут. Эозинофилы и базофилы созревают несколько быстрее. На пути развития от миелобласта до миелоцита клетка проходит 6—8 митотических циклов. Палочко! и сегментоядерные клетки остаются еще 5—7 сут в костном мозге, составляя значительный резерв, который в 2—3 раза превосходит чис! ло более молодых клеток и в 30 раз превышает число циркулирующих грану! лоцитов. Зрелые клетки (см. с. 336). Моноцитарный ряд. Первой морфологически идентифицируемой клеткой является монобласт, близкий по строению к миелобласту. Однако его ядро зна! чительно варьирует по форме от округлого до бобовидного и даже дольчатого, а цитоплазма более широкая и светлобазофильная. Хроматин в ядре мелко дис! пергирован, имеются ядрышки. Промоноциты определяют по более грубой и рыхлой структуре ядра с остатками ядрышек. Ядра отличаются полиморфизмом. В цитоплазме появ! ляется мелкая пылевидная зернистость, характерная для клеток этого ряда. Они проходят два деления и превращаются в моноциты.

364

Ãëàâà 6

Моноциты также отличаются полиморфизмом ядер, которые могут быть бобовидными, подковообразными, причудливо изогнутыми и дольчатыми. Хроматин не достигает большой плотности. Образование моноцитов в костном мозге человека протекает в 2 раза быстрее, чем гранулоцитов (максимально 3 сут). В кровотоке они находятся в среднем 12 ч и далее выходят в ткани, где превращаются в макрофаги, время жизни которых в среднем 27 сут. Мак! рофаги способны к пролиферации. Тромбоцитарный ряд. Родоначальные клетки мегакариоцитов первых трех классов аналогичны по морфологическим признакам родоначальным клеткам других рядов. Среди морфологически распознаваемых клеток выде! ляют три последовательные стадии. Первая — мегакариобласты (у человека около 10 % всей популяции), вторая — промегакариоциты (около 15 %), третья — зрелые мегакариоциты (75—85 %). Мегакариобласты — митотически делящиеся клетки, сходны по морфо! логии с другими бластами, в них видны некоторые признаки начинающейся ци! топлазматической дифференцировки: развитие комплекса Гольджи, эндоплаз! матической сети, появление впячиваний клеточной мембраны, участвующей в построении открытой тубулярной системы. Маркерами мегакариобластов и промегакариоцитов служат кислая фосфатаза и â!глюкуронидаза, выявляе! мые в околоядерной зоне. Промегакариоциты — более крупные полиплоидные клетки диаметром 30—50 мкм. Бобовидное или кольцевидное ядро с мелкозернистым хромати! ном окружено зоной гликозаминогликанов. Цитоплазма базофильна, содержит азурофильные гранулы. Хорошо выражены органеллы синтеза и специфиче! ская зернистость. В отдельных периферических зонах начинают формировать! ся демаркационные каналы из гладких мембран. Зрелые мегакариоциты имеют диаметр 40—60 мкм. Выделяют оксифиль! ные (гранулярные) и базофильные формы (проходящие заключительный эндо! митоз и тромбоцитоотделение). 2/3 мегакариоцитов содержат в 8 и более раз больше ДНК, чем диплоидные клетки. К тромбоцитообразованию способны клетки любой плоидности — (8 —64 n и более). В зрелых мегакариоцитах вы! является демаркационная мембранная система, которая образует ограничи! тельные мембраны будущих тромбоцитов. Каждый мегакариоцит производит от 2000 до 8000 тромбоцитов. В тромбоцитоотделении решающую роль играет заключительный эндоми! тоз, сопровождающийся синтезом огромного количества белков и макроэрги! ческих соединений, способствующих внутриклеточному транспорту веществ. Многочисленные нити эндомитотического веретена образуют микротрубочки кольцевидного скелета тромбоцита, гликозаминогликаны формируют гликока! ликс, придающий тромбоцитам отрицательный заряд, благодаря которому они разъединяются, а также гидрофильность, подвижность, поверхностные анти! гены и интактность к другим клеткам. Мегакариоциты располагаются на внеш! ней стороне синусов, образуют длинные отростки (до 120 мкм), проникающие в их просвет, которые распадаются на тромбоциты. Кроме того, их много! численные короткие отростки, вдающиеся в синус на 1—2 мкм, играют роль фиксаторов и, возможно, улавливают информацию о количестве тромбоцитов

Ñèñòåìà êðîâè è èììóííîé çàùèòû

365

в циркуляции. После отделения тромбоцитов оставшаяся ядросодержащая часть клетки восстанавливает свою цитоплазму и вновь участвует в образо! вании тромбоцитов. Качественные отличия цитоплазмы у разновидностей тромбоцитов (зрелых, юных, старых, форм раздражения), возможно, отра! жают не старение тромбоцитов, а полиморфизм плоидности исходных мега! кариоцитов. Процессы преобразования мегакариобластов в мегакариоциты и созрева! ния мегакариоцита занимают примерно 25 ч, жизненный цикл мегакариоцита продолжается 10 сут. Мегакариоциты могут поступать в кровоток и далее в па! ренхиматозные органы, в частности в легкие. В легких может образовываться до 70 % тромбоцитов. Лимфоидный ряд. Лимфоцитопоэз проходит поэтапно в центральных кроветворных органах (костный мозг, тимус) и периферических кроветворных органах (лимфатические узлы, селезенка, лимфатические узелки иммунной системы слизистых оболочек). В результате образуются лимфоциты, гетероген! ные по своим свойствам и участию в иммунных реакциях. В костном мозге формируются B!лимфоциты, предшественники T!лимфоцитов и, по!видимому, NК!клетки, генез которых еще не вполне изучен. Первые три класса родона! чальных клеток изучены мало. Возможно, имеется общий предшественник для миелопоэза и лимфоцитопоэза, из которого дифференцируется общая клет! ка!предшественник лимфоцитов (существование не доказано), далее унипо! тентные клетки предшественники NK!клеток, В! и Т!лимфоцитов (пре