Клеткин дом

Самое современное направление в биотехнологии, которое в будущем может полностью изменить наши представления о патогенезе и лечении многих тяжелых хронических заболеваний – это регенеративная медицина.

Задачи ее весьма амбициозны:

• Управляемое формирование тканей
• Создание полу-искусственных полноценно функционирующих органов
• Омоложение тканей и органов
• Восстановление утраченных функций органов и способностей тканей

Это очень интересная тема, поэтому постов по ней будет много. Главное, что нужно понять в начале изучения этой темы – это, то, что в нашем организме все события происходят в контексте микроокружения.

Скажите мне – почему белая клетка крови круглая, а эпителиальная клетка слизистой ЖКТ похожа на столбик? Что управляет их формой?

В нашем теле нет клеток, предоставленных самим себе. Все они существуют в определенном окружении, или, для них точнее – микроокружении. Вокруг каждой клетки есть другие клетки и компоненты ткани.

И как мы по-разному воспринимаем жару, холод, дождь, ветер, тесноту в метро и пробки на дорогах, так же и клетки по-разному воспринимают обстоятельства своего микроокружения и по-разному на него реагируют, в том числе и меняя свою форму.

Среда, непосредственно окружающая клетку, называется внеклеточный матрикс. Это смесь различных молекул, образующих физический каркас ткани и определяющих ее геометрическую форму.

Вот так выглядит внеклеточный матрикс адипоцитов:

Это трехмерная ЭМ фотография жировой ткани.

«Авоська», в которую упакованы адипоциты – это сеть молекул внеклеточного матрикса.

Но помимо функций каркаса, которую внеклеточный матрикс выполняет в составе соединительной ткани, у него есть важные регуляторные и коммуникационные задачи.

Помните книгу и фильм «Тимур и его команда»? Там была сигнализация, сделанная при помощи натянутых веревочек. Если в «штабе» потянуть за одну, то в определенном месте звонил колокольчик или тряслись жестяные банки.

В наших тканях такие веревочки натянуты между эпителиальными клетками и соединительной тканью.

Если Вы читали пост «Калланетика для лейкоцита», то помните, что элементы внутреннего скелета клетки (цитоскелета) связаны сквозь мембрану с молекулами внеклеточного матрикса. Так что получается, что «веревочки» натянуты не только в строме ткани, но продернуты сквозь клетки.

Некоторые названия этих веревочек (молекул ВКМ) Вы уже, наверное, встречали:

• Коллаген
• Эластин
• Фибронектин
• Ламинин
• Тенасцин

Коллаген и эластин создают трехмерную паутину – каркас, определяющий геометрию ткани. Фибронектин, ламинин и тенасцин – это адгезивные (клейкие) гликопротеины, связывающие клетки друг с другом и с элементами тканевой стромы. На эти молекулы приходится большая часть объема внеклеточного матрикса.

Строение и функционирование ВКМ имеет большое значение для наших эпителиальных тканей.

В эпителиальной ткани все компоненты ВКМ собираются в трехмерную структуру, в которой принято различать два главных домена – базальную мембрану и тканевой матрикс. На картинке базальная мембрана – это розовая полоса, обозначенная как «ВМ». Над ней располагаются эпителиальные клетки, развернувшие свои ворсинки в сторону внешней среды, например, просвета ЖКТ.

Под эпителиальными клетками находятся миоэпителиальные клетки. Они обладают стволовыми функциями, и могут замещать выбывающие эпителиоциты. Благодаря им происходит заживление ткани. Далее вниз следует сеть протеогликанов (голубые квадратики), склеивающих компоненты матрикса друг с другом, молекулы коллагена (зеленые спиральки) и фибронектина (короткие синие полоски). Это и есть тканевой матрикс.

Среди молекул матрикса есть и клетки – фибробласты (желтые; это они, в основном, и синтезируют компоненты ВКМ), адипоциты (белые) и резидентные макрофаги ткани (фиолетовая звездочка), отвечающие за фагоцитоз погибающих клеток, перестройку ВКМ и контроль за антигенным гомеостазом.

Все эти компоненты создают, поддерживают и меняют физические условиях в ткани, в ответ на которые клетка принимает определенную форму и растет в определенную сторону (задается полярность клетки).

Вот, например, эпителиальная клетка покоится на базальной мембране и поддерживает механический контакт со своими соседями. При этом она имеет вытянутую полигональную форму.

Но стоит ей оторваться от базальной мембраны и других эпителиальных клеток, и она становится круглой.

У прикрепленной к БМ клетки помимо сложной формы есть еще апикально-базальная полярность. Это означает, что та сторона клетки, которая крепится базальной мембране, отличается от стороны, «смотрящей» в сторону внешней среды.

Химические и физической свойства ВКМ ткани определяют механические свойства органов, например, плотность и эластичность. Эти свойства могут сильно отличаться в разных органах (кости и легкие), в тканях одного органа (кора и мозговое вещество почки), и при разных физиологических состояниях (заживление раны и опухолевый рост).

Внеклеточный матрикс – это очень динамичная среда. Там все время происходят изменения состава и архитектуры, происходящие в ответ на действия и сигналы от клеток. Из диалог лежит в основе формирования тканей, заживления ран, роста мышц, реализации воспаления и так далее.

Однако, ВКМ влияет не только на форму клетки, но и на другие ключевые свойства:

• Выживание и гибель (клеткам нужно и то и другое)
• Пролиферацию (размножение)
• Дифференциацию (приобретение навыков)
• Миграцию (движение)

Поэтому клетки постоянно испытывают механические воздействия – сдавление и растяжение, а изменения этих сил являются сигналом. Например, сигналом к самоубийству клетки. Видели, наверное, на катерах и скутерах провод от человека к зажиганию? Его называют Kill Cord.

Если Вас выбросило – ключ вылетает из зажигания, и мотор глохнет. Аналогичным образом, эпителиальная клетка, потерявшая контакт с другими эпителиальными клетками или своей базальной мембраной, должна погибнуть от апоптоза. Так, например, эпителиальная клетка молочных протоков, отсоединившаяся от базальной мембраны, в норме теряет ее поддержку погибает в результате апоптоза.

Благодаря такой зависимости эпителиальной клетки от физического контакта со своей базальной мембраной осуществляется контроль над нежелательной автономностью клеток. Нарушение этой регуляции лежит в основе тяжелых заболеваний. Вот так выглядит прорыв клеток кожи человека сквозь базальную мембрану в интерстициальную строму, где им быть не положено. Такой феномен лежит в основе инвазии опухолевых клеток.

В следующих постах вернемся к этой теме и обсудим создание искусственного внеклеточного матрикса и тканевую инженерию.