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.
Очень интересно, ждём продолжения.
"Прощай, плоская биология" читали?
Спасибо, что подсказали, а то я на дату статьи не обратила внимания, думала она новая. У вас здесь много интересного, сразу всего не охватить.
Спасибо, накопилось за почти 2 года. Актуальности статья пока не потеряла. Со временем еще что-нибудь на эту тему напишу. Микроокружение мелькает во многих статьях.