Образование рубца

Если одной регенерации недостаточно для заживления ткани, то оно происходит путем разрастания соединительной ткани на месте поврежденных клеток, что приводит к образованию рубца или к сочетанию регенерации отдельных сохранившихся клеток с рубцеванием (неполная репарация).

Содержание

1. Этапы формирования рубца
2. Ангиогенез
3. Активация фибробластов и разрастание соединительной ткани
4. Ремоделирование соединительной ткани
5. Рубец, фиброзная и грануляционная ткань
6. Заключение

Рубец может сформироваться при тяжелых обширных дефектах ткани или в исходе хронических заболеваний, сопровождающихся поражением паренхиматозных клеток и эпителия, соединительной ткани либо при повреждении клеток, потерявших способность к делению. В отличие от полной репарации, которая предполагает восстановление компонентов ткани, рубцевание можно рассматривать как биологическую «заплатку», а не как восстановление ткани. Термин «рубец» чаще всего используется в связи с заживлением ран на коже, но его можно использовать шире, например, при описании коллагеновых волокон на месте погибшей ткани в сердце после инфаркта миокарда.

Этапы формирования рубца

Заживление ткани путем разрастания соединительной ткани состоит из нескольких последовательных этапов, следующих за повреждением (рис. 3.24).

Рис. 3.24. Стадии заживления путем рубцевания: заживление глубокой раны на коже. Это пример заживления вторичным натяжением:

• А — гемостатическая «пробка» и воспаление;
• Б — пролиферация эпителиальных клеток, образование грануляционной ткани за счет пролиферации сосудов и фибробластов;
• В — ремоделирование коллагеновых волокон при формировании рубца.

Этап 1. Гемостатическая пробка. Через несколько минут после повреждения образуется гемостатическая пробка из тромбоцитов, благодаря которой прекращается кровотечение, что обеспечивает основу для инфильтрации воспалительными клетками.

Этап 2. Воспаление. Этот этап включает стандартный набор острых и хронических воспалительных реакций. Продукты расщепления активации комплемента, хемокины, высвобождаемые из активированных тромбоцитов, и другие медиаторы, продуцируемые в месте повреждения, функционируют как хемотактические агенты для мобилизации нейтрофилов, а затем и моноцитов в течение следующих 6-48 ч. Эти клетки воспаления уничтожают патогенные агенты, например микробы, которые могли проникнуть в рану, и очищают рану от фрагментов погибших клеток.

Макрофаги являются главными игроками в процессе репарации:

• Макрофаги M1 уничтожают микробы и некротические ткани, регулируя процесс воспаления по принципу положительной обратной связи;
• Макрофаги М2 продуцируют факторы роста, которые стимулируют пролиферацию различных типов клеток в следующем этапе репарации.

Как только исчезают патогенные агенты и некротические ткани, воспаление заканчивается; каким образом гасится этот «воспалительный пожар» в большинстве случаев, до сих пор остается непонятным.

Этап 3. Пролиферация клеток. На следующем этапе, который занимает до 10 дней, происходят пролиферация и миграция некоторых типов клеток — эпителиальных, эндотелиальных, других сосудистых клеток и фибробластов. Эти клетки заполняют очищенную рану. На этой стадии образуется молодая соединительная ткань, которая в ранах называется грануляционной.

Каждый вид клеток выполняет уникальные функции:

• Эпителиальные клетки отвечают на местные факторы роста и мигрируют в рану, чтобы закрыть ее.
• Эндотелиальные и другие сосудистые клетки пролиферируют и образуют новые кровеносные сосуды; этот процесс называется «ангиогенез». Более подробно ангиогенез будет представлен ниже, в связи с важностью этого процесса как в физиологических процессах, так при многих патологических состояниях.
• Фибробласты пролиферируют и мигрируют в участок повреждения, синтезируют коллагеновые волокна, из которых в дальнейшем формируется рубец.

Сочетание пролиферирующих фибробластов, рыхлой соединительной ткани, вновь образованных кровеносных сосудов и клеток хронического воспаления способствует образованию уникального типа ткани, необходимого для заживления ран, — «грануляционной ткани». Термин «грануляционная ткань» связан с внешним видом — розовая, мягкая с зернистой поверхностью, которая видна под струпом (названа так Рудольфом Вирховым).

Этап 4. Ремоделирование. Соединительная ткань, образованная фибробластами, подвергается реорганизации с появлением стабильного фиброзного рубца. Этот процесс начинается через 2-3 недели после повреждения и может продолжаться в течение нескольких месяцев или даже лет (см. рис. 3.24).

Примером заживления ран кожи является заживление чистого, неинфицированного хирургического разреза, соединенного хирургическими швами. Этот процесс называется «заживление первичным натяжением» (первичное сращение) и включает регенерацию эпителия и образование небольшого рубца. При обширных ранах происходит заживление вторичным натяжением (вторичное сращение), что предполагает сочетание регенерации и рубцевания. Поскольку фундаментальные процессы лежат в основе этих типов заживления ран и представляют собой непрерывный процесс от регенерации до рубцевания, то при обсуждении ключевых моментов заживления ткани мы не будем рассматривать эти типы заживления отдельно.

Ангиогенез

Ангиогенез — это процесс формирования новых кровеносных сосудов капиллярного типа из уже существующих. Ангиогенез играет важную роль в репарации тканей после повреждения, развитии коллатерального кровообращения в зонах ишемии. Кроме того, ангиогенез способствует росту, а следовательно, и увеличению размеров опухоли, усиливая кровоснабжение по сравнению с исходным.

В течение последних лет была проделана огромная работа для понимания механизмов, лежащих в основе ангиогенеза. В настоящее время внедрены методы лечения, направленные либо на поддержание процесса ангиогенеза (например, улучшение кровотока сердца при атеросклерозе коронарных артерий), либо на его угнетение (для предотвращения опухолевого роста) или блокирование патологического роста сосудов (при экссудативной форме макулярной дегенерации сетчатки глаза).

Ангиогенез характеризуется образованием новых сосудов из уже существующих и включает следующие стадии (рис. 3.25):

• расширение сосудов в ответ на действие оксида азота и увеличение проницаемости сосудов под действием VEGF;
• отделение перицитов от наружной поверхности сосудистой базальной мембраны и разрушение базальной мембраны для формирования сосудистого ростка;
• миграция эндотелиальных клеток к очагу повреждения ткани;
• пролиферация эндотелиальных клеток в непосредственной близости от мигрирующих клеток;
• ремоделирование капиллярных «трубочек»;
• мобилизация периэндотелиальных клеток (перицитов — для капилляров и гладкомышечных клеток — для более крупных сосудов) для формирования зрелых сосудов;
• угнетение пролиферации эндотелиальных клеток, миграции и отложений базальной мембраны.

Рис. 3.25. Ангиогенез. В процессе заживления ангиогенез происходит в основном за счет вновь образованных сосудов. На рисунке показаны этапы этого процесса и основные структуры, вовлеченные в него. Вновь сформированный сосуд соединяется с другим сосудом (не показан) для образования нового сосудистого ложа

Высказывается предположение, что предшественники эндотелиальных клеток находятся в костном мозге и поэтому могут быть мобилизованы для образования новых сосудов. Тем не менее, эти клетки играют минимальную роль в ангиогенезе при заживлении большинства ран.

В процесс ангиогенеза вовлекаются несколько сигнальных путей, что предполагает тесные межклеточные взаимодействия, а также взаимодействия белков внеклеточного матрикса с тканевыми белками.

Факторы роста. Семейство VEGF, в основном VEGF-А, стимулирует оба процесса — миграцию и пролиферацию эндотелиальных клеток и таким образом инициируя образование сосудистых «почек» при ангиогенезе. Кроме того, способствует расширению сосудов, стимулируя образование оксида азота, и также вносит вклад в формирование просвета сосудов.

Семейство FGF, в основном FGF-2, стимулирует пролиферацию эндотелиальных клеток. Оно также способствует миграции макрофагов и фибробластов в зону повреждения и стимулирует миграцию эпителиальных клеток для закрытия кожных ран. Стабилизация вновь образованных сосудов происходит за счет мобилизации перицитов и гладкомышечных клеток и с помощью разрастания соединительной ткани.

Разнообразные факторы роста, в том числе PDGF и TGF-β, участвуют в процессе стабилизации: PDGF мобилизует гладкомышечные клетки, а TGF-β подавляет размножение эндотелиальных клеток и миграцию, а также способствует образованию белков внеклеточного матрикса.

Сигнальный путь Notch. Посредством передачи сигналов Notch регулирует реакцию эндотелиальных клеток на VEGF — образование сосудистых почек и появление ответвлений в сосудах, тем самым обеспечивая необходимые временные интервалы для вновь образованных сосудов с целью эффективного снабжения кровью участка заживления.

Белки внеклеточного матрикса участвуют в образования сосудистых почек при ангиогенезе, в основном благодаря взаимодействию эндотелиальных клеток с рецепторами интегрина и формируя каркас для роста сосудов.

Ферменты внеклеточного матрикса, например ММР, разрушают внеклеточный матрикс, что позволяет ремоделировать и расширять сосудистую сеть.

Вновь образованные сосуды отличаются повышенной проницаемостью, что связано с незавершенными соединениями между эндотелиальными клетками и с тем, что VEGF, стимулирующие ангиогенез, усиливают сосудистую проницаемость. Такая сосудистая проницаемость обусловлена отечностью, которая может сохраняться в заживающей ране довольно долго, даже после разрешения острой воспалительной реакции.

Активация фибробластов и разрастание соединительной ткани

Разрастание соединительной ткани в исходе воспаления включает два этапа:

1. миграцию и пролиферацию фибробластов в зону повреждения;
2. синтез внеклеточного матрикса этими клетками и его депонирование.

Мобилизация и созревание фибробластов для образования белков соединительной ткани связаны с действием цитокинов и различных факторов роста, включая PDGF, FGF-2 (описаны выше) и TGF-β. Основным источником этих факторов являются клетки воспаления, и особенно активированные макрофаги (М2), которые накапливаются в очаге.

В ответ на цитокины и факторы роста фибробласты проникают в рану из краев и мигрируют в центр. Некоторые из этих клеток могут дифференцироваться в миофибробласты, которые содержат актин (характерный для гладкомышечных клеток), обладают высокой сократительной активностью, что способствует сокращению краев раны за счет стягивания их к центру. Активированные фибробласты и миофибробласты отличаются повышенной синтетической активностью, продуцируют белки соединительной ткани, в основном коллаген, который является главным компонентом полностью сформированного рубца.

TGF-β — наиболее важный цитокин для синтеза и отложения белков соединительной ткани. Его образуют большинство клеток грануляционной ткани, в том числе активированные макрофаги. Уровень TGF-β в тканях в первую очередь регулируется не транскрипцией гена, а посттранскрипционной активацией латентной формы TGF-β, скоростью секреции активной молекулы и факторами внеклеточного матрикса, в частности интегринами, которые усиливают или уменьшают активность TGF-β. Кроме того, микрофибриллы, состоящие из фибриллина, также регулируют биодоступность TGF-β (см. главу 6).

TGF-β стимулирует миграцию и пролиферацию фибробластов, усиливает синтез коллагена и фибронектина, подавляет разрушение коллагена, угнетая активность металлопротеиназ. TGF-β участвует не только в формировании рубца после повреждения, но и в развитии фиброза легких, печени и почек, возникающего в исходе хронического воспаления. TGF-β оказывает противовоспалительное действие, ограничивая и останавливая воспалительную реакцию, подавляет пролиферацию лимфоцитов и активность других лейкоцитов.

По мере заживления уменьшается число пролиферирующих фибробластов и вновь образованных сосудов и, по-видимому, постепенно меняется фенотип фибробластов на более синтетический, что приводит к усиленному отложению внеклеточного матрикса. Синтез коллагена необходим для повышения механической прочности зоны заживления.

Процесс синтеза коллагена фибробластами начинается рано при заживлении раны (на 3-5-е сутки) и продолжается на протяжении нескольких недель, что зависит от размера раны. Однако, как много коллагена отложится, зависит не только от усиленного синтеза, но также и от угнетения процесса разрушения коллагена (обсуждается ниже). По мере созревания рубца отмечается уменьшение числа сосудов, что в конечном итоге приводит к превращению богатой сосудами грануляционной ткани в бледный бессосудистый рубец.

Ремоделирование соединительной ткани

После образования рубца он подвергается ремоделированию, то есть сжатию и уплотнению. Прочность рубцовой ткани возрастает за счет образования поперечных связей между коллагеновыми волокнами и увеличения их размера. Кроме того, коллаген 3-го типа замещается на более упругий коллаген 1-го типа. Рубцы никогда не достигают прочности нормальной ткани, их прочность повышается в течение 3 месяцев и более, достигая до 70— 80% прочности нормальной кожи. Сокращение размеров раны первоначально происходит благодаря миофибробластам, а затем — перекрестным связям коллагеновых волокон.

Со временем соединительная ткань разрушается и рубец уменьшается. Разрушение коллагенов и других компонентов внеклеточного матрикса осуществляет семейство ММР, активность которых зависит от ионов цинка. ММР образуют различные типы клеток (фибробласты, макрофаги, нейтрофилы, синовиальные и некоторые эпителиальные клетки), а их синтез и секреция регулируются факторами роста, цитокинами и другими агентами. ММР включают:

• интерстициальные коллагеназы, расщепляющие фибриллярный коллаген (ММР-1, -2 и -3);
• желатиназы (ММР-2 и -9), которые разрушают аморфный коллаген и фибронектин;
• стромелизины (ММР-3, -10 и -11), которые разрушают различные элементы внеклеточного матрикса, в том числе протеогликаны, ламинин, фибронектин и аморфный коллаген.

Нейтрофильная эластаза, катепсин G, плазмин и другие сывороточные протеиназы способны разрушать внеклеточный матрикс, но они не представляют особой важности при ремоделировании рубца, как ММР (Matrix Metalloproteinases). Кроме того, активированные ММР довольно быстро угнетаются специфическими TIMP, которые образуются в основном мезенхимальными клетками. Таким образом, размеры и состав рубцовой ткани определяет равновесие между металлопротеиназами (ММР) и TIMP.

Рубец, фиброзная и грануляционная ткань

Грануляционная ткань характеризуется пролиферацией фибробластов и новых тонкостенных сосудов в рыхлом внеклеточном матриксе, нередко с примесью клеток воспаления, главным образом макрофагов (рис. 3.26, А). Эта ткань постепенно заполняет участок повреждения; объем образованной грануляционной ткани зависит от размеров раны и степени выраженности воспаления.

Рис. 3.26. Образование грануляционной ткани:

• А — грануляционная ткань с многочисленными кровеносными сосудами, отеком и рыхлым внеклеточным матриксом, содержащим единичные клетки воспаления. Коллаген окрашен в синий цвет трихромом, виден незрелый коллаген;
• Б — в зрелом рубце при окраске трихромом выявляются плотный коллаген (окрашен в синий цвет) и единичные сосуды с щелевидным просветом.

Рубец и фиброзная ткань состоят в основном из неактивных веретенообразных фибробластов, плотного коллагена, фрагментов эластической ткани и других компонентов внеклеточного матрикса (рис. 3.26, Б). Патологоанатомы часто используют специальные методы окраски для идентификации различных белковых составляющих рубца и фиброзной ткани.

Трихромная окраска по Массону позволяет выявить волокна коллагена, а окраска на эластическую ткань идентифицирует тонкие волокна эластина, который является основным компонентом эластической ткани. Трихром на самом деле включает три красителя, которые окрашивают эритроциты в оранжевый цвет, мышечную ткань — в красный и коллагеновые волокна — в синий, отсюда и его название.

К белкам внеклеточного матрикса, который является компонентом соединительнотканной стромы неизмененных органов и присутствует в незрелых рубцах, относится ретикулин. В состав ретикулина входит коллаген 3-го типа, и его тоже можно выявить в тканях с помощью специальных красителей.

Заключение

• Заживление может проходить за счет замещения очага поражения соединительной тканью и формирования рубца в тех случаях, когда поврежденная ткань не обладает способностями к регенерации или в случаях тяжелого повреждения структуры ткани и, соответственно, потери способности поддерживать регенерацию.
• Основные этапы репарации ткани с формированием рубца (неполной) включают образование кровяного сгустка, воспаление, ангиогенез, образование грануляционной ткани, миграцию и пролиферацию фибробластов, синтез коллагена и ремоделирование соединительной ткани.
• Восстановление за счет разрастания соединительной ткани начинается с формирования грануляционной и приводит к образованию фиброзной ткани.
• Макрофаги играют основную роль в организации процесса заживления, так как они уничтожают патогенные агенты, продуцируют цитокины и факторы роста, которые стимулируют пролиферацию всех клеток, участвующих в заживлении.
• TGF-β — это мощный фиброгенный агент; накопление внеклеточного матрикса определяется динамическим равновесием между ММР, которые разрушают внеклеточный матрикс, и TIMP.