Регенерация клеток и тканей
Регенерация поврежденных клеток и тканей сопровождается клеточной пролиферацией с их последующей дифференцировкой. Эти процессы связаны с секрецией факторов роста и в большой степени зависят от целостности внеклеточного матрикса, а также от образования зрелых клеток из стволовых клеток. Прежде чем мы остановимся на примерах заживления ткани путем регенерации, давайте обсудим основные принципы пролиферации клеток в ходе данного процесса. Основные принципы клеточной пролиферации изложены в отдельной статье.
Содержание
- Пролиферация клеток: стимулы и механизмы контроля
- Механизмы тканевой репарации
- Регенерация печени
- Заключение
Пролиферация клеток: стимулы и механизмы контроля
Существует несколько типов клеток, которые пролиферируют при заживлении, — это клетки, сохранившиеся в поврежденной ткани (они пытаются восстановить структуру ткани), эндотелиальные клетки сосудов (участвуют в образовании новых сосудов для улучшения питания ткани, что необходимо для заживления) и фибробласты (источник образования фиброзной ткани и формирования рубца, заполняющего дефект).
Способность тканей к самовосстановлению значительно зависит от пролиферативной способности их клеток. В некоторых тканях (иногда их называют «непрерывно обновляющиеся») клетки постоянно обновляются за счет тканевых стволовых клеток и быстро пролиферирующих незрелых предшественников. Эти ткани относительно легко восстанавливаются после повреждения при сохранении пула стволовых клеток. К таким тканям относятся:
- гемопоэтические клетки костного мозга и большинство клеток покровного эпителия, например базальные клетки многослойного плоского эпителия кожи, полости рта, влагалища и шейки матки;
- кубический эпителий дренирующих протоков экзокринных органов (например, слюнных желез, поджелудочной железы, желчевыводящих путей);
- призматический эпителий ЖКТ, матки и маточных труб; переходный эпителий мочевыводящих путей.
В других тканях (их называют «стабильные») клетки не пролиферируют, потому что в норме находятся в покое (G0 стадия клеточного цикла), но сохраняют способность к пролиферации при повреждении или потере тканевой массы. К этим тканям относятся паренхиматозные органы, такие как печень, почки и поджелудочная железа. Кроме того, к стабильным тканям относятся эндотелиальные клетки, фибробласты и гладкомышечные клетки, которые не делятся, но в ответ на факторы роста они способны пролиферировать, что особенно важно при заживлении раны.
Некоторые ткани (их еще называют «неизменные», «неделящиеся») состоят из дифференцированных клеток, утративших способность делиться, например большинство нейронов и кардиомиоцитов. Повреждение этих тканей необратимо, и регенерация завершается образованием рубца, потому что нейроны и кардиомиоциты не способны к регенерации. Скелетную мышцу обычно относят к неделящимся тканям, но клетки-сателлиты, прикрепленные к мембране симпласта, обеспечивают некоторую регенераторную способность этой ткани.
Клеточная пролиферация контролируется сигналами, поступающими от факторов роста и внеклеточного матрикса. Существуют различные факторы роста; некоторые факторы роста воздействуют на несколько типов клеток, другие — только на определенный тип клеток.
Факторы роста обычно выделяются клетками в непосредственной близи от места повреждения. Самым важным источником факторов роста являются макрофаги, которые активируются при повреждении ткани, кроме того, эпителиальные клетки и клетки стромы продуцируют некоторые факторы роста. Несколько факторов роста связываются с белками внеклеточного матрикса и в высоких концентрациях накапливаются в очаге повреждения.
Все факторы роста активируют сигнальные пути, которые вызывают экспрессию генов, что приводит к делению клетки, и поддерживают биосинтез молекул и органелл, необходимых для клеточного деления. Помимо ответной реакции на факторы роста клетки используют интегрины для связывания с белками экстрацеллюлярного матрикса; кроме того, сигналы интегринов могут стимулировать пролиферацию клеток.
Процесс регенерации, помимо пролиферации сохранившихся клеток, дополняется созреванием зрелых клеток, развивающихся из стволовых. В отдельной статье мы рассмотрели основные типы стволовых клеток. У взрослых к самым важным стволовым клеткам, участвующим в регенерации после повреждения, относятся тканевые. Эти стволовые клетки живут в специализированных нишах, и считается, что при повреждении ткани сигналы запускают эти ниши, активируют стволовые клетки, находящиеся в фазе покоя, способствуют пролиферации и дифференцировке в зрелые клетки, за счет которых поврежденная ткань восстанавливается.
Механизмы тканевой репарации
Значение хронического воспаления в восстановлении поврежденных тканей зависит от типа ткани и степени повреждения.
В эпителиальной выстилке кишечника или кожи поврежденные клетки быстро замещаются благодаря пролиферации сохранившихся клеток и дифференцировке тканевых стволовых клеток, но только в случаях, если сохранена базальная мембрана. Сохранившиеся клетки продуцируют факторы роста, которые вовлекаются в процесс регенерации. Вновь образованные клетки мигрируют в очаг повреждения, заполняя дефект, и таким образом ткань восстанавливается (см. рис. 3.23).
Рис. 3.23. Механизмы заживления ткани: регенерация и формирование рубца. После незначительного повреждения, когда повреждается эпителий, но без вовлечения подлежащих тканей заживление происходит путем регенерации. При более глубоком повреждении, когда происходит вовлечение соединительной ткани, формируется рубец
Репарация ткани развивается в паренхиматозных органах, клетки которых способны к пролиферации, но с определенными ограничениями, за исключением печени. Ограниченные репаративные способности демонстрируют поджелудочная железа, надпочечники, щитовидная железа и легкие. Удаление одной почки вызывает компенсаторные реакции в оставшейся почке в виде гипертрофии и гиперплазии эпителия проксимальных канальцев. Механизмы, лежащие в основе этих реакций, до конца не понятны, но, похоже, они связаны с местной продукцией факторов роста и взаимодействием клеток с внеклеточным матриксом.
Невероятная регенерационная способность печени сделала ее незаменимой моделью для изучения процесса репарации. Полное восстановление тканевой архитектоники возможно только при сохранении структур, например, после частичной хирургической резекции печени. В случаях, когда при воспалении повреждается вся ткань, регенерация будет носить незавершенный характер, и в финале образуется рубец. Так, при абсцессе печени происходит массивное разрушение ткани с коллапсом ретикулярной стромы, что приводит к образованию рубца, даже если оставшиеся клетки печени сохраняют способность к регенерации.
Регенерация печени
Печень человека обладает невероятной регенераторной способностью, что проявляется, например, ее ростом после частичной гепатэктомии по поводу удаления опухоли или трансплантации печени от живого донора. Мифологический образ регенерации печени — это восстановление печени у Прометея. Олимпийский бог Зевс послал орла к Прометею в качестве наказания за кражу огня. Орел каждый день клевал печень Прометея, и каждый вечер печень восстанавливалась. Реальность, конечно, менее драматичная, но тоже впечатляет.
Регенерация печени проходит за счет двух основных механизмов: пролиферации сохранившихся гепатоцитов и пролиферации клеток-предшественников. Какой механизм будет преобладать, зависит от характера повреждения.
- Пролиферация гепатоцитов после частичной гепатэктомии. За счет пролиферации сохранившихся гепатоцитов может восстановиться до 90% человеческой печени. Деление гепатоцитов стимулируют цитокины (ФНО и ИЛ-6), вырабатываемые купферовскими клетками, и факторы роста, которые образуются различными типами клеток (например, HGF).
- Регенерация печени из клеток-предшественников. При снижении пролиферативной способности гепатоцитов, например, в исходе хронического воспаления, клетки-предшественники печени вносят вклад в восстановление органа. У грызунов клетки-предшественники из-за формы ядер называются овальными клетками. Некоторые из этих клеток-предшественников располагаются в специализированных нишах (каналы Геринга), где желчные канальцы соединяются с более крупными желчевыводящими протоками. Пролиферация клеток-предшественников и их дифференцировка в зрелые гепатоциты управляется сигналами, что в настоящее время является предметом повышенного интереса исследователей.
Заключение
- Различные ткани состоят из постоянно делящихся клеток (эпителий, гематопоэтические ткани), стабильных клеток, способных к пролиферации (большинство паренхиматозных органов) и неделящихся клеток (нейроны, скелетная мускулатура и миокард). Регенерационная способность ткани зависит от пролиферативного потенциала составляющих ее клеток.
- Пролиферация клеток контролируется клеточным циклом и стимулируется факторами роста и взаимодействиями клеток с внеклеточным матриксом.
- Регенерация печени — это классический пример восстановления ткани путем регенерации. Процесс «заводят» цитокины и факторы роста, которые образуются в ответ на повреждение печени. В различных случаях регенерация может проходить за счет пролиферации сохранившихся гепатоцитов или путем репопуляции из клеток-предшественников.
Подписывайтесь, друзья, на наш телеграм-канал и группу ВК