Наши экспериментальные результаты и опубликованные данные свидетельствуют о том, что регуляция процессов пролиферации, дифференцировки и апоптоза может происходить в клетках нейробластомы под действием сублетальных концентраций широкого спектра веществ, в том числе и изменение ионного состава культуральной среды. Клеточный цикл и дифференцировка клетки контролируются циклинами и циклин-зависимыми киназами. Однако молекулярные механизмы, лежащие в основе дифференцировки, все еще плохо поняты. Предложена простейшая модель регуляции фермента с центрами связывания для органических субстратов и для неорганических ионов. Активность такого фермента зависит не только от наличия субстрата, но и от внутриклеточных активностей неорганических ионов. Ионный состав цитоплазмы может осуществить тонкую регулировку различных ферментных систем клетки.

культура клеток

нейробластома

пролиферация

дифференцировка

неорганические ионы

1. Асланиди К.Б., Булгаков В.В., Замятнин А.А. (мл.), Маевский Е.И., Чайлахян Л.М. Модель метаболической регуляции мембранного электрогенеза животной клетки. // ДАН. – 1998. – Т.360, № 6. – С. 823–828.

2. Асланиди К.Б., Мякишева С.Н., Иваницкий Г.Р. Ионная регуляция пролиферации клеток нейробластомы мыши NIE-115 in vitro // ДАН – 2008. – Т. 423, № 2. – С. 1 – 3.

3. Асланиди К.Б., Мякишева С.Н. Влияние компонентов среды на время дифференцировки и продолжительность жизни клеток нейробластомы мыши NIE-115. //Биологические мембраны – 2011. – Т. 28, № 3. – С. 181–190.

4. Мякишева С.Н., Костенко М.А., Дриняев В.А., Мосин В.А. Пролиферация и морфологическая дифференцировка клеток нейробластомы в культуре под влиянием авермектинов // Морфология. – 2001. – Т.120, № 6. – С.24–26.

5. Мякишева С.Н., Крестинина О.В. Исследование влияния мелатонина на пролиферацию и индукцию дифференцировки клеток нейробластомы мыши N1E-115 // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.

6. Мякишева С.Н., Крестинина О.В., Асланиди К.Б. Мелатонин ингибирует пролиферацию и индуцирует дифференцировку клеток нейробластомы. //Сб.ст.: Труды Международной научной конференции SCVRT2013–14. Москва-Протвино – 2013–2014. – С. 153–156.

7. Тирас Х.П., Петрова О.Н., Мякишева С.Н., Попова С.С., Асланиди К.Б. Влияние слабых магнитных полей в разные фазы регенерации планарии. // Биофизика – 2015. – Т.60, №1. – С. 158 – 163.

8. Aslanidi K.B., Boitzova L.J., Chailakhyan L.M., Kublik L.N., Marachova I.I., Potapova T.V., Vinogradova T.A. Energetic cooperation via ion-permeable junctions in mixed cell cultures. // FEBS Letters – 1991. – Vol.283, №2. – P.295–297.

9. Aslanidi K.B., Panfilov A.V. The Boyle-Conway model including the effect of an electrogenic pump for nonexcitable cells // Mathematical Biosciences – 1986. – Vol.79. – P.45–54.

10. Bell J.L., Malyukova A., Kavallaris M., Marshall G.M., Cheung B.B. TRIM16 inhibits neuroblastoma cell proliferation through cell cycle regulation and dynamic nuclear localization. // Cell Cycle – 2013. – Mar 15;12(6):889–98. doi: 10.4161/cc.23825. Epub 2013 Feb 19.

11. Cheung W.M., Chu P.W., Kwong Y.L. Effects of arsenic trioxide on the cellular proliferation, apoptosis and differentiation of human neuroblastoma cells // Cancer Lett. – 2007. – Feb 8;246(1–2):122–8. Epub 2006 Mar 29.

12. Chu J., Tu Y., Chen J., Tan D., Liu X., Pi R. Effects of melatonin and its analogues on neural stem cells // Mol Cell Endocrinol – 2016. – Jan 15;420:169–79. doi: 10.1016/j.mce.2015.10.012. Epub 2015 Oct 21.

13. Duffy DJ, Krstic A, Schwarzl T, Halasz M, Iljin K, Fey D, Haley B, Whilde J, Haapa-Paananen S, Fey V, Fischer M, Westermann F, Henrich KO, Bannert S, Higgins DG, Kolch W. Wnt signalling is a bi-directional vulnerability of cancer cells // Oncotarget – 2016. –Aug 11. doi: 10.18632/oncotarget.11203. .

14. Dziegiel P., Pula B., Kobierzycki C., Stasiolek M., Podhorska-Okolow M. Metallothioneins in Normal and Cancer Cells // Adv Anat Embryol Cell Biol – 2016; – 218:1–117. doi: 10.1007/978–3–319–27472–0_1.

15. Gohara D.W., Di Cera E. Molecular Mechanisms of Enzyme Activation by Monovalent Cations. // J Biol Chem – 2016. – Sep. 30;291(40):20840–20848. Epub 2016 Jul 26.

16. Hiyoshi H, Abdelhady S, Segerström L, Sveinbjörnsson B, Nuriya M, Lundgren TK, Desfrere L. Quiescence and γH2AX in neuroblastoma are regulated by ouabain/Na,K-ATPase. // Br J Cancer. – 2012. – May 22; 106(11):1807–15. doi: 10.1038/bjc.2012.159. Epub 2012 Apr 24.

17. Ikram F., Ackermann S., Kahlert Y., Volland R., Roels F., Engesser A., Hertwig F., Kocak H., Hero B., Dreidax D., Henrich K.O., Berthold F., Nürnberg P., Westermann F., Fischer M. Transcription factor activating protein 2 beta (TFAP2B) mediates noradrenergic neuronal differentiation in neuroblastoma. // Mol Oncol – 2016. – Feb;10(2):344–59. doi: 10.1016/j.molonc.2015.10.020. Epub 2015 Nov 7.

18. Leung Y.M., Huang C.F., Chao C.C., Lu D.Y., Kuo C.S., Cheng T.H., Chang L.Y., Chou C.H. Voltage-gated K+ channels play a role in cAMP-stimulated neuritogenesis in mouse neuroblastoma N2A cells // J Cell Physiol – 2011. – Apr;226(4):1090–8. doi: 10.1002/jcp.22430.

19. Luksch R., Castellani M.R., Collini P., De Bernardi B., Conte M., Gambini C., Gandola L., Garaventa A, Biasoni D, Podda M, Sementa AR, Gatta G, Tonini GP. Neuroblastoma (Peripheral neuroblastic tumours). // Crit Rev Oncol Hematol – 2016. – Nov. – 107:163–181. doi: 10.1016/j.critrevonc.2016.10.001. Epub 2016 Oct 6.

20. Morgan D.O. Principles of CDK regulation. // Nature – 1995, Vol. 374. – P. 131–134.

21. Narimanov A.A., Kublik L.N., Myakisheva S.N. Influence of cyanosis blue Polemonium Coeruleum L. extract on the growth of transformed cells in vitro. // Experimental Oncology –1996, Vol. 18. – P. 287–289.

22. Naveen C.R., Gaikwad S., Agrawal-Rajput R. Berberine induces neuronal differentiation through inhibition of cancer stemness and epithelial-mesenchymal transition in neuroblastoma cells. // Phytomedicine – 2016, Jun 15. –23(7). – P. 736–44. doi: 10.1016/j.phymed.2016.03.013. Epub 2016 Apr 13.

23. Russo M., Russo G.L., Daglia M., Kasi P.D., Ravi S., Nabavi S.F., Nabavi S.M. Understanding genistein in cancer: The «good» and the «bad» effects: A review. // Food Chem – 2016, Apr 1. – 196:589–600. doi: 10.1016/j.foodchem.2015.09.085. Epub 2015 Sep 26.

24. Santamaria D., Ortega S. Cyclins and CDKS in development and cancer: lessons from genetically modified mice. // Front Biosci – 2006, Jan 1. – 11. – P. 1164–88.

25. Yuan Y., Jiang C.Y., Xu H., Sun Y., Hu F.F., Bian J.C., Liu X.Z., Gu J.H., Liu Z.P. Cadmium-induced apoptosis in primary rat cerebral cortical neurons culture is mediated by a calcium signaling pathway. // PLoS One – 2013, May 31. – 8(5):e64330. doi: 10.1371/journal.pone.0064330. Print 2013.

Нейробластома является наиболее распространенной солидной опухолью детского возраста и на нейробластому приходится до 15 % всех детских смертей от рака . Нейробластома представляет собой опухоль, возникающую из незрелых клеток эмбриональной симпатической нервной системы. Под действием различных факторов клетки нейробластомы могут пролиферировать, дифференцироваться или дедифференцироваться, а также погибать по механизмам некроза или апоптоза . Существуют и периферические виды нейробластомы, возникающие в надпочечниках или в забрюшинных ганглиях, в кости и в костном мозге .

Клетки нейробластомы являются классической экспериментальной моделью для исследования механизмов пролиферации, дифференцировки и апоптоза. По данным PubMed еженедельно выходит не менее 2-х обзоров о нейробластоме, а общее количество публикаций приблизилось к 37.000, увеличиваясь ежегодно почти на 1500 штук.

Корреляция между гистологическими и генетическими признаками у клеток нейробластомы отмечалась многими исследователями и клиницистами. Развитие и патогенез эмбриональной нервной системы связан главным образом с Wnt сигнальным путём. В клетках нейробластомы ингибирование Wnt сигнализации блокирует пролиферацию и способствует дифференцировке, а гиперактивация Wnt сигнализации направляет раковые клетки к апоптозу . Ранее нами было показано, что клетки мышиной нейробластомы N1Е -115 проявляют чувствительность к широкому кругу биологически активных веществ , а также к ионному составу культуральной среды . Однако остаётся вопрос, какие метаболические пути являются общими как для множества биологически активных веществ, так и для неорганических ионов, являющихся компонентами культуральных сред.

Целью работы является поиск мишеней, на которых совмещаются влияния многообразных экзогенных биологически активных веществ и неорганических ионов.

Морфология клеток нейробластомы мыши N1Е -115

Клетки нейробластомы культивировали при 37°С в среде DМЕМ (Sigma, США) с добавлением 10 % эмбриональной сыворотки (Fetal Bovine Serum, Flow Laboratories, Великобритания). Плотность посева в пластиковых флаконах (50 мл) составляла 104 клеток на см2 при объёме среды 5 мл. Через сутки после обычного пересева среду меняли на обычную среду DМЕМ без сыворотки . Исследования клеток проводили методом прижизненного наблюдения c использованием микроскопа.

Рис. 1. Типичная морфология пролиферирующих (А), дифференцированных (Б) и погибших (В) клеток нейробластомы

Адгезированные к поверхности клетки округлой или овальной формы, с наличием коротких отростков или без отростков определяли как пролиферирующие (рис. 1А). Критерием дифференцировки клетки было увеличение размеров и появление длинных аксоноподобных отростков (рис. 1Б). Погибшие клетки определяли как клетки округлой формы или деформированные с фрагментированной структурой ядра и цитоплазмы, как правило не адгезированные к поверхности (рис. 1В).

Влияние фармакологических препаратов на клетки нейробластомы

Ранее были иисследованы процессы пролиферации и морфологической дифференцировки клеток нейробластомы под действием аверсектина С, диметилсульфоксида (ДМСО) и форсколина . Доля дифференцированных клеток, обусловленная применением этих веществ в сублетальных концентрациях, через пять суток культивирования достигала 50 %. Эффект мелатонина на клетки нейробластомы зависел от концентрации в диапазоне 10-8М до 10-3М и приводил к торможению пролиферации и индукции дифференцировки . Некоторые растительные препараты также ингибируют пролиферацию и индуцируют дифференцировку . Аналогичное действие на клетки нейробластомы оказывал препарат растительного происхождения, полученный из синюхи голубой Polemonium coeruleum L. .

Приведённые экспериментальные данные свидетельствуют о том, что описанные морфологические изменения наблюдались при использовании сублетальных концентраций самых различных веществ, которые активируют или ингибируют различные сигнальные пути, в частности, Wnt сигнализацию или МАРК/ERK сигнальный путь . Отметим, что морфология пролиферирующих, дифференцированных или погибших клеток практически не зависит от природы действующего фактора. Более того, ниже будет показано, что процесс дифференцировки сопровождается закономерным изменением ионного состава внутриклеточной среды.

Влияние неорганических ионов на клетки нейробластомы

В наших экспериментах дифференцировка клеток нейробластомы NIE-115 происходила только на бессывороточных средах. Были выявлены зависимости скорости дифференцировки клеток от осмотичности среды, концентрации ионов Na+, значения рН, содержания аминокислот и углеводов в культуральной среде. Показано, что быстрая дифференцировка приводит к быстрой гибели клеток, а максимальную длительность жизни дифференцированных клеток обеспечивали среды, время дифференцировки в которых было сопоставимо с длительностью клеточного цикла . В рамках нашей теоретической модели дифференцировка клеток нейробластомы происходила при вполне определённых значениях внутриклеточных активностей неорганических ионов Na+, K+, Ca2+и рН . При этом неудивительно, что некоторые фармакологические препараты, непосредственно влияющие на распределение неорганических ионов между клеткой и средой, в частности, эндогенный сердечный гликозид оуабаин, действуя на Na+/К+ - АТФазу, вызывает у злокачественной нейробластомы человека обратимую остановку клеточного цикла в S-G2 фазе и увеличение содержание Na+ в цитоплазме , что активирует открытие Ca2+-каналов и вхождение Ca2+ в клетку . Отметим, что уже в течение первого часа инкубации культивируемых клеток с оуабаином ингибирование Na+/К+ - АТФазы приводило практически к полной деполяризации плазматической мембраны клетки . В клетках нейробластомы N2A имеются два типа потенциалзависимых К+ -каналов, которые ингибируются 4-аминопиридином и тетраэтиламмонием. Ингибирование калиевых потоков в этих каналах блокирует дифференцировку, в частности, нейритогенез, вызываемый внутриклеточным цАМФ .

Ионы кадмия Cd2+ нарушают гомеостаз свободного внутриклеточного кальция Са2+, что приводит к апоптозу в различных клетках, в том числе в первичной культуре нейронов мыши. Cd2+ ингибирует активность Na+/К+ - АТФазы, Са2+ - АТФазы и Mg2+ - АТФазы, нарушает транспорт Са2+ в эндоплазматическом ретикулуме, вызывая рост внутриклеточного Са2+, и активацию апоптотического сигнального пути в митохондриях . Триоксид мышьяка As2O3 при концентрации порядка 0,5×10-6М также вызывает доз-зависимое ингибирование пролиферации, а при концентрациях выше 1,5×10-6М приводит к апоптозу клеток нейробластомы . Известно, что мышьяк As3+ участвует в окислительно-восстановительных реакциях: окислительном распаде сложных углеводов, брожении, гликолизе и т. п. Возможно, что As3+ конкурирует с ионами Са2+ за соответствующие центры связывания на ферментах.

Все изменения основных параметров ионно-осмотического гомеостаза в процессе дифференцировки, которые были описаны в приведённых выше независимых экспериментах, могут быть описаны в рамках простейшей модели, учитывающей активный транспорт ионов Na+ и K+ .

Комплексообразование ферментов с ионами

Регуляция функциональной активности посредством комплексообразования с ионами металлов играет ключевую роль во многих ферментативных реакциях. До 40 % всех, исследованных на сегодняшний день белков, являются металлопротеинами . Металлы играют важную роль в формировании структуры белков. Многие ферменты содержат несколько металлов в своих активных центрах, расположенных в разных местах белковой цепи. В некоторых случаях замена одного металла на другой может ингибировать ферментативную активность и стать причиной отравления и гибели организма . Большинство белков ассоциируется с двухвалентными металлами: Fe2+ участвует в окислительно-восстановительных циклах, Zn2+- в каталитических реакциях, Ca2+ определяет стабильность структуры ферментов и играет ключевую роль в системе внутриклеточной сигнализации . Существует семейство низкомолекулярных металлопротеинов, связывающих Zn2+, и принимающих участие в важнейших физиологических процессах у всех живых существ, в частности, в процессах канцерогенеза . для функционирования биологических макромолекул необходимы и одновалентные ионы группы IА: Na+ и К+ .

Связывание одновалентного катиона с его аллостерическим центром влечет за собой активацию фермента и преобразование этого события в изменении каталитической активности. Ионы натрия и калия необходимы для функционирования многих ферментов, включая киназы, шапероны, фосфатазы, альдолазы, рекомбиназы, дегидрогеназы и рибокиназы, диалкилкарглициндекарбоксилазы, триптофансинтаза, тромбин и Na/K-АТФазы . Эффекты ионов Na+ или К+ для всех исследованных ферментов разнонаправлены.

Связь ферментативной активности и локальной концентрации ионов внутри клетки

Более 20 лет назад было показано, что электрофизиологические сдвиги коррелируют с изменениями синтетических процессов . Как клеточный цикл, так и процесс дифференцировки контролируются циклинами и циклин-зависимыми киназами Cdks. Нарушение активности циклинов и циклин-зависимых киназ приводит к развитию опухолей . В зависимости от дозы некоторых препаратов в клетках задействуются различные молекулярные механизмы, в результате чего может усилиться пролиферация или произойти дифференцировка клеток, приводящая к апоптозу .

Связь ферментативной активности с ионно-осмотическим гомеостазом клетки наглядно проявляется в теоретической модели, учитывающей потоки субстратов и продуктов обмена через плазматическую мембрану при различных функциональных нагрузках, таких как синтез нуклеиновых кислот, синтез белков, синтез липидов или двигательная активность, требующая большого расхода АТФ. Результаты, полученные на этой модели, могут объяснить наблюдаемые в экспериментах изменения ионных проницаемостей клеточной мембраны, мембранного потенциала и внутриклеточных активностей неорганических ионов в ходе клеточного цикла и в процессе дифференцировки . Отметим, что наличие доз-зависимых эффектов , зарегистрированных при действии многих веществ на процессы пролиферации, дифференцировки и клеточной гибели, свидетельствует о вероятностном механизме взаимодействия как биологически активных веществ, так и неорганических ионов с ферментом, являющимся первичной мишенью. Такими мишенями, на которых совмещаются влияния неорганических катионов и органических субстратов, могут быть, в частности, циклинзависимые киназы или циклины .

Уравнение Михаэлиса - Ментен для фермента, обладающего центрами связывания как для органического субстрата, так и для неорганических ионов, имеет вид:

где P - скорость ферментативной реакции; - внутриклеточная активность органического субстрата или конкретного неорганического иона; - внутриклеточная активность органического субстрата или конкретного неорганического иона, ингибирующего этот центр, kmi и kii - кажущиеся константы ассоциации органического субстрата или конкретного неорганического иона и их ингибиторов. Подобное выражение для скорости ферментативной реакции использовалось ранее для описания функционирования Na+/К+ - АТФазы плазматической мембраны при изменении ионного состава внешней среды и показало хорошее соответствие с результатами ряда независимых электрофизиологических экспериментов . Приведённое уравнение означает, что скорость ферментативной реакции P определяется произведением вероятностей заполнения всех n центров связывания фермента. При этом активность фермента зависит от внутриклеточных концентраций многих ионов, а роль ионно-осмотического гомеостаза заключается в поддержании внутриклеточных концентраций ионов на уровне, позволяющем производить тонкую регуляцию переключения различных ферментативных систем. При этом, лимитирующим фактором для активности фермента может оказаться внутриклеточная концентрация любого иона, если внутриклеточные концентрации других ионов оптимальны, т.е. вероятности заполнения соответствующих центров связывания близки к единице.

Заключение

В совокупности, представленные данные свидетельствуют о том, что морфогенез нейробластомы in vitro можно контролировать различными воздействиями, как биологически активными веществами, так и ионным составом культуральной среды. Все рассмотренные выше и полученные в независимых экспериментах биологические эффекты легко интерпретировать в рамках модели регуляции ферментативной активности, предполагающей совершение единичного акта при одновременном заполнении всех центров связывания для субстратов и неорганических ионов.

Действительно, в условиях культивирования могут реализоваться две стратегии развития клеток нейробластомы. Одна стратегия заключается в ее дифференцировке и старении, и, в конечном счете, индивидуальной гибели (апоптотической или некротической). Другая может заключаться в усилении пролиферации и даже в дедифференцировке. Первый сценарий развивается на бессывороточных средах и усиливается при воздействии экзогенных или эндогенных повреждающих факторов, в частности, при воздействии сублетальных концентраций самых разнообразных веществ или определённых изменений ионного состава культуральной среды . На уровне организма при достижении определённого предела компенсаторных возможностей клеток нарушается тканевой и функциональный гомеостаз в жизненно важных органах, что ведёт к старению и последующей гибели всего организма. В условиях культивирования присутствие сыворотки, в частности, наличие биологически активных вещества, способствует процессу пролиферации . На уровне организма усиление пролиферации стволовых клеток приводит к развитию клона неопластических клеток, к росту опухоли и последующей гибели организма. Обе рассмотренные стратегии представляют собой многостадийные процессы, некоторые этапы которых хорошо охарактеризованы, тогда как другие нуждаются в дополнительном исследовании. В частности, наличие ключевого фермента, обладающего центрами связывания для органического субстрата и неорганических ионов можно выявить с использованием слабых магнитных полей, настроенных в резонанс с определёнными неорганическими ионами, такими как Na+, K+, Ca2+ .

Библиографическая ссылка

1. Факторы роста (макрофаги, лимфоциты, фибробласты, тромбоциты и др.) –стимуляция пролиферации и ограничение апоптоза.

2. Кейлоны – гликопротеидные тканеспецифические ингибиторы роста.

3. Фибронектин- хемоаттрактант фибробластов.

4. Ламинин -главный адгезивный белок базальных мембран.

5. Синдекан -интегральный протеогликан клеточных мембран, связывает коллаген, фибронектин и тромбоспондин.

6. Тромбоспондин – гликопротеид, образует комплексы с синдеканом, коллагеном и гепарином, играет существенную роль в сборке костной ткани.

Образование и реализация эффектов биологически активных веществ (БАВ) - одно из ключевых звеньев воспаления. БАВ обеспечивают закономерный характер развития воспаления, формирование его общих и местных проявлений, а также исходы воспаления. Именно поэтому БАВ нередко именуют как «медиаторы воспаления».

Медиаторы воспаления - это местные химические сигналы, образую­щиеся, высвобождаемые либо активируемые в очаге воспаления, действую­щие и разрушаемые также в пределах очага. Под медиаторами (посредниками) воспаления понимают биологически активные вещества, ответственные за возникновение или поддержание тех или иных воспалительных явлений, например повышенной сосудистой проницаемости, эмиграции и т. д.

Это те же вещества, которые в условиях нормальной жизнедеятельности организма, образуясь в различных органах и тканях в физиологических концентрациях, ответственны за регуляцию функций на клеточном, тканевом уровне. При воспалении, местно высвобождаясь (вследствие активации клеток и жидких сред) в больших количествах, они приобретают новое качество - медиаторов воспаления. Практически все медиаторы являются и модуляторами воспаления, т. е. способны усиливать или ослаблять выраженность воспалительных явлений. Это обусловлено комплексностью их влияния и взаимодействием их как с клетками-продуцентами этих веществ, так и между собой. Соответственно эффект медиатора может быть добавочным (аддитивным), потенцирующим (синергистическим) и ослабляющим (антагонистическим), а взаимодействие медиаторов возможно на уровне их синтеза, секреции или эффектов.

Медиаторное звено является основным в патогенезе воспаления. Оно координирует взаимодействие множества клеток - эффекторов воспаления, смену клеточных фаз в очаге воспаления. Соответственно патогенез воспаления можно представить себе как цепь множественных межклеточных взаимодействий, регулируемых медиаторами-модуляторами воспаления.

Медиаторы воспаления обусловливают развитие и регуляцию процессов альтерации (включая изменение обмена веществ, физико‑химических параметров, структуры и функции), развитие сосудистых реакций, экссудации жидкости и эмиграции клеток крови, фагоцитоза, пролиферации и репаративных процессов в очаге воспаления.

Большинство медиаторов выполняют свои биологические функции специфически воздействуя на рецепторы клеток-мишеней. Однако некоторые из них имеют прямую ферментативную или токсическую активность (напри­мер, лизосомальные гидролазы и активные кислородные радикалы). Функции каждого медиатора регулируются соответствующими ингибиторами.

Источниками медиаторов воспаления могут служить плазма крови и клетки-участники воспаления. В соответствии с этим выделяют 2 большие группы медиаторов воспаления: гуморальные и клеточные . Гуморальные

медиаторы в основном представлены полипептидами, которые постоянно цир­кулируют в крови в неактивном состоянии и синтезируются преимуществен­но в печени. Эти медиаторы составляют так называемую «сторожевую поли­систему плазмы крови». Клеточные медиаторы могут синтезироваться de novo (например, метаболиты арахидоновой кислоты) или высвобождаться из клеточных депо (например, гистамин). Источниками клеточных медиаторов в очаге воспаления являются, в основном, макрофаги, нейтрофилы и базофилы.

Из гуморальных медиаторов воспаления наиболее важными являютсяпроизводные комплемента. Среди почти 20 различных белков, образующихся при активации комплемента, непосредственное отношение к воспалению имеют его фрагменты С5а, С3а, С3b и комплекс С5b-С9. При этом С5а и в меньшей степени С3а являются медиаторами острого воспаления. СЗb опсонизирует патогенный агент и соответственно способствует иммунной адгезии и фагоцитозу. Комплекс С5b-С9 ответствен за лизис микроорганизмов и патологически измененных клеток. Источником комплемента является плазма крови и в меньшей мере тканевая жидкость. Усиленная поставка плазменного комплемента в ткань является одним из важных назначений экссудации. С5а, образующийся из него в плазме и тканевой жидкости под влиянием карбоксипептидазы N, C5a des Arg и С3а повышают проницаемость посткапиллярных венул. При этом C5a и С3а, будучи анафилатоксинами (т. е. либераторами гистамина из тучных клеток), повышают проницаемость как прямо, так и опосредованно через гистамин Эффект C5a des Arg не связан с гистамином, но является нейтрофилзависимым, т. е. осуществляется за счет факторов проницаемости, вьсвобождаемых из полиморфноядерных гранулоцитов, - лизосомальных ферментов и неферментных катионных белков, активных метаболитов кислорода. Кроме того, C5a и C5a des Arg привлекают нейтрофилы. В отличие от них С3а практически не обладает хемотаксическими свойствами. Активные компоненты комплемента высвобождают не только гистамин и гранулоцитарные продукты, но и интеряейкин-1, простагландины, лейкотриены, фактор, активирующий тромбоциты, и синергистически взаимодействуют с простагландинами и веществом Р.

Кинины - вазоактивные пептиды, образующиеся из кининогенов (альфа2-глобулинов) под влиянием калликреинов в плазме (нонапептид брадикинин) и в тканевой жидкости (декапептид лизилбрадикинин, или каллидин). Пусковым фактором активации калликреин-кининовой системы является активация при повреждении ткани фактора Хагемана (XII фактор свертывания крови), превращающего прекалликреины в калликреины.

Кинины опосредуют расширение артериол и повышение проницаемости венул путем контракции эндотелиальных клеток. Они сокращают гладкую мускулатуру вен и повышают внутрикапиллярное и венозное давление. Кинины угнетают эмиграцию нейтрофилов, модулируют распределение макрофагов, стимулируют миграцию и митогенез Т-лимфоцитов и секрецию лимфокинов. Они также усиливают пролиферацию фибробластов и синтез коллагена и, следовательно, могут иметь значение в репаративных явлениях и в патогенезе хронического воспаления.

Один из наиболее значимых эффектов кининов- активация рефлексов путем раздражения окончаний чувствительных нервов и опосредование, таким образом, воспалительной боли. Кинины вызывают или усиливают высвобождение гистамина из тучных клеток, синтез простагландинов многими типами клеток, поэтому некоторые из их основных эффектов- вазодилятация, сокращение гладкой мускулатуры, боль - связывают с высвобождением других медиаторов, особенно простагландинов.

Активация фактора Хагемана запускает не только процесс кининообразования, но и свертывания крови и фибринолиза. При этом образуются такие медиаторы, как фибринопептиды и продукты деградации фибрина, которые являются мощными хематтрактантами. Кроме того, фибринолиз и образование тромбов в сосудах очага имеют существенное значение как в патологических, так и в защитных явлениях воспаления.

Из клеточных медиаторов первостепенный интерес вызываютэйкозаноиды поскольку скорее всего именно они являются центральным медиаторным звеном воспалительной реакции. В пользу этого свидетельствуют продолжительное поддержание продукции эйкозаноидов в очаге, их тесная связь с ключевым событием воспалительного процесса - лейкоцитарной инфильтрацией, мощный противовоспалительный эффект ингибиторов их синтеза.

Основную роль в продукции эйкозаноидов в очаге воспаления играют лейкоциты, особенно моноциты и макрофаги, хотя они образуются почти всеми типами ядерных клеток при стимуляции последних. Преобладающими эйкозаноидами в очаге воспаления почти всегда оказываются простагландин (ПГ) Е2, лейкотриен (ЛТ) B4 и 5-гидроксиэйкозатетраеновая кислота (5-ГЭТЕ). Образуются также, хотя и в меньшем количестве, тромбоксан (Ткс) А2, ПГF2альфа, ПГD2, простациклин (ПГ12), ЛТС4, ЛТD4, ЛТЕ4, другие ГЭTЕ.

Главными эффектами эйкозаноидов при воспалении являются влияния на лейкоциты. ПГ, Ткс и особенно ЛТ являются мощными хематтрактантами и играют, таким образом, важную роль в механизмах самоподдержания лейкоцитарной инфильтрации. ПГ сами не повышают сосудистую проницаемость, но, будучи сильными вазодилятаторами, усиливают гиперемию и, следовательно, экссудацию. ЛТС4, JITD4, ЛТЕ4 повышают проницаемость сосудов путем прямой контракции эндотелиальных клеток, а ЛТВ4 - как нейтрофилзависимый медиатор. ПГ и ЛТ имеют значение в генезе воспалительной боли. При этом ПГЕ2, не обладая прямой болевой активностью, повышает чувствительность рецепторов афферентных болевых нервных окончаний к брадикинину и гистамину. ПГЕ2 является сильным жароповышающим агентом, и лихорадка при воспалении может быть отчасти обусловлена его высвобождением. ПГ играют ключевую роль в модуляции воспалительного процесса, осуществляя двунаправленную регуляцию экссудации, эмиграции и дегрануляции лейкоцитов, фагоцитоза. Так, например, ПГЕ способны потенцировать развитие отека, вызванного гистамином или брадикинином, а ПГF2альфа, напротив, ослаблять. Аналогичные отношения между ПГЕ и ПГF2альфа распространяются также на эмиграцию лейкоцитов.

Особо широкий спектр взаимодействий с другими медиаторами воспаления характерен для ЛТ. Они синергистически взаимодействуют в отношении бронхоспазма с гистамином, ацетилхолином, ПГ и Ткс, стимулируют высвобождение ПГ и Ткс. Модуляторная функция эйкозаноидов осуществляется через изменения соотношения циклических нуклеотидов в клетках.

Источникамигистамина являются базофилы и тучные клетки.Серотонин (нейромедиатор) у человека кроме незначительного количества в тучных клетках содержится также в тромбоцитах и энтерохромаффинных клетках. Благодаря быстрому высвобождению при дегрануляции тучных клеток, способности изменять просвет микрососудов и вызывать непосредственную контракцию эндотелиальных клеток венул гистамин и серотонин считаются основными медиаторами первоначальных микроциркуляторных нарушений в очаге острого воспаления и немедленной фазы повышения проницаемости сосудов. Гистамин играет дуалистическую роль как в отношении сосудов, так и клеток. Через Н2-рецепторы он расширяет артериолы, а через H1-рецепторы суживает венулы и, таким образом, повышает внутрикапиллярное давление. Че­рез Hi -рецепторы гистамин стимулирует, а через Нг-рецепторы угнетает эмиграцию и дегрануляцию лейкоцитов. При обычном течении воспаления гистамин действует преимущественно через Нг-рецепторы на нейтрофилах, ограничивая их функциональную активность, и через Hi -рецепторы на моно­цитах, стимулируя их. Таким образом, на­ряду с провоспалительными сосудистыми эффектами он оказывает противовоспали­тельные клеточные. Серотонин также сти­мулирует моноциты в очаге воспаления. Гистамин осуществляет двунаправленную регуляцию пролиферации, дифференцировки и функциональной активности фибробластов и, следовательно, может иметь значение в репаративных явлениях. Моду­ляторные эффекты гистамина также опосредуются циклическими нуклеотидами.

Что касается взаимодействий биогенных аминов в очаге воспаления, то известно, что гистамин через Hi-рецепторы может за­пускать или усиливать синтез простагландинов, а через На -рецепторы - угнетать. Биогенные амины взаимодействуют как меж­ду собой, так и с брадикинином, нуклео­тидами и нуклеозидами, веществом Р в по­вышении проницаемости сосудов. Сосудорас­ширяющее действие гистамина усиливается в комплексе с ацетилхолином, серотонином, брадикинином.

Основным источникомлизосомальных ферментов в очаге воспаления являются фагоциты - гранулоциты и моноциты-макрофаги. Несмотря на огромную важность в патогенезе воспаления фагоцитоза, фагоциты являются прежде всего подвиж­ными носителями медиаторов-модуляторов, секретируемых внеклеточно. Вывобождение лизосомального содержимого осуществляется в ходе их хемотаксической стимуляции, ми­грации, фагоцитоза, повреждения, гибели. Главными компонентами лизосом у челове­ка являются нейтральные протеиназы- эластаза, катепсин G и коллагеназы, содер­жащиеся в первичных, азурофильных, гра­нулах нейтрофилов. В процессах противомикробной защиты, в том числе при воспа­лении, протеиназы относятся к факторам “второй очереди” после кислородзависимых (миелопероксидаза - перекись водорода) и таких кислороднезависимых, как лактоферрин и лизоцим, механизмов. Они обеспе­чивают главным образом лизис уже убитых микроорганизмов. Основные же эффекты протеиназ - медиация и модуляция воспалительных явлений, в том числе повреждения собственных тканей. Медиаторный и модуляторный эффекты протеиназ осуществляются в отношении сосудистой проницаемости, эмиграции, фагоцитоза.

Повышение проницаемости сосудов под влиянием лизосомальных ферментов происходит за счет лизиса субэндотелиального матрикса, истончения и фрагментации эндотелиальных клеток и сопровождается геморрагией и тромбозом. Образуя или расщепляя важнейшие хемотаксические вещества, лизосомальные ферменты являются модуляторами лейкоцитарной инфильтрации. В первую очередь это касается компонентов системы комплемента и калликреин-кининовой.

Лизосомальные ферменты, в зависимости от концентрации, могут и сами усиливать или угнетать миграцию нейтрофилов. В отношении фагоцитоза нейтральные протеиназы также обладают рядом эффектов. В частности, эластаза может об­разовывать опсонин С3b; С3b является также важным для адгезии частиц к поверхности нейтрофила. Следовательно, нейтрофил сам обеспечивает себе механизм усиления фагоцитоза. Как катепсин G, так и эластаза повышают сродство Fc-рецептора мембраны нейтрофила к комплексам иммуноглобулинов и, соответственно, усиливают эффективность поглощения частиц.

Благодаря также способности лизосомальных ферментов активировать системы комплемента, калликреин-кининовую, свертывания и фибринолиза, высвобождать цитокины и лимфокины, воспаление развертывается и самоподдерживается в течение длительного времени.

Важнейшим свойствомнеферментных катионных белков, содержащихся как в азурофильных, так и в специфических гранулах нейтрофилов, являетсяих высокая микробицидность. В этом отношении они находятся в синергистическом взаимодействии с системой миелопероксидаза - перекись водорода. Катионные белки адсорбируются на отрицательно заряженной мембране бактериальной клетки путем электростатического взаимодействия. В результате этого нарушаются проницаемость и структура оболочки и наступает гибель микроорганизма, что является предпосылкой для последующего эффективного лизиса его лизосомальными протеиназами. Высвободившиеся внеклеточно катионные белки опосредуют повышение проницаемости сосудов (главным образом путем индукции дегрануляции тучных клеток и высвобождения гистамина), адгезию и эмиграцию лейкоцитов.

Главным источникомцитокинов (монокинов) при воспалении являются стимулированные моноциты и макрофаги. Кроме того, эти полипептиды продуцируются нейтрофилами, лимфоцитами, эндотелиальными и другими клетками. Наиболее изученными из цитокинов являются интерлейкин-1(ИЛ-1) и фактор некроза опухоли (ФНО). Цитокины повышают сосудистую проницаемость (неитрофилзависимым путем), адгезию и эмиграцию лейко­цитов. Наряду с провоспалительными свойствами цитокины могут иметь значение и в непосредственной защите организма, стимулируя нейтрофилы и моноциты к умерщвлению, поглощению и перевариванию внедрившихся микроорганизмов, а также усиливая фагоцитоз путем опсонизации патогенного агента.

Стимулируя раневое очищение, пролиферацию и дифференцировку клеток, цитокины усиливают репаративные процессы. Наряду с этим они могут опосредовать тканевую деструкцию (деградацию хрящевого матрикса и резорбцию кости) и, таким образом, играть роль в патогенезе заболеваний соединительной ткани, в частности ревматоидного артрита.

Действие цитокинов вызывает также ряд метаболических эффектов, лежащих в основе общих проявлений воспаления - лихорадки, сонливости, анорексии, изменения обмена веществ, стимуляции гепатоцитов к усиленному синтезу белков острой фазы, активации системы крови и т. д.

Цитокины взаимодействуют между собой, с простагландинами, нейропептидами и другими медиаторами.

К медиаторам воспаления относится также рядлимфокинов - полипептидов, продуцируемых стимулированными лимфоцитами. Наиболее изученными из лимфокинов, модулирующих воспалительный ответ, являются фактор, угнетающий макрофаги, макрофагактивирующий фактор, интерлейкин-2. Лимфокины координируют взаимодействие нейтрофилов, макрофагов и лимфоцитов, регулируя таким образом воспалительную реакцию в целом.

Активные метаболиты кислорода, прежде всего свободные радикалы - супероксидный анион радикал, гидроксильный радикал НО, пергидроксил, вследствие наличия на их внешней орбите одного или нескольких непарных электронов обладают повышенной реактивностью с другими молекулами и, следовательно, значительным деструктивным потенциалом, который имеет значение в патогенезе воспаления. Источником свободных радикалов, а также других кислородпроизводных медиаторов и модуляторов воспаления - перекиси водорода (Н 2 0 2), синглетного кислорода (f0 2), гипохлорида (НОС1) служат: дыхательный взрыв фагоцитов при их стимуляции, каскад арахидоновой кислоты в процессе образования эйкозаноидов, ферментные процессы в эндоплазматическом ретикулуме и пероксизомах, митохондриях, цитозоле, а также самоокисление малых молекул, таких, как гидрохиноны, лейкофлавины, катехоламины и др.

Роль активных метаболитов кислорода в воспалении состоит, с одной стороны, в повышении бактерицидной способности фагоцитов и, с другой стороны, - в их медиаторной и модуляторной функциях. Медиаторная роль активных метаболитов кислорода обусловлена их способностью вызывать перекисное окисление липидов, окисление белков, углеводов, повреждение нуклеиновых кислот. Указанные молекулярные изменения лежат в основе вызываемых активными метаболитами кислорода явлений, характерных для воспаления, - повышения проницаемости сосудов (вследствие повреждения эндотелиальных клеток), стимуляции фагоцитов.

Модуляторная ролъ, активных метаболитов кислорода может заключаться как в усилении воспалительных явлений (путем индукции высвобождения ферментов и взаимодействия с ними в повреждении ткани; не только инициации, но и модуляции каскада арахидоновой кислоты), так и в противовоспалительных эффектах (за счет инактивации лизосомальных гидролаз и других медиаторов воспаления).

Важное значение имеют активные метаболиты кислорода в поддержании хронического воспаления.

К медиаторам и модуляторам воспаления относят такженейропептиды - вещества, высвобождаемые С-волокнами в результате активации воспалительным агентом полимодальных ноцицепторов, играющих важную роль в возникновении аксонрефлексов в конечных разветвлениях первичных афферентных (чувствительных) нейронов. Наиболее изученными являются вещество Р, кальцитонин-генсвязанный пептид, нейрокинин А. Нейропептиды повышают проницаемость сосудов, и этаих способность во многом опосредована медиаторами, происходящими из тучных клеток. Между немиелинными нервами и тучными клетками имеются мембранные контакты, которые обеспечивают сообщение центральной нервной системы с очагом воспаления.

Нейропептиды синергистически взаимодействуют в повышении проницаемости сосудов как между собой, так и с гистамином, брадикинином, С5а, фактором, активирующим тромбоциты, лейкотриеном В4; антагонистически - с АТФ и аденозином. Они оказывают также потенцирующее воздействие на привлечение и цитотоксическую функцию нейтрофилов, усиливают адгезию нейтрофилов к эндотелию венул. Кроме того, нейропептиды повышают чувствительность ноцицепторов к действию различных медиаторов, в частности простагландина Е2 и простациклина, участвуя, таким образом, в воссоздании воспалительной боли.

Кроме вышеперечисленных веществ к медиаторам воспаления относятся также ацетилхолив и катехоламины, высвобождающиеся при возбуждении холин- и адренергических структур. Ацетилхолин вызывает расширение сосудов и играет роль в аксонрефлекторном механизме артериальной гиперемии при воспалении. Норадреналин и адреналин тормозят рост сосудистой проницаемости, выступая главным образом как модуляторы воспаления.

Опухолевый рост является следствием нарушения тканевого гомеостаза, поддерживаемого балансом клеточной пролиферации и гибели (апоптоза). Увеличение клеточной массы опухоли может быть обусловлено как усилением пролиферации, так и угнетением апоптоза. Вероятность «сбоев» в механизмах поддержания этого гомеостаза вполне реальна в условиях канцерогенного воздействия факторов внешней среды.

Наследуемые нарушения механизмов тканевого гомеостаза обусловлены теми или иными повреждениями структуры ДНК.

Нормальная делящаяся клетка с поврежденной ДНК либо прекращает деление до полной репарации повреждений, либо самоуничтожается (апоптоз). Последний вариант предпочтительней, поскольку потеря клетки может не иметь никаких последствий. Сохранение такой клетки таит для организма смертельную угрозу возникновения клона дефектных (потенциально опухолевых) клеток. Опухолевый рост возможен лишь тогда, когда дефектные клетки способны «проскальзывать» через защитный барьер апоптоза.

Ниже приведено краткое описание нарушений, обусловливающих трансформацию нормальных клеток в злокачественные.

В организме существуют два типа физиологической регуляции клеточного размножения - эндокринная и паракринная (рис. 12.1). Регуляторные молекулы секретируются клеткой и действуют вовне (через кровоток, на соседние клетки или себя). Утолщенные полукружия, изображенные на поверхности клеточной мембраны, - рецепторные участки.

Эндокринная регуляция.

Она осуществляется железами внутренней секреции (гипофиз, надпочечники, щитовидная, околощитовидная, поджелудочная и половые железы). Они секретируют продукты своей активности в кровь и оказывают генерализованное воздействие на весь организм.

Паракринная регуляция.

В отличие от эндокринной паракринная регуляция заключается в том, что секретаруемые клетками активные вещества распространяются за счет диффузии и действуют на соседние клетки-мишени. Так действуют, например, митогенные стимуляторы (полипептидные ростовые факторы) - эпидермальный фактор роста, фактор роста тромбоцитов, интерлейкин-2 (фактор роста Т-клеток), фактор роста нервов и т.д.

Рис. 12.1. Схема эндокринной (а), паракринной (б) и аутокринной (в) регуляции

Аутокринная регуляция.

Она отличается от паракринной регуляции тем, что одна и та же клетка является источником ростового фактора и его мишенью. В результате может возникать феномен непрекращающегося, самоподдерживающегося митогенного «возбуждения» клетки, приводящего к нерегулируемому размножению. Клетка не нуждается во внешних митогенных стимулах и становится полностью автономной. С помощью аутокринной регуляции можно объяснить механизмы канцерогенеза. Для этого вначале разъясним понятие, называемое митогенной «рефлекторной дугой».

Рис. 12.2. «Рефлекторная дуга» митогенного сигнала

В регуляции сложных систем, как бы различны они не были, обнаруживаются общие черты. Между рефлекторной активностью организма и митотической активностью клетки есть принципиальное сходство (рис. 12.2).

Суть заключается в том, что на периферии системы (организм, клетка) существуют различные специализированные рецепторы (глаз, ух о, тактильные и обонятельные - в первом случае; рецепторы ростовых факторов - во втором); воспринимаемые ими внешние сигналы передаются внутрь системы (в виде импульсов по чувствительным нервам или в виде каскадов реакций фосфорилирования); затем происходит обработка сигнала в центре (центральной нервной системе пли в клеточном ядре) и информация центробежно (в виде импульсов по двигательным нервам или с помощью молекул мРНК) поступает к исполнительным органам и индуцирует их активность (двигательную, секреторную - в первом случае и митотическую - во втором).

Перенос митогенного сигнала от периферии клетки к ее ядру осуществляется в виде каскада реакций фосфорилирования посредством протеин-киназ (ферментов, фосфорилирующих белки). Существует три типа протеинкиназ (тирозиновые, сери новые и треониновые) по их способности фосфорилировать определенные аминокислоты. Фосфатные группы играют роль молекулярных переключателей: меняя конформацию определенных белковых структур (доменов), они могут «включать» или «выключать» их активность (имеются в виду ферментативная активность, ДНК-связывающая способность и способность образовывать белок-белковые комплексы).

Центростремительная волна митогенной импульсации в максимально упрощенном виде сводится к передаче фосфатной группы наподобие эстафетной палочки от одной протеин-киназы к другой. В конечном итоге она достигает ядерных регуляторных белков, активирует их посредством фосфорилирования и тем самым индуцирует перепрограммирование генома. Необходимо отметить, что активность протеинкиназ практически на любом этапе переноса митогенного сигнала уравновешивается активностью противодействующих им ферментов --дефосфорилирующих белки фосфатаз. Баланс позитивных и негативных эффектов - фундаментальное свойство регуляции клеточного деления, проявляемое на любом его уровне.

Противоположно направленный (центробежный, из ядра в цитоплазму) поток информации в виде молекул мРНК обусловливает специфическую реакцию клетки на митогенный сигнал - синтезируется множество новых белков, выполняющих структурные, ферментативные и регуляторные функции.

В структуре многих сигнальных белков существуют своеобразные «стыковочные узлы» разных типов, предназначенные для белок-белковых взаимодействий. Поскольку одна молекула может обладать несколькими такими участками, то существует возможность самосборки очень сложных многокомпонентных конструкций, необходимых для переноса сигнала и для регуляции транскрипции. Присоединение к конструкции новых элементов иногда обозначают термином «рекрутирование». Одни и те же структурные блоки могут формировать существенно разные конструкции, что наделяет систему функциональной гибкостью и свойством взаимозаменяемости отдельных ее элементов.

Нерегулируемое размножение трансформированной клетки можно представить, если продолжить аналогию с рефлекторной дугой, как следствие возникновения очага «застойного» возбуждения в том или ином звене пути переноса митогенного сигнала. Повреждение гена и, как следствие, структурный дефект какого-либо из сигнальных белков, способный зафиксировать его в постоянно активном состоянии (т.е. сделать независимым от «вышестоящих» регуляторных инстанций), - один из главных механизмов канцерогенеза.

Нормальные гены, участвующие в переносе митогенного сигнала и потенциально способные на такое превращение, называются протоонкогенами.

Баланс позитивных и негативных факторов, как уже отмечалось выше, - фундаментальное свойство любой сложной регуляторной системы, в том числе и управляющей клеточным делением. Протоонкогены - элементы позитивной регуляции; они являются акселераторами клеточного деления и в случае превращения в онкогены проявляют себя как доминантный признак.

Вместе с тем в давних опытах по образованию гетерокарионов (продуктов слияния клеток в культуре) установлено, что свойство туморогенности (способности образовывать опухоли при перевивке животным) ведет себя как признак рецессивный - гетерокарионы. образованные слиянием нормальных и трансформированных (опухолевых) клеток, ведут себя как нормальные. Таким образом, в нормальных клетках явно присутствуют факторы, тормозящие клеточное деление и способные при внесении в опухолевую клетку нормализовать ее. Многие из этих белковых факторов идентифицированы; кодирующие их гены получили название генов-супрессоров.

Рис. 12.3. Схема клеточного цикла (пояснения в тексте)

Итак, полная трансформация клетки является следствием нескольких генетических событий - активации онкогена(ов) и инактивации гена(ов), осуществляющих супрессорные функции.

В основе канцерогенеза лежит нарушение цикла деления. Клетки организма находятся в одном из трех возможных состояний (рис. 12.3):

1. в цикле;
2. в стадии покоя с сохранением возможности вернуться в цикл;
3. в стадии окончательной дифференцировки, при которой способность делиться полностью утрачена (таковы, например, нейроны головного мозга). Образовывать опухоли могут, естественно, только клетки, способные делиться.

Цикл удвоения разных клеток человека существенно варьирует: от 18 ч у клеток костного мозга до 50 ч у клеток крипт толстой кишки. Основными его периодами являются митоз (М) и синтез ДНК (фаза S), между которыми выделяют два промежуточных периода - G, и G 2 . Вовремя интерфазы (период между двумя делениями) клетка растет и готовится к митозу.

На протяжении фазы G 1 существует ответственный момент (так называемая точка рестрикции R), когда решается, войдет ли клетка в следующий цикл деления или предпочтет стадию покоя G 0 , в которой она может находиться неопределенно долго. Как уже упоминалось, окончательно дифференцированные клетки постоянно находятся в стадии покоя, тогда как сохранившие способность к делению могут вернуться в цикл при соответствующей стимуляции внешними факторами, причем последующие этапы совершаются автоматически.

В отличие от «асоциальной» опухолевой клетки нормальная клетка подчиняется исходящим из организма сигналам (митогенный стимул). Если в определенный момент у нормальной клетки есть необходимые условия (достаточная масса и содержание белков, концентрация кальция, обеспеченность питательными веществами) и она к тому же получает митогенный стимул, то она вступает в очередной цикл деления. В отсутствие внешнего сигнала нормальная клетка выходит из цикла и в этом заключается ее коренное отличие от клетки опухолевой, которая побуждается к делению эндогенными стимулами.

При делении клетки есть два критически важных момента: фаза синтеза ДНК и вхождение в митоз, когда действуют своеобразные «контрольно-пропускные пункты» (checkpoints ). В этих «пунктах» проверяется готовность к удвоению (репликации) ДНК (в первом случае) и завершенность репликации (во втором случае). Если в клетке ДНК повреждена, то ее удвоение блокируется перед началом деления. Следовательно, блокируется этап, способный закрепить повреждения ДНК и передать их потомству. Аналогичная цель достигается апоптозом, причем какой путь выберет клетка (блокировку деления или апоптоз) зависит от многих условий.

Процесс репликации ДНК продолжается несколько часов. За это время весь генетический материал должен быть воспроизведен абсолютно точно. В случае каких-либо отклонений продвижение клетки в цикле блокируется или она может подвергнуться апоптозу. Если же дефектны сами «контрольно-пропускные пункты», то дефекты генома не устраняются, передаются потомству и возникает опасность злокачественной трансформации клетки.

Как говорилось ранее, для деления клетки необходим митогенный сигнал, перенос которого - процесс многоэтапный.

В зависимости от типа клетки и конкретного митогенного стимула реализуется один из множества сигнальных путей. Например, ростовые факторы действуют путем, опосредованным тирозинпротеинкиназными рецепторами и MAP (mitogen activated protein) - киназным каскадом, т.е. каскадом реакций фосфорирования, возникающим как следствие митогенной активации клетки.

Ростовые факторы (регуляторы пролиферации).

Ростовые факторы секретируются одними клетками и действуют паракринным образом на других. Это небольшие белки; полипептидная цепь EGF (epidermal growth factor) состоит, например, из 53 аминокислот. Существует несколько семейств ростовых факторов, члены каждого из которых объединены структурной гомологией и функциональным сходством. Одни из них стимулируют пролиферацию (например, EGF и PDGF - platelet-derived growth factor, тромбоцитарный фактор роста), а другие (TGF-p, TNF, интерфероны) - подавляют ее.

Рецепторы к ростовым факторам.

Рецепторы расположены на клеточной поверхности. Каждая клетка обладает своим особым набором рецепторов и соответственно - набором ответных реакций. Тирозинкиназные рецепторы состоят из нескольких доменов: внеклеточного (взаимодействующего с лигандом), трансмембранного и подмембранного, обладающего тирозин-протеинкиназной активностью.

При связывании с ростовыми факторами (например EGF) молекулы рецепторов инициируют реакции, вследствие чего возникает трансмембранный перенос сигнала - зарождение той волны «возбуждения», которая распространяется затем в виде каскада реакций фосфорилирования внутрь клетки и благодаря которой митогенный стимул достигает в конце концов генетического аппарата ядра.

Ras-белки..

Одним из наиболее важных является сигнальный путь с участием Ras-белков (это подсемейство так называемых G-белков, образующих комплексы с гуаниловыми нуклеотидами; Ras-GTP - активная форма, Ras-GDP - неактивная). Этот путь один из основных в регуляции клеточного деления у высших эукариот - настолько консервативен, что его компоненты способны заменить соответствующие гомологи в клетках дрозофилы, дрожжей и нематод. Он опосредует разнообразные сигналы, исходящие из внешней среды, и функционирует, по всей вероятности, в каждой клетке организма. Ras-белки играют роль своеобразного турникета, через который должен пройти почти любой из поступающих в клетку сигналов. Критическая роль этого белка в регуляции клеточного деления известна с середины 80-х г. XX в., когда активированная форма соответствующего гена (онкоген Ras) была обнаружена во многих опухолях человека.

Ras-опосредованный сигнальный путь контролирует так называемый МАР-киназный каскад. Активность ферментов, участвующих в киназных каскадах, уравновешивается активностью противодействующих им и находящихся под столь же строгим контролем фосфатаз. Результатом активации МАР-киназ является индукция ряда факторов транскрипции и, как следствие, стимуляция активности ряда генов.

Таким образом, если в нормальной клетке активная конформация сигнального белка формируется лишь под воздействием внешнего стимула и имеет транзиторный характер, то в клетке трансформированной (и ее клонах) она закреплена постоянно.

Пролиферация является завершающей фазой развития воспаления, обеспечивающей репаративную регенерацию тканей на месте очага альтерации.

Пролиферация развивается с самого начала воспаления наряду с явлениями альтерации и экссудации.

Размножение клеточных элементов начинается по периферии зоны воспаления, в то время как в центре очага могут еще прогрессировать явления альтерации и некроза.

Полного развития пролиферация соединительнотканных и органоспецифическихклеточных элементов достигает после "очистки" зоны повреждения от клеточного детрита и инфекционных возбудителей воспаления тканевыми макрофагами и нейтрофилами. В связи с этим следует отметить, что процессу пролиферации предшествует образование нейтрофильного и моноцитарного барьеров, которые формируются по периферии зоны альтерации.

Восстановление и замещение поврежденных тканей начинается с выхода из сосудов молекул фибриногена и образования фибрина, который формирует своеобразную сетку, каркас для последующего клеточного размножения. Уже по этому каркасу распределяются в очаге репарации быстро образующиеся фибробласты.

Деление, рост и перемещение фибробластов возможно только после их связывания с фибрином или коллагеновыми волокнами. Эта связь обеспечивается особым белком - фибронектином.

Размножение фибробластов начинается по периферии зоны воспаления, обеспечивая формирование фибробластического барьера. Сначала фибробласты - незрелые и не обладают способностью синтезировать коллаген. Созреванию предшествует внутренняя структурно-функциональная перестройка фибробластов: гипертрофия ядра и ядрышка, гиперплазия ЭПС, повышение содержания ферментов, особенно щелочной фосфатазы, неспецифической эстеразы, b-глюкуронидазы. Только после перестройки начинается коллагеногенез.

Интенсивно размножающиеся фибробласты продуцируют кислые мукополисахариды - основной компонент межклеточного вещества соединительной ткани (гиалуроновую кислоту, хондроитинсерную кислоту, глюкозамин, галактозамин).

При этом зона воспаления не только инкапсулируется, но и возникает постепенная миграция клеточных и бесклеточных компонентов соединительной ткани от периферии к центру, формирование соединительнотканного остова на месте первичной и вторичной альтерации.

Наряду с фибробластами размножаются и другие тканевые и гематогенные клетки. Из тканевых клеток пролиферируют эндотелиальные клетки, которые формируют новые капилляры. Вокруг новообразующихся капилляров концентрируются тучные клетки, макрофаги, нейтрофилы, которые освобождают биологически активные вещества, способствующие пролиферации капилляров.

Фибробласты вместе с вновь образованными сосудами образуют грануляционную ткань. Это, по существу, молодая соединительная ткань, богатая клетками и тонкостенными капиллярами, петли которых выступают над поверхностью ткани в виде гранул.

Основными функциями грануляционной ткани являются: защитная - предотвращает влияние факторов окружающей среды на очаг воспаления, и репаративная - заполнение дефекта и восстановление анатомической и функциональной полноценности поврежденных тканей.

Формирование грануляционной ткани не строго обязательно. Это зависит от величины и глубины повреждения. Грануляционная ткань обычно не развивается при заживлении ушибленных кожных ранок или мелких повреждений слизистой оболочки (Кузин М.И., Костюченок Б.М. и др.,1990).

Грануляционная ткань постепенно превращается в волокнистую ткань, называемую рубцом.

В рубцовой ткани уменьшается количество сосудов, они запустевают, уменьшается количество макрофагов, тучных клеток, снижается активность фибробластов.

Небольшая часть клеточных элементов, располагающаяся среди коллагеновых нитей, сохраняет активность. Предполагают, что сохранившие активность тканевые макрофаги принимают участие в рассасывании рубцовой ткани и обеспечивают формирование более мягких рубцов.

Параллельно с созреванием грануляций происходит эпителизация раны. Она начинается в первые часы после повреждения, и уже в течение первых суток образуются 2-4 слоя клеток базального эпителия.

Скорость эпителизацииобеспечиваетсяследующими процессами: миграцией, делением и дифференцировкой клеток. Эпителизация небольших ран осуществляется в основном за счет миграции клеток из базального слоя. Раны более крупные эпителизируются за счет миграции и митотического деления клеток базального слоя, а также дифференцировки регенерирующего эпидермиса. Новый эпителий образует границу между поврежденным и подлежащим слоем, он препятствует обезвоживанию тканей раны, уменьшению в ней электролитов и белков, а также предупреждает инвазию микроорганизмов.

В процессе пролиферации участвуют и органоспецифические клеточные элементы органов и тканей. С точки зрения возможностей пролиферации органоспецифических клеточных элементов все органы и ткани могут быть расклассифицированы на три группы:

К первой группе могут быть отнесены органы и ткани, клеточные элементы которых обладают активной или практически неограниченной пролиферацией, достаточной для полного восполнения дефекта структуры в зоне воспаления (эпителий кожи, слизистых оболочек дыхательных путей, слизистой желудочно-кишечного тракта, мочеполовой системы, гемопоэтическая ткань и др.).

Ко второй группе относятся ткани с ограниченными регенерационными способностями (сухожилия, хрящи, связки, костная ткань, периферические нервные волокна).

К третьей группе относятся те органы и ткани, где органоспецифические клеточные элементы не способны к пролиферации (сердечная мышца, клетки ЦНС).

Факторами, стимулирующими развитие процессов пролиферации являются:

1. Проколлаген и коллагеназа фибробластов взаимодействующие по типу ауторегуляции и обеспечивающие динамическое равновесие между процессами синтеза и разрушения соединительной ткани.

2. Фибронектин, продуцируемый фибробластами, детерминирует миграцию, пролиферацию и адгезию клеток соединительной ткани.

3. Фактор стимуляции фибробластов, секретируемый тканевыми макрофагами, обеспечивает размножение фибробластов и их адгезивные свойства.

4. Цитокины мононуклеаров стимулируют пролиферативные процессы в поврежденной ткани (ИЛ-1, ФНО, эпидермальный, тромбоцитарный, фибробластический факторы роста хемотаксические факторы). Некоторые цитокины могут ингибировать пролиферацию фибробластов и образование коллагена.

5. Пептид гена, родственного кальцитонину, стимулирует пролиферацию эндотелиальных клеток, а субстанция Р индуцирует выработку ФНО в макрофагах, что приводит к усиленному ангиогенезу.

6. Простагландины группы Е потенцируют регенерацию путем усиления кровоснабжения.

7. Кейлоны и антикейлоны, продуцируемые различными клетками, действуя по принципу обратной связи, могут активировать и угнетать митотические процессы в очаге воспаления (Бала Ю.М., Лифшиц В.М., Сидельникова В.И., 1988).

8. Полиамины (путресцин, спермидин, спермин), обнаруживаемые во всех клетках млекопитающих жизнено необходимы для роста и деления клеток.

Они обеспечивают стабилизацию плазматических мембран и суперспиральной структуры ДНК, защиту ДНК от действия нуклеаз, стимуляцию транскрипции, метилирование РНК и связывание ее с рибосомами, активацию ДНК-лигаз, эндонуклеаз, протеинкиназ и многие другие клеточные процессы. Усиленный синтез полиаминов, способствующих пролиферативным процессам, отмечается в очаге альтерации (Березов Т.Т., Федорончук Т.В., 1997).

9. Циклические нуклеотиды: цАМФ ингибирует, а цГМФ активирует процессы пролиферации.

10. Умеренные концентрации биологически активных веществ и ионов водорода являются стимуляторами регенераторных процессов.

Еще по теме Механизмы развития пролиферации в очаге воспаления:

1. Общая характеристика и механизмы развития сосудистых реакций в очаге острого воспаления. Механизмы активации тромбообразования в очаге воспаления
2. Механизмы эмиграции лейкоцитов. Роль лейкоцитов в очаге воспаления
3. Нервно-трофические влияния и пролиферация при воспалении
4. Особенности нарушения обмена веществ в очаге воспаления
5. Молекулярно-клеточные механизмы развития первичной и вторичной альтерации. Классификация медиаторов воспаления. Характеристика их биологического действия
6. Особенности развития воспалительной реакции в зависимости от локализации воспаления, реактивности организма, характера этиологического фактора. Роль возраста в развитии воспаления

Можно считать доказанным, что исходным элементом всей системы клеток крови является стволовая клетка, полипотентная, способная к многочисленным разнообразным дифференцировкам и в то же время обладающая способностью к самоподдержанию, т. е. к пролиферации без видимой дифференцировки.

Отсюда следует, что принципы управления системой кроветворения должны обеспечивать такую ее регуляцию, в результате которой при стабильном кроветворении выполняются следующие два основных условия: число продуцируемых клеток каждого типа постоянно и строго соответствует числу погибших зрелых клеток; число стволовых клеток постоянно, и образование новых стволовых клеток точно соответствует числу их, ушедших в дифференцировку.

Еще более сложные задачи решаются при стабилизации системы после возмущающего воздействия. В этом случае число образующихся стволовых клеток должно превышать число ушедших в дифференцировку до тех пор, пока величина отдела не достигает исходного уровня, после чего вновь должны быть установлены сбалансированные отношения между числом новообразующихся и дифференцирующихся стволовых клеток.

С другой стороны, дифференцировка стволовых клеток должна регулироваться так, чтобы восстановить число зрелых клеток только того ряда, который оказался уменьшенным (например, эритроидные клетки после кровопотери) при стабильной продукции других клеток. И здесь после усиленного новообразования данной категории клеток ее продукция должна быть снижена до сбалансированного уровня.

Количественная регуляция кроветворения , т. е. обеспечение образования необходимого числа клеток нужного типа в определенное время, осуществляется в последующих отделах, прежде всего в отделе коммитированных предшественников.

Стволовая клетка обладает двумя основными свойствами: способностью к самоподдержанию, достаточно длительному, сравнимому со временем существования всего многоклеточного организма, и способностью к дифференцировке. Так как последняя, видимо, необратима, «принявшая решение» о дифферсицировке стволовая клетка необратимо покидает отдел.

Итак, важнейшая проблема регуляции в этом отделе состоит в том, чтобы при повышении запроса дифференцировке нe подвергались бы все стволовые клетки, после чего регенерация кроветворения оказалась бы невозможной в связи с истощением способных к самоподдержанию элементов, так как клетки всех последующих отделов к длительному самоподдержанию не способны. Такая регуляция в организме действительно существует. После облучения в высоких дозах практически вся кроветворная система погибает. Между тем, например, у мыши, регенерация возможна после того, как облучением уничтожено 99,9% всех стволовых клеток (Bond е. а., 1965). Несмотря на огромный запрос на дифференцировку, сохранившиеся 0,1% стволовых клеток восстанавливают свое число и обеспечивают резкое повышение дифференцировки клеток последующих отделов.