Ткань живого организма, изучение, понятия профилактика заболеваний

Февраль 2011

Для понимания структурно-функциональной специфики элас­тической ткани особое значение имеют представления об осо­бенностях ее архитектоники в различных тканях и органах. Они были сформулированы в основном в классический период раз­вития микроскопической анатомии и предложенные еще в 20—30-х годах схемы структурной организации эластической ткани, ос­нованные на реконструкции в объеме данных световой микро­скопии без существенных дополнений приведены в современных учебниках и руководствах. В последние годы, однако, благодаря использованию сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) получены новые интересные сведения о трехмерном взаимоот­ношении волокон, входящих в состав некоторых органов, уль­траструктуре их поверхности, а также о тонком строении эла­стических мембран стенки артерий [Шехтер А. Б. и др, 1976; 1978; Нестайко Г. В. и др, 1976; Gotte L. et al, 1977; Car­ries W. H. et al, 1977; Kadar A, 1977]. Эластические структуры в ткани окружены другими клеточ­ными и неклеточными компонентами, поэтому успехи в СЭМ были достигнуты благодаря разработке методов удаления этих компонентов, не нарушающих, однако, строения эластической ткани. Адекватными для этой цели оказались модифицирован­ный метод Лансинга, основанный на применении щелочного гидролиза [Gotte L. et al, 1972], метод ферментативного гид­ролиза ГМК и основного вещества артериальной стенки [Шех­тер А. Б. и др, 1976] и метод автоклавирования после обра­ботки бромидом натрия [Tsuji Т. et al, 1979]. Изучение в СЭМ эластической ткани выйной связи быка по­казало, что она состоит из волокон цилиндрической формы, диаметром 1—3 мкм, расположенных параллельно друг другу и ориентированных преимущественно вдоль длинной оси связки. В отдельных участках эти волокна переплетаются друг с другом или соединяются при помощи более тонких волокон [Gotte L. et al., 1972, 1977; Kadar A., 1977]. M. A. Kewley и соавт. (1977) обнаружили, что эластические волокна связки в свою очередь состоят из тонких фибрилл толщиной около 120 нм (0,12 мкм). Существенным отличием эластической ткани средней оболоч­ки магистральных артерий является то, что она представлена в основном специфическими мембранами, играющими важную роль в обеспечении основной функции этих сосудов: передаче пульсовой волны и превращении пульсового потока крови в бо­лее равномерный. Понятие об эластических мембранах сформу­лировалось в основном под влиянием данных по изучению плос­костных препаратов [Benninghoff А, 1930]. По этим представ­лениям мембраны состоят из беспорядочной сети тонких воло­конец, погруженных в гомогенное эластическое вещество, и име­ют особые «оконца». Авторы, использовавшие трансмиссионную электронную микроскопию [Piase D. С, Paul W. J, 1960; Kar - rer H. E, 1961; Keech M. K., I960; Rees P. M, 1968], в подав­ляющем большинстве случаев отмечали гомогенную структуру мембран.

Возможно, наиболее характерной для эластина в отличие от микрофибриллярного компонента является окраска железным гематоксилином Вергофа, так как он связывается лишенными эластина незрелыми волокнами, а также окситалановыми и элауниновыми волокнами (см. выше). Гистохимические реакции на углеводные компоненты (ШИК-реакция, альциановый си­ний), а также серебрение по Футу, напротив, характерны для ранних стадий развития эластических волокон и исчезают по мере их созревания, оставаясь только на самой периферии во­локна, где сохраняется микрофибриллярный компонент [Jen­sen J. С, Bertelsen S. V, 1961; Frankel H. et al, 1963; Ferreli A, 1965; Simone-Santaro J, Renda T, 1971; Nanov S„ Harisonova S, 1974]. При патологических состояниях (атеросклероз, латиризм, дефицит меди) интенсивность этих реакций может увеличивать­ся. Гистохимическая характеристика белковых компонентов эластических волокон также неспецифична, но связана с воз­растными особенностями ткани. В аорте реактив Шиффа окра­шивает эластические волокна у молодых животных, но не окра­шивает их у старых, что связывается с наличием а-аминоади – пинового полуальдегида [McCallum D. К, 1973]. Одним из методов дифференцировки эластических структур от других соединительнотканных волокон является люминесцен­тная микроскопия, благодаря более интенсивной первичной флюоресценции в нефиксированных срезах [Zanotti L, 1964] или окрашиванию некоторыми красителями, например данзил – гидразином [Keith D. A. et al, 1977]. Хорошие результаты дает и поляризационно-оптический метод Ромхани [Romhanyi G, 1962; Banga I, 1966], основанный на отрицательном двойном лучепреломлении эластина при анилиновой реакции. При этом анилин реагирует с микрофибриллярным компонентом, а не эластином.

Эласти­ческие структуры в тканях встречаются в виде двух морфоло­гически различных форм: волокон (легкие, кожа, склера, вены, эластические связки и хрящ) и мембран (артерии), причем толь­ко в средней оболочке сосудов эластического типа выйной связки быка (lig. nuchae) они обнаруживаются в больших ко­личествах. В других органах они в виде ветвящихся волокон различной толщины (от 0,2 до 5 мкм) располагаются среди количественно преобладающих коллагеновых волокон. На ги­стологических срезах эластические образования выявляются благодаря специфике тинкториальных свойств — избирательно­му окрашиванию резорцин-фуксином, альдегид-фуксином, ор – сеином и железным гематоксилином Вергофа. Несмотря на дли­тельный период изучения, в том числе при помощи современных методов исследования [Banga J., 1966; Keith D. A. et al, 1977], химические основы взаимодействия эластической ткани с этими красителями остаются неясными. Следует помнить об относительной специфичности тинкто­риальных методов. Так, резорцин-фуксин и орсеин окрашивают коллагеновые волокна при их «эластоидной дегенерации», в условиях возрастных и патологических изменений, в частно­сти, в коже и в атеросклеротической бляшке. Н. Puchtler и соавт. (1976) показали, что подобный «псевдоэластин» относится к коллагену III типа. По данным J. V. Stevanovich (1976), в участ­ках «эластоидной» дегенерации кожи ультраструктурно опре­деляется отложение гранулярного и тонковолокнистого мате­риала вокруг коллагеновых фибрилл, потеря ими исчерченности и гомогенизация.

Аргирофилия свойственна также незрелым коллагеновым во­локнам растущей соединительной ткани (эмбриональной или грануляционной). Эти волокна в конце XIX века получили названия аргирофильных, или преколлагеновых, так как счи­талось, что они являются предшественниками KB и по мере созревания подвергаются «коллагенизации». Считалось также возможной «коллагенизация» ретикулиновых волокон легких, печени и других тканей в процессе так называемого бесклеточ­ного склероза. Эти устаревшие представления встречаются в литературе и до настоящего времени. С современных позиций термин «преколлагеновые» в прило­жении к волокнам растущей ткани не является адекватным, так как последние сразу формируются как коллагеновые [Шех­тер А. Б., Истранов Л. П., 1970]. Некоторые тинкториальные отличия этих волокон от зрелых KB (аргирофилия, метахром­азия, отсутствие фуксинофилии) объясняются, как мы уже го­ворили (см. раздел 2.2.4), большим количеством углеводно – белковых компонентов их цементирующего вещества . В принципе зрелые коллагеновые волокна также об­ладают способностью восстанавливать серебро, что показано и в работе М. Snodgrass (1977). Однако интенсивность реакции вследствие небольшого содер­жания углеводных групп в цементирующем веществе сравни­тельно низка, что и обусловливает коричневую, а не черную ок­раску KB при импрегнации. До настоящего времени нередко объединяют ретикулярные волокна и незрелые коллагеновые волокна в единую группу по признаку аргирофилии, хотя первые являются дефинитивными образованиями зрелой ткани, а вторые — стадией в развитии зрелых коллагеновых волокон. Имеются между ними и струк­турно-химические отличия: незрелые коллагеновые волокна не ветвятся, отличаются ультраструктурными особенностями, мета – хромазией и т. д. В то же время аргирофильные волокна незре­лой ткани, как и ретикулярные волокна, состоят из коллагена III типа, сменяясь затем волокнами, состоящими из коллагена I типа (см. раздел 2.2.1). Возможно, общность первичной струк­туры коллагена обусловливает общие черты на более высоких уровнях организации, например толщину фибрилл, способ взаи­модействия с углеводно-белковым компонентом, что и опреде­ляет особенности структуры и гистохимии волокон.

Следует отметить, что тенденция к спиралевидному (жгуто – образному) скручиванию фибрилл в волокне, иногда волокон в пучке отмечается во многих тканях: в сосудах, сухожилиях, коже, склере . Это выявляет одну весьма характер­ную особенность коллагеновых образовйний формирование спи­рали буквально на всех уровнях организации: спиральная по­липептидная цепь, трехцепочечная суперспираль молекулы коллагена, спиральное скручивание молекул в первичном фи – ламенте, а также филаментов и субфибрилл в фибрилле (см. раздел 2.2.3) и, наконец, частое скручивание фибрилл в волокне и волокон в пучке. Как известно, спираль является одной из наиболее важных форм структурной организации живой материи на молекулярном уровне, но только у коллагена отмечается тенденция к спирализации на более высоких уровнях. В техни­ке такая структура (канат, трос) применяется там, где нужна максимальная прочность, так как она ограничивает скольжение составных элементов друг относительно друга при натяжении. Такая сверхпрочная конструкция, очевидно, необходима и для опорной функции соединительной ткани, испытывающей очень большие биомеханические нагрузки (достаточно вспомнить уни­кальные достижения современных спортсменов). Изучение соединительной ткани в СЭМ подтверждает также еще один важный принцип — соответствие направления волокон длинной оси фибробластов не только в зрелой, но и в форми­рующейся ткани. По-видимому, ориентация клеток определяет направление, а следовательно, и архитектонику волокон и пуч­ков. Учитывая способности клеток к движению, можно с опре­деленной долей вероятности предположить, что фибробласт иг­рает роль не только «строителя», но и «архитектора» своего микроокружения, а совокупность клеток создает архитектуру ткани в целом.

Однако новые данные о структуре коллагеновых фибрилл, из­ложенные в этом и предыдущем разделах, не согласуются с «напластованием» молекул. Большинство современных исследо­вателей’ считают, что фибрилла образуется путем соединения бок в бок первичных агрегатов молекул (филаментов, прото-или микрофибрилл). Диаметр ее ограничивается, вероятно, про – теогликановым «чехлом». Колебания ширины коллагеновых фибрилл могут быть объяснены различной локальной концен­трацией факторов, регулирующих рост фибрилл: гликопротеи­нов, протеогликанов и др. Существование филаментов и субфибрилл в коллагеновых фибриллах в настоящее время вряд ли можно подвергнуть сомнению. Филаменты отчетливо видны на продольных и по­перечных срезах коллагеновых фибрилл (рис. 34). В условиях воспаления и при других патологических процессах отмечается разволокнение КФ на филаменты или субфибриллы . В 2.2.3 приводились сведения о диспергировании коллагеновых фибрилл на филаменты под воздействием ряда химических и физических факторов. Если вопрос о механизмах роста и ориентации коллагеновых фибрилл еще не решен окончательно, то проблема регуляции морфогенеза на тканевом уровне вовсе далека от решения. Практически отсутствуют надежные факты, которые бы смогли объяснить, каким образом генетическая программа реализуется при формировании весьма сложной иерархической тканевоспе – цифичной архитектоники соединительнотканных структур. Основные типы укладки KB в разновидностях соединитель­ной ткани изложены в руководствах по гистологии, детальное освещение этого вопроса не входит в задачу этой книги. Мы лишь кратко коснемся некоторых особенностей архитектоники коллагенсодержащих тканей.

Процесс фибриллогенеза в организме включает в себя слож­ный комплекс взаимодействия коллагена с ГАГ, их протеогли – канами и гликопротеинами. Хорошо известны факты опережаю­щего накопления ГАГ (сначала гиалуроновой кислоты, затем преимущественно сульфатированных), а также гликопротеинов там, где идет активный фибриллогенез: в эмбриональных тка­нях, при заживлении ран, фиброзирующих процессах и др. [Целлариус Ю. Г., 1957; Виноградов В. В., 1958, 1969; Фукс Б. Б., Фукс Б. И., 1968; Шехтер А. Б., 1971; Connel J., Low F., 1970]. Многочисленные работы посвящены выяснению характера влияния этих веществ на фибриллообразование in vitro и хи­мическим основам связывания [Keech М. К., 1961; Lowther D. А., 1963; Mathews М. В., 1965, 1977; Toole В. P., Lowther D. А., 1968; Obrink В., 1973; Nemeth-Csoka М., 1974, 1977; Schupp Е. et al., 1975; Toole В. P., 1976]. Экстраполяция полученных in vitro данных на фибриллогенез в организме требует известных допущений, но не оставляет сомнений, что ГАГ, протеогликаны и гликопротеины играют регулирующую роль в фибриллогенезе. С полным основанием можно допустить, что в зависимости от локальной концентра­ции протеогликанов и гликопротеинов на клеточной поверх­ности фибробластов и в различных участках межклеточного пространства, качественного их состава и соотношения сульфа – тированных и несульфатированных ГАГ и гликопротеинов, а также соотношения неколлагеновых веществ и коллагена усиливается или тормозится агрегация молекул коллагена, оп­ределяется длина, диаметр и ориентация фибрилл. Так как все вышеперечисленные компоненты, а также дегра­дирующие их ферменты секретируются фибробластами, то клет­ки на основе генетической программы и системы обратных свя­зей могут синхронизировать синтез этих веществ и менять их в динамике роста и старения соединительной ткани. Таким образом, вероятно, и происходит регуляция химических особен­ностей, структуры и функции тканей в эмбриогенезе. При за­живлении ран вследствие другого клеточного состава и быст­рого темпа развития соединительной ткани такой ^йординиро – ванный во времени и пространстве синтез может н? осуществ­ляться, что приводит к образованию неспецифических рубцово – фиброзных структур.

Другая распространенная точка зрения состоит в том, что в основе фибриллогенеза в организме лежит самосборка молекул в фибриллы, которая может происходить не только на клеточной поверхности, но везде, где есть соответствующий ионный состав. [Gross Z., 1974]. Согласно этому взгляду, генетическое коди­рование первичной структуры коллагена определяет вторичную, третичную и четвертичную (надмолекулярную) структуру вплоть до самых высших уровней, т. е. архитектоники ткани. S. Humph­reys и К. К. Porter (1976) показали, что при формировании кутикулы червя растворимый коллаген мигрирует на опреде­ленное расстояние от клетки н образует фибриллы на заранее сформированном материале из микрофибриллярного углеводно – белкового материала, похожего на базальную мембрану, кото­рый и рриентирует фибриллы. Дистанционное фибриллообразо – вание при секреции коллагенов эпителиальными и мезенхималь – ными клетками наблюдали, в том числе с меченным предшест­венником коллагеном другие авторы [Митин К. С., 1974; Hay Е. D., Revel J. P., 1963; Trelstad R„ Coulombre A., 1971; Hay F. D„ Dodson J. W., 1973; Breyan D. et al., 1977]. По-видимому, обе точки зрения не являются альтернативны­ми, так как в различных условиях (эмбриогенез, регенерация, культура тканей) и в разных тканях могут преобладать различ­ные способы агрегации и ориентации фибрилл, что мы и наблю­дали в наших исследованиях [Шехтер А. Б. и др., 1971— 1979]. В однослойных культурах фибробластов коллагеновые фиб­риллы появлялись преимущественно на наружных мембранах клеток, как это отмечали и другие исследователи, но это Связа­но с отсутствием там достаточного объема межклеточной среды. При этом коллагеновые фибриллы формировались в грануляр­ном или тонкофибриллярном мембраноподобном матриксе, оче­видно содержащем гликопротеины и ГАГ, который клетки об­разовывали предварительно на своей поверхности. В многослой­ных культурах, в культурах, растущих внутри коллагенового геля, и в организме коллагеновые фибриллы формировались не только вблизи клеточной поверхности, но и в достаточно об­ширных межклеточных пространствах, в хлопьевидном матрик­се. Следует отметить, что новообразованные коллагеновые фиб­риллы почти никогда не формировались среди фибрилл пред­шествующего коллагенового геля, последние также не росли в толщине за счет отложения новообразованного коллагена. Это свидетельствует о том, что для фибриллогенеза необходим соб­ственный матрикс, продуцируемый фибробластами и состоящий из ГАГ и гликопротеинов. Расстояние от клетки до места обра­зования КФ, по-видимому, имеет меньшее значение, чем каче­ственный состав этого предфибриллярного матрикса и концен­трация в нем необходимых для инициации процесса компо­нентов.

Изученный in vitro механизм фибриллообразования лишь час­тично может объяснить молекулярные и морфогенетические ос­новы фибриллогенеза в организме. Наиболее неясными остают­ся вопросы о ролн клеточной поверхности, ГАГ и гликопротеи – нов в этом процессе. Существует ряд гипотез о том, каким образом контролируется рост фибрилл в длину и толщину, их ориентация, упаковка в волокна и пучки н, наконец, сложная тканевая архитектоника, специфичная для отдельных разновид­ностей соединительной ткани. Эти гипотезы в принципе можно свести к двум основным точкам зрения. Первая и^ них основную роль в агрегации молекул и упоря­дочении фибрилл приписывает коллагенсинтезирующим клеткам, поверхность которых ускоряет фазу нуклеации и определяет ориентацию фибрилл. Окончательную толщину фибриллы при­обретают путем постепенного присоединения к ним раствори­мого коллагена. Эта точка зрения обоснована электронно-мик­роскопическими наблюдениями образования первых фибрилл на наружной мембране фибробластов и соответствия их ориентации клеточной оси [Виноградов В. В., 1969; Porter R. R., Papas J. D., 1959; Zellickson A. S. et al., 1963; Goldberg В., Green H., 1964; Goldberg В., 1974]. С этим согласуются современные представ­ления о поверхности фибробластов как о сложной рецепторной многофункциональной зоне, богатой различными физиологиче­ски активными соединениями (см. раздел 1.1.4). Некоторые авторы считают, что на клеточной поверхности может созда­ваться высокая концентрация ГАГ, связывающих коллагены и способствующих формированию фибрилл [Flint М. Н., 1972; Nemeth-Czoka М., 1974].

Механизм ауторегуляции имеет двухэтапный характер. На первом этапе продукты разрушения коллагена и клеток фаго­цитируются макрофагами, которые выделяют фиброгенетичес – кий фактор, усиливающий пролиферацию фибробластов и синтез коллагена (т. е. рост соединительной ткани). На втором этапе сформированные коллагеновые волокна, воздействуя на мембра­ны фибробластов, угнетают биосинтез коллагена и усиливают фиброклазию, предотвращая таким образом дальнейший рост со­единительной ткани, приводя к се перестройке и инволюции. Нарушение этого ауторегуляторного механизма ведет к патоло­гическим процессам (см. схему 5), особенно ярко представлен­ном при склерозе. 7 Большинство функций соединительной ткани как ткани внутренней среды является частью ее основной интегративной функции: обеспечение гомеостаза и гомеокинеза организма. Рассматривая соединительную ткань как систему (с точки зре­ния системного подхода) необходимо отметить ключевую роль кооперативного взаимодействия между всеми клеточными и неклеточными компонентами СТ в осуществлении гомеостатиче – ской функции. С этой точки зрения нами развиты представления о клетках соединительной ткани как о короткодистантных (ло­кальных) регуляторах своего микроокружения (функционально­го элемента, микрорайона или региона). Такая регуляция осу­ществляется с помощью растворимых медиаторов (циркулирую­щих в крови и местных) межклеточных контактов, нераствори­мых «твердых» медиаторов и продуктов распада клеток и тканей (см. раздел 3.1). Тканевая регуляция, осуществляемая путем взаимодействия между клетками одной и разных популяций, клетками компонентами матрикса, основана на кибернетиче­ских принципах «обратной связи», «необходимого разнообра­зия», «антагонистических функций», «дублирования», «иерар­хии» и «равноправия». Сложное взаимодействие элементов под контролем центральных механизмов регулирует численность, качественный состав и интенсивность функций каждой из кле­точных систем, координирует их и интегрирует всю систему соединительной ткани в одно целое, обусловливая ее адапта­цию в условиях физиологических сдвигов и патологических процессов.