Общие морфологические характеристики эпителиев и образующих их клеток

Общие морфологические признаки эпителиев включа­ют:

1) расположение клеток (эпителиоцитов) сомкнутыми плас­тами, которые образуют плоскостные выстилки, сворачиваются в тру­бочки или формируют пузырьки (фолликулы); данная особенность эпите­лиев обусловливается признаками (2) и (3);

2) минимальное количество межклеточного вещества, узкие межклеточные пространства;

3) наличие развитых межклеточных соединений, которые обус­ловливают прочную связь эпителиоцитов друг с другом в едином пласте;

4) пограничное положение (обычно между тканями внутренней среды и внешней средой);

5) полярность клеток - как следствие признака (4). В эпителиоцитах различают апикальный полюс (от греч. apex - верхушка), свобод­ный, направленный во внешнюю среду, и базальный полюс, обращен­ный к тканям внутренней среды и связанный               с базальной мембраной (см. ниже). Многослойным эпителиям свойственна вертикальная анизоморфия (от греч. an - отрицание, iso - одинаковый, morphe - форма) - неодинаковые морфологические свойства клеток различных слоев эпи­телиального пласта;

6) расположение на базальной мембране - особом структурном образовании, которое находится между эпителиеми подлежащей рыхлой волокнистой соединительной тканью;

  7) отсутствие сосудов; питание эпителия осуществляется путем диффузии веществ через базальную мембрану из сосудов соединительной ткани. Различное удаление отдельных слоев многослойных эпителиев от источника питания, вероятно, усиливает (или поддерживает) их вертикальную анизоморфию;

8) высокая способность к регенерации - физиологической и репаративной - осуществляется благодаря камбию (включаю­щему стволовые и полустволовые клетки) и обусловлена пограничным положением эпителиев (определяющим значительную потребность в ак­тивном обновлении быстро изнашивающихся эпителиоцитов). Камбиальные элементы в одних эпителиях сконцентрированы в их определен­ных участках (локализованный камбий), в других - равномерно распре­делены среди остальных клеток (диффузный камбий).

Взаимодействие эпителия с другими тканями проявля­ется как в процессе внутриутробного развития, так и после рождения. Основной тканью, с которой эпителий осуществляет постоянные индук­ционные взаимодействия, является связанная с ним рыхлая волокнистая соединительная ткань, которая не только обеспечивает питание эпите­лия за счет имеющихся в ней сосудов, но оказывает на него   регуляторные влияния. Изменение нормальных взаимоотношений указанных тка­ней может вызывать нарушение их роста и дифференцировки (в част­ности, явиться механизмом развития опухолей, например, молочной и предстательной желез).

Неэпителиальные клетки в пласте эпителия. В пласте эпите­лия среди его клеток всегда располагаются отдельные неэпителиальные клетки, взаимодействующие с эпителиоцитами. Наиболее многочис­ленными из них являются внутриэпителиальные лимфоциты, реже об­наруживаются другие лейкоциты. В некоторых эпителиях в значитель­ном количестве содержатся отростчатые клетки нескольких видов, имеющие неодинаковое происхождение и выполняющие разные функции - пигментные клетки (меланоциты), дендритные антиген-представляющие клетки, а также клетки Меркеля (тактильные эпителиоциты).

Эпителии как источник опухолей человека. Эпителии часто служат источником развития опухолей человека, в частности, наиболее распространенных злокачественных новообразований - раков. Этому, вероятно, способствует свойственная этим тканям высокая активность процессов регенерации, при которой могут возникать или усиливаться повреждения генетического аппарата клеток. Злокачественные опухоли способны развиваться из покровного и железистого эпителиев; в по­следнем случае они называются аденокарциномами (от греч. adenos -железа и karkinos - рак). В высокодифференцированных раках в боль­шей или меньшей степени сохраняются морфологические особенности (цитоархитектоника, цитологические характеристики) и функциональ­ные признаки (выработка слизи, ферментов, гормонов, экспрессия специфических цитокератинов), свойственные тем или иным эпителиям. В малодифференцированных опухолях они утрачиваются, и эпителиаль­ную природу опухоли удается установить лишь путем иммуноцитохимического выявления цитокератинов (см. ниже) в ее клетках.

Морфологические особенности эпителиоцитов варьиру­ют в широких пределах, различаясь как в разных эпителиальных тка­нях, так и между отдельными клетками в пределах одной ткани. Эти особенности тесно связаны с функцией клеток и их положением в эпителиальном пласте.

Форма эпителиоцитов служит важным классификационным признаком как отдельных клеток, так и эпителиальных пластов в целом, Выделяют плоские, кубические и призматические (столбчатые, или цилиндрические) клетки. Эпителиоцитам, как уже отмечено выше, свойственна полярность.

Ядро эпителиоцитов может иметь различную форму, которая обычно соответствует форме клетки: в плоских клетках оно дисковидное, в кубических - сферическое, в цилиндрических - эллипсоидное. В большинстве клеток ядро сравнительно светлое (преобладает эухроматин), содержит хорошо заметное крупное ядрышко, однако в ороговевающих эпителиях по мере дифференцировки клеток оно уменьшается, уплотняется, распадается и лизируется - подвергается кариопикнозу, кариорексису и кариолизису.

 Цитоплазма эпителиоцитов содержит все органеллы общего - значения, а в некоторых клетках - также органеллы специального значения, обеспечивающие функции данных клеток. В клетках железисто­го эпителия хорошо развит синтетический аппарат. В связи с полярностью клеток органеллы распределены в их цитоплазме неравномерно.

Цитоскелет эпителиоцитов хорошо развит и представлен микротрубочками, микрофиламентами и промежуточными филаментами.  Последние в эпителиоцитах особенно многочисленны и называются тонофиламентами. При фиксации, склеиваясь друг с другом, они могут образовывать крупные агрегаты, выявляемые под световым микроскопом и описанные под названием тонофибрилл.

 Цитокератины - белки, образующие тонофиламенты, которые специфичны для клеток эпителиальных тканей. Исключение составляет эн­дотелий, для которого характерны виментиновые промежуточные филаменты. Идентифицировано около 30 различных форм цитокератинов, Которые представлены двумя типами: кислыми кератинами (тип I) и ос­новными кератинами (тип II). Выработка каждого вида цитокератина кодируется особым геном. Тонофиламенты образованы гетерополимерным комплексом, включающим не менее двух различных цитокератинов (кислый + основной). Для конкретного вида эпителия (а в многослойных эпителиях - для каждого слоя) характерен определенный набор цитокератинов, экспрессию которых рассматривают как маркер дифференцировки эпителиальных клеток.

Изменения нормальной экспрессии цитокератинов могут указы­вать на нарушения дифференцировки клеток и в ряде случаев служить важным диагностическим признаком их злокачественного перерожде­ния. При ряде заболеваний кожи и слизистых оболочек в эпителиоцитах обнаружены изменения кератинов, связанные с мутациями соответствующих генов.

Поверхности эпителиоцита (латеральная, базальная, апикаль­ная) обладают отчетливой структурно-функциональной специализаци­ей, которая особенно хорошо выявляется в однослойном эпителии.

 

Рис. 1. Межклеточные соединения эпителиоцитов в области их латеральной поверхности. 1 - область расположения комплекса межклеточных соединений (выде­лена рамкой), 2 - вид межклеточных соединений на ультратонких срезах, 3 - трех­мерная схема строения межклеточных соединений (по К. Де Дюву, 1987, с измене­ниями). БМ - базальная мембрана, БП - базальная поверхность, АГ) - апикальная по­верхность, ЛП - латеральная поверхность эпителиоцитов, KMC - комплекс межкле­точных соединений, ПЛС - плотное соединение, ПРС - промежуточное соединение,    Д - десмосома, ИД - интердигитации, ВМЧ - внутримембранные частицы, ПП - плас­тинка прикрепления, МФ - микрофиламенты. ТФ - тонофиламенты, ЩС - щелевое соединение, К - коннексоны.

Латеральная поверхность эпителиоцитов обеспечивает связь клеток друг с другом за счет специализированных участков - межкле­точных соединений, или контактов (рис. 1). Благодаря последним эпителиоциты формируют пласты, что служит важнейшим отличитель­ным свойством организации эпителиальных тканей.

Межклеточные соединения подразделяются на два основных вида:

1. Механические соединения - обусловливают механическую связь эпителиоцитов друг с другом. В их число входят плотные соеди­нения, промежуточные соединения, десмосомы, интердигитации;

2. Коммуникационные соединения - (от лат. communicatio - сооб­щение) обеспечивают химическую (метаболическую, ионную и электри­ческую) связь между эпителиоцитами.   К ним относятся щелевые соеди­нения.

(1) Плотное соединение (zonula occludens - поясок замыка­ния) - наиболее тесный контакт клеток из всех известных в природе. Представляет собой область частичного слияния наружных листков плазмолемм двух соседних клеток (см. рис. 1), которая блокирует распространение веществ по межклеточному пространству (обеспечивая тем самым барьерную функцию эпителия и регулируемость транспорта веществ через эпителиальный пласт). Это соединение также препятствует свободному перемещению и смешиванию функционально различных внутримембранных белков, локализующихся в плазмолемме апи­кальной и базолатеральной поверхностей клетки, что способствует поддержанию ее полярности.

Плотное соединение имеет вид пояска шириной 0.1-0.5 мкм, окружающего клетку по периметру (обычно у ее апикального полюса) и состоящего из анастомозирующих тяжей внутримембранных частиц. Эти частицы образованы белком окклюдином; каждая из них представляет собой область точечного слияния плазмолемм двух соседних клеток. Проницаемость плотных соединений тем ниже, чем выше число тяжей таких частиц. Для поддержания целостности этих соединений необходимы двухвалентные катионы (Са²⁺, Mg²⁺). Они могут динамич­но перестраиваться (вследствие изменений экспрессии и степени полимеризации окклюдина) и временно размыкаться (например, при миграции лейкоцитов через межклеточные пространства).

(2) Промежуточное соединение, или опоясывающая десмосома onula adherens - поясок сцепления) локализуется на латеральной поверхности эпителиоцита между областью расположения плотного сое­динения и десмосом (что обусловило его первое название). Охватывает клетку по периметру в виде пояска (см. рис. 1), на сечении имею­щего сходство с десмосомой (что послужило основанием для второго названия). В области промежуточного соединения обращенные к цито­плазме листки плазмолеммы утолщены, образуя пластинки прикрепле­ния, которые содержат актин-связывающие белки α-актинин, винкулин и плакоглобин (последний обнаруживается также в десмосомах).      К этим пластинкам прикрепляются элементы цитоскелета - актиновые микрофиламенты, вплетающиеся также в терминальную сеть. Межклеточная щель расширена до 15-20 нм и заполнена умеренно плотным вещест­вом, в состав которого входит адгезивный трансмембранный гликопротеин Е-кадгерин, обеспечивающий в присутствии ионов Са²⁺ связь между соседними клетками. Со стороны цитоплазмы в области проме­жуточного соединения к Е-кадгерину через α -актинин и винкулин прикрепляются актиновые микрофиламенты, что обусловливает связь ци­тоскелета с компонентами межклеточного вещества.

(3) Десмосома (macula adherens - пятно сцепления) - состоит из утолщенных и уплотненных участков цитоплазматического листка плазмолемм двух соседних клеток - пластинок прикрепления, разделен­ных межклеточной щелью (см. рис. 1).

Пластинки прикрепления имеют дисковидную форму (диаметр око­ло 0.5 мкм, толщина 15 нм) и служат участками прикрепления к плаз­молемме промежуточных филаментов (тонофиламентов). Они содержат особые белки - десмоплакины, плакоглобин и десмокальмин.

Межклеточная щель в области десмосомы имеет ширину около 25 нм и заполнена материалом низкой электронной плотности, часто поперечно исчерченным и содержащим в центре линейное уплотнение (центральная, или промежуточная линия). В межклеточном материале десмосомы находятся десмоколлины и десмоглеины - трансмембранные Са²⁺-связывающие адгезивные белки, которые, взаимодействуя с белка­ми пластинок прикрепления, связывают их в единую систему.

Десмосомы разбросаны по поверхности клетки; они, как и проме­жуточные соединения, служат участками, опосредующими связь элемен­тов цитоскелета (внутриклеточного компонента) с компонентами меж­клеточного вещества.

Повреждение десмосом посредством антител к их компонентам служит главным механизмом патогенеза вульгарной пузырчатки - тяже­лого, а в прежние годы смертельного аутоиммунного заболевания кожи и слизистых оболочек. Клетки в многослойных эпителиях утрачивают связи друг с другом, округляются, а их тонофиламенты отсоединяются от пластинок прикрепления и образуют скопления вокруг ядра. Внутри эпителия формируются пузыри, которые вскрываются с образованием эрозий. Связь эпителия с подлежащей соединительной тканью, однако, при этом заболевании сохраняется.

(4) Интердигитации - межклеточные соединения, образованные выпячиваниями цитоплазмы одних клеток, вдающимися в цитоплазму других (см. рис. 1). За счет интердигитации увеличивается прочность соединения клеток друг с другом и нарастает площадь поверхности, че­рез которую могут осуществляться межклеточные обменные процессы.

(5) Щелевое соединение (nexus) образовано совокупностью труб­чатых трансмембранных структур диаметром 9-11 нм (коннексонов), пронизывающих плазмолеммы соседних клеток на участках диаметром 0.5-3 мкм и стыкующихся друг с другом в области узкой межклеточной щели шириной 2-3 нм (см. рис. 1). Число коннексонов в щелевом соединении обычно исчисляется сотнями. Каждый коннексон представ­лен 6 (иногда 4 или 5) субъединицами, образованными белком коннексоном, и пронизан каналом диаметром 1.5-2.0 нм, который обусловли­вает свободный обмен низкомолекулярными (с массой до   2 кД) соедине­ниями (неорганическими ионами, сахарами, витаминами, аминокисло­тами, нуклеотидами, АТФ и др.) между клетками, обеспечивая их ион­ное и метаболическое сопряжение.

Базальная поверхность эпителиоцитов прилежит к базальной мембране, к которой она прикреплена с помощью полудесмосом - сое­динений, сходных по строению с половинами десмосом. Молекулярная организация и биохимический состав полудесмосом и десмосом, однако, не идентичны. В функциональном плане базальная и латеральная (до уровня плотных соединений) части плазмолеммы эпителиоцита в сово­купности образуют единый комплекс (базолатеральную плазмолемму), который содержит специфические для него мембранные белки. Эти белки служат (а) рецепторами, воспринимающими различные сигналь­ные молекулы (гормоны, факторы роста), (б) переносчиками питатель­ных веществ, поступающих из сосудов подлежащей соединительной ткани, (в) ионными насосами и др.

Базальная поверхность может быть сравнительно плоской или об­разовывать выросты - базальные отростки. Последние могут служить для обеспечения более прочной связи эпителиоцитов с соединительной тканью путем увеличения площади поверхности их соприкосновения (например, в многослойных эпителиях).

 

Базальная исчерченность или базальный лабиринт - термины, используемые для описания характерного строения базального отдела некоторых эпителиоцитов (например, в канальцах почки и части вывод­ных протоков слюнных желез), образующих многочисленные базальные отростки, которые переплетаются друг с другом и с отростками других клеток (рис. 2). Цитоплазма таких базальных отростков со­держит большое количество митохондрий, лежащих вдоль отростков (перпендикулярно базальной мембране) и вырабатывающих энергию, ко­торая потребляется ионными насосами в их плазмолемме. Функция эпи­телиоцитов, обладающих базальной исчерченностью, связана с измене­нием ионного состава жидкости (мочи, слюны) в просвете указанных канальцев и протоков.

Рис. 2. Базальный лабиринт эпителиоцитов канальцев почки (проксимальный отдел нефрона). Я - ядро, ЩК - щеточная каемка, MTX - митохондрии, БМ - базаль­ная мембрана, БЛ - базальный лабиринт, БО - базальные отростки.

Базальная мембрана связывает эпителий и подлежащую соедини­тельную ткань и образована компонентами, которые вырабатываются этими тканями. На светооптическом уровне на препаратах она имеет вид бесструктурной полоски, не окрашивается гематоксилином и эози­ном, выявляется солями серебра и дает интенсивную ШИК-реакпию. На ультраструктурном уровне (рис. 3) в базальной мембране описаны три слоя (в направлении от эпителия к соединительной ткани): (1) светлая пластинка, (2) плотная пластинка, (3) ретикулярная пластинка (по­следняя не всеми авторами рассматривается как компонент базальной мембраны).

Рис. 3. Ультраструктурная организация базальной мембраны эпителия. СП -светлая пластинка, ПП - плотная пластинка, РП - ретикулярная пластинка, ПЛ - плаз­молемма, ПД - полудесмосома, ПФ - промежуточные филаменты, ЯФМ - якорные фи­ламенты, ЯФБ - якорные фибриллы, КФ - коллагеновые фибриллы.

Светлая пластинка (lamina lucida, или lamina r а r а) - светлый мелкозернистый слой толщиной 30-50 нм, прилежащий к плазмолемме базальной поверхности эпителиоцитов. От полудесмосом эпителиоцитов вглубь этой пластинки, пересекая ее, направляются тонкие якорные фи­ламенты. Светлая пластинка содержит гликопротеины (в том числе сульфатированный гликопротеин ламинин) и антиген пузырчатки (спо­собствующие прикреплению базальной части эпителиоцитов), а также протеогликаны (гепарансульфат).

Плотная пластинка (lamina densa) - слой толщиной около 50-60 нм, образованный мелкозернистым или фибриллярным материа­лом, который располагается под светлой пластинкой и обращен в сто­рону соединительной ткани. В эту пластинку вплетаются якорные фиб­риллы, имеющие вид петель (образованы коллагеном VII типа), в кото­рые продеты коллагеновые фибриллы подлежащей соединительной тка­ни. Плотная пластинка содержит коллаген IV типа, энтактин (сульфа­тированный гликопротеин, связывающий ламинин с коллагеном IV ти­па), гепарансульфат. В состав базальной мембраны входят также (не­постоянно) коллаген V типа и адгезивный гликопротеин фибронектин.

Ретикулярная (фиброретикулярная) пластинка (lamina reticu ­ laris) состоит из коллагеновых фибрилл соединительной ткани, связан­ных с якорными фибриллами, и по толщине значительно превосходит светлую и плотную пластинки. В ее состав входят фибриллы, образо­ванные коллагенами I и III типов (последний вид фибрилл именуют также ретикулярными). Хотя, по мнению некоторых авторов, эту пластинку не следует относить к собственно базальной мембране, именно она образует основную массу той структуры, которая выявляется ШИК-реакцией или окраской солями серебра и соответствует классическому описанию базальной мембраны на светооптическом уровне.

Функции базальной мембраны:

1) поддержание нормальной архитектоники, дифференцировки и поляризации эпителия;

2) обеспечение прочной связи эпителия с подлежащей соедини­тельной тканью.           К базальной мембране прикрепляются, с одной сторо­ны, эпителиальные клетки (с помощью полудесмосом), с другой - кол­лагеновые волокна соединительной ткани (посредством якорных фиб­рилл);

3) избирательная фильтрация питательных веществ, поступаю­щих в эпителий (базальная мембрана играет роль молекулярного сита);

4) обеспечение и регуляция роста и движения эпителия по подле­жащей соединительной ткани при его развитии или репаративной реге­нерации.

В физиологических условиях базальная мембрана препятствует росту эпителия в сторону соединительной ткани. Это ингибирующее действие утрачивается при злокачественном росте, когда раковые клет­ки прорастают сквозь базальную мембрану в подлежащую соедини­тельную ткань (инвазивный рост). Вместе с тем, прорастание базальной мембраны эпителиальными клетками выстилки сосудов (эндотелиоцитами) наблюдается и в норме при новообразовании сосудов (ангиогенезе).

Нарушения строения и функции базальной мембраны часто обусловливают патологические изменения в органах. Ряд заболеваний почек - (гломерулонефритов) связан с повреждением базальной мемб­раны почечных клубочков (в которых происходит фильтрация крови с образованием мочи) вследствие иммунного повреждения, обусловлен­ного антителами, клетками-эффекторами или активацией комплемента в ответ на отложение комплексов антиген-антитело. Утол­щение базальной мембраны эндотелия мелких сосудов, отмечаемое при сахарном диабете, служит главной причиной их дисфункции (диабети­ческой микроангиопатии). При этом резкое нарушение проницаемости сосудистой стенки вызывает дегенеративные процессы в различных ор­ганах (почках, сетчатке глаза, мышцах и др.). При пемфигоиде - одной из форм пузырчатки (см. выше) образуются аутоантитела к компонен­там базальной мембраны, что вызывает разрушение последней и отделе­ние эпителия от соединительной ткани с его гибелью и формированием подэпителиальных пузырей, давших название болезни.

Апикальная поверхность эпителиоцитов может быть сравнитель­но гладкой или образовывать разнообразные вьшячивания. У некоторых эпителиоцитов на ней имеются специальные органеллы - микроворсинки и реснички.

(1) микроворсинки - пальцевидные выросты цитоплазмы диамет­ром около 0.1 мкм и длиной до 1 мкм, основа которых образована пуч­ком актиновых микрофиламентов, связанных как друг с другом, так и с внутренней поверхностью плазмолеммы (см. лекции по цитологии). Микровор­синки увеличивают площадь апикальной поверхности и в небольшом количестве могут встречаться на различных клетках. Они максимально развиты и многочисленны (до нескольких тысяч) в эпителиоцитах, участвующих в процессах всасывания (например, в тонкой кишке или канальцах проксимального отдела нефрона), где их совокупность назы­вается щеточной (исчерченной) каемкой.

Своеобразными вариантами микроворсинок являются так называе­мые стереоцилии и волоски.

Стереоцилии (название отражает первоначальное ошибочное от­несение их к категории неподвижных ресничек) крупнее обычных мик­роворсинок (достигают в длину 5-7 мкм), могут ветвиться, истончаясь на концах, однако полностью соответствуют им по своей ультраструк­турной организации. Они встречаются в эпителии некоторых участков семявыносящих путей (проток придатка яичка и семявыносящий про­ток). Предположительно участвуют в процессах всасывания жидкости, продуцируемой яичком.

Волоски рецепторных сенсорно-эпителиальных (волосковых) кле­ток органов равновесия и слуха представляют собой видоизмененные микроворсинки (стереоцилии). Они не ветвятся, широко варьируют по длине (от 2 до 12 мкм в органе слуха и от 1 до 100 мкм в органе рав­новесия). Волоски имеют равномерную толщину (0.1-0.25 мкм) по всей длине, сужаясь у своего основания. Их цитоскелет образован актиновыми микрофиламентами, рыхло расположенными вокруг центрального плотного пучка филаментов, проникающего в виде корешка из волос­ков в апикальную цитоплазму клеток. Волоски участвуют в восприятии звука, гравитации и ускорений: их отклонение преобразуется в волну деполяризации рецепторных клеток.

(2) реснички - крупные выпячивания цитоплазмы эпителиоцита ди­аметром порядка 0.2 мкм и длиной 5-10 мкм, основа которых образова­на аксонемой - каркасом из 10 пар микротрубочек, связанных с дополнительными белками (см. лекции по цитологии). Реснички являются органеллами дви­жения; их синхронизированное биение осуществляется с частотой 10-25 колебаний/с в направлении, которое генетически предопределено при­родой эпителиоцита. Количество ресничек на апикальной поверхности одной клетки в различных эпителиях варьирует от нескольких десятков до нескольких сотен.Биение ресничек эпителия воздухоносных путей способствует пе­ремещению по его поверхности и удалению слизи с прилипшими к ней микробами и частицами пыли. Повреждение или потеря ресничек вызы­вает нарушение этого важного защитного механизма очищения слизис­той оболочки. Биение ресничек эпителия маточной трубы обусловлива­ет транспорт ооцита сокружающими его фолликулярными клетками или эмбриона по направлению к матке.