Воссоздание ткани при регенерации и фиброплазии

Самосборка тканей – одно из самых изумительных свойств живого организма. Его проявления столь поразили выдающегося немецкого эмбриолога Г. Дриша (1911), что он истолковал результаты своих экспериментов как доказательство справедливости витализма. Дриш обработал суправитальным красителем бластулу зародыша тритона. Затем он подверг действию пищеварительных ферментов in vitro окрашенную и не окрашенную бластулу другого зародыша. Обе бластулы распались на бластомеры. Дриш смешал взвеси бластомеров двух разных тритоновых зародышей в одном флаконе. Каково же было его удивление, когда окрашенные бластомеры спонтанно воссоединились с окрашенными, а не окрашенные – с не окрашенными, воссоздав обе бластулы. Чтобы объяснить подобные явления, X. Шпеман создал концепцию организационных зародышевых центров.

По современным данным, явления самосборки тканей основываются на комплементарном распознавании поверхностных структур клеток и якорных молекул межклеточного вещества.

В хирургии существуют представления о заживлении ран первичным и вторичным натяжением. Они введены в XVIII столетии Дж. Хантером. Первичное натяжение – это заживление небольшой не инфицированной раны без нагноения. Моделью этого процесса служит репарация стерильного ушитого хирургического разреза. В первые минуты острого воспаления формируются тромбы и фибрин, заполняющие и заклеивающие дефект, над которым образуется струп. Ретракция этих элементов при участии тромбостенина кровяных пластинок важна для сближения краев дефекта. В первые часы в ране преобладает иммиграция нейтрофилов, а на краях рассеченного эпидермиса пролиферируют его базальные клетки. Они двигаются медиально и откладывают элементы базальной мембраны, восстанавливая ее целостность и формируя слой эпидермиса под струпом.

Следовательно, уже в первый день после ранения в очаге асептического воспаления, вызванного хирургическим разрезом, отмечается формирование новой ткани. К третьему дню происходит отчетливое новообразование капилляров, достигающее максимума на 5 день. Продолжается пролиферация эпидермальных клеток на базальной мембране и утолщение их слоя. Грануляционная ткань начинает врастать с периферии в область дефекта, причем коллагеновые волокна поначалу ориентируются вертикально и не закрывают дефект. К 4 дню наступает массовая пролиферация фибробластов. Богатая капиллярами и пролиферирующими фибробластами грануляционная ткань полностью оформляется через 3-5 дней, причем из-за повышенной проницаемости пролиферирующего эндотелия формируется ее отек и обильный серозный экссудат. Волокна коллагена, синтез которого начинается на 3-5 день, ориентируются поперечно и перекрывают дефект. Эпидермис над базальной мембраной приобретает черты кератинизации. Синтез ДНК в грануляционной ткани достигает пика через 7 дней.

Пролиферация фибробластов и коллагеногенез занимают всю вторую неделю. Абсолютное возрастание количества ДНК и РНК длится около трех недель. Максимум синтеза коллагена наблюдается около 14 суток. Его аккумуляция продолжается до месяца, по другим данным – более 100 дней. Начиная с 35 дня, постепенно уменьшаются скорости синтеза нуклеиновых кислот и коллагена и происходит инволюция грануляционной ткани. К концу месяца дефект закрыт интактным эпидермисом, под которым находится рыхлая соединительная ткань. В момент снятия швов, обычно на 8-10 день, рана не достигает и 15% прочности интактной кожи, но через 3-3,5 месяца благодаря процессам коллагеногенеза, ее прочность превышает 80% от первоначальной величины здоровой кожи.

Заживление вторичным натяжением присуще нагноившимся ранам, дефектам, содержащим инородные материалы, повреждениям с интенсивным некрозом и большим дефектам, требующим выраженной фиброплазии и стягивания раны. При вторичном натяжении происходит более сильное и длительное воспаление, не восстанавливается интактная изначальная структура паренхимы, образуется очень много грануляционной ткани и наблюдается уникальное явление метаплазии фибробластов в сократительные миофибробласты, по многим параметрам близкие к гладкомышечным клеткам. Эти элементы обеспечивают натяжение и сокращение дефекта, которое может быть очень значительным – с уменьшением его площади в 5-10 раз. В поздней стадии сокращения играют роль контрактильные свойства самих коллагеновых молекул.

Итак, помимо регенерирующих клеток паренхимы (в каждом органе своих), главными универсальными участниками этих процессов, практически, повсюду в организме являются мезенхимальные элементы: эндотелиоциты, гладкомышечные клетки, тромбоциты, макрофаги, фибробласты и создаваемое ими межклеточное вещество.

Эндотелиоциты – плоские клетки, образующие сплошной слой вдоль базальных мембран, скрепляемый гликопротеидными и гликолипидными компонентами надмембранных систем и межклеточного вещества.

В начале репарационной фазы воспаления происходит разрушение базальных мембран родительских сосудов и миграция клеток эндотелия по градиенту ангиогенных факторов. При этом эндотелиоциты образуют тяжи и выросты, направленные по градиенту факторов ангиогенеза. Позади переднего фронта мигрирующих эндотелиоцитов идет пролиферация клеток эндотелия. Просвет капилляра образуется путем слияния внеклеточных пространств соседних эндотелиоцитов. Всего трех клеток минимально достаточно для формирования внутренней поверхности капилляра.

Фибробласты – главные эффекторы репаративной стадии воспаления. Вместе с фиброцитами, которые определяют как «фибробласты в покое», они представляют собой оседлые клетки соединительной ткани. Фибробласты чрезвычайно активны метаболически и специализированы на синтез коллагена, эластина, коллаген-ассоциированных белков и протеогликанов. В зоне репарации фибробласты, привлеченные факторами роста и хемоаттрактантами, появляются за 1-2 дня до формирования кровеносных капилляров и за 4-5 суток до образования коллагеновых волокон.

Гладкомышечные клетки представляют собой важный структурный элемент сосудистой стенки любых не капиллярных сосудов. По своим метаболическим и пролиферативным характеристикам они, в некоторых отношениях, близки фибробластам. В контрактильной фазе своей жизнедеятельности – это веретеновидные клетки, проживающие в медии сосудов. Они располагают актиновыми и миозиновыми фибриллами и индивидуальной для каждой клетки базальной мембраной. При повреждении сосуда, если оно затрагивает медию, гладкомышечные клетки переходят в синтетически-пролиферативную стадию жизнедеятельности. Они утрачивают миозиновые фибриллы и сократимость, дедифференцируются, осуществляют хемотаксис в интиму и проявляют необычайные пролиферативные потенции: на протяжении 48 ч после повреждения медии артерии в митоз вступает до 40% их популяции. В этих условиях они становятся подобны фибробластам и вырабатывают волокнистые белки соединительной ткани и гликозаминогликаны. Данные клеточные элементы способны отвечать на те же факторы роста, что и фибробласты, в особенности, тромбоцитарный ростовой фактор. В некоторых условиях, например, при образовании атером, они совместно с фибробластами и макрофагами принимают участие в активации и трансформации под действием факторов роста, выделяемых в ответ на липопротеиды, которая заканчивается образованием пенистых клеток. Для пролиферации гладкомышечных клеток (как и регенерирующего эпителия) необходимо их взаимодействие с базальными мембранами.

Кровяные пластинки участвуют в процессах репарации как источники тромбоцитарных факторов роста, стимулирующих пролиферацию клеток сосудистой стенки. Тромбоцитарный фактор 4 ингибирует коллагеназы, способствуя накоплению коллагена, а сократительные системы тромбоцитов вносят вклад в механическое стягивание краёв раневых дефектов в процессе ретракции тромбов и кровяных сгустков.

При образовании новых сосудов большое значение имеют физические факторы: кровяное давление (повышение которого стимулирует коллагенообразование), парциальное напряжение кислорода, утрата взаимного контактного ингибирования эндотелиоцитами. Но главную роль играют факторы роста, упомянутые в таблице.

Важнейшие факторы, стимулирующие ангиогенез, это:

• Факторы роста фибробластов (основной и кислый);
• Сосудистый эндотелиальный фактор роста;
• Трансформирующие факторы роста;
• Эпидермальный фактор роста.

Хемотаксис, активация и пролиферация фибробластов, стимуляция синтеза ими компонентов межклеточного матрикса и подавление активности ответственных за деградацию матрикса ферментов-металлопротеиназ достигаются под воздействием:

· Факторов роста фибробластов;

· Тромбоцитарного фактора роста;

· Трансформирующего фактора роста β;

· Фиброгенных цитокинов – кахексина и интерлейкина-1;

· Кининов;

· Тромбина.

Гладкомышечные клетки также отвечают пролиферативно-синтетической активацией на:

· Тромбоцитарный фактор роста;

· Основной фактор роста фибробластов;

· Интерлейкин-1;

· Кахексин.

В то же время, ряд сигналов ингибируют рост гладкомышечных клеток, включая:

· Гепаран-сульфат;

· Окись азота;

· γ -интерферон;

· Трансформирующий фактор роста β.

Наиболее активным и разносторонним медиатором фибро- и ангиогенеза, по-видимому, следует признать трансформирующий фактор роста β.

Рост и деление фибробластов начинаются после действия соответствующих факторов роста только при условии связывания этих клеток с фибриллярными компонентами межклеточного вещества через особый заякоривающий комплекс адгезивных белков и протеогликанов. Решающую роль в активации фибробластов играют макрофаги, освобождающие фактор роста фибробластов в ответ на цитокины, а иногда и при прямом действии таких агентов, как кремний и асбест. Последний механизм ответственен за пневмофиброз при силикозе и асбестозе.

Межклеточное вещество – это волокнистые белки (коллаген и эластин), погруженные в гель основного вещества, содержащий клейкие гликопротеиды и гликозаминогликаны, а также воду и растворенные в ней соли кальция.

Вокруг эпителиальных, гладкомышечных вдоль эндотелиальных клеток основное вещество формирует базальные мембраны. Подобные мембраны, сплетенные из нефибриллярного коллагена 4-го типа и коллаген-ассоциированных белков, выполняют не только опорную функцию. Они представляют субстрат, с которым клетки комплементарно взаимодействуют. Эти взаимодействия контролируют миграцию, пролиферативную и синтетическую активность и полярность клеток, их адгезивные свойства. Если в ходе воспаления не нарушена или восстановлена целостность базальных мембран, на которых фиксируются паренхиматозные клетки, эндотелий, гладкомышечные элементы, то регенерация может привести к полному восстановлению нормальной структуры тканей и органов, как это происходит, например, при не тяжелом остром вирусном гепатите или ожогах первой степени тяжести. Если целостность базальных мембран нарушена и не восстановлена, регенерация ведет к изменению структуры органа, хотя количественно паренхиматозные клетки и восполняются. Так, в печени образуются узлы регенерации, меняющие ее микроархитектуру и приводящие к циррозу.

Коллаген – важнейший молекулярный участник фиброплазии, особенно, при рубцевании и самый распространенный белок животных клеток. Он присутствует не только в коллагеновых волокнах и базальных мембранах, но и в аморфном основном веществе соединительной ткани. Зрелый коллаген состоит из тройной полипептидной спирали, причем любая α-цепь крайне необычна по своей первичной структуре, так как каждая третья аминокислота в ней обязательно глицин. Другая особенность коллагена состоит в регулярном повторении в его первичной структуре пролиновых и оксипролиновых остатков – по два на каждый нонапептид. Подобная структура делает молекулы коллагена очень прочными – ведь их структура стабилизируется многочисленными внутримолекулярными не ковалентными, а также ковалентными (эфирными, фосфатными, γ-глютамильными, ε-аминопептидными) связями.

Особое значение для самосборки надмолекулярных комплексов с участием коллагена при репаративных процессах имеют поперечные (межмолекулярные) альдольные и альдиминовые связи с участием остатков лизина и оксилизина.

Выделяют не менее 19 типов коллагена на основании различий в строении α-цепей. Наиболее важные среди них 1-11 типы:

Метаболизм коллагена – неотъемлемая часть репарации при воспалении. Значение коллагена для патологии определяется еще и существованием целого семейства (не менее 11) наследственных нарушений структуры коллагена (коллагенопатий), многие из которых являются генокопиями.

Начальные этапы биосинтеза проколлагена протекают в рибосомах фибробластов и гладкомышечных клеток, а для некоторых типов коллагена – эндотелия. Важной посттрансляционной модификацией является гидроксилирование пролина в оксипролин, которое зависит от витамина С. Дефицит аскорбиновой кислоты приводит к нарушению заживления ран и, по свидетельству корабельного врача XVII века Энсона, кожные рубцы и костные мозоли даже пятидесятилетней давности у цинготных больных могут расплавляться. Проколлаген экскретируется в межклеточное пространство, где окисление лизиновых и гидроксилизиновых остатков ведет к образованию межмолекулярных связей, объединяющих α-цепи в волокна. Терминальные пептидазы отщепляют С-концевые пептиды от проколлагена, превращая его в коллаген.

Коллагеногенез в репаративной фазе воспаления стимулируется рядом сигнальных молекул, в частности:

· Тромбоцитарным фактором роста;

· Фактором роста фибробластов;

· Трансформирующим фактором роста β;

· Интерлейкином-1;

· Интерлейкином-4;

· Кахексином.

К данной группе относятся гликопротеиды фибронектин, ламинин, тромбоспондин, тенасцин, нидоген, а также протеогликан синдекан.

Фибронектин – основной гликопротеид (400 kD), имеющий две цепи, соединенные дисульфидными связями. Данный белок синтезируется макрофагами, фибробластами, эндотелиоцитами, гепатоцитами и другими клетками. Он присутствует в α₂-глобулиновой фракции сыворотки крови в концентрации около 180-720 мкг/л. Тканевой фибронектин представлен не только димерной формой, но и мономерами. Он также менее плохо растворим в воде.

Фибронектин обеспечивает свои многообразные функции, комплементарно связывая ряд клеточных рецепторов и экстрацеллюлярных молекул. Фибробласты, тромбоциты, лейкоциты, гладкомышечные клетки и эндотелиоциты связываются с фибронектином через интегриновые рецепторы.

Параллельно фиксации клеток фибронектин способен связывать особыми участками своей поверхности фибрин, коллаген, гепарин, ДНК и протеогликаны, в частности, синдекан).

Таким образом, фибронектин – центральная адаптерная молекула во всем феномене самосборки тканей. Есть сведения, что именно мутации фибронектинового гена приводят к таким аномалиям, как полидактилия.

Ламинин – главный адгезивный белок базальных мембран. Это крупномолекулярный (800-1000 kD) гликопротеид крестообразной формы, пронизывающий базальную мембрану. Его центральный домен распознается клеточными рецепторами, а боковые цепи связывают коллаген 4 типа, протеогликаны и гепаран-сульфат. Эти процессы обеспечивают образование трубчатых структур при ангиогенезе и упорядочивают расположение пролиферирующих эндотелиальных клеток.

Синдекан – интегральный протеогликан клеточных мембран, связывающий коллаген, фибронектин и тромбоспондин, ассоциируется с актиновыми микрофиламентами клеток и определяет морфологию эпителиальных слоев,

Тромбоспондин – гликопротеид, образующий комплексы с синдеканом, коллагеном и гепарином, опосредует адгезию кровяных пластинок к субэндотелию и играет существенную роль в сборке костной ткани.

Механизмы репарации, включающие пролиферацию клеток, накопление компонентов межклеточного вещества, моделирование микроархитектуры ткани на основе самосборки путем межклеточных взаимодействий и взаимодействий клеток с интерцеллюлярным матриксом, обеспечивают восстановление целостности тканей после повреждения. Однако и они несовершенны и могут быть и источником патологии.

Факторы роста, участвующие в этом процессе, представляют собой продукты ограниченной экспрессии клеточных протоонкогенов. Поэтому представляется вполне обоснованной классическая гипотеза Р. Вирхова о роли хронического или повторяющегося раздражения тканей как фактора риска злокачественных опухолей. Хрестоматийным эпидемиологическим примером, подтверждающим это, служат данные о резко повышенной частоте рака пищевода в регионах, где население употребляет в пищу много рыбы и других травмирующих либо раздражающих его слизистую продуктов. Участки фиброплазии после ранений могут стать локусами образования инфильтративных доброкачественных фибром – десмоидов, некоторые пограничные свойства которых сближают их со злокачественными опухолями.

Активация пролиферативных и синтетических способностей гладкомышечных клеток, макрофагов и фибробластов в условиях избытка патологических липопротеидов во многом аналогична поведению этих клеток при репарации сосудов. Однако в данном случае именно она ведет к формированию и эволюции атером и атеросклерозу.

Избыточное образование грануляционной ткани в ранах (экзаберрантная грануляция) препятствует эпителизации и известно в трудах классиков патологии и хирургии под сочным названием «дикое мясо».

Избыточное образование и задержка резорбции коллагена приводит к появлению толстых, грубых, приподнятых над поверхностью тканей рубцов – келоидов. Келоиды бедны фибробластами, их коллагеновые волокна гомогенизированы и беспорядочно переплетаются. В них необычно много гиалуроновой кислоты и сульфатированных гликозаминогликанов. Тенденция к келоидизации наследуется. Келоиды особенно часто встречаются у представителей чёрной расы и нередко провоцируются ожогами и анафилактическими реакциями.