Занятие 12. Патология роста и дифференцировки клеток. Процессы адаптации

Цель занятия.Изучить молекулярные механизмы регуляции клеточного роста и дифференцировки клеток, контроля клеточной пролиферации. Получить представления о клоне, диффероне, ткани. Знать о растворимых и нерастворимых сигнальных субстанциях. Обсудить фазный характер адаптационного процесса, значение приспособления в физиологических и патологических процессах. Иметь представление о гипертрофии, гиперплазии, атрофии и метаплазии. Знать определения, механизмы, виды, клинико-морфологическую характеристику этих процессов.

Основные теоретические положения

Патология роста и дифференцировки клеток.Основным условием существования организма является сохранение постоянства его внутренней среды, т.е.гомеостаза. Несмотря на непрерывные изменения окружающей среды, организм стойко удерживает на определенном уровне биологические константы, например, показатели осмотического давления, концентрации электролитов, температуру тела, артериальное давление и др., допуская колебания этих величин в довольно узких диапазонах, даже при действии сверхсильных раздражителей. В поддержании гомеостаза и жизни вообще важнейшую роль играет и способность организма замещать поврежденные или погибающие клетки. Восстановление тканей включает два процесса: регенерацию (реституция) – возмещение очага альтерации клетками того же типа – и рубцевание (субституция, фиброплазия), т.е. замещение дефекта грануляционной, а затем и зрелой волокнистой (фиброзной) тканью. Часто восстановлению способствуют оба процесса, в их основе лежат схожие механизмы: миграция, пролиферация (рост), дифференцировка клеток и клеточно-матриксные взаимодействия.

Контроль роста клеток (пролиферации) в значительной мере осуществляется биохимическими факторами микроокружения. Последние либо стимулируют, либо тормозят деления клеток. Поэтому избыток стимулирующих или недостаток тормозящих воздействий приводит к автономному нерегулируемому росту клеток злокачественной опухоли. Пролиферация клеток может усиливаться за счет укорочения клеточного цикла и за счет пополнения популяции клеток, находящихся в фазе G₀.

На основании способности к пролиферации и клеточному циклу все клетки человека можно разделить на 3 группы: лабильные, стабильные, перманентные. Лабильные, или непрерывно делящиеся, клетки совершают свой цикл от одного митоза к другому. Их назначение состоит в возмещении непрерывно разрушающихся и слущивающихся клеток. Это клетки эпидермиса, слизистых оболочек желудочно-кишечного и мочевого трактов, желёз внешней секреции, костного мозга. Физиологическая регенерация их связана с популяцией стволовых клеток, генетически Фиксированных в недифференцированном состоянии и имеющих неограниченную способность у делению. Постоянство популяции лабильных клеток регулируется согласованным взаимодействием в микроокружении - межклеточной интеграцией. Линия (популяция) дифференцированных в одном направлении потомков одной стволовой клетки называется клоном. Совокупность (система) однопрофильных интегрированных клонов составляетдифферон, более крупную составную часть ткани.Ткань - это частная монофункциональная система организма, состоящая из одного или нескольких (разнопрофильных) согласованно взаимодействующих дифферонов и обладающая какими-либо специфическими функциями. Органоспецифическая ткань, определяющая фенотип, называется паренхимой, а опорная ткань – стромой.

Так, в состав эпидермиса входят 3 дифферона – кератиноцитарный (профильный), меланоцитарный и дифферон макрофагов Лангерганса. В состав эпителия пищеварительного, мочевого, дыхательного трактов помимо профильных дифферонов входят нейроэндокринные диффероны, образующие APUD-систему. Из этих клеток могут развиваться специфические опухоли с преобладанием апудоцитов.

Стабильные (покоящиеся) клетки отличаются низким уровнем митотической активности в обычных физиологических условиях и находятся в фазеG₀. Но при митогенной стимуляции они переводятся в фазуG₁и способны к быстрому размножению и восстановлению первоначальной ткани. К покоящимся клеткам относятся гепатоциты, нефроциты, эпителий поджелудочной железы, фибробласты, гладкомышечные клетки, эндотелий сосудов. Хотя лабильные и стабильные клетки способны к регенерации, полного восстановления существовавшей нормальной структуры может не произойти, если значительно повреждена строма органа, являющаяся каркасом и участвующая в кровоснабжении ткани (печень, почки), или повреждена базальная мембрана эпителия, лишающая клетки полярной ориентации и стратификации. В ответ на повреждение фибробласты размножаются настолько интенсивно, что это приводит к формированию рубцовых полей.

Перманентные, или неделящиеся (покоящиеся), клетки вышли из клеточного цикла и в постнатальном онтогенезе митотически не делятся. К ним относятся нейроны, поперечнополосатые мышечные волокна и кардиомиоциты. Замещение разрушенных нейронов происходит за счет глиальных клеток, скелетной мускулатуры–путем трансформации саттелитных клеток эндомизия (в эксперименте). Как правило, повреждения скелетной мускулатуры, миокарда заканчиваются рубцеванием.

Молекулярные механизмы роста клеток связаны с гуморальными и клеточными полипептидными факторами роста, среди которых можно выделить факторы: компетенции; прогрессии; влияния на миграцию, дифференцировку клеток, восстановление ткани.

Молекулярные процессы, приводящие к делению клеток, включают несколько последовательных механизмов.

1. Связывание лигандов с рецепторами – определяет начало пролиферации. Предполагаемый фактор роста (лиганд) связывается со специфическими рецепторами на плазмолемме или внутри клеток (стероидные рецепторы). Функция лигандов имеет стимулирующий характер, функция рецепторов – избирательно-связующая, лиганды и рецепторы по химической структуре – сложные белковые молекулы.

2. Активация рецепторов факторов роста. Большинство таких рецепторов входит в семейство трансмембранных белков (рецепторы эпидермального, тромбоцитарного факторов роста), обладающих тирозинкиназной активностью. Рецепторные киназы имеют большие гликозилированные домены для внеклеточного связывания лигандов. Последние вызывает димеризацию рецепторов с последующей активацией киназы, обеспечивающей каскад процессов фосфорилирования белка, заставляющий покоящиеся клетки вступать в пролиферативный цикл.

3. Сигнальная трансдукция и вторичные мессенджеры. Тирозинкиназы необходимы для переноса сигнальных белков (сигнальная трансдукция) с фосфорилированием тирозина на молекулах-мишенях, запускающих пролиферацию клеток. К сигнальным белкам относят 3 вида субстанций: фосфолипазуС-, ГТФ-связанные белки иRaf-1. Лишь небольшое число сигнальных молекул может пересечь гидрофобный центр плазмолеммы, поэтому они реагируют с рецепторами на её поверхности (встроенные мембранные протеины), вызывая формирование вторичных мессенджеров (молекулы-передатчики сигнала внутри цитоплазмы). ФосфолипазаС-способствует образованию 2-х вторичных мессенджеров –IР₃, высвобождающий Са⁺⁺и ДАГ, активирующий протеинкиназуСплазмолеммы. Центральную роль в сигнальной трансдукции играют ГТФ-связанные белки (семейство белковras), приводящие к митозу. Поэтому¹/₃всех злокачественных опухолей человека содержит мутантные версии белковras.Фосфорилирование белков нейтрализуется клеточными фосфатазами, выступающими в качестве регуляторов клеточного роста, уравновешивающих действие киназ, или ингибиторов роста.

4. Факторы транскрипции. Точный механизм «запуска» митоза через цитоплазму в ядро неясен. Известно, что протеинкиназы и вторичные мессенджеры (Са⁺⁺, кальмодулин) стимулируют большое число ранних и поздних генов-регуляторов роста. Ранние регуляторы (c-foc, c-jun, c-myc) активируются при отсутствии синтеза и обеспечивают увеличение уровня матричных РНК в начале циклаG_1.Активация поздних генов-регуляторов роста возможна только при синтезе белка и поэтому уровень мРНК повышается в середине фазыG₁при переходеG₁вG₀. В число генов-регуляторов роста входят протоонкогены, в которых могут возникать мутации, приводящие к злокачественной трансформации клеток.

5. Клеточный цикл и циклины. Циклины – белки вместе с протеинкиназой, Нормирующие комплексcdc2 илиp₃₄^cdc2, непосредственно контролирующие согласованное деление клетки. Циклинкиназные комплексы регулируют репликацию ДНК, формирование митотического веретена. После деления клетки циклины могут расщепляться, но при стимуляции дочерние клетки снова начинают цикл. В системе циклинов работают некоторые онкогены (bcl4-1), антионкогены (генRb),p⁵³контролируя рост клеток.

Поддержанию целостности ткани способствует торможение роста клеток, вызываемое ингибиторными сигналами, В настоящее время идет активное изучение данного вопроса, особенно на примере опухолесупрессорных генов (антионкогенов). К числу ингибиторов роста относят ТФР_В, ФНО_, ИФН_.

Факторы роста(ФР) входят в систему цитокинов, имеют полипептидную структуру, обладают широким избирательным действием на клетки. Факторы роста влияют на пролиферацию, передвижение, сократимость, дифференцировку клеток.

Полипептидные ФР, наряду с ингибиторами роста, включены в группу растворимых сигнальных субстанций. Характер действия сигналов ФР может быть эндо-, пара- или аутокринным.

1. Эпидермальный ФР (ЭФР) – фактор прогрессии, имеет широкий спектр действия, стимулирует все виды эпителия и фибробласты к митозу; определяется в различных секретах и тканевых жидкостях. ФНО_выделен из индуцированной вирусом саркомы, где он вызывает некроз опухолевых клеток. По химической структуре аналогичен ЭФР.

2. Тромбоцитарный ФР (ТцФР) – высокоактивный белок, высвобождающийся при дегрануляции тромбоцитов, может синтезироваться активированными макрофагами, моноцитами, эндотелиальными и гладкомышечными клетками при воспалении. Действует как фактор компетенции вместе с факторами прогрессии, запускает клеточный цикл, переводя клетки в фазы G₀илиG₁.

3. Семейство ФР фибробластов (ФРФ) в настоящее время стремительно расширяется, представлено полипептидными молекулами со многими видами активности, помимо митогенного действия на фибробласты. Представители семейства – основной и кислый ФРФ (оФРФ, кФРФ). Так, оФРФ запускает все этапы ангиогенеза, определяется в экстрактах из многих органов, вырабатывается активированными макрофагами. Действие кФРФ ограничивается нервной тканью.

4. Трансформирующийся ФР (ТФР_В) и связанные с ним ФР – относятся к семейству гомологичных полипептидов и представлены тремя изоформами ТФР_В (1-3), морфогенетическим белком кости и мюллеровским ингибиторным фактором. Действие ТФР разнообразно: в малых концентрациях он оказывает непрямое митогенное действие через активацию ТцФР, в больших – тормозит рост, ингибируя экспрессию рецепторов этого фактора, является хемоаттракантом для фибробластов, способствует фиброгенезу, особенно в очагах фиброза и склероза при хроническом воспалении. ТФР вырабатывается тромбоцитами, эндотелием, Т-лимфоцитами, макрофагами.

5. Другие цитокины, например, ИЛ-1, ФНО_, служат митогенами для фибробластов, стимулируя синтез коллагена и коллагеназы этими клетками.

Роль внеклеточного матрикса и клеточно-матриксных взаимодействий. Внеклеточный матрикс оказывает решающее влияние на рост, передвижение и дифференцировку клеток, образуя группу нерастворимых сигнальных субстанций. Он представлен структурными фибриллярными белками (коллаген и эластин) и интерстициальным матриксом (адгезивные гликопротеиды в геле из протеогликанов и гликозаминогликанов). Интерстициальный матрикс образует базальные мембраны эпителия, эндотелия, гладкомышечных структур, обеспечивая тургор и ригидность архитектоники тканей. Коллаген – белок, состоящий из тройной спирали, представленный 15 типами.I,III,Vтипы образуют волокна,IVтип – нефибриллярный, входит в структуру базальной мембраны и является основным компонентом соединительной ткани в заживающих ранах, в рубцах.

Адгезивные гликопротеины– белки, связывающие компоненты внеклеточного матрикса с клетками и между собой. К ним относятся фибронектин, ламинин, энтактин, тромбосподин и др.

Фибронектин – многофункциональный гликопротеид, способный одновременно связываться с плазмолеммой (интегральные рецепторы), базальной мембраной и перицеллюлярным матриксом (коллагеном, фибрином, гепарином). Фибронектин вырабатывается фибробластами, моноцитами, эндотелием и непосредственно участвует в прикреплении, распространении и миграции клеток; усиливает чувствительность эндотелия капилляров к пролиферации стимулами ФР.

Ламинин – крупномолекулярный гликопротеид базальной мембраны, стабилизирующий её структуру путём образования мостиков между коллагеномIVтипа, фибронектином и протеингликанами. Через интегриновые рецепторы клеточной мембраны ламинин обеспечивает прикрепление клеток к компонентам соединительной ткани.In vitroвлияет на рост и дифференцировку многих типов клеток, играет узловую роль в ангиогенезе.

Протеингликаны– это гликозаминогликаны двух типов, ковалентно связанные с белковым стержнем (I тип) или лишенные белкового стержня (IIтип), они являются модуляторами роста и дифференцировки клеток.

Процессы адаптации. Адаптация (приспособление) рассматривается как развитие у каких-либо биосистем биологических свойств, обеспечивающих их жизнедеятельность при изменениях в окружающей среде или самой биосистеме. При этом реакция биосистемы направлена на её выживание, сохранение её постоянства или свойств. Таким образом, адаптация выступает как необходимый и естественный фактор индивидуального развития. Широкое биологическое толкование адаптации обусловливает ряд положений, раскрывающих её сущность:

– адаптация охватывает не только здоровье, но и болезнь;

– адаптация связана с сохранением и развитием вида, имеет видовое значение;

– адаптивные реакции – реакции широкого плана, по сути своей гомеостатические, осуществляющиеся на принципах автоматизма и ауторегуляции.

В патологии адаптация может отражать различные функциональные состояния, снижение или извращение функций клетки, ткани, органа, системы. Процессы приспособления имеют фазный характер течения, складывающийся из действия на стабильную (нормальную) ткань патологического стимула (I фаза) с развитием адаптивного ответа (II), приводящего к стабилизации ткани на новом уровне структурно-функциональной организации (III) и, если это возможно, устранение действия повреждающего стимула с восстановлением нормальной ткани (IV).

Приспособление может проявляться такими процессами, как: гиперплазия; гипертрофия; атрофия; метаплазия.

Гиперплазия увеличение количества клеток в органе или ткани. Гиперплазия возможна только при синтезе клетками ДНК, обеспечивающей митоз, т.е. в её основе лежит пролиферация. Гиперплазию делят на физиологическую и патологическую. Физиологическая гиперплазия бывает гормональной и компенсаторной Примером первой служит пролиферация эпителия в молочной железе или в матке во время беременности, второй – пролиферация гепатоцитов после частичной гепатэктомии, хорошо изученной в эксперименте. Например, восстановление массы печени происходит в течение 1-2 недель, гепатоциты снова становятся стабильными клетками. Механизмы стимуляции роста клеток стереотипны (см. выше).

Патологическая гиперплазия, как правили, возникает при избыточной гормональной стимуляции или действии ФР на клетки-мишени. Дисгормональный характер имеет гиперплазия эндометрия (возрастание уровня эстрогенов), фиброзно-кистозная болезнь молочных желез, аденоматозная гиперплазия предстательной железы. На фоне этих состояний может произойти малигнизация, поэтому они считаются предраковыми. Гиперплазия, обусловленная действием ФР, встречается при реактивных процессах: заживлении ран, хроническом воспалений (остроконечные кондиломы), вирусных инфекциях (папилломы, бородавки).

Гипертрофия – увеличение объёма клеток, ткани, органа за счёт размножения клеток или увеличения количества и размеров внутриклеточных структур. Гипертрофия – процесс обратимый, бывает физиологической и патологической. Примером физиологической гипертрофии может служить увеличение матки во время беременности (действие эстрогенов на рецепторы миометрия), увеличение объёма скелетной мускулатуры у спортсменов при регулярной физической нагрузке.

Среди патологической гипертрофии различают несколько видов:

– нейрогуморальную, возникающую при нарушении функции эндокринных желез (акромегалия);

– гипертрофические разрастания (слоновость нижних конечностей, гипертрофические разрастания);

– викарную (заместительную), развивающуюся, при гибели одного из парных органов (почки, лёгкие);

– компенсаторную (рабочую).

Последний вид гипертрофии развивается в органе при чрезмерной его нагрузке, требующей усиленной работы. Чаще всего эта гипертрофия встречается в сердце (при пороках, артериальной гипертензии, стенозе аорты), желудочно-кишечном тракте (гипертрофия стенки выше места сужения желудка или кишки), мочевыводящих путях (гипертрофия мочевого пузыря при неполной закупорке камнем мужской уретры). Органы увеличиваются, но сохраняют свою конфигурацию, полость органа либо суживается (концентрическая гипертрофия) либо расширяется (эксцентрическая гипертрофия).

Компенсаторная гипертрофия протекает в 3 фазы: становления; закрепления; истощения (декомпенсации).

В 1-ю фазу пораженный орган использует скрытые резервы, вырабатывает наиболее экономный тип обмена. В фазу закрепления происходит структурная перестройка пораженного органа, возникает новое морфологическое качество (гипертрофия), в органе отлаживается новый тип обмена, обеспечивающий относительно длительную, устойчивую компенсацию. В фазу истощения в гипертрофированных структурах нарастают дистрофические процессы, составляющие основу декомпенсации.

Атрофия – прижизненное уменьшение объёма клеток, тканей, органов, сопровождающее снижением или прекращением функций. Патологическая атрофия - обратимый процесс. Она может быть общей – истощение, или кахексия, и местной. Виды кахексии: алиментарная; раковая; церебральная; гипофизарная; при других заболеваниях (туберкулез, хроническая дизентерия).

Помимо исчезновения подкожно-жировой клетчатки и атрофии скелетной мускулатуры, уменьшаются в объеме паренхиматозные органы – печень, сердце, они приобретают бурую окраску (бурая атрофия сердца, печени). Этот процесс связан с накоплением гранул липофусцина (остаточных телец) в аутофагических вакуолях клетки.

Виды местной атрофии:

– дисфункциональная, или от бездействия (атрофия зрительного нерва при удалении глаза);

– вследствие недостаточности кровоснабжения (почки, кардиомиоциты, нейроны головного мозга при атеросклерозе);

– от давления (гидронефроз, гидроцефалия);

– нейротическую (полиомиелит);

– от действия физических и химических факторов (атрофия костного мозга при лучевой болезни).

Метаплазия – переход одного вида дифференцированной ткани в другой дифференцированный вид в пределах одного гистотипа. Такое превращение носит адаптационный характер, так как новый подтип ткани по сравнению с прежним, нормальным, лучше приспособлен к неблагоприятному микроокружению. Чаще встречается метаплазия эпителия: эпидермальная, кишечная, желудочная. Но в большинстве случаев такая метаплазия сопровождается осложнениями из-за потери тканью естественных функций и может привести к малигнизации ткани. Метаплазия соединительной ткани ведет к её превращению в хрящевую или костную ткань.