Текст книги "Клинические аспекты спортивной медицины"

Старение клеток. После функционирования в течение определенного периода времени клетка гибнет, ее гибели часто предшествует период старения. У соматических клеток имеется запрограммированный предел возможности деления, их пролиферативный потенциал обратно пропорционален возрасту организма и прямо пропорционален максимальной продолжительности жизни индивидуумов данного вида. При старении клетка утрачивает способность к репликации ДНК и задерживается в G₁-фазе клеточного цикла, переходя в G₀-фазу; в отличие от нормальной покоящейся клетки на нее не действуют митогены.

Механизмы и смысл клеточного старения остаются предметом дискуссии. Согласно одной гипотезе, клеточное старение – результат катастрофического накопления ошибок биосинтетических механизмов клетки, согласно другой – является способом защиты организма от рака путем ограничения возможностей роста клеток. Возможно, старение клеток служит механизмом стабилизации размеров взрослого организма.

Морфологические признаки старения и приближающейся гибели клетки: уменьшение ее объема, редукция большинства органелл, увеличение содержания крупных лизосом и элементов цитоскелета, накопление пигментных и жировых включений, нарастание проницаемости клеточных мембран, вакуолизация цитоплазмы и ядра.

Гибель клеток. Число клеток в организме, органах и тканях регулируется гомеостатическими механизмами и определяется динамическим равновесием между образованием клеток путем пролиферации и их гибелью. Поэтому гибель клеток, наряду с их размножением и дифференцировкой, – один из ключевых процессов и факторов в обеспечении нормальной жизнедеятельности различных тканей. При гибели клеток могут наблюдаться два вида морфологических изменений, которые соответствуют различным механизмам ее развития, – некроз и апоптоз.

Некроз (от греч. nekrosis – умирание) возникает под действием резко выраженных повреждающих факторов: перегревания (гипертермии), переохлаждения (гипотермии), недостатка кислорода (гипоксии), нарушения кровоснабжения (ишемии), метаболических ядов, химических препаратов, механической травмы и др. Некроз представляет собой «смерть в результате несчастного случая» и часто охватывает различные по численности группы клеток.

Структурно-функциональные изменения клеток при некрозе на начальных этапах его развития проявляются набуханием цитоплазмы и отдельных органелл (в особенности митохондрий). Отмечается дисперсия рибосом, расширение цистерн ЭПС. Эти морфологические изменения обусловлены нарушением избирательной проницаемости плазмолеммы и развиваются в ответ на прекращение деятельности мембранных ионных насосов (из-за непосредственного повреждения мембраны или вследствие отсутствия необходимой энергии). Повышение концентрации Са²⁺ в гиалоплазме вызывает активацию связанных с мембраной фосфолипаз, которые разрушают мембранные фосфолипиды и вызывают обширные повреждения мембран. Разрушение клеточных структур резко ускоряется на поздних стадиях некроза после выделения гидролаз и других ферментов из поврежденных лизосом.

Изменения ядра при некрозе связаны с расщеплением ядерной ДНК лизосомальной ДНКазой на фрагменты различной длины (без какой-либо закономерности). Первоначально гетерохроматин конденсируется в виде крупных глыбок под кариолеммой, однако он не образует четко очерченных скоплений полулунной формы, которые характерны для ядер клеток, подвергающихся апоптозу. В дальнейшем ядро уменьшается, уплотняется (явление кариопикноза – от греч. karyon – ядро и pycnosis – уплотнение), распадается (подвергается кариорексису – от греч. karyon – ядро и rhexis – разрыв) и лизируется (явление кариолизиса – от греч. karyon – ядро и lysis – разрыв).

Поздние явления при некрозе: разрыв ядерной оболочки, плазмолеммы и мембран органелл, разрушение и растворение ядра, утрата базофилии набухшей цитоплазмой, исчезновение клеточных границ и распад клетки.

Для некроза не требуется продолжающейся синтетической активности клетки, он не сопровождается активацией путей внутриклеточной сигнализации. Продукты распада клеток попадают в межклеточные пространства, привлекают лейкоциты и макрофаги, фагоцитирующие клеточный детрит. Фагоциты, в свою очередь, выделяют разнообразные вещества, которые обусловливают активацию и приток различных клеток вследствие хемотаксиса. Так развивается и в течение определенного времени поддерживается воспалительная реакция на продукты разрушения клеток при их некрозе.

Апоптоз – физиологическая (запрограммированная) гибель клеток. Апоптоз (от греч. apoptosis – листопад) – «смерть клетки в результате самоуничтожения» – активный, генетически контролируемый процесс клеточной гибели, регулируемый внутренней программой, которая запускается внешними факторами. Развитие апоптоза индуцируется особыми (киллерными) генами, которые обеспечивают синтез ряда веществ, обусловливающих разрушение клетки. Обнаружены также «гены-спасители», экспрессия которых противодействует развертыванию программы апоптоза (наиболее изученным ингибитором апоптоза служит ген bcl-2).

Апоптоз – энергоемкий процесс и сопровождается активацией сигнальных систем в клетке. Он обычно происходит асинхронно в отдельных клетках или мелких клеточных группах, разделенных численно превосходящими жизнеспособными клетками. Апоптоз наблюдается в различных тканях человека и животных в норме, патологии, эмбриональном развитии и у взрослого.

Сигналы, запускающие генетическую программу апоптоза, обладают специфичностью для клеток различных тканей. Наиболее общие индуцирующие сигналы:

– нарушение баланса регуляторных воздействий, поддерживающих нормальную дифференцировку и функциональную активность клеток. Например, вследствие дефицита стимулирующих факторов (гормонов, факторов роста, некоторых цитокинов), потери контакта с другими клетками или компонентами межклеточного вещества и др. К этой же категории сигналов, относятся и те, что возникают в клетке при ее естественном старении;

– воздействие физиологических активаторов (индукторов) апоптоза: фактора некроза опухолей (ФНО), интерферона-γ (ИФН-γ), трансформирующего фактора роста-β (ТФР-β), молекулы Fas, глюкокортикоидов, некоторых интерлейкинов. Этот эффект тканеспецифичен: некоторые из указанных веществ в клетках одних тканей индуцируют апоптоз, тогда как в других являются его ингибиторами (факторами выживания);

– воздействие умеренных по интенсивности разнообразных повреждающих физических и химических факторов (гипертермии, гипоксии, оксидантов, токсинов, ишемии, облучения), которые при большей выраженности приводят к развитию некроза. Причина апоптоза – вызывемые их действием неустранимые повреждения ДНК или резкие метаболические сдвиги;

– некоторые инфекции, в особенности, вирусные.

Структурно-функциональные изменения клеток при апоптозе. На ранних этапах развития апоптоза (до возникновения структурных изменений в клетках) в цитоплазме в течение латентного периода длительностью до 12 ч происходит синтез ферментов, без которых гибель клетки не происходит. В конечном итоге погибают не все клетки, т. к. часть из них выживает благодаря «спасению» в результате активации особых «генов-спасителей» и действия специфических трофических факторов.

Наиболее раннее морфологическое проявление апоптоза, выявляемое на электронно-микроскопическом уровне – утрата клетками специализированных структур на их поверхности (например, микроворсинок и межклеточных соединений), их отделение от соседних (рис. 1.4).

Развитие апоптоза морфологически на светооптическом уровне также проявляется уплотнением ядра, в котором накапливаются крупные глыбки хроматина, и конденсацией цитоплазмы, которая уплотняется, сморщивается и уменьшается в размерах (апоптоз назван также «сморщивающим некрозом» – shrinkage necrosis в англоязычной литературе). Уплотнение цитоплазмы приводит к более компактному расположению органелл, которые при апоптозе сохраняют свою целостность.

Изменения в ядре при апоптозе обусловлены активацией эндогенной Ca²⁺/Mg²⁺-за висимой эндонуклеазы, что приводит к упорядоченному расщеплению геномной ДНК в межнуклеосомных участках на отдельные нуклеосомные сегменты. Хроматин укладывается в ядре в виде крупных полулуний, после чего ядро распадается на фрагменты, окруженные мембраной. Таким образом, в отличие от некроза, изменения ядра при апоптозе включают только кариопикноз и своеобразный кариорексис (без разрушения кариолеммы); кариолизис отсутствует.

Рис. 1.4. Морфологические изменения клеток при апоптозе: А₁ – А₄ – клетки на последовательных стадиях апоптоза: А₁ – начало апоптоза: утрата клеткой соединений с соседними интактными клетками и ее отделение от них; А₂ – сжатие и уплотнение цитоплазмы и ядра, изменение формы клетки, распределение гетерохроматина в виде полулуний под кариолеммой; A₃ – нарастающее сжатие и уплотнение клетки, образование вздутий и выростов на ее поверхности, кариопикноз; А₄ – распад клетки на фрагменты, окруженные плазмолеммой (апоптозные тела), и их фагоцитоз соседними интактными клетками

При прогрессировании апоптоза наряду с нарастанием конденсации цитоплазмы наблюдается изменение формы клетки – она образует многочисленные крупные вздутия и выпячивания (поверхность клетки при этом как бы «вскипает»), а также «кратеры» (по-видимому, в участках слияния с плазмолеммой пузырьков, образующихся из цистерн грЭПС).

Образование и удаление апоптозных тел. Выпячивания, содержащие жизнеспособные органеллы, а также фрагменты ядра отшнуровываются, формируя крупные, окруженные мембраной фрагменты округлой или овальной формы – апоптозные тела. Их образование связано с преобразованиями цитоскелета: перешнуровка цитоплазмы происходит с участием пучков актиновых микрофиламентов, разрушение которых блокирует ход апоптоза. Число и размеры образующихся клеточных фрагментов (апоптозных тел) варьируют в широких пределах и обычно тем значительнее, чем крупнее разрушающаяся клетка. В некоторых случаях клетка сморщивается целиком, превращаясь в одно сферическое апоптозное тело. Апоптозные тела быстро захватываются соседними клетками посредством фагоцитоза и перевариваются ими. Некоторые тела разрушаются внеклеточно, другие – поглощаются местными фагоцитами. Нейтрофилы в фагоцитозе апоптозных тел не участвуют, воспалительная реакция отсутствует.

Процесс апоптоза развивается сравнительно быстро и обычно длится от нескольких минут до нескольких часов (1–3 ч).

Биохимические процессы при апоптозе. Сигнал, запускающий апоптоз, инициирует внутриклеточную каталитическую реакцию, которая включает ряд этапов:

– передача сигнала в клеточное ядро (обеспечивается различными механизмами, опосредованными ионами Са²⁺, фосфолипазой, тирозинкиназой, протеинкиназами А и С, циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ), сфингомиелином/церамидом и др. молекулами);

– активация «летальных», или «киллерных» генов, ответственных за развертывание программы апоптоза;

– включение процессов транскрипции и трансляции(в результате которых осуществляется синтез апоптоз-специфических белков);

– активация ряда ферментных систем, вызывающих необратимые изменения в ядре и цитоплазме клетки.

Деятельность указанных ферментных систем на заключительном этапе биохимических преобразований при апоптозе генетически контролируется и координируется, разворачиваясь в определенном порядке. К наиболее важным ферментным системам относят (в порядке их активации):

1. Цистеиновые протеазы семейства ICE (сокращенное название от англ. IL-1 Converting Enzyme – фермент, конвертирующий ИЛ-1), представляющие собой протеолитическую каскадную аутокаталитическую систему, а также ICE-подобные протеазы.

2. Гранзимы (сериновые протеазы).

3. Эндонуклеазы, обусловливающие фрагментацию ДНК в участках между нуклеосомами с формированием цепей ДНК стандартной длины. Эта реакция, развивающаяся еще до протеолиза гистонов и других ядерных белков, настолько специфична, что ее используют в качестве маркера процесса апоптоза.

Значение апоптоза в развитии тканей и механизмах тканевого гомеостаза у человека. Апоптоз – один из фундаментальных и универсальных биологических механизмов тканевого гомеостаза, поэтому он в той или иной степени связан со всеми проявлениями жизнедеятельности тканей в норме и патологии. Особенно значима роль апоптоза в следующих процессах: эмбриональном развитии, удалении стареющих клеток в зрелых тканях, инволюции зрелых тканей, иммунных реакциях, реакциях тканей на действие повреждающих факторов, развитии ряда дегенеративных и инфекционных заболеваний, опухолевом росте.

Апоптоз в эмбриональном развитии. Внутриутробное развитие сопровождается избыточным образованием огромного количества клеток, которые своевременно уничтожаются путем апоптоза. Наиболее активно этот процесс происходит в нервной системе, где механизмом апоптоза гибнет до 40–85 % нейронов различных участков ЦНС. Важнейшие процессы гисто– и органогенеза тесно связаны с индукцией апоптоза, развивающегося в соответствии с генетически определенной пространственной и временной программой. Апоптоз охватывает клетки в четко определенных участках формирующихся зачатков и органов на конкретных этапах их развития.

Проявления апоптоза в ходе развития: регрессия частей эмбриональных зачатков и закладок органов, изменения их формы, процессы образования просвета в трубчатых органах, инволюция провизорных органов, разрыв плодных оболочек и др. Предполагают, что одним из механизмов действия тератогенов (от греч. teras – урод и genes – происшедший) – веществ, обусловливающих развитие уродств, – служит изменение расположения зон, в которых в норме происходит гибель клеток механизмом апоптоза (нарушение программы апоптоза).

Апоптоз стареющих клеток в зрелых тканях. Длительность жизни клеток в различных тканях варьирует в очень широких пределах – от нескольких часов (лейкоциты) или нескольких суток (клетки кишечного эпителия) до многих лет (кардиомиоциты и нейроны). Она определена генетически и связана с характером популяций, к которым принадлежат эти клетки. Старение клеток, независимо от скорости, с которой оно происходит, в физиологических условиях завершается апоптозом. Развитие апоптоза индуцируется вследствие накопления генетических ошибок и (или) снижения чувствительности клетки к стимулирующим ростовым сигналам (в результате нарушений рецепторного аппарата).

Обычно стареющие клетки, подвергающиеся апоптозу, располагаются в тканях и органах диффузно; в некоторых органах с закономерной миграцией клеток они накапливаются в участке завершения миграции (например, в сетчатой зоне коркового вещества надпочечника). Апоптоз клеток при их естественной смерти в результате старения прослеживается в тканях с трудом из-за немногочисленности гибнущих клеток. Значительно более массовая гибель характерна для тканей, подвергающихся инволюции, в особенности после предшествующей гиперплазии.

Апоптоз при инволюции зрелых тканей особенно выражен в гормональнозависимых органах после прекращения гормональной стимуляции. Он характерен для атрофирующихся органов половых систем (предстательной железы, придатка яичка, матки) после удаления гонад, для постлактационной инволюции молочной железы, послеродовой инволюции матки, атрофии периферических эндокринных желез (щитовидной железы, коркового вещества надпочечников) и гонад после удаления гипофиза и т. п.

Апоптоз в клетках иммунной системы обеспечивает развитие и течение важнейших иммунных реакций. Механизмом апоптоза гибнет большая часть лимфоцитов в центральных органах иммуногенеза, не прошедших процессы селекции (не располагающих набором рецепторов, необходимым для осуществления их нормальной функции). Этим же механизмом погибают и В-лимфоциты с низкоаффинными рецепторами в герминативном центре периферических органов иммуногенеза; он лежит в основе цитотоксического действия Т-киллеров и NK-клеток на клетки-мишени, а также возрастной и акцидентальной инволюции тимуса и других органов иммунной системы. Очевидно, что разработка методов управления процессами апоптоза может способствовать коррекции иммунных нарушений (иммунодефицитов, аутоиммуных и аллергических заболеваний и др.).

Апоптоз в реакции тканей на действие повреждающих факторов. Как уже указывалось выше, развивается при умеренном повреждении клетки разнообразными факторами, которые при более мощном повреждающем воздействии вызывают развитие некроза. Примером такого рода процессов служит развитие апоптоза при инфаркте миокарда – остром заболевании, которое развивается вследствие нарушения кровоснабжения участка сердечной мышцы. Хотя значительная часть клеток в очаге повреждения подвергается некрозу, в ткани, прилежащей к некротическому очагу, многие умеренно поврежденные клетки погибают механизмом апоптоза, расширяя область поражения. Она может еще более увеличиться в поздние сроки из-за токсического действия веществ, выделяемых погибшими клетками и клетками, участвующими в формировании воспалительного инфильтрата вокруг зоны некроза. Сходная картина наблюдается при инсульте – гибели участка головного мозга. Эффект повреждающего действия ишемии, аноксии, различных токсинов и других факторов на ткани может быть уменьшен при воздействиях, обусловливающих торможение развития апоптоза в клетках, не получивших необратимых повреждений.

Апоптоз в развитии ряда дегенеративных и инфекционных заболеваний. Патологическая активация процесса апоптоза в нейронах, как предполагают, может играть важную роль в развитии таких заболеваний нервной системы, как болезнь Альцгеймера, паркинсонизм, болезнь Гентингтона, боковой амиотрофический склероз (болезнь Лу-Герига) и др., которые характеризуются резким уменьшением количества нейронов в определенных участках ЦНС. Терапия этих заболеваний должна быть направлена на блокирование процессов, приводящих к развитию апоптоза в клетках нервной ткани.

Апоптоз может запускаться в клетках человека при их инфицировании бактериями и вирусами. Заражение вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ) приводит к разрушению клеток иммунной и нервной систем, развивающихся клеток крови и клеток других тканей и органов механизмом апоптоза. Некоторые вирусы при заражении клеток блокируют их программу апоптоза. Вирус Эпштейна – Барр (вызывающий рак глотки, мононуклеоз и лимфомы) продуцирует ингибитор апоптоза, сходный с продуктом гена bcl-2, а вирус папилломы (вызывающий рак шейки матки) инактивирует ген р53. Указанные особенности необходимо учитывать при разработке новых методов лечения этих заболеваний.

Апоптоз в опухолевом росте. Апоптоз играет важную роль в механизмах развития опухолей (канцерогенезе) и действия противоопухолевых препаратов.

Угнетение апоптоза может служить одним из механизмов канцерогенеза. Это предположение основано на том, что в опухолевых клетках часто инактивированы регуляторные факторы, контролирующие их состояние и запускающие программу апоптоза. Для многих опухолей характерна инактивация индуктора апоптоза гена р53 или усиленная экспрессия «гена-спасителя» bcl-2, продукт которого блокирует апоптоз. При этом клетки не только ускользают от апоптоза, но и приобретают резистентность к терапии.

Индукция апоптоза цитотоксических лимфоцитов опухолевыми клетками служит механизмом защиты некоторых опухолей от разрушения иммунной системой. Этот эффект обусловлен тем, что клетки некоторых опухолей экспрессируют на своей поверхности особый лиганд Fas-L, взаимодействие которого с соответствующим рецептором (белком Fas) на поверхности цитотоксических лимфоцитов вызывает гибель последних механизмом апоптоза. При этом клетки как бы меняются своими ролями: цитотоксические лимфоциты вместо того, чтобы уничтожать опухолевые клетки путем индукции в них апоптоза, сами оказываются их жертвой, подвергаясь апоптозу.

Индукция апоптоза как метод лечения опухолей. Установлено, что лечебный эффект при химиотерапии и радиотерапии новообразований обусловлен не развитием тяжелых необратимых нарушений генома опухолевых клеток (как полагали ранее), а относительно небольшими повреждениями ДНК, которые, однако, достаточны для запуска программы апоптоза в опухолевых клетках. Одно из перспективных направлений генной терапии опухолей – внесение в их клетки неизмененного гена р53 с целью индукции их апоптоза.