Мигрирующие клетки костного мозга. Клетки крови. Грануляционная ткань.

   Я не буду здесь подробно излагать хорошо известные данные о клеточных основах кроветворения. Остановлюсь лишь на тех моментах, которые вызывают у меня самый большой интерес и на которые пока нет ответа в работах, посвященных этой области биологических исследований, начало истории которых прочно связано с именем русского гистолога А. А. Максимова, основателя унитарной теории кроветворения.

   Отмечу лишь, что источником всех клеток крови во взрослом организме являются стволовые кроветворные  клетки (СКК), имеющие фенотип малого лимфоцита. В эмбриогенезе СКК развиваются из внезародышевой мезенхимы желточного мешка (M. A. S. Moore, D. Metcalf, 1970), стромальные механоциты (см. статью «Фиксированные клетки соединительной ткани») происходят из мезенхимы тела зародыша, очевидно, поэтому в постнатальном онтогенезе СКК и стромальные механоциты являются гистогенетически независимыми линиями дифференцировки. Их основные функции также различны. Первые выполняют защитно-трофическую, вторые – опорную функцию, но, в целом, они образуют единую систему соединительной ткани. На поздних сроках эмбриогенеза (5-10 месяцев) кроветворные клетки заселяют костный мозг, который имеет уже сформированную сосудистую систему и ретикулярную строму и остаются там в постнатальном онтогенезе. Они локализуются в костном мозге вне его сосудов (экстраваскулярно).

    По наборам рецепторов на поверхности СКК и их производных, реагирующих на различные факторы дифференцировки (эритропоэтин, тромбопоэтин, колониестимулирующие факторы, интерлейкины и др.), которые вырабатываются в том числе стромальными механоцитами, выявляются самые ранние этапы дифференцировки этих клеток в различном направлении, а также последовательность развития клеток крови. В костном мозге определены эритроидно-мегакариоцитарный, моноцитарный, гранулоцитарный и лимфоцитарный диффероны. Их зрелые формы соответственно эритроциты, тромбоциты, моноциты, гранулоциты (нейтрофилы, эозинофилы, базофилы), Т- и В-лимфоциты циркулируют в крови.

   Общепринятым является тот факт, что СКК постоянно рециркулируют (перемещаются), интенсивно мигрируя из одних кроветворных органов в другие. Они заселяют (репопулируют) вторичные кроветворные органы: селезенку и лимфатические узлы, постоянно присутствуют в периферической крови, поэтому на первый взгляд кажется, что популяция СКК обладает относительной функциональной «автономностью». Однако на самом деле существует несколько уровней регуляции кроветворения: геномно-ядерный, внутриклеточный, межклеточный и организменный. Последний из них заключается в регуляции кроветворения интегрирующими системами организма: нервной, эндокринной и иммунной, при этом основной момент во всём процессе кроветворения, а именно, продукция СКК находится под прямым контролем центральной нервной системы (ЦНС), что предполагает наличие в костном мозге структур, обеспечивающих реализацию этого процесса.

    В костном мозге четко определяются два функционально различных состояний СКК: покоя (гибернации) и интенсивного деления (пролиферации), в связи с чем, в настоящее время выдвинута концепция о существовании двух основных типов костномозговых ниш: эндостальной и периваскулярной (A. Ehninger, A. Trumpp, 2011). Компонентами эндостальных ниш являются остеобласты и мезенхимальные стволовые клетки (МСК), некоторые исследователи называют их мультипотентные мезенхимальные стволовые клетки (ММСК). В эндостальных нишах СКК не пролиферируют. Периваскулярная ниша образована, главным образом, ретикулярными клетками, МСК и эндотелиоцитами синусоидных капилляров. СКК в периваскулярных нишах активно делятся. Показано, что в состав костномозговых ниш входят также симпатические нервные волокна (T.Nagasawa, Y Omatsu., et al., 2011), которые осуществляют иннервацию костного мозга.

    Считается, что нервная система оказывает трофическое влияние на миелоидную ткань, регулируя кровоснабжение костного мозга. Десимпатизация костного мозга приводят к нарушению гемопоэза. Стимуляция симпатического отдела вегетативной нервной системы, наоборот, усиливает выброс из костного мозга в кровоток клеток крови. Однако в механизме реализации прямой нервной регуляции кроветворения до сих пор остается много не ясных моментов.

    Нервные волокна входят в костный мозг вместе с кровеносными сосудами, распределяясь в их адвентиции. Они также тесно связаны с истинными капиллярами и синусоидами костного мозга. В последнее время доказано наличие нервных волокон между гемопоэтическими клетками, с которыми они образуют так называемые открытые синапсы. В таких синапсах нейромедиаторы из нервных терминалей свободно изливаются в межклеточный матрикс, а затем, мигрируя к клеткам, оказывают на них регуляторное влияние.

    Эффект такого воздействия  нервной системы на СКК продемонстрировали японские исследователи (S.Yamazaki, H. Ema, et al., 2011). Они показали, что шванновские клетки (клетки нервной системы), обнаруженные ими в эндостальных костномозговых нишах бедренных костей мышей, продуцируют фактор, который активирует работу другого фактора, поддерживающего СКК в состоянии покоя. Активацию последнего блокирует целый комплекс соединений, синтезируемых другими клетками костного мозга, окружающими СКК, что поддерживает, в свою очередь, их деление. Раскрыт сложный многоступенчатый молекулярный механизм кооперативного взаимодействия клеток костного мозга, активирующих деление СКК, и шванновских клеток, играющих ключевую роль в поддержании СКК в состоянии покоя.

    Поскольку известно, что трофику клеток глии осуществляют ассоциированные с ними нейроны, авторы цитируемых исследований провели одностороннее пересечение симпатического ствола бедренных костей мышей, что привело к полному исчезновению шванновских клеток в костном мозге. Несмотря на то, что концентрация ядросодержащих клеток костного мозга, полученных с обеих бедренных костей, не различалась в течение всего периода наблюдения, уже с третьего дня после операции наблюдалось снижение количества СКК в образцах, полученных с прооперированной стороны. Максимальная разница (20%) в количестве этих клеток регистрировалась на 7 день. При этом остеобласты, клетки эндотелия и МСК оставались сохранными.

    Обеднение  костного мозга СКК  было показано также в экспериментах с трансплантацией. Введение клеток костного мозга бедренной кости с денервированной стороны сублетально облученным мышам приводило к возникновению донорского химеризма в гораздо меньшей степени (в среднем 12,4%) в сравнении с введением аналогичных клеток с противоположной стороны (в среднем 53,5%). Анализ клеточного цикла СКК с обеих сторон показал, что СКК с денервированной стороны в значительно большей степени находились в состоянии пролиферации. Таким образом, шванновские клетки, являясь компонентами костномозговых ниш и поддерживая СКК в состоянии покоя, фактически регулируют продукцию пролиферирующих СКК, формирующих кроветворные диффероны.

   Тот факт, что в эндостальных нишах, кроме СКК, обнаруживаются также МСК, наводит на мысль о том, что эти клетки могут являться прямыми потомками мультипотентных клеток крови (МКК), дифференцировочный потенциал которых не ограничивается только продукцией СКК. При этом необходимо приять во внимание тот факт, что МКК могут перемещаться из аморфного внеклеточного матрикса эндоста, где они пребывают в относительно свободном состоянии, непосредственно на поверхность костной ткани, которая прилежит к эндосту, и вступать с ней в тесный контакт.  В ассоциированном с костью состоянии в МКК блокируются сигнальные пути, которые определяют их дифференцировку в СКК и  активизируется путь дифференцировки в направлении продукции клеток соединительной ткани, составляющих пул МСК.

   Идея о возможном существовании кроветворных клеток в фиксированном состоянии, в принципе, не является абсолютно новой. Первоначально бытовало представление о существовании фиксированных клеток с большими потенциями (их называли первичными ретикулярными клетками), которые сохраняются в течение всей жизни в миелоидной и лимфоидной ткани и дают начало свободно циркулирующим клеткам крови. Жаль, что её полностью отвергли. Феномен фиксированного состояния этих клеток всё же существует.

   Логичным является вопрос о том, каким образом обеспечивается ассоциация МКК  с поверхностью костной ткани, прилежащей к эндосту? Вполне возможна реализация  механизма, который напрямую связан с процессом деминерализации костей и давно описан в работах исследователей, изучавших биологию остеокластов и способ их прикрепления к костной ткани (А. Хэм, Д. Кормак, 1983). Суть его заключается в том, что на поверхности костного матрикса имеются  фибриллы или коллагеновые детерминанты, которые связаны с минеральным компонентом и  освобождаются после того, как он растворяется. Взаимодействуя с этими фибриллами, остеокласты прикрепляются к деминерализованному матриксу и осуществляют его резорбцию.

    В процессе физиологической регенерации в костной ткани постоянно образуются локусы деминерализации. Кроме того, её минеральный компонент, включающий в себя ионы кальция и фосфора, находится в состоянии непрерывного обмена с аналогичными ионами в плазме крови. Таким образом, в костной ткани, в том числе  прилежащей к  эндосту, постоянно действует механизм освобождения и блокировки  коллагеновых фибрилл. Если учесть тот факт, что на поверхностных мембранах МКК имеются комплементарные к этим фибриллам рецепторы,  тогда их взаимодействие может обеспечивать прикрепление этих клеток к костному матриксу. Отсюда вытекает тот факт, что от степени его деминерализации напрямую зависит продукция МСК.

   Фиксация сопровождается уплощением МКК, они как-бы распластываются на поверхности коллагеновых волокон  и принимают втянутую форму. Ядро при этом смещается и располагается эксцентрично. МСК образуются путем амитотического деления ядер фиксированных МКК. Отделившееся ядро на пути к поверхности клетки окружается небольшим ободком цитоплазмы и плазматической мембраной и затем выделяется на поверхность клетки. Этот процесс повторяется многократно, до тех пор, пока МКК находится в состоянии фиксации. Минерализация костного матрикса и блокировка коллагеновых фибрилл сопровождается их освобождением и  перемещением обратно в межклеточный матрикс эндоста.

    В норме количество МКК, ассоциированных с  костной тканью,  очевидно, ограничено, потому что основная масса коллагеновых фибрилл  заблокирована минеральным компонентом, при этом большая часть этих клеток локализуется во внеклеточном матриксе эндоста и продуцирует СКК, которые перемещаются в периваскулярные ниши костного мозга и осуществляют процесс кроветворения. МСК в норме тоже нужны, но в меньшем количестве, чем СКК. Они продуцируют адипоциты, которые формируют мобильное депо жировой ткани и  являются родоначальными клетками всех тканевых макрофагов (о чем я постараюсь рассказать в других статьях).

    Стресс, сопровождающий любую травму, инициирует выброс  ионов кальция из костей. В этом случае в  костной ткани, в том числе  прилежащей к эндосту, резко увеличивается количество свободных коллагеновых фибрилл, на которые тут же «оседают» МКК, переместившись из межклеточного матрикса эндоста, где их количество уменьшается, что влечёт за собой усиление  продукции МСК и, соответственно, снижение количества образуемых  СКК. Этот феномен приводит к развитию в организме дефицита мигрирующих СКК и к уменьшению продукции клеток крови, в том числе эритроцитов. Репаративный процесс, таким образом, на стадии формирования грануляционной ткани всегда сопровождается анемией, что хорошо известно в клинической практике лечения любых ран. Однако учитывая тот факт, что фиксация МКК носит обратимый характер и последующее восстановление  минерального компонента  костного матрикса сопровождается их освобождением и перемещением обратно в межклеточный матрикс   эндоста, что происходит  при заживлении ран, пул мигрирующих СКК восстанавливается, что, в свою очередь, сопровождается нормализацией процесса кроветворения.

   Поскольку стресс – это измененное состояние нервной системы, на которое реагируют все другие системы организма, в том числе гормональные, направление дифференцировки   МКК также находится под контролем центральных систем регуляции.

   Так же, как СКК, МСК обладают высоким пролиферативным потенциалом.   Они образуют пулы клеток, необходимых для формирования грануляционной ткани, строящейся в ране de novo. В очаге регенерации эти клетки входят в контакт с детерминантами разрушенных коллагеновых волокон различного типа, комплементарные рецепторы к которым имеются на их поверхности. Контакт индуцирует их взрывное (burst) деление и последующее созревание образовавшихся клеток в раневые макрофаги, эндотелиальные клетки, миофибробласты, остеобласты, хондробласты (наличие одной из трех последних групп клеток зависит от типа поврежденной ткани), а также в тучные клетки. Дифференцировочный потенциал МСК при этом ограничивается формированием  перечисленных типов клеток (мезенхимальных по своей природе). Аналогичный механизм взаимодействия с коллагеновыми детерминантами обеспечивает, очевидно,  фиксацию тканевых макрофагов, которые, как я отмечала выше, также являются потомками МСК.

   В отличие от стромальных механоцитов (см. публикации глав  "Концепции гистогенеза соединительной ткани" в записях на сайте) собственно соединительной ткани и её специализированных разновидностей, механоциты - потомки  МСК, никогда не образуют зрелую капиллярную сеть и зрелую строму в очагах регенерации. В конце своего жизненного цикла, все они становятся "макрофагами" (в том числе, фиброкластами и остеокластами), резорбируют и тщательно «убирают» ткань, которую они сформировали, ибо она является временной (транзиторной) и необходима только для того, чтобы снабдить рану кислородом и обеспечить, тем самым, работу стромальных механоцитов. Последние,  локализованные в  ткани in situ, на границе с раной,  восстанавливают разрушенную структуру микроциркуляторного русла и стромы. «Факир сделал своё дело - факир должен уйти» - таков девиз МСК, которые так же, как СКК, предназначены для выполнения в организме защитно-трофической функции и, выполнив её, они подвергаются апоптозу.

   Есть большое отличие потомков МСК от потомков СКК– они никогда не дифференцируются. После деления МСК, их потомки  сразу начинают созревать, наращивая свой потенциал для выполнения специфической функции.

  Убедительное доказательство того, что МСК входят в состав МКК, мигрирующих в эмбриогенезе из желточного мешка в печень, получены при трансплантации  печени 14-суточных зародышей мышей (это период её активного кроветворения) под капсулу почки или в подкожную соединительную ткань половозрелых реципиентов, при этом  происходит последовательное новообразование гиалинового хряща, кости и кроветворных очагов (Е.И. Домарацкая, 2004 г.). Однако автор трактует этот феномен как доказательство  широких дифференцировочных потенций мезенхимы печени зародышей в период ее активного кроветворения. Выходит, СКК, мигрируя последовательно из печени в селезенку   и затем в костный мозг, каким-то непонятным образом "переносят с собой и своё микроокружение", которое затем выявляется в костном мозге в виде МСК.

  О биологии популяции клеток, образованных МСК,  я буду  ещё говорить.  История их    исследования полна драматизма и напоминает детективный сюжет, "лихо закрученный" самой Природой.  А ларчик, между тем, просто открывался, и все разгадки лежали и продолжают лежать на поверхности. Чтобы их осознать, надо только поменять стереотип мышления. Чем сложнее проблема, тем необходимо "выше подняться" над ней.   Мне посчастливилось "переместиться" в другую реальность и оттуда увидеть "связь между лимфоцитами, макрофагами и фибробластами" и решить, по крайней мере для себя,   эту основную  проблему гистогенеза соединительной ткани, которая формулируется так коротко.

 В заключении выводы:

1.      В эмбриогенезе из мезенхимы желточного мешка развиваются клетки, которые мигрируют в костный мозг и в постнатальном онтогенезе представлены группой мультипотентных кроветворных клеток (МКК), локализованных в аморфном веществе межклеточного матрикса эндоста, откуда они могут перемещаться на поверхность костной ткани, прилежащей к эндосту. Фиксация МКК в костном матриксе обеспечивается взаимодействием свободных коллагеновых фибрилл в локусах его деминерализации с комплементарными к ним рецепторами, расположенными на  их поверхностных мембранах. Находясь в межклеточном матриксе эндоста, МКК дифференцируются в стволовые кроветворные клетки (СКК), в состоянии ассоциации с костной тканью,  прилежащей к эндосту, - продуцируют  мезенхимальные стволовые клетки (МСК).
2.       В норме, в условиях физиологической регенерации тканей основная масса МКК находится в межклеточном пространстве эндоста и значительно меньшая их часть  ассоциирована с костной тканью, поэтому СКК образуется значительно больше, чем   МСК.
3.     Стресс на травму любой этиологии, усиливает деминерализацию костной ткани, в том числе  прилежащей к эндосту, что  увеличивает  численность свободных коллагеновых фибрилл, на которых «оседают» МКК, переместившись  из внеклеточного матрикса эндоста, где их количество уменьшается.  Этот процесс  сопровождается снижением продукции СКК и  усилением продукции МСК, численность которых напрямую зависит от степени деминерализации костного матрикса. Восстановление процесса  минерализации костей сопровождается освобождением МКК из фиксированного состояния и перемещением обратно в межклеточный матрикс эндоста, где их численность нормализуется.
4.     МСК также как СКК, обладают высоким пролиферативным потенциалом. Они мигрируют в рану для построения грануляционной ткани. Пролиферация и выбор направления дифференцировки МСК в эндотелиальные клетки, миофибробласты, остеобласты, хондробласты, в макрофаги или в тучные клетки инициируются взаимодействием рецепторов на их поверхностных мембранах с соответствующими детерминантами разрушенных коллагеновых волокон. В конце своего жизненного цикла эти клетки выполняют функцию макрофагов, резорбируют сформированную ими грануляционную (транзиторную) ткань и подвергаются апоптозу.
5.   Потомки МСК, в отличии  от потомков СКК,  не дифференцируются, после деления они сразу начинают созревать, наращивая свой потенциал для выполнения специфической функции.