 |
Основные маркеры нейроглии
|
|
|
|
| Маркеры | ПА | ФА | ИА | РА | NG2-клетки | олигодендроциты |
| ГКФБ | -/+ | ++ | + | + | - | - |
| Виментин | - | -/+ | - | + | -/+ | - |
| Нестин | - | - | - | + | -/+ | - |
| GLT-1 | ++ | -/+ | - | - | - | - |
| GLAST | ++ | -/+ | - | + | - | |
| Глутамин-синтетаза | ++ | -/+ | -/+ | - | - | -/+ |
| S100 b | + | ++ | + | + | + | + |
| Kir4.1 | ++ | + | -/+ | -/+ | - | - |
| Аквапорин 4 | -/+ | + | + | ? | ? | ? |
| CD44 | - | + | + | ? | - | - |
| CNP | - | - | - | - | - | ++ |
Функции астроцитов. В настоящее время астроциты рассматриваются как полифункциональные элементы, участвующие практически по всех аспектах деятельности мозга при развитии, нормальном функционировании и патологии. Ниже основновное внимание уделено участию астроцитов в работе мозга в норме.
Астроциты (Ас) создают во всей ЦНС при помощи своих главных толстых отростков пространственную сеть, центральными точками которой являются тела астроцитов, а межклеточное взаимодействие осуществляется посредством высокопроницаемых для ионов и низкомолекулярных веществ (молекулярной массой до 1кD) щелевых контактов (gap junction). Важно отиметить, что белки-коннексины, формирующие контакт у астроцитов и олигодендроцитов разные. У астороцитов это коннексины Cх43, Сх30 и Сх26, у олигодендроцитов – Сх 29, Сх32, Сх47. Эта сеть, независимо от окружающих нейронов, равномерно пронизывает нервную ткань и структурно взаимодействует с нейроннами посредством ламеллярных отростков. Подобные взаимоотношения являются оптимальными для осуществления астроцитарной глией ее многочисленных функций.
Участие астроцитов в гомеостазе внутренней среды мозга. Одной из важнейших функций астроцитов является регуляция ионного баланса в нервной ткани, особенно концентрации ионов калия во внеклеточной среде мозга. В норме содержание ионов калия во внеклеточной срезе мозга составляет около 3 µМ, при возбуждении нейронов концентрация калия значительно повышается (в несколько раз до 10-12 µМ при эпилептических судорогах и даже более 30 µМ при распространяюшейся депрессии), что может приводить к нарушению синаптической проводимости и перевозбуждению нейронов. Все нейроны и клетки макро- и микроглии имеют большое число К+ - ионных насосов и транспортеров, способных захватывать ионы калия из внеклеточной среды, однако наибольшую буферную функцию выполняют Ас. Плазматическая мембрана астроцитов обладает очень высокой проницаемостью для ионов калия, что позволяет клеткам выступать в роли своебразных калиевых насосов и пропускать внутриклеточно калий при повышении его внеклеточного уровня. Такая высокая проницаемость связана с особым видом калиевых каналов, формирующих входящие выпрямляющие (Kir) каналы. Из большого семейства Kir каналов, в астроцитах обнаружены: Kir2.0, Kir2.1, Kir2.3, Kir4.1 и Kir5.0. Наиболее изученным является ионный канал Kir4.1, относящийся к слабо выпрямляющим каналам (его проводимость слабо меняется при деполяризации мембраны, что при низких значениях потенциала позволяет ионам каналия свободно выходить из клетки в соответствии с электрохимическим градиентом).
|
|
|
Астроциты принимают активное участие в гомеостазе воды, прежде всего как клетки находящиеся на границе с кровеносными сосудами (рис. 10) и мягкой мозговой оболочкой, а также с постоянно меняюшимся ионным и молярным составом внутриклеточной среды. Известно, что отек астроцитов является одним из ранних и ярких проявлений нарушения водно-электролитного обмена в мозге. После открытия аквапоринов (Акв), участие клеток в транспорте воды связывают с этими белковыми каналами. Ас экспрессируют несколько изоформ аквапоринов, среди которых наиболее изучены изоформы Акв-4 и Акв-9. В сером веществе Акв-4 определяется в большом количестве в перваскулярных ножках астроцитов, где белок связан с калиевыми ионными каналами - Kir4.1
|
|
|
Регуляция внеклеточного уровня ряда медиаторов, наряду с регуляцией концентрации ионов калия, является важной функцией астроцитов. Как указывалось ранее, медиаторы после взаимодействия с постсинаптическими рецепторами подвергаются в синаптической щели ферментативному распаду или вступают в цикл реутилизатии. Утеря этой функции приводит к нарушению синаптической передачи. Однако такие важные медиаторы, как ГАМК и глутамат не транспортируются обратно в пресинапс (нет или мало мембранных транспортеров) и эту функцию берет на себя глия.
Астроциты экспрессируют два Na+-зависимых глутаматных транспортера (GLAST -мышинный белок, EAAT1- человеческий белок) и GLT-1 (EAAT2). Причем GLT-1 придается основное значение в глутамат захватывающей способности глиальных клеток. Концентрация GLT-1 в ПА гиппокампа достигает 8500 молекул на 1 мкм2. Транспортеры работают по принципу синпорта и являются электрогенными. Перемещение одной молекулы глутамата внутрь клетки сопровождается вхождением в нее трех ионов натрия и одновременным выходом иона калия и возможно хлора. Перемещение глутамата энергетически обеспечивается ионным градиентом натрия. Пропускающая способность транспортеров зависит от потенциала мембраны, концентрации лигандов и при определенных условиях они способны инвертировать свою работу, что приводит к выделению глутамата из астроцитов.
В случаи ГАМК-эргических синапсов, в глию поступает ГАМК с помощью специальных ГАМК-транспортеров, где она, под действием фермента глутаматсинтетазы, превращается в глутамат, и дальше события развиваются по циклу глутамат-эргических синапсов.
Основная часть поступившего в глиальную клетку глутамата превращается ферментом глутамин-синтетазой в глутамин, который затем выделяется из глии специальными транспортерами в межклеточное пространство и захватывается пресинапсом (мембрана нейрона и пресинапса имеют транспортеры для глутамина), где используется для ресинтеза медиатора глутамата (с помощью фермента глутаминазы в митохондриях пресинапса) или ГАМК (ферментом глутаматдекарбоксилазой). Такой круговорот аминокислот обозначается как глутамат – глутаминовый астроцитарно-нейронный цикл. Необходимо отметить, что этот важный процесс впервые был исследован в 70-е годы ХХ века Российским биохимиком С.М. Певзнером.
|
|
|
На генетических моделях нокаут - мышей, у которых астроциты были лишены глутаматных транспортеров, была отмечена даже гибель нейронов. Нарушение работы глиальных глутаматных транспортеров описано при многих неврологических заболеваниях, в частности при эпилепсии, болезнях Альцгеймера, Хантингтона, Александера, амиотрофическом латеральном склерозе, ишемическом повреждении мозга.
Обмен ионов Са+2 («кальциевые волны») и возбуждение астроцитов. В нейронах изменение уровня ионов кальция играет важную роль в регуляции ряда важнейших функций: реализация медиаторов, синаптическая пластичность, активность ферментов и даже экспрессия генов. Как оказалось, изменения уровня концентрации ионов кальция могут вызывать и в астроцитах структурные и функциональные изменения. Хотя по своим электрофизиологическим свойствам Ас являются невозбудимыми клетками, в ответ на действие ряда нейромедиаторов (глутамата, АТФ, оксид азота, BDNF – мозговой нейротрофический фактор и др) происходит возбуждение астроцитов в виде периодических колебаний внутриклеточного уровня ионов кальция. В ответ на повышения уровня кальция ПА способны выделять так называемые глиальные нейромедиаторы (табл. 2) которые в свою очередь способны модулировать деятельность рядом расположенных синапсов. Таким образом, ПА не являются пассивными элементами, и могут не только реагировать на возбуждение нейронов (быть своеобразными детекторами синаптической активности), но и способны активно влиять на синаптическую проводимость. Учитывая, что один астроцит контактирует примерно с 100 000 синапсами (данные по СА1 области гиппокампа), то кальциевые осцилляции даже в микродоменах могут влиять на большое число синапсов, тем более что процесс возбуждения распространяется среди соседних астроцитов.
|
|
|
Таблица 2
Глиомедиаторы астроцитов
| Глиомедиатор | Локализация в клетке, форма хранения | Механизм выделения | Стимуляторы выделения | Клетки-мишени и рецепторы |
| Глутамат | МСПП, цитозоль | Са2+-зависимый экзоцитоз, транспортеры, ЩПК | глутамат, ГАМК, АТФ, ПГ, спонтанная активность, TNFa | астроциты, нейроны; ионно-и метаботропные глутаматные рецепторы |
| АТР | БГП, цитозоль | Са2+-зависимый экзоцитоз, транспортеры, ЩПК | АТФ, глутамат, дофамин, ЛФК, тромбин | астроциты, микроглия, нейроны; пуринергические рецепторы P2X и P2Y |
| Аденозин | цитозоль | АТФ-зависимое дефосфорилирование эктонуклеотидазой каналов и транспортеров | АТФ, глутамат, дофамин, ЛФК, тромбин | нейроны (преимущественно тормозящие); рецепторы аденозина |
| D-серин | МСПП | Са2+-зависимый экзоцитоз, | Глутамат | нейроны (возбуждающие); NMDAR |
| эйкозаноиды (ПГ, ГЕТЕ) | не выяснено | Са2+-зависимый синтез с последующим быстрым выделением | глутамат, TNFa, норадреналин | астроциты, клетки кровеносных сосудов (вазодилятация, вазоконстрикция) |
Примечание. БГП – большие гранулярные пузырьки; ЛФК – лизофосфатидиновая кислота; МСПП – мелкие синаптическиподобные пузырьки; ЩПК – полуканалы, образованные из коннексинов каналы щелевидных контактов, которые не связаны с аналогичными каналами соседней клетки; ГЕТЕ - 20-гидроксиэйкозатетраеноивая кислота; TNFa - фактор некроза опухолей-a; ПГ – простагландины; NMDAR – ионотропный рецепторный канал, способный транспортировать ионы кальция
Глиомедиаторы могут влиять на синаптические контакты (пре - и постсинаптические отделы), паракринно - на сами астроциты и на другие клетки. Так, D-серин, образующийся из L-серина (реакция специфичная только для астроцитов), влияет на глицинсвязывающий участок глутаматного NMDA рецептора и способствует открытию канала. При этом NMDA рецептор пропускает ионы кальция, что может приводить к повреждению нервной клетки. Имеются клинические данные, в том числе и с использованием фармакологических препаратов, что астроцитарный D-серин имеет непосредственное отношение к патогенезу шизофрении и формированию асоциального поведения. Большое значение уделяется изучению группы сигнальных молекул – эйкозаноидов, включающих простагландины, простациклины, тромбоксаны, лейкотриены (производные арахидоновой кислоты). Эти молекулы осуществляют комплексную регуляцию многих систем и функций организма - процессы воспаления, иммунные реакции, а также являются медиаторами в ЦНС. Каскад эйкозаноидзависимых реакций один из наиболее сложных в организме.
Таким образом, нарушение этих функций астроцитами (синтез и секреция глиомедиаторов) является одним их значимых патогенетических механизмов многих нейродегенеративных заболеваний человека.
|
|
|
Тесная реципрокная кооперация между нейронами и астроцитами послужила основанием для создания концепции о «трехстороннем синапсе», в котором наряду с традиционными пре- и постсинаптическими отделами нейронов активное значение имеет третий участник – астроцит.
Энергетическое и метаболическое обеспечение нейронов. Трофическая функция астроглии заключается в транспорте глюкозы из кровеносных сосудов к нейронам. В настоящее время накапливается все больше данных о том, что не только глюкоза, но и лактат, образующийся в астроцитах, является важным энергетическим субстратом мозга. Астроциты влияют на проницаемость кровеносных капилляров, способствуя тем самым снабжению нейронов метаболитами и кислородом. Интересно, что астроциты при недостатке кислорода в мозге могут переходит на анаэробный обмен, тем самым «экономя» кислород для нейронов. Через специализированные глио-нейральные контакты (глиапсы) астроциты (и другие клетки глии) поставляют в нейрон большое количество метаболитов, вплоть до АТФ, белков и даже мРНК.
Участие астроцитов в регуляции мозгового кровотока. Локальное усиление мозгового кровотока при активации работы какого-либо участка мозга хорошо известно. Известно, что вазодилятация прямо зависит от активации нейронов (интенсивность деятельности синапсов, число активно работающих синапсов). Астроциты являются одним из связывающих звенов между активностью синаптических конактов и тонусом кровеносных сосудов. В основе такой кооперации лежит генерация кальциевых волн в результате активации синапсов, перемещающихся по отросткам астроцитов в сосудистые ножки, где происходит выделение глиомедиаторов, влиящих на сосудистый тонус.
Олигодендроциты. Эти клетки часто располагаются около тел нейронов в качестве их сателлитов и вдоль аксонов, образуя миелиновые оболочки вокруг нервных отростков в ЦНС. В сравнении с Ас, олигодендроциты (Ол) меньше по величине (5-10 мкм), их отростки малочисленны (рис. 9.12, г) и располагаются в окружности радиусом не более 200 мкм. Относительно крупное ядро Ол с большим количеством конденсированного хроматина располагается эксцентрично. Перикарион Ол отличается высокой электронной плотностью, хорошо развитой ГЭС, многочисленными полисомами, плотными телами, гомогенным и зернистым матриксом, беспорядочно расположенными микротрубочками (25 нм в диаметре), большим, чем у Ас, содержанием митохондрий и небольшим количеством лизосом. Немногочисленные отростки Ол короче, чем отростки Ас, мало разветвляются, имеют электронноплотный матрикс, содержат множество свободных рибосом и параллельно расположенных микроканальцев, но не содержат гранул гликогена. Маркерами Ол являются белки миелина (основной белок миелина и др.).
Функции олигодендроцитов. Основной функцией Ол является синтез миелина и образование миелиновых оболочек вокруг аксонов ЦНС. Отростки одного интерфасцикулярного Ол принимают участие в миелинизации нескольких нервных волокон и могут образовывать до 50 межперехватных участков соседних аксонов. Способность к миелинообразованию сохраняется у Ол зрелой ЦНС. Отростки Ол могут образовывать миелиновую оболочку вокруг любой нейрональной или глиальной структуры ЦНС. Выявлены миелинизированные тела большого числа гранулярных клеток мозжечка, обонятельной луковицы, описаны даже миелинизованные Ол и Ас. У миелинизированных волокон ЦНС нет базальной мембраны и аксон в области перехвата непосредственно омывается межклеточной жидкостью. Одной из функций интерфасцикулярных Ол, по-видимому, является поддержание постоянного ионного состава в зоне миелинизации. Сателлитарная олигодендроглия функционирует в едином функционально сопряженном с нейроном комплексе. В случае чрезмерной нагрузки или повреждения происходит увеличение количества сателлитарной глии, что позволяет оптимально распределить метаболические и биосинтетические возможности всего комплекса клеток и обеспечить более высокий уровень адаптации нейронов.
Эпендимная глия. Включает в свой состав эпендимные клетки (ЭК) и танициты. ЭК выстилают поверхности желудочков мозга и центральный канал спинного мозга (рис. 9.12, д). Выделяют типичные и атипичные ЭК. Типичные ЭК напоминают цилиндрические клетки эпителия. Апикальная часть ЭК имеет микроворсинки и типичные реснички (киноцилии). Микротрубочки ресничек переходят в базальное тельце и являются основной структурой, осуществляющей координированные движения. Внутри микроворсинок и под апикальной клеточной мембраной располагается зона тонкого филаментозного материала, лишенная органелл. Посредством микрофиламентов и десмосом, щелевых контактов мембраны боковой поверхности ЭК объединяются в эпендиму - эпителиоподобную выстилку полостей ЦНС. Боковые поверхности соседних ЭК образуют множество взаимных интердигитаций. Овальное ядро располагается у основания клетки, а органеллы - в апикальной половине ЭК. Базальный отросток ЭК, содержащий большое количество глиофиламентов и имеющий ламеллярные отростки, входит в субэпендимальный слой глии ЦНС. С возрастом количество ЭК, имеющих базальный отросток, снижается. В зависимости от размеров и формы клеток, наличия ресничек, длины базальных отростков, секреторной способности и количества слоев в эпендиме, ЭК подразделяются на несколько атипичных групп. Атипичные модифицированные ЭК, обладающие высокой секреторной способностью, покрывают ворсинчатое сплетение и ворсинчатую пластинку. Плоские ЭК многослойной эпендимы встречаются в основном на ранних этапах развития, а в зрелом мозге - только в определенных участках III, IV желудочка и Сильвиевом водопроводе.
Основная масса типичных ЭК осуществляет трансцеллюлярный транспорт веществ, входя в состав ликвор-энцефалического и ликвор-гематического барьеров мозга (см. раздел Мозговые оболочки) и с помощью ресничек приводит в движение цереброспинальную жидкость. Все ЭК в той или иной степени обладают секреторной функцией. Однако главную роль в секреции цереброспинальной жидкости играют атипичные ЭК ворсинчатого сплетения и ворсинчатой пластинки.
Танициты. Танициты наиболее характерны для низших позвоночных. У зрелых млекопитающих они находятся в участках, где ткань мозга тонкая: ножка гипофиза, прослойка белого вещества в стенке IV желудочка, область шва в спинном мозге (рис. 11). По-видимому, их можно рассматривать как видоизмененные эпендимоциты. Танициты, в отличие от типичных ЭК, лишены ресничек и имеют длинные базальные отростки, доходящие до нейропиля и периваскулярной базальной мембраны капилляров. Кроме того, на таницитах обнаружены синаптоидные контакты нервных волокон. Эти клетки локализуются преимущественно в зоне гипоталамуса, встречаются на дне IV желудочка, в стенке водопровода среднего мозга и спинном мозге. Таницитам приписывают функции передачи веществ из спинномозговой жидкости к аденогипофизу и в обратном направлении, передачу гормонов, вырабатываемых гипоталамусом, к аденогипофизу, секрецию в полость желудочков биологически активных веществ, регулирующих деятельность гипофиза и гипоталамуса.
Микроглия. Клетки микроглии (Мг) – наиболее мелкие из всех глиальных элементов и реже встречаются в ЦНС. Микроглиоциты составляют около 3% всех клеток ЦНС, располагаются в сером и белом веществе мозга и часто выявляются как сателлиты нервных клеток. В неповрежденном мозге Мг идентифицируются как клетки с «темным» ядром и цитоплазмой. Ядра клеток полиморфны (S-, C-образные), имеют крупные скопления конденсированного хроматина. Цитоплазма содержит густую волокнистую сеть, отдельные скопления органелл, мелкие митохондрии, лизосомы и слаборазвитую эндоплазматическую сеть. От продолговатого тела Мг отходят многочисленные короткие сильноветвляющиеся отростки (рис. 9.12, в). Предполагается существование двух видов клеток Мг – амебоидные (подвижные) и неподвижные (покоящиеся). Амебоидные клетки встречаются преимущественно в незрелом мозге. Маркером всех типов Мг является фосфотирозин и антиген F4/80, а покоящихся – тиаминпирофосфатаза.
Функции микроглии определяются выраженной подвижностью и исключительной способностью принимать и перерабатывать метаболиты. Микроглия способна фагоцитировать значительные объемы некротически измененных клеток, волокон, патологических включений (типа сенильных бляшек). Уровень активности Мг определяется объемом поврежденных участков мозга. При значительных повреждениях Мг пролиферируют и, кроме того, их популяция дополняется фагоцитами из крови. При взаимодействии Мг с разрушающимися нейронами, продуктами их распада, патологическими включениями мозга часто происходит процесс адгезии Мг. Микроглиоциты активируются, начинают вырабатывать цитотоксины, иммуномодуляторы, цитокины (TNFa, TGF, bFGF) и окись азота (NO).
Популяция микроглии неоднородна по происхождению. Показано, что ≈ 50% клеток микроглии – это макрофаги мозга, происходящие от моноцитов крови. Другая половина микроглиальных клеток – это «покоящиеся астроциты», способные при различных условиях к активной пролиферации и дифференцировке в зрелые фиброзные астроциты.
Глия ПНС. Главным клеточным типом в ПНС являются разновидность олигодендроцитов - Шванновские клетки (ШК). Тела ШК имеют продолговатую, звездчатую форму и содержат небольшое число органелл. В отростках, напротив, много митохондрий и везикулярных компонентов эндоплазматической сети. Различают миелинобразующие и миелиннеобразующие ШК. Миелинобразующие ШК в составе миелиновых волокон формируют миелиновые оболочки вокруг аксонов большого (до 20 мкм) диаметра, а также вокруг длинных дендритов чувствительных нейронов. Миелиннеобразующие ШК, напротив, взаимодействуют в безмиелиновых волокнах с аксонами малого диаметра (до 2–4 мкм) без образования характерной структуры. Помимо чисто морфологических особенностей миелинобразующие и миелин не образующие ШК различаются по экспрессии генов, поэтому фактически относятся к различным клеточным типам. Для миелинобразующих ШК характерен высокий уровень экспрессии генов, кодирующих образование белков миелина (P0, основной белок миелина). Только миелинобразующими ШК экспрессируется белок периаксин, который участвует в стабилизации структуры миелина. Миелин не образующие ШК экспрессируют молекулы, во многом сходные с таковыми не зрелых ШК. В области периферических ганглиев шванновская глия обозначается как клетки-сателлиты (сателлитарная глия, амфициты). Эти клетки прилегают к поверхности нейронов в чувствительных и вегетативных ганглиях. Крупный перикарион содержит развитую гранулярную эндоплазматическую сеть, свободные рибосомы, митохондрии, лизосомы, липофусцин. Периферические отростки клеток-сателлитов сплющены, часто расположены несколькими слоями, в них выявляются мелкие митохондрии и везикулы. На внешней стороне клеток-сателлитов всегда образуется сплошная базальная мембрана, а внутренняя, обращенная к нейронам, сторона имеет глубокие складки.
Функции шванновских клеток. Наиболее важной из них считается изолирующая за счет образования миелиновой оболочки. ШК полностью ограничивают все нейроны ПНС от соединительной ткани. Поэтому их можно сравнивать с маргинальной и периваскулярной глией ЦНС. Подобно интерфасцикулярной олигодендроглии ЦНС ШК обеспечивают структурно-функциональную целостность миелина. ШК миелинизированных волокон контролируют состояние цитоскелета аксона, определяя свойства микротрубочек и нейрофиламентов. Миелинобразующие ШК регулируют уровень фосфорилирования белков, ассоциированных с микротрубочками, белков нейрофиламентного триплета и определяют количество нейрофиламентов в аксоне, влияя на процесс посттрансляционной модификации этих белков. Кроме того, ШК влияют на распределение в миелиновых волокнах потенциалзависимых Na+-каналов, обеспечивая их локализацию исключительно в области узловых перехватов (перехваты Ранвье) совместно с белком анкирином. Ламинин, действуя со стороны внутренней поверхности базальной мембраны ШК, оказывает стимулирующее влияние на рост аксонов периферического нерва. Компонент внеклеточного матрикса фибронектин регулирует пролиферативную активность ШК. ШК и макрофаги захватывают фрагменты дегенерирующего нервного волокна и миелина. Взаимоотношение ШК и макрофагов регулируется цитокинами (фактор некроза опухоли, интерлейкины), вырабатываемыми и секретируемыми макрофагами. Имеются данные о расщеплении небольших фрагментов миелина исключительно при помощи ШК и их независимой от макрофагов пролиферации.
После аксотомии ШК перестают вырабатывать материал для миелина и поддерживать его, в них активируется фагоцитарная функция в отношении собственного миелина. Ключевая роль в процессе регенерации периферического нерва принадлежит также ШК. Участие ШК в регенерации нервных волокон реализуется по нескольким направлениям: 1) синтез трех нейротрофических факторов – фактора роста нервов (NGF), мозгового (BDGF) и цилиарного (CNTF) нейротрофических факторов, 2) реэкспрессия рецепторов к определенным нейротрофинам, 3) синтез молекул адгезии клеток, 4) синтез компонентов базальной пластины. Сигналом, модулирующим ответ ШК на повреждение нерва и стимулирующим регенерацию аксонов в ПНС, служат различные митогены, вырабатываемые нейронами. ШК поврежденного нерва направляют рост регенерирующих аксонов. ШК способны мигрировать в ЦНС и участвовать здесь в миелинизации аксонов во время нейроонтогенеза и в условиях патологии. ШК проникают в мозг только тогда, когда нарушается целостность барьера из астроцитарной глии. ШК в ЦНС в окружении астроцитов существенно меняют свою способность активно участвовать в процессе ремиелинизации аксонов ЦНС.
|
|
|
