Фибробласты. Фиброзная ткань.

Обновлено: 29.04.2024

Биофизики из МФТИ и Гентского университета выяснили, что сердечная ткань, несмотря на высокое содержание невозбудимых клеток, все-таки может проводить возбуждение.

Биофизики из МФТИ и Гентского университета (Бельгия) выяснили, что сердечная ткань, несмотря на высокое содержание невозбудимых клеток (до 75%), все-таки может проводить возбуждение.

Это происходит благодаря взаимодействию возбудимых сердечных клеток — кардиомиоцитов — и образованию ими разветвленной проводящей сети. Работа опубликована в журнале PLOS Computational Biology.

К ним относятся, например, фибробласты. В сердце здорового человека фибробласты поддерживают его структурную целостность и участвуют в устранении повреждений.

При инфаркте и некоторых других сердечных заболеваниях и патологиях кардиомиоциты умирают — их место занимают фибробласты. Этот процесс можно сравнить с образованием шрамов при повреждении кожных покровов.

Чрезмерное содержание фибробластов в сердечной ткани мешает распространению электрических сигналов. Такое нарушение называется сердечным фиброзом, именно оно является частой причиной аритмии.Парадокс фиброзной ткани

Непроводящие клетки — фибробласты — являются препятствием для движения электрической волны. Пытаясь обойти препятствие, волна начинает его огибать, что может приводить к циркуляции возбуждения — возникновению вращающейся спиральной волны.

Такое явление называется ре-энтри и вызывает аритмию. Можно предположить, что высокая плотность фибробластов в сердечной ткани способствует формированию ре-энтри по двум причинам.

Во-первых, фибробласты выступают в роли неоднородностей, которые препятствуют проведению электрического сигнала. Во-вторых, высокое содержание фибробластов строит своеобразный «лабиринт» для волн, и они следуют по более длинному зигзагообразному пути.

Согласно расчетам, сердечная ткань должна терять проводимость для электрических волн, если фибробластов в ней станет более 40%. Парадокс в том, что, по данным экспериментов, образцы ткани с содержанием фибробластов, много превышающим порог перколяции (65–75%), все еще проводят электрические сигналы.

Это означает, что должен существовать механизм, ответственный за проводниковую самоорганизацию кардиомиоцитов.

Чтобы разрешить этот парадокс, ученые совместили эксперименты in vitro — в искусственно смоделированной среде — на монослое сердечных клеток новорожденных крыс с экспериментами in silico — в полностью смоделированной на компьютере биологической системе — на морфологической и электрофизиологической компьютерной модели сердечной ткани.Гипотеза выравнивания цитоскелетов

Группой исследователей была выдвинута никогда не рассматриваемая ранее гипотеза: в фиброзной ткани кардиомиоциты выравнивают свои цитоскелеты для образования единого синцития вместе с остальной сердечной тканью.

Это число сильно отличается от предсказанных с помощью теории перколяции или других классических математических моделей 40%. Далее мы заметили, что кардиомиоциты в образцах располагаются не случайным образом, а собираются в разветвленную проводящую сеть.

Учет этого факта помог воспроизвести полученные in vitro результаты с прогнозами in silico в компьютерной модели», — поясняет профессор Константин Агладзе, руководитель лаборатории биофизики возбудимых систем МФТИ.

Благодаря такому предположению в рамках компьютерной модели удалось успешно воспроизвести не только морфологию проводящих путей, но и наблюдаемые в экспериментах in vitro спад скорости и высокий порог перколяции.

Дальнейшие исследования самоорганизации кардиомиоцитов в структуры, проводящие электрические сигналы, могли бы найти применение в поиске способов лечения аритмии и изготовлении лекарств, нормализующих нарушения сердечного ритма.

Фибробласты. Фиброзная ткань.

Опухоли и опухолеподобные процессы фиброзной ткани крайне разнообразны как в клиническом, так и в морфологическом проявлениях. Эта ткань возникает как дериват мезенхимы и входит в состав стромы всех органов, не образуя самостоятельных органных структур (фасции, сухожилия и другие образования такого рода являются составной частью органных комплексов — мышц, суставов и др.). По современным данным в состав соединительной ткани входят, помимо фибробластов, гладкомышечные клетки, а также производные эктомезенхимы. Дискутируется вопрос о происхождении фибробластов; многие расценивают их как гетерогенные по происхождению клетки одна часть их возникает местно из находящихся в тканях клеток-предшественников, другая часть же (например, фибробласты в очагах воспаления) имеет костномозговое происхождение и является потомками плюрипотентных стволовых клеток костного мозга.

Основная функция фибробластов заключается в выработке волокнистых структур, а именно коллагена; последний также неоднороден по своему происхождению, строению и антигенным свойствам. Установлено, что, кроме фибробластов, волокнистые структуры могут производить и другие клетки мезенхимного происхождения. Значительную роль в составе стромы многих органов играют также миофибробласты; вопрос о существовании генетической связи этих клеток с фибробластами и гладкомышечными клетками до сих пор окончательно не решен.

Спорным является положение о наличии двух функционально различных форм соединительнотканных клеток — фибробластов и фиброцитов, многие считают, что существует единая клетка — фибробласт, который может находиться в различных функциональных состояниях. Фибробласты, помимо коллагеногенеза, имеют важное значение в интермеднальном обмене, в частности в регуляции обмена электролитов, водного баланса и др.

Эти сложные морфофункциональные особенности соединительной ткани вообще и главных ее клеточных элементов — фибробластов в частности создают как в ходе компенсаторно-приспособительных процессов, так и в патологических условиях, чрезвычайное многообразие структур.

Вопрос о наличии незрелых мезенхимальных клеток в зрелом возрасте хотя и дискутируется, однако существование резервных соединительнотканных клеток не подлежит сомнению.

Соединительная ткань находится в тесных морфофункциональных отношениях с иммуиокомлетентными клетками и особенно с системой мононуклеарных фагоцитов, которые, как а разного рода лимфондные клетки, являются постоянной, хотя в количественном отношении и различной составной частью соединительнотканных структур, значение которой, в частности в онкоморфологии, трудно переоценить.

Современные данные об иммунокомпетентных клетках, системе мононуклеарных фагоцитов, костномозговом происхождении гистноцнтов, макрофагов и отчасти фибробластов, существующие в онкологии гистогенетические и гистологические представления подвергаются пересмотру. Это относится прежде всего к группе так называемых фиброгистиоцитарных поражений.

Гистиоциты, которые большинство авторов считали производными ретикулоэндотелиальной системы, согласно новейшим исследованиям образуются в костном мозге из особых клеток-лредшественннков, которые, попадая в кровь, превращаются в моноциты. Последние из крови проникают в ткани, где и становятся гистиоцитами («блуждающие клетки в покое», по А. А. Максимову). В особых функциональных условиях эти клетки превращаются в макрофаги. В эксперименте показано, что размножения гистиоцитов и макрофагов в тканях не происходит, и увеличение их количества осуществляется только за счет притока из костного мозга. В какой мере эти закономерности относятся к опухолям, пока неизвестно, вследствие чего неясен и вопрос об источниках опухолей и опухолеподобных образований фиброгистиоцитарного ряда и сходных с ними процессов. Представление о том, что гистиоцит — это не определенный тип клетки, а термин, который применяется к клеткам различного происхождения, находящимся в определенном функциональном состоянии (ретикулярные фибробласты), по-видимому, не соответствует действительности, и термин «гистиоцит» должен применяться только к клеткам, входящим в систему мононуклеарных фагоцитов. Вызывает сомнение и представление о возможности превращения гистиоцита в фибробласт, с чем связывали образование части так называемых мягких фибром, фиброгистиоцитом и т. п.

Многообразие физиологических особенностей соединительнотканных клеток и гистиоцитарных элементов, по мнению D. H. Mackenzie, объясняет и крайний полиморфизм образующих ими патологических структур, их анализ позволил автору предложить понятие о фибробластическом спектре, выделив в нем 4 части воспалительные и реактивные процессы, фиброматозы, доброкачественные фибробластические и гистиоцитарные опухоли, злокачественные фибробластические и гистиоцитарные опухоли.

Учитывая ярко выраженную плюрипотентность мезенхимы вообще и особенно элементов, развивающихся в направлении соединительной ткани, целесообразно опухоли и опухолеподобиые процессы фиброзной ткани рассматривать в виде двух подразделов фибробластических и фиброгистиоцитарных поражений. В каждом из них в соответствии с «фибробластическим спектром» следует выделять группу реактивных и воспалительных процессов, группу доброкачественных и группу злокачественных опухолей, а среди фибробластических поражений необходимо выделить группу фиброматозов.

Следует отметить при этом то исключительное значение, которое имеют в отношении рассматриваемой группы процессов в целом теоретические разработки М. Ф. Глазунова (1947), а также фундаментальные исследования А. Р. Stout (1948, 1951, 1954, 1961), F M Enzinger (1965), J. L. Bonnenfant (1966), D. H. Mackenzie (1970), P W Allen (1977) и др.

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.

Проводящие клетки сердечной ткани способны к самоорганизации

Рисунок 1. На фотографии, сделанной с помощью конфокального микроскопа, белым контуром выделен проводящий путь из кардиомиоцитов в монослое сердечной ткани (31% кардиомиоцитов и 69% непроводящих клеток). Кардиомиоциты помечены розовым цветом, ядра – синим. Фото стало обложкой журнала PLOS Computational Biology

Сердце сокращается благодаря распространению электрических волн в сердечной ткани. Нарушение нормального режима распространения таких волн может стать причиной сердечной аритмии, асинхронных сердечных сокращений и даже привести к остановке сердца или внезапной сердечной смерти. Биофизики из МФТИ и Гентского университета (Бельгия) выяснили, что сердечная ткань, несмотря на высокое содержание невозбудимых клеток (до 75%), все-таки может проводить возбуждение. Это происходит благодаря взаимодействию возбудимых сердечных клеток — кардиомиоцитов — и образованию ими разветвленной проводящей сети. Работа опубликована в журнале PLOS Computational Biology.

Как уже упоминалось выше, генераторами и проводниками электрических волн в сердце служат возбудимые клетки — кардиомиоциты. Кроме кардиомиоцитов, в сердечной ткани есть клетки соединительной ткани, которые не передают возбуждение. К ним относятся, например, фибробласты. В сердце здорового человека фибробласты поддерживают его структурную целостность и участвуют в устранении повреждений. При инфаркте и некоторых других сердечных заболеваниях и патологиях кардиомиоциты умирают — их место занимают фибробласты. Этот процесс можно сравнить с образованием шрамов при повреждении кожных покровов. Чрезмерное содержание фибробластов в сердечной ткани мешает распространению электрических сигналов. Такое нарушение называется сердечным фиброзом, и именно оно является частой причиной аритмии.

Парадокс фиброзной ткани

Непроводящие клетки, фибробласты, являются препятствием для движения электрической волны. Пытаясь обойти препятствие, волна начинает его огибать, что может приводить к циркуляции возбуждения — возникновению вращающейся спиральной волны. Такое явление называется ре-ентри и вызывает аритмию. Можно предположить, что высокая плотность фибробластов в сердечной ткани способствует формированию ре-ентри по двум причинам. Во-первых, фибробласты выступают в роли неоднородностей, которые препятствуют проведению электрического сигнала. Во-вторых, высокое содержание фибробластов строит своеобразный «лабиринт» для волн, и они следуют по более длинному зигзагообразному пути.

Критическая плотность непроводящих клеток, выше которой сердечная ткань не должна проводить возбуждение, называется порогом перколяции. Его вычисляют с помощью теории перколяции, математического метода описания возникновения связных структур, в качестве которых в данной задаче выступают случайно распределенные проводящие и непроводящие клетки сердечной ткани. Согласно расчетам, сердечная ткань должна терять проводимость для электрических волн, если фибробластов в ней станет больше 40%. Парадокс в том, что, по данным экспериментов, образцы ткани с содержанием фибробластов, много превышающим порог перколяции (65–75%), все еще проводят электрические сигналы. Это означает, что должен существовать механизм, ответственный за проводниковую самоорганизацию кардиомиоцитов.

Чтобы разрешить этот парадокс, ученые совместили эксперименты «in vitro» — в искусственно смоделированной среде — на монослое сердечных клеток новорожденных крыс с экспериментами «in silico» — в полностью смоделированной на компьютере биологической системе — на морфологической и электрофизиологической компьютерной модели сердечной ткани.

Гипотеза выравнивания цитоскелетов

Кардиомиоциты сердца представляют собой синцитий — функциональное объединение большого числа тесно взаимосвязанных клеток. За счет такого объединения возбуждение только одной клетки приводит к распространению по всем клеткам сердечного синцития. Группой исследователей была выдвинута никогда не рассматриваемая ранее гипотеза: в фиброзной ткани кардиомиоциты выравнивают свои цитоскелеты для образования единого синцития вместе с остальной сердечной тканью.

«Мы фиксировали распространение электрической волны в 25 монослойных образцах сердечной ткани с разным процентным содержанием кардиомиоцитов и фибробластов. Так из экспериментов „in vitro“ нам удалось рассчитать порог перколяции — оказалось, что он составляет 75% фибробластов. Это число сильно отличается от предсказанных с помощью теории перколяции или других классических математических моделей 40%. Далее мы заметили, что кардиомиоциты в образцах располагаются не случайным образом, а собираются в разветвленную проводящую сеть. Учет этого факта помог воспроизвести полученные „in vitro“ результаты с прогнозами „in silico“ в компьютерной модели», — поясняет профессор Константин Агладзе, руководитель лаборатории биофизики возбудимых систем МФТИ.

Благодаря такому предположению в рамках компьютерной модели удалось успешно воспроизвести не только морфологию проводящих путей, но и наблюдаемые в экспериментах «in vitro» спад скорости и высокий порог перколяции.

Рисунок 2. Синцитий сердца в трехдневной культуре кардиомиоцитов новорожденных крыс. Клетки образовали ветвящуюся сеть. Красные стрелки указывают на вставочные диски между клетками. Белые стрелки указывают на нити цитоскелета (зеленые), продолжающие друг друга с разных сторон от вставочного диска. Ядра показаны синим цветом. Источник PLOS Computational Biology

Дальнейшие исследования самоорганизации кардиомиоцитов в структуры, проводящие электрические сигналы, могли бы найти применение в поиске способов лечения аритмии и в изготовлении лекарств, нормализующих нарушения сердечного ритма.

Сердечные клетки самоорганизуются в трудную минуту

Чтобы избыток непроводящих клеток не мешал проводить импульс, мышечные клетки сердца формируют ветвящуюся проводящую сеть.

Всю сократительную работу в сердце выполняют кардиомиоциты – особые клетки, которые генерируют и проводят электрические волны. Но кроме них в сердечной ткани есть клетки соединительной ткани, которые не передают возбуждение. К ним относятся, например, фибробласты.

Монослой сердечной ткани, состоящий из 31% кардиомиоцитов и 69% непроводящих клеток. Белым контуром выделен проводящий путь из кардиомиоцитов; кардиомиоциты окрашены розовым, ядра – синим. (Фото: Nina Kudryashova et al., PLOS Computational Biology, 2019)

Ветвящаяся сеть из кардиомиоцитов. Белые стрелки указывают на нити цитоскелета (зеленые), продолжающие друг друга с разных сторон от межклеточных вставочных дисков (красные стрелки). (Фото: Nina Kudryashova et al., PLOS Computational Biology, 2019)

В сердце здорового человека фибробласты поддерживают его структурную целостность и участвуют в устранении повреждений. При инфаркте и некоторых других сердечных заболеваниях и патологиях кардиомиоциты умирают, а их место занимают фибробласты – это можно сравнить с тем, как на повреждённой коже появляются шрамы. Если фибробластов станет слишком много, электрические сигналы начнут плохо распространяться. Такое нарушение называется сердечным фиброзом.

Непроводящие клетки – фибробласты – препятствуют движению импульса. Электрическая волна начинает огибать препятствие, и в итоге может возникнуть циркуляция возбуждения – вращающаяся спиральная волна. Это называется повторный обратный вход импульса, или ре-ентри (re-entry); из-за него часто и развивается аритмия.

Можно предположить, что высокая плотность фибробластов в сердечной ткани способствует формированию ре-ентри по двум причинам. Во-первых, фибробласты выступают в роли неоднородностей, которые препятствуют проведению электрического сигнала. Во-вторых, множество фибробластов создают своеобразный лабиринт для волн, и они следуют по более длинному зигзагообразному пути.

Согласно расчетам, сердечная ткань должна терять проводимость для электрических волн, если фибробластов в ней станет больше на 40%. Парадокс в том, что по данным экспериментов образцы ткани с содержанием фибробластов, сильно превышающим порог перколяции (65–75%), все еще проводят электрические сигналы. Иными словами, кардиомиоциты должны уметь организоваться так, чтобы проводить импульс даже в «высокофибробластном» окружении.

Чтобы разрешить этот парадокс, сотрудники Московского физико-технического института (МФТИ) и Гентского университета совместили эксперименты in vitro (то есть в искусственно смоделированной среде – на слое сердечных клеток новорожденных крыс) с экспериментами in silico (в полностью смоделированной на компьютере биологической системе, на морфологической и электрофизиологической компьютерной модели сердечной ткани). Кардиомиоциты сердца представляют собой синцитий – функциональное объединение большого числа тесно взаимосвязанных клеток. За счет такого объединения возбуждение одной-единственной клетки распространяется по всем клеткам сердечного синцития.

Жизнь клетки во многом зависит от того, как ведёт себя её цитоскелет – различные белковые нити, которые организуют внутриклеточное пространство. Авторы работы предположили, что в фиброзной ткани кардиомиоциты так ориентируют свой цитоскелет, чтобы войти в единый синцитий с остальной сердечной тканью. Исследователи изучали распространение электрической волны в 25 образцах сердечной ткани с разным процентным содержанием кардиомиоцитов и фибробластов. В результате удалось рассчитать порог перколяции в 75%, что, как было сказано, намного выше тех 40%, которые даёт теория перколяции и другие математические модели.

Результаты исследований опубликованы в PLOS Computational Biology.

Факты о фибробластах

Тело человека состоит из триллионов разнообразных клеток. Наиболее важными клетками самого большого органа в теле человека – кожи, являются фибробласты. Их называют клетками молодости, так как именно активная работа фибробластов способствует поддержанию молодости и красоты кожи.

Фибробласты

Зародышевые клетки соединительной ткани организма. Они участвуют в процессах регенерации и синтеза белков, наиболее важных для омоложения клеток дермы.

В организме человека фибробласты могут находиться в двух формах: активные и неактивные. Активный фибробласт имеет большой размер, отростки, овальное ядро и много рибосом. Такая клетка может делиться и интенсивно вырабатывать коллаген. Неактивные фибробласты называются также фиброцитами. Они являются высокодифференцированными клетками, которые образовываются их фибробластов, не имеют способности к делению, но принимают активное участие в синтезе волокнистых структур и заживлении ран. Неактивные фибробласты имеют несколько меньший размер, чем активные, и отличаются веретенообразной формой.

Все активные фибробласты разделяются на несколько структурно-функциональных типов, каждый из которых выполняет определенные функции:

- малодифференцированные фибробласты обладают выраженными пролиферативными свойствами, то есть, они активно размножаются и растут;

- юные фибробласты – более дифференцированные клетки, которые также способны к пролиферации, но в отличие от малодифференцированных, могут синтезировать коллаген и кислые гликозаминогликаны;

- зрелые фибробласты образуются из юных форм, практически не могут размножаться, и разделяются на три подтипа:

фиброкласты разрушают коллаген путем фагоцитоза и внутриклеточного лизиса;
коллагенобласты синтезируют коллаген;
монофибробласты играют роль в сокращении фиброзной ткани при заживлении ран.

Фибробласты располагаются в среднем слое кожи человека – в дерме. Там они вырабатывают внеклеточный матрикс, компоненты которого и формируют своеобразный каркас кожи. Основными компонентами внеклеточного матрикса являются гликопротеины, протеогликаны и гиалуроновая кислота. Широко известный коллаген является превалирующим гликопротеином внеклеточного матрикса. Кроме того, фибробласты продуцируют также белки фибрин, эластин, тинасцин, нидоген и ламинин, которые используются в качестве «строительного материала» для кожи.

Еще один продукт синтеза фибробластов – это факторы клеточного роста, к которым относятся:

основной фактор, усиливающий рост всех клеток кожи;
трансформирующий фактор, способствующий стимулированию выработки эластина и коллагена;
эпидермальный фактор, ускоряющий деление клеток и перемещение кератиноцитов;
фактор роста кератиноцитов.

Основные функции фибробластов:

синтез коллагена, эластина, гиалуроновой кислоты и других компонентов внеклеточного матрикса;
формирование сосудов;
усиление процессов клеточного роста;
ускорение разрастания тканей;
заживление поврежденной кожи;
направление клеток иммунной системы к бактериям и другим чужеродным агентам.

С возрастом в организме человека способности фибробластов в плане активного синтеза и пролиферации в тканях кожи снижаются, в результате чего происходит уменьшение содержания их главных компонентов — гиалуроновой кислоты, коллагена, эластина, сосудистой сети. Это отражается на внешнем виде кожного покрова.

Сегодня, благодаря успехам биотехнологии, появилась возможность естественным путем повлиять непосредственно на причину возрастного увядания кожных тканей. Этого удалось достигнуть способом обогащения ее собственными молодыми фибробластами, которые являются строителями внеклеточного матрикса.

Трансплантация в кожу лица собственных молодых клеток фибробластов способна эффективно и достаточно быстро активизировать процессы обновления и восстановления ее структуры. Аутологичные (свои) клетки не воспринимаются собственной иммунной системой как антиген (чужеродные) и, следовательно, организмом не отторгаются, а полноценно функционируют. Преимуществом клеточного омоложения является и то, что трансплантированные фибробласты долгое время (от полугода до полутора лет) сохраняют функциональную активность в части усиленного синтеза гиалуроновой кислоты, коллагена, эластина и других компонентов матриксной системы кожи. В течение этого срока постоянно продолжается улучшение ее состояния.

Такая методика аутотрансплантации фибробластов в косметологии получила официальное разрешение Росздравнадзора.

Читайте также: