Д-р Георги Чалдъков, председател на Българското дружество по клетъчна биология, Катедра по анатомия и клетъчна биология, Медицински университет, Варна, E-mail: chaldakov@yahoo.com
Neurons that fire together, wire together – казано през 1949 г. от канадския невробиолог Donald Hebb, създател на associative learning.
В известна степен това е перифраза на латинската сентенция Repetitio est mater studiorum.
От мои лингвистични „проучвания“ установих, че само в два езика има симбиоза на „любов“ и „знание“– любознание на български, епистемофилия на гръцки. Превърнати в действие, те сътворяват най-ценното (след здравето) човешко благо – Знанието.
В настоящето Любознание пиша за „първата целувка“, тоест, „KISS-1 за фибропролиферативни болести“ – знание на един клетъчен биолог и лекар.
Клетки и екстрацелуларен матрикс
Спомнете си мисълта на Хосе Ортега-и-Гасет: Yo soy yo y mi circunstancia (Аз съм аз и заобикалящата ме среда). Перифразирам я като: Аз съм клетка и заобикалящият ме екстрацелуларен матрикс (ЕЦМ). Накратко, клетките и матриксът, а не само клетките (както пише в евроатлантическите учебници), осъществяват живота на многоклетъчните организми.
Сега разполагаме с концептуално нова информация за супрамолекулната и функционална организация на клетките и ЕЦМ. Това има важно значение за опознаването на клетъчния живот в норма и патология и, съответно, за развитието на медицината като наука и практика.
Клетките на многоклетъчните организми са разположени в ЕЦМ, структурите на който са изградени от молекули, синтезирани от самите клетки (Фиг. 1).
КЛЕТКА. Органели
мембранооградени (1)
• ядро
•ендоплазматичен ретикулум
• комплекс на Голджи, митохондрии
• други
неоградени с мембрана
• цитоскелетон
• филамент (2)
• микротубул (3)
плазмалемално-цитоскелетни
• микровили, цилии, дендритни гърбици, др.
• адхезиозоми (дезмозоми, адхерентни връзки, хемидезмозоми, фокални адхезивни контакти)
ЕЦМ (екстрацецуларен матрикс)
Колагенна фибра (1)
Колагенна фибрила (2)
Филамент (3)
Протеогликанови мрежи (вижте Фиг. 2)
Разбирането за клетките, отделно от матрикса, е концептуално неправилно, защото не само ЕЦМ е продукт на клетката, но ЕЦМ е свързан – чрез плазмалемата – с клетката.Формираните фокални адхезивни контакти (ФАК – по-лесно се помни)са едни от лъчезарните примери за структурната и функционалната симбиоза на клетките и матрикса.
Матриксна биология -терминология
• фибрилогенеза
- образуване на екстрацелуларни фибрили
- колагенни и ретикуларни
• фиброгенеза
– асемблиране на фибрили за образуване на колагенни и ретикуларни фибри (колагеногенеза)
- образуваване на еластинови влакна и ламели (еластогенеза)
Фигура 2. Протеогликанови агрегати, свързани с колагенни фибрили, които придават здравина на формираните мрежоподобни структури, изградени от агрекани и хиалуронова киселина
• фиброгенни клетки – клетки, които секретират матриксни молекули, изграждащи фибрили, фибри, еластинови влакна и протеогликанови мрежи и агрегати
• кофиброгенни клетки – имунни клетки (мастоцити, макрофаги…), които секретират фиброгенни молекули (фактори)
• фиброгенни фактори- ендогенни и екзогенни химически вещества, стимулиращи пролиферацията на фиброгенни клетки и фиброгенезата
• фиброза – свръхпродукция на колагенни фибри (влакна), водеща до склероза на засегнатия орган
• фибропролиферативни болести – заболявания, които се медиират от пролиферация на фиброгенни клетки и повишена фиброгенеза, водещи до фиброза на засегнатия орган
Фиброза
Възстановяването на тъкан, увредена от различни остри или хронични стимули (възпаление, инфекции, нездравословен начин на живот) е фундаментален биологичен процес, критично значим за преживяването на организма. Възстановяването има два изхода: (1) регененерация, при която увредените клетки се заменят с клетки от същия,нормален вид (return to homeostasis) или (2) фиброза, при която фиброзна/колагенна съединителна тъкан заменя нормалните паренхимни клетки. Тук „хамлетовият въпрос“ е: регенерация или фиброза, възстановяване или болест?
„Фиброза“се дефинира и като „процес на заздравяване на рани“ (wound-healing response), който излиза от контрола на хомеостазата, тоест, от „заздравяване“ се превръща в патологичен процес, предшестван от хронично възпаление. Главните клетъчни и молекулни герои в сценария на фибропролиферацията са: (1) фиброгенни клетки, които усилено секретират проколаген и протеогликани, и (2) кофиброгенни клетки (мастоцити, макрофаги и други проинфламаторни имунни клетки), които секретират фиброгенни цитокини(IL-1ẞ, IL-5, IL-6, IL-13, IL-21, TNF-α) и фиброгенни растежни фактори(TGFβ1, PDGF, CTGF, FGF, NGF …).
Припомнете си response-to-injury хипотезата на Russell Ross за атеросклерозата (Ross R. Atherosclerosis – an inflammatory disease. N Engl J Med 1999; 340: 115-126) и вижте клетъчно-молекулните прилики на vascular inflammation-resolution-remodeling-fibrosis с airway inflamma tion-resolution-remodeling-fibrosis. За резолюция (преминаване) на възпалението и за anti-inflammatory and proresolution pharmacology ще пиша в друго Любознание – за InSpiro, разбира се!
Внимание, изграждането на фиброзна покривка (fibrous cap) на атеросклеротични плаки е саногенен, превантивен процес, който стабилизира плаката и я прави резистентна на ерозия и руптура – предшественици на миокардни инфаркти.
Механобиология на фибропролиферацията
Освен фиброза, при фибропролиферативните болести има и тъканна контракция (спомнете си за миофибробластите), която също така участва в прогресивното увреждане на нормалната структура и функция на засегнатите органи. През последните 15-20 години интензивно се проучва механобиологията (механотрансдукция и механосигнализация) на фибропролиферацията (Huang C, Ogawa R. Fibroproliferative disorders and their mechanobiology. Connect Tissue Res 2012; 53(3):187-196. DOI: 10.3109/03008207.2011.642035).
Болести, дължащи се на нарушена фиброгенеза
Инхибирана колагеногенеза
• Хиповитаминоза С и авитаминоза С (скорбут) – витамин С поддържа желязото на ензима пролил-хидроксилаза в редуцирана, активна форма. Това осигурява хидроксилирането на пролина, което е важно условие за морфогенния потенциал на колагена. При консумиране на храна, бедна или лишена от витамин С, се получава, съответно, хипо- и авитаминоза С, водеща до нарушената синтеза на проколаген и съответно, неефективна фибрилогенеза в стената на кръвоносни съдове, кожата и венците,което се проявява с кръвоизливи и трудно заздравяване на раните.
• Нестабилни атеросклеротични плаки (vulnerable plaques, unstable plaques), които е са с тънка (< 100 μm)фиброзна покривка- те саподатливина ерозия и руптура, водещи до инфаркт.
Генетични болести
• Синдром на Елърс Данлос – дължи се на дефекти в гена, кодиращ проколаген тип III, на недостиг на лизилхидроксилаза или на други нарушения в синтезата на проколаген; основни клинични признаци са разхлабени стави и кожни увреждания.
• Оsteogenesis imperfecta – дължи се на дефекти в гена, кодиращ проколаген тип I; основен клиничен признак е чупливост на костите.
Инхибирана еластогенеза
• Синдром на Марфан –мутация на гена (15q21)за фибрилин-1– морфотрофен структурен компонент на еластиновите фибри. Неефективната еластогенеза причинява увреждания на костите, очите и/или сърцето и аортата – дилатация на аорта. Този синдром е описан от френския педиатър Антоан Марфан през 1896 г.
* Мултифунционални макромолекули (500 kD – 3 MD), съставени от централен, сърцевиден протеин – англ. core protein (20-600 kD), заобиколен от двете страни с ковалентно свързани гликозаминогликани: хондроитин-сулфат, кератан-сулфат, дерматан-сулфат, хепаран-сулфат (хепарин) и/или хепарин-сулфат (виж Фиг. 2)
Инхибирана пролиферация на миофибробласти
•Захарен диабет и свързаните с него трудно зарастващи рани и синдром на диабетно стъпало.
Активирана колагеногенеза
• Фибропролиферативни болести – атеросклероза, миокардна фиброза, radiation-induced myocardial fib rosis, чернодробна цироза, chronic schistosomiasis-induced hepatic fibrosis, гломерулосклероза, склеродермия (systemic sclerosis), myelofibrosis, Dupuytren‘s contracture, keloids,macular degeneration, advanced diabetic retinopathy, идиопатична белодробна фиброза**, периваскуларна концентрична фиброза на белодробните съдове/пулмонална хипертония
• стабилни атеросклеротични плаки (stable plaques), които са с дебела (>100 μm) фиброзна покривка (fibrous cap) – те са резистентни на ерозия и руптура, водещи до инфаркт.
Клетките секретират матриксни макромолекули, от които в екстрацелуларното пространство се образуват матриксните структури
Матриксните молекули са: (1) фибриларни и адхезивни протеини; „фибриларни“ означава протеини, които изграждат фибрили и фибри на ЕЦМ, и протеини, които са влакнести, нишковидни, а не глобуларни, като молекулна конфигурация, (2) сулфатирани гликозаминогликани (ГАГ), (3) несулфатирани гликозаминогликани (хиалуронова киселина/ хиалуронат), (4) протеогликани – протеини, свързани ГАГ-и с хиалуронова киселина (Табл. 1, 2).
Фибробласти и миофибробласти са главните фиброгенни клетки “
Фиброгенни клетки” означава клетки, които са диференцирани да секретират матриксни прот еин и, молекулни прекурсори, от които се образуват фибрили и фибри. Епителните и други клетки синтезират и отделят матриксни макромолекули, изграждащи базалната ламина; тези клетки обаче не са фиброгенни. Фиброгенни клетки са онези, чиято главна функция е секреция на фибриларни матриксни протеини (Табл. 3).
Фиброгенните клетки синтезират проколаген – прекурсор на колагена; в клетките няма колаген
Синоним на проколаген е тропоколаген (гр. tropos – отнасящ се до промяна, в случая: тропоколаген се превръща в колаген). Проколагенът се изнася от клетките в екстрацелуларното пространство, където под действието на проколаген-пептидаза се превръща в колаген. Досега са установени 28 типа колаген. Те се отбелязват с римски цифри – колаген тип I, тип II, … тип XXVIII.
Колаген тип I (гр. kolla – лепило, суфикс -gen – образувам) е тримерен фибриларен гликопротеин, формиращ тройни спирали. Той е основният матриксен протеин и съставлява 25-30% от всички протеини на многоклетъчните животински организми. Колаген и изградените от негофибрили и фибри са локализирани предимно екстрацелуларно – някои от тях, например, колаген тип XIII и тип XVII са трансмембранни протеини.
Характеристика на проколаген тип I и колаген тип I
Проколаген тип I
• интрацелуларен гликопротеин
• хетеротримерен гликопротеин, формиращ тройна спирала
• всяка полипептидна верига има около 1500 аминокиселини и мол. тегло около 150 kD
• всяка полипептидна верига е изградена от аминокиселинни мотиви, съставени от глицин-Х-Y, което означава, че всяка трета аминокиселина в полипептидната верига е глицин, а X и Y най-често сапролин и хидроксипролин, т.е. молекулата на проколагена може да се изпише (глицин-Х-Y)n; образуването на хидроксипролин се извършва от пролил-хидроксилаза и води до формиране на интрамолекулни връзки между полипептидните вериги и осигурява здравината на тройната спирала
• всяка полипептидна верига има телопептиди, всеки с молекулно тегло около 25 kD (Фиг. 3).
• проколаген тип I няма биоморфогенни свойства, т.е. не се асемблира в колагенни фибрили и фибри – тоест, в клетките няма колаген, защото това би ги увредило жестоко.
Колаген тип I
• екстрацелуларен гликопротеин
• всяка верига има около 1000 аминокиселини и мол. тегло около100 kD
• хетеротримерен гликопротеин, формиращ тройна спирала без телопептиди
• отрязването на телопептидите се извършва екстра целуларно от проколаген-пептидаза
• колаген тип I има биоморфогенни свойства, т.е. молекулите се асемблират и пакетират по специфичен начин, водещ до образуване на колагенни фибрили (Фиг. 4).
Тройноспиралната конструкция (triple helical) на колаген тип I и тип II ги прави стабилни, нееластични фибрили. Те са стабилизирани допълнително от колаген тип XII (за колаген тип I) и тип IX (за колаген тип II) и изграждат колагенни фибри. По този начин колагенните влакна могат да противодействат на обтяганията и усукванията,на които са подложени някои органи – кожа, сухожилия, кости и кръвоносни съдове. Следователно, механичните стресове, на които са подложени различните органи, определят молекулния строеж, количеството и пространствената ориентация на колагенните влакна – това също е обект на изследване от механобиологията.
Колагеногенезата има два етапа:
• интрацелуларен – синтеза и складиране на проколаген в секреторни вакуоли, използвайки секреторния път ГЕР-КГ-секреторни вакуоли-микротубули-плазмалемаекзоцитоза.
• екстрацелуларен – превръщане на проколагена в колаген – протеин с морфогенни свойства,които осъществяват изграждането на колагенни фибрили и фибри (Фиг. 5).
За следващия брой на InSpiro ще предложа за публикуване „втората целувка“ – KISS-2 за фармакотерапия на фибропролиферативни болести. Дотогава на любознателните читатели на InSpiro предоставям една увертюра на целувка, изпълнена през 1998 г. на Piazza della Rotonda в Рим.
* Keep In Short and Simple (прави/поддържай го кратко и просто)
** Идиопатичната белодробна фиброза е най-разпространена сред идиопатичните интерстициални пневмонии, които са във фокуса на InSpiro Брой № 3 (46) / юни 2018
