2 курс / Нормальная физиология / Система_красной_крови_сравнительная_физиология_Липунова_Е_А_,_Скоркина

ГЛАВА 4. ЭРИТРОН – ЦЕЛОСТНАЯ ГОМЕОСТАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Эритрон – гомеостатическая система, отражающая сложнейшие интеграции клеток кроветворных органов, эритроидных клеток и их микроокружения, а также эритроцитов, циркулирующих в крови и депонированных. Развитие клеток эритрона из плюрипотентной стволовой клетки – генетически предопределенный процесс, его регуляция возможна лишь на определенных этапах.

4.1. Основы регуляции кроветворения

Характерная черта системы гемопоэтических элементов – их пространственная рассосредоточенность, что предопределяет существование в организме нескольких уровней регуляции кроветворения. Эволюционно древними и наиболее эффективными являются наследуемые внутриклеточные гомеостатические механизмы регуляции митотической активности.

Часть регуляторов (челоны, античелоны) образуются и выделяются самими клетками крови, другие (эритро-, грануло- и тромбопоэтины) –

иными тканями, при этом все они – дистантные, дальнедействующие гуморальные регуляторы [119]. В отношении клеток крови установлено, что разрушение зрелых эритроцитов стимулирует образование новых клеточных форм. В этом процессе большое значение имеет переход клетки из одной клеточной популяции в другую [40, 187].

Для полипотентных стволовых клеток характерна близкодействующая регуляция посредством внутрисистемных регуляторных факторов: молекул гемопоэтических цитокинов, нейромедиаторов, компонентов экстрацеллюлярного матрикса, формирующего стромальные клетки костного мозга и микроокружения в ЭО, создаваемого центральными макрофагами островка, что обеспечивает ответы кроветворения, адекватные воздействиям среды на организм. Следовательно, полипотентная стволовая клетка получает дифференцирующую информацию от ближайших стромальных

элементов либо посредством прямого контакта, либо через их микроокружение. В строме кроветворных органов мозаично расположены локусы («ниши»), каждая из которых индуцирует дифференцировку стволовой клетки только в одном направлении: эритроидном, миелоидном или мегакариоцитарном. Смешанные колонии могут образовываться в результате «захвата» двух ближайших «ниш». Соотношение между тремя микроокружениями составляет постоянную величину [48, 49, 51, 199].

Количественная регуляция кроветворения на уровне стволовых клеток разработана с учетом теории «критической массы»: дифференцирующие стимулы, достигнув определенной концентрации, вызывают дерепрессию мест транскрипции мРНК и связанный с этим синтез рибосом, тРНК и протеина. Это приводит к гипертрофии цитоплазмы клетки; при достижении ее размеров до «критической массы», включается синтез ДНК, и в интервале времени, равного протяженности S-фазы и фазы G2, клетка начинает делиться. Содержание «критическая масса» следует понимать как цитоплазматический сигнал ядру о том, что клетка стала биологически не полноценной из-за несоответствия между площадью поверхности и объемом в результате того, что процесс диффузии оказался неэффективным, либо в силу ряда других нераскрытых еще причин [119].

Пространственная гетерогенность гемопоэтических клеток предполагает существование гуморальных факторов, координирующих и регулирующих скорость образования зрелых клеток крови [206]. Такая гуморальная регуляция на внутриклеточном уровне возникает на стадии коммитированных стволовых клеток и носит характер дальнедействующей.

Это позволяет подотделу коммитированных стволовых клеток выполнять

«немедленные требования периферии» по увеличению интенсивности гемопоэза. Регуляция на этом уровне осуществляется гормонами – поэтинами

– по принципу отрицательной обратной связи. Регуляция гемопоэза в стадии активно пролиферирующих эритропоэтических и гранулоцитарнопоэ-

тических элементов также гуморальная.

В современной гематологии описана кинетическая модель кроветворения [51, 199]. Функции стволовой клетки выражены в процессах:

пролиферации, дифференцировки и миграции. Каждый из процессов регулируется определенным фактором, динамически связывающим пул стволовых клеток с другими отделами гемопоэтической системы (рис. 36). В

процессах количественной регуляции гемопоэза основное место занимают межклеточные взаимодействия. Как видим, кровь – одна из наиболее мобильных, быстро обновляемых систем в организме.

Рис. 36. Динамическая схема кроветворения [51].

В эволюции у животных сформировались системы регуляции, в том числе местная, независящая от эфферентной иннервации и действия приносимых с кровью веществ, получившая название ауторегуляции [158].

Первичны механизмы поддержания внутриклеточной митотической активности посредством активаторов и ингибиторов деления (челонов и античелонов), действующих в фазе перехода G1 в S. Челон предотвращает, а

античелон стимулирует выход делящихся клеток в фазу синтеза ДНК. Их эффекты, основанные на обратных изменениях в синтезе короткоживущей РНК, включаются в механизм репрессии и дерепрессии транскрипции РНК.

Механизмы нейрогуморального воздействия, приобретаемые в процессе развития, вторичны. Они являются внутрисистемными регуляторными факторами, приводящими продукцию кровяных клеток в соответствие к запросам организма, в зависимости от условий жизни.

4.2. Механизмы ауторегуляции эритрона

Одна из важнейших функций живого организма – обеспечение кислородом тканей для осуществления молекулярных окислительно-

восстановительных процессов. Оптимальный для метаболизма уровень дыхательных характеристик в организме поддерживается специальной функциональной системой [182].

Саморегуляция эритропоэтической системы достигается за счет обратных связей, реализующихся посредством нервных и гуморальных механизмов. В регуляции эритрона важную роль играет также межклеточное

(креаторное) взаимодействие через микроокружение тканей. Креаторное взаимодействие – эволюционно древний способ регуляции в организме,

осуществляется макромолекулами (кейлонами), несущими информацию,

необходимую для регулирования внутриклеточного синтеза специфических молекул белка для облегчения дифференцировки, развития и объединения клеток в ткани. В физиологических условиях эритрон характеризуется ритмичностью, благодаря чему количество эритроцитов сохраняется практически неизменным [116].

Кислородтранспортная емкость крови и обеспечивающие ее количество и качественные характеристики эритроцитов – признаки предконечных результатов в функциональной системе, определяющей уровень газовых показателей в тканях [182].

В процессе эволюции у животных выработалась совершенная регуляторная система, поддерживающая гомеостаз, ее характерная особенность – точный ответ на все возмущающие воздействия.

К управляющим структурам функциональной системы, определяющей уровень эритроцитов в организме, относятся: костный мозг, почки, печень,

макрофаги (костного мозга и селезенки) и гипоталамус [158].

Влияние вегетативной нервной системы (ВНС) на систему крови осуществляется по пути перераспределения крови или активации/ингибиции гемопоэтических органов. Непосредственная регуляция гемопоэза

осуществляется симпатическим отделом ВНС с участием α- и β-адренорецепторов, обнаруженных на колониеобразующих единицах гранулоцитарно-эритроцитарно-моноцитарно-мегакариоцитарных, бурст-

образующих и колониеобразующих эритроцитарных единицах (БОЕ-э и КОЕ-э), на макрофагах и фибробластах. Симпатические нервные окончания в ткани костного мозга при стимуляции гемопоэза активируют секрецию адреналина, норадреналина, дофамина [182]. Альфа- и бета-адренорецепторы эритроцитарных мембран участвуют в осуществлении контроля за морфофункциональным состоянием клеток. В частности, установлена зависимость природной гетерогенности популяции красных клеток крови и их резистентности от состояния β-адренорецепторов мембран, контролируемая активностью симпатического отдела ВНС [201].

Стимулирующее действие на эритропоэз оказывает гипофиз (через секрецию гипофизарного эритропоэтина). Из гормонов надпочечников выраженным активирующим действием на кроветворение обладают гидрокортизон, кортизон, кортикостерон, продукция которых находится под контролем АКТГ [64].

Одним из физиологических механизмов регуляции нормального клеточного равновесия в системе эритрона выступает неэффективный эритропоэз, связанный с процессом апоптоза. Апоптоз – процесс физиологической гибели клеток – является общебиологическим механизмом регуляции клеточной численности, наиболее широко представленный в быстро пролиферирующих популяциях гемопоэтических клеток. Регуляция гемопоэза во многом основана на способности клеток самоуничтожаться. В

костном мозге здоровых людей разрушается от 5 до 20% эритроидных предшественников, при анемиях различного происхождения неэффективный эритропоэз возрастает до 50% и более [63, 161]

Морфологический состав периферической крови существенно изменяется при экстремальных воздействиях на организм. Среди регуляторов эритропоэза особую роль играет гипоксия, вызванная, например,

кровопотерей, гипобарическим фактором, недостаточностью функции дыхания и кровообращения, нарастанием метаболических потребностей организма. Изменение кислородтранспортной функции крови в условиях гипоксии установлено на клеточном уровне. Выявлена положительная корреляция между процессами ПОЛ и антиоксидантной системой с ухудшением деформируемости эритроцитов [52].

Гипоксия приводит к изменению среды функционирования гемоглобина в циркулирующих эритроидных элементах [178]. В частности,

показана перестройка углеводного обмена в эритроцитах на более ранних этапах развития гипоксии, сопровождающаяся накоплением в них 2,3-ДФГ,

что, как отмечалось нами ранее (см. 2.2.3), обеспечивает высокую степень дезоксигенации гемоглобина в тканях из-за снижения его сродства к кислороду. Оказалось, что 2,3-ДФГ уменьшает сродство гемоглобина к кислороду при различных видах гипоксии [116, 179], и таким образом все системные процессы настраиваются на оптимизацию стимулируемого гипоксией эритропоэза.

Механизм функциональных систем, поддерживающих кислородтранспортную емкость крови, включают связанные саморегулирующимися процессами компоненты: результат деятельности системы; обратную афферентацию; центр и исполнительные механизмы

(рис. 37).

Под влиянием гипоксических состояний активируются кислородные сенсоры почки, печени, селезенки, костного мозга, хеморецепторы сосудов инициируется продукция эритропоэтина и других эритропоэтических гуморальных факторов (например, глюкозаминогликанов), усиливается бурстпромоторная активность (суммарный эффект ИЛ-3, КСФ-ГМ – грануломоноцитарный колониестимулирующий фактор, фактор стволовой клетки). В итоге активируются пролиферация и дифференциация КОЕ-ГМЭ,

БОЕ-э, КОЕ-э, возрастают эритропоэтический эффект микроокружения эритроидных клеток в эритробластических островках и афферентная сигнализация, поступающая в ЦНС от сосудистых хеморецепторов. Эти процессы в рассматриваемой функциональной системе составляют звено обратной афферентации. Эритропоэтин, в свою очередь, воспринимается

рецепторами кроветворных клеток – клетками-предшественниками и эритробластами.

Экспериментально установлены тесная генетическая связь эритродиереза с эритропоэзом, возможность стимуляции эритропоэза продуктами распада зрелых эритроцитов [187]. Явление эритродиереза обнаружено, в различных модельных опытах, например, при регенерации крови после кровопотери или гипоксической гипоксии [40, 187, 211].

Существует мнение, согласно которому эритропоэтический эффект продуктов распада эритроцитов опосредуется через набор фагоцитирующих мононуклеаров, что подтверждается исследованиями эритропоэтической функции макрофагов. Установлены стимулирующие эффекты на эритропоэз микровезикул из плазмолеммы эритроцитов, образующихся в процессе старения клеток [182].

Существенный вклад в разработку вопросов ауторегуляции в системе эритрона внесли исследования, выполненные под руководством Я.Г. Ужанского [187]. Показана роль гипоксии в усилении катаболических процессов в организме и развитии эритродиереза, при этом стимуляция регенерации красной крови наступает вторично и опосредованно действием высвобождающихся при лизисе эритроцитов биологически активных веществ и синтезом эритропоэтина. Установлено, что интенсивное функционирование структур в дифференцированных клетках всегда сопровождается нарастанием скорости их распада. Предполагают, что так называемый «метаболизм изнашивания» или прямо воздействует на генетический аппарат клетки, или выступает в роли фактора-эффектора,

снимающего репрессию регуляторных генов при синтезе белка. После увеличения массы функционирующего органа снижается интенсивность функционирующей структуры, что ведет к обратному процессу – снижению образования «метаболитов изнашивания», подавлению активности синтеза белка и инволюции гипертрофированной структуры. Следовательно,

процессы эритропоэза и эритродиереза представляют собой физиологически

единый процесс образования эритроцитов [187]. В момент стимуляции

эритропоэза усиливаются гемолитические свойства крови и аутоиммунные

процессы.

4.3. Эритропоэтин – гуморальный регулятор эритропоэза

Эритропоэз (на уровне родоначальных клеток) – процесс двухэтапный: 1) плюрипотентные стволовые клетки трансформируются в коммитированные клетки и 2) коммитированные эритропоэтинчувствительные клетки дифференцируются в проэритробласты.

Все последующие изменения, включая лимитированное число делений еще пролиферирующих клеток эритрона, и синтез гемоглобина отражают процесс созревания, заканчивающийся образованием эритроцитов. Следовательно,

объектом регулирования является пул эритропоэтинчувствительных клеток.

При увеличении или уменьшении ЭПЧК, способных вступать на путь эритроидной дифференцировки, изменяется и число вновь образованных красных клеток крови [197]. При этом эритропоэтин рассматривается и как индуктор эритроидной дифференцировки, и как стимулятор пролиферации эритропоэтинчувствительных клеток, т. е. активно влияет на «плацдарм» эритропоэза.

Эриропоэтин (ЭП) представляет собой термостабильный эфиронерастворимый гликопротеин с молекулярной массой 34 кД, содержит сиаловую группу и мигрирует при электрофорезе с α2-глобулином; содержит полипептидные группы. До 85-90% гормона образуется в перитубулярных клетках почки в области перехода кортикального вещества почек в медулярный слой. Гемсодержащий белок перитубулярных клеток,

связывающий молекулу кислорода, высокочувствителен к гипоксии [119].

Следовательно, почки обладают свойством кислородного сенсора.

Установлено, что кислородный сенсор клеток почек улавливает изменения Ро2 между 25 и 50 мм рт. ст. По некоторым данным, почечный порог Ро2,

ниже которого начинает увеличиваться продукция ЭП, лежит между 20 и

40 мм рт. ст. Уменьшение гематокрита периферической кров с 40 до 15-20

в 300 раз увеличивает образование эритропоэтиновой иРНК в почках.

Механизм, позволяющий гипоксии резко усиливать воспроизводство ЭП, (т. е. чувствительность эритропоэтинчувствительных клеток почек и печени к изменению Ро2), исследован на молекулярном уровне [51].

По современным представлениям, процесс эритропоэза у человека и животных эритропоэтинзависимый. Посредством стимуляции или ингибиции продукции эритропоэтина почки могут участвовать как в повышении синтеза эритроцитов, так и в его подавлении. Образующийся в почках эритропоэтин соединяется со своим ингибитором и становится неактивным. «Связанный» эритропоэтин депонируется в почечной ткани и поступает (по мере необходимости) в кровяное русло, где специфический плазменный фактор отщепляет ингибитор ЭП – гормон становится активным [117].

У нефрэктамированных животных не установлено полного прекращения в организме синтеза эритропоэтина, поскольку в экстраренальном образовании гормона участвуют также печень, селезенка и подчелюстные слюнные железы; наиболее изучена роль печени в этих процессах. Методом культивирования тканей печени, полученных от плодов мышей, в течение месяца в среде, содержащей 20% лошадиной сыворотки,

были получены доказательства участия печени в продукции эритропоэтина.

Эритропоэтин, выявленный в культуральной среде, терял активность после добавления в среду антисыворотки. Биологическую эффективность вновь образовавшегося гормона оценивали по его влиянию на включение радиоактивного железа в эритроциты полицитемичных мышей и на рост эритроидных колоний в селезенке облученных мышей. Известно, что в эмбриональном периоде печень и селезенка млекопитающих обладают кроветворной функцией, поэтому закономерно участие этих органов в продукции эритропоэтина (в определенных условиях) [цит. по: 117, с.140].

Важное значение в экстраренальном образовании эритропоэтина имеют также подчелюстные слюнные железы. Их удаление, денервация или