4. Нейроглия

Термин «нейроглия» (нервный клей) ввел Р. Вирхов (1846) для обозначения вещества, заполняющего все промежутки между нервными элементами мозга.

Классификация. По особенностям локализации и структурно-функциональной организации клетки нейроглии нервной системы млекопитающих делят на глию центральной (ЦНС) и периферической (ПНС) нервной системы. Глия ЦНС подразделяется на макроглию и микроглию. Макроглия по своему составу гетероморфна и представлена астроцитами (протоплазматические, фиброзные и др.), эпендимной глией (эпендимные клетки, танициты), олигодендроглиоцитами (интерфасцикулярные, перинейрональные-сателлитарные). Глия ПНС представлена шванновскими клетками (миелинобразующие и миелиннеобразующие) оболочек нервных волокон и их разновидностью – клетками-сателлитами. В ЦНС высших позвоночных глия занимает около половины объема мозга.

На традиционных ветооптических изображениях и схемах глиоциты, выявленные с помощью «фибриллярных» методик (Рис. 9.12) имеют отростки цилиндрической формы. Это связано с тем, что данные методики выявляют только пучки цитоскелетных глиофибрилл внутри глиоцитов и их отростков. Электронная микроскопия показала, что большинство отростков глиоцитов имеет ламеллярную форму. Сами клетки глии окружают нейроны не в виде сеточки, в в виде тонких слоев (часто многочисленных).

Гистогенез. Различные виды глиальных клеток отличаются по источнику развития. Макроглиальные клетки (астроциты, эпендимная глия и олигодендроциты) ЦНС формируются из вентрикулярных матричных клеток). Шванновские клетки (ШК) и клетки-сателлиты ПНС возникают из клеток нервного гребня. Микроглиоциты имеют как нейрогенное, так и мезинхимальное происхождение ( 50/50%).

Дифференцировка миелинобразующих ШК ПНС последовательно включает в себя этапы: клетка нервного гребня  ранняя клетка-предшественница ШК  коммитированная ШК  ШК премиелинового фенотипа  миелинобразующая ШК. Первые этапы дифференцировки миелиннеобразующих ШК, включая коммитированную ШК, являются общими с этапами развития миелинобразующих ШК, а затем формируются про-предшественник, далее – миелиннеобразующая ШК. Для каждого этапа дифференцировки ШК характерен определенный набор экспрессируемых биологически активных веществ. На ранних этапах эмбриогенеза экспрессируются рецепторы фактора роста нервов (LNGFR), белок, связанный с ростом (GAP-43, или нейромодулин), молекулы адгезии нервных клеток (N-CAM) и молекулы адгезии из семейства иммуноглобулинов L1 (Ng-CAM), белок S-100. На промежуточных этапах дифференцировки включается синтез транскрипционных факторов из семейства POU, транскрипционных факторов из семейства белков цинковых пальцев Krox-20, белки миелина и галактоцереброзид (GalC). Миелинобразующая ШК экспрессирует белок S-100, Krox-20, белки миелина и GalC. Активация генов белков миелина совпадает с исчезновением митозов ШК. Экспрессия гена P₀ (маркер периферического миелина) характерна для ранних предшественников ШК и начинается задолго до образования миелина.

Полипотентные матричные клетки, являющиеся источником эпендимных клеток, в процессе дифференцировки под воздействием факторов микроокружения разделяются на эпителиоидные (типичные) эпендимные клетки и эпендимные танициты. Все глиальные клетки в постнатальном периоде сохраняют способность к пролиферации.

Астроциты. Это наиболее многочисленные из клеток макроглии (рис. 1, 2). Морфологически выделятют несколько видов астроцитов: протоплазматические, фиброзные, интерламинарные, радиальные, бергмановская глия, мюллеровские клетки, покрывающие (окутывающие) астроциты. Морфология клеток различается как у разных видов животных, так и в разных отделах центральной нервной системы.

Несмотря на большое морфологическое и биохимическое разнообразие, типичными признаками астроцитов являются: наличие отростков, многие их которых имеют вторичные и третичные ветвления, а также содержат мелкие филаподиеподобные выросты. Кроме того, для астроцитов характерны контакты с базальной мембраной кровеносных сосудов и пиальной поверхностью мозга посредством так называемых концевых (сосудистых) ножек.

Наиболее признанным иммуногистохимическим маркером астроцитов является глиальный кислый фибриллярный белок (ГКФБ), относящийся к III типу белков промежуточных филаментов. Установлено несколько сплайс-вариантов белка, при которых происходит посттранскрипционная модификация мРНК и с одной молекулы мРНК могут транслироваться разные белки, однако значение такой посттранскрипционной модификации не известно. Мутации гена ГКФБ (обнаружено несколько мутаций в различных локусах многих экзонов) приводят к характерной супераггрегации филаментов что, возможно, и лежит в основе тяжелого врожденого заболевания – болезни Александера. В настоящее время это единственная известная болезнь, связанная с первичной патологией астроцитов.

Астроциты обладают высокой проницаемостью плазматической мембраны для ионов калия, что определяет низкий потенциал покоя (-70 – -80 мВ), а также их плазмалемма не содержит потенциалзависимых ионных каналов. Астроциты имеют большое количество щелевидных каналов с соседними астроцитами. Астроциты также характеризуются высокой способностью захватывать глутамат.

У разных видов млекопитающих астроциты принципиально отличаются (рис. 3, 4), так например, у мышей и крыс, наиболее популярных объектов исследований, отсутствуют так называемые интерламинарные астроциты, характерные для человека, приматов и более крупных животных (собака). Современные данные об астроцитах премущественно получены при изучении мышей и крыс, что, учитывая видовые особенности строения нейроглии, требует критического отношения к возможности их экстраполяции на мозг человека.

Протоплазматические астроциты. Наиболее крупные (диаметр тела 15-25 мкм) и многочисленные протоплазматические астроциты (ПА), располагающиеся в сером веществе мозга, имеют разветвленные сравнительно короткие отростки до 400 мкм в длину. Эти отростки окружают капилляры, дендриты, синапсы и являются одной из основных составных частей нейропиля и гематоэнцефалического барьера. Специализированные слоистые скопления отростков протоплазматических Ас располагаются на границе между ЦНС и ПНС (в зоне вхождения корешков) и на поверхности коры большого мозга, изолируя тем самым эти образования мозга друг от друга и от окружающей среды. Отростки протоплазматических Ас обладают особым сродством к рецепторным поверхностям сомы и дендритов нейронов. Тела и дендриты, на которых находятся многочисленные синапсы, например, крупных нейронов коры большого мозга, покрыты целиком ламеллярными отростками. Усложненные синаптические устройства (типа гломерул) всегда полностью окружены астроцитарной оболочкой. Густые скопления мелких нейронов (например, гранулярные клетки мозжечка) покрыты неполной глиальной оболочкой или она у них отсутствует. Поэтому между ними могут образовываться контакты соматосоматического и дендродендрического типов.

Протоплазматические астроциты (ПА) – преобладающий вид астроцитов в сером веществе, они различаются по своим свойствам в разных отделах мозга, и основные данные, характеризующие ПА, относятся преимущественно к неокортексу, гиппокампу и мозжечку (бергмановская глия). ПА экспрессируют очень низкий уровень ГКФБ, что не всегда позволяет иммуногистохимически идентифицировать клетки по экспрессии данного белка.

Они имеют многочисленные разветвленные отростки (в среднем длина не превышает 50 мкм) с большим числом миниатюрных листовидных филоподиеподобных отростков (так называемые периферические астроцитарные отростки - ПАО), окружающих терминальные ветвления отростков нейронов и синаптические контакты и считающихся основным компартментом, ответственным за нейрон-астроцитарные взаимодействия. Поскольку ПАО очень малы, то при их изучении в световой микроскоп, в том числе конфокальный и двухфотонный конфокальный, не удается получить их точного разрешения и вследствие этого клетки часто описываются как кустовидные, поскольку не только отростки, но и пространство между ними дают флюоресценцию при заполнении клеток флюорохромом - люциферовым желтым.

При электронномикроскопическом исследовании листовидные отростки выглядят как тонкие цитоплазматические или мембранные прослойки между отростками нейронов. ПАО занимают около 50 % всего объема и около 80 % поверхности протоплазматического астроцита (рис. 5а). Однако довольно часто обнаруживаются простые протяженные контакты плазмалемм тела астроцита и перикариона нейрона (рис. 5б).

ПАО являются высоко динамическими структурами, и, как было показано в исследованиях на трансгенных мышах, они находятся в постоянном движении (скользят вдоль мембраны нейрона и образуют новые выпячивания) около активно работающих синапсов).

Доменный принцип структурной организации ПА. Изучение взаиморасположения астроцитов показало, что большая часть их отростков находится в локальной области, и только дистальные их части соприкасаются с отростками соседних клеток. Таким образом, каждый ПА занимает определенный пространственный домен, включающий, например, в СА1 гиппокампа, около 100 000 синаптических контактов. Несмотря на кажущуюся структурную изолированность астроцитов, они тесно связаны друг с другом щелевидными контактами (рис. 5г), и обычно при заполнении флюоресцирующими красителем одной клетки большое число (20-60) соседних клеток также заполняются красителем. Щелевидные контакты образованы белками коннексинами, причем в астроцитах преобладают коннексины 43 (Сх43) (рис. 5в) и 30 (Сх30). Много коннексинов (особенно Сх30) определяется и в центральной части доменов, в том числе и на теле клетки. Коннексины, как полагают, участвуют в формировании щелевидных контактов между соседними отростками одной клетки, что позволяет значительно ускорить транспорт веществ по цитоплазме и в чем-то, аналогично процессу формирования пространственного буфера – важному свойству астроцитов, обеспечивать защиту нейронов при перевозбуждении от высокого внеклеточного уровня ионов калия и глутамата.

Следует отметить, что концепция астроцитарных доменов была предложена на основании изучения мозга (гиппокампа) крысы. Высшие млекопитающие и человек отличаются от грызунов наличием интерламинарных астроцитов с очень длинными отростками (будут описаны далее). Отростки этих астроцитов часто проходят через центральные части доменов ПА и контактируют с ними щелевидными контактами, пропускаюшими люциферовый желтый. Таким образом, интерламинарные астроциты возможно участвуют в обеспечении связей отдаленных друг от друга астроцитных доменов.

Фиброзные (волокнистые) астроциты (ФА). Фиброзные астроциты (диаметр тела 7-11 мкм) сосредоточены главным образом в белом веществе мозга и в зрительном нерве. Только немногочисленные ФА определяются в сером веществе

ФА имеют длинные (600-1200 мкм) слаборазветвленные отростки с большим содержанием глиофибрилл. Отличительным признаком ФА является высокая экпрессия ГКФБ, наличие длинных (до 300 мкм), слабо ветвящихся отростков и отсутствие типичных ПАО (на основных стволах отростков имеются только маленькие трубочкоподобные выросты). Отростки ФА, также как и ПА, образуют перивакулярные оболочки и находятся в области перехватов Ранвье миелинизированных аксонов. Уровень экспрессии ГКФБ и S100 бета в ФА намного выше, а ГС и транспортеров глутамата намного ниже, чем в ПА. Клетки также коститутивно экспрессируют плазмалеммальный гликопротеин CD44, а также аквапорин 4 (рис. 6).

При обычных методах электронно-микроскопического исследования Ас выявляются как клетки с низкой электронной плотностью ядра и цитоплазмы. Ядра Ас крупнее, чем ядра олигодендроцитов, чаще овальной или округлой формы, содержат немного равномерно распределенного конденсированного хроматина, ядерная оболочка незначительно извита. Цитоплазма характеризуется содержанием небольшого количества рибосом, коротких равномерно распределенных цистерн ГЭС, отсутствием микротрубочек, большим содержанием промежуточных филаментов и наличием гранул гликогена, чаще в периваскулярных отростках. Для Ас, наряду с мелкими и средними, характерно присутствие крупных митохондрий (глиосомы) с изменчивой внутренней структурой. Контуры цитолеммы протоплазматических Ас нечетко очерчены, извилисты и повторяют форму окружающих структур. Отростки этих Ас занимают значительную часть нейропиля, а количество глиофибрилл в них варьирует в широких пределах. Контуры отростков фиброзных Ас более четкие, чем у протоплазматических Ас, в них значительно больше глиофибрилл, но они менее разветвлены. По всей поверхности тела и главных отростков протоплазматических и фиброзных Ас отходят очень тонкие, не содержащие органелл, ламеллярные отростки. В протоплазматических Ас эти отростки составляют более половины, а в фиброзных – около 1/3 общего объема всех отростков. За счет ламеллярных отростков, составляющих 60-80% всей поверхности клетки, Ас обладают чрезвычайно большой поверхностью (около 50%) контакта с межклеточным пространством серого вещества, что имеет особое значение для осуществления астроцитами функции поддержания гомеостаза ткани мозга.

Цитоплазматическая мембрана Ас содержит потенциалнезависимые K–, Na^–, Ca^2–, Cl – ионные каналы, большое количество молекул Na⁺– K⁺–АТФазы, α–, β–адренорецепторы, N-метил-D-аспартатные (NMDA) рецепторы возбуждающих аминокислотных (аспартат, глутамат) медиаторов, рецептор ГАМК и серотонина, H₁– и H₂–рецепторы гистамина, а также рецепторы дофамина, аденозина, глицина, таурина, ацетилхолина и других биологически активных веществ. В сравнении с нейронами активность Na^, K^-АТФазы в глиальных клетках в несколько раз выше, а деполяризующие или гиперполяризующие эффекты биологически активных веществ имеют несинаптические механизмы и реализуются после диффузии медиаторов из зоны нейрональных синапсов. Кроме того, все типы астроцитарных клеток содержат белок S-100, глютаминсинтетазу, карбоангидразу, активность которой в Ас в 100–200 раз выше, чем в нейронах.

Помимо осноных видов астроцитов: протоплазматических и фиброзных, в нервной системе животных и человека выявлено еще несколько разновидностей астроцитарной глии.

Интерламинарные астроциты (ИА). ИА характерны для высших млекопитащих и человека. Они находятся в сером веществе головного мозга (показаны в настоящее время пока только в некортексе и гиппокампе), в субпиальной области (краевые ИА) и вблизи белого вещества (рис. 7). Отличительным их признаком являются длинные (до 2 мм и более), прямые и неветвящиеся отростки. Большое число таких отростков располагаются в наружных слоях неокортекса и ориентированы перпендикулярно поверхности мозга. Значение ИА окончательно не выяснено. Они конститутивно экпрессируют CD44, аквапорин 4, тогда как экпрессия таких маркеров, как глутамин синтетаза и транспортеров глутамата низкая.

Радиальные астроциты (РА). РА или радиальная глия во взрослом мозге более типична для низших позвоночных, где они пронизывают всю толщу мозга. У млекопитающих радиальная глия хорошо выражена при развитии нервной системы, где она выполняет не только опорную функцию для миграции нейронов коры, но и является источником развития некоторой части нейронов и астроцитов (подробнее о радиальной глии в разделе: нейро- и глиогенез).

Бергмановская глия (БГ). БГ также называемая «эпителиальными клетками Гольджи» является аналогом радиальной глии в мозжечке всех позвоночных. Тела клеток находятся в слое клеток Пуркине, а отростки (от трех до шести) направляются в молекулярный слой и по организации очень напоминают отростки ПА. У грызунов (крысы, мыши) одна клетка БГ контактирует с 2000-6000 синапсов, образованных клетками Пуркинье.

Мюллеровские клетки (МК). МК рассматриваются как ПА сетчатой оболочки глаза, хотя по морфологии их часто сравнивают с РА (рис. 8). У млекопитающих в сетчатой облочке глаза это преобладающий тип макроглии. МК пронизывают всю сетчатую оболочку и контактируют со стекловидным телом, а также образуют глиальную оболочку, отделяющую слои нервных клеток от пигментного слоя. В ядерных слоях морфология КМ соответствует окутывающим астроцитам. В области синаптических контактов (молекулярный слой) они имеют строение, характерное для ПА, а в области выхода зрительного нерва они напоминают ФА. В сетчатке встречаются и типичные фиброзные астроциты, которые находятся преимущественно в слое нервных волокон.

Покрывающие (окутывающие) астроциты. Этот специализированный вид астроцитов характерен для гранулярного (зернистого) слоя мозжечка и обонятельных луковиц, где маленькие нейроны образуют компактные скопления, а данные астроциты покрывают тонкими листовидными оболочками тела нервных клеток, также как и и всю группу (кластер) нейронов

Иммуногистохимическая идентификация глиальных клеток возможна с помощью ГКФБ (экспрессия может быть и минимальной), глутамин синтетазы (ГС), фермента участвующего в метаболизме глутамата, кальций-связываюшего белка S100 бета (определяется преимущественно в ядрах) и транспортеров глутамата (ТГ): GLAST (EAAT1) и GLT-1 (EAAT2). Следует отметить, что поскольку эти белки могут экспрессироваться разными видами глии, особенно при патологии (табл. 1), точная иммунохимическая идентификация клеток возможна только при использовании двух или трех критериев.

Таблица 1