Цитодиагностика. Жизненный цикл клетки. Функциональная активность клеток. Структурные основы реакции клеток

На действие внешних факторов.

Прогресс в развитии современной медицины связан с внедрением новых технологий клеточной и генной терапии. В их основе лежат выяснение молекулярных механизмов регуляции жизненного цикла клеток, разработка способов визуализации клеток, находящихся в разном функциональном состоянии. Благодаря этому стала возможной идентификация клеток отдельных линий (эндотелиоцитов, нейронов, глиоцитов, миофибробластов, лимфоцитов разных типов), позволяющая оценить структурные основы развития физиологических (рост, органогенез, адаптация и пр.) и патологических (неоплазии, гипотрофии и пр.) процессов. Прицельная оценка разных морфогенетических процессов (пролиферации, дифференцировки, функциональной активности, старения и гибели клеток) базируется на комплексном анализе структурных элементов клетки.

Форма, размеры, расположение клеток и их ядер, ядерно-цитоплазматическое отношение, тинкториальные свойства ядер и цитоплазмы характеризуются тканевой и органной спецификой. Эти критерии лежат в основе общеморфологической диагностики тканей и органов.

Перед изучением методов и возможностей цитодиагностики, попробуем интегрировать раннее изученный материал и объединить структуры в определенные функциональные аппараты. К ним относятся:

1. аппарат хранения и реализации генетической информации – ядро;

2) метаболический аппарат клетки, обеспечивающий анаболические и катаболические процессы;

● аппарат синтеза и секреции (рибосомы – синтез белков гиалоплазмы и ядра; гранулярная эндоплазматическая сеть – синтез мембранных и секретируемых белков; комплекс Гольджи – сортировка, накопление, выведение секрета);

● аппарат катаболизма и энергообеспечения (лизосомы – деградация полимеров до мономеров; митохондрии – расщепление мономеров с освобождением энергии, которая заключается в макроэргические связи АТФ; в гиалоплазме – ферменты гликолиза обеспечивают анаэробный метаболизм).

3) аппарат поддержания и изменения формы, миграции клетки – включает комплекс плазмолеммы, цитоскелета и кариоскелета;

4) аппарат внутриклеточного транспорта – связан с транспортными процессами через плазмолемму (например, эндоцитоз). Помимо плазмолеммы. Включает комплекс Гольджи, систему эндосом, микротрубочки, цистерны гладкой эндоплазматической сети;

5) система цитопротекции – периксосомы, гладкая эндоплазматическая сеть, белки теплового шока (БТШ) ядра и гиалоплазмы, протеасомы;

6) митотический аппарат клетки – центриоли и система микротрубочек.

Работа всех этих функциональных аппаратов определяется активностью сигнальных молекул, регулируемых через разные рецепторы. Благодаря этому жизнедеятельность каждой клетки находится под контролем регуляторных систем организма (медиаторы, гормоны), локальных факторов и соседних клеток.

Ключевым параметром цитодиагностики является определение отношения клетки к тому или иному периоду жизненного цикла. Клетки в разные периоды жизненного цикла имеют разное строение и свойства, в них происходят разные процессы.

Жизненный цикл клетки – существование клетки от образования до гибели.

Его длительность варьирует от нескольких суток (в эпителии желудка и кишечника) до десятилетий (в сердечной мышце, нервной ткани). Жизненный цикл клетки включает первы период (когда клетка недифференцирована и делится), второй период (дифференцирования), третий период (зрелости и функциональной активности, длительность которого варьирует среди разных типов клеток). В четвертый период клетка стареет и гибнет (апоптоз). В физиологических условиях поддерживается баланс между процессами новообразования и гибели клеток.

Практически се ткани и органы человека содержат недифференцированные клетки. Их ключевым свойством является сохранение способности к делению и миграции. морфологическая идентификация этих клеток на уровне световой и электронной микроскопии строится на оценке ядерно-цитоплазматического отношения. Все незрелые клетки имеют высокое ядерно-цитоплазматическое отношение (больше 1). В свою очередь, размер и структура ядра зависят от периода клеточного цикла.

Так, истинные стволовые клетки (в G₀-периоде) имеют темное мелкое ядро. В интерфазных клетках, вовлеченных в цикл, ядро светлое крупное (РИС), с превалированием эухроматина, имеются несколько крупных ядрышек, извилистая ядерная оболочка. В цитоплазме недифференцированных клеток мало мембранных органелл. Основным источником энергии является анаэробное окисление. Наиболее развитые структуры цитоплазмы – это цитоскелет и митотический аппарат. Анаболитические процессы обеспечиваются благодаря наличию многочисленных свободных рибосом и полисом.

Скорость пролиферации клеток и длительность клеточного цикла широко варьируют, что имеет существенное значение для прогнозирования роста органов в эмбриогенезе, репарации тканей после повреждения и развития опухолей (неопластического процесса). Обычные методы микроскопии не могут дать точной характеристики этих процессов, поскольку большинство делящихся клеток находится в интерфазе. В связи с этим особое значение приобретает иммуноцитохимическая оценка процесса пролиферации (деления клеток). Наиболее популярным маркером пролиферации считается Ki-67, экспрессируемый практически в течение всей интерфазы. Можно также оценить наличие и количество клеток, находящихся в разных периодах интерфазы (G₁ S G₂), по метке к специфическим регуляторам этих периодов – циклинам и циклинзависимым киназам.

Дифференцировка клетки проявляется усложнением ее структуры, направленным на выполнение специфической функции. При этом происходит снижение ядерно-цитоплазматического отношения, что связано с увеличением объема цитоплазмы и её функциональных аппаратов, изменением набора органелл и/или включений в цитоплазме, специализацией плазмолеммы, формированием специализированных структур (микроворсинок, ресничек), межклеточных контактов, активацией транспорта и пр. терминальная дифференцировка клеток в некоторых тканях сопровождается потерей ядра и некоторых свойств (например, способности к регенерации, ограничение адаптации). Такой феномен характерен для многослойного плоского ороговевающего эпителия и проявляется формированием высокоспециализированных безъядерных структур – роговых чешуек. Не мене яркий пример – это формирование эритроцитов: процесс дифференцировка в эритроидном ряду направлен на специализацию цитоскелета, синтез и накопление включений гемоглобина, с последующим удалением ядра и органелл.

В основе дифференцировки клетки лежит блокирование в геноме протоонкогенов и активация тканеспецифической программы развития. Например, в эпителиальных тканях дифференцировка сопровождается активацией синтеза белков промежуточных филаментов – цитокератинов. Причем каждая стадия этого процесса сопровождается синтезом специфических цитокератинов. Этот факт лежит в основе определения тканевой принадлежности опухолевых клеток, а также в оценке степени их незрелости.

Однако дифференцировка клеток не всегда сопровождается изменением структуры цитоплазмы. Например, лимфоциты на разных этапах имеют сходную структуру, хотя отличаются по функции. Смысл дифференцировки заключается в приобретении специализированных рецепторов и мембранных белков, получивших название кластеров дифференцировки (CD). В этом случае оценка зрелости и функционального типа клеток базируется на использовании иммуноцитохимических методов, позволяющих выявить типичные маркеры: CD3 - маркер зрелых Т-лимфоцитов, CD4 – Т- хелперы, CD20 и CD22 – В – лимфоциты, CD57 – натуральные киллеры. CD используются также для визуализации клеток, способных распознавать и презентировать антигены (чужеродные для организма белки) – CD1а.

Структура клетки зависит от экспрессии определенного набора генов, химического состава её компонентов и действия регуляторов. В свою очередь, именно структура клетки (характеристики ядра, набор органелл, специфика строения плазмолеммы) детерминирует выполнение специализированной функции, что позволяет проводить структурно-функциональные параллели.

В зависимости от структурно-функциональной организации в организме человека выделяют более 200 видов клеток. Для обобщения материала и понимания закономерностей можно условно разделить клетки на несколько функциональных типов: