Гибкие (эластические) волокна

Эластические волокна ВКМ придают эластичность и растяжимость внеклеточной матрице и соединительной ткани; по прочности и толщине они уступают коллагеновым.

Основной компонент этих волокон – эластин. Эластин составляет приблизительно 50% сухого веса артерий. В отличие от коллагенов, эластин представлен только одним геном (ELN на хромосоме 7). Мутации данного гена приводят к наследственному стенозу аорты и других артерий в результате чрезмерного количества клеток гладкой мышечной ткани в стенках артерий. (Metcalfe K., Ruska A., Smoot L., Hofstadler G., Tuzler G., McKeown P., Siu V., Rauch A., Dean J., Dennis N., Ellis I., Reardon W., Cytrynbaum C., Osborne L., Yates J.R., Read A.P., Donnai D., Tassabehji M. 2000) В отличие от коллагенов, полипептидные цепи эластина не гликозилируются и не содержат гидроксилизинов. После синтеза на рибосоме и гидроксилирования пролиновых остатков предшественники эластина секретируются в ВКМ, где осуществляется их самосборка и поперечное сшивание лизиновых остатков (Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts R., Walter P. 2002). Гидроксилирование пролинов и поперечное сшивание выполняются теми же биохимическими реакциями, что и сшивание молекул коллагенов. Для этих процессов также существенны витамин С и медь.

Эластин – белок, относительно устойчивый к протеолизу, однако некоторые металлопротеиназы способны его разрушать, приводя к нарушению целостности гибких волокон и потере их механических свойств (Robert L, Robert AM, Jacotot B., 1998). Гибкие волокна ремоделируются эластазами, аналогичными коллагеназам (гены ELA2A, ELA2B ELA3B, ELA3A, ELA1, ELA2). Фактически некоторые из ММП – также эластазы (например, металлопротеиназа MMP12). Важным ингибитором эластаз служит продукт макрофагов α1-антитрипсин, дефицит которого способствует ранней утрате эластин-зависимого пружинного эффекта лёгких и развитию генуинной эмфиземы легких. Частично деградировавший эластин легко кальцифицируется. Так, при субдермальной имплантации эластин дегенерирует и подвергается кальцификации (Bailey MT et al., 2003). Локальное введение синтетических ингибиторов металлопротеиназ значительно замедляет процесс кальцификации эластина в субдермальных моделях крыс (Vyavahare et al., 2000). Классические опыты Ганса Селье (1961) позволили промоделировать кальцифилаксию с системным отложением кальция по ходу эластических волокон при сочетанном воздействии избытка двувалентных катионов щелочноземельных металлов, витамина Д и медиаторов воспаления, выделяемых дегранулирующими мастоцитами. Обработка эластина ионами алюминия перед имплантацией полностью предотвращает кальцификацию эластина путем ингибиции эластолиза металлопротеиназами (Bailey M, Xiao H, Ogle M, Vyavahare N. 2001). Всем этим фактам придают большое значение при рассмотрении патогенеза атеросклероза, с его фиброзом и кальцинозом в атеромах. Атерогенез трактуется как хроническое вялотекущее, спровоцированное патологическими липопротеидами воспаление крупных и средних артерий эластического и мышечно—эластического типа, наиболее богатых эластином. Кальцификация сосудов, происходит в двух компартментах: интиме и медии (Proudfoot D, Shanahan CM., 2001). Кальцификация интимы происходит чаще всего при атеросклерозе, являясь конечным этапом процессов отложения липидов, инфильтрации макрофагами, активации тромбоцитов и пролиферации гладкомышечных клеток (см. Учебник, т. 2, гл. 6) (Анестиади и др. 2010, Bobryshev YV, Lord RS, Warren BA., 1995). Кальцификация медии может происходить независимо от атеросклероза и в типичных случаях проявляется линейными депозитами эластических волокон вдоль эластиновых ламелл (Janzen J, Vuong PN., 2001).

Кальцификация сосудов, происходит в двух компартментах: интиме и медии (Proudfoot D, Shanahan CM., 2001). Кальцификация интимы происходит чаще всего при атеросклерозе, являясь конечным этапом процессов отложения липидов, инфильтрации макрофагами и пролиферации гладкомышечных клеток (Анестиади и др. 2010, Bobryshev YV, Lord RS, Warren BA., 1995). Кальцификация медии может происходить независимо от атеросклероза и в типичных случаях проявляется линейными депозитами эластических волокон вдоль эластиновых ламелл (Janzen J, Vuong PN., 2001).

Периартериальное введение раствора СаСl₂) позволило выявить, что при этом кратковременном локальном повреждении происходит ускорение кальцификации аорты или каротидной артерии, сопровождаемое интенсивной воспалительной реакцией, приводящей к образованию аневризмы (Gertz SD, Kurgan A, Eisenberg D. 1998). Эта модель была адаптирована для брюшной аорты (Freestone T. et al 1995; Freestone T et al., 1997; . Tambiah et al., 2001), грудной аорты лабораторных животных (Ikonomidis JS et al., 2003). В образцах отмечался рост активности металлопротеиназ, указывающий на ремоделирующие процессы в этих сосудах (Chiou AC, Chiu B, Pearce WH 2001; . Chiou AC, Chiu B, Pearce WH, Powell JT., 2002). Мыши, лишенные обеих аллелей металлопротеиназы-2 и металлропротеиназы-9, напротив, становились неспособными к образованию аневризм при введении раствора хлорида кальция в ткани окружающие аорту ( Longo GM, Xiong W, Greiner TC et al., 2002), при этом у нокаутных животных отсутствали явления деградации эластина и кальцификации в артериях (Dina M. Basalyga, M.S., Simionescu D.T., 2004).

Состоящая из эластиновых цепей сердцевина гибких волокон защищена снаружи эластин-ассоциированными гликопротеинами микрофибрилл, которые включают фибриллины (гены FBN1, FBN3), фибулины (гены FBLN1, FBLN2, FBLN5) и эмилины (EMILIN1, EMILIN2, EMILIN3, EMILIN4). Эти сравнительно мало исследованные белки регулируют «интерфейс» между эластиновой сердцевиной и микрофибриллами, а также позволяют осуществлять тонкую регуляцию эластичности волокон. Мыши с делецией гена EMILIN1 имеют повышенное кровяное давление вследствие возрастающего сопротивления в периферической сосудистой системе и сужения просвета сосудов (Zacchigna L., Vecchione C., Notte A., Cordenonsi M., et al. 2006).

Как уже говорилось, эластические волокна соединительной ткани состоят из двух компонентов: гликопротеина эластина и микрофибриллярного гликопротеина фибриллина, образующего каркас, необходимый для образования эластических структур из аморфного эластина. После формирования каркаса из фибриллина эластин организуется в волокно, при этом микрофибриллы оказываются как внутри волокна, так и снаружи. Эластин и фибриллин синтезируются в цистернах гранулярной эндоплазматической сети фибробластов и гладкомышечных клеток; в комплексе Гольджи происходит упаковка синтезированных полипептидов в секреторные гранулы, которые затем выделяются во внешнюю среду. К настоящему времени описаны три типа фибриллина, которые являются компонентами ультраструктурно различающихся между собой микрофибрилл. Фибриллины создают подложку для спиральной укладки эластических волокон и их ассоциации с протеогликанами и коллагеном ВКМ.

Наиболее известной генетически обусловленной дисплазией соединительной ткани, связанной с эластинассоциированными белками, является синдром Марфана – аутосомно-доминантная, мультисистемная, плейотропная болезнь, характеризующаяся высокой вариабельностью клинического проявления.

Основные характеристики классической формы синдрома следующие (Chandrasoma P., Taylor C., 1998, Robinson, 2006):

• Аутосомно—доминантное наследование, частота в популяциях 1/5000-1/20000, 25% возникает в первом поколении заново за счет мутаций гена MFS1 в 15-й хромосоме

• Поражаются сердце (пролапс и миксоматоз митрального клапана, аорта (расслаивающая аневризма), глаза (отслойка ретины, подвывих хрусталика и ранняя катаракта), скелет (долихомелия, арахнодактилия, сколиоз, деформация грудной клетки, повышенная гибкость суставов и др.), легкие (буллезная эмфизема, пневмотораксы), микрососуды (вазопатия).

• Нарушен метаболизм (гипомагнезиемия, гиперэкскреция оксипролина и ГАГ с мочой)

• У многих носителей синдрома отмечаются повышенные работоспособность и умственная активность, своеобразное поведение

• «Большие» диагностические критерии синдрома Марфана следующие: Килевидная или воронкообразная грудная клетка.

Малый рост сидя при размахе рук больше роста на 5%.

Положительные тесты запястья и большого пальца.

…Сколиоз более 20 градусов или спондилолистез.

Невозможность полного разгибания локтевых суставов.

Продольное плоскостопие.

Эктопия хрусталиков.

Дилатация и расслоение восходящей аорты.

Пояснично-крестцовая эктазия твердой мозговой оболочки.

Родители, дети или сибсы с синдромом Марфана.

Обнаружение мутации фибриллина-1.

• «Малые» критерии диагноза следующие:

Гипермобильность суставов

Аркообразное нёбо со скученностью зубов

Плоская роговица

Большое глазное яблоко

Иридоцилиарная гипоплазия

Пролапс митрального клапана

Кальцификация митрального клапана в возрасте до 40 лет

Дилатация легочного ствола

Дилатация и расслоение нисходящей или брюшной аорты

Спонтанный пневмоторакс, буллезная эмфизема

Атрофические кожные стрии

Рецидивирующие грыжи

В основе синдрома Марфана частично лежит биомеханическая недостаточность структурных элементов соединительной ткани вследствие количественной и (или) качественной аномалии микрофибриллярной составляющей эластических волокон.

Утрачивая фибриллин-опосредованную связь с волокнистой частью ВКМ, различные проживающие в нем мезенхимальные клетки при фибриллинопатиях начинают вести себя, как при альтерации и воспалении, и синтезируют воспалительные аутакоиды и металлопротеиназы в избытке, что способствует поражению сосудов, легких, кожи и других органов

Все доказанные классические формы заболевания связаны с гетерозиготной мутацией гена фибриллина 1 (FBN1), расположенного в области длинного плеча 15-й хромосомы (15q21.1).

Описанные более 550 уникальных (т. е. изученных у одной-двух, максимум нескольких неродственных семей) мутаций гена FBN1имеют очень широкий спектр клинических проявлений – от мягких до приводящих к смерти в течение первых двух лет жизни; при этом отмечено, что тяжёлые формы синдрома связаны с мутациями в определённых экзонах гена FBN1. Фенотип больных в большинстве случаев обусловлен миссенс-мутациями (замена нуклеотида в кодирующей части гена, сопровождающаяся заменой аминокислоты в белке), приводящими к нарушению взаиморасположения микрофибрилл.

Причиной синдрома Марфана может быть также недостаток фибриллина (гаплодефицит), обусловленный нонсенс-мутациями (замена нуклеотида в кодирующей части гена, сопровождающаяся образованием стоп-кодона) и сдвигами рамки считывания (Dean J., 2002).

Проведенные в последнее десятилетия молекулярно-биологические исследования патофизиологии синдрома Марфана показали сложную взаимосвязь между соединительнотканными изменениями при данном синдроме и информационными нарушением активности ростовых фактов и межклеточного взаимодействия в основном веществе (см., напр., обзор: Рудой А.С. и др., 2009). Так, FBN1, кроме основной структурообразующей функции в качестве в качестве микрофибриллярного компонента, регулирует активацию сигнальных молекул, в частности, секрецию, пространственную и временную активацию трансформирующего ростового фактора-β (TGF-β) (Neptune E., 2003), который продуцирует и к которому имеет рецепторы практически каждая клетка организма.

Данный фактор – аутакоид, производимый многими клетками, в частности супрессорными лимфоцитами, фибробластами, макрофагами и др. и участвующий, как уже отмечалось выше, в модуляции клеточного роста, воспаления, пролиферации и дифференцировки, внеклеточного матричного депонирования и апоптоза; кроме того он активирует фибробласты, способствует процессам репарации ран и непосредственно стимулирует ангиогенез и фиброплазию, сдерживает активность ММП (см. выше). Вместе с тем TGF-β ингибирует пролиферацию и миграцию гладкомышечных и эпителиальных клеток, оказывает ингибирующие эффекты на иммунную систему, подавляя гемопоэз, синтез некоторых провоспалительных цитокинов, ответ лимфоцитов на интерлейкины-2, -4, -7, формирование цитотоксических NK-клеток и Т_h1-клеток (Annes J.P. et al., 2003, Pepper M.S., 1997). Дефекты функции TGF-β связаны с различными патологическими процессами: повышенная продукция отмечается при прогрессировании некоторых опухолей (см. выше), при фиброзе, артериальной гипертензии, остеопорозе и аутоиммунных болезнях, а пониженная – при раннем канцерогенезе, наследственной геморрагической телеангиоэктазии, репаративных процессах и атеросклерозе.

Важно, что TGFβ первоначально существует в виде неактивного скрытого TGFβ-комплекса. В настоящее время показано, что фибриллин служит упаковочным белком при его хранении (Gelb B.D., 2006). Как показали L.I. Sakai и соавторы, он содержит последовательности, высокогомологичные латентному ТФРβ-связывающему белку, внутриклеточному аналогу рецептора цитокинов этой группы (Malsen C.L. et al. 1991; Isogai Z. et al., 2003; Gregory K.E. et al. 2005). При нормальной структуре фибриллина, ТФРβ объединяется с ним и соединительным пептидом в крупномолекулярный комплекс, ассоциированный с микрофибриллами, в связи с чем его освобождение и эффективные концентрации строго дозируются (Judge D.P., Dietz H.C., 2005, Gelb B.D., 2006). При синдроме Марфана и марфаноподобных аномалиях фибриллина наблюдается нарушение этого комплексообразования, повышенное освобождение ТФРβ и усиление его системных фиброгенных и мукоидогенных эффектов, которое вносит вклад в формирование марфаноидных особенностей фенотипа. Получена экспериментальная модель синдрома Марфана на мышах (Pereira L. et al., 1997, 1999). При этом было отмечено, что у экспериментальных животных повышается содержание трансформирующего фактора роста β. Более того, антитела к ТФРβ в эксперименте предупреждали формирование марфаноидного фенотипа у генетически дефектных животных, в частности – формирование буллезной эмфиземы и ангиопатий (Judge D.P., Dietz H.C., 2005).

Таким образом, процесс превращения ТФРβ в активную клеточную молекулу опосредуется через белок FBN1 и белок, связывающий TGF-β. Существуют две модели, объясняющие возникновение наследственных нарушений соединительной ткани через взаимодействие FBN1 и TGF-β. Согласно первой из них (Pyeritz R.E., 2000), малые скрытые TGFβ-комплексы внутриклеточно объединяются с фибриллин-ассоциированными связывающими белками и формируют большие скрытые комплексы, которые затем секретируются во внеклеточную среду, где из фибриллина образуются микрофибриллы. При недостатке фибриллина или его аномальном строении образование больших скрытых TGF-β-комплексов ослабляется. Большие свободные комплексы, содержащие TGF-β, начинают взаимодействовать во внеклеточной среде со скрытыми активаторами TGF-β, что приводит к растормаживанию процесса активации и повреждающему действию TGF-β. Другими словами, происхождение конкретной дисплазии соединительной ткани может зависеть не только от нарушения строительной функции аномальных белков FBN1, но и от их неспособности контролировать активацию молекулы TGF-β.

Согласно второй модели (Annes J.P. et al., 2003) малые скрытые TGF-β-комплексы при некоторых нарушениях FBN1 могут связывать его непосредственно (без образования больших скрытых комплексов), а затем включаться в структуры внеклеточного основного вещества. Из скрытых малых комплексов, прикрепленных к микрофибриллам, после воздействия протеаз высвобождается TGF-β. Важно, что нормальный большой комплекс TGF-β с FBN1 и другими компонентами внеклеточной матрицы более устойчив к действию активаторов, которыми могут выступать не только протеазы, но также интегрины или изменение рН (или менее склонен к активации скрытого TGF-β). Другими словами, именно аномалии фибриллина лежат в основе растормаживания процесса активации TGF-β.

Очевидно, что полное раскрытие взаимосвязей между наследственными нарушениями соединительной ткани и активацией цитокина TGF-β открывает совершенно новые способы профилактики и лечения многих проявлений фибриллинопатий, в частности, путем терапевтического применения антагонистов TGF-β. Некоторые фармакологические средства, в частности, антагонист рецептора ангиотензина II 1-го типа лозартан, снижают действие ТФРβ и даже предотвращают формирование проявлений марфаноидности у мышей – носителей генетических дефектов фибриллина (Gelb B.D., 2006). Возможно, когда-нибудь марфаноидность начнут лечить терапевтически.

Известно множество марфаноидных (марфаноподобных) заболеваний, также имеющих генетическую природу, но связанных с иными мутациями. Так, например, мутации в гене FBN2, кодирующем фибриллин-2, ведут к возникновению марфаноидного синдрома Билса, для которого характерны арахнодактилия, контрактуры суставов кистей рук, кифосколиоз, генерализованная остеопения и проч. (патология сердечно-сосудистой системы и органов зрения специфическими признаками данного синдрома не являются). Другие мутации этого гена приводят к развитию MASS-фенотипа (Mitral valve, Aorta, Skeleton, Skin), для которого характерны пролапс митрального клапана, расширение корня аорты, скелетные аномалии, истончение и атрофические полосы кожи, ранняя миопия, или к развитию семейного пролапса митрального клапана.

Еще один марфаноидный скелетный фенотип без сердечно-сосудистых и глазных аномалий, аутосомно-доминантный синдром Вейла–Марчезани (низкий рост, брахидактилия, аномалии хрусталика, тугоподвижность суставов), судя по всему, развивается вследствие мутации гена FBN, расположенного в коротком плече 19-й хромосомы. Экспрессия этого гена происходит преимущественно в эмбриональных тканях и ЦНС.

Вместе с тем иногда встречаются полные или почти полные генокопии классического синдрома Марфана (т. е. внешне сходные фенотипы, но обусловленные аллелями иных генов, не связанными с синтезом фибриллинов), также приводящих к марфаноидным заболеваниям и тоже связанных с аутосомно-доминантными мутациями. Так, Лоес и Дитц с коллегами в 2005 г. описали новый аутосомно-доминантный синдром, сходный с синдромом Марфана (отличительными особенностями синдрома Лоеса–Дитца являются гипертелоризм, краниосиностоз, «волчья пасть», генерализованная артериальная извилистость). У пациентов с данным заболеванием были идентифицированы миссенс-мутации в длинном плече 3-й хромосомы, что нарушало генетическое кодирование клеточных рецепторов для TGF-β. Вследствие этого нарушения утрачивались функции инактивации сигнала TGF-β при формировании внеклеточного матрикса (Mizuguchi et al., 2004, Loeys et al., 2005). При наследственных дефектах рецепторов ТФРβ, в частности – синдроме Лёя-Дитца, также воспроизводится марфаноподобный симптомокомплекс и повышена продукция данного цитокина и его содержание в крови.

Значительный избыток системных концентраций ТФРβ1 и β2 выявлен нами (Калашникова А.В. и соавт., 2009) также при несиндромальных формах ДСТ с марфаноподобным фенотипом.