Клетки мюллера в сетчатке
Клетки Мюллера являются «скелетом» сетчатки. Они представлены колонообразными вытянутыми клетками, «капители и основания» которых сформированы сетевидными разветвлениями концевых отделов цитоплазмы и участвуют в формировании наружной и внутренней пограничной мембраны. Они участвуют в генерации b-компонента ЭРГ.
В сетчатке человека в макуле и на периферии имеется одинаковое количество нейронов, приходящихся на 1 клетку Мюллера, среднее число которых — 12. Однако в фовеа отсутствуют палочки, при большом количестве колбочек и ганглиозных клеток, поэтому, принимая во внимание только «сестринские» по происхождению к клеткам Мюллера биполярные и амакриновые клетки, радиальная единица в фовеа мала и составляет 2-3 нейрона на одну клетку Мюллера. На средней периферии сетчатки размер активной глио-нейрональной единицы максимален и достигает 10-11 нейронов на одну клетку Мюллера.
Тесные контакты между отростками мюллеровских клеток и нейронами обеспечивают тесную функциональную связь между этими типами клеток. Школой Райхенбаха [Reichenbach A. et al., 1993] предложена концепция, о существовании симбиоза между клетками сетчатки, развивающимися от одного источника (общей стволовой клетки), и формирующими функциональные единицы в сетчатке — радиальные колонки. По этой гипотезе клетки Мюллера обеспечивают экстраклеточную регуляцию и снабжение метаболитами, ионами нейроны, которые разделяют с ними общего предшественника. Идея о функциональных единицах, в которых осуществляются локальные взаимодействия между группой ретинальных нейронов и поддерживающей их глиальной клеткой, является весьма привлекательной. С ее позиций, клетки Мюллера не нуждаются в контактах между собой для обслуживания далеко расположенных нейронов. Каждая клетка Мюллера обеспечивает непосредственные потребности своих нейрональных соседей, то есть поддерживает стабильное экстра-клеточное окружение, локально в точке нейрональной активности.
Проходя через слой ганглиозных клеток и слой нервных волокон, отростки мюллеровских клеток переплетаются с другими глиальными элементами (астроцитами, микроглией), образуя сплетение, которое расширяется в форму пирамиды, формируя «подошву» у края сетчатки. Подошвы клеток Мюллера образуют тесный контакт с базальной мембраной, составляющей внутреннюю пограничную мембрану. Толщина её значительно варьирует от экватора к заднему полюсу глаза, сильно истончаясь у края диска зрительного нерва, на уровне фовеа и в тех участках, где главные сосуды сетчатки расположены близко к ее поверхности.
Строение Мюллеровых клеток
Мюллеровы клетки — высокоспециализированные гигантские глиальные клетки, проходящие через все слои сетчатки, выполняют опорную и изолирующую функцию, осуществляют активный транспорт метаболитов на разных уровнях сетчатки, участвуют в генерации биоэлектрических токов. Они проходят через все слои сетчатки от сосудов хороидеи до стекловидного тела.
Волокна клеток Мюллера формируют наружную пограничную мембрану с одной стороны и внутреннюю пограничную мембрану — с другой. Внутренний и наружный плексиформные слои включают горизонталь- ные, амакриновые клетки и межклеточные синаптические сети между фоторецепторами и биполярными клетками с одной стороны, и биполярными и ганглиозными клетками — с другой.
Плексиформные слои не являются истинными гистологическими мембранами, однако в некоторой степени выполняют функцию барьеров, хотя и менее резистентных и более проницаемых, чем внутренняя и наружная пограничные мембраны. Внутренний плексиформный слой более резистентен и менее проницаем, чем наружный. Волокна клеток Мюллера образуют очень длинные вертикально расположенные поддерживающие элементы, которые соединяют внутреннюю и наружную пограничные мембраны.
Ядра клеток располагаются во внутреннем ядерном слое. Склеральная наружная часть цитоплазмы мюллеровских клеток приспособлена к эндоцитозу и транспорту белковых метаболитов из субретинального пространства, апикальная часть, обращенная к внутренним отделам сетчатки, содержит многочисленные митохондрии, аппарат Гольджи, свободные рибосомы. Всю цитоплазму клетки пронизывают микрофиламенты и микротрубочки, обеспечивающие транспорт питательных веществ. В наружных отделах обнаружено депонирование гликогена.
Функции Мюллеровых клеток
Скелетная функция: большую роль клетки Мюллера выполняют в патологических процессах. При прогрессирующих дегенеративных процессах они могут оставаться единственными жизнеспособными клеточными элементами, удерживающими сетчачку от полного разрушения. Заживление сетчатки при травмах и образовании глиальных рубцов (глиоз сетчатки) также проходит с участием мюллеровских клеток.
Отростки клеток Мюллера являются одним из важнейших компонентов, составляющих наружную пограничную мембрану (НПМ), хорошо идентифицируемую демаркационную линию, распространяющуюся от края диска зрительного нерва до ora serrata. НПМ не является истинной мембраной и сформирована тангенциально ориентированными, уникальными по структуре соединениями (zonula adherents). Участки контактов объединяют внутренние сегменты палочек и колбочек с клетками Мюллера, соседние клетки Мюллера между собой и в отдельных случаях фоторецепторы с фоторецепторами. Эти комплексы межклеточных соединений избирательно влияют на движение макромолекул из субретинального пространства (фоторецепторного матрикса) к внутренней сетчатке.
Трофическая функция: предполагается, что клетки Мюллера являются системой связи для обмена метаболитами между сосудистой сетью и нейронами. Тесное приближение клеток Мюллера к сосудистой сети сетчатки обнаруживают не только на уровне крупных сосудов в слое ганглиозных клеток и нервных волокон, но и на уровне капилляров между внутренним ядерным и наружным плексиформным слоем. Трофическая способность мюллеровских клеток особенно необходима в бессосудистых наружных слоях, где отсутствует капиллярное кровоснабжение, и путь от глиальной клетки к нейрону осуществляется в основном клетками Мюллера.
Сетчатка является метаболически активной тканью, потребляющей большое количество энергии для осуществления процесса фототрансдукции, поддержания разнообразных ионных градиентов, синаптической активности. Потребности сетчатки в энергии в норме удовлетворяются потреблением глюкозы и кислорода из сосудистых систем хороидеи и сетчатки. Освобождаемая из капилляров глюкоза, достигает нейронов несколькими путями:
- один путь прямой, с передачей глюкозы непосредственно от капилляров нейронам;
- другой — через активное участие глиальных клеток Мюллера, своеобразного канала («акведука») для переноса глюкозы, или как мишени накопления, хранения и метаболизма глюкозы до ее передачи нейронам.
Клетки Мюллера могут потреблять глюкозу из крови и перераспределять ее нейронам без изменения. Возможно превращение глюкозы клетками Мюллера в метаболиты для дальнейшего использования нейронами, трансформация в гликоген с последующим превращением снова в глюкозу
Клетки Мюллера являются мощной защитой нейронов от токсических веществ, избыточного количества нейромедиаторов и продуктов обмена.
Функция коммуникатора: клетки Мюллера формируют щелевые контакты только с астроцитами, обеспечивая эффективное распространение сигнала. Отростки клеток Мюллера окружают тела нейронов, их плазмамембрана предохраняет электрическую целостность нервных клеток и передача электрического сигнала через химические или электрические синапсы не ослабляется.
Сложно переплетаясь, они полностью заполняют щели между нейронами сетчатки и служат для разделения их рецептивных поверхностей. Многочисленные длинные микроворсинки, идущие от наружных концов клеток Мюллера, спускаются ниже уровня синаптических комплексов и проходят во внутреннем ядерном слое. Микровиллы на апикальной поверхности клеток Мюллера выступают в субретинальное пространство между фоторецепторами.
Функция ангиогенеза: в процессе развития сетчатки происходит повышение активности обменных процессов в связи с потребностями созревающих и увеличивающихся в численности нейронов, что в свою очередь стимулирует образование новых кровеносных сосудов, с участием молодой мюллеровской глии. Показано, что фактор роста сосудистого эндотелия VEGF, и медиатор ангиогенеза SPARK синтезируются и освобождаются клетками Мюллера. Клетки Мюллера экспрессируют ренин и ангиотензин, которые, как полагают, в определенных условиях могут быть вовлечены в пролиферацию кровеносных сосудов. Возникновение абсолютной или относительной гипоксии индуцирует выделение нейронами неких «сигналов», которые стимулируют освобождение клетками Мюллера таких субстанций, как сосудистый эндотелиальный фактор роста и другие медиаторы ангиогенеза.
Функция детоксикации: сетчатка, особенно в темноте, образует значительное количество СO2, который, имея высокий коэффициент диффузии, легко растворим, поэтому большая его часть диффундирует в прилегающие сосуды сетчатки или хороидеи. Часть СO2 поступает в клетки Мюллера, где он превращается в бикарбонат (двууглекислую соль) под действием карбоангидразы. Клетки Мюллера имеют высокий уровень карбоангидразы, которая вовлечена в связывание СO2 и в поддержание нормального кислотно-основного баланса в сетчатке. Карбоангидраза катализирует превращение СO2 и воды до угольной кислоты, спонтанно диссоциирующей до НСO3′ и Н+ и, таким образом, способствует быстрому внутриклеточному накоплению ионов водорода и НСO3′ или их обмену при движении жидкостей и ионов через плазматическую мембрану.
Участие в зрительном цикле: витамин А (ретинол) и его метаболиты (ретиноиды), являются sine qua non для зрения всех позвоночных. Главный ретиноид зрительного цикла — хромофор зрительного пигмента родопсина 11-цис ретиналь (11-цис-изомер ретинальдегида).
Ретиноиды гидрофобны и потенциально токсичны для ретинальной ткани, поэтому почти не обнаруживаются в свободном виде, а ассоциированы со связывающими их белками. Связывающие белки для этих ретиноидов зрительного цикла были обнаружены в клетках Мюллера. Обнаружено, что они способны не только накапливать, но и синтезировать ретиноиды.
Источник
Последние двадцать лет в медицине мы наблюдаем настоящий бум клеточных технологий и тканевой инженерии. Эксперименты, описываемые учеными, уже давно напоминают фантастические романы: специалисты научились выращивать в культуре практически все виды клеток нашего тела, а восстановлению, хотя бы частичному, «подлежат» практически все внутренние органы — от сердца до печени, не говоря уже о «банальных» для трансплантологов ожогов или костного мозга.
Труднее с нервной системой — слишком уж тонко настроена нервная и глиальная сеть, и утерянные контакты уже не подлежат восстановлению. Что уж говорить о сетчатке глаза, устроенной не проще, чем кора головного мозга.
Судя по первым данным, полученным в лаборатории Тома Реха из Вашингтонского университета, со слепотой бороться можно:
ученым удалось стимулировать к размножению мюллеровские глиальные клетки сетчатки, способные превращаться и в другие нейроны этой оболочки глаза.
Все эти долгие годы ученым не давала покоя «несправедливость» природы, обделившей не только человека, но и всех млекопитающих. Холоднокровные позвоночные — рыбы и амфибии — могут восстанавливать все слои сетчатки при повреждении. Птицы сохранили эту способность в очень урезанном варианте, лишь изредка обновляя фоторецепторные клетки — палочки и колбочки, зато поддерживают постоянным состав многочисленных нервных и глиальных клеток сетчатки, обеспечивающих регулировку и проведение нервного импульса в головной мозг.
Зверям же совсем не повезло: максимум, что удавалось проделать ученым, — это размножение клеток сетчатки in vitro, то есть за пределами организма. Да и то подобные культуры очень «прихотливы» и нестабильны, а попытки пересадить живые клетки в глаз заканчивались неудачно.
Авторы публикации в Proceedings of the National Academy of Sciences обратили внимание на глиальные клетки Мюллера, считающиеся «поддерживающими» и изолирующими для нервных клеток. Их размножение заканчивается еще в детстве, и даже при повреждении сетчатки взрослого зверя в отличие от рыб и птиц клетки Мюллера делиться не начинают.
А вот у пернатых они не только делятся, но и становятся менее специализированными клетками-предшественниками, обладающими большим выбором путей развития.
Не удивительно, что именно на них и сосредоточились сразу несколько исследовательских групп, пытавшихся активировать клетки Мюллера в организме с помощью инъекций факторов роста и прочих сигнальных молекул. Но даже самые успешные эксперименты не показали появления новых нервных или тем более фоторецепторных клеток.
Вашингтонские специалисты решили эту проблему, предварительно удалив из мышиной сетчатки амакринные клетки – нейроны, отвечающие за электрическую связь. После чего ввели традиционный «коктейль» — смесь эпидермального фактора роста (EGF), фактора роста фибробластов I типа (FGF1) и инсулина. Эти препараты, как и следует из названия, способствуют делению клеток.
Через некоторое время в сетчатке мышей появились клетки-предшественники, а потом и амакринные клетки.
К сожалению, уже через неделю неспециализированные и обладающие большим потенциалом к делению и превращениям клетки исчезали, амакринные же клетки продержались месяц, так что долговременность эффекта пока под вопросом. Возможно, как и в опытах по восстановлению спинного мозга, это связано с необходимостью образования надежных межклеточных контактов. Да и сказать с уверенностью о появлении других типов клеток, в том числе и ключевых — фоторецепторов колбочек и палочек, пока нельзя.
Тем не менее Реху и коллегам удалось найти потенциальную мишень для восстановления сетчатки, так что в ближайшем будущем стоит ждать новых работ, а может быть, и «прозрения» лабораторных мышей.
Источник
Биолог Алексей Ердяков о стволовых клетках сетчатки, клетках Мюллера и способностях к регенерации сетчатки у разных организмов
Один из важных и интересных вопросов в области патофизиологии зрения — почему у некоторых животных способность к регенерации сетчатки после ее травмы сохранилась, а у человека такая способность отсутствует? Способность к регенерации сетчатки, то есть к ее полному функциональному восстановлению, давно изучается на различных видах животных, как-то: рыбки данио-рерио (zebrafish), шпорцевые лягушки и тритоны. После повреждения сетчатка у этих животных полностью восстанавливается и структурно, и функционально. А если у человека в сетчатке реализуется какой-то воспалительный процесс, он, как правило, заканчивается процессами глиоза, то есть пролиферации и фиброза глиальной ткани.
Если рассматривать в качестве иллюстрации конкретное заболевание, например пролиферативную витреоретинопатию, то конечные этапы воспалительной реакции у человека завершаются формированием соединительнотканного рубца над сетчаткой, вследствие чего она не может нормально функционировать. Соединительнотканный рубец содержит в своем составе сократительные элементы, клетки, миофибробласты, которые сокращаются, и сетчатка формирует складки и отслаивается еще больше, чем было до этого. Из-за этого человек теряет зрение. Поэтому интересно понимать, почему в результате эволюции у человека регенерация отсутствует и сетчатку невозможно функционально вернуть к работе, а у некоторых животных это по-прежнему существует.
Существуют различные клетки сетчатки, которые потенциально способны к дедифференциации и образованию уже функционирующих клеток, то есть нейронов, осуществляющих как первичное восприятие зрительной информации, так и первичную обработку на уровне сетчатки. Во-первых, существует цилиарная маргинальная зона, цилиарная краевая зона, которая содержит пул стволовых клеток сетчатки. Она имеется в наличии у рыбок данио-рерио, шпорцевых лягушек, тритонов. Это стволовые клетки, аналогичные нейральным стволовым клеткам, нейрональным стволовым клеткам. И из этих стволовых клеток возможно образование практически всех элементов сетчатки, которые присутствуют в целостной сетчатке с ее жесткой архитектоникой и четкой упорядоченностью. К сожалению, цилиарная маргинальная зона не выражена у млекопитающих, она практически отсутствует у человека, и ее невозможно использовать в качестве источника элементов сетчатки при ее регенерации.
Есть потенциально стволовые клетки сетчатки. Ими являются клетки пигментного эпителия сетчатки, которые прилегают к хориоидее — сосудистой оболочке. Это наружный слой сетчатки, который находится ближе к головному мозгу. Макроглиальные клетки — это клетки Мюллера. Они тоже являются потенциально стволовыми клетками сетчатки. У перечисленных организмов — рыб данио-рерио, шпорцевых лягушек, тритонов — именно эти клетки пигментного эпителия сетчатки и клетки Мюллера, а также клетки цилиарной маргинальной зоны выполняют функцию восстановления сетчатки при ее повреждении.
У одних организмов в процессе регенерации сетчатки в большей степени задействованы клетки пигментного эпителия сетчатки, у других организмов — клетки Мюллера, а у третьих — клетки цилиарной маргинальной зоны. Тем не менее сетчатка после травмы может полностью восстанавливаться. Если у рыбок данио-рерио удалить центральную часть сетчатки или даже половину, она полностью восстановится, в том числе и функционально. Это удивительная вещь, которая на человека не распространяется.
В последнее время тщательно изучался этот вопрос, и большое внимание в силу развития молекулярно-биологических методов уделяется различным транскрипционным факторам. Манипуляции осуществляются на уровне экспрессии генов, на уровне транскриптомики. Были выделены транскрипционные факторы, которые у животных, способных к регенерации сетчатки, функционируют полноценно, а у млекопитающих и человека находятся в молчащем состоянии.
Пристальное внимание последнее время уделяется таким загадочным клеткам сетчатки, как клетки Мюллера, которые пронизывают практически всю сетчатку насквозь. Они большие и выполняют много различных функций, важных для нормального функционирования сетчатки. Не очень очевидная сторона — это потенциальные стволовые клетки сетчатки, клетки Мюллера как потенциально стволовые клетки сетчатки.
Не так давно были опубликованы результаты экспериментов, проводимых на мышах. Существует особый пронейрональный транскрипционный фактор, который у мышей, млекопитающих и человека в норме находится в молчащем состоянии, то есть неактивен. А у рыбок данио-рерио он находится в активном состоянии, при повреждении сетчатки он позволяет клеткам Мюллера дедифференцироваться, давать практически все возможные типы нейронов сетчатки: фоторецепторы, биполярные клетки, амакриновые клетки, которые обрабатывают первичную зрительную информацию на уровне сетчатки.
Рекомендуем по этой теме:
Этот пронейрональный транскрипционный фактор в клетках Мюллера удалось активировать, когда у мышей искусственно травмировали сетчатку, вносили повреждения. Клетки Мюллера подвергались дедифференциации и формировали пулы функционально активных нейронов в сетчатке. К сожалению, не получилось до конца восстановить сетчатку, и клетки Мюллера давали исключительно биполярные клетки. Никакие другие типы нейронов в результате своей дедифференцировки они больше не давали.
Возникает вопрос: что еще может влиять на регенераторный потенциал сетчатки у млекопитающих? Дело не только в одном транскрипционном факторе, хотя эти регуляторные механизмы на уровне клеток сейчас активно изучаются и многие исследователи этим занимаются. Нельзя говорить о том, что речь может идти о каких-то отдельных, индивидуальных транскрипционных факторах. Сетчатка — это сложно устроенная ткань, речь идет о большом количестве различных регуляторных факторах как на клеточном уровне, так и на тканевом уровне. Это очень большая, сложная система. Изучать ее нужно комплексно, не заострять свое внимание только на генетическом аппарате клетки и ее транскрипционных факторах.
Но, как и бывает в биологии, сведения накапливаются постепенно, поэтому единая концепция может вызревать позднее. Через 10–15 лет мы больше узнаем о факторах транскрипционных и о макрофакторах, которые регулируют воспалительные процессы уже на уровне ткани. Поймем, как это все совместно работает и как нам сделать так, чтобы заставить клетки Мюллера у человека регенерировать.
Почему в процессе эволюции так произошло, что некоторые организмы сохранили способность к регенерации сетчатки, а некоторые организмы утратили ее? В настоящее время рассматривают концепцию, заключающуюся в том, что существует два подхода к восстановлению сетчатки. Первая концепция — регенераторная, когда сетчатка полностью функционально восстанавливается из стволовых клеток и из аналогов стволовых клеток сетчатки. Это еще называется непролиферативный глиоз, то есть глиальные клетки, к которым клетки Мюллера тоже относятся, активируются на фоне развития местной воспалительной реакции. Но эта активация глиальных клеток приводит к дедифференциации клеток Мюллера и к тому, что сетчатка из этих клеток Мюллера может восстанавливаться.
А у человека и млекопитающих эволюция пошла по другому пути, и реализуется стратегия нейропротекции. Она хороша на коротких сроках, то есть тактически это хорошая стратегия, а вот стратегически — неудачная. Эта стратегия называется пролиферативным глиозом. С ее помощью реализуется замещение функциональных нейронов, которые осуществляют обработку зрительной информации в сетчатке, глиальной тканью — это и называется глиозом. То есть глия пролиферирует, и формируется глиозный рубец, который замещает область погибших нейронов. Эта стратегия реализуется не только для сетчатки, но для всей нервной ткани и головного мозга в том числе.
Помимо глиоза, над сетчаткой, под сетчаткой или внутри сетчатки образуются фиброзно-клеточные мембраны. Замещение происходит не только глиальными клетками, но и соединительной тканью. Если рассматривать регуляторные процессы, вырабатывается большое количество нейротрофических факторов. Это, например, мозговой нейротрофический фактор BDNF, фактор роста нервов NGF. Это различные нейротрофины — третий и четвертый. Благодаря воздействию нейротрофических факторов наши нейроны какое-то время могут просуществовать как можно дольше. Они обеспечивают сохранность нейронов на коротком промежутке времени. Однако в дальнейшем все заканчивается развитием тотального глиоза — замещением глиальными клетками и формированием соединительнотканных мембран. Такая стратегия реализуется у человека.
В дальнейшем понимание этих процессов и выстраивание более полноценной патофизиологической концепции того, что происходит на фоне развития внутриглазного воспаления, при травмах сетчатки и сопоставление этих данных с тем, что происходит у классических организмов, на которых изучают регенераторные возможности сетчатки, позволит прийти к тому, чтобы заставить наши потенциально стволовые клетки сетчатки регенерировать, а из них сетчатка восстанавливалась бы не только структурно, но и функционально.
Источник
