Журнал «Боль. Суставы. Позвоночник» 4 (04) 2011

В биологии понятие «адгезия» включает в себя способность клеток формировать определенные типы гистологических структур, прикрепляться к субстратам, в том числе и синтетическим, которые используются в качестве заместительных материалов в хирургии. Специфичность клеточной и межклеточной адгезии определяется экспонированием на наружной поверхности клеток и присутствием в матриксе определенной комбинации и концентрации молекул рецепторов, в качестве которых выступаю  т различные белковые молекулы. У внутренней поверхности плазматической мембраны рецепторы адгезии взаимодействуют с целым комплексом примембранных белков, которые служат для регулирования их функций, связи с цитоскелетом, а также для транс­дукции сигналов с клеточной поверхности. Способность клеток к специфическому взаимному узнаванию и адгезии важна для эмбрионального развития, а у взрослого человека адгезивные взаимодействия «клетка — клетка» и «клетка — матрикс» существенны для поддержания стабильности тканей и их функционирования.

Молекулы адгезии к внеклеточному матриксу и молекулы межклеточной адгезии разделяются на следующие группы: интегрины, кадгерины, иммуноглобулины и селектины, а также протеогликаны и гликопротеины. Благодаря присутствию этих молекул клетки способны избирательно связываться с другими клетками и с внеклеточным матриксом.

Молекулы адгезии

В многочисленном семействе рецепторов клеточной адгезии наиболее изучены интегрины, селектины, кадгерины и иммуноглобулины.

Интегрины. Идентифицировано около 20 разных членов семейства рецепторов-интегринов в разных типах клеток. Интегрины представляют собой поверхностные гетеродимерные белки, которые обеспечивают адгезию клеток к компонентам внеклеточного матрикса и к другим клеткам. Индивидуальные интегрины строго специфичны. Центр связывания интегринов образован внеклеточными доменами a- и b-субъединиц [1]. Интегрины функционируют в качестве как клеточно-субстратных, так и межклеточных адгезивных рецепторов, то есть они узнают и связывают молекулы межклеточного матрикса, имеющие определенную аминокислотную последовательность, такую как Арг-Гли-Асп, присутствующую в коллагене I типа, фибронектине, фибриногене, ламинине и др.; также, являясь трансмембранными белками, они взаимодействуют и с белками цитоскелета клетки. Передача информации может идти в направлении от внутриклеточных белков через рецептор во внеклеточный матрикс, а также из внеклеточной среды в клетку, определяя таким образом направленность ее дифференцировки, форму, митотическую активность, а также способность к движению. Исследования рецепторов интегринов важны для изучения взаимодействия клетки с коллагенами и фибронектином.

Таким образом, клеточно-матриксные взаимодействия интегринов модулируют широкий спектр поведения клеток за счет лиганд-рецепторного взаимодействия, вызывая специфический ответ клетки.

Кадгерины — семейство трансмембранных Са2+-зависимых гликопротеинов, участвующих в межклеточной адгезии [2]. Эти молекулы состоят из 723–748 аминокислотных остатков, являются важной составной частью адгезивных контактов, ответственны за организацию цитоскелета клетки. Кадгерины появляются в основном при межклеточной адгезии на стадиях морфо- и органогенеза. Они обеспечивают структурную целостность тканей (особенно эпителиального монослоя).

Селектины — семейство адгезивных гликопротеидов, которые имеют три характерные черты: вариабельное число (от 2 до 9) повторов комплемент-регуляторных белков, домен эпидермального фактора роста (EGF) и N-кон­цевой лектиновый домен [2]. Физиологическая роль селектинов зависит от особенностей их организации. Хорошо изучены селектины L, P и E, а также гликопротеиновый лиганд-1 Р-селектина [1].

Иммуноглобулины. К суперсемейству иммуноглобулинов принадлежит ряд молекул адгезии эндотелиальных клеток, в том числе молекулы межклеточной адгезии, обозначаемые как ICAM-1, -2, -3, VCAM-1. На эндотелиальных клетках они являются поверхностными лигандами для интегринов LFA-1 и VLA-4. VCAM-1 играет важную роль в адгезии лимфоцитов. Высокий уровень экспрессии ICAM-2 имеет место на покоящихся эндотелиальных клетках.

Адгезивные рецепторы суперсемейства иммуноглобулинов участвуют в межклеточной адгезии, которая особенно важна в эмбриогенезе, заживлении ран и при иммунном ответе.

Фокальные комплексы адгезии

Клетки прикрепляются к поверхности только в отдельных локусах, так называемых точках фокальной адгезии. Фокальные комплексы адгезии индивидуальны для различных типов клеток. В среднем расстояние от клеток до субстрата в фокальных контактах составляет 10–15 микрон. Идентифицировано более 50 белков, принимающих участие в процессах адгезии клеток к матриксу [3].

Адгезия клеток тесно связана с функционированием аппарата движения клеток — микрофибриллами и микротрубочками, в которых формируются фокальные комплексы. Классы адгезивных структур зависят от натяжения и активности разных членов семейства генов. В качестве примера: гены Rho активны для актинового цитоскелета, а гены Rac1 и RhoA — для цитоскелета микротрубочек, что необходимо для поляризации и движения, гены Rac1 и Cdc42 — для формирования фокальных комплексов [4]. Цитоскелет в адгезивных взаимодействиях, вероятно, принимает участие в стабилизации молекул клеточной адгезии, что облегчает многоточечное связывание, а также придает прикрепляющейся клетке способность оказывать адгезию по отношению к соседней клетке или внеклеточному матриксу (и наоборот). От набора специфических типов молекул клеточной адгезии, присутствующих на поверхности двух соседних клеток, их распределения на ней, а также от их концентрации, связи с цитоскелетом зависит итоговая аффинность, при которой две соседние клетки связываются друг с другом или с внеклеточным матриксом [5].

В целом формирование фокальных комплексов адгезии — это скоординированная работа различных генов, экспрессирующих белки адгезии. Усиление связывания, осуществляемого молекулами клеточной адгезии, достигается за счет одновременного функционирования множества рецепторов с большим количеством лигандов на поверхности соседней клетки или в прилегающем матриксе. Адгезия двух типов клеток может модифицироваться в результате повышения количества адгезивных молекул на плазматической мембране либо при изменении их аффинности. Это может происходить двумя путями — за счет внутриклеточных везикул, способных активизироваться и через несколько минут устремляться к плазматической мембране, либо путем биосинтеза молекул и переноса их к мембране, что занимает несколько часов.

В классе молекул адгезии клетки с межклеточным веществом наиболее изучен ламинин — гетеротримерный протеин, состоящий из трех полипептидных цепей — a, b и g. На сегодня для позвоночных описано 5 различных a-цепочек (a1–a5), 3 различных b-цепочки (b1–b3) и g-цепочки (g1–g3). Комбинация этих цепочек формирует около 15 изоформ ламинина с профилем экспрессии, значительно отличающимся в различных тканях и на этапах развития [6]. Ламинины регулируют множество биологических функций, включая клеточную адгезию, движение клеток, пролиферацию, дифференциацию и продолжительность существования. Взаимодействие клеток с ламинином матрикса обеспечивается различными рецепторами, расположенными на поверхности клетки, включая интегрины a3b1, a6b1, a6b4 и a7b1.

Ламинины выявляются в различных клетках и тканях, в том числе в кости и межпозвоночном диске.

С нарушением способности клеток к прикреплению и избирательности адгезии связан широкий спектр патологических состояний: нейромышечных и неврологических расстройств, хронических воспалений, дегенеративных заболеваний, а также опухолевой инвазии и метастазирования.

Межпозвоночный диск и адгезия клеток

Mежпозвоночный диск человека является динамичной структурой, которая претерпевает существенное изменение в макромолекулярной организации матрикса, составе и популяции клеток в процессе роста, старения и дегенерации. Межпозвоночный диск состоит из двух различных тканей — студенистого ядра и фиброзного кольца. Фиброзное кольцо представлено пластинами упорядоченно расположенных коллагеновых волокон, состоящих из коллагенов I и II типов [7]. Клетки фиброзного кольца (фиброхондроциты) ориентированы параллельно основному направлению волокон коллагена в пластинках и формируют длинные отростки, что помогает адгезии с межклеточным матриксом [8, 9]. Клетки внутреннего отдела фиброзного кольца и студенистого ядра имеют округлую форму, формируют перицеллюлярный матрикс, состоящий из фибронектина, коллагенов VI и II типов, а также протеогликанов. В студенистом ядре содержится большое количество беспорядочно расположенных волокон коллагена II типа и высокая концентрация протеогликанов.

Наиболее выраженные изменения в межпозвоночном диске происходят в центральном отделе студенистого ядра. При этом гелеобразная ткань теряет свою структурную организацию за счет снижения содержания протеогликанов и воды, нарушения адгезии клеток, что сопровождается дегенерацией структуры фиброзного кольца и студенистого ядра.

Клетки студенистого ядра синтезируют растворимые факторы, стимулирующие биосинтез и пролиферацию клеток в фиброзном кольце [10, 11].

Ламинины, располагаясь в матриксе, путем адгезии с клетками диска поддерживают их жизнеспособность и способствуют сохранению их фенотипа. Ламинин-клеточное взаимодействие является важной и уникальной составляющей для функционирования межпозвоночного диска.

Специфические изоформы ламининов и рецепторов были идентифицированы в различных областях межпозвоночного диска, но наиболее детально изучены в студенистом ядре.

В незрелом студенистом ядре и изолированных клетках методами иммуногистохимии была идентифицирована изоформа ламинина 111, адгезирующая длинные нотохордальные клетки с помощью изоформ ламинина 511 и рецепторов интегринов (a6 и 4b, CD239) [12–14]. Также выявлен высокий уровень экспрессии цепочки g1-ламинина в незрелых клетках студенистого ядра, параллельно с экспрессией  a6-субъединицы интегрина, и показано, что клетки студенистого ядра соединяются с ламинином 111 через интегрин-проводящий путь, который характерен только для этих клеток, в отличие от клеток смежного фиброзного кольца [13]. Выявлена адгезия клеток зрелого студенистого ядра с коллагеном II типа и с фибронектином межклеточного матрикса при участии изоформ ламинина 511 и 332. При этом адгезивная способность этих макромолекул была значительно больше по сравнению с ламинином 111. Однако изоформы ламинина специфичны для незрелой и зрелой ткани студенистого ядра, связанных с ней рецепторов и их функциональное значение остается недостаточно изученным.

Значительные различия изоформ ламинина наблюдались между клетками студенистого ядра и фиброзного кольца, в том числе имели место различия в экспрессии a6-интегрина, субъединиц b3 b4 b6 клеточной адгезии. Содержание ламининов выше в студенистом ядре по сравнению с фиброзным кольцом [15].

Адгезивные качества в диске могут зависеть от особенностей организации аггрекана. Межпозвоночный диск — это бессосудистая ткань. В качестве субстрата, ингибирующего прорастание сосудов в диск и их адгезию, выступает аггрекан, в частности соотношение в нем цепей гликозаминогликанов (хондроитинсульфаты и кератансульфаты) [16]. Выявлено, что аггреканы, присутствующие в фиброзном кольце, обладают более выраженным ингибирующим действием на адгезию эндотелиальных клеток по сравнению с клетками пульпозного ядра [17].

Имеются единичные исследования, в которых была изучена экспрессия субъединиц интегринов, коллагена и фибронектина в дисках с грыжами [18]. С помощью полимеразной цепной реакции и иммунопреципитации были оценены a1-, a2-, a5-, av-, b1- и b3-субъединицы интегрина, измерен уровень и-РНК, экспрессирумой для коллагенов I и II типов, а также для фибронектина. Экспрессия субъединиц a5 и b1 была увеличена в межпозвоночных дисках с протрузией и особенно в дисках с экструзией. Различий в экспрессии a1, a2, av и b3 в нормальных и дегенеративных дисках не выявлено. Фибронектин, связывающий интегриновые рецепторы a5 и b1, был повышен. В дисках с грыжеобразованием было также повышено содержание коллагена I типа, а коллагена II типа — снижено. Эти результаты можно объяснить нарушением адгезии между клетками и матриксом при дегенерации.

Еще одним вопросом, нуждающимся в изучении, является исследование адгезивных возможностей био­материалов. Перспективным может быть насыщение поверхности биоматериалов адгезивными молекулами для лучшего контакта имплантата с тканью реципиента [19].

Таким образом, одно из актуальных направлений в изучении клеточно-матриксных взаимодействий — это исследование молекул адгезии, вносящих определенный вклад в двигательные функции клетки в норме и патологии, влияющих на ее пролиферацию и метаболизм, формирование и поддержание жизнеспособности клеток и тканей.