Гистогенез и механизмы регенерации мышечной ткани человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГИСТОГЕНЕЗ И МЕХАНИЗМЫ РЕГЕНЕРАЦИИ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ ЧЕЛОВЕКА

Дужар В.М., Радченко В.В., Сирман В.М., Гоженко А.И.

ООО “КРС -- медицинские технологии11, Киев, Украина

Украинский НИИ медицины транспорта МЗ Украины, Одесса, Украина

Summary/Резюме

HISTOGENESIS AND MECHANISMS OF HUMAN MUSCLE TISSUE REGENERATION

Duzhar V.M., Radchenko V.V., Sirman V.M., Gozhenko A.I.

OOO “KRS - Medical Technologies”, Kiev, Ukraine Ukrainian Research Institute of Transport Medicine, Ministry of Health of Ukraine, Odessa, Ukraine

The review considers the role of stem cells in the regeneration of human muscle tissue and their classification. The sources of development of all types of muscles during embryogenesis, as well as the mechanisms of their regeneration in different types of muscle damage, are described. The main elements of the microenvironment, which play a major role in the processes of muscle tissue regeneration, are presented.

Key words: muscle tissue precursors, myosatellocytes, stem cells, muscle tissue histogenesis, myoblasts.

В обзоре рассмотрена роль стволовых клеток в регенерации мышечной ткани человека, их классификация. Описаны источники развития всех видов мышц в период эмбриогенеза, а также механизмы их регенерации при разных типах мышечных повреждений. Представлены основные элементы микроокружения, которые играют главную роль при процессах регенерации мышечной ткани.

Ключевые слова: предшественники мышечной ткани, миосателлиоциты, стволовые клетки, гистогенез мышечной ткани, миобласты.

ГІСТОГЕНЕЗ І МЕХАНІЗМИ РЕГЕНЕРАЦІЇ М'ЯЗОВОЇ ТКАНИНИ ЛЮДИНИ

Дужар В.М., Радченко В.В., Сірман В.М., Гоженко А.І.

ТОВ “КРС - медичні технології”, Київ, Україна

Украінскій НДІ медицини транспорту МОЗ України, Одеса, Україна

В огляді розглянуто роль стовбурових клітин в регенерації м'язової тканини людини, їх класифікація. Описано джерела розвитку всіх видів м'язів в період ембріогенезу, а також механізми їх регенерації при різних типах м'язових пошкоджень. Представлені основні елементи мікрооточення, які грають головну роль при процесах регенерації м'язової тканини.

Ключові слова: попередники м'язової тканини, міосателліоціти, стовбурові клітини, гістогенез м'язової тканини, міобласти.

Мышечные ткани составляют примерно 35 % массы тела и играют одну из ключевых ролей в обеспечении жизнедеятельности организма [1]. Благодаря способности к сокращению, они обеспечивают перемещение тела в пространстве, двигательную активность внутренних органов, участвуют в процессах терморегуляции [2]. Также, не будет преувеличением сказать, что во многом, именно благодаря мышечной ткани, человек передаёт в окружающий мир плоды своей творческой и интеллектуальной работы -- при помощи письма, речи, жестов, мимики.

Сокращение мышц осуществляется благодаря взаимодействию двух основных фибриллярных белков (актина и миозина) с вовлечением ионов кальция [3]. Эти белки образуют тонкие и толстые миофиламенты в составе миофибрилл. Энергоснабжение сократительных процессов обеспечивают, расположенные вдоль миофибрилл, митохондрии [4]. При этом, запас источников энергии образуют липиды и гликоген. Также, важную роль в энергетике мышечной ткани играет миоглобин [5]. Этот белок связывает кислород, благодаря чему обеспечивается его запас на момент сокращения, когда из-за сдавливания кровеносных сосудов поступление кислорода резко падает.

На основании морфо-функционального и гистогенетического подходов, для мышечных тканей было предложено два варианта классификации. В соответствии с морфо-функциональным подходом, учитывая различия в структуре систем сокращения различают поперечнополосатые мышечные ткани [6] и гладкие мышечные ткани [7].

В поперечнополосатых мышечных тканях, особое взаимное расположение актиновых и миозиновых филаментов создаёт картину регулярно чередующихся поперечных светлых и темных полос, которые можно увидеть при помощи светового микроскопа [8]. К поперечнополосатым мышечным тканям относится скелетная мускулатура, обеспечивающая произвольные движения и сердечная мышечная ткань.

Гладкие мышечные ткани [9] из-за не регулярного расположения актиновых и миозиновых нитей не имеют поперечной исчерченности и, при специальных окрасках представлены нитями, равномерно окрашенными по всей длине. Гладкомышечные клетки имеют веретеновидную форму и, соединяясь при помощи особого типа межклеточных контактов между собой, образуют сеть с вплетенными в нее коллагеновый волокнами. При этом, гладкие мышцы особенно хорошо приспособлены для длительных устойчивых сокращений, не приводящих к утомлению и значительным энергозатратам.

Согласно гистогенетическому принципу классификации, мышечные ткани подразделяются на 5 типов в соответсвии с источниками их развития (т.е. эмбриональных зачатков):

¦ мезенхимные -- из десмального зачатка в составе мезенхимы

¦ эпидермальные -- из кожной эктодермы и из прехордальной пластинки

¦ нейральные -- из нервной трубки

¦ целомические -- из миоэпикарди- альной пластинки висцерального листка сомита

¦ соматические -- миотомные.

Целломические и соматические мышечные ткани относятся к поперечнополосатым, а мезенхимные, эпидермальные и нейральные -- к гладким мышечным тканям.

Предшественники мышечной ткани мезенхимного происхождения мигрируют в мезенхиму к местам закладки органов. В процессе дифференциации синтезируют также компоненты матрикса и коллагена базальной мембраны и эластина, а после завершения дифференциации, такая синтетическая активность у этих клеток снижается, хотя и полностью не исчезает. В цитоплазме этих клеток веретеновидной формы филаменты актина формируют трехмерную, продольно вытянутую сеть, а специальные сшивающие белки обеспечивают фиксацию концов филаментов к плазмолемме. Мономеры миозина располагаются рядом с филаментами актина. Гладкомышечная ткань мезенхимного происхождения в основном представлена в стенках кровеносных сосудов и ряда внутренних органов[10].

Из эпидермального зачатка развиваются миоэпителиальные клетки, которые встречаются в экзокринных железах [11]. Миоэпителиальные клетки находятся в прямом контакте с собственно эпителиальными клетками и имеют общую с ними базальную мембрану. Как правило, миоэпителиальные клетки имеют звездчатую форму. При этом, их отростки охватывают концевые отделы и мелкие протоки желез, а сократительный аппарат подобен клеткам мышечной ткани мезенхимного типа.

Из клеток нейрального зачатка в составе внутренней стенки глазного бокала развиваются мышечные клетки (миоциты) нейрального происхождения. Тела этих клеток располагаются в эпителии задней поверхности радужки, а отросток направляется в толщу радужки и ложится параллельно ее поверхности. В зависимости от направления отростков, миоциты нейрального происхождения формируют две мышцы: расширяющую и суживающую зрачок [12].

Сердечная поперечнополосатая мышечная ткань развивается из участков висцерального листка спланхнотома в шейной части зародыша[13]. В ходе дифференциации формируется 5 видов кардиомиоцитов: сократительные, пейсмейкерные, переходные, проводящие и секреторные.

Источником развития скелетной поперечнополосатой мышечной ткани являются клетки миотомов, которые получили название миобластов. Миобласты мигрируют из миотомов в мезенхиму. В дальнейшем их дифференциация осуществляется в местах закладки скелетных мышц тела. При этом формируются две клеточные популяции. Одни клетки, сливаясь образуют удлиненные симпласты, в которых формируются специальные сократительные органеллы -- миофибриллы. В ходе формирования внутренней структуры этого типа мышечной ткани ядра смещаются к периферии, а клеточные центры и микротрубочки исчезают. Клетки другой линии трансформируются в миосателлитоциты, которые располагаются на поверхности миосимпластов. Ми- осателлитоциты формируются из мультипотентных мезодермальных клеток эмбрионального дерматомиотома [14]. Однако, некоторая часть миосателлитоцитов может формироваться из клеток, ассоциированных с эмбриональными сосудами и сосудами взрослого организма. Ввиду того, что ядра миосимпластов не делятся, поскольку у них отсутствуют клеточные центры, именно миосателлитоциты выполняют функцию стволовых клеток мышечной ткани и осуществляют ее регенерацию в случае повреждения [15].

Миосателлитоциты были впервые описаны в 1961 году, но понадобилось значительное количество исследований чтобы идентифицировать их в качестве стволовых клеток[16]. В скелетной мышечной ткани примерно 2-7 % ядер, ассоциированных с конкретным мышечным волокном представлены миосателлитоцитами или проще говоря -- стволовыми клетками мышечной ткани. В обычных условиях эти клетки не делятся и активируются при поражении мышечной ткани[17]. В их активации определенную роль играют FGF-6, BMP, NO[18, 19]. При этом их деление является ассиметричным -- одна из дочерних клеток сохраняет свойства стволовой клетки для поддержания стволовых резервов мышечной ткани в необходимом количестве, а другая дочерняя клетка, через ряд переходных этапов дифференцируется в специализированную мышечную ткань [20].

При поражении мышечной ткани поврежденный конец миосимпласта утолщается образуя так называемую “мышечную почку”. Стволовые клетки мышечной ткани, расположенные рядом с областью повреждения, начинают делиться, после чего, часть их дочерних клеток мигрирует к мышечной почке и встраивается в нее, а другие дочерние клетки миосателлитоцитов сливаются друг с другом и формируют новые мышечные волокна. Маркер CD34 у стволовых клеток мышечной ткани человека отсутствует, а характерным для них является CD56 (neuralcelladhe sionmolecule), который, однако, может также встречаться и у лимфоцитов, мигрирующих в область повреждения [21]. Важно подчеркнуть, что для эффективной регенерации необходима согласованная работа как миосателлитоцитов так и других клеток, которые в условиях повреждения формируют их микроокружение.

В интерстициальном пространстве между мышечными волокнами были выявлены мезенхимальные прогениторные клетки [22]. В случае повреждения мышечной ткани эти клетки также активируются и начинают делиться. После повреждения их количество достигает пика на третий день. Вслед за этим, численность этих клеток снижается, приближаясь к исходному уровню на седьмой день. Исследования показали, что в процессе ответа на повреждение мышечной ткани эти клетки играют определенную роль в регуляции активности миосателлитоцитов [23]. В то же время, при нарушении процессов регенерации, возможно, избыточная активность интерстициальных мезенхимальных прогениторных клеток приводит к формированию выраженных фиброзных изменений мышечной ткани [24].

При повреждении мышечного волокна, в области травмы оно разрушается и его фрагменты фагоцитируются макрофагами. Было отмечено, что макрофаги, присутствующие в области повреждения мышечной ткани, предотвращают избыточную пролиферацию интерстициальных мезенхимальных прогениторных клеток путем индукции апоптоза при помощи TNF-б [25]. Традиционно макрофаги рассматриваются в контексте воспалительных реакций. Однако, было установлено, что эти клетки способны переключаться между провоспалительной формой активности(М1) и регенераторной (М2) [26,27]. М1 макрофаги продуцируют IFNnIGF-1, IL-6, ^-1в, TNF6. Благодаря своей секреторной активности макрофаги М1 стимулируют пролиферацию стволовых клеток мышечной ткани и, при этом, задерживают их дифференциацию и слияние [28,29]. Вслед за первой волной воспалительных реакций в которых макрофаги играют важную роль, под воздействием IL-10 [27] происходит переключение формы активности этих клеток на регенераторную (М2). В этом состоянии макрофаги секретируют TGBв, который стимулирует продукцию компонентов межклеточного матрикса мезенхимальными прогениторными клетками. Также, М2 макрофаги поддерживают миогенную дифференциацию стволовых клеток мышечной ткани, секретируют GDF3, TGFв[30].

Другим типом клеток иммунной системы, которые играют важную роль в процессах регенерации, является разновидность Tлимфоцитов, получившая название Tregs[31,32]. В привлечении Tregsв область поражения, важную роль играют мезенхимальные прогениторные клетки. Как было отмечено выше, количество этих клеток достигает пика к третьему дню после поражения мышечной ткани. При этом они продуцируют IL-33 который является фактором, способствующим миграции Tregs [33] и, на четвёртый день, отмечается накопление этих клеток в ткани. Tregs лимфоциты продуцируют фактор роста Areg способствующий выживанию и дифференциации стволовых клеток мышечной ткани, которые экспрессируют рецептор к Areg.

Важным фактором успешной регенерации мышечной ткани является ангиогенез. Помимо улучшения кровоснабжения мышечной ткани, вещества продуцируемые эндотелиальными клетками (такие как Ang-1, IGF-1, HGF, VEGF) могут оказывать влияние на миосателлитоциты [34].

Фибробласты также играют в регенерации мышечной ткани определенную роль. В invitro экспериментах было показано что эти клетки способствуют слиянию миобластов и таким образом, оказывают влияние на процессы дифференциации стволовых клеток в функционально активную мышечную ткань [35].

Заключение

стволовой клетка мышца эмбриогенез

Следовательно, мышечная система представлена разнообразными клеточными элементами, обеспечивающими выполнение целого ряда специализированных функций. При этом, она обладает значительными ростовыми резервами. В условиях нормы, стволовые клетки мышечной ткани находятся в «спящем состоянии», однако при повреждении они активируются и обеспечивают восстановление после повреждений. Способность миосателлитоцитов восстанавливать функциональную активность мышечной ткани открывает важные перспективы для регенеративного подхода к лечению мышечных повреждений и, также к лечению наследственных мышечных дистрофий путем использования аллогенных стволовых клеток мышечной ткани с нормальным генотипом. В то же время, для эффективной регенерации мышечной ткани также требуется согласованная работа комплекса различных других типов клеток, которые составляют микроокружение миосателлитоцитов. При этом, интересным является тот факт, что в отличие от традиционного состава микроокружения стволовых клеток с постоянной пролиферативной активностью, в состав микроокружения активно делящихся миосателлитоцитов входят активированные клетки иммунной системы, которые на разных этапах реакции на повреждения оказывают различное влияние на активность стволовых клеток мышечной ткани. Если в ходе ранней реакции на повреждение иммунные клетки активно вовлечены в процесс развития воспалительных реакций, то на последующих этапах ответа на повреждение их деятельность приобретает характер саногенеза, перестраиваясь на поддержание регенеративных функций стволовых клеток мышечной ткани [36].

Литература/References

1. Frontera, W.R. &Ochala, J. Calcif. Skeletal Muscle: A Brief Review of Structure and Function. Tissue Int (2015) 96: 183

2. Pant M, Bal NC, Periasamy M. Sarcolipin: A Key Thermogenic and Metabolic Regulator in Skeletal Muscle. Trends Endocrinol Metab. 2016 Dec; 27 (12): 881-892

3. Calden/n, J.C., Bola^s, P & Caputo, C. The excitation-contraction coupling mechanism in skeletal muscle. Biophys Rev (2014) 6: 133.

4. Russell AP, Foletta VC, Snow RJ, Wadley GD. Skeletal muscle mitochondria: a major player in exercise, health and disease. Biochim Biophys Acta 2014 Apr; 1840 (4): 1276-84

5. Ulrike B., Hendgen-Cotta, Malte Kelm, Tienush Rassa Myoglobin functions in the heart. Free Radical Biology and Medicine Volume 73, August 2014, Pages 252-259

6. Tu MK, Levin JB, Hamilton AM, Borodinsky LN. Calcium signaling in skeletal muscle development, maintenance and regeneration. Cell Calcium. 2016 Mar; 59 (2-3): 91-7

7. Jianhe Huang, Tao Wang, Alexander C. Wright, Jifu Yang, Su Zhou, Li Li, Jisheng Yang, Aeron Small, and Michael S. Parmacek. Myocardin is required for maintenance of vascular and visceral smooth muscle homeostasis during postnatal development. PNAS April 7, 2015 112 (14) 4447-4452

8. Rassier DE. Sarcomere mechanics in striated muscles: from molecules to sarcomeres to cells. Am J Physiol Cell Physiol. 2017 Aug 1; 313 (2): C134-C145.

9. Chang AN, Gao N, Liu Z, Huang J, Nairn AC, Kamm KE, Stull JT. The dominant protein phosphatase PP1c isoform in smooth muscle cells, PP1cb, is essential for smooth muscle contraction. J Biol Chem. 2018 Oct 26; 293 (43): 16677-16686

10. Majesky MW. Vascular Smooth Muscle Cells.Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2016 Oct; 36 (10): e82-6

11. Tata A, Kobayashi Y Chow RD, Tran J, Desai A, Massri AJ, McCord TJ, Gunn MD, Tata PR. Myoepithelial Cells of Submucosal Glands Can Function as Reserve Stem Cells to Regenerate Airways after Injury. Cell Stem Cell. 2018 May 3; 22 (5): 668-683.e6

12. Wang Q, Yue WWS, Jiang Z, Xue T, Kang SH, Bergles DE, Mikoshiba K, Offermanns S, Yau KW. Synergistic Signaling by Light and Acetylcholine in Mouse Iris Sphincter Muscle. Curr Biol. 2017 Jun 19; 27 (12): 1791- 1800.e5

13. David Sedmera, Tim McQuinn. Embryogenesis of the Heart Muscle. Heart Failure Clinics Volume 4, Issue 3, July 2008, pages 235-245

14. Lepper, C., and Fan, C.-M. (2010). Inducible lineage tracing of Pax7-descen- dant cells reveals embryonic origin of adult satellite cells. Genesis 48, 424-436

15. Dumont NA, Bentzinger CF, Sincennes MC, Rudnicki MA Satellite Cells and Skeletal Muscle Regeneration. Compr Physiol. 2015 Jul 1; 5 (3): 1027-59

16. Mauro, A (1961). Satellite cell of skeletal muscle fibers. J. Biophys. Biochem. Cytol. 9, 493-495

17. Chakkalakal, J.V., Jones, K.M., Basson, M.A, and Brack, AS. (2012). The aged niche disrupts muscle stem cell quiescence. Nature 490, 355-360

18. Frank, NY Kho, AT, Schatton, T, Murphy, GF, Molloy, MJ, Zhan, Q et al. (2006). Regulation of myogenic progenitor proliferation in human skeletal muscle by BMP 4 and its antagonist gremlin. J Cell Biol 175: 99-110

19. Kumar N, Shaw P, Uhm HS, Choi EH, Attri P. Influence of Nitric Oxide generated through microwave plasma on L6 skeletal muscle cell myogenesis via oxidative signaling pathways. Sci Rep. 2017 Apr 3; 7 (1): 542

20. Motohashi, N., and Asakura, A (2014). Muscle satellite cell heterogeneity and selfrenewal. Front. Cell Dev. Biol. 2,1

21. Thornell, LE, Lindstrom, M, Renault, V, Mouly, V and Butler-Browne, GS (2003). Satellite cells and training in the elderly. Scand J Med Sci Sports 13: 48-55

22. Uezumi, A, Fukada, S.-I., Yamamoto, N., Takeda, S., and Tsuchida, K. (2010). Mesenchymal progenitors distinct from satellite cells contribute to ectopic fat cell formation in skeletal muscle. Nat. Cell Biol. 12, 143-152

23. Joe, A.W.B., Yi, L., Natarajan, A, Le Grand, F., So, L., Wang, J., Rudnicki, M.A, and Rossi, F.M.V. (2010). Muscle injury activates resident fibro/adipogenic progenitors that facilitate myogenesis. Nat. Cell Biol. 12, 153163.

24. Uezumi, A, Ito, T, Morikawa, D., Shimizu, N., Yoneda, T., Segawa, M., Yamaguchi, M., Ogawa, R., Matev, M.M., Miyagoe-Suzuki, Y, et al. (2011). Fibrosis and adipogenesis originate from a common mesenchymal progenitor in skeletal muscle. J. Cell Sci. 124, 3654-3664.

25. Lemos, D.R., Babaeijandaghi, F, Low, M., Chang, C.K., Lee, S.T., Fiore, D., Zhang, R.H., Natarajan, A, Nedospasov, S.A, and Rossi, F.M.V. (2015). Nilotinib reduces muscle fibrosis in chronic muscle injury by promoting TNF-mediated apoptosis of fibro/adipogenic progenitors. Nat. Med. 21, 786-794

26. Novak, M.L., and Koh, T.J. (2013). Macrophage phenotypes during tissue repair. J.Leukoc. Biol. 93, 875-881

27. Deng, B., Wehling-Henricks, M., Villalta, S.A, Wang, Y., and Tidball, J.G. (2012). IL-10 triggers changes in macrophage phenotype that promote muscle growth and regeneration. J. Immunol. 189, 3669-3680

28. Saclier, M., Cuvellier, S., Magnan, M., Mounier, R., and Chazaud, B. (2013a). Monocyte/macrophage interactions with myogenic precursor cells during skeletal muscle regeneration. FEBS J. 280, 4118-- 4130

29. Tidball, J.G., and Villalta, S.A (2010). Regulatory interactions between muscle and the immune system during muscle regeneration. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 298, R1173-R1187

30. Juban, G., and Chazaud, B. (2017). Metabolic regulation of macrophages during tissue repair: insights from skeletal muscle regeneration. FEBS Lett. 591,3007-3021.

31. Burzyn, D., Kuswanto, W., Kolodin, D., Shadrach, J.L., Cerletti, M., Jang, Y, Sefik, E., Tan, T.G., Wagers, AJ., Benoist, C., and Mathis, D. (2013). A special population of regulatory T cells potentiates muscle repair. Cell 155, 1282-1295

32. Schiaffino S, Pereira MG, Ciciliot S, Rovere- Querini P Regulatory T cells and skeletal muscle regeneration. FEBS J. 2017 Feb; 284 (4): 517-524.

33. Kuswanto, W., Burzyn, D., Panduro, M., Wang,

K.K., Jang, YC., Wagers, AJ., Benoist, C., and Mathis, D. (2016). Poor repair of skeletal muscle in aging mice reflects a defect in local, interleukin-33-dependent accumulation of regulatory T cells. Immunity 44, 355-367

34. Mofarrahi, M., McClung, J.M., Kontos, C.D., Davis, E.C., Tappuni, B., Moroz, N., Pickett, AE., Huck, L., Harel, S., Danialou, G., and Hussain, S.N.A (2015). Angiopoietin-1 enhances skeletal muscle regeneration in mice. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 308, R576-R589

35. Mathew, S.J., Hansen, J.M., Merrell, AJ., Murphy, M.M., Lawson, J.A, Hutcheson, D.A, Hansen, M.S., Angus-Hill, M., and Kardon, G. (2011). Connective tissue fibroblasts and Tcf4 regulate myogenesis. Development 138, 371-384

36. А.И. Гоженко, Е.А. Гоженко. Саногенез -- теоретическая основа медицинской реабилитации. // Медична гідрологія та реабілітація. -- 2007. -- Т 5, № 2. -- С. 4-7.

AI. Gozhenko, E.AGozhenko. Sanogenesis is the theoretical basis of medical rehabilitation. / / Medical hydrology and rehabilitation. - 2007. - T. 5, No. 2. - S. 4-7.

Размещено на Allbest.ru