МЕХАНИЗМЫ
КОМПЕНСАЦИИ
СТРУКТУРЫ
И ФУНКЦИИ
ПЕЧЕНИ ПРИ ЕЁ ПОВРЕЖДЕНИИ И
ИХ
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
Гарбузенко Д.В.
Механизмы
компенсации структуры и функции печени
при её повреждении и их практическое значение
// Рос. журн. гастроэнтерол., гепатол., колопроктол. –
2008.
- Т. XVIII, № 6. - С. 14-21. При
цитировании
статьи ссылка
на автора обязательна!
Известная
феноменальная способность печени после повреждения любой этиологии
регулировать свой рост и массу, а также поддерживать постоянство
структуры и функции, связана с уникальными свойствами её
паренхиматозных клеток - гепатоцитов. Считается, что при отсутствии
стимуляции роста, гепатоциты в течение жизни делятся один или два раза.
Однако, после повреждения либо удаления фрагмента печени запускается
последовательный механизм, основными компонентами которого являются
пролиферация, дифференцировка и миграция клеток, а также
реструктуризация стромы и ангиогенез [26]. Факторы, продуцируемые как
самой печенью, так и внепеченочными тканями, взаимодействуя между собой
и со специфическими рецепторами клеточных мембран, регулируют
этот компенсаторный механизм
[24] (рис. 1).
Способность дифференцированных клеток печени к самоподдержке на
протяжении всей жизни организма позволяет квалифицировать гепатоциты
как унипотентную коммитированную популяцию стволовых клеток. Вместе с
тем, доказано существование в печени и факультативных стволовых клеток,
к которым относятся недифференцированные клетки, находящиеся в системе
желчных протоков (клетки каналов Геринга). Их ближайшие потомки,
овальные клетки, способны дать начало нескольким клеточным линиям, в
том числе гепатоцитам и клеткам желчного эпителия [12]. Кроме того, в
исследованиях in vitro была показана возможность развития гепатоцитов и
овальных клеток из стволовых клеток костного мозга, которые
функционально являются мультипотентными, способными к
самовоспроизведению при симметричном делении и дающие начало
клеткам-предшественникам при ассиметричном делении, но это должным
образом не было идентифицировано in vivo [30]. Если самообновление
является уникальным свойством стволовых клеток, то
клетки-предшественники, которые являются их потомками, пролиферируют и
дифференцируются в соматические популяции, но сами не сохраняются. Они
могут иметь одно- или мультилинейный потенциал, но способны только к
кратковременной перестройке ткани [45].
Несмотря на то, что печень взрослых животных содержит стволовые
недифференцированные клетки, они не активируются ни при постнатальном
росте, ни при регенерации после частичной гепатэктомии. В этих случаях
нормальный рост осуществляется за счёт пролиферации зрелых, нередко
очень высокоплоидных гепатоцитов. Только в случаях функциональной
несостоятельности, когда гепатоциты утрачивают способность к
размножению, рекрутируются клетки факультативного резерва печени [10].
Вопрос о причинах, инициирующих регенерационный каскад, до настоящего
времени ещё окончательно не решён. Одна из теорий предполагает, что
гемодинамическая перегрузка, которой подвергается остаток печени после
её резекции, активирует индуцибельную синтазу оксида азота (iNOS) и
циклооксигеназу 2, что приводит к повышенной продукции оксида азота
(NO) и простагландинов [32]. При этом подчёркивается значение
сохранения портального кровотока, постоянство которого поддерживается
за счёт печёночного артериального буферного ответа [38].
NO и простагландины сенсибилизируют макрофаги печени к вторичным
индукторам воспаления, прежде всего к эндотоксину
грамотрицательной микрофлоры кишечника,
уровень которого в
сыворотке после резекции печени повышается. Это связано как с
транслокацией бактерий из кишечника, обусловленное нарушением местного
иммунитета, изменением состава флоры и повышением его проницаемости,
так и с уменьшением абсолютного числа клеток Купффера и угнетением их
функции [62].
Сенсибилизированные макрофаги вырабатывают фактор некроза опухолей a
(TNF-a), который является многофункциональным цитокином, передающим
сигналы через два типа рецепторов: TNFR-1 (p55) и TNFR-2 (p75). В
печени он действует как медиатор острофазового ответа и обладает
цитотоксическим действием при многих типах её повреждения. TNF-a, также
как и и интелейкин-6 (IL-6), способствуют образованию в гепатоцитах
реактивных видов кислорода (ROS) [21], избыток которых блокируется
разнообразными механизмами, в частности окислением предназначенных для
этой цели веществ типа глутатиона, что индуцирует пролиферацию и
предотвращает апоптоз [46].
Сразу после частичной гепатэктоми повышается стимулированная TNF-a
экспрессия большого количества генов немедленного раннего ответа.
Первыми были идентифицированы протоонкогены c-fos, c-jun и c-myc. В
настоящее время их насчитывается не ме-нее 70. Важную роль в
немедленном раннем генном ответе играет тирозин фосфатаза [27].
Возникший после повреждения печени оксидативный стресс активирует
факторы транскрипции, такие как NF-kappaB, STAT3, AP-1, Nrf2, C/EBPb,
которые включаются в специфические места разнообразных генов и при
взаимодействии между собой регулируют их трансактивацию. Следует
отметить, что для стимуляции факторов транскрипции не требуется синтеза
белка, и она зависит от механизма посттрансляции.
Первоначально идентифицированный в B лимфоцитах, NF-kappaB [англ.
Nuclear factor for the kappa chain of B cells] обнаружен во многих
клеточных популяциях, включая гепатоциты и непаренхиматозные элементы.
В клетках печени он представлен гетеродимером, состоящим из двух
белковый субъединиц, p65 (или relA) и p50, локализованных в цитоплазме.
Из-за их связи с ингибитором IkB, NF-kappaB в этом состоянии неактивен.
После освобождения от IkB гетеродимер p65/p50 перемещается к ядру
клетки, где активирует гены, принимающие участие в воспалении, адгезии,
регенерации и апоптозе. У крыс экспрессия NF-kappaB, индуцированная
TNF-a, начинается быстро, в пределах 30 минут, и заканчивается через
4-5 часов [40].
Стимулированная IL-6 активация STAT3, одного из компонентов фактора
транскрипции STAT [англ. Signal Transduction and Activators of
Transcription], после частичной гепатэктомии у крыс идёт медленнее, чем
NFkB. Для передачи сигнала IL-6 обычно использует рецептор gpl30,
вызывая его димеризацию. Активированная внутриклеточная тирозин киназа
фосфорилирует gp130 и создаёт место для связывания STAT3, который в
ядре фосфорилируется, транслоцируется и регулирует экспрессию большого
количества генов, вовлеченных в передачу информации, острофазовый ответ
и пролиферацию [22]. STAT3 обнаруживается в печени через 1-2 часа после
операции и сохраняет свою активность до 4-6 часов. В настоящее время
идентифицировано семь генов STAT [57].
Вторая фаза процесса регенерации определяется как отсроченно ранний
генный ответ. Важную роль в нём играет Bcl-X1 - главный антиапоптозный
ген в печени. После частичной гепатэктомии у мышей он способствует
увеличению мРНК до максимальных значений через 8 часов после операции.
Возможно, что Bcl-X1 функционирует как антиоксидант, предотвращая
повреждение клеток, вызванное ROS [58]. К генам клеточного цикла
относятся p53, mdm2, p21, циклины и связанные с ними циклин-зависимые
киназы (cdks). [13]. При этом циклины D-типа вместе с их киназами
играют ключевую роль в регуляции G1 фазы. Так комплекс циклинD1/cdk4,
чтобы преодолеть позднюю G1 рестрикционную точку клеточного цикла,
фосфорилирует факторы E2F. Комплекс циклинЕ/cdk2 модули-рует переход G1
в S фазу, комплекс циклинА/cdk2 важен для инициации репликации ДНК в S
фазу, а комплекс циклинB/cdk1 принимает участие в митозе. Активность
всех киназ начинается через 13 часов и достигает максимального уровня к
24 часам после частичной гепатэктомии [34].
Однако сам по себе немедленный ранний и отсроченно ранний генный ответ
во время регенерации печени не ведет к репликации ДНК. Для этого
необходимы факторы роста, такие как гепатоцитарный (HGF),
трансформирующий (TGF)-a, инсулиноподобные (IGF) 1, 2 , плацентарный
(PlGF), эпидермальный (EGF), основной фактор роста фибробластов (bFGF),
фактор роста сосудистого эндотелия (VEGF), фактор, активирующий
тромбоциты (PAF) и т.д. HGF, взаимодействуя с другими факторами роста,
является по-тенциальным стимулятором синтеза ДНК в гепатоцитах [56]. Он
осуществляет свое действие посредством паракринного или эндокринного
механизма. В противоположность ему вырабатываемый гепатоцитами TGF-a,
связываясь с рецепторами EGF, оказывает на них аутокринное влияние
[19]. ICF 1 и 2 представляют собой ярко выраженные митогены, играющие
важную роль в росте и развитии организма. Наиболее изученный в
настоящее время IGF 1 или соматомедин, после резекции печени
вырабатывается в гепатоцитах и оказывает паракринное влияние на
рецепторы непаренхиматозных клеток, способствуя их пролиферации [20].
Фактор роста соединительной ткани (CTGF), матриксный протеин,
связываясь с фибронектином, играет важную роль в активации овальных
клеток [47]. Пролиферация гепатоцитов практически сразу после резекции
печени индуцирует синтез металлопротеиназ, преимущественно желатиназы
В, достигая пика во время воспалительной реакции с уменьшением в фазу
восстановления [14].
Таким образом, биосинтез белков нескольких функциональных классов,
включая факторы транскрипции, роста и сигналпередающие протеины,
начинается уже через 5-6 часов после частичной гепатэктомии (фаза G1).
Спустя 10-12 часов после операции наблюдается усиленный синтез ДНК
(фаза S), достигая максимума между 24 и 48 часам. При этом пик синтеза
ДНК билиарного эпителия происходит через 36-48 часов, Купферовских и
звездчатых клеток - через 48 часов и, наконец, эндотелиальных клеток
синусоидов - через 96 часов после операции. Переход через фазы
клеточного цикла модулируется взаимодействием между циклинами,
циклин-зависимыми киназами и их ингибиторами. Через 7-10 дней после
восстановления первоначальной массы печени регенерация прекращается.
По прошествии 72 часов, когда пролиферация гепатоцитов снижается,
отдельные из них формируют бессосудистые скопления, представляющие
собой широкие пластины, состоящие из 10-12 клеток. Инфильтрация их
проникающими из микроциркуляторного русла эндотелиальными
клетками-предшественниками, произведёнными стволовыми клетками костного
мозга и дальнейшая пролиферация последних, а также увеличение синтеза
протеаз, расщепление и повторный синтез внеклеточного матрикса с
последующим образованием эндотелиальных трубочек приводит к
восстановлению нормальной сосудистой структуры печени (рис. 2) [49].
Эндотелиальные клетки-предшественники мобилизуются в ответ на
цитокиновую стимуляцию и ишемию. При этом их хемотаксис, миграцию,
адгезию, дифференциацию и созревание в эндотелиальные клетки индуцируют
тромбоциты [37]. Ведущими хемотаксическими и митогенными стимулами для
эндотелиальных клеток служат ангиопоэтины, bFGF, PlGF, VEGF. Было
показано, что большинство известных эндогенных протеинов, регулирующих
ангиогенез, содержатся преимущественно в a гранулах тромбоцитов, где
делятся на его позитивные и негативные регуляторы [25]. Считается, что
VEGF является наиболее мощным ангиогенным фактором, увеличение
продукции которого пролиферирующими гепатоцитами после частичной
гепатэктомии коррелирует с повышенной экспрессией его рецепторов на
поверхности эндотелиальных клеток, что индуцирует их пролиферацию [53].
Точная роль тромбоспондина-1, матриксного протеина, одного из пяти
членов семейства тромбоспондиновых генов, противоречива, что может быть
связано с разным уровнем его концентрации, типом и числом рецепторов,
представленных в эндотелиальных клетках. Однако не исключается, что он
является стимулятором ангиогенеза при повреждении печени [23].
Подводя итог вышесказанному, можно сказать, что ангиогенез является
целостным процессом, включающим миграцию и деление эндотелиальных
клеток, дегенерацию матрикса и рост сосудов, в который вовлечены
циркулирующие или резидентные эндотелиальные клетки-предшественники,
произведённые стволовыми клетками костного мозга. Он регулируется
комплексным взаимодействием между различными ангиогенными фак-торами
роста и воспалительными клетками. При этом, местно действующий хемокин
SDF-1 (CXCL12) способствует проникновению эндотелиальных
клеток-предшественников в ишемизированные ткани [54].
Таким образом, всё многообразие компенсаторных и приспособительных
процессов в печени сводится к трём основным реакциям –
регенерации, гипертрофии и перестройке тканей. Однако известно, что
одной из причин структурных изменений в печени при циррозе является
недостаточная репаративная регенерация. Кроме того, накопление
фибриллобразующих коллагенов I, III и IV типов в пространстве Диссе
приводит к его капилляризации и нарушению микроциркуляции печени, что
способствует нарушению её функции и развитию портальной гипертензии
[61]. Гипоксия, лежащая в основе прогрес-сирования фиброза, играет роль
и в неоваскуляризации цирротически изменённой печени. Увеличение
экспрессии TGF-b1 ведёт к инфильтрации тканей моноцитами-макрофагами и
стимуляции выработки ангиогенных факторов роста и протеаз [33]. Под
влиянием урокиназы происходит конверсия плазминогена в активный
плазмин, который инициирует направленное разрушение белков базальной
мембраны - фибронектина и ламинина [51]. Действуя на латентные
матриксные металлопротеиназы и эластазу, он, и возможно сама урокиназа,
обеспечивают последующую деградацию внеклеточного матрикса, что
необходимо для миграции и инвазии эндотелиальных клеток. Кроме того,
при их участии активируются практически все факторы роста,
задействованные в ангиогенезе [6], что приводит к развитию
микроциркуляторного сосудистого русла в паренхиме цирротически
изменённой печени, способствуя улучшению перфузии синусоидов и
уменьшению гипоксии гепатоцитов [31]. Однако при циррозе печени этот
компенсаторный механизм часто неадекватен, что возможно связано с
недостаточной выработкой VEGF [42].
Становится очевидным, что стимуляция регенерации и ангиогенеза может
быть одним из способов лечения цирроза печени и его осложнений [36].
Для достижения последнего предложено несколько методов, среди которых
наибольшее распространения получили использование рекомбинантных
факторов роста, трансплантация фетальных гепато-цитов и стволовых
клеток костного мозга, а также различные виды дозированного
повреждения ткани печени.
В экспериментах на крысах с моделью цирроза печени было показано, что
HGF за счёт индукции апоптоза и угнетения пролиферации миофибробластов
печени, а также уменьшения выработки ими TGF-b1, оказывает на
гепатоциты митогенный, антиапоптотический и противовоспалительный
эффекты [43]. Использование низких доз IGF 1 способствует регенерации,
редукции фиброза печени и, как следствие, улучшению её функции и
выраженности портальной гипертензии [18]. Введение ангиопоэтина [44],
также как гена bFGF [39] и VEGF [52] стимулирует развитие сосудов
микроциркуляторного русла. Кроме того, VEGF ослабляет капилляризацию
синусоидов и в результате увеличения количества фенестр и проницаемости
печёночных эндотелиальных клеток улучшает обмен между гепатоцитами и
синусоидальной кровью [63].
Эмбриональные стволовые клетки были впервые получены из мышиной
бластоцисты в 1981 г. В недифференцированном состоянии они бесконечно
пролиферируют и могут генерировать различные типы клеток, в том числе и
гепатоциты [15]. Следует отметить, что фетальные клетки, выбранные для
трансплантации, обладают очевидными преимуществами перед соматическими
клетками взрослых доноров, т.к. имеют слабо экспрессированные комплексы
главных антигенов гистосовместимости и способны вырабатывать уникальный
комплекс цитокинов и факторов роста [7]. В настоящее время
трансплантация фетальных гепатоцитов предлагается как альтернатива
ортотопической пересадке печени. Она не только обеспечивает временное
восстановление функции у ожидающих её пациентов, но и является терапией
ряда метаболических расстройств и фулминантной печёночной
недостаточности. Однако этот метод не оказывает стойкого
терапевтического эффекта, в связи с чем, при циррозе печени применяется
редко, хотя в ряде случаев позволяет улучшить функцию печени и таким
образом увеличить продолжительность и качество жизни [55]. В
эксперименте на мышах с моделью цирроза печени было показано, что
трансплантированные предшественники эпителиальных клеток фетальной
печени пролиферируют и дифференцируются как в гепатоциты, так и
эпителиальные клетки желчных протоков с высокой способностью к
репопуляции, способствуя восстановлению функции печени и снижению
выраженности фиброза [67]. В целом, важно подчеркнуть, несмотря на то,
что эмбриональные стволовые клетки в настоящее время представляют
наилучшую in vitro модель для дифференциации гепатоцитов, этические
ограничения и возможная малигнизация являются главными ограничениями их
использования в клинической практике [60].
Sakaida et al. [50] сообщили, что трансплантированные стволовые клетки
костного мозга за счёт увеличения экспрессии матриксных
металлопротеиназ и разрушения коллагеновых волокон уменьшают фиброз
печени. Это способствует улучшению выживаемости мышей с
CCL4-индуцировапнным повреждением печени. Однако остаётся неясным,
связаны ли данные изменения с непосредственным влиянием этих клеток.
Применение гемопоэтических [48] и мезенхимальных [64]
клеток-предшественников, произведённых стволовыми клетками костного
мозга у животных с моделью цирроза печени, вызывает регрессию фиброза и
стимулирует регенерацию печени, а введение в воротную вену
эндотелиальных клеток-предшественников, за счёт выработки ими HGF,
TGF-a, EGF и VEGF, уменьшает экспрессии коллагена I типа, фибронектина,
TGF-b1, индуцирует пролиферацию гепатоцитов, реконструкцию синусоидов и
редукцию фиброза печени, улучшая, таким образом, её функцию [59].
Теоретически преимуществ использования стволовых клеток костного мозга
для стимуляции регенерации печени достаточно: простота получения,
способность к пролиферации, эффективность in vitro трансфекции,
использование аутологичных клеток. Однако, несмотря на первые
многообещающие результаты, ключевыми вопросами их использования
являются отсутствие тканевой специфичности и недоказанность достижения
необходимого уровня печёночной репопуляции у экспериментальных животных
[41].
Описаны и хорошо изучены методы, стимулирующие регенерацию печени за
счёт дозированного повреждения её ткани, например, посредством резекции
фрагмента [29], посегментарной микрорезекции [8], электрокоагуляции
[11], криодеструкции [1], воздействия низкоинтенсивного
[2] и высокоинтенсивного
лазерного излучения [4]. Вместе
с тем, было показано, что резекция
цирротически изменённой печени у крыс, несмотря на стимуляцию мощного
пролиферативного ответа в оставшейся её части, не приводит к полной
нормализации клеточного состава паренхимы [9], что может быть связано с
пониженной экспрессией циклинов, в частности, циклина D1. Кроме того,
значительно уменьшенный уровень IL-6 делает менее выраженной активность
факторов транскрипции (STAT3, AP-1, C/EBPb). Вдобавок, регенерация
цирротически изменённой печени во многом зависит от запасов АТФ, а
неадекватная респираторная функция митохондрий [65] способствует
гипоксии гепатоцитов и уменьшению экспрессии HGF и его рецептора c-Met
[33]. В этой патофизиологической ситуации дополнительной стимуляции
митогенного эффекта можно достичь применением факторов роста и
гормонов. Так, назначение EGF и инсулина крысам, перенёсшим резекцию
цирротически изменённой печени, ускоряло синтез ДНК [28], а введение
VEGF [16], также как трииодтиронина [17], играющего роль гормона роста,
за счёт модуляции клеточного цикла генами немедленного раннего ответа
ин-дуцировало ангиогенез и пролиферацию гепатоцитов. Аналогичным
эффектом за счёт по-вышения экспрессии NF-kappaB (P65), VEGF и циклина
D1 обладает и кардиотропин-1 [66].
При воздействии на печень крыс, изменённую по типу цирроза,
высокоинтенсивного лазерного излучения инфракрасного диапазона (1064 и
805 нм) каскад последовательных реакций сателлитных клеток формируется
немедленными эффектами – дегрануляцией тучных клеток,
активацией
тромбоцитов с образованием агрегатов и выбросом гранул и эффектами,
развивающимися в процессе воспаления, - выраженной макрофагальной
инфильтрацией, увеличением количества тучных клеток, пролиферацией и
усилением синтетической активности фибробластов. Это сопровождается
локальным повышением экспрессии bFGF, VEGF, усилением активности
матриксных металлопротеиназ и протеаз системы плазмина, что создаёт
необходимые условия для пролиферации и миграции эндотелиальных и
гладкомышечных клеток сосудистой стенки, формирования новых сосудов и
ремоделирования тканей в зонах лазерного воздействия [3].
Таким образом, знание механизмов компенсации структуры и функции печени
имеет важное практическое значение для разработки способов коррекции
различных патологических состояний. В частности, у больных циррозом
применение методов воздействия на процессы регенерации печени
целесообразно как для лечения самого заболевания и его осложнений, так
и в качестве подготовки к ортотопической трансплантации печени [5].
