Внеклеточный матрикс — комплекс белков и полисахаридов, составляющих основу любой ткани [1]. Длительное время внеклеточный матрикс рассматривался исключительно с позиции его ведущей роли в поддержании структуры, «каркаса» ткани. Однако сравнительно новые данные об участии молекул внеклеточного матрикса в процессах передачи сигнала, регуляции роста клеток и дифференцировки, апоптоза изменили представление о функциональной значимости его компонентов и позволяют расценивать его составляющие как возможные терапевтические мишени для коррекции различных патологических процессов и состояний. Состав компонентов внеклеточного матрикса специфичен в отдельной ткани. В коже он представлен гликозаминогликанами, а также белками коллагеном, эластином, фибронектином, ламинином [2]. Все компоненты внеклеточного матрикса разделяют на две большие группы: образующие волокна (коллаген и эластин) и не формирующие волокона (протеогликаны и гликопротеины) [3].
Основные компоненты межклеточного матрикса
Одним из основных компонентов межклеточного матрикса является коллаген. В настоящее время выделяют 27 типов коллагенов, из которых в коже обнаружено 9 типов [4]. Наиболее распространенным является коллаген I типа. Данный тип коллагена представлен плотно упакованными толстыми волокнами, основной его функцией является препятствие растяжению. Коллаген II типа образует рыхлую сеть коллагеновых волокон, его основная функция — сохранение устойчивости кожи к перепадам давления. Коллаген III типа образует рыхлую сеть тонких волокон, функция которых — поддержка структуры крупных органов. Кроме того, данный тип коллагена вносит свой вклад в стабильность сосудистой стенки, поскольку мутации генов, кодирующих эти молекулы, приводят к разрывам сосудов в процессе эмбрионального развития [2]. Коллаген IV типа составляет основную часть базальной мембраны эпидермодермальной зоны, сосудов и придатков кожи. Ингибирование синтеза коллагена при нарушениях сборки его фибрилл тормозит развитие микрососудов [3]. Коллаген V типа располагается преимущественно в сосочковом слое дермы и вокруг базальных мембран сосудов, нервов и придаточных образований кожи, а также в пограничной эпидермодермальной зоне. Коллаген VI типа пронизывает всю дерму в виде сети [4]. Коллаген VII типа формирует прикрепляющие фибриллы сосочкового слоя дермы. Коллаген VIII типа является главным компонентом десцеметовых мембран эндотелия роговицы. Коллагены IX и XII типов являются фибрилл-связывающими коллагенами, эти коллагены прикрепляются к поверхности фибрилл на определенном расстоянии друг от друга и взаимодействуют как с фибриллами, так и с другими компонентами межклеточного матрикса; эти соединения делают структуру коллагена более прочной. Помимо коллагена в межклеточном матриксе располагаются и другие белковые молекулы (см. таблицу). Наиболее многочисленную популяцию клеток дермы представляют фибробласты. Они контролируют массу и целостность внеклеточного матрикса путем регулируемого по принципу обратной связи синтеза коллагена и эластина, синтеза основного вещества, а также путем участия в разрушении вышеуказанных элементов [5]. Ультраструктурные изменения компонентов внеклеточного матрикса интенсивно происходят на этапе формирования тканей во время эмбриогенеза, при раневом процессе, в ответ на воздействие инфекционных агентов, а также при различных патологических состояниях. Данный процесс во внеклеточном матриксе осуществляется опосредованно через белки интегрины, а также синдеканы — протеогликаны внеклеточного матрикса или же посредством белков-ферментов, обладающих способностью модифицировать ферменты внеклеточного матрикса — матриксные металлопротеиназы [1]. Внеклеточный матрикс принимает участие в формировании так называемых ниш для стволовых клеток — пространства со специфичным микроокружением, поддерживаемым для сохранения пула стволовых клеток [6]. На сегодняшний день известно, что подобные «ниши» есть во всех органах у взрослых людей. Одним из компонентов этих образований является гликозаминогликан гепарансульфат, а молекулы интегринов играют важную роль в передаче сигналов к стволовым клеткам, регулируя их пролиферацию и способность мигрировать из «ниши» [7]. Известно, что молекулы внеклеточного матрикса взаимодействуют с ростовыми факторами. В частности, фактор роста фибробластов и фактор роста сосудистого эндотелия связываются с гепарансульфатом, который, таким образом, выступает в качестве «резервуара» для данных молекул и посредника в процессах передачи сигнала. Взаимодействие фактора роста сосудистого эндотелия с белками межклеточного матрикса играет важную роль в процессе «ангиогенного переключения» при опухолевом росте [8]. В целом можно отметить, что факторы роста вместе с матриксными металлопротеиназами регулируют состояние внеклеточного матрикса: факторы роста индуцируют локальную продукцию компонентов внеклеточного матрикса, в то время как матриксные металлопротеиназы осуществляют их деградацию и изменение его структуры, обеспечивая существование внеклеточного матрикса в качестве динамичной среды для существования и передвижения клеток [9].
Изменения межклеточного матрикса при старении
Процесс старения представляет собой динамичное явление, влияющее на все системы. В коже признаки старения проявляются в виде морщин и птоза в результате структурных изменений на молекулярном уровне, в первую очередь касающихся состояния межклеточного матрикса [10]. Старение кожи связано с изменением коллагеновых и эластических волокон. В частности, с возрастом уменьшается коллагеновая сеть в коже, что является результатом повышенной активности коллагеназ. В это же время происходит снижение уровня синтеза коллагена, что, таким образом, резко ограничивает репаративные механизмы в отношении коллагеновых волокон, которые начинают также характеризоваться неупорядоченностью. Изменения претерпевают эластические волокна, что приводит к снижению эластичности и упругости кожи. Фибробласт, являясь основной коллагенобразующей клеткой, обеспечивает процесс обновления дермы. Ограничение пролиферативной способности дермальных фибробластов при старении свидетельствует о нарушении их функциональных свойств: угнетении продукции углеводно-белковых комплексов основного вещества и волокон дермы, снижении синтеза многочисленных факторов роста клеток, а также преждевременной деградации компонентов внеклеточного матрикса. Все это неизбежно приводит к нарушению регенерации дермы и формированию признаков старения кожи [11]. Важно отметить, что старение кожи является результатом двух процессов — хроностарения, характеризуемого изменениями в коже, подобными тем, что происходят во внутренних органах, а также фотостарения, свойственного только коже. Два вышеуказанных процесса изменяют эластические свойства кожи различными путями. Возрастное старение кожи связано с потерей эластических волокон в результате протеолитической деградации, ассоциированной со снижением синтеза эластина в увядающей коже. При фотостарении в средних отделах дермы определяются массивные депозиты эластина, потерявшего свои функциональные характеристики. Таким образом, на участках кожи, подверженной в большей степени воздействию УФ-излучения, признаки старения являются выражением как «эндогенного», так и «экзогенного» механизмов увядания кожи [12]. На основании данных фактов сформированы современные концепции коррекции возрастных изменений кожи: стимуляция продукции коллагена ретиноевой и аскорбиновой кислотами. Предпринимались попытки вводить в кожу ингибиторы эластазы, разрушающей эластин, но их клиническая эффективность оказалась незначительной [13]. Столь же дискутабельными являются эффекты внутридермального введения гиалуроновой кислоты — компонента межклеточного матрикса, регулирующего гидратирование дермы посредством способности данного соединения связываться с водой [12]. При патологических процессах, происходящих в коже, компоненты межклеточного матрикса претерпевают существенные изменения, которые захватывают как волокнистые структуры, так и основное вещество.
Раневой процесс и межклеточный матрикс
У здоровых людей процесс заживления раны начинается сразу же после действия повреждающего фактора: тромбоциты из периферического кровотока мигрируют в зону раневого дефекта и начинают активно взаимодействовать с коллагеном и другими компонентами внеклеточного матрикса. Это приводит к повышению функциональной активности тромбоцитов, продукции и выделению тромбогенных и ростовых факторов, а также цитокинов, что вызывает формирование временного фибринового тромба, миграцию нейтрофилов, фагоцитирующих чужеродные микроорганизмы, фрагменты поврежденных и мертвых клеток. Позднее в очаге раны появляются макрофаги, которые также обладают фагоцитарной активностью, но помимо этого они продуцируют медиаторы воспаления, индуцирующие процессы пролиферации посредством активации фибробластов, синтезирующих компоненты внеклеточного матрикса [14]. Фактором, индуцирующим развитие «респираторного взрыва» в коже при ее повреждении, является повреждение коллагена I типа, вследствие чего увеличивается продукция цитокинов лейкоцитами, что обеспечивает хемотаксис необходимых типов клеток в очаг поражения. Фибронектин посредством интегринов связывает клетки, обеспечивая их депонирование в области раны. Помимо этого молекулы фибронектина, полимеризуясь, меняют свою конформацию, что сопряжено с потерей экспрессии интегринов, а также других молекул, опосредующих регуляторную активность фибронектина в отношении формирования клеточно-матриксных адгезионных контактов, передачи сигнала клеткам [15]. Ламинин участвует в неоангиогенезе, ламинин-5 восстанавливает целостность базальной мембраны в области дермо-эпидермального соединения [16]. Гиалуроновая кислота способствует удержанию воды во внеклеточном матриксе, а также вместе с другими гликозаминогликанами функционирует как сигнальная молекула, регулируя синтез и секрецию фибробластами и эндотелиальными клетками необходимых для дальнейшего восстановления ткани факторов роста и цитокинов [17]. Ростовые факторы, депонируемые во внеклеточном матриксе, функционируют в качестве постоянного источника цитокинов, которые регулируют начальные стадии воспаления и процесса заживления раны, индуцируют миграцию клеток — участников воспаления и обеспечивают их направленную активность. Длительно незаживающие раны характеризуются высоким уровнем ферментов, вызывающих деградацию внеклеточного матрикса, нарушениями синтеза цитокинов и наличием стареющих фибробластов со сниженной функциональной активностью [18]. Помимо этого фибробласты в таких раневых дефектах не экспрессируют на своей поверхности рецепторы к молекулам интегринов, что необходимо для их связывания с фибронектином и обеспечения процесса перемещения кератиноцитов от базального слоя эпидермиса в его вышележащие слои [19]. С учетом особенностей функционирования внеклеточного матрикса при хронических ранах терапевтические подходы в данном случае должны включать: локальное использование факторов роста, которые могут стимулировать заживление раны; применение компонентов внеклеточного матрикса, полученных биотехнологическим путем для закрытия раневого дефекта и восстановления архитектоники ткани в пораженной области, а также для индукции синтеза собственных факторов роста; нанесение синтетических материалов, богатых коллагеном, для абсорбции матриксных металлопротеиназ, в избытке присутствующих в ране [14].
Внеклеточный матрикс и формирование рубцовой ткани
Неразрывно связан с нарушением соотношения компонентов межклеточного матрикса, и в первую очередь коллагена, процесс формирования патологических рубцов. Считается, что ведущую роль в патологическом образовании соединительной ткани играют нарушения во взаимоотношениях между фибробластами и макрофагами [20]. Патологические рубцы являются примером заболевания, в основе которого лежит повышенная пролиферативная активность фибробластов, индуцируемая такими цитокинами, как трансформирующий фактор роста-β, инсулиноподобный фактор роста 1, интерлейкин (ИЛ)-1 [21]. Сами же фибробласты синтезируют протеазы (коллагеназу, гиалуронидазу, эластазу), тромбоцитарный фактор роста, эпидермальный фактор роста, коллаген, эластин. Повышение уровня функционально активных фибробластов в месте патологического процесса, а также недостаток макрофагов, активно синтезирующих коллагеназу, обусловливают предпосылки для накопления коллагена, что и определяет характер дальнейших изменений рубцовой ткани. В гипертрофических и келоидных рубцах образование коллагена преобладает над его распадом из-за недостатка коллагеназы — фермента, расщепляющего коллаген, вследствие чего развивается мощный фиброз. Предполагается, что размер рубца, который остается на коже после заживления раны, зависит главным образом от активности колагеназы [22]. В настоящее время уже достаточно хорошо установлены основные причины спонтанного регресса рубцов. Одной из причин регресса рубца является уменьшение количества в рубцах так называемых раневых фибробластов (миофибробластов), которые оказались в данной зоне в ходе репарации поврежденной ткани. Именно эта популяция клеток «короткоживущих фибробластов» играет основную роль в репаративных процессах. Она же отвечает за отложение в зоне повреждения избыточного количества компонентов внеклеточного матрикса. Другой причиной регресса рубцов является включение в процесс деструкции избыточного матрикса (прежде всего коллагена) матриксных металлопротеиназ, которые секретируются макрофагами, кератиноцитами, эндотелиальными клетками и самими фибробластами [6]. Уменьшение количества миофибробластов и активность матриксных металлопротеиназ являются причиной перехода рубца из категории «гипертрофических» в «гипо- и атрофические». Отмечено, что трансформирующий фактор роста-β3, широко представленный в эмбриональной коже, обладает способностью к восстановлению раневых дефектов без формирования рубцов. В связи с этим проводятся испытания рекомбинантного трансформирующего фактора роста-β3 для терапии рубцов у взрослых людей.
Воспалительные заболевания кожи и внеклеточный матрикс
Патологические изменения межклеточного матрикса наблюдаются практически при всех воспалительных и невоспалительных процессах, происходящих в коже, а также при ряде дерматозов, таких как дискоидная красная волчанка, дерматомиозит, склерозирующий лишай, кольцевидная эритема. В частности, при ограниченной склеродермии из-за неизвестных на сегодняшний день причин развивается инфильтрация дермы моноцитами, которые продуцируют ряд провоспалительных цитокинов, в частности ИЛ-4, -6, усиливающих пролиферативную активность фибробластов [23]. Это приводит к повышению уровня синтеза коллагена в дерме. Помимо этого ИЛ-4 регулирует уровень трансформирующего фактора роста-β, который, в свою очередь, вызывает снижение уровня коллагеназы и повышает помимо коллагена содержание в коже других молекул межклеточного матрикса — фибронектина, тенасцина [24]. С другой стороны, ИЛ-4, -6, а также фактор некроза опухоли-α обусловливают снижение секреции активированными Т-лимфоцитами интерферона-γ, который является ингибитором синтеза проколлагена фибробластами [24]. Именно повышенное содержание коллагена в дерме, а также избыточная пролиферация других белков — компонентов межклеточного матрикса обеспечивают развитие характерных для данного заболевания плотных бляшек. Новые подходы к терапии ограниченной склеродермии включают применение агентов, вызывающих репрессию процессов фиброзирования кожи. В частности, с этой целью в эксперименте был применен иммуноглобулин G, который индуцировал активность матриксных металлопротеиназ и экспрессию хемокинов, вызывающих деструкцию избыточно синтезируемых компонентов межклеточного матрикса [25]. При инъекциях плазмиды, содержащей фактор роста гепатоцитов, отмечалось повышение уровня трансформирующего фактора роста-β, что также препятствовало развитию фиброза [26]. При воспалительных заболеваниях кожи изменения со стороны межклеточного матрикса наблюдаются преимущественно при процессах пролиферации, происходящих в коже. Фибробласты принимают участие в синтезе гликозаминогликанов, а также синтезируют волокнистые структуры, такие как коллаген, эластин, ретикулин. При хронических воспалительных заболеваниях в коже отмечается скопление большого числа активированных макрофагов в одном участке кожи. Макрофаги усиливают привлечение фибробластов в очаг воспаления, стимулируют пролиферацию эндотелиальных и гладкомышечных клеток, формирование базальной мембраны и, таким образом, образование микрососудов.
Наследственная патология, связанная с изменениями межклеточного матрикса
Синдром Элерса — Данлоса — наследственное заболевание, характеризующееся гиперэластичностью кожи, при котором различают шесть подтипов [27]. При I, «классическом», подтипе синдрома синтезируется патологический коллаген V типа, что приводит к повышенной растяжимости кожи, склонности к образованию рубцов, гиперподвижности суставов. При синдроме Элерса — Данлоса VI типа наблюдается дефицит фермента лизилоксидазы. При этом не происходит гидроксилирования лизина, нарушается процесс сшивок между полипептидными цепями, и молекула коллагена характеризуется необычно высокой растворимостью. Кроме того, у таких пациентов резко повышается содержание гиалуроновой кислоты, уменьшается количество коллагеновых волокон и относительно увеличивается число эластических волокон. Все эти патоморфологические изменения обеспечивают клинические проявления данного подтипа синдрома: повышенную подвижность суставов, мышечную гипотонию в детском возрасте, сколиоз. Синдром Марфана — наследственное заболевание с полиорганными патологическими изменениями. Изменения кожи характеризуются ее легкой растяжимостью и образованием стрий растяжения, повышенной ранимостью, недоразвитием подкожной жировой клетчатки. В основе развития синдрома лежит мутация гена, кодирующего фибриллин-1, который является обязательной составляющей микрофибрилл — основного структурного и регуляторного компонента внеклеточного матрикса. Фибриллин-1, взаимодействуя с интегринами, принимает участие в осуществлении межклеточной адгезии. Дефектный фибриллин, синтезируемый в результате мутации гена, приводит к функциональной несостоятельности внеклеточного матрикса, что обеспечивает появление клинических признаков заболевания, в частности дилатации аорты. Более того, на сегодняшний день известно, что фибриллин-1 регулирует активацию фактора трансформирующего роста-β, который принимает участие в развитии реакций воспаления, фиброза, а также активации матриксных металлопротеиназ [28]. При сutis laxa (синдром вялой кожи) изменения внеклеточного матрикса связаны с потерей эластических волокон в коже. Вследствие потери эластичности кожа становится вялой, появляется складчатость, легко растягивается с замедленным возвращением к исходному состоянию, становится избыточной, что способствует образованию крупных провисающих складок. При синдроме Гренблад — Страндберга изменения внеклеточного матрикса связаны с увеличением содержания в коже гиалуроновой кислоты, а также хондроитинсульфатов. Развитию данного процесса способствует недостаток нескольких ферментов лизосом. В результате гликозаминогликаны накапливаются в клетке. Одним из проявлений заболевания служит повышенная ломкость и разрушение кровеносных сосудов, которое связано с поражением эластических волокон сосудов. У таких пациентов в дерме обнаруживают скопление измененных эластических волокон, уменьшение количества коллагеновых волокон, их утолщение и расщепление.
Атрофии кожи и межклеточный матрикс
Достаточно выраженные изменения со стороны внеклеточного матрикса наблюдаются при атрофиях кожи: при старческой, пятнистой, червеобразной, идиопатической атрофодермии Пазини — Пьерини, стероидной, полосовидной атрофии. При всех видах данных нарушений изменения со стороны внеклеточного матрикса связаны главным образом с дистрофическими изменениями коллагеновых волокон, дегенерацией эластических волокон. При стероидной атрофии наблюдается резорбция основного вещества, при этом расстояние между коллагеновыми волокнами увеличивается, наблюдаются их перераспределение и изменения в фиброзной сети. Полосовидная атрофия кожи характеризуется значительными изменениями микроциркуляторного русла и волокнистого каркаса межклеточного вещества. Отмечается снижение количества фибробластов [11].
Изменение межклеточного матрикса при некоторых инфекционных заболеваниях
Нарушения компонентных составляющих межклеточного матрикса наблюдаются и при таких инфекционных заболеваниях, как лепра, боррелиоз, имеющих дерматологические проявления. Патогномоничным для боррелиоза является генерализованное поражение кожи в виде хронического атрофического акродерматита Герксгеймера [29]. При этом кожа становится сухой, морщинистой, теряет эластичность и истончается, напоминая по внешнему виду папиросную бумагу (или печеное яблоко) — симптом Поспелова. Сквозь истонченную кожу просвечивают сосуды [29]. При боррелиозе в коже происходит отек сосочкового слоя дермы, пучки коллагеновых волокон ориентированы параллельно эпидермису и варьируют от нескольких пучков до большого скопления. Внутри инфильтрата наблюдаются фрагменты коллагеновых волокон и отсутствие эластических волокон под инфильтратом, наблюдается дезорганизация и деструкция коллагеновых волокон. На поздних стадиях заболевания происходит полное разрушение коллагеновых и эластических волокон. Выраженные морфологические изменения компонентов межклеточного матрикса сопровождают развитие лепроматозного процесса. В пораженной коже наблюдаются изменения структуры коллагеновых волокон и резкое уменьшение количества эластических волокон [30]. На молекулярном уровне при лепре определяются матриксные металлопротеиназы в центральных отделах гранулем, где также преобладают макрофаги и эпителиоидные клетки. При этом сравнительно редко выявляемые признаки некроза в пораженной ткани свидетельствуют о балансе между продукцией матриксных металлопротеиназ при данном заболевании и регуляцией их активности. Напротив, при туберкулезном поражении кожи повышенный уровень матриксных металлопротеиназ коррелирует со степенью деструктивных изменений в очаге поражения [31]. Помимо этого показано, что M. leprae обладают способностью связываться с ламинином-2, что позволяет микроорганизму инфицировать шванновские клетки, обусловливая в дальнейшем появление неврологической симптоматики у больных лепрой. Известно, что неврологические изменения, возникающие при данном заболевании, не поддаются обратному развитию или коррекции. Поэтому блокирование взаимодействия между белками межклеточного матрикса и патогенным микроорганизмом может являться новым терапевтическим подходом для предотвращения поражения нервной системы при лепре [30].
Основные компоненты межклеточного матрикса
Одним из основных компонентов межклеточного матрикса является коллаген. В настоящее время выделяют 27 типов коллагенов, из которых в коже обнаружено 9 типов [4]. Наиболее распространенным является коллаген I типа. Данный тип коллагена представлен плотно упакованными толстыми волокнами, основной его функцией является препятствие растяжению. Коллаген II типа образует рыхлую сеть коллагеновых волокон, его основная функция — сохранение устойчивости кожи к перепадам давления. Коллаген III типа образует рыхлую сеть тонких волокон, функция которых — поддержка структуры крупных органов. Кроме того, данный тип коллагена вносит свой вклад в стабильность сосудистой стенки, поскольку мутации генов, кодирующих эти молекулы, приводят к разрывам сосудов в процессе эмбрионального развития [2]. Коллаген IV типа составляет основную часть базальной мембраны эпидермодермальной зоны, сосудов и придатков кожи. Ингибирование синтеза коллагена при нарушениях сборки его фибрилл тормозит развитие микрососудов [3]. Коллаген V типа располагается преимущественно в сосочковом слое дермы и вокруг базальных мембран сосудов, нервов и придаточных образований кожи, а также в пограничной эпидермодермальной зоне. Коллаген VI типа пронизывает всю дерму в виде сети [4]. Коллаген VII типа формирует прикрепляющие фибриллы сосочкового слоя дермы. Коллаген VIII типа является главным компонентом десцеметовых мембран эндотелия роговицы. Коллагены IX и XII типов являются фибрилл-связывающими коллагенами, эти коллагены прикрепляются к поверхности фибрилл на определенном расстоянии друг от друга и взаимодействуют как с фибриллами, так и с другими компонентами межклеточного матрикса; эти соединения делают структуру коллагена более прочной. Помимо коллагена в межклеточном матриксе располагаются и другие белковые молекулы (см. таблицу). Наиболее многочисленную популяцию клеток дермы представляют фибробласты. Они контролируют массу и целостность внеклеточного матрикса путем регулируемого по принципу обратной связи синтеза коллагена и эластина, синтеза основного вещества, а также путем участия в разрушении вышеуказанных элементов [5]. Ультраструктурные изменения компонентов внеклеточного матрикса интенсивно происходят на этапе формирования тканей во время эмбриогенеза, при раневом процессе, в ответ на воздействие инфекционных агентов, а также при различных патологических состояниях. Данный процесс во внеклеточном матриксе осуществляется опосредованно через белки интегрины, а также синдеканы — протеогликаны внеклеточного матрикса или же посредством белков-ферментов, обладающих способностью модифицировать ферменты внеклеточного матрикса — матриксные металлопротеиназы [1]. Внеклеточный матрикс принимает участие в формировании так называемых ниш для стволовых клеток — пространства со специфичным микроокружением, поддерживаемым для сохранения пула стволовых клеток [6]. На сегодняшний день известно, что подобные «ниши» есть во всех органах у взрослых людей. Одним из компонентов этих образований является гликозаминогликан гепарансульфат, а молекулы интегринов играют важную роль в передаче сигналов к стволовым клеткам, регулируя их пролиферацию и способность мигрировать из «ниши» [7]. Известно, что молекулы внеклеточного матрикса взаимодействуют с ростовыми факторами. В частности, фактор роста фибробластов и фактор роста сосудистого эндотелия связываются с гепарансульфатом, который, таким образом, выступает в качестве «резервуара» для данных молекул и посредника в процессах передачи сигнала. Взаимодействие фактора роста сосудистого эндотелия с белками межклеточного матрикса играет важную роль в процессе «ангиогенного переключения» при опухолевом росте [8]. В целом можно отметить, что факторы роста вместе с матриксными металлопротеиназами регулируют состояние внеклеточного матрикса: факторы роста индуцируют локальную продукцию компонентов внеклеточного матрикса, в то время как матриксные металлопротеиназы осуществляют их деградацию и изменение его структуры, обеспечивая существование внеклеточного матрикса в качестве динамичной среды для существования и передвижения клеток [9].
Изменения межклеточного матрикса при старении
Процесс старения представляет собой динамичное явление, влияющее на все системы. В коже признаки старения проявляются в виде морщин и птоза в результате структурных изменений на молекулярном уровне, в первую очередь касающихся состояния межклеточного матрикса [10]. Старение кожи связано с изменением коллагеновых и эластических волокон. В частности, с возрастом уменьшается коллагеновая сеть в коже, что является результатом повышенной активности коллагеназ. В это же время происходит снижение уровня синтеза коллагена, что, таким образом, резко ограничивает репаративные механизмы в отношении коллагеновых волокон, которые начинают также характеризоваться неупорядоченностью. Изменения претерпевают эластические волокна, что приводит к снижению эластичности и упругости кожи. Фибробласт, являясь основной коллагенобразующей клеткой, обеспечивает процесс обновления дермы. Ограничение пролиферативной способности дермальных фибробластов при старении свидетельствует о нарушении их функциональных свойств: угнетении продукции углеводно-белковых комплексов основного вещества и волокон дермы, снижении синтеза многочисленных факторов роста клеток, а также преждевременной деградации компонентов внеклеточного матрикса. Все это неизбежно приводит к нарушению регенерации дермы и формированию признаков старения кожи [11]. Важно отметить, что старение кожи является результатом двух процессов — хроностарения, характеризуемого изменениями в коже, подобными тем, что происходят во внутренних органах, а также фотостарения, свойственного только коже. Два вышеуказанных процесса изменяют эластические свойства кожи различными путями. Возрастное старение кожи связано с потерей эластических волокон в результате протеолитической деградации, ассоциированной со снижением синтеза эластина в увядающей коже. При фотостарении в средних отделах дермы определяются массивные депозиты эластина, потерявшего свои функциональные характеристики. Таким образом, на участках кожи, подверженной в большей степени воздействию УФ-излучения, признаки старения являются выражением как «эндогенного», так и «экзогенного» механизмов увядания кожи [12]. На основании данных фактов сформированы современные концепции коррекции возрастных изменений кожи: стимуляция продукции коллагена ретиноевой и аскорбиновой кислотами. Предпринимались попытки вводить в кожу ингибиторы эластазы, разрушающей эластин, но их клиническая эффективность оказалась незначительной [13]. Столь же дискутабельными являются эффекты внутридермального введения гиалуроновой кислоты — компонента межклеточного матрикса, регулирующего гидратирование дермы посредством способности данного соединения связываться с водой [12]. При патологических процессах, происходящих в коже, компоненты межклеточного матрикса претерпевают существенные изменения, которые захватывают как волокнистые структуры, так и основное вещество.
Раневой процесс и межклеточный матрикс
У здоровых людей процесс заживления раны начинается сразу же после действия повреждающего фактора: тромбоциты из периферического кровотока мигрируют в зону раневого дефекта и начинают активно взаимодействовать с коллагеном и другими компонентами внеклеточного матрикса. Это приводит к повышению функциональной активности тромбоцитов, продукции и выделению тромбогенных и ростовых факторов, а также цитокинов, что вызывает формирование временного фибринового тромба, миграцию нейтрофилов, фагоцитирующих чужеродные микроорганизмы, фрагменты поврежденных и мертвых клеток. Позднее в очаге раны появляются макрофаги, которые также обладают фагоцитарной активностью, но помимо этого они продуцируют медиаторы воспаления, индуцирующие процессы пролиферации посредством активации фибробластов, синтезирующих компоненты внеклеточного матрикса [14]. Фактором, индуцирующим развитие «респираторного взрыва» в коже при ее повреждении, является повреждение коллагена I типа, вследствие чего увеличивается продукция цитокинов лейкоцитами, что обеспечивает хемотаксис необходимых типов клеток в очаг поражения. Фибронектин посредством интегринов связывает клетки, обеспечивая их депонирование в области раны. Помимо этого молекулы фибронектина, полимеризуясь, меняют свою конформацию, что сопряжено с потерей экспрессии интегринов, а также других молекул, опосредующих регуляторную активность фибронектина в отношении формирования клеточно-матриксных адгезионных контактов, передачи сигнала клеткам [15]. Ламинин участвует в неоангиогенезе, ламинин-5 восстанавливает целостность базальной мембраны в области дермо-эпидермального соединения [16]. Гиалуроновая кислота способствует удержанию воды во внеклеточном матриксе, а также вместе с другими гликозаминогликанами функционирует как сигнальная молекула, регулируя синтез и секрецию фибробластами и эндотелиальными клетками необходимых для дальнейшего восстановления ткани факторов роста и цитокинов [17]. Ростовые факторы, депонируемые во внеклеточном матриксе, функционируют в качестве постоянного источника цитокинов, которые регулируют начальные стадии воспаления и процесса заживления раны, индуцируют миграцию клеток — участников воспаления и обеспечивают их направленную активность. Длительно незаживающие раны характеризуются высоким уровнем ферментов, вызывающих деградацию внеклеточного матрикса, нарушениями синтеза цитокинов и наличием стареющих фибробластов со сниженной функциональной активностью [18]. Помимо этого фибробласты в таких раневых дефектах не экспрессируют на своей поверхности рецепторы к молекулам интегринов, что необходимо для их связывания с фибронектином и обеспечения процесса перемещения кератиноцитов от базального слоя эпидермиса в его вышележащие слои [19]. С учетом особенностей функционирования внеклеточного матрикса при хронических ранах терапевтические подходы в данном случае должны включать: локальное использование факторов роста, которые могут стимулировать заживление раны; применение компонентов внеклеточного матрикса, полученных биотехнологическим путем для закрытия раневого дефекта и восстановления архитектоники ткани в пораженной области, а также для индукции синтеза собственных факторов роста; нанесение синтетических материалов, богатых коллагеном, для абсорбции матриксных металлопротеиназ, в избытке присутствующих в ране [14].
Внеклеточный матрикс и формирование рубцовой ткани
Неразрывно связан с нарушением соотношения компонентов межклеточного матрикса, и в первую очередь коллагена, процесс формирования патологических рубцов. Считается, что ведущую роль в патологическом образовании соединительной ткани играют нарушения во взаимоотношениях между фибробластами и макрофагами [20]. Патологические рубцы являются примером заболевания, в основе которого лежит повышенная пролиферативная активность фибробластов, индуцируемая такими цитокинами, как трансформирующий фактор роста-β, инсулиноподобный фактор роста 1, интерлейкин (ИЛ)-1 [21]. Сами же фибробласты синтезируют протеазы (коллагеназу, гиалуронидазу, эластазу), тромбоцитарный фактор роста, эпидермальный фактор роста, коллаген, эластин. Повышение уровня функционально активных фибробластов в месте патологического процесса, а также недостаток макрофагов, активно синтезирующих коллагеназу, обусловливают предпосылки для накопления коллагена, что и определяет характер дальнейших изменений рубцовой ткани. В гипертрофических и келоидных рубцах образование коллагена преобладает над его распадом из-за недостатка коллагеназы — фермента, расщепляющего коллаген, вследствие чего развивается мощный фиброз. Предполагается, что размер рубца, который остается на коже после заживления раны, зависит главным образом от активности колагеназы [22]. В настоящее время уже достаточно хорошо установлены основные причины спонтанного регресса рубцов. Одной из причин регресса рубца является уменьшение количества в рубцах так называемых раневых фибробластов (миофибробластов), которые оказались в данной зоне в ходе репарации поврежденной ткани. Именно эта популяция клеток «короткоживущих фибробластов» играет основную роль в репаративных процессах. Она же отвечает за отложение в зоне повреждения избыточного количества компонентов внеклеточного матрикса. Другой причиной регресса рубцов является включение в процесс деструкции избыточного матрикса (прежде всего коллагена) матриксных металлопротеиназ, которые секретируются макрофагами, кератиноцитами, эндотелиальными клетками и самими фибробластами [6]. Уменьшение количества миофибробластов и активность матриксных металлопротеиназ являются причиной перехода рубца из категории «гипертрофических» в «гипо- и атрофические». Отмечено, что трансформирующий фактор роста-β3, широко представленный в эмбриональной коже, обладает способностью к восстановлению раневых дефектов без формирования рубцов. В связи с этим проводятся испытания рекомбинантного трансформирующего фактора роста-β3 для терапии рубцов у взрослых людей.
Воспалительные заболевания кожи и внеклеточный матрикс
Патологические изменения межклеточного матрикса наблюдаются практически при всех воспалительных и невоспалительных процессах, происходящих в коже, а также при ряде дерматозов, таких как дискоидная красная волчанка, дерматомиозит, склерозирующий лишай, кольцевидная эритема. В частности, при ограниченной склеродермии из-за неизвестных на сегодняшний день причин развивается инфильтрация дермы моноцитами, которые продуцируют ряд провоспалительных цитокинов, в частности ИЛ-4, -6, усиливающих пролиферативную активность фибробластов [23]. Это приводит к повышению уровня синтеза коллагена в дерме. Помимо этого ИЛ-4 регулирует уровень трансформирующего фактора роста-β, который, в свою очередь, вызывает снижение уровня коллагеназы и повышает помимо коллагена содержание в коже других молекул межклеточного матрикса — фибронектина, тенасцина [24]. С другой стороны, ИЛ-4, -6, а также фактор некроза опухоли-α обусловливают снижение секреции активированными Т-лимфоцитами интерферона-γ, который является ингибитором синтеза проколлагена фибробластами [24]. Именно повышенное содержание коллагена в дерме, а также избыточная пролиферация других белков — компонентов межклеточного матрикса обеспечивают развитие характерных для данного заболевания плотных бляшек. Новые подходы к терапии ограниченной склеродермии включают применение агентов, вызывающих репрессию процессов фиброзирования кожи. В частности, с этой целью в эксперименте был применен иммуноглобулин G, который индуцировал активность матриксных металлопротеиназ и экспрессию хемокинов, вызывающих деструкцию избыточно синтезируемых компонентов межклеточного матрикса [25]. При инъекциях плазмиды, содержащей фактор роста гепатоцитов, отмечалось повышение уровня трансформирующего фактора роста-β, что также препятствовало развитию фиброза [26]. При воспалительных заболеваниях кожи изменения со стороны межклеточного матрикса наблюдаются преимущественно при процессах пролиферации, происходящих в коже. Фибробласты принимают участие в синтезе гликозаминогликанов, а также синтезируют волокнистые структуры, такие как коллаген, эластин, ретикулин. При хронических воспалительных заболеваниях в коже отмечается скопление большого числа активированных макрофагов в одном участке кожи. Макрофаги усиливают привлечение фибробластов в очаг воспаления, стимулируют пролиферацию эндотелиальных и гладкомышечных клеток, формирование базальной мембраны и, таким образом, образование микрососудов.
Наследственная патология, связанная с изменениями межклеточного матрикса
Синдром Элерса — Данлоса — наследственное заболевание, характеризующееся гиперэластичностью кожи, при котором различают шесть подтипов [27]. При I, «классическом», подтипе синдрома синтезируется патологический коллаген V типа, что приводит к повышенной растяжимости кожи, склонности к образованию рубцов, гиперподвижности суставов. При синдроме Элерса — Данлоса VI типа наблюдается дефицит фермента лизилоксидазы. При этом не происходит гидроксилирования лизина, нарушается процесс сшивок между полипептидными цепями, и молекула коллагена характеризуется необычно высокой растворимостью. Кроме того, у таких пациентов резко повышается содержание гиалуроновой кислоты, уменьшается количество коллагеновых волокон и относительно увеличивается число эластических волокон. Все эти патоморфологические изменения обеспечивают клинические проявления данного подтипа синдрома: повышенную подвижность суставов, мышечную гипотонию в детском возрасте, сколиоз. Синдром Марфана — наследственное заболевание с полиорганными патологическими изменениями. Изменения кожи характеризуются ее легкой растяжимостью и образованием стрий растяжения, повышенной ранимостью, недоразвитием подкожной жировой клетчатки. В основе развития синдрома лежит мутация гена, кодирующего фибриллин-1, который является обязательной составляющей микрофибрилл — основного структурного и регуляторного компонента внеклеточного матрикса. Фибриллин-1, взаимодействуя с интегринами, принимает участие в осуществлении межклеточной адгезии. Дефектный фибриллин, синтезируемый в результате мутации гена, приводит к функциональной несостоятельности внеклеточного матрикса, что обеспечивает появление клинических признаков заболевания, в частности дилатации аорты. Более того, на сегодняшний день известно, что фибриллин-1 регулирует активацию фактора трансформирующего роста-β, который принимает участие в развитии реакций воспаления, фиброза, а также активации матриксных металлопротеиназ [28]. При сutis laxa (синдром вялой кожи) изменения внеклеточного матрикса связаны с потерей эластических волокон в коже. Вследствие потери эластичности кожа становится вялой, появляется складчатость, легко растягивается с замедленным возвращением к исходному состоянию, становится избыточной, что способствует образованию крупных провисающих складок. При синдроме Гренблад — Страндберга изменения внеклеточного матрикса связаны с увеличением содержания в коже гиалуроновой кислоты, а также хондроитинсульфатов. Развитию данного процесса способствует недостаток нескольких ферментов лизосом. В результате гликозаминогликаны накапливаются в клетке. Одним из проявлений заболевания служит повышенная ломкость и разрушение кровеносных сосудов, которое связано с поражением эластических волокон сосудов. У таких пациентов в дерме обнаруживают скопление измененных эластических волокон, уменьшение количества коллагеновых волокон, их утолщение и расщепление.
Атрофии кожи и межклеточный матрикс
Достаточно выраженные изменения со стороны внеклеточного матрикса наблюдаются при атрофиях кожи: при старческой, пятнистой, червеобразной, идиопатической атрофодермии Пазини — Пьерини, стероидной, полосовидной атрофии. При всех видах данных нарушений изменения со стороны внеклеточного матрикса связаны главным образом с дистрофическими изменениями коллагеновых волокон, дегенерацией эластических волокон. При стероидной атрофии наблюдается резорбция основного вещества, при этом расстояние между коллагеновыми волокнами увеличивается, наблюдаются их перераспределение и изменения в фиброзной сети. Полосовидная атрофия кожи характеризуется значительными изменениями микроциркуляторного русла и волокнистого каркаса межклеточного вещества. Отмечается снижение количества фибробластов [11].
Изменение межклеточного матрикса при некоторых инфекционных заболеваниях
Нарушения компонентных составляющих межклеточного матрикса наблюдаются и при таких инфекционных заболеваниях, как лепра, боррелиоз, имеющих дерматологические проявления. Патогномоничным для боррелиоза является генерализованное поражение кожи в виде хронического атрофического акродерматита Герксгеймера [29]. При этом кожа становится сухой, морщинистой, теряет эластичность и истончается, напоминая по внешнему виду папиросную бумагу (или печеное яблоко) — симптом Поспелова. Сквозь истонченную кожу просвечивают сосуды [29]. При боррелиозе в коже происходит отек сосочкового слоя дермы, пучки коллагеновых волокон ориентированы параллельно эпидермису и варьируют от нескольких пучков до большого скопления. Внутри инфильтрата наблюдаются фрагменты коллагеновых волокон и отсутствие эластических волокон под инфильтратом, наблюдается дезорганизация и деструкция коллагеновых волокон. На поздних стадиях заболевания происходит полное разрушение коллагеновых и эластических волокон. Выраженные морфологические изменения компонентов межклеточного матрикса сопровождают развитие лепроматозного процесса. В пораженной коже наблюдаются изменения структуры коллагеновых волокон и резкое уменьшение количества эластических волокон [30]. На молекулярном уровне при лепре определяются матриксные металлопротеиназы в центральных отделах гранулем, где также преобладают макрофаги и эпителиоидные клетки. При этом сравнительно редко выявляемые признаки некроза в пораженной ткани свидетельствуют о балансе между продукцией матриксных металлопротеиназ при данном заболевании и регуляцией их активности. Напротив, при туберкулезном поражении кожи повышенный уровень матриксных металлопротеиназ коррелирует со степенью деструктивных изменений в очаге поражения [31]. Помимо этого показано, что M. leprae обладают способностью связываться с ламинином-2, что позволяет микроорганизму инфицировать шванновские клетки, обусловливая в дальнейшем появление неврологической симптоматики у больных лепрой. Известно, что неврологические изменения, возникающие при данном заболевании, не поддаются обратному развитию или коррекции. Поэтому блокирование взаимодействия между белками межклеточного матрикса и патогенным микроорганизмом может являться новым терапевтическим подходом для предотвращения поражения нервной системы при лепре [30].