Общие закономерности кроветворения

7.5.1. Кроветворные клетки-предшественницы

Ежечасно в крови человека разрушаются, заканчивая свой жизненный цикл, и вновь образуются 20 млрд, тромбоцитов, 10 млрд, эритроцитов и 5 млрд, лейкоцитов. В результате количество этих клеток остается в крови на постоянном уровне. Примерно каждые два года в организме человека про­изводится масса клеток крови, равная массе его тела. Пролиферативный потенциал кроветворной ткани заключен в стволовых кроветворных клет­ках (СКК)-предшественницах. Согласно одной точке зрения, эти клетки способны к самообновлению, т. е. производству дочерних СКК, на протя­жении всей жизни человека. Другая точка зрения допускает, что человек рождается с готовым «запасом» СКК, которые до дифференциации в опре­деленные клетки-предшественницы костного мозга находятся в состоянии фазы клеточного покоя — G_o. Выход СКК из состояния покоя G_o сопрово­ждается производством дочерних СКК и их дифференциацией в направле­нии: 1) клетки-предшественницы всех линий миелопоэза — гранулопоэза, моноцитопоэза, мегакариоцитопоэза и эритропоэза; 2) клетки-предшест­венницы Т-лимфоцитов; 3) клетки-предшественницы В-лимфоцитов. Все клетки-предшественницы получили название колониеобразующцх клеток (КОК). В костном мозге имеются: 1) гранулоцитарно-моноцитарно-мега- кариоцитарно-эритроцитарная колониеобразующая единица (КОК- ГММЭ), формирующая гранулоциты, макрофаги, мегакариоциты и эрит­роциты; 2) пре-КОК-Т, представленная Т-клеточными субпопуляциями; 3) пре-КОК-В, которая состоит из В-лимфоцитов. КОК-ГММЭ дифферен­цируется в би- и унипотентные КОК, которые также классифицируют по произведенному ими потомству при культивировании in vitro. Нейтро­фильные гранулоциты и макрофаги образуются из общей КОК, которая называется КОК гранулицитарно-моноцитарная (KOK-ГМ), а из КОК- ЭМег образуются колонии из эритроидных клеток и мегакариоцитов. Би- потентные клетки дифференцируются в направлении каких-либо двух ли­ний гемопоэза. Формирующиеся из них унипотентные КОК образуют клетки только одной линии гемопоэза. В связи с этим возникли их назва­ния — КО К-эритроцитарные, эозинофильные, базофильные, тучно-кле­точные, нейтрофильные, мегакариоцитарные.

Клетки-предшественницы несут на мембране различные антигенные структуры, по которым эти клетки можно дифференцировать и с помощью моноклональных антител. Так, определяемая на основании данного подхо­да, самая ранняя СКК человека (стадия развития СКК, предшествующая

КСФтучн.кл.

КОКэр. -*-------- Эритроциты

Кейлоны, ингибитор =L эритропоэза

КОКмег.

Рис. 7.12. Регуляция формирования кроветворных клеток.

СКК — стволовая кроветворная клетка; КОК-лимф. — колониеобра­зующая клетка лимфоцитарная; пре-КОК-Т — колониеобразующая клетка- предшественница Т-клеток;

пре-КОК-В — колониеобразующая клетка-предшественница В-клеток; КОК-ГММЭ — колониеобразующая клетка гранулоцитарно-мегака- риоцитарно-моноцитарно-эритроцитарная;

КОКнейтр.эоз. —- колониеоброзующая клетка нейтрофильно-эозино­фильная;

КОК-ГМ — колониеобразующая клетка гранулоцитарно-моноцитар­ная;

КОКэр.эоз. — колониеобразующая клетка эритроцитарно-эозино­фильная;

КОКгр.эр. — колониеобразующая клетка гранулоцитарно-эритроци­тарная;

КОКэр.мег. — колониеобразующая клетка эритроцитарно-мегакарио- цитарная;

КОКбаз. — колониеобразующая клетка базофильная;

КОКтучн.кл. — колониеобразующая клетка тучноклеточная;

КОК-мег. — колониеобразующая клетка мегакариоцитарная;

КОК-нейтр. — колониеобразующая клетка нейтрофильная;

КОК-эоз. — колониеобразующая клетка эозинофильная;

КОК-мон. — колониеобразующая клетка моноцитарная;

КОК-эр. — колониеоброазующая клетка эритроцитарная;

ФБ — фибробласт;

ФСК — фактор стволовой клетки; его связанная и растворимая фрак­ции синтезируются фибробластом;

C-kit — рецептор ФСК на мембране стволовой кроветворной клетки, контролируемый C-kit геном (взаимодействие СКК со связаной фрак­цией ФСК делает ее чувствительной к действию растворимой фракции ФСК, ИЛ-1 и ИЛ-6, вызывающих ее дифференциацию в КОК- ГММЭ);

ЭЦМ — экстрацеллюлярный матрикс;

ИЛ-1 ~ интерлейкин-1;

ИЛ-3 — интерлейкин-3;

ИЛ-4 — интерлейкин-4;

ИЛ-5 — интерлейкин-5;

ИЛ-6 — интерлейкин-6;

ИЛ-7 — интерлейкин-7;

ИЛ -11 — интерлейкин-11;

КСФ-ГМ — колониестимулирующий фактор гранулоцитарно-моноци­тарный;

КСФ-Г — колониестимулирующий фактор гранулоцитарный; КСФ-мон — колониестимулирующий фактор моноцитарный;

ТРФ-р — трансформирующий рост фактор- (секрет а-гранул тромбо­цитов).

— регуляция на основе отрицательной обратной связи (направле­ние угнетающего эффекта);

—► — направление дифференциации клеток;

—► — регулирующее влияние.

КОК-ГММЭ) несет дифференцировочный маркер CD 133 и такие клетки обозначаются как CD 133+ (положительные); из CD 133+ образуются клетки, предшествующие КОК-ГММЭ, несущие маркер CD 34, и обозна­чаемые как CD 34+. У человека CD 133+ СКК обнаруживают наибольшую пролиферативную активность из всех распознаваемых с помощью моно­клональных антител СКК — их пролиферативная активность в несколько раз выше, чем у CD 34+ клеток. КОКгммэ способна совершать до 21 ми­тоза. Бипотентные КОК также обладают значительной способностью к размножению. Например, КОК-ЭМег, будучи стимулированной ростковы­ми факторами, способна совершать до 13 митозов и образовывать затем сотни КОК-Э, из которых формируются тысячи эритроидных клеток. Ко­личество КОК-ГММЭ составляет 2—5 • 10⁵ содержащих ядро клеток кост­ного мозга, количество КОК-ЭМег достигает 40—120-10⁵ клеток в кост­ном мозге, а содержание КОК-Э — 200—600 • 10⁵ КОКЭ способна к 2—4 делениям. Из каждой КОК-Э образуется до 50 эритроцитов. КОК-ГМ спо­собна совершать 5—6 делений, образующиеся из нее КОК-Г и КОК-М — еще 5—6 делений каждая. Это позволяет одной KOK-ГМ формировать ты­сячи зрелых клеток-потомков — гранулоцитов и моноцитов (рис. 7.12).

Дифференциация клеток-предшественниц КОК-ГММЭ до унипотент­ных КОК сопровождается формированием рецепторов к гемопоэтическим цитокинам (гормонам) — интерлейкинам (ИЛ), колониестимулирующим факторам (КСФ), эритропоэтину, тромбоцитопоэтину, к нейромедиато­рам, катехол-аминам, тиреотропному гормону, производным тестостерона, поэтому перечисленные гормоны регулируют пролиферацию и дифферен­циацию клеток крови.

7.5.2. Регуляция пролиферации и дифференциации КОК

Рост различных КОК в культурах удается получить, добавляя стимулирую­щие его факторы. Отсюда факторы, стимулирующие образование грануло­цитарных колоний, получили название «колониестимулирующие факторы гранулоцитарные» — КСФ-Г, макрофагальные — КСФ-М, гранулоцитар­но-макрофагальные — КСФ-ГМ, эозинофильные — КСФэоз (ИЛ-5), мега- кариоцитарные — КСФмег (тромбопоэтин), стимулирующие развитие ко­лоний из КОК-ГММЭ — мульти-КСФ или интерлейкин-3 (ИЛ-3).

ИЛ-3 и КСФ-ГМ стимулируют пролиферацию и дифференциацию не только КОК-ГММЭ, но и бипотентных КОК—KOK-ГМ, КОК-нейтро- фильно-эозинофильных и др. В связи с этим ИЛ-3 и КСФ-ГМ рассматри­ваются как неспецифические факторы, поддерживающие самообновление и пролиферацию КОК-ГММЭ и бипотентных КОК. Все КСФ гликопро­теины относятся к полипептидным гормонам, которые регулируют Гемо­поэз. Источниками ИЛ-3 и КСФэоз (ИЛ-5) являются Т-лимфоциты и спленоциты, КСФ-ГМ — Т-лимфоциты, моноциты, эндотелиальные клет­ки и фибробласты, КСФ-Г, КСФ-М-моноциты и фибробласты, а эритро­поэтина — перитубулярные и тубулярные клетки почек, купферовские клетки печени. Эти вещества получили общее название «гемопоэтические цитокины».

Гены, контролирующие синтез ИЛ-3, КСФ-Г и КСФ-М у человека, на­ходятся на дистальной части длинного плеча 5-й хромосомы, КСФ-Г — ло­кализованы у человека на 17-й хромосоме, эритропоэтины — на 7-й хро­мосоме.

Тяжелые нарушения в системе крови могут возникать при повреждении участков генома, ответственных за синтез молекулярных регуляторов гемо­поэза, за синтез их рецепторов на КОК. Так, например, причиной тяжелой наследственной гранулоцитопении (нейтропении детей), приводящей их к ранней гибели из-за легкой поражаемое™ микробными и вирусными ин­фекциями, является нарушенное воспроизводство КСФ-Г в организме больных. Гранулоцитопоэз и уровень нейтрофилов в крови быстро восста­навливается при введении КСФ-Г этим больным. Точечная мутация над­мембранного района рецепторов эритропоэтина вызывает их резкую акти­визацию даже при малых количествах эритропоэтина в крови, что приво­дит к усиленной пролиферации эритроидной ткани и развитию эритроци­тоза. Продукцию КСФ усиливают различные стимулы: гипоксия — эритро­поэтина; тромбоцитопения — тромбопоэтина; микробная инфекция — КСФ-ГМ, КСФ-Г, КСФ-М; гельминтная инфекция — КСФэоз (ИЛ-5). Каждый из перечисленных стимулов одновременно вызывает продукцию неспецифических ростковых факторов ИЛ-3 и КСФ-ГМ. При этом ИЛ-3 и КСФ-ГМ стимулируют как пролиферацию КОК-ГММЭ и КОК-бипотент- ных, так и формирование на их мембране рецепторов к КСФ, действие ко­торых направлено на унипотентные КОК. Поэтому высокие концентрации КСФ-Г, КСФ-М и т. д. стимулируют пролиферацию и дальнейшую диф­ференциацию унипотентных клеток-предшественниц гранулоцитарного, моноцитарного и других рядов.

На интенсивность продукции КСФ оказывает регулирующее влияние вегетативная нервная система. Так, введение животным а- и р-адренобло- каторов значительно уменьшает уровень КСФ в крови. Стимуляторами ге­мопоэза являются Т-лимфоциты (Т-хелперы). Действие на организм возбу­ждающих гемопоэз факторов (кровопотеря, высотная гипоксия и др.) вы­зывает миграцию лимфоцитов в костный мозг и активацию ими КОК. КСФ регулируют функции не только КОК, но и зрелых клеток крови. Так, КСФ-ГМ усиливает фагоцитарную активность, метаболизм, миграцию в ткани зрелых нейтрофилов и моноцитов-макрофагов. КСФ-Г стимулирует бактерицидную, фагоцитарную и цитотоксическую активность этих кле­ток. ИЛ-3 также усиливает цитотоксическую активность макрофагов, уве­личивает эозинофильную фагоцитарную активность, а КСФ-М — бактери­цидную и тумороцидную (разрушающую опухолевые клетки) функции мо­ноцитов и макрофагов. Ответ клеточных линий кроветворной ткани на стимул внешней среды реализуется через рецепцию не только гемопоэти­ческих цитокинов, но и медиаторов нервных окончаний, находящихся в костномозговой ткани. Так, в паренхиме костного мозга представлены симпатические и пуринергические нервные окончания. Первые из них секретируют адреналин, норадреналин, дофамин, вторые — нейрокини­ны — субстанцию Р и др. Рецепторы этих соединений представлены на КОК-ГММЭ, KOK-ГМ, КОК-Г, КОК-ЭРМЕГ, КОК-Э. Нейрокинины, связываясь с рецепторами на КОК, могут как усиливать, так и тормозить эффект гемопоэтических цитокинов на кроветворные клетки-предшест­венницы.

Например, связывание субстанции Р с рецепторами клеток-предшест­венниц активирует взаимодействие различных гемопоэтических цитокинов (ИЛ-3, ИЛ-6, КСФ-ГМ, ФСК и др.) с рецепторами этих цитокинов на указанных клетках-мишенях, вызывая сигнал трансдукции, направленный к геному клетки с последующей активацией пролиферации и дифферен­циации клеток. Напротив, нейрокинин А, секретируемый клетками стро­мы, связываясь с другими рецепторами этих же кроветворных клеток- предшественниц, взаимодействует с трансформирующим ростовым факто­ром р, снижая пролиферативный эффект кроветворных клеток. Это свиде­тельствует, что регуляция гемопоэза осуществляется в интересах целого организма и приспособительные реакции кроветворной ткани обеспечива­ются не только цитокинами, но и передачей к ней нервными волокнами регулирующих сигналов.

В регуляцию гемопоэза «включен» механизм ингибирования гумораль­ной обратной связью клеток-предшественниц продуктами, образуемыми клетками разных линий на последних этапах их созревания. Кислый изо­ферритин, продуцируемый зрелыми нейтрофилами, тормозит их новооб­разование из КОК-Г; образуемый ос-гранулами тромбоцитов «трансформи­рующий рост фактор-p» угнетает развитие КОКмег; простагландины се­рии Е, а- и p-интерфероны, продуцируемые макрофагами, тормозят про­лиферацию КОКмон; вещества ядер, вытолкнутых нормобластами, кейло­ны, образуемые зрелыми эритроцитами, тормозят дифференциацию КОК- Э. К цитокинам, тормозящим гемопоэз, относят опухольнекротизирую- щий фактор (ОНФ). Его рецепторы представлены на мембране различных КОК. Активация рецепторов ОНФ, в частности fas-рецептора опухольнек- ротизирующего фактора, на КОК вызывает выраженное угнетение гемо­поэза и «запускает» апоптоз-запрограммированную смерть клетки-пред­шественницы. Fas-опосредованный апоптоз стволовых кроветворных кле­ток лежит в основе ряда наследуемых форм недостаточности костного мозга.

7.5.3. Роль стромы гемопоэтических органов в регуляции кроветворения

Строма костного мозга [макрофаги, соединительнотканная оболочка, вы­стилающая костномозговую полость (эндост), костномозговые синусоиды, жировые клетки, соединительная ткань и нервные окончания] создает «ге­мопоэтическое индуцирующее микроокружение», необходимое для пролифе­рации, дифференциации и фиксации СКК в костном мозге, размножения и созревания миелоидных клеток. Оно включает ростковые факторы, а также экстрацеллюлярный матрикс, содержащий фибронектин, ламинин, коллаген и гликозаминогликаны.

Делящиеся КОК взаимодействуют преимущественно с эндостом, яв­ляющимся источником ростовых факторов. Более зрелые клетки распола­гаются ближе к костномозговым синусоидам, что облегчает выход созре­вающих клеток крови через стенку синусоида в кровь.

СКК, КОК-ГММЭ и малодифференцированые бипотенциальные клет­ки постоянно выходят из костного мозга в кровь и транспортируются в другие участки кроветворной ткани. Это обеспечивает постоянный обмен клетками между анатомически разделенными участками кроветворной тка­ни. Однако пролиферировать и дифференцироваться в клетки крови кро­ветворные клетки-предшественницы способны лишь в ткани костного мозга, и необходимые для этого условия создает ГИМ. Так, адгезивный гликопротеин — фибронектин выполняет «якорную», фиксирующую функ­цию в отношении КОК-ГММЭ и эритроидных КОК и одновременно уве­личивает их пролиферацию. Особые же микроворсинки ретикулярных и эндотелиальных клеток стромы фиксируют СКК и КОК-ГМ.

Строма костного мозга продуцирует КСФгм, КСФг, КСФмон, ИЛ-6, а также особый фактор — модулятор, «фактор стволовой клетки», который не вызывает пролиферации КОК, но резко усиливает пролиферативный эффект КСФ на эти клетки. При дефекте его воспроизводства стромой возникает нарушение кроветворения.

Нейтральные и кислые гликозаминогликаны увеличивают концентра­цию цитокинов в непосредственной близости от клеток-мишеней, а также проницаемость мембран гемопоэтических клеток для кальция. Цитокины у активируют в КОК формирование гемопоэтических вторичных мессендже- * ров, получивших название «сигнальные трансдукторы и активаторы транс­крипции» (STAT), «ядерные факторы» (NF-E1, NF-E2, NF-kb/REL). Вто­ричные мессенджеры обеспечивают быстрое распространение сигнала от | возбужденного цитокином рецептора гемопоэтической клетки к ее гено- I му, активируют транскрипцию его участков, ответственных за специализа-

! цию клетки-предшественницы, т. е. дифференциацию ее в направлении

J определенной клеточной линии — эритроидной, моноцитарной, нейтро- I фильной и т. д. Нарушение формирования вторичных мессенджеров в КОК, не позволяющее цитокину реализовать регулирующий эффект на кроветворную клетку-предшественницу, приводит к нарушениям крове­творения. Так, нарушение, вызванное мутацией в участке генома, ответст­венного за синтез одного из транскрипционных факторов — NF-E1 обры­вает развитие и влечет гибель эритроидных клеток на стадии проэритроб-, ластов.

7.5.4. Регуляция выхода форменных элементов крови из костного мозга в кровеносное русло

Сосудистая сеть костного мозга начинается от артерии, проникающей в кроветворную ткань через костный канал. Ответвления артерии формиру­ют элементарную морфофункциональную единицу костного мозга — «сину­соидальное дерево». Стенка синусоидов состоит из эндотелиальных клеток и лежащих на них со стороны гемопоэтической ткани широких мононукле- арных адвентициальных клеток. Гемопоэтическая ткань распространяется между синусоидами. Созревающие эритроидные и гранулоцитарные клет­ки, мегакариоциты и макрофаги прилегают к наружной поверхности сосу­дистых синусов.

Зрелые клетки из костного мозга попадают в кровь через отверстия ме­жду эндотелиальными клетками костно-мозговых синусоидов. Диаметр этих отверстий — 2,3 мкм, т. е. много меньше проходящих через них в кровь клеток. Поэтому мигрирующие клетки должны обладать хорошей деформируемостью, чтобы преодолеть барьер и выйти в кровь. Плохо де­формирующиеся ригидные ядра эритробластов, миелоцитов, промиелоци­тов не позволяют им мигрировать через отверстия в синусоиде. Напротив, хорошо деформирующиеся ядра зрелых гранулоцитов, моноцитов и лим­фоцитов дают им возможность пересекать эндотелий.

Важным условием миграции клеток в кровь является способность рети­кулоцитов и клеток белой крови к движению. Они пересекают узкие от­верстия синусоидов, выпуская в них сначала цитоплазматические отрост­ки — псевдоподии. В костномозговых синусоидах края эндотелиальных клеток тесно прилегают друг к другу и не позволяют клеткам проходить через отверстия между ними. Однако миграция клеток через них облегча­ется ритмичными расслаблениями синусоидов, которые уменьшают пере­крытие этими клетками пор. Поверхность эндотелиальных клеток частич­но покрыта адвентициальными клетками, которые легко скользят по ней благодаря сократительному аппарату, имеющемуся у адвентициальных кле­ток. Сокращаясь, адвентициальные клетки уменьшают покрываемую ими поверхность костномозговых синусоидов и увеличивают возможность ми­грации клеток через стенку синусоидов в кровоток.

Выход клеток в просвет синусоида возрастает под влиянием молеку­лярных регуляторов гемопоэза. Эритропоэтин стимулирует быстрый вы­ход ретикулоцитов, КСФ и бактериальный эндотоксин — нейтрофилов. Эритропоэтин ускоряет «сборку» цитоскелета ретикулоцитов, находящих­ся в костном мозге, увеличивает их деформабельность, что облегчает их выход через отверстия стенки синусоидов в кровь. Регуляторы облегчают формирование отверстий в эндотелии, уменьшая внешнюю поверхность эндотелия костномозгового синуса, покрытого адвентициальными клетка­ми. Например, инъекция животному эритропоэтина резко уменьшает его адвентициальный покров и ретикулоциты легко пересекают стенку сину­соида.

В норме небольшая часть клеток не достигает стадии созревания, поги­бает в костном мозге и подвергается фагоцитозу макрофагами, распола­гающимися на наружной поверхности костномозговых синусоидов. При­менительно к эритроидному ряду это явление называется неэффективным эритропоэзом, применительно к гранулоцитарному — неэффективным гра- нулопоэзом. Неэффективный гемопоэз охватывает от 2 до 10 % эритробла­стов и от 10 до 15 % костномозговых гранулоцитов. Их мембраны теряют сиаловые кислоты, в результате уменьшается отрицательный заряд мембра­ны и макрофаги легко фагоцитируют эти клетки. Неполноценные клетки в кровоток не поступают.

7.5.5. Особенности метаболизма кроветворной ткани

Масса костного мозга у взрослого человека составляет 4,6 % от массы тела, или 3,4 кг, в том числе масса красного костного мозга — 1,7 кг. Общее ко­личество ядросодержащих клеток достигает в среднем 8,1 • 10⁹ на кг от мас­сы тела, а занимаемый ими объем колеблется от 1320 до 4192 мл.

Клетки костного мозга представляют одну из наиболее пролиферирую­щих тканей организма. Для осуществления митоза клеток используется энергия макроэргических соединений, образующихся в процессе окисли­тельного фосфорилирования. Энергообмен в ткани костного мозга усили­вается при повышении пролиферативной активности. Например, усиление эритропоэза после кровопотери активирует в костном мозге процессы аэробного окисления, увеличивает скорость потребления кислорода клет­ками, интенсивность дыхания и окислительного фосфорилирования в их митохондриях. Одновременно раскрываются нефункционирующие сину­соиды и увеличивается кровоток в костном мозге, что укорачивает путь диффузии кислорода от отдельного сосуда к клетке. При активации гемо­поэза в костном мозге возрастает интенсивность синтеза ядерных и мито­хондриальных ДНК, РНК и белков, увеличивается количество и площадь поверхности митохондрий, растет общее число рибосом и потребление свободных аминокислот. Например, усиление регенерации эритроцитов увеличивает потребление в ткани костного мозга лизина, серосодержащих, ароматических аминокислот, глутаминовой кислоты. При их дефиците ре­генерация красной крови замедляется. Усиление пролиферации гемопо­этических клеток требует повышения проницаемости их мембран, что обеспечивается нарастанием интенсивности перекисного окисления липи­дов. Активации гранулопоэза и, особенно, эритропоэза предшествует ре­зорбция жировой ткани костного мозга. Высвобождающиеся из нее гемо­поэтические цитокины- КСФгм, КСФг активируют гемопоэз, а полинена- сыщенные жирные кислоты используются в ходе гемопоэза для формиро­вания клеток крови.