ФИЗИОЛОГИЯ ГЕМОПОЭЗА
ВВЕДЕНИЕ
Кроветворение
представляет собой сложный многостадийный
процесс клеточных делений и дифференцировок, в
результате которого образуются зрелые,
функционально полноценные клетки крови. Система
крови представляет собой чрезвычайно
динамичную, постоянно обновляющуюся ткань, в
норме быстро и точно реагирующую на изменяющиеся
запросы организма.
Выделяют восемь
основных типов зрелых клеток крови человека:
эритроциты, нейтрофилы, эозинофилы, базофилы,
моноциты, Т-лимфоциты, В-лимфоциты и тромбоциты.
Нейтрофилы, эозинофилы, базофилы, моноциты и
лимфоциты называются лейкоцитами. В норме у
взрослых кровь составляет примерно 7.5% массы
тела. Клеточные элементы составляют около 40%
объема крови, плазма - 60%. В крови взрослого
человека в норме находится приблизительно 25х10*12
эритроцитов, 3х10*10 лейкоцитов, 150х10*10 тромбоцитов.
Продолжительность существования большинства
зрелых клеток крови варьирует от нескольких
часов (нейтрофилы) до трех месяцев (эритроциты).
Погибшие клетки крови постоянно замещаются
новыми и ин- тенсивность этого процесса
обновления очень велика (ежедневно костный мозг
продуцирует около 10*13 клеток). Наверное, ни одна
ткань организма не может сравниться с системой
крови по скорости регенерации.
Кроветворение впервые
появляется в желточном мешке. В период от 6-й
недели до 6-7 месяца жизни зародыша основными
органами кроветворения являются печень и
селезенка, и эти органы продолжают участвовать в
крове-творении в первые 2 недели после рождения.
Костный мозг становится основным кроветворным
органом с 6-7 месяца жизни зародыша. Созревшие
клетки поступают в синусы костного мозга, затем в
микроциркуляцию костного мозга, а оттуда - в
общий кровоток.
У новорожденных весь
костный мозг является кроветворным, но по мере
развития происходит замешение кроветворной
ткани жировой. У взрослых кроветворный костный
мозг находится в костях центрального скелета, а
также в проксимальных отделах бедренных и
плечевых костей, и даже этот костный мозг на 50%
состоит из жира. В некоторых случаях жировой
костный мозг может замещаться кроветворным,
более того в печени и селезенке могут
развиваться очаги экстрамедуллярного
кроветворения.
КЛЕТКИ-ПРЕДШЕСТВЕННИЦЫ
КРОВЕТВОРЕНИЯ
Выделяют 6 основных
классов клеток крови, из которых 3 класса
включают в себя клетки-предшественницы
кроветворения. Класс стволовых клеток состоит из
наиболее ранних кроветворных клеток, дающих
начало всем клеткам системы крови. Эти клетки
характеризуются двумя основными осо-бенностями:
1) способностью к пролиферации и продукции новых
стволовых клеток, т.е. самоподдержанию и 2)
способностью ко всем видам дифференцировок, т.е.
к образованию всех видов клеток крови.
Морфологически эти клетки напоминают лимфоцит и
внешне неразличимы. Количество стволовых клеток
очень невелико (примерно 0.01% клеток костного
мозга), а потенциал очень велик (считается, что
для восстановления кроветворения достаточно
несколько тысяч клеток).
Предполагается, что
стволовые клетки вступают в процесс
дифференцировки и пролиферации стохастически,
т.е. случайно, но при этом дифференцируется не
более 40% клеток. Для дифференцировки и
пролиферации стволовых клеток необходимо
кроветворное микроокружение, состоящее из
клеток стомы (макрофагов, фибробластов,
эндотелиальных, жировых и ретикулярных клеток),
микрососудов и внеклеточного матрикса
(фибронектин, гемонектин, ламинин, коллаген и
мукополисахариды - сульфат гепарана). На
поверхности стволовых клеток имеются адгезивные
молекулы, которые соединяются с лигандами клеток
стромы и экстра-целлюлярного матрикса. Факторы
роста (например, фактор стволовой клетки),
продуцируемые клетками стромы соединяются с
мукополи-сахаридами, которые презентируют их
рецепторам стволовых клеток. В настоящее время
считается, что направление дифференцировки
стволовых клеток и их потомков определяется
прежде всего действием локальных факторов роста.
По мере созревания клетки теряют адгезивные
молекулы, что позволяет им покидать костный мозг.
Следующий класс
клеток составляют ближайшие потомки стволовой
клетки - полипотентные или бипотентные
(коммитированные) клетки-предшественницы,
дифференцировочный потенциал которых ниже
стволовых. Эти клетки образуют колонии в
различных средах, поэтому их называют
колониеобразуюшими единицами (КОЕ).
Коммитированность сопровождается появлением на
поверхности клеток рецепторов к различным
факторам роста - колониестимулирующим факторам
(КСФ), которые регулируют пролиферацию и
дифференцировку этих клеток.
Следующий класс
клеток составляют унипотентные клетки
предшественницы, которые могут
дифференцироваться только в направлении
определенного ростка. Регуляция их также
осуществляется с помощью гемопоэтических
факторов роста.
ГЕМОПОЭТИЧЕСКИЕ
ФАКТОРЫ РОСТА
Гемопоэтические
факторы роста - это гликопротеины, которые
регулируют пролиферацию и дифференцировку
клеток-предшественниц кроветворения, а также
функцию зрелых клеток крови. Основным местом их
действия является кроветворное микроокружение
костного мозга. Главными источниками этих
факторов роста являются Т-лимфоциты, макрофаги,
эндотелиальные клетки и клетки стромы, за
исключением эритропоэтина, 90% которого
синтезируется в почках. Основными
гемопоэтическими факторы роста являются:
- Действующие на стволовые и
полипотентные клетки - фактор стволовой клетки.
- Действующие на полипотентные
клетки - ИЛ3, ИЛ4, ИЛ6, ГМ-КСФ.
- Действующие на би- и
унипотентные клетки - Г-КСФ, М-КСФ, ИЛ-5 (Эоз),
эритропоэтин, тромбопоэтин, лимфо (ИЛ1,2,3,4,6,7,9,10,
гамма-ИФ).
- Действующие на клетки
микроокружения (стимуляция продукции ГМ-КСФ,
Г-КСФ, М-КСФ, ИЛ-6) - ИЛ1, ТНФ.
Эффект
гемопоэтических факторов роста осуществляется
при взаимо-действии с рецепторами
клеток-мишеней. Миелоидные и лимфоидные
гемопоэтические факторы роста:
- действуют при очень низких
концентрациях
- обычно продуцируются разными
типами клеток
- обычно действуют более чем на
один росток кроветворения
- могут действовать как на клетки
предшественницы, так и на более зрелые клетки
- синергично взаимодействуют с
другими факторами роста
- могут действовать на
злокачественные варианты нормальных клеток
- могут влиять на пролиферацию,
дифференцировку, созревание, функциональную
активность, ингибируют апоптоз.
Резкая стимуляция
кроветворения достигается воздействием ИЛ1, ФНО
на клетки микроокружения (стимуляция продукции
ГМ-КСФ, Г-КСФ, М-КСФ, ИЛ-6).
Ингибиторами
кроветворных клеток являются трансформирующий
фактор роста бета (действует на широкий спектр
кроветворных и некроветворных клеток), а также
ФНО и ИЛ4 (действуют на поздних предшественников
миелопоэза).
В клинике применяются
в основном рекомбинантные ГМ-КСФ, Г-КСФ
(постцитостатическая цитопения, трансплантация
костного мозга, лечение нейтропении,
апластической анемии и миелодисплазии, лечение
острых лейкозов) и эритропоэтин (анемия при
уремии, злокачественных опухолях).
ЭРИТРОПОЭЗ
Клетками-предшественницами
эритроидного ряда, которые культивируются in
vitro, являются общая
клетка-предшественницами миелопоэза, а также
эритроидные бурстобразующие и
колониеобразующие клетки.
Наиболее ранней
морфологически распознаваемой клеткой
эритроидного ряда в костном мозге является
пронормоцит, который представляет собой (при
обычной окраске по Романовскому-Гимза) крупную
клетку с темно-голубой цитоплазмой, центрально
расположенным ядром с ядрышками и
грубоватой структурой хроматина. В результате
нескольких клеточных делений и дифференцировки
образуются клетки меньших размеров -
базофильные, полихроматофильные и оксифильные
нормоциты. По мере развития клеток эритроидного
ряда уменьшаются размеры ядра, в цитоплазме
клеток снижается содержание РНК и
продуцирующих белок органелл (окраска
становится бледно-голубой) и накапливается
гемоглобин (окраска становится розоватой).
Оксифильный нормоцит теряет ядро и
превращается в ретикулоцит, который
сохраняет остатки рибосомальной РНК и еще
способен к синтезу гемоглобина.
Продолжительность эритропоэза около 12 суток.
Ретикулоциты, которые
несколько крупнее эритроцитов, в течении 1-2 суток
остаются в костном мозге, а затем поступают в
циркулирующую кровь, где окончательно созревают
в течении 1-2 суток (преимущественно в селезенке).
В процессе этого созревания они полностью
теряют РНК и способность к синтезу гемоглобина,
после чего приобретают морфологические признаки
эритроцита. Ретикулоциты в норме составляют 0,5-2%
эритроцитов периферической крови. Нормоциты в
норме в периферической крови не определяются ,
их появление может свидетельствовать о
внекостномозговом кроветворении или о патологии
костномозгового кроветворения.
Зрелый эритроцит
представляет собой безъядерную двояковогнутую
дисковидную клетку. Из одного пронормоцита
обычно образуется 16 эритроцитов. Эритроциты
циркулируют в кровотоке примерно 120 суток, после
чего они захватываются мононуклеарными
фагоцитами и разрушаются.
В регуляции
пролиферации и дифференцировки
клеток-предшественниц эритропоэза принимают
участие многочисленные стимуляторы и ингибиторы
(фактор роста стволовой клетки, ИЛ-3, ГМ-КСФ и др.),
но основным регулятором эритропоэза является
эритропоэтин. Молекулярный вес эритропоэтина 30
400, белковая часть его (61% массы) состоит из 165
аминокислот, 39% массы составляют углеводы. Время
полураспада эритропоэтина в плазме крови - 6-9
часов. В норме около 90% эритропоэтина
вырабатывается околоканальцевым комплексом
почек, а 10% - печенью и другими органами и тканями.
Сохраняющихся запасов эритропоэтина в организме
нет, и основным регулятором его продукции
является напряжение кислорода в ткани почек.
Продукция эритропоэтина возрастает при
снижении поступлении кислорода в ткани почек,
чему может способствовать анемия, неспособность
гемоглобина вследствии структурных или
метаболических причин нормально отдавать
кислород, снижение содержания кислорода в
воздухе, а также нарушение функции
сердечно-сосудистой и дыхательной систем или
кровоснабжения почек.
Эритропоэтин
способствует увеличению количества
клеток-предшественниц эритропоэза. Он
воздействует на рецепторы КОЕ-э и поздних БОЕ-э,
что приводит к стимуляции пролиферации,
дифференцировки и образова-ния гемоглобина.
При этом содержание клеток эритроидного ряда в
костном мозге возрастает, а в случаях
хронического увеличения продукции
эритропоэтина может развиваться замещение
жирового костного мозга клеточным или
внекостномозговое кроветворение.
С другой стороны,
увеличение содержания кислорода в тканях
(вследствии повышения количества эритроцитов
или способности гемоглобина отдавать кислород)
приводит к снижению продукции эритропоэтина.
Способностью
стимулировать эритропоэз обладают некоторые
гормоны, такие как андрогены, катехоламины,
тиреодные гормоны, соматотропный гормон и др.
Нормальный костный
мозг способен увеличить продукцию эритроцитов в
3-5 раз по сравнению с нормой через 1-2 недели после
мощной стимуляции, а при хронических
гемолитических анемиях эффективность
эритропоэза может возрастать в 5-7 раз.
НЕЙТРОФИЛОПОЭЗ
Нейтрофилы появляются
в результате деления и развития плюрипотентной
стволовой клетки в костном мозге. В
гранулоцитарном ряду созревание клеток связано
с их делением. Миелобласт и промиелоцит делятся
один раз, миелоцит - два раза. После этого клетки
созревают без деления, последовательно
превращаясь в метамиелоцит, палочкоядерный и
сегментоядерный гранулоциты. Продолжительность
нейтрофилопоэза - 6-10 дней. Регуляция продукции
нейтрофилов осуществляется сложной сис-темой
стимуляторов (ИЛ3, ГМ-КСФ, Г-КСФ и т.д.) и
ингибиторов грану-лоцитопоэза, которые
вырабатываются премущественно макрофагами,
моноцитами и нейтрофилами.
Палочкоядерные и
сегментоядерные нейтрофилы могут находиться в
костном мозге до 4 суток. Они покидают костный
мозг и поступают в кровь под действием таких
факторов, как ИЛ-1 и компонент комплемента С3е. В
норме примерно 90% всех нейтрофилов находится в
костном мозге, 2-3% в периферической крови и 7-8% - в
тканях. Примерно половину нейтрофилов
периферической крови составляют циркулирующие
клетки, а вторую половину - нейтрофилы
пристеночного пула. Таким образом, в анализе
крови мы определяет 1-1.5% всех нейтрофилов
организма. В ответ на хемотактические стимулы из
тканей (С5а, лейкотриен В4 и пр.) часть часть
циркулирующих нейтрофилов может переходить в
пристеночный пул. В периферической крови
нейтрофилы находятся в среднем 6-10 часов, а затем
попадают в ткани, где существуют 1-4 дня. Погибшие
нейтрофилы выводятся в основном через
желудочно-кишечный тракт.
Основная задача
нейтрофилов, противоинфекционная защита,
выполняется с помощью хемотаксиса (мобилизации и
миграции), фагоцитоза микроорганизмов и
внутриклеточного уничтожения и переваривания. В
ходе выполнения своей задачи нейтрофилы
погибают.
ЭОЗИНОФИЛОПОЭЗ
Эозинофилы внешне
похожи на нейтрофилы, за ислючением более грубых
цитоплазматических гранул оранжевого цвета,
содержащих т.н. основной протеин. Кроме того,
эозинофилы содержат кристаллы Шарко-Лейдена,
впервые описанные при лейкозе, а затем
выявленные в мокроте больных бронхиальной
астмой. Фрагметация ядра выражена меньше, редко
бывает более 3 долей ядра. Эозинофилопоэз
происходит в костном мозге и во многом сходен с
нейтрофилопоэзом. Помимо ИЛ3 и ГМ-КСФ в регуляции
эозинофилопоэза принимает участие ИЛ5.
Предшественники до эозинофильного миелоцита
неотличимы от нейтрофильных. Продожительность
пребывания эозинофилов в крови - до 15 часов.
Продолжительность
жизни эозинофилов в тканях (кожа,
желудочно-кишечный тракт,соединительная ткань)
значительно больше, чем у нейтрофилов, кроме
этого они способны переходить из тканей в
кровеносное русло. В крови находится менее 1% всех
эозинофилов организма.
Основными функциями
эозинофила являются участие в аллергических
реакциях, противопаразитарная защита организма
и удаление фибрина, возникшего в ходе
воспалительных процессов. Следует отметить, что
эозинофилы купируют, а не индуцируют
аллергические реакции (реакции
гиперчувствительности немедленного типа).
БАЗОФИЛОПОЭЗ
Количество базофилов
в периферической крови меньше, чем других клеток.
Отличительным признаком базофилов являются
темные цитоплазматические гранулы, которые
содержат гепарин и гистамин. Считается, что после
перехода в ткани базофилы превращаются в тучные
клетки, но это мнение разделяют не все. Тучные
клетки имеют на поверхности рецепторы к
иммуноглобулину Е. Основная функция базофилов и
тучных клеток - участие в аллергических и
воспалительных реакциях.
МОНОЦИТОПОЭЗ
Моноциты являются
частью системы мононуклеарных фагоцитов, в
которую кроме них их их предшественнико входят
тканевые макрофаги. Макрофаги - долгоживущие
клетки, способные выполнять функции, присущие
нейтрофилам. Кроме того, моноциты и макрофаги -
важные секретирующие клетки, участвующие во
многих иммунных и воспалительных реакциях, что
нехарактерно для нейтрофила.
Моноцитопоэз
происходит в костном мозге и во многом сходен с
нейтрофилопоэзом. В моноцитопоэзе выделяют
несколько морфологически различаемых стадий:
монобласт, промоноцит и моноцит. Регуляция его
существляется с помощью факторов роста и
ингибиторов (ИЛ3, ГМ-КСФ, М-КСФ и т.д.). В отличие от
нейтрофилов, у моноцитов нет крупного
костномозгового резерва. Среднее время
пребывания моноцитов в крови - 8-16 часов. Моноциты,
попадая в ткани, дифференцируются в макрофаги,
которые могут обладать специальными функциями в
зависимости от локализации тканей (в частности
макрофаги могут уничтожать опухолевые клетки).
Продолжительность пребывания макрофагов в
тканях - до нескольких лет.
ЛИМФОЦИТОПОЭЗ
В задачу данной лекции
не входит подробный разбор сложной системы
лимфоцитов, мы кратко остановимся лишь на
основных этапах лимфоцитопоэза. Основной
функцией лимфоцитов является участие в
различных иммунных реакциях. Выделяют три
основных вида лимфоцитов, Т-,В-лимфоциты и
большие гранулярные лимфоциты, которые в свою
очередь делятся на большое количество
субпопуляций. Все три вида лимфоцитов происходят
из костномозговых клеток-предшественниц
лимфоцитопоэза.
Предшественницы
Т-лимфоцитов из костного мозга мигрируют в тимус
во внутриутробном и раннем постнатальном
периоде. Т-лимфоциты отличаются от остальных
клеток иммунной системы тем, что их основной пул
создается в ранний период жизни, а затем
поддерживается поддерживается
антигенстимулированной экспансией долгоживущих
Т-клеток, находящихся в периферических
лимфоидных органах, откуда они могут попадать к
кровь и лимфу. Зрелые Т-лимфоциты в норме
составляют 70-80% лимфоцитов периферической крови.
Т-лимфоциты - важная
составная часть клеточного иммунитета. Часть
Т-клеток превращается в цитотоксические клетки,
разрушающие пораженные вирусами или чужеродные
клетки. Важнейшей функцией Т-лимфоцитов является
регуляция активности клеток иммунной системы с
помощью лимфокинов или прямого клеточного
контакта. Кроме того, Т-лимфоциты участвуют в
регуляции кроветворения. В процессе
дифференцировки на поверхности Т-лимфоцитов
формируются специфические белки, участвующие в
исполнении функций Т-клеток. По этим белкам можно
различать отдельные субпопуляции Т-лимфоцитов.
Регуляция созревания Т-клеток осуществляется с
помощью тимусных гормонов: тимопоэтина, тимулина
и тимозина. Пролиферацию Т-лимфоцитов
стимулирует ИЛ2.
Зрелые В-лимфоциты
составляют 10-15% лимфоцитов периферической крови.
Основной функцией В-лимфоцитов является
продукция антител - иммуноглобулинов,
участвующих в иммунных реакциях. Отдельный
В-лимфоцит может продуцировать только один
вариант иммуноглобулина, молекулу которого он
несет на своей поверхности. В-лимфоциты являются
потомками костномозновых предшественников, их
продукция продолжается в течении всей жизни.
Подобно эритроидным и миелоидным клеткам,
Т-лимфоциты замещаются в ходе костномозгового
В-лимфопоэза. Отличие В-лимфопоэза от миелопоэза
заключается в наличии антигеннезависимой и
антигеннезависимой фаз развития В-клеток. После
контакта с антигеном В-лимфоциты в лимфатических
узлах и селезенке превращаются в секретирующие
антитела плазматические клетки или в
долгоживущие В-лимфоциты памяти , способные к
пролиферации после повторного контакта с этим же
антигеном.
Большие гранулярные
лимфоциты (ранее называвшиеся "0-клетки")
составляют 10-15% лимфоцитов периферической крови.
Эти клетки участвуют участвуют в реакциях
антителонезависимой клеточной цитотоксичности,
а также обладают активностью натуральных
киллеров (т.е. способностью к неиммунному
неантителозависимому уничтожению
клеток-мишеней, обычно злокачественных. Многие
из этиз клеток несут на поверхности маркеры
Т-лимфоцитов и пролиферируют под действием ИЛ2.
ТРОМБОЦИТОПОЭЗ
Тромбоциты,
участвующие в гемостатических реакциях,
представляют собой фрагменты цитоплазмы
мегакариоцитов дискоидной формы, размером 1-2 мкм.
Продолжительность пребывания тромбоцитов в
кровеносном русле в норме составляет 7-8 суток. Из
одного мегакариоцита образуется в среднем 5000
тромбоцитов.
Мегакариоциты - очень
крупные клетки с характерным полиплоидным ядром,
которые легко определяются при микроскопии
костного мозга. Выделяют два основных вида
клеток-предшественниц мегакариоциов:
бурстобразующие единицы и колониеобразующие
единицы мегакариоцитопоэза, происходящие от
плюрипотентной стволовой клетки. На следующей
стадии мегакариоцитопоэза образуются
мононуклеарные костномозговые клетки малого
размера, которые несут на своей поверхности
специфические тромбоцитарные маркеры, но не
имеют морфологических признаков мегакариоцитов.
В ходе созревания клеток мегакариоцитарного
ряда важное место занимает процесс
эндорепликации ДНК, в результате которого
возникают полиплоидные мегакариоциты.
Пло-идность мегакариоцитов может варьировать от
4N до 32N. В зависимости от зрелости принято
выделять мегакарибласты, промегакариоциты и
мегакариоциты. По мере дифференцировки
плоидность клеток возрастает.
Регуляция
мегакариоцитопоэза осуществляется с помощью
стимуляторов и ингибиторов. Стимулирующим
эффектом обладают мегакариоцитарный
колониестимулирующий фактор, ГМ-КСФ, ИЛ3 и ИЛ6.
Ингибирующим действием обладают
трансформирующий фактор роста-бета и
тромбоцитарный фактор 4, которые содержатся в
тромбоцитах. Процесс дифференцировки
мегакариоцитов и образования тромбоцитов
регулируется с помощью недавно
идентифицированного тромбопоэтина.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
Кроветворение -
чрезвычайно сложный комплексный процесс,
нарушение которого приводит к развитию тяжелых
вариантов патологии, нередко несовместимых с
жизнью. В этих случаях единственная возможность
спасти больного - восстановление кроветворения.
Знание физиологии кроветворения - обязательное
условие успешной работы в различных областях
медицины. |
