Регуляция объёма клетки в норме и при патологии

Поддержание постоянного объёма внутриклеточной среды на фоне внеклеточных и внутриклеточных колебаний осмотического давления - проблема первостепенной важности, с которой сталкиваются все клетки. Большинство клеток отвечают набуханием или сморщиванием на активацию специфических метаболических и транспортных процессов, которые приводят объём клетки к норме. Эти процессы необходимы для нормального функционирования и выживания всех клеток. Эта публикация касается, тех событий, которые происходят в клетке и на уровне молекул, и от которых зависит поддержание объёмного гомеостаза в клетке. В статье обсуждаются вопросы практического применения этих знаний в клинике.

Основы регуляции объёма клеток

Что происходит при изменениях осмотического давления?
Вода находится в термодинамическом равновесии относительно клеточной мембраны. Другими словами, осмотическая концентрация цитоплазматической и внеклеточной жидкости в нормальных условиях равны. Изменение концентрации растворенного вещества в той или иной среде создают осмотический градиент. Поскольку мембрана клетки легко проницаема для воды, создание любого такого градиента немедленно приведет к потоку воды из клетки или в неё, чтобы восстановить нарушенное осмотическое равновесие. Поскольку мембраны клеток животных не могут создавать или поддерживать осмотический градиент, при изменении равновесия клетки либо набухают, либо сморщиваются.
На изменения объёма клетки реагируют путем активации механизмов, которые регулируют их объём. Процесс, в результате которого набухшая или сморщенная клетка возвращается к нормальному объёму называется, соответственно, регулируемое уменьшение и регулируемое увеличение объёма. Объём клетки может регулироваться только в результате захвата или выброса осмотически активных веществ. В большинстве своём - это неорганические ионы, например, натрий, калий и хлор, а также это могут быть органические молекулы небольшого размера, которые называются органическими осмолитами.

Транспорт электролитов и регуляция объёма.
Захват или выброс электролитов, регулирующих объём клетки регулируется процессами транспорта через мембраны. В большинстве животных клеток снижение объёма сопровождается потерей хлорида натрия в результате активации специфических каналов или транспортера для натрия и хлора одновременно. Увеличение объёма клетки сопровождается захватом как хлорида натрия, так и хлорида калия. Эти соли накапливаются в клетке в результате активации обменных каналов натрия на водород и ионов хлора на гидрокарбонат или активации транспортера для ионов натрия, калия и хлора. Система транспорта ионов в большинстве случаев оказывается вовлеченной в регуляцию объёма клетки. Эти транспортные пути активируются в течение нескольких секунд после изменения объёма. Такой быстрый ответ возможен потому, что эти каналы и транспортеры электролитов находятся либо на мембране клетки, либо внутри цитоплазматических цистерн, находящихся под мембраной.
Система транспорта ионов имеет очень важное значение: она участвует в регуляции объёма клетки, контролирует рН внутри клетки и осуществляет трансэндотелиальный транспорт соли и воды.

Органические осмолиты
Органические осмолиты в высоких концентрациях (десятки и сотни ммоль/литр) находят в цитозоле всех животных организмов, начиная от бактерии и заканчивая человеком. Эти вещества играют ведущую роль в объёмном гомеостазе клетки и могут действовать, как основные цитопротекторы. В животных клетках органические осмолиты делятся на три основных класса: полионы (сорбитол и миоинозитол), аминокислоты и их производные (таурин, аланин и пролин) и метиламины (бетаин и глицерофосфатхолин)
Органические осмолиты имеют уникальные биофизические и биохимические свойства, которые накапливаются в клетках без существенного изменения гомеостаза, структуры и функции. Напротив, другие вещества, например, электролиты или мочевина, могут повреждать клетку, когда они накапливаются в ней в высоких концентрациях или когда возникают большие сдвиги в их концентрации. Например, высокая концентрация внутри клетки неорганических ионов может вызвать денатурацию или преципитацию макромолекул клетки. Небольшие изменения концентрации электролитов внутри клетки изменяют ее мембранный потенциал, скорость ферментативных реакций и транспорт ионов через мембрану вследствие изменения ионного градиента.
Накопление органических осмолитов связано либо с энергозависимым транспортом их из внеклеточной среды, либо с изменением скорости синтеза и распада осмолитов. Регуляция объёма клетки путем накопления осмолитов - это медленный процесс по сравнению с транспортом и захватом электролитов и может продолжаться несколько часов. Процесс является медленным потому, что активация путей накопления органических осмолитов требует запуска процессов транскрипции и трансляции генов, кодирующих эти осмолиты и ферменты, необходимые для их синтеза.
Потеря клеткой органических осмолитов происходит в два этапа. Сначала происходит быстрая (в течение секунд) потеря органических осмолитов. В клетках животных этот выброс происходит через неселективные мембранные каналы, которые активируются при набухании клетки и пропускают также неорганические анионы. Второй механизм заключается в угнетении синтеза органических осмолитов в клетке. Естественно, это медленный процесс. При этом угнетается и синтез веществ, переносящих органических осмолитов. При снижении скорости транскрипции уровень РНК падает и количество функциональных белков уменьшается в течение нескольких часов или дней.

Система восприятия размера клетки
Мы до сих пор не знаем, как сигналы об изменении объёма клетки трансформируется в ответ. Однако ясно, что механизмы регуляции объёма очень чувствительны - например, клетки эпителия канальцев почек способны реагировать на изменение объёма в 3% в ту или другую сторону.
Было установлено, что изменение объёма клетки вызывает множество последующих реакций: набухание или сморщивание, изменение архитектоники цитоскелета, концентрации ионов внутри клетки, и изменение концентрации микромолекул в цитоплазме. Ни один из сигнальных механизмов не может влиять на синтез белка или транспортные каналы. Чтобы еще больше усложнить картину, скажем, что недавно было установлено, что клетки реагируют не только на простое набухание или сморщивание. Сейчас считают, что в клетках имеется множество волюм-детекторных и волюм-эффекторных механизмов, которые реагируют как на величину, так и на причину изменений объёма клеток. Такие функционально чувствительные датчики могут осуществлять контроль как за внутриклеточным рН, так и за ионным составом клетки в связи с изменениями ее объёма.

Гомеостаз объёма клетки и его патофизиология
Нарушение осморегуляторных механизмов клетки может привести к возникновению широкого спектра патологических состояний и их осложнений. Фундаментальное понимание осморегуляции клетки поможет врачу понять причины возникновения многих клинических симптомов. В данном разделе представлены взаимоотношения между гомеостазом в клетке и патофизиологией, которую хорошо знают все врачи.
Быстрые механизмы регуляции объёма клеток мозга - основы осмотерапии.
Хотя изменения объёма мозга вследствие изменения осмоляльности плазмы были описаны еще в 1919 году, внутривенное введение гипертонических растворов стало краеугольным камнем в базовой терапии отека мозга и повышенного внутричерепного давления. До недавнего времени в клинике считалось, что при повышении внутричерепного давления применима трехкомпонентная модель, в которой общий внутричерепной объём равен сумме объёмов крови, находящейся в полости черепа, ликвора и паренхимы головного мозга


В этой модели объём мозга состоит как из объёма клеток мозга, так и из межклеточной жидкости и соединительной ткани. Повышение внутричерепного давления обычно лечится путем уменьшения общего объёма через снижение объёма крови путем гипервентиляции или путем уменьшения объёма ликвора путем дренажа, пункции или подавления его выработки ворсинчатым сплетением желудочков.
В экстренных ситуациях повышение внутричерепного давления чаще всего снимается через уменьшение объёма мозга путем внутривенного введения гипертонического раствора хлорида натрия или маннитола. Хотя предполагалось, что основной механизм их действия - уменьшение вязкости крови и спазм сосудов, традиционно считается, что основная причина снижения при этом внутричерепного давления - осмотическое сморщивание клеток мозга. Однако, изменения объёма мозга после введения гипертонических растворов несколько меньше того, которое можно получить из идеального осмотического уравнения. Результаты недавних исследований, проведенных с использованием ион-селективных электродов показали, что, в действительности количество воды в клетках животных после введения им гипертонического раствора не уменьшается, а поддерживается путем захвата натрия, калия и хлоридов. Такие же результаты были получены при использовании культуры глиальных клеток. Это прямо опровергает любые попытки регулировать объём клетки осмотическим путем.
Эти находки позволяют предположить, что дальнейшие исследования в области осмотерапии отека мозга и повышения внутричерепного давления потребует разработки новой, четырехкомпонентной модели, где объём мозга разделен на два компонента (внутриклеточный и внеклеточный):


Как уже говорилось выше, быстрое увеличение объёма клетки происходит вследствие изменения транспорта электролитов. Во многих типах клеток увеличение объёма может быть снижено или блокировано путем использования таких ингибиторов мембранного транспорта, как амилорид или фуросемид. В связи с этим интересно, что такие препараты, как фуросемид, часто используются в комбинации вместе с осмотическими диуретиками для того, чтобы надолго и надежно снизить повышенное внутричерепное давление. Хотя синергизм действий этих препаратов долгое время относился за счет увеличения диуреза, был разработан альтернативный механизм их действия: за счет изменения быстрой осморегуляции объёма клеток. Таким образом, для применения четырехкомпонентной модели открываются самые широкие перспективы, поскольку с применением этой модели можно достоверно обосновать эффективность и действие различных методов лечения отёка мозга.

Коррекция гиперосмолярности плазмы крови - неизвестная проблема.
Огромное количество болезней протекают с увеличением осмотического давления плазмы крови - это диабет, почечная недостаточность и многие другие. Хотя коррекция транзиторного повышения осмотического давления крови обычно происходит достаточно просто, хроническое увеличение осмолярности плазмы может сопровождаться набуханием мозга и вклинением мозжечка в большое затылочное отверстие, а это часто заканчивается смертью.
Клиническое различие между хроническими и острыми осмотическими нарушениями связано с тем, что в этих случаях имеются разные патологические механизмы регуляции, с помощью которых мозг отвечает на кратковременное и длительное изменение осмолярности. Как и в других типах клеток, клетки мозга на острое увеличение осмолярности реагируют быстрым изменением мембранного транспорта электролитов. При длительном повышении осмоляльности плазмы в основном изменяется транспорт органических веществ. Традиционно эти вещества называли "идиогенными осмолитами", поскольку их никак не могли идентифицировать и считалось, что их производят сами клетки мозга. Исследования на животных и культурах клеток показали, что эти странные вещества - не что иное, как органические осмолиты, которые принимают участие и в нормальной осморегуляции. Самыми важными органическими осмолитами мозга млекопитающих являются миоинозитол, таурин , глицерилфосфорилхолин и бетаин, которые накапливаются в клетке путем захвата их из межклеточной жидкости в результате активации натрий-зависимых котранспортеров.
Процессы набухания и сморщивания клеток в результате осмотических воздействий взаимосвязаны и регулируются одной и той же системой. Если клетки на короткое время попадают в гипертоническую среду, их объём быстро сокращается, поскольку они быстро теряют накопленные электролиты. Однако те клетки, в которых накоплено достаточное количество органических осмолитов, сморщиваются медленно, поскольку органические осмолиты очень медленно выводятся из клеток. Медленная потеря клетками мозга органических осмолитов, в частности, мио-инозитола была доказана как в эксперименте на животных, так и при исследовании культуры глиальных клеток, а также было показано, что в ходе регидратационной терапии у человека мио-инозитол выводится из клеток мозга крайне медленно.
Почему же потеря мио-инозитола клетками мозга происходит столь медленно? Во первых, как было показано на культуре глиальных клеток, сморщивание клетки активирует селективные каналы выброса осмотических осмолитов. Органические осмолиты выходят из клетки в основном по этим каналам. Мио-инозитол имеет самую большую молекулу, которая может проникнуть через этот канал и поэтому его выброс происходит так медленно. К тому же, натрий-зависимый механизм захвата мио-инозитола после продолжительного воздействия гипертонической среды активируется гораздо медленнее, чем обычно. Например, в культуре астроцитов коры головного мозга крысы эти механизмы начали работать только через 16 часов после изменения осмотического давления среды. Этот характер регуляции значительно отличается от такового в почках, где активация осмотических механизмов происходит практически немедленно после изменения осмотического состава среды. К тому же, клетки мозга in vivo реагируют на изменение осмотического состава среды еще медленнее.
Недавно в практику исследования осмотического гомеостаза был введен новый метод - ядерно-магнитный резонанс. С помощью этого метода можно определить количество органических осмолитов и осмотический гомеостаз у больных, нуждающихся в регидратационной терапии, неинвазивным путем. Знание концентрации органических осмолитов в мозге может очень пригодиться при расчете терапии у тех больных, у которых неизвестен период повышения осмотического давления плазмы или в тех случаях, когда причина повышения осмотического давления очень сложна - например, при сахарном диабете. В будущем, быстрая коррекция нарушений осмотического гомеостаза станет возможной путем фармакологического влияния на выброс и захват органических осмолитов.

Нарушение клеточной осморегуляции - осложнения сахарного диабета
Сорбитол является полиольным осмолитом, который синтезируется из глюкозы в результате действия фермента альдоредуктазы. Высокая концентрация глюкозы в плазме крови приводит к тому, что повышается концентрация глюкозы и внутри клетки и ускорение синтеза сорбитола. Накопление инозитола в цитоплазме некоторых типов клеток и приводит ко всем осложнениям сахарного диабета: периферической нейропатии, ретинопатии и формированию катаракты. Недавно было показано, что некоторые больные могут быть предрасположены к развитию осложнений, поскольку у них наблюдается аномальная активность альдоредуктазы.
Экспрессивность гена синтеза альдоредуктазы регулируется осмотически и сорбитол играет ведущую роль в поддержании объёма клеток почек. Накопление сорбитола может привести к повреждению глаз и периферический нервной системы, поскольку в результате происходит потеря других осмотически активных веществ, таких, как мио-инозитол и таурин. В клетках хрусталика накопление сорбитола вызывает появление структурных изменений, столь характерных для диабета и считается, что сморщивание клеток хрусталика является начальным моментом в формировании катаракты. Накопление сорбитола и сморщивание клеток сопровождаются потерей мио-инозитола и таурина. Потеря этих веществ происходит вследствие увеличения проницаемости и пассивного выброса мио-инозитола и таурина и разрегулировании механизмов осмотической регуляции волюм- чувствительных каналов анионов органических осмолитов.
Теория о том, что повреждение клетки может возникнуть вследствие накопления сорбитола, называется "осмотической гипотезой". Однако распространить эту теорию на другие ткани, помимо хрусталика трудно, поскольку концентрации сорбитола в клетках периферических нервов или сетчатки часто гораздо ниже таковых в хрусталике, чтобы вызвать столь значительное осмотическое сморщивание, несмотря на это, многие исследователи подтверждают, что потеря органических осмолитов, особенно мио-инозитола и таурина происходит при диабетических нейропатии и ретинопатии. Развитие диабетической нейропатии происходит параллельно процессу потери органических осмолитов и может быть предотвращено или замедлено путем лечения ингибиторами альдоредуктазы или увеличением мио-инозитола в рационе.
В отсутствие сморщивания клеток мио-инозитол и таурин могут теряться в результате уменьшения экспрессивности генов, кодирующих их натрий - зависимые переносчики. В почках, например, существуют реципрокные взаимоотношения между экспрессивностью гена и аккумуляцией органических осмолитов, таким образом, при накоплении осмолитов снижается экспрессивность генов, и, соответственно, их захват. В клетках хрусталика мио - инозитол является основным осмолитом при хроническом повышении осмотического давления. Однако, при гипергликемии накопление сорбитола сопровождается практически полным угнетением как трансляции, так и транскрипции гена, кодирующего синтез натрий - зависимого переносчика мио-инозитола. Как накопление сорбитола, так и изменения активности переносчика мио-инозитола могут быть предупреждены путем назначения больному ингибиторов альдоредуктазы.
Нарушение регуляции метаболизма осмолитов при диабете остаются объектом пристального внимания исследователей. Однако, в свете данных о том, что полиоловый путь является единственным патогенетическими моментом в развитии осложнений сахарного диабета, нужно обязательно проводить клинические контролируемые исследования эффективности ингибиторов альдоредуктазы. Более глубокое понимание физиологии и биохимии осмолитов могут дать информацию о новых фармакологических мишенях.

Серповидные клетки - блокирование капилляров серповидными эритроцитами. Почему?
Пациенты с серповидно клеточной анемией являются гомозиготами по синтезу аномального гемоглобина (гемоглобин S или Hb S). Когда напряжение кислорода в крови становится низким, HbS полимеризуется, что вызывает деформацию эритроцитов, которые становятся серповидными. Серповидные клетки обладают очень низкой эластичностью и вызывают окклюзию капилляров, что приводит к тромбообразованию, ишемии и болевому синдрому.
Процесс полимеризации HbS очень чувствителен к концентрации гемоглобина - даже очень маленькое повышение концентрации HbS вызывает резкое повышение скорости реакции полимеризации. Серповидные эритроциты находятся в состоянии тяжелой дегидратации и в них очень велика концентрация корпускулярного гемоглобина. Два пути транспорта ионов, совместный транспорт ионов калия и хлора и натриевые каналы регулируются концентрацией кальция в цитозоле и играют большую роль в процессе образования серповидных эритроцитов. Оба этих пути транспорта калия стимулируются деоксигенацией, при сморщивании клетки и ацидозе. Конкретное взаимодействие этих двух транспортных систем в серповидном эритроците неизвестно. Однако, для исследования этой проблемы была создана интегрированная модель, в которой создавались условия местного ацидоза тканей и вызванная деоксигенацией активация систем транспорта калия, что привело к потере калия и сморщиванию клетки. Активация этих каналов может привести к небольшому закислению цитоплазмы, которое, в свою очередь, активирует совместный транспорт ионов хлора и калия, что еще более усугубляет сморщивание клеток. Широко применяемый антигрибковый препарат, клотримазол, является очень мощным блокатором натриевых каналов и, следовательно, хорошо предотвращает сморщивание клеток, которое вызывается деоксигенацией. Недавно начались контролируемые клинические контролируемые исследования использования клотримазола у больных с серповидно-клеточной анемией. Их результаты будут необходимы для более глубокого понимания проблемы.

Пролиферация клеток - объём как сигнал
Изменения объёма клеток совершенно необходимы для совершения процесса клеточного деления. Ранее увеличение объёма рассматривался как вторичный, а не как первичный феномен. Однако, существует мнение о том, что изменение объёма клетки и активация волюм-чувствительных путей транспорта ионов могут стать началом, или триггером, который запускает процесс пролиферации клеток.
Митогенная стимуляция транспорта моновалентных ионов является самым ранним этапом в цепи событий, происходящих при пролиферации клеток. Сморщивание клеток активирует такие транспортные системы, как обменный канал ионов натрия и водорода, что может быть частью сигнала к митозу. Волюм - чувствительные транспортные системы также стимулируют пролиферацию фиброцитов, вызванную онкогеном Ha-ras. Во время пролиферации активность транспортной системы Na+/K+/ 2 Cl- возрастает примерно в четыре раза, что сочетается и с одновременным увеличением объёма фибробласта. Как увеличение объёма клетки так и возрастание скорости пролиферации блокируются фуросемидом, что позволяет предположить, что активация транспортных систем и последующее сморщивание клеток являются важным стимулятором клеточного деления. Эти и другие находки позволяют предположить, что волюм - зависимые транспортные системы могут быть мишенями для лекарственных препаратов, для того чтобы ингибировать нерегулируемое клеточное деление.

Выводы
Детальное понимание клеточных и молекулярных механизмов регуляции объёма клеток является важным для осознания сути многих патофизиологических процессов. Нормальная и патологическая клеточная осморегуляция лежит в основе многих патологических состояний и их осложнений и знание причины и природы механизмов контроля объёма клетки в разных органах и тканях очень важно при коррекции нарушений осмотического гомеостаза. В будущем более детальная информация даст врачу возможность воздействовать на специфические волюм-чувствительные транспортные механизмы и пути метаболизма, чтобы еще более расширить терапевтические возможности.