Гликокаликс ( мн. ч .: гликокаликс или гликокаликс ), также известный как перицеллюлярный матрикс и иногда клеточная оболочка, представляет собой гликопротеиновое и гликолипидное покрытие, которое окружает клеточные мембраны бактерий , эпителиальных клеток и других клеток . Он был описан в обзорной статье в 1970 году. [1]
Клетки эпителия животных имеют пушистое покрытие на внешней поверхности их плазматических мембран . Это вязкое покрытие представляет собой гликокаликс, который состоит из нескольких углеводных фрагментов мембранных гликолипидов и гликопротеинов , которые служат в качестве молекул-основ для поддержки. Как правило, углеводная часть гликолипидов, обнаруженная на поверхности плазматических мембран, помогает этим молекулам способствовать распознаванию клеток , коммуникации и межклеточной адгезии. [2]
Гликокаликс — это тип идентификатора, который организм использует для различения собственных здоровых клеток и трансплантированных тканей, больных клеток или вторгающихся организмов. В состав гликокаликса входят молекулы клеточной адгезии, которые позволяют клеткам прилипать друг к другу и направляют движение клеток во время эмбрионального развития. [3] Гликокаликс играет важную роль в регуляции эндотелиальной сосудистой ткани , включая модуляцию объема эритроцитов в капиллярах . [4]
Первоначально этот термин применялся к полисахаридной матрице, покрывающей эпителиальные клетки, но было обнаружено, что ее функции выходят далеко за рамки этого.
Гликокаликс расположен на апикальной поверхности эндотелиальных клеток сосудов, выстилающих просвет . При окрашивании сосудов катионными красителями, такими как альциановый синий , просвечивающая электронная микроскопия показывает небольшой слой неправильной формы, простирающийся примерно на 50–100 нм в просвет кровеносного сосуда. Другое исследование использовало окрашивание тетроксидом осмия во время замещения замораживанием и показало, что эндотелиальный гликокаликс может иметь толщину до 11 мкм. [5] Он присутствует во всем разнообразном спектре микрососудистых русел (капилляров) и макрососудов (артерий и вен). Гликокаликс также состоит из широкого спектра ферментов и белков, которые регулируют адгезию лейкоцитов и тромбоцитов , поскольку его основная роль в сосудистой системе заключается в поддержании гомеостаза плазмы и стенки сосуда. Эти ферменты и белки включают:
Перечисленные выше ферменты и белки служат для укрепления барьера гликокаликса против сосудистых и других заболеваний. Другая основная функция гликокаликса в сосудистом эндотелии заключается в том, что он защищает стенки сосудов от прямого воздействия потока крови, одновременно выступая в качестве барьера проницаемости сосудов. [6] Его защитные функции универсальны для всей сосудистой системы, но его относительная важность варьируется в зависимости от его точного местоположения в сосудистой сети. В микрососудистой ткани гликокаликс служит барьером проницаемости сосудов, ингибируя коагуляцию и адгезию лейкоцитов. Лейкоциты не должны прилипать к стенке сосудов, поскольку они являются важными компонентами иммунной системы , которые должны иметь возможность перемещаться в определенную область тела при необходимости. В артериальной сосудистой ткани гликокаликс также ингибирует коагуляцию и адгезию лейкоцитов, но посредством опосредования высвобождения оксида азота, вызванного сдвиговым напряжением . Еще одной защитной функцией сердечно-сосудистой системы является ее способность влиять на фильтрацию интерстициальной жидкости из капилляров в интерстициальное пространство. [7]
Гликокаликс, который расположен на апикальной поверхности эндотелиальных клеток, состоит из отрицательно заряженной сети протеогликанов , гликопротеинов и гликолипидов. [8] Вдоль люминальной поверхности сосудистого гликокаликса существует пустой слой, который исключает эритроциты. [9]
Поскольку гликокаликс так заметен во всей сердечно-сосудистой системе, нарушение этой структуры имеет пагубные последствия, которые могут вызвать заболевание. Определенные стимулы, которые вызывают атерому, могут привести к повышенной чувствительности сосудистой сети. Первоначальная дисфункция гликокаликса может быть вызвана гипергликемией или окисленными липопротеинами низкой плотности ( ЛПНП ), что затем вызывает атеротромбоз . В микрососудистом русле дисфункция гликокаликса приводит к дисбалансу внутренней жидкости и потенциальному отеку . В артериальной сосудистой ткани нарушение гликокаликса вызывает воспаление и атеротромбоз. [10]
Были проведены эксперименты, чтобы точно проверить, как гликокаликс может быть изменен или поврежден. В одном конкретном исследовании использовалась изолированная перфузируемая модель сердца, разработанная для облегчения обнаружения состояния части сосудистого барьера, и была предпринята попытка вызвать вызванное инсультом отторжение гликокаликса, чтобы установить причинно-следственную связь между отторжением гликокаликса и проницаемостью сосудов. Считалось, что гипоксическая перфузия гликокаликса достаточна для запуска механизма деградации эндотелиального барьера. Исследование показало, что поток кислорода по кровеносным сосудам не обязательно должен полностью отсутствовать ( ишемическая гипоксия), но что минимальные [ требуется разъяснение ] уровни кислорода были достаточны, чтобы вызвать деградацию. Отторжение гликокаликса может быть вызвано воспалительными стимулами, такими как фактор некроза опухоли-альфа . Однако, каким бы ни был стимул, отторжение гликокаликса приводит к резкому [ требуется разъяснение ] увеличению проницаемости сосудов. Проницаемость стенок сосудов невыгодна, поскольку это может способствовать проникновению некоторых макромолекул или других вредных антигенов. [11]
Другие источники повреждения эндотелиального гликокаликса наблюдались при нескольких патологических состояниях, таких как воспаление, [12] гипергликемия, [13] ишемия-реперфузия, [14] вирусные инфекции [15] и сепсис. [16]
Некоторые ключевые компоненты гликокаликса, такие как синдеканы , гепарансульфат , хондроитинсульфат и гиалуронан, могут быть отщеплены от эндотелиального слоя ферментами. Гиалуронидаза , гепаранса/гепариназа, матричные и мембранные матричные металлопротеазы , тромбин, плазмин и эластаза являются некоторыми примерами ферментов, которые могут вызывать отщепление гликокаликса, и эти отщепления могут, таким образом, способствовать деградации слоя гликокаликса при нескольких патологических состояниях. [17] Исследования показывают, что активность гиалуронидазы плазмы снижается как при экспериментальном, так и при клиническом септическом шоке и, следовательно, не считается отщеплением при сепсисе. [18] Сопутствующее этому эндогенное плазменное ингибирование гиалуронидазы увеличивается и может служить защитой от отщепления гликокаликса.
Напряжение сдвига жидкости также является потенциальной проблемой, если гликокаликс по какой-либо причине деградирует. Этот тип напряжения трения вызван движением вязкой жидкости (т. е. крови) вдоль границы просвета. Другой похожий эксперимент был проведен, чтобы определить, какие виды стимулов вызывают напряжение сдвига жидкости. Первоначальное измерение было проведено с помощью прижизненной микроскопии, которая показала медленно движущийся плазменный слой, гликокаликс, толщиной 1 мкм. Светлый краситель повредил гликокаликс минимально, но это небольшое изменение увеличило капиллярный гематокрит . Таким образом, флуоресцентную световую микроскопию не следует использовать для изучения гликокаликса, поскольку этот конкретный метод использует краситель. Гликокаликс также может быть уменьшен в толщине при обработке окисленными ЛПНП. [19] Эти стимулы, наряду со многими другими факторами, могут вызвать повреждение нежного гликокаликса. Эти исследования являются доказательством того, что гликокаликс играет решающую роль в здоровье сердечно-сосудистой системы.
Гликокаликс, буквально означающий «сахарная оболочка» ( glykys = сладкий, kalyx = шелуха), представляет собой сеть полисахаридов , которые выступают из клеточных поверхностей бактерий , что классифицирует ее как универсальный поверхностный компонент бактериальной клетки, находящийся непосредственно за стенкой бактериальной клетки. Отчетливый, студенистый гликокаликс называется капсулой , тогда как нерегулярный, диффузный слой называется слизистым слоем . Эта оболочка чрезвычайно гидратирована и окрашивается рутениевым красным .
Бактерии, растущие в естественных экосистемах, таких как почва, кишечник крупного рогатого скота или мочевыводящие пути человека, окружены своего рода микроколонией , окруженной гликокаликсом . [20] Он служит для защиты бактерии от вредных фагоцитов , создавая капсулы или позволяя бактерии прикрепляться к инертным поверхностям, таким как зубы или камни, с помощью биопленок (например, Streptococcus pneumoniae прикрепляется либо к клеткам легких, либо к прокариотам , либо к другим бактериям, которые могут объединять свои гликокаликсы, чтобы окутать колонию).
Гликокаликс также можно обнаружить на апикальной части микроворсинок в пищеварительном тракте , особенно в тонком кишечнике. Он создает сетку толщиной 0,3 мкм и состоит из кислых мукополисахаридов и гликопротеинов, которые выступают из апикальной плазматической мембраны эпителиальных абсорбирующих клеток. Он обеспечивает дополнительную поверхность для адсорбции и включает ферменты, секретируемые абсорбирующими клетками, которые необходимы для конечных этапов переваривания белков и сахаров.