Клеточные расширения, также известные как цитоплазматические выступы и цитоплазматические отростки, являются теми структурами, которые выступают из разных клеток , в теле или в других организмах. Многие из расширений являются цитоплазматическими выступами, такими как аксон и дендрит нейрона , также известными как цитоплазматические отростки.
Различные глиальные клетки проецируют цитоплазматические отростки. В мозге отростки астроцитов образуют терминальные конечные ножки , ножковые отростки , которые помогают формировать защитные барьеры в мозге. В почках специализированные клетки, называемые подоцитами, расширяют отростки, которые заканчиваются ножками подоцитов , которые покрывают капилляры в нефроне . Конечные отростки также могут быть известны как сосудистые ножные пластинки и в целом могут иметь пирамидальную или пальцеобразную морфологию. [1] [2] Стенные клетки, такие как перициты, расширяют отростки, чтобы обернуть вокруг капилляров . [2]
Отростки, похожие на ножки, также присутствуют в глиальных клетках Мюллера (модифицированные астроциты сетчатки ) , [3] звездчатых клетках поджелудочной железы , [4] дендритных клетках , [5] олигодендроцитах , [6] и других. Микроглия , которая значительно меньше макроглии , также может распространять свои конечные отростки на контактные области капилляров, лишенные астроцитарных ножек , и тем самым способствовать формированию глиальных пределов . [7]
Другие клеточные расширения, которые выступают из клеточной мембраны , известны как мембранные выступы или клеточные выступы, а также клеточные придатки, такие как жгутики и микроворсинки . [8] [9] Микрощупальца — это клеточные выступы, прикрепленные к свободно плавающим клеткам, связанные с распространением некоторых раковых клеток . [10]
У прокариот такие выступы известны как поверхностные или клеточно-поверхностные придатки и включают жгутики , пили , фимбрии и нанопроволоки . [11] [8] Некоторые археи обладают очень сложными придатками, известными как хами . [12]
Цитоплазматические отростки нейрона — это аксоны и дендриты, дифференцированные от предшественников нейрональных отростков, известных как невриты . [13] Дендритный шип — это мембранный выступ дендрита.
Отростки глиальных клеток включают сократительные отростки и отростки в астроцитах , которые заканчиваются ножками, известными как концевые ножки .
Подоцит — это высокоспециализированная эпителиальная клетка в капсуле Боумена в почке. Первичные отростки подоцитов образуют терминальные ножковые отростки. Ножные отростки подоцитов обертывают капилляры клубочков в почке , функционируя в фильтрационном барьере.
Разница между отростками ножек и ламеллиподиями , которые представляют собой широкие пластинчатые выступы, и филоподиями , которые представляют собой длинные тонкие заостренные расширения, заключается в том, что ламеллиподии и филоподии особенно важны для движения и миграции клеток , и они являются «макро» мембранными выступами. Напротив, отростки ножек взаимодействуют с базальными мембранами и присутствуют в «микро» масштабе. [1]
Однако клеточные расширения, в общем, можно обнаружить в большем «макро» масштабе, занимая относительно большие области клеточной мембраны . [1] Например, микроглия может использовать свои первичные процессы для постоянного мониторинга и оценки изменений в среде мозга , и она может далее развертывать тонкие филоподии из этих первичных процессов для расширения своей области наблюдения. [14]
Разветвление и древовидность конечных отростков являются одной из особенностей, отвечающих за структурное и функциональное сходство между различными типами клеток. [примечание 1] Подоциты и перициты имеют много общих физиологических свойств из-за их большой площади поверхности и сложной сети первичных и вторичных отростков, которые окутывают связанные с ними капилляры. [15] [16]
Кроме того, ножки подоцитов и дендритные расширения нейронов демонстрируют сопоставимые морфологические особенности и молекулярные механизмы, поскольку они оба имеют схожие белки, обнаруженные как в синапсах , так и в ножках, такие как синаптоподин и дендрин . [17] Эта аналогия между ними дополнительно подтверждается их общей уязвимостью к патологическим состояниям, таким как болезнь Альцгеймера и нефропатия минимальных изменений , оба из которых характеризуются уменьшением и повреждением дендритных шипиков и ножковых отростков соответственно. [18]
Мембранные выступы или клеточные придатки отходят от клеточной мембраны и включают микроворсинки , реснички и жгутики . [9] Микроворсинки увеличивают площадь поверхности ткани , например, за счет их обилия на тканевых выступах, таких как кишечные ворсинки .
Появляется все больше доказательств того, что выступы мембраны могут выступать в качестве платформ для почкования внеклеточных везикул . [19]
Одно из ключевых различий между клеточными процессами и ламеллиподиями заключается в составе их цитоскелетных элементов. В то время как клеточные процессы могут поддерживаться любым из трех основных компонентов цитоскелета — микрофиламентами ( актиновыми филаментами ), промежуточными филаментами (IF) или микротрубочками — ламеллиподии в первую очередь управляются полимеризацией актиновых микрофиламентов, а не микротрубочками. [3] [20]
Микротрубочки, как правило, не способны генерировать силу, необходимую ламеллиподиям для крупномасштабного движения клеток , поскольку для этого требуется значительное количество микротрубочек, чтобы достичь переднего края клетки , чтобы произвести достаточную силу для содействия развитию значительных выступов и подвижности. В результате ламеллиподии в основном основаны на актине, а не на микротрубочках. [20]
С другой стороны, клеточные процессы могут быть:
Многочисленные методы визуализации, такие как иммуногистохимия и флуоресцентная микроскопия , позволили точно нацелиться и в настоящее время используются для идентификации, визуализации и локализации специфических маркерных белков в отростках стопы, таких как GFAP и синаптоподин . Такие методы можно использовать для окрашивания и изучения клеток или выявления соответствующих патологических изменений. [3] [24]
В клетках с уникальной архитектурой энергетические потребности могут значительно различаться в разных клеточных отсеках. В результате митохондрии в таких клетках демонстрируют неравномерное распределение и могут быть стратегически локализованы в регионах с наибольшими энергетическими потребностями. [25]
Для того чтобы поддерживать существенные метаболические потребности нейроваскулярного сопряжения , астроцитарные конечные ножки загружены и упакованы удлиненными и разветвленными митохондриями. [26] Это представляет собой заметное отклонение от типичной модели, при которой митохондрии, как правило, имеют тенденцию становиться меньше по мере увеличения их расстояния от тела клетки, особенно внутри тонких ветвей и веточек. [27]
Однако, в то время как тонкие астроцитарные перисинаптические отростки могут вмещать только самые маленькие митохондрии, периваскулярные концевые отростки представляют собой заметное исключение, и они могут вмещать значительно более сложные и разветвленные митохондрии. [27] В случаях травматического повреждения мозга и последующего нарушения гематоэнцефалического барьера происходит еще большее увеличение количества и плотности митохондрий в астроцитарных концевых отростках, чтобы способствовать сосудистому ремоделированию в качестве адаптивной реакции. [28]
Напротив, ножки подоцитов лишены митохондрий, а митохондрии ограничены цитозолем, окружающим ядро . Отсутствие митохондрий в ножках можно объяснить кажущимся различием размеров, поскольку митохондрии, как правило, больше ножок (диаметр ножок нормальных подоцитов может быть менее 250 нм). [25] [29]
В результате, процессы ног зависят от гликолиза для их энергоснабжения, что может быть полезным, поскольку гликолиз имеет преимущество, поскольку не ограничен максимальной емкостью. Митохондрии, с другой стороны, имеют максимальный предел, который делает их неспособными генерировать дополнительную энергию при повышенном спросе. [25]
Подоцитам требуется значительное количество энергии для сохранения структурной целостности их ножковых отростков, учитывая значительную механическую нагрузку, которую они испытывают в процессе клубочковой фильтрации. [30]
Динамические изменения давления в капиллярах клубочков оказывают как растягивающие, так и растягивающие силы на отростки ножек подоцитов и могут привести к механическому напряжению их цитоскелета . Одновременно с этим, сдвиговое напряжение потока жидкости генерируется движением ультрафильтрата клубочков, оказывая тангенциальную силу на поверхность этих отростков ножек. [31]
Для сохранения сложной архитектуры ножковых отростков подоцитам требуется значительный расход АТФ для поддержания своей структуры и организации цитоскелета, противодействия повышенному давлению в капиллярах клубочков и стабилизации стенки капилляров. [31]
Также было высказано предположение, что подоциты могут обладать разумной степенью подвижности вдоль базальной мембраны клубочков , процесс, который также может способствовать высокой потребности в энергии. Поскольку отфильтрованные белки могут быть захвачены и накапливаться под телом клетки подоцита и основными отростками, предполагаемая стратегия для облегчения удаления этих застойных белков включает циклическое движение подоцитов, что позволяет захваченным белкам рассеиваться из пространства субподоцита в фильтрат. [32]
Конечные отростки являются неотъемлемой частью структуры различных мембран и оболочек, а периваскулярные клетки играют решающую роль в формировании и поддержании барьеров между органами и кровью: [3] [33]
Клеточные расширения некоторых муральных клеток обладают способностью регулировать диаметр связанных с ними кровеносных сосудов. Благодаря процессам вазоконстрикции и вазодилатации эти клетки могут активно контролировать скорость кровотока посредством:
Подоциты, посредством своей сложной сети отростков ног, строго контролируют прохождение плазменных белков в мочевой ультрафильтрат. Подоциты устанавливают селективный барьер между своими отростками ног, позволяя проходить только молекулам соответствующего размера и заряда. Отрицательно заряженный гликокаликс, покрывающий отростки ног, обращенные к мочевому пространству, еще больше усиливает этот барьер, создавая электростатическое отталкивание , которое препятствует фильтрации альбумина . [37]
Астроцитарные концевые ножки богаты:
Васкуляризация кости — это метаболически требовательный процесс, требующий значительной энергии для поддержки пролиферации и миграции эндотелиальных клеток . В результате капилляры , которые возникают из костного мозга , а затем проходят через кортикальный (внешний) слой кости, известные как транскортикальные сосуды (TCV), требуют надежного снабжения митохондриями для содействия развитию сосудов. [41]
Остеоциты , наиболее распространенный тип клеток в зрелой кортикальной кости , активно участвуют в росте и поддержании TCV посредством переноса митохондрий в эндотелиальные клетки. Сканирующие электронные микроскопические изображения показали, что остеоциты обладают многочисленными дендритными отростками с расширенными, похожими на концевые ножки структурами. Эти концевые ножки непосредственно примыкают и сообщаются с TCV, устанавливая тесную физическую связь, которая обеспечивает перенос митохондрий и тем самым обеспечивает эндотелиальные клетки энергией, необходимой для васкуляризации. [41]
Хотя химические сигнальные пути давно признаны ключевыми медиаторами межклеточной коммуникации , недавние исследования подчеркнули важность прямых физических взаимодействий в обеспечении скоординированных клеточных реакций. Например, вторичные отростки перицитов устанавливают контакт с эндотелиальными клетками , что приводит к образованию инвагинаций типа «гнездо-штифт» , где отростки перицитов простираются внутрь, образуя углубления в мембране эндотелиальных клеток. [15]
В процессе ангиогенеза новообразованные микрососуды обычно состоят из быстро делящихся эндотелиальных клеток и незрелой базальной мембраны . Последующее созревание этих микрососудов включает в себя набор перицитов. Наличие перицитов, окружающих кровеносные сосуды, часто связано с ингибированием пролиферации эндотелиальных клеток и стабилизацией новообразованных микрососудов. [42]
При диабетической ретинопатии (ДР) накопление токсичных веществ, таких как конечные продукты гликирования (КПГ), приводит к потере перицитов, ослаблению стенок капилляров и микроаневризмам , все это является признаками ДР. Аномальные изменения механической жесткости перицитов могут ухудшить их способность поддерживать остановку роста эндотелиальных клеток капилляров, что может быть связано с ангиогенезом, неоваскуляризацией и пролиферативной ДР . [43]
Традиционно, CD8 + T-клетки , ответственные за борьбу с внутриклеточными патогенами, должны пройти многоступенчатый процесс миграции, чтобы достичь инфицированных органов. Этот процесс включает прокатывание по эндотелиальной поверхности, прочную адгезию к эндотелию и последующую экстравазацию в окружающие ткани. Тем не менее, в печени фенестрированный эндотелий печеночных синусоидов обеспечивает прямой контакт между CD8 + T-клетками и гепатоцитами . [44]
В случае вирусной или бактериальной инфекции гепатоцитов тромбоциты , как было замечено, образуют кластеры внутри синусоид печени и прилипают к поверхности инфицированных клеток Купфера . Считается, что эта агрегация служит механизмом захвата патогенов и способствует их устранению иммунной системой. [44]
CD8 + T-клетки, встречая тромбоцитарные агрегаты в синусоидах печени, останавливаются и активно мигрируют вдоль этих синусоид. Они вытягивают ножкообразные отростки через синусоидальные поры в пространство Диссе , а затем сканируют гепатоциты для обнаружения инфицированных клеток. [примечание 2] При распознавании антигенов эти T-клетки инициируют цитотоксический ответ , характеризующийся выработкой цитокинов и уничтожением инфицированных клеток без необходимости экстравазации в паренхиму печени . [44]
Микроглия , хотя и известна в первую очередь своими иммунологическими функциями , проявляет замечательную пластичность, что позволяет ей выполнять широкий спектр ролей в центральной нервной системе . Традиционно микроглия характеризуется как существующая в двух различных морфологических состояниях, которые коррелируют с изменениями ее функциональных свойств: [45]
Сглаживание ножковых отростков (FPE) — патологическое состояние, при котором ножковые отростки подоцитов выходят из своего обычного положения, втягиваются в первичные отростки подоцитов и в конечном итоге сливаются с телами клеток, что приводит к образованию широких пластинчатых расширений над базальной мембраной клубочков (GBM). [46]
Тела подоцитов больше не сохраняют своего типичного положения «плавания» в фильтрате над ГБМ. Вместо этого они становятся широко прилипшими к нему, что приводит к почти полной облитерации субподоцитарного пространства, области под телом подоцита и основными отростками. [46]
FPE является типичным признаком протеинурических гломерулярных заболеваний, включая болезнь минимальных изменений (БМИ), мембранозную нефропатию , диабетическую болезнь почек и IgA-нефропатию . [47] Предполагается, что FPE является адаптивным механизмом в ответ на гломерулярный стресс, а не просто следствием повреждения клеток и заболеваний. [46]
Например, при воспалительных заболеваниях, таких как анти-GBM гломерулонефрит , воспалительные медиаторы и активация каскада комплемента могут повредить прикрепление актинового цитоскелета в ножках к GBM, тем самым увеличивая риск отсоединения подоцитов от GBM. [46]
В результате подоциты подвергаются цитоскелетной реорганизации, что приводит к формированию прочной базальной цитоскелетной сети, которая плотно прилегает к GBM, чтобы минимизировать риск отсоединения подоцитов. Даже в случаях обширного FPE восстановление после сглаживания возможно, если болезнь разрешается или с помощью терапевтического вмешательства, и подоциты могут восстановить свои отростки стопы до их нормального состояния интердигитации. [46]
Staphylococcus epidermidis , распространенная бактерия, встречающаяся в качестве обычного комменсала на коже человека , является значимой причиной внутрибольничных инфекций , связанных с использованием имплантированных медицинских устройств , таких как сердечные клапаны и катетеры . [48]
Эта бактерия может попасть в кровоток как загрязнитель из кожи, прикрепляясь к импланту с помощью различных механизмов. Помимо выработки скользкого вещества , S. epidermidis может прикрепляться к поверхности импланта с помощью отростков, похожих на ноги. [49] Эти выступы ( придатки ) отходят от стенки бактериальной клетки и прикрепляются к импланту в линейных расположениях, поодиночке или по несколько штук. [примечание 3]
Расстройство спектра нейромиелита оптического (ОНМ) является аутоиммунным воспалительным заболеванием , характеризующимся наличием сывороточных антител, направленных против белка водного канала аквапорина-4 (AQP-4). Эти антитела инициируют комплемент-зависимый воспалительный каскад, который достигает кульминации в повреждении и разрушении тканей. [50] [51]
Учитывая, что AQP4 в первую очередь экспрессируется на периваскулярных астроцитарных окончаниях спинного мозга и клетками Мюллера в сетчатке , NMOSD преимущественно поражает спинной мозг и переднюю зрительную систему. [50]
Пациенты с NMOSD обычно демонстрируют худшую остроту зрения по сравнению с пациентами с рассеянным склерозом (РС), поскольку NMOSD — это в первую очередь воспалительный процесс, направленный на астроциты, с демиелинизацией в качестве вторичного последствия. Напротив, РС в первую очередь включает воспалительную демиелинизацию. [51]
Поскольку NMOSD нацелен на клетки Мюллера, которые обеспечивают трофическую поддержку сетчатки и имеют повышенную экспрессию AQP4 в своих конечных точках, обращенных к кровеносным сосудам, очевидно, что NMOSD может оказывать более серьезное влияние на остроту зрения. [51]
AQP-4 демонстрирует поляризованное распределение в астроцитах, с 10-кратной более высокой концентрацией в астроцитарных концевых ножках, которые контактируют с кровеносными сосудами, по сравнению с областями, не входящими в концевые ножки. [40]
В отличие от боковых мембран многочисленных типов эпителиальных клеток , боковые мембраны астроцитов лишены плотных соединений , которые препятствуют диффузии молекул мембраны. Для того, чтобы поддерживать свою поляризацию и ориентацию по отношению к кровеносным сосудам, каналы AQP-4 должны быть надежно закреплены специализированными белками. [40]
Недавние исследования выявили корреляцию между множественными неврологическими расстройствами и потерей полярности AQP4 (то есть, когда AQP4 широко распространены по всему астроциту, вместо его типичной локализации на концевых ножках). [52]
AQP-4 облегчает ток спинномозговой жидкости через паренхиму мозга из параартериального в паравенозное пространство, и таким образом каналы AQP4 облегчают выведение отходов из мозга, тем самым предотвращая их накопление. [примечание 4] При болезни Альцгеймера (БА) нарушение полярности AQP4 может вызвать накопление отходов, таких как бета-амилоид и тау-белки , что является определяющей характеристикой БА. [52]
Это также объясняет, почему пациенты с NMSOD подвержены более высокому риску развития болезни Альцгеймера, поскольку повреждение AQP4 при NMSOD может нарушить клиренс бета-амилоида. [53]
Эпиретинальная мембрана (ЭРМ) — это заболевание глаз, при котором сероватая полупрозрачная мембрана постепенно разрастается над макулой , что приводит к снижению остроты зрения, метаморфопсии и другим жалобам. ЭРМ обычно возникает из-за задней отслойки стекловидного тела , которая может вызвать разрыв внутренней пограничной мембраны (ВПМ), позволяя микроглиальным клеткам мигрировать через нарушенную архитектуру сетчатки и взаимодействовать с другими клетками на витрео-ретинальном интерфейсе, в конечном итоге способствуя формированию ЭРМ. [54]
Стандартным хирургическим лечением симптоматических ERM является витрэктомия pars plana с отслаиванием мембраны. Однако, несмотря на кажущееся полное удаление ERM, сохраняется риск рецидива , который можно объяснить наличием остаточных микроскопических остатков ERM и потенциальной ролью опорных пластин клеток Мюллера во внутренней пограничной мембране (ILM) в содействии дальнейшей пролиферации клеток и образованию мембраны. Таким образом, минимизация рецидива может быть достигнута путем отслаивания нижележащей ILM вместе с ERM. [55]
Однако пилинг ILM может привести к непреднамеренному повреждению клеток Мюллера, тем самым увеличивая риск осложнений, таких как развитие диссоциированного слоя волокон зрительного нерва (DONFL), вероятно, из-за травмы подножия клеток Мюллера, и сопутствующих изменений в слое нервных волокон и слое ганглиозных клеток. В результате, интраоперационное удаление ERM под контролем оптической когерентной томографии (iOCT) является альтернативным подходом, который может минимизировать риск рецидива без необходимости рутинного пилинга ILM. [55]
звездчатой») форме с ножкообразными отростками, окружают клеточные кластеры, протоковые клетки и недавно образованные островки, создавая сложные межклеточные дендритные контакты.
В этом контексте дендритные клетки в почечном интерстиции идеально расположены для иммунного надзора, поскольку их ножковые отростки простираются в канальцы, что позволяет им захватывать антигены.
Миелиновая оболочка, которая защищает аксоны, состоит из ножек олигодендроцитов, поддерживаемых астроцитами, которые поддерживают гомеостаз и образуют гематоэнцефалический барьер.