Pobierz Czas, który leczy rany, czyli o powstawaniu blizn u człowieka i więcej Publikacje w PDF z Dermatologia tylko na Docsity!
Skóra jest zespołem tkanek budujących elastycz- ną powłokę ciała chroniącą wnętrze organizmu czło- wieka przed działaniem czynników środowiska ze- wnętrznego. Jest to oczywista i najbardziej widoczna funkcja skóry. Jednak dzięki swej złożonej strukturze narząd ten pełni wiele innych różnorakich zadań, ta- kich jak: termoregulacja, percepcja dotyku, reakcje odpornościowe oraz utrzymanie szeroko pojętej ho- meostazy. Stąd gojenie ran to niezwykle istotny pro- ces nakierowany na przywrócenie funkcji i odbudo- wę struktury skóry. U dorosłego człowieka odbudowa uszkodzeń skóry przebiega z wytworzeniem blizny, a więc proces gojenia ran nie jest równoznaczny z peł- ną regeneracją. Aby zrozumieć naturę i znaczenie po- wstawania blizn należy dobrze poznać budowę skóry i charakterystykę komórek w niej występujących. Skóra składa się z trzech warstw, które w swej morfologii różnią się znacząco. Są to naskórek, skóra właściwa i tkanka podskórna – warstwa zbudowana przede wszystkim z komórek tłuszczowych (adipo- cytów), w której zlokalizowana jest gęsta sieć naczyń krwionośnych (Ryc. 1).
Naskórek stanowi najbardziej zewnętrzną część skóry i jest siedliskim kilku typów komórek. Najlicz- niejszy z nich stanowią keratynocyty – komórki na- błonkowe. Poza keratynocytami w naskórku występu- ją melanocyty – komórki barwnikowe wytwarzające odpowiedzialną za pigmentację skóry i włosów me- laninę, a także komórki dendrytyczne, nazywane ko- mórkami Langerhansa, biorące udział w odpowiedzi immunologicznej organizmu. Podczas dojrzewania (różnicowania) keratynocy- tów komórki te ulegają stratyfikacji. Warstwa położona
najwyżej zbudowana jest z komórek obumarłych, pozbawionych jąder komórkowych i mocno zrogo- waciałych. Rogowacenie to jest wynikiem odkłada- nia białka – keratyny, które przyjmuje postać płytek. Warstwa ta, nazywana warstwą zrogowaciałą, pod- lega złuszczaniu, jednak jest stale uzupełniana przez komórki przemieszczające się z niższych warstw – ziarnistej i kolczystej. Jedynie warstwa bazalna – podstawna, położona najniżej, zachowuje zdolność do podziałów mitotycznych i jest odpowiedzialna za uzupełnianie puli komórek, które uległy złuszczeniu. Pomiędzy naskórkiem a skórą właściwą wystę- puje struktura określana mianem błony podstawnej. Jest ona zbudowana z wielu rożnych rodzajów bia- łek, przede wszystkim laminin oraz kolagenu typu IV. Keratynocyty są połączone z lamininami błony pod- stawnej za pomocą białek receptorowych – integryn, które występują w ich błonie komórkowej. Komórki występujące w naskórku są bardzo ściśle upakowane. Keratynocyty przylegają do siebie i łączą się ze sobą za pośrednictwem wielu typów wyspe- cjalizowanych połączeń międzykomórkowych. Tym samym macierz (substancja) zewnątrzkomórkowa (ang. extracellular matrix , ECM), czyli zestaw białek i innych cząsteczek występujących w tkance poza ob- rębem komórek, jest w naskórku bardzo uboga. W skórze właściwej natomiast substancja zewnątrz- komórkowa jest niezwykle obfita. Ma to znaczenie praktyczne i służy przenoszeniu sił mechanicznych, nadaje skórze sprężystość i pozwala jej pełnić swo- ją funkcję. Taka struktura skóry właściwej sprawia, że zasiedlające ją komórki są mocno rozproszone. Główni rezydenci tej tkanki – fibroblasty – to komór- ki odpowiedzialne za wytwarzanie komponentów macierzy zewnątrzkomórkowej, przede wszystkim włóknistego białka – kolagenu. To właśnie to białko nadaje elastyczny charakter skórze, a także jest od- powiedzialne za wytrzymałość mechaniczną innych typów tkanki łącznej: chrząstki, ścięgien czy kości. Kolagen jest białkiem zbudowanym z trzech wydłu- żonych podjednostek, które nawijają się wokół siebie tworząc trójniciowa strukturę nazywaną superhelisą. Cząsteczki kolagenu są bardzo mocno upakowane i tworzą długie „nitki” – włókienka kolagenowe, które mogą łączyć się ze sobą w większe jednostki,
C zas, który leCzy rany,
czyli o powstawaniu blizn u człowieka
Olga Zastawny (Kraków)
Ryc. 1. Schemat budowy skóry człowieka.
120 aRtykuły Wszechświat, t. 115, nr 4 ̶ 6/
w wyniku czego powstaje włókno kolagenowe. Fibro- blasty wydzielają kolagen w formie prekursorowej, określanej mianem prokolagenu. Dopiero na zewnątrz komórki białko to poddawane jest specjalnej obróbce enzymatycznej i ulega agregacji, ponieważ powstanie tak dużej struktury białkowej wewnątrz komórki nie- uchronnie prowadziłoby do jej zniszczenia. Istnieje wiele typów kolagenu, które różnią się w swojej budowie oraz spełnianej funkcji. Różne ro- dzaje kolagenu zasilają odmienne tkanki i struktury. Przykładowo w skład błony podstawnej oddzielającej naskórek od skóry właściwej wchodzi kolagen typu IV, o czym wspomniano wcześniej. Natomiast sub- stancję międzykomórkową skóry właściwej tworzy przede wszystkim kolagen typu I. Odmienną grupę cząsteczek licznie występujących w macierzy zewnątrzkomórkowej skóry właściwej stanowią proteoglikany powstałe w skutek połącze- nia białka z wieloma cząsteczkami glikozaminoglika- nów (rodzaj złożonych polisacharydów) – wiele po- dłużnych cząsteczek glikozaminoglikanów łączy się z rdzeniem białkowym tworząc olbrzymie „szczotko- wate” agregaty. Proteoglikany wykazują silnie hydro- filowe właściwości. Wiążąc cząsteczki wody nadają skórze elastyczność i sprawiają, że jest ona odporna na ściskanie. Proteoglikany mogą łączyć się również z długimi cząsteczkami kwasu hialuronowego (który również należy do grupy glikozaminoglikanów) two- rząc jeszcze większe, rozgałęzione struktury. Składniki macierzy zewnątrzkomórkowej są cały czas produkowane i degradowane, co sprawia, że włóknista sieć ECM jest strukturą bardzo labilną. Zdolność komórek do rozkładania komponentów substancji zewnątrzkomórkowej odgrywa nadrzędną rolę w wielu procesach, takich jak gojenie ran i nie- stety, także powstawanie nowotworów, ponieważ ko- mórki tym sposobem ułatwiają sobie migrację pomię- dzy gęsto upakowanymi włóknami. Enzymy zdolne do rozcinania białek zewnątrzkomórkowych noszą wspólną nazwę proteinaz matriks. Wśród nich istot- ną grupę stanowią metaloproteinazy (MMP) zdolne do trawienia miedzy innymi kolagenu. Grupa tkan- kowych inhibitorów metaloproteinz TIMPs hamuje ich enzymatyczną aktywność i może prowadzić do zaburzeń balansu pomiędzy depozycją a degradacją składników ECM, na przykład w przebiegu patologii związanych z bliznowaceniem. Fibroblasty przemieszczają się wzdłuż włókien kolagenu jak po torach, co oznacza, że komórki mu- szą się w jakiś sposób łączyć z tym białkiem. Takie połączenie rzeczywiście ma miejsce, jednak ko- mórki nie wiążą się z kolagenem w sposób bezpo- średni, a za pomocą innego komponentu macierzy
zewnątrzkomórkowej – białka fibronektyny. Fibro- nektyna rozpoznaje białka receptorowe występujące w błonie komórkowej fibroblastów, integryny – jest to ta sama grupa białek, która zapewnia przyleganie ke- ratynocytów do błony podstawnej, i łączy się z nimi, tym samym zapewniając fibroblastom przyleganie do włókien kolagenu. Integryny zbudowane są z dwóch podjednostek określanych jako podjednostka α i β. Podjednostki te nie są jednakowej budowy, co ozna- cza, że integryny pod względem budowy są heterodi- merami. Po stronie wnętrza komórki integryny są związane z tak zwanymi filamentami aktynowymi, składnikami cytoszkieletu komórki. Tworzą go różne białka struk- turalne nadające komórce kształt i zapewniające zdolność do aktywnego ruchu. Połączenie integryn z mocnymi i sprężystymi filamentami aktynowymi przenosi naprężenia mechaniczne powstałe w trakcie oddziaływań komórki ze środowiskiem zewnętrznym na cytoszkielet. Zapobiega to tym samym wyrwaniu integryn z błony komórkowej, która jest delikatną i niezbyt rozciągliwą strukturą. Sposób połączenia komórek z włóknem kolagenowym został przedsta- wiony na Rycinie 2.
Zdolność fibroblastów i innych komórek do pełza- nia wzdłuż włókien substancji zewnątrzkomórkowej jest niezwykle istotna w procesie gojenia ran skór- nych. Nieodłącznym etapem naprawy uszkodzonej tkanki jest akumulacja licznych komórek różnego typu w miejscu uszkodzenia. W przypadku gojenia ran skórnych u ludzi w chwi- lę po zranieniu dochodzi do aktywacji stanu zapalne- go obejmującego ranę i tkanki do niej przylegające. Stanowi on pierwszy z trzech głównych etapów wy- różnianych podczas gojenia uszkodzeń skóry. Rozerwane naczynia krwionośne aktywują kaska- dę krzepnięcia, w czasie której rozpuszczony w oso- czu fibrynogen zamienia się we włóknik (fibrynę) i tworzy gęsto usieciowany skrzep. Stanowi on pierwsze,
Ryc. 2. Sposób połączenia komórek, na przykład fibroblastów, z włók- nami kolagenowymi. W połączeniu pośredniczą liczne białka, takie jak fibronektyna, która wiąże kolagen po stronie zewnątrzkomórkowej, trans- błonowe białka receptorowe – integryny oraz białka adaptorowe łączące integryny z filamentem aktynowym po wewnątrzkomórkowej, cytoplaz- matycznej stronie. Na ilustracji podjednostki α i β integryny zostały ozna- czone odmiennymi kolorami. Wykonanie: Olga Zastawny; na podstawie: Alberts et al.,2009.
Wszechświat, t. 115, nr 4 ̶ 6/2014 aRtykuły 121
i elastyczne w porównaniu z nieuszkodzoną skórą. Często prowadzi to do przykurczów i uniemożliwia odzyskanie pełnej fizycznej sprawności, jak na przy- kład całkowite rozprostowywanie kończyn czy skrę- canie głową (w zależności od lokalizacji blizny). W ostatnim trzecim etapie gojenia rany, fazie prze- budowy (remodelingu), nowopowstała macierz jest poddawana dodatkowym obróbkom poprzez działa- nie proteinaz matriks, jednak blizna nigdy nie będzie wykazywać pełnej funkcjonalności i struktury, które skóra posiadała przed urazem. W fazie remodeligu miofibroblasty, które wypełniły swoje przeznaczenie, podlegają procesowi apoptozy. Apoptoza, nazywana inaczej programowaną śmiercią komórki, jest zjawi-
skiem bardzo powszechnie występującym zarówno w dorosłym organizmie, jak i w czasie embriogene- zy. Przykładowo w czasie rozwoju zarodka dzięki apoptozie możliwe jest rzeźbienie poszczególnych palców ze zwartej masy komórkowej. W przypadku miofibroblastów po wykształceniu blizny konieczne jest wyłączenie ich funkcji. Obecność tych komó- rek po zakończonym procesie gojenia nie jest dłużej pożądana, a wręcz może okazać się katastroficzna w skutkach. Dlatego też miofibroblasty włączają pro- gram apoptozy, by ostatecznie zniknąć z miejsca po- czątkowego uszkodzenia. Liczne zmiany wewnątrz komórek, które uruchomiły programowaną śmierć komórki, prowadzą do ich obkurczenia: cytoszkielet
zapada się, dochodzi do rozpadu otoczki jądrowej, a materiał genetyczny jest cięty na drobne fragmenty. Pozostałości miofibroblastów, będące wynikiem tego komórkowego „samobójstwa”, są bardzo szybko i dy- skretnie usuwane przez sąsiadujące komórki oraz makrofagi. Zapobiega to wylaniu się zawartości ob- umierających komórek na zewnątrz, co mogłoby doprowadzić do stanu zapalnego. Tym samym, o ile ziarnina bogata jest w miofibroblasty, w bliźnie, tak jak w nieuszkodzonej skórze, znajdują się głównie fibroblasty. Prolongacja działania miofibroblastów oraz zaburzenia w procesie apoptozy powodują liczne patologie związane z zabliźnianiem rany – takie jak blizny hypertroficzne czy keloidy, czyli bliznowce. W porównaniu z nimi blizny prawidłowo ukształto- wane nazwane są często normotroficznymi. W przy- padku tych patologii bliznowacenia dochodzi do zaburzenia balansu pomiędzy depozycją i degra- dacją składników macierzy zewnątrzkomórkowej. W związku z tym keloidy i blizny hypertroficzne charakteryzują się znacznym przerostem tkanki bli- znowatej i stanowią problem dwoistej natury: zarów- no estetycznej, jak i medycznej. Pacjenci cierpiący z powodu obydwu tych schorzeń skarżą się na dole- gliwości takie jak świąd, trudności ruchowe, a także dyskomfort psychiczny, znacznie obniżający jakość życia. W związku z tym obecnie liczne badania na- ukowe nakierowane są na zrozumienie natury po- wstawania tych patologii oraz opracowanie coraz to lepszych metod ich leczenia. Keloidy różnią się od blizn hipertroficznych pod wieloma względami, jak na przykład budową histo- logiczną czy przebiegiem włókien kolagenu. Ponad- to bliznowce, w przeciwieństwie do blizn hipertro- ficznych, rozrastają się poza pierwotny obszar rany. W obydwu tych przypadkach, tak jak w prawidło- wych, nie przerostowych bliznach, włókna kolage- nu układają się równolegle względem siebie. Jednak w przeciwieństwie do blizn normotroficznych, w ke- loidach i bliznach hypertroficznych wciąż obecne są miofibroblasty. Dodatkowo miofibroblasty zaanga- żowane w procesy nadmiernego bliznowacenia wy- kazują zmienione cechy w porównaniu z komórkami występującymi w ziarninie, na której powstanie pra- widłowo wykształcona blizna. Słabiej odpowiadają one na sygnały indukujące apoptozę oraz wykazu- ją mniejszą zdolność do degradacji komponentów macierzy zewnątrzkomórkowej, co jest wynikiem wzmożonej sekrecji inhibitorów metaloproteinaz TIMPs. Ponadto w bliznach hipertroficznych i ke- loidach obecne są również znaczne ilości kolagenu typu III, który w prawidłowych bliznach w większo- ści zastępowany jest kolagenem typu I.
Ryc. 4. Miofibroblasty produkują kurczliwe białko – α-aktynę mię- śni gładkich, która formuje struktury włókien naprężeniowych i nadaje tym komórkom cechy „mięśniowe”. Miofibroblasty wykazują zdolności kurczliwe, dzięki czemu mogą one brać udział w obkurczaniu szerokości rany. Struktury włókien naprężeniowych zostały przedstawione na zdję- ciu dzięki wybarwieniu białka α-aktyny mięśni gładkich poprzez zastoso- wanie metody immunofluorescencji z użyciem odpowiednich przeciwciał (kolor czerwony). Jądro komórkowe pojedynczego miofibroblastu wy- znakowano DAPI (kolor niebieski). Obraz uzyskano przy użyciu mikro- skopii fluorescencyjnej. Zdjęcie: Olga Zastawny.
Wszechświat, t. 115, nr 4 ̶ 6/2014 aRtykuły 123
Pośród szeregu sygnałów, które zaangażowane są w różnicowanie fibroblastów, najważniejszą rolę zdaje się odgrywać transformujący czynnik wzrostu β (TGFβ). Wiąże się on ze swoim receptorem na po- wierzchni błony komórkowej, tym samym regulując zachowanie i funkcje wielu typów komórek, także fi- broblastów. Związanie cząsteczki TGFβ z receptorem powoduje aktywację tego receptora (która objawia się przyłączeniem do niego grup fosforanowych – tak zwaną fosforylacją). Zaktywowany receptor rekru- tuje następnie po stronie cytoplazmy komórki białka Smad – Smad2 oraz Smad3, które również ulegają fosforylacji. Aktywne białka Smad2 i Smad3 łączą się i tworzą kompleks z białkiem Smad4, a następnie w takiej postaci przemieszczają się do jądra komór-
kowego, by tam regulować ekspresję wielu genów. Komórki włączają produkcję białka αSMA, nabierają zdolności kurczliwych, rozpoczyna się także wzmo- żona depozycja składników macierzy zewnątrzko- mórkowej. Ponadto fibroblasty pobudzone TGFβ rozpoczynają sekrecję tego czynnika wzmacniając sygnał działający na nie same, a także na sąsiednie komórki. Inhibitorem działania aktywnych białek Smad2 i Smad3 jest Smad7. Jego działanie ma na celu zapobiegnięcie nadmiernemu odłożeniu się bia- łek ECM i tym samym przerostowi blizny.
Ścieżka sygnalizacyjna TGFβ przebiegająca z udziałem białek Smad została przedstawiona na Rycinie 5. Cząsteczki, które jak białka Smad przenikają do jądra komórkowego i aktywują bądź też hamują działanie genów, nazywane są czynnikami transkryp- cyjnymi. MyoD jest czynnikiem transkrypcyjnym powiązanym bezpośrednio z powstawaniem tkanki mięśniowej, czyli tak zwaną miogenezą. MyoD jest obecne również podczas różnicowania fibroblastów, kiedy nabierają one „mięśniowych” cech. Jak zostało opisane TGFβ po związaniu ze swo- im receptorem wpływa na ekspresję wielu genów, tym samym uruchamiając produkcję licznych białek, w tym MyoD. To właśnie ten czynnik bezpośrednio wpływa na syntezę αSMA i formowanie włókien na- prężeniowych. Pomimo iż, jak opisano wcześniej, miofibroblasty, które zakończyły budowę blizny, podlegają apopto- zie, istnieją pewne doniesienia mówiące, że niektóre czynniki są w stanie cofnąć różnicowanie miofibro- blastów, tak że powracają one do swojej poprzedniej, fibroblastycznej postaci. Obecnie badania naukowe prowadzone między innymi na hodowlach komórko- wych skupiają się na zastosowaniu czynników, które mogą obniżyć ilości MyoD w zróżnicowanych mio- fibroblastach, i tym samym powodować ich odróżni- cowanie, czyli powrót do formy prekursorowej. Tego typu badania podstawowe to pomocne narzędzie przy opracowywaniu nowych terapii związanych z nad- miernych bliznowaceniem.
Powstawanie blizn, które jest następstwem goje- nia ran skórnych, zdaje się stanowić kompromis po- między pełną regeneracją struktury i funkcji tkanki a szybkim uzupełnieniem ubytku i przywróceniem homeostazy organizmu po urazie. Jak wywnioskować można z niniejszego artykułu jest to proces niezwykle złożony i angażujący liczne typy komórek. Poznanie natury powstawania blizn, ich fizjologii i właściwo- ści jest konieczne dla ulepszenia terapii związanych z gojeniem ran i patologiami bliznowacenia.
Ryc. 5. Ścieżka sygnałowa TGFβ. Połączenie cząsteczki TGFβ z jej re- ceptorem (TβR) powoduje fosforylację tego receptora, czyli przyłączenie do niego grup fosforanowych (P) i jego aktywację. Zaktywowany recep- tor powoduje fosforylację białek Smad2 oraz Smad3, które następnie wraz z białkiem Smad4 tworzą kompleks przemieszczający się do jadra komórkowego. Kompleks ten łączy się z DNA i jako czynnik transkryp- cyjny, zmienia ekspresję wielu genów. Wykonanie: Olga Zastawny; na podstawie: Stępień-Wyrobiec, 2008.
Olga Zastawny jest magistrantką Zakładu Biologii i Obrazowania Komórki Instytutu Zoologii UJ. E-mail: [email protected].
124 aRtykuły Wszechświat, t. 115, nr 4 ̶ 6/
