Бокаловидная клетка кишечного эпителия

Тело человека – это миллионы клеток разной формы, вида и размеров. Они настолько малы, что рассматривать и изучать их можно только под микроскопом. По сути, клетки – это микроскопические кирпичики, из которых выстраиваются ткани, системы органов и весь организм. Несмотря на различие форм, для всех клеток характерна общая схема строения. Они состоят из внешней мембраны, центрального ядра и полужидкой цитоплазмы. О клетках разного вида можно говорить долго, но в этой статье будет рассмотрен только один вид, называемый бокаловидными клетками. Постараемся понять, что они представляют собой, где локализуются и как функционируют.

Варианты названий

Такие клетки известны под несколькими названиями. Часто используется словосочетание «энтероцит бокаловидный», «бокаловидный экзокриноцид» и «бокаловидный грандулоцит». На латыни бокаловидная клетка называется enterocytus caliciformis. Иногда используется термин «клетка гоблет», который также обозначает бокаловидную клетку. Все эти термины между собой равнозначны и используются как синонимы.

Название отразило необычную форму клеток. Они похожи на высокий узкий бокал, чуть расширяющийся кверху.

Клетки этого вида относятся к эпителию слизистых оболочек и занимаются продуцированием слизи. Они присутствуют в организме как человека, так и животных.

Локализация. Кишечник

Бокаловидная клетка является частью эпителия нескольких органов человека. Одно из мест локализации – кишечник. Эпителий кишечника имеет довольно сложное строение. Он объединяет несколько видов энтероцитов, среди которых каемчатые, бокаловидные, ацидофильные, бескаемчатые, эндокринные, малодифференцированные и другие. Все они являются одноклеточными железами с разными функциями. Так, например, каемчатые клетки эпителия занимаются пристеночным перевариванием и всасыванием. Бокаловидные отвечают за выработку слизи (об этом ниже поговорим подробнее). Эндокринные клетки продуцируют гормоны кишечного тракта, ацидофильные клетки Паннета производят несколько пищеварительных ферментов. Функция малодифференцированных клеток – регенерация эпителия.

Бокаловидные клетки кишечника размещаются на кишечных ворсинках. Они встраиваются по одной между каемчатыми клетками. На вершинных частях ворсинок и в трубчатых углублениях слизистой оболочки, называемых либеркюновыми железами или кишечными криптами, бокаловидные клетки не встречаются. Хотя бывают редкие исключения.

В тонком кишечнике клеток этого вида больше. 9,5 % энтероцитов – бокаловидные клетки эпителия. Более того, их число увеличивается по дистальному направлению кишки. Они равномерно распределяются по верхней части крипт и основанию ворсинок, на самих ворсинках их значительно меньше.

Дыхательные пути

Еще одно место локализации бокаловидных экзокриноцитов – дыхательные пути. Здесь из этих клеток состоит почти 30 % эпителия. Клетки также располагаются одиночно. В них имеются вакуоли, наполненные слизистым секретом. Вакуоли занимают расширенную апикальную часть. Суженная часть клетки содержит комплекс Гольджи и множество митохондрий. Бокаловидная клетка дыхательных путей снабжена микроворсинками, которые после выделения слизи становятся заметнее.

Выделение слизи носит циклический характер, который зависит от внешних факторов, то есть от температуры и влажности.

Бокаловидные клетки конъюнктивы

Следующее место локализации бокаловидных клеток – конъюнктива глаза. В слизистой конъюнктивы их довольно много. Секрет, выделяемый этими клетками, имеет отличия от слизи, выделяемой эпителием в других органах. Бокаловидные клетки конъюнктивы располагаются на базальном слое и имеют овальную и круглую форму. Слизь, которую они синтезируют и выделяют, связывается в своеобразную сеть, которая захватывает и фиксирует чужеродные тела и бактерии. Во время мигания сеть разрывается и смещается к медиальному краю, удаляя из глаза мусор и бактерии.

Бокаловидные клетки поджелудочной железы

Бокаловидные клетки присутствуют в выводных протоках поджелудочной железы. Они расположены не по всему протяжению протоков, а в их широкой части. Здесь экзокринные железы формируют слизистую оболочку.

Околоушная слюнная железа

Слюнная железа также насыщена бокаловидными клетками. Они располагаются около устья и выделяют слизь, способную поставить химический барьер микробам. С возрастом количество бокаловидных клеток в околоушных слюнных железах уменьшается. Противомикробный барьер ослабевает.

Подробнее о функциях

Бокаловидные клетки продуцируют нерастворимую слизь, которая носит название муцин. Муцин выстилает слизистую оболочку, иногда накапливаясь до толщины 1,5 мм. Чтобы сформировать его, муцитогенные гранулы абсорбируют воду и разбухают. Слизь бокаловидных клеток имеет несколько функций. В желудке, поджелудочной железе и кишечнике она увлажняет слизистые оболочки органов, продвигает содержимое желудка и кишечника, является частью процесса пристеночного пищеварения. В конъюнктиве, кроме увлажнения, имеет защитную функцию, в слюнных железах – барьерную.

Антитела бокаловидных клеток

В нормальном состоянии антитела к бокаловидным клеткам отсутствуют в крови. Если при анализе крови из вены выявлены эти антитела, значит, у пациента неспецифический язвенный колит. Поэтому анализ на антитела бокаловидных клеток назначают для дифференциальной диагностики хронических воспалительных заболеваний кишечника.

Бокаловидные, или бокалоподибних клетки — эпителиальные железистые клетки слизистых оболочек животных, выделяют белковый компонент слизи. У человека и позвоночных животных одиночные или многочисленные бокаловидные клетки расположены в поверхностном слое многих слизистых оболочек (пищеварительный тракт, дыхательные пути, влага оболочка глаза), у рыб, амфибий и некоторых беспозвоночных — и в эпидермисе кожи.

Строение

Бокаловидные клетки находятся в однослойном эпителии слизистых оболочек. Клетки имеют удлиненную форму с расширением до верхушки, чем напоминают бокал или бокал. Верхняя (апикальная) часть направлена ​​к поверхности эпителия и содержит многочисленные секреторные гранулы, наполненные муцином, которые повышают сходство с бокалом. В более тонкой базальной части находится ядро, а выше него — аппарат Гольджи.

Секреторная функция

Основным элементом слизи, которая секретируют бокаловидные клетки, является муцины — гликопротеины с высокой молекулярной массой. Гены муцинов экспрессируются в ядре бокалоподибних клетки постоянно, а также регулируются многими факторами, в частности провоспалительными интерлейкинами. Синтезированный пептид муцина в эндоплазматическом ретикулуме подлежит N-гликозилирования, а оттуда направляется везикулами к аппарату Гольджи, где модифицируется путем O-гликозилирования N-ацетилгалактозамином серинового и треониновых остатков центральных доменов белка. В аппарате Гольджи дополнительно к N-ацетилгалактозамину присоединяются веточки других моносахаридов. Зрелый белок содержит 80% углеводного компонента по сухой массе. Он поступает в секреторных гранулах к верхней части бокалоподибних клетки.

Секреторная гранула представляет собой мембранную везикулу, внутри которой много ионов кальция и кислый pH около 6, что позволяет очень плотно упаковать молекулы муцина. Отдельные молекулы муцина тримеризуються своими аминокинцямы с участием иона кальция, а свободные C-конце белка соединяются между собой, образуя решетку с шестигранными ячейками. Избыток ионов водорода приводит к сжатию этой сетки путем составления параллельными слоями. После высвобождения везикулы происходит расширение ее содержания в 1000 раз.

Секреция муцина возможна двумя путями: либо путем экзоцитоза, когда везикулы сливаются с мембраной и высвобождают свое содержимое в внеклеточное пространство, либо путем слияния всех везикул в одну и высвобождение их наружу путем разрушения бокаловидной клетки. При инициации экзоцитоза активируется Ca 2+/ K + обменник мембраны везикулы, и ионы кальция начинают скачиваться в цитоплазму.

Регуляция секреции

Секреция муцина зависит от многих факторов. Для высвобождения муцина в кишечнике обязательно должны работать компоненты системы автофагии и генерироваться эндогенные свободные радикалы. Ацетилхолин увеличивает секрецию бокалоподибних клеток в кишечнике различных видов млекопитающих, гистамин стимулирует их секрецию в толстом кишечнике, но не в тонком. Различное влияние на секрецию муцинов осуществляют простагландины.

Другие функции

Бокалоподибних клетки кишечника способны к спонтанному захвата антигенов и к антиген-презентации.

Развитие

В кишечнике бокалоподибних клетки происходят вместе с энтерохромафинных клетками с LGR5-положительных стволовых клеток. Эти стволовые клетки дают начало промежуточным стволовым клеткам быстро делятся и являются предшественниками дифференцированных эпителиальных клеток кишечника, в том числе бокалоподибних. Сложившаяся бокалоподибних клетка живет 3-7 дней.

Распространение

Бокалоподибних клетки млекопитающих распространены на многих слизистых оболочках. Они находятся в однослойном эпителии среди других эпителиальных клеток. Они имеющиеся в течение всего пищеварительного тракта в полости рта, глотке, пищеводе, желудке, тонком и толстом кишечнике. Толстый кишечник млекопитающих имеет гораздо больше бокалоподибних клеток чем тонкий. В желудке секрецию слизи обеспечивают в основном дополнительные клетки, которые отличаются от бокалоподибних морфологически. Также бокалоподибних клетки функционируют в воздухоносных путях: в эпителии носовой полости, в гортани, трахеи, бронхов и бронхиол. В безхрящових бронхиолах они являются единственными производителями слизи. Бокаловидные клетки находятся в эпителиальных слое конъюнктивы глаза, где участвуют в формировании увлажняющего секрета.

Особенности

Дыхательные пути

Бокаловидные клетки дыхательных путей секретируют муцины MUC5AC и MUC5B.

Глаз

Основной муцин, который секретируют бокалоподибних клетки глаза — MUC5AC.

Тонкий кишечник

В тонком кишечнике бокалоподибних клетки секретируют муцин MUC2, который сначала крепится к апикальной мембраны клетки. В дальнейшем специальная МЕТАЛЛОПРОТЕАЗ энтероцитов меприн β отщепляет этот муцин от поверхности. Меприн находится на поверхности энтероцита и отделяется от него при появлении бактерий. Поэтому у животных, содержащихся в стерильных условиях, слизь в тонком кишечнике прочно держится на поверхности клеток. Кроме муцина MUC2 гранулы клеток тонкого кишечника содержат белки FCGBP, CLCA1, ZG16, and AGR2. Для выделения муцина бокалоподибних клетки нуждаются секреции бикарбоната соседними энтероцитами.

Толстый кишечник

В толстом кишечнике бокалоподибних клетки имеют собственный белок-транспортер бикарбоната бестрофин 2.

Заболевания

Массовая гибель бокаловидных клеток случается при кератоконъюнктивит, или болезни сухих глаз. Бокалоподибних погибают путем апоптоза, вызванного цитокинами γ-интерфероном и интерлейкина.

Гиперплазия бокаловидных клеток распространена при астме и ХОБЛ. Она выражается в увеличении количества клеток, изменении их формы, усилении секреции муцинов.

Секреторные клетки рыб и амфибий

В эпидермисе низших позвоночных, таких как круглоротые, рыбы и амфибии присутствуют секреторные клетки, которые похожи на бокаловидные клетки форме, микроструктурой, наличием больших секреторных везикул. Считается, что гранулы бокаловидных клеток кожи шпоркових лягушек содержат муцины, хотя состав их не исследован. Известно, что их секрет содержит лектин Xeel, а в самих клетках были определены гликопротеин хондроитин сульфат. У рыб келихподибни клетки реагируют на присутствие бактерий в воде увеличением секреции и более активным гликозилированием белков слизи. Предполагается, что механизмы активации секреции под действием бактерий в них могут быть подобны у млекопитающих.

Ученым удалось разобраться в механизме возникновения предракового состояния в месте соединения пищевода и желудка — синдрома Барретта. Они смогли детально охарактеризовать эпителий в этой пограничной области и на лабораторных мышах показали, что базальные клетки с определенным набором маркеров могут стать предшественниками ткани, подобной ткани кишечника, которая замещает нормальный эпителий этой области. Клетки со сходными свойствами найдены на границе пищевода и желудка и у человека, поэтому данное исследование должно помочь улучшить методы ранней диагностики и лечения онкологических заболеваний.

Хорошо известно, что чем раньше диагностировать и начать лечить рак, тем легче может быть само лечение и тем выше шансы на выздоровление. Для некоторых типов рака выявлены так называемые предраковые состояния — изменения тканей, которые сами по себе не являются злокачественными, но повышают вероятность развития рака в этих тканях. Такие состояния известны пока для относительно небольшого числа раков. Поэтому, с одной стороны, нужно пытаться расширять список соответствий между злокачественными опухолями и предраковыми состояниями, а с другой стороны — выяснять механизмы возникновения этих состояний, чтобы повышать эффективность профилактики рака.

Один из типов предраковых состояний — метаплазии, при которых происходит замещение клеток одного типа клетками другого (как правило, обратимое). Метаплазии часто возникают на границах между разными типами эпителия и могут в таких случаях порождать карциномы — злокачественные опухоли эпителиальных клеток. Эпителий — это ткань, выстилающая поверхность тела (то есть, грубо говоря, кожа), внутренние полости и слизистые оболочки органов. В российской медицине различают два основных вида эпителия — многослойный плоский эпителий (кожа, слизистые оболочки, пищевод) и однослойный цилиндрический эпителий (желудок, кишечник). Особо выделяют эпителий, выстилающий органы, подвергающиеся сильному растяжению (например, в мочевыводящей системе), так называемый переходный. В западной медицине принята более детальная классификация эпителия (см. Epithelium).

Самая распространенная и активно исследуемая форма метаплазии — пищевод Барретта (синдром Барретта). Это — опасное осложнение рефлюксной болезни — заброса содержимого желудка в пищевод, при котором свойственный в норме пищеводу многослойный плоский эпителий в пограничной области соединения пищевода с желудком замещается цилиндрическим (свойственным желудку) с вкраплениями свойственных кишечнику бокаловидных клеток — «одноклеточных желез», выделяющих увлажняющую слизь (см. рис. 1). Частота встречаемости синдрома при рефлюксе составляет 10%, а в целом по популяции — 1%. За последние 40 лет частота встречаемости пищевода Барретта возросла почти в 8 раз. Он считается предраковым состоянием, так как высоколетальная аденокарцинома нижней части пищевода возникает при нем в 10 раз чаще, чем в нормальном пищеводе.

Хотя с момента описания синдрома Барретта в 1950 году он активно изучался, ключевые процессы его развития оставались неизвестными: как возникает замещение плоского эпителия на цилиндрический (метаплазия)? от каких клеток происходит вновь формирующийся цилиндрический эпителий пищевода? как идет последующая трансформация в злокачественные новообразования?

Для объяснения метаплазии было предложено пять основных теорий (они схематично показаны на рис. 2):
    1) возможна прямая конверсия плоского эпителия в цилиндрический — повреждение может вызвать превращение одного типа ткани в другой (рис. 2, a);
    2) предшественниками цилиндрического эпителия являются циркулирующие в кровотоке стволовые клетки, способные дифференцироваться в цилиндрический эпителий (рис. 2, b);
    3) предшественниками цилиндрического эпителия являются клетки субмукозных (слизистых) желез, локализованных под плоским эпителием (рис. 2, c);
    4) возможна экспансия в пограничную область клеток цилиндрического эпителия желудка (рис. 2, d);
    5) предшественниками цилиндрического эпителия являются остаточные эмбриональные клетки, локализованные вблизи пограничной области (рис. 2, e).

Но ни одна из этих теорий не получила строгого экспериментального подтверждения. И ни одна не объясняла появления вкраплений бокаловидных клеток, свойственных кишечнику (а не пищеводу или желудку).

Большой коллектив ученых из Медицинского центра Колумбийского университета и других научных учреждений США и Китая провел сравнительный анализ экспрессии генов, характерных для эпителия. Они показали, что у мышей пограничный эпителий, состоящий из базальных и люминальных (обращенных в просвет пищевода) клеток, характеризуется различной экспрессией в этих клетках трех маркеров. В базальных клетках экспрессируются два цитокератина — Krt5 и Krt7, а также фактор регуляции транскрипции р63. В клетках люминального слоя экспрессируется только Krt7. Это отличает пограничную область от выше расположенной области пищевода, в которой ни в базальных клетках, ни в плоском эпителии нет экспрессии Krt7 (рис. 1). В эпителии желудка ни один из этих маркеров не экспрессируется.

В следующей серии экспериментов авторы провели тонкую хирургическую операцию на мышах и сделали анастомоз между пищеводом и двенадцатиперстной кишкой (рис. 3). В результате желчные кислоты поступали в пищевод, что позволило имитировать рефлюкс.

Через 18 недель после операции воздействие желчных кислот на пограничную область приводило к формированию клеток «пищевода Барретта», в которых экспрессировался характерный маркер CDX2, и в этой области появлялись бокаловидные клетки. Примечательно, что в расположенной выше части пищевода таких клеток не наблюдалось, несмотря на то что она также подвергалась воздействию желчных кислот.

Ученые решили исключить возможность замещения эпителия в пограничной области пищевода мигрирующими клетками соседних тканей. Для этого с помощью генно-инженерных методов они получили мышей, у которых экспрессия гена Krt7 в клетках эпителия пограничной области была сопряжена с экспрессией красного флюоресцирующего белка Tomato. Эксперименты показали, что в клетках цилиндрического эпителия «пищевода Барретта» экспрессируется Tomato, то есть Krt7. А как уже говорилось, ген Krt7 экспрессируется в эпителии пограничной области, но не экспрессируется в расположенной выше области пищевода и в желудке. Следовательно, клетки цилиндрического эпителия «пищевода Барретта» происходят исключительно от базальных клеток пограничной области (рис. 4).

В заключение авторы решили проверить, насколько похожа структура пограничной области между пищеводом желудком у человека и у мыши. Они провели анализ экспрессии эпителиальных маркеров человек и показали их сходство с мышиными. В этой области у человека были найдены базальные клетки с экспрессией генов p63, KRT5 и KRT7, а также люминальные клетки, в которых экспрессировался KRT7, но не было экспрессии гена p63. В базальных клетках, принадлежащих расположенной выше области пищевода, KRT7 не экспрессировался (рис. 5).

С помощью проточной цитометрии были разделены два типа базальных клеток пищевода человека (с маркерами p63+KRT7− и p63+KRT7+). Из этих клеток in vitro были получены трехмерные культуры органоидов и оказалось, что органоиды, полученные из клеток типа p63+KRT7+ и происходящие из пограничной области пищевода, способны формировать эпителиальные клетки, подобные эпителию кишечника. Органоиды, полученные из клеток типа p63+KRT7−, взятых из выше расположенной области, таким свойством не обладали.

Таким образом, ученым удалось на модели лабораторных мышей охарактеризовать эпителий пограничной области между пищеводом и желудком, который дает начало предраковому состоянию — пищеводу Барретта, а также проверить, что у людей все устроено аналогично. Оказалось, что этот эпителий более чувствителен к повреждающим факторам, чем эпителий расположенных выше областей пищевода или эпителий желудка. Полученные результаты лучше всего согласуются с выдвинутой ранее гипотезой происхождения пищевода Барретта о прямом превращении тканей эпителия пограничной области: показано, что базальные клетки пограничного эпителия могут быть предшественниками эпителия, подобного кишечному, который включает и бокаловидные клетки.

В то же время выявленные в ходе исследования генетические маркеры клеток эпителия пограничной зоны как таковые вряд ли могут быть причиной формирования пищевода Барретта и дальнейшего развития рака. В этом, скорее всего, задействованы какие-то иные факторы — кислотный рефлюкс, другие химические раздражители, гормональные нарушения или вирусные инфекции.

Несмотря на оставшиеся вопросы, обсуждаемая работа дает детальную картину формирования пищевода Барретта. Поскольку предраковые состояния и злокачественные опухоли особенно часто возникают именно в пограничных областях эпителия разных органов (матка, пищевод, прямая кишка), то можно надеяться, что там работают аналогичные механизмы. Впрочем, дальнейшие исследования должны будут прояснить этот вопрос, равно как и то, является ли пограничный эпителий единственным местом возникновения этой метаплазии и дальнейшей трансформации ее в рак. Ведь уже давно было показано, что структура, подобная пищеводу Барретта, может возникнуть и у больных, у которых пограничная область пищевода была удалена (S. R. Hamilton, J. H. Yardley, 1977. Regnerative of cardiac type mucosa and acquisition of Barrett mucosa after esophagogastrostomy). Так что полученные результаты могут способствовать разработке методов диагностики, профилактики и лечения этих состояний не только применительно к пищеводу, но и к другим органам.

Источники:
1) Ming Jiang, Haiyan Li, Yongchun Zhang, Ying Yang, Rong Lu, Kuancan Liu, Sijie Lin, Xiaopeng Lan, Haikun Wang, Han Wu, Jian Zhu, Zhongren Zhou, Jianming Xu, Dong-Kee Lee, Lanjing Zhang, Yuan-Cho Lee, Jingsong Yuan, Julian A. Abrams, Timothy C. Wang, Antonia R. Sepulveda, Qi Wu, Huaiyong Chen, Xin Sun, Junjun She, Xiaoxin Chen & Jianwen Que. Transitional basal cells at the squamous-columnar junction generate Barrett’s oesophagus // Nature. 2017. V. 550. P. 529–533.
2) Lizhe Zhuang & Rebecca C. Fitzgerald. Cancer development: Origins in the oesophagus // Nature. 2017. V. 550. P. 463–464. Синопсис к обсуждаемой статье.

Вячеслав Калинин