Мозг человека содержит более чем 200 млрд клеток, включающих в основном нейроны и нейроглию. В последней в зависимости от происхождения выделяют макроглию (клетки эктодермального, нейроэпителиального происхождения) и микроглию (клетки мезодермального, миелоидного происхождения), осуществляющие главным образом гомеостатические и защитные функции. Макроглия представлена тремя основными типами клеток: астроглией (или астроцитами), олигодендроглией (или олигодендроцитами) и NG2-глией (или глиоцитами, экспрессирующими нейроно-глиальный антиген 2, NG2) [1].
Цель работы – анализ данных литературы о морфофункциональных особенностях астроцитов головного мозга.
Материалы и методы исследования
В основу работы положен анализ научных публикаций, представленных в базах данных eLibrary и National Center for Biotechnology Information (PubMed и PubMed Central) за период с января 1966 г. по январь 2024 г. Поиск осуществляли по терминам головной мозг (brain), астроглия (astroglia), астроциты (astrocytes). Всего проанализировано 67 источников. В обзоре представлены основные данные о классификации, структурных и иммуногистохимических особенностях астроцитов головного мозга, полученные из 31 проанализированного литературного источника.
Результаты исследования и их обсуждение
В качестве автора термина «нейроглия» и основ развития представлений о роли нейроглии указывают на Rudolf Virchow, который в 1846 г. написал о соединительной субстанции головного и спинного мозга, которая в виде специальной замазки (клеевидного вещества, нейроглии) удерживает нервные элементы [1]. Авторство термина «астроциты» приписывают Michal von Lenhossék, который в 1895 г. при описании наиболее крупных клеток глии предложил их называть астроцитами за звездчатую форму [1]. Примерно в это же время астроциты были подразделены на протоплазматические и фиброзные (фибриллярные, волокнистые) клетки.
Говоря о морфологических особенностях глиоцитов вообще и астроцитов в частности, необходимо отметить наличие существенных межвидовых отличий. Прежде всего, речь идет о разнице соотношений глиоцитов и нейронов. Так, во всем мозге взрослого человека отношение количества глиоцитов к числу нейронов равняется примерно 1 [2], в коре головного мозга человека – 1,4 [3], тогда как в коре головного мозга крысы среднее отношение глии и нейронов составляет 0,4 [3].
Во-вторых, астроциты головного мозга человека намного крупнее и имеют более сложное и полиморфное строение по сравнению с астроцитами мозга грызунов. Так, протоплазматические астроциты мозга человека имеют примерно в 10 раз больше первичных отростков и более сложный характер вторичного ветвления, в результате чего средний их объем в 16,5 раз превышает аналогичный домен в мозге крысы [4]. Соответственно этому, протоплазматические астроциты головного мозга человека более широко контактируют с нейронами, образуя с ними в среднем до двух миллионов синапсов, тогда как астроциты мозга грызунов (крыс) имеют порядка 20000–120000 синапсов [5]. Более того, астроциты характеризуются не только видовой специфичностью, но и региональной гетерогенностью. В частности, в исследованиях in vitro установлены особенности экспрессии глиального фибриллярного кислого белка (GFAP) и глутаминсинтетазы в астроцитах, выделенных из различных отделов головного мозга крыс [6].
И в-третьих, в новой коре (неокортексе) мозга человека имеется несколько типов астроцитов, которые отсутствуют у низших животных: интерламинарные, астроциты с варикозными расширениями отростков (варикозные астроциты) и поляризованные [3, 7]. К сожалению, в изданном в 2009 г. списке международных цитологических и гистологических терминов с официальным списком русских эквивалентов отсутствует терминология последних типов астроцитов, что приводит к необходимости использования оригинальных авторских переводов.
Интерламинарные (межслойные, interlaminar) астроциты, названные так J.A. Colombo, составляют довольно значительную субпопуляцию клеток коры головного мозга человека [8]. Установлено увеличение в 2 раза их количества с момента рождения до зрелого возраста. Тела интерламинарных астроцитов сфероидной формы диаметром около 10 мкм расположены в I кортикальном (супрагранулярном) слое, а отростки (несколько коротких и один или два длинных до 1 мм) проходят параллельно друг другу через кору, в том числе иногда соприкасаясь с кровеносными сосудами [9]. Короткие отростки, простираясь к поверхности мозга, формируют поверхностную глиальную пограничную мембрану. Конечные участки более длинных отростков заканчиваются во II–IV слоях коры в виде своеобразных бутоноподобных структур, обозначаемых также как терминальные образования или концевые луковицы. При электронно-микроскопическом исследовании конечные участки отростков характеризуются многослойным строением и наличием митохондрий. Следует также добавить, что интерламинарные астроциты развиваются постнатально, в конце первого месяца после рождения, и достигают своей конечной конфигурации ко второму месяцу жизни новорожденного [10].
Вторым типом астроцитов, свойственных мозгу человека, являются астроциты с варикозными расширениями отростков (астроциты с варикозным выступом, varicose projection astroglia), которые впервые были описаны в 2009 г. [4]. Такие астроциты локализуются в V–VI слоях (пластинках) коры в виде отдельных крупных клеток, имеющих округлое тело и отростки (множественные короткие и 1–5 длинных до 1 мм с варикозными утолщениями, расположенными на расстоянии порядка 10 мкм друг от друга. При этом короткие отростки таких астроцитов, в отличие от аналогичных отростков других типов астроцитов, расходятся во всех направлениях и заканчиваются острым концом. Они имеют меньшие размеры, меньше разветвлений и не имеют астроцитарных ножек. Длинные с варикозными утолщениями отростки проходят в вышележащие I–IIслои коры, где переплетаются с отростками интерламинарных клеток, а также простираются в глубь, заканчиваясь в нейропиле или на кровеносных сосудах, включая капилляры [4]. На основании подобной локализации отростков предполагается, что астроциты с варикозными расширениями отростков участвуют в регуляции внутримозгового кровотока и обеспечивают как внутрикортикальные связи, так и взаимодействие серого и белого вещества головного мозга [9].
Третью (самую малочисленную) разновидность астроцитов головного мозга человека образуют поляризованные (polarized) астроциты, расположенные в VI слое коры больших полушарий. Данные астроциты имеют маленькие округлые клеточные тела и малочисленные полярно расходящиеся отростки, в том числе длинный прямой отросток, проходящий в вышерасположенные слои коры головного мозга [11].
Можно также указать на специфические типы астроцитов головного мозга: велатные (velate) астроциты, окружающие гранулярные нейроны в мозжечке и обонятельной луковице; танициты, локализующиеся в третьем желудочке и на дне четвертого желудочка; питуициты гипоталамуса; глию Мюллера (Müller) в сетчатке глазного яблока [1].
Самым же распространенным типом астроцитов в головном мозге человека являются протоплазматические астроциты, располагающиеся в II–VI слоях коры [12]. Как выше было указано, строение астроцитов головного мозга человека отличается от такового мозга животных. Хотя размеры тел клеток примерно сопоставимы у человека и грызунов, количество и длина отростков существенно отличаются. У протоплазматических астроцитов головного мозга человека имеется в среднем 37,5±5,17 равномерно расположенных отростков, у грызунов же среднее их количество составляет 3,75±0,015 с полярным положением. Средняя длина отростков астроцитов головного мозга человека и грызунов составляет 97,9±2,5 мкм и 37,2±2,0 мкм соответственно. Из-за подобных размеров и количества отростков средний диаметр протоплазматических астроцитов мозга человека (142,6±5,8 мкм) значимо превышает диаметр астроцитов грызунов (56,0±2,0 мкм) [4]. На основании особенностей анализа иммуногистохимических реакций протоплазматических астроцитов головного мозга человека с антителами к GFAP отростки последних были охарактеризованы как луковичные [4]. Площадь пространственного распространения отростков протоплазматических астроцитов, обозначаемая как домен, более обширна в головном мозге человека по сравнению с мозгом грызунов: 204,7±44,1 мкм² с суммарной длиной перекрывающихся отростков 53,0±10,7 мкм против 11,8±2,2 мкм² и 4,2±0,7 мкм соответственно [4]. При этом конечные участки отростков протоплазматических астроцитов головного мозга человека полностью покрывают стенки кровеносных сосудов, образуя вокруг последних своеобразные периваскулярные «рукава», а у грызунов – только по типу розеток.
Фиброзные астроциты располагаются в основном параллельно ходу радиальных путей в белом веществе головного мозга. По сравнению с протоплазматическими астроцитами они имеют меньшие размеры клеточных тел, но более прямые и длинные отростки. При помощи щелевых соединений, расположенных на периферии их отростков, они широко контактируют с отростками других клеток. Фиброзные астроциты характеризуются также тонкими периферическими ответвлениями (перисинаптическими астроцитарными отростками, формирующими структурно-функциональные взаимосвязи с синапсами и мембранами нейронов [12]. При этом количество контактов между фиброзными астроцитами в белом веществе головного мозга меньше, чем между протоплазматическими астроцитами в сером веществе. Встречаются даже отдельные астроциты, не имеющие контактов с другими клетками [5]. Вместе с тем отростки фиброзных астроцитов в отличие от протоплазматических не имеют выраженных концевых расширений, но контактируют со стенкой кровеносных сосудов, участвуя тем самым в регуляции метаболического гомеостаза белого вещества головного мозга. А выявляемое на гистологических препаратах равноудаленное друг от друга расположение фиброзных астроцитов указывает на их роль в поддержании аксонов нейронов.
Размеры фиброзных астроцитов, локализующихся в белом веществе головного мозга человека, более чем в 2 раза превышают таковые в мозге грызунов (183,2±6,1 мкм против 85,6±2,7 мкм в диаметре соответственно) [4].
Информативным методом морфофункционального изучения клеток и тканей справедливо считается иммуногистохимический, основанный на применении специфических антител. Данное заключение правомочно и в отношении клеток головного мозга, в частности астроцитов.
Соответственно, к белкам, специфичным для астроцитов, относятся глиальный фибриллярный кислый белок (GFAP), S100B белок, аквапорин, а также виментин, десмин и синемин, определяющие структурную целостность клеток. Поскольку промежуточные филаменты астроцитов состоят из GFAP, то он считается наиболее признанным маркером для изучения их морфологических особенностей. Положительная экспрессия GFAP (реакция) определяется как в перикарионе, так и в отростках астроцитов, более выраженная в фиброзных астроцитах по сравнению с протоплазматическими [13]. Следует уточнить, что GFAP достаточно хорошо визуализируется в более крупных отростках и не определяется в мелких (менее 8 мкм) и пресинаптических отростках [14]. Для анализа последних необходимо проведение электронно-микроскопического исследования. Примечательно, что в культуре клеток астроциты почти всегда являются GFAP-положительными, а при исследовании in situ и in vivo количество окрашенных астроцитов значительно меньше [11]. Иммуногистохимическими методами установлено, что экспрессия GFAP в астроцитах головного мозга человека увеличивается с возрастом [3].
При анализе иммуногистохимических препаратов головного мозга новорожденных и плодов человека установлено связанное с гестационным возрастом увеличение количества и размеров GFAP-позитивных астроцитов и их отростков, а также появление таких клеток не только в глубоких слоях (в наблюдениях плодов на сроке гестации 28 недель), но по всему белому веществу (на сроке гестации 40 недель) [15]. Важным дополнением иммуногистохимического исследования GFAP следует рассматривать возможность проведении фрактального анализа c получением количественных показателей астроцитов: площади и формы распределения их отростков [16].
Другим широко используемым иммуногистохимическим маркером клеток головного мозга является кальций-связывающий белок S100B. По данным A. Verkhratsky и соавт. использование антител к S100B белку выявляло в головном мозге крыс в три раза больше астроцитов по сравнению с GFAP [1]. В гиппокампе же грызунов только 80 % S100B-позитивных астроцитов выявлялись на препаратах с GFAP. Одной из возможных причин подобных различий может являться возможность экспрессии S100B не только в астроцитах, но и в других типах клеток головного мозга, в частности в олигодендроцитах, эпендимоцитах, эндотелиоцитах кровеносных сосудов и в небольшом количестве нейронов переднего мозга, ствола и мозжечка [1]. К положительным моментам применения S100B следует отнести возможность определения повышенного его уровня в спинномозговой жидкости и сыворотке крови при ряде поражений, в том числе астроцитов [17].
К специфическим маркерам астроцитов относят антитела к транспортерам глутамата EAAT-1 (GLAST) и EAAT2 (GLT-1), а также к глутаминсинтетазе, характеризующие процессы выработки глутамата в клетках головного мозга. Соответственно EAAT-1 определяется в фиброзных и протоплазматических астроцитах, радиальной глии, глии Бергмана мозжечка как в развивающемся, так и в зрелом головном мозге [11]. Вместе с тем положительная экспрессия EAAT2 может наблюдаться в нейронах коры и базальных ганглиях головного мозга плодов [18].
Реакция на глутаминсинтетазу определяется во всех типах астроцитов, включая глию Бергмана, глию Мюллера, эпендимоциты, а также в клетках со слабо положительной окраской на GFAP. Примечательно, что поскольку глутаминсинтетаза является цитозольным ферментом, то на препаратах с соответствующими антителами визуализируется вся цитоплазма, включая тонкие пресинаптические отростки [1]. Уровень же ее экспрессии коррелирует с количеством фермента и таким образом отражает функциональную активность клетки.
К относительно специфичным маркерам астроцитов относят виментин, аквапорин водного канала 4 (AQP4), коннексины Cх43 и Cх30, альдегиддегидрогеназа (семейство 1, член L1, Aldh1L1).
Виментин, как и GFAP, является промежуточным филаментом, вследствие чего его положительная экспрессия наблюдается не только в различных мезенхимальных клетках, но и в астроцитах, особенно в незрелых астроцитах головного мозга плодов. После рождения экспрессия виментина прогрессивно снижается, но тем не менее отмечается в протоплазматических и фиброзных астроцитах гиппокампа и мозолистого тела, а также в глии Бергмана и таницитах. Также, по-видимому, виментин присутствует в нервных стволовых клетках с фенотипом, подобным астроглии, в нейрогенных нишах, при этом уровень его экспрессии повышается в реактивной астроглии [19].
Важным моментом изучения астроцитов явилось изучение аквапорина водного канала 4 (AQP4), являющегося трансмембранным белком, участвующего в регуляции проницаемости воды через клеточную оболочку и, соответственно, в поддержании водного баланса в ткани головного мозга. Проведение иммуногистохимических реакций с антителами к AQP4 позволяет визуализировать астроциты и эпендимоциты. При этом в астроцитах положительная реакция отмечается преимущественно в отростках, в том числе в их концевых отделах, что указывает на использование AQP4 как маркера контактов астроцитов с другими клетками головного мозга [20].
Астроциты головного мозга также характеризуются положительной реакцией в виде мелкоточечного окрашивания с антителами к белкам щелевых контактов коннексинам (Cх43 и Cх30). Характерной особенностью иммуногистохимических препаратов с Cx30 является его экспрессия в отростках астроцитов серого вещества и отсутствие реакции в астроцитах белого вещества головного мозга [21].
Применение антител к альдегиддегидрогеназе (семейство 1, член L1, Aldh1L1) – ферменту метаболизма фолиевой кислоты также позволяет визуализировать астроциты с наличием продукта реакции в цитоплазме и отростках [22], но в меньшем количестве клеток по сравнению с классическим маркером GFAP. Кроме того, ряд исследователей отметили относительно слабую экспрессию Aldh1L1 в астроцитах белого вещества при одновременной положительной реакции в олигодендроцитах [1].
Проведение иммуногистохимических исследований образцов ткани головного мозга стало в настоящее время необходимым методом анализа морфофункциональных изменений при поражениях и заболеваниях головного мозга в целом и отдельных типов клеток, включая астроциты, в частности. Получение образцов ткани головного мозга возможно при экспериментальном моделировании поражений и заболеваний головного мозга на животных, либо при патологоанатомическом исследовании биопсийно-операционного материала больных и аутопсийного материала умерших пациентов. Однако сосуществование межвидовых различий в строении головного мозга вообще и астроцитов в частности не позволяет провести прямую экстраполяцию полученных в эксперименте результатов на человека. Основной причиной взятия и, соответственно, направления на морфологическое исследование биопсийно-операционного материала головного мозга у больных является, как правило, необходимость определения типа опухолевого поражения. Соответственно, комплексное морфологическое исследование структур и клеток головного мозга при неопухолевых его поражениях проводится как обязательный этап патологоанатомического вскрытия.
Вместе с тем важным фактором, ограничивающим проведение морфологического исследования ткани головного мозга человека и особенно анализа его результатов, является длительность посмертного периода. Действительно, все вскрытия тел умерших пациентов проводятся через тот или иной промежуток времени после наступления смерти, то есть на фоне развивающихся неспецифических посмертных изменений. Наиболее ранние проявления посмертных изменений были отмечены через 5–15 мин после эвтаназии крыс при электронно-микроскопическом исследовании ультраструктур нейронов, микроскопические признаки фрагментации телец Ниссля установлены через 30 мин [23]. Существенным моментом развивающихся посмертных изменений является их однотипность с прижизненно развивающимися патологическими процессами, в частности с отеком мозга [24]. Так, в результате морфометрического анализа препаратов головного мозга умерших новорожденных авторами работы установлено увеличение размеров вокруг клеточных (перицеллюлярных) и вокруг сосудистых (периваскулярных) просветлений при увеличении длительности посмертного периода, симулирующих признаки перицеллюлярного и периваскулярного отека [25]. Другим подтверждением развития посмертного аутолиза являются результаты посмертных лучевых исследований о снижении выраженности борозд, извилин и исчезновении градиента сигнала между серым и белым веществом [26], при этом выраженность изменений возрастает по мере увеличения давности смерти [27].
В этой связи критическая оценка и интерпретация выявленных изменений структур и иммуногистохимических показателей аутопсийного материала ткани головного мозга человека должна всегда проводиться с учетом особенностей динамики развития посмертных изменений и результатов других методов исследования. Перспективным же методом патологоанатомического исследования может служить проведение ранних вскрытий тел умерших больных с полноценным иммуногистохимическим анализом клеток и тканей [28].
Тем не менее закономерным результатом прогрессирующего увеличения числа гистологических и иммуногистохимических исследований астроцитов головного мозга явился пересмотр суждения об астроцитах как о своеобразной второстепенной массе, обеспечивающей опорный каркас нейронам. К настоящему времени установлено, что астроциты отвечают за широкий спектр сложных функций головного мозга, включая основную роль в синаптической передаче и обработке информации нейронными цепями, регуляции внутримозгового кровотока и гематоэнцефалического барьера, поддержании метаболизма других типов клеток. Уточняется роль и особенности формирования реактивного астроглиоза при травмах, инфекциях, цереброваскулярных заболеваниях, эпилепсии, нейродегенеративных заболеваниях [29–31], что, несомненно, должно служить темой отдельных специальных обобщений.
Заключение
Имеющиеся в литературе научные данные свидетельствуют о прогрессирующем увеличении количества исследований о морфофункциональных характеристиках астроцитов головного мозга в норме и при патологии. В настоящее время в головном мозге человека выделяют протоплазматические и фиброзные (фибриллярные, волокнистые) астроциты, а также интерламинарные, астроциты с варикозными расширениями отростков (варикозные астроциты) и поляризованные, отличающиеся локализацией, строением и взаимосвязями с другими клетками головного мозга. Информативным методом морфофункционального изучения астроцитов закономерно считается иммуногистохимический, основанный на применении специфических антител. К белкам, специфичным для астроцитов, относятся глиальный фибриллярный кислый белок (GFAP), S100B белок, аквапорин, виментин, десмин и синемин, коннексины, а также глутаминсинтетазу и альдегиддегидрогеназу. Отмечено, что сосуществование межвидовых различий в строении головного мозга вообще и астроцитов в частности не позволяет провести прямую экстраполяцию полученных в эксперименте данных на человека. Использование же аутопсийного материала головного мозга умерших больных сопряжено с необходимостью дифференцировки прижизненно возникших поражений от неспецифических посмертных изменений.
Библиографическая ссылка
Туманова У.Н., Савва О.В., Щеголев А.И. АСТРОЦИТЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА: КЛАССИФИКАЦИЯ, МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И ИММУНОГИСТОХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ // Современные проблемы науки и образования. – 2024. – № 3. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=33501 (дата обращения: 14.10.2024).