Старение клетки организма

Наталья 11 Апреля в 0:00 627 0


Старение клетки организма

Последовательность старения клеток организма

Начиная с работ Мино (Minot, 1908), Метальникова (1917), Шмальгаузена (1926), Коудри (Cowdry, 1939), идет линия исследований, утверждающая связь между специализацией, дифференциацией клеток, способностью их к делению и старением.

Вместе с потерей способности клеток к делению они теряют возможность существенно обновляться, создаются условия их ускоренного старения. Коудри (Cowdry, 1939) предложил классификацию, отражающую, с его точки зрения, эту связь между способностью клеток к делению и развитием в них старения.

К первой группе относятся клетки, существование которых начинается с митоза и кончается митозом (базальные клетки эпидермиса, сперматогонии и др.). Жизнь этих клеток коротка. Уловить в них развитие старения не удается. Вторая группа — более специализированные клетки, обладающие дифференцированным митозом: клетки, в которых можно проследить ряд возрастных изменений, таких как накопление гемоглобина, переход гемоцитобласта к нормобласту и эритроциту, появление кератина в коже. Третья группа — специализированные клетки с выраженными признаками старения.

Они проявляют способность к митозу только в особых условиях, например при повреждении. К ним относятся клетки печени, почек, щитовидной железы и др. Четвертая группа — высокодифференцированные клетки, неспособные к митозу ни при каких условиях (соматические мышечные волокна, нервные клетки и др.). В этих клетках развиваются отчетливые проявления старения.

Недостаток обычных классификаций последовательности старения отдельных клеток в независимом рассмотрении их друг от друга. В естественных условиях в процесс возрастных изменений вовлекаются сложнорегулируемые функциональные системы, развиваются старение одних клеток и адаптивные сдвиги в других. В этих условиях старение постмитотических клеток может оказывать различное влияние на активно делящиеся клеточные элементы. В условиях целостного организма старение клеток является сложным сплавом их собственных возрастных изменений и регуляторных, трофических влияний.

С этих позиций можно условно выделить 3 типа клеток:

а) клетки, которым свойственно первичное старение;
б) клетки, у которых старение является сплавом собственных возрастных изменений и влияний регуляторных, трофических, средовых, а также связанных с первичным старением других клеточных элементов;
в) клетки, у которых в естественных условиях существования старение в основном вторично и опосредовано через весь комплекс внутриорганизменных регуляторных влияний, включая и механизмы общей трофики — кровоснабжение, проницаемость барьеров и др. (Фролькис, 1970).

К первой группе следует отнести нервные клетки, многие соединительнотканные элементы; ко второй — мышечные волокна, клетки железистых образований, печени, почек; к третьей — эпидермис, эпителий во многих органах и др.

Клеткам третьей группы тоже свойственны свои возрастные изменения, однако темп и выраженность регуляторных сдвигов предваряют во многом эти изменения. Признание этого положения закономерно приводит к важному для биологии старения выводу — интимные механизмы старения различных клеток неоднородны; существует несколько типов старения клеток.

Кроме свойств клеток sui generis, темп и направленность их старения зависят от отношения их к определенной функциональной системе; поэтому структурно однородные элементы, относящиеся, по Коудри (Cowdry, 1939), к одной и той же группе, стареют в различном темпе.

Так, например, в старости неодинаково изменяются структура и функция артериол скелетной мышцы, почек, кишечника; мотонейронов, мышечных волокон, принимающих участие в акте сгибания и разгибания; различных структур одного и того же отдела ЦНС (например, гипоталамуса) и др.

Более того, существует корреляция в темпе развития старения различных структурных элементов в пределах одной функциональной системы (отличие в возрастных изменениях мотонейронов, периферических нервов, мышечных волокон, сосудов, рецепторов одного функционального двигательного комплекса по сравнению с другим).

При анализе механизмов старения, как правило, недоучитывается клеточная специфика, обычно стремятся найти, описать универсальный первичный механизм старения всех клеток. Вместе с тем конкретные механизмы старения нейрона, миокардиоцита, гепатоцита, секреторной клетки, фибробласта и т. д. отличаются во многом друг от друга.

В одних случаях механизмы старения связаны с первичными сдвигами в генетическом аппарате клеток, в других — с изменением в системе энергетического обеспечения клетки, в третьих — с нарушениями в процессах реактивности и транспорта веществ. Итак, последовательность старения различных клеток определяется уровнем их дифференцировки, специализации, митотической активностью и отношением к различным регулируемым функциональным системам.

Организм стареет не как сумма клеток, а как сложная биологическая система.


Вот почему так важно выяснение межклеточных взаимодействий, на основе которых можно понять генез возрастных изменений нейрогуморальной регуляции иммунитета, питания, движения и других функций организма.

Возрастные изменения в соединительнотканных элементах могут привести к нарастающим старческим сдвигам и в других системах организма, к склерозу внутренних органов при старении (Богомолец, 1938). Собел (Sobel, 1962) предполагает следующую последовательность событий: время -> уплотнение волокон соединительной ткани -> клеточная гипоксия -> ухудшение питания -> гибель паренхиматозных элементов, пролиферация мезенхимальных клеток и др.

По мнению Бюргера (Burger, 1960), многие соединительнотканные элементы относятся к брадитрофным тканям, характеризующимся пониженным метаболизмом. При старении сдвиги в метаболизме брадитрофных тканей, медленно прогрессируя, приводят к их существенным изменениям, оказывая влияние на старение всего организма.

Изменения соединительной ткани по-разному влияют на старение различных структур. В одних случаях сдвиги в них вторичны по отношению к первично стареющим постмитотическим клеткам; в других — могут стать одним из первичных механизмов, ведущих к старению активно делящихся клеточных элементов.

Структурные изменения клеток

В процессе старения в различных органах и тканях развиваются структурные изменения, обладающие органоспецифическими особенностями, но в то же время имеющие общие черты. К последним следует отнести: избыточное развитие и качественные изменения соединительной ткани; изменения стенки кровеносных капилляров с формированием волокнистых структур в утолщенном базальном слое и расширенном перикапиллярном пространстве (Ступина, Саркисов, 1978) (рис. 16, вкл.).

Формирование фибриллярных структур в расширенном базальном слое стенки капилляра (обозначено стрелкой) и в расширенном перикапиллярном пространстве надпочечника старой крысы
Рис. 16. Формирование фибриллярных структур в расширенном базальном слое стенки капилляра (обозначено стрелкой) и в расширенном перикапиллярном пространстве надпочечника старой крысы. Микрофото. Ув. 9000.


Наблюдаются атрофия и дистрофические изменения в отдельных клетках. Количество паренхиматозных клеток падает; это относится прежде всего к клеткам статических популяций. В последующих статьях мы приведем данные о потере нейронов в старости. Сато и Тауши (Sato, Tauchi, 1978), изучавшие несколько сотен аутопсий печени, почек, поджелудочной железы, считают, что уменьшение количества клеток паренхиматозных органов является фундаментальным признаком старческих изменений.

Вместе с тем оставшиеся и активно функционирующие клетки не уменьшаются в размерах, а часто увеличиваются, что следует расценивать как проявление компенсаторной гипертрофии в связи с утратой части клеток. Так, имеются указания на увеличение объема кардиомиоцитов (Левкова, 1974; Fleischer et al., 1978), нейронов (Межиборская, 1970; Давиденко, 1972), гепатоцитов (Watanabe et al., 1978) эпителиальных клеток различных паренхиматозных органов (Sato, Tauchi, 1978).

Увеличение объема клетки при этом происходит преимущественно за счет цитоплазмы; ядро увеличивается в меньшей степени, в результате чего ядерно-цитоплазматическое соотношение уменьшается. Важной компенсаторной реакцией является увеличение числа двуядерных и полиплоидных клеток (Watanabe et al., 1978), что рассматривают как активное состояние клеток в условиях ингибирования клеточного деления (Sato, Tauchi, 1973).

Ядра клеток, наряду с некоторым увеличением объема, изменяют свою форму. Для ядер старых клеток характерна неровная, фестончатая поверхность за счет многочисленных инвагинаций ядерных мембран (рис. 17).

Множественные инвагинации ядра (Я) кардиомиоцита
Рис. 17. Множественные инвагинации ядра (Я) кардиомиоцита. Очаговое набухание митохондрий (М), разволокненне миофиламентов в сердце старой крысы. Микрофото. Ув. 12 000.

Происходящее при этом увеличение поверхности ядерных мембран рассматривается как компенсаторный процесс, ведущий к увеличению поверхности соприкосновения между ядром и цитоплазмой. Такие изменения формы ядер описаны в кардиомиоцитах (Ступина, 19756; Sachs et al., 1977), нейронах, эндотелиоцитах. Эндрю (Andrew, 1978) сообщает об аналогичных перестройках в ядрах эпителиальных клеток паренхиматозных органов.



В клетках наблюдается расширение перинуклеарного пространства между внутренней и наружной ядерными мембранами, с формированием цистерн, разделенных ядерными порами; при этом нередко отмечается расширение ядерных пор (Артюхина, 1979).

В ядрах увеличивается доля маргинально расположенного конденсированного хроматина и уменьшается доля диффузного хроматина. Аналогичные изменения описаны при старении клеток в культуре ткани (Van Gansen, 1979). При старении появляются так называемые ядерные включения, которые могут располагаться в самом ядре в виде фибриллярных пучков, тубуло-мембранных систем, вирусоподобных частиц; либо между мембранами ядра в виде мультивезикулярных и электронно-плотных телец; либо в цитоплазматических инвагинациях, чередуясь со складками ядерной мембраны.

Природа этих включений неизвестна, однако полагают, что они уменьшают «эффективный» ядерный объем. В процессе старения изменяется плотность цитоплазматического матрикса клетки. Как в клетках статических популяций, так и в других появляется резко просветленный цитоплазматический матрикс с явлениями гидратации, уменьшением количества гранул РНК; в других клетках матрикс, наоборот, слишком уплотнен, с очагами некробиоза и деструкции.

Один из постоянных признаков процесса старения клетки — морфологические изменения митохондрий.

Часть органелл имеет просветленный матрикс, расширенные межкристные промежутки, дискомплексированные кристы (рис. 17). Вместе с тем в старческом возрасте определенный процент митохондрий представляется значительно измененным в виде резкого набухания, с разрушением крист и внутренней мембраны или же со спирализацией и миелинизацией ее; появляются электронно-плотные митохондриальные включения (Wilson, Franks, 1975; Sohal, 1978), разрушается наружная мембрана (Nickerson, 1979).

Изменяются форма и размеры митохондрий — наряду с органеллами обычных для клетки размеров появляются крупные, иногда гигантские митохондрии, что рассматривается как компенсация редукции количества органелл, вызванной ингибированием деления митохондрий.

Гигантские митохондрии в клетках при старении описаны в кардиомиоцитах (Ступина, 1975б), нейронах (Артюхина, 1979), гладкомышечных клетках стенки вен (Фролькис, Евдокимов, 1979), в печени (Franks, 1974), в клетках щитовидной железы (Горбуноба, 1979). Имеются данные об уменьшении плотности митохондриального объема в клетке за счет числа этих органелл.

В миокарде увеличивается относительный объем митохондрий (Офицеров, Загоруйко, 1977; Sachs et al., 1977), что также можно рассматривать как компенсаторную перестройку в связи с дистрофическими изменениями в части митохондрий и нарушением их функций. Вместе с тем площадь митохондриальных мембран на единицу объема митохондрий снижается (Sachs et al., 1977).

В процессе старения происходят изменения в белоксинтезирующей системе клетки.

В клетках статических популяций наблюдаются расширение цистерн гранулярной и гладкой эндоплазматической сети, заполнение просвета цистерн электронно-плотным содержимым, тубулярными структурами; происходит уменьшение количества рибосом на мембранах, отмечаются уменьшение и лизис полисомальных розеток, рибосом (рис. 18) (Suzuki et al., 1978; Артюхина, 1979).

Липофусцин и липидные гранулы (ЛФ), цистерны гранулярной эндоплазматической сети (ГЭС), бедные гранулами РНК в цитоплазме нейрона мамиллярного ядра головного мозга старой крысы
Рис. 18. Липофусцин и липидные гранулы (ЛФ), цистерны гранулярной эндоплазматической сети (ГЭС), бедные гранулами РНК в цитоплазме нейрона мамиллярного ядра головного мозга старой крысы. Микрофото. Ув. 30 000.

В клетках печени у старых животных эндоплазматическая сеть, как показал стереологический анализ, имеет меньшую площадь поверхности по сравнению с таковой у взрослых (Schmucker et al., 1978). В пластинчатом комплексе Гольджи при старении происходят редукция, рексис, уменьшение линейной площади поверхности, что отмечено в нейронах (рис. 18), гепатоцитах (Schmucker et al., 1978).

Расширение пузырьков и накопление в них жидких фракций и электронно-плотных гранул рассматриваются как результат застойных явлений, связанных со снижением обменных процессов между структурами аппарата Гольджи и цитоплазмой клетки (Артюхина, 1979).

Вместе с тем Манина (1978) в гипертрофированных цистернах обнаружила липопротеиды и считает, что пластинчатый комплекс в нервных клетках старых животных сохраняет высокую синтетическую и функциональную способность. В цитоплазме нейронов появляются так называемые окаймленные везикулы, находящиеся в интимной связи с элементами пластинчатого комплекса и лизосомами.

Довольно постоянным признаком старения клеток различных популяций является увеличение количества первичных лизосом, появляющихся в большом количестве в области перикариона, между митохондриями, вблизи очагов деструкции и свободно в цитоплазме. Значение этого факта может быть весьма многообразно, если учесть функциональную роль лизосом (Покровский, Тутельян, 1976).

Происходят и качественные изменения лизосом
— в них нарастает количество трудноперевариваемых веществ, изменяется активность лизосомальных ферментов в зависимости от типа клеток и вида ферментов (Asano et al., 1979; Knoock, 1979), наблюдается снижение стабильности лизосомальных мембран, приводящее к освобождению лизосомальных гидролаз и деструктивным изменениям в цитоплазме клеток статических популяций, а также в печени (Покровский, Тутельян, 1976).

Таким образом, участие лизосом в процессах старения может быть обусловлено:

1) повреждающей литической активностью внутри клетки — чрезмерной аутофагией, утечкой гидролаз через поврежденную мембрану лизосом;
2) экструзией ферментов вследствие изменения клеточной мембраны или гибели клетки, что ведет к повреждению соединительной ткани, сосудов, образованию коллагена, продуцированию антител;
3) нарушением литической активности как следствие блокирования непереваренными продуктами.

Наряду с нарастанием количества первичных лизосом в клетках в процессе старения происходит формирование вторичных лизосом — аутофагического типа, а также остаточных телец, которые могут участвовать в процессах переваривания, пока не будут полностью блокированы непереваренными продуктами.

Остаточные тельца, нагруженные липофусцином, при старении обнаруживаются в возрастающем количестве в нейронах и глиальных клетках, миокардиоцитах, гепатоцитах, клетках эндокринных желез, а также в остеобластах, остеоцитах, эндотелиальных клетках (рис. 18) (Давиденко, 1976; Шапошников, 1978; Артюхина, 1979; Квитницкая-Рыжова, 1980).

Многие исследователи связывают возрастное накопление липофусцина с лизосомами (Покровский, Тутельян, 1976) и структурами пластинчатого комплекса (Артюхина, 1979). Следует отметить исследования Карнаухова (1971), показавшего наличие в липофусцине миоглобиноподобных веществ и каротиноидов, что дало возможность автору связать липофусцин с созданием внутриклеточного депо кислорода, позволяющего клеткам теплокровных животных компенсировать малую скорость поступления кислорода в условиях гипоксии, вызванной старением или экспериментальной гипоксией.

Некоторые исследователи считают, что наружная клеточная мембрана наиболее устойчива в процессе старения (Артюхина, 1979). Действительно, сохраняется непрерывность клеточной мембраны, так как нарушение целости мембраны ведет к гибели клетки.

Однако в процессе старения в наружной клеточной мембране наблюдаются не только функциональные, но и структурные изменения. В ней отмечены очаговые уплотнения и утолщения. Кроме того, обнаруживаются структурные изменения, свидетельствующие о нарушении ее функции.

Так, в эндотелиальных клетках капилляров в процессе старения наблюдается уменьшение интенсивности микропиноцитоза, уменьшение количества микроворсинок и микровыростов (Горячкина и др., 1977; Ступина и др., 1978а), что особенно демонстративно в условиях повышенной функциональной нагрузки. Демонстративны также возрастные изменения специализированных мембранных структур. Так, в гладкомышечных клетках нижней полой вены наряду с очаговым утолщением клеточных мембран отмечено уменьшение количества нексусов (Фролькис, 1973). Изменение щелевидных контактов при старении выявлено в клетках культуры ткани фибробластов человека (Kelley et al., 1979).

Таким образом, в процессе старения во всех компонентах клеток наблюдаются структурные изменения, имеющие гетерогенный характер. Наряду с атрофированными клетками, имеющими выраженные возрастные изменения, наблюдаются сохранные клетки, ничем не отличающиеся от клеток молодых организмов.

Н.И. Аринчин, И.А. Аршавский, Г.Д. Бердышев, Н.С. Верхратский, В.М. Дильман, А.И. Зотин, Н.Б. Маньковский, В.Н. Никитин, Б.В. Пугач, В.В. Фролькис, Д.Ф. Чеботарев, Н.М. Эмануэль
Похожие статьи
показать еще
Prev Next