Многочисленные гликопротеиновые и гликолипидные молекулы встроены в клеточную мембрану эпителиальных клеток. Эти содержащие олигосахариды молекулы образуют в мембране плавающие частицы, которые в совокупности называют гликокаликсом и которые придают гидрофильные свойства передней поверхности поверхностных эпителиальных клеток. Гликокаликс взаимодействует с муциновым слоем слезной пленки и помогает поддерживать ее трехслойную структуру.[72],[73] Потеря либо гликокаликса клеток эпителия роговицы, либо бокаловидных клеток в эпителии конъюнктивы приводит к нестабильности слезной пленки и муцинодефицитной форме синдрома сухого глаза.
Numerous glycoprotein and glycolipid molecules are embedded in the cell membrane of epithelial cells. These oligosaccharide-containing molecules form floating particles in the membrane that are collectively termed the glycocalyx and which confer hydrophilic properties on the anterior surface of the superficial epithelial cells. The glycocalyx interacts with the mucinous layer of the tear film and helps to maintain the trilayered structure of the latter.[72],[73] Loss either of the glycocalyx of corneal epithelial cells or of goblet cells in the conjunctival epithelium results in tear film instability and the mucin-deficiency form of dry eye.
Поверхностные клетки эпителия роговицы соединены десмосомами, адгезивными контактами и плотными контактами (см. рис. 1.4, 1.5 и 1.6), которые предотвращают прохождение веществ через межклеточное пространство. Исследование проникновения флуоресцеина в строму роговицы с помощью флуорофотометра позволяет оценить барьерную функцию эпителия роговицы.[74]
The superficial cells of the corneal epithelium are joined by desmosomes, adherens junctions, and tight junctions (see Figs 1.4, 1.5, and 1.6), which prevent the passage of substances through the intercellular space. Examination of fluorescein penetration into the corneal stroma with a fluorophotometer provides a measure of the barrier function of the corneal epithelium.[74]
Крыловидные клетки
Wing cells
Под поверхностными клетками расположены два-три слоя крыловидных клеток, названных так из-за их характерной формы, напоминающей крыло. Крыловидные клетки находятся в промежуточном состоянии дифференцировки между базальными и поверхностными клетками и богаты внутриклеточными тонофиламентами, состоящими из кератина (см. таблицу 1.2). Клеточные мембраны соседних крыловидных клеток взаимопереплетаются. Между крыловидными клетками присутствуют многочисленные десмосомы, адгезивные контакты и щелевые контакты (см. рис. 1.4, 1.5 и 1.6).
Beneath the superficial cells lie two to three layers of wing cells, so called because of their characteristic winglike shape. Wing cells are in an intermediate state of differentiation between basal and superficial cells and are rich in intracellular tonofilaments composed of keratin (see Table 1.2). The cell membranes of adjacent wing cells are interdigitate. Numerous desmosomes, adherens junctions, and gap junctions are present between wing cells (see Figs 1.4, 1.5, and 1.6).
Базальные клетки
Basal cells
Однослойный пласт столбчатых базальных клеток эпителия роговицы покоится на базальной мембране. Базальные клетки, в отличие от поверхностных и крыловидных, обладают митотической активностью и последовательно дифференцируются в крыловидные и поверхностные клетки (см. таблицу 1.2). Соседние базальные клетки переплетаются латерально и соединены десмосомами, щелевыми контактами и адгезивными контактами. Задняя поверхность базальных клеток плоская и прилегает к базальной мембране.
The single layer of columnar basal cells of the corneal epithelium rests on the basement membrane. Basal cells, unlike superficial and wing cells, possess mitotic activity, and they differentiate consecutively into wing and superficial cells (see Table 1.2). Neighboring basal cells interdigitate laterally and are joined by desmosomes, gap junctions, and adherens junctions. The posterior surface of basal cells is flat and abuts the basement membrane.
Базальные клетки прикрепляются к базальной мембране с помощью гемидесмосом, которые связаны с якорными фибриллами коллагена VII типа, секретируемыми самими клетками (см. рис. 1.4).[75],[76] Якорные фибриллы проникают сквозь базальную мембрану и уходят в строму, где вместе с коллагеном I типа, основным компонентом стромы, образуют якорные бляшки. Адгезивные контакты присутствуют на латеральной поверхности базальных клеток эпителия роговицы и, как полагают, опосредуют межклеточное взаимодействие.[77]
Basal cells adhere to the basement membrane via hemidesmosomes that are linked to anchoring fibrils of type VII collagen secreted by themselves (see Fig. 1.4).[75],[76] The anchoring fibrils penetrate the basement membrane and course into the stroma, where they form anchoring plaques together with type I collagen, a major component of the stroma. The adherens junctions are present at the lateral surface of the basal cells of the corneal epithelium and are thought to mediate cell–cell interaction.[77]
Представители семейства интегринов — рецепторов клеточной поверхности для белков компонентов внеклеточного матрикса (ВКМ) — существуют в виде гетеродимеров α- и β-субъединиц.[78] Гетеродимер интегрина α5β1, который является основным рецептором для фибронектина, присутствует на поверхности базальных клеток в нормальном эпителии роговицы.[79–83] Все эпителиальные клетки, подвергающиеся активной миграции после дебридмента эпителия роговицы, экспрессируют интегрин α5β1.[83],[84]
Members of the integrin family of cell surface receptors for extracellular matrix components (ECM) proteins exist as heterodimers of α and β subunits.[78] The integrin α5β1 heterodimer, which is the major receptor for fibronectin, is present at the surface of basal cells in the normal corneal epithelium.[79–83] All epithelial cells undergoing active migration after debridement of the corneal epithelium express integrin α5β1.[83],[84]
Базальная мембрана
Basement membrane
Как и в эпителиях других частей тела, базальные клетки эпителия роговицы закреплены на базальной мембране. Наличие базальной мембраны между базальным эпителием и подлежащей стромой фиксирует полярность эпителиальных клеток. Ультраструктурно базальная мембрана толщиной 40–60 нм состоит из светлого слоя (lamina lucida), расположенного непосредственно за клеточной мембраной базальных эпителиальных клеток, а также электронно-плотного слоя (lamina densa) (см. рис. 1.4). Коллаген IV типа и ламинин являются основными компонентами базальной мембраны (рис. 1.7).
As in epithelia in other parts of the body, basal cells of the corneal epithelium are anchored to a basement membrane. The presence of the basement membrane between the basal epithelium and the underlying stroma fixes the polarity of epithelial cells. Ultrastructurally, the basement membrane, which is 40–60 nm thick, is composed of a pale layer (the lamina lucida) immediately posterior to the cell membrane of the basal epithelial cells as well as an electron-dense layer (the lamina densa) (see Fig. 1.4). Type IV collagen and laminin are major components of the basement membrane (Fig. 1.7).
Рис. 1.7 Иммунофлуоресцентный анализ экспрессии матриксных белков в эпителии роговицы крысы. (A) Фибронектин. (B) Коллаген I типа. (C) Коллаген IV типа. (D) Ламинин.
Fig. 1.7 Immunofluorescence analysis of the expression of matrix proteins in the rat corneal epithelium. (A) Fibronectin. (B) Type I collagen. (C) Type IV collagen. (D) Laminin.
Базальные мембраны эпителия роговицы и конъюнктивы содержат разные цепи коллагена IV типа, хотя функциональное значение этого различия неизвестно. В то время как коллаген α5(IV) присутствует в базальной мембране роговицы, коллаген α2(IV) присутствует в базальной мембране конъюнктивы (а также в амниотической мембране) (рис. 1.8).
The basement membranes of the corneal and conjunctival epithelia contain different type IV collagen chains, although the functional relevance of this difference is unknown. Whereas collagen α5(IV) is present in the corneal basement membrane, collagen α2(IV) is present in the conjunctival basement membrane (as well as in the amniotic membrane) (Fig. 1.8).
Рис. 1.8 Дифференциальная экспрессия изоформ α2(IV) и α5(IV) коллагена IV типа в роговице, конъюнктиве и амниотической мембране человека. Стрелка указывает на окончание слоя Боумена. *(Перепечатано с разрешения: Fukuda K et al. Differential distribution of subchains of the basement membrane components type IV collagen and laminin among the amniotic membrane, cornea, and conjunctiva. Cornea 18:73-79, 1999.)*
Fig. 1.8 Differential expression of α2(IV) and α5(IV) isoforms of type IV collagen in the human cornea, conjunctiva, and amniotic membrane. The arrow shows the termination of Bowman's layer. *(Reprinted with permission from: Fukuda K et al. Differential distribution of subchains of the basement membrane components type IV collagen and laminin among the amniotic membrane, cornea, and conjunctiva. Cornea 18:73-79, 1999.)*
Слой Боумена
Bowman's layer
Бесклеточная мембраноподобная зона, известная как слой Боумена или мембрана Боумена, обнаруживается при световой микроскопии на границе между эпителием и стромой роговицы у человека и некоторых других млекопитающих (но не у грызунов). Поскольку эта структура толщиной 12 µm является не мембраной, а скорее случайным расположением коллагеновых волокон и протеогликанов, термин «слой Боумена» является более предпочтительным. Коллагеновые волокна в слое Боумена представлены преимущественно коллагенами I и III типов. Диаметр этих волокон составляет 20–30 нм, что меньше диаметра коллагеновых волокон, присутствующих в строме роговицы (22.5–35 нм) (см. рис. 1.4).
An acellular, membrane-like zone known as Bowman's layer, or Bowman's membrane, is detectable by light microscopy at the interface between the corneal epithelium and stroma in humans and certain other mammals (but not in rodents). Given that this structure, which is 12 µm thick, is not a membrane but rather a random arrangement of collagen fibers and proteoglycans, the term Bowman's layer is preferable. The collagen fibers in Bowman's layer are primarily collagen types I and III. The diameter of these fibers is 20–30 nm, which is smaller than that of the collagen fibers present in the corneal stroma (22.5–35 nm) (see Fig. 1.4).
Слой Боумена считается передней частью стромы роговицы. Передняя поверхность этого слоя, обращенная к базальной мембране, гладкая. Поскольку коллагеновые волокна в слое Боумена синтезируются и секретируются стромальными кератоцитами, они кажутся непрерывными по отношению к волокнам в строме.
Bowman's layer is considered to be the anterior portion of the corneal stroma. The anterior surface of this layer, which faces the basement membrane, is smooth. Given that the collagen fibers in Bowman's layer are synthesized and secreted by stromal keratocytes, they appear continuous with those in the stroma.
Биологические функции, первоначально приписываемые слою Боумена, теперь, как полагают, опосредуются базальной мембраной. Слой Боумена не регенерирует после повреждения. Современный клинический опыт применения эксимерной лазерной фотоабляции показывает, что нормальный эпителий формируется и поддерживается даже в отсутствие слоя Боумена. Более того, многие млекопитающие не имеют слоя Боумена, но при этом демонстрируют хорошо организованную структуру эпителия. Таким образом, физиологическая роль слоя Боумена остается неясной.
Biological functions originally attributed to Bowman's layer are now thought to be mediated by the basement membrane. Bowman's layer does not regenerate after injury. Recent clinical experience with excimer laser photoablation demonstrates that a normal epithelium is formed and maintained even in the absence of Bowman's layer. Furthermore, many mammals do not have a Bowman's layer but still exhibit a well-organized epithelial structure. The physiological role of Bowman's layer therefore remains unclear.
Строма роговицы и склеры
Stroma of the cornea and sclera
Обзор
Overview
Строма составляет наибольшую часть, более 90%, толщины роговицы. Периферическая часть роговицы соединяется с передней частью склеры в области лимба, где ткань теряет свою прозрачность. Многие характеристики роговицы, включая ее физическую прочность, стабильность формы и прозрачность, в значительной степени обусловлены анатомическими и биохимическими свойствами стромы. Равномерное расположение и непрерывное медленное обновление (синтез и деградация) коллагеновых волокон в строме имеют важное значение для прозрачности роговицы.
The stroma constitutes the largest portion, more than 90%, of the thickness of the cornea. The peripheral portion of the cornea connects to the anterior sclera at the limbus, where the tissue loses its transparency. Many characteristics of the cornea, including its physical strength, stability of shape, and transparency, are largely attributable to the anatomic and biochemical properties of the stroma. The uniform arrangement and continuous slow turnover (production and degradation) of collagen fibers in the stroma are essential for corneal transparency.
Склера также состоит в основном из коллагеновых волокон и других макромолекул матрикса, но неоднородность расположения этих волокон объясняет отсутствие у нее прозрачности.[85] Толщина стромы склеры варьирует примерно от 0.5 нм до 1.0 мм в зависимости от области, за исключением мест прикрепления прямых мышц, где склера наиболее тонкая. Прочность стромы склеры имеет важное значение для ее роли в качестве контейнера для внутриглазных тканей. Склеральные фибробласты встроены в коллагеновые ламеллы.
The sclera is also composed mostly of collagen fibers and other matrix macromolecules, but nonuniformity in the arrangement of these fibers accounts for its lack of transparency.[85] The thickness of the scleral stroma ranges from approximately 0.5 nm to 1.0 mm depending on the area, with the exception of the sites of insertion for the rectus muscle, where the sclera is thinnest. The toughness of the scleral stroma is essential for its role as a container of the intraocular tissues. Scleral fibroblasts are embedded within the collagen lamellae.
Клетки
Cells
Кератоциты являются преобладающим клеточным компонентом стромы роговицы; считается, что их обновление происходит примерно каждые 2–3 лет. Веретеновидные кератоциты рассеяны среди ламелл стромы (рис. 1.9). Эти клетки имеют длинные отростки, и отростки соседних клеток соединены на своих концах щелевыми контактами (рис. 1.10).[86] Трехмерную сетевидную структуру кератоцитов можно наблюдать с помощью световой микроскопии в плоских препаратах стромы роговицы, с помощью конфокальной биомикроскопии, а также, после переваривания стромального коллагена, с помощью сканирующей электронной микроскопии (рис. 1.10).[87]
Keratocytes are the predominant cellular components of the corneal stroma and are thought to turn over about every 2 to 3 years. The spindle-shaped keratocytes are scattered among the lamellae of the stroma (Fig. 1.9). These cells extend long processes, and the processes of neighboring cells are connected at their tips by gap junctions (Fig. 1.10).[86] The three-dimensional network structure of keratocytes can be observed by light microscopy in flat preparations of the corneal stroma by confocal biomicroscopy, and, after digestion of stromal collagen, by scanning electron microscopy (Fig. 1.10).[87]
Рис. 1.9 Трансмиссионная электронная микроскопия стромы роговицы человека. (A) Кератоцит, локализованный между стромальными ламеллами. (B) Вид при большем увеличении, демонстрирующий кератоцит в соотношении с коллагеновыми волокнами, идущими в различных направлениях.
Fig. 1.9 Transmission electron microscopy of the human corneal stroma. (A) A keratocyte localized between stromal lamellae. (B) A higher-magnification view showing a keratocyte in relation to collagen fibers coursing in various directions.
Рис. 1.10 Электронная микроскопия стромы роговицы. (A) Ламеллярная структура коллагеновых волокон и электронно-плотные щелевые контакты (1) между клеточными отростками кератоцитов в роговице человека. (B) Трехмерный вид кератоцитов в роговице крысы после переваривания коллагена. Обратите внимание на клеточную сеть, образованную кератоцитами.
Fig. 1.10 Electron microscopy of the corneal stroma. (A) Lamellar structure of collagen fibers and electron-dense gap junctions (1) between the cellular processes of keratocytes in the human cornea. (B) Three-dimensional view of keratocytes in the rat cornea after digestion of collagen. Note the cellular network formed by keratocytes.
Кератоциты подобны фибробластам и обладают развитым внутриклеточным цитоскелетом, включая выраженные актиновые филаменты. Таким образом, в нормальной роговице кератоциты находятся в состоянии покоя, но легко активируются и претерпевают трансформацию в миофибробласты, экспрессирующие α-гладкомышечный актин, в ответ на различные типы повреждений стромы.[88] Миофибробласты вырабатывают ВКМ, коллагендеградирующие ферменты, матриксные металлопротеиназы (ММП) и цитокины для восстановления стромальной ткани, а их способность к сокращению способствует закрытию раны.
Keratocytes are similar to fibroblasts and possess an extensive intracellular cytoskeleton, including prominent actin filaments. Keratocytes are thus quiescent in the normal cornea but are readily activated and undergo transformation into myofibroblasts, that express α-smooth muscle actin, in response to various types of insult to the stroma.[88] Myofibroblasts produce ECM, collagen-degrading enzymes, matrix metalloproteinases (MMPs), and cytokines for stromal tissue repair, and their ability to contract contributes to wound closure.
Хотя склеральные фибробласты охарактеризованы не так подробно, как кератоциты, считается, что они подобны фибробластам в других частях тела. Как и в строме роговицы, для гомеостаза соединительной ткани требуется медленное обновление коллагеновых волокон склеральными фибробластами. Деградация матрикса склеральными фибробластами стимулируется производными простагландинов, что частично объясняет увеличение увеосклерального оттока водянистого юмора и снижение внутриглазного давления, вызываемые такими препаратами.[89] Активация склеральных фибробластов внешними стимулами, такими как травма или хирургическое вмешательство, также приводит к их трансдифференцировке в миофибробласты и последующему фиброзу тканей.
Although scleral fibroblasts are not as well characterized as keratocytes, they are thought to be similar to fibroblasts in other parts of the body. As in the corneal stroma, a slow turnover of collagen fibers by scleral fibroblasts is required for connective tissue homeostasis. Matrix degradation by scleral fibroblasts is promoted by prostaglandin derivatives, which accounts in part for the increase in uveoscleral outflow of aqueous humor and the reduction in intraocular pressure induced by such drugs.[89] Activation of scleral fibroblasts by external stimuli, such as injury or surgery, also results in their transdifferentiation into myofibroblasts and consequent tissue fibrosis.
Коллаген
Collagen
Клеточные компоненты (в основном кератоциты) занимают лишь 2–3% от общего объема стромы роговицы,[90] при этом оставшаяся часть состоит преимущественно из компонентов ВКМ — коллагена и протеогликанов. Коллаген составляет более 70% от сухого веса роговицы. Коллаген в строме роговицы представлен в основном I типом, также присутствуют небольшие количества III, V и VI типов.[91–100] Протеогликаны распределены между основными коллагеновыми волокнами.
The cellular components (mainly keratocytes) occupy only 2–3% of the total volume of the corneal stroma,[90] with the remaining portion comprising mostly the ECM components collagen and proteoglycans. Collagen constitutes more than 70% of the dry weight of the cornea. Collagen in the corneal stroma is mostly type I, with smaller amounts of types III, V, and VI also present.[91–100] Proteoglycans are distributed among the major collagen fibers.