При инфекционном изъязвлении стромы роговицы ферменты, разрушающие ВКМ стромы, высвобождаются как клетками хозяина, так и инфицирующими бактериями. Кроме того, эластаза Pseudomonas напрямую разрушает коллаген, а также способствует его деградации кератоцитами, частично через активацию про-ММП.[186] Таким образом, при инфекционном изъязвлении роговицы у людей наблюдается по крайней мере три различных пути деградации коллагеновых волокон стромы: (1) прямое разрушение бактериальной коллагеназой, (2) деградация ММП, высвобождаемыми кератоцитами (или миофибробластами), активированными бактериальными факторами, такими как эластаза, или (3) активация инфильтрирующими воспалительными клетками.
During infectious ulceration of the corneal stroma, enzymes that degrade the ECM of the stroma are released by both host cells and the infecting bacteria. Furthermore, pseudomonal elastase degrades collagen directly as well as promotes collagen degradation by keratocytes, in part, via activation of pro-MMPs.[186] Thus, there appear to be at least three different pathways for the degradation of stromal collagen fibers in individuals with infectious corneal ulceration: (1) direct degradation by bacterial collagenase, (2) degradation by MMPs released from keratocytes (or myofibroblasts) activated by bacterial factors such as elastase, or (3) activation by infiltrated inflammatory cells.
Цитокины и факторы роста
Cytokines and growth factors
Как кератоциты, так и инфильтрирующие клетки, такие как лимфоциты, нейтрофилы и макрофаги, секретируют цитокины или факторы роста и модулируют поведение клеток в заживающей строме роговицы. Каждый цитокин или фактор роста активирует пути передачи сигнала, которые регулируют экспрессию специфических генов, участвующих в воспалительном ответе. Воздействие на такую регуляцию на уровне лиганда или сигналинга может дать новые стратегии лечения патологий, связанных с ранением. Считается, что TGF-β играет ключевую роль в заживлении стромы роговицы.[187],[188] Он экспрессируется как эпителиальными клетками, так и клетками стромы (кератоцитами или склеральными фибробластами), а также воспалительными клетками, которые активируют клетки стромы и способствуют их трансдифференцировке в миофибробласты. Миофибробласты способствуют не только заживлению ран, но и посттравматическому рубцеванию стромы роговицы и склеры в результате избыточной выработки компонентов матрикса. Блокада сигналинга TGF-β эффективно снижает фиброгенную реакцию и последующее рубцевание и помутнение на мышиной модели щелочного ожога роговицы.[187],[188]
Both keratocytes and infiltrated cells, such as lymphocytes, neutrophils, and macrophages, secrete cytokines or growth factors and modulate behaviors of cells in the healing corneal stroma. Each cytokine or growth factor activates signal transduction pathways that regulate the expression of specific genes that contribute to the inflammatory response. Targeting of such regulation at the ligand or signaling level may provide new strategies for treatment of wound-related pathology. TGF-β is thought to play a key role in healing of the corneal stroma.[187],[188] It is expressed by both epithelial cells and stromal cells (keratocytes or scleral fibroblasts) as well as by inflammatory cells that activate stromal cells and promote their transdifferentiation into myofibroblasts. Myofibroblasts contribute not only to wound repair but also to post-injury stromal scarring in the cornea and sclera as a result of the overproduction of matrix components. Blockade of TGF-β signaling effectively reduces the fibrogenic reaction and consequent scarring and opacification in a mouse model of corneal alkali burn.[187],[188]
Провоспалительный цитокин фактор некроза опухоли (TNF)-α также активируется в ответ на повреждение.[189] TNF-α вызывает различные эффекты в роговице при патологических состояниях, таких как травма, аллергия и инфекция.[190–193] Однако полная потеря TNF-α в роговице мышей с нокаутом приводит к усилению воспаления после щелочного ожога, что позволяет предположить, что роль TNF-α в роговице может зависеть от конкретного состояния.[194]
The proinflammatory cytokine tumor necrosis factor (TNF)-α is also up-regulated in response to injury.[189] TNF-α induces various effects in the cornea under pathological conditions such as injury, allergy, and infection.[190–193] However, the complete loss of TNF-α in the cornea of knockout mice results in enhancement of post-alkali burn inflammation, suggesting that the role of TNF-α in the cornea might depend on the specific condition.[194]
Неоваскуляризация в строме роговицы
Neovascularization in the corneal stroma
Роговица представляет собой аваскулярную ткань и должна оставаться прозрачной для правильного преломления света. Неоваскуляризация роговицы, возникающая вследствие воспаления, связанного с различными состояниями, такими как травма, микробная инфекция или щелочной ожог, либо вследствие дефицита лимбальных стволовых клеток, может таким образом привести к нарушению зрения. Цитокины и факторы роста координируют поведение клеток, связанное с развитием неоваскуляризации роговицы. Фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) и TGF-β таким образом способствуют неоваскуляризации, вызванной повреждением, при этом компоненты ВКМ поддерживают рост новых сосудов. Эти факторы активируются в строме роговицы (как в воспалительных, так и в резидентных клетках) во время заживления ран или при воспалительных заболеваниях.[195]
The cornea is an avascular tissue and must remain transparent in order to refract light properly. Neovascularization in the cornea resulting from inflammation associated with various conditions such as trauma, microbial infection, or alkali burn or from limbal stem cell deficiency can thus impair vision. Cytokines and growth factors orchestrate cell behavior associated with the development of corneal neovascularization. Vascular endothelial growth factor (VEGF) and TGF-β thus contribute to injury-induced neovascularization, with ECM components supporting the growth of new vessels. These factors are up-regulated in the corneal stroma (in both inflammatory cells and resident cells) during wound healing or inflammatory disorders.[195]
Развитие переднего сегмента глаза
Development of the Anterior Eye Segment
Развитие переднего сегмента глаза
Development of the Anterior Eye Segment
Характеристика развития тканей глаза в ходе эмбриогенеза важна для понимания патогенеза врожденных аномалий роговицы и переднего сегмента глаза (Рис. 1.14).[196],[197] Морфогенез глаза осуществляется клеточными линиями различного происхождения, включая поверхностный и нейральный эктодермы в процессе эмбрионального развития. Эпителиальные клетки роговицы происходят из эпидермальной эктодермы, тогда как кератоциты, склеральные фибробласты и эндотелиальные клетки имеют происхождение из нервного гребня (нейроэктодермальное происхождение). Поверхностная эктодерма над нейрональной оптической чашей инвагинирует, образуя хрусталик. После того как хрусталиковый пузырек отделяется от поверхностной эктодермы, эпителий на незрелом хрусталике дифференцируется в эпителий роговицы. Мезенхимальные клетки, производные нервного гребня, мигрируют в пространство между хрусталиком и примитивным эпителием роговицы и развиваются в строму роговицы, эндотелий, радужку и трабекулярную сеть. Многие аномалии переднего сегмента глаза являются результатом нарушения дифференцировки этих тканей, производных нервного гребня.
Characterization of the development of ocular tissues during embryogenesis is important for understanding the pathogenesis of congenital anomalies of the cornea and anterior eye segment (Fig. 1.14).[196],[197] Morphogenesis of the eye is achieved by cell lineages of various origins including the surface and neural ectoderm during embryonic development. Epithelial cells of the cornea are derived from the epidermal ectoderm, whereas keratocytes, scleral fibroblasts, and endothelial cells are of neural crest (neuroectodermal) origin. The surface ectoderm above the neuronal optic cup invaginates to form the crystalline lens. After the lens vesicle has separated from the surface ectoderm, the epithelium on the immature lens differentiates into the corneal epithelium. Neural crest-derived mesenchymal cells migrate in the space between the lens and primitive corneal epithelium and develop into the corneal stroma, endothelium, iris, and trabecular meshwork. Many anomalies of the anterior eye segment result from impaired differentiation of these neural crest-derived tissues.
Рис. 1.14 Гистология глаза эмбрионов мышей C57BL/6, выявленная с помощью окрашивания гематоксилином и эозином. (A) Хрусталиковый пузырек отделился от поверхностной эктодермы, которая разовьется в эпителий роговицы, у эмбриона на сроке E12.5. Клетки нервного гребня, которые сформируют строму роговицы, присутствуют между капсулой хрусталика и поверхностной эктодермой. (B) Эндотелий роговицы отделился от капсулы хрусталика, образовав переднюю камеру, у эмбриона на сроке E18.5. Поверхность глаза покрыта веками, которые сращены друг с другом. В стекловидном теле заметно несколько клеток. (C) Стратификация эпителия роговицы недостаточно развита на сроке E18.5, но эндотелий уже созрел. Плотность кератоцитов выше, чем наблюдаемая в роговице взрослой мыши. Масштабные отрезки: 500 µm (A, B) и 50 µm (C).
Fig. 1.14 Ocular histology of C57BL/6 mouse embryos as revealed by hematoxylin & eosin staining. (A) The lens vesicle has separated from the surface ectoderm, which will develop into the corneal epithelium, in an embryo at E12.5. Neural crest cells, which will form the corneal stroma, are present between the lens capsule and surface ectoderm. (B) The corneal endothelium has separated from the lens capsule to form the anterior chamber in an embryo at E18.5. The ocular surface is covered with the eyelids, which are fused to each other. A few cells are apparent in the vitreous cavity. (C) Stratification of the corneal epithelium is not well developed at E18.5, but the endothelium has matured. The density of keratocytes is higher than that observed in the adult mouse cornea. Bars: 500 µm (A, B) and 50 µm (C).
Поверхностная эктодерма над оптической чашей инвагинирует на пятой неделе беременности у людей, и к шестой неделе примитивный эпителий роговицы развивает соединительные комплексы. Большинство склеральных фибробластов дифференцируются из клеток нервного гребня, окружающих оптическую чашу на шестой неделе. Мезедермальные клетки также вносят вклад в развитие склеры и внеглазных мышц. Мезенхима, производная клеток нервного гребня, мигрирует в пространство между примитивным эпителием роговицы и хрусталиковым пузырьком тремя волнами в течение седьмой недели. Первая волна миграции приводит к формированию эндотелия роговицы и трабекулярного эндотелия; вторая волна клеток дифференцируется в кератоциты; а третья волна дает начало радужке. В течение восьмой недели кератоциты формируют от пяти до восьми слоев коллагеновых ламелл, и эндотелий роговицы начинает формировать мембрану Десцеме. Дефекты миграции мезенхимальных клеток, производных нервного гребня, ответственны за аномалии роговицы и переднего сегмента глаза, включая аномалию Питерса. Ряд генов, включая гены, кодирующие TGF-β2 и транскрипционный фактор FOXC, были связаны с дифференцировкой клеток нервного гребня в примитивную строму роговицы у мышей.[198]
The surface ectoderm above the optic cup invaginates during the fifth week of gestation in humans, and the primitive corneal epithelium develops junctional complexes by the sixth week. Most scleral fibroblasts differentiate from neural crest cells that surround the optic cup during the sixth week. Mesodermal cells also contribute to development of the sclera and the extraocular muscles. The neural crest cell-derived mesenchyme migrates into the space between the primitive corneal epithelium and lens vesicle in three waves during the seventhh week. The first wave of migration results in formation of the corneal endothelium and trabecular endothelium; the second wave of cells differentiates into keratocytes; and the third wave gives rise to the iris. During the eighth week, the keratocytes form five to eight layers of collagen lamellae and the corneal endothelium starts to form Descemet's membrane. Defects in the migration of neural crest-derived mesenchymal cells are responsible for anomalies of the cornea and anterior eye segment including Peters’ anomaly. Several genes, including those encoding TGF-β2 and the transcription factor FOXC, have been implicated in the differentiation of neural crest cells into the primitive corneal stroma in mice.[198]
Пространства между коллагеновыми волокнами заполняются протеогликанами, которые образуются в результате связывания цепей гликозаминогликанов с ранее накопившимися ядерными белками. Даже к шестому месяцу беременности роговица все еще не полностью созрела. Эпителий имеет всего три или четыре слоя клеток, и кератансульфатные протеогликаны продолжают накапливаться. Однако в течение седьмого месяца роговица хорошо развита, эпителий состоит из четырех или пяти слоев с четко различимыми базальными, крылатыми и поверхностными клетками. Строма к этому времени также почти полностью развита, и накопление кератансульфатных протеогликанов между коллагеновыми волокнами практически завершено. Гиалуронан является основным гликозаминогликаном в строме роговицы на ранних стадиях эмбрионального развития, но его количество снижается одновременно с увеличением содержания кератансульфата, хондроитинсульфата и дерматансульфата, что приводит к составу гликозаминогликанов, сходному с составом стромы взрослого организма.[199]
The spaces among collagen fibers become occupied by proteoglycans that are formed as a result of the binding of glycosaminoglycan chains to previously accumulated core proteins. Even by the sixth month of gestation, the cornea is still not fully mature. The epithelium has only three or four layers of cells, and keratan sulfate proteoglycans continue to accumulate. During the seventh month, however, the cornea is well developed, with the epithelium consisting of four or five layers with readily recognizable basal, wing, and superficial cells. The stroma is also almost fully developed at this time, with the accumulation of keratan sulfate proteoglycans among collagen fibers being virtually complete. Hyaluronan is a major glycosaminoglycan in the corneal stroma during the early stages of embryonic development, but its abundance declines concomitantly with the increase in that of keratan sulfate, chondroitin sulfate, and dermatan sulfate, giving rise to a glycosaminoglycan composition similar to that of the adult stroma.[199]
Последние достижения в технологиях трансгенеза и генного нокаута у мышей позволили получить важные сведения о роли специфических генов в развитии и гомеостазе тканей роговицы, а также о врожденных аномалиях у людей.[199],[200] Интерпретация таких исследований также зависит от понимания нормального процесса развития глаза у мыши (см. Рис. 1.14). Поверхностная эктодерма инвагинирует в оптическую чашу на эмбриональный день (E) 10.5 у мышей. К E12.5 примитивный хрусталик уже отделился от поверхностной эктодермы, которая станет эпителием роговицы, и мезенхима, производная нервного гребня, начала мигрировать в пространство между примитивным эпителием роговицы и хрусталиком. В отличие от эмбриона человека, клетки, производные нервного гребня, мигрируют в это пространство одной волной. К E14.5 у эмбриона уже развились эпителий, строма и эндотелий роговицы, а к E18.5 толщина стромы роговицы увеличилась в результате синтеза макромолекул матрикса. Верхнее и нижнее веки срастаются друг с другом между E14.5 и E16.5; веки разделяются и глаза открываются после рождения, после чего эпителий роговицы проходит окончательное созревание.
Recent advances in transgenic and gene knockout technologies in mice have provided important insight into the role of specific genes in the development and homeostasis of corneal tissue as well as into congenital anomalies in humans.[199],[200] Interpretation of such studies also depends on an understanding of the normal process of eye development in the mouse (see Fig. 1.14). The surface ectoderm invaginates into the optic cup at embryonic day (E) 10.5 in mice. At E12.5, the primitive lens has already separated from the surface ectoderm, which will become the corneal epithelium, and the neural crest-derived mesenchyme has begun to migrate into the space between the primitive corneal epithelium and lens. In contrast to the human embryo, the neural crest-derived cells migrate into this space in a single wave. At E14.5, the embryo has already developed the epithelium, stroma, and endothelium of the cornea, and at E18.5 the corneal stroma has increased in thickness as a result of the synthesis of matrix macromolecules. The upper and lower eyelids fuse to each other between E14.5 and E16.5; the eyelids separate and the eyes reopen after birth, and the corneal epithelium then undergoes final maturation.