Как средний диаметр коллагеновых волокон, так и среднее расстояние между такими волокнами в строме роговицы относительно однородны и составляют менее половины длины волны видимого света (400–700 нм). Считается, что такое анатомическое устройство обуславливает тот факт, что рассеяние падающего луча света каждым коллагеновым волокном компенсируется интерференцией других рассеянных лучей,[4] что позволяет свету проходить сквозь роговицу. Если диаметр или расстояние между коллагеновыми волокнами становятся неоднородными (как это происходит при фиброзе или отеке), падающие лучи рассеиваются хаотично, и роговица теряет свою прозрачность.
Both the mean diameter of collagen fibers and the mean distance between such fibers in the corneal stroma are relatively homogeneous and are less than half of the wavelength of visible light (400–700 nm). This anatomic arrangement is thought to be responsible for the fact that scattering of an incident ray of light by each collagen fiber is canceled by interference from other scattered rays,[4] allowing light to pass through the cornea. If the diameter of or the distance between collagen fibers becomes heterogeneous (as occurs in fibrosis or edema), incident rays are scattered randomly and the cornea loses its transparency.
Молекулы проколлагена секретируются кератоцитами во внеклеточное пространство, после чего пропептиды на обоих концах отщепляются, образуя зрелые молекулы коллагена. Молекулы коллагена самоорганизуются в фибриллы диаметром 10–300 нм, и эти фибриллы впоследствии объединяются в коллагеновые волокна. Отдельные коллагеновые волокна в строме роговицы можно наблюдать с помощью трансмиссионной электронной микроскопии (см. рис. 1.9). Как упоминалось выше, и диаметр (22.5–35 нм)[99],[101], и расстояние между (41.4 ± 0.5 нм)[102] коллагеновыми волокнами в строме роговицы крайне однородны, и эта регулярная структура является основным определяющим фактором прозрачности роговицы. При большом увеличении каждое коллагеновое волокно демонстрирует характерный рисунок поперечной исчерченности с периодичностью 67 нм (см. рис. 1.9). В строме роговицы коллагеновые волокна образуют около 300 ламелл.[103] Каждая ламелла проходит параллельно поверхности роговицы от лимба до лимба. Обновление молекул коллагена в роговице происходит медленно и занимает от 2 до 3 лет.
Procollagen molecules are secreted by keratocytes into the extracellular space, after which the propeptides at both ends are cleaved to yield the mature collagen molecules. The collagen molecules self-assemble into fibrils with a diameter of 10–300 nm, and these fibrils subsequently further assemble into collagen fibers. Individual collagen fibers in the corneal stroma can be observed by transmission electron microscopy (see Fig. 1.9). As mentioned above, both the diameter of (22.5–35 nm)[99],[101] and distance between (41.4 ± 0.5 nm)[102] collagen fibers in the corneal stroma are highly uniform, with this regular arrangement being a major determinant of corneal transparency. At high magnification, each collagen fiber exhibits a characteristic cross-striation pattern with a periodicity of 67 nm (see Fig. 1.9). In the corneal stroma, the collagen fibers form about 300 lamellae.[103] Each lamella courses parallel to the surface of the cornea from limbus to limbus. The turnover of collagen molecules in the cornea is slow, requiring 2 to 3 years.
Гистологические особенности стромы склеры схожи с особенностями стромы роговицы, так как строма склеры также состоит в основном из основных коллагеновых волокон и протеогликанов.[104] Типы коллагена, обнаруженные в строме склеры, также схожи с типами в строме роговицы. Напротив, компоненты матрикса, присутствующие в пространствах между основными коллагеновыми волокнами в строме склеры, отличаются от компонентов в строме роговицы. Это различие в неколлагеновом матриксе в значительной степени объясняет разницу в ультраструктуре между роговицей и склерой. В то время как коллагеновые волокна в строме роговицы имеют очень однородный диаметр, волокна в строме склеры варьируют по диаметру от 25 до 250 нм. Кроме того, если в строме роговицы коллагеновые волокна расположены регулярно с относительно равномерным межволоконным расстоянием, то в строме склеры расстояние между коллагеновыми волокнами варьируется. ВКМ стромы склеры, включая как коллагеновые, так и неколлагеновые компоненты, вырабатывается стромальными фибробластами.
The histological features of the scleral stroma are similar to those of the corneal stroma, with the scleral stroma also being composed largely of major collagen fibers and proteoglycans.[104] The collagen types detected in the scleral stroma are also similar to those in the corneal stroma. In contrast, the matrix components present in the spaces between the major collagen fibers in the scleral stroma differ from those in the corneal stroma. This difference in the noncollagenous matrix largely accounts for the difference in ultrastructure between the cornea and sclera. Whereas the collagen fibers in the corneal stroma are highly uniform in diameter, those in the scleral stroma range in diameter from 25 to 250 nm. Furthermore, whereas collagen fibers are arranged regularly with a relatively uniform interfiber distance in the corneal stroma, the distance between collagen fibers in the scleral stroma varies. The ECM of the scleral stroma, including both collagen and noncollagenous components, is produced by the stromal fibroblasts.
Протеогликаны
Proteoglycans
Протеогликаны, основные компоненты матрикса, расположенные в пространствах между основными коллагеновыми волокнами в строме роговицы и склеры, состоят из ядерного белка и цепей гликозаминогликанов; считается, что они модулируют фибриллогенез коллагена.[105] Сами гликозаминогликаны также играют важную роль независимо от ядерного белка, к которому они прикреплены. Таким образом, функции протеогликанов можно рассматривать как с точки зрения ядерного белка, так и с точки зрения гликозаминогликанов.
Proteoglycans, the major matrix components located in the spaces among major collagen fibers in the stroma of the cornea and sclera, are composed of a core protein and glycosaminoglycan chains and are thought to modulate collagen fibrillogenesis.[105] Glycosaminoglycans themselves also play important roles regardless of the core protein to which they are attached. The functions of proteoglycans can thus be considered from the points of view of both the core protein and glycosaminoglycans.
За исключением гиалуронана (гиалуроновой кислоты), гликозаминогликаны стромы роговицы присутствуют в форме протеогликанов. Наиболее распространенным гликозаминогликаном в роговице является кератансульфат,[106] составляющий около 65% от общего содержания гликозаминогликанов. Остальные гликозаминогликаны включают хондроитинсульфат и дерматансульфат. Гликозаминогликаны обладают способностью поглощать и удерживать большое количество воды. Хотя гидратация роговицы регулируется преимущественно эндотелиальным насосом, на нее также влияют эпителиальный барьер, испарение с поверхности, внутриглазное давление и давление набухания стромы. Склонность стромы к набуханию возникает в результате интерфибриллярной имбибиции жидкости и отталкивания между фиксированными отрицательными зарядами кератансульфата и хондроитинсульфата. Эта склонность к набуханию была названа давлением набухания (SP) и составляет примерно 50 мм рт. ст. в изолированной роговице. Отрицательное давление, которое втягивает жидкость в роговицу, называется давлением имбибиции (IP), которое в изолированной роговице равно давлению набухания. Однако in vivo давление имбибиции ниже давления набухания из-за компрессионного эффекта внутриглазного давления (ВГД). Взаимосвязь между этими тремя параметрами описывается уравнением:
With the exception of hyaluronan (hyaluronic acid), the glycosaminoglycans of the corneal stroma are present in the form of proteoglycans. The most abundant glycosaminoglycan in the cornea is keratan sulfate,[106] constituting about 65% of the total glycosaminoglycan content. The remaining glycosaminoglycans include chondroitin sulfate and dermatan sulfate. Glycosaminoglycans have the ability to absorb and retain large amounts of water. Although corneal hydration is regulated predominantly by an endothelial pump, it is also influenced by the epithelial barrier, surface evaporation, intraocular pressure, and stromal swelling pressure. The tendency of the stroma to swell results from interfibrillary imbibition of fluid and repulsion between the fixed negative charges on keratan sulfate and chondroitin sulfate. This swelling tendency has been termed the swelling pressure (SP) and is approximately 50 mmHg in the excised cornea. The negative pressure that draws fluid into the cornea is termed the imbibition pressure (IP), which, in the excised cornea, is equal to the swelling pressure. In vivo, however, the imbibition pressure is lower than the swelling pressure because of the compressive effect of intraocular pressure (IOP). The relationship between these three parameters is described by the equation:
Следовательно, понимание динамики отека роговицы требует понимания роли основного вещества стромы (цепей гликозаминогликанов протеогликанов) в состоянии гидратации (и, следовательно, прозрачности) роговицы. Если насосная функция эндотелия роговицы утрачивается, строма роговицы набухает, что приводит к нарушению регулярного расстояния между коллагеновыми волокнами. Неравномерность межволоконного расстояния приводит к рассеиванию падающего света и делает роговицу мутной.
An appreciation of the dynamics of corneal edema therefore requires an understanding of the role of the stromal ground substance (glycosaminoglycan chains of proteoglycans) in the hydration state (and hence the clarity) of the cornea. If the pump function of the corneal endothelium is lost, the corneal stroma swells, leading to a disturbance in the regular spacing between collagen fibers. The irregularity of the interfiber distance results in scattering of incident light and renders the cornea hazy.
Что касается ядерных белков, строма роговицы содержит люмикан, кератокан и мимекан (остеоглицин) в качестве кератансульфатных протеогликанов, а также декорин и бигликан в качестве хондроитинсульфатных или дерматансульфатных протеогликанов (таблица 1.3).[107],[108] Эти ядерные белки относятся к семейству малых лейцин-богатых протеогликанов (SLRP), которые содержат общий центральный домен, состоящий примерно из 10 лейцин-богатых повторов.[109] Сначала они накапливаются в виде низкосульфатированных гликопротеинов в эмбриональной строме, а затем связывают гликозаминогликаны, образуя протеогликаны, характерные для роговицы взрослого организма. Хотя роль конкретных протеогликанов в поддержании прозрачности или формы роговицы в физиологических условиях или в развитии помутнения роговицы в патологических условиях остается неясной, спонтанная мутация гена ядерного белка позволила получить некоторые сведения. Недавно было показано, что мутация гена кератокана приводит к plana cornea (плоской роговице) — аномалии, характеризующейся нарушением кривизны роговицы, но она не повлияла на прозрачность стромы роговицы.[110],[111]
In terms of core proteins, the corneal stroma contains lumican, keratocan, and mimecan (osteoglycin) as keratan sulfate proteoglycans as well as decorin and biglycan as chondroitin sulfate or dermatan sulfate proteoglycans (Table 1.3).[107],[108] These core proteins are members of the family of small leucine-rich proteoglycans (SLRPs), which contain a common central domain consisting of about 10 leucine-rich repeats.[109] They first accumulate as low-sulfate glycoproteins in the embryonic stroma and subsequently bind glycosaminoglycans to form proteoglycans typical of the adult cornea. Although the roles of specific proteoglycans in the maintenance of corneal transparency or shape under physiological conditions or in the development of corneal haziness under pathological conditions remain unclear, spontaneous mutation of a core protein gene has provided some insight. Mutation of the keratocan gene was recently shown to result in cornea plana, an anomaly characterized by abnormal corneal curvature, but it did not affect the transparency of the corneal stroma.[110],[111]
Таблица 1.3 — Гликозаминогликаны и ядерные белки протеогликанов в роговице
Table 1.3 -- Glycosaminoglycans and proteoglycan core proteins in the cornea
| Гликозаминогликан | Размер (кДа) | Составляющий дисахарид |
|---|---|---|
| Гепарансульфат | 5–12 | N-ацетилгалактозамин, глюкуроновая кислота |
| Гепарин | 6–25 | N-ацетилгалактозамин, глюкуроновая кислота |
| Дерматансульфат | 15–49 | N-ацетилгалактозамин, идуроновая кислота |
| Хондроитин 4,6-сульфат | 5–50 | N-ацетилгалактозамин, глюкуроновая кислота |
| Кератансульфат | 4–19 | N-ацетилгалактозамин, галактоза |
| Гиалуронан | 4–8000 | N-ацетилгалактозамин, глюкуроновая кислота |
| Glycosaminoglycan | Size (kDa) | Constituent disaccharide |
|---|---|---|
| Heparan sulfate | 5–12 | N-acetylgalactosamine, glucuronic acid |
| Heparin | 6–25 | N-acetylgalactosamine, glucuronic acid |
| Dermatan sulfate | 15–49 | N-acetylgalactosamine, iduronic acid |
| Chondroitin 4,6-sulfate | 5–50 | N-acetylgalactosamine, glucuronic acid |
| Keratan sulfate | 4–19 | N-acetylgalactosamine, galactose |
| Hyaluronan | 4–8000 | N-acetylgalactosamine, glucuronic acid |
| Ядерный белок | Гликозаминогликан | Функция |
|---|---|---|
| Люмикан | Кератансульфат | Взаимодействие с эпителиальными клетками роговицы |
| Кератокан | Кератансульфат | Мутация вызывает plana cornea |
| Мимекан | Кератансульфат | Неизвестна |
| Декорин | Хондроитинсульфат или дерматансульфат | Заживление ран |
| Core protein | Glycosaminoglycan | Function |
|---|---|---|
| Lumican | Keratan sulfate | Interaction with corneal epithelial cells |
| Keratocan | Keratan sulfate | Mutation causes cornea plana |
| Mimecan | Keratan sulfate | Unknown |
| Decorin | Chondroitin sulfate or dermatan sulfate | Wound healing |
В нормальной роговице протеогликаны синтезируются стромальными кератоцитами. Они временно синтезируются эпителиальными клетками роговицы в ранней фазе заживления ран.
In the normal cornea, proteoglycans are synthesized by stromal keratocytes. They are transiently synthesized by corneal epithelial cells during the early phase of wound healing.
Недавние исследования с использованием трансгенных или нокаутных мышей также позволили прояснить роль основных белков протеогликанов. Было показано, что у мышей с дефицитом люмикана развивается возрастное помутнение стромы роговицы.[112],[113] Просвечивающая электронная микроскопия выявила неправильное расположение коллагеновых волокон в задней части стромы у этих животных. Однако людей с мутацией гена люмикана до сих пор не описано. У мышей с дефицитом кератокана наблюдается изменение формы глазного яблока, но прозрачность стромы роговицы не нарушается.[110] У мышей с отсутствием декорина наблюдается аномальный фибриллогенез коллагена в сухожилии хвоста, но не в строме роговицы,[114] что указывает на то, что декорин может не играть важной роли в поддержании прозрачности стромы роговицы, несмотря на его обилие в строме. Такие генетически модифицированные мыши не только проливают свет на функции конкретных молекул, но и служат моделями генетических заболеваний роговицы у человека.
Recent studies with transgenic or knockout mice have also provided insight into the roles of proteoglycan core proteins. Lumican-deficient mice have been shown to undergo age-dependent opacification of the corneal stroma.[112],[113] Transmission electron microscopy revealed an irregular arrangement of collagen fibers in the posterior stroma of these animals. Humans with a mutated lumican gene have not yet been described, however. Keratocan-deficient mice show a change in the shape of the eye shell, but the transparency of the corneal stroma is not affected.[110] Mice lacking decorin exhibit abnormal collagen fibrillogenesis in the tail tendon but not in the corneal stroma,[114] indicating that decorin may not play an important role in maintenance of corneal stromal transparency, despite its abundance in the stroma. Such genetically modified mice not only shed light on the functions of specific molecules but also provide models of human genetic disorders of the cornea.
Основным различием между протеогликановым составом склеры и роговицы является отсутствие в склере кератокана, специфического маркера дифференцировки кератоцитов,[108]. Однако одно лишь это различие не объясняет отсутствие единообразия в размере и расположении коллагеновых волокон в склере. Относительное количество компонентов протеогликанов в склере изменяется в животной модели миопии.[115] Недавние исследования позволяют предположить, что матричные компоненты роговицы или склеры играют определенную роль в регуляции формы или размера глазного яблока. Глазное яблоко мышей с дефицитом люмикана больше, чем у животных дикого типа, тогда как у мышей с дефицитом кератокана оно меньше.[110,112,113]
The main difference between the proteoglycan composition of the sclera and that of the cornea is the absence of keratocan, a specific marker of keratocyte differentiation,[108] in the sclera. However, this difference alone does not explain the lack of uniformity in the size and arrangement of collagen fibers in the sclera. The relative amounts of proteoglycan components in the sclera are changed in an animal model of myopia.[115] Recent studies suggest that matrix components of the cornea or sclera play specific roles in regulation of the shape or size of the eye shell. The eyeball of lumican-deficient mice is larger than that of wild-type animals, whereas that of keratocan-deficient mice is smaller.[110,112,113]
Мембрана Десцеме
Descemet's membrane
Мембрана Десцеме, базальная мембрана эндотелия роговицы, постепенно увеличивается в толщине от рождения (3 µm) до взрослого возраста (8–10 µm) у человека. Гистологический анализ показывает, что она расслоена на тонкий (0.3 µm) неполосчатый слой, прилегающий к строме, переднюю полосчатую зону (2–4 µm) и заднюю аморфную неполосчатую зону (>4 µm), причем последняя может составлять до двух третей толщины мембраны и откладывается с течением времени.[116]
Descemet's membrane, the basement membrane of the corneal endothelium, gradually increases in thickness from birth (3 µm) to adulthood (8–10 µm) in humans. Histological analysis reveals it to be stratified into a thin (0.3 µm) nonbanded layer adjacent to the stroma, an anterior banded zone (2–4 µm), and a posterior amorphous, nonbanded zone (>4 µm), the latter of which can represent up to two-thirds of the thickness of the membrane and is laid down over time.[116]