Главная Новости Научные публикации Издательство Семинары Словарь Контакты
Научные публикации
Научные публикации, статьи
Остеопатия
Медицина

Helene M. Langevin     

       Неоформленная «рыхлая» соединительная ткань образует в теле некую анатомическую сеть. В данной работе представлена гипотеза о том, что, помимо этого, соединительная ткань функционирует как механочувствительная сигнальная система в масштабе всего тела. Рассматриваются три вида сигналов: электрические, клеточные и тканевая перестройка, - каждый из которых потенциально реагирует на механическое воздействие с разной скоростью. Есть предположение, что эти виды сигналов создают динамические, развертывающиеся паттерны, взаимодействующие друг с другом. На такую соединительнотканную сигнализацию будут влиять изменения в движениях и постуре, а также она может измениться в патологических условиях (например, при локальном снижении подвижности после травмы или вследствие боли).

Соединительная ткань: сигнальная система в масштабе всего тела?

Таким образом, соединительная ткань может функционировать как ранее не опознанная коммуникативная система в масштабе всего тела. Поскольку соединительная ткань неразрывно связана со всеми другими тканями (легких, кишечника и др.), соединительнотканная сигнализация способна комплексно влиять (и подвергаться влиянию) на нормальное или патологическое функционирование разнообразных систем органов. Обнаружение существующей соединительнотканной сигнальной системы может существенно изменить наше понимание как здоровья, так и болезни.    
     Если говорить об истоках физиологического анализа, человеческое тело концептуально было разделено на системы (респираторную, пищеварительную, скелетно-мышечную и т.д.) с последующей специализацией направлений медицины по этим зонам. Каким бы полезным ни был этот подход, он привел к тому, что мыслить вне существующих систем стало, и остается, тяжело. Поэтому приходится прикладывать усилия, чтобы навести мосты через зоны, которые до этого момента казались отдельными.   
     Скелетно-мышечная система служит отличным примером физиологической системы, которая обширно изучалась отдельно от всего остального тела. Это можно объяснить тем, что роль определенных скелетно-мышечных тканей (например, костей, мышц, хрящей, сухожилий) столь четко ассоциируется с осанкой и движением. Как ни странно, но более обширная, даже глобальная физиологическая роль соединительной ткани была отмечена более 2000 лет назад в древней практике акупунктуры. Традиционная китайская медицина основывается на положении о существовании сети «меридианов», расположенных в «толстых жировых мембранах» по всему телу, и о том, что эта сеть «соединяет» все части тела между собой [1]. Недавние исследования показывают, что может существовать связь между сетью меридианов и охватывающей все тело сетью из соединительной ткани [2]. Следуя этой логике, в данной работе выдвигается гипотеза о том, что «связность», обеспечиваемая соединительной тканью, является не только анатомической, но и функциональной. Другими словами, образует ли соединительная ткань ранее не опознанную коммуникативную систему в масштабе всего тела?
     Как часть скелетно-мышечной системы неоформленная «рыхлая» соединительная ткань участвует в управлении движениями и осанкой. Однако в отличие от других элементов скелетно-мышечной системы неспециализированная соединительная ткань не только формирует непрерывную сеть, окружающую и пронизывающую все мышцы, но и проникает во все другие ткани и органы. Внутри отдельных органов внеклеточная интерстициальная ткань и соединительнотканная матрица играют известную роль в интеграции функций различных видов клеток, присутствующих в данной ткани (например, легких, кишечника) [3]. Более того, соединительнотканная матрица играет важнейшую роль в механотрансдукции или механизмах, позволяющих клеткам улавливать и передавать механическое воздействие [4]. В понимании механотрансдукции на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях за последние двадцать лет имело место резкое продвижение [5,6]. Также известно, что непрерывное взаимодействие между клетками, матрицей и механическими силами управляет длительной «лепкой» соединительнотканной матрицы. Действительно, выдвигались гипотезы о том, что протеины соединительной ткани передают информационную стабильность и тканевую «память» [7]. Однако ни один из известных механизмов не объясняет, как механические силы могут интерпретироваться и интегрироваться на уровне всего тела. Поскольку соединительная ткань играет важную роль в функционировании всех остальных тканей, разветвленная система соединительнотканной сети, интегрирующая механические силы всего тела, может сбалансировано влиять на функционирование всех остальных физиологических систем. И выявление существования такой «метасистемы» по сути изменит наше понимание физиологии.
     Чтобы показать, что соединительная ткань функционирует как сложная сеть, понадобятся доказательства того, что сигнал генерируется каким-то компонентом соединительной ткани в ответ на определенный стимул и может распространяться в ткани на некоторое расстояние. Общие характеристики системы будут определяться топографией анатомической сети, а также динамикой реакции и распространения сигнала. Какой тип стимула, реакции и распространения сигнала может иметь место в соединительной ткани, обеспечивая ее функционирование как сложной механочувствительной системы в масштабе всего тела? Рассмотрим три категории сигналов, отвечающих на механические силы и происходящих в разном временном масштабе, каждый из которых потенциально может влиять на другие. Сначала проанализируем возможность распространения электрических сигналов, вызванных механическими силами, по внеклеточной матрице. Предположение о том, что подвижность электронов и перенос заряда полимерными биологическими молекулами могут быть фундаментальным механизмом в живых организмах, впервые было выдвинуто в 1941 году Альбертом Сент-Дьёрди [8]. В течение последующих 30 лет в лабораторных условиях были получены доказательства того, что ряд протеинов, включая коллаген, могут обладать полупроводящими, пьезоэлектрическими и фотопроводящими свойствами [9]. Однако имеет ли место данный электронный феномен в естественных условиях и обладает ли он биологической важностью остается неизвестным. Одним из препятствий для изучения полупроводниковых физических свойств тканевых протеинов служит необходимость исследовать эти свойства в сырой иононаполненной среде. Локальное рассеивание ионного заряда в ответ на механическое напряжение (например, натяжение, сжатие) основательно доказано в специализированной соединительной ткани и может быть измерено как потенциал, обусловленный напряжением (или «потенциал истечения») [10,11]. Хорошо известно, что локально вниз по потоку ионнопроизводные потенциалы оказывают существенное воздействие на биосинтез внеклеточной матрицы [12], но, как правило, затухают на короткой дистанции. Электронный поток, с другой стороны, потенциально может продвинуться на большое расстояние, но при условии наличия либо перепада одного вида носителя заряда (опережающий или диффузионный ток), либо устойчивой разности потенциалов (приводящей к дрейфовому току). Если такие электронные токи действительно появляются в соединительной ткани, можно предположить, что на ее электропроводимость будут влиять различные внешние факторы (механическое воздействие, освещение, нагрев и т.д.). Влияние локализованного стимула можно обнаружить по временному изменению напряжения и/или тока на каком-то расстоянии от области воздействия, и можно замерить время между начальным импульсом и его фиксированием на расстоянии. Таким образом возможно замерить изменения в электрических свойствах ткани в результате физиологически релевантных механических воздействий, а также зону охвата и скорость распространения последствий этих изменений.        
     Сигналы второй из рассматриваемых категорий работают на клеточном уровне. Фибробласты «рыхлой» подкожной основы соединены в клеточную сеть, экспрессируя connexin 43 в местах контакта между клетками, но без ультраструктурных признаков щелевого соединения [13]. Эти соединительнотканные фибробласты проявляют активные цитоскелетные реакции (распластывание, ламеллиподная формация) в течение нескольких минут после растягивания ткани [14]. Остается неизвестным, сопровождаются ли эти цитоскелетные реакции какими-либо сигналами от клетки к клетке. Известно, что культивированные фибробласты из сухожилий, костей, хрящей и межпозвоночных дисков отвечают на механические нагрузки целым рядом измеримых реакций, включая внеклеточный приток кальция через растянутые мембранные каналы, вызванное кальцием высвобождение внутриклеточных кальциевых пулов (от стимуляции рианодиночувствительных рецепторов эндоплазматического ретикулума), выделение АТФ через полуканалы connexin и паракринную активацию пуринергических рецепторов соседних клеток [15]. В астроцитах экспрессия connexin 43 ассоциировалась с распространением от клетки к клетке механически вызванных кальциевых волн [16]. В соединительной ткани может существовать аналоговая передача сигнала от клетки к клетке с участием кальция и/или АТФ, и ей может сопутствовать активное сокращение или расслабление ткани [17].  Если это так, можно представить себе соединительнотканную сеть, раскинувшуюся на все тело и вовлеченную в динамичный, работающий в масштабе всего тела механизм клеточного действия, варьирующийся от считанных секунд до нескольких минут и отражающий все механические силы внешней и внутренней природы, воздействующие на тело. Такие сложные механотрансдукционные сигнальные механизмы могут быть воспроизведены на компьютерных моделях искусственной нейронной сети. 
     Третья категория сигналов связана с длительными реакциями соединительной ткани на изменение уровня общих двигательных паттернов. Среди свойств соединительной ткани хорошо известна ее пластичность как реакция на различные уровни механического напряжения. Эти перемены происходят в течение нескольких дней или недель после изменения в осанке или деятельности (например, новое занятие или вид спорта). Известные физиологические реакции соединительной ткани включают в себя ремоделирование коллагеновой матрицы с изменениями в плотности и ориентации коллагенового волокна и последующими изменениями в характеристиках ткани по вязкости и эластичности (например, изменение жесткости) [18]. Локальные уровни факторов роста, таких как трансформирующий фактор роста b-1, и энзимов, например, металлопротеиназов, хорошо известны как регуляторы баланса отложений и расщепления коллагена [19]. До настоящего момента эти последствия изучались как локальные реакции в специализированной соединительной ткани (сухожилиях, связках, суставных капсулах). Если зафиксировать такие реструктурирующие реакции в неспециализированной, рыхлой соединительной ткани, это обоснует предположение о существовании медленно развивающегося единого механизма соединительнотканной пластичности, отражающего общие двигательные паттерны индивидуума.
     Все три категории сигналов, рассмотренные выше (внеклеточные, клеточные и реструктурирование ткани), обладают потенциалом для создания динамичных и развивающихся механизмов, взаимодействующих друг с другом. Например, локальное повышение жесткости ткани (к примеру, фиброз соединительной ткани из-за травмы плеча) может повлиять как на электропроводимость, так и на межфибробластовую коммуникацию в плече (а именно между рукой и грудью). Эти механизмы могут лечь в основу понимания влияния локальной патологии на соединительнотканное сигнализирование. Наконец, изучение функционирования соединительной ткани в качестве сети должно также включать понимание отношений между прямой связью в пределах сети и возможной непрямой коммуникацией через нервную систему. Интересные открытия в области нейропластичности показывают, что имеет место двухстороннее «общение» между сенсорными нейронными проводящими путями и органом, подвергающимся воздействию [20]. Хотя соединительная ткань густо иннервирована механорецепторами и болевыми рецепторами, крайне мало известно о ней как сенсорном органе-мишени и о том, как сенсорная информация от соединительной ткани пространственно интегрируется в центральную нервную систему. В качестве первого шага в «отсечении» функций соединительной ткани от функций нервной системы и одновременно в понимании взаимодействия двух систем можно провести эксперименты на животных в сочетании с общей или частичной сенсорной денервацией соединительной ткани (например, тетродотоксином, капсаицином).
     Понимание временной и пространственной динамики реакций соединительной ткани на уровне биоэлектрики, клетки и пластичности ткани, а также их взаимодействий с другими тканями может быть ключом к пониманию того, как патологические изменения в одной части тела могут вызвать каскад «удаленных» следствий в казалось бы не связанных областях и системах органов. К примеру, у пациента с обостренным язвенным колитом, которому предшествовало двухнедельное обострение остеоартрита в колене, можно увидеть две отдельные проблемы: одну в кишечнике, другую – в колене. Установление наличия соединительнотканного «моста» между этими двумя медицинскими проблемами может существенно повлиять как на диагноз, так и на лечение этих заболеваний. Разделение на части – это одна из самых больших проблем современной медицины. Соединительная ткань может оказаться ключевым недостающим звеном, необходимым для углубления межсистемной интеграции как в биомедицинской науке, так и в медицине.          
     

     Благодарности

     Автор благодарит докторов Yaneer Bar-Yam, Donna Rizzo,
Stephen Titcomb, Mark T. Nelson, Joseph B.
Patlak, Robert W. Hamill and James L. Oschman
за полезные обсуждения.

 

Ссылки:

[1] Unschuld PU. Nan-ching: the classic of difficult issues: with commentaries by Chinese and Japanese authors from the
third through the twentieth century. Berkeley: University of California Press; 1986.
[2] Langevin HM, Yandow JA. Relationship of acupuncture points and meridians to connective tissue planes. Anat Rec 2002;269(6):257–65.
[3] Swartz MA, Tschumperlin DJ, Kamm RD, Drazen JM. Mechanical stress is communicated between different cell types to elicit matrix remodeling. Proc NatlAcad Sci USA2001;98(11):6180–5.
[4] Chiquet M. Regulation of extracellular matrix gene expressionby mechanical stress. Matrix Biol 1999;18(5):417–26.
[5] Banes AJ, Tsuzaki M, Yamamoto J, et al. Mechanoreception at the cellular level: the detection, interpretation, and diversity of responses to mechanical signals. Biochem Cell Biol 1995;73(7–8):349–65.
[6] Bershadsky AD, Balaban NQ, Geiger B. Adhesion-dependent cell mechanosensitivity. Annu Rev Cell Dev Biol 2003;19:677–95.
[7] Brand RA. Autonomous informational stability in connective tissues. Med Hypotheses 1992;37(2):107–14.
[8] Szent-Gyo.rgyi A. The study of energy-levels in biochemistry. Nature 1941;148:157–9.
[9] Cope FW. A review of the applications of solid statephysics concepts to biological systems. J Biol Phys 1975;3:1–41.
[10] Chen CT, McCabe RP, Grodzinsky AJ, Vanderby Jr R. Transient and cyclic responses of strain-generated potentialin rabbit patellar tendon are frequency and pH dependent. J Biomech Eng 2000;122(5):465–70.
[11] Lai WM, Mow VC, Sun DD, Ateshian GA. On the electric potentials inside a charged soft hydrated biological tissue: streaming potential versus diffusion potential. J Biomech Eng 2000;122(4):336–46.
[12] Kim YJ, Bonassar LJ, Grodzinsky AJ. The role of cartilage
streaming potential, fluid flow and pressure in the stimulation
of chondrocyte biosynthesis during dynamic compression.
J Biomech 1995;28(9): 1055–66.
[13] Langevin HM, Cornbrooks CJ, Taatjes DJ. Fibroblasts form a
body-wide cellular network. Histochem Cell Biol
2004;122(1):7–15.
[14] Langevin HM, Bouffard NA, Badger GJ, Iatridis JC, Howe AK.
Dynamic fibroblast cytoskeletal response to subcutaneous
tissue stretch ex vivo and in vivo. Am J Physiol Cell Physiol
2005;288(3):C747–56.
[15] Wall ME, Banes AJ. Early responses to mechanical load in
tendon: role for calcium signaling, gap junctions and
intercellular communication. J Musculoskelet Neuronal
Interact 2005;5(1):70–84.
[16] Stout CE, Costantin JL, Naus CC, Charles AC. Intercellular
calcium signaling in astrocytes via ATP release through
connexin hemichannels. J BiolChem2002;277(12): 10482–8.
[17] Scheip R, Klinger W, Lehmann-Horn F. Active fascial
contractility: fascia may be able to contract in a smooth
muscle-like manner and thereby influence musculoskeletal
dynamics. Med Hypotheses 2005;65:273–7.
[18] Cummings GS, Tillman LJ. Remodeling of dense connective
tissue in normal adult tissues. In: Currier DP, Nelson RM,
editors. Dynamics of human biologic tissues Contemporary
perspectives in rehabilitation, vol. 8. Philadelphia: F.A.
Davis; 1992. p. 45–73.
[19] Edwards DR, Murphy G, Reynolds JJ, et al. Transforming
growth factor beta modulates the expression of collagenase
and metalloproteinase inhibitor. Embo J 1987;6(7):
1899–904.
[20] Ansel JC, Kaynard AH, Armstrong CA, Olerud J, Bunnett N,
Payan D. Skin-nervous system interactions. J Invest Dermatol
1996;106(1):198–204.

 

Назад
Регистрация / Вход
Если вы хотите приобретать наши книги, получать свежую информацию, оставлять комментарии и отзывы на сайте, а также активно участвовать в жизни портала, пожалуйста, зарегистрируйтесь.
Если вы уже зарегистрированы, осуществите вход на сайт.
Зарегистрироваться
Напомнить пароль

Подписаться на рассылку Акций, Книг, Семинаров.


 Вы думаете, что это оно, а это вовсе и не оно 
Ида Паулина Рольф
(1896-1979)
  © 2009 - 2011 Все права на публикацию текстов и фотографий этого сайта принадлежат ООО "Меридиан-С".
Карта сайта