Особенности морфологии склеры

     Как известно, склера обладает изначально низкой пролиферативной активностью [411, 432], что, по данным литературы, и является одной из причин развития дегенеративно-дистрофических заболеваний глаза [111, 117, 223, 332]. Поиск стимуляторов репаративной активности склеры до сих пор является актуальной задачей медицины, как ключ к решению её дегенеративно-дистрофических заболеваний [91, 144, 156].

    Склера человеческого глаза сформирована в основном коллагеновыми волокнами, относящимися к коллагену I типа и составляющими от 70 до 90 % её сухого веса [2, 359, 463]. Этот основной фибриллярный белок соединительной ткани синтезируется мезенхимальными клетками фибробластами, участвующими в формировании внеклеточного матрикса, и имеет разные структурные формы. Отличительной особенностью коллагена является спосособность формировать спирали на всех уровнях организации, от полипептидной цепочки до уровня коллагенового пучка, свитые как нити в канате. Такая организация коллагенового волокна с точки зрения биомеханики позволяет ограничивать скольжение элементов друг относительно друга при растяжении и оптимальным образом осуществлять опорную функцию соединительной ткани, испытывающей, в том числе, большие механические нагрузки [5, 212]. А склера, как известно, испытывает на себе давление изнутри, которое является постоянно действующим фактором, направленным на растяжение.

    Фундаментальной структурной единицей коллагеновой фибриллы является тропоколлаген. Составляющие тропоколлаген три полипептидные цепочки удерживаются нековалентными связями. В их первичной структуре не мене 1/3 занимают триплеты – последовательно следующие остатки глицина, пролина и гидроксипролина (-Gly-Pro-hPro-). Участки полипептидной цепи, богатые этими триплетами, обладают кристаллично-подобными свойствами согласно данным рентгеноструктурного анализа [289, 410] и ядерно-магнитного резонанса [352, 410]. Эти участки перемежаются аморфными участками, богатыми тяжелыми заряженными аминокислотными остатками, такими как гидроксилизин, являющимися, наряду с гидроксипролином, уникальным компонентом коллагена. Именно благодаря гидроксилизину возникают ковалентные сшивки между фибриллами тропоколлагена, и в результате образуются всё более и более сложные фибриллярные образования вплоть до конечных толстых фибрилл или пучков. Молекулярная масса тропоколлагена около 300 кДа, длина 300 нм, толщина 1,5 нм (Рисунок 1).

    Коллагеновые фибриллы, тесно переплетаясь между собой, формируют остов или собственное вещество склеры, при этом диаметр их меняется от 118,3 нм во внутренних слоях, обращенных к сосудистой оболочке, до 1268,0 нм в наружных слоях (в среднем 310,54 нм), изученных с помощью метода атомно-силовой микроскопии [378]. В работах других авторов по изучению склеры глаза человека методом электронной микроскопии отмечен диаметр коллагеновых волокон как 62-125 нм [432] и 20-230 нм [360].

    Изучены также коллагеновые волокна склеры экспериментальных животных, диаметр которых составил: крысы – 318 нм [342], 100-200 нм [281], кролика – 150-250 нм [431], 217,3 нм [456]. Следовательно средний диаметр коллагенового волокна человека близок к диаметру коллагенового волокна экспериментальных животных (крысы и кролика). В свою очередь широкий диапазон колебаний диаметра фибрилл склеры позволяет отнести их к долгоживущим, что отличает эту ткань от других видов соединительной ткани организма [286].

    Молекулы элементарного тропоколлагена соединяются «головой» и «хвостом», поэтому при электронной микроскопии фибриллы коллагена выглядят поперечно исчерченными с периодом, включающим одну светлую и одну тёмную полоску – D-периодичность, которая при АСМ-исседовании в режиме спектра определяется как лонгитудинальная кривая. При этом величина D-периодичности разными авторами указана несколько разная: у человека 67 нм [81, 393, 417]; 65 нм [368, 432], 77,02 нм [378]; у крысы – 64,2 нм [342], 67 нм [281]; у кролика – 70 нм [433], 67,5 нм [456]. Поэтому значительных различий в данных D-периодичности у коллагенового волокна человека и экспериментальных животных также найдено не было.

    Коллагеновые волокна вследствие спиральной организации от молекулы тропоколлагена до самого волокна в норме обладают сравнительно высокой прочностью при растяжении от 50 до 100 МПа и высоким модулем упругости, около 100 МПа [333, 334], что объясняет достаточно высокие прочно-упругие показатели склеры. Величина модуля упругости склеры в продольном и поперечном направлениях меняется в пределах 3-40 МПа в зависимости от локализации исследуемого образца склеры. Изменение модуля Юнга склеры в продольном и поперечном направлениях составляет от 1 до 100 Мпа [288, 328]. Широкий диапазон измеренных значений модуля Юнга объясняется разницей в толщине склеры, вариабельностью возраста и рефракцией различных исследуемых глаз.

    При прогрессирующей миопии происходят изменения ультраструктуры коллагенового каркаса склеры, в виде увеличении диапазона колебаний диаметра коллагеновых фибрилл с преимущественным наличием фибрилл малого диаметра [307, 308, 324, 404, 426]. В отличие от нормальной склеры, в миопической склере не наблюдается постепенного увеличения размера диаметра фибрилл при переходе от внутренних слоев к наружным [419]. Отмечено расщепление фибрилл на субфибриллы, их прогрессивное растяжение [465] и зернистый распад, а также дезагрегация тропоколлагена. Такая дезорганизация коллагенового остова склеры при миопической болезни объясняется присутствием в миопической склере клеток фибробластического ряда – фиброкластов, которые активно участвуют в резорбции коллагеновых структур [9, 10, 43]. Фиброкласты – это клетки с высокой фагоцитарной и гидролитической активностью, принимающие участие в «рассасывании» межклеточного вещества в период инволюции органа, они сочетают в себе структурные признаки фибриллообразующих клеток (развитую гранулярную эндоплазматическую сеть, аппарат Гольджи, относительно крупные, но немногочисленные митохондрии), но содержат также лизосомы с характерными для них гидролитическими ферментами. Выделяемый ими за пределы клетки комплекс ферментов расщепляет цементирующую субстанцию коллагеновых волокон, после чего происходят фагоцитоз и внутриклеточное переваривание коллагена. Эти изменения локализованы не только в области заднего полюса глаза, но и в экваториальном поясе фиброзной оболочки глаза [365] и значительно влияют на прочносто-упругие показатели склеры при миопии [25, 87, 88].

    В настоящее время интерес к изучению коллагена не утрачен, так как его исследование позволяет понять закономерности воспалительных процессов и возрастных изменений внутренних органов, костной и хрящевой ткани. Это делает коллаген главным действующим лицом в концепции ремоделирования соединительнотканых структур различных органов [437]. Определяющей тенденцией является исследование фибрилл и пучков коллагена в жидких средах, что является более физиологичным, чем исследование высушенных препаратов на воздухе [59], так как известно, что коллаген в нативном состоянии, хотя и является водонерастворимым белком, удерживает очень большое количество воды: на 100 г сухой массы коллагена приходится 180 г воды.

    Ещё один фибриллярный белок склеры с молекулярной массой около

    68 кДа – это эластин, составляющий около 2 % её сухого веса [318, 463] и имеющий гидрофобную природу наподобие эластомеров. Он состоит из цепей аминокислот: глицина (27 %), аланина (19 %), валина (10 %), лецитина (4,7 %), а также десмозина и изодесмозина, за счёт которых эластические волокна через определённые промежутки соединяются прочными ковалентными связями с объединением в сетку. Эластин обеспечивает склере упругость, делает её эластичной, позволяет ей совершенно безвредно растягиваться, а потом сжиматься до нужных размеров. С возрастом количество эластиновых фибрилл в склере и их диаметр увеличиваются, достигая максимума к 16-22 годам [273, 317, 339, 357, 360]. В дальнейшем происходит постепенное снижение числа эластиновых волокон. Они располагаются в основном во внутренних слоях склеры, на границе с сосудистой оболочкой. Лишь в склере заднего полюса глаза, в участке наиболее растяжимой зоне фиброзной оболочки, значительное их количество обнаружено и в средних слоях [368, 466]. В свою очередь экваториальная область склеры является наиболее бедной по содержанию эластиновых волокон, что делает её наиболее уязвимой в биомеханическом отношении в случае развития аксиальной миопии [466]. Исследования Аветисова Э.С. и соавт. (1979), а также Андреевой Л.Д. (1981) показали, что при высокой миопии количество эластиновых волокон снижается, а их структура, как аморфная, так и фибриллярная, нарушается. Возможно, это тоже связано с деятельностью фиброкластов.

    Основной клеточной популяцией склеры являются фибробласты, представлющие собой основные клетки соединительной ткани, синтезирующие внеклеточный матрикс, предшественников белков коллагена и эластина, а также мукополисахариды. Фибробласты склеры – сглаженные клетки, ориентированные параллельно поверхности глазного яблока [433]. Близко к сосудистой оболочке они формируют два - три чрезвычайно тонких, почти непрерывных слоя со вставленными узкими рядами волокнами коллагена. Ближе к поверхности склеры фибробласты уменьшаю тся в количестве. Здесь они больше не формируют слои, как располагаются в самых внутренних частях склеры у сосудистой оболочки, рассеяны между волокнами коллагена. Их клеточные тела менее сглажены, на поверхности имеются вретенообразные отростки, ядро овально.

    Помимо обычных фибробластов в склере постоянно также содержатся миофибробласты. Миофибробласт – это специализированный тип фибробласта с хорошо развитым сократительным аппаратом, содержащий в своем цитоскелете альфа-гладкомышечный актин, характерный для гладкомышечной клетки и участвующий в сокращении межклеточного матрикса. Миофибробласты вызывают сжатие экстрацеллюлярного матрикса и участвуют в регулировании пролиферации и дифференцировке эпителиальных, васкулярных и нейрогенных клеток. Главным фактором, способствующим дифференцировке фибробластов в премиофибробласты, является механическое напряжение [386]. Истончение склеры вследствие дистрофического процесса вызывает экспрессию генов склеральных миофибробластов, что приводит к изменению коллагенового матрикса и впоследствии проявляется уменьшением диаметра коллагеновых фибрилл. Как истончение склеры, так и её структурные изменения уменьшают сопротивление действию нормального внутриглазного давления и увеличивают возможность растяжения склеры. Этот процесс также увеличивает механическое напряжение в межклеточном матриксе, содержащем волокнистые структуры, стимулируя тем самым развитие у фибробластов актиновых сократительных микрофиламентов с последующей трансформацией в миофибробласты [386]. В свою очередь увеличение популяции миофибробластов снижает связь их с экстрацеллюлярным комплексом, уменьшает продукцию микрофиламентов, что ослабевает склеру и усиливает её растяжение.

    Основными компонентами связующего вещества склеры являются гликозаминогликаны (мукополисахариды), содержание которых в склере глаз взрослых в норме весьма невелико, и тканевая жидкость [463]. Гликозаминогликаны – это неразветвленные полимеры, построенные из повторяющихся дисахаридных единиц с молекулярной массой, варьирующей в диапазоне 10₄ -10₇ Да. Макромолекулы гликозаминогликанов имеют вытянутую конформацию и проявляют способность к гелеобразованию при относительно низкой концентрации раствора, связаны в организме человека с белками, в частности в склере с коллагеном и эластином. Размер и организация коллагеновых фибрилл в склере контролируются и коррелируются с количеством гликозаминогликанов [385, 406, 455]. С механической точки зрения основное вещество склеры глаза выполняет три основные функции: перераспределяет нагрузку между волокнами, эффективно изолирует индивидуальные волокна, предотвращая распространение разрывов от одного волокна к другому, и уменьшает эффект трения вследствие скольжения волокон при их распрямлении. Многие авторы подчеркивают важную роль основной цементирующей субстанции в организации коллагеновых структур, метаболических процессах и поддержании биомеханического статуса склеральной оболочки [2, 43, 307]. Качественные и количественные изменения гликозаминогликанов обнаруживаются уже в склере глаз с миопией слабой степени [9, 373, 378, 408, 415]. Аномальный протеогликановый состав межфибриллярной субстанции, по мнению Curtin В. с соавт. (1979), может служить одной из принципиальных причин постепенного патологического растяжения склеры вплоть до развития стафиломы. Свидетельством распада протеогликановых комплексов, сопровождающегося разрушением межмолекулярных связей, является выявление в склеральной ткани при миопии свободных гликозаминогликанов, которые в норме находятся в связанном состоянии практически не обнаруживаются при гистохимическом исследовании [9]. Разрушение межуточного вещества представляет собой одно из начальных звеньев в цепи катаболических процессов, развивающихся в склере при миопии, и закладывает основу для последующих деструктивных изменений её коллагенового каркаса [404].

    В межклеточном веществе склеры при ультраструктурном и гистохимическом анализе выявляются: аморфный хлопьевидный материал, микрофибриллы 4-12 нм диаметром без периодичности, тонкие коллагеновые фибриллы диаметром 14-30 нм с нечёткой периодичностью 64-67 нм, а также зрелые коллагеновые фибриллы. При этом по мере созревания соединительной ткани склеры глаза соотношение перечисленных компонентов меняется [267, 339]. Помимо того, что склера представляет собой плотноволокнистую соединительную ткань, состоящую из тесно переплетенных между собой в основном коллагеновых волокон и в меньшей степени эластических волокон, а также аморфного вещества и фибробластов, в склере существуют микроскопические поры, заполненные водой [391]. Наличие пор в прочной, но упругоэластичной склере позволяет ей вести себя как «сетчатая структура», обладать архитектурой губчатого материала и вести себя наподобие медленно и плохо впитывающей и удерживающей в себе влагу губки. Эти поры связываются между собой в систему каналов, простирающихся через всю ткань. Склера, по мнению разных авторов, позволяет проводить внутрь глаза различные лекарственные вещества, такие как гентамицин, красители (флуоресцеин), глобулярные молекулы протеина (конъюгированный сывороточный альбумин, иммуноглобулин G) с молекулярной массой от 4 до 150 кДа и другие биохимические соединения [275, 296, 311, 314, 337, 434, 454]. При этом авторы обращают внимание на некотрые физико-химические особенностях вещества, подвергающемуся трансклеральной диффузии: молекулярная масса [275, 311, 353], молекулярный размер [311], гидро- и липофильность [300, 443] и другие факторы такие, как растворимость [353]. Однако существует обратная связь между трансклеральной проходимостью и молекулярной массой растворенного вещества [311, 353, 403]. Однако Ambati J. с соавт. (2000) сообщили, что диаметр молекулы – это лучший показатель проходимости через склеру по сравнению с её молекулярной массой. Авторы нашли, что шаровидные белки были более водопроницаемыми, чем линейные декстраны той же самой молекулярной массы. Кроме того, Cheruvu N.P. и Kompella U.B. (2006) сообщили, что гидрофильные молекулы показали более высокую проходимость, чем липофильные молекулы аналогичного размера. В свою очередь отрицательно заряженные молекулы показывают более высокую проходимость, чем положительно заряженные молекулы [371].

    Так, в условиях эксперимента, проведённого Nickerswon J.M. с соавт. (2006), трупная склера человека за счёт гидрофильной сети каналов пор склеры позволяет проводить различные вещества под действием электрического поля, такие как красители (цианол ксилола, бромфенол), а также ДНК с молекулярной массой до 8 млн. дальтон от внешней поверхности склеры до сосудистой оболочки. При этом размеры пор склеры соответствовали диаметру от 100 до 200 нм. Авторы сделали выводы, что такое трансклеральное введение веществ внутрь глаза человека, в частности ионофорез и электрофорез нуклеиновых кислот, в ближайшем будующем может лечь в основу генотерапии ряда деструктивных глазных заболеваний.

    Таким образом, склера, как плотноволокнистая соединительная ткань, представленная в основном компактно сплетенными между собой коллагеновыми волокнами I типа, имеющая достаточную высокую прочность и упругость, имеет в своей структуре поры диаметром 100-200 нм, объединенные между собой в сеть каналов от поверхности до внутренних слоев, заполненных водой и позволяющих проникать через них различным веществам, преимущественно имеющим глобулярный характер и повышенную гидрофильность с наличием отрицательных зарядов на их поверхности.