Эпидермис - системы организма (гистология)
В последующем описании специально рассматривается эпидермис толстой кожи, но многое относится и к эпидермису тонкой кожи.
Базальная мембрана. Между эпидермисом и дермой лежит хорошо развитая базальная мембрана. Толщина ее варьирует в отдельных участках тела и у разных видов. В коже свиньи она развита достаточно хорошо и видна под световым микроскопом, в особенности после термических ожогов, которые приводят к повреждениям, вызывающим экссудацию плазмы из многочисленных капилляров в сосочках дермы, причем эпидермис отслаивается от дермы, образуя пузыри. Ее легко можно увидеть чуть ниже середины рис. 20-23 Б, с которым пока надо ознакомиться лишь вкратце. Ультраструктура базальных мембран была описана в гл. 8.
Клетки эпидермиса. Описаны четыре типа клеток, причем их относительное содержание варьирует в зависимости от биологического вида и от области тела. В коже мыши, которая была детально изучена, около 85% клеток имеют эктодермальное происхождение и называются кератиноцитами. Далее в первую очередь мы рассмотрим именно этот тип клеток. Другие типы клеток эпидермиса будут описаны позднее. К ним относятся: меланоциты- клетки, способные синтезировать пигмент, которые произошли из мигрирующих клеток нервного гребня, клетки Лангерганса, которые, вероятно, являются макрофагами, внедрившимися в эпидермис, и клетки Меркеля, представляющие собой чувствительные рецепторы (они описываются в конце этой главы).
Кератиноциты и кератинизация (ороговение)
Подходя к изучению эпидермиса, необходимо уяснить, что роговое вещество (кератин), которое образует наружный слой эпидермиса, это не секрет клеток, а конечный результат трансформации эпителиальных клеток в чешуйки. Поэтому, когда роговые чешуйки изнашиваются или слущиваются с поверхности, они могут быть заменены только за счет ороговения подлежащих живых клеток, а это означает, что в глубоком слое эпидермиса размножение клеток должно быть адекватным потере ороговевших клеток с его поверхности. Так, показано, что в эпидермисе подошвы у крысы клетки полностью обновляются каждые 19 дней, а у человека этот процесс занимает до 1 месяца. Поэтому в эпидермисе более или менее постоянно происходит несколько процессов: 1) деление клеток в глубоком слое, в результате чего происходит 2) выталкивание клеток по направлению к поверхности- 3) превращение клеток, наиболее удаленных от дермы, в роговое вещество и 4) слущивание рогового вещества с поверхности.
Поскольку по мере движения из глубины эпидермиса к его поверхности клетки постоянно изменяют свой внешний вид, кажется, что эпидермис образован несколькими слоями, которые легко различаются по виду под световым микроскопом. В связи с этим стало давней традицией называть различные слои эпидермиса и описывать их гистологические особенности так, как это видно под световым микроскопом. Далее мы также последуем этой традиции, раскрывая суть процессов, лежащих в основе этих морфологических картин, на основании данных электронной микроскопии.
Слои эпидермиса
Зачатковый слой. Самый глубокий слой, расположенный на базальной мембране, называется зачатковым слоем (stratum germinativum) (рис. 3), или базальным слоем (stratum basale) (рис. 20-5). Поверхность клеток зачаткового слоя, обращенная к базальной мембране, неровная (рис. 5), причем со стороны цитоплазмы на клеточной мембране, контактирующей с базальной мембраной, располагаются полудесмосомы (см. рис. 7 - 18 и 20-5). Клетки зачаткового слоя по форме близки к цилиндрическим (рис. 5, внизу). На обычном срезе, окрашенном гематоксилином и эозином, границы этих клеток прослеживаются с трудом, и не имеющему достаточного опыта студенту не следует принимать их ядра, которые видны очень отчетливо, за сами клетки. Самый глубокий слой эпидермиса потому называется зачатковым, что именно в нем образуются новые клетки- затем они выталкиваются из этого слоя в следующий, расположенный выше.
Рис. 20-3. Рисунок среза толстой кожи, показывающий различные слои эпидермиса и то, каким образом проток потовой железы попадает в межсосочковый клин.
Обратите внимание на то, что стенка протока образуется клетками различных слоев эпидермиса, через которые он проходит.
1 - проток потовой железы, 2 - роговой слой, 5 - блестящий слой, 4 - зернистый слой, 5 - шиповатый слой, 6 - базальный слой, 7 - сосочек, 8 - межсосочковый клин, 9 - проток потовой железы.
Клетки зачаткового слоя (рис. 20-5) содержат много свободных рибосом и полирибосом, которые, вероятно, участвуют в синтезе, обеспечивающем рост (клеточную пролиферацию), и в синтезе значительного числа промежуточных (диаметром 10 нм) филаментов (тонофиламентов), которые образуются в клетках этого слоя и в конце концов становятся частью кератина.
Рис. 20-4. Микрофотография (интерференционный контраст) клеток шиповатого слоя толстой кожи человека (неокрашенный срез).
Обратите внимание на отростки, соединяющие соседние клетки и придающие им шиповатый вид. Это те участки, где клеточные мембраны соседних клеток удерживаются вместе десмосомами. (Ультраструктура десмосом показана на рис. 1Л1 и 7 - 18.) Ядро и ядрышко шиповатой клетки видны внизу справа (впечатление объемности изображения связано с неодинаковыми интерференционными свойствами компонентов).
К тому времени, когда клетки переходят в следующий, вышележащий слой, пучки филаментов толщиной 10 нм становятся настолько толстыми, что их можно увидеть под световым микроскопом. Эти пучки соответствуют структурам, которые были названы тонофибриллами и благодаря присутствию которых, как будет ясно из объяснения, второй слой эпидермиса получил название слоя шиповатых клеток, или шиповатого слоя (stratum spinosum).
Слой шиповатых клеток. Клетки этого второго слоя уже не цилиндрические, как в базальном слое, а имеют многоугольную форму. Более того, как видно на рис. 20-4, под световым микроскопом их границы отделены друг от друга узкими пространствами, пересеченными тонкими отростками, имеющими вид шипиков. Это и придает данному слою шиповатый вид, благодаря которому он получил свое название.
Когда-то неправильно считали, что волоконца, называемые тонофибриллами, проходят из одной клетки в другую. Однако электронная микроскопия показала, что то, что мы видим на самом деле тяжи цитоплазмы, протягивающиеся из соседних клеток навстречу друг другу и образующие очень прочный контакт посредством десмосом (см. рис. 7 - 17). Большая часть вещества шиповидных отростков, видимых под световым микроскопом, представляет собой цитоплазму со значительным количеством филаментов толщиной 10 нм- ими и образованы плотные массы филаментов, которые тесно связаны с десмосомами, как показано на рис. 7 - 17. Эти толстые пучки филаментов соответствуют тому, что раньше называли тонофибриллами, но они, конечно же, не переходят из одной клетки в другую, а всегда находятся в пределах цитоплазмы собственной клетки.
Межклеточные пространства, которые видны на рис. 20-4, в значительной степени обусловлены артефактом сморщивания. По этой или какой-то другой причине, если клетки слегка отделяются друг от друга, то участки, где цитоплазма переходит в отростки, соответствуют местам, где их мембраны связаны десмосомами. Более того, есть основания полагать, что прижизненно клеточные мембраны соприкасающихся клеток этого слоя не будут плотно контактировать друг с другом по всей поверхности (за исключением, разумеется, мест, где располагаются десмосомы), так как в толстом эпителиальном пласте есть необходимость в наличии между клетками хотя бы небольшого количества тканевой жидкости для обеспечения эффективной диффузии питательных веществ и конечных продуктов обмена между более поверхностно лежащими живыми эпителиальными клетками и капиллярами дермы.
Рис. 20-5. Рисунок слоев эпидермиса, основанный на электронных микрофотографиях многослойного плоского ороговевающего эпителия.
Показано по клетке, характерной для каждого слоя, и кератин рогового слоя. Обратите внимание на десмосомы и тонофибриллы (пучки тонофиламентов). На цитоплазматической стороне клеточной мембраны клетки базального слоя, там, где она граничит с базальной мембраной, имеются полудесмосомы.
1 - роговой слой- 11 - зернистый слой- III-шиповатый слой- 14 - базальный слой- 5 - липидная капля, 2 - кератогиалин, 3 слоистые гранулы, 4 тонофибриллы. 5 - комплекс Гольджи, 6 - межклеточные пространства, 7 - десмосома, 8 - митохондрии, 9 - гранулярный эндоплазматический ретикулум, 10 - базальная мембрана.
Зернистый слой (stratum granulosum). Этот слой толстой кожи (третий слой эпидермиса) имеет в толщину 2 - 4 клетки и лежит сразу же поверх шиповатого слоя (рис. 20-3). На поперечных срезах кожи его клетки имеют приблизительно ромбовидную форму (рис. 3 и 20-5), причем они плотно прилежат друг к другу, а длинная ось каждой клетки параллельна ходу лежащего сверху гребешка или бороздки. Цитоплазма клеток этого слоя характеризуется наличием гранул, интенсивно окрашивающихся гематоксилином- их называют гранулами кератогиалина.
Блестящий (слой stratum lucidum).
Следующий, четвертый, слой не всегда хорошо выражен. Когда он все же виден, он имеет малую толщину и выглядит как светлая, яркая, однородная полоска. По этой причине его назвали блестящим слоем (рис. 20-3). В него входит вещество, называемое элеидином, которое является по-видимому продуктом превращения кератогиалина, имеющегося в зернистом слое.
Роговой слой (stratum corneum). По мере того как клетки выталкиваются к поверхности в пятый и последний, роговой, слой (так называется слой кератина), их ядра и цитоплазматические органеллы исчезают. Пропадают даже гранулы кератогиалина, и все это свидетельствует о действии внутри клеток лизосомных ферментов. Тем не менее с помощью электронного микроскопа можно все еще различить десмосомы, соединяющие образовавшиеся чешуйки (прежде бывшие живыми клетками). Существуют различные гипотезы в отношении того, что происходит. Согласно одним взглядам, гранулы кератогиалина превращаются в однородный матрикс, в который погружаются все ранее образовавшиеся филаменты клетки и который пропитывает также ядра и все органеллы. Таким образом, каждая клетка превращается в одну из роговых чешуек, образующих роговой слой. Не все в клетках превращается в кератин, так как из рогового слоя можно все же выделить некоторые другие белки и иные вещества.
Следует, очевидно, отметить, что гранулы кератогиалина не являются строго необходимыми для ороговения. У некоторых видов животных имеется ороговевшая кожа, в которой гранулы кератогиалина не выявляются.
Наконец, надо указать, что кератин представляет собой плотный фибриллярный белок с высокой устойчивостью по отношению к химическим воздействиям. На основании того, что говорилось в предыдущих главах о синтезе белков, которые либо остаются в клетке, либо выделяются из нее, можно подумать, что кератин как таковой также должен синтезироваться в клетках на свободных полирибосомах или на гранулярном эндоплазматическом ретикулуме. Однако выработка кератина происходит более сложным путем, так как по крайней мере часть его не синтезируется в виде самого кератина, а, как было описано выше, является результатом превращений других клеточных компонентов.
В связи с вопросом о синтезе кератина представляет интерес тот факт, что в условиях длительной недостаточности витамина А процесс кератинизации возникает в некоторых типах эпителия, обычно не подвергающихся ороговению.
Как уложены чешуйки рогового слоя. Любой, кто пытался затолкать в холодильник как можно больше коробок, бутылок и банок, знает, как много места теряется впустую, когда стараешься компактно уложить твердые предметы. Та же проблема возникает и применительно к клеткам, но большей частью она решается за счет того, что они достаточно мягкие и способны принимать формы, соответствующие их окружению. Однако вопрос становится более серьезным в отношении рогового слоя, потому что в этом слое клетки, ороговевая, становятся более жесткими. Кроме того, чтобы роговой слой мог быть непроницаемым, например для воды, чешуйки должны плотно прилегать друг к другу так, чтобы между ними не оставалось промежутков.
Как пишет Ментон (Menton D., 1976), лишь недавно было установлено, что чешуйки рогового слоя лежат одна на другой, образуя вертикальные колонки, а края каждой чешуйки в колонке накладываются на края соседних таким образом, что свободных пространств не образуется (рис. 20-6). Для этого требуется, чтобы чешуйки имели особую геометрическую форму, в связи с которой в дальнейшем описании мы должны упомянуть лорда Кельвина, одного из самых выдающихся физиков прошлого века. (Студентам может быть интересно, что этот великий ученый, который внес значительный вклад в физику, был известен еще и тем, что относился к своим начинающим студентам с величайшей добротой и находил особое удовольствие в том, чтобы отметить участие в научной работе даже самых скромных своих помощников.) К нашему вопросу имеет отношение тот факт, что, как указывает Ментон,
Рис. 20-6. Микрофотография тонкой кожи, взятой с ушной раковины мыши- х 650 (Menton, 1976).
Срез, полученный на замораживающем микротоме и окрашенный метиленовым синим после обработки щелочами, предназначенной для того, чтобы вызвать набухание клеток. Обратите внимание на расположение клеток колонками (стопками), особенно отчетливо заметное в роговом слое (отмечено черной линией). Стрелками указаны самые поверхностные клетки с ядрами в каждой вертикальной колонке (эти клетки расположены в зернистом слое). Обратите внимание также на то, как клетки в каждой колонке сцеплены с клетками соседних колонок.
Каждая клетка имеет форму уплощенного тетрадекаэдра (здесь они показаны в том виде, какой они имеют на препаратах, после обработки щелочами- см. рис. 20-6).
Рис. 20-7. Фотография модели, иллюстрирующей «упаковку» клеток рогового слоя в колонки (Menton D., 1971).
Кельвин на основании своих исследований жидких пленок установил, что из всех многогранников наиболее «экономными» являются 14 - гранники (тетрадекаэдры): их можно уложить в пространстве без свободных промежутков. Ментон отмечает, что тетрадекаэдр-это единственная геометрическая фигура, которую можно сложить в правильные колонки, причем все элементы этих колонок будут вставляться краями в соседние элементы 6 окружающих колонок. Как выяснилось, чешуйки рогового слоя являются уплощенными тетрадекаэдрами. Одна из моделей, созданных Ментоном, показана на рис. 20-7. Следует заметить, что сверху каждая чешуйка имеет форму шестиугольника. Более того, для всех 6 сторон характерен V-образный контур. Край в виде буквы V будет, конечно же, хорошо подходить к поверхности с углублением в виде буквы V, которая образуется, если наложить одну шестиугольную клетку на другую. Для этого, однако, необходимо, чтобы 6 колонок, окружающих любую данную колонку, состояли из уплощенных шестиугольных клеток (чешуек), расположенных в плоскостях, лежащих выше и ниже колонки на половину толщины чешуйки, как показано на рис. 20-7. Именно таким образом клетки соседних колонок оказываются идеально подогнанными друг к другу.
Рис. 20-8. Микрофотография тотального препарата эпидермиса уха мыши- х730 (Menton D., 1976).
Границы клеток выявлены нитратом серебра, а ядра докрашены реактивом Фёльгена. Большая часть клеток этого уровня относится к зернистому слою-в их цитоплазме содержатся гранулы. Это самые поверхностно расположенные клетки с ядрами. Обратите внимание на их шестиугольные контуры и на то, как они сцеплены с клетками окружающих колонок (одна колонка показана стрелками). Двойная линия по периферии каждой колонки указывает на зону взаимного перекрывания между соседними колонками.
Каким образом получается, что клетки в роговом слое занимают такое необычное расположение, остается неясным. Одним из способствующих этому факторов является то, что наружная часть рогового слоя достаточно плотная, отчего клетки, которые постоянно выталкиваются по направлению к ней из зачаткового слоя, а также клетки в зернистом слое и нижней части рогового слоя будут находиться под определенным давлением. Этого, вероятно, достаточно, чтобы они уплощались и принимали шестиугольную форму, если смотреть сверху (рис. 20-8). Одна из гипотез говорит, что такое давление может приводить к тому, что по крайней мере несколько клеток вблизи поверхности будут накладываться друг на друга в виде уплощенных тетрадекаэдров, что может произойти совершенно случайно, но как только образовалась подобная структура, она уже приобретает общий характер и автоматически такое расположение будут принимать другие клетки, которые выталкиваются снизу вверх при условии, что они все еще достаточно мягкие и могут принимать указанную форму.
Интересующимся этим вопросом дерматологам, несомненно, будет очень полезно ознакомиться с приводимым Ментоном обсуждением нарушений нормального расположения клеток эпидермиса в виде колонок, что происходит при некоторых кожных заболеваниях, характеризующихся усиленным обновлением популяции эпидермальных клеток (а также при ряде других состояний).
Кейлоны и регуляция деления клеток в эпидермисе
Этот вопрос обсуждался в гл. 6, а дополнительные ссылки на работы, посвященные этой теме, приводятся в конце настоящей главы.
