Еще одна часть организма, подверженная довольно жесткому воздействию среды, – это роговица. Она не только защищает глаз снаружи, но и служит линзой, помогающей фокусировать свет на сетчатку. Собственно говоря, глаз функционирует как линза на две трети за счет роговицы и только на одну треть за счет хрусталика.
Роговица подвергается ультрафиолетовому облучению (особенно у неразумных людей, которые находятся на ярком солнце без солнцезащитных очков), ее царапают песок и пыльца, по ней несколько раз в минуту проходит моргающее веко. Роговицу может раздражать сигаретный дым, особенно если курит сам хозяин роговицы. Поскольку роговица должна быть прозрачной, в ней нет обильного кровоснабжения, очень важного для здоровья большинства тканей.
На эмбриональном этапе развития роговица формируется из эктодермы, обрастающей хрусталик на раннем этапе формирования глаз. Это уникальное событие, которое не может повториться. Как только роговица сформирована, она заменяет эктодерму, из которой образовалась, так что создать новую роговицу таким же образом, каким была создана исходная, нельзя. Изношенные клетки роговицы заменяются за счет стволовых клеток. Как и в случае кишечника, стволовые клетки находятся в более защищенном месте, чем полная опасности область, которую они обслуживают, а именно в лимбе – кольце по краю роговицы (рис. 82).
[339] Популяция стволовых клеток размножается, поддерживая саму себя и создавая дочерние клетки, предназначенные для роговицы. Как и в кишечнике, дочерние стволовые клетки пролиферируют относительно быстро, так что каждое деление исходных стволовых клеток дает начало многим клеткам роговицы. Пролиферирующие клетки покидают зону стволовых клеток глаза и движутся радиально внутрь, к самому центру зрачка – наиболее удаленной от стволовых клеток области глаза. Движение клеток от лимба к центру глаза было ярко продемонстрировано в экспериментах на химерных мышах,
[340] названных так по имени Химеры – мифического существа, состоящего из частей разных животных. Химерные мыши получаются из смеси эмбриональных клеток, часть которых нормальные, а часть несет экспериментально введенный маркерный ген, который может быть обнаружен либо при жизни животного, либо после его смерти с помощью метода специфического окрашивания. У химерных мышей некоторые стволовые клетки несут маркерный ген, а некоторые – нет. Когда глаза взрослой мыши исследуют на экспрессию маркерного гена,
[341] выявляется целая серия полос, которые, как спицы в колесе, сходятся в центре роговицы. Хотя эти полосы выглядят так, как будто они исходят от центра, на самом деле они создаются клетками, движущимися со стороны лимба, как было показано при изучении молодых мышей, у которых эти полосы еще не достигли центра.
Рис. 82. Строение глаза и расположение лимб
Кишечник и роговица подвергаются агрессивному воздействию окружающей среды, поэтому их зрелые клетки активно изнашиваются, а стволовые клетки размножаются относительно быстро. Многие другие ткани находятся в гораздо менее жестких условиях, и их зрелые клетки могут жить месяцы или даже годы. Стволовые клетки, обслуживающие такие ткани, делятся очень редко, но они все равно очень важны, особенно если нужен крупномасштабный ремонт после инфекции или травмы. Хорошим примером такой популяции являются стволовые клетки почек.
В почечных канальцах здорового человека клетки, как правило, живут долго, но они могут получить сильные повреждения и погибнуть в результате инфекции или отравления. При развитии почек (глава 10) длинные, сложные трубочки нефронов формировались из групп клеток, которые собирались вместе и образовывали цистообразный шар, который затем удлинялся и изгибался, формируя трубку. Этот процесс формирования новых канальцев из клеток, которые изначально не были частью нефронов, происходит только при эмбриональном развитии. После рождения в организме человека новые канальцы не могут образовываться с нуля, но, судя по всему, клетки канальцев могут заменяться за счет маленькой популяции стволовых клеток, существующей в особой зоне каждой трубочки, между клубочком и самой трубочкой (рис. 83).
[342]
В здоровом организме уровень пролиферации этих стволовых клеток очень низок. Когда стволовые клетки «улавливают» повреждение клубочка или канальца (какими-то пока неизвестными способами), они делятся, и их дочерние клетки перемещаются в каналец или в клубочек, по мере своего продвижения переставая быть стволовыми клетками и приобретая свойства дифференцированных клеток. Добравшись до места назначения, они заполняют пробитую повреждением брешь.
Рис. 83. Местоположение стволовых клеток в канальцах зрелых почек (стволовые клетки могут также находиться в других местах)
На данный момент есть одна система, в которой нам известны по крайней мере некоторые сигналы. Это популяция стволовых клеток крови. Кровь в системе кровообращения содержит несколько типов зрелых клеток. Наиболее распространены эритроциты, содержащие гемоглобин – пигмент, который переносит кислород и придает крови ее характерный цвет. В гораздо меньших количествах в крови присутствуют различные клетки иммунной системы, в том числе фагоциты, В-клетки и Т-клетки (глава 17), а также кровяные пластинки (тромбоциты), играющие важную роль в процессе свертывания крови. На ранней стадии развития первые клетки крови образовались при взаимодействии тканей рядом с временными почками (глава 9), но затем эти ткани исчезли, и поддержание кровеносной системы переключилось на использование механизма, основанного на стволовых клетках. На какое-то время стволовые клетки поселяются в печени эмбриона, а после появления длинных костей перемещаются в их центральную часть. Стволовые клетки и развивающиеся клетки крови образуют большую часть костного мозга.
Как и в случае кишечника, сами стволовые клетки (гематопоэтические стволовые клетки, или ГСК) находятся в основании разветвленного древа разных типов дочерних клеток (рис. 84). Популяция ГСК делится медленно, поддерживая себя и давая начало дочерним клеткам, которые затем выбирают путь созревания. Дочерние клетки размножаются быстро и создают постоянно растущие колонии клеток, которые позже изберут свою судьбу, пройдя ряд определенных этапов (рис. 84). И в этом случае пролиферация клеток должна соответствовать потребностям организма – на смену погибающим клеткам крови должно приходить то же количество новых. Если бы в костном мозге образовалось слишком много новых клеток, кровь превратилась бы в густой «суп», а если бы клеток образовалось слишком мало, кровь не могла бы переносить достаточное количество кислорода или эффективно защищать организм. Баланс типов клеток тоже должен тщательно регулироваться и может меняться в зависимости от обстоятельств: например, во время поражения организма инфекциями количество защитных клеток увеличивается.
