Какие клетки входят в состав обонятельного эпителия

Обновлено: 24.04.2024

Орган обоняния. Развитие органа обоняния. Строение обоняния.

Орган обоняния является хеморецептором. Он воспринимает действие молекул пахучих веществ. Это самый древний вид рецепции. В составе обонятельного анализатора различают три части: обонятельную область носовой полости (периферическая часть), обонятельную луковицу (промежуточная часть), а также обонятельные центры в коре больших полушарий головного мозга.

Развитие обоняния. Источником образования всех частей органа обоняния являются нервная трубка, симметричные локальные утолщения эктодермы — обонятельные плакоды, расположенные в области передней части головы зародыша и мезенхима. Материал плакоды впячивается в подлежащую мезенхиму, формируя обонятельные мешки, связанные с внешней средой посредством отверстий (будущие ноздри). В составе стенки обонятельного мешка находятся стволовые клетки, которые на 4-м месяце эмбриогенеза путем дивергентной дифференцировки развиваются в нейросенсорные (обонятельные) клетки, пoддepживaющие и базальные эпителиоциты. Часть клеток обонятельного мешка идет на построение обонятельной (боуменовой) железы.

У основания носовой перегородки формируется вомероназальный (якобсонов) орган, нейросенсорные клетки которого реагируют на феромоны.

Строение обоняния. Обонятельная выстилка периферической части обонятельного анализатора находится на верхней и частично средней раковинах носовой полости. Общая площадь ее около 10 см2. Обонятельная область имеет эпители-оподобное строение. От подлежащей соединительной ткани рецепторная часть обонятельного анализатора отграничена базальной мембраной. Обонятельные нейросенсорные клетки имеют веретенообразную форму с двумя отростками. По форме они делятся на палочковидные и колбочковидные. Общее число обонятельных клеток у человека достигает 400 млн при значительном преобладании количества палочковидных клеток.

Периферический отросток обонятельной нейросенсорной клетки длиной 15-20 мкм имеет на конце утолщение, называемое обонятельной булавой. На округлой вершине обонятельных булав имеются обонятельные волоски — антенны — в количестве 10-12. Длина их достигает 2-3 мкм. Антенны имеют ультраструктуру, характерную для ресничек, т. е. содержат 9 периферических и 2 центральные спаренные протофибриллы, отходящих от типичных базальных телец. Антенны совершают непрерывные автоматические движения маятникообразного типа. Вершина антенн перемещается по сложной траектории, благодаря чему увеличивается возможность их контакта с молекулами пахучих веществ. Антенны погружены при этом в жидкую среду, представляющую собой секрет трубчато-альвеолярных обонятельных желез (боуменовых). Для них характерен мерокринный тип секреции. Секрет этих желез увлажняет поверхность обонятельной выстилки.

Центральный отросток обонятельной нейросенсорной клетки — аксон, направляется в промежуточную часть органа обоняния — обонятельную луковицу и устанавливает там синаптическую связь в виде клубочка с митральными нейронами. В обонятельной луковице различают следующие слои: 1) слой обонятельных клубочков, 2) наружный зернистый слой, 3) молекулярный слой, 4) слой митральных клеток, 5) внутренний зернистый слой, 6) слой центробежных волокон.

Центральный отдел органа обоняния локализуется в гиппокампе и в гиппокамповой извилине коры большого мозга, куда направляются аксоны митральных клеток и формируют синаптические связи с нейронами.

Таким образом, орган обоняния (обонятельная область носовой полости и обонятельная луковица), подобно органу зрения, имеет слоистое расположение нейронов, что характерно для экранных нервных центров.

Поддерживающие эпителиоциты обонятельной области — высокопризматические клетки с микроворсинками, располагаются в виде многорядного эпителиального пласта, обеспечивая пространственную организацию нейросенсорных клеток. Некоторые из этих клеток являются секреторными, а также обладают фагоцитарной способностью. Базальные эпителиоциты кубической формы являются малодифференцированными (камбиальными) и служат источником образования новых клеток обонятельной выстилки. Цикл физиологической регенерации нейросенсорных клеток оценивается в 30-35 суток.

Боуменовы железы состоят из секреторных и миоэпителиальных клеток. Секрет желез растворяет пахучие вещества, которые взаимодействуют с рецепторно-трансдукторной системой ресничек нейросенсорной клетки. Это вызывает изменение мембранного потенциала, который передается через цепь нейронов в центральную часть органа обоняния.

Периферический отдел обонятельной системы. Биполярные хеморецепторные клетки. Опорные и базальные клетки.

Обонятельный эпителий человека расположен в верхних и отчасти в средних раковинах носовой полости, он состоит из биполярных хеморецепторных клеток, а также опорных и базальных клеток. Биполярные клетки являются первичночувствующими рецепторами (рис. 17.17), их количество у человека приближается к 10 миллионам (у макросматиков оно на порядок выше). Биполярные сенсорные нейроны существуют около 60 сут и после их естественной гибели замещаются новыми рецепторами, образующимися из базальных клеток. Регенерировавшие сенсорные нейроны восстанавливают прежние синаптические контакты с центральными отделами обонятельной системы, а опорные клетки фагоцитируют разрушенные рецепторы.

Рис. 17.17. Обонятельная сенсорная система. Пахучие молекулы присоединяются к ресничкам рецепторных клеток обонятельного эпителия (первичные сенсорные нейроны). Сенсорные нейроны второго порядка расположены в обонятельных луковицах, образующих диффузные проекции к нескольким структурам лимбической системы. Передача информации от лимбической системы к орбитофронтальной коре (ОФК) осуществляется с помощью медиального дорсального ядра таламуса.

Дендриты биполярных клеток имеют 10—20 ресничек, выступающих из эпителия в слой обонятельной слизи, они увеличивают рецепторную поверхность плазматической мембраны и содержат специфические хеморецептивные белки, а также G-белки, активирующие вторичные посредники. Пахучие вещества вначале абсорбируются на обонятельной слизи, выделяемой боуменовыми железами, и доставляются к рецепторам неспецифическими белками-переносчиками. Нарушения транспорта пахучих веществ к рецепторам возникают вследствие набухания слизистой оболочки и изменения секреции обонятельной слизи при воспалительных или аллергических поражениях носовой полости.

Учебное видео анатомии проводящего пути обонятельного анализатора

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.

Обонятельная система: обонятельный эпителий, обонятельная луковица

Обонятельная система имеет следующие уникальные черты:
1. Тела первичных чувствительных нейронов расположены на поверхностном эпителии.
2. Аксоны первичных эфферентных нейронов входят непосредственно в кору, афферентные нейроны второго порядка отсутствуют.
3. Первичные афферентные нейроны постоянно обновляются, синтезируясь из базальных клеток.
4. Путь к корковым центрам лобной доли идет исключительно по своей стороне.

Обонятельная система состоит из обонятельного эпителия и обонятельных нервов, обонятельных луковиц и путей, а также нескольких участков обонятельной коры.

а) Обонятельный эпителий. Обонятельный эпителий выстилает верхнюю 1/5 часть латеральной стенки носа и перегородки носа. Эпителий состоит из трех типов клеток.

1. Обонятельные нейроны. Это биполярные нейроны, дендриты которых распространяются до поверхности эпителия, а немиелинизированные аксоны формируют обонятельный нерв. Дендриты покрыты неподвижными ресничками, которые содержат рецепторы к определенным молекулам. Аксоны проходят вверх через ситовидную пластинку решетчатой кости и входят в обонятельные луковицы. Аксоны (примерно по 3 млн. с каждой стороны) с окружающими их шванновскими клетками объединены в пучки, которые, в свою очередь, образуют обонятельный нерв.

2. Между биполярными нейронами расположены поддерживающие клетки.

3. Между двумя клетками двух предыдущих типов находятся базальные стволовые клетки. Уникальность обонятельных биполярных нейронов состоит в том, что они постоянно растут, разрушаются и замещаются новыми нейронами. Базальная стволовая клетка превращается в молодой биполярный обонятельный нейрон, срок жизни которого составляет около одного месяца. С возрастом процесс обновления постепенно замедляется. Это объясняет тот факт, что у пожилых людей обоняние становится менее острым.

Связи обонятельного эпителия (1) и обонятельной луковицы (2).
Второй клубочек слева находится во «включенном» состоянии (см. текст).

б) Обонятельная луковица. Обонятельная луковица состоит из трехслойного аллокортекса, окружающего место начала обонятельного пути. Основные корковые нейроны в этой области — митральные (пучковые) клетки (около 50000), которые принимают обонятельные волокна и дают начало обонятельному пути.

Контакт между обонятельными волокнами и дендритами митральных клеток происходит в гломерулах (около 2000). Гломерулы окружены глией, в каждой из них образуется гигантское число синапсов. Каждая гломерула получает импульсы только от определенных нейронов, которые реагируют на одни и те же стимулы (одоранты). «Включенные» (активированные) гломерулы тормозят соседние, «выключенные» гломерулы, за счет работы ГАМК-ергических (гамма-аминомасляная кислота) перигломерулярных клеток (сравните с горизонтальными клетками сетчатки); этот этап передачи нервного импульса также представляет собой начальную стадию обработки специфических запахов.
На более глубоком уровне активность митральных клеток становится еще более специфичной за счет работы гранулярных клеток, лишенных аксонов (сравните с амакриновыми клетками сетчатки). Это следующий этап обработки чувствительных стимулов, на котором усиливается разница между стимулами разных митральных клеток. Гранулярные клетки формируют возбуждающие дендро-дендритические контакты с активными митральными клетками, а также подавляют соседние митральные клетки посредством тормозящих ГАМК-ергических дендро-дентритических контактов.

Центральные связи. Аксоны митральных клеток проходят в центре обонятельного пути. Перед передним продырявленным веществом обонятельный путь разделяется на медиальную и латеральную обонятельные полоски.

Медиальная полоска содержит аксоны, идущие от переднего обонятельного ядра, которое состоит из мультиполярных нейронов, рассеянных по обонятельному пути. Некоторые из этих аксонов подходят к области перегородки в составе диагонального пучка. Другие в области передней комиссуры пересекают среднюю линию и тормозят активность митральных клеток противоположной луковицы (путем возбуждения гранулярных клеток). За счет этого происходит относительное усиление работы уже активных луковиц, что позволяет предположить расположение источника запаха.

Латеральная обонятельная полоска заканчивается в грушевидной доле передней височной коры. К грушевидной доле человека относят корковую часть миндалевидного тела, крючок, передний конец парагиппокампальной извилины. Высший центр распознавания запахов — задняя часть орбитофронтальной коры, которая связана с грушевидной долей через дорсальное медиальное ядро таламуса.

Медиальный пучок переднего мозга связывает обонятельные участки коры с гипоталамусом и стволом мозга. Эти связи обусловливают возникновение вегетативных реакций, таких как слюноотделение и сокращение желудка, а также реакции пробуждения (посредством ретикулярной формации).

Головной мозг, вид снизу. Показаны обонятельные области коры.

в) Нарушения обоняния. В ходе рутинной проверки обоняния больного просят определить какой-нибудь сильный запах, например шоколада или кофе, сначала одной половиной носа, затем второй. Одностороннее отсутствие обоняния (аносмия) пациент может не замечать, его выявляют только при целенаправленном исследовании.

При двусторонней аносмии пациенты могут жаловаться на снижение вкуса, поскольку вкусовые ощущения во многом зависят от запаха летучих частиц пищи. В таких случаях восприятие четырех основных вкусов не нарушено (сладкое, соленое, кислое, горькое). Причиной односторонней аносмии может быть менингиома, сдавливающая обонятельные луковицы или обонятельный путь. Аносмия может также стать следствием черепно-мозговой травмы с переломом передней черепной ямки. В таких случаях аносмия служит симптомом, который позволяет заподозрить наличие перелома; необходимо также проведение исследования на предмет истечения ликвора из полости носа.

Обзор

коллаж автора статьи

Автор

Редакторы

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: До появления нового коронавируса SARS-CoV-2 сложно было представить себе, каково это — не ощущать ароматы самых привычных нам вещей: утреннего кофе, полевых цветов, любимых духов. Явление частичной или полной потери обоняния (гипо- и аносмия) наблюдается у 2/3 пациентов с COVID-19. Поскольку обоняние — это важный инструмент взаимодействия с окружающим миром, лишение этого чувства также называют обонятельной, или зáпаховой, слепотой. Попробуем разобраться, каким же образом новый вирус лишает нас самого древнего в эволюционном плане чувства.

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Как устроена система обоняния

Обоняние — крайне важное чувство, позволяющее животным ориентироваться и выживать в окружающем мире. Для большинства животных это чувство имеет первостепенную важность: такие организмы называют макросматиками, поскольку они обладают развитым обонянием. Существуют и такие животные, у которых обоняние практически отсутствует (например дельфины). Человека, приматов и грызунов считают микросматиками из-за слабо развитой обонятельной системы. Для нас важны зрение, слух и осязание, и только потом — обоняние. Однако лишившись способности воспринимать ароматы, мы понимаем, какую огромную роль в нашей жизни играет это чувство. Для начала разберемся, как устроена система обоняния.

Чувство обоняния наряду с чувством вкуса относится к системе хеморецепции, то есть восприятию химических веществ из окружающей среды [1]. Структуры, участвующие в восприятии и анализе запахов, вместе составляют обонятельную сенсорную систему (рис. 1).

Рисунок 1. Как работает обонятельная система человека

коллаж автора статьи, изображения из открытых источников и из [12]

Первым звеном является обонятельный эпителий, расположенный в носовой полости на верхней носовой раковине. Общая поверхность обонятельного эпителия в обеих половинках носа взрослого человека невелика — всего около 5 см 2 (для сравнения: у кролика — 7–10 см 2 , у собак — до 200 см 2 ). Его основу составляют обонятельные сенсорные клетки (у человека их около 10 млн, у кролика — 100 млн, у немецкой овчарки — 2200 млн), они по своей сути являются биполярными нейронами (дендрит направлен в носовую полость, а аксон тянется через пластинку решетчатой кости к обонятельной луковице). На конце дендрита располагается от 6 до 12 ресничек, похожих на щупальца, — именно они взаимодействуют с молекулами пахучих химических веществ, или одорантов, и запускают процесс восприятия и анализа запахов. Реснички смогут «засечь» запах, только если одорант растворится в слизи, в которую они погружены и которую вырабатывают Боуменовы железы. Слизь создает оболочку для сенсорных нейронов, защищая их. Пахучие вещества связываются с рецепторами на мембране ресничек обонятельных нейронов, запуская каскад биохимических реакций, результатом которых служит сдвиг мембранного потенциала покоя и возбуждение нейрона.

Каждый аромат имеет сотни пахучих молекул, которые улавливаются обонятельными рецепторами, причем каждый обонятельный сенсорный нейрон распознает несколько разных одорантов, а каждый одорант активирует несколько разных нейронов. Выходит так, что каждый одорант активирует определенную комбинацию рецепторов, будто воспроизводит аккорд на нашей обонятельной «клавиатуре». В результате ароматы звучат как целый оркестр в нашем головном мозге [2].

Для того чтобы рецепторные нейроны качественно выполняли свою функцию, в обонятельном эпителии содержатся стентакулярные (поддерживающие, или опорные) и базальные (горизонтальные и шаровидные) клетки. Первые удаляют мертвые нейроны, токсичные агенты и поддерживают водный и солевой баланс в слизи. Стоит нарушить этот баланс — и распознавание одоранта ресничками не произойдет. Функция базальных клеток не менее важна — они ответственны за регенерацию обонятельного эпителия (как в норме, так и при повреждении), то есть непрерывно производят новые обонятельные клетки, продолжительность жизни которых составляет 6–8 недель.

Вернемся к обонятельным рецепторам. После связывания одоранта с рецепторами обонятельных нейронов нервный импульс распространяется по аксону, чтобы передать информацию дальше в центры головного мозга. Аксоны проходят сквозь слой соединительной ткани (lamina propria), затем через отверстия решетчатой кости, отделяющей носовую полость от полости черепа, и достигают обонятельной луковицы, которая служит первым центром обработки обонятельной информации в головном мозге [3]. Здесь разветвленные окончания аксонов обонятельных нейронов взаимодействуют с дендритами нейронов второго порядка, формируя сферические структуры — клубочки. За обработку сигналов всех обонятельных клеток одного типа отвечает один и тот же клубочек обонятельной луковицы. Этот важный факт установили ученые Линда Бак и Ричард Эксел, получившие в 2004 году Нобелевскую премию за исследования обонятельных рецепторов млекопитающих.

К нейронам второго порядка относят крупные митральные и более мелкие пучковые клетки, несущие информацию о запахах по обонятельному тракту в кору головного мозга. Можно представить себе масштабность процесса проведения нервного импульса в обонятельной системе, узнав численное соотношение разных участников этой эстафеты. У человека имеется около 2000 клубочков, в каждом из которых формируются контакты между 25 000 аксонов обонятельных рецепторов и дендритами 45 митральных и 60 пучковых клеток [1].

По обонятельному тракту информация о запахе распространяется к высшим центрам обработки информации — к различным структурам переднего мозга (переднему обонятельному ядру, миндалине, ядрам перегородки, ядрам гипоталамуса, гиппокампу, препириформной коре и др.), большинство из которых рассматриваются как ассоциативные центры. Они связывают обонятельную систему с другими сенсорными системами, тем самым организуя сложные формы поведения — пищевого, полового, оборонительного и т.д. [1]. Не раз мы на собственном опыте убеждались, что ароматы способны пробуждать эмоции и воспоминания.

Выделяют три центра обработки обонятельной информации в головном мозге: древнюю обонятельную систему (обеспечивает рефлексы на запаховые раздражители), старую (отвечает за выбор пищи, пригодной к употреблению, и за отказ от токсических веществ) и новую (отвечает за осознанное восприятие и анализ обонятельной информации) [1].

Как возникает зáпаховая слепота при COVID-19

SARS-CoV-2 — это содержащий одноцепочечную РНК вирус с похожими на зубцы короны S-гликопротеинами на поверхности. У 85,6% инфицированных вирусом SARS-CoV-2 людей наблюдается нарушение обонятельной функции [6], или зáпаховая (обонятельная) слепота, — она может проявляться в виде утраты чувства обоняния (аносмии) или его снижения (гипосмии).

В современной неврологии обонятельная дисфункция описана при нейродегенеративных заболеваниях: при болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона, хорее Хантингтона [7]. При воздействии других респираторных вирусов также может наблюдаться потеря или снижение обоняния, однако механизм этого явления совершенно другой. Чаще всего при ОРВИ мы не чувствуем запахов из-за отека и воспаления слизистой носа.

Каким же образом злосчастный вирус SARS-CoV2 лишает нас обоняния? На каком этапе проведения информации о тех или иных пахучих веществ от обонятельного эпителия к высшим центрам обработки сигналов он действует? Несмотря на большое число исследований, эти вопросы до сих пор остаются не до конца выясненными.

Важнейшим механизмом обонятельной дисфункции считают вирусное повреждение клеток обонятельного эпителия [8]. Вирус проникает в клетку, связываясь с определенными рецепторами на поверхности клеток. ACE2 (ангиотензинпревращающий фермент-2) служит рецептором, который связывается с вирусным S-белком (Spike) и облегчает проникновение вируса в клетку [8]. При их взаимодействии белок S расщепляется под действием поверхностной протеазы TMPRSS2 (трансмембранная сериновая протеаза-2), но здесь могут быть задействованы и другие ферменты (такие как фурин, катепсин B и L, CTSB/CTSL) [8].

Интересно, что в обонятельном эпителии рецепторы ACE2 и TMPRSS2 экспонируются на поверхности не всех клеток, а только стентакулярных и горизонтальных базальных клеток, а также клеток Боуменовых желез [8]. Однако многие вирусы, в том числе и коронавирусы (включая SARS-CoV-2), попадают из носового эпителия в обонятельную луковицу и далее в другие отделы мозга и могут повреждать нервную ткань [9]. Рецепторы ACE2 и TMPRSS2 также обнаружены на поверхности обонятельной луковицы на перицитах сосудов (это клетки соединительной ткани, которые обслуживают кровеносные капилляры мозга) [8].

Повреждение обонятельного эпителия — это, вероятно, основной механизм обонятельной слепоты, возникающий при нарушениях нормальной структуры и функции эпителия, а косвенное воздействие вируса на обонятельную луковицу происходит при повреждения поддерживающих клеток. Однако не так давно был обнаружен еще один путь проникновения вируса в клетки через рецептор нейропилин-1 (NRP1), который синтезируется обонятельными сенсорными нейронами и их клетками-предшественниками [10]. Нейропилины (трансмембранные рецепторы) участвуют во многих физиологических процессах, включая развитие нейронов, ангиогенез и регуляцию иммунных реакций. Этот путь проникновения вируса может напрямую повреждать нейроны и вызывать перенос вирусных частиц к обонятельной луковице по аксонам, объясняя, почему у некоторых пациентов с COVID-19 обонятельная функция долго не восстанавливается [10].

Таким образом, есть несколько возможных и не исключающих друг друга механизмов потери обоняния у пациентов с COVID-19 [8–10]:

Местная инфекция опорных и сосудистых клеток в носовой полости и обонятельной луковице может изменять работу обонятельных рецепторных нейронов или нейронов обонятельной луковицы, вызывая мощные воспалительные реакции и блокируя эффективную передачу сигналов в мозг.
Повреждение вирусом стентакулярных клеток и клеток Боуменовой железы может приводить к гибели обонятельных рецепторных нейронов, нарушая восприятие запаха.
Повреждение сосудов может снижать кровоснабжение обонятельной луковицы и приводить к воспалению и изменению ее работы.
Прямое воздействие вируса на обонятельные сенсорные нейроны нарушает работу и разрушает клетки, а также обеспечивает передвижение вирусных частиц в обонятельную луковицу.
Могут существовать и другие механизмы, связанные с изменением работы иммунных клеток, но влияющие на функцию обонятельной системы.

Особенности зáпаховой слепоты при COVID-19 и прогнозы выздоровления

Запаховая слепота при COVID-19 имеет ряд особенностей [6], [11]. Например, на частоту ее возникновения влияет гендер: женщины страдают аносмией/гипосмией чаще мужчин [6]. Помимо этого, обонятельная дисфункция встречается у пациентов с легкой или умеренной формами болезни. В 11,8% случаев аносмия возникает до, в 65,4% случаев — после, в 22,8% случаев — одновременно с общими или ЛОР-симптомами коронавирусной инфекции [6]. В 18,2 % случаев аносмия наблюдается без назальных симптомов (нарушения носового дыхания, повышения назальной секреции). Большинство пациентов с нарушениями обоняния (79,6%) страдают аносмией, остальные 20,4% — гипосмией. Часть заболевших жаловалась на внезапное появление нетипичных запахов серы, нашатыря, уксуса, гари и т.д. Такие симптомы относят к фантосмии (то есть ощущению фантомных запахов, или обонятельным галлюцинациям) и паросмии (искаженному ощущению запаха) [11]. К сожалению, обонятельные иллюзии говорят о повреждении центральных структур анализа запахов.

Многих волнует вопрос, как долго длится это состояние запаховой слепоты. К счастью, у большинства пациентов с COVID-19 работа обоняния восстанавливается спустя примерно 2–4 недели после нарушения [11] или, по другим данным, в течение 8 дней после выздоровления (то есть при отсутствии общих и ЛОР-симптомов) [6]. Для лечения обонятельной слепоты нос орошают физиологическим раствором и растворами кортикостероидов, принимают витамины и микроэлементы [6].

Быстрое избавление от аносмии указывает на то, что целью SARS-CoV-2 являются не сами обонятельные сенсорные нейроны, а стентакулярные клетки. Но все же остается небольшой процент пациентов, у которых нарушение обоняния длится месяцы. Пока нет однозначного ответа, почему у одних людей восстановление обоняния занимает несколько дней, а у других растягивается на месяцы, а возможно и годы. Также неясно, будут ли сохраняться нарушения обоняния у пациентов в течение жизни, и если да, то, как долго. Вероятно, при повреждении вирусом значительной части базальных клеток и/или обонятельных сенсорных нейронов, времени на восстановление обонятельного эпителия может понадобиться гораздо больше.

Заключение

Зачастую мы не придаем особого значения способности обонять — ровно до тех пор, пока не лишаемся ее. Кажется невозможным, если мир вдруг перестанет пахнуть, а еда станет безвкусной. Новый вирус показал нам, каково это — вдруг потерять такую важную связь с окружающим миром. К счастью, шансы на выздоровление высоки. Не теряйте нюх к жизни!

Обзор

Введение наночастиц в носовую полость мыши для изучения транспорта веществ в мозг в обход гематоэнцефалического барьера.

рисунок автора статьи

Авторы

Редакторы

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: В ходе работы мы выяснили механизм проникновения наночастиц из носовой полости в мозг, минуя гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). Для этого были использованы наночастицы оксида марганца (Mn₃O₄), которые визуализировались при томографии. На данный момент описано несколько возможных путей транспорта веществ из носовой полости в мозг, но точный механизм еще не определен. Чтобы увидеть, как именно наночастицы проникают в мозг, проводились серии экспериментов по блокированию захвата/транспорта наночастиц в нейронах; проверялась и гипотеза транспорта по внеклеточному пространству. Актуальность данной работы — выявление путей доставки лекарственных препаратов и изучение проникновения вирусов в мозг в обход ГЭБ.

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Фаворит Российского научного фонда в номинации «Своя работа» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

Введение

В организме человека существует специальная система защиты мозга от проникновения в него крупных молекул, в том числе инфекционных агентов — это гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). Давайте подробнее рассмотрим его структуру (рис. 1). Первая линия защиты — плотный стой эндотелия капилляров, соединенных плотными контактами. В отличие от большинства капилляров тела, в них нет крупных щелей (пор) для прохождения некоторых белков плазмы [1]. Далее на пути к мозгу находятся перициты (клетки соединительной ткани) и астроциты (вспомогательные клетки в нервной ткани), которые механически не позволяют пройти молекулам крупнее определенного размера. Гематоэнцефалический барьер не пропускает вещества более 400–500 Да по массе, в зависимости от свойства вещества. (Для сравнения, сывороточный альбумин человека, самый распространенный белок в крови, имеет массу 65 000 Да). Также барьер непроницаем для ионов, но пропускает жирорастворимые вещества, воду, кислород, углекислый газ, некоторые обезболивающие и алкоголь (рис. 1).

Рисунок 1. Схема строения гематоэнцефалического барьера.

Э — клетки капилляров, соединенные плотными контактами; A — вещества, не проникающие через ГЭБ; B — вещества, проникающие через ГЭБ каким-либо способом, описанным ниже. Стрелками обозначены белковые системы транспорта веществ внутрь клетки и из нее.

рисунок автора статьи

Таким образом, долгое время считалось, что мозг полностью защищен от проникновения некоторых веществ из крови, пока не было обнаружено возможности прохода через ГЭБ. Такой способ доставки нужен прежде всего для доставки лекарств в нервную систему, поэтому было важно найти способы преодолеть барьер: ослабить клеточные контакты эндотелия (клеточного слоя) капилляров мозга, использовать системы транспорта веществ через мембрану капилляров или проникнуть в мозг с помощью эндоцитоза [2]. У данных способов есть свои недостатки, например, разрушение плотных контактов эндотелия приводило к местному накоплению веществ в мозге, повышению внутричерепного давления и требовало значительного времени на восстановление барьера [3]. Использование систем транспорта растворимых в воде метаболитов для доставки действующего вещества в мозг накладывает ограничения на само вещество. В данном случае оно должно либо имитировать «привычный» для данного белка-транспортера метаболит клетки, либо связываться с метаболитом для прохождения через мембрану [4]. Транспорт веществ путем эндоцитоза (захвата внешнего материала) клетками эндотелия тоже имеет свои недостатки — неспецифический эндоцитоз сведен к минимуму в капиллярах мозга, а специфический эндоцитоз часто включает в себя частичное пропускание вещества. Например, при доставке ионов железа посредством белка ферритином этот белок связывается с рецептором на эндотелии капилляра, проникает в клетку, высвобождает ионы железа для их дальнейшего транспорта в мозг, а потом удаляется из клетки обратно в просвет капилляра [5]. У всех перечисленных выше способов есть общий нюанс — вещество попадает в мозг через кровь, а значит, вещество распределяется равномерно по всему организму, поэтому нужно учитывать его системный эффект. Это накладывает дополнительные ограничения и увеличивает время испытания нового лекарства. В последние десятилетия ученые пытались преодолеть барьер и доставить лекарства с помощью наночастиц, введенных в кровь [6–8].

Наночастицы — собирательное название для группы веществ размером от 1 до 1000 нм. Они могут иметь различаться по форме и своим свойствам, в зависимости от пути преодоления ГЭБа. Это могут быть различные полимеры, натуральные или синтетические, или металлические частицы. Однако пока что наночастицы показывают не лучшие результаты в качестве транспортеров лекарств через барьер, если их вводить в кровь, а способ их проникновения через барьер — все еще спорный вопрос [9]. Как отметил Франческо Элдро, было потрачено много времени на изменение (модификацию) действующих веществ в составе лекарств для преодоления барьера, но гораздо меньше изучали способы их проникновения в мозг [10], [11].

Существуют способы проникнуть в нервную систему, даже минуя стадию попадания в кровь. Конечно, можно просверлить отверстие в черепе и ввести вещество иглой через барьер — это довольно эффективный способ преодолеть ГЭБ. Единственный недостаток в том, что введенное вещество практически не распространяется по мозгу [12]. Но есть и гораздо менее инвазивный вариант — проникнуть в мозг через носовую полость в обход ГЭБа. Рассмотрим, почему этот способ вызывает особый интерес у ученых. Вспомним строение обонятельной системы позвоночных на примере мыши (рис. 2). В носовой полости есть специальный участок скопления рецепторных окончаний нейронов — обонятельный эпителий. От дендритов сигнал проходит через тело, транспортируется по аксону и передается митральной клетке, входящей в состав обонятельной луковицы; место передачи называется синапсом.

Рисунок 2. Строение обонятельной системы.

(a) — строение обонятельной системы мыши в разрезе. ОЭ — обонятельный эпителий, ОЛ — обонятельная луковица, ЛОТ — латеральный обонятельный тракт.
(б) — cтроение обонятельной луковицы мыши. АК) — аксоны обонятельных рецепторов, ГС — гломерулярный слой, МС — митральный слой, 1 и 2 — внешний и внутренний плексиформные слои обонятельной луковицы.

рисунок автора статьи

Тела митральных клеток образуют митральный слой, а аксоны этих клеток формируют латеральный обонятельный тракт. По нему передается информация о запахах в центры головного мозга, которые обрабатывают сигнал. Из-за «доступности» такого способа попадания в мозг, который вдобавок не требует серьезных ограничений по структуре и размерам веществ, данная тема требует более подробного анализа.

Данная работа посвящена изучению процесса проникновения наночастиц в головной мозг через носовую полость. Этот путь актуален не только с точки зрения доставки лекарственных препаратов, но и с точки зрения изучения процесса проникновения вирусов в головной мозг. У всех сейчас на слуху специфический симптом коронавирусной инфекции — потеря обоняния, что свидетельствует о возможности неспецифического проникновения любого вещества в нашу нервную систему.

Описание эксперимента и результаты

Для более точной визуализации транспорта веществ в мозг через носовую полость мы использовали наночастицы оксида марганца (Mn₃O₄, диаметр ~34 нм). Введя их в одну ноздрю мыши, можно увидеть положение наночастиц при томографии (рис. 3).

Рисунок 3. Томограмма обонятельной луковицы мыши.

(a) — распределение МРТ сигнала по слоям обонятельной луковицы (MOB): гломерулярному слою (GL), наружному плексиформному слою (EPL), слою митральных клеток (ML), слою зернистых клеток (GrL) спустя 24 часа после введения Mn₃O₄-наночастиц в правую ноздрю. Интенсивность сигнала выделена с помощью псевдоокрашивания (компьютер окрашивает изображение в различные цвета в зависимости от интенсивности МРТ-сигнала).
(б) — снимок в присутствии (LTT) и отсутствии (vehicle) ингибитора пресинаптической активности нейрона. Белыми стрелками показаны слои: гломерулярный слой (GL) и слой митральных клеток (ML).

рисунок автора статьи

В ходе работы было проанализировано влияние различных ингибиторов на захват и транспорт наночастиц в головной мозг мыши для ответа на основной вопрос: наночастицы проходят из носовой полости по нейронам или они попадают в нервную систему через внеклеточное пространство [13].

Чтобы проследить путь наночастиц из обонятельного эпителия в обонятельную луковицу, были использованы специфические и неспецифические ингибиторы эндоцитоза, а также вещества, разрушающие плотные контакты клеток обонятельного эпителия. Отличия между ингибиторами эндоцитоза в том, что специфические ингибиторы блокируют захват клетками определенного вещества, а неспецифические снижают общую способность клеток к эндоцитозу. Исходя из полученных данных, мы заключили, что частицы поглощаются клетками ольфакторного эпителия, а не проходят между ними. Также можно сделать вывод, что захват наночастиц происходит без сопряжения с каким-либо веществом, так как специфические ингибиторы эндоцитоза не влияли на уровень МРТ-сигнала.

Чтобы проследить дальнейший путь наночастиц, мы использовали ингибиторы аксонального транспорта (колхицин, лидокаин). Колхицин блокирует перемещение грузов от тела нейронов до синапса; лидокаин подавляет проведение импульсов в нейронах вследствие блокирования натриевых каналов (поэтому наночастицы, попав в нейрон, не могут передаваться дальше в синапс). Оба ингибитора достоверно повлияли на транспорт Mn₃O₄-наночастиц из носовой полости в мозг. Таким образом, мы показали, что Mn₃O₄-наночастицы проникают в обонятельную луковицу через аксон, а их транспорт зависит от активности нейрона.

Продолжая двигаться в мозг с наночастицами, мы попадаем во внешний слой обонятельной луковицы. Здесь наночастицы стоят перед выбором: либо идти через синапс в следующий нейрон и дальше транспортироваться по латеральному обонятельному тракту, либо перемещаться через межклеточное пространство.

Понять это возможно посредством влияния блокаторов. Ингибиторы пре- и постсинаптической активности нейронов влияют лишь на стадию транспорта наночастиц из обонятельной луковицы (MOB) в латеральный обонятельный тракт (LOT). Причем значительное влияние оказывают только ингибиторы пресинаптической активности — баклофен и LTT (левитриацетам). Такой эффект появляется из-за того, что наночастицы не работают как нейромедиаторы. Чтобы вызвать у нейрона постсинаптическую активность, вещество должно связаться с рецептором на поверхности нейрона и вызвать появление потенциала действия в нем (передать сигнал дальше по нервной цепочке). Наночастицы не могут связываться со специфическими рецепторами; они попадают в следующий нейрон за счет неспецифического эндоцитоза. Из-за этого ингибиторы постсинаптической активности практически никак не влияют на транспорт наночастиц из обонятельной луковицы в латеральный обонятельный тракт. Поэтому можем сделать вывод: наночастицы передаются транссинаптически по структурам головного мозга, отвечающим за обоняние в обход ГЭБ.

Таким образом, на примере магнитных наночастиц мы показали, что возможен транспорт частиц из носа в мозг в обход ГЭБ внутри нейрональных клеток. Более того, процесс назального транспорта частиц зависит от активности нейронов. Так как данные наночастицы схожи по размерам и другим физическим свойствам с респираторными вирусами, можно предположить что транспорт вирусов в нервную систему возможен не только путем проникновения через ГЭБ [14]. Таким образом, найденный способ транспорта наночастиц в обход ГЭБ дает основу для исследования передачи вирусных заболеваний этим путем, а также для создания новых противовирусных препаратов. Особой актуальностью обладает исследование транспорта SARS-CoV-2, так как одним из симптомов коронавирусной инфекции является потеря вкуса и обоняния.

Заключение

Итогом работы стало подтверждение гипотезы о том, что наночастицы транспортируются через нейроны в головной мозг, а не через межклеточное пространство. Также мы можем сказать, что они не только захватываются обонятельными рецепторами, но и проходят через синапс в митральную клетку обонятельной луковицы, после чего по латеральному обонятельному тракту транспортируются в головной мозг. Понимание точного механизма транспорта веществ в обход ГЭБ может значительно упростить создание лекарственных препаратов против известных заболеваний — болезни Паркинсона и болезни Альцгеймера, а также поможет расширить представление о способах проникновения вирусов в нервную систему человека.

Читайте также: