Make your own free website on Tripod.com

Новый подход к реконструкции трехмерной гистоархитектоники эпителиев

Современное состояние вопроса

Пространственная организация многорядных и многослойных эпителиев до сих пор остается практически неизвестной. Это объясняется методической сложностью трехмерной реконструкции архитектоники клеточных пластов и недостаточным развитием формализованной теории строения биологических тканей (Lewis 1946, Смолянинов 1980, Dormer 1980, Маресин 1990). В существующем виде эта теория описывает для одно- и многослойных эпителиев лишь по одному топологическому варианту правильных моделей, построенных из шести и четырнадцатигранных клеток соответственно. Таким образом, остаются неучтенными другие варианты тканевой организации (в частности, структура многорядных эпителиев), а также возможности их изменений в развитии и патологии.

Поэтому распространенная в настоящее время методика трехмерной реконструкции эпителиев по серийным срезам практически не опирается на теорию и остается сугубо эмпирической и малорезультативной. Несмотря на использование современных средств анализа изображений (Russ 1995, Carragher & Smith 1996), разрешающая способность этой методики остается низкой. Она позволяет раскрывать лишь некоторые метрические особенности тканей, но не дает возможности выявлять закономерности топологии клеточных пластов. В итоге отсутствие знаний о трехмерной организации эпителиев затрудняет изучение их морфогенеза в норме и не позволяет выяснять суть их перестройки при метаплазии, дисплазии и злокачественном росте.

Суть новой теории.

Для преодоления этого затруднения нами разработана новая теория пространственной организации клеточных пластов. Она основана на развитии концепции модульного строении тканей, где модуль - это элементарная морфофункциональная тканевая единица, возникающая в результате разделения функций между клетками. В соответствии с этой концепцией клеточный пласт рассматривается как полимеризованный модуль. Такое рассмотрение позволило разработать теорию возникновения и развития мономерных модулей и построить их естественную классификацию в виде периодической таблицы (Савостьянов 1976, 1977, 1989а, 2005, 2007, 2011). Параметры этой таблицы имеют биологический смысл и пригодны для количественного измерения прогрессивного развития.

Основываясь на общих свойствах эпителиев, мы сформулировали правила полимеризации модулей и разработали новый метод синтеза одномерных, двумерных (Савостьянов 1989б, 1991, 2001а) и трехмерных тканевых моделей (Савостьянов 1994, 1998, 2001б, 2005). В последнее время для построения трехмерных моделей гистоархитектуры была разработана компьютерная программа Гистоарх (Савостьянова с соавт. 2007). В результате новая теория оказалась способной предсказывать неизвестные ранее топологические варианты гистоархитектоники эпителиальных пластов и ориентировать исследователей на их целенаправленный поиск. Кроме того, она позволила вскрыть принципы пространственной организации эпителиальных пластов.

Таким путем к настоящему времени обнаружено более 50 новых вариантов пространственной организации эпителиев (и их количество продолжает увеличиваться). На этой основе разработан новый высокорезультативный подход к изучению пространственной организации эпителиальных пластов. Его суть сводится к синтезу двух- и трехмерных тканевых моделей и их экспериментальной проверке.

Преимущества нового подхода к изучению пространственной организации тканей.

Основное отличие этого подхода от эмпирических заключается в следующем. Использование моделей позволяет прогнозировать характер изменения формы и смежности клеток на различных уровнях пласта. Благодаря этому анализ тканевых срезов становится ориентированным. В результате вместо трудоемкой и весьма приблизительной эмпирической реконструкции структур по множеству серийных срезов становится возможным проводить точное воссоздание топологии внутренней структуры эпителиев и геометрии их клеток. Это достигается путем сравнения небольшого числа тканевых срезов с набором сечений теоретических моделей и последующим выбором той из них, которая в наибольшей степени соответствует реальности.

Такой подход резко повышает результативность исследования срезов, делает ненужным точное их совмещение (что является Ахиллесовой пятой существующих методик) и позволяет обходиться меньшим их числом. В итоге это значительно упрощает методику реконструкции трехмерной структуры тканей. Одновременно это впервые радикально повышает разрешающую способность методики до уровня, необходимого при изучении не только внешней формы, но и внутренней структуры эпителиальных пластов. В итоге новый подход оказывается пригодным для изучения трехмерной организации различных эпителиев произвольного состава и структуры даже в случаях быстро развивающихся эмбриональных тканей, в которых регулярность строения значительно "зашумлена" размножением и гибелью клеток.

Некоторые результаты и примеры.

В рамках этого подхода рассмотрена пространственная организация однослойных, многорядных и многослойных эпителиев различных животных в норме и патологии и получены приоритетные данные о неизвестных ранее топологических вариантах их гистоархитектоники. Кроме того, описано наличие у них таких неизвестных ранее свойств, как цветная трансляционная симметрия и стехиометрия состава. Предложен комплекс новых информативных признаков для диагностики.

Примеры двумерных моделей.

Примером эффективности разработанного подхода могут служить следующие результаты. Впервые удалось показать, что давно известное семейство правильных паркетов Кеплера можно интерпретировать в качестве математических моделей клеточных пластов (Савостьянов 1991, 2001а, 2005). Это означает, что для однослойных эпителиев возможна реализации не одного (как это считалось до сих пор), а по меньшей мере 11 топологических вариантов пространственной организации. Все они характеризуются трансляционной симметрией. Девять из предсказанных вариантов уже найдены в реальных эпителиях различных животных, обнаружение остальных двух прогнозируется (рис. 1).

Показано, что для таких моделей характерны стехиометрические соотношения численностей составляющих их клеток (рис. 2). (Савостьянов и Грефнер 1993). Кроме того, предложен новый класс двумерных моделей, характеризующихся числом составляющих ткань клеточных типов, или - "хроматическим числом" (рис. 3). Формально эти модели являются вариантами решения известной в теории графов проблемы Хивуда о раскраске карты.
Таким образом, впервые описаны такие неизвестные ранее свойства тканей, как стехиометрия состава и цветная трансляционная симметрия.

Примеры трехмерных моделей.

Полученное семейство двумерных моделей позволило обнаружить, что все они способны к линейному непрерывному взааимопревращению. На этой основе разработан метод построения трехмерных моделей многослойных и многорядных клеточных пластов и показано, что их топология также многовариантна и вычислима (Савостьянов 1994, 1998, 2001б, 2005, Савостьянова с соавт. 2007, Магницкая с соавт. 2009). Например, к настоящему времени построено более 30 вариантов трехмерной структуры тканей, из них более половины подтверждено экспериментально.

Ниже даны некоторые примеры трехмерной структуры эпителиев с различными численными соотношениями клеток в слоях и рядах. Так, на рисунках (рис. 4 , рис. 5), показана структура покровной ткани (Савостьянов и Грефнер 1998). На рисунках (рис. 6, рис. 7 и рис. 8, рис. 9, рис. 10),, показана структура сенсорного эпителия улитки птиц. При этом модель (рис. 9) демонстрирует структуру эпителия, который включает в себя резервные (камбиальные) клетки. На рисунках рис. 11 и рис. 12)., показана структура сетчатки аппозиционного и суперпозиционного глаз насекомых (Савостьянов 2001 в).

Впервые введено понятие о прямой и инвертированной ориентации моделей и показано, что в зависимости от нее одна и та же конструкция может быть моделью многослойной или многорядной ткани..

На рисунке (рис. 13) показано, что одним из путей усложнения и развития исходных моделей является внедрение в них новых клеток.

Использование моделей позволило также впервые обнаружить, что эпителиальные пласты построены из своеобразных гистоархитектурных блоков - слайсов. Такие слайсы могут существовать как самостоятельно (в виде моделей примитивных пластов), так и комбинироваться друг с другом, порождая вычисляемое семейство моделей трехмерной организации многорядных и многослойных пластов (рис. 14).. Можно видеть также, что в структуре модели суперпозиционного глаза (рис. 12) повторяется один и тот же слайс, заключенный между уровнями а - с и а - е, реализующийся в различной (прямой и инвертированной) ориентации.

Дополнительно можно строить семейство моделей, реализующихся на искривленных поверхностях. Например, на внутренней или наружной поверхности полусфер или циллиндров. Эти модели (рис. 15) могут соответствовать реальным железистым структурам.

Важно подчеркнуть, что поскольку все построенные модели являются формальными, они могут использоваться для изучения гистоархитектоники любых реальных тканей со сходным соотношением клеток в рядах и слоях.

Описанные модели отражают как топологию эпителиальных пластов, так и (схематически) - геометрию их клеток. Для более точного учета реальной клеточной формы эти модели легко подвергаются геометрической модификации. Например, крутизна наклона граней клеток может меняться. Некоторые клетки могут набухать и становиться выпуклыми, тогда как смежные с ними - соответственно вогнутыми. Такая модификация сделает модели более реалистичными.

Легко видеть, что разработанный подход пригоден для выявления закономерностей ространственной организации и более сложных по строению эпителиев.

Моделирование изменения тканей в развитии и патологии.

Модели тканей могут способствовать пониманию сути их изменений в нормальном развитии и патологии. Например, эти изменения могут сводиться к трансформации одних вариантов организации в другие по типу фазовых переходов (рис. 16).

Оказалось, что все описанные конструкции эпителиев могут взаимопревращаться друг в друга. Это дает возможность предполагать, что трансформация эпителиев в канцерогенезе также может происходить аналогичным образом (Грефнер, Савостьянов и Худолей 1997). Изучение этих трансформаций может способствовать выяснению механизмов морфогенеза опухолей и поиску новых информативных признаков для их ранней диагностики.

Перспективы.

Дальнейшее построение трехмерных моделей и их проверка даст возможность окончательно установить закономерности тканевой структуры. Это позволит развить теорию, способную более точно описывать реальность и строить не только разрозненные коллекции моделей тканевых конструкций, но получить с единых позиций полный вывод всех возможных (в том числе и пока не найденных) форм пространственной организации тканей и дать их компактное и наглядное описание (подобно тому, как это сделано в кристаллографии). Клетки моделей можно сделать "прозрачными", чтобы они могли показывать изменение внутренней структуры в зависимости от топологии ткани.

Точное описание трехмерной организации тканей позволит прогнозировать изменения их структуры в нормальном развитии и патологии в четырехмерном пространстве. Кроме того, это знание облегчит исследование пространственного распределения генной активности в эмбриональных органах и, тем самым, изучение молекулярных механизмов развития.

Новая теория сделает возможным компьютерный синтез моделей тканевой структуры и позволит компактно и наглядно описать обширный гистологический материал. За счет этого она сможет сделать более легким и осмысленным освоение курса гистологии.

Полученные результаты могут служить основой для создания интеллектуальной (smart) автоматизированной системы диагностики.


Часть приведенных результатов была получена при поддержке РФФИ, грант 95-04-12049а.


Copyright © 2000. All rights reserved

Back to the Homepage