The Blood–Epididymis Barrier: Morphological, Physiological, Immunological and Seasonal Aspects and the Impact of Destabilizing Factors

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Гистогематические барьеры — гематоэнцефалический, гематоренальный, аэрогематический, гематотестикулярный и другие — регулируют обменные процессы между кровью и тканями, обеспечивая избирательное прохождение веществ из кровеносного русла в определённые замкнутые пространства органов [1–4]. В мужской репродуктивной системе большое значение для обеспечения полноценного сперматогенеза имеют гематотестикулярный и гематоэпидидимальный барьеры.

Попадающие из семенника (яичка) в придаток (эпидидимис) сперматозоиды не могут активно перемещаться и не способны к оплодотворению. Эти функции сперматозоиды приобретают в просвете придатка, где компоненты гематоэпидидимального барьера (ГЭпБ) формируют особую среду. ГЭпБ ограничивает парацеллюлярный транспорт и стимулирует рецептор-опосредованный транспорт макромолекул через эпителий придатка. Барьерные взаимодействия в придатке обеспечивают изоляцию дозревающих половых клеток от циркулирующих в кровеносной системе иммунокомпетентных клеток и антител [5–8]. Нарушения функций межклеточных контактов в ГЭпБ являются одним из факторов мужского бесплодия.

Использование придатков семенников крыс и других животных в качестве экспериментальной модели компенсирует невозможность всестороннего изучения данного вопроса в условиях in vivo у половозрелых мужчин, страдающих бесплодием. Исследования различных аспектов морфофункциональной организации ГЭпБ у животных (как лабораторных, так и обитающих в естественных биоценозах) имеют важное значение для лучшего понимания его особенностей у человека, что, в свою очередь, может способствовать разработке способов коррекции бесплодия.

Следует отметить, что, несмотря на многочисленность работ, посвящённых изучению различных аспектов ГЭпБ у животных и человека, многие вопросы о его морфофункциональных особенностях остаются дискуссионными. Особенно это касается механизмов регуляции функций ГЭпБ, а также закономерностей его организации у млекопитающих в естественных и антропогенно изменённых экосистемах [9–11].

Целью данного обзора является анализ данных литературы о морфофункциональной организации гематоэпидидимального барьера.

МОРФОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕМАТОЭПИДИДИМАЛЬНОГО БАРЬЕРА

Придаток семенника — это один из отделов семявыносящих путей, образованный системой канальцев, среди которых выделяют выносящие канальцы и проток придатка. Придаток состоит из головки, тела и хвоста. Головку формируют выносящие канальцы, тело и хвост — проток придатка.

Компонентами любого гистогематического барьера являются: клетки эндотелия кровеносных капилляров, базальная мембрана эндотелия, интерстициальный матрикс, базальная мембрана и лежащий на ней эпителий органа. ГЭпБ образуют: псевдомногослойный столбчатый эпителий, лежащий на базальной мембране; рыхлая соединительная ткань собственной пластинки слизистой; эндотелий гемокапилляров, расположенный на базальной мембране. Морфологическую основу ГЭпБ составляют апикальные межклеточные контакты и адгезивные контакты между соседними главными клетками псевдомногослойного столбчатого эпителия [1, 5, 8, 12–17].

Выявлены различия в характеристиках плотных замыкающих контактов в разных участках эпителия придатка. В головке придатка плотные контакты охватывают значительную часть апикальной поверхности главных клеток, при этом десмосомы присутствуют в малом количестве. В других отделах придатка семенника, напротив, площадь плотных контактов ниже, а в апикальной области главных клеток присутствуют многочисленные десмосомы и инвагинации части латеральной плазматической мембраны одной главной клетки в другую [17].

Функциональная активность ГЭпБ находится в прямой зависимости от активности сперматогенеза. У большинства животных, обитающих в естественных экосистемах, активный сперматогенез происходит только в сезон репродуктивной активности. А у млекопитающих без выраженной сезонности размножения (многие приматы, включая человека, и лабораторные животные) активность сперматогенеза и функциональное состояние барьера в течение года практически не изменяются. В случае сезонного характера репродукции выраженность барьерной функции резко снижается в период репродуктивного покоя. Это, например, показано у норки [13], крота [14], хомячка Винкельмана [15] и индийского ежа [16]. В период активного сперматогенеза в придатке семенника возрастает высота эпителиальных клеток, длина стереоцилий, площадь просвета и диаметр канальцев [15].

Сравнительный анализ придатка семенника различных млекопитающих свидетельствует о проявлении принципа параллелизма в морфофункциональной организации гематоэпидимального барьера.

Надо отметить, что регрессивные процессы в системе ГЭпБ при сезонном угнетении репродуктивной активности являются обратимыми и не сопровождаются воспалительными реакциями. Активизация сперматогенеза и восстановление целостности гематотестикулярного и гематоэпидидимального барьеров предшествуют началу сезона размножения.

Применение маркеров для проверки проницаемости барьера показало, что у представителей различных видов в физиологических условиях ГЭпБ проявляет выраженные барьерные свойства. Так, при использовании пероксидазы хрена в качестве маркера проницаемости ГЭпБ в период репродукции [13] фермент не выявлялся на люминальной поверхности эпителия. Аналогично при использовании инулина, меченого по тритию [18], показана выраженность барьерных свойств ГЭпБ в сезон размножения.

Обращает на себя внимание компартментализация придатка семенника. По мнению ряда авторов, в придатке особей разных видов можно выделить от 5 до 9 отделов, отличающихся по морфофункциональным и биохимическим характеристикам. Установлено также, что выраженность барьерной функции возрастает от головки к хвосту придатка [15, 19].

Главные клетки канальцев придатка у различных млекопитающих — хомячка Винкельмана (Peromyscus winkelmanni (Carleton)) [15], ежа (Paraechinus micropus) [16], крота (Talpa europaea) [14], норки (Mustela vison) [13], верблюда (Camelus dromedarius) [20], осла (Equus asinus) [21] и жеребца (Equus caballus) [19] — в сезон размножения, на фоне укрепления межклеточных контактов, содержат развитый аппарат Гольджи, гладкий и шероховатый эндоплазматический ретикулум, секреторные пузырьки и липидные гранулы. При этом все эти органеллы практически исчезают в период регрессии, за исключением слабо развитого аппарата Гольджи и умеренно выраженного шероховатого эндоплазматического ретикулума. Было показано, что у ежей в период репродуктивного покоя базальные клетки содержат большое количество липидов и хорошо развитые органеллы, тогда как у репродуктивно активных особей органеллы выражены слабо [16].

В период репродуктивного покоя в главных клетках обнаруживается множество аутофагических вакуолей, которые трансформируются в гранулы пигмента липофусцина [14].

МОЛЕКУЛЯРНО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГЕМАТОЭПИДИДИМАЛЬНОГО БАРЬЕРА

Большое значение в поддержании морфологической целостности ГЭпБ имеют белки, входящие в состав адгезионных и плотных контактов между эпителиоцитами [8, 22–25].

Составными компонентами плотных контактов являются трансмембранные белки, объединённые в три семейства: клаудины (Cldns), MARVEL-белки (окклюдин, трицеллюлин, marvelD3) и JAM-белки (junctional adhesion molecules) [24].

Анализ экспрессии клаудинов 1, 3, 4, 8 и 10 показал, что во всех трёх отделах придатка яичка человека эти белки локализованы в местах плотных соединений — вдоль боковых границ соседних главных клеток и в областях контактов базальных и главных клеток [26]. При этом наиболее выраженной была экспрессия клаудинов 1, 3 и 4. Экспрессия окклюдина выявлялась исключительно в местах плотных соединений между главными клетками во всех трёх отделах придатка яичка [26, 27]. Приведённые данные указывают на то, что придаток яичка обладает сложным паттерном экспрессии генов, включая гены, участвующие в формировании ГЭпБ, что предполагает комплексную регуляцию проницаемости этого барьера.

В выносящих канальцах головки придатка диких кроликов (Lepussinensis coreanus) иммунореактивность окклюдина обнаружена как в латеральных, так и в апикальных контактах главных клеток. В теле придатка показана сходная локализация окклюдина в базолатеральных и апикальных контактах главных клеток. В хвосте придатка иммунореактивность окклюдина определяется в цитоплазме главных клеток [28].

Эпителиальный кадгерин (белок кальций-зависимой клеточной адгезии) локализуется в главных клетках различных участков канальцев придатка. Показано, что он присутствует между латеральными плазматическими мембранами соседних главных клеток в области плотных контактов [29].

Установлена значимость ряда веществ в регуляции проницаемости ГЭпБ. Например, изоформы трансформирующего фактора роста TGF-β (Transforming Growth Factor Beta) влияют на проницаемость гематоэпидидимального барьера и контролируют рост эпителиальных клеток канальцев. Кроме того, предполагается, что TGF-β ингибирует дифференцировку сперматозоидов и активирует Т-клетки [30]. TGF-β обнаружен в придатке семенника у различных видов. Так, TGF-β1 в латентной форме присутствуют в придатке семенника у крыс, а активный белок TGF-β3 — в теле органа. При этом активная форма TGF-β2 не обнаружена ни в одной из областей придатка семенника. У мышей также отмечается высокий уровень мРНК TGF-β1 в области головки и тела придатка. Кроме того, TGF-β1 и его рецепторы обнаружены в апикальных зонах главных клеток головки и тела придатка яичка, что предполагает паракринный процесс [30].

Исследование сезонных колебаний уровня окситоцина и окситоциновых рецепторов в компонентах ГЭпБ ондатры (Ondatra zibethicus) показало, что в сезон размножения их концентрация значительно повышается в цитоплазме эпителиальных и гладкомышечных клеток придатка. Авторы полагают, что придаток является прямым органом-мишенью окситоцина, который может регулировать функции ГЭпБ через эндокринные, аутокринные и паракринные механизмы [31].

Аналогичные данные были получены при изучении сезонной активности окситоцина и его рецепторов в придатке у сусликов (Citellus dauricus Brandt) [32]. Уровни экспрессии окситоцина и окситоциновых рецепторов в эпителиальных и мышечных клетках повышаются в сезон размножения на фоне низкой концентрации окситоцина в сыворотке. Авторы предполагают, что придаток может быть источником окситоцина, который регулирует проницаемость ГЭпБ через окситоциновые рецепторы.

ИММУНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГЕМАТОЭПИДИДИМАЛЬНОГО БАРЬЕРА

В придатке семенника (яичка) одновременно реализуются противоположные иммунологические задачи — поддержание толерантности иммунных клеток к сперматозоидам и реактивность против патогенов [33].

Установлено, что около 1000 генов в геноме мыши активны, главным образом, в развивающихся половых клетках в семеннике. При этом многие белки, кодируемые этими генами, являются потенциальными антигенами. Активность иммунных клеток против антигенов, локализованных на мембране сперматозоидов, может приводить к иммунологическому бесплодию. Однако гематотестикулярный и гематоэпидидимальный барьеры препятствуют такому повреждающему воздействию со стороны иммунной системы [34].

Перитубулярное пространство и эпителий головки придатка содержат большое количество всех типов иммуноцитов, число которых прогрессивно уменьшается по мере продвижения в сторону семявыносящего протока [35]. В головке придатка выявляется значительная активность генов, кодирующих иммуномодулирующие факторы, такие как β-дефензины, бактерицидный белок, повышающий проницаемость, и индоламин 2,3-диоксигеназу 1. В отличие от этого, в хвосте придатка наблюдается высокая экспрессия генов, кодирующих провоспалительные медиаторы, включая провоспалительные цитокины (например, IL-1α, IL-6, IL-17) и хемоаттрактанты (например, CCL2, CCL3, CCL4, CXCL2, CXCL5), а также транскрипты, ассоциированные с инфламмасомами (например, Nlrp3, Il1b). Кроме того, в этом отделе придатка повышена экспрессия генов, связанных с ремоделированием фиброзной ткани и провоспалительными иммунными реакциями, включая положительную регуляцию активности фактора транскрипции NF-kB (Nuclear Factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells), организацию коллагеновых фибрилл и положительную регуляцию ERK1 и ERK2 каскада (Extracellular signal-Regulated Kinase 1 и 2). Также установлено, что наиболее тесные взаимодействия между эпителиоцитами ГЭпБ и макрофагами характерны для головки придатка [36–42].

В литературе отсутствует удовлетворительное объяснение характера распределения иммунных клеток в разных отделах придатка. Нуждается в дополнительном исследовании феномен прогрессивного уменьшения числа иммуноцитов по мере продвижения от головки придатка к семявыносящему протоку. Выраженная экспрессия генов, кодирующих провоспалительные белки, и повышенное содержание иммуноцитов в каудальной части придатка, по всей вероятности, служат защитой от восходящей инфекции.

На экспрессию TGF-β в дендритных клетках, как важнейший механизм толерантности придатка семенника к сперматозоидам, обратили внимание A. Voisin и соавт. [43]. Они показали, что как лиганды, так и рецепторы TGF-β продуцируются иммунными и неиммунными клетками придатка, независимо от возраста мышей.

Макрофагам принадлежит ведущая роль в обеспечении контроля над циркулирующими в придатке антигенами [42, 44–45]. Показана реакция эпидидимальных макрофагов на апоптоз эпителиоцитов, индуцированный односторонней перевязкой семявыносящего протока [42]. В течение 48 часов после перевязки большая часть эпителиальных клеток вступает в апоптоз. При этом, быстрое удаление апоптотических клеток макрофагами способствует поддержанию баланса между пролиферативной активностью и апоптозом в эпителии и сохраняет структуру и целостность ГЭпБ.

V. Michel и соавт. [33] обнаружили, что антиген-презентирующие дендритные клетки канальцев придатка семенника формируют плотную сеть в базальной зоне эпителия, а их отростки простираются между эпителиальными клетками к апикальным контактам. Дендритные клетки особенно активны в области головки придатка, где их отростки достигают просвета канальцев, экспонируют антигены и представляют их CD4+ T-лимфоцитам. Авторы полагают, что дендритные клетки и макрофаги играют сложную, двоякую роль в эпителии придатка — подавляют реакции на антигены в нормальных условиях и активируют их в ответ на патогены при инфекционном процессе.

Дендритные клетки и макрофаги интернализуют и обрабатывают алло- и аутоантигены, полученные пептиды экспонируются на их поверхности вместе с молекулами главного комплекса гистосовместимости (Major Histocompatibility Complex — MHC). Комплексы MHC–антиген представляются «наивным» Т-клеткам, тем самым стимулируя пролиферацию и дифференцировку эффекторных и регуляторных Т-клеток [46]. Следует отметить, что несмотря на обилие информации в научной литературе, механизмы таких взаимодействий остаются до конца не выясненными.

РЕАКТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СТРУКТУР ГЕМАТОЭПИДИДИМАЛЬНОГО БАРЬЕРА

Несмотря на наличие морфологических, физиологических и иммунных структур и механизмов поддержания целостности ГЭпБ, он может подвергаться негативному влиянию со стороны многих факторов.

При воспалительном процессе в придатке (эпидидимите) на ГЭпБ воздействуют выделяющиеся цитокины, что может привести к утрате его барьерной функции [47]. Одним из возможных путей развития воспалительного процесса в придатке является формирование спермальной гранулёмы [48].

При изучении влияния вируса Зика на ГЭпБ у мышей была показана эффективная репликация вируса в главных клетках канальцев придатка. В придатке наблюдали значительную инфильтрацию иммунокомпетентными клетками, сопровождавшуюся повышением уровней интерлейкина IL-6 и IL-28 и нарушением плотных контактов. В результате ухудшалась микросреда, необходимая для созревания сперматозоидов [49].

Одной из причин бесплодия у пациентов с обструктивной азооспермией по мнению E. Dube и соавт. [50] является неспособность главных клеток канальцев придатка образовывать плотные контакты, составляющие основу гематоэпидидимального барьера. Это связанно с нарушением экспрессии генов, регулирующих синтез белков, входящих в структуру плотных контактов (CRISP1, SPINLW1, NPC2CD52, DCXR, CDH1, CDH2, CLDN1, CLDN4, CLDN7, CLDN8).

При дефиците катепсина А у мышей нарушаются контакты между главными клетками канальцев придатка, клетки становятся вакуолизированными, в них увеличивается количество лизосом, некоторые из которых достигают очень крупных размеров, в эпителии и интерстиции обнаруживается большое количество макрофагов [51].

При воздействии бисфенола (органическое синтетическое соединение, используемое при производстве некоторых пластиковых изделий) в канальцах придатка у мышей снижается количество макрофагов, а также уровень противовоспалительных и провоспалительных цитокинов (IL-10, IL-6, IL-7, интерферона гамма). Одновременно повышается содержание цитокинов CCL12, CCL17, CXCL16 и MCP-1, связанных с хемотаксисом. Этот факт указывает на то, что бисфенол может вызывать дисбаланс иммунного гомеостаза, а также приводить к коллапсу фагоцитарной активности макрофагов за счёт угнетения синтеза цитокинов, связанных с воспалением. Всё это способствует нарушению барьерных свойств ГЭпБ и развитию аутоиммунных расстройств, таких как эпидидимит и орхит [52].

Сходные изменения зафиксированы при экспериментальном инфицировании мышей паразитом Trypanosoma equiperdum, который нарушает синтез белков, входящих в состав плотных контактов в главных клетках эпителия канальцев придатка, и вызывает деструкцию базальной мембраны. Присутствие трипаносом в интерстиции придатка активирует макрофаги, секретирующие фактор некроза опухолей (Tumor Necrosis Factor — TNF), который способен нарушать плотные контакты между эпителиоцитами и инициировать апоптоз [53].

Кроме того, у мышей с экспериментальным диабетом показаны нарушения структуры ГЭпБ, одной из причин которых является дисбаланс цинка в придатке. При диабете отмечено также снижение экспрессии белков, связанных с обеспечением морфофункциональной организации гематоэпидидимального барьера, включая β-катенин, N-кадгерин и аквапорины (AQP3, AQP9 и AQP11) [54].

Исследуются также возможности коррекции повреждений ГЭпБ при экспериментальном диабете [55]. Показано, что комбинированное воздействие цинка и селена в течение 8 недель способствует снижению вызванных диабетом нарушений структур ГЭпБ и повреждений сперматозоидов в просвете канальцев придатка у крыс.

Весь комплекс фактов свидетельствует о том, что гематоэпидидимальный барьер представляет собой систему, весьма чувствительную к действию различных дестабилизирующих факторов. При этом, если процессы регрессии ГЭпБ в условиях сезонного угнетения являются обратимыми и с наступлением нового сезона репродукции барьер полностью восстанавливает свою морфофункциональную организацию, то при интенсивном воздействии негативных факторов деструктивные изменения могут стать необратимыми и способствовать развитию бесплодия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ведущую роль в функционировании эпителиальной части ГЭпБ играют апикальные плотные контакты и адгезивные контакты между соседними главными клетками псевдомногослойного эпителия, а также сосудистая часть барьера — непрерывный эндотелий, лежащий на непрерывной базальной мембране. Функциональная активность ГЭпБ находится в прямой зависимости от активности сперматогенеза.

Ключевое значение в обеспечении морфофункциональной организации ГЭпБ принадлежит белкам, входящим в состав адгезионных и плотных контактов между эпителиоцитами.

Кроме того, важную роль в регуляции проницаемости ГЭпБ, наряду с эпителиальным и сосудистым компонентами, играют взаимодействия дендритных клеток, макрофагов и лимфоцитов. Сложные механизмы взаимодействий компонентов ГЭпБ с иммунными клетками остаются не до конца изученными.

В условиях сезонной динамики репродукции система ГЭпБ демонстрирует высокую пластичность. Сравнительный анализ придатка семенника различных млекопитающих свидетельствует о проявлении принципа параллелизма в морфофункциональной организации гематоэпидидимального барьера.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Наибольший вклад распределён следующим образом: М.Ф. Рыскулов, Н.Н. Шевлюк — концепция работы, анализ литературных данных, интерпретация результатов, написание и редактирование текста статьи. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Источники финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении поисково-аналитической работы.

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

ADDITIONAL INFORMATION

Author contributions: The primary contributions are as follows: M.F. Ryskulov, N.N. Shevlyuk: conceptualization, sources analysis, interpretation of results, writing — original draft, writing — review & editing. All the authors approved the version of the manuscript to be published and agreed to be accountable for all aspects of the work, ensuring that questions related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Funding sources: The authors declare no external funding was received for this study.

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities, or interests for the last three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

About the authors

Marat F. Ryskulov

Author for correspondence.
Email: mar-star89@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-9569-3585
SPIN-code: 4813-0330

Cand. Sci. (Biology), Associate Professor

Nikolay N. Shevlyuk

Email: k_histology@orgma.ru
ORCID iD: 0000-0001-9299-0571
SPIN-code: 6952-0466

Dr. Sci. (Biology), Professor

References

Supplementary files