Недооцененная структура - реснички в маточных трубах: обзор данных литературы за 50 лет

The ignored structure in female fertility: cilia in the fallopian tubes He, Liuqing et al. Reproductive BioMedicine Online, Volume 50, Issue 2, 104346. Данная статья представляет собой обзор литературы на английском и катайском языках, опубликованной на ведущих научных сайтах, включая статьи с 1 января 1970 года по 1 марта 2023 года.

Реснички в маточных (фаллопиевых) трубах — важные структуры женской репродуктивной системы. Они подразделяются на подвижные и первичные реснички. Специфические белки и гормоны влияют на их длину, количество и частоту мерцания. Патологические изменения встречаются часто и тесно связаны с репродуктивными заболеваниями у женщин.

Реснички в фаллопиевых трубах играют ключевую роль в женском бесплодии, однако их изучение остаётся недостаточно полным. В данном обзоре рассматриваются методы оценки функции и морфологии ресничек маточных труб, а также их связь с бесплодием и другими гинекологическими нарушениями.

📌Введение

Реснички в фаллопиевых трубах — эволюционно неизменные структуры, напоминающие антенны, которые выступают с поверхности мультицилиарных клеток. Они подразделяются на первичные и подвижные реснички. Первичные реснички преимущественно присутствуют в секреторных клетках, тогда как подвижные реснички характерны для моторных клеток. Первичные реснички транспортируют белки и воспринимают секреторные сигналы через кинезин и динеин, в то время как подвижные реснички обеспечивают двунаправленный внутрижгутиковый транспорт, создавая ламинарный поток, который способствует движению половых клеток.

Как длина ресничек, так и скорость их мерцания влияют на их роль в репродуктивных процессах. Однако исследования на людях ограничены из-за технических и этических сложностей.

Взаимосвязь между повреждениями ресничек (цилиопатиями) и различными нарушениями женской репродуктивной системы активно изучается. Эти нарушения можно разделить на два типа в зависимости от последовательности поражения:

1. Первичные цилиопатии, связанные с репродуктивными заболеваниями (например, первичная цилиарная дискинезия и аномальная экспрессия генов трубных ресничек при ранних стадиях высокозлокачественной серозной карциномы яичников).
2. Вторичные цилиопатии, возникающие на фоне сальпингита (провоцирующего спайки и снижение частоты мерцания ресничек), эндометриоза или синдрома поликистозных яичников (СПКЯ).

🧪Строение ресничек фаллопиевых труб

Основная структура ресничек включает базальное тело, аксонему (осевую нить), ресничную мембрану и ресничный матрикс (Рис. 1). Базальное тело закреплено на клеточной мембране, а аксонема состоит из микротрубочек и вспомогательных белков, формирующих каркас реснички. Ресничная мембрана покрывает аксонему и содержит специфические рецепторы, участвующие в восприятии внеклеточных сигналов. Ресничный матрикс заполняет пространство между аксонемой и мембраной.

Рис. 1. Структура ресничек. Мембрана окружает аксонему (осевую нить) и сердцевину ресничек. Аксонема в себе содержит сотни белков, которые отвечают за работу ресничек. (а) Подвижная ресничка состоит из девяти пар микротрубочек, расположенных по кругу, от которых внутрь идут лучевые спицы к центральной паре микротрубочек. Движение достигается за счет внутреннего белка кинезина и внутреннего и внешнего белков динеина. Внутрижгутиковый транспорт обеспечивается двумя комплексами: IFT-A и IFT-B, которые сначала толкают весь комплекс микротрубочек к кончику реснички (восходящий или антеградный транспорт/поток), а затем возвращаются к основанию реснички (нисходящий или ретроградный транспорт/поток). (б) Первичная ресничка состоит из 9 пар микротрубочек, а движение осуществляется только за счет кинезина и динеина.

Гены, кодирующие белки, связанные со сбором микротрубочек, — кадгерин-эпидермальный фактор роста (epidermal growth factor - EGF), ген CELSR1 и кальмодулин-регулируемый спектрин-ассоциированный белок-3 (CAMSAP3).

• CELSR1 передаёт направленные сигналы, обеспечивая выравнивание отдельных клеток или их кластеров в эпителиальном слое.
• CAMSAP3 необходим для ориентации и синхронного мерцания ресничек.

📊Дифференцировка и функции ресничек

Эпителиальные клетки на поверхности фаллопиевых труб, происходящие из стволовых клеток, дифференцируются в три типа столбчатых клеток: реснитчатые, секреторные и базальные.

• Реснитчатые клетки преобладают в дистальных отделах трубы (воронка и ампула).
• Секреторные клетки чаще встречаются в проксимальных отделах, включая перешеек трубы.

Функция ресничек: ооциты захватываются фимбриями и продвигаются через воронку, ампулу и истмус в матку благодаря мерцанию ресничек в слизистой оболочке. В ампуле, где более 50% клеток являются реснитчатыми (против <35% в перешейке), создаются оптимальные условия для встречи сперматозоидов и яйцеклеток.

Дифференцировка реснитчатых клеток: дифференцировка мультицилиарных клеток в реснитчатые регулируется колебаниями концентрации эстрогена и прогестерона в течение менструального цикла. Этот процесс может также сопровождаться трансформацией секреторных клеток эпителия маточной трубы.

Ключевые регуляторные механизмы:

• Длина и количество ресничек в маточной трубе контролируются сигнальными путями Wnt и Notch.
• Исследования роста и дифференцировки ресничек в моделях человека и животных обобщены в Таблице 1.
• Процесс сборки ресничек контролируется: МикроРНК-34/449; Сигнальным путём Notch; Геминин-связанными белками; Транскрипционными факторами (E2F4/5, RFX2/3, Foxj1, протоонкоген миелобластоза); Циклин-подобным белком CCNO.
• Мультициллиарные клетки формируются во время эмбриогенеза. В фаллопиевых трубах они постоянно обновляются.

Таблица 1. Факторы, влияющие на рост и дифференцировку реснитчатых клеток у человека. BB — базальное тело (basal body); CAMSAP3 — кальмодулин-регулируемый спектр-связанной белок 3 (calmodulin-regulated spectrum-associated protein 3); CELSR1 — кадгерин-эпидермальный фактор роста LAG семь-спиральный G-типа рецептор 1 (cadherin epidermal growth factor LAG seven-pass G-type receptor 1); EGF — эпидермальный фактор роста (epidermal growth factor); ESR1 — эстрогеновый рецептор бета (oestrogen receptor b); FTEC — эпителиальная клетка фаллопиевой трубы (fallopian tube epithelial cell); MCC — многореснитчатые клетки (multiciliated cells); PCP — полярность клеток в плоскости (planar cell polarity).

🧩Роль эстрогена и прогестерона

Эстроген и прогестерон контролируют цикличность ресничек, балансируя между пролиферацией и апоптозом.

Был проведен ряд ключевых исследований: 1) Блокада рецептора эстрогена подавляет дифференцировку ресничек в трубах новорождённых крыс. 2) Активация рецептора эстрогена в эпителии увеличивает длину ресничек, но снижает частоту мерцания ресничек, вызывая задержку эмбриона в трубе. 3) Ингибитор рецептора прогестерона подавляет влияние прогестерона на частоту мерцания ресничек. Прогестерон подавляет функции эстрогена и вызывает атрофию ресничек, а также их отторжение.

Во время менструации концентрация эстрогена обычно небольшая, затем увеличивается в фолликулярной фазе и достигает пика перед овуляцией. После овуляции уровень эстрадиола снижается, но в лютеиновой фазе все равно выше чем в начале цикла. Прогестерон, напротив, находится на низком уровне в фолликулярной фазе и значительно повышается в лютеиновой.

Эпителиальные клетки маточной трубы также изменяются на протяжении цикла:

1. На 2-й день они имеют кубовидную форму;
2. на 5–6-й день начинают пролиферировать (размножаться), формируются реснички;
3. к 15-му дню клетки подвергаются дегенерации и атрофии, а реснички теряются.
4. После начала лютеиновой фазы реснитчатые клетки вновь становятся кубовидными, и появление ресничек становится редкостью.

Это означает, что можно искусственно имитировать сокращение эпителия и потерю ресничек, характерные для предлютеиновой фазы, регулируя уровень прогестерона. Был проведен эксперимент, в котором показали, что длительное применение синтетического прогестерона снижает количество реснитчатых клеток у нечеловекообразных приматов, а краткосрочное воздействие уменьшает частоту мерцания ресничек в культурах клеток маточной трубы человека.

Кроме того, секреторные клетки участвуют в поддержании гомеостаза эпителия в фаллопиевых трубах, превращаясь в реснитчатые клетки. В течение цикла секреторные клетки проходят полный цикл дедифференцировки и обновления 10-12% ресничек.

🚨Сигнальные пути, моделирующие длину и количество ресничек

🔬Основные функции ресничек

Главная функция - Транспорт ооцитов в фаллопиевых трубах, который тесно связан с осевой ориентацией ресничек. Судя по направлению аксонемы, плоскость мерцания ресничек параллельна длинной оси маточной трубы. Однако распространение ресничных волн указывает, что «эффективный удар» направлен в сторону матки, что подтверждает связь ориентации аксонемы с направлением транспорта внутри трубы.

Роль частоты мерцания ресничек в оплодотворении: у мышей в первые дни после оплодотворения частота мерцания ресничек высокая, однако значительно снижается по мере того как ооциты двигаются по маточной трубе. Это замедляет поток жидкости в просвете, удерживая оплодотворённые ооциты в трубе и предотвращая их преждевременное попадание в матку.

Спор о механизме транспорта: ранние работы подчёркивали ведущую роль подвижных ресничек, однако позже выяснилось, что сокращения гладкой мускулатуры также важны. Например, мыши с цилиарной дискинезией и женщины с синдромом Картагенера (врождённое заболевание, в основе которого лежат дефекты строения ресничек мерцательного эпителия) сохраняли фертильность. Недавние исследования на моделях мышей с нокаутом генов показали, что подвижные реснички обязательно необходимы для захвата ооцитов, но не для транспорта сперматозоидов или ранних эмбрионов.

Влияние длины ресничек и ламинарного потока: аномальная длина ресничек снижает эффективность сбора ооцитов. Например:

• Укорочение ресничек связано с повышением фосфорилирования S663 в KIF3B (субъединице кинезина). Подавление фосфатазы усиливает это фосфорилирование, уменьшая длину.
• KIF19A, локализованный на кончиках ресничек, регулирует длину через полимеризацию аксонемных филаментов. У мышей, у которых нет этого гена, наблюдается гидроцефалия и бесплодие из-за чрезмерного удлинения ресничек.
• Делеция Cep164 (ключевого белка) снижает длину и количество ресничек.

Регуляторы частоты мерцания ресничек: ATФ и Ca²⁺ — основные регуляторы: динамический приток Ca²⁺ инициирует скольжение динеина по микротрубочкам. Гормоны и нейрональные факторы (см. Таблицу 2):
Эстрадиол, адреномедуллин (AДM) и простагландины увеличивают частоту мерцания, ускоряя транспорт ооцитов. Прогестерон снижает частоту мерцания дозозависимо через активацию рецептора прогестерона (PGR) (Рис. 2).

Таблица 2. Гормонах и факторы, влияющие на мерцание ресничек, включая механизмы их воздействия на транспорт ооцитов и эмбрионов. AДM — адреномедуллин; ESR1 — эстрадиоловый рецептор α; ESR2 — эстрадиоловый рецептор β; hCGRP — пептид, связанный с кальцитонином; MPR — мембранный прогестероновый рецептор.

Рис. 2. Факторы, влияющие на дифференциацию мультицилиарных клеток и частоту мерцания ресничек. Эпителий маточной трубы состоит из цилиарных клеток, секреторных клеток и базальных клеток. Дифференциация мультицилиарных клеток в эпителиальные реснитчатые клетки маточной трубы связана с изменениями концентраций половых гормонов, простагландинов и адреномедуллина (АДМ). (a) Эстрадиол увеличивает частоту мерцания ресничек через системы протеинкиназы A (PKA) и протеинкиназы C (PKC). Прогестерон ингибирует функцию эстрогена и вызывает атрофию ресничек через рецепторы прогестерона (PGR). Левоноргестрел снижает экспрессию канала 4-го члена подсемейства V катионного канала транзиентного рецепторного потенциала (TRPV4) в человеческих ресничках маточных труб и, таким образом, значительно снижает частоту мерания в зависимости от TRPV4. (b) Простагландин E2 (ПГЕ-2) и его рецептор модулируют образование ресничек, увеличивая обратный внутрижгутиковый транспорт. Многие рецепторы, локализуются в ресничках для модуляции сигнализации цАМФ (сAMP) при различных условиях. (c) AДM регулирует подвижность сперматозоидов и мерцание ресничек маточной трубы через путь цАМФ/протеинкиназы А и оксида азота. Erß - эстрогеновый рецептор бета.

🧬Методы исследования ресничек в маточных трубах

1. Высокоскоростная видеомикроскопия (HSVM)
2. Суперрезолюционная флуоресцентно-ассистированная дифракционная томография (SR-FACT)
3. Крио-электронная томография (Cryo-ET)
4. Оптическая когерентная томография (OCT)
5. Фазово-резонансная допплеровская спектроскопия с интерференционной микроскопией (PRD-SEIM)
6. Технология мембранного зажима (MCT)
7. Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (CLSM)

🩺Реснички в маточных трубах и заболевания женской репродуктивной системы

Заболевания, связанные с нарушением функции ресничек в маточных трубах (ресничковая дисфункция), тесно связаны с рядом гинекологических состояний (Рис. 3). Такие патологии можно условно разделить на:

• Первичные заболевания ресничек, вызванные нарушениями их структуры или функции.
• Вторичные поражения, возникающие из-за других заболеваний — воспалений, инфекций или гормональных сбоев, — которые вторично нарушают работу ресничек.

Рис. 3. Реснички в фаллопиевых трубах и заболевания женской репродуктивной системы. Первичные цилиарные поражения включают первичную цилиарную дискинезию из-за мутаций генов и делеций белков, а также серозный эпителиальный рак яичников высокой степени злокачественности, вызванный сбрасыванием фенотипически измененных ресничек. Вторичные цилиарные поражения включают снижение частоты мерцания ресничек, вызванное фактором некроза опухоли-a (TNF-a), даже сбрасывание подвижных ресничек при сальпингите, измененный сигнальный путь Wnt цилиарного эпителия, снижение частоты мерцания при эпителиально-мезенхимальном переходе эндометриоза, синдром поликистозных яичников (СПКЯ), включающий аномалии в сигнальном пути Wnt, влияющие на сборку ресничек, и среду с высоким содержанием тестостерона, которая также вызывает снижение частоты мерцания. FOX1 - forkhead box protein-1; E2 - 17-β-эстрадиол; LOS - липополисахарид; LRR - повтор, богатый лейцином; miR - miRNA; Kif19a - член семейства кинезинов 19A; Celsr1 - кадгерин EGF LAG семипроходный рецептор G-типа 1; TP73 - опухолевый белок p73; MCC - мультицилиарные клетки.

👩‍⚕️Заключение и дальнейшие перспективы

Реснички маточных труб, включая как подвижные, так и первичные реснички, играют ключевую роль в женской фертильности. Они участвуют в транспорте ооцита, оплодотворённой яйцеклетки и регулируют важные клеточные процессы — от формирования двигательного аппарата ресничек до активации сигнальных путей, таких как Wnt и Notch.

Функция и структура ресничек тесно зависят от влияния гормонов, простагландинов и адреномедуллина. Сегодня существует ряд методов, позволяющих оценивать структуру и активность ресничек.

Понимание нарушений мерцательной активности ресничек особенно важно при изучении причин женского бесплодия. Такие нарушения могут не только затруднять захват ооцита и его перемещение, но и нарушать внутриматочную подготовку эмбриона.

Несмотря на успехи ВРТ (вспомогательных репродуктивных технологий), остаются сложности — невысокая эффективность, высокая стоимость, риски гиперстимуляции яичников и многоплодия. Поэтому улучшение понимания роли маточных труб и их ресничек может привести к новым подходам: от введения внеклеточных везикул из жидкости маточной трубы до создания микрофлюидных моделей эпителия.

Нарушения функции фаллопиевых ресничек связаны не только с транспортом клеток, но и с изменениями длины ресничек, частоты их мерцания и гормонально-зависимыми сигнальными путями. Уже сегодня ведутся исследования, направленные на терапевтическую модуляцию уровня стероидов и экспрессию ключевых генов, таких как CCDC39, LRRC6 и FOXJ1, с целью восстановления функции мерцания фаллопиевых ресничек.

Однако остаются важные вопросы:

• Как различаются сигнальные пути между первичными и подвижными ресничками?
• Влияют ли реснички маточных труб на транспорт сперматозоидов?
• Можно ли восстановить нарушенное мерцание ресничек?

Надеемся, что ответы на эти вопросы мы найдем в самом ближайшем будущем.