Медицина / Физиология / Физиология (статья)

Эритропоэз: Гемоглобин и Эритроциты. Часть 1

ЭритроцитОдна из главных функций крови – транспорт газа (молекулярного кислорода – O₂) к тканям организма в адекватном количестве, соответствующем метаболическим потребностям. Адекватное снабжение тканей кислородом зависит от содержания O₂ во вдыхаемом воздухе, газообмена в легких, деятельности сердечно-сосудистой системы, уровня гемоглобина в крови и его аффинитет к кислороду, а также от распределения крови в сосудах тканей.

Оксигенация тканей зависит от парциального давления кислорода (PO₂) в капиллярной крови. Парциальное давление (обозначается прописным символом «P») – давление отдельно взятого компонента газовой смеси, общее давление которой является суммой парциальных давлений. PO₂ должно быть достаточным для того, чтобы кислород мог выйти из кровеносного сосуда и диффузии в окружающие ткани. Парциальное давление артериальной крови (P_aO₂) практически одинаковое во всех тканях. В венозной крови парциальное давление (P_vO₂) варьирует в зависимости от количества кислорода, потребляемое конкретной тканью организма.

Гипоксемия – низкое содержание кислорода в крови – характеризуется недостаточным PO₂ в капиллярной крови, в результате чего ткани не получают необходимое количество кислорода для адекватного обеспечения метаболизма, что приводит к развитию гипоксии тканей. В этом случае транспорт кислорода может компенсироваться за счет резерва кровотока (увеличения нагрузки на миокард и перераспределения крови), респираторного резерва (усиления газообмена в легких), резерва аффинитета гемоглобина к кислороду (снижение аффинитета Hb к O₂) и эритропоэтического резерва (повышение уровня гемоглобина в крови).

Резерв аффинитета Hb к O₂ и эритропоэтический резерв играют в важную роль в механизме адаптации организма к гипоксии, так как связаны с эритроидными клетками, совокупность которых назвали термином «эритрон» (рисунок 1).

Рисунок 1. Эритрон

Термин «эритроциты» впервые был применен в 1913 году английским ученым-биологом Артуром Бойкоттом (Arthur Edwin Boycott), который он описал красные клетки крови. Позднее, в 1936 году, американский ученый Уильям Касл (William Castle) ввел понятие «эритрон», под которым подразумевается совокупность всех зрелых и незрелых клеток эритроидного ряда в костном мозге и циркулирующей крови.

Эритрон выполняет высокоспециализированную функцию транспорта кислорода из альвеолярного воздуха в ткани. В структуру этой клеточной системы входит четыре категории клеток:

1. Ядросодержащие эритроидные клетки костного мозга
2. Ретикулоциты костного мозга
3. Ретикулоциты крови
4. Зрелые эритроциты

В циркулирующей крови находится примерно 94% клеток эритрона, в костном мозге – 6%.

Длительность жизни эритроцита составляет 100-120 дней. Чтобы поддерживать постоянный уровень эритроцитов в крови, в костном мозге постоянно происходит процесс формирования новых эритроидных клеток. Эритроидный костный мозг поддерживает постоянную концентрацию популяции циркулирующих в крови эритроцитов на уровне 24×10¹², в которых содержится примерно 750 г гемоглобина. В здоровом организме погибающие эритроциты удаляются из крови системой макрофагов (ретикулоэндотелиальной системой) со скоростью примерно 1,25% в сутки; из костного мозга в циркулирующую кровь поступает около 1,8×10⁹ в минуту ретикулоцитов (молодых эритроцитов). Отметим, что указанная скорость образования эритроцитов не является предельной. В условиях максимальной стимуляции (гемолиз, кровопотеря) в эритроидном костном мозге скорость образования эритроцитов может увеличиваться в 10-12 раз (см также статью «Анализ крови: Эритроциты, Гемоглобин, Индексы Эритроцитов»).

И если средний объем циркулирующей крови составляет в среднем 70 мл на 1 кг массы тела, а количество эритроцитов в циркулирующей крови – 350×10⁹/кг, - то при жизни 120 дней суточная продукция эритроцитов должна быть 350×10⁹/120 (или 3×10⁹/кг массы тела).

Размеры костного мозга у взрослого человека принято приравнивать к объему печени или к массе эритроцитов в крови. Этот объем (примерно 30 мл на 1 кг массы тела) может соответствовать приведенным выше расчетам, основанных на дифференциальном вычислении клеток эритроидного ряда с включением ⁵⁹Fe и продемонстрировавших, что эритроидный пул костного мозга равен 11,5×10⁹/кг массы тела, что составляет 1/30 от количества эритроцитов в крови. Обратим внимание, что только 1/3-2/3 всех клеток костного мозга – эритроидные; а объем некоторых ранних эритроидных клеток может в 10 раз превышать объем зрелых эритроцитов, а также то, что минимум 50% косного мозга – жировая ткань.

Развитие эритроидных клеток происходит путем дифференциации и созревания. При дифференциации клетки приобретают ограниченную способность к проявлению фенотипа частей клеточного генома, отвечающих за кодирование информации для синтеза белков, специфичных для эритрона (в основном – гемоглобина). Полное дифференцирование эритроидных клеток происходит в процессе дальнейшего созревания. То есть, дифференциация и созревание создают уникальную специализацию в структуре и функции эритроидных клеток.

Чтобы обеспечить динамический баланс эритроцитов в крови, костный мозг здорового взрослого человека весом 70 кг образует примерно 20-25×10¹⁰ новых эритроцитов в сутки. Образование клеток эритрона происходит путем дифференциации из относительно небольшого и постоянного пула недифференцированных клеток – гемопоэтических стволовых клеток, которые способны к самообновлению и дифференциации. Эритроидные клетки с мегакариоцитарной и миелоидной линиями клетку-предшественник – плюрипотентная гемопоэтическая стволовая клетка (гемоцитобласт). Промежуточным пулом между пулами плюрипотентных гемопоэтических стволовых клеток и эритроидных клеток является пул унипотентных гемопоэтических стволовых клеток с ограниченной способностью к дифференциации только в сторону эритропоэза (эритроидные коммитированные предшественники). Ни плюрипотентные, ни унипотентные гемопоэтические стволовые клетки морфологически не характеризуются (их определяют только по функциональным особенностям).

Эритроидные коммитированные предшественники дифференцируются в проэритробласты – самые ранние морфологически идентифицируемые клетки эритрона, способные к образованию гемоглобина. Проэритробласт – «краеугольный камень» в эритропоэзе – участвует как в пролиферации, так и в синтезе, упаковке и защите молекул гемоглобина. Проэритробласты на протяжении 3-5 дней подвергаются дальнейшему созреванию (дифференциации) с последовательным 3-4-митотическим делением, проходя через типичные морфологические стадии (базофильные и полихроматофильные эритробласты, полихароматофильные и оксифильные нормобласты) с превращением в безъядерные ретикулоциты, после этого (находясь в циркулирующей крови) - в зрелые эритроциты. Так, из одного проэритробласта, объемом примерно 900 мкм³, в результате последовательного преобразования образуется от 8 до 16 эритроцитов, в которых содержится до 400×10⁹ молекул гемоглобина в каждой клетке объемом около 90 мкм³ (см рисунок 2).

Эритропоэз

Рисунок 2. Эритропоэз

Проэритробласт – крупная клетка диаметром 201 мкм с круглым ядром, которое занимает ¾ клетки. Ядро имеет диффузную окраску темно-фиолетового цвета (окраска по Романовскому-Гимзе) с тонкодисперсной структурой хроматина, содержит одно или несколько светлых ядрышек и четко отделено от базофильной (темно-голубой) цитоплазмы хорошо выраженной мембраной. После деления проэритробласт теряет ядрышки и дает два базофильных эритробласта (диаметром 12-18 мкм) с интенсивно базофильной цитоплазмой и более конденсированным ядром.

При последующих стадиях эритроидной дифференциации происходит ступенчатое уменьшение размеров ядра и клетки, конденсацией ядерного хроматина в глыбки и разведением окрашенных в голубой цвет цитоплазматических рибосом синтезированным гемоглобином, окрашенным в розовый цвет (см рис. 3 и 4).
12

Рисунок 3. Стадии эритроидной дифференциации

Рисунок 4. Гемоглобинизация клеток эритроидного ряда

Ядро нормобластов, которое вначале имеет радиальную структуру, становится плотным, пикнотическим и выталкивается путем внутриклеточной демаркации через узкие эндотелиальные отверстия в синусоидах костного мозга. Вытесненное ядро окружается тонким слоем гемоглобина, распад которого при ускоренном образовании эритроцитов может значительно повышать уровень билирубина в крови. после удаления ядра из нормобластов образуются ретикулоциты, в которых происходит дальнейший синтез гемоглобина еще на протяжение 3-4 дней. На стадии ретикулоцитов оставшиеся базофильные рибосомы, в которых образуется гемоглобин, оседают и конденсируются в виде сетчатонитчатых фиолетовых образований при специальной так называемой суправительной окраске с красками-окислителями (метиленблау, бриллианткрезилблау). В костном мозге ретикулоциты находятся примерно 2 суток, потом поступают в кровь и созревают в эритроциты.

Период созревания проэритробласта до ретикулоцита длится около 120 часов (в среднем 24 часа на каждую стадию развития). Но полихроматофильные эритробласты могут без деления созревать до оксифильных нормобластов и больших ретикулоцитов, которые потом поступают в кровь. Такой путь развития, характерный для эритропоэтических стрессов (гемолиз, обильная кровопотеря), по времени экономит около 70 часов (за счет снижения на 50% количества эритроцитов, образующихся при нормальном развитии и 3-5-клеточных генерациях). С другой стороны, часть клеток может погибать на стадиях базофильного или полихроматофильного эритробласта, что называется неэффективным эритропоэзом. Величина неэффективного эритропоэза повышается, например, у людей, находившихся длительное в время в условиях разреженного воздуха (с низким содержанием кислорода, например, у альпинистов, горцев). В этом случае неэффективный эритропоэз выступает в роли фактора регуляции эритроцитарного гомеостаза. Некоторые специалисты приводят данные, что неэффективный эритропоэз в костном мозге у здоровых людей составляет 5-20%, а в случае некоторых видов анемии повышается более чем на 50%.

Синтез ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и РНК (рибонуклеиновой кислоты) прекращается на стадии полихроматофильных эритробластов, поэтому неделящиеся нормобласты не способны синтезировать эти кислоты. По мере созревания эритроидных клеток уровень РНК в них снижается, а уровень гемоглобина увеличивается. В дифференцированных эритроидных клетках 85-90% синтезируемого белка – гемоглобин. Так как гемоглобин не обновляется, находясь в клетке до момента ее смерти, он представляет основную массу клеточного белка – 95% сухой массы эритроцита. Процесс образования гемоглобина происходит в «активных» полирибосомах, состоящих из пяти рибосом, объединенных стабильной глобиновой матричной РНК. Образование гема происходит в митохондриях, а гем, в свою очередь, инициирует трансляцию глобиновой матричной РНК, а также способствует агрегации функционирующих рибосом и ускоряет движение рибосом вдоль молекулы матричной РНК.

В костном мозге содержится большой пул ретикулоцитов, который равен сумме примерно двух пулов: ядросодержащих эритроидных клеток и циркулирующих ретикулоцитов.

При нормальном течении эритропоэза ретикулоциты до полного созревания находятся в крови примерно 1-2 дня (из всех эритроцитов крови на долю ретикулоцитов приходится 0,8-1,2%; см рисунок 5.

Рисунок 5. Эритропоэз

Если у больного повышенная продукция эритроцитов, более крупные и менее зрелые ретикулоциты («стресс»-ретикулоциты) из костного мозга попадают в кровь.

Это следует брать во внимание, когда определение ретикулоцитов в крови используют в качестве анализа скорости эритропоэза. Например, при возникновении эритропоэтического стимула (на пике гемолитической анемии) все ретикулоциты могут попадать в кровь, что приводит к повышению уровня циркулирующих ретикулоцитов в несколько раз (см рис. 6). При этом уровень эритроцитов в крови не может выступать показателем суточной продукции эритроцитов (для правильной оценки нужно делать соответствующие поправки).

Рисунок 6. Ускоренный эритропоэз

Ретикулоциты могут синтезировать гем и глобин, имеют систему переноса электронов, аэробный окислительный гексозомонофосфатный шунт, анаэробный гликолитический путь Эмбдена-Мейергофа и функционирующий цикл трикарбоновых кислот. По мере созревания ретикулоцитов полирибосомы дезагрегируются на отдельные рибосомы. Клетка ретикулоцита освобождается от рибосом, теряет митохондрии, места связи с трансферрином, и синтез гемоглобина прекращается. Созревание ретикулоцитов начинается в костном мозге и заканчивается в циркулирующей крови и селезенке, которая нормально секвестрирует небольшое количество незрелых ретикулоцитов.

После того, как ретикулоциты преобразуются в зрелые эритроциты, в клетках сохраняется образованный на ранних стадиях набор энзимов, необходимый для поддержания молекул гемоглобина в форме, способной к обратимой оксигенации. Особые свойства гемоглобина предполагает расходование энергии эритроцита в основном для обеспечения тканей кислородом – главной функции этих клеток. Энергия, расходуемая эритроцитом при распаде глюкозы в лактат через анаэробный гликолитический путь и гексозо-монофосфатный шунт, направлена только на поддержание клетки в активном функциональном состоянии.

Функции нормо- и эритробластов чисто внутренние и направлены на обеспечение общих и метаболических потребностей. Все интенсивно делящиеся клетки нуждаются в протеинах (белках) коэнзимах, необходимых для построения клеточной структуры – это общие потребности. Специальные потребности обеспечивают синтез гемоглобина и энзимов (энзимы обеспечивают функционирования и защиту от распада молекул гемоглобина). Основная функция эритроцитов – транспорт O₂ и CO₂, а также защита молекул гемоглобина от деградации. Норма содержания гемоглобина в крови – 150 г/л. При условии полноценного насыщения, 1 г гемоглобина способен транспортировать 1,36 мл кислорода. Помимо основной функции эритроциты обеспечивают транспорт углекислого газа из тканей в легкие в виде HbHCO₃, а также принимают участие в регуляции водно-электролитного и кислотно-щелочного баланса, адсорбции гормонов, аминокислот, липидов, токсических и лекарственных компонентов.

Строение эритроцитов максимально адаптировано для реализации указанных функций – они мобильны, обладают большой контактной поверхностью для обеспечения диффузии газов и химических реакций с гемоглобином, а также способны быстро делиться и компенсировать дефицит в периферической крови. Эритроцит – узкоспециализированная клетка, функции которой невозможно заменить.

Плазмолемма эритроцита содержит примерно 50% протеинов, около 40% липидов и 10% углеводов. Протеины либо погружены в плазмолемму (трансмембранные протеины), либо связаны с наружной или внутренней цитоплазматической поверхности (периферические протеины). Спектрин – протеин цитоскелета эритроцита; в случае мутации гена этого протеина происходит нарушение синтеза его цепей или самосборка его гетеродимеров.

За период своего существования (100-120 суток) клетка эритроцита проходит через все кровеносное русло минимум 100 тысяч раз. При этом эритроцит циркулирует по многим капиллярам, просвет которых меньше объема самого эритроцита, что представляет собой значительное препятствие для движения клетки. На эритроцит оказывают действие разные силы, что приводит к его деформациям. При этом цитоскелет позволяет обеспечить прочность плазмалеммы, а также сохранить функциональную и структурную целостность эритроцита.

Одна из функций мембраны эритроцита – обеспечение способности клетки к деформации для обеспечения прохождения по капиллярному руслу. Структура эритроцитов человека обладает дополнительными возможностями – электролитный ток и клеточное взаимодействие. Протеины с углеводными остатками – это молекулы рецепторов, благодаря которым на клетки эритроцита не реагируют CDS-лейкоциты и макрофаги иммунной системы. То есть, эритроциты не уничтожаются собственным иммунитетом благодаря этим рецепторам. И если в результате механических повреждений или из-за многократного «проталкивания» по капиллярам эритроцит теряет некоторые рецепторы, макрофаги селезенки «подхватывают» его, «извлекают» из крови и уничтожают.

Внутренняя структура эритроцита устроена таким образом, что эту клетку можно сравнить с мешочком, внутри которого находится гемоглобин; этот «мешочек» ограничен мембраной с экспрессированными рецепторами: кластеры дифференцировки и разные группы крови (по резусу, по Даффи, Ландштейнеру и т.д.). Клетка эритроцита не содержит ядро, эндоплазматическую сеть и рибосомы – эти органеллы удаляются после наполнения цитоплазмы эритроцита гемоглобином.

Зрелый эритроцит имеет форму диска, вогнутого с обоих сторон; он гибкий и пластичный, что облегчает диффузию кислорода, прохождение через мелкие капилляры и синусоиды селезенки (см рис 7).

Рисунок 7. Форма и размеры эритроцита

Морфологическая оценка эритроцитов проводится стандартным методом иммерсионной микроскопии.

Анализ мазков крови подразумевает оценку размера эритроцитов – анизоцитоз; изменение формы эритроцитов - пойкилоцитоз, а также их окраски с целью оценки уровня гемоглобина (анизохромия) и наличие включений (см рис 8). Эти признаки являются важными критериями диагностики разных видов анемии.

Рисунок 8. Морфологиечкие изменения эритроцитов

При микроскопическом исследовании чаще всего встречается гипохромия (бледная окраска эритроцитов с более широкой неокрашенной частью) – признак недостаточного насыщения эритроцитов гемоглобином. Гипохромия – характерный признак железодефицитных состояний. Однако гипохромия может быть вызвана не только железодефицитным состоянием, но и отравлением свинцом, талассемии и других некоторых врожденных гемоглобинопатиях. Отметим, что гипохромия не во всех случаях сопровождается снижением уровня эритроцитов и гемоглобина в крови.

Гипохромия имеет три степени:

1. + - просветление в центре клетки больше, чем в нормальном состоянии
2. ++ - окрашенная часть представлена в виде узкой ленты
3. +++ - окрашенная часть представлена в виде очень узкого кольца

Гиперхромия эритроцитов встречается реже и, как правило, сочетается с макро- или мегалоцитозом. Эти признаки часто наблюдаются при анемии, обусловленной нарушением синтеза ДНК (B₉- и B₁₂-дефицитная анемия). Кроме этого, гиперхромия может наблюдаться при миелодиспластическом синдроме.

Изменение окраски эритроцитов в виде полихроматофилии (клетки сероватого цвета) обусловлено окраской основными или кислыми красителями. Единичные полихроматофилы встречаются в здоровом состоянии. Количество полихроматофил увеличивается при усиленном эритропоэзе (гемолитическая анемия, постгеморрагическая анемия и др).

При исследовании мазков крови могут встречаться нормобласты и эритробласты (эритроциты с ядром). Наличие этих клеток характерно при разных видах анемии. Значительное повышение количества нормобластов и эритробластов наблюдается при гемолитических состояниях и метастазах солидной опухоли в костный мозг.

Мегалоциты (крупные эритроциты) встречаются при миелодиспластическом синдроме и при мегалобластной анемии. При мегалобластной анемии в эритроцитах могут обнаруживаться тельца Жолли, кольца Кебота. В небольшом количестве мегалоциты могут обнаруживаться у пациентов после спленэктомии (удаления селезенки).

Другие нарушения формы эритроцитов (пойкилоцитоз) продемонстрированы на рисунке 9.

Рисунок 9. Оценка морфологических параметров эритроцитов

ПРОДОЛЖЕНИЕ ЗДЕСЬ:

Эритропоэз: Гемоглобин и Эритроциты. Часть 2

Эритропоэз: Гемоглобин и Эритроциты. Часть 3

Эритропоэз: Гемоглобин и Эритроциты. Часть 4