Histologie - POLARITATEA TESUTULUI EPITELIAL

Histologie

Polaritatea tesutului epitelial

Specializarile membranare

Membrana bazala

POLARITATEA TESUTULUI EPITELIAL

Indiferent de localizare, tesutul epitelial indeplineste numeroase roluri. El are proprietatea de polaritate, care este de doua feluri:

polaritatea tesutului epitelial (tisulara)

polaritatea celulei epiteliale (celulara)

Polaritatea tisulara

Tesutul epitelial are polaritate datorita rolului de bariera pe care-l indeplineste, separand doua medii cu compozitie diferita. Tesutul epitelial are deci doua suprafete:

suprafata libera orientata spre mediul extern sau lumen

suprafata orientata spre membrana bazala

Tesutul epitelial este o bariera pentru factori fizici, chimici etc.

La unele epitelii, suprafata spre mediul extern are specializari. In cazul tesutului pluristratificat, stratul liber este cel specializat si deci este bine structurat. La epiteliul pluristratificat pavimentos cheratinizat, suprafata libera este reprezentata de cheratina iar celulele specializate se numesc cheratinocite. La epiteliul simplu, spre mediul extern apar specializari membranare.

Polaritatea celulara

Polaritatea celulara consta in existenta la nivelul membranei celulelor epiteliale a unor domenii membranare distincte, ce difera intre ele d.p.d.v. biochimic, structural si functional. In mod obisnuit, o celula epiteliala are doua domenii membranare:

apical (spre lumenul organului)

laterobazal (spre tesutul conjunctiv)

Cele doua domenii vin in contact cu compartimente cu continut diferit d.p.d.v. al lichidului extracelular.

Elemente de definire a polaritatii

cele doua domenii membranare difera d.p.d.v. biochimic si apare astfel asimetria biochimica a suprafetei membranei (diferenta intre membrana apicala si cea laterobazala).

existenta jonctiunilor stranse (zonulae ocludens) si realizarea contactelor intercelulare ce sunt asigurate prin molecule de adezivitate celulara si dispozitive jonctionale.

dispozitia caracteristica a organitelor celulare si a componentelor de citoschelet in citoplasma.

Asimetria

Fiecare domeniu are functii specifice. Domeniile difera atat d.p.d.v. protidic cat si lipidic.

D.p.d.v protidic:

Domeniul apical are un set caracteristic de proteine membranare ce cuprinde:

enzime;

proteine de transport;

canale ionice.

Deci, domeniul apical contine setul de proteine ce asigura absorbtia si secretia celulara. Enzima marker a domeniului apical este leucinaminopeptidaza.

Numeroase proteine din domeniul apical au atasate si resturi glucidice, care vor forma glicocalixul. Aceasta explica reactia PAS pozitiva.

Domeniul bazal contine:

enzime

proteine de transport

canale ionice

proteine receptoare

proteine de adezivitate

Existenta receptorilor si moleculelor de adezivitate explica rolul acestui domeniu in recunoasterea si transcrierea informatiilor si respectiv mentinerea integritatatii structurale. Proteine de adezivitate sunt caderina E si integrinele care fac parte din glicoproteinele membranare cu activitate dependenta de Ca²⁺. Receptorii sunt cei pentru insulina, parathormon si EGF (epitelial growth factor).

Prin examinarea continutului proteic al celor domenii s-a observat ca exista numeroase similitudini intre enzime. Totusi, enzima marker a domeniului laterobazal este Na⁺/K⁺ ATP-aza.

D.p.d.v. lipidic:

Se constata existenta acelorasi tipuri de lipide in cele doua domenii, dar difera concentratia lor, ceea ce implica diferente functionale si fizico-chimice.

Domeniul apical prezinta o concentratie mare in colesterol si sfingomielina

Domeniul laterobazal prezinta o concentratie mare in fosfatidil colina si fosfatidil inozitol (PC&PI).

Aparitia jonctiunilor ocludens

Jonctiunile stranse separa domeniul apical de cel laterobazal. Integritatea acestor jonctiuni face posibila existenta celor doua domenii. Jonctiunile stranse sunt situate spre polul apical.

Interactiunile celulelor epiteliale pot fi de doua tipuri:

cu celule epiteliale adiacente numite interactiuni (contacte) celula - celula

cu matricea extracelulara numite interactiuni celula - substrat.

Intre moleculele de adezivitate ce asigura contactul celulelor epiteliale, un rol deosebit il are caderina E in cazul interactiunilor celula - celula si integrina in interactiunile celula - substrat.

Cele doua domenii difera si prin tipul de jonctiune prin care se realizeaza contactele:

Domeniul lateral apare complexul jonctional alcatuit dinspre polul apical al celulei spre cel bazal din:

jonctiune stransa

jonctiune intermediara (zonula adherens)

desmozom

jonctiune tip gap

Fiecare asigura o functie:

Jonctiunea stransa separa domeniul apical de cel bazal

Zonula adherens si desmozomul sunt jonctiuni de ancorare si asigura integritatea functionala si morfologica a epiteliului (asigura interactiunea celulara).

Jonctiunea gap (nexus) asigura comunicarea intre celulele epiteliale.

Domeniul bazal apar alte doua tipuri de jonctiuni care asigura contactul celula - substrat:

jonctiuni focala

hemidesmozomiul

Distributia organitelor celulare in citoplasma

In cazul unei celule epiteliale glandulare exocrine, la microscopul electronic, exista o anume distributie:

Reticulul endoplasmic rugos - la polul bazal al celulei

Complexul Golgi localizat supranuclear

Granule de secretie la polul apical

Aceasta repartitie sugereaza succesiunea etapelor din procesul de secretie

Sinteza proteinelor incepe in reticulul endoplasmic rugos

Se continua sinteza proteinelor in aparatul Golgi

Desavarsirea secretiei are loc in granulele de secretie si se incheie prin exocitoza granulelor

Aceasta distributie a organitelor citoplasmatice se datoreaza centrului celular (centrozom).

Centrul celular este alcatuit din doi centrioli iar in jurul lor exista o zona din citoplasma densa la fluxul de electroni. Centrul celular se afla la periferia celulei intr-o anumita pozitie. Zona densa la fluxul de electroni reprezinta centrul de formare a microtubulilor. Acestia determina, sub actiunea centriolilor o anume deplasare a organitelor in citoplasma. Microtubulii sunt alcatuiti din tubuline si sunt supusi unor procese de polimerizare si depolimerizare, fiind niste organite orientate in citoplasma. Organizarea lor se face datorita centriolilor.

Componentele citoscheletului

Filamente intermediare (la celula epiteliala sunt de citocheratina si se numesc tonofilamente)

Microtubuli

Distributia componentelor de citoschelet:

Microtubulii au o orientare apico-bazala (in lungul celulei). Prin aceasta dispozitie, prin polimerizari si depolimerizari, ei asigura transportul de vezicule dinspre domeniul bazal spre cel apical si invers.

Microfilamentele de actina. Actina din citoplasma interactioneaza cu suprafata membranara la mai multe nivele:

formeaza fascicule polarizate si interactioneaza cu domeniul apical formand microvili care cresc suprafata de absorbtie la acest nivel.

formeaza dispozitive jonctionale. Microfilamentele de actina formeaza la nivelul domeniului lateral jonctiuni stranse (ocludens) si intermediare (adherens), iar la nivelul domeniului bazal se organizeaza sub forma de contacte focale.

actina interactioneaza cu moleculele de adezivitate celulara: "citoscheletul se ancoreaza". Astfel, la nivelul domeniului bazal actina interactioneaza cu integrinele iar la nivelul domeniului apical interactioneaza cu caderina E. Interactiunea dintre caderina E si actina este mediata de catenine (proteine de tip a g D). Interactiunea dintre caderina si actina e datorata Ca²⁺. Caderina E interactioneaza cu actina F si se ancoreaza prin catenine.

Actina interactioneaza cu proteinele membranare de suprafata (Na⁺/K⁺ ATP-aza). Daca actina interactioneaza cu proteinele membranare de suprafata, ea mentine aceste proteine intr-o anumita zona, asigurand stabilitatea metabolica a celulei epiteliale. Proteine membranare de suprafata sunt anchirina, folina.

Stabilirea si mentinerea polaritatii celulei epiteliale

Stabilirea polaritatii celulei epiteliale este un proces complex, determinat genetic, care parcurge mai multe etape. Afectarea unei functii determina aparitia unei disfunctii celulare care va duce la aparitia unei boli. Deci, daca celula epiteliala are polaritate, ea va functiona normal, iar pierderea polaritatii duce la aparitia unei boli.

Stabilirea polaritatii celulei epiteliale necesita 3 etape.

Prima etapa consta in formarea de contacte celula - celula si celula - substrat ceea ce va duce (in etapa a doua) la organizarea unui grup de celule epiteliale intr-un monostrat. Realizarea acestor contacte se datoreaza caderinei E. Rolul acesteia a fost studiat experimental (in vitro, in vivo). Ea este implicata in contactul celula - celula. Experimentul s-a realizat pe celule L (celule conjunctive tinere, fibroblaste de sobolan). Celulele L sunt nepolarizate, stabilesc intre ele contacte reduse si contin la nivelul membranei Na⁺/K⁺ ATP-aza dar ea este distribuita difuz. Membrana celulara nu contine caderina E. In mediul de cultura se introduce ADN complementar pentru caderina E, deci va aparea caderina E. Se constata ulterior formarea de numeroase contacte celulare. Se observa o anume redistribuire a Na⁺/K⁺ ATP-azei, pe aumite domenii membranare, dar nu se observa redistributia citoscheletului de actina. Acest experiment explica rolul caderinei.

Caderina nu este suficienta pentru jonctiune dar este necesara integritatea sa. Caderina E este o glicoproteina integrala. Domeniul sau transmembranar leaga domeniul extracelular (care asigura jonctiunea celula - celula), de domeniul intracelular. Daca se indeparteaza domeniul intracitoplasmatic al caderinei, dispar contactele celula - celula, ceea ce dovedeste necesitatea integritatii proteinei pentru a-si putea indeplini functia. De asemenea, daca molecula sa este fragmentata, ea nu mai reactioneaza cu cateninele si nu mai ancoreaza actina.

A doua etapa consta in organizarea celulelor in monostrat. Acest proces duce la individualizarea celor doua domenii membranare, ceea ce are loc in viata intrauterina. Initial proteinele si lipidele au o dispozitie difuza si apoi se realizeaza o fixare selectiva a proteinelor si lipidelor, proces ce sta la baza remodelarii membranei plasmatice.

Pentru remodelare, celula foloseste proteinele din membrana si proteinele din citoplasma (care alcatuiesc impreuna fondul comun de proteine). Fixarea selectiva a proteinelor (deplasarea lor) se poate face prin translatie laterala. Dar aceasta posibilitate este putin probabila. Cel mai probabil este ca aceasta se face prin transcitoza.

Generarea celor doua domenii nu este concomitenta. Primul domeniu care apare este cel apical care se realizeaza rapid, necesitand doar initierea contactelor celula - celula. Al doilea domeniu care apare este cel bazal care apare gradat, lent necesitand existenta jonctiunilor stranse celula - celula.

Cea de-a treia etapa consta in reorganizarea citoscheletului de actina.

Implicatiile polaritatii celulei epiteliale in clinica

S-au descris mai multe afectiuni cu localizare diferita, in care alterarea integritatii epiteliale nu este cauza dar apare ca o consecinta a bolii. Dintre acestea enumeram: carcinoamele, insuficinta renala acuta prin ischemie, boala Davidson (boala cu microvili inclusi), boala rinichiului polichistic, Pemfigus Vulgaris.

Carcinomul este o tumora maligna a tesutului epitelial. Exista denumiri generice precum adenocarcinom (tumora unei glande). Ele sunt cele mai frecvente (reprezinta 90% din totalul cancerelor). Carcinomul presupune o proliferare necontrolata a celulelor epiteliale. Afectarea polaritatii apare din invazivitatea, metastazarea carcinomului. In transformarea unui tesut epitelial normal intr-un tesut malign intervin caderina E si cateninele. In metastazarea carcinomului, caderina E este exprimata genetic putin, ceea ce duce la scaderea cantitatii de caderina. In aceste cazuri exista si o alterare a cateninelor precum si o modificare in citoscheletul de actina. Prin urmare, sunt afectate contactele celula - celula, ceea ce explica migrarea celulelor (metastazarea lor).

In insuficienta renala acuta prin ishemie celulele renale sunt afectate prin ischemie si se transforma in celule nepolarizate. Termenul de "acuta" arata faptul ca boala se instaleaza rapid. Ischemia inseamna scaderea fluxului sangvin ceea ce duce la scaderea cantitatii de oxigen si substante nutritive. Cele mai afectate sunt celulele tubului urinifer, unde au loc procese de secretie si reabsorbtie, si in special tubul contort proximal unde exista microvili si absorbtia este crescuta.

Leziunile determinate de ischemia tubului proximal depind de factorul timp. La doar 5 minute de ischemie are loc o redistributie a lipidelor si proteinelor membranare din celula. In acest caz Na⁺/K⁺ ATP-aza ajunge in polul apical, integrinele se redistribuie pe toata suprafata celulara. Primele modificari constau in redistributia proteinelor membranare. Daca ischemia continua apar fragmentari ale citoscheletului de actina. Cele doua modificari morfologice duc la aparitia principalelor modificari functionale.

Redistributia Na⁺/K⁺ ATP-azei, care se va gasi atat in domeniul bazal cat si in cel apical, influenteaza cantitatea de molecule absorbite din tubul urinifer. Spre exemplu, in tubul proximal are loc in mod normal o absorbtie crescuta de Na⁺, strabatand membrana apicala dinspre mediul extracelular spre celula. Daca in domeniul apical apare Na⁺/K⁺ ATP-aza aceasta va scoate 3 ioni Na⁺ si va introduce 2 ioni de K⁺, ceea ce va duce la aparitia unui ciclu inutil (o parte este absorbit si o parte se reintoarce in lumen) si va fi afectat numarul ionilor absorbiti. Acest rationament este valabil pentru orice tip de ion.

Fragmentarea actinei are consecinte asupra microvililor care isi vor pierde integritatea, ceea ce duce la reducerea absorbtiei. Actina participa si la formarea jonctiunilor iar daca isi pierde integritatea va duce la disparitia jonctiunilor care va duce la deschiderea spatiului intercelular, iar fluidele vor putea trece prin spatiul intercelular.

Redistributia integrinelor va duce la disparitia contactelor celula - substrat ceea ce va determina celulele sa cada in lumenul tubului urinifer si astfel este posibila obstruarea lumenului tubului urinifer.

Boala Davidson consta in alterarea citoscheletului de actina care va duce la pierderea microvililor. Boala se manifesta la nou nascut. Atunci cand sunt afectate celulele tubului intestinal are loc reducerea suprafetei de absorbtie, deci scade cantitatea de substante absorbite ceea ce va avea efecte grave asupra copilului: scaderea in greutate si malnutritia, care in final vor conduce la deces.

Boala rinichiului polichistic este o boala determinata genetic, in care tubul renal este inlocuit cu chisturi (formatiuni ovalare care contin lichid). Aceasta va duce la pierderea zonei renale, ceea ce va determina insuficienta renala. Aparitia chisturilor este datorata lipsei polaritatii ca urmare a redistributiei Na⁺/K⁺ ATP-azei si a EGF.

Pemfigus Vulgaris este o dermatoza (dermato = piele) care apare la adult. Ea are un debut brusc. Pe suprafata de piele sanatoasa, sau pe mucoasa apar bule care dupa spargere formeaza cruste (coji) sangerande. Dintre mucoase, cea mai afectata este cea bucala. Daca are loc o alimentatie deficitara se poate ajunge la casexie (slabire accentuata) care va duce la deces. In aceasta boala afectarea polaritatii nu este cauza. In plasma celor bolnavi exista anticorpi pentru catenine (a g b). Datorita afectarii acestora, se pierd contactele celula - celula, ceea ce favorizeaza aparitia bulelor (spatii intre celule).

SPECIALIZARI MEMBRANARE

Aceste specializari apar atat in domeniul bazal cat si in cel apical. Exista deci specializari membranare la nivelul membranei plasmatice apicale, laterale si bazale.

Specializari ale membranei celulare apicale

Ele au diverse roluri: marirea suprafetei de absorbtie (microvilii si stereocilii), transport de molecule si celule (cilii), sau rol senzorial (stereocilii).

Microvilii sunt specializari ce se disting numai la microscopul electronic. Ei reprezinta forme de organizare stabila a filamentelor de actina. In celula epiteliala sunt frecventi si sunt in general scurti. Aceste specializari sunt cacteristice celulelor implicate in absorbtie. Ei apar fie izolati (la distante variabile, avand forma si dimensiuni diferite) fie grupati (acopera intreaga suprafata membranara si au aceeasi forma si acelasi diametru).

Microvilii egali, cand sunt grupati au corespondenti in microscopia optica: platoul striat (o zona striata la polul apical cu striatii perpendiculare pe suprafata celulei) si margine in perie (aspect de fire la polul apical).

Exista diferente intre platoul striat si marginea in perie. Marginea in perie prezinta microvili mai lungi care au citoscheletul axial mai putin dezvoltat ceea ce permite variatia lungimii lor; ei se rup usor (sunt friabili), ceea ce le da un aspect neregulat. Marginea in perie apare la polul apical al nefrocitului, in segmentul proximal al tubului urinifer. Platoul striat apare la polul apical al enterocitului.

Stereocilii se disting si la microscopul electronic si la cel optic. La microscopul optic se aseamana cu niste cili mai lungi. Studiile de microscopie electronica au aratat ca denumirea este improprie, stereocilii fiind de fapt niste microvili. Ei sunt mai lungi decat microvilii obisnuiti, mai subtiri si adeseori ramificati. Rolul stereocililor depinde de localizarea epiteliului. In unele localizari au rol in marirea absorbtiei (epiteliul cailor genitale masculine: epididim si canal deferent). In epiteliile receptoare din urechea interna (organul Corti, crestele ampulare etc) au rol senzorial.

Cilii apar si in microscopia optica si in cea electronica. Spre deosebire de microvili si stereocili, cilii sunt alcatuiti din microtubuli. Ei reprezinta specializari membranare cu mobilitate, asigurand miscari ondulatorii (in val). Au rol in transportul moleculelor sau celulelor de-a lungul epiteliului. Ex.:epiteliul de tip respirator, epiteliul trompelor uterine.

Specializari ale membranei plasmatice bazale

Acestea apar la unele celule epiteliale, adica la cele implicate in transportul transcelular si au rolul de a mari suprafata. Ele apar ca invaginari ale membranei spre citoplasma (in care exista mitocondrii cu axul longitudinal paralel cu invaginatia). Aceste invaginari produc o compartimentare a citoplasmei la nivel bazal. Ansamblul invaginarilor membranei plasmatice bazale se numeste labirint bazal. Datorita acestor invaginari si mitocondriilor exista corespondent in microscopia optica: aspectul striat al citoplasmei la polul bazal. Ex.: tubul urinifer, glandele exocrine (in lobul, in ductele striate). Aceste specializari contin receptori pentru factorii sangvini si se specializeaza pentru jonctiunea celula - matrice extracelulara. Polul bazal se ancoreaza la matrice prin contacte focale (alcatuite din filamente de actina) si prin hemidesmozomi (alcatuiti din filamente intermediare sau tonofilamente). Indiferent de jonctiune, planul de organizare a jonctiunii e similar: in citosol exista proteine de ancorare intracelulare care sunt conectate cu proteine transmembranare prin intermediul carora se face legatura cu proteinele din matricea extracelulara.

Specializari ale membranei plasmatice laterale

Au rol in stabilirea interactiunilor celula - celula, asigura adezivitatea simpla, care se realizeaza prin spatiile intercelulare si adezivitatea prin jonctiuni speciale. Spatiile intercelulare contin o retea de glicoproteine care interactioneaza cu domeniile extracelulare a proteinelor transmembranare din membrana laterala a doua celule adiacente. Spatiile intercelulare mai contin lichid ce mediaza schimbul dintre celula epiteliala si matricea extracelulara.

Jonctiunile stranse (zonulae ocludens) fac parte din jonctiunile speciale si au rol de a delimita domeniul apical de cel laterobazal. Ele controleaza permeabilitatea spatiului extracelular, impiedicand trecerea libera a moleculelor in spatiul extracelular.

Jonctiunile de ancorare mentin integritatea epiteliului. Ele sunt jonctiuni adherens (formate din filamente de actina) sau desmozomi (formate din filamente intermediare).

Jonctiunile de comunicare (nexus, gap) asigura o difuzie selectiva a moleculelor intre celulele adiacente. Ele apar in epiteliile embrionare si sunt rare la adult. Exista in doua tipuri de tesuturi: endoteliu si mezoteliu.

Desmozomul este caracteristic tesutului epitelial, astfel incat, daca o persoana examineaza o leziune tumorala la microscopul optic si la cel electronic, el nu poate deosebi celula tumorala decat pe baza modificarilor aparute la nivelul desmozomului.

MEMBRANA BAZALA

Este o componenta a matricei extracelulare ce stabileste raporturi constante cu orice tip de proteina. Are in componenta proteine si glicozaminoglicani sulfatati.

Caracteristici:

MB are o grosime variabila (aprox. cateva zeci de microni) ce se evidentiaza la microscopul optic, care are o putere separatoare de 0,2m. In coloratii uzuale MB nu se vede la microscopul optic. Pentru evidentiere se folosesc metode histochimice. Atfel, prin metoda PAS, datorita continutului ridicat de glucide, MB apare in rosu purpuriu. Prin impregnare argentica cu precipitarea sarurilor de argint, MB este neagra datorita continutului crescut de fibre de reticulina. Cea mai fina MB este cea din epiteliul vezicii urinare, astfel incat pana la aparitia microscopului electronic existenta membranei bazale in raport cu epiteliul era incerta.

MB are un aspect variat: in mod obisnuit apare ca o structura liniara, uneori insa are un aspect ondulat datorita unor proiectii ale tesutului conjunctiv spre epiteliu, proiectii numite papile conjunctive.

MB are o compozitie chimica variata (in functie de localizarea epiteliului). Astfel, in orice MB exista 5 componente chimice majore (permanente) si anume: colagen tip IV (o proteina fibroasa), laminina (glicoproteina), entactina (glicoproteina), heparansulfat, fibronectina (glicoproteina). Colagenul, laminina, entactina si heparansulfatul sunt secretate de celulele epiteliale iar fibronectina este secretata de celulele din matrice. Aceste componente chimice majore sunt secretate de celulele epiteliale sprijinite pe membrana si in parte de celulele conjunctive din matricea extracelulara.

La examinarea prin microscopie electronica de transmisie, membrana bazala are aspect fin, granular, ce are drept corespondent morfologic o retea de fibrina foarte fina.

De la polul bazal al celulelor epiteliale la matricea extracelulara, membrana bazala are trei componente care pot fi evidentiate la microscopul electronic: lamina lucida (rara) care apare ca o regiune electronotransparenta, lamina densa (bazalis) care apare ca o banda electronodensa, lamina fibroreticularis (retea de fibre ce contine un alt tip de colagen, colagen tip III, care se organizeaza formand fibre de reticulina care se vad prin impregnare argentica).

Functiile membranei bazale:

reprezinta o interfata de adezivitate intre epiteliu si matricea extracelulara: celulele epiteliale se ancoreaza la membrana bazala care, la randul ei, are contact cu celulele tesutului conjunctiv.

este o bariera permeabila si selectiva. Dintre componentele MB, asigura permeabilitatea GAG sulfatati care, prin multiplele lor sarcini negative, se organizeaza in pori cu diametrul variabil.

controleaza organizarea si diferentierea celulara. Ea mediaza interactiunea dintre receptorii de suprafata, ce apartin celulei epiteliale, si diverse molecule din matricea extracelulara.