Водно-электролитный внутри- и внеклеточный гомеостаз является сложной саморегулирующейся системой, от которой напрямую зависит нормальное функционирование клеток, тканей и органов. Водно-электролитный баланс определяют такие факторы, как осмолярность, pH, стабильность и форма существования молекулярных структур. От водно-электролитного состава сред организма зависит метаболизм как на клеточном уровне, так и на уровне организма в целом [1].
Водно-электролитный гомеостаз глазной поверхности (слезной жидкости, слезной пленки) поддерживается всей системой глазной поверхности. Функциональное единство и физиологическая согласованность основаны на биохимическом однообразии и общности иннервации процессов и механизмов секреции воды и электролитов слезной железой (ацинарными и дуктальными клетками) и конъюнктивой [2, 3]. Согласно полученным в результате многочисленных исследований данным, среди минеральных (неорганических) составляющих слезы были выявлены хлор, натрий, калий и бор, а также медь, кремний, сера, углерод и кислород в следовых концентрациях [4, 5].
Ведущую роль в процессах метаболизма во внутри- и внеклеточных средах играет калиево-натриевый баланс, который поддерживается множественными механизмами секреции и абсорбции. Процесс синтеза секретов, содержащих калий и натрий, является сложным и многоэтапным [1]. Ряд функциональных диагностических тестов и критериев в офтальмологии базируются на таких понятиях, как осмолярность, кислотность, базальная и рефлекторная секреция. Однако в свете последних исследований их интерпретация представляется намного более сложной [6—8].
Механизмы секреции водно-электролитного компонента слезной жидкости
Эпителиальные ткани имеют две основные функции: защитную и секреторную (обмен химическими элементами между эпителиальной тканью и ее поверхностью). Классическим железистым (секреторным) эпителием являются ацинарные клетки главной слезной железы. Дуктальные клетки главной слезной железы и эпителиоциты конъюнктивы также выполняют секреторную функцию. Все эпителиоциты располагаются на базальной мембране, имеют базальную, латеральную и апикальную поверхности с соответствующим функциональным распределением мембранных белков. Принципиальный момент зачастую заключается не столько в наличии или отсутствии мембранных белков, сколько в их концентрации и активности в структуре эпителиоцита [1, 2, 4].
Благодаря активности мембранных белков на базолатеральной мембране внутриклеточно нагнетаются ионы хлора и калия из межклеточного пространства (первоисточником, естественно, являются капилляры кровеносного русла). Внутри клетки на основе осмотического и электрохимического градиентов происходит направленный ток этих ионов от базолатеральной мембраны к апикальной. На апикальной мембране осуществляется секреция ионов хлора и калия. Секреция ионов натрия осуществляется преимущественно парацеллюлярно по межклеточным пространствам пассивно в соответствии с электрохимическим градиентом. Секреция воды происходит пассивно транс- и парацеллюлярно в соответствии с осмотическим градиентом [1, 9, 10].
Регуляторные механизмы вышеописанных процессов основаны на:
— тонких различиях в наборе и функциональных свойствах мембранных белков (разные типы, изоформы, наборы субъединиц);
— разнице в концентрациях мембранных белков;
— отличительных свойствах рецепторного аппарата клетки, отвечающего за чувствительность клетки к разным видам иннервации и к системным эндокринным факторам.
В таблице представлены имеющиеся в доступной литературе сведения об основных мембранных белках, принимающих непосредственное участие в продуцировании слезной жидкости и поддержании гомеостаза глазной поверхности [10—32].
Источники водно-электролитных компонентов слезной жидкости
| Мембранный белок (ионный канал, транспортный белок или интегральный мембранный белок)/кодирующий ген | Транспортируемые молекулы или ионы | Регулирование активности | Локализация | |||
| Главная слезная железа | Конъюнктива + роговица (глазная поверхность) | Добавочные слезные железы (Вольфринга) | ||||
| Ацинарные клетки | Дуктальные клетки | Эпителиоциты | ||||
| NKA (натрий-калиевая АТФаза), изоформы субъединиц: | Обмен внутриклеточного Na+ на внеклеточный K+ в соотношении 3:2 | Активируется cAMP (циклический аденозинмонофосфат); зависит от осмотического градиента внутриклеточного Na+ | Базолатеральная мембрана | Базолатеральная мембрана; концентрация изоформ субъединиц варьирует от внутридолькового протока к междолевому | Базолатеральная мембрана | ü |
| α1/ATP1A1 | ü (мало по сравнению с дуктальными клетками) | ü | ü (в роговице —*) | ü | ||
| β1/ATP1B1 | ü | ü | ü (в роговице —*) | ü | ||
| β3/ATP1B3 | ü | ü | ü (в роговице —*) | —* | ||
| γ1/ATP1G1 (FXYD2) | ü | ü | — (в роговице —*) | —* | ||
| гомолог γ/FXYD3 | —* | —* | ü | ü | ||
| NKCC1/SLC12A1 (натрий-калий-хлоридный котранспортер) | Транспорт внеклеточных Na+, K+ и Cl– внутрь клетки в соотношении 1:1:2 (возможна и секреция) | Зависит от электрохимического градиента; ассоциирован с NKA | Базолатеральная мембрана | Базолатеральная мембрана; снижение концентрации от ацинуса к внутридольковому и междолевому протокам (мало по сравнению с ацинарными клетками) | Базолатеральная мембрана | —* |
| NKCC2/SLC12A2 (натрий-калий-хлоридный котранспортер) | То же | То же | ü | ü | ü | |
| AE1 (Band 3)/SLC4A1 (анионообменник 1) | Обмен внутриклеточного HCO3– на внеклеточный Cl– | Зависит от внутриклеточного pH; ассоциирован с карбоангидразой, катализирующей образование внутриклеточных HCO3— и H+ | Базолатеральная мембрана | Базолатеральная и апикальная мембраны | —* | —* |
| AE2/SLC4A2 (анионообменник 2) | То же | То же | —* | —* | Базолатеральная мембрана | —* |
| AE3/SLC4A3 (анионообменник 3) | Обмен внутриклеточного HCO3– на внеклеточный Cl– | Зависит от внутриклеточного pH; ассоциирован с карбоангидразой, катализирующей образование внутриклеточных HCO3— и H+ | Базолатеральная мембрана (меньше по сравнению с дуктальными клетками) | Базолатеральная и апикальная мембраны; нарастание концентрации от ацинуса к внутридольковому и междолевому протокам | —* | —* |
| NHE1/SLC9A1 (натрий-протонный обменник) | Обмен внутриклеточного H+ на внеклеточный Na+ | Зависит от внутриклеточного pH; активируется CHP (Ca2+-связывающий белок); ассоциирован с карбоангидразой, катализирующей образование внутриклеточных HCO3— и H+ | Базолатеральная мембрана | Базолатеральная мембрана (меньше по сравнению с ацинарными клетками) | Базолатеральная мембрана | ü |
| Натрий-бикарбонатный котранспортер (разные типы) | Котранспорт Na+ и HCO3– | —* | —* | —* | —* | ü |
| KCC1/SLC12A4 (калий-хлоридный котранспортер) | Секреция внутриклеточных K+ и Cl– из клетки в соотношении 1:2 | Зависит от объема клетки, участвует в уменьшении клеточного объема | Апикальная мембрана (мало по сравнению с дуктальными клетками) | Апикальная мембрана; нарастание концентрации от ацинуса к внутридольковому и междолевому протокам | —* | —* |
| CCC9/SLC12A8 (калий-хлоридный котранспортер) | Котранспорт K+ и Cl– | —* | —* | —* | —* | ü |
| IKCa1/KCNN4 (Ca2+-активируемый калиевый канал средней/малой проводимости) | Секреция и абсорбция K+ | Потенциал-зависимый; активируется повышением концентрации внутриклеточного Ca2+ | Апикальная мембрана (мало по сравнению с дуктальными клетками) | Апикальная мембрана | ü | ü |
| ClC2γ/CLCN2γ (хлоридный канал 2 субъединица γ) | Трансмембранный обмен Cl– на H+ | Потенциал-зависимый; зависит от электрохимического градиента | Апикальная мембрана | Апикальная мембрана; концентрация варьирует от внутридолькового протока к междолевому | —* | —* |
| ClC3/CLCN3 (хлоридный канал 3) | То же | То же | Апикальная мембрана | Апикальная мембрана | ü | —* |
| ClC5/CLCN5 (хлоридный канал 5) | То же | То же | —* | —* | —* | ü |
| CFTR (трансмембранный регулятор муковисцидоза) | Секреция Cl– (возможна и абсорбция) | Активируется cAMP (циклический аденозинмонофосфат); зависит от электрохимического градиента | Апикальная мембрана (мало по сравнению с дуктальными клетками) | Апикальная мембрана; нарастание концентрации от внутридолькового протока к междолевому | Апикальная мембрана | — |
| SGLT1/SLC5A1 (натрий-глюкозный котранспортер) | Абсорбция глюкозы и Na+ внутрь клетки | Зависит от осмотического градиента внутриклеточного Na+ | —* | —* | Апикальная мембрана | —* |
| Натрий-зависимый котранспортер аминокислот (разные типы) | Абсорбция аминокислот и Na+ внутрь клетки | Зависит от осмотического градиента внутриклеточного Na+ | —* | —* | Апикальная мембрана | ü |
| AQP1 (аквапорин 1) | То же | Зависит от осмотического градиента | —* | —* | —* | ü |
| AQP3 (аквапорин 3) | » | То же | Базолатеральная мембрана | —* | Базолатеральная мембрана (в том числе эпителий роговицы) | ü |
| AQP4 (аквапорин 4) | » | » | Базолатеральная мембрана | Базолатеральная мембрана; нарастание концентрации от ацинуса к внутридольковому и междолевому протокам | — | ü |
| AQP5 (аквапорин 5) | » | » | Апикальная мембрана | Апикальная мембрана | Апикальная мембрана (в том числе эпителий роговицы) | Апикальная мембрана |
| Слезная жидкость формируется как результат суммарной секреции и реабсорбции: | «Первичная» слезная жидкость | «Вторичная» слезная жидкость | «Третичная» слезная жидкость | |||
Примечание. «—» — мембранный белок отсутствует или выявлены несущественные (незначимые, недостоверные) концентрации; «—*» — данные в литературе отсутствуют; «ü» — выявлено наличие мембранного белка. Изучение продукции слезы на клеточном уровне в организме человека имеет ограничения, потому основные экспериментальные и научно-исследовательские работы, результаты которых приводятся в данной статье, были проведены на животных моделях (модельных организмах). Ввиду эмбриологической общности, наблюдаемой при развитии слезных и слюнных желез, ряд авторов проводят параллели с секрецией слюны.
Понятие «первичного» и «вторичного» секрета широко известно в гастроэнтерологии и урологии. В стоматологии также выделяют так называемую «первичную» и «вторичную» слюну, химический состав которой формируется соответственно в ацинусах и выводных протоках. Кроме того, в поддержании гомеостаза слизистых оболочек и пристеночного слизистого барьера немаловажную роль играют клеточные элементы эпителия [1, 33, 34].
Аналогично другим железам внешней секреции формирование секрета слезной железы (слезной жидкости) происходит в два этапа: 1) формирование в ацинусах первичного секрета («первичная» слеза) и 2) его последующая модификация на протяжении его прохождения по выводным протокам — готовый (окончательный) секрет («вторичная» слеза). Ацинарные клетки слезной железы продуцируют водно-электролитный состав, аналогичный плазме крови. Дуктальные клетки слезной железы осуществляют коррекцию водно-электролитного состава слезной жидкости [2, 10, 26, 27]. Третий этап формирования водно-электролитного состава слезной жидкости — «постсекреторная» («постэкскреторная») модификация — происходит в конъюнктивальной полости посредством работы эпителиоцитов конъюнктивы и добавочных слезных желез.
Первый этап — ацинусы слезной железы. На базолатеральной мембране ацинарных эпителиоцитов посредством натрий-калиевой АТФ-азы NKA происходят нагнетание ионов K+ внутрь клетки и секреция ионов Na+ из клетки в межклеточное пространство. Натрий-калий-хлоридный котранспортер NKCC1 (SLC12A1) на базолатеральной мембране осуществляет транспорт внеклеточных ионов Na+, K+ и Cl– внутрь клетки. Обмен внутриклеточных ионов HCO3– на внеклеточные ионы Cl– осуществляют анионообменники 1 и 3 — AE1 (SLC4A1) и AE3 (SLC4A3) — на базолатеральной мембране. Натрий-протонный обменник NHE1 (SLC9A1) на базолатеральной мембране транспортирует ионы H+ из клетки и ионы Na+ внутрь клетки [2, 9, 10, 12, 18, 22, 27, 28].
На апикальной мембране ионы K+ и Cl– секретируются в просвет ацинуса в результате активации следующих калиевых и хлоридных каналов: калий-хлоридного котранспортера KCC1 (SLC12A4), Ca2+-активируемого калиевого канала средней/малой проводимости IKCa1 (KCNN4), хлоридного канала 2γ ClC2γ (CLCN2γ), хлоридного канала 3 ClC3 (CLCN3) и трансмембранного регулятора муковисцидоза CFTR [2, 9, 10, 12, 18, 22, 27, 28].
Ионы Na+ могут диффундировать в просвет ацинусов через межклеточные (парацеллюлярные) пространства. Согласно осмотическому градиенту происходит ток молекул воды через эпителиоциты посредством аквапоринов: AQP3, AQP4 и AQP5 [2, 9—12, 15, 18, 19, 22, 27, 28, 31].
Второй этап — протоки слезной железы. Ветвящиеся протоки слезной железы представляют собой сложную систему, активно участвующую в формировании слезной жидкости. На основании морфологических характеристик выводные протоки были разделены на шесть сегментов: вставочные, внутридольковые, междольковые, внутридолевые, междолевые и главные. На всем протяжении протоков происходит модификация состава слезной жидкости. На мембранах ацинарных и дуктальных клеток выявлены ионные транспортеры и аквапорины. Но их концентрация варьирует от ацинусов до устьев главных протоков, что свидетельствует о многоэтапности и сложности формирования слезной жидкости [10, 26, 27, 35].
Эпителиальные клетки, участвующие в секреции воды и электролитов, функционируют согласно общим единым принципам. Наличие одних и тех же транспортных белков на мембранах ацинарных и дуктальных эпителиоцитов главной слезной железы говорит о том, что процесс секреции слезной жидкости происходит на всем протяжении — от ацинусов до устьев выводных протоков. Отличия заключаются в активности транспортных белков и разновидностях их макромолекул. Учитывая возможность двустороннего направления тока ионов и воды на обеих мембранах (как из межклеточного пространства в просвет протоков, так и наоборот), дуктальные эпителиоциты могут участвовать в корректировке водно-электролитного состава слезной жидкости не только путем секреции, но и посредством реабсорбции ионов и воды [9, 27, 35].
На базолатеральной мембране дуктальных эпителиоцитов высокие уровни экспрессии натрий-калиевой АТФ-азы NKA свидетельствует в пользу того, что на базолатеральной мембране происходит активное нагнетание ионов K+ внутрь клетки, сопровождающееся секрецией ионов Na+ из клетки в межтканевое пространство. Также на базолатеральной мембране натрий-калий-хлоридный котранспортер NKCC1 (SLC12A1) осуществляет транспорт внеклеточных ионов Na+, K+ и Cl– внутрь клетки. Анионообменник 1 AE1 (SLC4A1) и анионообменник 3 AE3 (SLC4A3) на базолатеральной мембране выполняют обмен внутриклеточного иона HCO3— на внеклеточный ион Cl–. Однако в дуктальных эпителиоцитах оба анионообменника присутствуют и на апикальной мембране, что позволяет корректировать pH и концентрацию ионов Cl– в слезе. Преимущественное содержание анионообменника AE3 на мембранах дуктальных эпителиоцитов с нарастанием их концентрации к устьям выводных протоков ведет к тому, что дуктальные клетки наиболее активно осуществляют транспорт ионов Cl– в просвет ацинуса. Таким образом, дуктальные эпителиоциты из системного русла через базолатеральную мембрану преимущественно получают ионы K+ и Cl–. Натрий-протонный обменник NHE1 (SLC9A1) на базолатеральной мембране транспортирует ионы H+ из клетки и ионы Na+ внутрь клетки [21, 22, 26—28, 35].
На апикальной же мембране дуктальных клеток выявлена экспрессия калий-хлоридного котранспортера KCC1 (SLC12A4), Ca2+-активируемого калиевого канала средней/малой проводимости IKCa1 (KCNN4), хлоридного канала 2 субъединицы γ ClC2γ (CLCN2γ), хлоридного канала 3 ClC3 (CLCN3) и трансмембранного регулятора муковисцидоза CFTR, осуществляющих секрецию ионов K+ и Cl– из клетки в просвет протоков. Однако концентрации KCC1 (SLC12A4), IKCa1 (KCNN4) и CFTR существенно выше по сравнению с ацинарными клетками, т.е. дуктальные клетки осуществляют секрецию ионов K+ и Cl– более активно по сравнению с ацинарными [10, 27, 35].
Ионы Na+ могут аналогичным образом диффундировать в просвет протоков через межклеточные (парацеллюлярные) пространства в необходимом количестве согласно электрохимическому градиенту. По осмотическому градиенту посредством аквапорина 4 (AQP4) и аквапорина 5 (AQP5) на апикальной мембране дуктальные клетки секретируют и абсорбируют воду (quantum satis), «доводя» титры раствора (слезной жидкости) до физиологических [2, 9—12, 15, 19, 21, 22, 27, 28, 31].
Третий этап — эпителиоциты конъюнктивы и клетки добавочных слезных желез. Активное участие конъюнктивы в секреции и абсорбции ионов и воды позволяет говорить о ее участии в постсекреторной модификации слезной жидкости — формировании «третичной» слезы. Эпителиоциты, в том числе бокаловидные клетки, конъюнктивы участвуют в секреции и реабсорбции ионов и воды. В норме секреция слезной жидкости конъюнктивой превышает абсорбцию, тем самым поддерживая объем слезной пленки: 80% транспорта — секреция ионов Cl–, 20% транспорта — абсорбция ионов Na+. Натрий-глюкозный котранспортер SGLT1 (SLC5A1) на апикальной мембране клеток конъюнктивы осуществляет абсорбцию глюкозы и ионов Na+ внутрь клетки, а натрий-зависимый котранспортер аминокислот (разные типы) — абсорбцию аминокислот и ионов Na+ внутрь клетки. Ионы Na+ могут диффундировать по межклеточным пространствам обратно в слезную жидкость. В отличие от других тканей, в конъюнктиве обмен внутриклеточных ионов H+ на внеклеточные ионы Na+ не имеет значения при абсорбции Na+. Транспорт ионов K+ и Cl– эпителиоцитами конъюнктивы осуществляется аналогичным главной слезной железе образом. Вышеописанное движение ионов приводит к тому, что вода преимущественно через клетку при помощи AQP3 и AQP5 секретируется в качестве слезной жидкости, а также пассивно через межклеточные пространства [10—16, 19, 22, 31].
В постсекреторной модификации водно-электролитного состава слезной жидкости, т.е. формировании «третичной» слезы, активное участие принимают добавочные слезные железы. Изучение экспрессии генов клетками добавочных слезных желез показало наличие тех же ионных транспортеров и каналов, которые были обнаружены в клетках главной слезной железы. Отличие заключается в уровне экспрессии тех или иных генов. Была отмечена активная экспрессия генов всех трех субъединиц натрий-калиевой АТФ-азы NKA, множества натриевых, калиевых (тех же, что и в главной слезной железе) и хлоридных каналов, генов, отвечающих за транспорт бикарбонатов, и генов, кодирующих аквапорины. Особое внимание уделяют котранспортерам ионов Na+ и HCO3–, указывая на их роль в поддержании нормального кислотно-основного баланса глазной поверхности [23, 30].
Заключение
Наличие общих мембранных белков и рецепторов, регулирующих водно-электролитный состав слезной жидкости, свидетельствует о функциональном единстве ацинусов и протоков главной слезной железы, добавочных слезных желез и эпителиоцитов конъюнктивы, входящих в состав единой системы глазной поверхности. Минеральные компоненты слезной жидкости представлены преимущественно растворимыми соединениями хлора, натрия и калия, источником которых являются в первую очередь слезные железы и конъюнктива. Функциональное единство системы глазной поверхности базируется на общности путей и механизмов иннервации и внутриклеточной регуляции, на универсальности устройства рецепторного и транспортного аппарата клеток. Патологический процесс в любой из субъединиц системы глазной поверхности приводит к смещению водно-электролитного баланса слезной жидкости, слезной пленки и всей глазной поверхности вместе в целом.
При интерпретации результатов функциональных тестов, определяющих объем слезопродукции и осмолярность, необходимо учитывать механизмы секреции и регуляции состава слезной жидкости. Если ранее под рефлекторной секрецией традиционно понимали секрецию исключительно слезной железы в ответ на раздражитель, то сейчас очевидно, что рефлекторная секреция слезной жидкости, как и базальная, — многофокусный многоэтапный процесс, реализуемый всей системой глазной поверхности. Доказательством тому служат особенности клинической картины поражений слезной железы, при которых нормальный объем слезопродукции сохраняется достаточно длительное время, что свидетельствует о компенсаторных возможностях и резервах слезопродуцирующего аппарата. В связи с этим функциональные слезные тесты следует рассматривать как показатели работы (иннервации, кровоснабжения и др.) всей системы глазной поверхности в ответ на внутренние процессы организма или внешние раздражители.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.