EMBRIOGENESIS OF UPPER LIMB: FROM TUBERCLE TO INCREASINGLY COMPLEX MECHANISM.pdf ВВЕДЕНИЕ Эмбриогенез верхней конечности представляет собой сложную цепочку взаимосвязанных реакций и процессов, понимание которых значительно продвинулось вперед в последние несколько десятилетий и приоткрыло завесу тайны на причины и механизмы образования врожденных пороков развития (ВПР). Хотя тератология (от греч. тератос - чудовище) - наука, изучающая врожденные аномалии, стала зарождаться еще до нашей эры, а в России исследование пороков развития началось с 1718 г., когда императором Петром I был подписан указ о создании «Музея уродливостей», или Кунсткамеры, основные открытия и первые серьезные шаги были сделаны только в XX в. В 1941 г. австралийский офтальмолог Н.М. Грегг высказал предположение о тесной связи некоторых пороков развития ребенка с перенесенной его матерью краснухой. Это был первый выявленный тератогенный (приводящий к развитию уродств) фактор [1]. Прошло немногим более десяти лет, и по Европе прокатилась ужасная трагедия, получившая название талидомидной катастрофы, которая стала мощным толчком к изучению причин появления врожденных пороков и пониманию механизмов нормального развития конечности [2, 3], современный взгляд на которые представлен в данной статье. Более подробная информация о талидомидной катастрофе описана в этом номере в статье, посвященной истории развития хирургии врожденных пороков развития кисти. РАЗВИТИЕ ВЕРХНЕЙ КОНЕЧНОСТИ Развитие верхней конечности начинается на 4-й нед эмбриогенеза, когда длина эмбриона составляет около 4 мм, а его размеры сопоставимы с рисовым зернышком [4]. Уже на этом этапе на его поверхности путем последовательных процессов - индукции, инициации и роста в форме небольшого бугорка появляется зачаток (или почка) будущей руки. Позиция зачатка конечностей 62 Заварухин В.И. № 4 (67) декабрь’ 2018 Вопросы реконструктивной и пластической хирургии на поверхности тела эмбриона определяется экспрессией HOX генов - ключевых регуляторов эмбриологического развития, действующих через транскрипционные факторы Tbx5 для верхней и Tbx4 - для нижней конечности. Опыты, проведенные на куриных эмбрионах, подтвердили влияние данных морфогенов на определение позиции и типа конечности (рис. 1) [5-9]. Зачаток конечности представляет собой скопление недифференцированных клеток мезенхимы (мезодермы), покрытых тонким эпителиальным слоем (эктодермой). В течение последующих 4 нед происходит быстрое развитие зачатка, и к концу 8-й нед, когда длина эмбриона достигает 22 мм, развитие завершается, и маленькая рука имеет все отделы, представленные у новорожденного ребенка. Именно период с 4-й по 8-ю нед принято считать критическим в эмбриогенезе верхней конечности, ведь именно в нем любое влияние извне способно нарушить тонко настроенный механизм, отвечающий за создание столь сложной и совершенной части человеческого тела [10]. Современный уровень развития молекулярной биологии и эмбриологии пролил свет на многие процессы, управляющие развитием верхней конечности на молекулярном уровне. В ходе исследований было установлено, что за ростом конечности в каждом направлении трехмерного пространства отвечают отдельные механизмы, управляемые сигнальным центром (рис. 2, таблица), которые будут рассмотрены более подробно ниже. Рис. 1. Опыты с индуцированной фактором роста фибробластов эктопической конечностью у куриного эмбриона: A, B, E - индуцированная эктопическая конечность находится в зоне экспрессии Tbx5, ее строение имеет основные черты крыла, рядом с которым она располагается; C, D, H - эктопическая конечность, находящаяся посередине туловища, в зоне перехода экспрессии Tbx5-Tbx4 и имеет черты, присущие как крылу, так и ноге эмбриона; F, G, I - эктопическая конечность, расположенная рядом с ногой эмбриона, в зоне экспрессии Tbx 4 приобретает черты задней конечности; w - wing (крыло); le - ley (нога); * - эктопическая конечность; h - humerus (плечо); r - radius (лучевая кость); u - ulna (лучевая кость); fe - femur (бедро). Фотографии из статьи H. Ohuchi et al., 1998 [8] Сигнальные центры, отвечающие за направления развития верней конечности в эмбриогенезе Направление роста Сигнальный центр Ответственная субстанция Аномалии Проксимальнодистальное Апикальный экдодермальный гребень (AER) Фактор роста фибробластов (FGF) Поперечные дефекты Передне-заднее Зона поляризующей активности (ZPA) Протеин Sonic hedgehog (Shh) Зеркальная кисть, полидактилии Дорсальновентральное Путь Wnt Транскрипционный фактор Patella-nail синдром, дорсальная димелия Реконструктивная хирургия 63 Вопросы реконструктивной и пластической хирургии № 4 (67) декабрь’ 2018 Рис. 2. Схематичное изображение зачатка конечности с обозначенными на нем апикальным эктодермальным гребнем (AER) и зоной прогресса (PZ), отвечающими за развитие в проксимальнодистальном направлении. Зона поляризующей активности (ZPA), находящаяся по задней (ульнарной) поверхности, отвечает за дифференциацию в передне-заднем направлении Развитие в проксимально-дистальном направлении, или продольный рост конечности, является результатом работы апикального эктодермального гребня (apical ectodermal ridge - AER), представляющего собой тонкий слой эктодермы (рис. 3), покрывающий край зачатка будущей верхней конечности на стыке дорсальной и вентральной эктодермы [11]. Рост AER приводит к последовательному формированию отделов, называемых у эмбриона стилоподом (будущее плечо), зигоподом (предплечье) и аутоподом (кисть). Реализация действия AER происходит за счет вырабатываемого им фактора роста фибробластов (Fibroblast Groth Factor - FGF), сигналы которого передаются в подлежащую мезодерму и поддерживают ее клетки в недифференцированном состоянии, стимулируют пролиферацию и защищают от апоптоза. Проведенные в лабораторных условиях опыты по удалению AER приводили к остановке роста конечности и образованию поперечных дефектов. При образовании таких пороков у детей, причина кроется не в отсутствии AER как такового, а в нарушении его работы, чаще всего вследствие ишемии. Данные виды поперечных дефектов в подавляющем большинстве случаев являются спорадическими и не передаются по наследству. Частичные дефекты AER во время формирования аутопода приводят к расщеплению на кистях (и стопах), например при мутации в гене TP63, кодирующем протеин, необходимый для сохранения целостности AER [3]. Рис. 3. Электронная микрофотография зачатка конечности. Визуализируется апикальный эктодермальный гребень, проходящий в виде «вала» по стыку дорсальной и вентральной поверхности зачатка (R.O. Kelley, J.F. Fallon, 1976) [12] Передне-заднее (радио-ульнарное, или преаксиально-постаксиальное) направление развития контролируется зоной поляризующей активности (ZPA) и морфогеном, называемым Sonic hedgehog (Shh). Позднее в механизме дифференциации радио-ульнарного направления был выявлен антагонист Shh - глиома связанный онкоген GLI3. Зона поляризационной активности локализуется по локтевому краю формирующейся конечности, и развитие структур в радио-ульнарном направлении идет соответственно принципу концентрации: чем она меньше, тем более радиальный характер дифференциации присутствует у растущих структур. Опыты с пересадкой донорского участка Shh на радиальную поверхность зачатка конечности приводили к порочному формированию с образованием центральной продольной оси симметрии, с двух сторон от которой располагалась локтевая кость и трехфаланговые пальцы [13]. Радиальные структуры, такие как первый палец и лучевая кость, в этой ситуации не развивались вовсе в связи с равномерно высокой концентрацией морфогена по всей конечности (рис. 4). Проведенные исследования дают все основания предполагать, что именно с нарушением указанного механизма связано образование редкого порока развития, называемого «ульнарной димелией», или «зеркальной кистью» [5]. 64 Заварухин В.И. № 4 (67) декабрь’ 2018 Вопросы реконструктивной и пластической хирургии Рис. 4. Схема эксперимента (а) с пересадкой донорского участка зоны поляризующей активности (1) на переднюю (радиальную) часть (3) зачатка конечности приводит к формированию продольно симметричной конечности (б) c недоразвитием радиальных структур Развитие в дорсально-вентральном направлении контролируется сигнальным путем Wnt. Данный механизм имеет важное значение в дифференциации скелетной мускулатуры конечности на вентральные мышцы - сгибатели и дорсальные мышцы - разгибатели. Небольшие нарушения в работе этого механизма проявляются редкими пороками развития - синдромом nail-patella и дорсальной димелией, характеризующейся отсутствием ладонной поверхности пальца с замещением ее удвоенной тыльной поверхностью. При этом палец с двух сторон выглядит одинаково - и по тылу и по ладони имеется ногтевая пластинка. У взрослых сигнальный путь Wnt принимает участие в развитии онкологических заболеваний [3, 10]. ФОРМИРОВАНИЕ СКЕЛЕТА КОНЕЧНОСТИ Вскоре после формирования зачатка конечности клетки-предшественники образующих хрящ клеток скапливаются в центре конечности, формируя центр окостенения, а другие клетки, формирующие соединительную ткань, располагаются по периферии. Данный механизм управляется факторами FGF и Wnt. С дальнейшей дифференциацией этих клеток в хондроциты и остеобласты, начинается процесс образования скелета конечности. Процесс образования хрящевой модели конечности идет в проксимальнодистальном направлении, начинаясь с плечевой кости на 36-й день и заканчиваясь фалангами пальцев на 50-й. Формирование суставов происходит в результате локального угнетения процессов хондрогенеза в местах образования будущих суставов. Ведущим процессом в разграничении формирующейся кости на два участка с образованием сустава является физиологически запрограммированная гибель клеток. Процесс образования полости сустава называется кавитацией, после нее следует этап формирования синовиальных оболочек сустава [14]. Именно с нарушениями процессов кавитации связано появление различных вариантов врожденных синостозов (радио-ульнарный, плече-лучевой, симфалангизм и др.). Первым, на 36-й день, формируется плечевой сустав, последними - на 47-й день - мелкие суставы кисти [5]. МЫШЕЧНЫЙ ЭМБРИОГЕНЕЗ Мышечный эмбриогенез верхней конечности является результатом скоординированных усилий между сегмент-специфичным зачатком сухожилий, мигрирующими миоцитами и мигрирующими мотонейронами. Развитие мускулатуры проходит три стадии. Эмбриональный миогенез формирует основные мышечные массивы и основные мышечные слои. Вторая волна миогенеза наступает со вторичными миофибриллами, окружающими первичные мышечные волокна, и формирует основную мышечную массу, представленную при рождении. И, наконец, сателлитные клетки, которые поселяются в базальной мембране, окружающей миофибриллы, будут способствовать постнатальному росту и регенерации. В раннем периоде формирования зачатка конечности мезодерма конденсируется с образованием проксимального зачатка сухожилия, который в дальнейшем будет служить каркасом для миграции миоцитов. Мышцы формируются в проксимально-дистальном направлении, а на предплечье дифференциации глубоких слоев предшествует дифференциация поверхностных мышечных слоев [5, 15]. РАЗВИТИЕ СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ Одним из первых заметных изменений является развитие большого кровеносного сосуда (маргинальной вены), который проходит как раз под утолщением эктодермы на кончике зачатка конечности, называемого апикальным эктодермальным гребнем. В дальнейшем при росте конечности в длину ее дистальный отдел разделит маргинальную вену на v. cefalica и v. basilica. Реконструктивная хирургия 65 Вопросы реконструктивной и пластической хирургии № 4 (67) декабрь’ 2018 Постепенное формирование примитивной капиллярной сети начинается практически сразу после начала роста зачатка верхней конечности (рис. 5). Рис. 5. Развитие сосудистой системы верхней конечности. V - маргинальная (краевая) вена, проходящая вдоль апикального эктодермального гребня (а-в). Из нее формируются C - v. cefaica и B - v. basilica (г). M - a. mediana (б, в) - основной осевой сосуд, который после развития - межкостной (I), локтевой (U) и лучевой артерии (R) редуцируется К 32-му дню капилляры сливаются в проксимальном отделе в центральную артерию, которая впадает в дорсальную аорту эмбриона. В дальнейшем идет развитие артерии в проксимально-дистальном направлении с формированием подключичной, подмышечной, плечевой и срединной артерий. Развитие по локтевой стороне предшествует дифференциации по лучевому краю и, пока примитивная капиллярная сеть сливается в дистальном отделе с лучевой артерией, локтевая артерия уже образует на уровне кисти дугу, в которую затем включится лучевая артерия через капиллярную сеть. После этого происходит дегенерация срединного артериального сосуда, который в дальнейшем будет выполнять лишь роль коммитантной срединному нерву артерии [5, 15]. РАЗВИТИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Развитие нервной системы отстает от мышечной миграции и включает развитие чувствительных и двигательных нейронов. Моторные нейроны формируются рано во время развития спинного мозга под воздействием морфогена Shh. Моторные нейроны начинают секретировать целую комбинацию транскрипционных факторов (например, Hb9/Mnx1, Lhx3/4), которые способствуют миграции мотонейронов в разные пучки в спином мозге и направляют их аксоны к определенным мышечным группам. Сенсорные отростки сопровождают аксоны моторных нейронов в развивающуюся конечность. Тело сенсорных нейронов располагается в спинномозговых ганглиях, которые развиваются из клеток нервного гребня [5, 15]. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУР КОНЕЧНОСТИ После появления, на 27-й день эмбриогенеза, зачаток конечности постепенно удлиняется и уплощается, приобретая к 33-38-му дню веслообразную форму за счет механизмов дифференциации и апоптоза (рис. 6). С 39-х сут начинается постепенное разделение пальцев, которое завершается на 52-й день (рис. 7). Рис. 6. Развитие верхней конечности эмбриона: а - 4-я нед эмбриогенеза, на поверхности тела эмбриона появляется зачаток будущей конечности; б - постепенное увеличение зачатка конечности, его уплощение; в, г - увеличение размеров будущей конечности, появление пластины кисти; д - формирование локтевых суставов и сгибание в них; е - перекрещенные руки ложатся на переднюю поверхность грудной клетки 66 Заварухин В.И. № 4 (67) декабрь’ 2018 Вопросы реконструктивной и пластической хирургии Рис. 7. Развитие кисти. Происходит за счет постепенного апоптоза клеток в пространстве между пальцами: а - внешний вид кисти эмбриона на 39-й день эмбриогенеза; б-д - постепенное разделение пальцев за счет продолжения продольного роста в сочетании с межпальцевым апоптозом; е - вид кисти к 52-му дню эмбриогенеза При нарушении процессов апоптоза в этот период разделения пальцев не происходит, и образуется синдактилия. Доказанными факторами, приводящими к появлению синдактилии, являются курение матери на критическом для верхней конечности сроке (4-8-я нед), а также прием нестероидных противовоспалительных препаратов. На 49-й день происходит медиальный поворот конечности на 90° и формируется изгиб в локтевом суставе, а к 8-й нед руки эмбриона, перекрещиваясь, встречаются на передней поверхности грудной клетки (рис. 6, е) [15]. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Нарушения в работе всех описанных механизмов приводят к появлению врожденных пороков развития. Основными причинами, вызывающими такие пороки, являются: - спонтанные мутации генетического материала; - наследование аномальных генов; - инсульт разной степени выраженности при росте зачатка конечности; - образование амниотических тяжей вокруг плода (синдром амниотических перетяжек). Понимание механизмов развития пороков позволило в 2015 г. пересмотреть общепринятую в мире с 1976 г. классификацию врожденных аномалий развития верхних конечностей по Swanson и принять новую - классификацию OMT [16]. Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи. Источник финансирования. Автор заявляет об отсутствии финансирования при проведении исследования.

Скачать электронную версию публикации