Стереоцилии (внутреннее ухо)

Во внутреннем ухе стереоцилии являются механочувствительными органеллами волосковых клеток , которые реагируют на движение жидкости у многочисленных типов животных для различных функций, включая слух и равновесие. Они имеют длину около 10–50 микрометров и обладают некоторыми схожими чертами микроворсинок . ^[1] Волосковые клетки преобразуют давление жидкости и другие механические стимулы в электрические стимулы с помощью множества микроворсинок, которые составляют стержни стереоцилий. ^[2] Стереоцилии существуют в слуховой и вестибулярной системах.

Напоминающие волосовидные выступы, стереоцилии организованы в пучки по 30–300. ^[3] Внутри пучков стереоцилии часто выстроены в несколько рядов увеличивающейся высоты, подобно лестнице. В основе этих волосовидных стереоцилий лежат жесткие сшитые актиновые нити, которые могут обновляться каждые 48 часов. Эти актиновые нити обращены своими положительными концами к кончикам стереоцилий, а своими отрицательными концами к основанию и могут быть длиной до 120 микрометров. ^[3] Нитевидные структуры, называемые концевыми связями , соединяют кончики стереоцилий в соседних рядах в пучках. Концевые связи состоят из почти вертикальных тонких нитей, которые идут вверх от верхнего конца более короткой стереоцилии к ее более высокой соседке. ^[2] Концевые связи аналогичны крошечным пружинам, которые при растяжении открывают катион- селективные каналы , тем самым позволяя ионам течь через клеточную мембрану в волосковые клетки. Они также участвуют в передаче силы через пучок и поддержании структуры пучка волос. ^[4]

Как акустические сенсоры у млекопитающих , стереоцилии выстроены в кортиев орган внутри улитки внутреннего уха. При слухе стереоцилии преобразуют механическую энергию звуковых волн в электрические сигналы для волосковых клеток, что в конечном итоге приводит к возбуждению слухового нерва . Стереоцилии состоят из цитоплазмы со встроенными пучками сшитых актиновых нитей. Актиновые нити прикреплены к терминальной сети и верхней части клеточной мембраны и расположены по степени высоты. ^[2] По мере распространения звуковых волн в улитке движение эндолимфальной жидкости изгибает стереоцилии. Если направление движения направлено к более высоким стереоцилиям, в концевых связях возникает напряжение, механически открывая каналы трансдукции вблизи кончиков. Катионы из эндолимфы поступают в клетку, деполяризуя волосковую клетку и вызывая высвобождение нейротрансмиттеров в близлежащие нервы, которые посылают электрический сигнал в центральную нервную систему.

В вестибулярной системе стереоцилии расположены в отолитовых органах и полукружных каналах . Волосковые клетки вестибулярной системы немного отличаются от клеток слуховой системы тем, что вестибулярные волосковые клетки имеют одну самую высокую ресничку, называемую киноцилией . Изгиб стереоцилий к киноцилии деполяризует клетку и приводит к увеличению афферентной активности . Изгиб стереоцилий от киноцилии гиперполяризует клетку и приводит к снижению афферентной активности. В полукружных каналах волосковые клетки находятся в crista ampullaris , а стереоцилии выступают в ампулярную купулу . Здесь все стереоцилии ориентированы в одном направлении. В отолитах волосковые клетки увенчаны небольшими кристаллами карбоната кальция, называемыми отокониями . В отличие от полукружных протоков, киноцилии волосковых клеток в отолитах не ориентированы в постоянном направлении. Киноцилии указывают на (в утрикуле ) или от (в саккуле ) средней линии, называемой стриолой. ^[5]

В улитке сдвиговое движение между покровной мембраной и базилярной мембраной отклоняет стереоцилии, влияя на натяжение нитей концевой связи, которые затем открывают и закрывают неспецифические ионные каналы. ^[2] Когда натяжение увеличивается, поток ионов через мембрану в волосковую клетку также увеличивается. Такой приток ионов вызывает деполяризацию клетки, что приводит к электрическому потенциалу, который в конечном итоге приводит к сигналу для слухового нерва и мозга. Идентичность механочувствительных каналов в стереоцилиях до сих пор неизвестна.

Каналы трансдукции, связанные со стереоцилиями, как полагают, находятся на дистальных концах стереоцилий. ^[6] Отклонение стереоцилий в направлении самых высоких стереоцилий приводит к увеличению скорости открытия неспецифических катионных каналов. Это, в свою очередь, вызывает деполяризацию рецепторов и приводит к возбуждению афферентов кохлеарного нерва , которые расположены у основания волосковой клетки . Отклонение стереоцилий в противоположном направлении к самым коротким стереоцилиям вызывает закрытие каналов трансдукции. В этой ситуации волосковые клетки становятся гиперполяризованными , а нервные афференты не возбуждаются. ^{[7] [8] [9]}

Существует два различных типа жидкости, которые окружают волосковые клетки внутреннего уха. Эндолимфа — это жидкость, которая окружает апикальные поверхности волосковых клеток. Калий является основным катионом в эндолимфе и, как полагают, отвечает за перенос рецепторных токов в улитке . Перилимфа находится вокруг сторон и оснований волосковых клеток. Перилимфа содержит мало калия и много натрия . ^{[8] [10]} Различный ионный состав окружающей жидкости в дополнение к потенциалу покоя волосковой клетки создает разность потенциалов через апикальную мембрану волосковой клетки, поэтому калий входит, когда открываются каналы трансдукции. Приток ионов калия деполяризует клетку и вызывает высвобождение нейротрансмиттера , который может инициировать нервные импульсы в сенсорных нейронах, которые образуют синапс на основании волосковой клетки.

Стереоцилии (вместе со всей волосковой клеткой) у млекопитающих могут быть повреждены или разрушены чрезмерно громкими шумами , болезнями, лекарствами, а также токсинами и не подлежат регенерации. ^{[3] [11]} По данным Агентства по охране окружающей среды США, нарушение слуха, вызванное шумом окружающей среды, является, вероятно, наиболее распространенным последствием шума для здоровья . Аномальная структура/организация пучка стереоцилий также может вызвать глухоту и, в свою очередь, создать проблемы с равновесием у человека. У других позвоночных, если волосковая клетка повреждена, поддерживающие клетки будут делиться и заменять поврежденные волосковые клетки. ^[2]

Ген метионинсульфоксидредуктазы B3 (MsrB3), фермента репарации белков, был вовлечен в крупномасштабную дегенерацию пучков стереоцилий ^[12] , а также во многие другие факторы, такие как гестационный возраст ^[13] и толерантность к холодной среде у растений. ^[14] Хотя точный процесс патогенеза неизвестен, он, по-видимому, связан с апоптотической гибелью клеток. ^[12] Исследование, основанное на сплайсинге морфолино для подавления экспрессии MsrB3 у данио-рерио, показало более короткие, тонкие и более переполненные реснички , а также небольшие, неправильно расположенные отолиты . Несколько стереоцилий также подверглись апоптозу . Инъекция мРНК MsrB3 дикого типа избавила от слуховых дефицитов, что позволяет предположить, что MsrB3 помогает предотвратить апоптоз . ^[15]

Другой ген, DFNB74, был обнаружен как ген, вовлеченный в рецессивную потерю слуха. ^[16] Потеря слуха, вызванная DFNB74, может быть связана с митохондриальной дисфункцией. Глухота, вызванная DFNB74 и MsrB3, может быть связана друг с другом. Исследования этих генов основаны на семьях с рецессивной глухотой, и несколько неродственных семей с этой глухотой имеют мутации как в DFNB74, так и в MsrB3. ^[17]

Поврежденные или аномальные стереоцилии, которые являются результатом генетических мутаций, часто вызывают потерю слуха и другие осложнения и могут передаваться детям. В недавнем исследовании ученые изучали мышей, унаследовавших мутировавший ген волосковых клеток, называемый whirlin, что приводит к более коротким и толстым стереоцилиям, которые организованы в дополнительные ряды и которые часто отмирают после рождения. ^[18] В настоящее время не существует методов лечения или репаративных мер для замены таких дефектных волосковых клеток у людей. Чтобы исправить эту мутацию, ученые вводили генную терапию, содержащую исправленный ген, во внутреннее ухо мышей с генетической мутацией. Терапия восстановила стереоцилии до нормальной длины и устранила дополнительные ряды стереоцилий у новорожденных мышей whirler. Несмотря на восстановление волосковых клеток, обработанные мыши whirler не продемонстрировали никаких признаков улучшения слуха после тестирования через один месяц и через три месяца лечения. Дальнейшие исследования направлены на то, чтобы понять, почему восстановление стереоцилий не улучшило слух мутировавших мышей.

Звук выше определенного уровня децибел может вызвать необратимое повреждение стереоцилий внутреннего уха. Новое исследование показало, что повреждение, возможно, можно обратить вспять, если мы сможем восстановить или воссоздать некоторые белки в стереоцилиях. В этом исследовании ученые использовали рыбу данио-рерио для изучения движения белков внутри живых клеток уха с помощью конфокального микроскопа . Это показало, что белки в стереоцилиях движутся быстро, что указывает на то, что движение белков внутри волосковых клеток может быть очень важным фактором для поддержания целостности пучков волосков во внутреннем ухе. Дальнейшие исследования показали, что миозин и актин , два белка, которые важны для движения клеток, движутся очень быстро. Fascin 2b, белок, участвующий в сшивании актина, движется еще быстрее. Постоянное движение белков внутри клеток, наряду с заменой и перестройкой, помогает клеткам восстанавливать повреждения. Быстрое движение этих белков изменило наше понимание стереоцилий и указывает на то, что белки внутри стереоцилий не являются неподвижными и статичными. Дальнейшие исследования надеются изучить манипулирование динамикой белков для восстановления функции слуха человека после повреждения. ^[19]

На Викискладе есть медиафайлы по теме Стереоцилии (внутреннее ухо) .