Введение

Механочувствительные органеллы волосковых клеток – стереоцилии уха.

Внутри уха стереоцилии являются механочувствительными органеллами волосковых клеток, которые реагируют на движение жидкости у множества видов животных, выполняя различные функции, включая слух и равновесие. Их длина составляет примерно 10–50 микрометров, и они обладают некоторыми общими чертами с микроворсинками. Волосяные клетки преобразуют давление жидкости и другие механические стимулы в электрические сигналы посредством многочисленных микроворсинок, составляющих стержни стереоцилий. Стереоцилии присутствуют в слуховой и вестибулярной системах.

Морфология

Стереоцилии, напоминающие волоски, организованы в пучки по 30–300 штук. Внутри пучков стереоцилии часто выстроены в несколько рядов, постепенно увеличивающихся в высоте, подобно лестнице. В основе этих волосковидных стереоцилий лежат жесткие, сшитые актиновые филаменты, которые могут обновляться каждые 48 часов. Эти актиновые филаменты ориентированы своими положительными концами к вершинам стереоцилий, а отрицательными – к основанию, и могут достигать длины до 120 микрометров.

Слуховой путь

Как акустические сенсоры у млекопитающих, стереоцилии выстроены в органе Корти внутри улитки внутреннего уха. В процессе слуха 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, содержащей пучки переплетенных актиновых филаментов. Актиновые филаменты прикреплены к терминальной сети и вершине клеточной мембраны и расположены по градам высоты.

Механоэлектрическая трансдукция

В кохлее сдвиг между текториальной мембраной и базилярной мембраной отклоняет стереоцилии, влияя на натяжение концевых связей, которые затем открывают и закрывают неспецифические ионные каналы. Отклонения стереоцилий в направлении самых высоких стереоцилий приводят к увеличению скорости открытия неспецифических катионных каналов. Это, в свою очередь, вызывает деполяризацию рецепторных клеток и приводит к возбуждению афферентов слухового нерва, расположенных в основании волосковой клетки. Отклонения стереоцилий в противоположном направлении, к самым коротким стереоцилиям, приводят к закрытию трансдукционных каналов. В этой ситуации волосковые клетки гиперполяризуются, а афферентные нервы не возбуждаются. Вокруг волосковых клеток внутреннего уха находятся два типа жидкости. Эндолимфа – это жидкость, окружающая апикальные поверхности волосковых клеток. Калий является основным катионом в эндолимфе и предположительно отвечает за перенос рецепторных токов в кохлее. Перилимфа окружает боковые поверхности и основания волосковых клеток. Перилимфа содержит мало калия и много натрия. Различный ионный состав окружающей жидкости, в сочетании с потенциалом покоя волосковой клетки, создает разность потенциалов через апикальную мембрану волосковой клетки, поэтому калий поступает внутрь при открытии трансдукционных каналов. Приток ионов калия деполяризует клетку и вызывает высвобождение нейротрансмиттера, который может инициировать нервные импульсы в сенсорных нейронах, образующих синапсы в основании волосковой клетки.

Уничтожение стереоцилий

Стереоцилии (вместе со всей волосковой клеткой) у млекопитающих могут быть повреждены или уничтожены из-за чрезмерно громких звуков, заболеваний, лекарственных препаратов, а также токсинов и не восстанавливаются. Согласно данным Агентства по охране окружающей среды США, потеря слуха, вызванная шумом, вероятно, является наиболее распространенным последствием воздействия шума на здоровье. Аномальная структура или организация пучка стереоцилий также может вызывать глухоту и, как следствие, проблемы с равновесием. У других позвоночных, при повреждении волосковой клетки, поддерживающие клетки делятся и заменяют поврежденные волосковые клетки. Также существуют многие другие факторы, такие как гестационный возраст и устойчивость к холоду у растений. Хотя точный механизм патогенеза неизвестен, он, по-видимому, связан с апоптотической гибелью клеток. Другой ген, DFNB74, был идентифицирован как ген, участвующий в развитии рецессивной потери слуха. Потеря слуха, связанная с DFNB74, может быть обусловлена митохондриальной дисфункцией. Глухота, связанная с DFNB74 и MsrB3, может быть взаимосвязана. Исследования этих генов проводятся на семьях с рецессивной глухотой, и у нескольких неродственных семей с этим заболеванием обнаружены мутации как в гене DFNB74, так и в гене MsrB3. Поврежденные или аномальные стереоцилии, являющиеся результатом генетических мутаций, часто приводят к потере слуха и другим осложнениям и могут передаваться по наследству. В недавнем исследовании ученые изучали мышей, унаследовавших мутированный ген волосковых клеток, называемый whirlin, который приводит к образованию более коротких и толстых стереоцилий, организованных в дополнительные ряды и часто погибающих после рождения. В настоящее время не существует методов лечения или репаративных мер для замены таких дефектных волосковых клеток у человека. Чтобы исправить эту мутацию, исследователи ввели генную терапию, содержащую исправленный ген, во внутреннее ухо мышей с генетической мутацией. Терапия восстановила нормальную длину стереоцилий и устранила дополнительные ряды стереоцилий у новорожденных мышей-вихрей. Однако, несмотря на восстановление волосковых клеток, у мышей-вихрей, получивших лечение, не было выявлено признаков улучшения слуха после тестирования через один и три месяца после начала терапии. Дальнейшие исследования направлены на выяснение причин, по которым восстановление стереоцилий не привело к улучшению слуха у мутировавших мышей.

Текущие исследования

Звук, превышающий определенный уровень децибел, может вызывать необратимое повреждение стереоцилиям внутреннего уха. Новые исследования показали, что это повреждение потенциально может быть обращено вспять, если удастся восстановить или реконструировать некоторые белки в стереоцилиях. В ходе этого исследования ученые использовали данио рерио (рыбу-зебру) для изучения движения белков внутри живых клеток уха с помощью конфокального микроскопа. Результаты показали, что белки в стереоцилиях быстро перемещаются, что позволяет предположить, что движение белков внутри волосковых клеток может играть ключевую роль в поддержании целостности волосковых пучков во внутреннем ухе. Дальнейшие исследования выявили, что миозин и актин – два белка, важных для клеточного движения – перемещаются с высокой скоростью. Fascin 2b, белок, участвующий в сшивке актина, движется еще быстрее. Постоянное движение белков внутри клеток, наряду с их заменой и перестройкой, способствует восстановлению повреждений. Высокая скорость движения этих белков изменила наше представление о стереоцилиях и указывает на то, что белки в стереоцилиях не являются неподвижными и статичными. В будущем планируется исследовать возможность манипулирования динамикой белков для восстановления слуха у людей после повреждений.