UDK 61 Медицина. Охрана здоровья
GRNTI 76.29 Клиническая медицина
OKSO 31.08.28 Гастроэнтерология
BBK 541 Внутренние болезни
TBK 57 Медицина. Фармакология
BISAC MED031000 Gastroenterology
The approach to system analysis of bile duct dysfunctions based on analysis of multi-omics data of cholangiocytes is considered. There is suggested that changes in intercellular interactions in tissues of the bile duct cause phenotypic manifestations of the cholangiopathies in the changes in cholangiocyte regulation, which can be evaluated by analysis of changes in the molecular composition of the bile.
cholangiocytes, cholangiopathies, post-genome technologies, systems medicine
Введение. Холангиопатии представляют собой совокупность заболеваний желчных путей, возникающих вследствие инфекционных, воспалительных, генетически-обусловленных, травматических и иных причин, преимущественно связанных с патологией холангиоцитов - эпителиальных клеток, выстилающих внутреннюю поверхность желчных протоков. Стенка желчных протоков представляет собой многослойную структуру, состоящую из различных клеточных субпопуляций - эндотелиальных клеток, фибробластов, гладкомышечных клеток, нейронов и глиальных клеток, а также лимфоцитов. Данные клетки взаимодействуют между собой как внутри субпопуляций, так и между субпопуляциями, однако данные изменения сложно зафиксировать ввиду отсутствия методов непрерывного малоинвазивного мониторинга таких взаимодействий in vivo. При этом результатом некоторых патологических процессов, происходящих в нервно-мышечных и соединительных тканях, является изменение регуляции холангиоцитов, что возможно зафиксировать путем анализа состава желчи. В связи с этим, представляется крайне привлекательным свести многочисленные патологии желчных путей исключительно к механизмам дисфункционализации эпителиальных тканей, тем самым подтвердив справедливость теории клеточной патологии Р. Вирхова [1].
Поскольку причинно-следственные связи между молекулярно-биологическими паттернами и фенотипом клеток в большинстве своем до сих пор представляют собой “черный ящик” и чрезвычайно трудны для понимания, то наиболее показательным является анализ паттернов межклеточного и межтканевого взаимодействия, объектом воздействия которых могут являться эпителиальные клетки желчных путей.
В настоящей работе предложен подход к интеграции данных о системной биологии холангиоцитов на основе влияния изменений межклеточного взаимодействия субпопуляций в стенке желчных протоков на регуляцию холангиоцитов.
1. Системная биология холангиоцитов. Системная биология холангиоцитов представляет собой совокупность методов получения и анализа молекулярно-биологических (омиксных) клеточных маркеров для описания и изучения функций эпителиальных клеток желчных протоков. На сегодняшний день омиксные данные включают геном, эпигеном, транскриптом, протеом, метаболом, микробиом, рецептом, VDJ-ом, а также “экспосом”, характеризующий общую совокупность внешних факторов.
В отношении клеток желчных протоков на сегодняшний день разработана патофизиология холангиопатий [2], патобиология билиарного эпителия, физиология, анатомия и биохимия билиарного эпителия, физиологии холангиоцитов [3], и др. Изучению холангиоцитов на уровне молекулярной и клеточной биологии посвящено большое количество научных работ, получены линейные клеточные культуры, изучены "омиксные" данные для первичных и линейных клеток [4].
Основной функцией холангиоцитов является регулирование состава желчи в протоках [5], эти клетки активно участвуют в поглощении и секреции воды, органических анионов, органических катионов, липидов и электролитов. Холангиоциты играют важную роль в регулировании локализованных иммунных реакций при взаимодействии с иммунными клетками через экспрессию молекул адгезии на поверхности клеток, и секреции цитокинов и других медиаторов, которые влияют на их собственные функции и могут влиять на иммунные клетки в очаге воспаления [2,6]. Показано, что холангиоциты способны экспрессировать определенный спектр белков, при этом экспрессия может зависеть от локализации холангиоцитов в желчевыводящих путях и межклеточного взаимодействия. Например, термин в ответ на повреждения билиарного эпителия активируются т.н. “реактивные холангиоциты”, экспрессируя de novo различные цитокины, хемокины, факторы роста и др. Холангиоциты реагируют на инфекцию, например, путем рекрутирования и взаимодействия с эффекторными лейкоцитами для борьбы с патогенами, поступающими в желчные пути из желудочно-кишечного тракта. Холангиоциты также являются первичным очагом повреждения при нескольких иммунологически опосредованных заболеваниях печени [7].
Интеграция “омиксных” данных о молекулярном составе образцов различной природы (белки, РНК, ДНК, метаболиты и т.д.), как правило, осуществляется посредством построения соответствующих карт взаимодействий, например “протеом-транскриптом”, “геном-транскриптом”, “геном-протеом” и других. Однако данные о геномике, транскриптомике и протеомике различных тканей или биологических жидкостей человека сложны в своей интерпретации, и их диагностические и прогностические возможности для использования в клинической медицине пока весьма ограничены [8, 9]. При этом системная биология позволяет установить молекулярные паттерны, ассоциативно или каузально связывающие изменения в молекулярном портрете клеток с патологией межклеточных взаимодействий.
2. Элементы системной медицины холангиопатий. Системный подход к интеграции и клинической интерпретации молекулярно-биологических и фенотипических данных получил название системной медицины. Мульти-омиксные маркеры сегодня используются в основном для характеризации биологического материала. Однако, построение прогностических моделей на основе молекулярно-биологических данных представляет сложность, не всегда позволяя провести клиническую интерпретацию и каузально связать молекулярные события с фенотипическими проявлениями.
В настоящее время холангиопатии классифицируются как иммуно-опосредованные, инфекционные, генетически-обусловленные, ишемические, лекарственно или токсин-индуцированные. Кроме того, нарушение нормальной структуры и состава каждого слоя стенки желчных путей приводит к развитию поражений различной этиологии – холангиоциты (фиброз, стенозы, образование стриктур желчного протока, холангиты, холангиокарциномы), сосудистая сеть (ишемия, инфекционные заболевания, стриктуры различной этиологии), гладкомышечные клетки и нервная сеть (дискинезия), микробиота (холециститы и холангиты) [10, 11, 12]. В свою очередь, нарушение нормальной структуры и функций слоев стенки желчных путей может оказывать влияние на функцию холангиоцитов, выраженное в виде экспрессии специфических маркеров, которые возможно обнаружить в желчи [13]. Такие молекулярные маркеры патологии холангиоцитов, будучи выявленными инструментальными методами системной биологии, возможно использовать в качестве диагностических и прогностических маркеров конкретных холангиопатий.
3. Возможности малоинвазивной диагностики. Забор желчи с целью проведения молекулярно-биологического анализа затруднен вследствие сложностей доступа к большому сосочку двенадцатиперстной кишки. Однако в настоящее время разработаны эндоскопические системы забора образцов желчи непосредственно из устья сфинктера Одди, исключающие контаминацию содержимым кишечника [14]. Такие методы ретроградной эндоскопической холангиографии позволяют забирать желчь в объеме, достаточном для проведения анализов желчи методами ВЭЖХ-МС, ПЦР-РВ или ИФА и выявления в желчи молекулярных паттернов (состав желчных кислот, аутоантитела, пептиды, микроРНК и другие маркеры), являющихся молекуляными маркерами аномальной регуляции холангиоцитов. Поскольку холангиоциты подвергаются воздействию со стороны множества клеточных субпопуляций стенки желчных путей, выявленные маркеры аномальной регуляции холангиоцитов также могут являться и маркерами заболеваний желчных путей - холангиопатий.
Выводы. Сделано предположение о возможности использования методов малоинвазивного доступа к желчным путям для забора желчи с целью анализа ее молекулярного анализа. Проведение интерпретации состава желчи молекулярно-биологическими методами позволяет выявить нарушения секреторной функции холангиоцитов, ассоциированные с заболеваниями желчных путей - холангиопатиями. Предложенный подход анализа молекулярного состава желчи для выявления патологий клеточных популяций, содержащихся в различных слоях стенки желчных протоков, позволяет провести интерпретацию таких данных для использования в клинических целях.
1. Virchow R.L.K. Cellular pathology. London: John Churchill, 1860.
2. Pathophysiology of cholangiopathies /M. Strazzabosco, L. Fabris, C. Spirli // Journal of clinical gastroenterology. 2005. T. 39, №.4. S. S90-S102.
3. Physiology of cholangiocytes / J.H. Tabibian i dr. // Comprehensive Physiology. 2013. T. 3, №.1. S. 541-565.
4. Klabukov I.D. Mnogosloynaya tkaneinzhenernaya konstrukciya na osnove biodegradiruemyh i biosovmestimyh materialov dlya vosstanovleniya povrezhdennyh zhelchnyh putey: dis. kand. biol. nauk. Moskva: NIIOPP, 2018. 205 s.
5. Tietz P.S., LaRusso N.F. Cholangiocyte biology // Current opinion in gastroenterology. 2006. T. 22, №.3. S. 279-287.
6. The immunophysiology of biliary epithelium / G. Fava, S. Glaser, H. Francis i dr. // Seminars in liver disease. 2005. T. 25, №.3. S. 251-264.
7. A review of the physiological and immunological functions of biliary epithelial cells: targets for primary biliary cirrhosis, primary sclerosing cholangitis and drug-induced ductopenias / C.T. Wu, P.A. Davis, V.A. Luketic i dr. // Clinical and Developmental Immunology. 2004. T. 11. C. 403720.
8. Medicinskie resursy IACPAAS dlya differencial'noy diagnostiki zabolevaniy zhelchnogo puzyrya / M.V. Petryaeva, A.Ya. Lifshic, E.A. Shalfeeva // Informatika i sistemy upravleniya. 2018. №3. S. 81-92.
9. Novikov E.A. Modelirovanie biliarnoy sistemy metodom Fel'berga s kontrolem tochnosti i ustoychivosti // Informatika i sistemy upravleniya. 2014. №1. S. 42-53.
10. Nakanuma Y. Tutorial review for understanding of cholangiopathy // International journal of hepatology. 2012. T. 2012.
11. Biliarnaya mikrobiota i zabolevaniya zhelchnyh putey / I.D. Klabukov, A.V. Lyundup, T.G. Dyuzheva i dr. // Vestnik Rossiyskoy akademii medicinskih nauk. 2017. T. 72, №.3. S. 172-179.
12. Immunologicheskaya priroda zhelchekamennoy bolezni (gipoteza) / I.D. Klabukov, O.A. Krasil'nikova, A.V. Lyundup i dr. // Eksperimental'naya i klinicheskaya gastroenterologiya. 2018. №.6. S. 134-142.
13. Bioinformatic approach for cholangiocyte pathophysiology / Y. Ueno, K. Fukushima, Y. Nakagome i dr. // Hepatology Research. 2007. T. 37. S. S444-S448.
14. Biliary tract microbiota: a new kid on the block of liver diseases? / A. Nicoletti, F.R. Ponziani, E.Nardella i dr. // Eur Rev Med Pharmacol Sci. 2020. T. 24, №.5. S. 2750-2775.
