Химия и медицина — две неразрывно связанные науки. Большинство лекарственных препаратов и сопутствующих средств, которыми располагает медицина, либо представляют собой органические соединения, либо основаны на химических процессах. Знание законов химии — залог высокого качества работы врача, поэтому химия преподается в медицинских ВУЗах с первых дней обучения, наравне с анатомией, биологией и другими важнейшими предметами.
Два химических процесса, на которых основаны многие медицинские технологии — адгезия и когезия. Знания об этих явлениях послужили базой для создания медицинских клеевых составов, мазей, антибактериальных лекарственных средств, материалов для имплантатов и др.
Содержание статьи
Явления адгезии и когезии
Адгезией в химии и медицине обозначается свойство разных по качеству и составу материалов соединяться между собой поверхностными слоями. Термин адгезия (adhesion англ.) произошел от adhaesio (лат.) и означает «сцепление, прилипание, слипание, склеивание». Пример адгезии в быту — взаимодействие поверхности бетонной стены и краски. При хорошей адгезии, краска ляжет ровно, при плохой — просто стечёт вниз или отвалится при высыхании.
В медицине яркий пример адгезии — прилипание микробных клеток к поверхности эпителия. В этом случае задействованы неспецифические физико-химические связи, обеспечивающие контакт между клетками возбудителя болезни и клетками организма хозяина. На поверхности микроорганизмов находятся лиганды — особые химические группировки, соответствующие рецепторам клеток, – они определяют способность к адгезии.
Когезия — это аналогичное свойство, но данный термин применим только в отношении связей, возникающих внутри одного тела между однородными молекулами. Явление когезии объясняется вполне очевидными химическими связями, включая водородную связь, и другими видами межмолекулярного взаимодействия.
Именно когезия тканей определяет их прочность и устойчивость к деформациям. Как и явление адгезии, это свойство материала играет важную роль в медицине и фармации, поскольку сила, связывающая отдельные клетки ткани, определяет ее восприимчивость к внешним и внутренним воздействиям.
Несмотря на то, что, говоря об адгезии мы имеем в виду явление сцепления совершенно разных по строению и свойствам молекул, сила этого взаимодействия часто бывает намного больше, чем та, что возникает между одинаковыми атомами и молекулами. Это объясняется в первую очередь тем, что в процессе скрепления разных молекул принимают участие не только простые химические связи, но и Ван-дер-Ваальсовы силы, полярные связи, а в некоторых случаях и взаимное проникновение молекул, что в химии называют диффузией.
Отдельного внимания заслуживают адгезионные эффекты, которые играют важнейшую роль в процессе жизнедеятельности любого живого организма, в том числе и человека. К наиболее значимым адгезионным эффектам относят:
- Капиллярность. Явление, которое проявляется самопроизвольным подъемом или опусканием уровня жидкости в тонких трубках, капиллярах и узких каналах. Этот процесс часто происходит в направлении обратном к действию силы тяжести. То есть уровень жидкость в тонком сосуде может повышаться, несмотря на гравитационные силы. Наблюдается явление капиллярности в случаях смачивания стенок сосуда жидкостью.
- Смачиваемость. Характеристика, определяющая механизм взаимодействия поверхности твердого тела с жидкостью.
- Поверхностное натяжение. Сила, которая возникает на границе разделения двух фаз, чаще всего жидкости и газа, и по своему направлению устремляется в глубину объема жидкости. Именно поверхностное натяжение выступает определяющим фактором для явления, которое мы наблюдаем при формировании капли воды. Капля имеет сферическую форму из-за того, что только в этом случае жидкости удается занимать наименьшую площадь поверхности.
- Мениск. Искривление поверхности жидких сред, при их контакте с твердым телом или другой жидкой фазой.
Все адгезионные эффекты, как и явление когезии, лежат в основе формирования гистологических структур (тканей организма) и многих физиологических явлений, а также воздействия лекарственных препаратов на организм. В связи с этим, изучение данных физических явлений — важный аспект понимания анатомии, физиологии и фармакодинамики.
Механизм биологической адгезии
Главное значение адгезии в живом организме — способность к формированию отдельных гистологических структур (тканей). Взаимодействие и прочное сцепление структурных элементов тканей происходит по принципу “клетка-клетка” или “клетка-матрикс”.
Явление адгезии между клетками возникает в результате взаимодействия и сцепления специальных адгезивных рецепторов, расположенных на клеточной поверхности одной молекулы, с комплексом примембранных белков другой молекулярной единицы. Сегодня идентифицировано более 50 белков, которые принимают непосредственное участие в процессе сцепления биологических клеток. При этом наибольшее значение имеют следующие адгезивные рецепторы:
- Интергины. Семейство адгезивных рецепторов, которое насчитывает более 20 высокоспецифичных белков-идентификаторов. Интергрины были обнаружены в различных тканях организма и обеспечивают сцепление клеток с элементами внеклеточного матрикса (основа соединительной ткани, осуществляющая механическую поддержку клеток и транспорт хим. веществ).
- Кадгерины. Группа Са2+-зависимых гликопротеинов, которые играют важнейшую роль в процессе формирования межклеточных связей адгезии. В основе этих рецепторов лежит 723–748 аминокислотных остатков. Особенное значение кадгерины имеют в процессе эмбриогенеза на стадиях морфо- и органогенеза.
- Селектины. Сложная группа гликопротеинов, объединенная по основным морфологическим признакам, которая принимает участие в различных физиологических процессах.
- Иммуноглобулины. Суперсемейство адгезивных рецепторов, которое принимает участие в первую очередь в процессах склеивания лимфоцитов. Иммуноглобулины принимают активное участие как в процессах эмбриогенеза в утробе матери, так и в формировании адекватного иммунного ответа и заживления раневых поверхностей.
Соединение комплекса примембранных белков и конкретного адгезивного рецептора происходит по принципу “ключ к замку”, что объясняет высокую специфичность таких связей. Именно благодаря специфичности и избирательности адгезивных рецепторов достигается прочное сцепление клеток между собой и обеспечивается устойчивость тканей организма человека к механическим, физическим и химическим факторам. При этом для разрыва каждой конкретной связи требуется приложение определенной энергии, потенциал которой для каждой ткани разный.
Отдельного внимания заслуживает упоминание такого явления как неспецифическая адгезия. Этот процесс происходит в результате случайной встречи молекул (клеток) и возникновения между ними определенных химических и физических связей. Неспецифическая адгезия часто проявляется в виде связывания клеток микроорганизмами, и чаще всего наблюдается при развитии патологического процесса.
Явления адгезии и когезии в физиологии и патофизиологии
Чтобы оценить важность явления адгезии в медицине следует начать с того, что именно этот процесс лежит в основе зачатия и наступления беременности. Само явление оплодотворения (слияния половых гамет) и имплантация оплодотворенной яйцеклетки в стенку матки женщины — пример адгезии в организме человека.
Далее адгезивные рецепторы создают условия для объединения отдельных клеток в ткани. Здесь роль играет и когезия, если речь идет о сцеплении однотипных клеточных элементов. На протяжении всего эмбриогенеза, адгезивные процессы несут ответственность за формирование отдельных тканей и жидких сред.
Наиболее показательные примеры адгезии в организме:
- Участки соединения разных тканей. Примерами такого сцепления выступает плотное соединение дермы и эпидермиса, мышц и сухожилий, сосудов и тканей, формирующих любой орган.
- Иммунный ответ. Нормальная иммунная реакция заключается в механическом связывании чужеродного антитела со специальным антигеном. Образовавшийся в результате нормальной работы иммунитета комплекс является отличным примером адгезии в организме.
- Заживление раны. Также показательный адгезивный процесс, при котором различные участки поврежденной ткани образуют единую гистологическую структуру и т.д.
Для медицины важнейшую роль играют процессы нарушения адгезионного взаимодействия между клетками, что выступает причиной множества патологий и опасных заболеваний. При этом негативным вариантом можно считать, как ослабление связей между клетками, так и их усиление.
Стать причиной нарушения соединения клеток могут различные внутриорганизменные и внешние факторы — нейромышечные и неврологические расстройства, дегенеративные заболевания, хронические воспалительные процессы, онкологические состояния и процесс метастазирования.
Если перечисленные выше факторы вызывают обычно нарушение адгезии тканей, то в процессе активного тромбообразования наблюдается обратное явление — усиленное прикрепление тромбоцитов к стенке сосуда или взаимная адгезия клеток, что может привести к закупорке сосуда. Также адгезия играет важную роль в процессе формирования спаечных и рубцовых процессов.
Отдельного внимания заслуживает явление микробной адгезии. Этот процесс выражается в прикреплении патологического бактериального агента к тканям, при проникновении в организм человека. В результате такой сцепки микроорганизм вызывает поражение тканей и получает благоприятную среду для дальнейшего развития и размножения, вызывая различные патологические состояния.
Механизм микробной адгезии заключается в том, что на оболочке микроорганизма содержатся белки, соответствующие опрделенному адгезивному рецептору. В результате образуется прочное соединение между патогенным бактериальным агентом и тканью организма, разрушить которое бывает крайне сложно.
Важнейшую роль нарушение адгезии в тканях играет в формировании и развитии опухолевого процесса. В первую очередь именно отсутствие прочных адгезионных связей приводит к относительно простому отделению опухолевых клеток от основного очага новообразования.
В результате такого патологического процесса онкологические клетки легко проникают в здоровые окружающие ткани и мигрируют дальше в сосудистое русло. После проникновения онкологических клеток в кровь происходит нарушение их морфологии, что нередко способствует обратному адгезионному процессу.
Это значит, что патологические клетки приобретают способность без труда прикрепляться к сосудистому эндотелию. Далее этот же механизм повышенной адгезионной способности лежит в основе прикрепления мигрирующих онкологических клеток в здоровые ткани и формирование метастаз опухоли.
Адгезия в терапии заболеваний
Благодаря использованию способности воздействовать на адгезионные процессы, современной медициной было разработано огромное множество эффективных терапевтических методик и лекарственных препаратов.
В первую очередь следует отметить противомикробную и противоопухолевую группу медикаментозных средств, основным направлением действия которых часто выступает именно разрушение адгезионных связей между клетками патогенного микроорганизма или онкологической структуры. Здесь требуется индивидуальный подход к каждому конкретному случаю, поскольку вышеописанный комплекс “ключ-замок”, который образуется между клетками, обычно отличается высочайшими показателями прочности и стабильности.
Кроме того, говоря о важности адгезии и когезии в терапии, нельзя не отметить, что практически все фармакологические формы лекарственных препаратов при проникновении в ткани и органы-мишени используют эти явления для связывания клеток.
Также противоадгезионная терапия нашла применение в лечении тромбозов и спаечных процессов. Нельзя не отметить, что в последние годы данное терапевтическое направление все чаще используется в эстетической медицине и косметологии. Так, например, по принципу противоадгезионных составов работают специальные препараты кератолитики, которые применяются в лечении гиперкератоза, при проведении аппаратного педикюра, а также все чаще используются для глубокого косметологического очищения кожи.
Вторая группа препаратов, механизм действия которых связан с явлениями адгезии и когезии, напротив, способствуют укреплению адгезивных связей. Эти лекарственные вещества активно используются при лечении дегенеративных процессов, происходящих в тканях, нейромышечных и неврологических расстройств. Кроме того, способствуют усилению адгезионных связей между клетками практически все ранозаживляющие составы. Основываясь на естественном действии иммуноглобулинов, по схожему принципу работают иммуностимуляторы.
Долгое время специалисты хирургического профиля стремились добиться возможности вживлять в организм пациента имплантаты из чужеродного для собственных тканей материала, которые были бы способны быстро интегрировать и образовывать прочные связи. Именно способность коррекции скорости процессов адгезии обеспечили возможность проведения успешных операции по вживлению имплантатов различной локализации и назначения.
Выводы
Явления адгезии и когезии играют важнейшую роль в процессах формирования и прикрепления эмбриона к стенке матки, а также нормального функционирования организма. Работу иммунитета, обмена веществ, системы кроветворения и кровоснабжения, пищеварения и дыхания невозможно представить без явлений адгезии и когезии. Любые нарушения адгезивных связей вызывают развитие патологических процессов различной степени тяжести, что оказывает существенное влияние на функционирование организма в целом. При этом современные способы лечения и производства фармакологических препаратов также активно используют возможность регулировать адгезионные свойства тканей.
Источники
- Голенченко В.А. Биологические мембраны / Биохимия: Учеб. для вузов / Под ред. Е.С. Северина — М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003. — С. 245-248.
- Молекулы клеточной адгезии и рецепторы: сравнение функционирования. — Электронный ресурс. Режим доступа: http://humbio.ru/humbio/cytology/0000fac4.htm.
- Rho proteins, PI 3-kinases and monocyte/macrophage motility / A.J. Ridley, K.A. Beningo, M. Dembo et al. // FEBS Lett. — 2001. — Vol. 498. — P. 168-171.
- Zamir E. Molecular complexity and dynamics of cell-matrix adhesions / E. Zamir, B. Geiger // J. Cell Sci. — 2001. — Vol. 114. — P. 3583-3590.
- Патофизиология: учебник / Литвицкий П.Ф. – 4-е изд., — 2009. – 496 с.
