Stereocilia (ucho wewnętrzne)

Ten artykuł dotyczy stereocilii ucha. W przypadku stereocilii najądrza patrz Stereocilia (najądrza) .

Zobacz też: Komórka włosów

Stereocilia ucha wewnętrznego żaby.

W uchu wewnętrznym stereocilia to mechanosensoryczne organelle komórek rzęsatych , które reagują na płynny ruch u wielu typów zwierząt w celu różnych funkcji, w tym słuchu i równowagi. Mają długość około 10–50 mikrometrów i mają podobne cechy jak mikrokosmki . Komórki rzęsate zamieniają ciśnienie płynu i inne bodźce mechaniczne w bodźce elektryczne za pośrednictwem wielu mikrokosmków tworzących pręciki stereocilia. Stereocilia występują w słuchowym i przedsionkowym .

Morfologia

Przypominające włosowate wypustki stereocilia są ułożone w pęczki po 30-300. W wiązkach stereocilia są często ułożone w kilku rzędach o rosnącej wysokości, podobnie jak schody. W rdzeniu tych przypominających włosy stereocilii znajdują się sztywne usieciowane włókna aktynowe , które mogą odnawiać się co 48 godzin. Te włókna aktynowe skierowane są swoimi dodatnimi końcami na końcach rzęsek, a ujemnymi końcami u podstawy i mogą mieć długość do 120 mikrometrów. Struktury włókniste, zwane ogniwami końcówkowymi , połącz końcówki stereocilii w sąsiednich rzędach w wiązkach. Łączniki końcowe składają się z prawie pionowych cienkich włókien, które biegną w górę od górnego końca krótszej stereocilii do jej wyższego sąsiada. Łączniki końcówek są analogiczne do maleńkich sprężynek, które po rozciągnięciu otwierają kanały selektywne dla kationów , umożliwiając w ten sposób przepływ jonów przez błonę komórkową do komórek rzęsatych. Są również zaangażowane w przenoszenie siły w wiązce i utrzymanie struktury wiązki włosów.

Ścieżka słuchowa

Przekrój przez narząd spiralny Cortiego, w powiększeniu. Stereocilia to „włosy” wystające z wierzchołków wewnętrznych i zewnętrznych komórek rzęsatych .

Jako czujniki akustyczne u ssaków stereocilia są ułożone w narządzie Cortiego w ślimaku ucha wewnętrznego. W słyszeniu stereocilia przekształca energię mechaniczną fal dźwiękowych w sygnały elektryczne dla komórek rzęsatych, co ostatecznie prowadzi do pobudzenia nerwu słuchowego . Stereocilia składają się z cytoplazmy z osadzonymi wiązkami usieciowanych aktynowych . Włókna aktynowe zakotwiczają się w końcowej wstędze i górnej części błony komórkowej i są ułożone w różnych stopniach wysokości. Gdy fale dźwiękowe rozchodzą się w ślimaku, ruch płynu endolimfy wygina stereocilia. Jeśli kierunek ruchu jest skierowany w stronę wyższych stereocilii, w ogniwach końcówek rozwija się napięcie, mechanicznie otwierając kanały transdukcji w pobliżu końcówek. Kationy z endolimfy do komórki, depolaryzując komórkę włoskowatą i wyzwalając uwalnianie neuroprzekaźników do pobliskich nerwów, które wysyłają sygnał elektryczny do ośrodkowego układu nerwowego.

Droga przedsionkowa

W układzie przedsionkowym stereocilia znajdują się w narządach otolitycznych i kanałach półkolistych . Komórki rzęsate w układzie przedsionkowym różnią się nieco od tych w układzie słuchowym, ponieważ przedsionkowe komórki rzęsate mają jedną najwyższą rzęskę, zwaną kinocilium . Zginanie stereocilii w kierunku kinocilium depolaryzuje komórkę i powoduje zwiększoną aktywność aferentną . Odchylenie stereocilii od kinocilium powoduje hiperpolaryzację komórki i powoduje spadek aktywności aferentnej. W kanałach półkolistych komórki rzęsate znajdują się w crista ampullaris , a stereocilia wystają do bańki ampułkowej . Tutaj stereocilia są zorientowane w tym samym kierunku. W otolitach komórki rzęsate są zwieńczone małymi kryształkami węglanu wapnia zwanymi otokoniami . W przeciwieństwie do kanałów półkolistych kinocilia komórek rzęsatych w otolitach nie są zorientowane w stałym kierunku. Kinocilia wskazują w kierunku (w łagiewce ) lub z dala od (w woreczku ) linia środkowa zwana striolą.

Transdukcja mechanoelektryczna

W ślimaku ruch ścinający między błoną nakrywkową a błoną podstawną odchyla stereocilia, wpływając na napięcie na włóknach końcówek, które następnie otwierają i zamykają niespecyficzne kanały jonowe. Gdy napięcie wzrasta, zwiększa się również przepływ jonów przez błonę do komórki włosa. Taki napływ jonów powoduje depolaryzację komórki, w wyniku czego powstaje potencjał elektryczny, który ostatecznie prowadzi do sygnału dla nerwu słuchowego i mózgu. Tożsamość mechanowrażliwych kanałów w stereocilii jest nadal nieznana.

Uważa się, że kanały transdukcji związane z stereocilią leżą na dystalnych końcach stereocilii. Odchylenia stereocilii w kierunku najwyższych stereocilii prowadzą do zwiększonej szybkości otwierania niespecyficznych kanałów kationowych. To z kolei powoduje depolaryzację receptorów i prowadzi do pobudzenia aferentów nerwu ślimakowego , które znajdują się u podstawy komórki rzęsatej . Odchylenie stereocilii w przeciwnym kierunku w kierunku najkrótszej stereocilii powoduje zamknięcie kanałów transdukcji. W tej sytuacji komórki rzęsate ulegają hiperpolaryzacji a nerwy doprowadzające nie są pobudzone.

Istnieją dwa różne rodzaje płynów, które otaczają komórki rzęsate ucha wewnętrznego. Endolimfa to płyn otaczający wierzchołkowe powierzchnie komórek rzęsatych. Potas jest głównym kationem w endolimfie i uważa się, że jest odpowiedzialny za przenoszenie prądów receptorowych w ślimaku . Przychłonka otacza boki i podstawy komórek rzęsatych. Przychłonka ma niską zawartość potasu i wysoką zawartość sodu . Różne składy jonowe otaczającego płynu oprócz potencjału spoczynkowego komórki włoskowatej tworzy różnicę potencjałów w poprzek błony wierzchołkowej komórki rzęsatej, więc potas dostaje się, gdy otwierają się kanały transdukcji. Napływ jonów potasu depolaryzuje komórkę i powoduje uwolnienie neuroprzekaźnika, który może inicjować impulsy nerwowe w neuronach czuciowych, które tworzą synapsy u podstawy komórki rzęsatej.

Zniszczenie stereocilii

Stereocilia (wraz z całą komórką słuchową) u ssaków może zostać uszkodzona lub zniszczona przez nadmierne głośne dźwięki , choroby i toksyny i nie podlega regeneracji. Uszkodzenie słuchu wywołane hałasem środowiskowym jest prawdopodobnie najbardziej rozpowszechnionym skutkiem zdrowotnym hałasu według Agencji Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych . Nieprawidłowa struktura/organizacja wiązki stereocilii może również powodować głuchotę, co z kolei stwarza problemy z równowagą u danej osoby. U innych kręgowców, jeśli komórka włoskowata zostanie uszkodzona, komórki podtrzymujące dzielą się i zastępują uszkodzone komórki rzęsate.

Badania genetyczne

Gen reduktazy sulfotlenku metioniny B3 (MsrB3), enzym naprawiający białka, jest zaangażowany w zwyrodnienie wiązki stereocilii na dużą skalę, a także w wiele innych czynników, takich jak wiek ciążowy i tolerancja na zimne środowisko u roślin. Chociaż dokładny proces patogenezy nie jest znany, wydaje się, że jest on związany z apoptotyczną śmiercią komórki. Badanie oparte na splicingu morfolinos w celu obniżenia ekspresji MsrB3 u danio pręgowanego wykazało krótsze, cieńsze i bardziej zatłoczone rzęski , a także małe, niewłaściwie rozmieszczone otolity . Przeszło również kilka stereocilii apoptoza . Wstrzyknięcie typu dzikiego uratowało deficyty słuchowe, co sugeruje, że MsrB3 pomaga zapobiegać apoptozie .

Zaobserwowano, że inny gen, DFNB74, jest odpowiedzialny za recesywną utratę słuchu. Utrata słuchu oparta na DFNB74 może być związana z mitochondriów . Głuchota oparta na DFNB74 i MsrB3 może być ze sobą powiązana. Badania nad tymi genami opierają się na rodzinach z recesywną głuchotą, a wiele niespokrewnionych rodzin z tą głuchotą ma mutacje zarówno w DFNB74, jak i MsrB3.

Uszkodzone lub nieprawidłowe stereocilia, które są wynikiem mutacji genetycznych, często powodują utratę słuchu i inne komplikacje i mogą być przekazywane dzieciom. W niedawnym badaniu naukowcy badali myszy, które odziedziczyły zmutowany gen komórek rzęsatych zwany wirem, który prowadzi do krótszych i grubszych stereocilii, które są zorganizowane w dodatkowe rzędy i które często obumierają po urodzeniu. Nie istnieją obecnie żadne terapie ani środki naprawcze, które zastąpiłyby takie wadliwe komórki rzęsate u ludzi. Aby skorygować tę mutację, naukowcy wstrzyknęli terapię genową zawierające poprawiony gen do ucha wewnętrznego myszy z mutacją genetyczną. Terapia przywróciła stereocilia do normalnej długości i wyeliminowała dodatkowe rzędy stereocilii u nowonarodzonych myszy wirujących. Pomimo odbudowy komórek rzęsatych leczone myszy wirujące nie wykazywały żadnych oznak poprawy zdolności słyszenia po badaniu po jednym miesiącu i po trzech miesiącach leczenia. Dalsze badania mają na celu zrozumienie, dlaczego przywrócenie stereocilii nie poprawiło zdolności słyszenia zmutowanych myszy.

Obecne badania

Dźwięk powyżej pewnego poziomu decybeli może spowodować trwałe uszkodzenie stereocilii ucha wewnętrznego. Nowe badania wykazały, że uszkodzenia można prawdopodobnie odwrócić, jeśli uda nam się naprawić lub odtworzyć niektóre białka w stereocilii. W tym badaniu naukowcy wykorzystali danio pręgowanego do zbadania ruchu białek w żywych komórkach ucha za pomocą mikroskopu konfokalnego . To pokazało, że białka stereocilii poruszają się szybko, co wskazuje, że ruch białek w komórkach rzęsatych może być bardzo ważnym czynnikiem dla utrzymania integralności wiązek włosów w uchu wewnętrznym. Dalsze badania wykazały, że miozyna i aktyna , dwa białka ważne dla ruchu komórek, poruszają się bardzo szybko. Fascyna 2b, białko zaangażowane w sieciowanie aktyny, porusza się jeszcze szybciej. Ciągły ruch białek w komórkach, wraz z ich wymianą i regulacją, pomaga komórkom w naprawie uszkodzeń. Szybki ruch tych białek zmienił nasze rozumienie stereocilii i wskazuje, że białka w stereocilii nie są nieruchome i statyczne. Dalsze badania mają na celu zbadanie manipulacji dynamiką białek w celu przywrócenia funkcji słuchu u człowieka po uszkodzeniu.