CC BY
143
ШКОЛА ДЕТСКОГО АЛЛЕРГОЛОГА-ИММУНОЛОГА / SCHOOL OF THE CHILDREN'S ALLERGIST-IMMUNOLOGIST
РАЗДЕЛ IV
«ДИРИЖЕРЫ» МЕЖКЛЕТОЧНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ - ЦИТОКИНЫ
Часть 1
Ирина Викторовна Тарасова, кандидат медицинских наук, врач аллерголог-иммунолог
Научно-клинический консультативный центр аллергологии и иммунологии, Москва
Цитокины (cytokines, от лат. «cytos» - клетка) представляют собой продуцируемые активизированными клетками белково-пептидные факторы (с молекулярной массой от 8 до 80 КДа), обуславливающие межклеточные и межсистемные взаимодействия при кроветворении, воспалении и иммунном ответе. Именно они определяют выживаемость клеток, стимуляцию или ингибирование их роста, дифференцировку, функциональную активизацию и апоптоз1.
Эволюционно формирование системы цитоки-нов проходило одновременно с развитием многоклеточных организмов, что обусловлено необходимостью образования посредников межклеточного взаимодействия. К таким посредникам относятся гормоны, нейропептиды, молекулы адгезии2. Но именно цитокины представляют собой наиболее универсальную регуляторную группу благодаря своей способности проявлять биологическую активность как дистанционно, после секреции клеткой-продуцентом, так и при межклеточном контакте (мембранная форма). Осуществляя связь между иммунной, нервной, эндокринной и кроветворной системами, цитокины не только обеспечивают согласованность действия, но формируют и регулируют весь комплекс патофизиологических сдвигов как в нормальных условиях, так и в ответ на патологические воздействия.
Начало изучению цитокинов было положено на рубеже 20-30-х годов прошлого столетия работами известного американского бактериолога и
иммунолога Ханса Цинссера (Zinsser Hans), который совместно с коллегами в опытах по бактериальной аллергии показал, что некие продукты жизнедеятельности активизированных лейкоцитов заметно воздействуют на клетки стенок кровеносных сосудов, а именно активизируют эндотелий. Позже, в 1932 г., американские исследователи
A.Р. Рич и М.Р. Левис (A.R. Rich, M.R. Lewis) в культуре ткани, сенсибилизированной к туберкулезной бактерии, выявили значительное замедление миграции фагоцитов и быструю гибель макрофагов в присутствии антигена. А спустя несколько лет в научной литературе стали появляться работы, демонстрирующие способность сенсибилизированных к туберкулезной бактерии лимфоцитов в присутствии антигена вырабатывать гуморальный фактор, ингибирующий миграцию макрофагов из капилляра (J.R. David, B.R. Bloom,
B.C. Bennet). Сегодня последний известен как фактор ингибирования миграции макрофагов Macrophage migration inhibitory factor, MIF) и его считают первым идентифицированным гуморальным медиатором клеточных взаимодействий -цитокином.
Параллельно с описанными исследованиями in vitro велись и клинические наблюдения на моделях in vivo. Так, итальянский врач Е. Центанни (E. Centanni) вводил раковым больным плевральную жидкость от пациентов с тяжелой формой бактериальной пневмонии и в нескольких случаях наблюдал регрессию опухолей. Учёный установил,
1
Апоптоз (греч. - «опадание листьев») - форма гибели клетки, проявляющаяся в уменьшении её размера, фрагментации хроматина, уплотнении наружной и цитоплазматической мембран без выхода содержимого клетки в окружающую среду.
2 Адгезия (от лат. adhaesio - «прилипание») - результат проявления сил межмолекулярного взаимодействия между контактирующими молекулами.
что именно токсин Е. coli (теперь известно, что это липополисахарид, ЛПС; lipopolysaccharide) индуцирует выработку в организме эндогенного медиатора регрессии опухоли. Другой исследователь, физиолог Менкинс (Menkins), изучая лихорадочные состояния, в 1943 г. обратил внимание на то, что именно лейкоциты продуцируют некую пиро-генную субстанцию, которую он назвал пирекси-ном (pyrexin). В 1955 г. циркулирующий пироген-ный фактор удалось обнаружить в крови кроликов с лихорадкой (E. Atkins, W.B.J. Wood). Назвали его эндогенным пирогеном (ЕР). Ещё через 6 лет была доказана способность мононуклеарных клеток человека продуцировать ЕР в культуре in vitro (J.H. FessIer, 1961). А в 1977 г. ЕР очистили и показали его идентичность с продуктом макрофагов, описанным ранее как эндогенный медиатор лейкоцитов, индуцирующий воспалительные реакции острой фазы (C.Dinarello). Теперь этот фактор называют интерлейкином-1 (Interleukin-1, IL-l).
Примерно в это же время было обнаружено бластогенное действие супернатанта смешанной культуры лейкоцитов на лимфоциты (D.A. Morgan). Так был открыт фактор роста Т-клеток -TCGF, который затем получил название интерлей-кина-2 (Interleukin-2, IL-2). А в крови мышей, сенсибилизированных BCG (вакцинным штаммом туберкулезной бактерии) и реактивизированных введением ЛПС, был выявлен цитотоксичный белок, который вызывал гибель некоторых опухолевых клеток in vitro и геморрагический некроз некоторых опухолей у мышей in vivo (E.A. Cars-well). Данный фактор получил название «фактора некроза опухолей» (TNF).
Следует отметить, что до 70-х годов прошлого столетия применительно к цитокинам в зависимости от того, что было известно об их клетках-продуцентах (соответственно лимфоциты или моноциты) использовали термины «лимфоки-ны» и «монокины». Но в 1974 г. в лаборатории американского нейробиолога и биохимика Стенли Коена (Stanley Cohen) в супернатанте культивируемых клеток почки зеленой обезьяны, инфицированных вирусом SV40, обнаружили фактор, идентичный лимфоцитарному MIF. С. Коен понял, что гуморальные факторы, секре-тируемые из клетки, не являются исключительной особенностью лимфоцитов и моноцитов, и предложил более универсальный термин «цито-
кины», который является наиболее точным по смыслу и на настоящий день.
Сегодня к системе цитокинов относят около 200 различных полипептидных веществ, продуцируемых активизированными клетками - фибро-бластами, эндотелиальными клетками, моноцитами, макрофагами и лимфоцитами. После выделения перечисленными клетками-продуцентами цитокины имеют короткий период полувыведения из кровотока (около 30 мин.) и выводятся из организма преимущественно печенью и почками.
В норме цитокины не вырабатываются или сек-ретируются в очень низких концентрациях. Их синтез индуцируется главным образом под воздействием бактериальных продуктов. Одними из наиболее сильных индукторов являются компоненты клеточных стенок бактерий: липополисахариды, пептидогликаны и мурамилдипептиды. При этом образование и секреция цитокинов происходит кратковременно и строго регулируется. Гиперпродукция цитокинов способна стать причиной развития ряда патологических состояний, поэтому увеличение их уровней не может продолжаться бесконтрольно. При появлении цитокинов в кровотоке начинает повышаться синтез стероидных гормонов, которые, являясь мощными иммуносупрессо-рами, блокируют выработку цитокинов и не позволяют их уровню превышать предельные значения. Такой механизм является эффективным средством отрицательной обратной связи для контроля гиперпродукции цитокинов. Ведь в низких концентрациях цитокины необходимы для правильного формирования местного воспаления, тогда как более высокие дозы вызывают развитие системной воспалительной реакции, а патологически высокие концентрации приводят к состоянию септического шока и гибели организма.
Цитокины регулируют в первую очередь развитие местных защитных реакций в тканях с участием различных типов клеток крови, эндотелия, соединительной ткани и эпителия. Защита на местном уровне происходит путем формирования типичной воспалительной реакции с ее классическими проявлениями: развитием отека, покраснением, появлением болевого синдрома и нарушением функции. Описанные реакции начинаются с момента взаимодействия молекул патогена с клеткой организма через паттерн-распознающие рецепторы (pattern recognition receptors, PRRs), рас-
положенные на поверхности и/или внутри неё. Связывая различные бактериальные лиганды3, РИИ^ играют ключевую роль в развитии воспаления, инициируя развитие как врожденного иммунного ответа (запускают синтез цитокинов), так и приобретенного (индуцируют созревание дендритных клеток, презентацию захваченного антигена, дифференцировку Т-лимфоцитов).
Синтезируясь в очаге воспаления, цитокины действуют на клетки, участвующие в развитии воспаления, включая гранулоциты, макрофаги, фибробласты, клетки эндотелия и эпителия, а затем на Т- и В-лимфоциты. В случае несостоятельности местных защитных реакций они попадают в циркуляцию, и их действие проявляется на системном уровне, что приводит к развитию «острофазового» ответа на уровне организма. При этом цитокины оказывают влияние практически на все органы и системы, участвующие в регуляции гомеостаза. Однако ни одно из происходящих изменений не носит случайного характера: все они нужны для непосредственной активизации защитных реакций и борьбы с патогенами.
Всего на сегодняшний день различают четыре механизма действия цитокинов:
1. Интракринный механизм - действие цитокинов внутри клетки-продуцента; связывание цито-кинов со специфическими внутриклеточными рецепторами.
2. Аутокринный механизм - действие секретируе-мого цитокина на саму секретирующую клетку.
3. Паракринный механизм - действие цитокинов на близкорасположенные клетки и ткани, например в очаге воспаления или в лимфоид-ном органе.
4. Эндокринный механизм - действие цитокинов дистанционно на клетки любых органов и тканей после попадания цитокина в циркуляцию. При этом непосредственное действие цитокина
осуществляется путём взаимодействия со специфическими рецепторами, расположенными на мембране клеток-мишеней.
В большинстве случаев такие рецепторы представлены одной, двумя или тремя пептидными или гликопротеидными цепями, встроенными в клеточную мембрану. Цитокин взаимодействует с
внешней, экстрацеллюлярной, частью рецептора. Сигнал о взаимодействии передаётся внутрь клетки интрацеллюлярной частью рецептора, которая обладает ферментативной активностью. Следует отметить, что в составе клеточных мембран одни цепи реагируют только с определенным цитоки-ном, в то время как другие способны формировать общие рецепторы для разных цитокинов. Наличие общих структур в рецепторах может обусловливать функциональное сходство ряда цитокинов. Кроме того, существуют общие групповые рецепторы, способствующие устранению избытка цито-кинов из очага поражения.
Сегодня известно, что указанные рецепторы могут существовать как в мембранно-связанной форме, так и, отщепляясь от поверхности клетки, переходить в растворимую форму, которую можно обнаружить в разных биологических жидкостях организма (например, сыворотка крови, моча). Растворимые рецепторы способны выполнять функции конкурирующих антагонистов, а также участвовать в транспорте, доставке цитокинов в очаг поражения и выведении их из организма.
Проведенный анализ строения рецепторов позволил разделить их на пять основных типов согласно сходству аминокислотных последовательностей и особенностям организации внеклеточных доменов:
1. Наиболее крупное семейство рецепторов цито-кинов, носящее название семейства гемопоэти-новых рецепторов или семейства цитокиновых рецепторов I типа. К нему относятся рецепторы к IL-2 , IL-3 , IL-4 , IL-5 , IL-6 , IL-7 , IL-9 , IL-12, G-CSF (гранулоцитарный колониестимули-рующий фактор, Г-КСФ) и GM-CSF (грануло-цитарно-макрофагальный колониестимули-рующий фактор, ГМ-КСФ).
2. Второе по величине семейство объединяет рецепторы ко всем интерферонам (Interferons), а также рецепторы к IFNa и IFN$, IL-10 и CSF-M (колониестимулирующий фактор макрофагов, М-КСФ).
Следующие три группы рецепторов обеспечивают взаимодействие с цитокинами семейства фактора некроза опухолей и семейства интерлей-кинов.
3 Лиганды (от лат. ligo - «связываю») - нейтральные молекулы, ионы или радикалы, связанные с центральным атомом комплексного соединения.
3. Третий тип представлен рецепторами цитоки-нов, относящихся к группе фактора некроза опухолей: TNFa (фактор некроза опухоли альфа, ФНО-альфа), TNF$ (фактор некроза опухоли бета, ФНО-бета), лимфотоксин (ЛТ) и NGF (nerve growth factor, - фактор роста нервов4).
4. Четвертый тип рецепторов цитокинов принадлежит к суперсемейству иммуноглобулиновых рецепторов, имеющих внеклеточные домены, напоминающие строение доменов молекул иммуноглобулинов.
5. Наконец, пятый тип представлен рецепторами, связывающимися с молекулами семейства хемокинов.
В рамках иммунной системы цитокины осуществляют взаимосвязь между неспецифическими защитными реакциями и специфическим иммунитетом, действуя в обоих направлениях. Примером цитокиновой регуляции специфического иммунитета служит дифференцировка и поддержание баланса между Т-лимфоцитами хел-перами 1-го и 2-го типов. Т-хелперы 1-го типа (Тх1) продуцируют IL-2 и INF-(, тогда как Т-хелперы 2-го типа (Тх2) - IL-4, IL-5, IL-6, IL-9, IL-10 и IL-13. Тх1 осуществляет хелперную функцию в формировании клеточного иммунитета, а Тх2 -гуморального. Считается, что оба типа Т-хелпе-ров, как Тх1, так и Тх2, образуются из Тх0, синтезирующих цитокины. Переход Тх0 в Тх1 опосредуется INF( и IL-12. Тх2 образуются под воздействием IL-4. Тх1 и Тх2 участвуют в различных ответных реакциях на патогенное воздействие инфекционных агентов, что зависит от типа патогена и его локализации в клетке. Нарушение баланса цитокинпродуцирующей активности Тх1 и Tx2 играет значительную роль в развитии аутоиммунных состояний, хронизации и прогрессиро-вании заболеваний.
В последние годы выяснилось, что регулятор-ная роль цитокинов в организме не ограничивается только иммунным ответом. Они участвуют также:
- в регуляции эмбриогенеза, закладке и развитии ряда органов, в том числе органов иммунной системы;
- в регуляции отдельных нормальных физиологических функций, например нормального кроветворения;
- в регуляции процессов регенерации поврежденных тканей.
Таким образом, цитокины участвуют в жизненно важных процессах, происходящих в организме, и характеризуются такими общими свойствами: плейотропностью, синергизмом и антагонизмом, взаимозаменяемостью биологического действия, а также отсутствием антигенной специфичности.
Плейотропность (полифункциональность) представляет собой способность одного и того же цитокина вызывать различные биологические эффекты у различных типов клеток-мишеней. Синергизм цитокинов проявляется в том, что эффекты двух цитокинов намного выше, чем сложенные эффекты отдельных цитокинов, а антагонизм - в способности одних цитокинов подавлять или нейтрализовать эффекты других. Взаимозаменяемость биологического действия отражает способность нескольких разных цитокинов вызывать один и тот же биологический эффект, либо обладать похожей активностью.
Таким образом, спектры биологических активностей цитокинов в значительной степени перекрываются.
Кроме перечисленных функциональных характеристик, для цитокинов характерно ещё одно общее свойство - формирование цитокиновой сети. Каскадный характер действия цитокинов проявляется в том, что один цитокин индуцирует продукцию другого, который в свою очередь вызывает выработку следующего, и так далее.
На сегодняшний день существуют различные классификации цитокинов. Классифицироваться они могут по своим биохимическим характеристикам или по типам рецепторов, посредством которых осуществляют свои биологические функции. Однако это деление весьма условно, так как практически все цитокины полифункциональны и действуют по каскадному принципу. Кроме того, при взаимодействии цитокинов их биологические эффекты могут меняться.
Наиболее целесообразной, по мнению большинства авторов, является классификация цито-
4 NGF (фактор роста нервов) - небольшой секретируемый белок, играющий важную роль в поддержании жизнедеятельности нейронов.
кинов по их биологическим функциям. В соответствии с ней к цитокинам относят интерфероны (ИФН), колониестимулирующие факторы, хемо-кины, трансформирующие ростовые факторы, группу факторов некроза опухолей (ФНО) и интерлейкины (ИЛ).
Существует классификация цитокинов и по механизму действия, которая позволяет разделить их на следующие группы.
1. Гемопоэтические факторы:
• GM-CSF - granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор, ГМ-КСФ);
• G-CSF - granulocyte colony-stimulating factor (гранулоцитарный колониестимулирующий фактор, Г-КСФ);
• CSF-M - colony-stimulating factor macropha-ge-specific, (колониестимулирующий фактор макрофагов, М-КСФ);
• IL - Interleukin (интерлейкины): IL-2, IL-3, IL-4, IL-5, IL-6, IL-7, IL-11, IL-12, IL-13, IL-15.
Цитокины, относящиеся к группе гемопоэтиче-ских факторов, участвуют в процессах пролиферации и дифференцировки гемопоэтических клеток. Они необходимы для созревания клеток крови.
2. Регуляторы естественного иммунитета:
• IFNa и IFN$ — interferon- а и interferon-$ (интерферон альфа и интерферон бета);
• IL — Interleukin (интерлейкины): IL-1 и IL-6;
• TNFa — tumor necrosis factor alpha (фактор некроза опухоли альфа);
• Chemokine (хемокины — класс цитокинов, необходимых для активизации нейтрофилов и моноцитов и привлечения этих клеток в очаг воспаления):
MCP-1 — macrophage chemotactic protein-1 (хемотаксический для макрофагов белок 1), IL-8 и RANTES (цитокин A5) - Regulated on Activation, Normal T-cell Expressed and Secreted (хемокин, выделяемый T- клетками при активизации).
Данная группа участвует в неспецифической защите организма от бактериальных и вирусных инфекций.
3. Цитокины, регулирующие специфические
иммунные реакции:
• IL - Interleukin (интерлейкины): IL-2 и IL-4, IL-5, IL-12 , IL-13, IL-18;
• TGF$ - transforming growth factor $ (трансформирующий фактор роста бета).
Все они участвуют в активизации, росте и диф-ференцировке лимфоцитов.
4. Цитокины, регулирующие воспалительные
реакции, развивающиеся в процессе специфического иммунного ответа:
• INFy - interferon-y (интерферон гамма);
• IL - Interleukin (интерлейкины): IL-5, IL-10;
• Lymphotoxin (лимфотоксин - цитокин, участвующий в лимфоидном органогенезе и в диффе-ренцировке Т-клеток).
Их основная функция - активизация неспецифических эффекторных клеток: цитотоксических макрофагов и естественных киллеров.
Характеризуя влияние цитокинов на воспалительный иммунный ответ, в литературе наиболее часто употребляются термины «провоспалитель-ные» и «противовоспалительные» цитокины. Провоспалительные цитокины продуцируются, секретируются и действуют через свои рецепторы на иммунокомпетентные клетки, участвующие в запуске специфического иммунного ответа, на ранней стадии воспалительного ответа и в эффек-торной его фазе. Основными представителями этой группы являются: IL-1, IL-6, IL-8, IL-12, TNF-а, INF-a,y, MIF.
Альтернативную группу - IL-4, IL-10, IL-13 и TGF-$ — представляют противовоспалительные цитокины. Они подавляют функцию клеток, участвующих в воспалении, угнетают развитие воспалительных процессов и тем самым осуществляют контроль за эффектами провоспалительных цито-кинов. Следовательно, баланс между провоспали-тельными и противовоспалительными цитокина-ми является важным моментом в регуляции воспалительной реакции, и от него во многом зависит характер течения болезни и ее исход. Кроме того, баланс цитокинов в воспалительный период определяет последующую форму иммунного ответа, будет ли это преимущественно клеточный или гуморальный иммунный ответ. Многие исследователи полагают, что именно цитокиновый дисбаланс является основой для развития хронических воспалительных заболеваний. ■
Более подробная информация о роли цитокинов в патогенезе различных заболеваний, возможностях их терапевтического применения, а также характеристика отдельных представителей -в следующем номере журнала.
