CC BY
1347
Молекулярные механизмы “цитокинового шторма” при острых инфекционных заболеваниях
^ М.В. Шипилов
Кафедра психологии Смоленского государственного университета
Описана клиническая картина “цитокинового шторма” на примере последствий введения экспериментального препарата ТОШ412 здоровым волонтерам в марте 2006 г. Перечислены наиболее частые инфекционные заболевания, при которых возможно развитие синдрома, и его патофизиологические механизмы. Описаны возможные цитокины, которые вносят кардинальный вклад в клинику “цитокинового шторма”.
Ключевые слова: “цитокиновый шторм”, цитокины, острые инфекционные заболевания, грипп, диагностика.
Цитокины представляют собой низкомолекулярные белки, которые вырабатываются преимущественно эффекторными клетками крови и являются универсальными регуляторами, контролирующими важнейшие процессы клеточного гомеостаза. В настоящее время открыто более 100 ци-токинов. Все они в совокупности образуют цитокиновую сеть, функционирование которой носит универсальный, достаточно стереотипный и врожденный характер. Ци-токиновая сеть является одной из важнейших регуляторных систем организма наравне с нервной, кроветворной, эндокринной и другими системами [1—3].
Уровень цитокинов в периферической крови может быть повышен при многих заболеваниях, однако в ряде случаев может наблюдаться превышение нормальной их концентрации в десятки, сотни и более раз с развитием своеобразной клинической картины, в основе которой лежит системная воспалительная реакция. Данное состояние в литературе получило образное название “цитокиновый шторм (буря)”, которое подчеркивает чрезвычайно бурную ре-
Контактная информация: Шипилов Михаил Васильевич, [email protected]
акцию иммуннои системы с неизвестным (чаще неблагоприятным) исходом [4—6].
Пристальное внимание со стороны ученого мира и общественности к проблеме чрезвычаино высокого уровня цитокинов в периферической крови (гиперцитокине-мии) было привлечено 13 марта 2006 г., когда 6 предварительно обследованным здоровым мужчинам-добровольцам в процессе проведения двойного слепого рандомизированного плацебоконтролируемого исследования I фазы был введен опытный препарат ТОШ412 (Лондон, Великобритания). Препарат представляет собой моноклональные антитела ^О, прямо стимулирующие ТЪ2-лимфоциты посредством преимущественного воздействия на СБ28+-рецеп-торы, находящиеся на их поверхности. В проведенных до этого исследованиях на мышах чистых линий не было выявлено каких-либо токсичных и провоспалительных свойств препарата, был зарегистрирован только транзиторный лимфоцитоз. Однако уже через 1 ч после введения все испытуемые начали жаловаться на сильную головную боль, боли в поясничной области, ми-алгии. Чуть позже к указанным симптомам присоединились тошнота, рвота, диарея,
Обзоры
появилась лихорадка с высокой температурой. Пациенты стали беспокойными. Возникла тахикардия, артериальная гипотензия. При рентгенографии были отмечены инфильтраты в легких с быстрым развитием острой дыхательной недостаточности. Кроме того, у всех больных отмечались патологические изменения со стороны почек: боли в пояснице, олигурия, повышение уровня креатинина крови. У большинства волонтеров был зарегистрирован синдром диссеминированного внутрисосудистого свертывания. Отличительной особенностью у всех этих пациентов было увеличение размеров шеи в несколько раз за счет отека, связанного с повышением проницаемости капилляров (это получило название “человек-слон”) [7].
В гемограмме у добровольцев был отмечен нейтрофилез, лимфопения (особенно за счет Т-лимфоцитов). Помимо этого уже через 1 ч после введения препарата в периферической крови выявлялось резкое повышение уровня фактора некроза опухоли а (ФНО-а), через 4 ч — значительное увеличение уровня интерлейкина-6 (ИЛ-6), ИЛ-10, ИЛ-2, интерферона-у (ИФН-у). Выявленную гиперцитокинемию в последующем связали с развившимися изменениями со стороны большинства органов и тканей у изначально здоровых лиц. Совершенно неожиданной оказалась тяжелая лимфопе-ния и значительное повреждение легких, вследствие чего 5 из 6 пациентов пришлось провести искусственную вентиляцию легких [7].
Всем больным проводили лечение в условиях реанимационного отделения. Оно заключалось во введении больших доз глюкокортикостероидов (пульс-терапия), назначении жаропонижающей терапии (парацетамол), неоднократном проведении гемодиализа и плазмафереза. После проведенного интенсивного лечения пациенты медленно пошли на поправку. Данный эксперимент, от которого не была
“застрахована” ни одна фармацевтическая компания, показал, что внутривенная ин-фузия ТОК 1412 посредством действия на Т-лимфоциты привела к внезапной и бесконтрольной выработке мощнейших про-воспалительных цитокинов. В последующем активация Т-лимфоцитов сменилась уменьшением их активности. После проведенного интенсивного лечения Т-лимфоциты быстро восстановились [7].
Описанное клиническое состояние было расценено как особый и редко описываемый ранее синдром — “цитокиновый шторм”, однако механизм действия моноклональных антител, приведший к массивной выработке провоспалительных цито-кинов, до настоящего времени остается неясным. В связи с тем, что препарат ТОК1412 соединяется с СБ28+-рецептора-ми Т-лимфоцитов, активация этих клеток привела к повышенной выработке цитоки-нов. Однако, по данным последних исследований, в случае селективной активации Т-лимфоцитов продукция цитокинов не была бы такой чрезвычайно быстрой, какая наблюдалась у волонтеров. При введении моноклональных антител к СБ28+-рецеп-тору в культуру лейкоцитов была отмечена продукция ФНО-а не лимфоцитами, а моноцитами, в связи с чем авторы сделали заключение о том, что в “цитокиновом шторме”, по крайней мере в его инициальной фазе, принимают более значительное участие не Т-лимфоциты, а моноциты, роль которых в развитии “цитокинового шторма” до настоящего исследования считалась достаточно скромной [8].
Со времени описанного эксперимента стало понятным, что цитокины являются настолько мощными регуляторами гомеостаза, что значительное и резкое изменение их концентрации в крови подчас ставит под угрозу саму жизнь человека. В последующем клиническая картина “цитокинового шторма” была выделена в качестве отдельного синдрома, имеющего свои, достаточно
Механизмы “цитокинового шторма”
четко очерченные клинико-лабораторные особенности и осложняющего тяжелое течение многих заболеваний, как инфекционных, так и неинфекционных. Существующие работы охватывают большой спектр заболеваний: инфекционно-токсический шок, сепсис, желтую лихорадку, лихорадку Эбола, тяжелый острый респираторный синдром, вызванный коронавирусом, острый панкреатит, состояние после тяжелых травм, реакцию отторжения трансплантата и др. [9—19]. “Цитокиновый шторм” может развиться после имплантации эмбрионов в связи с активацией NK-клеток и Т-лимфо-цитов. С активацией местного и общего иммунного ответа в результате чрезмерной продукции провоспалительных цитокинов связывают и выкидыши, и преждевременные роды [20, 21].
При изучении “цитокинового шторма” на примере сепсиса и других заболеваний ученые обратили внимание на постоянно низкий уровень цитокинов, продуцируемых Т-лимфоцитами, что связывают с апоптозом данных клеток [22]. “Цитоки-новый шторм” был описан и у онкологических больных, у которых развивалась полиорганная недостаточность и наступала быстрая гибель [23]. “Цитокиновый шторм” был выявлен и в экспериментальных условиях: на модели мышей, зараженных вирусом птичьего гриппа [24]. Учитывая эти обстоятельства и достаточно однотипную клиническую картину “цитокино-вого шторма”, можно предположить, что этиологический фактор, запустив механизм бесконтрольной активации эффек-торных клеток крови, в последующем патогенезе играет меньшую роль.
Из всех инфекционных заболеваний наиболее часто наблюдения “цитокинового шторма” встречаются при гриппе. Так, “ци-токиновый шторм” нередко развивается у больных птичьим гриппом (H5N1) [5, 6, 25, 26]. M.D. Jong et al. проводят прямую связь между тяжелым и подчас смертельным течением птичьего гриппа и гиперцитокине-
мией [6]. В литературе также имеются отдельные наблюдения гиперцитокинемии при свином гриппе (НШ1) сезона 2009—2010 годов, сопровождающейся у всех больных резко выраженной лимфопенией [27—31]. Механизм действия повышенного уровня ФНО-а, ИЛ-ф, ИЛ-6 при тяжелом течении гриппа в настоящее время объясняется запуском трипсин/ММП-9-цикла (ММП-9 — матриксные металлопротеина-зы-9) в клетках многих органов и тканей, особенно в эндотелиоцитах, что приводит к разрушению матрикса вокруг микрососудов, увеличению сосудистой проницаемости с подавлением в клетках продукции аденозинтрифосфата, что вызывает “энергетический кризис клеток” [32]. Другие исследователи механизм патогенного действия повышенного уровня провоспали-тельных цитокинов при тяжелом течении как гриппа, так и других острых респираторных вирусных инфекций связывают с резким изменением липидного и углеводного обмена клеток, а также с воздействием на рецепторы, активирующие пролиферацию клеток под действием пероксисом (РРАЯ) [33].
До настоящего времени остается неясным вопрос, какие из изученных цитоки-нов играют ведущую, кардинальную роль в поражении большинства органов и систем. В то же время обнаружение основных “виновников” синдрома обязательно привело бы к потенциальной возможности блокады их выработки иммунокомпетентными клетками или к возможности нейтрализации их в крови еще до связывания со специфическими рецепторами органов-мишеней.
В разное время эти “вакантные места” занимали ФНО-а, ИЛ-1, ИЛ-6, ИЛ-8, ИФН-у. В последнее время уделяется внимание изучению биологического действия ИФН-у как одного из ведущих “игроков” в патогенезе “цитокинового шторма” [34]. На модели мышей показана кардинальная роль ИЛ-15 в развитии вирусной пневмо-
Обзоры
нии, вызванной высокопатогенным штаммом гриппа H1N1, так как после блокады рецепторов к ИЛ-15 у инфицированных мышей было отмечено статистически значимое снижение смертности [35].
Исходя из однотипности врожденного защитного ответа организма, а также универсальности клинических проявлений “цитокинового шторма” у больных с инфекционной и неинфекционной патологией, можно предположить однонаправленные нарушения функционирования эф-фекторных клеток крови с преобладанием выработки одних и тех же цитокинов, причем не только провоспалительных. Так, во время “цитокинового шторма” у больных острым панкреатитом были выделены в превышающих норму концентрациях как провоспалительные (ФНО-а, ИЛ-1, ИЛ-6, ИЛ-8 и другие хемокины, фактор активации тромбоцитов и др.), так и противовоспалительные (ИЛ-1Яа, ИЛ-10) цитокины [16]. В нашем исследовании у больных с тяжелым течением гриппа H1N1 наряду с высоким содержанием мощных цитокинов воспаления было зарегистрировано повышение и уровня противовоспалительного ИЛ-1Яа [36].
На модели тяжелого течения гриппа А у мышей было выявлено резкое повышение уровня ФНО-а, ИЛ-ф, ИЛ-6 с развитием “цитокинового шторма” и полиорганной недостаточности [37]. Другие исследователи определяют следующую “тройку лидеров” в развитии “цитокинового шторма” при гриппе: ФНО-а, ИЛ-6 и хемокины, основным из которых является ИЛ-8 [31, 38]. При исследовании цитокинового профиля у больных птичьим гриппом отмечено повышение концентрации в крови многих цитокинов (ФНО-а, ИФН-у, ИФН-а/р, ИЛ-6, ИЛ-1, MIP-1, MIG, IP-10, MCP-1, RANTES, ИЛ-8), продуцируемых макрофагами и Т-лимфоцитами. Однако D. Us посчитал наиболее важными и определяющими всю клиническую картину ослож-
ненного течения только три цитокина: ФНО-а, ИЛ-6 и ИФН-у [5]. У больных с тяжелым течением гриппа НШ1 типичным симптомом заболевания была резко выраженная лимфоцитопения. Также отмечалось значительное повышение в периферической крови уровней ФНО-а, ИЛ-6, ИЛ-8, ИЛ-9, ИЛ-12, ИЛ-15. При этом уровни ФНО-а, ИЛ-6, ИЛ-8, ИЛ-15 в крови больных с тяжелым течением гриппа НШ1, прямо коррелирующие с концентрацией С-реактивного белка в системном кровотоке, были достоверно выше, чем при среднетяжелом течении [31]. Согласно данным .Т.Е Вегте^-Магйп е! а1., у больных, находящихся в критическом состоянии, значительно повышаются уровни ИЛ-6, ИЛ-12, ИЛ-15; именно их авторы рекомендуют определять при оценке прогноза заболевания [30].
Описанная в литературе гиперцитоки-немия у 56 больных лихорадкой Эбола, закончившаяся летальным исходом, проявлялась повышенным уровнем в крови ИЛ-1р, ИЛ-1Яа, ИЛ-6, ИЛ-8, ИЛ-15, ИЛ-16, хемокинов и факторов роста. В то же время были определены чрезвычайно низкие концентрации цитокинов, продуцируемых Т-лимфоцитами (ИЛ-2, ИЛ-3, ИЛ-4, ИЛ-5, ИЛ-9, ИЛ-13), что авторы объясняли массивной гибелью Т-лимфо-цитов, содержащих на своей поверхности рецепторы СБ3+СБ4+ и СБ3+СБ8+ [13].
На модели мышей, которым переливали несовместимую кровь, был искусственно вызван “цитокиновый шторм”, при этом отмечалось резкое повышение в плазме уровней ИЛ-6, МСР-1 с одновременным снижением концентрации ФНО-а и отсутствием статистически значимых изменений уровней ИЛ-10, ИЛ-12, ИФН-у [39]. При изучении сепсиса авторы, несмотря на повышенный уровень многих цитокинов, выделили самые мощные, которые все оказались провоспалительными: ФНО-а, ИЛ-1, ИЛ-6, ИЛ-8 и ИЛ-12 [10].
Механизмы “циминового шторма”
При исследовании цитокинового статуса у 88 больных с тяжелым острым респираторным синдромом, вызванным коронави-русом, было отмечено резкое повышение уровней ИФН-у, ИЛ-6, ИЛ-8, ИЛ-18, TGF-b, IP-10, MCP-1, MIG при нормальном уровне в крови ФНО-а, ИЛ-2, ИЛ-4, ИЛ-10, ИЛ-13. Однако кардинальным ци-токином, участвующим в повреждении тканей (прежде всего альвеол), является ИФН-у [15]. В хирургической практике (после обширных операций, тяжелых травм, при хирургическом сепсисе) ключевыми факторами считают продуцируемые макрофагами ФНО-а и ИЛ-10, которые, в свою очередь, активируют иммунокомпе-тентные клетки на выработку ИЛ-6, ИЛ-8, факторов роста, молекул адгезии, тромбина и др. [17].
Таким образом, исходя из современных представлений, “цитокиновый шторм” обусловлен повышенной продукцией комплекса как провоспалительных (преобладают над всеми), так и противовоспалительных цитокинов, а также факторов роста с их быстрым и избыточным поступлением в периферическую кровь. Согласно нашим исследованиям, у больных с тяжелым течением гриппа H1N1 с клинической картиной, типичной для “цитокинового шторма”, и последующим летальным исходом определялись резко повышенные уровни ИФН (ИФН-а и, особенно, ИФН-у), ФНО-а, ИЛ-6, ИЛ-8, ИЛ-18, которые могут служить маркерами тяжелого течения заболевания, характеризующегося развитием “цитокинового шторма” [29, 36, 40]. В то же время у всех обследованных нами
больных с тяжелым течением заболевания (п = 10) в системном кровотоке отсутствовал противовоспалительный лимфокин ИЛ-4 [41].
Полученные результаты, свидетельствующие о неадекватной гиперстимуляции клеток моноцитарного звена в процессе заболевания с массивной выработкой преимущественно провоспалительных цито-кинов, повышении активности моноцитов/макрофагов и нейтрофилов при одновременной депрессии активности Т-лим-фоцитов, могут указывать на то, что при тяжелом течении гриппа НШ1 развивается состояние, близкое к описываемому в научной литературе вторичному гемофагоци-тарному лимфогистиоцитозу (“ гемофаго -цитарному синдрому, ассоциированному с инфекцией”) [42]. Данное состояние, как и “цитокиновый шторм”, проявляется ги-перцитокинемией, связанной с чрезмерной активацией моноцитарно-макрофа-гальной системы, высокой лихорадкой, нарушением работы внутренних органов (прежде всего легких), и почти всегда заканчивается летальным исходом в связи с повреждающим действием избыточного количества провоспалительных цитоки-нов. Указанное положение согласуется с данными некоторых авторов, рассматривающих вторичный гемофагоцитарный синдром (синдром макрофагальной активации) как финальную стадию “цитокинового шторма” [43].
Со списком литературы вы можете ознакомиться на нашем сайте www.atmosphere-ph.ru
Molecular Mechanisms of Cytokine Storm in Acute Infectious Diseases M.V. Shipilov
The article describes the symptoms of cytokine storm in healthy volunteers after being injected with experimental drug TGN1412 in March 2006. Cytokine storm most often develops in particular infectious disease. Some cytokines may play crucial role in cytokine storm.
Key words: cytokine storm, cytokines, acute infectious diseases, influenza, diagnosis.
