CC BY
243
ШКОЛА ДЕТСКОГО АЛЛЕРГОЛОГА-ИММУНОЛОГА / SCHOOL OF THE CHILDREN'S ALLERGIST-IMMUNOLOGIST
РАЗДЕЛ XVI
ЦИТОКИНЫ
И АУТОАНТИТЕЛА К ЦИТОКИНАМ
Часть 1
Е.Н. Супрун
Научно-клинический консультативный центр аллергологии и иммунологии, Москва
Цитокины - универсальные регуляторы жизненного цикла клеток, контролирующие процессы их дифференцировки, пролиферации, функциональной активности и апоптоза.
Напомним, что существует несколько различных классификаций цитокинов, основанных на их строении, функциональной активности, происхождении, типе цитокиновых рецепторов. Исходя из биологических эффектов, принято выделять несколько групп цитокинов.
• Интерлейкины (1Ь-1 - 1Ь-34) - секреторные белки иммунной системы, обеспечивающие внутрисистемные медиаторные взаимодействия и связь иммунной системы с другими системами организма. Среди их на основе функциональной активности выделяют про-воспалительные цитокины, ростовые факторы лимфоцитов, регуляторные цитокины.
• Интерфероны - противовирусные агенты с выраженным иммунорегуляторным действием (интерфероны 1 типа - а, в, б, к, ш, т; интерфероны 2 типа - Y, группа интерфероно-подобных цитокинов - 1Ь-28А (ЮТ-Л2), 1Ь-28В (ЮТ-Л3), 1Ь-29 (ЮТ-Л3).
• Факторы некроза опухоли - цитокины с цито-токсическим и регуляторным действием: TNF-а, лимфотоксины.
• Факторы роста гемопоэтических клеток -фактор роста стволовых клеток (с-К^-лиганд, 1Ь -3, 1Ь -7, 1Ь -11, эритропоэтин, тромбопоэ-тин, ГМ-КСФ, Г-КСФ, М-КСФ).
• Хемокины (СС, СХС (1Ь -8), СХС3С, С) -регуляторы хемотаксиса различных типов клеток.
• Факторы роста - регуляторы роста, диффе-ренцировки и функциональной активности клеток различной тканевой принадлежности (фактор роста фибробластов, фактор роста эндотелиальных клеток, фактор роста эпидер-
миса) и трансформирующий фактор роста (ТФР) [1].
Цитокины - это, как правило, гликозилиро-ванные полипептиды средней молекулярной массы (меньше 30 кДа), которые вырабатываются клетками иммунной системы и некоторыми другими клетками в ответ на активирующий стимул (патогены, цитокины и др.) и участвуют в реакциях врожденного и адаптивного иммунитета, регулируя их силу и продолжительность. Синтез цитокинов всегда начинается с транскрипции генов. Клетки вырабатывают цитокины в низкой концентрации (пикограммы). Цитокины действуют кратковременно. Их воздействие распространяется на клетки-мишени, находящиеся в непосредственной близости от продуцента. Основное место их активности -межклеточный синапс. Избыточность системы цитокинов проявляется в том, что каждый тип клеток способен продуцировать несколько цито-кинов, и каждый цитокин может секретироваться различными клетками. Для всех цитокинов свойственна плейотропность, или полифункциональность действия. Например, проявление признаков воспаления обусловлена действием 1Ь-1, ТОТ-а, 1Ь-6, 1Ь-8. Дублирование функций обеспечивает надежность работы системы цитокинов. Действие цитокинов на клетки-мишени опосредуется высокоспецифичными мембранными рецепторами, представляющими собой трансмембранные гликопротеины, которые состоят более чем из одной субъединицы. Внеклеточная часть рецепторов отвечает за связывание цитоки-на. Существуют рецепторы, устраняющие избыток цитокинов в патологическом очаге - рецепторы-ловушки. Растворимые рецепторы являются ферментативно отщепленным внеклеточным доменом мембранного рецептора. Растворимые рецепторы способны нейтрализовать цитокины, а
также участвовать в их транспорте в очаг воспаления и выведении из организма.
Цитокины работают по принципу сети. Они могут действовать согласованно - синергизм действий. Примеры синергического взаимодействия цитокинов - стимуляция воспалительных реакций 1Ь-1, 1Ь-6, ФНО-а, TNF-а, а также синтез ^Е под действием 1Ь-4, 1Ь-5 и 1Ь-13.
Одни цитокины способны индуцировать синтез других цитокинов - каскад. Каскадность действия цитокинов необходима для развития воспалительных и иммунных реакций. Способность одних цитокинов усиливать или ослаблять образование других служит основой для важных механизмов позитивной и негативной регуляции.
Действие цитокинов может быть антагонистическим: ЮТ^ тормозит выработку ^Е В-лимфо-цитами, при увеличении концентрации TNF-a происходит образование 1Ь-6, который может угнетать образование этого медиатора воспаления.
Цитокиновая регуляция функций клеток-мишеней осуществляется по аутокринному, пара-кринному или эндокринному механизмам. Некоторые цитокины (например, (1Ь-1, 1Ь-6, TNF-а) могут обладать тремя механизмами действия.
Ответ клеток на цитокины зависит от нескольких факторов: типа клеток и их исходной функциональной активности, локальной концентрации цитокина, наличия других медиаторных молекул. Таким образом, клетки-продуценты, цитокины и специфические для них рецепторы на клетках-мишенях формируют единую медиа-торную сеть. Именно набор регуляторных пептидов, а не индивидуальные цитокины, определяют окончательный ответ клетки [2].
КЛЕТКИ-ПРОДУЦЕНТЫ ЦИТОКИНОВ
Основную группу клеток-продуцентов цито-кинов в адаптивном иммунном ответе составляют Т-хелперы. При распознавании антигена происходит взаимодействие корецепторных молекул CD28 и CD80/86. Т-лимфоциты активируются и индуцируется транскрипция генов цитокинов, трансляция и секреция гликозилиро-ванных пептидов в межклеточное пространство. Отметим, покоящиеся клетки не секретируют цитокины.
Дифференцированные Thl-клетки вырабатывают INF-y, IL-2, IL-3, TNF-a, ГМ-КСФ, усиливающие клеточно-опосредованный иммунный ответ против внутриклеточных патогенов и опухолей. Thl и секретируемые ими цитокины также участвуют в развитии аутоиммунных процессов клеточного типа. Дифференциальные ТЬ2-клет-ки вырабатывают типичные для них цитокины (IL-4, 5, 6, 9, 10, 13, 21, 23, ГМ-КСФ), усиливающие гуморальный иммунный ответ и участвующие в аллергических реакциях, противогель-минтном ответе, гуморальных аутоиммунных процессах. Цитокины Thl и Th2 негативно регулируют активность Th, их продуцирующих. IL-4, IL-10 подавляют функцию Thl. INF-Y угнетает выработку ^2-клетками IL-4.
Выбор пути дифференцировки между Th1 и Th2 определяется природой антигена, действием IL-12 и IL-4, регулирующих белки STAT4 и STAT6 соответственно. Под влиянием бактериальных, вирусных агентов и сигналов опасности активируются TLR, индуцирующие синтез IL-12 дендритных клеток, что в дальнейшем активирует STAT4 и транскрипционный фактор T-bet, который запускает Th1-ответ лимфоцитов. В ряде случаев (СПИД, туберкулез, малярия, вирусные инфекции, действие ингибиторов: глю-кокортикостероидов, витамина D3, IL-10, про-стогландина Е) нарушается образование IL-12. ^2-клетки дифференциируются главным образом при действии IL-4, который может синтезироваться тучными клетками и базофилами в ответ на проникновение аллергенов. Дифферен-цировка ^2-клеток находится под контролем STAT6 и транскрипционного фактора GATA-3. В развитии из CD4+ клеток Th17 участвуют IL-1 ß и IL-2.
Во врожденном иммунитете основными продуцентами цитокинов служат клетки миелоидно-го ряда. В результате распознавания молекулярной структуры различных патогенов с помощью паттернраспознающих рецепторов запускается внутриклеточный сигнальный каскад, приводящий к экспрессии генов двух основных групп цитокинов - провоспалительных и интерферо-нов типа I: IL-1, IL-6, IL-8, IL-12, TNF-a, ГМ-КСФ, INF, хемокины и др., индуцирующих развитие воспаления и участвующих в защите организма от бактериальных и вирусных инфекций.
Клетки соединительной ткани, эпителия, эндотелия спонтанно, т.е. без антигенной стимуляции, конститутивно секретируют аутокринные факторы роста и цитокины, поддерживающие пролиферацию гемопоэтических клеток [2].
КЛЕТКИ-МИШЕНИ
Действие цитокинов на клетки-мишени опосредованно через специфические рецепторы, связывающие цитокины с очень высокой аффинностью. Каждый цитокин взаимодействует со своим специфическим рецептором.
Рецепторы цитокинов - трансмембраные белки пяти различных типов. Первый тип - гемо-поэтиновые рецепторы, которые имеют два внеклеточных домена, один из которых содержит общую последовательность аминокислотных остатков, который состоит из двух повторов триптофана и серина, разделенных любой аминокислотой. Второй тип рецепторов может иметь два внеклеточных домена с большим количеством консервативных цистеинов - рецепторы семейства IL-10 и INF. Третий тип представлен рецепторами цитокинов, относящихся к группе фактора некроза опухоли. Четвертый тип рецепторов цитокинов относится к суперсемейству иммуноглобулиновых рецепторов, имеющих внеклеточные домены, сходные по строению с доменами молекул иммуноглобулинов (пример, IL-1 рецептор). Пятый тип рецепторов представлен трансмембранными белками, семикратно пронизывающими клеточную мембрану. Рецепторы цитокинов могут существовать в растворимой форме, сохраняя способность связывать лиганды.
Связывание цитокина с рецептором вызывает его димеризацию, что приводит к фосфорилиро-ванию и активации Jak-киназы, которая способствует фосфорелированию и последующей диме-ризации STAT-киназы. STAT-киназа связывается с промоторным участком генов цитокинов и индуцирует их экспрессию.
Цитокины могут влиять на пролиферацию, дифференцировку, функциональную активность и апоптоз клеток-мишеней. Существует несколько вариантов проявления биологической активности цитокинов в клетках-мишенях в зависимости от участия различных внутриклеточных систем в передаче сигнала от рецептора. В проведении сигнала к апоптозу участвует специфиче-
ский домен рецепторов группы фактора некроза опухоли - так называемый домен смерти. Дифференцировочные сигналы передаются с участием внутриклеточных белков семейства STAT (сигнальные трансукторы и активаторы транскрипции). В передаче сигнала от хемокино-вых рецепторов участвуют G-белки (ГТФ-связы-вающие сигнальные белки), что приводит к усилению миграции и адгезии клеток.
Многочисленные эффекты Thl-клеток опосредуются плейотропным действием ИНФ-Y. ИНФ-Y усиливает фагоцитоз, микробицидную активность макрофагов, выработку ими провоспали-тельных цитокинов, усиливает процессинг и презентацию антигенов макрофагами и дендритными клетками. ИНФ-Y индуцирует активацию NK-клеток, созревание цитотоксических лимфоцитов и опсонизацию внеклеточных патогенов с помощью IgG, синтез которых усиливается при действии этого цитокина на В-лимфоциты.
Одно из основных биологических свойств IL-4, IL-13, секретируемых Th2, - их способность стимулировать пролиферацию активированных антигеном В-лимфоцитов. Механизм действия IL-4 связан с переключением синтеза изотипов иммуноглобулинов с IgM на IgE и IgG4. Этот цитокин служит фактором роста для базофилов, тучных клеток и эозинофилов. IL-4, IL-13 участвуют в иммунопатогенезе многих аллергических заболеваний. IL-5 отвечает за развитие эози-нофилии. IL-4, IL-5, IL-13 играют важную роль в патогенезе астмы. Избыточное образование в тканях IL-4, IL-13 при паразитарных инвазиях вызывает серьезные патологические изменения. Кроме того, IL-4, IL-13 вызывают альтернативную активацию макрофагов, индуцируя экспрессию маннозного рецептора, хемокинов CCL17, CCL18, CCL22.
Секретируемый Th2-лимфоцитами человека, IL-9 действует на кроветворные клетки-предшественники, преактивные Т- и В-лимфоциты, лабораторно доказано его влияние на дифферен-цировку тучных клеток у мышей [1].
ЦИТОКИНЫ И ВОСПАЛЕНИЕ
По характеру воздействия на воспалительный процесс цитокины подразделяются на провоспа-лительные (IL-1, IL-6, IL-8, TNF-a, IL-12) и противовоспалительные (IL-4, IL-10, ТФР-р).
На местном уровне цитокины отвечают за последовательные этапы развития адекватного ответа на внедрение патогена, его локализацию и удаление, активацию метаболизма соединительной ткани, стимуляцию пролиферации фибро-бластов и клеток эпителия, т.е. заживление повреждений и восстановление целостности ткани.
Распознавание патогена нейтрофилами и макрофагами происходит при участии То11-подобных рецепторов. В первые сутки в очаге воспаления преобладают нейтрофилы, затем преобладает количество моноцитов и макрофагов. Макрофаги способны вырабатывать 1Ь-1, 1Ь-6, 1Ь-8, 1Ь-12, ТОТ-а - провоспалительные цитокины. В клетках воспалительного экссудата под влиянием 1Ь-1 возрастает концентрация продуктов метаболизма фосфолипидов - простагландины, тромбок-сан, тромбоцитактивирующий фактор, что приводит к расширению стенок кровеносных сосудов. С повышением локального уровня 1Ь-1 усиливаются процессы дегрануляции. Под действием TNF-а увеличивается количество молекул адгезии на эндотелиальных клетках сосудов, что способствует привлечению лейкоцитов в очаг воспаления; происходит активация клеток, участвующих в воспалительной реакции; увеличивается количество молекул главного комплекса гистосовместимости на поверхности инфицированных клеток, что способствует их разрушению цитотоксическими клетками.
При контакте с микроорганизмами цитокины могут выделять и другие клетки: NK-клетки и Т-лимфоциты - ИНФ^, базофилы - ИЛ-4.
Следующий этап воспаления, который развивается при несостоятельности местной иммунной защиты, это системная воспалительная реакция или острофазовый ответ на системном уровне. Провоспалительные цитокины влияют почти на все органы и системы организма, вовлеченные в систему гомеостаза.
Действие провоспалительных цитокинов на ЦНС снижает аппетит, изменяет поведенческие реакции. Начало воздействия цитокинов на тер-морегуляторный центр гипоталамуса сопровождается повышением температуры тела. Повышение температуры уменьшает способность ряда бактерий к размножению и усиливает пролиферацию лимфоцитов.
В печени под влиянием цитокинов усиливается синтез белков острой фазы и компонентов системы комплемента, но ослабевает интенсивность синтеза альбумина.
Изменение ионного состава плазмы крови при развитии системной воспалительной реакции: снижается уровень железа, что угнетает пролиферацию бактериальных клеток; увеличивается уровень цинка, что необходимо для образования биологически активного сывороточного фактора тимуса - одного из тимических гормонов, обеспечивающих дифференцировку лимфоцитов [2].
Влияние цитокинов на кроветворную систему связано с существенной активацией гемопоэза, увеличением количества лейкоцитов и их функциональной активности, усилением свертываемости [3].
В иммунной системе цитокины осуществляют взаимосвязь между реакциями врожденного и адаптивного иммунитета, координируя их активность при уничтожении патогенов.
На уровне организма цитокины осуществляют связь между иммунной, нервной, эндокринной, кроветворной и другими системами и вовлекают их в формирование единой защитной реакции и ее регуляцию.
ЦИТОКИНЫ - САМОРЕГУЛИРУЮЩАЯСЯ СИСТЕМА
Избыточная экспрессия цитокинов небезопасна для организма и может привести к развитию чрезмерной воспалительной реакции, острофазного ответа. В регуляцию выработки провоспали-тельных цитокинов вовлечены различные ингибиторы. Например, для 1Ь-1 описан ряд молекул, неспецифически связывающих цитокин и препятствующих проявлению его биологического действия - а2-макроглобулин, компонент комплемента С3, уромодулин. Специфическими ингибиторами 1Ь-1 могут выступать растворимые рецепторы-ловушки, антитела и рецептор-ный антагонист 1Ь-1. При развитии воспаления происходит усиление экспрессии гена, кодирующего рецепторный антагонист 1Ь-1. В норме этот антагонист присутствует в циркуляции в высокой концентрации (до 1 нг/мл и более), блокируя действие эндогенного 1Ь-1.
Появление цитокинов в кровотоке сразу приводит к увеличению синтеза стероидных гормо-
нов, усилению синтеза рилизинг-факторов, стимуляции продукции гормонов клетками коры надпочечников. Как известно, стероидные гормоны - одни из наиболее сильных иммуносупрессо-ров. Они блокируют синтез цитокинов и не позволяют их уровню превысить предельных значений. Это служит эффективным механизмом отрицательной обратной связи для контроля гиперпродукции цитокинов [2].
Необходимо отметить, что агрессивный воспалительный ответ организма-хозяина при некоторых инфекционных заболеваниях представляет даже большую проблему, чем сама инфекция. Так, у пациентов с молниеносной грамотрицательной бактериальной инфекцией развивается тяжелое клиническое состояние -сепсис, приводящий к септическому шоку с полиорганной недостаточностью и высокой смертностью. В патогенезе играют роль следующие факторы. Повреждающее воздействие цито-кинов на эндотелий сосудов и альвеолярный эпителий легких приводит к затруднению диффузии кислорода через альвеолярно-капилляр-ную мембрану и резко снижает выработку сур-фактанта. В результате развивается острый респираторный дистресс-синдром, приводящий к прогрессирующей кислородозависимой гипок-семии. Кроме того, цитокины стимулируют тромбообразование, которое при их системном действии способно вылиться в развитие синдрома диссеминированного свертывания крови (ДВС-синдром). Во-вторых, медиаторы воспаления и цитокины (в частности, TNF-a) способствуют гиперпродукции клетками эндотелия сосудов оксида азота (N0), молекулы которого обладают мощным сосудорасширяющим эффектом. Действие оксида азота на сосуды дополняется третьим основным патогенным эффектом цитокинов - их влиянием на сердечную мышцу, которое проявляется аритмиями и ослаблением сократительной способности миокарда.
Сочетание всех этих повреждающих факторов в большинстве случаев приводит к гибели организма. Таков, к сожалению, весьма вероятный итог генерализации воспалительного процесса и развития «цитокиновой бури» в организме, который не смог локализовать первичный воспалительный очаг.
В подобных случаях эффективны препараты, направленные на подавление действия цитокинов. Эти препараты могут угнетать синтез или секрецию цитокинов, связываться с секретируе-мыми цитокинами, с его рецептором на клетке-мишени или блокировать передачу сигнала с цитокинового рецептора.
Измерение содержания цитокинов в сыворотке представляет одну из потенциальных возможностей оценки воспалительных реакций. Действительно, они являются основными медиаторами иммунного ответа, во многом определяя его направление. Их соотношение и динамика их содержания теоретически позволяют описать иммунный статус и определить фазу и прогноз заболевания.
Цитокины осуществляют преимущественно паракринные взаимодействия, и содержание большинства из них в системной циркуляции непостоянно и рассматривается как вторичное явление. Диагностическое значение определения цитокинов возрастает при их исследовании непосредственно в очаге специфического воспалительного процесса. С этой целью используется определение цитокинов в жидкостях полостей и секретах, таких как синовиальная и цереброспинальная жидкость, слюна, моча, отделяемое из хирургических дренажей. В связи с этими особенностями действия цитокинов, их концентрация в биологических жидкостях, таких как спинномозговая или синовиальная, имеет большую ценность по сравнению с определением цитоки-нов в сыворотке крови [4].
ЛИТЕРАТУРА
1. Симбирцев А.С. Цитокины: классификация и биологические функции //Цитокины и воспаление. - 2004. - Т.3, № 2. - С. 16-23.
2. Ковальчук Л.В., Ганковская Л.В., Мешкова Р.Я. Клиническая иммунология и аллергология с основами общей иммунологии. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2011. - 633 с.
3. Фрейдлин И.С., Шейкин Ю.А. Эндотелиальные клетки в качестве мишеней и продуцентов цитокинов // Медицинская иммунология. -2001. - Т.3, № 4. - С. 499-514.
4. Лапин С.В., Тотолян А.А. Иммунологическая лабораторная диагностика аутоиммунных заболеваний. - С-Пб.: Человек, 2010. - 272 с. ■
